JP2014194210A - バイナリー発電装置の運転方法及びバイナリー発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器に供給される蒸気の圧力や温度の変動に応じて作動媒体の循環量を迅速に且つ精度良く調整する。
【解決手段】本発明の運転方法では、蒸気を熱源として作動媒体を蒸発させる蒸発器２と、気体の作動媒体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機３と、気体の作動媒体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とを備えたバイナリー発電装置１において、循環ポンプ５の作動媒体の循環量を制御するに際しては、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２とを算出し、算出された飽和温度の温度差ΔＴが閾値以上となるように、循環ポンプ５による作動媒体の循環量と圧力を制御する。
【選択図】図１

Description

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

従来、工場など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。
上述したバイナリー発電装置で発電を行う際には、次に示す特許文献１〜特許文献３に開示される方法で作動媒体の循環量を調整しつつ発電を行うのが一般的である。

例えば、特許文献１には、自動車などの車両に搭載された熱機関からの廃熱を利用して発電を行う廃熱利用装置が開示されている。この廃熱利用装置は、ランキンサイクルの加熱器で回収された回収熱量、凝縮器から放熱された放熱量、膨張機の出入口でのエンタルピ差などに基づいて、熱機関からの廃熱を最も効率的に回収できる作動流体の流量を決定している。

また、特許文献２にも、特許文献１同様に内燃機関の廃熱を利用して発電を行う廃熱利用装置が開示されている。特許文献２の廃熱利用装置は、エンジン内の廃熱を用いて作動流体を気化させる蒸発器の他に、作動流体を加熱させる排ガス熱交換器を設けており、２つの熱交換器を用いて作動流体を加熱状態として発電に用いている。この特許文献２の廃熱利用装置では、内燃機関の廃熱が大きくなった場合は作動流体の流量を大きくし、廃熱が小さくなった場合は作動流体の流量を小さくして、例えば作動流体が過熱されて潤滑油などが分解されることを防止している。

さらに、特許文献３には、エンジンなどの熱源から排出される熱を用いて熱伝達媒体を膨張・凝縮させることにより発電を行うランキンサイクルの熱発電装置が開示されている。この特許文献３の熱発電装置は、熱源であるエンジンの温度、エンジンを冷却する冷却水の水温、冷却水の流量などに基づいて、ランキンサイクルに供給される熱量とランキンサイクルから放熱される熱量とを計算し、計算された供給熱量と放熱熱量との収支に基づいて作動流体の流量を調整することにより、熱源であるエンジンの燃費を向上させる構成となっている。

特許第４５４３９２０公報 特表２００９−１０１９７７号公報 特許第４７１５４５８号公報

ところで、一般に発電などに用いられる蒸気には０．２〜０．８ＭＰａＧ程度の高圧の蒸気が用いられる。工場などから排出される排蒸気の中には、０．２ＭＰａＧ以下の低圧の蒸気もあるが、こういった低圧の蒸気は再利用されることなく破棄されることが多い。しかし、蒸気は作動媒体の中でも潜熱が大きく、低圧の蒸気にも発電に利用可能な潜熱が十分に残されている。つまり、低圧の蒸気であっても、再利用して発電に用いることは十分に可能である。

ただ、低圧の蒸気は、十分な潜熱を有しているとはいえ、飽和状態の蒸気に対して圧力や温度を若干高くした程度のものに過ぎない。この飽和状態から若干高い程度の圧力や温度では、圧力や温度が少しでも変動すれば蒸気の熱エネルギも大きく変動する。それゆえ、上述した低温の蒸気を用いた場合には圧力や温度が少しでも低下すると、作動媒体側に十分な熱エネルギが熱交換されなくなって、蒸発器の出側で作動媒体が２相流状態となり、発電量が不安定になる。そのため、低圧の蒸気を用いて発電を安定して行う為には、蒸気の圧力や温度の変動に合わせて、作動媒体の循環量を迅速且つ精確に調整することが必要不可欠となる。

ところが、特許文献１〜３の発電装置は、いずれも熱源として低圧の蒸気を用いたものではないので、蒸気の圧力や温度の変動に付随して作動媒体の循環量を精確に調整できるものでもないし、迅速に調整できるものともなっていない。
また、特許文献１〜３の発電装置は、例えば熱源の温度や冷却水の水温といった温度を実際に計測して制御を行う構成となっている。しかし、制御に用いる物理量の中でも温度は最も応答性が悪い物理量であり、蒸気の圧力などに比べれば温度の応答は相当悪い。それゆえ、応答性の悪い温度などの物理量を制御に用いると、例えば蒸気の圧力が変動しても作動媒体の循環量を迅速に調整することができなくなり、ハンチングなどによって制御が不可能になったり十分な発電量を確保できなくなったりする可能性もある。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、蒸発器に供給される蒸気の圧力や温度の変動に応じて作動媒体の循環量を迅速に且つ精度良く調整することで、低圧の蒸気を再利用しても安定した発電を行うことができるバイナリー発電装置の運転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装置の運転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装置の運転方法は、蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置において、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を制御するに際しては、前記蒸発器に供給される蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と、前記蒸発器から排出される作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２とを算出し、算出された蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１から作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を差し引いた温度差ΔＴが、予め定められた閾値以上となるように、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量と圧力を制御することを特徴とする。

なお、好ましくは、前記蒸発器の入側において蒸気の圧力を計測する入側蒸気圧力計を設けると共に、蒸発器の出側において作動媒体の圧力を計測する出側媒体圧力計を設けておき、前記入側蒸気圧力計で計測された蒸気の圧力に基づいて、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１を算出すると共に、前記出側媒体圧力計で計測された作動媒体の圧力に基づいて、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を算出するとよい。

なお、好ましくは、前記蒸発器の入側に、この蒸発器に供給される蒸気の圧力を減圧可能な減圧弁と、この減圧弁に供給される蒸気の圧力を計測する減圧弁入側圧力計と、を設けておき、前記減圧弁入側圧力計で計測された蒸気の圧力が、予め定められた圧力以下となるように、前記減圧弁を開閉するとよい。
なお、好ましくは、前記温度差ΔＴが前記閾値以上の場合には、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を大きくし、前記温度差ΔＴが閾値未満の場合には、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を小さくするとよい。

一方、本発明のバイナリー発電装置は、蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置であって、上述した運転方法に従って、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量と圧力を制御する制御部を有することを特徴とする。

また、本発明のバイナリー発電装置の運転方法は、前記蒸発器において作動媒体を蒸発させる元蒸気を供給する蒸気供給源と、前記蒸気供給源で発生した元蒸気を外部に排出する蒸気排出主配管とがバイナリー発電装置とは別に設けられており、前記蒸気排出主配管を流れる元蒸気の一部を分岐して前記蒸発器に導入する蒸気分岐配管を設け、前記蒸気供給源で発生する元蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測し、計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓに基づいて、前記蒸気分岐配管を流れる元蒸気の流量を調整することを特徴とする。

なお、好ましくは、前記蒸気分岐配管の分岐点より下流側の蒸気排出主配管に、この蒸気排出主配管を流れる元蒸気の圧力を調整する圧力調整弁を設けておき、前記元蒸気の圧力Ｐ_Ｓが予め定められた圧力Ｐ_Ｓ１より小さい場合には前記圧力調整弁を締め、前記元蒸気の圧力Ｐ_Ｓが予め定められた圧力Ｐ_Ｓ２（＞Ｐ_Ｓ１）より大きい場合には前記圧力調整弁を開放するとよい。

さらに、本発明のバイナリー発電装置は、蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置であって、前記蒸発器で作動媒体を蒸発させる元蒸気を発生させる蒸気供給源と、前記蒸気供給源で発生した元蒸気をこの蒸気供給源の外部に排出する蒸気排出主配管と、前記蒸気排出主配管を流れる元蒸気の一部を分岐して前記蒸発器に導入する蒸気分岐配管と、前記蒸気供給源で発生する元蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測する圧力計と、前記圧力計で計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓに基づいて、前記蒸気分岐配管を流れる元蒸気の流量を調整する圧力調整弁と備えていて、上述した運転方法に従って、前記蒸気分岐配管内を流通する作動媒体の循環量を制御する制御部を有するとよい。

本発明のバイナリー発電装置の運転方法及びバイナリー発電装置によれば、蒸発器に供給される蒸気の圧力や温度の急激な変動に応じて作動媒体の循環量を迅速に且つ精度良く調整することができ、低圧の蒸気を再利用しても安定した発電を行うことができる。

第１実施形態のバイナリー発電装置を示している。 第２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」
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、蒸気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で蒸発した気体の作動媒体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で膨張した気体の作動媒体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の順番に循環して蒸発器に帰還する方向）に沿って流通できるようになっている。

上述した蒸発器２には、この蒸発器２内に蒸気を供給する蒸気配管７が設けられており、この蒸気配管７を介して外部のボイラや温泉などで発生した蒸気を蒸発器２の内部（蒸発器２の一次側）に供給すると共に、供給した蒸気を蒸発器２の外部に排出できるようになっている。また、蒸発器２の入側の蒸気配管７には、蒸発器２に供給される蒸気圧力を減圧可能な後述する減圧弁８と、蒸発器２に溜まったドレイン（凝縮水）を取り除くスチームトラップ９（強制ドレイン排出手段）が設けられている。なお、蒸発器２の二次側には、作動媒体が供給され、一次側の蒸気との間で熱交換がなされる。

一方、凝縮器４には、この凝縮器４の一次側に冷却塔１０（チラ−）で冷却された冷却水を供給する冷却水配管１１と、冷却水配管１１に沿って冷却水を流通させる冷却水ポンプ１２とが設けられている。凝縮器４の二次側の入側には、蒸発器２の二次側の出側から延びて膨張機３を経由した循環配管６が連結されており、凝縮器４の二次側の出側から延びる循環配管６は、循環ポンプ５を経由して蒸発器２の二次側の入側へとつながっている。

上述したバイナリー発電装置１には、膨張機３に連結された発電機１３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１３で発電を行うことができるようになっている。また、膨張機３には、膨張機３に用いられるタービンなどに潤滑油を供給する潤滑手段１４が設けられている。この潤滑手段１４は、蒸発器２の二次側の出側から膨張機３に向かう循環配管６上に設けられて作動媒体から潤滑油を分離する油分離器１５と、油分離器１５で分離された潤滑油を膨張機３に供給する潤滑油供給配管１６とを備えている。さらに、循環ポンプ５から蒸発器２に向かう循環配管６上には、蒸発器２の負荷を下げるために液体の作動媒体を予熱する予熱器１７が設けられている。この予熱器１７には、温水が供給されていて、温水との間に熱交換を行うことで液体の作動媒体を予熱できる構成となっている。

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、熱源である蒸気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、蒸発器２に供給される蒸気には、圧力が０．２ＭＰａＧ以下の蒸気が含まれる。この蒸気は、通常発電に用いられる０．２ＭＰａＧ〜０．８ＭＰａＧの蒸気に比べて低圧とされており、０．２ＭＰａＧ以下の低圧の蒸気を用いても発電を行えることが、本発明のバイナリー発電装置１の特徴の１つとなっている。

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次側に蒸気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、液体の作動媒体を気体の作動媒体に気化させる。そして、蒸発器２から送られてきた気体の作動媒体から油分離器１５で潤滑油を分離し、油分離器１５で分離された潤滑油を潤滑油供給配管１６を介して膨張機３に送り、潤滑油が供給された状態で膨張機３を駆動させる。

膨張機３を駆動させて回転駆動力が発生すると、発生した回転駆動力は駆動軸１８を経由して発電機１３に送られ、発電機１３で発電が行われる。一方、膨張機３の駆動に用いられた気体の作動媒体は凝縮器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、作動媒体は気体から液体に戻る（凝縮される）。凝縮器４で凝縮された液体の作動媒体は循環ポンプ５で圧送され、予熱器１７を経由して蒸発器２に帰還する。予熱器１７では、外部から供給された温水の作用で液体の作動媒体が再び蒸発器２で加熱されて気化される。このようにしてバイナリー発電装置１では、作動媒体を循環させつつ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、本発明のバイナリー発電装置１の場合、通常あれば発電に用いられない低圧の蒸気、言い換えれば再利用されずに破棄される蒸気が利用される。この低圧の蒸気は、一般に発電に供される０．２〜０．８ＭＰａＧよりも低い圧力の蒸気であり、概ね０．２ＭＰａＧ以下の圧力とされている。なお、以降の明細書では、この低圧の蒸気を「低圧蒸気」と呼び、０．２〜０．８ＭＰａＧの蒸気（高圧蒸気）と区別して表現する。

しかし、ランキンサイクルに用いられる作動媒体の中でも、蒸気は潜熱が非常に大きく、「低圧」であっても蒸気であれば多くの熱エネルギを内包している。ただ、低圧蒸気は、蒸発器に供給される際の圧力が少しでも変動すると、有する熱エネルギ（潜熱）が急激に変動し、作動媒体が２相流になったり、作動媒体の循環量、過熱度、発電量が急激に変動したりして、発電を安定させるのが困難になる。

そこで、本発明のバイナリー発電装置１の運転方法では、蒸発器２に供給される蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と、蒸発器２から排出される作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２とを算出し、算出された蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１から作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を差し引いた温度差ΔＴが、予め定められた閾値Ａ以上となるように、循環ポンプ５による作動媒体の循環量を制御している。

具体的には、上述したバイナリー発電装置１では、蒸発器２の入側の蒸気配管７に、蒸発器２の入側の蒸気圧力（入側蒸気圧力Ｐ_１）を計測する入側蒸気圧力計１９が配備されており、また蒸発器２の出側の循環配管６には、蒸発器２の出側の作動媒体圧力（出側媒体圧力Ｐ_２）を計測する出側媒体圧力計２０が配備されている。
上述した入側蒸気圧力計１９で計測された圧力は入側蒸気圧力Ｐ_１として制御部２２に送られ、出側媒体圧力計２０で計測された圧力は出側媒体圧力Ｐ_２として制御部２２に送られる。

制御部２２は、パソコンやシーケンサであり、内部に記憶されたプログラムに従って、蒸発器２に供給される蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と、蒸発器２から排出される作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２とを算出し、算出された蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１から作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を差し引いた温度差ΔＴを計算する。そして、温度差ΔＴの計算結果に基づいて、インバータ２３を介して循環ポンプ５へ制御信号を送っている。その結果、循環ポンプ５では、循環ポンプ５の回転数、電圧、あるいは電流が制御部２２により制御可能となっている
なお、上述したように、蒸発器２の入側の蒸気配管７には、この蒸発器２に供給される蒸気圧力を減圧可能な減圧弁８が設けられている。この減圧弁８は、入側蒸気圧力計１９の更に上流側に配備されており、蒸気配管７や蒸発器２の破損を防止するために、蒸発器２に供給される低圧蒸気の圧力が所定圧力以上となった際に圧力を減圧（調整）可能とされている。具体的には、減圧弁８の上流側の蒸気配管７には、減圧弁８に送られる低圧蒸気の圧力Ｐ_０を計測する減圧弁入側圧力計２１が設けられていて、減圧弁８は減圧弁入側圧力計２１で計測された低圧蒸気の圧力Ｐ_０が所定の圧力を超えた場合に作動する構成とされている。

なお、図例のバイナリー発電装置１では、減圧弁８により蒸気配管７内の圧力が0.000〜0.169ＭＰａＧの範囲の圧力に調整されている。
次に、制御部２２内で行われる制御、言い換えれば本発明のバイナリー発電装置１の運転方法について説明する。
制御部２２内では、入側蒸気圧力計１９から送られてきた入側蒸気圧力Ｐ_１を、以下の式（１）に従って計算することにより、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１が求められている。また、制御部２２では、出側媒体圧力計２０から送られてきた出側媒体圧力Ｐ_２を、以下の式（２）に従って計算することにより、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２が求められている。

なお、式（１）に用いられるｆ_１及び式（２）に用いられるｆ_２は、圧力と飽和温度との関係を示したものであり、蒸気（水）と作動媒体とのそれぞれに対して規定されている。具体的には、これらの関数ｆ_１及びｆ_２は、「モリエル線図（ｐ−ｈ線図）」などを予め求めておき、求められたモリエル線図の飽和蒸気曲線上で圧力Ｐ_１、Ｐ_２に対応する飽和温度を求めている。
こうして制御部２２では、蒸気と作動媒体とのそれぞれの圧力Ｐ_１、Ｐ_２を求めることで、蒸気と作動媒体との飽和温度Ｔ_１、Ｔ_２を一義的に決定できる構成となっている。

制御部２２では、上述のようにして得られた入側蒸気の飽和温度Ｔ_１から出側媒体の飽和温度Ｔ_２を差し引くことで温度差ΔＴを求めている。そして、求められた温度差ΔＴを算出し、温度差ΔＴを予め入力してある閾値Ａと比較することで、循環ポンプ５の回転数を増加させたり、減少させたりするようになっている。
つまり、制御部２２では、温度差ΔＴが閾値Ａ以上の場合は、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１が作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２より十分に高い、言い換えれば蒸気から作動媒体への熱エネルギの供給が可能であると判断する。それゆえ、制御部２２では、作動媒体の循環量と圧力を大きくする為に、インバータ２３を介して循環ポンプ５に指令を送って循環ポンプ５の回転数を高くする。このようにすれば、循環ポンプ５の回転数が高くなった分だけ作動媒体の循環量と圧力が大きくなり、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２との温度差ΔＴが閾値Ａに近づくことになる。

一方、温度差ΔＴが閾値Ａ未満の場合には、蒸気から作動媒体への熱エネルギの供給が難しくなる。
それゆえ、制御部２２では、作動媒体の循環量と圧力をさらに小さくするために、循環ポンプ５に指令を送って循環ポンプ５の回転数を低くする。
このようにすれば、循環ポンプ５の回転数が低くなった分だけ作動媒体の循環量と圧力が小さくなり、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２との温度差ΔＴが閾値Ａに近づくことになる。

また、上述したように、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１を求めるに際しては入側蒸気圧力計１９で計測された蒸気の圧力（入側蒸気圧力Ｐ_１）を用い、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を求めるに際しては出側媒体圧力計２０で計測された作動媒体の圧力（出側媒体圧力Ｐ_２）を用いているため、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２に代えて、入側蒸気圧力Ｐ_１、出側媒体圧力Ｐ_２を制御の指標に利用することができる。

すなわち、入側蒸気圧力Ｐ_１と出側媒体圧力Ｐ_２との差を求め、この差が所定の閾値Ａ’より大きい場合は、循環ポンプ５の回転数を高くし、この差が所定の閾値Ａ’より小さい場合は、循環ポンプ５の回転数を低くする制御を行ってもよい。このようにすると、応答性に優れた物理量である圧力に基づいて作動媒体の循環量と圧力を制御できるので、循環量の制御の応答性が大きく向上する。

以上述べたように、本実施形態のバイナリー発電装置１の運転方法を用いて作動媒体の循環量と圧力を制御することで、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２との温度差ΔＴを閾値Ａ以上の値に維持することができる。つまり、蒸発器２の１次側では、作動媒体の飽和温度Ｔ_２より十分に高い飽和温度とされた蒸気（入側の飽和温度Ｔ_１の蒸気）が熱源から供給されるので、作動媒体を余さず気化させることができる。その結果、一部の作動媒体の気化ができなくなって作動媒体が蒸発器２の出側で２相流となるといった不具合や発電が不安定になるといった不具合を解消することも可能となる。
「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について説明する。

第２実施形態のバイナリー発電装置１は、第１実施形態のバイナリー発電装置１が備えている構成及び機能（作動媒体の循環量と圧力を制御することで、熱源となる蒸気の熱エネルギーが低い場合であっても発電が不安定になるといった不具合を解消する）を同様に備えるものとなっている。
係る構成、機能に加えて、第２実施形態のバイナリー発電装置１は、熱源となる蒸気の熱エネルギーが極端に高い場合であっても、バイナリー発電装置１自体に悪影響を及ぼさず且つ効率よく発電を行うために機能を有するものとなっている。

例えば、バイナリー発電装置で消費できる熱量（処理可能な熱量）に対して、それ以上の熱量を蒸気供給源２３が排出しなければならない場合、図１に示す第１実施形態のようなバイナリ発電装置１では吸収できる熱量の上限が決まっているので、蒸気供給源２３から排出される蒸気（元蒸気）を配管７に流すことができない。
一方、第２実施形態のバイナリー発電装置１が用いられるような環境においては、蒸気供給源２３からの蒸気はタービンなど供給先の設備を回すために使われ使用後に外部に排出される。ところが、供給先の設備の受け入れる熱量に制限があるような場合、その制限以上の熱量の蒸気を蒸気供給源２３が排出すると、供給先の設備の運転に影響が生じる。

そのような、供給先の設備への影響を抑えるために、第２実施形態のバイナリー発電装置１では、供給先の設備が受け入れ可能とする熱量の上限を超えるような熱量が供給される時に、分岐管（主配管２４）を介して、その超える分（供給先の設備の熱量の上限を超える分）だけを、第２実施形態のバイナリー発電装置１へ排出し、供給先の設備に悪影響が及ばないようにしている。

具体的には、第２実施形態のバイナリー発電装置１が設置される環境、言い換えればバイナリー発電装置１の蒸発器２の上流側には、製造設備に備えられたボイラーなどの蒸気供給源２３が配備されている。この蒸気供給源２３で発生した元蒸気は当該蒸気供給源２３に接続された蒸気排出主配管２４を介して上述した設備（供給先の設備）供給され使用後に外部に排出されるものとなっている。

上述した環境に対して設置される第２実施形態のバイナリー発電装置１は、蒸気排出主配管２４を流れる元蒸気の一部を分岐して蒸発器２に導入する蒸気分岐配管２５と、蒸気供給源２３で発生する元蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測する圧力計２６と、圧力計２６で計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓに基づいて、蒸気分岐配管２５を流れる元蒸気の流量を調整する圧力調整弁２７とを有するものとなっている。そして、この圧力調整弁２７は制御部２８からの指令に基づいてに弁開度を調整できるようになっており、制御部２８は圧力計２６で計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓが所望の圧力となるように圧力調整弁２７に制御信号を出力する構成とされている。

以下、各構成について詳細に述べる。
蒸気供給源２３は、バイナリー発電装置１で十分に発電が可能な熱量を備えた蒸気（元蒸気）を発生させるものであり、例えば発電や製造に利用済みの蒸気、言い換えれば１次蒸気の排蒸気（２次蒸気）を供給するものである。このような蒸気供給源２３としては発電設備や製造設備などのボイラーを例として挙げることができ、その場合は設備などでタービンなどを回した後の排蒸気などが「元蒸気」として用いられる。

蒸気排出主配管２４は、蒸気供給源２３で発生した元蒸気を蒸気供給源２３の外部に排出する配管である。蒸気排出主配管２４の入口は蒸気供給源２３に接続されており、蒸気排出主配管２４の出口には余分な元蒸気を排出する排出口が設けられている。この入口から排出口までの間の蒸気排出主配管２４には、入口から排出口に向かって順番に、圧力計２６、蒸気分岐配管２５、圧力調整弁２７が設けられている。

圧力計２６は、蒸気排出主配管２４を流通する元蒸気の圧力を計測するものであり、第１実施形態の入側蒸気圧力計１９や出側蒸気圧力計２０と同じものが用いられている。蒸気排出主配管２４における圧力計２６の取り付け位置は、後述する蒸気分岐配管２５の接続位置よりも上流側とされており、蒸気分岐配管２５に分岐される前の蒸気排出主配管２４の蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測可能とされている。圧力計２６で計測された圧力の計測値Ｐ_Ｓは、制御部２８に信号として入力されている。

蒸気分岐配管２５は、蒸気排出主配管２４を流通する元蒸気の一部をバイナリー発電装置１の蒸発器２に導入するものである。蒸気分岐配管２５の入口は、圧力計２６より下流側（排出口側）であって、後述する圧力調整弁２７より上流側の位置で蒸気排出主配管２４に接続されており、蒸気排出主配管２４を流通する元蒸気の一部を分岐して導入できるようになっている。

また、蒸気分岐配管２５の出口は蒸発器２の入側（一次側の入口）に接続されており、蒸気分岐配管２５に引き込んだ元蒸気を蒸発器２に供給できるようになっている。さらに、蒸気分岐配管２５の中途側には、蒸気分岐配管２５を流通する蒸気の流通を遮断可能な遮断弁２９が設けられている。
蒸気排出主配管２４に設けられた圧力調整弁２７は、蒸気排出主配管２４を流通する元蒸気の圧力を調整することで、蒸気分岐配管２５を流通する蒸気の流量を調整するものである。蒸気排出主配管２４における圧力調整弁２７の取り付け位置は蒸気分岐配管２５の接続位置よりも排出口側（下流側）とされている。つまり、圧力調整弁２７は、蒸気分岐配管２５側と排出口側とに分かれて流れる元蒸気のうち、排出口側に流れる元蒸気の流量を調整することで、蒸気分岐配管２５側に流れ込む元蒸気の流量を調整可能となっている。この圧力調整弁２７には制御部２８から制御信号が入力されており、圧力調整弁２７は制御部２８によって弁開度を調整可能となっている。

制御部２８は、圧力計２６で計測された元蒸気の圧力計測値Ｐ_Ｓ（言い換えれば、元蒸気が有する熱エネルギー量）に基づいて、圧力調整弁２７の弁開度を調整している。
具体的には、制御部２８には、予め第１目標圧力Ｐ_Ｓ１と第２目標圧力Ｐ_Ｓ２（＞Ｐ_Ｓ１）とが入力されて（定められて）いる。この第１目標圧力Ｐ_Ｓ１は圧力調整弁２７を締める（絞る）ための圧力目標値であり、第２目標圧力Ｐ_Ｓ２は圧力調整弁２７を緩める（開放する）ための圧力目標値である。この第１目標圧力Ｐ_Ｓ１は第２目標圧力Ｐ_Ｓ２よりも大きな値とされており、第２目標圧力Ｐ_Ｓ２は第１目標圧力Ｐ_Ｓ１より高い値に設定されている。

つまり、制御部２８では、元蒸気の圧力計測値Ｐ_Ｓが予め定められた第１目標圧力Ｐ_Ｓ１より小さい場合には圧力調整弁２７を絞り、元蒸気の圧力計測値Ｐ_Ｓが予め定められた第１目標圧力Ｐ_Ｓ１と第２目標圧力Ｐ_Ｓ２との間にある場合には弁開度を維持し、圧力計測値Ｐ_Ｓが予め定められた第２目標圧力Ｐ_Ｓ２より大きい場合には圧力調整弁２７を開放する制御が行われており、圧力計測値Ｐ_Ｓの計測結果に合わせて３段階の弁開度調整が可能となっている。

次に、制御部２８で行われる信号処理、言い換えれば本発明の運転方法について説明する。
例えば、蒸気供給源２３で発生した元蒸気の圧力が、供給先の設備が受け入れ可能とする熱量の上限を超えるような熱量に対応した圧力である場合（言い換えれば、元蒸気が有する熱量が過大である場合）、このような過大な圧力の元蒸気を蒸気排出主配管２４を通じて供給先の設備にそのまま導入することはできない。

そこで、このような場合は、まず圧力計２６で元蒸気の圧力値Ｐ_Ｓを計測し、計測した圧力計測値Ｐ_Ｓが第１目標圧力Ｐ_Ｓ１及び第２目標圧力Ｐ_Ｓ２（第２目標圧力Ｐ_Ｓ２＞第１目標圧力Ｐ_Ｓ１）に比べて大きいか小さいかを制御部２８で判断する。
計測した圧力計測値Ｐ_Ｓが第１目標圧力Ｐ_Ｓ１より小さいと判断された場合は、バイナリー発電装置１での許容範囲に比して蒸気分岐配管２５に流れ込む元蒸気の蒸気量の方が小さく、さらに蒸発器２に供給する元蒸気の蒸気量を増やすことが可能であると考えることができる。この場合は、圧力調整弁２７を閉鎖する（絞る）べく弁開度をさらに小さくする制御信号が圧力調整弁２７に送られる。

このようにすれば、排出口側に元蒸気を送る蒸気排出主配管２４に設けられた圧力調整弁２７の弁開度がさらに小さくなり、蒸気排出主配管２４を介して排出される元蒸気の蒸気量が少なくなった分だけ蒸気分岐配管２５に流れ込む元蒸気の蒸気量が増加する。その結果、蒸発器２に供給される元蒸気の蒸気量を増加方向に調整することが可能となる。
一方、計測した圧力計測値Ｐ_Ｓが第１目標圧力Ｐ_Ｓ１よりは大きいが、第２目標圧力Ｐ_Ｓ２よりは小さいと判断された場合は、バイナリー発電装置１での許容範囲に比して蒸気分岐配管２５に流れ込む元蒸気の蒸気量は適正な流量であると考えることができる。そのため、圧力調整弁２７の弁開度を維持する制御信号、言い換えれば圧力調整弁２７を閉鎖も開放もしない指令が圧力調整弁２７に送られる。

さらに、計測した圧力計測値Ｐ_Ｓが第２目標圧力Ｐ_Ｓ２よりも大きいと判断された場合は、バイナリー発電装置１での許容範囲に比して蒸気分岐配管２５に流れ込む元蒸気の蒸気量の方が大きく、蒸発器２に供給される元蒸気の蒸気量を減らす必要があると考えることができる。この場合は、圧力調整弁２７を開放する（開く）べく弁開度をさらに大きくする制御信号が圧力調整弁２７に送られる。

このようにすれば、排出口側に元蒸気を送る蒸気排出主配管２４に設けられた圧力調整弁２７の弁開度がさらに大きくなり、蒸気排出主配管２４を介して排出される元蒸気の蒸気量が大きくなった分だけ蒸気分岐配管２５に流れ込む元蒸気の蒸気量が減少する。その結果、蒸発器２に供給される元蒸気の蒸気量を減少方向に調整することが可能となる。
上述した第２実施形態のバイナリー発電装置１を用いれば、蒸気供給源２３で発生した超過分の元蒸気は蒸気分岐配管２５を介して蒸発器２に送られ、供給先の設備には受け入れ可能とする熱量の上限を超えるような熱量は供給されなくなる。そのため、蒸気供給源２３で発生した過大な元蒸気がバイナリー発電装置１に供給されることがなくなり、供給先の設備に悪影響を及ぼす虞もない。

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 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 蒸気配管
８ 減圧弁
９ スチームトラップ
１０ 冷却塔
１１ 冷却水配管
１２ 冷却水ポンプ
１３ 発電機
１４ 潤滑手段
１５ 油分離器
１６ 潤滑油供給配管
１７ 予熱器
１８ 駆動軸
１９ 入側蒸気圧力計
２０ 出側媒体圧力計
２１ 減圧弁入側圧力計
２２ 制御部
２３ 蒸気供給源
２４ 蒸気排出主配管
２５ 蒸気分岐配管
２６ 圧力計
２７ 圧力調整弁
２８ 制御部
２９ 遮断弁
Ｔ_１ 蒸気の入側の飽和温度
Ｔ_２ 作動媒体の出側の飽和温度
Ｐ_１ 入側蒸気圧力
Ｐ_２ 出側媒体圧力
ΔＴ 温度差
Ｐ_Ｓ 圧力計で計測された元蒸気の圧力
Ｐ_Ｓ１ 第１目標圧力
Ｐ_Ｓ２ 第２目標圧力

Claims (8)

1. 蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置において、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を制御するに際しては、
   前記蒸発器に供給される蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１と、前記蒸発器から排出される作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２とを算出し、
   算出された蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１から作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を差し引いた温度差ΔＴが、予め定められた閾値以上となるように、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量と圧力を制御することを特徴とするバイナリー発電装置の運転方法。
2. 前記蒸発器の入側において蒸気の圧力を計測する入側蒸気圧力計を設けると共に、蒸発器の出側において作動媒体の圧力を計測する出側媒体圧力計を設けておき、
   前記入側蒸気圧力計で計測された蒸気の圧力に基づいて、蒸気の入側の飽和温度Ｔ_１を算出すると共に、前記出側媒体圧力計で計測された作動媒体の圧力に基づいて、作動媒体の出側の飽和温度Ｔ_２を算出す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運転方法。
3. 前記蒸発器の入側に、この蒸発器に供給される蒸気の圧力を減圧可能な減圧弁と、この減圧弁に供給される蒸気の圧力を計測する減圧弁入側圧力計と、を設けておき、
   前記減圧弁入側圧力計で計測された蒸気の圧力が、予め定められた圧力以下となるように、前記減圧弁を開閉することを特徴とする請求項１または２に記載のバイナリー発電装置の運転方法。
4. 前記温度差ΔＴが前記閾値以上の場合には、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を大きくし、
   前記温度差ΔＴが閾値未満の場合には、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量を小さくすることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のバイナリー発電装置の運転方法。
5. 蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置であって、
   請求項１〜４に記載された運転方法に従って、前記循環ポンプによる作動媒体の循環量と圧力を制御する制御部を有することを特徴とするバイナリー発電装置。
6. 前記蒸発器において作動媒体を蒸発させる元蒸気を供給する蒸気供給源と、前記蒸気供給源で発生した元蒸気を外部に排出する蒸気排出主配管とがバイナリー発電装置とは別に設けられており、
   前記蒸気排出主配管を流れる元蒸気の一部を分岐して前記蒸発器に導入する蒸気分岐配管を設け、
   前記蒸気供給源で発生する元蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測し、計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓに基づいて、前記蒸気分岐配管を流れる元蒸気の流量を調整する
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のバイナリー発電装置の運転方法。
7. 前記蒸気分岐配管の分岐点より下流側の蒸気排出主配管に、この蒸気排出主配管を流れる元蒸気の圧力を調整する圧力調整弁を設けておき、
   前記元蒸気の圧力Ｐ_Ｓが予め定められた圧力Ｐ_Ｓ１より小さい場合には前記圧力調整弁を締め、
   前記元蒸気の圧力Ｐ_Ｓが予め定められた圧力Ｐ_Ｓ２（＞Ｐ_Ｓ１）より大きい場合には前記圧力調整弁を開放する
   ことを特徴とする請求項６に記載のバイナリー発電装置の運転方法。
8. 蒸気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気体の作動媒体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気体の作動媒体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たバイナリー発電装置であって、
   前記蒸発器で作動媒体を蒸発させる元蒸気を発生させる蒸気供給源と、
   前記蒸気供給源で発生した元蒸気をこの蒸気供給源の外部に排出する蒸気排出主配管と、
   前記蒸気排出主配管を流れる元蒸気の一部を分岐して前記蒸発器に導入する蒸気分岐配管と、
   前記蒸気供給源で発生する元蒸気の圧力Ｐ_Ｓを計測する圧力計と、
   前記圧力計で計測された元蒸気の圧力Ｐ_Ｓに基づいて、前記蒸気分岐配管を流れる元蒸気の流量を調整する圧力調整弁と備えていて、
   請求項６又は７に記載された運転方法に従って、前記蒸気分岐配管内を流通する作動媒体の循環量を制御する制御部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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