JP2019023432A - ランキンサイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の圧力の過上昇を防止し、高い発電効率でランキンサイクル装置を運転するための技術を提供する。【解決手段】本開示のランキンサイクル装置（１００）は、有機作動流体が循環するランキンサイクル回路（１０）と、蒸発器（１４）が配置された主流路（２４ａ）と蒸発器（１４）を迂回するバイパス流路（２４ｂ）とを有するダクト（１０６）と、ダクト（１０６）の内部に配置され、主流路（２４ａ）における第１熱媒体（Ｇ１）の流量とバイパス流路（２４ｂ）における第１熱媒体（Ｇ１）の流量とを調節する第１流量調節機構（２７）と、ダクト（１０６）の内部空間及びランキンサイクル回路（１０）から隔離された流路であって、蒸発器（１４）に沿って配置された熱交換器（３２）を有し、第２熱媒体（Ｇ２）が流れる冷却流路（３０）とを備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、ランキンサイクル装置に関する。

熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムとして、ランキンサイクル装置はよく知られている。特許文献１には、異常が発生したときに、ランキンサイクル装置（熱発電装置）を安全に停止させるための技術が開示されている。

図７に示すように、従来のランキンサイクル装置は、熱交換部３００、主流路３０１、バイパス流路３０２及び流量調節機構３０３を有する。熱交換部３００は、作動流体を蒸発させる蒸発器として機能する。主流路３０１及びバイパス流路３０２は、それぞれ、ダクト３０４の内部に形成された流路である。主流路３０１とバイパス流路３０２とが隔壁３０５によって隔てられている。主流路３０１に熱交換部３００が配置されている。バイパス流路３０２は、排気ガスなどの熱媒体が熱交換部３０１を迂回して流れるように構成されている。流量調節機構３０３は、熱交換部３０１に供給されるべき熱媒体の流量とバイパス流路３０２に供給されるべき熱媒体の流量とを調節する。これにより、ランキンサイクル装置が安全に停止されうる。

特開２０１６−１２１６６５号公報

図７に示すランキンサイクル装置によれば、蒸発器（熱交換部）の出口における作動流体の圧力が過剰に上昇することがある。このことは、発電効率の観点から望ましくない。

本開示の目的は、作動流体の圧力の過上昇を防止し、高い発電効率でランキンサイクル装置を運転するための技術を提供することにある。

すなわち、本開示は、
膨張機、凝縮器、ポンプ及び蒸発器を有し、これらの機器がこの順番で環状に接続されており、有機作動流体が循環するランキンサイクル回路と、
前記蒸発器が配置された主流路と前記蒸発器を迂回するバイパス流路とを有し、第１熱媒体を生成する熱源に接続されたダクトと、
前記ダクトの内部に配置され、前記主流路における前記第１熱媒体の流量と前記バイパス流路における前記第１熱媒体の流量とを調節する第１流量調節機構と、
前記ダクトの内部空間及び前記ランキンサイクル回路から隔離された流路であって、前記蒸発器に沿って配置された熱交換器を有し、第２熱媒体が流れる冷却流路と、
を備えた、ランキンサイクル装置を提供する。

本開示の技術によれば、作動流体の圧力の過上昇を防止し、高い発電効率でランキンサイクル装置を運転できる。

図１は、本開示の一実施形態にかかるランキンサイクル装置の構成図である。 図２は、熱交換器の構造を示す図である。 図３は、図１に示すランキンサイクル装置を運転するための処理を示すフローチャートである。 図４は、ランキンサイクルのモリエル線図である。 図５は、膨張比と有効発電量との関係を示すグラフである。 図６Ａは、変形例にかかる冷却流路の構成図である。 図６Ｂは、別の変形例にかかる冷却流路の構成図である。 図７は、従来のランキンサイクル装置の構成図である。

（本開示の基礎となった知見）
図７に示すランキンサイクル装置によれば、隔壁３０５を介して、バイパス流路３０２から熱交換部３００へと熱が流入する。そのため、熱媒体の温度が非常に高いとき、蒸発器（熱交換部）の出口における作動流体の圧力が過剰に上昇する可能性がある。このことは、発電効率の観点から望ましくない。

図５のグラフは、膨張比と有効発電量との関係を示している。有効発電量とは、発電機で生成された電力からポンプなどの補機で消費された電力を引いて得られる正味の発電量を意味する。膨張機の入口における作動流体の圧力が上がると膨張機における膨張比が増加するので、発電機で生成される電力は増える。しかし、作動流体の圧力が上がると、ポンプの負荷が大幅に増加する。その結果、図５に示すように、有効発電量は、特定の膨張比Ｐｍでピーク発電量Ｅｍを示す。ランキンサイクル装置を高い効率で運転するためには、膨張比が特定の膨張比Ｐｍに収斂するように、膨張機の入口における作動流体の圧力が調節されることが望ましい。

本開示の第１態様にかかるランキンサイクル装置は、
膨張機、凝縮器、ポンプ及び蒸発器を有し、これらの機器がこの順番で環状に接続されており、有機作動流体が循環するランキンサイクル回路と、
前記蒸発器が配置された主流路と前記蒸発器を迂回するバイパス流路とを有し、第１熱媒体を生成する熱源に接続されたダクトと、
前記ダクトの内部に配置され、前記主流路における前記第１熱媒体の流量と前記バイパス流路における前記第１熱媒体の流量とを調節する第１流量調節機構と、
前記ダクトの内部空間及び前記ランキンサイクル回路から隔離された流路であって、前記蒸発器に沿って配置された熱交換器を有し、第２熱媒体が流れる冷却流路と、
を備えたものである。

例えば、第１熱媒体の温度が上昇したとき、及び／又は、第１熱媒体の流量が増加したとき、第１熱媒体の全流量Ｍに対する主流路における第１熱媒体の流量Ｍ１の比率（Ｍ１／Ｍ）が減少するように第１流量調節機構が制御される。これにより、膨張機の入口（蒸発器の出口）における作動流体の過熱度が適切な値に維持されうる。また、第１熱媒体の温度よりも低い温度の第２熱媒体を冷却流路に流すと、冷却流路の熱交換器において、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換が行われる。これにより、第１熱媒体の温度が下がる。第１熱媒体の温度が下がると、蒸発器において作動流体が第１熱媒体から受け取る熱が減少し、作動流体の圧力の過上昇が防止される。特に、バイパス流路を流れる第１熱媒体から作動流体へと移動する熱が減少する。その結果、ポンプの負荷の増大が抑制され、高い発電効率でランキンサイクル装置を運転できる。

本開示の第２態様において、例えば、第１態様にかかるランキンサイクル装置の前記熱交換器は、前記主流路と前記バイパス流路とを隔てている隔壁を含み、前記蒸発器が前記隔壁に接している。このような構成によれば、第１熱媒体の温度よりも低い温度の第２熱媒体を冷却流路に流すことによって、バイパス流路を流れる第１熱媒体から作動流体へと熱が移動することを確実に抑制できる。

本開示の第３態様において、例えば、第１又は第２態様にかかるランキンサイクル装置は、前記冷却流路に配置され、前記冷却流路おける前記第２熱媒体の流量を調節する第２流量調節機構をさらに備えている。第２流量調節機構によって冷却流路おける第２熱媒体の流量が調節されると、冷却流路の熱交換器が第１熱媒体から吸収する熱量を調節することができる。これにより、蒸発器において作動流体が第１熱媒体から受け取る熱量を調節することができ、ひいては膨張機の入口における作動流体の圧力を調節することができる。

本開示の第４態様において、例えば、第３態様にかかるランキンサイクル装置の前記第２流量調節機構は、前記膨張機の膨張比が所定範囲に収まるように制御される。第４態様によれば、ポンプの負荷が抑えられるので、ランキンサイクル装置がより効率的に運転されうる。

本開示の第５態様において、例えば、第１〜第４態様のいずれか１つにかかるランキンサイクル装置の前記第１流量調節機構は、前記膨張機の入口における前記作動流体の過熱度が所定範囲に収まるように制御される。第５態様によれば、ランキンサイクル装置が効率的に運転されうる。

本開示の第６態様において、例えば、第１〜第５態様のいずれか１つにかかるランキンサイクル装置の前記冷却流路は、前記熱源に供給されるべき燃料又は空気を予熱するエコノマイザである。第６態様によれば、熱源の効率が向上するので、システム全体の効率が向上する。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。

図１に示すように、本実施形態の発電設備２００は、ランキンサイクル装置１００及び熱源１０４を備えている。熱源１０４は、高温の第１熱媒体Ｇ１を生成する。第１熱媒体Ｇ１は、熱源１０４からランキンサイクル装置１００に供給される。ランキンサイクル装置１００は、第１熱媒体Ｇ１の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。

熱源１０４の種類は特に限定されない。第１熱媒体Ｇ１の種類も特に限定されない。熱源１０４では、例えば、１００〜５００℃程度の高温の第１熱媒体Ｇ１が生成される。一例において、熱源１０４は、ごみ焼却炉、燃焼炉、焼成炉などの炉である。この場合、熱源１０４から排気ガス、燃焼空気などの高温のガスが第１熱媒体Ｇ１としてランキンサイクル装置１００に供給される。他の例において、熱源１０４は、蒸気プラントなどの工場である。この場合、熱源１０４から高温の蒸気又は高温の排液が第１熱媒体Ｇ１としてランキンサイクル装置１００に供給される。他の例において、熱源１０４は、地熱源、温泉などの天然の蒸気源である。この場合、熱源１０４から高温の蒸気が第１熱媒体Ｇ１としてランキンサイクル装置１００に供給される。その他、第１熱媒体Ｇ１として、オイルなどの流体がランキンサイクル装置１００に供給されてもよい。

ランキンサイクル装置１００は、ランキンサイクル回路１０、ダクト１０６及び冷却流路３０を備えている。

ランキンサイクル回路１０は、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３及び蒸発器１４を有する。これらの機器は、複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。ランキンサイクル回路１０には、作動流体が充填されている。ランキンサイクル回路１０には、公知の再生器などが設けられていてもよい。

膨張機１１は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機１１の回転軸に発電機１７が接続されている。膨張機１１によって発電機１７が駆動される。膨張機１１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。膨張タービンとして、軸流タービン、斜流タービン及びラジアルタービンが挙げられる。

凝縮器１２は、空気などの冷却媒体と膨張機１１から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却する。凝縮器１２として、フィンアンドチューブ式熱交換器、プレート式熱交換器、二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。凝縮器１２の種類は、冷却媒体の種類に応じて適切に選択される。冷却媒体が空気などの気体のとき、フィンアンドチューブ式熱交換器を凝縮器１２に好適に使用できる。冷却媒体が水などの液体のとき、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器を凝縮器１２に好適に使用できる。

ポンプ１３は、凝縮器１２から流出した作動流体を吸い込んで加圧し、加圧された作動流体を蒸発器１４に供給する。ポンプ１３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。

蒸発器１４は、第１熱媒体Ｇ１の熱エネルギーを吸収する熱交換器である。蒸発器１４は、例えばフィンアンドチューブ式熱交換器である。熱源１０４からダクト１０６の出口１０６ｄに向かって第１熱媒体Ｇ１が流れるとき、第１熱媒体Ｇ１が蒸発器１４を通過する。このとき、第１熱媒体Ｇ１と作動流体とが蒸発器１４において熱交換する。これにより、作動流体が加熱され、蒸発する。

ランキンサイクル装置１００の作動流体として、有機作動流体を好適に使用できる。有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。

ダクト１０６は、入口１０６ｃ、出口１０６ｄ、主流路２４ａ及びバイパス流路２４ｂを有する。入口１０６ｃが熱源１０４に接続されている。主流路２４ａ及びバイパス流路２４ｂは、それぞれ、ダクト１０６の内部空間の一部であって、第１熱媒体Ｇ１の流路である。主流路２４ａには、蒸発器１４が配置されている。バイパス流路２４ｂは、第１熱媒体Ｇ１が蒸発器１４を迂回して流れるように構成されている。ダクト１０６を通じて、熱源１０４から蒸発器１４に高温の第１熱媒体Ｇ１が供給される。ダクト１０６は、例えば、十分に大きい流路断面積を有する配管によって形成されている。

冷却流路３０は、ダクト１０６の内部空間及びランキンサイクル回路１０から隔離された流路であって、第２熱媒体Ｇ２が流れる流路である。冷却流路３０は、熱交換器３２及び複数の配管によって構成されている。熱交換器３２は、ダクト１０６の内部において、蒸発器１４に沿って配置されている。本実施形態では、熱交換器３２は、第１熱媒体Ｇ１の流れ方向に平行な方向に延びている。主流路２４ａとバイパス流路２４ｂとが熱交換器３２によって隔てられている。言い換えると、主流路２４ａとバイパス流路２４ｂとの間に熱交換器３２が位置している。

第２熱媒体Ｇ２の例には、水、ブライン、オイルなどが含まれる。第１熱媒体Ｇ１の温度よりも低い温度の第２熱媒体Ｇ２を冷却流路３０に流すと、熱交換器３２において、第１熱媒体Ｇ１と第２熱媒体Ｇ２との間で熱交換が行われる。これにより、第１熱媒体Ｇ１の温度が下がる。第１熱媒体Ｇ１の温度が下がると、蒸発器１４において作動流体が第１熱媒体Ｇ１から受け取る熱が減少する。特に、バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から作動流体への熱移動が妨げられる。これにより、作動流体が過度に加熱されることを防止できる。

ランキンサイクル装置１００は、さらに、第１流量調節機構２７及び制御器１６を備えている。

第１流量調節機構２７は、ダクト１０６の内部に配置されており、主流路２４ａにおける第１熱媒体Ｇ１の流量とバイパス流路２４ｂにおける第１熱媒体Ｇ１の流量とを調節する役割を担う。第１流量調節機構２７によれば、バイパス流路２４ｂに第１熱媒体Ｇ１を流すことによって、蒸発器１４に供給される第１熱媒体Ｇ１の流量を制限することができる。これにより、蒸発器１４において作動流体が過度に加熱されることが防止され、作動流体の圧力の過上昇が防止される。

第１流量調節機構２７は、第１熱媒体Ｇ１の全流量Ｍに対する主流路２４ａにおける第１熱媒体Ｇ１の流量Ｍ１の比率（Ｍ１／Ｍ）を段階的又は連続的に調節する機能（分配機能）を有している。言い換えれば、第１流量調節機構２７は、第１熱媒体Ｇ１の全流量Ｍに対するバイパス流路２４ｂにおける第１熱媒体Ｇ１の流量Ｍ２の比率（Ｍ２／Ｍ）を段階的又は連続的に調節する機能（分配機能）を有している。このような機能によれば、熱源１０４の状況、必要な発電量などに応じて、各流路における第１熱媒体Ｇ１の流量を調節できる。例えば、熱源１０４で大量の熱が発生したとき、第１熱媒体Ｇ１の一部を主流路２４ａに流し、第１熱媒体Ｇ１の残部をバイパス流路２４ｂに流すことができる。このようにすれば、蒸発器１４における作動流体の過昇温を防止しつつ、ランキンサイクル装置１００を安定的に運転することができる。ただし、第１流量調節機構２７がそのような分配機能を有していることは必須ではない。第１流量調節機構２７は、第１熱媒体Ｇ１の全量を主流路２４ａに流すモードと第１熱媒体Ｇ１の全量をバイパス流路２４ｂに流すモードとから選ばれるいずれかのモードのみで動作するように構成されていてもよい。

本実施形態において、第１流量調節機構２７はダンパー式の調節機構である。詳細には、第１流量調節機構２７は、ダンパー２５及びアクチュエータ２６を含む。第１流量調節機構２７は、制御器１６によって電気的に制御される。ダンパー２５はアクチュエータ２６にリンクしており、アクチュエータ２６によってダンパー２５が動かされる。アクチュエータ２６は、モータ、ソレノイドなどである。ダンパー２５の位置に応じて、流量の比率（Ｍ１／Ｍ，Ｍ２／Ｍ）が設定される。

本実施形態において、第１流量調節機構２７は、蒸発器１４よりも第１熱媒体Ｇ１の流れ方向における上流側に配置されている。具体的には、主流路２４ａとバイパス流路２４ｂとの分岐位置（熱交換器３２の上流端）に第１流量調節機構２７が配置されている。このような位置に第１流量調節機構２７が配置されていると、蒸発器１４への熱媒体の供給を確実に停止することができる。

本実施形態において、第１流量調節機構２７は、アクチュエータ２６によって作動する。アクチュエータ２６は、制御器１６によって制御される。このような構成によれば、第１流量調節機構２７を遠隔から作動させることができる。なお、第１流量調節機構２７の構造は特に限定されない。第１流量調節機構２７は、スライド式、バタフライ式、二方式バルブ、三方式バルブによる流量調節機構であってもよい。

第１熱媒体Ｇ１の温度が上昇したとき、及び／又は、第１熱媒体Ｇ１の流量が増加したとき、第１熱媒体Ｇ１の全流量Ｍに対する主流路２４ａにおける第１熱媒体Ｇ１の流量Ｍ１の比率（Ｍ１／Ｍ）が減少するように第１流量調節機構２７が制御される。これにより、膨張機１１の入口（蒸発器１４の出口）における作動流体の過熱度が適切な値に維持されうる。

第１熱媒体Ｇ１の温度よりも低い温度の第２熱媒体Ｇ２を冷却流路３０に流すと、冷却流路３０の熱交換器３２において、第１熱媒体Ｇ１と第２熱媒体Ｇ２との間で熱交換が行われる。これにより、第１熱媒体Ｇ１の温度が下がる。第１熱媒体Ｇ１の温度が下がると、蒸発器１４において作動流体が第１熱媒体Ｇ１から受け取る熱が減少し、作動流体の圧力の過上昇が防止される。特に、バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から作動流体へと移動する熱が減少する。その結果、ポンプ１３の負荷の増大が抑制され、高い発電効率でランキンサイクル装置１００を運転できる。

図２に示すように、熱交換器３２は、伝熱管３４及び隔壁３５を有する。隔壁３５は、第１壁面３５ｐ及び第２壁面３５ｑを有する。第１壁面３５ｐは、主流路２４ａに面している。第２壁面３５ｑは、バイパス流路２４ｂに面している。第１壁面３５ｐ及び第２壁面３５ｑは、それぞれ、第１熱媒体Ｇ１の流れ方向に平行な方向に延びている。隔壁３５は、主流路２４ａとバイパス流路２４ｂとを隔てている。伝熱管３４は、蛇行しており、第１壁面３５ｐと第２壁面３５ｑとの間に位置している。具体的には、隔壁３５は、蛇行した伝熱管３４を収容している容器の形状を有する。隔壁３５の内部空間は、ダクト１０６の内部空間から隔離されていてもよいし、ダクト１０６の内部空間に連通していてもよい。

本実施形態では、蒸発器１４が隔壁３５に接している。詳細には、蒸発器１４は、隔壁３５の第１壁面３５ｐに接している。蒸発器１４がフィンアンドチューブ式熱交換器であるとき、蒸発器１４の複数のフィン及び複数の伝熱管の少なくとも一方が隔壁３５に直接接している。このような構成によれば、第１熱媒体Ｇ１の温度よりも低い温度の第２熱媒体Ｇ２を冷却流路３０に流すことによって、バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から作動流体へと熱が移動することを確実に抑制できる。熱交換器３２を流れる第２熱媒体Ｇ２によって、蒸発器１４を流れる作動流体の熱を吸い取ることも可能である。したがって、上記した効果がより確実に得られる。

ランキンサイクル装置１００は、さらに、第２流量調節機構３７を備えている。

第２流量調節機構３７は、冷却流路３０に配置されており、冷却流路３０おける第２熱媒体Ｇ２の流量を調節する。本実施形態において、第２流量調節機構３７は、流量調整弁である。第２流量調節機構３７は、ポンプであってもよく、ポンプと流量調整弁との組合せであってもよい。第２流量調節機構３７は、制御器１６によって電気的に制御されうる。第２流量調節機構３７によって冷却流路３０おける第２熱媒体Ｇ２の流量が調節されると、冷却流路３０の熱交換器３２が第１熱媒体Ｇ１から吸収する熱量を調節することができる。これにより、蒸発器１４において作動流体が第１熱媒体Ｇ１から受け取る熱量を調節することができ、ひいては膨張機１１の入口における作動流体の圧力を調節することができる。

ランキンサイクル装置１００は、さらに、温度センサ５１、圧力センサ５２及び圧力センサ５３を備えている。温度センサ５１及び圧力センサ５２は、蒸発器１４の出口と膨張機１１の入口との間において、ランキンサイクル回路１０に配置されている。温度センサ５１は、膨張機１１の入口における作動流体の温度（いわゆる吸入温度）を検出する。圧力センサ５２は、膨張機１１の入口における作動流体の圧力（いわゆる吸入圧力）を検出する。圧力センサ５３は、膨張機１１の出口と凝縮器１２との間において、ランキンサイクル回路１０に配置されている。圧力センサ５３は、膨張機１１の出口における作動流体の圧力（いわゆる吐出圧力）を検出する。

制御器１６は、第１流量調節機構２７、第２流量調節機構３７などの制御対象を制御する。センサ５１〜５３の検出信号は、制御器１６に入力される。制御器１６として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器１６には、ランキンサイクル装置１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。

次に、ランキンサイクル装置１００の運転について説明する。

図３は、ランキンサイクル装置１００を運転するための処理を示すフローチャートである。制御器１６は、図３のフローチャートの各処理を所定の制御周期で実行する。ステップＳ１〜Ｓ６において、膨張機１１の入口における作動流体の過熱度ＳＨが所定範囲に収まるように、第１流量調節機構２７を制御する。ステップＳ７〜Ｓ９において、膨張比が所定範囲に収まるように、第２流量調節機構３７を制御する。膨張比は、膨張機１１の出口における作動流体の圧力Ｐ２に対する膨張機１１の入口における作動流体の圧力Ｐ１の比率（Ｐ１／Ｐ２）で表される。

ステップＳ１において、センサ５１，５２及び５３から、膨張機１１の入口における作動流体の温度Ｔ１、膨張機１１の入口における作動流体の圧力Ｐ１、及び、膨張機１１の出口における作動流体の圧力Ｐ２をそれぞれ取得する。ステップＳ２において、制御器１６に記憶されたテーブルを参照して、圧力Ｐ１に対応するサイクルの高圧側の飽和温度Ｔ２を特定する。飽和温度Ｔ２は、計算式によって算出されてもよい。ステップＳ３において、膨張機１１の入口における作動流体の過熱度ＳＨ（＝Ｔ１−Ｔ２）を算出する。

次に、ステップＳ４〜Ｓ６において、過熱度ＳＨが所定範囲に収まるように第１流量調節機構２７を制御する。

ステップＳ４において、過熱度ＳＨが所定範囲にあるか否かを判断する。具体的には、過熱度ＳＨが所定範囲の上限値ｔ２よりも大きい場合、ステップＳ５において、第１流量調節機構２７のダンパー２５を主流路２４ａの方向に動かす。これにより、バイパス流路２４ｂの入口の流路断面積が拡大し、主流路２４ａにおける第１熱媒体Ｇ１の流量が減少し、過熱度ＳＨが減少する。過熱度ＳＨが所定範囲の下限値ｔ１以下の場合、ステップＳ６において、第１流量調節機構２７のダンパー２５をバイパス流路２４ｂの方向に動かす。これにより、バイパス流路２４ｂの入口の流路断面積が減少し、主流路２４ａにおける第１熱媒体Ｇ１の流量が増加し、過熱度ＳＨが増加する。過熱度ＳＨが所定範囲にある場合、第１流量調節機構２７のダンパー２５の位置を現在の位置に維持する。所定範囲の下限値ｔ１及び上限値ｔ２は、作動流体の種類に応じて定められる。ランキンサイクル装置１００において、発電効率が最大になる運転条件が存在する。下限値ｔ１及び上限値ｔ２は、例えば、この運転条件における最適な過熱度ＳＨ±５Ｋの範囲内で定められる。過熱度ＳＨの下限値ｔ１及び上限値ｔ２は、ランキンサイクル装置１００の安定性を考慮して設定されうる。ステップＳ４〜Ｓ６によって、ランキンサイクル装置１００が効率的に運転されうる。

次に、ステップＳ７〜Ｓ９において、膨張比（Ｐ１／Ｐ２）が所定範囲に収まるように第２流量調節機構３７を制御する。

ステップＳ７において、膨張比（Ｐ１／Ｐ２）が所定範囲にあるか否かを判断する。具体的には、膨張比（Ｐ１／Ｐ２）が所定範囲の上限値Ｒ４よりも大きい場合、ステップＳ８において、第２流量調節機構３７の開度を増やす。これにより、冷却流路３０における第２熱媒体Ｇ２の流量が増加する。冷却流路３０における第２熱媒体Ｇ２の流量が増加すると、蒸発器１４において第１熱媒体Ｇ１から作動流体に移動する熱が減少する。特に、バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から作動流体への熱移動が妨げられる。その結果、膨張機１１の入口における作動流体の圧力Ｐ１が低下し、膨張比（Ｐ１／Ｐ２）も減少する。膨張比（Ｐ１／Ｐ２）が所定範囲の下限値Ｒ３以下の場合、ステップＳ９において、第２流量調節機構３７の開度を減らす。これにより、冷却流路３０における第２熱媒体Ｇ２の流量が減少する。冷却流路３０における第２熱媒体Ｇ２の流量が減少すると、蒸発器１４において第１熱媒体Ｇ１から作動流体に移動する熱が増加する。バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から作動流体への熱移動も活発化する。その結果、膨張機１１の入口における作動流体の圧力Ｐ１が上昇し、膨張比（Ｐ１／Ｐ２）も増加する。膨張比（Ｐ１／Ｐ２）が所定範囲にある場合、第２流量調節機構３７の開度を現在の開度に維持する。ステップＳ７〜Ｓ９によって、ポンプ１３の負荷が抑えられるので、ランキンサイクル装置１００がより効率的に運転されうる。

本実施形態によれば、第１流量調節機構２７によって蒸発器１４に供給される第１熱媒体Ｇ１の流量を調節しつつ、第２流量調節機構３７によって冷却流路３０の熱交換器３２における第２熱媒体Ｇ２の流量を調節できる。そのため、第１熱媒体Ｇ１の温度が高い場合、あるいは、第１熱媒体Ｇ１の流量が大きい場合にも、ランキンサイクル装置１００を高い発電効率にて運転することができる。

図５を参照して説明したように、膨張比が特定の膨張比Ｐｍを示すとき、有効発電量がピーク発電量Ｅｍを示す。ランキンサイクル装置１００を高い効率で運転するためには、膨張比が特定の膨張比Ｐｍに収斂するように、膨張機１１の入口における作動流体の圧力が調節されることが望ましい。膨張比の上限値Ｒ４及び下限値Ｒ３は、例えば、有効発電量がピーク発電量Ｅｍの９０％以上を示すように定められる。

図４は、ランキンサイクルのモリエル線図である。作動流体は、ポンプ１３によって昇圧され（点Ａ→点Ｂ）、蒸発器１４において第１熱流体Ｇ１から熱を回収して気化する（点Ｂ→点Ｃ）。膨張機１１において作動流体が膨張し、発電機１７において動力が電力に変換される（点Ｃ→点Ｄ）。作動流体は、凝縮器１２において冷却されて液化する（点Ｄ→点Ａ）。点Ｃにおける作動流体の比エンタルピーｈ２と点Ｄにおける作動流体の比エンタルピーｈ３との差（ｈ２−ｈ３）に膨張機１１（発電機１７）の効率を乗ずることによって発電量が算出される。発電効率は、蒸発器１４で回収された熱量に対する発電量の比率（ｈ２−ｈ３）／（ｈ２−ｈ４）に膨張機１１（発電機１７）の効率を乗ずることによって算出される。「ｈ４」は、点Ｂにおける作動流体の比エンタルピーである。

第１熱流体Ｇ１の温度が上昇すると、第１熱流体Ｇ１と作動流体との温度差が拡大するため、作動流体の圧力も上昇する。蒸発器１４における作動流体の変化は、点Ｅ及び点Ｆによって表される。点Ｆにおける作動流体の比エンタルピーｈ１は、点Ｃにおける比エンタルピーｈ２よりも大きいので、発電量が増加する。

しかし、ポンプ１３における昇圧幅が増加し、ポンプ１３の消費電力が増加するので、作動流体の圧力上昇に伴って有効発電量が単調増加するとは限らない。図５を参照して説明したように、有効発電量は、特定の膨張比Ｐｍでピーク発電量Ｅｍを示す。ランキンサイクル装置１００を高い効率で運転するためには、膨張機１１の入口における作動流体の圧力が最適な範囲に収まるように、制御を行うことが重要である。

冷却流路３０は、ランキンサイクル装置１００の発電効率を高める目的だけでなく、ランキンサイクル装置１００を安全に停止させる目的でも使用されうる。ランキンサイクル装置１００を停止させるとき、冷却流路３０に第２熱媒体Ｇ２を流すと、停止直後の余熱を取り除くことができる。この場合、ポンプ１３を停止させたとしても、余熱によって作動流体の圧力が上昇することを防止できるので、ランキンサイクル装置１００を安全に停止させることが可能である。

冷却流路３０は、熱源１０４からランキンサイクル装置１００への第１熱媒体Ｇ１の供給を止めることが難しい場合にも有用である。例えば、ランキンサイクル装置１００の故障時又はメンテナンス時において、主流路２４ａを閉鎖し、第１熱媒体Ｇ１の全量がバイパス流路２４ｂに供給されるように、第１流量調節機構２７が制御される。併せて、冷却流路３０に第２熱媒体Ｇ２を流せば、バイパス流路２４ｂを流れる第１熱媒体Ｇ１から蒸発器１４への伝熱を確実に防止できる。第１熱媒体Ｇ１がダクト１０６に供給され続けたとしても、ランキンサイクル装置１００の運転を安全に停止させることが可能であり、修理又はメンテナンスも行える。作動流体の分解反応が発生することも防止できる。

（変形例）
図６Ａに示すように、冷却流路３０は、第２熱媒体Ｇ２が循環する閉回路であってもよい。図６Ａに示す変形例において、冷却流路３０には、ポンプ４０及び第２熱交換器４２がさらに設けられている。ポンプ４０は、回転数が可変のポンプであってもよい。ポンプ４０は、第２流量調節機構の一部であってもよい。第２熱媒体Ｇ２は、熱交換器３２（第１熱交換器）において加熱されたのち、第２熱交換器４２で冷却される。第２熱交換器４２は、フィンアンドチューブ式熱交換器などの気−液熱交換器であってもよいし、プレート式熱交換器などの液−液熱交換器であってもよい。第２熱交換器４２が気−液熱交換器であるとき、第２熱媒体Ｇ２は、第２熱交換器４２において、空気によって冷却されうる。第２熱交換器４２が液−液熱交換器であるとき、第２熱媒体Ｇ２は、第２熱交換器４２において、冷却水によって冷却されうる。

第２熱交換器４２がフィンアンドチューブ式熱交換器などの気−液熱交換器であるとき、図６Ｂに示すように、第２熱交換器４２において加熱された空気Ｇ３は、供給路４４を通じて、熱源１０４に供給されてもよい。加熱された空気Ｇ３は、熱源１０４において、燃料を燃焼させるために使用される。つまり、冷却流路３０は、熱源１０４に供給されるべき空気を予熱するエコノマイザでありうる。空気に代えて、熱源１０４の燃料ガスが供給路４４に供給されてもよい。熱源１０４は、例えば、ボイラである。このような構成によれば、熱源１０４の効率が向上するので、システム全体の効率が向上する。あるいは、冷却流路３０がエコノマイザの機能を有していない場合においても、冷却流路３０において加熱された第２熱媒体Ｇ２が空調又は給湯に利用されてもよい。

本明細書に開示された技術は、ボイラを用いた発電設備、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱を回収して発電を行う発電設備、及び、ＣＨＰシステムなどのコジェネレーションシステムに有用である。本明細書に開示された技術は、特に、電力需要が頻繁に変化するシステムに有用である。

１０ ランキンサイクル回路
１１ 膨張機
１２ 凝縮器
１３ ポンプ
１４ 蒸発器
１６ 制御器
１７ 発電機
２４ａ 主流路
２４ｂ バイパス流路
２５ ダンパー
２６ アクチュエータ
２７ 第１流量調節機構
３０ 冷却流路
３２ 熱交換器
３４ 伝熱管
３５ 隔壁
３５ｐ 第１壁面
３５ｑ 第２壁面
３７ 第２流量調節機構
５１ 温度センサ
５２，５３ 圧力センサ
１００ ランキンサイクル装置
１０４ 熱源
１０６ ダクト
２００ 発電設備

Claims (6)

1. 膨張機、凝縮器、ポンプ及び蒸発器を有し、これらの機器がこの順番で環状に接続されており、有機作動流体が循環するランキンサイクル回路と、
   前記蒸発器が配置された主流路と前記蒸発器を迂回するバイパス流路とを有し、第１熱媒体を生成する熱源に接続されたダクトと、
   前記ダクトの内部に配置され、前記主流路における前記第１熱媒体の流量と前記バイパス流路における前記第１熱媒体の流量とを調節する第１流量調節機構と、
   前記ダクトの内部空間及び前記ランキンサイクル回路から隔離された流路であって、前記蒸発器に沿って配置された熱交換器を有し、第２熱媒体が流れる冷却流路と、
   を備えた、ランキンサイクル装置。
2. 前記熱交換器は、前記主流路と前記バイパス流路とを隔てている隔壁を含み、
   前記蒸発器が前記隔壁に接している、請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 前記冷却流路に配置され、前記冷却流路おける前記第２熱媒体の流量を調節する第２流量調節機構をさらに備えた、請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置。
4. 前記第２流量調節機構は、前記膨張機の膨張比が所定範囲に収まるように制御される、請求項３に記載のランキンサイクル装置。
5. 前記第１流量調節機構は、前記膨張機の入口における前記作動流体の過熱度が所定範囲に収まるように制御される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
6. 前記冷却流路は、前記熱源に供給されるべき燃料又は空気を予熱するエコノマイザである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
   
   
   

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