発電システム
【課題】 本発明は、蒸気タービンによる汽力発電を用いた火力発電、原子力発電において、発電量を画期的に増加させ、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させるシステムを提供する。
【解決手段】 高圧水蒸気タービン及び発電機と、高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃の液体有機媒体を蒸気に変換し、かつ水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器と、水蒸気−液体有機媒体熱交換器から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービン及び発電機と、低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器及び冷却機能を持つ冷凍機と、液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えた発電システムである。
【解決手段】 高圧水蒸気タービン及び発電機と、高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃の液体有機媒体を蒸気に変換し、かつ水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器と、水蒸気−液体有機媒体熱交換器から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービン及び発電機と、低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器及び冷却機能を持つ冷凍機と、液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えた発電システムである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において、発電量を画期的に増加させ、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させるシステムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
日本の火力発電は、１８８７年に日本橋茅場町に設置されてから、地勢的、気象的な要因により、「水主火従」の形で電源開発は進められてきたが、高度経済成長に伴う電力需要の急増と経済的な水力資源の減少、火力発電設備の信頼性と経済性の向上などによって、電源開発の主体は「火主水従」へと移行した。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するのが火力発電であり、これを原動機別にみると、蒸気タービンによる汽力発電、ディーゼル機関などによる内燃力発電、ガスタービン発電、そしてガスタービン発電と汽力発電を複合したコンバインドサイクル（複合）発電に分類される。
【０００３】
しかし、火力発電は化石燃料をエネルギー源としているので、その埋蔵量には限界があり、燃料価格も上昇し続けたので、他のエネルギー源として商用原子力発電が１９５４年にソ連のオブニンスクにて世界最初に運転開始した。我が国においては、１９６６年に東海発電所にて商用運転を開始し、２００９年時点で４８８０万ｋＷ（５４基）まで増設されている。
【０００４】
一方、１９７３年に発生したオイルショックを契機にして化石燃料価格が高騰し、エネルギー源の多様化が叫ばれるようになり、その一環として地熱発電が世界的に注目されるようになった。火山地帯が多い我が国においては大きな期待が寄せられて研究開発が進められ、２００５年時点で５５万ｋＷ規模の発電量となったが、以降建設は停滞している。
【０００５】
地熱発電の装置構成としては、火山地帯の地下から噴出する水蒸気でタービンを駆動して発電を行い、排水蒸気は空冷または水冷によって復水させる方式と、地下から噴出する熱水、水蒸気でペンタン、ブタンなどの低沸点有機媒体の熱交換を行い、発生する中圧蒸気でタービンを駆動して発電を行い、排蒸気は空冷または水冷で液化して循環使用する方式がある。（特許文献１、２）
【０００６】
１９５０年代半ばから始まった我が国の高度経済成長に伴って、産業廃棄物および家庭一般ごみの排出量が急増したため、全国各都市はごみ焼却場を設置して焼却処分するようになった。エネルギー事情から必然的に焼却炉で発生する燃焼熱で水蒸気を発生させて発電する方式が採用された。しかし、ごみ焼却炉で発生する水蒸気は圧力、温度が通常の火力発電所のそれよりかなり低いので、発電量も少ない。
この発電量の改善策として、水蒸気タービンから排出する水蒸気の凝縮潜熱を低沸点の有機媒体（プロパン、アレンなど）に伝達して中圧蒸気を発生させて、その蒸気でタービンを駆動してバイナリー発電を行う方式である。（特許文献３）この方式でも有機媒体蒸気の冷却は空冷または水冷で行っているので、後段のタービンによる発電増加量は前段水蒸気タービン発電量の最大１２％程度である。
【０００７】
前記のように多様な発電方式があるが、その発電量の約９０％を火力発電と原子力発電が占めているので、この発電方式における発電能力の向上は、省エネ、温暖化防止に対する寄与が極めて大きいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１２２００６号公報
【特許文献２】特開昭５８−５４８５号公報
【特許文献３】特開２０００−１４５４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の火力発電方式においては、ボイラで高温に熱せられた水蒸気は、水蒸気タービンを駆動させた後も多くの熱エネルギーを持って復水器に入り、冷却凝縮されているため、水蒸気の熱エネルギーの電力化が極めて不十分であるとともに、温海水による環境汚染の問題も深刻である。原子力発電においては、高温、高圧水蒸気が原子炉で生成されること以外のサイクルは火力発電と同一であり、問題点が同一である。
【００１０】
一方、特許文献１〜３に記載されているような有機媒体を低温熱源で加熱して蒸発させ、その蒸気でタービンを駆動させる地熱発電、ごみ焼却炉発電においては、有機媒体蒸気の凝縮を空冷または水冷で行うので、冷却が不充分で発電量が少なく、顕著な発電量の増加は達成できない。また、有機媒体の漏洩が発生した場合、有機媒体の温度が高いために圧力が高く、環境への放散量が多くなり、爆発の危険性と環境破壊が大きくなる。
【００１１】
また、地熱発電またはごみ焼却炉発電においては、有機媒体蒸気の凝縮を空冷または水冷で行う場合、季節および時刻的な温度変化により、非定常な発電となり、運転管理が複雑となるという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は、蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において、発電量を画期的に増加させ、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させるシステムを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題は以下の通りの本発明により達成できる。
【００１４】
即ち、本発明は、熱を利用して給水を加熱して水蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラからの水蒸気の熱エネルギーによって回転作動する高圧水蒸気タービンおよび該高圧水蒸気タービンによって駆動する発電機と、前記高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃である液体有機媒体を蒸気に変換させ、かつ前記水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）と、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービンおよび該低圧タービンによって駆動する発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器およびその冷却機能を持つ冷凍機と、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えることを特徴とする発電システムである（本発明１）。
【００１５】
また、本発明は、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体によって冷却する蒸気有機媒体熱交換器を更に備えることを特徴とする本発明１に記載の発電システムである（本発明２）。
【００１６】
また、本発明は、前記有機媒体がブタンであることを特徴とする本発明１又は２に記載の発電システムである（本発明３）。
【００１７】
また、本発明は、水蒸気の発生が化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するものである本発明１〜３のいずれかに記載の発電システムである（本発明４）。
【００１８】
また、本発明は、水蒸気の発生が核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものである本発明１〜３のいずれかに記載の発電システムである（本発明５）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る発電システムによれば、従来の蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において利用されていなかった発電利用後の高エネルギー水蒸気を、有機媒体タービンを付設して再利用することで、発電量を画期的に増加させることができる。さらに、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させることで、発電所付近の海水温の上昇がなくなり、海の生態系を乱すこという環境破壊もなくすことができる。また、ブタン等の有機媒体の漏洩が起こった場合には復水器への液体ブタンの供給を停止すれば、有機媒体が液化して低蒸気圧になるので環境への放散は防止できる。
さらに、本発明に係る発電システムによれば、低圧タービンから排出された有機媒体蒸気の液化温度を冷凍機を用いて安定化することができるため、定常な発電が容易にでき、運転管理がしやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る発電システムの概略図である。
【図２】本発明に係る発電システムの別の態様を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、有機媒体をブタンとした場合の本発明の実施形態について、表１と図１に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、水蒸気、蒸気ブタンによる汽力発電を行う火力発電システムの概略構成図である。この発電システムは、主要構成部として、ボイラ１、発電水蒸気タービン２、発電ブタン蒸気タービン３、発電機４、５、水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６、液体ブタン熱交換器８、冷凍機９、液体ブタンポンプ１０、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１、給水ポンプ２３を備える。
【００２３】
発電水蒸気タービン２から排出される水蒸気１３（約１０５℃）は水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６に送られる。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６では、水蒸気１３を液体ブタン２１（９８℃）の蒸発に利用して、飽和蒸気ブタン１５（９８℃）を発生させ、水蒸気１３は液体ブタンの蒸発により冷却されて液体の凝縮水１４（１００℃）に変換される。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６にて液体の水に変換された凝縮水１４は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン熱交換器８からの液体ブタン２０（−１０℃）と熱交換してボイラ給水２２（２℃）となり、ボイラ排ガスを利用して加熱され、給水ポンプ２３により再びボイラ１に送られる。なお、各向流型熱交換器における加熱流体入口と被加熱流体出口との温度差は全て２℃とする。
【００２４】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン１９が予熱されて液体ブタン２１（９８℃）になり、水蒸気−液体ブタン熱交換器６に入って飽和蒸気ブタン１５となる。その飽和蒸気ブタン１５は、発電ブタン蒸気タービン３に送られる。発電ブタン蒸気タービン３は、飽和蒸気ブタンの熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、発電機５を回転駆動して電力を出力する。
【００２５】
発電ブタン蒸気タービン３から排出される蒸気ブタン１６（２℃）は液体ブタン熱交換器８に送られる。液体ブタン熱交換器８で、蒸気ブタン１６は冷凍機９で冷却された冷媒１８（−１２℃）と熱交換して−１０℃の液体ブタン１９となる。
【００２６】
液体ブタン熱交換器８から排出された液体ブタン１９（−１０℃）は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１に送られ、凝縮水１４との熱交換で液体ブタン２１（９８℃）として繰り返し利用する。
【００２７】
次に、図２に基づいて、本発明の別の態様について説明する。
【００２８】
図２は、水蒸気、蒸気ブタンによる汽力発電を行う火力発電システムの概略構成図である。この発電システムは、主要構成部として、ボイラ１、発電水蒸気タービン２、発電ブタン蒸気タービン３、発電機４、５、水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６、蒸気ブタン熱交換器７、液体ブタン熱交換器８、冷凍機９、液体ブタンポンプ１０、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１、給水ポンプ２３を備える。
【００２９】
前記蒸気ブタン熱交換器７を備えることによって、より効率よく熱交換することが可能となる。
【００３０】
発電水蒸気タービン２から排出される水蒸気１３（約１０５℃）は水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６に送られる。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６では、水蒸気１３を液体ブタン２１（９８℃）の蒸発に利用して飽和蒸気ブタン１５（９８℃）を発生させ、水蒸気１３は液体ブタンの蒸発により冷却されて液体の凝縮水１４（１００℃）に変換される。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６にて液体の水に変換された凝縮水１４は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で蒸気ブタン熱交換器７からの液体ブタン２０（０℃）と熱交換してボイラ給水２２（２℃）となり、ボイラ排ガスを利用して加熱され、再びボイラ１に送られる。
【００３１】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン２０（０℃）が予熱されて液体ブタン２１（９８℃）になり、水蒸気−液体ブタン熱交換器６に入って飽和蒸気ブタン１５（９８℃）となる。その飽和蒸気ブタン１５は、発電ブタン蒸気タービン３に送られる。発電ブタン蒸気タービン３は、飽和蒸気ブタン１５の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、発電機５を回転駆動して電力を出力する。
【００３２】
水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６で生成する飽和蒸気ブタン１５が発電ブタン蒸気タービン３の運転上で支障があるようであれば、高圧水蒸気１２と飽和蒸気ブタン１５との熱交換器を設置して、過熱蒸気ブタンにすれば運転支障は解消できる。そのプロセス変更は系内のエンタルピー授受であるから、総発電量の変化は殆どない。
【００３３】
発電ブタン蒸気タービン３から排出される蒸気ブタン１６（２℃）は蒸気ブタン熱交換器７に送られる。蒸気ブタン熱交換器７で、蒸気ブタン１６は予め冷凍機で冷却された液体ブタン１９（−１０℃）と熱交換して冷却された蒸気ブタン１７（０℃）となる。この冷却された蒸気ブタン１７は、液体ブタン熱交換器８に送られて冷凍機９で冷却された冷媒１８（−１２℃）と熱交換して−１０℃の液体ブタン１９となり、上記の蒸気ブタン熱交換器７へ戻されて、蒸気ブタン１６の冷媒として利用する。
【００３４】
蒸気ブタン熱交換器７から排出された液体ブタン２０（０℃）は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１に送られ、凝縮水１４との熱交換で液体ブタン２１（９８℃）として繰り返し利用する。
【００３５】
なお、本発明においては、水蒸気の発生方法は特に限定されるものではないが、、化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するもの、又は、核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものであることが好ましい。
【００３６】
＜作用＞
本発明は上記のようにシステム構成されるが、下記に発電プロセスを例示し、その効果作用を説明する。
【００３７】
まず、発電の規模については９．０×１０４ｋＷとし、水蒸気タービンは表１に示す仕様とする（火力発電、電気学会大学講座（１９６６））。
【００３８】
【表１】
【００３９】
次に、図２に基づいて、プロセス詳細について述べる。
【００４０】
＜タービンに送入すべき水蒸気量の算出＞
発電量９．０×１０４ｋＷの電気エネルギーに相当する熱エネルギーは、９．０×１０４×８６０．５＝７．７５×１０７ｋｃａｌ／ｈとなり、この電気エネルギーを得るためのタービンに送入すべき水蒸気量は、タービンおよび発電機の総合有効効率を７６％とすると、７．７５×１０７ｋｃａｌ／［（８２０．９−６４１．４）×０．７６］＝５．６８×１０５ｋｇ／ｈとなる。
【００４１】
＜給水ポンプ動力＞
火力発電プロセスを構成するための補助機器として、ボイラ給水２２をボイラ１に送入する給水ポンプ２３が必要である。このポンプの消費電力量と９×１０４ｋＷの発電量を確保するために、発電水蒸気タービン２に供給すべき水蒸気量をｘ［ｋｇ／ｈ］とすれば、ポンプ所要動力Ｗｐ［ｋＷ］は次式となる。
Ｗｐ＝ＶΔＰ／（η×３．６７×１０５）…（１）
ここで、送液流量Ｖ［ｍ３／ｈ］、凝縮水とボイラ水蒸気との圧力差ΔＰ［ｋｇｆ／ｍ２］、単位換算係数；３．６７×１０５ｋｇｆ・ｍ／ｋＷｈである。また、ポンプ効率η［−］は７８％である（火力発電、電気学会大学講座（１９６６））。
【００４２】
上記（１）式に本例の各数値を代入すると、Ｗｐ［ｋＷ］が求められる。
Ｗｐ＝ｘ×１０−３×（１７０−１）×１０４／（０．７８×３．６７×１０５）
＝５．９０×１０−３ｘ
【００４３】
一方、ｘｋｇ／ｈの高圧水蒸気１２による発電量は、前記計算より、９．０×１０４×（ｘ／５．６８×１０５）＝０．１５８ｘｋＷとなる。したがって、発電水蒸気タービン２に送入すべき水蒸気量ｘは（２）式で求められる。
０．１５８ｘ−５．９０×１０−３ｘ＝９．０×１０４…（２）
【００４４】
この式より、発電水蒸気タービン２への高圧水蒸気１２の送入量ｘは５．９２×１０５ｋｇ／ｈとなる。
【００４５】
＜液体ブタンによる排水蒸気の復水器＞
従来の火力発電は、水蒸気のエンタルピー差を電力に変換し、１００℃近くで水蒸気が凝結する前に、タービンから抜き出して復水器で凝縮させている。すなわち８２０．９−６４１．４＝１７９．５ｋｃａｌ／ｋｇを発電に利用し、５３８．８ｋｃａｌ／ｋｇの凝縮潜熱を環境に放出している。この潜熱を液体ブタンの蒸発に利用して９８℃、１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２の飽和蒸気ブタン１５を発生させ、この飽和蒸気ブタン１５で低圧タービン５による発電を行い、タービンからの蒸気ブタン１６は冷凍機９により−１０℃程度に冷却して液化して循環させることによりサイクルを構成するプロセスである。
【００４６】
排水蒸気が凝縮により液体ブタンに与えるエンタルピーは、５．９２×１０５×５３８．８＝３．１９×１０８ｋｃａｌ／ｈとなる。冷凍機で冷却された−１０℃程度の液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７において２℃程度でブタンタービンから排出させる蒸気ブタン１６と熱交換して、０℃程度の液体ブタン２０となる。この液体ブタンを９８℃に予熱するためには、その比熱が０．５４９ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋであるから、（９８−０）×０．５４９＝５３．８ｋｃａｌ／ｋｇの熱量が必要である。水蒸気タービン出口では水蒸気温度１０５℃、圧力１．０ｋｇｆ／ｃｍ２であるから、過熱水蒸気である。これを水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６において９８℃の液体ブタンと熱交換すれば凝縮水１４（１００℃）、蒸気ブタン１５（９８℃）となる。
【００４７】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１では、凝縮水は１００℃から２℃までの顕熱（９８ｋｃａｌ／ｋｇ）が液体ブタン２０の予熱に利用でき、水蒸気タービン排水蒸気１ｋｇで蒸発する蒸気ブタンｘ（ｋｇ）は下記の熱収支（３）式から４．５０ｋｇとなる。したがって、水蒸気−液体ブタン熱交換器６で発生する９８℃の蒸気ブタン１５の重量は、５．９２×１０５×４．５０＝２．６６×１０６ｋｇ／ｈとなる。
ｘ ＝（水の凝縮潜熱＋１００〜２℃の凝縮水顕熱）／（ブタン蒸発潜熱＋０〜９８℃のブタン顕熱）
＝（５３８．８＋９８）／（８７．７５＋５３．８） …（３）
ここでブタンの蒸発潜熱は８７．７５ｋｃａｌ／ｋｇである。
【００４８】
＜ブタン蒸気タービン＞
蒸気ブタンの定圧比熱Ｃｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）は下記の（４）式で表わされる（出展；化学工学便覧）。
Ｃｐ＝０．０７６６＋１．２４３×１０−３Ｔ−０．３８２×１０−６Ｔ２ …（４）
【００４９】
この式から９８℃の蒸気ブタン１５のエンタルピーｈ９８（ｋｃａｌ／ｋｇ）を求めると、下記の値となる。
ｈ９８＝∫0371ＣｐｄＴ＝０．０７６６×３７１＋１．２４３×１０−３×（１／２）
×３７１２−０．３８２×１０−６×（１／３）×３７１３
＝１０７．５
【００５０】
また、ブタンの沸点は−０．５℃であるから、低圧タービンから蒸気ブタンは２℃程度で抜き取る必要があると考えると、２℃の蒸気ブタン１６のエンタルピーｈ２（ｋｃａｌ／ｋｇ）は下記の値となる。
ｈ２＝∫0275ＣｐｄＴ＝０．０７６６×２７５＋１．２４３×１０−３×（１／２）
×２７５２−０．３８２×１０−６×（１／３）×２７５３
＝６５．４
【００５１】
ブタンタービン発電機の総合有効効率を７６％とすれば、飽和蒸気ブタン１５のタービンへの流入量２．６６×１０６ｋｇ／ｈであるから、その発電量（ｋＷ）は下記の値となる。
２．６６×１０６×（１０７．５−６５．４）×０．７６／８６０．５
＝９．８９×１０４
【００５２】
以上の計算より、ブタンタービンは水蒸気タービンの９．８９×１０４／（９．０×１０４）×１００＝１１０％の発電を行うことになる。
【００５３】
＜ブタン蒸気圧＞
Ａｎｔｏｉｎｅ式によるブタンの蒸気圧Ｐ（ｋＰａ）は下記の（５）式で表される。
ｌｏｇＰ＝５．９３３８６−９３５．８６／（２３８．７３＋θ）…（５）
ここでθはブタン温度（℃）である。
【００５４】
上記の式より、ブタンタービン入口における９８℃の飽和蒸気圧ｌｏｇＰ９８は３．１５５となり、Ｐ９８ は １．４３×１０３ｋＰａ（１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２）となる。また、ブタンタービン出口の２℃における蒸気圧ｌｏｇＰ２は２，０４６、Ｐ２は１１１ｋＰａ（１．１３ｋｇｆ／ｃｍ２）となる。したがって、ブタンタービンは、１４．６ｋｇ／ｃｍ２から１．１３ｋｇｆ／ｃｍ２へ圧力降下および９８℃から２℃へ温度降下することによって駆動する。
【００５５】
＜蒸気ブタン凝縮機＞
上記で示したように、蒸気ブタン１６は２℃でタービンから排出し、−１０℃まで冷凍機９で冷却される間に凝縮して−１０℃の液体ブタン１９となって循環利用される。冷却熱量計算は、２〜−４℃の間ではブタンは気体状で冷却され、−４℃で全凝縮して−４〜−１０℃の間は液体ブタンとして冷却されるとして冷熱計算を行う。ブタン冷却の各過程での計算結果を下記表２に示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】
＜冷凍機＞
飽和蒸気ブタン１５の重量は２．６６×１０６ｋｇ／ｈであるから、所要冷熱量（冷凍機負荷）は、９３．３６×２．６６×１０６＝２．４８×１０８ｋｃａｌ／ｈ（２．８８×１０５ｋＷ）となる。ここで、−１０℃の液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７において２℃でブタンタービンから排出する蒸気ブタン１６と０℃まで熱交換することにより冷熱源となる。その冷熱量は２．６６×１０６×１０×０．５４９＝１．４６×１０７ｋｃａｌ／ｈである。したがって、冷凍機負荷は２．４８×１０８−１．４６×１０７＝２．３３×１０８ｋｃａｌ／ｈ（２．７１×１０５ｋＷ）となる。
【００５８】
＜液体ブタンポンプ＞
液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７および凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で予熱された後、水蒸気−液体ブタン熱交換器６で加熱されて、９８℃、１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２の蒸気ブタン１５となる。そのため、熱交換器６、７、１１での圧力損失を考慮すれば、液体ブタンポンプ１０の吐出圧力Ｐは１６ｋｇｆ／ｃｍ２程度は必要と考えられ、その場合のポンプの所要動力Ｗｐ（ｋＷ）は（１）式より下記の値となる。−１０℃におけるブタン蒸気圧は（５）式より６９．５ｋＰａ（０．７１ｋｇｆ／ｃｍ２）である。
Ｗｐ＝（２．６６×１０６／０．５９８）×１０−３×（１６−０．７１）×１０４
／（０．７８×３．６７×１０５）
＝２．３８×１０３
ここで、送液流量Ｖ；２．６６×１０６ｋｇ／ｈ、液体ブタン比重ｄ；０．５９８、ポンプ効率；７８％、単位換算係数；３．６７×１０５ｋｇｆ・ｍ／ｋＷｈである。
で求められる。
【００５９】
液体ブタンポンプ所要動力に加えて、冷凍機のエネルギー消費効率ＣＯＰが６の産業用冷凍機、および１１の最近開発された冷凍機を組み込んだ場合の所要電力、ブタンタービンの正味の発電増加量および水蒸気タービンの発電量に対する発電増加率を計算した結果を表３に示すように発電量は大幅に増加する。
【００６０】
【表３】
【００６１】
以上のように従来の蒸気タービンによる汽力発電を用いた火力発電所、原子力発電所において、蒸気タービンの後段にブタンタービンとＣＯＰ６、１１の冷凍機を付設することで、蒸気タービン単独に比べて１５５および１７７％の発電を行うことが可能となる。なお、本発明に用いることのできるブタン（沸点−０．５℃）以外の低沸点有機溶媒としては、媒体タービンの発電量増加と冷凍機負荷の軽減の観点から、蒸発潜熱が小さく、９８〜−３０℃の間のエンタルピー差が大きい有機媒体が好ましく、より好ましくはイソブチレン（−６．９℃）、イソブタン（−１２℃）、塩化ビニル（−１３℃）などの沸点０〜−１５℃の有機媒体である。
【符号の説明】
【００６２】
１ ボイラ
２ 発電水蒸気タービン
３ 発電ブタン蒸気タービン
４ 発電機
５ 発電機
６ 水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）
７ 蒸気ブタン熱交換器
８ 液体ブタン熱交換器
９ 冷凍機
１０ 液体ブタンポンプ
１１ 凝縮水−液体ブタン熱交換器
１２ 高圧水蒸気（５５０℃）
１３ 水蒸気（１０５℃）
１４ 凝縮水（１００℃）
１５ 飽和蒸気ブタン（９８℃）
１６ 蒸気ブタン（２℃）
１７ 蒸気ブタン（０℃）
１８ 冷媒（−１２℃）
１９ 液体ブタン（−１０℃）
２０ 液体ブタン（０℃）
２１ 液体ブタン（９８℃）
２２ ボイラ給水
２３ 給水ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において、発電量を画期的に増加させ、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させるシステムを提供する。
【背景技術】
【０００２】
日本の火力発電は、１８８７年に日本橋茅場町に設置されてから、地勢的、気象的な要因により、「水主火従」の形で電源開発は進められてきたが、高度経済成長に伴う電力需要の急増と経済的な水力資源の減少、火力発電設備の信頼性と経済性の向上などによって、電源開発の主体は「火主水従」へと移行した。
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するのが火力発電であり、これを原動機別にみると、蒸気タービンによる汽力発電、ディーゼル機関などによる内燃力発電、ガスタービン発電、そしてガスタービン発電と汽力発電を複合したコンバインドサイクル（複合）発電に分類される。
【０００３】
しかし、火力発電は化石燃料をエネルギー源としているので、その埋蔵量には限界があり、燃料価格も上昇し続けたので、他のエネルギー源として商用原子力発電が１９５４年にソ連のオブニンスクにて世界最初に運転開始した。我が国においては、１９６６年に東海発電所にて商用運転を開始し、２００９年時点で４８８０万ｋＷ（５４基）まで増設されている。
【０００４】
一方、１９７３年に発生したオイルショックを契機にして化石燃料価格が高騰し、エネルギー源の多様化が叫ばれるようになり、その一環として地熱発電が世界的に注目されるようになった。火山地帯が多い我が国においては大きな期待が寄せられて研究開発が進められ、２００５年時点で５５万ｋＷ規模の発電量となったが、以降建設は停滞している。
【０００５】
地熱発電の装置構成としては、火山地帯の地下から噴出する水蒸気でタービンを駆動して発電を行い、排水蒸気は空冷または水冷によって復水させる方式と、地下から噴出する熱水、水蒸気でペンタン、ブタンなどの低沸点有機媒体の熱交換を行い、発生する中圧蒸気でタービンを駆動して発電を行い、排蒸気は空冷または水冷で液化して循環使用する方式がある。（特許文献１、２）
【０００６】
１９５０年代半ばから始まった我が国の高度経済成長に伴って、産業廃棄物および家庭一般ごみの排出量が急増したため、全国各都市はごみ焼却場を設置して焼却処分するようになった。エネルギー事情から必然的に焼却炉で発生する燃焼熱で水蒸気を発生させて発電する方式が採用された。しかし、ごみ焼却炉で発生する水蒸気は圧力、温度が通常の火力発電所のそれよりかなり低いので、発電量も少ない。
この発電量の改善策として、水蒸気タービンから排出する水蒸気の凝縮潜熱を低沸点の有機媒体（プロパン、アレンなど）に伝達して中圧蒸気を発生させて、その蒸気でタービンを駆動してバイナリー発電を行う方式である。（特許文献３）この方式でも有機媒体蒸気の冷却は空冷または水冷で行っているので、後段のタービンによる発電増加量は前段水蒸気タービン発電量の最大１２％程度である。
【０００７】
前記のように多様な発電方式があるが、その発電量の約９０％を火力発電と原子力発電が占めているので、この発電方式における発電能力の向上は、省エネ、温暖化防止に対する寄与が極めて大きいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１２２００６号公報
【特許文献２】特開昭５８−５４８５号公報
【特許文献３】特開２０００−１４５４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の火力発電方式においては、ボイラで高温に熱せられた水蒸気は、水蒸気タービンを駆動させた後も多くの熱エネルギーを持って復水器に入り、冷却凝縮されているため、水蒸気の熱エネルギーの電力化が極めて不十分であるとともに、温海水による環境汚染の問題も深刻である。原子力発電においては、高温、高圧水蒸気が原子炉で生成されること以外のサイクルは火力発電と同一であり、問題点が同一である。
【００１０】
一方、特許文献１〜３に記載されているような有機媒体を低温熱源で加熱して蒸発させ、その蒸気でタービンを駆動させる地熱発電、ごみ焼却炉発電においては、有機媒体蒸気の凝縮を空冷または水冷で行うので、冷却が不充分で発電量が少なく、顕著な発電量の増加は達成できない。また、有機媒体の漏洩が発生した場合、有機媒体の温度が高いために圧力が高く、環境への放散量が多くなり、爆発の危険性と環境破壊が大きくなる。
【００１１】
また、地熱発電またはごみ焼却炉発電においては、有機媒体蒸気の凝縮を空冷または水冷で行う場合、季節および時刻的な温度変化により、非定常な発電となり、運転管理が複雑となるという問題点がある。
【００１２】
そこで、本発明は、蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において、発電量を画期的に増加させ、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させるシステムを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記技術的課題は以下の通りの本発明により達成できる。
【００１４】
即ち、本発明は、熱を利用して給水を加熱して水蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラからの水蒸気の熱エネルギーによって回転作動する高圧水蒸気タービンおよび該高圧水蒸気タービンによって駆動する発電機と、前記高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃である液体有機媒体を蒸気に変換させ、かつ前記水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）と、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービンおよび該低圧タービンによって駆動する発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器およびその冷却機能を持つ冷凍機と、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えることを特徴とする発電システムである（本発明１）。
【００１５】
また、本発明は、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体によって冷却する蒸気有機媒体熱交換器を更に備えることを特徴とする本発明１に記載の発電システムである（本発明２）。
【００１６】
また、本発明は、前記有機媒体がブタンであることを特徴とする本発明１又は２に記載の発電システムである（本発明３）。
【００１７】
また、本発明は、水蒸気の発生が化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するものである本発明１〜３のいずれかに記載の発電システムである（本発明４）。
【００１８】
また、本発明は、水蒸気の発生が核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものである本発明１〜３のいずれかに記載の発電システムである（本発明５）。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る発電システムによれば、従来の蒸気タービンによる気力発電を用いた火力発電、原子力発電において利用されていなかった発電利用後の高エネルギー水蒸気を、有機媒体タービンを付設して再利用することで、発電量を画期的に増加させることができる。さらに、蒸気タービン復水器から排出される温海水を停止させることで、発電所付近の海水温の上昇がなくなり、海の生態系を乱すこという環境破壊もなくすことができる。また、ブタン等の有機媒体の漏洩が起こった場合には復水器への液体ブタンの供給を停止すれば、有機媒体が液化して低蒸気圧になるので環境への放散は防止できる。
さらに、本発明に係る発電システムによれば、低圧タービンから排出された有機媒体蒸気の液化温度を冷凍機を用いて安定化することができるため、定常な発電が容易にでき、運転管理がしやすい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る発電システムの概略図である。
【図２】本発明に係る発電システムの別の態様を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、有機媒体をブタンとした場合の本発明の実施形態について、表１と図１に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、水蒸気、蒸気ブタンによる汽力発電を行う火力発電システムの概略構成図である。この発電システムは、主要構成部として、ボイラ１、発電水蒸気タービン２、発電ブタン蒸気タービン３、発電機４、５、水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６、液体ブタン熱交換器８、冷凍機９、液体ブタンポンプ１０、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１、給水ポンプ２３を備える。
【００２３】
発電水蒸気タービン２から排出される水蒸気１３（約１０５℃）は水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６に送られる。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６では、水蒸気１３を液体ブタン２１（９８℃）の蒸発に利用して、飽和蒸気ブタン１５（９８℃）を発生させ、水蒸気１３は液体ブタンの蒸発により冷却されて液体の凝縮水１４（１００℃）に変換される。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６にて液体の水に変換された凝縮水１４は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン熱交換器８からの液体ブタン２０（−１０℃）と熱交換してボイラ給水２２（２℃）となり、ボイラ排ガスを利用して加熱され、給水ポンプ２３により再びボイラ１に送られる。なお、各向流型熱交換器における加熱流体入口と被加熱流体出口との温度差は全て２℃とする。
【００２４】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン１９が予熱されて液体ブタン２１（９８℃）になり、水蒸気−液体ブタン熱交換器６に入って飽和蒸気ブタン１５となる。その飽和蒸気ブタン１５は、発電ブタン蒸気タービン３に送られる。発電ブタン蒸気タービン３は、飽和蒸気ブタンの熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、発電機５を回転駆動して電力を出力する。
【００２５】
発電ブタン蒸気タービン３から排出される蒸気ブタン１６（２℃）は液体ブタン熱交換器８に送られる。液体ブタン熱交換器８で、蒸気ブタン１６は冷凍機９で冷却された冷媒１８（−１２℃）と熱交換して−１０℃の液体ブタン１９となる。
【００２６】
液体ブタン熱交換器８から排出された液体ブタン１９（−１０℃）は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１に送られ、凝縮水１４との熱交換で液体ブタン２１（９８℃）として繰り返し利用する。
【００２７】
次に、図２に基づいて、本発明の別の態様について説明する。
【００２８】
図２は、水蒸気、蒸気ブタンによる汽力発電を行う火力発電システムの概略構成図である。この発電システムは、主要構成部として、ボイラ１、発電水蒸気タービン２、発電ブタン蒸気タービン３、発電機４、５、水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６、蒸気ブタン熱交換器７、液体ブタン熱交換器８、冷凍機９、液体ブタンポンプ１０、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１、給水ポンプ２３を備える。
【００２９】
前記蒸気ブタン熱交換器７を備えることによって、より効率よく熱交換することが可能となる。
【００３０】
発電水蒸気タービン２から排出される水蒸気１３（約１０５℃）は水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６に送られる。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６では、水蒸気１３を液体ブタン２１（９８℃）の蒸発に利用して飽和蒸気ブタン１５（９８℃）を発生させ、水蒸気１３は液体ブタンの蒸発により冷却されて液体の凝縮水１４（１００℃）に変換される。水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６にて液体の水に変換された凝縮水１４は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で蒸気ブタン熱交換器７からの液体ブタン２０（０℃）と熱交換してボイラ給水２２（２℃）となり、ボイラ排ガスを利用して加熱され、再びボイラ１に送られる。
【００３１】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で液体ブタン２０（０℃）が予熱されて液体ブタン２１（９８℃）になり、水蒸気−液体ブタン熱交換器６に入って飽和蒸気ブタン１５（９８℃）となる。その飽和蒸気ブタン１５は、発電ブタン蒸気タービン３に送られる。発電ブタン蒸気タービン３は、飽和蒸気ブタン１５の熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、発電機５を回転駆動して電力を出力する。
【００３２】
水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６で生成する飽和蒸気ブタン１５が発電ブタン蒸気タービン３の運転上で支障があるようであれば、高圧水蒸気１２と飽和蒸気ブタン１５との熱交換器を設置して、過熱蒸気ブタンにすれば運転支障は解消できる。そのプロセス変更は系内のエンタルピー授受であるから、総発電量の変化は殆どない。
【００３３】
発電ブタン蒸気タービン３から排出される蒸気ブタン１６（２℃）は蒸気ブタン熱交換器７に送られる。蒸気ブタン熱交換器７で、蒸気ブタン１６は予め冷凍機で冷却された液体ブタン１９（−１０℃）と熱交換して冷却された蒸気ブタン１７（０℃）となる。この冷却された蒸気ブタン１７は、液体ブタン熱交換器８に送られて冷凍機９で冷却された冷媒１８（−１２℃）と熱交換して−１０℃の液体ブタン１９となり、上記の蒸気ブタン熱交換器７へ戻されて、蒸気ブタン１６の冷媒として利用する。
【００３４】
蒸気ブタン熱交換器７から排出された液体ブタン２０（０℃）は、凝縮水−液体ブタン熱交換器１１に送られ、凝縮水１４との熱交換で液体ブタン２１（９８℃）として繰り返し利用する。
【００３５】
なお、本発明においては、水蒸気の発生方法は特に限定されるものではないが、、化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するもの、又は、核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものであることが好ましい。
【００３６】
＜作用＞
本発明は上記のようにシステム構成されるが、下記に発電プロセスを例示し、その効果作用を説明する。
【００３７】
まず、発電の規模については９．０×１０４ｋＷとし、水蒸気タービンは表１に示す仕様とする（火力発電、電気学会大学講座（１９６６））。
【００３８】
【表１】
【００３９】
次に、図２に基づいて、プロセス詳細について述べる。
【００４０】
＜タービンに送入すべき水蒸気量の算出＞
発電量９．０×１０４ｋＷの電気エネルギーに相当する熱エネルギーは、９．０×１０４×８６０．５＝７．７５×１０７ｋｃａｌ／ｈとなり、この電気エネルギーを得るためのタービンに送入すべき水蒸気量は、タービンおよび発電機の総合有効効率を７６％とすると、７．７５×１０７ｋｃａｌ／［（８２０．９−６４１．４）×０．７６］＝５．６８×１０５ｋｇ／ｈとなる。
【００４１】
＜給水ポンプ動力＞
火力発電プロセスを構成するための補助機器として、ボイラ給水２２をボイラ１に送入する給水ポンプ２３が必要である。このポンプの消費電力量と９×１０４ｋＷの発電量を確保するために、発電水蒸気タービン２に供給すべき水蒸気量をｘ［ｋｇ／ｈ］とすれば、ポンプ所要動力Ｗｐ［ｋＷ］は次式となる。
Ｗｐ＝ＶΔＰ／（η×３．６７×１０５）…（１）
ここで、送液流量Ｖ［ｍ３／ｈ］、凝縮水とボイラ水蒸気との圧力差ΔＰ［ｋｇｆ／ｍ２］、単位換算係数；３．６７×１０５ｋｇｆ・ｍ／ｋＷｈである。また、ポンプ効率η［−］は７８％である（火力発電、電気学会大学講座（１９６６））。
【００４２】
上記（１）式に本例の各数値を代入すると、Ｗｐ［ｋＷ］が求められる。
Ｗｐ＝ｘ×１０−３×（１７０−１）×１０４／（０．７８×３．６７×１０５）
＝５．９０×１０−３ｘ
【００４３】
一方、ｘｋｇ／ｈの高圧水蒸気１２による発電量は、前記計算より、９．０×１０４×（ｘ／５．６８×１０５）＝０．１５８ｘｋＷとなる。したがって、発電水蒸気タービン２に送入すべき水蒸気量ｘは（２）式で求められる。
０．１５８ｘ−５．９０×１０−３ｘ＝９．０×１０４…（２）
【００４４】
この式より、発電水蒸気タービン２への高圧水蒸気１２の送入量ｘは５．９２×１０５ｋｇ／ｈとなる。
【００４５】
＜液体ブタンによる排水蒸気の復水器＞
従来の火力発電は、水蒸気のエンタルピー差を電力に変換し、１００℃近くで水蒸気が凝結する前に、タービンから抜き出して復水器で凝縮させている。すなわち８２０．９−６４１．４＝１７９．５ｋｃａｌ／ｋｇを発電に利用し、５３８．８ｋｃａｌ／ｋｇの凝縮潜熱を環境に放出している。この潜熱を液体ブタンの蒸発に利用して９８℃、１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２の飽和蒸気ブタン１５を発生させ、この飽和蒸気ブタン１５で低圧タービン５による発電を行い、タービンからの蒸気ブタン１６は冷凍機９により−１０℃程度に冷却して液化して循環させることによりサイクルを構成するプロセスである。
【００４６】
排水蒸気が凝縮により液体ブタンに与えるエンタルピーは、５．９２×１０５×５３８．８＝３．１９×１０８ｋｃａｌ／ｈとなる。冷凍機で冷却された−１０℃程度の液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７において２℃程度でブタンタービンから排出させる蒸気ブタン１６と熱交換して、０℃程度の液体ブタン２０となる。この液体ブタンを９８℃に予熱するためには、その比熱が０．５４９ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋであるから、（９８−０）×０．５４９＝５３．８ｋｃａｌ／ｋｇの熱量が必要である。水蒸気タービン出口では水蒸気温度１０５℃、圧力１．０ｋｇｆ／ｃｍ２であるから、過熱水蒸気である。これを水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）６において９８℃の液体ブタンと熱交換すれば凝縮水１４（１００℃）、蒸気ブタン１５（９８℃）となる。
【００４７】
凝縮水−液体ブタン熱交換器１１では、凝縮水は１００℃から２℃までの顕熱（９８ｋｃａｌ／ｋｇ）が液体ブタン２０の予熱に利用でき、水蒸気タービン排水蒸気１ｋｇで蒸発する蒸気ブタンｘ（ｋｇ）は下記の熱収支（３）式から４．５０ｋｇとなる。したがって、水蒸気−液体ブタン熱交換器６で発生する９８℃の蒸気ブタン１５の重量は、５．９２×１０５×４．５０＝２．６６×１０６ｋｇ／ｈとなる。
ｘ ＝（水の凝縮潜熱＋１００〜２℃の凝縮水顕熱）／（ブタン蒸発潜熱＋０〜９８℃のブタン顕熱）
＝（５３８．８＋９８）／（８７．７５＋５３．８） …（３）
ここでブタンの蒸発潜熱は８７．７５ｋｃａｌ／ｋｇである。
【００４８】
＜ブタン蒸気タービン＞
蒸気ブタンの定圧比熱Ｃｐ（ｋｃａｌ／ｋｇ・Ｋ）は下記の（４）式で表わされる（出展；化学工学便覧）。
Ｃｐ＝０．０７６６＋１．２４３×１０−３Ｔ−０．３８２×１０−６Ｔ２ …（４）
【００４９】
この式から９８℃の蒸気ブタン１５のエンタルピーｈ９８（ｋｃａｌ／ｋｇ）を求めると、下記の値となる。
ｈ９８＝∫0371ＣｐｄＴ＝０．０７６６×３７１＋１．２４３×１０−３×（１／２）
×３７１２−０．３８２×１０−６×（１／３）×３７１３
＝１０７．５
【００５０】
また、ブタンの沸点は−０．５℃であるから、低圧タービンから蒸気ブタンは２℃程度で抜き取る必要があると考えると、２℃の蒸気ブタン１６のエンタルピーｈ２（ｋｃａｌ／ｋｇ）は下記の値となる。
ｈ２＝∫0275ＣｐｄＴ＝０．０７６６×２７５＋１．２４３×１０−３×（１／２）
×２７５２−０．３８２×１０−６×（１／３）×２７５３
＝６５．４
【００５１】
ブタンタービン発電機の総合有効効率を７６％とすれば、飽和蒸気ブタン１５のタービンへの流入量２．６６×１０６ｋｇ／ｈであるから、その発電量（ｋＷ）は下記の値となる。
２．６６×１０６×（１０７．５−６５．４）×０．７６／８６０．５
＝９．８９×１０４
【００５２】
以上の計算より、ブタンタービンは水蒸気タービンの９．８９×１０４／（９．０×１０４）×１００＝１１０％の発電を行うことになる。
【００５３】
＜ブタン蒸気圧＞
Ａｎｔｏｉｎｅ式によるブタンの蒸気圧Ｐ（ｋＰａ）は下記の（５）式で表される。
ｌｏｇＰ＝５．９３３８６−９３５．８６／（２３８．７３＋θ）…（５）
ここでθはブタン温度（℃）である。
【００５４】
上記の式より、ブタンタービン入口における９８℃の飽和蒸気圧ｌｏｇＰ９８は３．１５５となり、Ｐ９８ は １．４３×１０３ｋＰａ（１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２）となる。また、ブタンタービン出口の２℃における蒸気圧ｌｏｇＰ２は２，０４６、Ｐ２は１１１ｋＰａ（１．１３ｋｇｆ／ｃｍ２）となる。したがって、ブタンタービンは、１４．６ｋｇ／ｃｍ２から１．１３ｋｇｆ／ｃｍ２へ圧力降下および９８℃から２℃へ温度降下することによって駆動する。
【００５５】
＜蒸気ブタン凝縮機＞
上記で示したように、蒸気ブタン１６は２℃でタービンから排出し、−１０℃まで冷凍機９で冷却される間に凝縮して−１０℃の液体ブタン１９となって循環利用される。冷却熱量計算は、２〜−４℃の間ではブタンは気体状で冷却され、−４℃で全凝縮して−４〜−１０℃の間は液体ブタンとして冷却されるとして冷熱計算を行う。ブタン冷却の各過程での計算結果を下記表２に示す。
【００５６】
【表２】
【００５７】
＜冷凍機＞
飽和蒸気ブタン１５の重量は２．６６×１０６ｋｇ／ｈであるから、所要冷熱量（冷凍機負荷）は、９３．３６×２．６６×１０６＝２．４８×１０８ｋｃａｌ／ｈ（２．８８×１０５ｋＷ）となる。ここで、−１０℃の液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７において２℃でブタンタービンから排出する蒸気ブタン１６と０℃まで熱交換することにより冷熱源となる。その冷熱量は２．６６×１０６×１０×０．５４９＝１．４６×１０７ｋｃａｌ／ｈである。したがって、冷凍機負荷は２．４８×１０８−１．４６×１０７＝２．３３×１０８ｋｃａｌ／ｈ（２．７１×１０５ｋＷ）となる。
【００５８】
＜液体ブタンポンプ＞
液体ブタン１９は、蒸気ブタン熱交換器７および凝縮水−液体ブタン熱交換器１１で予熱された後、水蒸気−液体ブタン熱交換器６で加熱されて、９８℃、１４．６ｋｇｆ／ｃｍ２の蒸気ブタン１５となる。そのため、熱交換器６、７、１１での圧力損失を考慮すれば、液体ブタンポンプ１０の吐出圧力Ｐは１６ｋｇｆ／ｃｍ２程度は必要と考えられ、その場合のポンプの所要動力Ｗｐ（ｋＷ）は（１）式より下記の値となる。−１０℃におけるブタン蒸気圧は（５）式より６９．５ｋＰａ（０．７１ｋｇｆ／ｃｍ２）である。
Ｗｐ＝（２．６６×１０６／０．５９８）×１０−３×（１６−０．７１）×１０４
／（０．７８×３．６７×１０５）
＝２．３８×１０３
ここで、送液流量Ｖ；２．６６×１０６ｋｇ／ｈ、液体ブタン比重ｄ；０．５９８、ポンプ効率；７８％、単位換算係数；３．６７×１０５ｋｇｆ・ｍ／ｋＷｈである。
で求められる。
【００５９】
液体ブタンポンプ所要動力に加えて、冷凍機のエネルギー消費効率ＣＯＰが６の産業用冷凍機、および１１の最近開発された冷凍機を組み込んだ場合の所要電力、ブタンタービンの正味の発電増加量および水蒸気タービンの発電量に対する発電増加率を計算した結果を表３に示すように発電量は大幅に増加する。
【００６０】
【表３】
【００６１】
以上のように従来の蒸気タービンによる汽力発電を用いた火力発電所、原子力発電所において、蒸気タービンの後段にブタンタービンとＣＯＰ６、１１の冷凍機を付設することで、蒸気タービン単独に比べて１５５および１７７％の発電を行うことが可能となる。なお、本発明に用いることのできるブタン（沸点−０．５℃）以外の低沸点有機溶媒としては、媒体タービンの発電量増加と冷凍機負荷の軽減の観点から、蒸発潜熱が小さく、９８〜−３０℃の間のエンタルピー差が大きい有機媒体が好ましく、より好ましくはイソブチレン（−６．９℃）、イソブタン（−１２℃）、塩化ビニル（−１３℃）などの沸点０〜−１５℃の有機媒体である。
【符号の説明】
【００６２】
１ ボイラ
２ 発電水蒸気タービン
３ 発電ブタン蒸気タービン
４ 発電機
５ 発電機
６ 水蒸気−液体ブタン熱交換器（復水器）
７ 蒸気ブタン熱交換器
８ 液体ブタン熱交換器
９ 冷凍機
１０ 液体ブタンポンプ
１１ 凝縮水−液体ブタン熱交換器
１２ 高圧水蒸気（５５０℃）
１３ 水蒸気（１０５℃）
１４ 凝縮水（１００℃）
１５ 飽和蒸気ブタン（９８℃）
１６ 蒸気ブタン（２℃）
１７ 蒸気ブタン（０℃）
１８ 冷媒（−１２℃）
１９ 液体ブタン（−１０℃）
２０ 液体ブタン（０℃）
２１ 液体ブタン（９８℃）
２２ ボイラ給水
２３ 給水ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を利用して給水を加熱して水蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラからの水蒸気の熱エネルギーによって回転作動する高圧水蒸気タービンおよび該高圧水蒸気タービンによって駆動する発電機と、前記高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃である液体有機媒体を蒸気に変換させ、かつ前記水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）と、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービンおよび該低圧タービンによって駆動する発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器およびその冷却機能を持つ冷凍機と、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体によって冷却する蒸気有機媒体熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記有機媒体がブタンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
水蒸気の発生が化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するものである請求項１〜３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
水蒸気の発生が核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものである請求項１〜３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１】
熱を利用して給水を加熱して水蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラからの水蒸気の熱エネルギーによって回転作動する高圧水蒸気タービンおよび該高圧水蒸気タービンによって駆動する発電機と、前記高圧水蒸気タービンから排出された水蒸気の熱エネルギーによって、沸点が０〜−３０℃である液体有機媒体を蒸気に変換させ、かつ前記水蒸気を復水させる水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）と、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から発生した蒸気有機媒体の熱エネルギーによって回転作動する低圧タービンおよび該低圧タービンによって駆動する発電機と、前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を冷却、液化させる液体有機媒体熱交換器およびその冷却機能を持つ冷凍機と、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体を、前記水蒸気−液体有機媒体熱交換器（復水器）から排出された高温凝縮水によって予熱させる凝縮水−液体有機媒体熱交換器を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記低圧タービンから排出された蒸気有機媒体を、前記液体有機媒体熱交換器から排出された液体有機媒体によって冷却する蒸気有機媒体熱交換器を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記有機媒体がブタンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
水蒸気の発生が化石燃料の燃焼に伴う熱を利用するものである請求項１〜３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
水蒸気の発生が核燃料の核分裂に伴う熱を利用するものである請求項１〜３のいずれかに記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−１１２７２（Ｐ２０１３−１１２７２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２７５８５（Ｐ２０１２−１２７５８５）
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（０００１６６４４３）戸田工業株式会社 (406)
【出願人】（３９１０５１３９３）富士化水工業株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（０００１６６４４３）戸田工業株式会社 (406)
【出願人】（３９１０５１３９３）富士化水工業株式会社 (12)
【Ｆターム（参考）】
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