JP2013177838A - バイナリー発電装置の制御方法及びバイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイナリー発電装置１において、発電効率を低下せしめることなく、膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みを抑制する。
【解決手段】本発明のバイナリー発電装置１の制御方法は、温水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機３と、膨張機３で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器４と、凝縮器４から蒸発器２に向って作動媒体を循環させる循環ポンプ５とを備え、回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置１を制御するに際しては、蒸発器２内における温水の温度と作動媒体の温度との差であって最小の温度差をピンチ温度差として求め、求められたピンチ温度差が所定値以上となるように作動媒体の循環状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイナリー発電装置の制御方法及びバイナリー発電装置に関するものである。

従来、工場から排出される排温水や温泉からの温水のような低温の熱源から熱を回収して発電を行うものとして、バイナリー発電装置が存在する。このバイナリー発電装置は、作動媒体として水でなく低沸点の有機化合物などを用いており、通常の蒸気タービンを用いた発電装置に比べて低温の熱源であっても発電が可能なものとなっている。
ただ、工場から排出される排温水や温泉からの温水に代表される熱源は、蒸発器に供給される温水の温度や流量などが時間と伴に変動する場合が多く、熱の供給が不安定なものとなっている。例えば、温水の温度や流量などが一時的に小さくなると、蒸発器での作動媒体の加熱が不十分となり、ひどい場合は作動媒体が気液混合状態で蒸発器から膨張機に流れ込むといった問題が発生する場合がある。

このような気液混合状態の作動媒体が膨張機に吸い込まれると、膨張機では体積変化の無い液体の作動媒体は全く仕事をしないので、発電に用いられる膨張機の回転駆動力には全く寄与しない。つまり、膨張機に流れ込む作動媒体の量（質量）が同じでも、その中に液体のものが含まれれば含まれるほど発電効率が結果として低下してしまうのである。
また、膨張機内へ噴射された潤滑油に対して液体の作動媒体が混ぜ合わさると、両者が溶け合い、作動媒体が溶け込んだ潤滑油が膨張機の下流側に配備された油回収器でオイルフォーミング現象（膨張機に比べてさらに減圧された油回収器で作動媒体が気化（蒸発）して油回収機の中で潤滑油が泡立つ現象）を引き起こす。このオイルフォーミング現象が発生すると、気化した作動媒体が気泡となってポンプに噛み込み潤滑油のポンプの動作不良を引き起こす虞もある。

そこで、膨張機に対する液体の作動媒体の吸い込みを抑制するために、膨張機の入側で作動媒体が十分に気化されているかを過熱度を用いて判断する方法が考えられる。
例えば、特許文献１には作動媒体の循環配管に流量調整バルブが設けられたバイナリー発電装置が開示されている。この特許文献１のバイナリー発電装置に対して、膨張機の入側に作動媒体の温度や圧力を計測する計測手段を設け、計測された温度や圧力から求められる過熱度に基づいて作動媒体の流量を調整すれば上述したような問題を解決できる可能性はある（図８を参照）。

特開平０３−２８４１９８号公報

しかしながら、図８に示すバイナリー発電装置（過熱度に基づいて作動媒体の流量を調整する発電装置）において、膨張機の入側は温水から供給される熱変動の影響が最後に現れる場所となっている。つまり、膨張機に対して液体の作動媒体の吸い込みを防止しようとしているのに、このような膨張機に近い地点の情報を基に制御を行うと動作遅れになりやすい。特に、過熱度の調整にはある程度の時間が必要であり、温水から供給される熱量が急激に変動した時には十分な対応がとれなくなる可能性も高い。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、作動媒体に対する熱変動の影響を時間遅れなく検知することで、膨張機に対する液体状態の作動媒体の吸い込みを確実に抑制し、発電効率の低下を防ぐことができるバイナリー発電装置の制御方法、及びバイナリー発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のバイナリー発電方法は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のバイナリー発電方法は、温水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプとを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置を制御するに際しては、前記蒸発器内における温水の温度と作動媒体の温度との差であって最小の温度差をピンチ温度差として求め、求められたピンチ温度差が所定値以上となるように作動媒体の循環状態を制御することを特徴とする。

なお、好ましくは前記ピンチ温度差は、前記作動媒体の飽和温度と、この飽和温度の作動媒体との間に熱交換を行う温水の温度との間に生じる最小の温度差として与えられるとよい。
なお、好ましくは前記蒸発器内で互いに熱交換される温水及び作動媒体の双方に対して、この蒸発器の入側と出側とのエンタルピーを求め、求められたエンタルピーに基づいて、前記ピンチ温度差を算出するとよい。。

なお、好ましくは前記求められたピンチ温度差が予め定められた閾値を超えた場合には、前記作動媒体の循環流量を大きくし、前記求められたピンチ温度差が予め定められた閾値を下回った場合には、前記作動媒体の循環流量を小さくするとよい。
なお、好ましくは前記温水の供給経路における蒸発器の入側に予熱器が設けられている場合においては、前記予熱器と蒸発器との間で計測された温度及び／又は圧力を用いて前記エンタルピーを求めるとよい。

一方、本発明のバイナリー発電装置は、温水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機が発生した回転駆動力を用いて発電機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプと、上述の制御方法に従って前記作動媒体の循環状態を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明のバイナリー発電装置の制御方法及びバイナリー発電装置によれば、作動媒体に対する熱変動の影響を時間遅れなく検知することで、膨張機に対する液体状態の作動媒体の吸い込みを確実に抑制し、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。

第１実施形態のバイナリー発電装置を示している。 第１実施形態のバイナリー発電装置において、蒸発器内における温水及び作動媒体の熱力学的状態を、熱交換の前後で比較して示した図である。 第１実施形態のバイナリー発電装置の制御方法を示したフローチャートである。 予熱器を備えたバイナリー発電装置（第２実施形態）を示す図である。 過熱器を備えたバイナリー発電装置（第３実施形態）を示す図である。 第３実施形態のバイナリー発電装置において、蒸発器内における温水及び作動媒体の熱力学的状態を、熱交換の前後で比較して示した図である。 第３実施形態のバイナリー発電装置の制御方法を示したフローチャートである。 従来のバイナリー発電装置を示した図である。

「第１実施形態」
以下、本発明のバイナリー発電装置１及びこのバイナリー発電装置１の制御方法の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、第１実施形態のバイナリー発電装置１を模式的に示したものである。
図１に示すように、バイナリー発電装置１は、温水を熱源として液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機３と、膨張機３で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器４と、凝縮器
４から蒸発器２に向って作動媒体を循環させる循環ポンプ５とを備えている。これら蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及び循環ポンプ５は作動媒体を循環させる閉ループ状の循環配管６により接続されていて、作動媒体を循環配管６の一方向（蒸発器２、膨張機３、凝縮器４、循環ポンプ５の順番に循環する方向）に沿って流通できるようになっている。

このバイナリー発電装置１には、膨張機３に隣接するように発電機（図示略）が設けられており、膨張機３で得られた回転駆動力を用いて発電機で発電を行うことができるようになっている。また、バイナリー発電装置１に用いられる作動媒体には、代替フロンやペンタンなどのような水より低沸点の有機化合物が用いられており、温泉から供給される温水（温泉水）や工場の排温水などのように１００℃未満の低温の熱源から供給される熱を用いて発電を行うことが可能となっている。

また、上述した膨張機３には、膨張機３内でタービンなどの回転部材を潤滑するために潤滑油を供給する潤滑手段７が設けられている。そして、膨張機３の下流側（作動媒体の流れ方向の下流側）には、潤滑手段７により膨張機３で供給された潤滑油を作動媒体から分離して回収する油回収器８が設けられている。
図１に示すバイナリー発電装置１で発電を行う際には、まず蒸発器２の１次側に温水を供給すると共に蒸発器２の２次側に液体の作動媒体を導いて、蒸発器２内で両者の間に熱交換を行って、液体の作動媒体を作動媒体の蒸気に蒸発させる。そして、この蒸発器２から送られてきた作動媒体の蒸気によって、膨張機３を駆動させ、膨張機３の回転駆動力を用いて発電機で発電を行う。その後、作動媒体の蒸気は凝縮器４に送られ、凝縮器４において冷却水との間に熱交換が行われて、作動媒体は蒸気から液体に戻る。凝縮器４で生成された液体の作動媒体は循環ポンプ５で圧送されて蒸発器２に帰還し、再び蒸発に用いられる。このようにしてバイナリー発電装置１では、作動媒体のランキンサイクルを利用して発電が行われるのである。

ところで、バイナリー発電装置１の場合、工場から排出される排温水や温泉からの温水に代表される低熱源が利用されることが多い。この場合、蒸発器２に供給される温水は温度や流量が変動すること多く、熱量が不安定なものとなっている。当然、このように供給される熱量が不安定な温水を用いると、作動媒体が気化せずに液体のまま膨張機に吸い込まれ、発電効率を低下させたり、油回収器でオイルフォーミングなどの問題を起こしたりする可能性が高い（発明が解決しようとする課題を参照）。

そこで、このような膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みを防ぐために、図８に示す従来のバイナリー発電装置１０１では、膨張機１０３の入側で作動媒体の温度と圧力とを計測し、計測された温度及び圧力に基づいて算出される過熱度に基づいて循環ポンプ１０５の流量を調整する方法が採用されている。
ただ、このように膨張機１０３に入るすぐ手前で得られる温度や圧力といった情報に基づいて作動媒体の過熱度を調整しようとすると、温水から供給される熱量の変動に対して過熱度の調整がどうしても遅れ気味となり、膨張機１０３に液体の作動媒体が流れ込むことを十分に抑制できなくなり、実際には発電効率が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、本発明のバイナリー発電装置１では、蒸発器２内における温水の温度と作動媒体の温度との差であって最小の温度差をピンチ温度差として求め、求められたピンチ温度差が所定値以上となるように作動媒体の循環状態を制御する制御部９を設けている。
このようなピンチ温度差を用いて、蒸発器２内での作動媒体の循環状態を制御すれば、蒸発器２に供給される温水の熱量の変動をいち早く察知して作動媒体の気化を確実に行うことができ、膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みを確実に防止することが可能となる。

次に、蒸発器２内での作動媒体の循環状態を制御する制御部９の構成、及びこの制御部９で行われる制御（バイナリー発電装置１の制御方法）について、詳しく説明する。
制御部９は、蒸発器２の１次側に供給される温水と２次側に供給される作動媒体との双方に対して、この蒸発器２の入側のエンタルピーと出側のエンタルピーとを求め、求められたエンタルピーに基づいてピンチ温度差を算出し、算出されたピンチ温度差が所定の温度以上となるように作動媒体の循環状態を制御する。

具体的には、この制御部９は、後述する温度計測手段１０、圧力計測手段１１、流量計測手段１２と電気的に接続されていて、これらの計測手段で計測された温度、圧力、流量などの計測結果を信号として入力可能とされている。
また、制御部９は、上述した循環ポンプ５に対しても電気的に接続されていて、循環ポンプ５の循環状態、例えば循環ポンプ５の回転数や揚程（差圧）などを制御できるようになっている。なお、実際の制御部９には、ＰＬＣやパソコンなどのような機器が用いられる。

次に、制御部９に接続された温度計測手段１０、圧力計測手段１１について詳しく説明する。
図１に示すように、上述した蒸発器２には、この蒸発器２に温水を供給する温水供給配管１３、ならびに作動媒体を供給する循環配管６が接続されている。
そして、蒸発器２に対する入側の温水供給配管１３には、蒸発器２の入側の温水温度を計測する第１の温度計測手段１０ａ、及び、温水圧力を計測する第１の圧力計測手段１１ａが設けられている。また、蒸発器２に対する出側の温水供給配管１３には、同じく温水の出側温度を計測する第２温度計測手段１０ｂが設けられている。

また、第１実施形態の制御方法では温水の圧力が蒸発器２の入側と出側とでほぼ一定と考えて制御を行うため、蒸発器２に対する出側の温水圧力を計測する圧力計測手段を設けていないが、蒸発器２に対する出側に第２の圧力計測手段１１ｂを別途設けることもできる。
一方、循環配管６に関しては、蒸発器２に対する入側に作動媒体の温度を計測する第３の温度計測手段１０ｃ、及び、作動媒体の圧力を計測する第３の圧力計測手段１１ｃが設けられている。また、蒸発器２に対する出側の循環配管６にも、同じく作動媒体の出側温度を計測する第４温度計測手段１０ｄ及び作動媒体の圧力を計測する第４の圧力計測手段１１ｄが設けられている。

次に、制御部９で行われる制御にて用いる「ピンチ温度差」について説明する。
ピンチ温度差は、蒸発器２内において蒸発器２の１次側に供給される温水と２次側に供給される作動媒体との間に生じる温度差の中でも、最小のものである。言い換えれば、このピンチ温度差は、蒸発器２内での熱交換に際して熱力学的に状態変化していく温水と作動媒体との双方に対して、両者が取り得る温度差のうち最小のものである。例えば、このピンチ温度差は、図２を用いて次のように説明される。

図２は、作動媒体及び温水の熱力学的な状態を、蒸発器２内でのエンタルピーに対する温度及び圧力の変化として示したものである。この図２では、作動媒体の状態と温水の状態とを視覚的に比較しやすいように、作動媒体の入側と温水の出側とが横軸の同じ位置に来ると共に、作動媒体の出側と温水の入側とが横軸の同じ位置に来るように、作動媒体のグラフと温水のグラフとを上下に重ねて示している。

まず、図２における作動媒体の状態変化について考える。
図２のＡに示すように、作動媒体は、蒸発器２の入側（入口）において温度T_r1[℃]、圧力P_r1[Pa]、エンタルピーh_r1[kJ/kg]となっている。やがて、温水から熱が供給されると作動媒体はＢに示す飽和状態になる。
図２のＢに示す飽和状態では、作動媒体の温度は飽和温度T_rs [℃]に上昇し、エンタルピーもh_rs[kJ/kg]に増加する。飽和状態に達した後も温水から熱を供給し続けると、エンタルピーは増大するが、このエンタルピーの増加分は潜熱として作動媒体の蒸発（気化）に専ら用いられるため、液体の作動媒体が全て蒸気に変化するまでは温度は上昇せず、グラフは水平のまま変化する。

そして、液体の作動媒体が全て蒸気に変化してからも温水から熱を供給し続けると、蒸気（気体）の作動媒体が加熱されて温度や圧力が上昇する。それゆえ、図２のＣに示すように、作動媒体は、蒸発器２の出側（出口）において温度T_r2[℃]、圧力P_r2[Pa]、エンタルピーh_r2 [kJ/kg]となる。
一方、温水については、図中にＤで示される状態が蒸発器２の入側に対応する。

図２のＤに示すように蒸発器２の入側（入口）においては、温水は温度T_w1[℃]、圧力P
_w1[Pa]、エンタルピーh_w1[kJ/kg]となっている。やがて、作動媒体に熱を奪われるにつれて、温水のエンタルピーは低くなり、温水の温度及び圧力も低下する。しかし、作動媒体とは異なり温水は相変化しないので、温水の温度及び圧力は相変化を伴わずにエンタルピーに対して線形的に減少する傾向を示す。

やがて、図２のＥに示す状態に達すると、温水の温度はＤの状態よりさらに低下して温度T_w3（＜T_w1）[℃]になる。このＥの状態は作動媒体の飽和状態（Ｂの状態）に対応するものであり、このとき作動媒体の温度T_w3[℃]と温水の温度T_rs [℃]との差が最も小さな状態（作動媒体のグラフと温水のグラフとが最も近接する状態）となる。
その後、図２のＦの状態に達すると、温水の温度がT_w3[℃]よりさらに低下してT_w2[℃]となり、エンタルピーもh_w2[kJ/kg]まで減少する。

図２から明らかなように、作動媒体の温度と温水の温度との差が最も小さくなるのは、作動媒体が飽和温度T_rs[℃]であって温水が温度T_w3[℃]となる場合である。言い換えれば、ピンチ温度差ΔＴは、作動媒体の飽和温度T_rs[℃]と、この飽和温度の作動媒体との間に熱交換を行う温水の温度T_w3[℃]との差として与えられる。そして、このように計測された温度や圧力から算出されるピンチ温度差ΔＴが小さくなるほど作動媒体のグラフと温水のグラフとが互いに近接して、作動媒体を蒸発するのに十分な熱エネルギーが温水から得られなくなることを意味している。

それゆえ、上述したピンチ温度差が所定の値以上（例えば、３℃〜１０℃）となるように作動媒体の循環状態の制御を行えば、作動媒体を蒸発するのに十分な熱エネルギーを温水から安定して得ることができるようになり、膨張機３に液体の作動媒体が流れ込むことを確実に防止することが可能となるのである。
なお、ピンチ温度差を実際に求めるに際しては、第１実施形態〜第３実施形態に示すようにさまざまな方法が考えられる。

第１実施形態では、蒸発器２内で互いに熱交換される温水及び作動媒体の双方に対して、この蒸発器２の入側と出側とのエンタルピーを求め、求められたエンタルピーに基づいて、ピンチ温度差を算出する制御方法を例に挙げる。この第１実施形態の制御方法では、蒸発器２の入側と出側とで、温水及び作動媒体の温度及び圧力を計測し、計測した温度及び圧力に基づいてエンタルピーを算出している。

図３は、制御部９で行われる制御（バイナリー発電装置１の制御方法）を示すフローチャートである。
図３に示すように、第１実施形態のバイナリー発電装置１の制御方法では、まず上述した第１の温度計測手段１０ａ及び第２の温度計測手段１０ｂを用いて、蒸発器２の入側の温水温度T_w1[℃]及び出側の温水温度T_w2[℃]を計測する。また、第１の圧力計測手段１１ａを用いて、蒸発器２の入側の温水圧力P_w1[Pa]を計測する。なお、上述したように第２の圧力計測手段１１ｂが設けられている場合には、第２の圧力計測手段１１ｂにより計測される蒸発器２の出側の温水圧力P_w2[Pa]を用いても良い。

このようにして計測された入側の温水温度T_w1[℃]、出側の温水温度T_w2[℃]、及び入側の温水圧力P_w1[Pa]（若しくは出側の温水圧力P_w2[Pa]）を用いれば、蒸発器２の入側の温水エンタルピーh_w1[kJ/kg]及び出側の温水エンタルピーh_w2[kJ/kg]を算出することができる（Ｓ１１）。
なお、第１実施形態の制御方法では、温水の圧力をほぼ一定とみなしており、入側の温水圧力P_w1[Pa]及び出側の温水圧力P_w2[Pa]がいずれも温水の圧力の計測値P_w[Pa]に等しくなるものと考えて、入側及び出側の双方のエンタルピー計算に用いている。

次に、温水と全く同じようにして、第３及び第４の温度計測手段１０ｃ、１０ｄ、並びに第３及び第４の圧力計測手段１１ｃ、１１ｄを用いて、蒸発器２の入側における作動媒体の温度T_r1[℃]、出側の作動媒体の温度T_r2[℃]、及び蒸発器２の入側における作動媒体の圧力P_r1[Pa]、出側の作動媒体の圧力P_r2[Pa]を計測する。そして、計測された温度及び圧力を用いて、蒸発器２の入側における作動媒体のエンタルピーh_r1[kJ/kg]及び出側の作動媒体のエンタルピーh_r2[kJ/kg]を算出する（Ｓ１２）。

このようにして蒸発器２の入側と出側との温水エンタルピーh_w1[kJ/kg]、h_w2[kJ/kg]及
び作動媒体エンタルピーh_r1[kJ/kg]、h_r2[kJ/kg]、飽和状態における作動媒体のエンタルピーh_rs[kJ/kg]が算出されたら、算出した値を式（１）に代入してピンチ状態における温水のエンタルピーh_w3[kJ/kg]を求める（Ｓ１３）。

なお、式（１）に用いられるh_rs[kJ/kg]は、作動媒体の種類と圧力と決まれば必然的に導かれる。
このようにして、式（１）を用いてh_w3[kJ/kg]が求まったら、求められたh_w3[kJ/kg]と温水の圧力P_w[Pa]を用いて、ピンチ状態での温水の温度T_w3[℃]を求める（Ｓ１４）。作動媒体の飽和温度T_rs[℃]も、上述したh_rsと同様に、作動媒体の種類と圧力P_rs（例えば、P_r1）が決まれば必然的に導かれる（Ｓ１５）。

その後、式（２）を用いてピンチ温度差ΔＴを求める（Ｓ１６）。

このようにしてピンチ温度差ΔＴが求められたら、求められたピンチ温度差ΔＴが予め定められた閾値を超えた場合には作動媒体の循環流量を大きくし、求められたピンチ温度差ΔＴが予め定められた閾値を下回った場合には作動媒体の循環流量を小さくする。具体的には、そのピンチ温度差ΔＴが所定値以下か否かを判断し（Ｓ１７）、求められたピンチ温度差ΔＴが所定値以下である場合（「Yes」の場合）には「作業媒体が気液混合状態であって、膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みが起こりうる」と判断して、ピンチ温度差ΔＴが所定値以上となるように循環ポンプ５の回転数を下げて、作動媒体の循環量を減らし、作動媒体の気化を促進するようにする（Ｓ１８）。この循環ポンプ５の回転数の調整が終了したら、もう一度フローチャートの最初に戻って温水のエンタルピーの計測を繰り返すこともできる。

また、求められたピンチ温度差ΔＴが所定値より大きい場合（「No」の場合）には「膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みが起こる可能性はない」と判断して、もう一度フローチャートの最初に戻って温水のエンタルピーh_w1、h_w2の算出から信号処理を繰り返す（Ｓ１１）。なお、ピンチ温度差ΔＴが所定値に比して過大な値となるようだったら、循環ポンプ５の回転数を上げて、作動媒体の循環量を増やし、作動媒体の気化を抑制するようにするとよい。

図８に示す過熱度に基づく制御では、蒸発器１０２で生成された気液混合状態の作動媒体が膨張機１０３に入るすぐ手前で得られた温度や圧力の情報を利用するために、どうしても制御が遅れがちになり、膨張機１０３に対する液体の作動媒体の吸い込みを確実に防止できないという問題があった。
しかし、上述したピンチ温度差による制御は、蒸発器２に出入する温水や作動媒体の温度・圧力などから、蒸発器２内で液体の作動媒体が生成されないことを短時間で判断するものであり、蒸発器２に入る前の情報に基づいていち早く作動媒体の循環状態の制御を行うものである。それゆえ、蒸発器２の出側での情報だけを用いて判断する場合より熱の変動を素早く捉えることができ、温水から供給される熱量が急激に変動した場合にも、この変動に確実に追従して作動媒体の流量を迅速に制御できるので、発電効率を低下することなく膨張機３に対する液体の作動媒体の吸い込みを抑制することが可能となるのである。［第２実施形態］
次に、第２実施形態のバイナリー発電装置１及びその制御方法を説明する。

図４に示すように、第２実施形態のバイナリー発電装置１は、蒸発器２の入側の作動媒体の循環配管６に、液体の作動媒体を蒸発器２に入る前に予熱する予熱器１４が設けられていることを特徴としている。
第２実施形態のバイナリー発電装置１では、温水は最初に蒸発器２の１次側に供給され
て蒸発器２での作動媒体の蒸発に用いられる。そして、蒸発器２の熱源として用いられた後の温水は予熱器１４の１次側に供給されて、予熱器１４での作動媒体の予熱に用いられる。一方、作動媒体は、最初に予熱器１４の２次側に供給されて予熱され、その後、蒸発器２の２次側に供給されて気化し蒸気へと変わる。

このように蒸発器２に加えて予熱器１４を有する装置構成に対しても、予熱器１４と蒸発器２との間に蒸発器２の出側における温水の温度を計測する温度計測手段１０ｂ及び温水の圧力を計測する圧力計測手段１１ｂ、並びに蒸発器２の入側における作動媒体の温度を計測する温度計測手段１０ｃ及び作動媒体の圧力を計測する圧力計測手段１１ｃを設けたうえで、計測された温度及び／又は圧力を用いてエンタルピーを求めれば、第１実施形態の場合と同様にピンチ温度差を正確且つ迅速に判断することができる。

算出されたピンチ温度差を基に、第１実施形態で述べた制御方法により、作動媒体に対する熱変動の影響を時間遅れなく検知し、それに基づいて、膨張機３に対する液体状態の作動媒体の吸い込みを確実に抑制することで、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。「第３実施形態」
次に、第３実施形態のバイナリー発電装置１及びその制御方法を説明する。

図５に示すように、第３実施形態のバイナリー発電装置１は、蒸発器２より出側の作動媒体の循環配管６に、蒸発器２で加熱された作動媒体をさらに過熱する過熱器１５が設けられていることを特徴としている。
第３実施形態のバイナリー発電装置１では、温水は最初に過熱器１５の１次側に供給されて過熱器１５での作動媒体の過熱に用いられる。そして、過熱器１５の熱源として用いられた後の温水は蒸発器２の１次側に供給されて、蒸発器２での作動媒体の蒸発に用いられる。一方、作動媒体は、最初に蒸発器２の２次側に供給されて気化され、その後、過熱器１５の２次側に供給されて過熱される。

ここで、第３実施形態のバイナリー発電装置１が第１実施形態や第２実施形態と異なっているのは、過熱器１５を有する第３実施形態のバイナリー発電装置１では蒸発器２の出側でも液体の作動媒体が残っている場合が考えられる点である。
つまり、第１実施形態や第２実施形態の装置では、制御が正常に作用している限りは蒸発器２の出側で作動媒体の蒸発は完了しており、液体の作動媒体が存在していることはない。しかし、過熱器１５を有する第３実施形態のバイナリー発電装置１では、蒸発器２の出側で液体の状態でも過熱器１５で過熱すれば最終的に気体の作動媒体を得ることができるので、蒸発器２の出側で作動媒体が気液２相流となるケースが十分に考えられるのである。

ただ、このように蒸発器２の出側で気液が混合していると、場所によって温度の計測結果がまちまちとなり、作動媒体の温度を蒸発器２の出側で正確に計測することが困難になってしまう。つまり、図６に示すように、第３実施形態のバイナリー発電装置１では、蒸発器２の出側における作動媒体の温度T_r2[℃]やエンタルピーh_r2[kJ/kg]として正確な値を求めることができない。

そこで、第３実施形態のバイナリー発電装置１の制御方法では、作動媒体及び温水に対して流量、比熱を用いてエンタルピーを求め、求められたエンタルピーに基づいてピンチ温度差を算出するようにしている。
すなわち、図５に示すように、第３実施形態のバイナリー発電装置１は、蒸発器２の出側で温水の温度を計測する温度計測手段１０ｂ（第１実施形態における第２の温度計測手段１０ｂ）と、過熱器１５の入側で温水の流量を計測する第１の流量計測手段１２ａを備えている。また、このバイナリー発電装置１には、蒸発器２に対する入側で作動媒体の温度を計測する温度計測手段１０ｃ（第１実施形態における第３の温度計測手段１０ｃ）と、過熱器１５の入側で作動媒体の流量を計測する第２の流量計測手段１２ｂを備えている。

そして、制御部９においては、図７に示すような手順で制御が行われる。
すなわち、第３実施形態の制御方法では、まず上述した循環配管６の温度計測手段１０ｃを用いて蒸発器２の入側における作動媒体の温度T_r1[℃]を計測すると共に、循環配管
６の圧力計測手段１１ｃを用いて蒸発器２の入側における作動媒体の圧力P_r1[Pa]を計測する。そして、計測された温度T_r1[℃]と圧力P_r1[Pa]とに基づいて、蒸発器２の入側における作動媒体のエンタルピーh_r1[kJ/kg]を算出する。また、作動媒体の種類と圧力が分かれば、飽和状態の作動媒体のエンタルピーh_rs[kJ/kg]は与えることができる（Ｓ２１）。

次に、蒸発器２を流通する温水の流量FM_w[kg/s]を第１の流量計測手段１２ａを用いて計測すると共に、蒸発器２を流通する作動媒体の流量FM_r[kg/s]を第２の流量計測手段１２ｂを用いて計測する（Ｓ２２）。
このようにして求められた蒸発器２の入側の温水温度T_w2[℃]、作動媒体のエンタルピーh_r1[kJ/kg]、作動媒体の流量FM_r[kg/s]、温水のエンタルピーh_rs[kJ/kg]、温水の流量FM_w[kg/s]を式（３）に代入することで、ピンチ状態での温水の温度T_w3[℃]を求めることができる（Ｓ２３）。

このようにしてピンチ状態での温水の温度T_w3[℃]が求められたら、このT_w3[℃]を式（４）に代入して、ピンチ温度差ΔＴを求める（Ｓ２４）。

これ以降の信号処理に関しては、第１実施形態のステップ１７以降の処理を行うことで、第１実施形態と同様に膨張機３に対して液体の作動媒体が吸い込まれることを抑制することができる。
以上述べた第３実施形態の制御方法によっても、算出されたピンチ温度差を基に、作動媒体に対する熱変動の影響を時間遅れなく検知し、それに基づいて、膨張機３に対する液体状態の作動媒体の吸い込みを確実に抑制することで、発電効率の低下を防ぐことが可能となる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、上述した第１〜第３実施形態では、ピンチ温度差に基づいて制御される作動媒体の循環状態として、循環ポンプの回転数を挙げた。しかし、この作動媒体の循環状態としては、循環ポンプの揚程（圧力）を挙げても良い。また、循環配管６に圧力調整弁などを設けておいて、この圧力調整弁で作動媒体の圧力を調整することにより、作動媒体の循環状態を調整することもできる。

例えば、上述した第１〜第３実施形態では、エンタルピーを用いてピンチ温度差を求める例を挙げたが、例えば蒸発器の入側と出側の温度を平均することによりピンチ温度差を概略で求めることもできる。

１ バイナリー発電装置
２ 蒸発器
３ 膨張機
４ 凝縮器
５ 循環ポンプ
６ 循環配管
７ 潤滑手段
８ 油回収器
９ 制御部
１０ 温度計測手段
１０ａ 第１の温度計測手段
１０ｂ 第２の温度計測手段
１０ｃ 第３の温度計測手段
１０ｄ 第４の温度計測手段
１１ 圧力計測手段
１１ａ 第１の圧力計測手段
１１ｂ 第２の圧力計測手段
１１ｃ 第３の圧力計測手段
１１ｄ 第４の圧力計測手段
１２ 流量計測手段
１２ａ 第１の流量計測手段
１２ｂ 第２の流量計測手段
１３ 温水供給配管
１４ 予熱器
１５ 過熱器
１０１ 従来のバイナリー発電装置
１０３ 従来のバイナリー発電装置の膨張機
１０５ 従来のバイナリー発電装置の循環ポンプ

Claims (6)

1. 温水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプとを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリー発電装置を制御するに際しては、
   前記蒸発器内における温水の温度と作動媒体の温度との差であって最小の温度差をピンチ温度差として求め、
   求められたピンチ温度差が所定値以上となるように作動媒体の循環状態を制御することを特徴とするバイナリー発電装置の制御方法。
2. 前記ピンチ温度差は、前記作動媒体の飽和温度と、この飽和温度の作動媒体との間に熱交換を行う温水の温度との間に生じる最小の温度差として与えられることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電装置の制御方法。
3. 前記蒸発器内で互いに熱交換される温水及び作動媒体の双方に対して、この蒸発器の入側と出側とのエンタルピーを求め、
   求められたエンタルピーに基づいて、前記ピンチ温度差を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイナリー発電装置の制御方法。
4. 前記求められたピンチ温度差が予め定められた閾値を超えた場合には、前記作動媒体の循環流量を大きくし、
   前記求められたピンチ温度差が予め定められた閾値を下回った場合には、前記作動媒体の循環流量を小さくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のバイナリー発電装置の制御方法。
5. 前記温水の供給経路における蒸発器の入側に予熱器が設けられている場合においては、
   前記予熱器と蒸発器との間で計測された温度及び／又は圧力を用いて前記エンタルピーを求めることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のバイナリー発電装置の制御方法。
6. 温水を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、
   前記膨張機が発生した回転駆動力を用いて発電機と、
   前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプと、
   請求項１〜５のいずれかに記載の制御方法に従って前記作動媒体の循環状態を制御する制御部と、
   を有することを特徴とするバイナリー発電装置。

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