JP2016014350A - 廃熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって適切な清掃タイミングを検知することが可能な廃熱発電装置を提供する。
【解決手段】廃熱発電装置は、温水と作動媒体との熱交換を行って作動媒体を蒸発させる蒸発器と、蒸発器からの作動媒体の供給により発電を行う膨張タービン発電機と、膨張タービン発電機から排出された作動媒体と冷却水との熱交換を行って作動媒体を凝縮する凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を蒸発器に向けて送出するポンプと、温水及び冷却水の温度を計測するセンサと、作動媒体の温度及び圧力を計測するセンサと、これらセンサの計測結果に基づいて、温水、作動媒体、及び冷却水の状態をＴＳ線図に表し、ＴＳ線図の変化状況に応じてアラームを報知する制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃熱発電装置に関する。

従来から、工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られている。このような工場や施設では、発電機を駆動するための高圧の蒸気を生成しやすいということから約３００℃以上（場合によっては１０００℃近く）の廃熱が発電に用いられており、約３００℃以下の低温廃熱はその多くが依然として大気中に放出されていた。このため、従来は殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーを回収して発電を行えば、更なる省エネルギーを実現することができると考えられている。

以下の特許文献１には、低沸点作動媒体を用いたランキンサイクルによって、３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示された廃熱発電装置は、廃熱回収器、蒸気タービン、凝縮器、及び高圧ポンプを備えており、廃熱回収器で回収される低温の廃熱によって低沸点作動媒体の高圧蒸気を生成し、この高圧蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行っている。尚、蒸気タービンの排気は凝縮器により凝縮液化し、この液化した低沸点作動媒体を廃熱回収器に送り出して循環させるようにしている。

特開２０００−１１０５１４号公報

ところで、上述の廃熱発電装置は、低沸点作動媒体の高圧蒸気を生成するための低温の廃熱（例えば、温水）を廃熱回収器に循環させ、蒸気タービンの排気を凝縮液化するために冷却水を凝縮器に循環させる必要がある。廃熱発電装置の運転期間が長期間に亘ると、温水及び冷却水に含まれる不純物が廃熱回収器及び凝縮器にそれぞれ付着して汚れてくるため、適切なタイミングで廃熱回収器及び凝縮器の清掃を行って廃熱回収器及び凝縮器の性能低下を防止する必要がある。尚、温水及び冷却水に薬液を注入すれば一時的に廃熱回収器及び凝縮器の汚れを落とすことができるもののいずれは清掃が必要になる。

ここで、廃熱回収器及び凝縮器の清掃タイミングを知る主な方法としては、以下に示す方法が挙げられる。
（１）サイトグラス（覗き窓）による目視方法
廃熱回収器及び凝縮器（或いは、これらに接続された配管）にサイトグラスを設け、サイトグラスから廃熱回収器及び凝縮器の内部の汚れを目視にて確認する方法。
（２）流量と差圧との関係性を用いた検知方法
温水の流量と差圧（廃熱回収器に供給される温水と廃熱回収器から回収される温水との差圧）との関係の変化から廃熱回収器の内部の汚れを検知し、冷却水の流量と差圧（凝縮器に供給される冷却水と凝縮器から回収される冷却水との差圧）との関係の変化から凝縮器の内部の汚れを検知する方法。具体的に、廃熱回収器（凝縮器）の汚れが発生すると、流量に対する差圧が増加するという関係から、廃熱回収器（凝縮器）の内部の汚れを検知する。

しかしながら、上記（１）に示す方法では、廃熱回収器及び凝縮器の汚れを定量的に計測することができないため、信頼性に欠けるという問題があった。また、上記（２）に示す方法では、流量に対する差圧の変化が、廃熱回収器及び凝縮器の汚れのみに起因して生ずる訳ではなく、廃熱発電装置の運転状態にも起因して生ずる。このため、流量に対する差圧の変化が生じた場合に、廃熱回収器及び凝縮器の清掃が本当に必要であるのかが明確に分からず、信頼性に欠けるという問題があった。加えて、上記（１）に示す方法ではサイトグラスを追加し、上記（２）に示す方法では差圧計を追加する必要があるため、コスト上昇を招いてしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって適切な清掃タイミングを検知することが可能な廃熱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に、第１発明の廃熱発電装置は、廃熱媒体（Ｘ）と作動媒体（Ｙ）との熱交換を行って前記作動媒体を蒸発させる蒸発器（１１）と、該蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機（１２）と、該タービン発電機から排出された前記作動媒体と冷却媒体（Ｚ）との熱交換を行って前記作動媒体を凝縮する凝縮器（１３）と、該凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプ（１５）とを備える廃熱発電装置（１０）であって、前記廃熱媒体及び前記冷却媒体の温度を計測する第１センサ（２２、２３）と、前記作動媒体の温度及び圧力を計測する第２センサ（１９、２１）と、前記第１，第２センサの計測結果に基づいて、前記廃熱媒体、前記作動媒体、及び前記冷却媒体の状態をＴＳ線図に表し、該ＴＳ線図の変化状況に応じてアラームを報知する制御装置（２０）とを備えることを特徴としている。
また、第１発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）の変化状況に応じて前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）の変化状況に応じて前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴としている。
或いは、第１発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのアプローチ温度（ΔＴ３１、ΔＴ３２）の変化状況に応じて前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのアプローチ温度（ΔＴ４１、ΔＴ４２）の変化状況に応じて前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴としている。
或いは、第１発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）及びアプローチ温度（ΔＴ３１、ΔＴ３２）の双方が増加した場合には前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）及びアプローチ温度（ΔＴ４１、ΔＴ４２）の双方が増加した場合には前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）或いは前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）のみが増加した場合には、前記タービン発電機又は前記ポンプに異常が生じた旨を示すアラームを報知することを特徴としている。
上記課題を解決するために、第２発明の廃熱発電装置は、廃熱媒体（Ｘ）及び作動媒体（Ｙ）が供給される熱交換器（１１）と、前記熱交換器と接続され、前記熱交換器から前記作動媒体が供給されるタービン発電機（１２）と、前記タービン発電機と接続され、冷却媒体（Ｚ）及び前記タービン発電機からの前記作動媒体が供給される凝縮器（１３）と、を有し、前記凝縮器から出力された前記作動媒体が前記熱交換器に供給される廃熱発電装置（１０）であって、前記廃熱発電装置はさらに、前記廃熱媒体、前記作動媒体及び前記冷却媒体のそれぞれの温度とエントロピーの関係の変化に基づきアラームを出力する制御装置（２０）をさらに有することを特徴としている。
また、第２発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）の変化に基づき前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）の変化に基づき前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴としている。
或いは、第２発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのアプローチ温度（ΔＴ３１、ΔＴ３２）の変化に基づき前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのアプローチ温度（ΔＴ４１、ΔＴ４２）の変化に基づき前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴としている。
或いは、第２発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）及びアプローチ温度（ΔＴ３１、ΔＴ３２）の双方が増加した場合には前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）及びアプローチ温度（ΔＴ４１、ΔＴ４２）の双方が増加した場合には前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差（ΔＴ１１、ΔＴ１２）或いは前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差（ΔＴ２１、ΔＴ２２）のみが増加した場合には、前記タービン発電機に異常が生じた旨を示すアラームを報知することを特徴としている。

本発明によれば、廃熱媒体及び冷却媒体の温度の計測結果、並びに作動媒体の温度及び圧力の計測結果に基づいて、廃熱媒体、作動媒体、及び冷却媒体の状態をＴＳ線図に表し、このＴＳ線図の変化状況に応じてアラームを報知するようにしており、或いは、廃熱媒体、作動媒体、及び冷却媒体のそれぞれの温度とエントロピーの関係の変化に基づきアラームを出力するようにしているため、コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって適切な清掃タイミングを検知することが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態による廃熱発電装置の全体構成を簡略化して示すブロック図である。 本発明の一実施形態による廃熱発電装置が備える制御装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による廃熱発電装置で用いられるＴＳ線図の一例を示す図である。 アプローチ温度を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による廃熱発電装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置の全体構成を簡略化して示すブロック図である。図１に示す通り、廃熱発電装置１０は、蒸発器１１、膨張タービン発電機１２（タービン発電機）、凝縮器１３、リザーバタンク１４、及びポンプ１５を備えるランキンサイクルを利用した発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される約３００℃以下の廃熱媒体（本実施形態では「温水Ｘ」という）の廃熱エネルギーを回収して発電を行う。尚、廃熱媒体は、温水Ｘに限られるものではなく、工場や焼却施設等から放出されるガスを用いることもできる。

また、廃熱発電装置１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７を備えており、膨張タービン発電機１２で発電された電力を、商用電力と同仕様の三相交流電力に変換する。また、廃熱発電装置１０は、計測装置１８、センサ１９（第２センサ）、及び制御装置２０を備えており、膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量、並びに膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力の計測結果に基づいて、温水Ｘの廃熱エネルギーから最も多くの発電が可能となるようにポンプ１５の駆動を制御する。

また、廃熱発電装置１０は、上記のセンサ１９以外に、センサ２１（第２センサ）、温度センサ２２，２３（第１センサ）を備えており、これらの計測結果に基づいて各種アラームを報知する。ここで、廃熱発電装置１０で報知されるアラームは、例えば蒸発器１１の清掃が必要である旨を示すアラーム、凝縮器１３の清掃が必要である旨を示すアラームである。

蒸発器１１は、工場等から放出される温水Ｘとポンプ１５から送出される作動媒体Ｙとが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙの蒸気を生成する。つまり、蒸発器１１は、温水Ｘの廃熱エネルギーを回収して作動媒体Ｙの蒸気を生成する。尚、図１では、並列に接続された２つの蒸発器１１を図示しているが、蒸発器１１の数は、１つであっても、３つ以上であってもよい。

ここで、作動媒体Ｙは、沸点（大気圧条件下における沸点）が１５℃程度の媒体であり、且つ運転中の装置内部の圧力が最大で１ＭＰａ（Ｇ）（ゲージ圧で１ＭＰａ）以下であるのが望ましい。その理由は、例えば約１００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを利用した発電を可能とすべく低温廃熱から蒸気の生成を可能にするとともに、装置全体の圧力を低く抑えることで膨張タービン発電機１２の内部圧力を低く抑えるためである。このような作動媒体Ｙとしては、例えばハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。

膨張タービン発電機１２は、タービン１２ａ及び発電機１２ｂを備えており、蒸発器１１から供給された気化状態の作動媒体Ｙを用いて三相交流電力を発電する。タービン１２ａは、蒸発器１１からの作動媒体Ｙの供給によってタービンインペラを回転させる回転機械である。発電機１２ｂは、タービンインペラの軸と結合したロータ（回転子）と、ロータの外周を取り囲むように設けられたステータ（固定子）とを備えており、ロータがタービン１２ａによって回転駆動されることによって、三相交流電力を発電する。尚、発電機１２ｂが出力する三相交流電力は、周波数及び出力電圧の少なくとも一方が商用電力の仕様とは異なっている。

凝縮器１３は、膨張タービン発電機１２から排出された作動媒体Ｙと、冷却媒体（本実施形態では「冷却水Ｚ」という）とが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙを冷却して凝縮する。尚、図１では、並列に接続された２つの凝縮器１３を図示しているが、凝縮器１３の数は、１つであっても、３つ以上であってもよい。リザーバタンク１４は、凝縮器１３で凝縮された作動媒体Ｙを一時的に蓄えるタンクである。ポンプ１５は、凝縮器１３で凝縮されてリザーバタンク１４に一時的に蓄えられた作動媒体Ｙを加圧して蒸発器１１に向けて送出する。

ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７は、発電機１２ｂが発電した三相交流電力を商用電力の仕様に適合した三相交流電力（例えば５０／６０Ｈｚ，２００Ｖ級）に変換するためのものである。ＡＣ／ＤＣ変換器１６は、発電機１２ｂから出力される三相交流電力を直流電力に変換してＤＣ／ＡＣ変換器１７に出力する。ＤＣ／ＡＣ変換器１７は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６からの直流電力を商用電力の仕様に適合した三相交流電力に変換する。

計測装置１８は、ＤＣ／ＡＣ変換器１７に流れる電流を計測して膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量を計測する。ここで、計測装置１８は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６に流れる電流を計測して膨張タービン発電機１２の単位時間当りの発電量を計測するものであっても良い。尚、計測装置１８は、発電量のノイズ（例えば、μｓｅｃオーダーのノイズ）を拾うことのないようノイズフィルタを有する。

センサ１９は、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂを備えており、蒸発器１１と膨張タービン発電機１２とを接続する配管に取り付けられて、膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力を計測する。尚、センサ１９は、蒸発器１１における作動媒体Ｙの出口、或いは膨張タービン発電機１２における作動媒体Ｙの入口に取り付けられていても良い。

センサ２１は、温度センサ２１ａ及び圧力センサ２１ｂを備えており、リザーバタンク１４とポンプ１５とを接続する配管に取り付けられて、ポンプ１５に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力を計測する。温度センサ２２は、温水Ｘを蒸発器１１に供給する配管に取り付けられて、温水Ｘの温度（蒸発器１１の各々に分配される前の温水Ｘの温度）を計測する。温度センサ２３は、冷却水Ｚを凝縮器１３に供給する配管に取り付けられて、冷却水Ｚの温度（凝縮器１３の各々に分配される前の冷却水Ｚの温度）を計測する。

制御装置２０は、廃熱発電装置１０の動作を統括して制御する。例えば、制御装置２０は、計測装置１８及びセンサ１９（温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂ）の計測結果に基づいて、温水Ｘの廃熱エネルギーから最も多くの発電が可能となるようにポンプ１５の単位時間当たりの回転数（作動媒体Ｙの循環量）を制御する。具体的に、制御装置２０は、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて過熱度を算出し、算出した過熱度が予め規定された目標値となるようポンプ１５の単位時間当たりの回転数を制御する。但し、制御装置２０は、計測装置１８の計測結果に急激な変化が生じた場合には、ポンプ１５の単位時間当たりの回転数を低減する制御を行う。これは温水Ｘの急激な温度低下に起因するエロージョン（作動媒体Ｙが液体のまま膨張タービン発電機１２に供給されて生ずるタービンインペラの浸食）を防止するためである。

また、制御装置２０は、センサ１９（温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂ）、センサ２１（温度センサ２１ａ及び圧力センサ２１ｂ）、及び温度センサ２２，２３の計測結果に基づいて、廃熱発電装置１０の運転状態（温水Ｘ、作動媒体Ｙ、及び冷却水Ｚの状態）をＴＳ線図（温度ＴとエントロピーＳとの関係を示す線図）に模擬する。そして、このＴＳ線図の変化状況に応じて、アラーム（例えば、蒸発器１１や凝縮器１３の清掃が必要である旨を示すアラーム）を報知する。

図２は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置が備える制御装置の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、制御装置２０は、制御部３１、運転状態模擬部３２、監視部３３、及び報知部３４を備える。制御部３１は、計測装置１８及びセンサ１９の計測結果に基づいた上述の制御（ポンプ１５の制御）を行う。運転状態模擬部３２は、センサ１９，２１、及び温度センサ２２，２３の計測結果に基づいて、廃熱発電装置１０の運転状態（温水Ｘ、作動媒体Ｙ、及び冷却水Ｚの状態）をＴＳ線図に模擬する。尚、ＴＳ線図の詳細については後述する。

監視部３３は、運転状態模擬部３２でＴＳ線図に模擬された廃熱発電装置１０の運転状態（温水Ｘ、作動媒体Ｙ、及び冷却水Ｚの状態）を常時監視し、廃熱発電装置１０の運転状態が変化したか否かを監視する。具体的に、監視部３３は、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差（蒸発器１１内における温水Ｘと作動媒体Ｙの温度差の最小値）が予め規定された閾値を超えて大きくなったか否か、及び作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差（凝縮器１３内における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとの温度差の最小値）が予め規定された閾値を超えて大きくなったか否かを監視する。そして、監視部３３は、監視結果に応じたアラームを報知部３４に報知させる。

報知部３４は、監視部３３の監視結果に応じたアラームを報知する。この報知部３４は、例えば液晶表示装置等の表示装置、スピーカ等の発音装置、或いは無線信号を送信する無線送信装置等を備えており、監視部３３の監視結果に応じたアラームを、文字情報又は記号にて表示装置に表示し、発音装置から発音し、或いは無線送信装置から無線信号にて送信する。

図３は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置で用いられるＴＳ線図の一例を示す図である。図３に示す通り、ＴＳ線図は、縦軸に温度Ｔをとり、横軸にエントロピーＳをとった線図であって、廃熱発電装置１０の運転状態（温水Ｘ、作動媒体Ｙ、及び冷却水Ｚの状態）が模擬される線図である。このＴＳ線図は、上述した運転状態模擬部３２によって作成される。

図３において、符号Ｌ０が付された線は飽和蒸気圧線である。また、図３において、符号Ｌ１１，Ｌ１２が付された線は、温水Ｘの状態を示す線（温水Ｘの状態線）であり、符号Ｌ２１，Ｌ２２が付された線は、作動媒体Ｙの状態を示す線（作動媒体Ｙの状態線）であり、符号Ｌ３１，Ｌ３２が付された線は、冷却水Ｚの状態を示す線（冷却水Ｚの状態線）である。

また、飽和蒸気圧線Ｌ０で区切られた左側の領域Ｒ１は、作動媒体Ｙが液相である領域であり、飽和蒸気圧線Ｌ０で区切られた右側の領域Ｒ２は、作動媒体Ｙが気相である領域である。また、飽和蒸気圧線Ｌ０で区切られた中央の領域Ｒ３は、作動媒体Ｙが、気相と液相とが混合した状態にある領域である。

尚、図３において、実線で示す状態線（温水Ｘの状態線Ｌ１１、作動媒体Ｙの状態線Ｌ２１、及び冷却水Ｚの状態線Ｌ３１）は、蒸発器１１及び凝縮器１３に汚れが生じていない場合の状態線である。これに対し、破線で示す状態線（温水Ｘの状態線Ｌ１２、作動媒体Ｙの状態線Ｌ２２、及び冷却水Ｚの状態線Ｌ３２）は、蒸発器１１及び凝縮器１３に汚れが生じている場合の状態線である。

また、温水Ｘの状態線Ｌ１１，Ｌ１２の右端部（領域Ｒ２内における端部）Ｑ１１は、蒸発器１１に流入する温水Ｘの状態を示し、温水Ｘの状態線Ｌ１１，Ｌ１２の左端部（領域Ｒ１内における端部）Ｑ１２は、蒸発器１１から排出される温水Ｘの状態を示している。また、冷却水Ｚの状態線Ｌ３１，Ｌ３２の左端部（領域Ｒ１内における端部）Ｑ３１は、凝縮器１３に流入する冷却水Ｚの状態を示しており、冷却水Ｚの状態線Ｌ３１，Ｌ３２の右端部（領域Ｒ３内における端部）Ｑ３２は、凝縮器１３から排出される冷却水Ｚの状態を示している。

図３を参照すると、温水Ｘの状態線Ｌ１１は、温水Ｘの状態線Ｌ１２に比べて傾きが大きく、冷却水Ｚの状態線Ｌ３１は、冷却水Ｚの状態線Ｌ３２に比べて傾きが大きいことが分かる。また、作動媒体Ｙの状態線Ｌ２１によって囲われる面積は、作動体媒体Ｙの状態線Ｌ２２によって囲われる面積よりも大きくなることが分かる。これは、蒸発器１１内における温水Ｘと作動媒体Ｙとの熱交換、及び凝縮器１３内における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとの熱交換が、蒸発器１１及び凝縮器１３に汚れが生じている場合よりも蒸発器１１及び凝縮器１３に汚れが生じていない場合の方が良好に行われるからである。

また、図３を参照すると、ピンチ温度差ΔＴ１２（蒸発器１１に汚れが生じている場合における温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差）は、ピンチ温度差ΔＴ１１（蒸発器１１に汚れが生じていない場合における温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差）よりも大きくなることが分かる。同様に、ピンチ温度差ΔＴ２２（凝縮器１３に汚れが生じている場合における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差）は、ピンチ温度差ΔＴ２１（凝縮器１３に汚れが生じていない場合における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差）よりも大きくなることが分かる。

このように、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差は、蒸発器１１の汚れに応じて大きくなり、作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差は、凝縮器１３の汚れに応じて大きくなるという特性がある。本実施形態では、このようなピンチ温度差の特性を利用することで、コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって蒸発器１１や凝縮器１３の適切な清掃タイミングを検知するようにしている。

次に、上記構成における廃熱発電装置１０の動作について説明する。本実施形態の廃熱発電装置１０では、作動媒体Ｙが、蒸発器１１（２つの蒸発器１１）→膨張タービン発電機１２→凝縮器１３（２つの凝縮器１３）→リザーバタンク１４→ポンプ１５→蒸発器１１（２つの蒸発器１１）の順で循環しつつ、作動媒体Ｙが液体と気体に状態変化することによって膨張タービン発電機１２における発電が行われる。

即ち、蒸発器１１において温水Ｘの熱によって蒸発した作動媒体Ｙは、膨張タービン発電機１２に供給された後に凝縮器１３で冷却水Ｚによって凝縮されて、リザーバタンク１４に一時に貯溜された後、再びポンプ１５を介して蒸発器１１に送出される。このような作動媒体Ｙの循環的な状態変化の過程において、作動媒体Ｙによって膨張タービン発電機１２が駆動されて発電が行われる。そして、膨張タービン発電機１２で発電された三相交流電力は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７によって商用電力の仕様に適合した三相交流電力に変換されて外部に供給される。

以上の動作が行われている間、ＤＣ／ＡＣ変換器１７に流れる電流（或いは、ＡＣ／ＤＣ変換器１６に流れる電流）が計測装置１８で計測されて、膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量が計測装置１８によって計測される。また、膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力が、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂによってそれぞれ計測される。

そして、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて過熱度を算出し、算出した過熱度が予め規定された目標値となるようポンプ１５の単位時間当たりの回転数を可変する制御が制御装置２０の制御部３１で行われる。尚、計測装置１８の計測結果に急激な変化が生じた場合には、前述したエロージョンを防止するために、ポンプ１５の単位時間当たりの回転数を低減する制御が制御装置２０の制御部３１によって行われる。

また、上述した制御が行われている間、ポンプ１５に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力が温度センサ２１ａ及び圧力センサ２１ｂによってそれぞれ計測されるとともに、蒸発器１１に供給される温水Ｘの温度及び凝縮器１３に供給される冷却水Ｚの温度が温度センサ２２，２３によってそれぞれ計測される。そして、温度センサ２１ａ及び圧力センサ２１ｂの計測結果、温度センサ２２，２３の計測結果、及び上述した温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて、図３に例示するＴＳ線図が制御装置２０の運転状態模擬部３２で作成されて逐次更新される。

運転状態模擬部３２でＴＳ線図が生成されると、監視部３３によって常時監視され、廃熱発電装置１０の運転状態が変化したか否かが監視される。具体的には、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差（例えば、図３中のピンチ温度差ΔＴ１１）が予め規定された閾値を超えて大きくなったか否か、及び作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差（例えば、図３中のピンチ温度差ΔＴ２１）が予め規定された閾値を超えて大きくなったか否かが監視部３３によって監視される。

そして、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差が閾値を超えた場合には、監視部３３によって報知部３４が制御され、蒸発器１１の清掃が必要である旨を示すアラームが報知される。また、作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差が閾値を超えた場合には、監視部３３によって報知部３４が制御され、凝縮器１３の清掃が必要である旨を示すアラームが報知される。

以上の通り、本実施形態では、センサ１９，２１及び温度センサ２２，２３の計測結果に基づいて、温水Ｘ、作動媒体Ｙ、及び冷却水Ｚの状態をＴＳ線図に表し、ＴＳ線図の変化状況に応じてアラームを報知するようにしている。これにより、サイトグラスや差圧計等を追加することなく、蒸発器１１及び凝縮器１３の清掃が必要であるか否かを検知することができるため、コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって適切な清掃タイミングを検知することが可能である。

尚、以上説明した実施形態では、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差及び作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差の変化状況に応じて蒸発器１１及び凝縮器１３の清掃が必要であるか否かを検知していた。しかしながら、蒸発器１１及び凝縮器１３の清掃が必要であるか否かを、温水Ｘと作動媒体Ｙとのアプローチ温度及び作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのアプローチ温度の変化状況に応じて検知するようにしても良い。

図４は、アプローチ温度を説明するための図である。アプローチ温度とは、一般的に高温側入口温度と低温側出口温度の差をいう。温水Ｘと作動媒体Ｙとのアプローチ温度は、蒸発器１１に流入する温水Ｘと蒸発器１１から排出される作動媒体Ｙとの温度差である（図４中のアプローチ温度ΔＴ３１，ΔＴ３２参照）。また、作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのアプローチ温度は、凝縮器１３に流入する作動媒体Ｙと凝縮器１３から排出される冷却水Ｚとの温度差である（図４中のアプローチ温度ΔＴ４１，ΔＴ４２参照）。

ここで、図４を参照すると、アプローチ温度ΔＴ３２（蒸発器１１に汚れが生じている場合における温水Ｘと作動媒体Ｙとのアプローチ温度）は、アプローチ温度ΔＴ３１（蒸発器１１に汚れが生じていない場合における温水Ｘと作動媒体Ｙとのアプローチ温度）よりも大きくなることが分かる。また、アプローチ温度ΔＴ４２（凝縮器１３に汚れが生じている場合における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのアプローチ温度）は、アプローチ温度ΔＴ４１（凝縮器１３に汚れが生じていない場合における作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのアプローチ温度）よりも大きくなることが分かる。

このように、温水Ｘと作動媒体Ｙとのアプローチ温度は、温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差と同様に、蒸発器１１の汚れに応じて大きくなり、作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのアプローチ温度は、作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差と同様に、凝縮器１３の汚れに応じて大きくなるという特性がある。従って、アプローチ温度を用いる場合であっても、ピンチ温度差を用いる場合と同様に、コスト上昇を招くことなく高い信頼性をもって蒸発器１１や凝縮器１３の適切な清掃タイミングを検知することができる。

また、上述したピンチ温度差の変化状況とアプローチ温度の変化状況との双方を考慮し、これらの変化状況に応じたアラームを発生するようにしても良い。ここで、ピンチ温度差及びアプローチ温度は、蒸発器１１及び凝縮器１３の汚れが生じた場合以外に、タービン１２ａに設けられたタービンインペラの劣化が生じた場合、或いはポンプ１５に設けられた羽根（不図示）の劣化が生じた場合にも変化する。但し、ピンチ温度差及びアプローチ温度の変化状況は、蒸発器１１及び凝縮器１３の汚れが生じた場合と、タービンインペラ等の劣化が生じた場合とで異なる。

このため、ピンチ温度差及びアプローチ温度の変化状況に応じて、以下の通りアラームを報知するようにしても良い。
・温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合
→蒸発器１１の清掃が必要である旨を示すアラームを報知
・作動媒体Ｙと冷却水Ｚとのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合
→凝縮器１３の清掃が必要である旨を示すアラームを報知
・温水Ｘと作動媒体Ｙとのピンチ温度差或いは作動媒体Ｙと冷却媒体とのピンチ温度差のみが増加した場合
→膨張タービン発電機１２又はポンプ１５に異常が生じた旨を示すアラームを報知

以上、本発明の一実施形態による廃熱発電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、温水Ｘとなった廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば熱源として廃ガスを用いてもよい。また、熱源は、廃ガスや廃温水などの廃熱に限定されない。また、上述した膨張タービン発電機１２として、遠心式膨張タービン発電機、斜流式膨張タービン発電機等のラジアルタービン発電機を用いることも可能である。

１０…廃熱発電装置、１１…蒸発器、１２…膨張タービン発電機、１３…凝縮器、１５…ポンプ、１９…センサ、２０…制御装置、２１…センサ、２２…温度センサ、２３…温度センサ、Ｘ…温水、Ｙ…作動媒体、Ｚ…冷却水、ΔＴ１１…ピンチ温度差、ΔＴ１２…ピンチ温度差、ΔＴ２１…ピンチ温度差、ΔＴ２２…ピンチ温度差、ΔＴ３１…アプローチ温度、ΔＴ３２…アプローチ温度、ΔＴ４１…アプローチ温度、ΔＴ４２…アプローチ温度

Claims (8)

1. 廃熱媒体と作動媒体との熱交換を行って前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機と、該タービン発電機から排出された前記作動媒体と冷却媒体との熱交換を行って前記作動媒体を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプとを備える廃熱発電装置であって、
   前記廃熱媒体及び前記冷却媒体の温度を計測する第１センサと、
   前記作動媒体の温度及び圧力を計測する第２センサと、
   前記第１，第２センサの計測結果に基づいて、前記廃熱媒体、前記作動媒体、及び前記冷却媒体の状態をＴＳ線図に表し、該ＴＳ線図の変化状況に応じてアラームを報知する制御装置と
   を備えることを特徴とする廃熱発電装置。
2. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差の変化状況に応じて前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差の変化状況に応じて前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
3. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのアプローチ温度の変化状況に応じて前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのアプローチ温度の変化状況に応じて前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
4. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合には前記蒸発器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合には前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差或いは前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差のみが増加した場合には、前記タービン発電機又は前記ポンプに異常が生じた旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
5. 廃熱媒体及び作動媒体が供給される熱交換器と、
   前記熱交換器と接続され、前記熱交換器から前記作動媒体が供給されるタービン発電機と、
   前記タービン発電機と接続され、冷却媒体及び前記タービン発電機からの前記作動媒体が供給される凝縮器と、
   を有し、
   前記凝縮器から出力された前記作動媒体が前記熱交換器に供給される廃熱発電装置であって、
   前記廃熱発電装置はさらに、
   前記廃熱媒体、前記作動媒体及び前記冷却媒体のそれぞれの温度とエントロピーの関係の変化に基づきアラームを出力する制御装置をさらに有する、廃熱発電装置。
6. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差の変化に基づき前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差の変化に基づき前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項５記載の廃熱発電装置。
7. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのアプローチ温度の変化に基づき前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのアプローチ温度の変化に基づき前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項５記載の廃熱発電装置。
8. 前記制御装置は、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合には前記熱交換器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差及びアプローチ温度の双方が増加した場合には前記凝縮器の清掃が必要である旨を示すアラームを報知し、前記廃熱媒体と前記作動媒体とのピンチ温度差或いは前記作動媒体と前記冷却媒体とのピンチ温度差のみが増加した場合には、前記タービン発電機に異常が生じた旨を示すアラームを報知することを特徴とする請求項５記載の廃熱発電装置。

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