JP2014047676A - 蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易、かつ、コストを抑えて可燃性媒体の外部への漏洩を防ぐことが可能な蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】蒸気とされた作動流体（可燃性媒体）により回転される蒸気タービン９と、蒸気タービン９の回転軸７０をシールするシール部７０ａと、シール部７０ａから漏洩した作動流体が抽気される抽気部１１と、抽気部１１から導かれた作動流体が燃焼される燃焼室１３と、を備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に地熱発電に用いられて好適な蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置に関するものである。

地熱発電の設備は、地中を所定深さまで掘削し、地下深部で蒸気と熱水が高圧下で共存する地熱流体を地上へ噴出させ、この地熱流体をセパレータにより蒸気と熱水とに分離し、この分離した蒸気によりタービンを駆動回転して発電を行うものが一般的である。

また、地下の温度や圧力が低いため地熱発電を行うことが不可能であり、熱水しか得られない場合でも、アンモニア、ペンタンおよびフロンなど水よりも低沸点の熱媒体（可燃性媒体）を作動流体として用い、この熱媒体を熱水で沸騰させ蒸気タービンを回して発電させることができるバイナリ発電が知られている。

このようなバイナリ発電では、作動流体としての低沸点の熱媒体が、バイナリ発電装置のタービンやポンプ等のシール部から外部へと漏洩してしまう問題があった。

これらの問題の対策として、例えば、下記特許文献１および２に記載されたものがある。

特許文献１には、漏洩等により減少した作動流体を補給するにあたり、作動流体の液レベルをモニターし、液レベルが低下したとき液レベルの変化量に基づいて作動流体全体の所要補給量を計算し、蒸発器における作動流体蒸気の温度および圧力を計測してそれらの計測値から作動流体の現在の濃度を計算し、現在の濃度を設定濃度と比較して上記所要補給量にて設定濃度を得るために必要な各成分の割合を求めることによって成分ごとの追加充填量を決めるようにした非共沸混合媒体の補給方法が示されている。

作動流体の温度に応じて作動流体全体の所要補給量に占めるべき各成分の割合を定めて成分ごとに追加充填することとしたので、設定温度を維持しつつ補給を行うことができることが示されている。

特開平３−１００３０７号公報

特許文献１に開示された地熱発電システムでは、漏れた作動流体を補給することにより、設定温度を維持しつつ補給を行うことができる。これによりシステムを停止させずに安定した運転が可能となっている。しかし、漏れた作動流体は、可燃性の媒体であるため、火災となる問題があった。また、周辺環境への公害となる問題があった。

また、これらの可燃性流体（例えば炭化水素系の媒体）の漏洩を防ぐために、作動機器のシール部にシール性の高い構造を採用すると、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡易、かつ、コストを抑えて可燃性媒体の外部への漏洩を防ぐことが可能な蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置は以下の手段を採用する。本発明の蒸気タービンは、蒸気とされた可燃性媒体により回転される蒸気タービンと、前記蒸気タービンの回転軸をシールするシール部と、前記シール部から漏洩した前記可燃性媒体が抽気される抽気部と、前記抽気部から導かれた可燃性媒体が燃焼される燃焼室と、を備えていることを特徴とする。

蒸気タービンのシール部から漏洩した可燃性媒体（例えば炭化水素系の可燃性物質）は、抽気部により燃焼室へ導かれる。シール部から漏洩した可燃性媒体を回収して燃焼室で燃焼させて処理することにより、設備の安全性を向上することができる。
また、例えば燃焼室で燃焼させてから外部へと放出することとすれば、周辺環境への公害を防止することができる。
また、シール部の漏れを許容した設計とできるので、例えばラビリンスシールといった安価なシール部とすることができる。したがって、設備の費用を削減することができる。

さらに、本発明の蒸気タービンでは、前記燃焼室から排出された排気ガスから熱回収する熱交換器を備えていることを特徴とする。

燃焼後の排気ガスから熱回収する熱交換器に通すことで、排気ガスの熱を回収することができる。これにより設備の効率を向上させることができる。

さらに、本発明の蒸気タービンでは、前記燃焼室は、ボイラまたは内燃機関の燃焼器とされていることを特徴とする。

シール部から漏洩した可燃性媒体を内燃機関（例えばエンジン）やボイラなどの燃焼器へと供給し、燃料として用いて燃焼される。これにより、漏洩した可燃性媒体を無駄なく有効に利用することができる。

さらに、本発明の蒸気タービンでは、前記抽気部には、エジェクターが設けられていることを特徴とする。

抽気部にエジェクターを設けることにより、シール部から漏洩した可燃性媒体を吸引することができる。また、エジェクターを使用することにより、漏洩媒体と空気を混合して燃焼室へ移送できる。

さらに、本発明のバイナリ発電装置では、上記の蒸気タービンと、生成井から導かれた高温高圧の地熱水を蒸気と熱水に分離するセパレータと、前記セパレータから導かれた前記蒸気により可燃性媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から導かれた前記可燃性媒体の蒸気によって駆動された前記蒸気タービンに駆動されて発電する発電機と、前記蒸気タービンから導かれた前記可燃性媒体を凝縮させる凝縮器と、を備えていることを特徴とする。

蒸気タービンをバイナリ発電に採用することにより設備の安全性を向上することができる。また、可燃性媒体を無駄なく利用することができる。これにより、発電設備の効率を向上することができる。

さらに、本発明のバイナリ発電装置では、前記燃焼室で発生した燃焼ガスと前記可燃性媒体とを熱交換させる加熱用熱交換器を備え、該加熱用熱交換器は、前記蒸気タービンの上流側に設けられていることを特徴とする。

可燃性媒体の燃焼後のエネルギーが大きいため、可燃性媒体を燃焼する燃焼室の排熱を利用した加熱器として使用する加熱用熱交換器を設けることとした。これにより、可燃性媒体の燃焼による排熱を無駄にすることがなく、蒸気タービンへ供給する前の可燃性媒体を加熱することができる。したがって、高いタービン効率を得ることができる。

さらに、本発明のバイナリ発電装置では、前記加熱用熱交換器は、前記蒸発器と前記凝縮器との間、および／または、前記蒸気タービンと前記蒸発器との間、に設けられていることを特徴とする。

加熱用熱交換器は、蒸発器と凝縮器との間、および／または、蒸気タービンと蒸発器との間に設けることとした。これにより、蒸気タービンへ供給する前の可燃性媒体を加熱することができる。これにより、可燃性媒体を効率よく加熱することができるのでタービン効率を向上することができる。

本発明によれば、以下の作用効果を奏する。
蒸気タービンのシール部から漏洩した可燃性媒体を回収して燃焼室で燃焼させて処理することにより、設備の安全性を向上することができる。また、例えば燃焼室で燃焼させてから外部へと放出することとすれば、周辺環境への公害を防止することができる。さらに、シール部の漏れを許容した設計とできるので、例えばラビリンスシールといった安価なシール部とすることができる。したがって、設備の費用を削減することができる。

本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の第３実施形態を示す概略構成図である。 本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の第２実施形態を示す概略構成図である。 本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の第１実施形態および第２実施形態に用いられる抽気部を示す要部概略断面図である。 本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の第１実施形態の変形例を示す概略構成図である。 本発明の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の第４実施形態を示す概略構成図である。

以下に、本発明に係る蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図４に示されているように、蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置は、セパレータ３と、蒸発器７と、予熱器２３と、加熱用熱交換器２３ａと、蒸気タービン９と、発電機１０と、凝縮器１６と、冷却塔２０とを備えている。

生成井１から導かれる高温高圧の地熱水を蒸気と熱水に分離するセパレータ３が設けられている。セパレータ３の上部には、高温蒸気配管４が接続され、セパレータ３の下部には、高温熱水配管５が接続されている。

セパレータ３にて分離された蒸気と熱交換されて作動流体（熱媒体）を蒸発させる蒸発器７が設けられている。蒸発器７にて蒸発した作動流体の蒸気により駆動される蒸気タービン９と、蒸気タービン９に駆動されて発電する発電機９ａが設けられている。

蒸気タービン９を駆動させた作動流体の蒸気は、タービン排気配管１５を介して、凝縮器１６へと導かれている。凝縮器１６は、冷却水と熱交換することによって、蒸気タービン９から導かれた作動流体を凝縮させる。また、凝縮器１６に供給する冷却水を冷却する冷却塔２０が設けられている。

また、凝縮器１６を通された作動流体を加熱する加熱用熱交換器２３ａと予熱器２３が設けられている。

生成井１より噴出した地熱源（例えば蒸気及び／又は熱水）は、地熱源配管２を介してセパレータ３へと供給される。セパレータ３により、高温の蒸気と、高温の熱水に分離される。分離された高温の蒸気は、蒸発器７内の作動流体を加熱するために用いられ、高温蒸気配管４内を流れ、蒸発器７内の作動流体を加熱した後に、セパレータ３で分離された高温の熱水と合流部５ａで合流される。合流部５ａで合流した高温の熱水および蒸気は、高温熱水配管内を流れて還元井６へと返送される。

作動流体は蒸発器７において蒸気となり高温作動流体配管８を介して蒸気タービン９へ導かれ、そこで仕事を行って回転軸７０を回し発電機１０を駆動する。蒸気タービンのシール部７０ａから漏洩した作動流体は、抽気部１１により外部へと出されない構造となっている。抽気部１１にはエジェクター４３（図３参照）が設けられている。エジェクター４３（図３参照）により、抽気された作動流体は、空気と混合し、移送配管１２を介して燃焼室１３へ供給される。作動流体は、燃焼室１３で燃焼され、排気ガスは、燃焼室１３に接続された排ガス配管５２を介して加熱用熱交換器２３ａに通される。加熱用熱交換器２３ａで作動流体を加熱した排ガスは、排ガス配管５２から大気放散される。

仕事を終えて蒸気タービン９を出た蒸気は、凝縮器１６において、冷却されて凝縮される。凝縮された作動流体は、低温作動流体配管２１を通りポンプ２２により蒸発器７に戻される。また、凝縮器１６には、冷却水供給配管１７が接続され、ポンプ１９により冷却水が供給される。凝縮器１６を冷却した冷却水は、冷却水返送配管１８を介して冷却塔２０へと供給され冷却水が冷却される。

図４に示されるように、低温作動流体配管２１上には、燃焼室１３によって燃焼された作動流体（例えば炭化水素系の可燃性物質）の排熱を利用して作動流体が加熱される加熱用熱交換器２３ａ（第二予熱器）が設けられている。燃焼室１３で作動流体を燃焼した際に発生した排ガスは、燃焼室１３に接続された排ガス配管５２内を流れて加熱用熱交換器２３ａ内に通された後に、大気へと放散される。

図３は、抽気部１１を示す要部概略断面図である。
抽気部１１には、エジェクター４３が設けられている。エジェクター４３はポンプなどの機械的運動によらずに、圧縮空気から直接真空を作ることができる。エジェクター４３内においてノズル３９とディフューザー４０は適当な距離をおいて向き合っており、ノズル３９から噴射された高速の空気３８の流れの束はディフューザー４０の入口に向って進む。この空気の流れによって負の静圧が生じ、エジェクター４３内は真空とされる。この静圧と空気の粘性によって、ディフューザー４０の入口に飛び込む空気噴流に周囲の空気が引き込まれる。供給された圧縮空気と真空ポートから吸い込まれた空気および作動流体の混合流体３７は、ディフューザー４０を通過し、排気ポート４１から排出される。排気ポート４１は、移送配管１２（図４参照）に接続され、排気ポート４１から排出された空気および作動流体は、燃焼室１３（図４参照）に導かれる。

図３に示されるように、蒸気タービン９のシール部７０ａはロータ３０側と、ケーシング３１側の間にラビリンスシール３４が設けられている。ラビリンスシール３４から漏洩した作動流体は、抽気部１１（図４参照）に設けられたエジェクター４３により抽気され、例えば、矢印３２の方向に作動流体が流され、対向する矢印３３の方向に外気が流される。また、矢印３５の方向に、作動流体と外気が混合されて混合流体３７を形成してエジェクター吸入配管３６内に流される。

上記構成を有する蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の作用効果について以下に説明する。
加熱用熱交換器２３ａは、蒸発器７と凝縮器１６との間に設けることとした。これにより、蒸気タービン９へ供給する前の作動流体を加熱することができる。これにより、作動流体を効率よく加熱することができるのでタービン効率を向上することができる。

蒸気タービン９のシール部７０ａから漏洩した作動流体（例えば炭化水素系の可燃性物質）は、抽気部１１により燃焼室１３へ導かれることとした。シール部７０ａから漏洩した作動流体を回収して燃焼室１３で燃焼させて処理することにより、設備の安全性を向上することができる。

また、例えば燃焼室１３で燃焼させてから外部へと放出することとすれば、周辺環境への公害を防止することができる。

さらに、シール部７０ａの漏れを許容した設計とできるので、例えばラビリンスシール３４といった安価なシール部とすることができる。したがって、設備の費用を削減することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。
本実施形態の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の基本構成は、第１実施形態と同様であるが、第１実施形態とは、加熱用熱交換器を設けた位置が異なっている。よって、本実施形態においては、図２を用いて加熱用熱交換器を設けた構成のみを説明し、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図２に示されるように、高温作動流体配管８上には、燃焼室１３によって燃焼された作動流体（例えば炭化水素系の可燃性物質）の排熱を利用して作動流体が加熱される加熱用熱交換器７１が設けられている。燃焼室１３で作動流体を燃焼した際に発生した排ガスは、燃焼室１３に接続された排ガス配管１４内を流れて加熱用熱交換器７１内に通された後に、大気へと放散される。また、セパレータ３から分離された高温の熱水が流される高温熱水配管５と蒸発器７に通された高温蒸気との合流部５ａの下流側に、高温の熱水の熱を回収する予熱器２３が設けられている。予熱器２３には、蒸発器７へと供給される前の作動流体が流される。

本実施形態によれば、燃焼後の排気ガスから熱回収する加熱用熱交換器７１に通すことで、排気ガスの熱を回収することができる。これにより設備の効率を向上させることができる。また、予熱器２３を設けることにより、作動流体を効率よく加熱することができる。これにより、さらに設備の効率を向上させることができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について図１を参照して説明する。
本実施形態の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の基本構成は、第２実施形態と同様であるが、第２実施形態とは、予熱器および加熱用熱交換器を設けていない構成が異なっている。よって、図１を用いて第２実施形態とは異なる構成のみを説明し、第２実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１には、生成井１から取り出した地熱源（例えば熱水や蒸気）により蒸気とされた作動流体により回転される蒸気タービン９と、蒸気タービン９の回転軸７０をシールするシール部７０ａと、シール部７０ａから漏洩した作動流体が抽気される抽気部１１と、抽気部１１から導かれた作動流体が燃焼される燃焼室１３とが設けられている。

本実施形態によれば、シール部７０ａから漏洩した作動流体を回収して燃焼室１３で燃焼させて処理することにより、設備の安全性を向上することができる。また、加熱用熱交換器７１を設けていないため、より簡便な構造とすることができる。加熱用熱交換器７１を設けていないので設備にかかる費用を削減することができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について図５を参照して説明する。
本実施形態の蒸気タービンおよびこれを備えたバイナリ発電装置の燃焼室１３に代えて内燃機関としたものである。よって、本実施形態においては、図５を用いて内燃機関を設けた構成のみを説明し、第３の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示されているように、抽気部１１により抽気された作動流体を燃焼させる内燃機関６１が設けられている。内燃機関６１は、例えば、内燃機関６１の燃焼器とされている。また、ボイラを燃焼室として用いても良い。抽気部１１から抽気された作動流体は、供給配管６０内を通り、内燃機関６１へと供給されて燃焼される。

シール部７０ａから漏洩した作動流体を内燃機関６１（例えばエンジン）やボイラなどの燃焼器へと供給し、燃料として用いて燃焼される。これにより、漏洩した作動流体を無駄なく有効に利用することができる。

１ 生成井
２ 地熱源配管
３ セパレータ
４ 高温蒸気配管
５ 高温熱水配管
５ａ 合流部
６ 還元井
７ 蒸発器
８ 高温作動流体配管
９ 蒸気タービン
１０ 発電機
１１ 抽気部
１２ 移送配管
１３ 燃焼室
１４ 排ガス配管
１５ タービン排気配管
１６ 凝縮器
１７ 冷却水供給配管
１８ 冷却水返送配管
１９ 冷却水ポンプ
２０ 冷却塔
２１ 低温の作動流体配管
２２ 低温の作動流体移送ポンプ
２３ 予熱器
２３ａ 第２予熱器（加熱用熱交換器）
２４ 作動流体配管
４３ エジェクター
７０ 回転軸
７０ａ シール部
７１ 加熱用熱交換器

Claims (7)

1. 蒸気とされた可燃性媒体により回転される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンの回転軸をシールするシール部と、
   前記シール部から漏洩した前記可燃性媒体が抽気される抽気部と、
   前記抽気部から導かれた可燃性媒体が燃焼される燃焼室と、
   を備えていることを特徴とする蒸気タービン。
2. 前記燃焼室から排出された排気ガスから熱回収する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
3. 前記燃焼室は、ボイラまたは内燃機関の燃焼器とされていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
4. 前記抽気部には、エジェクターが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蒸気タービン。
5. 請求項１から４のいずれかに記載された蒸気タービンと、
   生成井から導かれた高温高圧の地熱水を蒸気と熱水に分離するセパレータと、
   前記セパレータから導かれた前記蒸気により可燃性媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器から導かれた前記可燃性媒体の蒸気によって駆動された前記蒸気タービンに駆動されて発電する発電機と、
   前記蒸気タービンから導かれた前記可燃性媒体を凝縮させる凝縮器と、
   を備えていることを特徴とするバイナリ発電装置。
6. 前記燃焼室で発生した燃焼ガスと前記可燃性媒体とを熱交換させる加熱用熱交換器を備え、
   該加熱用熱交換器は、前記蒸気タービンの上流側に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のバイナリ発電装置。
7. 前記加熱用熱交換器は、前記蒸発器と前記凝縮器との間、および／または、前記蒸気タービンと前記蒸発器との間、に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のバイナリ発電装置。

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