JP2007006684A - Power-generating apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power-generating apparatus that can acquire high power generation efficiency, even if the environmental conditions and operating state are changed. <P>SOLUTION: The power generating apparatus 1 is provided with a steam generator 10 for vaporizing a working medium M by a heat exchange between a heating medium H, an expander 20 for expanding the working medium M vaporized in the steam generator 10 and acquiring mechanical force via moving blades, a condenser 40 for condensing the working medium M expanded in the expander 20 by heat exchange between a cooling medium C, a power generator 30 driven by the mechanical force acquired in the expander 20 and generating power, and a controller 60 for controlling the rotational speed of the moving blades so as to maintain a predetermined ratio of a circumferential speed of the moving blades to the theoretical speed found from a thermal drop of the working medium M in the expander 20. Since the expander will track the environmental condition, even if the condition fluctuates and it can be operated at a high-efficiency operating point, the high power generation efficiency can be acquired. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は発電装置に関し、特に周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置に関するものである。   The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a power generation device capable of obtaining high power generation efficiency even when the surrounding environmental conditions change and the operating state changes.

エネルギの有効利用が喫緊の課題となっている今日において、未利用エネルギを有効活用できる装置として、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムで、排熱を利用して作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を蒸気タービンに供給し発電機を駆動して電力を得る廃熱発電装置が知られている(例えば特許文献1参照)。発電装置は、便宜上、商用電源と系統連系して利用されることが多い。このとき、発電装置の発電機は、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する。   Today, the effective use of energy is an urgent issue. As a device that can make effective use of unused energy, a closed system that uses the Rankine cycle uses a waste heat to evaporate the working medium, and the working medium vapor There is known a waste heat power generation apparatus that supplies electric power to a steam turbine and obtains electric power by driving a generator (see, for example, Patent Document 1). The power generator is often used in a grid connection with a commercial power source for convenience. At this time, the generator of the power generator operates so as to keep the rotation speed of the steam turbine rotor blade constant in order to synchronize the frequency of the generated power with the frequency of the system power.

他方、このような発電装置における発電量は、周囲の環境温度によって変動し得る。すなわち、周囲の環境温度が低下(上昇)すると蒸気タービンに供給され機械仕事に変換される熱量が増加(減少)し、発電機の駆動力が増加(減少)するために発電量が変動する場合がある。このように周囲の環境条件が変動しても、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるためには、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する必要があった。
特開2000−110514号公報(第2頁、図1)
On the other hand, the amount of power generated in such a power generation device can vary depending on the ambient environmental temperature. In other words, when the ambient temperature drops (rises), the amount of heat supplied to the steam turbine and converted into mechanical work increases (decreases), and the amount of power generated fluctuates because the drive power of the generator increases (decreases). There is. Thus, even if the surrounding environmental conditions fluctuate, in order to synchronize the frequency of the generated power with the frequency of the system power, it has been necessary to operate the steam turbine rotor blade at a constant rotation speed.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-110514 (2nd page, FIG. 1)

しかしながら、発電装置の発電効率は蒸気タービンの運転効率に依存するため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転しようとすると、いきおい蒸気タービンの効率の悪い点で運転せざるを得ず、これに伴って発電装置の発電効率の悪化を甘受せざるを得ないこととなっていた。   However, since the power generation efficiency of the power generation device depends on the operation efficiency of the steam turbine, if the operation is performed so that the rotation speed of the steam turbine rotor blade is constant, the steam turbine must be operated at the point where the efficiency of the steam turbine is poor. In connection with this, it had to accept the deterioration of the power generation efficiency of a power generator.

本発明は上述の課題に鑑み、周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置を提供することを目的とする。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a power generation apparatus that can obtain high power generation efficiency even when the ambient environmental conditions change and the operating state changes.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機30と;前記動翼の周速度の、作動媒体Mの膨張機20における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置60とを備える。ここで、所定の値は、典型的には、膨張機20の運転効率が最高となる値であり、幅を有していてもよい。   In order to achieve the above object, a power generator according to a first aspect of the present invention includes a steam generator 10 that evaporates the working medium M by heat exchange with the heating medium H, for example, as shown in FIG. An expander 20 that expands the working medium M evaporated in the generator 10 and obtains mechanical power through the moving blades; and a condenser that condenses the working medium M expanded in the expander 20 by heat exchange with the cooling medium C 40; a generator 30 driven by the mechanical power obtained by the expander 20 to generate electric power; a ratio of the peripheral speed of the moving blade to a theoretical speed obtained from a heat drop in the expander 20 of the working medium M is predetermined. And a control device 60 for controlling the rotational speed of the moving blade so that Here, the predetermined value is typically a value that maximizes the operating efficiency of the expander 20, and may have a width.

このように構成すると、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。   With this configuration, the rotational speed of the moving blade is controlled so that the ratio of the peripheral speed of the moving blade to the theoretical speed obtained from the heat drop in the expander of the working medium becomes a predetermined value. Even if it fluctuates, it becomes possible to operate the expander at a high-efficiency operating point following this, and high power generation efficiency can be obtained.

また、請求項2に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、請求項1に記載の発電装置において、発電した電力が交流電力Eaであって、交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と;直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62と;膨張機20に導入される蒸発した作動媒体Mのエンタルピと凝縮器40で凝縮した作動媒体Mのエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段85、91、92と;前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段84と;直流電力Edの電圧を検知する直流電圧検知器88とを備え;制御装置60が、エンタルピ差検知手段85、91、92で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、直流電圧検知器88で検知する電圧Edを所定の電圧に調節することにより、速度検知手段84で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成されている。   Further, as shown in FIG. 1, for example, in the power generator according to claim 1, the power generated by the power generator according to claim 1 is AC power Ea, and the AC power Ea is converted to DC power. A rectifier 61 for converting to Ed; an inverter 62 for converting DC power Ed to AC power Pg; an enthalpy of the working medium M evaporated into the expander 20 and an enthalpy of the working medium M condensed in the condenser 40 Enthalpy difference detecting means 85, 91, 92 for detecting the enthalpy difference; speed detecting means 84 for detecting the rotational speed of the moving blade; and a DC voltage detector 88 for detecting the voltage of the DC power Ed; 60 calculates the theoretical speed from the enthalpy difference detected by the enthalpy difference detecting means 85, 91, 92, and adjusts the voltage Ed detected by the DC voltage detector 88 to a predetermined voltage. And by being configured to control the rotational speed of the rotor blade to be detected by the speed detection means 84.

このように構成すると、エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より理論速度を算出し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件の変動に対して理論速度を算出し、これに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。   With this configuration, the theoretical speed is calculated from the enthalpy difference detected by the enthalpy difference detecting means, and the rotation of the moving blade detected by the speed detecting means is adjusted by adjusting the voltage detected by the DC voltage detector to a predetermined voltage. Since the speed is controlled, it is possible to calculate the theoretical speed with respect to fluctuations in the surrounding environmental conditions, and to follow this to operate the expander at a high-efficiency operating point, thereby obtaining high power generation efficiency. In addition, since it includes a rectifier that converts the generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect the grid power to the grid power without maintaining a constant rotation speed of the rotor blades of the expander.

また、請求項3に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動され、交流電力Eaを発電する発電機30と;発電した交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と;直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62と;膨張機20に導入される蒸発した作動媒体Mの飽和温度と凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段85、91と;前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段84と;直流電力Edの電圧を検知する直流電圧検知器88と;温度差検知手段85、91で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器88で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段84で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置60とを備える。   Further, for example, as shown in FIG. 1, the power generator according to the invention described in claim 3 is a steam generator 10 that evaporates the working medium M by heat exchange with the heating medium H; An expander 20 that expands the working medium M and obtains mechanical power through the moving blades; a condenser 40 that condenses the working medium M expanded in the expander 20 by heat exchange with the cooling medium C; and the expander 20 A generator 30 that is driven by the mechanical power obtained in step 1 and generates AC power Ea; a rectifier 61 that converts the generated AC power Ea into DC power Ed; and an inverter 62 that converts DC power Ed into AC power Pg Temperature difference detecting means 85 and 91 for detecting a temperature difference between the saturation temperature of the evaporated working medium M introduced into the expander 20 and the condensation temperature of the working medium M condensed by the condenser 40; Detect rotation speed A DC voltage detector 88 for detecting the voltage of the DC power Ed; a predetermined value of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance from the temperature difference detected by the temperature difference detection means 85, 91; And the voltage detected by the DC voltage detector 88 is adjusted to a predetermined voltage, so that the rotational speed of the moving blade detected by the speed detecting means 84 is controlled to be the predetermined rotational speed. And a control device 60.

このように構成すると、温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度が所定の回転速度となるように制御するので、周囲の環境条件の変動に対してあらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度にして膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。   With this configuration, the predetermined rotational speed of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance is determined from the temperature difference detected by the temperature difference detecting means, and the voltage detected by the DC voltage detector is set to the predetermined voltage. By adjusting, the rotational speed of the moving blade detected by the speed detecting means is controlled to be a predetermined rotational speed. Therefore, the moving blade of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance with fluctuations in the surrounding environmental conditions is controlled. The expander can be operated at a high-efficiency operating point at a predetermined rotational speed, and high power generation efficiency can be obtained. In addition, since it includes a rectifier that converts the generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect the grid power to the grid power without maintaining a constant rotation speed of the rotor blades of the expander.

本発明によれば、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える場合は、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。   According to the present invention, the rotational speed of the moving blade is controlled so that the ratio of the peripheral speed of the moving blade to the theoretical speed obtained from the heat drop in the expander of the working medium becomes a predetermined value. Even if it fluctuates, it becomes possible to operate the expander at a high-efficiency operating point following this, and high power generation efficiency can be obtained. In addition, when a rectifier that converts generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power are provided, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect to the grid power without maintaining the rotation speed of the rotor blades of the expander constant.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding devices are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.

図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る発電装置の構成を説明する。図1は、発電装置1の構成を説明するブロック図である。
発電装置1は、加熱媒体Hと熱交換することにより作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と、蒸発した作動媒体Mを膨張させて機械的動力を得る膨張機20と、膨張機20とシャフトを介して接続され膨張機20からの機械的動力により駆動されて交流電力Eaを発電する発電機30と、膨張した作動媒体Mを、冷却媒体Cと熱交換して凝縮させる凝縮器40と、冷却媒体Cを凝縮器40に導入する冷却媒体導入手段41と、制御装置60と、発電機30で発電した交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と、整流器61で変換した直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62とを備えている。
With reference to FIG. 1, the structure of the electric power generating apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the power generation device 1.
The power generation apparatus 1 includes a steam generator 10 that evaporates the working medium M by exchanging heat with the heating medium H, an expander 20 that expands the evaporated working medium M to obtain mechanical power, and the expander 20 and the shaft. Are connected to each other through a generator 30 that is driven by mechanical power from the expander 20 to generate AC power Ea, and a condenser 40 that condenses the expanded working medium M by exchanging heat with the cooling medium C, and Cooling medium introducing means 41 for introducing the cooling medium C into the condenser 40, a control device 60, a rectifier 61 for converting AC power Ea generated by the generator 30 into DC power Ed, and DC power Ed converted by the rectifier 61 Is converted to AC power Pg.

ここで、作動媒体として、沸点が40℃前後のジクロロトリフルオロエタンHCFC123あるいはトリフルオロエタノールCFCHOH等を用いると、200〜400℃程度の排ガスあるいは100〜150℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギをまず作動媒体Mの高圧蒸気に変換し、これにより膨張機20で発電機30に直結したタービン(不図示)を回転駆動し、発電を行うことができる。また、圧力が高くなるので、膨張機20などのコンパクト化が図れる。ただし、作動媒体Mは、これらに限られることはなく、ペンタフルオロプロパンR245fa等のその他のフロン類、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、アルコール等でもよく、水でもよい。また、加熱媒体Hは、焼却炉の排ガス、排温水、エンジンのジャケット温水等、作動媒体Mを蒸発させる熱を有していればよい。発電装置1は、加熱媒体Hを蒸気発生器10に圧送する加熱媒体搬送機16を備えており、加熱媒体搬送機16は、発電機30で発電した電力あるいは商用電力により作動するように構成されている。なお、冷却媒体Cについては、後述する。 Here, when dichlorotrifluoroethane HCFC123 having a boiling point of around 40 ° C. or trifluoroethanol CF 3 CH 2 OH or the like is used as the working medium, exhaust gas of about 200 to 400 ° C. or exhaust hot water of 100 to 150 ° C. is comparatively used. Using a low-temperature heat source, these heat energies are first converted into high-pressure steam of the working medium M, thereby rotating the turbine (not shown) directly connected to the generator 30 by the expander 20 to generate electricity. be able to. Further, since the pressure is increased, the expander 20 and the like can be made compact. However, the working medium M is not limited to these, and may be other chlorofluorocarbons such as pentafluoropropane R245fa, propane, butane, pentane, hexane, alcohol, or the like, or water. Moreover, the heating medium H should just have the heat which evaporates the working medium M, such as exhaust gas of an incinerator, exhaust hot water, and engine jacket warm water. The power generation apparatus 1 includes a heating medium transporter 16 that pumps the heating medium H to the steam generator 10, and the heating medium transporter 16 is configured to be operated by electric power generated by the generator 30 or commercial power. ing. The cooling medium C will be described later.

蒸気発生器10と膨張機20とは、蒸発した作動媒体Mの流路である配管53で接続されている。配管53には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができる仕切弁51が配設されている。膨張機20と凝縮器40とは、膨張した作動媒体Mの流路である配管54で接続されている。凝縮器40と蒸気発生器10とは、凝縮した作動媒体Mの流路である配管55で接続されている。配管55には、凝縮した作動媒体Mを蒸気発生器10に向かって圧送する作動媒体ポンプ50が配設されている。また、蒸気発生器10と仕切弁51との間の配管53と凝縮器40とは、膨張機20をバイパスして凝縮器40に蒸発した作動媒体Mを導入するバイパス配管56で接続されている。バイパス配管56には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができるバイパス仕切弁52が配設されている。   The steam generator 10 and the expander 20 are connected by a pipe 53 that is a flow path of the evaporated working medium M. The piping 53 is provided with a gate valve 51 that can block the flow of the evaporated working medium M and adjust the flow rate by adjusting the opening degree. The expander 20 and the condenser 40 are connected by a pipe 54 that is a flow path of the expanded working medium M. The condenser 40 and the steam generator 10 are connected by a pipe 55 that is a flow path of the condensed working medium M. A working medium pump 50 that pumps the condensed working medium M toward the steam generator 10 is disposed in the pipe 55. The pipe 53 between the steam generator 10 and the gate valve 51 and the condenser 40 are connected by a bypass pipe 56 that bypasses the expander 20 and introduces the working medium M evaporated to the condenser 40. . The bypass piping 56 is provided with a bypass gate valve 52 that can control the flow rate by blocking the flow of the evaporated working medium M and adjusting the opening degree.

発電機30は、電気ケーブルを介して、整流器61と接続されている。整流器61は、電気ケーブルを介して、インバータ62と接続されている。また、インバータ62は、電気ケーブルを介して、系統電力を供給する商用電源と系統連系している。また、発電機30には、軸受けに送る潤滑油を循環する油配管34が接続され、油配管34には油を循環させる油ポンプ32が配設されている。また、油配管34には油を冷却するオイルクーラー33が配設されている。オイルクーラー33には油を冷却するための油冷却用媒体M1を流す油冷却用配管35が接続されている。本実施の形態では、油冷却用媒体M1として、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの一部を分流して用いている。油冷却用配管35は、作動媒体ポンプ50の二次側の配管55及び凝縮器40に接続されている。   The generator 30 is connected to the rectifier 61 via an electric cable. The rectifier 61 is connected to the inverter 62 via an electric cable. Further, the inverter 62 is grid-connected to a commercial power supply that supplies grid power via an electric cable. The generator 30 is connected to an oil pipe 34 that circulates lubricating oil to be sent to the bearing, and the oil pipe 34 is provided with an oil pump 32 that circulates oil. An oil cooler 33 for cooling the oil is disposed in the oil pipe 34. The oil cooler 33 is connected to an oil cooling pipe 35 through which an oil cooling medium M1 for cooling the oil flows. In the present embodiment, as the oil cooling medium M1, a part of the working medium M condensed by the condenser 40 is divided and used. The oil cooling pipe 35 is connected to the secondary pipe 55 and the condenser 40 of the working medium pump 50.

発電装置1は、凝縮器40への冷却媒体Cの導入を行う冷却媒体導入手段41を備えている。本実施の形態では、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体としての冷却水Cを凝縮器40に圧送する冷却水ポンプ43と、冷却水Cを冷却する冷却塔42とを含んで構成されている。冷却塔42のファン42f及び冷却水ポンプ43は、それぞれ不図示の電気ケーブルを介してインバータ62と接続されており、発電機30で発電した電力あるいは商用電力を受電して作動するように構成されている。このように、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体Cを、凝縮機40内の作動媒体Mを凝縮させるのに必要な冷熱量を保有するように調整して、凝縮器40に導入するものである。   The power generation apparatus 1 includes a cooling medium introduction unit 41 that introduces the cooling medium C into the condenser 40. In the present embodiment, the cooling medium introduction unit 41 includes a cooling water pump 43 that pumps the cooling water C as a cooling medium to the condenser 40 and a cooling tower 42 that cools the cooling water C. . The fan 42f and the cooling water pump 43 of the cooling tower 42 are each connected to the inverter 62 via an electric cable (not shown), and are configured to operate by receiving electric power generated by the generator 30 or commercial electric power. ing. As described above, the cooling medium introducing means 41 adjusts the cooling medium C so as to hold the amount of cold heat necessary for condensing the working medium M in the condenser 40 and introduces it into the condenser 40. is there.

発電装置1は、作動媒体Mの蒸気の温度を検知する蒸気温度検知器91と、作動媒体Mの蒸気の圧力を検知する蒸気圧力検知器92と、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの圧力を作動媒体Mの飽和液の温度から検知するための凝縮温度検知器85とを備えている。蒸気温度検知器91と蒸気圧力検知器92とは一体に構成されていてもよい。簡易的には作動媒体Mの温度あるいは圧力の一方を検知するように構成しても差し支えない。また、凝縮温度検知器85に代えて凝縮圧力検知器95を設け、直接作動媒体Mの凝縮圧力を求めてもよい。また、蒸気温度検知器91に代えて熱源温度検知器94で加熱媒体Hの温度を検知して、これから作動媒体Mの蒸気の温度を算出してもよい。なお、蒸気温度検知器91と凝縮温度検知器85とで膨張機20前後の作動媒体Mの温度差を検知することができ、これらが温度差検知手段を構成している。   The power generation device 1 includes a steam temperature detector 91 that detects the temperature of the steam of the working medium M, a steam pressure detector 92 that detects the pressure of the steam of the working medium M, and the pressure of the working medium M condensed by the condenser 40. Is detected from the temperature of the saturated liquid of the working medium M. The steam temperature detector 91 and the steam pressure detector 92 may be configured integrally. For simplicity, it may be configured to detect either the temperature or the pressure of the working medium M. Further, a condensing pressure detector 95 may be provided instead of the condensing temperature detector 85 to directly obtain the condensing pressure of the working medium M. Further, the temperature of the heating medium H may be detected by the heat source temperature detector 94 instead of the steam temperature detector 91, and the temperature of the steam of the working medium M may be calculated therefrom. The steam temperature detector 91 and the condensation temperature detector 85 can detect the temperature difference between the working medium M before and after the expander 20, and these constitute the temperature difference detecting means.

また、発電装置1は、発電機30が有するロータの回転速度Nを検知する速度検知器84と、発電機30で発電した電流の強さを検知する電流検知器81と、整流器61で変換された直流の電圧の大きさを検知する直流電圧検知器88とを備えている。発電機30のロータ(不図示)と膨張機20の動翼(不図示)とはシャフトを介して連結されているので、ロータの回転速度Nから動翼の回転速度nを検知することができる。発電機30と膨張機20とが増速機又は減速機を介して連結されているときは発電機30のロータの回転速度Nと膨張機20の動翼の回転速度nとは等しくはないが相関関係があり、両者が直結されているときはロータの回転速度Nと動翼の回転速度nとが等しくなる。したがって、速度検知器84は速度検知手段の一つである。また、発電機30による発電電力の周波数とロータの回転速度Nには相関関係があることから、膨張機20の動翼の回転速度nを把握するため、ロータの回転速度Nを検知する代わりに周波数検知器(不図示)で発電電力の周波数を検知してもよい。周波数検知器も速度検知手段の一つである。なお、速度検知手段により、発電機30の過回転速度防止を監視することもできる。発電装置1は、発電機30で発電した電力の大きさを検知する電力検知器82を備えてもよい。   The power generator 1 is converted by the speed detector 84 that detects the rotational speed N of the rotor of the generator 30, the current detector 81 that detects the intensity of the current generated by the generator 30, and the rectifier 61. And a DC voltage detector 88 for detecting the magnitude of the DC voltage. Since the rotor (not shown) of the generator 30 and the moving blade (not shown) of the expander 20 are connected via a shaft, the rotating speed n of the moving blade can be detected from the rotating speed N of the rotor. . When the generator 30 and the expander 20 are connected via a speed increaser or a speed reducer, the rotational speed N of the rotor of the generator 30 and the rotational speed n of the moving blades of the expander 20 are not equal. There is a correlation, and when both are directly connected, the rotational speed N of the rotor and the rotational speed n of the rotor blade are equal. Therefore, the speed detector 84 is one of speed detecting means. Further, since there is a correlation between the frequency of the power generated by the generator 30 and the rotational speed N of the rotor, in order to grasp the rotational speed n of the rotor blades of the expander 20, instead of detecting the rotational speed N of the rotor You may detect the frequency of generated electric power with a frequency detector (not shown). A frequency detector is also one of speed detection means. The speed detection means can also monitor the prevention of overspeed of the generator 30. The power generation apparatus 1 may include a power detector 82 that detects the magnitude of the power generated by the generator 30.

さらに、電流検知器81や電力検知器82に代えて、又はこれらの検知器と共に、発電機30が有するステータコイルの温度を検知するコイル温度検知器83、及び凝縮器40に導入される冷却媒体Cの温度を検知する冷却媒体温度検知器86を備えていてもよい。これらの検知器により、膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように、機器の状態を把握することが可能になる。   Further, instead of the current detector 81 and the power detector 82, or together with these detectors, a coil temperature detector 83 for detecting the temperature of the stator coil of the generator 30 and a cooling medium introduced into the condenser 40. A cooling medium temperature detector 86 for detecting the temperature of C may be provided. With these detectors, it is possible to grasp the state of the device so that the rotation speed of the expander 20 and the generator 30 or the generated power of the generator 30 does not exceed a predetermined value.

膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように機器の状態を把握することは、発電機30を、電流過大による昇温や過回転速度による軸受けの焼損といった損傷から防ぐ措置を講ずるための指標となる。電流検知器81は、過電流か否かを直接検知することができる。電力検知器82は、発電機30で発電された電気エネルギの量を検知することができる。なお、電力の値は、電流値と電圧値とから算出するようにしてもよい。また、コイル温度検知器83は、発電機30の温度を直接検知することができるので、過昇温防止の対応がしやすくなる。また、冷却媒体温度検知器86は、簡便な手段で作動媒体Mのおおよその凝縮温度を検知することができる。なお、冷却媒体Cを外気と熱交換する場合は、外気温検知器93で検知した外気温によって冷却媒体Cの温度を求めてもよい。   Understanding the rotation speed of the expander 20 and the generator 30 or the state of the device so that the generated power of the generator 30 does not exceed a predetermined value means that the generator 30 is heated by excessive current or excessive rotation speed. It is an index for taking measures to prevent damage such as burnout of bearings due to rust. The current detector 81 can directly detect whether or not there is an overcurrent. The power detector 82 can detect the amount of electrical energy generated by the generator 30. The power value may be calculated from the current value and the voltage value. Moreover, since the coil temperature detector 83 can directly detect the temperature of the generator 30, it is easy to prevent overheating. The cooling medium temperature detector 86 can detect the approximate condensation temperature of the working medium M by a simple means. When heat exchange is performed between the cooling medium C and the outside air, the temperature of the cooling medium C may be obtained from the outside air temperature detected by the outside air temperature detector 93.

制御装置60は、典型的には、整流器61、インバータ62、電流検知器81、直流電圧検知器88を含んで構成されている。また、蒸気温度検知器91、蒸気圧力検知器92、凝縮温度検知器85とそれぞれ不図示の信号ケーブルで接続されており、検知器85、91、92で検知した値を取り入れることができるように構成されている。また、各検知器82〜86、93〜95とも不図示の信号ケーブルで接続されており、各検知器82〜86、93〜95で検知した値を取り入れることができるように構成されている。制御装置60は、各検知器器82〜86、91〜95から取り入れた値に基づいて種種の演算ができ、演算した値や各検知器82〜86、91〜95から取り入れた値に基づいて、発電機30の発電電力の調節や発電装置1からの出力電力の調整、ファン42fや冷却水ポンプ43の回転速度の増減等をすることができるように構成されている。また、仕切弁51及びバイパス仕切弁52のそれぞれと不図示の信号ケーブルで接続されており、これらに開閉信号を送信して開閉させることができるように構成されている。   The control device 60 typically includes a rectifier 61, an inverter 62, a current detector 81, and a DC voltage detector 88. In addition, the steam temperature detector 91, the steam pressure detector 92, and the condensation temperature detector 85 are connected to each other by a signal cable (not shown) so that the values detected by the detectors 85, 91, and 92 can be taken in. It is configured. The detectors 82 to 86 and 93 to 95 are also connected by a signal cable (not shown), and are configured so that values detected by the detectors 82 to 86 and 93 to 95 can be taken in. The control device 60 can perform various calculations based on the values taken from the detectors 82 to 86 and 91 to 95, and based on the calculated values and the values taken from the detectors 82 to 86 and 91 to 95. The power generation unit 30 is configured to be able to adjust the generated power, adjust the output power from the power generator 1, increase or decrease the rotational speed of the fan 42 f and the cooling water pump 43, and the like. Moreover, it connects with each of the gate valve 51 and the bypass gate valve 52 by the signal cable not shown, and it is comprised so that it can open / close by transmitting an opening / closing signal to these.

また、制御装置60は、各種の情報を記録することができるように構成されている。本実施の形態では、制御装置60には作動媒体Mに関する情報があらかじめ記録されている。したがって、蒸気温度検知器91で検知した温度及び蒸気圧力検知器92で検知した圧力から、作動媒体Mの蒸気のエンタルピh3及びエントロピs3を求めることができる。また、膨張機20における作動媒体Mの膨張は断熱膨張であるから膨張した作動媒体Mのエントロピs4は保存され(s4=s3)、これと凝縮温度検知器85で検知した温度を基に算出した凝縮圧力とから凝縮した作動媒体Mのエンタルピh4を求めることができる。なお、凝縮圧力を凝縮圧力検知器95から直接検知することができるのは前述の通りである。これらより、蒸気温度検知器91、蒸気圧力検知器92、凝縮温度検知器85(凝縮圧力検知器95)から膨張機20前後のエンタルピ差(h3−h4)を求めることができ、これがエンタルピ差検知手段を構成している。   Moreover, the control apparatus 60 is comprised so that various information can be recorded. In the present embodiment, information related to the working medium M is recorded in the control device 60 in advance. Therefore, the enthalpy h3 and entropy s3 of the steam of the working medium M can be obtained from the temperature detected by the steam temperature detector 91 and the pressure detected by the steam pressure detector 92. Further, since the expansion of the working medium M in the expander 20 is adiabatic expansion, the entropy s4 of the expanded working medium M is stored (s4 = s3), and is calculated based on this and the temperature detected by the condensation temperature detector 85. The enthalpy h4 of the working medium M condensed from the condensation pressure can be obtained. Note that the condensation pressure can be directly detected from the condensation pressure detector 95 as described above. From these, the enthalpy difference (h3-h4) before and after the expander 20 can be obtained from the steam temperature detector 91, the steam pressure detector 92, and the condensation temperature detector 85 (condensation pressure detector 95), and this is the enthalpy difference detection. Means.

次に図1及び図2を参照して、発電装置1の作用について説明する。
図2は、作動媒体Mの状態の変化を説明するP−h線図(圧力Pを縦軸に、エンタルピhを横軸にとったもの)である。また、図2中の曲線は、作動媒体Mのかわき度0及びかわき度1の状態点を結んだものである。なお、以下では、膨張機20がタービン(不図示)を備えるものとして、また、加熱媒体Hがエンジンのジャケット温水であるとして説明を行う。
蒸気発生器10、膨張機20、凝縮器40及びそれらを連接する配管53、54、55は、作動媒体Mのクローズドシステムを構成し、発電装置1はランキンサイクルを行って、膨張機20で得られた機械的駆動力で駆動される発電機30にて発電を行う。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the electric power generating apparatus 1 is demonstrated.
FIG. 2 is a Ph diagram (the pressure P is taken on the vertical axis and the enthalpy h is taken on the horizontal axis) for explaining changes in the state of the working medium M. Also, the curve in FIG. 2 connects the state points of the working medium M with a degree of excitement of 0 and degree of excitement of 1. In the following description, it is assumed that the expander 20 includes a turbine (not shown) and that the heating medium H is engine jacket hot water.
The steam generator 10, the expander 20, the condenser 40 and the pipes 53, 54, and 55 that connect them constitute a closed system of the working medium M, and the power generator 1 performs the Rankine cycle and is obtained by the expander 20. Electric power is generated by the generator 30 driven by the generated mechanical driving force.

液体の作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて蒸気発生器10に圧送される(状態1→状態2)。蒸気発生器10に流入した作動媒体Mは、ジャケット温水Hとの間で熱交換が行われて飽和蒸気あるいは過熱蒸気となる(状態2→状態3)。蒸気となった作動媒体Mは、膨張機20に流入する。ここで、定常運転時は、仕切弁51が開、バイパス仕切弁52が閉となっている。したがって、作動媒体蒸気Mのすべてが膨張機20に流入する。膨張機20に流入した作動媒体蒸気Mは、タービンを通して断熱膨張する(状態3→状態4)。このとき、タービンの動翼が作動媒体Mにより回転させられて機械的動力が得らる(熱エネルギから機械エネルギへの変換)。得られた機械的動力により膨張機20に接続された発電機30が駆動されて、発電機30が発電を行う(機械エネルギから電気エネルギへの変換)。膨張機20で得られる機械的動力は、膨張機20前後の作動媒体Mのエンタルピの差(h3−h4:熱落差)により変動する。エンタルピ差が大きければ大きな機械的動力が得られ、エンタルピ差が小さければ得られる機械的動力も小さくなる。膨張機20で膨張した作動媒体Mは、凝縮器40に流入して冷却水Cとの間で熱交換が行われて凝縮し、液体の作動媒体Mとなる(状態4→状態1)。液体に戻った作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて再び蒸気発生器10に圧送され、以下同様のサイクルを行う。   The liquid working medium M is pumped to the steam generator 10 by the working medium pump 50 (state 1 → state 2). The working medium M that has flowed into the steam generator 10 is exchanged with the jacket warm water H to become saturated steam or superheated steam (state 2 → state 3). The working medium M that has become steam flows into the expander 20. Here, during steady operation, the gate valve 51 is open and the bypass gate valve 52 is closed. Accordingly, all of the working medium vapor M flows into the expander 20. The working medium vapor | steam M which flowed into the expander 20 carries out adiabatic expansion through a turbine (state 3-> state 4). At this time, the moving blades of the turbine are rotated by the working medium M to obtain mechanical power (conversion from thermal energy to mechanical energy). The generator 30 connected to the expander 20 is driven by the obtained mechanical power, and the generator 30 generates power (conversion from mechanical energy to electrical energy). The mechanical power obtained by the expander 20 varies depending on the difference in enthalpy of the working medium M before and after the expander 20 (h3-h4: heat drop). When the enthalpy difference is large, a large mechanical power can be obtained, and when the enthalpy difference is small, the obtained mechanical power is also small. The working medium M expanded by the expander 20 flows into the condenser 40, exchanges heat with the cooling water C, condenses, and becomes a liquid working medium M (state 4 → state 1). The working medium M returned to the liquid is pumped again to the steam generator 10 by the working medium pump 50, and the same cycle is performed thereafter.

発電機30で発電した交流電力Eaは、整流器61に送られて直流電力Edに変換された後、インバータ62に送られて交流電力Pgに変換され、系統電力に連系される。系統連系した交流電力Pgは、ファン42f及び冷却水ポンプ43や、電力負荷(不図示)に送電される。ファン42f及び冷却水ポンプ43は、発電機30での発電がない場合は商用電源から電力の供給を受けて作動する。厳密にいえば、系統連系した後の交流電力は、発電機30で発電したものか商用電源から供給されたものか区別することはできないが、概念として、発電機30で発電した電力から発電装置1内で消費する電力を差し引いた残りの電力が、発電装置1から取り出せる、発電装置1外の電力負荷で利用できる有効な電力ということになる。なお、発電装置1内で消費する電力は、直流電力を直接あるいは冷却媒体導入手段用インバータ(不図示)経由で供給しても差し支えない。   The AC power Ea generated by the generator 30 is sent to the rectifier 61 and converted to DC power Ed, and then sent to the inverter 62 to be converted to AC power Pg and linked to the system power. The grid-connected AC power Pg is transmitted to the fan 42f, the cooling water pump 43, and a power load (not shown). The fan 42f and the cooling water pump 43 operate by receiving power supply from a commercial power source when there is no power generation by the generator 30. Strictly speaking, it is not possible to distinguish whether the AC power after grid connection is generated by the generator 30 or supplied from a commercial power source, but as a concept, it is generated from the power generated by the generator 30. The remaining power obtained by subtracting the power consumed in the device 1 is the effective power that can be taken out from the power generation device 1 and can be used by the power load outside the power generation device 1. The electric power consumed in the power generator 1 may be supplied directly or via an inverter for cooling medium introduction means (not shown).

蒸気発生器10で作動媒体Mと熱交換して温度が下がったジャケット温水Hは、不図示のエンジンに導かれてエンジンの冷却に利用され、温度が上昇したのち発電装置1の熱源として再び蒸気発生器10に導入される。また、凝縮器40で作動媒体Mと熱交換して温度が上昇した冷却水Cは、冷却塔42で熱を大気に排出して温度が低下し、冷却水ポンプ43にて再び凝縮器40に圧送される。ここで、ジャケット温水Hの温度はほとんど変動がなくほぼ一定であるので、蒸気発生器10における作動媒体Mの蒸発温度はほぼ一定となる。他方、冷却水Cの温度は、外気温等の周囲の環境条件の変動により変化する。   The jacket hot water H whose temperature has been lowered by exchanging heat with the working medium M in the steam generator 10 is guided to an engine (not shown) and used for cooling the engine. After the temperature has risen, steam is again used as a heat source for the power generator 1. Introduced into the generator 10. Further, the cooling water C whose temperature has increased by exchanging heat with the working medium M in the condenser 40 is discharged to the atmosphere by the cooling tower 42 and the temperature is lowered. Pumped. Here, since the temperature of the jacket warm water H is almost constant with almost no fluctuation, the evaporation temperature of the working medium M in the steam generator 10 is substantially constant. On the other hand, the temperature of the cooling water C changes due to changes in ambient environmental conditions such as the outside air temperature.

外気温が低下すると凝縮器40に圧送される冷却水Cの温度が低くなり、これに伴って凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度が低下する。これを図2でみると、状態4が、状態4より圧力が低くエンタルピが小さい状態4’に移動している。図2から明らかなように、外気温の低下に伴い凝縮器40における凝縮温度が低下して、作動媒体Mのサイクルが状態4から状態4’に移ると、エンタルピ差、すなわち、機械的動力に変換される熱エネルギが増大する。熱エネルギが増大するとタービン動翼の回転速度nが増大し、発電機30のロータの回転速度Nが増大して発電電力の周波数が高くなるが、発電装置1は整流器61及びインバータ62を備えているので、系統電力の周波数に合わせるためのタービン動翼の回転速度nの制限をする必要はない。そこで、制御装置60は、発電装置1における発電効率(出力電力/投入エネルギ)が最もよくなるような、すなわちタービンの効率が最もよくなるような、以下の制御を行う。なお、タービンの効率は、「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Mの蒸気の理論速度」に対する比(U/Co)と所定の関係があることが知られている。   When the outside air temperature decreases, the temperature of the cooling water C pumped to the condenser 40 decreases, and the condensing temperature of the working medium M in the condenser 40 decreases accordingly. In FIG. 2, the state 4 has moved to the state 4 ′ where the pressure is lower than the state 4 and the enthalpy is small. As apparent from FIG. 2, when the condensation temperature in the condenser 40 decreases as the outside air temperature decreases, and the cycle of the working medium M shifts from the state 4 to the state 4 ′, the enthalpy difference, that is, mechanical power is increased. The thermal energy converted is increased. When the thermal energy increases, the rotational speed n of the turbine blade increases and the rotational speed N of the rotor of the generator 30 increases and the frequency of the generated power increases, but the power generator 1 includes the rectifier 61 and the inverter 62. Therefore, there is no need to limit the rotational speed n of the turbine rotor blade to match the system power frequency. Therefore, the control device 60 performs the following control so that the power generation efficiency (output power / input energy) in the power generation device 1 is the best, that is, the turbine efficiency is the best. It is known that the efficiency of the turbine has a predetermined relationship with the ratio (U / Co) of “the peripheral speed of the turbine blade” to “theoretical speed of the steam of the working medium M”.

図3は、本実施の形態のタービン(単段のラジアルタービン)における「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Mの蒸気の理論速度」に対する比(U/Co)とタービン効率ηとの関係を示すグラフである。ここで、タービン動翼の周速度U(以下単に「周速度U」という。)は、円周率πと動翼の回転速度nと動翼の直径Dとの積(U=πnD)で表される。他方、作動媒体Mの蒸気の理論速度Co(以下単に「理論速度Co」という。)はエンタルピ差(h3−h4)の2倍の平方根(Co=(2(h3−h4))1/2)で表されることが知られている。図3に示す本実施の形態における単段のラジアルタービンの例では、比(U/Co)が約0.7となるように運転するのが最も効率がよい。この、比(U/Co)が最もよい値が「所定の値」であり、所定の値は許容しうる幅があってもよい。上述のように、環境条件の変化によってエンタルピ差(h3−h4)は変動するから、理論速度Coも環境条件の変化によって変動する。他方、タービン動翼の直径Dは運転中に変わるものではないから、理論速度Coの変動に追従して回転速度nを変動させ、比(U/Co)が約0.7となるようにタービンを運転する。 FIG. 3 shows the ratio (U / Co) of “circumferential speed of turbine blade” to “theoretical speed of steam of working medium M” and turbine efficiency η in the turbine (single-stage radial turbine) of the present embodiment. It is a graph which shows a relationship. Here, the circumferential speed U of the turbine blade (hereinafter simply referred to as “circumferential speed U”) is expressed by the product (U = πnD) of the circumferential ratio π, the rotational speed n of the blade, and the diameter D of the blade. Is done. On the other hand, the theoretical velocity Co of the working medium M (hereinafter simply referred to as “theoretical velocity Co”) is a square root twice as large as the enthalpy difference (h3−h4) (Co = (2 (h3−h4)) 1/2 ). It is known that In the example of the single-stage radial turbine in the present embodiment shown in FIG. 3, it is most efficient to operate so that the ratio (U / Co) is about 0.7. The value with the best ratio (U / Co) is a “predetermined value”, and the predetermined value may have an allowable range. As described above, since the enthalpy difference (h3−h4) varies with changes in environmental conditions, the theoretical speed Co also varies with changes in environmental conditions. On the other hand, since the diameter D of the turbine blade does not change during operation, the turbine speed is changed so that the rotational speed n is changed following the change in the theoretical speed Co so that the ratio (U / Co) becomes about 0.7. To drive.

制御装置60は、蒸気温度検知器91で検知した温度及び蒸気圧力検知器92で検知した圧力から、作動媒体Mの蒸気のエンタルピh3を求める一方、凝縮温度検知器85で検知した温度に基づいて算出した圧力からエンタルピh4を求め、理論速度Coを算出する。次に、制御装置60は、比(U/Co)が0.7となるような回転速度nを算出する(n=0.7×Co/(πD))。また、制御装置60は、速度検知器84により実際の動翼の回転速度nを検知して、意図する回転速度nとの偏差を算出する。そして、偏差が小さくなるように動翼の回転速度nを制御するのであるが、これをインバータ62による電圧の制御で行う。以下、インバータ62による電圧の制御について説明する。 The control device 60 obtains the enthalpy h3 of the steam of the working medium M from the temperature detected by the steam temperature detector 91 and the pressure detected by the steam pressure detector 92, while based on the temperature detected by the condensation temperature detector 85. The enthalpy h4 is obtained from the calculated pressure, and the theoretical speed Co is calculated. Next, the control device 60 calculates the rotation speed n t such that the ratio (U / Co) is 0.7 (n t = 0.7 × Co / (πD)). Further, the control device 60 detects the actual rotational speed n of the moving blade by the speed detector 84 and calculates a deviation from the intended rotational speed n t . Then, the rotational speed n of the moving blade is controlled so that the deviation becomes small, and this is performed by controlling the voltage by the inverter 62. Hereinafter, voltage control by the inverter 62 will be described.

図4は、直流電圧Vdをパラメータとした発電装置1の出力電力Pgと発電機30のロータ回転速度Nとの関係を示す図である。図4によれば、直流電圧Vdと出力電力Pgを与えるとロータ回転速度Nが決まることとなる。本実施の形態では、発電機30のロータはシャフトを介してタービン動翼と直結しているので、ロータ回転速度Nが決まるとタービン動翼の回転速度nが決まる。仮に直流電圧Vdを一定とする制御の場合、発電装置1のタービン仕事が増大すると、系統への出力電力Pgの増大とロータの回転速度Nの増大でバランスし、逆にタービン仕事が減少すると、出力電力Pgの減少とロータの回転速度Nの減少でバランスする。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output power Pg of the power generator 1 and the rotor rotational speed N of the generator 30 with the DC voltage Vd as a parameter. According to FIG. 4, when the DC voltage Vd and the output power Pg are given, the rotor rotational speed N is determined. In the present embodiment, since the rotor of the generator 30 is directly connected to the turbine blade through the shaft, when the rotor rotation speed N is determined, the rotation speed n of the turbine blade is determined. In the case of the control in which the DC voltage Vd is constant, if the turbine work of the power generation device 1 increases, the balance between the increase of the output power Pg to the system and the increase of the rotational speed N of the rotor, and conversely, when the turbine work decreases, A balance is achieved by a decrease in the output power Pg and a decrease in the rotational speed N of the rotor.

制御装置60は、インバータ62を制御して、直流電圧検知器88で検知される直流電圧Vdを監視しつつ系統電力へ出力される交流電流を調節し、直流電圧Vdを所定の電圧に調節することにより、ロータの回転速度N、ひいては動翼の回転速度nを制御することができる。より具体的には、制御装置60は、実際の動翼の回転速度nと目標とする回転速度n(n=0.7×Co/(πD))との偏差を小さくするために、直流電圧検知器88により直流電圧Vdを検知して、図4の太線で示す目標電圧になるように直流電圧を調節する。このように直流電圧を所定の電圧に調節することで動翼の回転速度nを効率のよいポイントに制御することができる。 The control device 60 controls the inverter 62, adjusts the alternating current output to the system power while monitoring the direct current voltage Vd detected by the direct current voltage detector 88, and adjusts the direct current voltage Vd to a predetermined voltage. As a result, the rotational speed N of the rotor, and hence the rotational speed n of the rotor blades can be controlled. More specifically, the control device 60 reduces the deviation between the actual rotational speed n of the moving blade and the target rotational speed n t (n t = 0.7 × Co / (πD)). The direct-current voltage detector 88 detects the direct-current voltage Vd, and adjusts the direct-current voltage so that the target voltage indicated by the thick line in FIG. Thus, by adjusting the DC voltage to a predetermined voltage, the rotational speed n of the moving blade can be controlled to an efficient point.

ここで、発電装置1は系統連系しているため、出力する電圧は系統側の電圧以上にしなければならない。直流電力Edの最低必要電圧Vdは系統側の電圧から決まるが、例えば220Vに連系するためには、直流電圧Vdは最低365〜370Vが必要になる。したがって、この電圧値が、直流電圧Vdを所定の電圧に調節する際の下限となる。本実施の形態では、所定の電圧の下限を370Vとしている。   Here, since the power generator 1 is grid-connected, the output voltage must be equal to or higher than the voltage on the grid side. Although the minimum required voltage Vd of the DC power Ed is determined from the voltage on the system side, for example, in order to connect to 220V, the DC voltage Vd needs to be at least 365 to 370V. Therefore, this voltage value becomes a lower limit when adjusting the DC voltage Vd to a predetermined voltage. In this embodiment, the lower limit of the predetermined voltage is 370V.

他方、発電機30は、一般に、発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様にはなっていない。仮に発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様とすると、まれにしか生じない事態のために多大なコストをかけて発電機を製作することとなり不経済である。発電機30に許容量以上の機械的仕事を与えた場合、電流過大による発熱や温度上昇が生じて運転不能に陥ったり、発電機のロータとステータとの間のトルクが不足してロータが高速回転となって過回転速度による軸受けの焼損に至ることがある。たとえ経済性を考慮しても、このような発電機30の損傷を回避する必要がある。したがって、過回転速度防止の観点から回転速度Nの上限が決定され、これに伴って直流電圧を所定の電圧に調節する際の上限が決まってくる。本実施の形態では、図4に示すように、回転速度Nの上限を108としたのに伴って、430Vが直流電圧値の上限となっている。図4においては、回転速度Nの上限で出力電力を増加させていくと次第に直流電圧が降下し下限値に到達してしまうことが考えられるが、このような場合はトリップさせる等して対応することとなる。   On the other hand, the generator 30 is not generally designed to withstand the maximum work load that can be assumed by the power generation device 1. If the specification can withstand the maximum work load that can be assumed by the power generation device 1, it is uneconomical to produce a generator at a great cost due to a rare occurrence. When the mechanical work exceeding the allowable amount is given to the generator 30, heat is generated due to excessive current and the temperature rises, resulting in inoperability, or the torque between the rotor and the stator of the generator is insufficient, resulting in a high speed rotor. Rotation may result in bearing burnout due to overspeed. Even if economy is taken into consideration, it is necessary to avoid such damage to the generator 30. Accordingly, the upper limit of the rotational speed N is determined from the viewpoint of preventing the excessive rotational speed, and accordingly, the upper limit for adjusting the DC voltage to a predetermined voltage is determined. In the present embodiment, as shown in FIG. 4, with the upper limit of the rotational speed N being set to 108, 430 V is the upper limit of the DC voltage value. In FIG. 4, it is conceivable that when the output power is increased at the upper limit of the rotational speed N, the DC voltage gradually decreases and reaches the lower limit value. It will be.

以上の説明では、エンタルピ差から理論速度Coを求め、動翼の回転速度nを効率のよい点に導くこととしたが、簡易に算出する手段として、膨張機20前後の作動媒体Mの温度差から導いてもよい。作動媒体Mの種類によっては、動翼の回転速度nの高効率点を温度差から導いても実用上差し支えない。
図5は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの過熱度Tsと理論速度Coとの関係を示したグラフであり、(a)は凝縮温度Tを一定として飽和蒸気の温度Tをパラメータとしたグラフ、(b)は飽和蒸気の温度Tを一定として凝縮温度Tをパラメータとしたグラフである。グラフより、いずれの場合も、過熱度Tsが変化しても理論速度Coにほとんど変化がないことが分かる。このことは、R245faは過熱度が増大しても、その状態から断熱変化で凝縮圧力まで膨張したときの膨張前後のエンタルピ差がほとんど変化しないことに起因している。したがって、簡易に算出する場合は、作動媒体Mの蒸気の過熱度Tsを無視しても実用上差し支えなく、作動媒体Mの蒸気の飽和温度Tと凝縮温度Tとから理論速度Coを求めることができる。
In the above description, the theoretical speed Co is obtained from the enthalpy difference, and the rotational speed n of the moving blade is led to an efficient point. However, as a simple calculation means, the temperature difference of the working medium M before and after the expander 20 is calculated. You may lead from. Depending on the type of the working medium M, there is no practical problem even if the high efficiency point of the rotational speed n of the moving blade is derived from the temperature difference.
5, in the case where the working medium M and R245fa, a graph showing the relationship between the degree of superheat Ts and the theoretical speed Co of the working medium M, (a) the temperature of the saturated steam condensation temperature T C as a constant graph of T G as a parameter, (b) is a graph as a parameter the condensation temperature T C at a constant temperature T G of the saturated vapor. It can be seen from the graph that in any case, the theoretical speed Co hardly changes even if the superheat degree Ts changes. This is because even when the degree of superheat increases in R245fa, the difference in enthalpy before and after expansion when the state expands from the state to the condensation pressure by adiabatic change is hardly changed. Therefore, when calculating the simple, not harm practically ignore the degree of superheat Ts of the vapor of the working medium M, obtaining the theoretical speed Co and a saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C be able to.

図6は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの蒸気の飽和温度Tと凝縮温度Tとの温度差(T−T)と、理論速度Coとの関係を示したグラフである。
また図7は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの蒸気の飽和温度Tと凝縮温度Tとの温度差(T−T)と、タービン動翼の目標とする回転速度nとの関係を示したグラフである。
上述のように理論速度Coの過熱度の変化による影響が少ない作動媒体Mでは、作動媒体Mの蒸気の飽和温度Tと凝縮温度Tとの温度差(T−T)と、理論速度Co及び動翼の所定の回転速度nとを図6、図7に示すようにあらかじめ関連づけて制御装置60に記憶させておき、蒸気温度検知器91及び凝縮温度検知器85で検知した温度差に基づいて直流電圧Vdを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度nを所定の回転速度nに制御してもよい。
FIG. 6 shows the relationship between the temperature difference (T G −T C ) between the saturation temperature TG of the steam of the working medium M and the condensation temperature T C and the theoretical speed Co when the working medium M is R245fa. It is a graph.
The Figure 7 shows the case where the working medium M and R245fa, temperature difference between the saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C and (T G -T C), the turbine blades target is a graph showing the relationship between the rotational speed n t.
In the working medium M effect of the change in the degree of superheat of the theoretical velocity Co is small as described above, the temperature difference between the saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C and (T G -T C), the theoretical The speed Co and the predetermined rotational speed n t of the moving blade are stored in the control device 60 in advance in association with each other as shown in FIGS. 6 and 7, and the temperature detected by the steam temperature detector 91 and the condensation temperature detector 85. by adjusting the DC voltage Vd to a predetermined voltage based on the difference, it may control the rotational speed n of the rotor blade to a predetermined rotational speed n t.

また、この他にもエンタルピと関連づけられる他の物理量(例えば飽和圧力、凝縮圧力、外気温度、冷却水温度、熱源温度等)で理論速度Coと動翼の所定の回転速度nとをあらかじめ関連づけて制御装置60に記憶させておき、その代用した物理量を検知して動翼の回転速度nを制御してもよい。 Moreover, association Other Other physical quantity associated with enthalpy also (e.g. saturation pressure, condensing pressure, ambient temperature, coolant temperature, the heat source temperature, etc.) and a predetermined rotational speed n t theory speed Co and blades in advance Alternatively, the rotational speed n of the moving blade may be controlled by detecting the substituted physical quantity and storing it in the control device 60.

次に図8を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る発電装置2について説明する。図8は、発電装置2の構成を説明するブロック図である。以下、発電装置1と発電装置2との相違点を主に説明し、共通部分の説明は省略する。
発電装置2は、凝縮器40が空冷で構成されている。したがって、冷却媒体Cは空気となる。また、冷却媒体導入手段41が空冷ファン45で構成されている。その他の構成は発電装置1と同様である。
Next, with reference to FIG. 8, the electric power generating apparatus 2 which concerns on the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 8 is a block diagram illustrating the configuration of the power generation device 2. Hereinafter, differences between the power generation device 1 and the power generation device 2 will be mainly described, and descriptions of common parts will be omitted.
The power generator 2 is configured such that the condenser 40 is air-cooled. Therefore, the cooling medium C becomes air. The cooling medium introducing means 41 is constituted by an air cooling fan 45. Other configurations are the same as those of the power generation apparatus 1.

発電装置2は、凝縮器40における凝縮温度が外気温度により大きな影響を受けるので、制御装置60は、外気温度検知器93で検知した外気温に基づいて凝縮温度を算出し、あらかじめ関連づけられて記憶されている図6又は図7に示す条件に外気温度から算出した値をあてはめて、直流電圧Vdを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度nを所定の回転速度nに制御してもよい。 Since the condensing temperature in the condenser 40 is greatly affected by the outside air temperature, the control device 60 calculates the condensing temperature based on the outside air temperature detected by the outside air temperature detector 93, and stores the condensing temperature in advance. by applying a has been has 6 or a value calculated from the outside temperature to the conditions shown in FIG. 7, by adjusting the DC voltage Vd to a predetermined voltage, and controls the rotational speed n of the rotor blade to a predetermined rotational speed n t May be.

以上の説明では、発電機30の発電電力が交流であるとしたが、直流であってもよい。この場合は、整流器61を省略し、発電機30の発電電力をインバータ62で変換して系統電力と連系することができる。   In the above description, the power generated by the generator 30 is alternating current, but may be direct current. In this case, the rectifier 61 can be omitted, and the power generated by the generator 30 can be converted by the inverter 62 and linked to the system power.

以上の説明では、比(U/Co)が約0.7となるように運転するとして説明したが、この数値はタービンの種類や段数によって異なるので、用いるタービンの効率が高くなり、発電装置1の発電効率が高くなるように適宜設定するとよい。   In the above description, it is described that the operation is performed so that the ratio (U / Co) is about 0.7. However, since this value varies depending on the type and the number of stages of the turbine, the efficiency of the turbine to be used is increased, and the power generator 1 The power generation efficiency may be set as appropriate.

本発明の第1の実施の形態に係る発電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the electric power generating apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 作動媒体Mの状態の変化を説明するP−h線図である。6 is a Ph diagram illustrating a change in the state of the working medium M. FIG. 本実施の形態の膨張機における周速度の理論速度に対する比と効率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ratio with respect to the theoretical speed with respect to the theoretical speed, and efficiency in the expander of this Embodiment. 直流電圧をパラメータとした発電出力とロータ回転速度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electric power generation output which used DC voltage as a parameter, and rotor rotational speed. 作動媒体をR245faとした場合の過熱度と理論速度との関係を示したグラフである。(a)は凝縮温度を一定として飽和温度をパラメータとしたグラフ、(b)は飽和温度を一定として凝縮温度をパラメータとしたグラフである。It is the graph which showed the relationship between the superheat degree at the time of using R245fa as a working medium, and theoretical speed. (A) is a graph in which the condensation temperature is constant and the saturation temperature is a parameter, and (b) is a graph in which the saturation temperature is constant and the condensation temperature is a parameter. 作動媒体の蒸気の温度差と、理論速度との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the temperature difference of the vapor | steam of a working medium, and theoretical speed. 作動媒体の蒸気の温度差と、動翼の回転速度との関係を示したグラフである。It is the graph which showed the relationship between the temperature difference of the vapor | steam of a working medium, and the rotational speed of a moving blade. 本発明の第2の実施の形態に係る発電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the electric power generating apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 発電装置
10 蒸気発生器
20 膨張機
30 発電機
40 凝縮器
41 冷却媒体導入手段
56 バイパス流路
60 制御装置
61 整流器
62 インバータ
81 電流検知器
82 電力検知器
83 コイル温度検知器
84 速度検知器
85 凝縮温度検知器
86 冷却媒体温度検知器
88 直流電圧検知器
91 蒸気温度検知器
92 蒸気圧力検知器
C 冷却媒体
H 加熱媒体
M 作動媒体
Ea、Pg 交流電力
Ed 直流電力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Power generator 10 Steam generator 20 Expander 30 Generator 40 Condenser 41 Cooling medium introduction means 56 Bypass flow path 60 Controller 61 Rectifier 62 Inverter 81 Current detector 82 Power detector 83 Coil temperature detector 84 Speed detector 85 Condensation temperature detector 86 Cooling medium temperature detector 88 DC voltage detector 91 Steam temperature detector 92 Steam pressure detector C Cooling medium H Heating medium M Working medium Ea, Pg AC power Ed DC power

Claims (3)

加熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸気発生器と;
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機と;
前記動翼の周速度の、前記作動媒体の前記膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置とを備える;
発電装置。
A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that expands the working medium evaporated by the steam generator and obtains mechanical power via a moving blade;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator that generates power by being driven by mechanical power obtained by the expander;
A control device for controlling the rotational speed of the moving blade so that a ratio of a peripheral speed of the moving blade to a theoretical speed obtained from a heat drop of the working medium in the expander becomes a predetermined value;
Power generation device.
前記発電した電力が交流電力であって、該交流電力を直流電力に変換する整流器と;
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと;
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体のエンタルピと前記凝縮器で凝縮した作動媒体のエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段と;
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と;
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器とを備え;
前記制御装置が、前記エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成された;
請求項1に記載の発電装置。
The generated power is AC power, and a rectifier that converts the AC power into DC power;
An inverter that converts the DC power into AC power;
An enthalpy difference detection means for detecting an enthalpy difference between the enthalpy of the evaporated working medium introduced into the expander and the enthalpy of the working medium condensed by the condenser;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the moving blade;
A DC voltage detector for detecting the voltage of the DC power;
The control device calculates the theoretical speed from the enthalpy difference detected by the enthalpy difference detection means, and adjusts the voltage detected by the DC voltage detector to a predetermined voltage, thereby detecting the speed detection means. Configured to control the rotational speed of the blade;
The power generation device according to claim 1.
加熱媒体との熱交換により作動媒体を蒸発させる蒸気発生器と;
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動され、交流電力を発電する発電機と;
前記発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と;
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと;
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体の飽和温度と前記凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段と;
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と;
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器と;
前記温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置とを備える;
発電装置。
A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that expands the working medium evaporated by the steam generator and obtains mechanical power via a moving blade;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator driven by the mechanical power obtained by the expander to generate AC power;
A rectifier for converting the generated AC power into DC power;
An inverter that converts the DC power into AC power;
A temperature difference detection means for detecting a temperature difference between a saturation temperature of the evaporated working medium introduced into the expander and a condensation temperature of the working medium condensed in the condenser;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the moving blade;
A DC voltage detector for detecting the voltage of the DC power;
A predetermined rotational speed of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance is determined from the temperature difference detected by the temperature difference detection means, and a voltage detected by the DC voltage detector is adjusted to a predetermined voltage. A control device that controls the rotational speed of the moving blade detected by the speed detection means to be the predetermined rotational speed;
Power generation device.
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