JP2017504743A - 有機ランキンサイクルの制御方法 - Google Patents

Abstract

この発明の実施形態は、少なくとも１つの供給ポンプ（２）と、少なくとも１つの熱交換器（３）と、膨張タービン（５）と、凝縮器（６）とを備える有機ランキンサイクル・システムを制御する方法であり、有機ランキンサイクルが、有機作動流体の供給フェーズと、該有機作動流体の加熱及び気化フェーズと、該有機作動流体の膨張及び凝縮のフェーズとを備え、前記方法が、液相の有機作動流体のパラメーターである制御変数（Ｙ）を変えることにより働くコントローラー（２０）によって、有機作動流体の過熱の関数である調整された変数（Ｘ）を制御し、調整された変数（Ｘ）が、タービン入口での気相の有機作動流体の現在温度と、膨張のフェーズが有機作動流体の液相の形成を含む温度しきい値（Ｔｌｉｍ）との間での温度差（ΔＴ）である。

Description

この発明は、蒸気熱力学サイクルの制御方法に関し、具体的には、有機ランキンサイクル（以下、ＯＲＣという。）に適している。

既知のように、熱力学サイクルは、熱力学的変化（例えば、等温、等容、等圧、あるいは断熱）の周期的な有限シーケンスである。各サイクルの終わりに、システムはその初期状態に戻る。具体的には、ランキンサイクルは、２つの断熱変化及び２つの等圧変化からなる熱力学サイクルである。ランキンサイクルの目的は、熱を機械仕事に変えることである。そして、すべての種類の蒸気機械は、当該サイクルに基づく。このサイクルは、電気エネルギを作り出すために熱−電気のプラントで主として使用され、いわゆる蒸気タービンにおいて、液体状態及び蒸気状態の両方において作動流体として、水を使用する。

高分子量を有する有機作動流体を使用する有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）は、巨大な数の適用について、具体的には、低い干渉の（meddle）エンタルピー値を有する熱源の使用について実現されている。他の蒸気サイクルに関して、ＯＲＣ装置が、有機作動流体を供給するための１つ以上のポンプと、前加熱、気化及び最終的には過熱を行なうための１つ以上の熱交換器と、流体を膨張させるための蒸気タービンと、蒸気を液体に変化させるための凝縮器と、ある場合には、タービンの下流（つまり凝縮器の上流）にあって熱を回収するための再生器とを備える。

蒸気サイクルに関して、ＯＲＣサイクルの利点の１つは、高分子量を有する有機作動流体が、正の傾斜を有する右のブランチ１２’を持った飽和曲線（グラフにおいて温度−エントロピー、Ｔ−Ｓ）を示すことである（図２）。代わりに、蒸気飽和曲線は、負の傾斜を有する右のブランチ１１’を示す（図１）。

結果として、タービンでの飽和蒸気を膨張させるときでさえ、蒸気膨張は、飽和曲線の内側に落ちる（fall inside）のではなく、過熱蒸気エリアでの外側に落ちる。したがって、タービンでの膨張の間に、タービンを破損するか、少なくともタービン効率を悪化させることのできる液体の形成が存在しない。

他方、蒸発圧力が流体臨界圧に接近しているかさらに高くて（超臨界サイクル、図３）、同時に流体温度が十分に高くないならば、タービンでの蒸気の膨張曲線は、Ｔ−Ｓ線図において、飽和曲線と交わることが起こる可能性がある。この場合、参照符号１５’として図３に示されるように、ＯＲＣサイクルに対するタービンでの液体の形成がある。

交わりは、低分子量を有する有機作動流体の場合には、飽和曲線−亜臨界又は超臨界のサイクル（図３）の右のブランチの上部に、あるいは右のブランチの下部に発生する場合がある。それは、小さな正の傾斜を持った又は小さな負の傾斜を持った飽和曲線の右のブランチを有することができる。

したがって、飽和曲線の内側に落ちるあらゆるタービン膨張も回避する、言いかえれば、結果としてタービンの寿命及び効率を悪化させる、膨張の間でのあらゆる液体の形成を回避する、ＯＲＣサイクルに対する新しい制御方法の必要性が存在する。

この発明の態様は、ＯＲＣサイクルに対する制御方法であり、前記方法は、言及された不便を回避するために、ＯＲＣサイクルの高圧部分の熱交換器に液体を供給することを制御する。

この発明の別の態様は、上記方法を実行するように構成された装置である。

従属クレームは、この発明のさらに具体的で好適である実施形態を概説する。

この発明の第１の態様は、有機ランキンサイクル・システムを制御する方法であり、当該システムは、少なくとも１つの供給ポンプと、少なくとも１つの熱交換器と、膨張タービンと、凝縮器とを備える。有機ランキンサイクルは、有機作動流体の供給のフェーズと、該（same）有機作動流体を加熱及び気化する加熱及び気化のフェーズと、該有機作動流体を膨張及び凝縮させる膨張及び凝縮のフェーズと、最終的には再生のフェーズとを備える。前記方法は、液相の有機作動流体のパラメーターである制御変数を変えることにより働く（act）コントローラーによる有機作動流体の「過熱に類似している」ものとしてこれ以降規定される、調整された変数を制御する。具体的には、前記調整された変数は、タービン入口での気相の有機作動流体の現在温度と、膨張のフェーズが有機作動流体の液相の形成を含む温度しきい値との間での温度差である。

したがって、上記方法を実現するように構成されていて、有機作動流体の「過熱に類似している」前記調整された変数を制御するための手段を備え、前記手段が、液相の有機作動流体のパラメーターである制御変数を変えることにより働き、前記調整された変数が、タービン入口での気相の有機作動流体の現在温度と、膨張のフェーズが有機作動流体の液相の形成を含む温度しきい値との間での温度差である装置が、説明される。

この態様の利点は、有機作動流体の熱力学特性が、前記流体の供給圧の関数として（as a function of）、及びある有機作動流体に対して凝縮圧力の関数として、既知であるとき、タービン入口での気相の有機作動流体の現在温度と、膨張のフェーズが有機作動流体の液相の形成を含む温度しきい値との間での差を容易に決定できることである。このように、タービンでの膨張の間に、液体の形成が回避され、したがって、タービン効率を悪化させるリスクが回避される。

別の実施形態によれば、前記制御変数が、前記少なくとも１つの熱交換器の入口での有機作動流体の流量である。

したがって、前記制御手段が、前記少なくとも１つの熱交換器の入口で有機作動流体の流量に作用するように構成される。

この実施形態の利点は、有機作動流体の流量の調節によって、調整された変数を所定のセットポイントと等しい状態に保つことである。

さらなる実施形態によれば、熱交換器の入口での有機作動流体の流量の調節は、有機作動流体の供給ポンプの回転速度を変えることにより実現される。

したがって、前記制御手段が、有機作動流体の供給ポンプの回転速度を変えるように構成される。

この実施形態の利点は、供給ポンプの回転速度を容易に制御できることである。

さらに別の実施形態によれば、熱交換器の入口での有機作動流体の流量の調節が、有機作動流体の供給ポンプの下流に配設されたバルブの開口度合いを変えることにより実現される。

したがって、前記制御手段が、有機作動流体の供給ポンプの下流に配設されたバルブの開口度合いを変えるように構成される。

有機作動流体の供給ポンプが一定の回転数で作動する場合、この実施形態の利点は代替の流量調節を実行することである。

この発明の別の態様によれば、少なくとも１つの供給ポンプと、少なくとも１つの熱交換器と、膨張タービンと、凝縮器と、上記実施形態のいずれか１つに記載の方法を作動するように構成されたコントローラーとを備える有機ランキンサイクル・システムを開示する。

その実施形態のいずれか１つに係る方法は、上述されている方法のステップのすべてを実行するためのプログラム・コードを備えるコンピュータ・プログラムの支援によって、及びコンピュータ・プログラムを備えるコンピュータ・プログラム製品の形で実行される。

コンピュータ・プログラム製品は、電子制御装置（ＥＣＵ）と、ＥＣＵに関連したデータ記憶媒体と、データ記憶媒体に保存されたコンピュータ・プログラムとを備える、有機ランキンサイクル用の制御装置として構成され、その結果、制御装置は方法と同じように説明される実施形態を規定する。この場合、制御装置がコンピュータ・プログラムを実行するとき、上述されている方法のステップのすべてが実行される。

この発明は、いくつかの非制限的な実施形態を示す添付図面の参照によって次に説明される。

温度−エントロピー線図において、低分子量を有する無機作動流体の熱サイクルを示す。 温度−エントロピー線図において、高分子量を有する有機作動流体の熱サイクルを示す。 温度−エントロピー線図において、図２の有機作動流体の超臨界の熱サイクルを示す。 温度−エントロピー線図において、この方法の実施形態に係る「過熱に類似している」調整された変数を規定する、図２の有機作動流体の超臨界の熱サイクルを示す。 前図のように、有機作動流体の供給圧の関数として温度しきい値の挙動を示す。 この方法の実施形態に係る「過熱に類似している」温度の制御のブロックダイヤグラムを示す。 この方法が利用されるＯＲＣシステムを模式的に表わす。

図７を参照する。ＯＲＣシステムは、典型的には、少なくとも１つの熱交換器３に液相の有機作動流体を供給するための少なくとも１つの供給ポンプ２を備える。順に（on its turn）１つの予熱器と１つの蒸発器と１つの過熱器とを備えることができる熱交換器において、飽和蒸気又は過熱蒸気への変化が起こるまで、有機作動流体が加熱される。熱交換器を出た後に、蒸気は、ＯＲＣサイクルの機械仕事が得られる膨張タービンを通過し（cross）、最後に凝縮器６を通過する（cross）。凝縮器６は、蒸気を液体に変えて、それに続くサイクルの供給ポンプに戻ることができる。有利には、タービン５と凝縮器６との間に、再生器が設けられる。再生器は、供給ポンプから熱交換器まで流れる液相の有機作動流体と、凝縮器の方へ流れる気相の有機作動流体との間で熱交換を行う。

図１及び図２を参照する。これらの図は、エントロピーの関数として（as a function of）温度の熱力学的線図（Ｔ−Ｓ線図）を表わす。水分子量に関して、中分子量又は高分子量を有する有機作動流体の飽和曲線１２と、水の飽和曲線１１との間の本質的な差は、水蒸気システムについては、曲線の右のブランチ１１’が負の傾斜を示しているが、有機作動流体については、曲線の右のブランチ１２’が正の傾斜を示すということである。過熱の無い、つまり、飽和蒸気の膨張を持った典型的なサイクルが、それぞれ、１３（蒸気サイクル、図１）、及び１４（ＯＲＣサイクル、図２）で参照される。飽和曲線の異なる形により、タービンでの有機作動流体の膨張１４’が飽和曲線の外部ですなわち過熱蒸気エリアで発生しているが、タービンでの蒸気の膨張１３’が液体の形成でそれ自身の飽和曲線の内側に落ちる（fall）ので、２つのサイクルは異なる。したがって、タービンの膨張の間に、液体の形成が無いし、したがってタービン損傷も無い。

他方、ある場合には、ＯＲＣ流体のそのような利点が利用可能ではない。例えば、図３は、有機作動流体の超臨界の熱力学サイクル１５を示す（図２のものと同じとすることができる）。膨張の開始１６での蒸発圧力が臨界点１６’の圧力よりも高いので、サイクルは超臨界と呼ばれる。この場合あるいは亜臨界のサイクル（飽和蒸気の存在にもかかわらず、サイクルは、臨界点に接近して動作し（operate）、すなわち流体の臨界圧に非常に類似している蒸発圧力で動作する）の場合には、タービンでの蒸気の膨張曲線１５’は、Ｔ−Ｓ線図の飽和曲線と交わることができる。したがって、ＯＲＣサイクルについても、タービンに液体の形成が存在する。

この発明は、タービンでの蒸気の各供給圧値に対して、膨張が飽和曲線と交わる温度しきい値Ｔ_ｌｉｍが存在することを考えて開始する（start considering that）。これに反して、この温度しきい値よりも高い温度が保たれる場合、タービンでの膨張は、飽和曲線と交わることなく、安全領域言いかえれば過熱蒸気エリアで起こる。

図４を参照する。タービン入口での蒸気温度とこの温度しきい値Ｔ_ｌｉｍとの間での温度差ΔΤは、「過熱に類似している」と呼ばれる。言い換えると、「過熱に類似している」当該パラメーターは、タービンでの膨張の間に、液体の形成を引き起こすであろう、臨界状態に関する安全マージンを表わす。この状態（condition）は、温度しきい値Ｔ_ｌｉｍによって表現される。飽和曲線に接する膨張のフェーズＥ_ｌｉｍが、それに相当する。マップあるいは理論−実験の曲線が規定され、タービンにおける各圧力値に対して、対応する温度しきい値を関連付ける。各ポイントに対して、そのような温度しきい値が計算され、タービンでの蒸気膨張をシミュレートする。この膨張曲線部分において、飽和温度が飽和曲線の内側に膨張を有しないことを保証するので、亜臨界のサイクルの場合には、膨張曲線のある部分に対して、ポイントの当該結合が、流体の飽和圧力−飽和温度の結合であることが観察される。

システム制御ソフトウェアにおいてこの温度−圧力曲線をより容易に実行するために、図５に示されるように、代数関数Ｔ＝ｆ（ｐ）でそのような個別の曲線を補間する（interpolate）ことが好適である。圧力が増加すると、膨張曲線が飽和曲線と交わるリスクを回避するために、タービン入口での温度値が次第に増加しなければならないことに留意しなければならない。

したがって、制御装置（可能な実施形態が図６に示される）は、「過熱に類似している」パラメーターを所定のセットポイントと等しい状態に保つためにサイクル調節を行なう。調節は、前記流体を加熱して蒸気にする熱交換器に入る有機作動流体の流量に作用することにより典型的に行なわれる。より詳細には、所定のセットポイント値であるΔＴ_ｓｐは、現在の「過熱に類似している」パラメーターΔＴ_ａｃｔ（調整された変数）と比較される。制御動作は、コントローラー２０、例えばＰＩＤコントローラー（比例・積分・微分のコントローラー）によって実行される。その出力は制御変数（すなわち熱交換器に入る流体の流量）の調節２１である。通常、このセットポイントは、数度と数十度との間に及んで（range）、したがって、曲線の上述したポイントの計算及び／又は前記曲線の補間において高い精度を必要としない。

タービンにおける蒸気の各圧力値に温度しきい値を関連付けるマップは、予め決められており、制御方法の入力パラメーターである。

例として、制御動作は、供給ポンプ２の回転速度Ｖに、あるいは前記供給ポンプ（一定の回転数でポンプを動かす（working））の下流に配設されたバルブの開口度合いχに、あるいは調節されるパラメーター（例えば熱源の温度）に影響を及ぼす別の制御パラメータに、関連することができる。

小さな正の傾斜を持った飽和曲線あるいは小さな負の傾斜を持った飽和曲線の右のブランチを有する有機作動流体の場合、飽和曲線の交わりが、Ｔ−Ｓ線図の右のブランチの下部（低凝縮圧力に対応する）において発生する場合がある。同じ蒸発圧力から始まる同じ流体に対して、そのような現象は高凝縮圧力で現われない。したがって、そのような流体については、しきい値温度値は、より好都合には、凝縮圧力の関数として修正することができる。

この方法は、システムのゆっくりした立ち上げ（ramp up）に適している。実際には、温度差ΔΤの実質的に高い値で開始のフェーズを始めることは、タービンにおけるかなり低い圧力値に導くであろう。温度差値は、熱い熱源の最高温度によって上部に制限されており、したがって、変数ΔΤを増加させると、ＯＲＣサイクルにおいて到達可能な最大圧力値が減少する。その後、ＯＲＣサイクルが目標の状態（亜臨界又は超臨界の状態）に達するまで、温度差ΔΤの値を徐々に減少させることは可能であろう。このように、例えば、亜臨界のサイクルから超臨界のサイクルまでの移行のフェーズは、徐々に行なうことができる。

この発明の実施形態以外に、上記開示のように、膨大な数の変換例が存在することは理解されるべきである。１つ以上の例示の実施形態が、単なる例であり、形はどうあれ、範囲、適用可能性あるいは構成を制限するのを意図していないことはさらに認識されるべきである。もっと正確に言えば、先の要約及び詳細な説明は、少なくとも１つの例示の実施形態を実施するために当業者に好都合なロードマップを提供するであろう。添付のクレーム及びそれらの法的等価物で示されるような範囲から逸脱することなく例示の実施形態に記載された要素の機能及び配置が様々に変更されてもよいことが理解される。

Claims (9)

1. 有機ランキンサイクル・システムを制御する方法であって、前記有機ランキンサイクル・システムが、少なくとも１つの供給ポンプ（２）と、少なくとも１つの熱交換器（３）と、膨張タービン（５）と、凝縮器（６）とを備え、
   前記有機ランキンサイクルが、有機作動流体の供給のフェーズと、該有機作動流体の加熱及び気化のフェーズと、該有機作動流体の膨張及び凝縮のフェーズとを備え、
   前記方法は、液相の有機作動流体のパラメーターである制御変数（Ｙ）を変えることで働くコントローラー（２０）によって有機作動流体の過熱の関数である調整された変数（Ｘ）を制御し、
   前記調整された変数（Ｘ）が、タービン入口での気相の有機作動流体の現在温度と、膨張のフェーズが有機作動流体の液相の形成を含む温度しきい値（Ｔ_ｌｉｍ）との間での温度差（ΔΤ）であることを特徴とする方法。
2. 前記温度しきい値（Ｔ_ｌｉｍ）が、前記膨張タービンでの蒸気圧の関数であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御変数（Ｙ）が、前記少なくとも１つの熱交換器の入口での有機作動流体の流量（Ｑ）であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記熱交換器の入口での有機作動流体の流量（Ｑ）の調節が、有機作動流体の前記供給ポンプ（２）の回転速度（Ｖ）を変えることにより実現されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記熱交換器の入口での有機作動流体の流量（Ｑ）の調節は、有機作動流体の前記供給ポンプの下流に配設されたバルブの開口度合い（χ）を変えることにより実現されることを特徴とする、請求項３又は請求項４に記載の方法。
6. 少なくとも１つの供給ポンプ（２）と、少なくとも１つの熱交換器（３）と、膨張タービン（５）と、凝縮器（６）と、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法を作動するように構成されたコントローラー（２０）とを備える有機ランキンサイクル・システム。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法を実行するのに適しているソフトウェアを備えることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
8. 請求項７に記載のコンピュータ・プログラムが保存されるコンピュータ・プログラム製品。
9. コントローラーと、前記コントローラーに関連したデータ記憶媒体と、前記データ記憶媒体に保存された請求項８に記載のコンピュータ・プログラムとを備える、有機ランキンサイクル・システム用の制御装置。

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