JP2012202269A - バイナリー発電装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バイナリー発電装置において、液面を直接計測することなく凝縮器内での作動流体の液量の変動を抑制できるようにする。
【解決手段】バイナリー発電装置は、凝縮器１８の出口温度を検出する温度センサ３１と、凝縮器１８の出口圧力を検出する圧力センサ３３と、温度センサ３１の検出値から凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する導出手段３７と、圧力センサ３３によって検出された出口圧力と導出手段３７によって導出された飽和蒸気圧力との差圧に応じて、作動媒体の循環量を調整する制御を行う調整制御手段３９と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイナリー発電装置及びその制御方法に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されていているように、作動媒体が循環する循環回路に設けられたタービンで発電機を駆動するバイナリー発電装置が知られている。この特許文献１に開示されたバイナリー発電装置では、蒸発器及び凝縮器にそれぞれ液面計が設けられており、この液面計で計測された作動流体液面を上げることができる余裕のある場合に、作動流体液面が上がるように循環ポンプの出力を調整することにより、蒸発圧力を上げてタービン出力が下がらないように調整している。

特開平１０−１０３０２３号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されたバイナリー発電装置では、液面計で蒸発器及び凝縮器の液面を計測する構成となっているので、安定した液面制御を行うことができないという問題がある。すなわち、蒸発器内及び凝縮器内においては、作動媒体が気液二相の状態で流れるため、液面計によって気体と液体との界面を計測することは困難である。このため、安定した液面制御を行うことはできない。特にプレート熱交換器が使用される場合には、狭い空間を気液二相流となった作動媒体が流れるため、気体と液体との界面を判別することは難しい。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、バイナリー発電装置において、液面を直接計測することなく凝縮器内での作動流体の液量の変動を抑制できるようにすることにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気を膨張させる膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプと、が直列に接続された循環回路を備え、前記膨張機で発電機を駆動するバイナリー発電装置であって、前記凝縮器の出口温度を検出する出口温度検出手段と、前記凝縮器の出口圧力を検出する出口圧力検出手段と、前記出口温度検出手段の検出値から凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する導出手段と、前記出口圧力検出手段によって検出された出口圧力と前記導出手段によって導出された飽和蒸気圧力との差圧に応じて、作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う調整制御手段と、を有するバイナリー発電装置である。

本発明では、出口圧力検出手段によって検出された凝縮器の出口圧力と、検出された凝縮器の出口温度から導出された凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力との差圧を求め、この差圧に応じて作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う。すなわち、実際に検出された出口圧力と導出された飽和蒸気圧力との差圧は、凝縮器内での液面高さに応じた圧力とみなすことができるため、この差圧に応じて作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整することにより、凝縮器内での液量の変動を抑制することができる。したがって、擬似的に液面高さを安定させることができる。

ここで、前記調整制御手段は、前記差圧から算出される液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行ってもよい。この態様では、検出された凝縮器の出口圧力と、検出された凝縮器の出口温度から導出された凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力との差圧から、凝縮器内の液面高さが算出され、この算出された液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する。したがって、算出された液面高さを安定させることができる。

また、前記調整制御手段は、前記差圧が所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行ってもよい。前記差圧が凝縮器内での液面高さに応じた圧力とみなすことができることから、この態様でも、凝縮器内での擬似的な液面高さが安定した制御を行うことができる。

本発明は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気を膨張させる膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプと、が直列に接続された循環回路を備え、前記膨張機で発電機を駆動するバイナリー発電装置の制御方法であって、前記凝縮器の出口温度を検出する出口温度検出ステップと、前記凝縮器の出口圧力を検出する出口圧力検出ステップと、前記出口温度検出ステップで検出された温度検出値から凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する導出ステップと、前記出口圧力検出ステップで検出された出口圧力と前記導出ステップで導出された飽和蒸気圧力との差圧に応じて、作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う調整制御ステップとが含まれているバイナリー発電装置の制御方法である。

前記調整制御ステップでは、前記差圧から算出される液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行ってもよい。

前記調整制御ステップでは、前記差圧が所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行ってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、バイナリー発電装置において、液面を直接計測することなく凝縮器内での作動流体の液量の変動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るバイナリー発電装置の構成を示す図である。 コントローラに記憶された作動媒体の温度と飽和蒸気圧力との相関関係を示す図である。 前記バイナリー発電装置の運転動作時における作動媒体の状態を説明するための図である。 前記バイナリー発電装置の運転動作時における液面高さ調整に関する制御動作を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るバイナリー発電装置の構成を示す図である。 前記バイナリー発電装置の運転動作時における液面高さ調整に関する制御動作を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、第１実施形態に係るバイナリー発電装置１０は、作動媒体を循環させる循環回路１２を備えており、この循環回路１２には、蒸発器１４と、膨張機１６と、凝縮器１８と、循環ポンプ２０とがこの順に直列に接続されている。作動媒体としては、例えばＲ２４５ｆａ等の水よりも沸点の低い低沸点有機媒体（フロン等）を用いることができる。

蒸発器１４は、循環回路１２を流れる作動媒体（液）を蒸発させるためのものであり、例えば、循環回路１２と別系統の回路２１を流れる温水によって作動媒体を加熱するように構成されている。すなわち、蒸発器１４は、作動媒体が流れる通路と温水が流れる通路とを有し、温水と作動媒体との間で熱交換させる。

膨張機１６は、循環回路１２における蒸発器１４の下流側に配置されており、蒸発器１４で蒸発した作動媒体（蒸気）を膨張させることによって作動媒体から運動エネルギーを取り出す。膨張機１６の駆動軸には発電機２４が接続されている。膨張機１６の駆動軸が回転することによって発電機２４で発電することができる。なお、膨張機１６は、例えば、スクリュー式膨張機、ロータリー式膨張機、スクロール式膨張機、ターボ式膨張機、レシプロ式膨張機、タービン等によって構成することができる。

凝縮器１８は、循環回路１２における膨張機１６の下流側に配置されており、膨張機１６で膨張（減圧）された作動媒体（蒸気）を凝縮させる。凝縮器１８は例えば、循環回路１２とは別系統の回路（冷却水回路）２２を流れる冷却水によって作動媒体を冷却して凝縮させる。すなわち、凝縮器１８は、冷却水が流れる通路と作動媒体が流れる通路とを有し、冷却水と作動媒体との間で熱交換させる。

循環ポンプ２０は、循環回路１２内で作動媒体を循環させるために設けられるものであり、循環回路１２における凝縮器１８の下流側に配置されている。すなわち、循環ポンプ２０は、循環回路１２のうち凝縮器１８と蒸発器１４とを接続する配管に設けられていて、凝縮器１８側の作動媒体（液）を吸入して蒸発器１４側に吐出する。循環ポンプ２０としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプ、ロータが一対のギアからなるギアポンプ等が好ましく用いられる。

循環回路１２には、循環ポンプ２０を迂回するようにバイパス通路２６が接続されている。このバイパス通路２６には、制御弁２８が設けられている。この制御弁２８は、開度調整可能な流量制御弁であってもよく、あるいは開閉のみ可能な開閉弁であってもよい。

循環回路１２には、凝縮器１８の出口温度を検出する手段の一例としての温度センサ３１と、凝縮器１８の出口圧力を検出する手段の一例としての圧力センサ３３とが設けられている。温度センサ３１及び圧力センサ３３は、凝縮器１８の出口側、すなわち循環回路１２における凝縮器１８と循環ポンプ２０との間に設けられている。

温度センサ３１及び圧力センサ３３は、コントローラ３５と電気的に接続されている。コントローラ３５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ等を備えていて、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより所定の機能を発揮する。コントローラ３５の機能には、導出手段３７、調整制御手段３９等が含まれている。

導出手段３７は、温度センサ３１の検出値から凝縮器１８出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する。すなわち、コントローラ３５には、作動媒体の温度と飽和蒸気圧力とを関連づける情報テーブルが記憶されていて、導出手段３７は、このテーブルや関係式を利用して作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する。このテーブル又は関係式は、例えば図２に示すように、温度・飽和蒸気圧力の相関関係を示すものである。

調整制御手段３９は、圧力センサ３３によって検出された出口圧力と導出手段３７によって導出された飽和蒸気圧力とから両者の差（差圧）を演算し、この導出された差圧に応じて、循環ポンプ２０の出力を調整する。この点について以下具体的に説明する。

圧力センサ３３によって検出された出口圧力Ｐ［ＭＰａ］と飽和蒸気圧力Ｅ［ＭＰａ］との差圧（Ｐ−Ｅ）［ＭＰａ］は、凝縮器１８内における液面高さに相当する圧力となる。つまり、作動媒体の比重をρとすると、液面高さＨ［ｍ］は、以下のとおり表すことができる。したがって、差圧（Ｐ−Ｅ）を演算することにより、擬似的な液面高さを割り出すことができる。

Ｈ＝（Ｐ−Ｅ）×１００／ρ
続いて、図１及び図３を参照しつつ、本第１実施形態に係るバイナリー発電装置１０の運転動作について説明する。なお、図１中の（１），（２），（３），（４）の位置に相当する作動媒体の状態を図３中にも示している。

循環ポンプ２０を駆動すると、作動媒体が循環回路１２を循環する。循環ポンプ２０から送り出された作動媒体は蒸発器１４に流入し、蒸発器１４において温水と熱交換し蒸発し、気体状の作動媒体となる（図３中の（１）の状態）。この気体状の作動媒体は、膨張機１６において膨張するが（図３中の（２）の状態）、このとき膨張機１６の駆動軸が駆動される。これにより発電機２４を駆動して発電が行われる。そして、この作動媒体は、凝縮器１８において冷却水によって冷却されて凝縮する（図３中の（３）の状態）。この凝縮器１８の出口側での作動媒体の圧力（出口圧力）はＰ［ＭＰａ］であり、出口温度から得られる飽和蒸気圧力Ｅよりも高い値となっている。そして、凝縮器１８で凝縮した作動媒体は、循環ポンプ２０により図３中の（４）の状態となって循環ポンプ２０から送り出される。循環回路１２では、この循環が繰り返される。

バイナリー発電装置１０では、この動作中において、凝縮器１８出口側での作動媒体の温度及び圧力が検出されている（出口温度検出ステップ、出口圧力検出ステップ）。そして、図４に示す制御動作が実行されている。

すなわち、コントローラ３５では、温度センサ３１の検出値から凝縮器１８出口における作動媒体の飽和蒸気圧力Ｅを導出するとともに（導出ステップ）、この導出された飽和蒸気圧力と圧力センサ３３によって検出された出口圧力Ｐとから両者の差圧（Ｐ−Ｅ）を演算している。そして、コントローラ３５は、この差圧（Ｐ−Ｅ）に相当する凝縮器１８内の作動媒体の液面高さを導出し、この導出された液面高さが第１の所定値ａよりも大きいか否かを判断している（ステップＳＴ１）。この第１の所定値ａは、上限値として予め設定された値である。そして、液面高さが所定値ａよりも大きいときには、作動媒体の循環量を増やす制御を実行する（ステップＳＴ２）。すなわち、凝縮器１８内の液面が高くなるということは、作動媒体の循環量に対して凝縮能力が十分にあるということになるので、凝縮能力を下げるか、又は循環回路１２での作動媒体の循環量を上げることが有効である。ステップＳＴ２での制御は、循環ポンプ２０の出力を増大させる制御であってもよく、あるいは制御弁２８を閉じる制御であってもよく、あるいは制御弁２８の開度を小さくする制御であってもよい。循環回路１２での作動媒体の循環量が増大することにより、凝縮器１８内に貯まる液状の作動媒体の量が減るため、液面高さを低減させることができる。

一方、導出された液面高さが第１の所定値ａ以下であればステップＳＴ３に移る。ステップＳＴ３では、導出された液面高さが第２の所定値ｂよりも小さいか否かを判断する。この第２の所定値ｂは、下限値として予め設定された値であり、第１の所定値ａよりも小さな値である。液面高さが第２の所定値ｂ以上であればリターンする。一方、液面高さが第２の所定値ｂよりも小さいときには作動媒体の循環量を低減させる制御を実行する（ステップＳＴ４）。この制御は、循環ポンプ２０の出力を低減させる制御であってもよく、あるいは制御弁２８を開く制御であってもよく、あるいは制御弁２８の開度を大きくする制御であってもよい。循環回路１２での作動媒体の循環量が少なくなることにより、凝縮器１８内に貯まる液状の作動媒体の量が増えるため、液面高さを上げることができる。ステップＳＴ１〜ＳＴ４は、出口圧力Ｐと飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）に応じて、作動媒体の循環量を調整する制御を行う調整制御ステップとなっている。

以上説明したように、本第１実施形態によるバイナリー発電装置１０では、検出された凝縮器１８の出口圧力Ｐと、検出された凝縮器１８の出口温度から導出された凝縮器１８出口における作動媒体の飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）を求め、この差圧（Ｐ−Ｅ）に応じて作動媒体の循環量を調整する制御を行う。すなわち、実際に検出された出口圧力Ｐと演算によって導出された飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）は、凝縮器１８内での液面高さに応じた圧力とみなすことができるため、この差圧（Ｐ−Ｅ）に応じて作動媒体の循環量を調整することにより、凝縮器１８内での液量の変動を抑制することができる。したがって、擬似的に液面高さを安定させることができる。

しかも本実施形態では、検出された凝縮器１８の出口圧力Ｐと、検出された凝縮器１８の出口温度から導出された凝縮器１８出口における作動媒体の飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）から、凝縮器１８内の液面高さが算出され、この算出された液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量を調整する。したがって、算出された液面高さを安定させることができる。

なお、本実施形態では、バイパス通路２６が設けられた形態について説明したが、これに限られるものではなく、バイパス通路２６の制御弁２８を省略した構成とし、導出された液面高さに応じて循環ポンプ２０の出力を調整する構成としてもよい。

（第２実施形態）
図５は本発明の第２実施形態を示す。尚、ここでは第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、循環ポンプ２０の出力制御又は制御弁２８の開閉制御を行うことによって凝縮器１８内の液面高さを制御するようにしたが、第２実施形態では、冷却水回路２２を流れる冷却水による凝縮器１８の冷却能力を制御することによって凝縮器１８内の液面高さを制御するものである。

冷却水回路２２には、制御弁４２が設けられており、この制御弁４２の開閉又は開度制御によって冷却水回路２２（特に、冷却水回路２２のうち凝縮器１８内の冷却水通路）を流れる冷却水量を調整することができる。制御弁４２は、図５に示すように、冷却水回路２２に設けられた分岐通路４３に設けられていているが、分岐通路４３を設けることなく冷却水回路２２の配管に直接設けるようにしてもよい。ただし、この場合には、制御弁４２の開閉制御が逆となる。

コントローラ３５の調整制御手段３９は、導出手段３７によって導出された飽和蒸気圧力Ｅと圧力センサ３３によって検出された出口圧力Ｐとから両者の差（差圧）を演算し、この導出された差圧（Ｐ−Ｅ）に応じて、冷却水回路２２の制御弁４２を制御する。すなわち、コントローラ３５は、圧力センサ３３によって検出された出口圧力Ｐと導出手段３７によって導出された飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）に相当する凝縮器１８内の作動媒体の液面高さを導出し、図６に示すように、導出された液面高さが予め設定された閾値を超えるか否かを判断する（ステップＳＴ１１）。そして、液面高さが閾値を超えると凝縮器１８に流入する冷却水量を減らす制御を実行する（ステップＳＴ１２）。すなわち冷却水回路２２の分岐通路４３に設けられた制御弁４２を開放する（又は開度を大きくする）。これにより、凝縮器１８の冷却能力を抑制できるため、凝縮器１８内に貯まる液状の作動媒体の量を減らすことができ、液面高さを低減させることができる。

その他の構成、作用及び効果はその説明を省略するが前記第１実施形態と同様である。

なお、第２実施形態では、液面高さが閾値を超えたときのみ冷却水量を調整する構成としたが、これに限られるものでない。第１実施形態と同様に、液面高さの上限値及び下限値を設定しておき、液面高さがこの範囲内に収まるように冷却水量を増大させたり減少させたりしてもよい。

第２実施形態において、冷却水量を調整するとともに循環ポンプ２０の出力を併せて調整するようにしてもよい。

また第２実施形態では、循環回路１２のバイパス通路２６が省略された構成について説明したが、第１実施形態と同様に、制御弁２８を有するバイパス通路２６を設けるようにしてもよい。この場合には、制御弁４２を制御することによって冷却水量を調整するとともに、バイパス通路２６の制御弁２８を制御することによって作動媒体の循環量を調整することになる。

前記第１及び第２実施形態では、差圧（Ｐ−Ｅ）から導出される液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は凝縮器１８の冷却水量を調整する制御を行ったが、これに代え、調整制御手段３９は、出口圧力Ｐと飽和蒸気圧力Ｅとの差圧（Ｐ−Ｅ）が所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は凝縮器１８の冷却水量を調整する制御を行うようにしてもよい。

１０ バイナリー発電装置
１２ 循環回路
１４ 蒸発器
１６ 膨張機
１８ 凝縮器
２０ 循環ポンプ
２１ 回路
２２ 冷却水回路
２４ 発電機
２６ バイパス通路
２８ 制御弁
３１ 温度センサ
３３ 圧力センサ
３５ コントローラ
３７ 導出手段
３９ 調整制御手段
４２ 制御弁
４３ 分岐通路

Claims (6)

1. 作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気を膨張させる膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプと、が直列に接続された循環回路を備え、前記膨張機で発電機を駆動するバイナリー発電装置であって、
   前記凝縮器の出口温度を検出する出口温度検出手段と、
   前記凝縮器の出口圧力を検出する出口圧力検出手段と、
   前記出口温度検出手段の検出値から凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する導出手段と、
   前記出口圧力検出手段によって検出された出口圧力と前記導出手段によって導出された飽和蒸気圧力との差圧に応じて、作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う調整制御手段と、を有するバイナリー発電装置。
2. 前記調整制御手段は、前記差圧から算出される液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う請求項１に記載のバイナリー発電装置。
3. 前記調整制御手段は、前記差圧が所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う請求項１に記載のバイナリー発電装置。
4. 作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気を膨張させる膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、作動媒体を循環させる循環ポンプと、が直列に接続された循環回路を備え、前記膨張機で発電機を駆動するバイナリー発電装置の制御方法であって、
   前記凝縮器の出口温度を検出する出口温度検出ステップと、
   前記凝縮器の出口圧力を検出する出口圧力検出ステップと、
   前記出口温度検出ステップで検出された温度検出値から凝縮器出口における作動媒体の飽和蒸気圧力を導出する導出ステップと、
   前記出口圧力検出ステップで検出された出口圧力と前記導出ステップで導出された飽和蒸気圧力との差圧に応じて、作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う調整制御ステップとが含まれているバイナリー発電装置の制御方法。
5. 前記調整制御ステップでは、前記差圧から算出される液面高さが所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う請求項４に記載のバイナリー発電装置の制御方法。
6. 前記調整制御ステップでは、前記差圧が所定範囲内に収まるように作動媒体の循環量又は前記凝縮器の冷却水量を調整する制御を行う請求項４に記載のバイナリー発電装置の制御方法。

Images