JP2015048711A

JP2015048711A - 発電装置

Info

Publication number: JP2015048711A
Application number: JP2013178550A
Authority: JP
Inventors: 泰右小野; Taisuke Ono; 貴松浦; Takashi Matsuura
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-16
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: WO2015029724A1; JP6185338B2

Abstract

【課題】膨張機の非常停止を要する緊急時に、故障することなく作動流体を逃がすことができる発電装置を提供する。
【解決手段】供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１であって、スクロール膨張機２の供給経路１１と排出経路１２との間には、供給経路１１から排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、供給経路１１における当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも上流側には、第一遮断弁４１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体を利用した発電装置に関するものである。

一般に、ディーゼル機関による発電プラント設備において、ディーゼル機関用発電機とは別に、ディーゼル機関からの排熱によって生成した蒸気を用いて発電する蒸気タービンを備えた発電設備が知られている。

従来より、このような廃熱によって生成した蒸気を用いて発電する蒸気タービンを備えた発電設備としては、蒸気タービンが非常停止した場合に過熱蒸気管内の蒸気圧力が過剰に大きくなって蒸気タービンを壊してしまうことを防止するために、バイパス配管を設けて蒸気を復水器へと逃がすように構成されたものが提案されている。

この発電設備は、過熱蒸気管とバイパス配管との分岐点よりも下流側の過熱蒸気管に、圧力制御弁および蒸気流量調整弁を設けているので、これら圧力制御弁および蒸気流量調整弁を閉じ、バイパス配管に設けたダンプ弁を開くことで、過熱蒸気管を介して供給される蒸気は、バイパス配管に逃がすことを可能にしていた（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／１８００４号

しかし、上記従来の発電設備は、蒸気をバイパス配管に逃がす際、分岐点よりも下流側の過熱蒸気管に設けられた圧力調整弁および蒸気流量調整弁を閉じるので、これら圧力調整弁および蒸気流量調整弁よりも下流側の蒸気は蒸気タービンに流入してしまうため、蒸気タービンの破損を招く可能性がある。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、膨張機の非常停止を要する緊急時に、故障することなく作動流体を逃がすことができる発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る発電装置は、供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置であって、膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路が設けられ、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁が設けられ、バイパス経路には、バイパス弁が設けられたものである。

上記発電装置において、排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも上流側には、第二遮断弁が設けられたものであってもよい。

上記発電装置において、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも下流側には、第三遮断弁が設けられたものであってもよい。

上記発電装置において、緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁を閉じるように制御する制御部を有するものであってもよい。

上記発電装置において、緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁および第二遮断弁を閉じるように制御する制御部を有するものであってもよい。

上記発電装置において、始動時に、第三遮断弁を閉じるとともに、バイパス弁を開けて配管に溜まったドレン水を排水するように制御する制御部を有するものであってもよい。

上記発電装置において、作動流体が水蒸気となされたものであってもよい。

上記発電装置において、発電機が誘導発電機であってもよい。

上記発電装置において、膨張機が発電機と直結されたスクロールであってもよい。

本発明によると、膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を設け、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁を設け、バイパス経路には、バイパス弁を設けているので、発電機の緊急停止時にバイパス弁を開け、第一遮断弁を閉じても、この第一遮断弁よりも下流側の供給経路は、バイパス経路によってバイパスされるので、第一遮断弁を閉じた後に作動流体が膨張機に流入することによって膨張機が壊れるようなことを避けることができる。

本発明に係る発電装置の全体構成の概略図である。本発明の他の実施の形態に係る発電装置の全体構成の概略図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る発電装置の全体構成の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る発電装置１の全体構成の概略を示している。

この発電装置１は、供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１であって、スクロール膨張機２の供給経路１１と排出経路１２との間には、供給経路１１から排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、供給経路１１における当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも上流側には、第一遮断弁４１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられたものである。

供給経路１１は、水蒸気の供給源からスクロール膨張機２の供給口に接続されており、この供給経路１１の上流側から供給される水蒸気によってスクロール膨張機２を駆動するように構成されている。この供給経路１１には、調量弁４０が設けられており、スクロール膨張機２の駆動源となる水蒸気の供給量は、制御部１０によって調量弁４０の開閉度を制御することで調整される。この際、制御部１０は、供給経路１１における調量弁４０の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ１およびスクロール膨張機２の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ２によって圧力を管理しながら調量弁４０の開閉制御を行うようになされている。また、供給経路１１の最上流側には、当該供給経路１１を流れる水蒸気中の異物を濾過するためのストレーナ１１ａが設けられている。また、供給経路１１は、調量弁４０の下流側であって、バイパス経路１３との分岐点Ａの上流側に、第一遮断弁４１が設けられている。この第一遮断弁４１は、通常時は開いた状態となっており、スクロール膨張機２への水蒸気を遮断する必要が生じた場合には、制御部１０による制御によって閉じた状態となって供給経路１１を流れる水蒸気を遮断できるようになされている。

排出経路１２は、その一端が、スクロール膨張機２の排出口に接続されている。この排出経路１２は、その他端が、バイパス経路１３との合流点Ｂの下流側に、凝縮器５を経て復水タンク６に接続されている。これにより、スクロール膨張機２を通過後の水蒸気は、凝縮器５で二次冷却水と熱交換により凝縮液化された後、復水タンク６に貯留される。排出経路１２における凝縮器５の出口には、温度センサＴ１が設けられ、二次冷却水経路５１における凝縮器５の出口には、温度センサＴ２が設けられている。制御部１０は、温度センサＴ１から排出経路１２を通過する凝縮水の温度を測定し、温度センサＴ２から二次冷却水経路５１を通過する熱交換後の二次冷却水の温度を測定し、凝縮器５による水蒸気と二次冷却水との熱交換具合を制御できるようになされている。

バイパス経路１３は、その一端が、供給経路１１に設けられた第一遮断弁４１の下流側とスクロール膨張機２の供給口との間に接続され、他端が、スクロール膨張機２の排出口の下流側と凝縮器5の入口の上流側との間に接続されている。これによってバイパス経路１３は、供給経路１１と排出経路１２との間をバイパスするように設けられている。また、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられている。このバイパス弁４２は、通常時は閉じた状態となっており、供給経路１１の水蒸気をスクロール膨張機２に供給せずに排出経路１２へ排出させたい場合には、制御部１０による制御によって開いた状態となり、供給経路１１を流れる水蒸気を、排出経路１２へと排出できるようになされている。

復水タンク６に貯留された凝縮水は、給水経路１４に設けられたポンプ７により、エンジン排熱を利用する蒸発器９でエンジン排熱の吸収に利用された後、再度、水蒸気となって供給経路１１へと供給される。この復水タンク６には、圧力センサＰ４および液レベルセンサＬが設けられており、制御部１０は、圧力センサＰ４によって凝縮具合をチェックするとともに、液レベルセンサＬによって復水タンク６内の凝縮水の量をチェックすることができるようになされている。

スクロール膨張機２は、当該スクロール膨張機２に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、誘導発電機３と直結できるようになされている。

誘導発電機３は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクよりも、当該誘導発電機３に直結されたスクロール膨張機２の回転による回転トルクが大きくなると、すべりが発生して発電機として機能することとなる。この誘導発電機３は、前記回転トルクが負荷トルクよりも小さくなると電動機として機能する。誘導発電機３は、電磁開閉器８１によって、電気系統８に接続および切断できるように構成されている。

このようにして構成される発電装置１は、供給経路１１から供給される水蒸気を、調量弁４０によって調整してスクロール膨張機２に供給し、当該スクロール膨張機２と直結された誘導発電機３を発電機として作動させることで、発電される。発電によって得られた電力は、電磁開閉器８１を介して電気系統８へと給電される。

スクロール膨張機２に供給され、当該スクロール膨張機２を駆動させた後の水蒸気は、凝縮器５で凝縮水とした後、復水タンク６に貯留される。この貯留された凝縮水は、復水タンク6に接続された排水経路１４からポンプ７によって、エンジン排熱を利用する蒸発器９へと供給され、エンジン排熱の吸収に利用された後、再度、水蒸気となって供給経路１１へと供給される。この際、エンジン発熱は、例えば、主発電機となるディーゼル機関などのエンジンから排出された排ガスから回収することができる。なお、蒸発器９は、エンジン排熱を利用するものに限定されるものではなく、地熱や太陽熱、工場廃熱などを利用するものであってもよい。

以後、上記動作が繰り返されて発電が継続される。

この発電装置１の運転状態において、スクロール膨張機２には、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクが発生している。したがって、このような運転状況から、急に停電になったり、系統解列を起こしたりして励磁電流が遮断されてしまうと、スクロール膨張機２は、負荷トルクが無くなって暴走してしまい、定格回転数を超えて過剰に回転してしまうことが懸念されるので、スクロール膨張機２の非常停止が必要となる。

そこで、本発明の発電装置１の制御部１０は、停電や系統解列などで励磁電流が遮断されてしまうような緊急時になった場合、バイパス経路１３のバイパス弁４２を開き、このバイパス弁４２を開くタイミングと同じか少し遅れて第一遮断弁４１を閉じるようになされている。

すなわち、バイパス弁４２を開くことで、スクロール膨張機２へ供給される水蒸気を、当該バイパス弁４２が設けられたバイパス経路１３から排出経路１２へと逃がすことができ、スクロール膨張機２の暴走を抑えることができることとなる。また、第一遮断弁４１を閉じることにより、スクロール膨張機２への水蒸気の供給を完全に停止することができることとなり、当該スクロール膨張機２の暴走による故障を防止することができることとなる。この第一遮断弁４１は、供給経路１１における分岐点Ａよりも上流側に設けているので、第一遮断弁４１を遮断しても、供給経路１１における分岐点Ａよりも下流側の水蒸気は、バイパス経路１３を介して排出経路１２側へと逃がすことができる。したがって、第一遮断弁４１を閉じることによって、その下流側に残存している水蒸気がスクロール膨張機２へ流入することも防止することができる。

なお、バイパス弁４２を開けるよりも先に第一遮断弁４１を閉じてしまうと、第一遮断弁４１よりも下流側の供給経路１１に溜まる水蒸気がスクロール膨張機２へ流入して暴走を引き起こすことが懸念される。したがって、制御部１０は、バイパス弁４２を開けると同時か少し遅れて第一遮断弁４１を閉じるように制御するようになされている。

このように制御することで、急に停電になったり、系統解列を起こしたりするような緊急時になった場合であっても、スクロール膨張機２の過剰回転による故障を防止することができる。

図２は、本発明の他の実施の形態に係る発電装置１ａを示している。図２において、図１に示す発電装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。

この発電装置１ａは、排出経路１２における、当該排出経路１２とバイパス経路１３との合流点Ｂよりも上流側に、すなわち、スクロール膨張機２の排出口と合流点Ｂとの間の排出経路１２に、第二遮断弁４３が設けられている。

この第二遮断弁４３は、制御部１０によって、以下のように制御される。

すなわち、本発明の発電装置１ａの制御部１０は、停電や系統解列などで励磁電流が遮断されてしまうような緊急時になった場合、バイパス経路１３のバイパス弁４２を開き、このバイパス弁４２を開くタイミングと同じか少し遅れて第一遮断弁４１および第二遮断弁４３を閉じるようになされている。すなわち、バイパス弁４２を開くことで、スクロール膨張機２へ供給される水蒸気を、当該バイパス弁４２が設けられたバイパス経路１３から排出経路１２へと逃がすことができ、スクロール膨張機２の暴走を抑えることができることとなる。また、第一遮断弁４１を閉じることにより、スクロール膨張機２への水蒸気の供給を完全に停止することができることとなり、当該スクロール膨張機２の暴走による故障を防止することができることとなる。さらに、第二遮断弁４３を閉じることにより、スクロール膨張機２の排出側への水蒸気の抜けを防止し、当該スクロール膨張機２の回転にブレーキを掛ける役割を果たすこととなる。

なお、バイパス弁４２を開けるよりも先に第一遮断弁４１を閉じてしまうと、第一遮断弁４１よりも下流側の供給経路１１に溜まる水蒸気がスクロール膨張機２へ流入して暴走を引き起こすことが懸念される。また、バイパス弁４２を開けるよりも先に第二遮断弁４３を閉じてしまうと、当該第二遮断弁４３よりも上流側の排出経路１２に溜まる水蒸気の圧力が過剰に上昇してしまうことになる。したがって、制御部１０は、バイパス弁４２を開けると同時か少し遅れて、第一遮断弁４１および第二遮断弁４３を閉じるように制御するようになされている。

このように制御することで、急に停電になったり、系統解列を起こしたりするような緊急時になった場合であっても、スクロール膨張機２の故障を防止することができる。

図３は、本発明のさらに他の実施の形態に係る発電装置１ｂを示している。図３において、図１に示す発電装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。

この発電装置１ｂは、供給経路１１における、当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも下流側に、すなわち、スクロール膨張機２の供給口と分岐点Ａとの間の供給経路１１に、第三遮断弁４４が設けられている。

供給経路１１の上流側には、ストレーナ１１ａを設けているが、ストレーナ１１ａよりも下流側の供給経路１１は、発電装置１ｂの停止によって配管内部に錆やコンタミなどの異物が発生することがある。また、このような異物とともに配管内に溜まっていた凝縮水は、始動時にスクロール膨張機２ｂへと供給される高圧の水蒸気によって、ウォーターハンマーとなり、スクロール膨張機２を壊してしまうことが懸念される。

そこで、本発明に係る発電装置１ｂの制御部１０は、始動時に、以下のように制御するようになされている。

すなわち、発電装置１ｂの制御部１０は、始動時に第三遮断弁４４を閉じるとともに、バイパス弁４２を開き、スクロール膨張機２に水蒸気を供給せず、しばらくの間、水蒸気をバイパス経路１３から排出経路１２へと流す。そして、バイパス経路１３へと十分に水蒸気を流した後、バイパス弁４２を閉じ、第三遮断弁４４を開けてスクロール膨張機２への水蒸気の供給を開始する。

これにより、発電装置１ｂは、異物がスクロール膨張機２へ入るのを防止できるとともに、凝縮水がウォーターハンマーとなってスクロール膨張機２を壊してしまうことを防止できる。

なお、この発電装置１ｂは、上記した図２に示す発電装置１ａに設けられた第二遮断弁４３が設けられた構成としてもよい。

なお、上記した各実施の形態において、発電装置１、1ａ、１bは、スクロール膨張機２を用いているが、この膨張機としては、蒸気タービンであってもよい。

また、上記した各実施の形態において、発電装置１、1ａ、１bは、水蒸気を作動流体としているが、作動流体としてはこのような水蒸気に限定されるものではなく、この種の排熱発電に使用される各種の作動流体であってもよい。

さらに、上記した各実施の形態において、発電装置１、1ａ、１bは、誘導発電機３を使用しているが、発電機としては、このような誘導発電機３に限定されるものではなく、停電や系統解列などの緊急時に負荷トルクが無くなってしまうような発電機であれば、他の誘導発電機や同期発電機であってもよい。

さらに、上記した各実施の形態において、発電装置１、1ａ、１bは、供給経路１１における分岐点Ａよりも上流側に第一遮断弁４１を設けることで、バイパス経路１３におけるバイパス弁４２を開いた際に、分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２へと逃がすように構成されているが、この分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１における水蒸気の圧力を逃がすことを考慮する必要がなければ、第一遮断弁４１に代えて、分岐点Ａの位置に切替弁（図示省略）を設けてもよい。この場合、切替弁（図示省略）は、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの下流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよいし、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの上流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよい。前者の切替弁（図示省略）の場合、緊急時に切り替えた後は、供給経路１１の上流側からの水蒸気の供給を止めることができるとともに、分岐点Ａの下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２に逃がすことができる。

１発電装置
１ａ発電装置
１ｂ発電装置
１０制御部
１１供給経路
１２排出経路
１３バイパス経路
２スクロール膨張機（膨張機）
３誘導発電機（発電機）
４１第一遮断弁
４２バイパス弁
４３第二遮断弁
４４第三遮断弁
Ａ分岐点
Ｂ合流点

Claims

供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置であって、
膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路が設けられ、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁が設けられ、バイパス経路には、バイパス弁が設けられたことを特徴とする発電装置。
排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも上流側には、第二遮断弁が設けられた請求項１に記載の発電装置。
供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも下流側には、第三遮断弁が設けられた請求項１または２に記載の発電装置。
緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁を閉じるように制御する制御部を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の発電装置。
緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁および第二遮断弁を閉じるように制御する制御部を有する請求項２または３に記載の発電装置。
始動時に、第三遮断弁を閉じるとともに、バイパス弁を開けて配管に溜まったドレン水を排水するように制御する制御部を有する請求項３に記載の発電装置。
作動流体が水蒸気となされた請求項１ないし６の何れか一に記載の発電装置。
発電機が誘導発電機である請求項１ないし７の何れか一に記載の発電装置。
膨張機が発電機と直結されたスクロールである請求項１ないし８の何れか一に記載の発電装置。