過熱蒸気噴出孔の利用 逐次発電 蒸気タービン自己冷却型
過熱蒸気噴出孔は500℃の蒸気を噴出する間欠泉。噴出する物質が蒸気なので熱容量が4.179と大きいことに加え、温度も500℃と間欠泉の中でもトップクラスに大きい熱量を持っています。蒸気タービンで上手く飼いならすことが出来れば電力源として優秀であり、熱を発電に使い切った後も水としても利用できるので至れり尽くせりなあったら嬉しい間欠泉です。
しかしながら噴出する蒸気の温度が500度と高いことから、安易に利用しようとすると宇宙素材無しでは設備のオーバーヒート間違いなし。丁寧なアプローチが必要です。
この記事で紹介するのは
「発電タイミングの制御をして発電に利用してみたい」
「意地でも発電にかかる消費電力を減らして発電をしたい」
という拗らせた人向けです。実用性はお察しです。
＜動作説明＞
①間欠泉から蒸気噴出
②斜めポンプにて蒸気を吸い出す
③吸い出した蒸気をドアポンプで貯蔵部屋へ隔離
④貯蔵部屋の蒸気からボイラー室へ熱を逐次取り出して移して発電
⑤蒸気タービンの排水は蒸気タービンの自己冷却後、ボイラー室の冷却へ
⑤貯蔵部屋の温度が下がってきたら蒸気をボイラー室へ開放。
メリット
・逐次発電に対応のため、電力使用状況に合わせて稼働できる
・発電に電力を使わないため非常に省エネ
・鋼鉄不使用
デメリット
・効率よく自己冷却で発電するには制御が大変
・水が取り出せるのは貯蔵部屋とボイラー室の温度が下がりきってからなので取り出せるまで時間がかかる（基本的に活動期は取り出せない）
・自己冷却可能な発電量は340W程度なのでチューニングとの相性が悪い
・蒸気タービンの1台当たりの熱破壊量が少ないので台数が多く必要で規模が大きくなる
＜押さえておきたいツボ＞
・蒸気タービンの自己冷却可能な温度
①蒸気タービンは【発電時に熱破壊した熱量の1/10】+【発電機が回っている限りかかる固定の発熱量(4kDTU/s)】の排熱をする。
②蒸気タービンは95℃の水を排水する
③蒸気タービンの稼働動作条件は100℃以下
これらのことより
【蒸気タービンの排熱量】＜【排水が95℃→100℃になるまでに必要な熱量】
となれば、排水による自己冷却が可能です。
実際どれくらいの温度なのかを計算してみます。まずは水がどれだけ熱を吸えるか。
水が95℃→100℃になるまでに必要な熱量は
質量 x 比熱 x 温度差 ＝ 2000 g/s x 4.179((DTU/g/)℃) x (100℃-95℃)=41.79kDTU/s
蒸気タービンの排熱量がこれよりも少なければ良いわけです。
次に蒸気タービンが自己冷却可能な熱破壊量を計算します。
蒸気タービンの排熱量は熱破壊した量の1/10+4kDTU/sなので熱破壊できる量は41.79kDTU/s - 4kDTU/s = 37.179kDTU/sとなります。
ここから蒸気の温度を計算します
熱破壊量 x 1/10 = 質量 x 比熱 x 温度差(蒸気の温度-95℃)
蒸気の温度 = (熱破壊量 x 1/10 / 質量 / 比熱 ) -95℃
蒸気の温度 = 37179 x 1/10 / 2000 / 4.179 ) -95℃
蒸気の温度 = 140.21 ℃ となりました。（参考までにこの時の発電量は約366W）
これはあくまで蒸気タービンの排熱が全て排水に移った場合の理論値です。実際にはボイラー室の温度には多少ムラがありますし、蒸気タービン下部の断熱タイルがセラミックの場合はボイラー室から熱も移ってきます。そのためある程度はマージンを取らねばなりません。しかしマージンを取りすぎても効率が落ちてしまうため137℃を設定することにしました。これだと大体蒸気タービンの温度が99.6~99.7℃で安定します。
・蒸気の貯蔵部屋とボイラー室の熱交換
過熱蒸気噴出孔の蒸気は500℃。これを蒸気タービンの排水である95℃から自己冷却可能な140℃以下になるまで必要な熱を取り出す必要があります。
火山発電や金属火山発電でもよく使われる温度センサーと機械式ドアの組み合わせを使って熱だけを取り出します。しかし1つの温度センサーだけだとボイラー室内に温度ムラが発生し、熱が伝わりすぎてしまうことがあります。効率よく自己冷却でタービンを動かす場合にはこれが非常に困ります。そのため機械式ドア付近の温度センサーを137℃以上でON、少し離れた位置の温度センサーも137℃でON。この2つをワイヤードORで接続して機械式ドアに繋いでいます。こうすることでどちらか片方でも137℃以上の場合はドアは開いて熱交換を止め、両方の温度センサーが137℃未満になったらドアは閉じて熱交換を開始します。
また、貯蔵部屋にある蒸気が高温の場合は順調に熱を移せるので問題ないのですが、貯蔵部屋の蒸気の温度が160℃前後まで下がってくるとドアによる熱の移動が少なくなってきてしまいます。蒸気タービンを動かすにはもちろん蒸気が必要な為、排水をボイラー室に注入していると[蒸気タービンによる熱破壊]＞[ドアによる熱移動]になってしまうのでどんどボイラー室の温度が下がってきてしまいます。これを解決するため、ボイラー室が136℃を下回ったら石油を循環させて熱交換を補助する形としています。液体貯蔵庫と機械式ドアを使うことにより疑似的な液体遮断機として使うことで、この石油の循環のON/OFFの制御を無電力できます。
・ボイラー室への排水の注入条件
電力を極力使わないために液体貯蔵庫と機械式ドアの組み合わせで疑似的な液体遮断機として使用しています。効率よく発電させるためには非常に面倒臭い制御が必要です。
①ボイラー室の石油層の温度が135℃以上で注水を行う
これが基本動作です。貯蔵部屋から取り出した熱で排水を温め135℃前後の蒸気にします。
②貯蔵部屋の温度が140℃を下回ったら注水を止める
貯蔵部屋の温度が140℃未満の場合はボイラー室の温度はそれ以上になることがありません。そのため、石油層が135℃以上でも貯蔵部屋の温度が140℃未満の場合は注水を止めます。
③ボイラー室の気圧が20kgを下回ったら注水をする
石油層の温度が135℃未満でも蒸気タービンを動かすために注水が必要です。
・蒸気の貯蔵部屋とボイラー室の熱の遮断
貯蔵部屋の蒸気から熱を取り出し続け、最終的に温度が下がってきたら蒸気をボイラー室へ開放する必要ががります。そのまま機械式ドア1枚で蒸気の流入を制御しようとすると蒸気は制御できますが熱は常に伝わってしまいます。そのため機械式ドアを3枚並べ流入の制御はドアポンプの形にします。そして閉じている間は真ん中の機械式ドアは一度閉じてから開くことにより真空になるので貯蔵部屋とボイラー室の熱を遮断しつつ、蒸気の流入の制御も出来るようになります。
・圧力超過回避
逐次発電に対応するために蒸気は一時的に貯めこみそこから適宜抽出する構成が望ましいです。しかし過熱蒸気噴出孔には5kgで圧力超過となってしまう仕様があるので間欠泉とは別のスペースへの隔離が必要です。噴出量は低くても2kg前後あることから最大限の蒸気を得るには大量且つスムーズに隔離しなければなりません。噴出する蒸気は500℃ということもあり設備のオーバーヒートの問題にも注意が必要です。
気体の移送には様々な方法がありますが、それぞれ移送出来る量は異なるので噴出量に合わせた選択が必要です。構成にもよりますが、目安としては下記の通り。
吸気ポンプ
インチキ度無。対応できる噴出量は500g×台数分
ドアポンプ
インチキ度小。対応できる噴出量～4kg
ガスエレベータ
インチキ度中。対応できる噴出量～8kg
斜めポンプ
インチキ度大。対応できる噴出量はおそらく全対応(12kgまでは確認)
今回はmathmanican氏考案の斜めポンプを利用します。
ざっくり説明すると液体は10g未満では存在できないため、出現時に消失して真空になります。このときの真空が周りの気体と入れ替わるという現象を利用しています。液体が落下する位置に別の液体を置くことで気体の流れに方向性を持たせ吸い出した気体が逆流しないようにしています。
やり方は液体の上に別の少量の液体をポタポタ垂らすだけ。今回は100gの石油の上に流体バルブで流量を0.1g/sに絞った水を垂らしています。
吸い出せる量は排水溝の位置や数で異なり、画像の構成で12kg/sの間欠泉にも対応できます。片側の排水溝３つだと大体6kg/sの噴出量の間欠泉まで対応できるので基本はそれで充分だと思います。
注意点としては非常に高いですが圧力限界があります。排水溝が1000kgまでしか対応できないのでそれ以上では液体が排出出来ないので吸い出せません。そのためドアポンプで吸い出した蒸気を更に隔離しています。
・機械式ドアのバグ回避
構築したシステム的には問題点はないのにも関わらず、検証中には稀にボイラー室の温度が高熱になって破綻することがありました。原因を探ろうとセーブデータを巻き戻して再度見ても再現しないため、何かしら処理落ちが重なると起こるような厄介な現象です。公式フォーラムを見てみるとどうやら機械式ドアの開閉には”開いているのに閉じている挙動をする”というバグがあるようです。
実際に発生したもの
この状態に陥っても、新しくOFF信号を入力すると元の正常な状態に戻ることは確認できました。
おそらく機械式ドアの動作中に信号が頻繁にON/OFFが切り替わることがバグの要因になっていると思われます。憶測ですが開く瞬間、または開き切る瞬間にON/OFFの信号が切り替わると開いた状態と認識されているけれど閉じた状態のステータスを適用してしまっているとか起こりそうな気がします。
今回はこの解決策としてタイマーセンサーとANDゲートを使って定期的に開閉の処理を入れるようにしています。
”開いているのに閉じた状態”がずっと続くのが問題なので定期的にOFF信号を入れることにより、ONしろ！OFFしろ！と一定間隔でビンタし続けている状態ですね。OFF時間を0.2秒とかにすると時間が短すぎるのか閉じる動作はしないので熱交換もせず影響なし！ぐっど！
機械式ドアへの入力にメモリスイッチを使ってヒステリシス特性を持たせたりするなどでも頻繁な信号の切り替えを防ぐことが出来るのでこちらも良さそうです。・・・がボイラー室にスペースがないため断念しました。
・蒸気タービンの台数
自己冷却蒸気タービンでの1台当たりの熱破壊量は約410kDTU/s。過熱蒸気噴出孔の休眠期も含めた平均噴出量は500~1000g/s。仮に平凡そうな750g/sだとすると産出する熱量は1269kDTU/s。そして1/10は再び蒸気タービンのは排熱に回ってしまうので蒸気タービンを常時4台を稼働してようやく処理できるくらいに熱量が大きいです。逐次発電するときは十分処理できるように多めの設置をしておきましょう。
・外部の冷却装置
設備の効率を改善していく途中で処理落ちの関係などでたまにボイラー室が想定よりも加熱されて蒸気タービンの温度が100℃を超えるなんてことが幾度かありました。ウィーズウォートと気体貯蔵庫は仮にオーバーヒートしそうなときには冷却する装置です。蒸気タービンの自己冷却用に液体パイプは既に埋め尽くされているので気体パイプのレイヤーを使って冷却しています。最終的な構成ではこの冷却装置も稼働することはなくなりましたが、思わぬ動作に備えてなにかしら冷却装置を外に準備しておくのを推奨します。
＜あとがき＞
もっと単純な構成になるものと思って始めたのですが、効率よく回すのと安全設計をしていたら思わぬスパゲッティな配線・配管になってしまいました。自分でもとてもこれをサバイバルで構築しようとは思いません。何かしら別の場面でこの記事の内容が生かせればと思います。
ちなみに初期も初期の頃の自己冷却型の案は下記。ひどい産廃。
