DE112012002660T5

DE112012002660T5 - Abwärmestromerzeuger

Info

Publication number: DE112012002660T5
Application number: DE112012002660.8T
Authority: DE
Inventors: Hirohisa Wakisaka; Toshio Takahashi; Kouichi Machida
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Rotating Machinery Engineering Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-03-20
Also published as: JP5866819B2; CN103608549A; JP2013007368A; WO2013002066A1; US9677414B2; US20140110939A1; CN103608549B

Abstract

Der Abwärmestromerzeuger (G1, G2) weist auf: einem Verdampfer (1), welcher ausgestaltet ist, Dampf eines Arbeitsmediums zu erzeugen, eine Stromerzeugungsvorrichtung (2), welche ausgestaltet ist, beim Expandieren des Dampfes elektrische Energie zu erzeugen, einen Verdichter (3), welcher ausgestaltet ist, den Dampf zu verdichten, welcher die Stromerzeugungsvorrichtung (2) durchlaufen hat, eine Pumpe (5), welche ausgestaltet ist, das Arbeitsmedium, welches bei dem Verdichter verdichtet worden ist, an den Verdampfer weiterzuleiten. Weiterhin weist der Abwärmestromerzeuger (G1, G2) auf: eine Ventilvorrichtung (6), welche ausgestaltet ist, eine Zufuhr oder einen Zufuhrstopp eines Kühlmediums an die Stromerzeugungsvorrichtung (2) durchzuführen, wobei das Kühlmedium zum Kühlen der Stromerzeugungsvorrichtung (2) verwendet wird, und eine Steuerung (7), welche ausgestaltet ist, die Ventilvorrichtung (6) basierend auf einer Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung (2) zu steuern.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abwärmestromerzeuger, welcher elektrischen Strom mittels Abwärmeenergie erzeugt.
Die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-142095 , welche am 27. Juni 2011 angemeldet worden ist, wird beansprucht und deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird die Abwärmeenergie, welche von einer Fabrik, einer Verbrennungsanlage oder dergleichen abgegeben wird, wiedergewonnen, um eine Stromerzeugung durchzuführen. Die elektrische Energie, welche von der Stromerzeugung erhalten wurde, wird wiederverwendet und dadurch die Energieeinsparung verbessert. Bei solch einer Fabrik oder Anlage, wird die Abwärme von ungefähr 300°C oder mehr (1000°C für manche Fälle) für die Stromerzeugung verwendet, da ein Hochdruckdampf, welcher zum Treiben eines Stromerzeugungsaggregats verwendet wird, einfach erzeugt werden kann. Andererseits wird ein großer Teil der Abwärme niedriger Temperatur von 300°C oder weniger noch in die Atmosphäre freigegeben. Wenn die Abwärmeenergie, welche bei meisten Fällen herkömmlicherweise nicht wiedergewonnen wird, wiedergewonnen wird, um elektrischen Strom zu erzeugen, kann eine weitere Energieersparnis erreicht werden.
Das nachstehend angeführte Patentdokument 1 zeigt einen Abwärmestromerzeuger, welcher elektrischen Strom mittels Abwärme niedriger Temperatur von 300°C oder weniger über einen Rankine-Prozess erzeugt, welcher ein Arbeitsmedium mit einem niedrigen Siedepunkt verwendet. Das nachstehend angeführte Patentdokument 2 zeigt eine Technologie, bei welcher ein Abwärmestromerzeuger einen Rankine-Prozess verwendet, ein Teil des flüssigen Kondensats eines Arbeitsmediums einer Kühlvorrichtung des Generators zugeführt wird, um den Generator mittels der Verdampfungswärme des Arbeitsmediums zu kühlen.
Stand der Technik
Patentdokument

[Patentdokument 1] Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2000-110514
[Patentdokument 2] Japanische Patentschrift Nr. 4.286.062

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Obwohl das Patentdokument 2 die Technology des Kühlens des Generators mittels der Verdampfungswärme des Arbeitsmediums, welche bei dem Abwärmestromerzeuger verwendet wird, offenbart, wird diese Technologie im Allgemeinen nicht verwendet. Derzeit wird die Kühlung des Generators im Allgemeinen noch mit einem Kühlmedium wie z. B. einem Kühlmittel durchgeführt.
Wenn beim Kühlen des Generators, welcher bei dem Abwärmestromerzeuger verwendet wird, der Generator übermäßig von dem Kühlmedium gekühlt wird, fällt die Temperatur des Generators ab, und das Arbeitsmedium, welches durch den Generator geleitet wird, kann verflüssigt werden und sich innerhalb des Generators ansammeln. In diesem Fall kann das in dem Generator angesammelte Arbeitsmedium (das verflüssigte Arbeitsmedium) mit einem Rotor des Generators (z. B. einem Turbinenrotor oder einem Generatorenrotor) zusammenprallen und dadurch kann der Verlust erhöht oder ein mechanischer Bruch verursacht werden.
Wenn andererseits die Kühlung des Generators mit dem Kühlmedium unzureichend ist, kann die Temperatur des Generatorengehäuses, der Lager, welche den Rotor unterstützen, oder dergleichen hoch werden und dadurch Fehlfunktionen wie z. B. ein Blockieren verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung wurde Berücksichtigung dieser Umstände durchgeführt und hat als Aufgabe, einen Abwärmestromerzeuger bereitzustellen, welcher geeignet einen Generator kühlen kann, ohne eine übermäßige Kühlung oder eine unzureichende Kühlung zu verursachen.
Lösung der Aufgabe
Um diese Aufgaben zu lösen weist nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ein Abwärmestromerzeuger auf: einen Verdampfer, welcher ausgestaltet ist, Abwärmeenergie zu sammeln und Dampf eines Arbeitsmediums zu erzeugen, eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche ausgestaltet ist, beim Expandieren des Dampfes elektrische Energie zu erzeugen, einen Verdichter, welcher ausgestaltet ist, den Dampf zu verdichten, welcher die Stromerzeugungsvorrichtung durchlaufen hat, und eine Pumpe, welche ausgestaltet ist, das Arbeitsmedium, welches bei dem Verdichter verdichtet worden ist, an den Verdampfer weiterzuleiten. Der Abwärmestromerzeuger weist weiterhin auf: eine Ventilvorrichtung, welche ausgestaltet ist, eine Zufuhr oder einen Zufuhrstopp eines Kühlmediums an die Stromerzeugungsvorrichtung durchzuführen, wobei das Kühlmedium zum Kühlen der Stromerzeugungsvorrichtung verwendet wird, und eine Steuerung, welche ausgestaltet ist, das Ventil basierend auf einer Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung zu steuern.
Nach einem zweiten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach dem ersten Gesichtspunkt steuert die Steuerung das Ventil basierend auf der Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung und eines Druckes der Stromerzeugungsvorrichtung.
Nach einem dritten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach dem ersten Gesichtspunkt steuert die Steuerung das Ventil basierend auf der Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung und eines Zwischendruckes zwischen einem Druck eines Dampfes, welcher der Stromerzeugungsvorrichtung zugeführt wird, und einem Druck eines Dampfes, welcher von der Stromerzeugungsvorrichtung ausgegeben wird.
Nach einem vierten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach einem der ersten bis dritten Gesichtspunkte steuert die Steuerung die Ventilvorrichtung, so dass die Stromerzeugungsvorrichtung auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt werden kann und so verhindert wird, dass der Dampf, welcher bei dem Verdampfer erzeugt wird, sich innerhalb der Stromerzeugungsvorrichtung verflüssigt.
Nach einem fünften Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach einem der ersten bis vierten Gesichtspunkte steuert die Steuerung die Ventilvorrichtung mittels Information, welche eine Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums anzeigen.
Nach einem sechsten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach einem der ersten bis fünften Gesichtspunkte ist das Kühlmedium ein Teil des Arbeitsmediums, welches bei dem Verdichter verwendet wurde, um den Dampf zu verdichten, welcher die Stromerzeugungsvorrichtung durchlaufen hat.
Nach einem siebten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach einem der ersten bis fünften Gesichtspunkte ist das Kühlmedium ein Teil des Arbeitsmediums, welches bei dem Verdichter verdichtet worden ist.
Nach einem achten Gesichtspunkt bei dem Abwärmestromerzeuger nach dem siebten Gesichtspunkt wird das Arbeitsmedium, welches verwendet worden ist, um die Stromerzeugungsvorrichtung zu kühlen, in dem Verdichter gesammelt.
Wirkungen der Erfindung
Da nach der vorliegenden Erfindung eine Steuerung eine Ventilvorrichtung basierend auf einer Temperatur einer Stromerzeugungsvorrichtung steuert, wobei die Ventilvorrichtung eine Zufuhr oder einen Zufuhrstopp eines Kühlmediums durchführt, kann die Stromerzeugungsvorrichtung geeignet gekühlt werden, ohne eine übermäßige Kühlung oder eine unzureichende Kühlung zu bewirken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch eine Gesamtkonfiguration eines Abwärmestromerzeugers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren einer ersten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
3 ist eine Darstellung, welche einen Ablauf der ersten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
4 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren einer zweiten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
5 ist eine Darstellung, welche einen Ablauf der zweiten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
6 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch eine Gesamtkonfiguration eines Abwärmestromerzeugers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Nachfolgend werden Abwärmestromerzeuger bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Die 1 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch eine Gesamtkonfiguration eines Abwärmestromerzeugers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in der 1 dargestellt ist, weist ein Abwärmestromerzeuger G1 dieses Ausführungsbeispiels einen Verdampfer 1, einen Expansionsturbinengenerator 2 (Stromerzeugungsaggregat), einen Verdichter 3, einen Vorratsbehälter 4, eine Pumpe 5, ein Solenoidventil 6 (Ventilvorrichtung) und eine Steuerung 7 auf. Der Abwärmestromerzeuger G1 ist ein Stromerzeuger, welcher einen Rankine-Prozess verwendet, und er erzeugt elektrischen Strom mittels der Abwärmeenergie einer Abwärme niedriger Temperatur von ungefähr 300°C oder weniger (in der 1 als „Wärmequelle” beschrieben), welche von einer Fabrik oder einer Verbrennungsanlage oder dergleichen freigegeben wird.
Der Verdampfer 1 gewinnt die Abwärme niedriger Temperatur, welche von einer Fabrik oder einer Verbrennungsanlage oder dergleichen freigegeben wird, wieder und erzeugt den Dampf eines Arbeitsmediums. Der Expansionsturbinengenerator 2 erzeugt elektrischen Strom, während der Dampf expandiert, welcher bei dem Verdampfer 1 erzeugt worden ist. Der Expansionsturbinengenerator 2 weist z. B. ein Laufrad 2a, einen Generator 2b, eine Drehwelle 2c, Lager 2d und einen Kühlmantel 2e auf. Der Expansionsturbinengenerator 2 ist so angeordnet, dass die axiale Richtung der Drehwelle 2c parallel zu der vertikalen Richtung (Aufwärts- und Abwärtsrichtung) ist.
Das Laufrad 2a ist ein Drehschieber, welcher von dem bei dem Verdampfer 1 erzeugten Dampf angetrieben wird. Der Generator 2b wird mittels der Drehantriebskraft des Laufrads 2a angetrieben und erzeugt elektrische Energie, wie z. B. einen Dreiphasen-Wechselstrom. Die Drehwelle 2c ist ein Wellenelement, welches verwendet wird, um die Drehantriebskraft des Laufrads 2a an den Generator 2b zu übertragen, und ist drehbar an den Lagern 2d unterstützt, um parallel zu der vertikalen Richtung zu sein (Aufwärts- und Abwärtsrichtung). Der Kühlmantel 2e zirkuliert in dem Expansionsturbinengenerator 2 ein Kühlmedium (ein Teil des Kühlmediums, welches in dem Verdichter 3 verwendet wird).
Der Expansionsturbinengenerator 2 weist einen (nicht dargestellten) Temperatursensor, welcher die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 erfasst, und einen (nicht dargestellten) Drucksensor auf, welcher den internen Druck des Expansionsturbinengenerators 2 erfasst. Der Temperatursensor und der Drucksensor sind zum Beispiel in einem Bodenbereich BT (einem unteren Bereich in der vertikalen Richtung) des Expansionsturbinengenerators 2 angeordnet.
Zusätzlich kann anstelle dieses Drucksensor ein erster Drucksensor und ein zweiter Drucksensor (diese sind nicht dargestellt) vorgesehen sein, wobei der erste Drucksensor den Druck eines Dampfes erfasst, welcher dem Expansionsturbinengenerator 2 zugeführt wird, und der zweite Drucksensor den Druck eines Dampfes erfasst, welcher von dem Expansionsturbinengenerator 2 freigegeben wird, und der Zwischendruck dazwischen von den Erfassungsergebnissen des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors abgeleitet werden kann. Der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 wird im Allgemeinen ungefähr gleich dem Zwischendruck zwischen dem Druck des Dampfes, welcher dem Expansionsturbinengenerator 2 zugeführt wird, und dem Druck des Dampfes, welcher davon freigegeben wird. Demzufolge kann der Zwischenwert zwischen den Erfassungsergebnissen des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors als der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 verwendet werden.
Der Verdichter 3 kühlt den Dampf, welcher den Expansionsturbinengenerator 2 durchlaufen hat, mit einem Kühlmedium, wie z. B. einem Kühlmittel, um den Dampf zu verdichten (Verflüssigung). Ein Rohr P11 und ein Rohr P12 sind mit dem Verdichter 3 verbunden, wobei das Rohr P11 das Kühlmedium, welches verwendet wird, um das Arbeitsmedium zu kühlen, an den Verdichter 3 führt, und das Rohr P12 das Kühlmedium, welches verwendet worden ist, um das Arbeitsmedium zu kühlen, nach außen außerhalb des Verdichters 3 führt. Die Rohre P21 und P22 sind jeweils mit den Rohren P11 und P12 verbunden. Das Rohr P21 führt einen Teil des Kühlmediums, welches an den Verdichter 3 über das Rohr P11 geführt worden ist, an den Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2. Das Rohr P22 führt das Kühlmedium, welches in dem Kühlmantel zirkuliert worden ist, an das Rohr P12.
Der Vorratstank 4 ist ein Tank, welcher vorübergehend das Arbeitsmedium speichert, welches bei dem Verdichter 3 verdichtet worden ist. Die Pumpe 5 bringt einen Druck auf das Arbeitsmedium auf, welches vorübergehend in dem Vorratstank 4 gespeichert wird, nachdem es bei dem Verdichter 3 verdichtet worden ist, und führt das Arbeitsmedium dem Verdampfer 1 zu.
Das Solenoidventil 6 ist an dem Rohr P22 angebracht, welches mit dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 und dem Rohr P22 verbunden ist. Das Solenoidventil 6 öffnet oder schließt den Durchgang des Rohrs P22 unter Steuerung der Steuerung 7 und führt damit die Zufuhr oder den Zufuhrstopp des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 durch.
Außerdem kann das Solenoidventil 6 an dem Rohr P21 angebracht sein, welches mit dem Kühlmantel 2e und dem Rohr P11 verbunden ist.
Die Steuerung 7 steuert das Solenoidventil 6 basierend auf den Erfassungsergebnissen des (nicht dargestellten) Temperatursensors, welcher an dem Expansionsturbinengenerator 2 angebracht ist. Außerdem kann die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 basierend auf den Erfassungsergebnissen des obigen Temperatursensors und basierend auf den Erfassungsergebnissen des obigen Drucksensors steuern.
Weiterhin kann die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 basierend auf den Erfassungsergebnissen des obigen Temperatursensors und basierend auf einen Zwischendruck steuern, welcher von den Erfassungsergebnissen des ersten und zweiten Drucksensors abgeleitet worden ist.
Insbesondere steuert die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 basierend auf der internen Temperatur, auf dem internen Druck, auf dem Zwischendruck und dergleichen des Expansionsturbinengenerators 2 und reguliert die Zufuhrmenge des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 so, dass eine unzureichende Kühlung des Expansionsturbinengenerators 2 nicht bewirkt wird (da heißt, dass der Expansionsturbinengenerator 2 auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt wird, welche das Blockieren oder dergleichen von dessen Bauteilen verhindern kann), und so dass verhindert wird, dass der Dampf, welcher von dem Verdampfer 1 zugeführt wird, sich innerhalb des Expansionsturbinengenerators 2 verflüssigt.
Die Steuerung führt diese Steuerung an dem Solenoidventil 6 mittels der Informationen durch, welche eine Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums anzeigen. Die Informationen, welche die Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums anzeigen, sind die Informationen, welche die Beziehung zwischen einer Temperatur und einem Druck in einem Zustand anzeigen, bei dem die Menge des Dampfes des Arbeitsmediums, welche zu verflüssigen ist, und die Menge des verflüssigten Arbeitsmediums, welche zu verdampfen ist, sich miteinander ausgleichen.
Das heißt, dass um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium sich innerhalb des Expansionsturbinengenerators 2 verflüssigt, steuert die Steuerung 7 das Solenoidventil 6, welches die Zufuhrmenge des Kühlmediums mit den Informationen, welche eine Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums anzeigen, so reguliert, dass die Verdampfungsmenge des verflüssigten Arbeitsmediums sich innerhalb eines Bereiches befindet, welcher größer als die Verflüssigungsmenge des Dampfes des Arbeitsmediums ist.
Als Arbeitsmedium, welches bei dem Abwärmestromerzeuger G1 mit den obigen Aufbau verwendet wird, wird bevorzugt ein Arbeitsmedium verwendet, bei dem dessen Siedepunkt (der Siedepunkt unter Atmosphärendruck) höher als 35°C ist. Selbst wenn die Abwärme niedriger Temperatur in diesem Fall 300°C oder weniger beträgt, kann der Dampf des Arbeitsmediums erzeugt werden und es ist somit möglich, effizient elektrischen Strom mit der Abwärmeenergie von einer Abwärme mit solch einer niedrigen Temperatur zu erzeugen. Außerdem ist es bevorzugt, dass der maximale interne Druck der Vorrichtung während des Betriebes niedriger oder gleich 1 MPa (G) (1 MPa Überdruck) ist.
Indem ein niedriger Druck in der gesamten Vorrichtung aufrechterhalten wird, ist es für diesen Fall möglich, einen niedrigen internen Druck des Expansionsturbinengenerators 2 aufrechtzuerhalten.
Wenn ein niedriger interner Druck des Expansionsturbinengenerators 2 aufrechterhalten wird, da nicht ein hoher Druck an das Gehäuse des Expansionsturbinengenerators 2, des Verdampfers 1 oder des Verdichters 3 angelegt wird, ist es möglich, eine höhere Sicherheit zu gewährleisten. Da außerdem die Stärke des obigen Gehäuses oder dergleichen nicht übermäßig zu vergrößert werden braucht, ist es möglich, einen synergetischen Effekt zu erreichen, durch den es möglich ist, die Vorrichtung mit niedrigen Kosten herzustellen. Als das obige Arbeitsmedium kann Hydrofluorether (HFE), Fluorkohlenstoff, Fluorketon, Perfluorpolyether oder dergleichen verwendet werden.
Bei dem Abwärmestromerzeuger G1 mit den obigen Aufbau befördert die Pumpe 5 das flüssige Arbeitsmedium an den Verdampfer 1, das Arbeitsmedium wird mittels der Abwärmeenergie niedriger Temperatur (Wärmequelle) gekocht und verdampft, welche dem Verdampfer 1 zugeführt worden ist, und dadurch wird dessen Dampf erzeugt. Der Dampf, welcher bei dem Verdampfer 1 erzeugt worden ist, wird dem Expansionsturbinengenerator 2 zugeführt und treibt den Expansionsturbinengenerator 2, während der Dampf expandiert wird, wodurch die Stromerzeugung bei dem Expansionsturbinengenerator 2 durchgeführt wird. Der Dampf, welcher den Expansionsturbinengenerator 2 durchlaufen hat, wird bei dem Verdichter 3 mit dem Kühlmedium gekühlt, welches über das Rohr P11 zugeführt wird, und dadurch verdichtet (Verflüssigung). Das Arbeitsmedium, welches von dem Verdichter 3 verdichtet worden ist, wird vorübergehend in dem Vorratstank 4 gespeichert und danach von dem Pumpe 3 mit Druck beaufschlagt, um wieder an den Verdampfer 1 befördert zu werden. Durch Wiederholen der Verdampfung und der Verdichtung des Arbeitsmediums bei dem Abwärmestromerzeuger G1 wird auf diese Weise die Stromerzeugung mittels der Abwärmeenergie mit der Abwärme niedriger Temperatur durchgeführt.
Während der obige Ablauf durchgeführt wird, wird das Solenoidventil 6 von der Steuerung 7 basierend auf den Erfassungsergebnissen des (nicht dargestellten) Temperatursensors gesteuert, welcher an den Expansionsturbinengenerator 2 angebracht ist (oder basierend auf den Erfassungsergebnissen des Temperatursensors und den Erfassungsergebnissen des Drucksensors gesteuert oder basierend auf den Erfassungsergebnissen des Temperatursensors und den Erfassungsergebnissen (dem Zwischendruck) des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors gesteuert), und die Zufuhrmenge des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 wird reguliert. Zusätzlich wird die Steuerung an das Solenoidventil 6 durch die Steuerung 7 grob in eine erste Steuerung und eine zweite Steuerung klassifiziert, wobei die erste Steuerung nur auf der Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 basiert und die zweite Steuerung auf der Temperatur und dem Druck (oder dem Zwischendruck) des Expansionsturbinengenerators 2 basiert. Nachfolgend werden die erste Steuerung und die zweite Steuerung im Detail beschrieben.
(Erste Steuerung)
Die 2 ist ein Flußdiagramm, welches das Verfahren einer ersten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Die 3 ist eine Darstellung, welche den Ablauf der ersten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Zusätzlich ist die 3 eine Darstellung, welche die Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums zeigt, wobei die horizontale Achse die Temperatur darstellt und die vertikale Achse den Druck darstellt.
Die Kurve, welche in der 3 mit dem Bezugszeichen K1 bezeichnet wird, ist eine Kurve (nachfolgend als „Sättigungseigenschaftskurve” bezeichnet), welche die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck in dem Zustand zeigt, bei dem die Menge des Dampfes des Arbeitsmediums, welche zu verflüssigen ist, und die Menge Dampfes des verflüssigten Arbeitsmedium, welche zu verdampfen ist, miteinander im Gleichgewicht sind. Die Fläche R1, welche sich über der Sättigungseigenschaftskurve K1 befindet, ist eine Fläche, in der das Arbeitsmedium als Flüssigkeit vorliegt, und die Fläche R2, welcher sich unter der Sättigungseigenschaftskurve K1 befindet, ist eine Fläche, in der das Arbeitsmedium als Dampf vorliegt. Zusätzlich zeigt die Gerade, welche mit dem Bezugszeichen M in der 3 bezeichnet wird, den maximalen Druck bei der Ausgestaltung des Expansionsturbinengenerators 2.
Bei dieser ersten Steuerung sind eine Öffnungsline L11, welche verwendet wird, um das Solenoidventil 6 zu öffnen, und eine Schließungslinie L12 eingestellt, welche verwendet wird, um das Solenoidventil 6 zu schließen. Die erste Steuerung wird unter der Voraussetzung durchgeführt, dass der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 nicht den maximalen Druck bei dessen Ausgestaltung überschreitet (der interne Druck ist nicht über der Graden M). Demzufolge ist die Öffnungsline L11 als eine Gerade eingestellt, welche eine Temperatur anzeigt, bei welcher eine unzureichende Kühlung an dem Expansionsturbinengenerator 2 nicht bewirkt wird. Die Schließungslinie L12 ist als eine Gerade eingestellt, welche eine Temperatur anzeigt, bei welcher die Verflüssigung des Arbeitsmediums an dem Expansionsturbinengenerator 2 nicht bewirkt wird, wobei die Temperatur, welche von der Schließungslinie L12 angezeigt wird, niedriger als die Temperatur ist, welche von der Öffnungsline L11 angezeigt wird.
Wenn der Betrieb des Abwärmestromerzeugers G1 gestartet wird und der Expansionsturbinengenerator 2 anfängt, Strom zu erzeugen, erzeugt der Generator 3b Wärme z. B. aufgrund elektrischer Verluste (Kupferverlust, Eisenverlust oder dergleichen eines Stators in dem Generator 2b). Da die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 niedriger als die Temperatur ist, welche von der Schließungslinie L12 angezeigt wird, ist außerdem zu der Zeit des Startens des Betriebs des Abwärmestromerzeugers G1 das Solenoidventil 6 geschlossen. Da das Solenoidventil 6 geschlossen ist und das Kühlmedium nicht dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 zugeführt wird, wird bei dem Anfangsstadium der Stromerzeugung durch den Expansionsturbinengenerator 2 die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 allmählich erhöht.
Die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 wird von dem (nicht dargestellten) Temperatursensor erfasst und die Informationen, welche dessen Erfassungsergebnisse anzeigen, werden der Steuerung 7 eingegeben. Dadurch bestätigt die Steuerung 7 die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 (Schritt S11). Nachdem diese Bestätigung durchgeführt worden ist, bestimmt die Steuerung 7, ob die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 größer oder gleich der Öffnungsline L11 (die rechte Seite der Öffnungsline in der 3) ist, und ob die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 kleiner oder gleich der Schließungslinie L12 (die linke Seite der Schließungslinie L12 in der 3) (Schritt S12) ist.
Wenn z. B. die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 von dem Punkt angezeigt wird, welcher mit dem Bezugszeichen Q11 in der 3 bezeichnet wird, bestimmt die Steuerung 7, dass die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 größer oder gleich der Öffnungsline L11 ist, und steuert das Solenoidventil 6, um es zu öffnen (Schritt S13). Dann wird ein Teil des Kühlmediums, welches über das Rohr P11 zugeführt worden ist, über das Rohr P21 dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 zugeführt. Das Kühlmedium wird in dem Kühlmantel 2e zirkuliert und dadurch wird der Expansionsturbinengenerator 2 so gekühlt, dass dessen Temperatur (Schritt S14) abfällt. Dadurch kann ein Blockieren oder dergleichen aufgrund einer unzureichenden Kühlung des Expansionsturbinengenerators 2 verhindert werden. Außerdem wird das Kühlmedium, welches in dem Kühlmantel 2e zirkuliert worden ist, über das Rohr P22 dem Rohr P12 zugeführt.
Wenn z. B. die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 durch den Punkt, welcher in der 3 mit dem Bezugszeichen Q12 bezeichnet wird, angezeigt wird, bestimmt die Steuerung 7, dass die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 niedriger oder gleich der Schließungslinie L12 ist und steuert das Solenoidventil 6, um es zu schließen (Schritt S15). Dann wird die Zufuhr des Kühlmediums über das Rohr P21 an den Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 angehalten und die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 steigt an (Schritt S16). Dadurch wird die Verflüssigung des Arbeitsmediums aufgrund einer übermäßigen Kühlung des Expansionsturbinengenerators 2 verhindert.
Wenn bei der ersten Steuerung die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 größer oder gleich der Öffnungslinie L11 ist, öffnet auf diese Weise die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 und dadurch wird die Zufuhr des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 durchgeführt. Wenn andererseits die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 niedriger oder gleich der Schließungslinie L12 ist, schließt die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 und dadurch wird die Zufuhr des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 angehalten.
Dadurch wird die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 zwischen der Temperatur, welche von der Öffnungslinie L11 angezeigt wird, und der Temperatur gehalten, welche von der Schließungslinie L12 angezeigt wird, und der Expansionsturbinengenerator 2 kann geeignet gekühlt werden, ohne dass eine übermäßige Kühlung oder eine unzureichende Kühlung bewirkt wird.
(Zweite Steuerung)
Die 4 ist ein Flußdiagramm, welches ein Verfahren einer zweiten Steuerung zeigt, welche bei dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Die 5 ist eine Darstellung, welche den Ablauf zeigt, der von der zweiten Steuerung durchgeführt wird. Außerdem ist die 5 eine Darstellung, welche die Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums ähnlich der in der 3 gezeigten Darstellung zeigt, und die Fläche R1, in welcher das Arbeitsmedium als Flüssigkeit vorliegt, und die Fläche R2, in welcher das Arbeitsmedium als Dampf vorliegt, werden darin gezeigt.
Bei der zweiten Steuerung werden eine Öffnungslinie L21, welche verwendet wird, um das Solenoidventil 6 zu öffnen, und eine Schließungslinie L22, welche verwendet wird, um das Solenoidventil 6 zu schließen, auch eingestellt. Anders als bei der ersten Steuerung wird außerdem die zweite Steuerung durchgeführt, indem die Temperatur und der Druck (oder der Zwischendruck) des Expansionsturbinengenerators 2 verwendet werden. Demzufolge ist die Öffnungslinie L21 als eine Kurve (eine Kurve ungefähr entlang der Sättigungseigenschaftskurve K1) eingestellt, welche die Beziehung zwischen einer Temperatur und einem Druck anzeigt, bei welchen die unzureichende Kühlung des Expansionsturbinengenerators 2 nicht bewirkt wird. Die Schließungslinie L22 wird zwischen der Öffnungslinie L21 und der Sättigungseigenschaftskurve K1 eingestellt und sie ist als eine Kurve (eine Kurve ungefähr entlang der Sättigungseigenschaftskurve K1) eingestellt, welche die Beziehung zwischen einer Temperatur und einem Druck anzeigt, bei welchen die Verflüssigung des Arbeitsmediums nicht bewirkt wird.
Wenn der Betrieb des Abwärmestromerzeuger G1 gestartet wird und der Expansionsturbinengenerator 2 die Stromerzeugung startet, wird ähnlich dem Fall, welcher für die erste Steuerung beschrieben wurde, die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 allmählich ansteigen.
Der interne Druck (oder der Zwischendruck) des Expansionsturbinengenerators 2 wird von dem (nicht dargestellten) Drucksensor erfasst und die Informationen, welche dessen Erfassungsergebnisse angeben, werden der Steuerung 7 eingegeben. Dadurch bestätigt die Steuerung 7 den internen Druck (oder den Zwischendruck) des Expansionsturbinengenerators 2 (Schritt S21).
Die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 wird von dem (nicht dargestellten) Temperatursensor erfasst und die Informationen, welche dessen Erfassungsergebnisse angeben, werden der Steuerung 7 eingegeben. Dadurch bestätigt die Steuerung 7 die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 (Schritt S22).
Nachdem diese Bestätigungen durchgeführt worden sind, bestimmt die Steuerung 7 die Beziehung zwischen der internen Temperatur und dem internen Druck des Expansionsturbinengenerators 2 und der Öffnungslinie L21 und der Schließungslinie L22 (Schritt S23).
Das heißt, dass die Steuerung 7 bestimmt, ob die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 größer oder gleich der Temperatur ist, welche von der Öffnungslinie L21 angezeigt wird, und ob der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 niedriger oder gleich dem Druck ist, welcher von der Öffnungslinie L21 angezeigt wird. Außerdem bestimmt die Steuerung 7, ob die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 niedriger oder gleich der Temperatur ist, welche von Schließungslinie L22 angezeigt wird, und ob der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 größer oder gleich dem Druck ist, welcher von der Schließungslinie L22 angezeigt wird. Wenn es weiterhin unter Bezug auf die 5 beschrieben wird, bestimmt die Steuerung 7, ob die interne Temperatur und der interne Druck des Expansionsturbinengenerators 2 auf der rechten Seite (der unteren Seite) der Öffnungslinie L21 in der 5 angeordnet sind, und ob dessen interne Temperatur und interner Druck auf der linken Seite (der oberen Seite) der Schließungslinie L22 in der 5 angeordnet sind.
Wenn z. B. die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 durch den Punkt angezeigt wird, welcher mit dem Bezugszeichen Q21 in der 5 bezeichnet wird, bestimmt die Steuerung 7, dass die Beziehung zwischen der internen Temperatur und dem internen Druck des Expansionsturbinengenerators 2 in der rechten Seite der Öffnungslinie L21 angeordnet ist und steuert das Solenoidventil 6, um es zu öffnen (Schritt S24). Dann wird ein Teil des Kühlmediums, welcher über das Rohr P11 zugeführt worden ist, über das Rohr P21 dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 zugeführt. Das Kühlmedium wird in dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 zirkuliert und dadurch wird der Expansionsturbinengenerator 2 so gekühlt, dass dessen Temperatur abfällt (Schritt S25). Dadurch wird ein Blockieren oder dergleichen aufgrund unzureichender Kühlung des Expansionsturbinengenerators 2 verhindert. Außerdem wird das Kühlmedium, welches in dem Kühlmantel 2e zirkuliert worden ist, über das Rohr P22 dem Rohr P12 zugeführt.
Wenn z. B. die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 von dem Punkt angezeigt wird, welcher mit dem Bezugszeichen Q22 in der 5 bezeichnet wird, bestimmt die Steuerung 7, dass die Beziehung zwischen der internen Temperatur und dem internen Druck des Expansionsturbinengenerators 2 auf der linken Seite der Schließungslinie L22 angeordnet ist und steuert das Solenoidventil 6, um es zu schließen (Schritt S26). Dann wird die Zufuhr des Kühlmediums über das Rohr P21 an den Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 angehalten und die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 steigt an (Schritt S27). Dadurch wird eine Verflüssigung des Arbeitsmediums aufgrund einer übermäßigen Kühlung an dem Expansionsturbinengenerator 2 verhindert.
Bei der zweiten Steuerung wird auf diese Weise die Steuerung an dem Solenoidventil hinsichtlich der Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 durchgeführt. Wenn insbesondere die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 auf der rechten Seite der Öffnungslinie L21 angeordnet ist, öffnet die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 und dadurch wird die Zufuhr des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 durchgeführt. Wenn andererseits die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Druck des Expansionsturbinengenerators 2 auf der linken Seite der Schließungslinie L22 angeordnet ist, schließt die Steuerung 7 das Solenoidventil 6 und dadurch wird die Zufuhr des Kühlmediums an den Expansionsturbinengenerator 2 angehalten.
Dadurch wird die Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 zwischen der Temperatur, welche von der Öffnungslinie L21 angezeigt wird, und der Temperatur, welche von der Schließungslinie L22 angezeigt wird, aufrecht erhalten und der Expansionsturbinengenerator 2 kann geeignet gekühlt werden, ohne dass eine übermäßige Kühlung oder eine unzureichende Kühlung bewirkt wird. Indem außerdem der interne Druck (oder der Zwischendruck) des Expansionsturbinengenerators 2 zusätzlich zu dessen interner Temperatur berücksichtigt wird, kann die interne Temperatur des Expansionsturbinengenerators 2 auf einer niedrigeren Temperatur als bei der ersten Steuerung gehalten werden und der Expansionsturbinengenerator 2 kann stabiler betrieben werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Die 6 ist ein Blockschaltbild, welches schematisch eine Gesamtkonfiguration eines Abwärmestromerzeugers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in der 6 gezeigt ist, weist der Abwärmestromerzeuger G2 nach diesem Ausführungsbeispiel die Bauteile von dem Verdampfer 1 bis zu der Steuerung 7 auf, ähnlich dem Abwärmestromerzeuger G1 bei dem ersten in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Der Abwärmestromerzeuger G2 ist ein Stromerzeuger, welcher einen Rankine-Prozess verwendet, und er erzeugt elektrischen Strom mittels Abwärmeenergie einer Abwärme niedriger Temperatur von ungefähr 300°C oder weniger, welche von einer Fabrik, einer Verbrennungsanlage oder dergleichen freigegeben wird. Außerdem unterscheidet sich der Abwärmestromerzeuger G2 bei diesem Ausführungsbeispiel von dem Abwärmestromerzeuger G1 des ersten in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiels darin, dass der Expansionsturbinengenerator 2 mittels eines Arbeitsmediums gekühlt wird.
Bei dem Abwärmestromerzeuger G2 dieses Ausführungsbeispiels sind insbesondere die Rohre P21 und P22 (Rohre, welche mit den Rohren P11 und P12 verbunden sind, welche mit dem Verdichter 3 verbunden sind, und welche mit dem Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2 verbunden sind), welche bei dem Abwärmestromerzeuger G1 vorgesehen sind, nicht vorgesehen und die Rohre P31 und P32 sind vorgesehen. Das Rohr P31 führt einen Teil des Arbeitsmediums, welches von der Pumpe 5 an den Verdampfer 1 geschickt wurde, an den Kühlmantel 2e des Expansionsturbinengenerators 2. Das Rohr P32 führt das Kühlmedium (Arbeitsmedium), welches in dem Kühlmantel 2e zirkuliert worden ist, an den Verdichter 3. Das Solenoidventil 6 ist an dem Rohr P32 angebracht. Außerdem kann das Solenoidventil 6 an dem Rohr P31 angebracht sein.
Der Abwärmestromerzeuger G2 mit diesem Aufbau unterscheidet sich von dem Abwärmestromerzeuger G1 des ersten Ausführungsbeispiels nur darin, dass der Expansionsturbinengenerator 2 mittels des Arbeitsmediums gekühlt wird, und die Steuerung an dem Solenoidventil 6 wird durch die Steuerung 7 ähnlich wie bei dem Abwärmestromerzeuger G1 des ersten Ausführungsbeispiels durchgeführt. Demzufolge kann der Expansionsturbinengenerator 2 geeignet gekühlt werden, ohne eine übermäßige Kühlung oder eine unzureichende Kühlung zu verursachen.
Vorstehend sind die Abwärmestromerzeuger bei den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt und sie ist nur auf den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt. Die Gestalt, die Kombination oder dergleichen von jedem in diesen Ausführungsbeispielen gezeigten Bauteil ist nur veranschaulichend und Hinzufügungen, Auslassungen, Ersetzungen, oder sonstige Änderungen an dem Aufbau können innerhalb des Umfangs angepasst werden, ohne von dem Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel ist bei diesen Ausführungsbeispielen der Vorratstank 4 zwischen dem Verdichter 3 und der Pumpe 5 vorgesehen, aber wenn er nicht notwendig ist, kann der Vorratstank 4 weggelassen werden. Außerdem wird bei diesen Ausführungsbeispielen das Solenoidventil 6 als die Ventilvorrichtung verwendet, aber ein anderes Ventil als ein Solenoidventil (z. B eine mechanische Ventilvorrichtung) kann verwendet werden. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung für einen Aufbau mit einem Radialturbinengenerator wie einem Kreiselexpansionsturbinengenerator oder einem Diagonalflussexpansionsturbinengenerator als Energieerzeugungseinrichtung verwendet werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann für einen Abwärmestromerzeuger angewendet werden, welcher elektrische Energie mittels Abwärmeenergie erzeugt.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer
2: Expansionsturbinengenerator (Stromerzeugungsvorrichtung)
3: Verdichter
5: Pumpe
6: Solenoidventil (Ventilvorrichtung)
7: Steuerung
G1, G2: Abwärmestromerzeuger

Claims

Abwärmestromerzeuger aufweisend: einen Verdampfer, welcher ausgestaltet ist, Abwärmeenergie zu sammeln und Dampf eines Arbeitsmediums zu erzeugen, eine Stromerzeugungsvorrichtung, welche ausgestaltet ist, beim Expandieren des Dampfes elektrische Energie zu erzeugen, einen Verdichter, welcher ausgestaltet ist, den Dampf zu verdichten, welcher die Stromerzeugungsvorrichtung durchlaufen hat, eine Pumpe, welche ausgestaltet ist, das Arbeitsmedium, welches bei dem Verdichter verdichtet worden ist, an den Verdampfer weiterzuleiten, eine Ventilvorrichtung, welche ausgestaltet ist, eine Zufuhr oder einen Zufuhrstopp eines Kühlmediums an die Stromerzeugungsvorrichtung durchzuführen, wobei das Kühlmedium zum Kühlen der Stromerzeugungsvorrichtung verwendet wird, und eine Steuerung, welche ausgestaltet ist, das Ventil basierend auf einer Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung zu steuern.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Ventil basierend auf der Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung und eines Druckes der Stromerzeugungsvorrichtung steuert.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Ventil basierend auf der Temperatur der Stromerzeugungsvorrichtung und eines Zwischendruckes zwischen einem Druck eines Dampfes, welcher der Stromerzeugungsvorrichtung zugeführt wird, und einem Druck eines Dampfes steuert, welcher von der Stromerzeugungsvorrichtung ausgegeben wird.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Ventilvorrichtung steuert, so dass die Stromerzeugungsvorrichtung auf eine vorbestimmte Temperatur gekühlt werden kann und so dass verhindert wird, dass der Dampf, welcher bei dem Verdampfer erzeugt wird, sich innerhalb der Stromerzeugungsvorrichtung verflüssigt.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 4, wobei die Steuerung die Ventilvorrichtung mittels Informationen steuert, welche eine Sättigungseigenschaft des Arbeitsmediums anzeigen.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium ein Teil des Arbeitsmediums ist, welches bei dem Verdichter verwendet wurde, um den Dampf zu verdichten, welcher die Stromerzeugungsvorrichtung durchlaufen hat.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium ein Teil des Arbeitsmediums ist, welches bei dem Verdichter verdichtet worden ist.
Abwärmestromerzeuger nach Anspruch 7, wobei das Arbeitsmedium, welches verwendet worden ist, um die Stromerzeugungsvorrichtung zu kühlen, in dem Verdichter gesammelt wird.