JP2008312330A - 排熱発電装置、排熱発電装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】調速弁に依らずタービン発電機の回転速度を一定に保ちながら、発電機の容量を最小限に抑えつつ膨張機及び発電機の過回転速度や発電機の過負荷を防止する排熱発電装置、排熱発電装置の運転方法を提供すること。
【解決手段】排熱源３０からの排熱媒体を蒸気発生器１１に導入し、発生した作動媒体蒸気を膨張機（タービン１４）に導き、該膨張機で高速発電機１５を駆動して発電すると共に、膨張機から吐出される作動媒体蒸気を凝縮器１７に導き低熱源（冷却塔４０）からの低熱媒体により作動媒体蒸気を冷却・凝縮し、該凝縮した作動媒体液を蒸気発生器１１に供給して該作動媒体が循環するように構成した排熱発電装置において、発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、作動媒体の循環量を抑制して膨張機及び発電機の過回転・過負荷を防止する過回転・過負荷防止手段を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、排熱源の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する排熱発電装置、特に低温の排熱を熱源として発電を行う排熱発電装置、及び排熱発電装置の運転方法に関するものである。

近年、省エネルギー推進の必要性から、排熱源からの排熱の有効利用が種々の方法で推進されている。しかしながら、有効利用の容易な高温若しく大容量の排熱に関してはほぼ利用され尽くしており、新規に設置される機器でも、省エネルギー化の進んだ結果、排出される排熱の温度は低下する傾向にある。従って、更に省エネルギー化を推進しようとすれば、低温且つ小容量の排熱を有効に利用することが必要不可欠となる。

図１は従来のこの種の排熱発電装置の構成例を示す図である。本排熱発電装置は、発電装置１００を備え、排熱源１２０から８０℃程度の温水を熱源とし、冷却塔１３０により冷却された冷却水を低温熱源として発電する排熱発電装置である。発電装置１００は、蒸気発生器１０１、液滴分離器１０２、調速弁（図示せず）及び主蒸気弁１０３、膨張機としてのタービン１０４と高速発電機１０５を有するタービン発電機１０６、凝縮器１０７、給液ポンプ１０８を備え、これらを作動媒体配管１０９で接続した構成である。発電装置１００は制御盤１１０により制御され、高速発電機１０５で発電された交流電力は高周波整流器１１１で直流電力に変換され、更に系統連携装置１１２で交流電力（一般には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電力）に変換され、系統１１３に送電される。なお、ここでは膨張機としてタービンを用いる例を示しているが、蒸気発生器１０１からの作動媒体蒸気を膨張させ機械的回転力を得られ、該回転力で高速発電機１０５を回転駆動する膨張機であればよい。

排熱源１２０から温水循環ポンプ１２１で温水を蒸気発生器１０１に供給することにより、給液ポンプ１０８で該蒸気発生器１０１に供給された作動媒体液は加熱され、作動媒体蒸気となって作動媒体配管１０９を通って液滴分離器１０２に供給され、該液滴分離器１０２で作動媒体蒸気中の液滴は分離除去される。液滴分が除去された作動媒体蒸気は調速弁（図示せず）及び主蒸気弁１０３を通って膨張機としてのタービン１０４に供給され、該タービン１０４の回転力で高速発電機１０５が駆動回転する。タービン１０４から吐き出された作動媒体蒸気は凝縮器１０７に供給され、該凝縮器１０７で冷却塔１３０から冷却水ポンプ１３１により供給される冷却水により冷却され、凝縮して作動媒体液となる。該作動媒体液は給液ポンプ１０８により、蒸気発生器１０１に送られ作動媒体は循環する。なお、排熱発電装置としては、温水に代えて排熱源からの排気ガスを熱源とするもの、低温熱源も冷却水と冷却塔の組み合わせではなく、空気による冷却（空冷凝縮器）や、河川水などの別の低温熱源を用いるものもある。また、この低温熱源と熱交換する二次流体を用いたり、これらと同等の別の技術を用いるものもある。また、排熱源としては工場排熱、原動機等の排熱、温泉水（地熱）、太陽熱等、様々なものがあり、更にこれらの熱源によって生成される温水や低圧蒸気等もある。

従来、このような排熱発電装置では、タービン発電機１０６に設置された調速装置によりタービン発電機１０６の回転速度を制御する。調速装置は、回転速度の検出器（図示せず）、調速弁、制御装置（図示せず）により構成され、タービン１０４の回転速度が定格回転速度を超える（若しくは超えることが予測される）と、調速弁の開度を下げ、下回ると開度を上げて回転速度を一定に維持する。また、これと併せて、高速発電機１０５の負荷制御が行われる。通常、高速発電機１０５の負荷は回転速度を一定に保つことで自動的に制御される。このような制御を行うため、調速弁は常時、全開とはせず、制御に必要な最小限の開度、閉めた状態で運転する必要がある。このため、次のような課題が生じる。

・調速弁は作動媒体配管中にあって圧力損失となるため、発電装置１００の発電効率の低下を招く。
・上記の圧力損失により、タービン１０４に必要な蒸気圧力以上に蒸気発生器１０１内の圧力が上昇する。

本願発明者等は特許文献１に記載するように、逆変換器を用いる系統連携装置の出力を、系統連携装置内の直流電圧が設定された電圧となるように制御することで、調速弁によらずタービン発電機の回転を適正に保ち、発電電力を最大化できることを提案している。
特開２００５−３１２２８９号公報

上記特許文献１に提案する技術により、発電装置は調速弁が無くても、タービン発電機のタービン及び発電機の回転速度などを規定範囲内に抑えることができる。ただし、この技術においては、発電した電力が、系統連携装置の出力可能電力（容量）を超える場合は、ブレーキヒーターに発電した電力を捨てることになるため、発電機には、想定されうる最大限のタービン出力に相当する発電電力を発電できるだけの容量が必要となり、若しくは、過負荷を防止するために別途調速弁を設けるなどの必要が生じ、製品のコストを押し上げることになる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、調速弁に依らずタービン発電機の回転速度を一定に保ちながら、発電機の容量を最小限に抑えつつ膨張機及び発電機の過回転速度や発電機の過負荷を防止できる排熱発電装置、排熱発電装置の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本願発明は、蒸気発生器を備え、排熱源からの排熱媒体を前記蒸気発生器に導入し、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導き、該膨張機で発電機を駆動して発電すると共に、該膨張機から吐出される作動媒体蒸気を凝縮器に導き低熱源からの低熱媒体により前記作動媒体蒸気を冷却・凝縮し、該凝縮した作動媒体液を前記蒸気発生器に供給して該作動媒体が循環するように構成した排熱発電装置において、前記発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、前記作動媒体の循環量を抑制して前記膨張機及び発電機の過回転・過負荷を防止する過回転・過負荷防止手段を設けたことを特徴とする。

このような構成の排熱発電装置において、作動媒体の循環量は発生する蒸気の量と等しいので、上記のように過回転・過負荷防止手段を設け、発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、作動媒体の循環量を抑制することは、即ち発生する作動媒体蒸気の量を抑制することになる。従ってこれにより発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとするのを、即ち過回転・過負荷となることを回避することができる。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、前記過回転・過負荷防止手段は、前記作動媒体を循環させる給液ポンプの回転速度を抑制して前記作動媒体の循環量を抑制することを特徴とする。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、前記過回転・過負荷防止手段は、前記発電機の出力電力、若しくは回転数が所定の値を下回った場合、前記作動媒体の循環量の抑制を解除することを特徴とする。

上記のように発電機の出力電力、若しくは回転数が所定の値を下回った場合、作動媒体の循環量の抑制を解除するので、過回転、過負荷の状態が無くなった場合、蒸気発生器の作動媒体蒸気発生量を速やかに元の状態に戻すことが可能となる。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、前記過回転・過負荷防止手段は、前記タービン発電機の負荷の指標として、前記膨張機及び発電機の発電電流、発電電圧、発電電力のうち少なくとも一つ以上を用いることを特徴とする。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、前記発電機の発電電力を逆変換装置を介して系統に送電する場合、該逆変換装置内の直流電圧が所定の一定値となるように、該逆変換装置の出力を増減する逆変換装置出力増減手段を設けたことを特徴とする。

上記のように逆変換装置出力増減手段を設け、逆変換装置内の直流電圧が所定の一定値となるように、該逆変換装置の出力を増減することで膨張機及び発電機の回転を適正に保ち、発電電力を最大化できる。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、前記発電機の発電電力を逆変換装置を介して系統に送電する場合、前記発電機の負荷の指標として、前記逆変換装置内の直流電流、直流電圧、直流電力、若しくは該逆変換装置の交流出力電流、交流出力電圧、交流出力電力のうちの少なくとも一つ以上を用いることを特徴とする。

また、本願発明は、上記排熱発電装置において、蒸気発生器を備え、排熱源からの排熱媒体を前記蒸気発生器に導入し、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導き、該膨張機で発電機を駆動して発電すると共に、該膨張機から吐出される作動媒体蒸気を凝縮器に導き低熱源からの低熱媒体により前記作動媒体蒸気を冷却・凝縮し、該凝縮した作動媒体液を前記蒸気発生器に供給して該作動媒体が循環するように構成した排熱発電装置の運転方法であって、前記発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、前記作動媒体の循環量を抑制してタービン発電機の過回転・過負荷を防止し、前記発電機の出力電力、若しくは回転数が前記所定の値を下回った場合、前記作動媒体の循環量を抑制を解除することを特徴とする。

上記のように発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、作動媒体の循環量を抑制してタービン発電機の過回転・過負荷を防止し、発電機の出力電力、若しくは回転数が所定の値を下回った場合、作動媒体の循環量を抑制を解除するので、排熱発電装置を膨張機及び発電機の過回転・過負荷を回避しながら、過回転、過負荷の状態が無くなった場合、蒸気発生器の作動媒体蒸気発生量を速やかに元の状態に戻すことが可能となる。

本願発明によれば、発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、作動媒体の循環量を抑制するので、作動媒体の循環量は蒸気発生器で発生する作動媒体蒸気量に等しいから、作動媒体の循環量を抑制することは作動媒体蒸気の発生量を抑制することになり、発電機の容量を最小限に抑えても、膨張機及び発電機の過回転速度や過負荷を防止することができる。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。本排熱発電装置は、発電装置１０を備え、排熱源３０から温水循環ポンプで送られる８０℃程度の温水を熱源とし、冷却塔４０から冷却水ポンプ４１により供給される冷却水を低温熱源として発電する排熱発電装置である。発電装置１０は、蒸気発生器１１、液滴分離器１２、主蒸気弁１３、膨張機としてのタービン１４及び高速発電機１５を有するタービン発電機１６、凝縮器１７、給液ポンプ１８を備え、これらを作動媒体配管１９で接続した構成である。発電装置１０は制御盤２０により制御され、高速発電機１５で発電された交流電力は高周波整流器２１で直流電力に変換され、更に系統連携装置２２で交流電力（一般には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電力）に変換され、系統２３に送電される。

排熱源３０から温水循環ポンプ３１で温水を蒸気発生器１１に供給することにより、給液ポンプ１８により凝縮器１７から蒸気発生器１１に供給された作動媒体液は加熱され、作動媒体蒸気となって蒸発発生器１１の蒸気吐出口から吐き出され作動媒体配管１９を通って液滴分離器１２に供給される。蒸気吐出口に接続された作動媒体配管１９には作動媒体蒸気の圧力を測定する圧力センサ２４、温度を測定する温度センサ２５が設けられており、その出力は制御盤２０に伝送されるようになっている。液滴分離器１２で液滴が分離除去された作動媒体蒸気は主蒸気弁１３を通ってタービン発電機１６のタービン１４に供給され、分離された液滴は蒸気発生器１１に戻される。

作動媒体蒸気が供給されたタービン１４は回転し、高速発電機１５を駆動する。タービン１４から吐き出された作動媒体蒸気は凝縮器１７に供給され、該凝縮器１７で冷却水ポンプ４１により冷却塔４０から供給される冷却水で冷却され、凝縮されて作動媒体液となる。該作動媒体液は給液ポンプ１８により、再び蒸気発生器１１に送られ作動媒体は循環する。なお、作動媒体としてはここでは低沸点（沸点が４０℃前後）の作動媒体、例えばジクロロトリフルオロエタンＨＦＣ１３或いはトリフルオロエタノールＣＦ３ＣＨ２ＯＨ等を用いることが好ましい。

制御盤２０は、回転速度／出力検出器２６の出力から高速発電機１５の出力を監視し、高速発電機１５の出力が所定の設定値を超えると、給液ポンプ１８の回転速度を低下させ、作動媒体の循環量を抑制する。また、回転速度／出力検出器２６の出力から高速発電機１５の回転速度も同時に監視し、高速発電機１５の回転速度が所定の設定値を超えると、給液ポンプ１８の回転速度を低下させ、作動媒体の循環量を抑制する。また、高速発電機１５の出力や回転速度が前記所定の設定値を下回った場合、上記作動媒体の循環量の抑制を解除する。高速発電機１５の負荷（出力）の指標としては、発電交流電流、発電交流電圧、発電交流電力のうち少なくとも一つ以上を用いる。

高速発電機１５の出力も回転速度も上記設定値を超えない場合、制御盤２０は圧力センサ２４及び温度センサ２５の出力から蒸気発生器１１の蒸気出口の作動媒体蒸気の圧力及び温度から、蒸気発生器１１の蒸気出口における作動媒体蒸気の過熱度を演算して求め、該演算過熱度が所定の設定値（目標値）になるように給液ポンプ１８の回転速度を増減して、作動媒体の循環量を増減している。具体的には、過熱度が目標値を超えると給液ポンプ１８の回転速度を暫増し、下回ると回転速度を暫減する。これにより蒸気発生器１１の蒸気出口から出る作動媒体蒸気の過熱度を目標値に維持できる。

ここでタービン発電機１６の回転速度、若しくは高速発電機１５の出力が設定値を超えようとした場合、制御盤２０は作動媒体蒸気の過熱度によらず、給液ポンプ１８の回転速度を暫減する。これにより蒸気発生器１１に供給される作動媒体量は暫減する。蒸気発生器１１に供給される作動媒体（液）量は、発生する作動媒体蒸気の量と等しいので、媒体の供給量を暫減することは、発生する作動媒体蒸気の量を抑制することになる。従って、高速発電機１５の容量を抑えても、タービン１４及び高速発電機１５が過負荷や過回転速度になることを回避できる。上記例では給液ポンプ１８の回転速度の暫増、暫減により作動媒体の循環量を増減したが、給液ポンプ１８の回転速度による代わりに、蒸気発生器１１への作動媒体の供給配管中に制御弁や戻し弁を設け、この開度を制御しても良い。ただし、回転速度の制御に依ったほうが消費電力を削減できる。

図３は制御盤２０の過熱度制御の機能構成を示す図である。制御盤２０は、過熱度演算部２０−１、ＰＩＤ演算部２０−２、目標値（目標過熱度）設定部２０−３、圧力変動補正部２０−４、及び回転速度制御部２０−５を備えている。蒸気発生器１１の蒸気発生器出口に接続された作動媒体配管１９に設けた、圧力センサ２４及び温度センサ２５で測定された作動媒体蒸気の蒸気圧及び蒸気温度は過熱度演算部２０−１に入力され、該過熱度演算部２０−１は蒸気圧及び蒸気温度から作動媒体蒸気の過熱度を演算する。ＰＩＤ演算部２０−２ではこの演算過熱度が目標値設定部２０−３で設定された目標過熱度（３℃程度）と比較し、低い場合は回転速度制御部２０−５に給液ポンプ１８の回転速度を暫増する指令を出力し、該演算過熱度が目標の過熱度と比較して高い場合は給液ポンプ１８の回転速度を暫減する指令を出力する。

なお、上記例では、作動媒体液流量の増減を給液ポンプ１８の回転速度の増減で行うが、作動媒体液流量が増減できれば、給液ポンプ１８の回転速度の増減に限定されるものではない。

また、上記排熱発電装置において、制御盤２０は、タービン発電機１６の発電電力を逆変換装置（系統連携装置２２）を介して系統２３に送電する場合、該逆変換装置内の直流電圧が一定となるように、該逆変換装置の出力を増減することで、タービン発電機１６の回転を適正に保ち発電電力を最大化にすることができる。図４は逆変換装置の構成例を示す図である。タービン発電機１６の高速発電機１５の交流出力電力は高周波整流器２１で直流電力に変換され、平滑コンデンサ２２−１で平滑される。インバータ２２−３はこの直流電力を交流電力に変換し、系統２３に送電する。制御盤２０は電圧計２２−２の出力により高周波整流器２１の出力側直流電圧を監視し、この直流電圧が一定となるように、インバータ２２−３からの交流出力を増減することで、タービン発電機１６の回転を適正に保ち発電電力を最大化する。

上記高速発電機１５の発電電力を逆変換装置（系統連携装置２２）を介して系統２３に送電する場合、高速発電機の負荷指標としては、系統連携装置２２内の直流電流、直流電圧（電圧計２２−２の出力）、若しくは系統連携装置２２の交流出力電流、交流出力電圧、交流出力電力のうちの少なくとも一つ以上を用いる。

なお、上記排熱発電装置では、排熱源３０から温水を熱源として蒸気発生器１１に導入し、凝縮器１７に冷却塔４０からの冷却水を低温源とする例を示したが、熱源及び低温源はこれに限定されるものではなく、排熱源からの排ガスを熱源とし、空気（空冷凝縮器）や河川水などを低温熱源としてもよい。また、この低温熱源と熱交換による二次流体を用いたり、これらと同等の別の技術を用いてもよい。また、排熱源としては工場排熱、原動機等の排熱、温泉水（地熱）、太陽熱等、様々なものがあり、更にこれらの熱源によって生成される温水や低圧蒸気等であってもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記例では、膨張機としてタービン１４を用い該タービンで高速発電機１５を駆動するタービン発電機１６を説明したが、作動媒体蒸気を膨張機に供給し、該作動媒体蒸気の膨張により発生する機械的回転力で発電機を駆動する構成であればよい。

従来の排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の制御盤の過熱度制御の機能構成を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の逆変換装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 発電装置
１１ 蒸気発生器
１２ 液滴分離器
１３ 主蒸気弁
１４ タービン
１５ 高速発電機
１６ タービン発電機
１７ 凝縮器
１８ 給液ポンプ
１９ 作動媒体配管
２０ 制御盤
２１ 高周波整流器
２２ 系統連携装置
２３ 系統
２４ 圧力センサ
２５ 温度センサ
２６ 回転速度／出力検出器
２７ 液面計
３０ 排熱源
３１ 温水循環ポンプ
４０ 冷却塔
４１ 冷却水ポンプ

Claims (7)

1. 蒸気発生器を備え、排熱源からの排熱媒体を前記蒸気発生器に導入し、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導き、該膨張機で発電機を駆動して発電すると共に、該膨張機から吐出される作動媒体蒸気を凝縮器に導き低熱源からの低熱媒体により前記作動媒体蒸気を冷却・凝縮し、該凝縮した作動媒体液を前記蒸気発生器に供給して該作動媒体が循環するように構成した排熱発電装置において、
   前記発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、前記作動媒体の循環量を抑制して前記膨張機及び発電機の過回転・過負荷を防止する過回転・過負荷防止手段を設けたことを特徴とする排熱発電装置。
2. 請求項１に記載の排熱発電装置において、
   前記過回転・過負荷防止手段は、前記作動媒体を循環させる給液ポンプの回転速度を抑制して前記作動媒体の循環量を抑制することを特徴とする排熱発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の排熱発電装置において、
   前記過回転・過負荷防止手段は、前記発電機の出力電力、若しくは回転数が所定の値を下回った場合、前記作動媒体の循環量の抑制を解除することを特徴とする排熱発電装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の排熱発電装置において、
   前記過回転・過負荷防止手段は、前記膨張機及び発電機の負荷の指標として、該タービン発電機の発電電流、発電電圧、発電電力のうち少なくとも一つ以上を用いることを特徴とする排熱発電装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の排熱発電装置において、
   前記発電機の発電電力を逆変換装置を介して系統に送電する場合、該逆変換装置内の直流電圧が所定の一定値となるように、該逆変換装置の出力を増減する逆変換装置出力増減手段を設けたことを特徴とする排熱発電装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の排熱発電装置において、
   前記発電機の発電電力を逆変換装置を介して系統に送電する場合、前記発電機の負荷の指標として、前記逆変換装置内の直流電流、直流電圧、直流電力、若しくは該逆変換装置の交流出力電流、交流出力電圧、交流出力電力のうちの少なくとも一つ以上を用いることを特徴とする排熱発電装置。
7. 蒸気発生器を備え、排熱源からの排熱媒体を前記蒸気発生器に導入し、発生した作動媒体蒸気を膨張機に導き、該膨張機で発電機を駆動して発電すると共に、該膨張機から吐出される作動媒体蒸気を凝縮器に導き低熱源からの低熱媒体により前記作動媒体蒸気を冷却・凝縮し、該凝縮した作動媒体液を前記蒸気発生器に供給して該作動媒体が循環するように構成した排熱発電装置の運転方法であって、
   前記発電機の出力、若しくは回転速度が所定の値を超えようとした場合、前記作動媒体の循環量を抑制してタービン発電機の過回転・過負荷を防止し、前記発電機の出力電力、若しくは回転数が前記所定の値を下回った場合、前記作動媒体の循環量の抑制を解除することを特徴とする排熱発電装置の運転方法。
   

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