JP2014020341A - 複合動力機器及び複合動力機器の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複合動力機器において、設置スペースを取ることなく、高い効率で動力や電力を発生させる。
【解決手段】本発明の複合動力機器１は、発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器３と、膨張機で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器４と、を組み合わせた複合動力機器１であって、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する制御手段１２が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランキンサイクル機器とバイナリーサイクル機器とを組み合わせた複合動力機器及び複合動力機器の運転方法に関するものである。

従来、火力や原子力などの発電所では、熱源から発生する熱を回収して蒸気タービンを回転駆動し、発生した回転駆動力を利用して発電を行っている。また、製造現場などにおいては、ボイラなどで発生した蒸気を利用して、蒸気タービンを回転駆動し、動力源としている場合もある。このように高温の蒸気によって蒸気タービンを駆動して動力を取り出す熱力学サイクルはランキンサイクルと呼ばれる。ランキンサイクルを用いて動力を取り出す機器はランキンサイクル機器と呼ばれる。

一方、蒸気タービンを回転駆動する程の熱量がない熱源を利用して動力を発生させたり、発電を行ったりする熱力学サイクルにバイナリサイクルがある。このバイナリサイクルを用いたバイナリサイクル機器は、１００℃以下の低温で蒸発するような低沸点の有機溶剤を作動媒体に用いるものであり、比較的小規模な工場などの２次的あるいは補助的な動力発生システムや発電システムなどとして用いられている。

ところで、比較的高温の熱源に対応したランキンサイクル機器と、低温の熱源に対応したバイナリサイクル機器とを組み合わせて、高い効率で動力を発生させたり、発電を行ったりする複合動力機器が従来より考えられている。
例えば、特許文献１には、ガスタービンとランキンサイクルとバイナリサイクルとを組み合わせることで、熱源から高効率で動力や電力を回収することのできる複合発電システムが開示されている。

特開平７−１６６８１５公報

ところで、特許文献１の複合発電システムは、例えば高温側のランキンサイクル機器から熱交換器を用いて余剰な熱エネルギを回収し、回収した熱エネルギを利用して低温側のバイナリサイクル機器で動力を発生させたり、発電を行ったりするものである。
しかしながら、特許文献１のように蒸気タービンを用いたランキンサイクル機器に用いる場合、以下に述べるような不都合な点が現場の実績として挙がってきている。

つまり、一般に蒸気タービンに導入される蒸気としては、飽和蒸気よりもさらに高温・高圧に加熱された過熱蒸気が用いられる。そして、ランキンサイクル機器では、高い断熱効率や発電効率を発揮できるように、過熱蒸気を１００℃以下の温度、又は大気圧以下の圧力まで蒸気タービン（膨張機）内で一挙に膨張させて駆動力を発生させるようにしている。そのため、ランキンサイクル機器では、蒸気タービンで膨張した後の蒸気は、その体積が大きく減少し、蒸気タービンの出側からポンプまでの経路に設けられる復水器内での圧力が極めて低くなってしまう。その結果、復水器の内部の圧力が真空に近くなって、復水器に気密構造を採用する必要が生じたり、密度の低い蒸気（すなわち液体の水）との伝熱が可能になるように復水器の伝熱面積を大きくしたりする必要が生じ、復水器の構造が大型化しやすくなる。

特に、再生可能エネルギーを利用した発電システムなどは、１箇所に集約して大規模なものが設置されるよりは、小口のユーザごとに分かれて設置されることが多く、このような発電システムとしては比較的コンパクトなものが求められることが多い。それゆえ、小口のユーザに最適な発電システムの普及を考えたとき、発電システムの効率が高いというだけでなく、例えば操作が簡単であったり、設置スペースが小さくて済むといった性能が強く望まれる。

特許文献１の技術は、商用電力を発生させる大型の発電システム（発電所など）を意図
したものであり、斯かる状況に対応できるものとはなっていない。
そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、設置スペースを取ることなく、高い効率で動力や電力を発生させることができる複合動力機器及び複合動力機器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、本発明の複合動力機器は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明の複合動力機器は、発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器と、前記膨張機で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器と、を組み合わせた複合動力機器であって、前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記ランキンサイクル機器からバイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整する制御手段が設けられていることを特徴とする。

好ましくは、前記ランキンサイクル機器は、発生した蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させる膨張機と、前記膨張機で膨張した後の蒸気を返送するポンプとを備えているとよい。
好ましくは、前記バイナリサイクル機器は、前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気を１次側に導いて、２次側に供給された作動媒体を蒸発させる第１熱交換器と、前記第１熱交換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、前記バイナリサイクル機器の膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を冷却し作動媒体を液体に凝縮する第２熱交換器と、前記第２熱交換器から第１熱交換器に向って作動媒体を返送するポンプとを備えているとよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機の出側を流通する蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測する計測手段を有しているとよい。
好ましくは、前記制御手段は、前記バイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整可能な作動媒体流量調整部と、前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記作動媒体流量調整部によりバイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整する制御部と、を備えているとよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部と、前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記回転数調整部により膨張機の回転数を調整する制御部と、を備えているとよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する冷却水流量調整部と、前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水流量調整部によりバイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する制御部と、を備えているとよい。

好ましくは、前記制御手段は、前記ランキンサイクル機器を流通する蒸気の一部を、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水に合流させて、前記冷却水の温度を変更可能なバイパス配管と、前記バイパス配管を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する冷却水温度調整部と、前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水温度調整部によりバイパス配管を流通する蒸気の流量を調整する制御部と、を備えているとよい。

好ましくは、前記ランキンサイクル機器の膨張機で発生した回転駆動力と、前記バイナ
リサイクル機器の膨張機で発生した回転駆動力との双方が伝達された発電機を有しているとよい。
一方、本発明の複合動力機器の運転方法は、上述した複合動力機器を用いて動力を発生させるに際しては、前記ランキンサイクル機器で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記ランキンサイクル機器で膨張した後の蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記バイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整することを特徴とするものである。

本発明の複合動力機器及び複合動力機器の運転方法によれば、設置スペースを取ることなく、高い効率で動力や電力を発生させることができる。

第１実施形態の複合動力機器を示している。 膨張機の出側の蒸気温度が断熱効率に与える影響を、第１実施形態の複合動力機器と、従来のランキンサイクル機器とで比較したグラフである。 第１実施形態の複合動力機器の変形例を示している。 第２実施形態の複合動力機器を示している。 第３実施形態の複合動力機器を示している。 第４実施形態の複合動力機器を示している。

［第１実施形態］
以下、本発明の複合動力機器１及び複合動力機器１の運転方法の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、第１実施形態の複合動力機器１を模式的に示したものである。
図１に示すように、第１実施形態の複合動力機器１は、発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機２（蒸気タービン）を備えたランキンサイクル機器３と、この膨張機２で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギの一部を回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器４と、を組み合わせたものである。

ランキンサイクル機器３は、図１の紙面左側に設けられたものであり、図中の１点鎖線で囲まれた部分である。このランキンサイクル機器３は、過熱蒸気を用いて膨張機２（蒸気タービン）を回転駆動することにより、動力や電力を発生させるものであり、第１実施形態では発生した動力を利用して発電を行う発電システムが示されている。
具体的には、このランキンサイクル機器３は、膨張機２、発電機５、第１熱交換器６、ポンプ７に加えて、図示を省略するボイラなどの蒸発器を備えている。この蒸発器では、水（イオン交換水や純水）を加熱して飽和蒸気を発生させるだけでなく、飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を発生できるようになっている。ボイラで発生した過熱蒸気は膨張機２に送られる。

なお、以降の説明では、ランキンサイクル機器３側の膨張機２、発電機５、ポンプ７の前に「第１」という文言を付与して呼称する。後述するバイナリサイクル機器４側の膨張機８、発電機９、ポンプ１０の前に「第２」という文言を付与して呼称し、両サイクル機器の部材同士の混同を避ける。また、以降の説明で「蒸気」と表現した場合には、過熱蒸気だけでなく、飽和蒸気、湿り蒸気を含む。

第１膨張機２（ランキンサイクル機器側の膨張機、すなわち蒸気タービン）は、蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させるものであり、蒸気の熱エネルギを運動エネルギに変換するものである。第１膨張機２の側方には、第１膨張機２の回転軸を通じて、第１膨張機２の回転駆動力が伝達された第１発電機５（ランキンサイクル機器側の発電機）があり、この第１発電機５では第１膨張機２で発生した回転駆動力を用いてさらに電力を発生させている。第１膨張機２で膨張させられた後の蒸気は、第１熱交換器６に送られる。

第１熱交換器６は、ランキンサイクル機器３で発生した熱エネルギの一部を回収して、バイナリサイクル機器４に移動させるものである。第１熱交換器６の１次側には、第１膨張機２で膨張させられた後の蒸気が供給されており、第１熱交換器６の２次側には、後述
するバイナリサイクル機器４の作動媒体が液体の状態で供給されている。言い換えれば、第１熱交換器６は、ランキンサイクル機器３の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器の役割を兼ねている。この第１熱交換器６で熱交換（冷却）が終了した蒸気は、第１ポンプ７（ランキンサイクル機器側のポンプ）を経由して上述した蒸発器に帰還する。

一方、バイナリサイクル機器４は、図１の紙面右側に設けられたものであり、図中の２点鎖線で囲まれた部分である。このバイナリサイクル機器４は、代替フロンやヘキサンのような低沸点の有機溶剤を作動媒体に用いたものであり、この作動媒体を膨張機（第２膨張機８）で膨張させることで回転駆動力を発生させるものである。なお、第１実施形態では、バイナリサイクル機器４もランキンサイクル機器３と同様に発生した動力を利用して発電を行う発電システムとして示されており、発電機（第２発電機９）を備えている。

具体的には、このバイナリサイクル機器４は、第１熱交換器６、第２膨張機８、第２発電機９、第２熱交換器１１、及び第２ポンプ１０を有している。
第１熱交換器６は、上述したようにランキンサイクル機器３の蒸気を冷却すると共にこの蒸気から熱エネルギを回収するものであり、回収された熱エネルギを用いて低沸点の作動媒体を蒸発させる構成となっている。つまり、第１熱交換器６は、作動媒体の蒸気を発生させるバイナリサイクル機器４の蒸発器の役割を兼ねている。第１熱交換器６で発生した作動媒体の蒸気は、第２膨張機８（バイナリサイクル機器側の膨張機）に送られる。

第２膨張機８は、作動媒体の蒸気を膨張させて、ランキンサイクル機器３側から回収された熱エネルギの一部を運動エネルギに変換して回転駆動力を発生させるものである。第２膨張機８の側方には、この第２膨張機８で生成された回転駆動力が伝達される第２発電機９（バイナリサイクル機器側の発電機）があり、この第２発電機９でも第１発電機５と同様に電力を発生させている。第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体は、第２熱交換器１１に送られる。

第２熱交換器１１は、第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体の蒸気を冷却・凝縮させて、気体の作動媒体を液体に凝縮させるものである。第２熱交換器１１の１次側には第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体の蒸気が供給されており、また第２熱交換器１１の２次側には冷却水が供給されていて、両者の間で熱交換が行われている。言い換えれば、この第２熱交換器１１は、作動媒体を液体に凝縮する凝縮器となっており、第２熱交換器１１で生成した作動媒体の液体は第２ポンプ１０（バイナリサイクル機器側のポンプ）を経由して上述した第１熱交換器６に帰還し、第１熱交換器６で再び作動媒体を蒸発させて気体に戻す構成となっている。

上述したようなランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４とを組み合わせた複合動力機器１では、まずランキンサイクル機器３において過熱蒸気の有する熱エネルギの一部が回収されて動力（電力）が発生する。そして、次に、バイナリサイクル機器４において、ランキンサイクル機器３で膨張した後の蒸気からさらに熱エネルギを回収する、言い換えればランキンサイクル機器３で回収できなかった残りの熱エネルギの一部を回収し、回収された熱エネルギを利用してバイナリサイクル機器４側でも動力（電力）を発生させる。

つまり、上述した複合動力機器１では、バイナリサイクル機器４で発生した動力（電力）の分だけ、ランキンサイクル機器３単独で動力（電力）を発生させる場合より動力変換効率や発電効率が高くなり、多くの動力や電力を発生させることができる。
ところが、過熱蒸気を用いて蒸気タービンを回転駆動させるランキンサイクル機器３を用いる場合、過熱蒸気を１００℃以下の温度、又は大気圧以下の圧力になるまで膨張機２内で膨張させて駆動力を発生させると、以下の不都合が生じる虞がある。

すなわち、第１膨張機２の出側にて、１００℃以下の温度や大気圧以下の圧力まで膨張させられた蒸気は、その体積が大きく減少しており、著しく減容している。それゆえ、ランキンサイクル機器のみで構成された従来の動力装置では、膨張機の出側からポンプまでの経路に設けられる復水器内での蒸気圧力が極めて低くなる。その結果、復水器の内部の圧力が真空に近くなって、復水器に気密構造を採用する必要が生じたり、密度の低い蒸気との伝熱が可能になるように復水器の伝熱面積を大きくしたりする必要が生じ、復水器の
構造が大型化しやすくなる。

そこで、本発明の複合動力機器１では、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する制御手段１２を設けている。
なお、この制御手段１２は、バイナリサイクル機器４内を流通する作動媒体の流量や温度を変化させたり、バイナリサイクル機器４に供給される冷却水の流量や温度を変化させることで、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４へ回収される熱エネルギの量を調整する。

第１実施形態の複合動力機器１に設けられる制御手段１２は、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものである。
具体的には、この制御手段１２は、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２の出側を流通する蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測する計測手段１３と、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整可能な作動媒体流量調整部１４と、計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように作動媒体流量調整部１４に指令を送って、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプ（第２ポンプ１０）を流通する作動媒体の流量を調整する制御部１５と、を備えている。

次に、第１実施形態の制御手段１２を構成する計測手段１３、作動媒体流量調整部１４及び制御部１５について、詳しく説明する。
計測手段１３は、蒸気の温度を計測する温度センサ、蒸気の圧力を計測する圧力センサ、またはこれらの温度センサと圧力センサとを組み合わせたものであり、第１膨張機２の出側配管に設けられて膨張後の蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測している。この計測手段１３で計測された温度及び／又は圧力の計測データは、後述する制御部１５に送られる。

作動媒体流量調整部１４は、第２ポンプを流通する作動媒体の流量を調整するものであり、図示するような２つの流量調整弁１４１、１４２のいずれか、あるいは両方を用いることができる。
すなわち、第１流量調整弁１４１は、制御部１５からの信号によって弁開度を調整可能なサーボ式などの流量調整弁であり、バイナリサイクル機器４の第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かう配管に設けられて、第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量、言い換えればバイナリサイクル機器４内を循環する作動媒体の循環流量を調整している。

また、第２流量調整弁１４２は、バイナリサイクル機器４の第２ポンプ１０の上流側に位置する配管と、下流側に位置する配管との間に、第２ポンプ１０を経由することなく作動媒体を上流側に直接帰還させることができるバイパス配管１６を設けておき、このバイパス配管１６に設けられて、第１流量調整弁１４１と同様に制御部１５からの信号によって弁開度を調整可能な流量調整弁である。このような第２流量調整弁１４２を用いても、第２流量調整弁１４２によりバイパス配管１６を通じて第２ポンプ１０の下流側から上流側に帰還する作動媒体の流量（帰還流量）が調整でき、結果として第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を調整することができる。

上述した作動媒体流量調整部１４としては、これら２つの流量調整弁１４１、１４２のうち、いずれか一方だけを用いても良いし、２つともを用いても良い。
制御部１５は、上述した計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように作動媒体流量調整部１４（第１流量調整弁及び／又は第２流量調整弁）に指令を送って、バイナリサイクル機器４に備えられた第２ポンプ１０を流通する作動媒体の流量を調整するものである。この制御部
１５としては、例えばパソコンやＰＬＣなどを用いることができる。

次に、制御部１５で行われる信号処理、より具体的には第１実施形態の複合動力機器１で行われる運転方法について説明する。
第１実施形態の複合動力機器１で行われる運転方法は、まず、計測手段１３を用いて、膨張機２の出側を流通する蒸気の温度及び／又は圧力を計測する。計測された温度及び／又は圧力の計測データは、制御部１５に送られる。

制御部１５では、計測手段１３で計測された温度が１００℃未満となったり、計測された圧力が大気圧を下回ったりしたときは、作動媒体流量調整部１４に指令を送って第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を変化させ、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する。
なお、計測手段１３で計測される圧力が「大気圧」であるとは、絶対圧が０．１ＭＰａのことである。

具体的には、計測手段１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回った（０．１ＭＰａ以下となった）ときには、作動媒体流量調整部１４に指令を送って第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を減少させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が減少しなくなり、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となるか、蒸気の圧力が大気圧以上となる。

一方、計測手段１３で計測された温度が１００℃を大きく上回るか、または計測された圧力が大気圧を大きく超えたときには、作動媒体流量調整部１４に指令を送って第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を増加させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４側に回収される熱エネルギの量が増加し、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が略１００℃となると共に、蒸気の圧力が略大気圧となる。その結果、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側で蒸気を著しく減容させることなく、ランキンサイクル機器３及びバイナリサイクル機器４の両方で効率よく動力（電力）を発生させることができ、装置を大型化したり複雑化する必要もない。

次に、図２を用いて、本発明の運転方法に従って運転した場合の複合動力機器１が、従来のランキンサイクル機器３とほぼ同等の働きを行うことを、効率（断熱効率）の観点から説明する。
図２は、ランキンサイクル機器のみを用いた場合と、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４を組み合わせて用いた場合とで、断熱効率を比較して示したものである。条件として、蒸気温度１７０℃、圧力０．７ＭＰａＡの蒸気からの発電を想定している。

ランキンサイクル機器のみを用いた場合、膨張機の出側（排気側）の温度（＝圧力）を低下させるほど、高効率となる。また、図２よりランキンサイクル機器のみの場合は、１００℃のとき断熱効率が０．０８であったものが、６０℃にすることで断熱効率は０．１４まで上昇している。
次に、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４とを組み合せて用いた場合の断熱効率を試算する。この試算は、蒸気温度１７０℃、圧力０．７ＭＰａＡの蒸気から膨張機２出口（＝バイナリ入口）温度までランキンサイクル機器３で発電し、膨張後の蒸気のエネルギを使ってバイナリサイクル機器４で発電した場合の効率であり、図２中に四角形のマークとして示されている。膨張機２出口の温度が１５０℃のとき、断熱効率は０．１程度であったものが、膨張機２出口の温度が１００℃になると断熱効率は０．１３となる。すなわち、ランキンサイクル機器３において膨張後の温度が６０℃、圧力が−０．０８ＭＰａＡのときと同等の断熱効率を、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４との組合せでは蒸気が大気圧以上の扱いやすい条件で実現できることを示している。

なお、図３に示すように、上述した作動媒体流量調整部１４の代わりに、あるいは作動媒体流量調整部１４に加えて、バイナリサイクル機器４に備えられた膨張機（第２膨張機
８）の回転数を制御部１５から調整可能としたり、あるいは膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部（図示略）を第２発電機９または第２膨張機８に設けて、この回転数調整部によりバイナリサイクル機器４の第２膨張機８や第２発電機９に負荷を付与してその回転数を下げた場合にも、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整することができる。

図３の如く、バイナリサイクル機器４の第２発電機９に、制御部１５からの指令により与えられる負荷の大きさが変わる回転数調整部（例えば、インバータ、コンバータ）などを設けておき、この回転数調整部を用いて第２発電機９または第２膨張機８の回転数を減少させたりする。このようにすれば、第２膨張機８や第２発電機９の回転数が変化するのに合わせて作動媒体の流量も変化し、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整することができる。

なお、上述した作動媒体流量調整部１４に用いられる第１流量調整弁１４１や第２流量調整弁１４２は、流量調整弁としての機能だけでなく圧力調整弁としての機能を併せ持っている。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態の複合動力機器１を説明する。

図４に示すように、第２実施形態の複合動力機器１の制御手段１２は、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものである。
具体的には、この制御手段１２は、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を調整する冷却水流量調整部１８と、計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、冷却水流量調整部１８によりバイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を調整する制御部１５と、を備えている。

冷却水流量調整部１８は、第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量のみを調整可能なサーボ式などの流量調整弁であり、制御部１５からの指令によって開閉自在とされている。
制御部１５は、上述した計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように冷却水流量調整部１８に指令を送って、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を調整するものである。

具体的には、計測手段１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回ったときには、冷却水流量調整部１８に指令を送って第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を減少させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が下がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が高くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が増えて、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となると共に、蒸気の圧力が大気圧以上となる。

一方、計測手段１３で計測された温度が１００℃を大きく超えるか、または計測された圧力が大気圧を大きく超えたときには、冷却水流量調整部１８に指令を送って第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を増加させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が上がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が低くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が増加し、バイナリサイクル機器４で効率よく動力（電力）を発生させることができる。

それゆえ、第２実施形態の複合動力機器１でも、過熱蒸気の温度を１００℃未満や大気圧以下に下げなくても、良好な効率を維持したまま動力を発生できることがわかる。
なお、上述した例は、第２熱交換器１１における冷却水の流量を増減させることによりバイナリサイクル機器４から持ち去られる熱量を変化させ、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものであった。しかし、第２実施形態の複合動力機器１の制御手段１２は、第２膨張機８の入側に流量調整弁１７などを設けておいて、この流量調整弁１７を開閉してバイナリサイクル機器４に持ち込まれる熱量を変化させるものであってもよい。この流量調整弁１７は、流量調整弁としての機能だけでなく圧力調整弁としての機能を併せ持っている。

なお、第２実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態の複合動力機器１を説明する。
図５に示すように、第３実施形態の複合動力機器１の制御手段１２は、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものである。

具体的には、この制御手段１２は、ランキンサイクル機器３を流通する蒸気の一部を、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に供給される冷却水に合流させて、冷却水の温度を変更可能なバイパス配管１９と、バイパス配管１９を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する冷却水温度調整部２０と、計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、冷却水温度調整部２０によりバイパス配管１９を流通する蒸気の流量を調整する制御部１５とを備えている。

バイパス配管１９は、ランキンサイクル機器３の第１ポンプ１０の下流側と、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に対して冷却水を供給する配管との間を結んでおり、ランキンサイクル機器３の第１熱交換器６で熱交換された後の蒸気の一部を所定の量だけ、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に対して供給される冷却水に合流させて、この冷却水の温度を調整可能とされている。

また、第３実施形態の冷却水温度調整部２０は、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量を調整可能な流量調整弁である。この冷却水温度調整部２０としては、上述したバイパス配管１９に設けられた第１流量調整弁２０１、バイパス配管１９の分岐位置より下流側に位置する蒸気配管に設けられた第２流量調整弁２０２、あるいは第１流量調整弁２０１及び第２流量調整弁２０２の双方を用いることができる。これらの第１流量調整弁２０１及び第２流量調整弁２０２は、いずれも第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度を調整可能なサーボ式などの流量調整弁であり、制御部１５からの指令によって開閉自在とされている。

制御部１５は、上述した計測手段１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように冷却水温度調整部２０に指令を送って、バイパス配管１９を通じて返送される冷却水の流量を変更することにより、第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度を調整している。

具体的には、計測手段１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回ったときには、冷却水温度調整部２０に指令を送ってバイパス配管１９を流通する冷却水の流量を増加させる。このようにすれば、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量が増加し、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が下がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が高くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が増えて、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となると共に、蒸気の圧力が大気圧以上となる。

一方、計測手段１３で計測された温度が１００℃を大きく超えるか、または計測された
圧力が大気圧を大きく超えたときには、冷却水温度調整部２０に指令を送ってバイパス配管１９を流通する冷却水の流量を減少させる。このようにすれば、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量が減少し、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が大きくなって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が低くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が増加し、バイナリサイクル機器４で効率よく動力（電力）を発生させることができる。

それゆえ、第３実施形態の複合動力機器１でも、過熱蒸気の温度を１００℃未満や大気圧以下に下げなくても、良好な効率を維持したまま動力（電力）を発生できることがわかる。
なお、第３実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態の複合動力機器１を説明する。

図６に示すように、第４実施形態の複合動力機器１は、ランキンサイクル機器３の膨張機２で発生した回転駆動力と、バイナリサイクル機器４の膨張機８で発生した回転駆動力との双方が伝達された発電機２１を有している。言い換えれば、第４実施形態の複合動力機器１に設けられる発電機２１は、１基だけであり、ランキンサイクル機器３の第１発電機５の機能と、バイナリサイクル機器４の第２発電機９の機能とを兼用する構成となっている。

より具体的には、第４実施形態の発電機２１は、第１膨張機２の回転軸と第２膨張機８の回転軸との間に挟み込まれていて、両回転軸のいずれに対しても同軸となる位置にタービンを備えている。そして、この発電機２１には、第１膨張機２で発生した回転駆動力と第２膨張機８で発生した回転駆動力との双方が伝達され、これらを足し合わせた（総和の）駆動力に対応した動力（電力）を発生させている。

このような構成であれば、発電機、この発電機から電力を送り出す配線、またはこの発電機制御する機器などが１系統だけで済み、複合動力機器１の装置構成をさらに簡単なものとすることが可能となる。
第４実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。

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。

１ 複合動力機器
２ 膨張機（第１膨張機）
３ ランキンサイクル機器
４ バイナリサイクル機器
５ 第１発電機
６ 第１熱交換器
７ 第１ポンプ
８ 第２膨張機
９ 第２発電機
１０ 第２ポンプ
１１ 第２熱交換器
１２ 制御手段
１３ 計測手段
１４ 作動媒体流量調整部
１４１ 第１流量調整弁
１４２ 第２流量調整弁
１５ 制御部
１６ バイパス配管
１７ 流量調整弁
１８ 冷却水流量調整部
１９ バイパス配管
２０ 冷却水温度調整部
２０１ 第１流量調整弁
２０２ 第２流量調整弁
２１ 発電機

Claims (10)

1. 発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器と、前記膨張機で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器と、を組み合わせた複合動力機器であって、
   前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記ランキンサイクル機器からバイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整する制御手段が設けられていることを特徴とする複合動力機器。
2. 前記ランキンサイクル機器は、
   発生した蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させる膨張機と、
   前記膨張機で膨張した後の蒸気を返送するポンプとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合動力機器。
3. 前記バイナリサイクル機器は、
   前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気を１次側に導いて、２次側に供給された作動媒体を蒸発させる第１熱交換器と、
   前記第１熱交換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、
   前記バイナリサイクル機器の膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を冷却し作動媒体を液体に凝縮する第２熱交換器と、
   前記第２熱交換器から第１熱交換器に向って作動媒体を返送するポンプとを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合動力機器。
4. 前記制御手段は、
   前記ランキンサイクル機器に備えられた膨張機の出側を流通する蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測する計測手段を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合動力機器。
5. 前記制御手段は、
   前記バイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整可能な作動媒体流量調整部と、
   前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記作動媒体流量調整部によりバイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整する制御部と、
   を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
6. 前記制御手段は、
   前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部と、
   前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記回転数調整部により膨張機の回転数を調整する制御部と、
   を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
7. 前記制御手段は、
   前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する冷却水流量調整部と、
   前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水流量調整部によりバイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する制御部と、
   を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
8. 前記制御手段は、
   前記ランキンサイクル機器を流通する蒸気の一部を、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水に合流させて、前記冷却水の温度を変更可能なバイパス配管と、
   前記バイパス配管を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する冷却水温度調整部と、
   前記計測手段で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器に備えられた膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水温度調整部によりバイパス配管を流通する蒸気の流量を調整する制御部と、
   を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
9. 前記ランキンサイクル機器の膨張機で発生した回転駆動力と、前記バイナリサイクル機器の膨張機で発生した回転駆動力との双方が伝達された発電機を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の複合動力機器。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の複合動力機器を用いて動力を発生させるに際しては、
    前記ランキンサイクル機器で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記ランキンサイクル機器で膨張した後の蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記バイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整することを特徴とする複合動力機器の運転方法。

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