地域廃熱利用発電プラントの効率向上に及ぼす圧力増大効果

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我が国の地域廃熱利用発電として、例えばごみ焼却発電の場合にはプラントの主蒸気温度は塩化物の高温腐食問題から300℃に、また主蒸気圧力もタービンの出口湿り度の限界から3MPaにおさえられ、プラント熱効率は10〜15%と非常に低い。その解決をはかるために水を作動流体とするトッピングサイクルのボトミングに他の作動流体(水を含めたアンモニア、プロピレン、イソブタンなどの7種類)を用いた二流体サイクルに着眼、採用し、主蒸気圧力の増大による熱効率の向上を検討した。次に、100万kW級の原子力発電プラントを取り上げ、水を用いたランキンサイクルのボトミング側にn-ペンタンやシクロヘキサンなどの最適な作動流体を用いた二流体サイクルにおける効率向上について検討した。その結果の要約は次ぎのとおりである。(1)ボトミングの作動流体として水を含めた7種類を選定し、入力条件として主蒸気温度300℃、凝縮温度55℃一定の条件に対して、作動流体としてシクロヘキサン、ベンゼン、水を用いた場合には主蒸気圧力6〜8MPaの増大により20〜21%のプラント熱効率が得られ、圧力増大効果が実証できた。(2)ボトミングサイクルの温度を300℃まで過熱した場合には、シクロヘキサンやベンゼンの場合は水の場合と異なり、ボトミングタービン排気が過熱域に入り、再生熱利用できるので、水よりシクロヘキサン、ベンゼンが好適となり、約22%の熱効率が得られる。(3)材料開発によって主蒸気温度が400,500℃になった場合には、シクロヘキサン、ベンゼンが最適作動流体となり、熱効率は395℃で25%、495℃で28%が得られる。(4)湿分分離方式のPWR、BWRに対してボトミングにシクロヘキサンを用いた二流体サイクルではトッピング主蒸気圧力が8MPaのとき、絶対値で約0.6%効率改善する。主蒸気をさらに330℃、370℃と過熱した場合には各々絶対値で約2%、3.5%の効率改善が得られる。