CN102817649A - 动力发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的动力发生装置,包括第一开闭阀,设置于循环流路中的蒸汽发生机构与膨胀机之间;旁通流路,将蒸汽发生机构以及第一开闭阀之间与膨胀机以及冷凝机构之间连接;第二开闭阀,设置于旁通流路;第三开闭阀,设置于循环流路中泵与蒸汽发生机构之间;控制机构,对泵的启动以及停止、以及各开闭阀的开闭进行控制。控制机构在停止泵时输出停止泵的控制信号和关闭第一开闭阀的控制信号和打开笫二开闭阀的控制信号和关闭第三开闭阀的控制信号,此后,在满足了既定的条件时输出关闭第二开闭阀的控制信号。根据该构成,能够避免构成的复杂化并且能够抑制令工作介质循环的泵中的气蚀的产生。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于发电装置等的动力发生装置。
背景技术
近年,从节能的观点出发,对于回收来自工场等的各种的设备的所谓“排热”并利用该回收的“排热”的能量而进行发电的发电装置的需求变高。
作为这样的发电装置,公知有例如日本特许第4557793号所公开的排热发电装置。该排热发电装置具有闭环状的循环流路,其串联地连接工作流体的蒸发器、用于令工作流体蒸汽膨胀作功的涡轮、用于令工作流体蒸汽冷凝的冷凝器、和用于令工作流体循环的循环泵。在该循环流路中,工作流体循环时进行热循环,另一方面,利用上述涡轮产生动力,利用该动力驱动发电机。另外,特别地在该排热发电装置中,还公知有下述发电系统:利用了借助低沸点的工作介质驱动涡轮及膨胀机(膨胀器)的兰金循环的二元发电系统。
上述的排热发电装置具有:蒸汽发生器,回收排热而生成工作介质的高压工作介质蒸汽;涡轮,令该高压工作介质蒸汽膨胀;冷凝器,令来自该涡轮的低压蒸汽冷凝;工作介质循环泵,令工作介质循环。这些设备由工作介质循环路连接,在蒸汽发生器和涡轮之间配置气液分离器,将在该气液分离器中从工作介质液分离的工作介质蒸汽导入涡轮。
另外,在上述的排热发电装置中,需要配设用于令工作介质在循环流路内循环的循环泵,被位于比该循环泵靠上游侧的冷凝器冷凝而液化后的工作介质被吸入该循环泵。循环泵起到将被液化后的工作介质送出到位于下游的蒸汽发生器的作用。
对于循环泵,需要事先防止气穴的产生用的策略。气穴是在流体机械中,在该流体机械的内部流动的介质(液)的压力局部地到达饱和蒸汽压、从而介质沸腾而产生小气泡的现象。在该气泡破裂时,由于其冲击压对流体机械的构成品产生所谓的侵蚀(腐蚀)。例如,如果流体机械为涡轮型流体机械,则在作为其主要部件的叶片(叶轮)上产生损伤。当在循环泵中产生了气穴时,为了循环泵的维护,必须停止发电装置的系统整体的运转。因而,事先防止循环泵中的气穴的产生用的对策变得十分重要。
在该排热发电装置中,除了上述的构成,还设有控制令工作介质从冷凝器向蒸汽发生器循环的循环量的循环量控制机构、和检测气液分离器内的分离液面的液面检测器。在气液分离器中分离的分离液(工作介质)经由流量控制机构而被导入冷凝器。此外,以由液面检测器检测到的气液分离器内的分离液面为既定的水平的方式,循环量控制机构控制工作介质的循环泵。
此外,在该排热发电装置中设置有热回收器。热回收器设置于将从气液分离器向冷凝器导入分离液的路径中,在分离液与从冷凝器送入蒸汽发生器的工作介质之间进行热交换。
在上述的排热发电装置中,由于没有采取事先防止循环泵中的气穴的产生的对策,所以有可能在循环泵中产生气穴。
另外,为了防止气穴的产生,需要在循环泵的上游侧的流路中充满液体状态的工作介质,进而期望充满于上游侧的流路的液体状态的工作介质的量为期望的既定量以上。但是,在上述的日本特许第4557793号中,并没有特别地谈及该排热发电装置的停止方法、或者相反的启动方法。因而,根据排热发电装置的停止方法、启动方法,产生启动时液体状态的工作介质没有充满循环泵的上游侧的流路的状况、或者充满于上游侧的流路的液体状态的工作介质的量比期望的既定量少的状况。于是,在循环泵中产生气穴的可能性进而变高。
发明内容
因此,本发明是鉴于上述现有技术而提出的,其目的在于提供一种动力发生装置,其能够避免构造复杂化并且能够抑制在令工作介质循环的泵中的气穴的产生。
为了实现上述的目的,本发明为一种动力发生装置,包括:蒸汽发生机构,利用热介质加热液体的工作介质而令该工作介质蒸发;膨胀机,令气体的上述工作介质膨胀,利用上述膨胀机产生动力;冷凝机构,利用冷却介质冷却气体的上述工作介质而令其冷凝;泵,令上述工作介质循环;闭环状的循环流路,串联地连接上述蒸汽发生机构、上述膨胀机、上述冷凝机构、以及上述泵;第一开闭阀,设置于上述循环流路中上述蒸汽发生机构与上述膨胀机之间;旁通流路,将上述循环流路中上述蒸汽发生机构以及上述第一开闭阀之间与上述膨胀机以及上述冷凝机构之间连接;第二开闭阀,设置于上述旁通流路;第三开闭阀,设置于上述循环流路中上述泵与上述蒸汽发生机构之间;以及控制机构,对上述泵的启动以及停止、以及各开闭阀的开闭进行控制,在此,上述控制机构在停止上述泵时输出停止上述泵的控制信号和关闭上述第一开闭阀的控制信号和打开上述第二开闭阀的控制信号和关闭上述第三开闭阀的控制信号,此后,在满足了既定的条件时输出关闭上述第二开闭阀的控制信号。
在本发明中,在停止泵时在打开第二开闭阀后,在蒸汽发生机构中被热介质加热而气化了的工作介质通过旁通流路而向冷凝机构流动,在冷凝机构中被冷却介质冷却而被液化,从而在该液体状的工作介质积存了既定量之前将第二开闭阀打开,从而在启动泵时,能够确保液体状态的工作介质充满于泵的上游侧的流路的状况,能够降低气穴产生的可能。此外,仅令具有开闭阀的旁通流路与循环流路连接,能够避免构造的复杂化。
此外,在本发明中,上述既定的条件优选为,打开上述第二开闭阀之后经过了由上述控制机构预先设定的时间,所述预先设定的时间为直到在上述循环流路中的上述泵的上游侧的流路中积存了既定量的液体的工作介质的时间。
这样一来,在装置启动时,能够确保在泵的上游侧的流路中充满了液体的工作介质的状况,能够降低气穴产生的可能性。
此外,在本发明中,优选进而具有设置于上述冷凝器的液面计,该液面计能够检测上述冷凝器的内部的液面的高度,上述既定的条件为上述液面计的值到达所定值。
这样一来,能够根据液面计(水平计)的检测值而客观地判断液体的工作介质是否充满了泵的上游侧的流路,所以能够容易地确保液体状态的工作介质充满于泵上游侧的流路的状况,能够进一步降低泵中的气穴的产生的可能性。
此外,在本发明中,优选进而具有设置于上述循环流路中上述冷凝器与上述泵之间的液体容器、和设置于该液体容器的液面计,该液面计能够检测上述液体容器的内部的液面的高度,上述既定的条件为上述液面计的值到达既定值。
这样一来,能够根据液面计(水平计)的检测值而客观地判断液体的工作介质是否充满了泵的上游侧的流路,所以能够容易地确保液体状态的工作介质充满于泵的上游侧的流路的状况,能够进一步降低泵中的气穴的产生的可能性,此外,由于具有液体容器,所以能够在泵的上游侧的流路中确保大量的液体的工作介质。
如以上说明的那样,根据本发明,能够避免构造复杂化,并且能够抑制在令工作介质循环的泵中的气穴的产生。
附图说明
图1是概略地表示本发明的第一实施方式的发电装置的构成的图。
图2是用于说明上述发电装置启动时的动作的流程图。
图3是用于说明上述发电装置停止时的动作的流程图。
图4是概略地表示本发明的第二实施方式的发电装置的构成的图。
图5是用于说明上述发电装置停止时的动作的流程图。
图6是概略地表示本发明的第三实施方式的发电装置的构成的图。
具体实施方式
以下,参照附图详细说明用于实施本发明的方式。
(第一实施方式)
图1表示本发明的动力发生装置的第一实施方式的发电装置100的构成。
该发电装置100具有闭环状的循环流路6,其设置有膨胀机1、油分离器2、冷凝器(冷凝机构)3、工作介质泵4、蒸发器(蒸汽发生器、蒸汽发生机构)5。该循环流路6中作为工作介质而封入有甲基睾丸酮类的介质(例如R245fa)。作为工作介质使用比水沸点低的介质,本实施方式的发电装置100构成为二元式发电装置。
膨胀机1配置于循环流路6的蒸发器5的下游侧,通过令在蒸发器5中蒸发了的工作介质(蒸汽)膨胀而从工作介质取出运动能。膨胀机1例如由螺杆膨胀机构成。该螺杆膨胀机为,在形成于膨胀机壳体内的转子室(未图示)中收纳阴阳一对的螺杆转子(未图示),利用通过循环流路6而从吸气口1s供给的工作介质的膨胀力而令螺杆转子旋转。然后,在转子室内膨胀而压力低降低了的工作介质被从排出口1d向循环流路6排气。
在循环流路6中的膨胀机1与冷凝器3之间设置有油分离器2,在油分离器2与膨胀机1之间设置有具有油泵17的油流路18。油分离器2将从膨胀机1与工作介质一起排出的油分离,并将该分离后的油积存于内部。积存于油分离器2内的油通过油流路18而被供给至膨胀机1的内部。供给至膨胀机1的内部的油作为螺杆转子之间、以及螺杆转子与转子室之间的密封材料而发挥作用,起到令工作介质的膨胀的效率不会降低的作用。
膨胀机1与发电机9连接,将在膨胀机1中发生的动力传递至发电机9而驱动该发电机9。发电机9为下述构成:在发电机机壳体的内部空间(未图示)中收纳定子(未图示)以及转子(未图示)。转子具有与膨胀机1的螺杆转子的轴一体的轴,通过伴随螺杆转子的旋转而旋转,在定子的绕线上发生电力。利用该膨胀机1和发电机9构成发电机构。
冷凝器3配置在循环流路6的膨胀机1的下游侧、更具体而言配置在油分离器2的下游侧,向其导入从膨胀机1的排出口1d排出到循环流路6而分离了油的气体状的工作介质。在该冷凝器3中,工作介质借助与冷却介质(例如冷却水)的热交换而冷凝成为液体状的工作介质,所述冷却介质在不同于循环流路6的另外的系统的冷却介质流路8中流动。即,冷凝器3具有工作介质流动的流路和冷却介质流动的流路,在气体的工作介质与冷却介质之间进行热交换,从而令该工作介质冷凝。
成为液体的工作介质借助泵4而被加压至既定的压力,被送出至蒸发器5。在该蒸发器5中,工作介质借助与热介质(例如低压蒸汽)的热交换而被加热,成为饱和蒸汽(或者过热蒸汽),所述热介质在不同于循环流路6的另外的系统的热介质流路7中流动。即,蒸发器5具有工作介质流动的流路和从外部的热源供给的热介质流动的流路,通过令液体状的工作介质与热介质之间进行热交换,令该工作介质气化而成为饱和蒸汽(或者过热蒸汽)。而且,在蒸发器5中成为饱和蒸汽(或者过热蒸汽)的工作介质被再次供给至膨胀机1。
对于经由热介质流路7而供给至蒸发器5的热介质(加热介质),除了从坑井(蒸汽井)采集的蒸汽、从工厂等排出的剩余蒸汽外,还可以设想由以太阳能为热源的集光器、以生物量及化石燃料为热源的锅炉、其他的设备等生成的蒸汽等。另一方面,对于经由冷却介质流路8而供给至冷凝器3的冷却介质,能够设想由冷却塔制造的冷却水等。
泵4为了令工作介质在循环流路6内循环而设置,配置在循环流路6中冷凝器3的下游侧。即,泵4设置于循环流路6中连接冷凝器3与蒸发器5的流路,吸入冷凝器3侧的工作介质 (液)而向蒸发器5侧排出。作为泵4,优选使用以叶片作为转子的离心泵、转子由一对的齿轮构成的齿轮泵等。
在循环流路6的蒸发器5与膨胀机1之间,设置有第一开闭阀11(V1)。而且,在循环流路6中,设置连接蒸发器5的下游侧和冷凝器3的上游侧、更详细而言连接蒸发器5以及第一开闭阀11之间与膨胀机1以及冷凝器3之间的旁通流路10。在该旁通流路10中设置第二开闭阀12 (V2)。此外,在泵4和蒸发器5之间的循环流路6中设置第三开闭阀13 (V3)。
在循环流路6的冷凝器3的上游侧、比循环流路6和旁通流路10的连接部位更靠上游侧,设置有仅允许从油分离器2向冷凝器3的流动的单向阀14。此外,在旁通流路10的比第二开闭阀12还靠下游侧,设置有仅允许从蒸发器5的下游侧向冷凝器3的上游侧的流动的单向阀15。
发电装置100具有控制装置(控制机构)20。该控制装置20具有触摸面板等的输入/显示机构(未图示)。此外,控制装置20具有ROM、RAM、CPU等,通过执行存储于ROM的程序而发挥既定的功能。即,控制装置20中作为该功能而包含设定机构21、启动控制机构22、停止控制机构23、以及判断部24。
设定机构21对RAM输出设定信号以便将后述的计时器的既定值设定为通过输入/显示机构而输入的值。而且,RAM接收从设定机构发送的设定信号而存储既定值。启动控制机构22在对输入/显示机构进行了操作而生成启动指令时输出打开第一开闭阀11以及第三开闭阀13的控制信号、和启动油泵17以及泵4的控制信号。停止控制机构23在对输入/显示机构进行了操作而生成停止指令时,输出关闭第一开闭阀11的控制信号、停止油泵17以及泵4的控制信号、关闭第三开闭阀13的控制信号,并且还输出打开第二开闭阀12的控制信号。判断部24含有对生成启动指令后的时间进行计数的计时器,判断该计时器的值是否满足预先由设定机构21设定的既定的条件,即是否到达存储于RAM的既定值。
在此,参照图2说明启动时的发电装置100的控制动作。如果对控制装置20的输入/显示机构进行了操作而生成启动指令,则控制装置20 的启动控制机构22打开第一开闭阀11以及第三开闭阀13(步骤ST1以及步骤ST2),并且令油泵17以及泵4启动(步骤ST3以及步骤ST4)。另外,这些从步骤ST1到步骤ST4可以以一定的顺序进行,也可以全部同时进行。
由此,从泵4送出的液体状的工作介质在蒸发器5中蒸发而成为饱和蒸汽(或者过热蒸汽)而被供给至膨胀机1,在膨胀机1中膨胀。此时,从膨胀机1得到了动力的发电机9被驱动。而且,从膨胀机1排出的工作介质在冷凝器3中冷凝而成为液状,被吸入泵4。这样一来,在循环流路6中进行工作介质的循环。此时,第二开闭阀12为常闭形的开闭阀,在启动时为闭状态,所以在启动时工作介质不在旁通流路10中流通。
接着,参照图3说明停止时的发电装置100的控制动作。
如果对控制装置20的输入/显示机构进行了操作而生成了停止指令,则控制装置20 的停止控制机构23关闭第一开闭阀11、停止泵4以及油泵17(步骤ST10),并且打开第二开闭阀12并关闭第三开闭阀13(步骤ST11)。然后,启动控制装置20的判断部24的计时器(步骤ST12)。另外,这些从步骤ST10到步骤ST12也可以以一定的顺序进行,也可以全部同时进行。
此后,控制装置20在判断部24中判断该计时器的值是否到达预先由设定机构21 设定的既定值(从停止泵4并打开第二开闭阀12并且关闭第三开闭阀13开始是否经过了既定时间)(步骤ST13)。
然后,在计时器的值到达既定值之前反复进行步骤ST13,在判断计时器的值到达既定值时,在步骤ST13中的判断变为YES,所以向ST14移行。然后,基于来自控制装置20的控制信号而关闭第二开闭阀12(步骤ST14),结束停止的处理。
以下说明以上的泵4的停止时的工作介质的动作。如果第一开闭阀11 以及第三开闭阀13关闭并且泵4停止(步骤ST10、步骤ST11),则在循环流路6中从冷凝器3的出口到蒸发器5的入口的区间中的工作介质的流动被停止。从而,成为在蒸发器5以及冷凝器3中积存了气体状的工作介质以及液状的工作介质的状态。此时,热介质继续在热介质流路7中流动,冷却介质继续在冷却介质流路8中流动。因此,在蒸发器5中,工作介质被热介质持续加热,从而蒸发器5内的液状的工作介质持续蒸发。其结果,蒸发器5内的压力变为饱和蒸汽压,例如,蒸发器5内的工作介质的温度为80°且其压力P1为0.789MPa。另一方面,在冷凝器3中,工作介质被冷却介质持续冷却,所以冷凝器3内的气体状的工作介质被持续冷凝。然后,例如冷凝器3内的工作介质的温度为20°,且其压力P2为0.124MPa。此时,第二开闭阀12打开(步骤ST11),所以由于蒸发器5内的压力和冷凝器3内的压力的压力差,蒸发器5内的主要为气体状的工作介质通过旁通流路10而向冷凝器3流动,在冷凝器3内冷凝。此外,第二开闭阀12开放预先设定的既定时间,所以在该既定时间内在冷凝器3侧积存既定量的液体状的工作介质。另外,该既定时间根据蒸发器5的大小、循环流路6中从泵4到蒸发器5的配管的直径、体积等而变化。而且,该既定时间是由实验、分析等而求得的时间,是作为在各种条件下直到向冷凝器3侧积存既定量的工作介质的时间而在控制装置20的设定机构21中被预先设定的时间。
如以上说明的那样,在本实施方式中,在令泵4停止时在打开第二开闭阀12后,在蒸发器5中被热介质加热而气化后的工作介质通过旁通流路10而向冷凝器3流动,在冷凝器3中被冷却介质冷却而液化,所以通过令第二的开闭阀12打开直到该液状的工作介质积存既定量的既定时间,能够在启动泵4时令吸入泵4中的工作介质产生气穴的可能性降低。
(第二实施方式)
图4表示本发明的动力发生装置的第二实施方式的发电装置100的构成。另外,在第二实施方式中,仅对不同于第一实施方式的部分进行说明,对于与第一实施方式相同的构成、作用以及效果省略说明。
该第二实施方式的发电装置100除了第一实施方式的发电装置100的构成外,在冷凝器3上还设置有能够检测其内部的液面的高度的液面计(水平计)16。此外,控制装置20的设定机构21以将液面计(水平计)16的既定值设定为通过输入/显示机构而输入的值的方式对RAM输出设定信号。而且,控制装置的判断部24判断液面计(水平计)16 的检测值是否满足预先由设定机构21设定的既定的条件,即判断是否到达存储于RAM中的既定值。
接着,说明本实施方式的控制动作。在此,参照图5说明不同于第一实施方式的停止时的控制动作。
本实施方式的发电装置100中,在泵4的停止时,不是进行图3所示的发电装置100的停止时的控制动作下的利用计时器的步骤ST12、步骤ST13 ,而是进行判断“水平计的检测值是否为Hth以上(液面是否到达既定的液面高度)”的步骤ST15。在此,Hth是根据实验、分析等而求得的值,是在控制装置20的设定机构21中预先设定的值。
即,第二实施方式的发电装置100中,如果对控制装置20的输入/显示机构进行了操作而生成停止指令,则控制机构20的停止控制机构23关闭第一开闭阀11并停止泵4以及油泵17(步骤ST10),并且打开第二开闭阀12并关闭第三开闭阀13(步骤ST11)。另外,这些步骤ST10以及步骤ST11可以以一定的顺序进行也可以全部同时进行。
此后,控制装置20在判断部24中判断液面计(水平计)16的值是否到达了预先由设定机构21设定的既定值Hth(步骤ST15)。
然后,在液面计(水平计)的值到达既定值Hth之前反复进行步骤ST15,如果判断液面计(水平计)的值到达既定值Hth,则步骤ST15中的判断变为YES,所以向步骤ST14移行。然后,基于来自控制装置20的控制信号而关闭第二开闭阀12(步骤ST14),结束停止的处理。
在本实施方式中,以上的泵4的停止时的工作介质的动作与第一实施方式相同,但在本实施方式中,基于液面计(水平计)16的检测值而客观地判断液体状态的工作介质是否充满于泵4的上游侧的流路。因此,能够比第一实施方式更可靠地确保液体状态的工作介质充满于泵4的上游侧的流路的状况,能够在泵的启动时进一步降低气穴产生的可能性。
(第三实施方式)
图6表示本发明的动力发生装置的第三实施方式的发电装置100的构成。另外,在第三实施方式中,仅说明与第二实施方式不同的部分,对于与第一实施方式以及第二实施方式相同的构成、作用以及效果省略说明。
该第三实施方式的发电装置100在第二实施方式的发电装置100的构成之外,在循环流路6中冷凝器3与泵4之间具有液体容器16a。此外,液面计(水平计)16不设置于冷凝器3而是设置于液体容器16a。
此外,本实施方式的发电装置100的泵4的启动时以及停止时的控制动作与第二实施方式相同。
因而,在本实施方式中,也能够比第一实施方式更可靠地确保液体状态的工作介质充满于泵4的上游侧的流路的状况,能够在泵的启动时进一步降低气穴产生的可能性。进而,在本实施方式中,由于具有液体容器16a,所以与第二的实施方式相比,能够在泵4的上游侧的流路确保更多量的液体的工作介质。
另外,本次公开的实施方式全部是例示而不应认为是限定性的内容。本发明的保护范围并非由上述的实施方式的说明表示,而是由权利要求书表示,进而包含与权利要求书均等的意思以及范围内的全部的变更。
例如,在上述第一实施方式至第三实施方式中,也可以分别在热介质流路7以及冷却介质流路8中设置开闭阀,在打开第二开闭阀12时关闭这些流路7以及8的开闭阀。或者,也可以在停止泵4时关闭热介质流路7以及冷却介质流路8的开闭阀。
此外,也可以根据膨胀机1的种类而省略油分离器2。
此外,由本发明的动力发生装置驱动的对象并不限定于发电机。
Claims (4)
1.一种动力发生装置,包括:
蒸汽发生机构,利用热介质加热液体的工作介质而令该工作介质蒸发;
膨胀机,令气体的上述工作介质膨胀,利用上述膨胀机产生动力;
冷凝机构,利用冷却介质冷却气体的上述工作介质而令其冷凝;
泵,令上述工作介质循环;
闭环状的循环流路,串联地连接上述蒸汽发生机构、上述膨胀机、上述冷凝机构、以及上述泵;
第一开闭阀,设置于上述循环流路中上述蒸汽发生机构与上述膨胀机之间;
旁通流路,将上述循环流路中上述蒸汽发生机构以及上述第一开闭阀之间与上述膨胀机以及上述冷凝机构之间连接;
第二开闭阀,设置于上述旁通流路;
第三开闭阀,设置于上述循环流路中上述泵与上述蒸汽发生机构之间;
控制机构,对上述泵的启动以及停止、以及各开闭阀的开闭进行控制,
在此,上述控制机构在停止上述泵时输出停止上述泵的控制信号和关闭上述第一开闭阀的控制信号和打开上述第二开闭阀的控制信号和关闭上述第三开闭阀的控制信号,此后,在满足了既定的条件时输出关闭上述第二开闭阀的控制信号。
2.根据权利要求1所述的动力发生装置,其特征在于,
上述既定的条件为打开上述第二开闭阀之后经过了由上述控制机构预先设定的时间,所述预先设定的时间为直到在上述循环流路中的上述泵的上游侧的流路中积存了既定量的液体的工作介质的时间。
3.根据权利要求1所述的动力发生装置,其特征在于,
进而具有设置于上述冷凝机构的液面计,该液面计能够检测上述冷凝机构的内部的液面的高度,
上述既定的条件为上述液面计的值到达所定值。
4.根据权利要求1所述的动力发生装置,其特征在于,
进而具有设置于上述循环流路中上述冷凝机构与上述泵之间的液体容器、和设置于该液体容器的液面计,该液面计能够检测上述液体容器的内部的液面的高度,
上述既定的条件为上述液面计的值到达既定值。
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