JP4684762B2 - Power generator - Google Patents
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Description
本発明は発電装置に関し、特に周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generation device, and more particularly to a power generation device capable of obtaining high power generation efficiency even when the surrounding environmental conditions change and the operating state changes.
エネルギの有効利用が喫緊の課題となっている今日において、未利用エネルギを有効活用できる装置として、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムで、排熱を利用して作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を蒸気タービンに供給し発電機を駆動して電力を得る廃熱発電装置が知られている(例えば特許文献1参照)。発電装置は、便宜上、商用電源と系統連系して利用されることが多い。このとき、発電装置の発電機は、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する。 Today, the effective use of energy is an urgent issue. As a device that can make effective use of unused energy, a closed system that uses the Rankine cycle uses a waste heat to evaporate the working medium, and the working medium vapor There is known a waste heat power generation apparatus that supplies electric power to a steam turbine to obtain electric power by driving a generator (see, for example, Patent Document 1). The power generator is often used in a grid connection with a commercial power source for convenience. At this time, the generator of the power generator operates so as to keep the rotation speed of the steam turbine rotor blade constant in order to synchronize the frequency of the generated power with the frequency of the system power.
他方、このような発電装置における発電量は、周囲の環境温度によって変動し得る。すなわち、周囲の環境温度が低下(上昇)すると蒸気タービンに供給され機械仕事に変換される熱量が増加(減少)し、発電機の駆動力が増加(減少)するために発電量が変動する場合がある。このように周囲の環境条件が変動しても、発電電力の周波数を系統電力の周波数と同調させるためには、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転する必要があった。
しかしながら、発電装置の発電効率は蒸気タービンの運転効率に依存するため、蒸気タービン動翼の回転速度を一定にするように運転しようとすると、いきおい蒸気タービンの効率の悪い点で運転せざるを得ず、これに伴って発電装置の発電効率の悪化を甘受せざるを得ないこととなっていた。 However, since the power generation efficiency of the power generation device depends on the operation efficiency of the steam turbine, if the operation is performed so that the rotation speed of the steam turbine rotor blade is constant, the steam turbine must be operated at the point where the efficiency of the steam turbine is poor. In connection with this, it had to accept the deterioration of the power generation efficiency of a power generator.
本発明は上述の課題に鑑み、周囲の環境条件が変化して運転状態が変化しても高い発電効率を得ることができる発電装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a power generation apparatus that can obtain high power generation efficiency even when the ambient environmental conditions change and the operating state changes.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機30と;前記動翼の周速度の、作動媒体Mの膨張機20における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置60とを備える。ここで、所定の値は、典型的には、膨張機20の運転効率が最高となる値であり、幅を有していてもよい。
In order to achieve the above object, a power generator according to a first aspect of the present invention includes a
このように構成すると、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。 With this configuration, the rotational speed of the moving blade is controlled so that the ratio of the peripheral speed of the moving blade to the theoretical speed obtained from the heat drop in the expander of the working medium becomes a predetermined value. Even if it fluctuates, it becomes possible to operate the expander at a high-efficiency operating point following this, and high power generation efficiency can be obtained.
また、請求項2に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、請求項1に記載の発電装置において、発電した電力が交流電力Eaであって、交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と;直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62と;膨張機20に導入される蒸発した作動媒体Mのエンタルピと凝縮器40で凝縮した作動媒体Mのエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段85、91、92と;前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段84と;直流電力Edの電圧を検知する直流電圧検知器88とを備え;制御装置60が、エンタルピ差検知手段85、91、92で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、直流電圧検知器88で検知する電圧Edを所定の電圧に調節することにより、速度検知手段84で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成されている。
Further, as shown in FIG. 1, for example, in the power generator according to
このように構成すると、エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より理論速度を算出し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件の変動に対して理論速度を算出し、これに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。 With this configuration, the theoretical speed is calculated from the enthalpy difference detected by the enthalpy difference detecting means, and the rotation of the moving blade detected by the speed detecting means is adjusted by adjusting the voltage detected by the DC voltage detector to a predetermined voltage. Since the speed is controlled, it is possible to calculate the theoretical speed with respect to fluctuations in the surrounding environmental conditions, and to follow this to operate the expander at a high-efficiency operating point, thereby obtaining high power generation efficiency. In addition, since it includes a rectifier that converts the generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect the grid power to the grid power without maintaining a constant rotation speed of the rotor blades of the expander.
また、請求項3に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動され、交流電力Eaを発電する発電機30と;発電した交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と;直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62と;膨張機20に導入される蒸発した作動媒体Mの飽和温度と凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段85、91と;前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段84と;直流電力Edの電圧を検知する直流電圧検知器88と;温度差検知手段85、91で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器88で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段84で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置60とを備える。
Further, for example, as shown in FIG. 1, the power generator according to the invention described in
このように構成すると、温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度を決定し、直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、速度検知手段で検知する動翼の回転速度が所定の回転速度となるように制御するので、周囲の環境条件の変動に対してあらかじめ関連づけられた温度差に対応する動翼の所定の回転速度にして膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備えるので、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。 With this configuration, the predetermined rotational speed of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance is determined from the temperature difference detected by the temperature difference detecting means, and the voltage detected by the DC voltage detector is set to the predetermined voltage. By adjusting, the rotational speed of the moving blade detected by the speed detecting means is controlled to be a predetermined rotational speed. Therefore, the moving blade of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance with fluctuations in the surrounding environmental conditions is controlled. The expander can be operated at a high-efficiency operating point at a predetermined rotational speed, and high power generation efficiency can be obtained. In addition, since it includes a rectifier that converts the generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect the grid power to the grid power without maintaining a constant rotation speed of the rotor blades of the expander.
本発明によれば、動翼の周速度の、作動媒体の膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように動翼の回転速度を制御するので、周囲の環境条件が変動してもこれに追従して膨張機を高効率運転点で運転することが可能となり、高い発電効率を得ることができる。また、発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力を交流電力に変換するインバータとを備える場合は、発電機で発電した電力の周波数を系統電力の周波数とインバータによって同調させることができ、膨張機の動翼の回転速度を一定に維持することなく系統電力と系統連系することができる。 According to the present invention, the rotational speed of the moving blade is controlled so that the ratio of the peripheral speed of the moving blade to the theoretical speed obtained from the heat drop in the expander of the working medium becomes a predetermined value. Even if it fluctuates, it becomes possible to operate the expander at a high-efficiency operating point following this, and high power generation efficiency can be obtained. In addition, when a rectifier that converts generated AC power into DC power and an inverter that converts DC power into AC power are provided, the frequency of the power generated by the generator can be tuned by the frequency of the system power and the inverter. It is possible to connect to the grid power without maintaining the rotation speed of the rotor blades of the expander constant.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding devices are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る発電装置の構成を説明する。図1は、発電装置1の構成を説明するブロック図である。
発電装置1は、加熱媒体Hと熱交換することにより作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と、蒸発した作動媒体Mを膨張させて機械的動力を得る膨張機20と、膨張機20とシャフトを介して接続され膨張機20からの機械的動力により駆動されて交流電力Eaを発電する発電機30と、膨張した作動媒体Mを、冷却媒体Cと熱交換して凝縮させる凝縮器40と、冷却媒体Cを凝縮器40に導入する冷却媒体導入手段41と、制御装置60と、発電機30で発電した交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と、整流器61で変換した直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62とを備えている。
With reference to FIG. 1, the structure of the electric power generating apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the
The
ここで、作動媒体として、沸点が40℃前後のジクロロトリフルオロエタンHCFC123あるいはトリフルオロエタノールCF3CH2OH等を用いると、200〜400℃程度の排ガスあるいは100〜150℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギをまず作動媒体Mの高圧蒸気に変換し、これにより膨張機20で発電機30に直結したタービン(不図示)を回転駆動し、発電を行うことができる。また、圧力が高くなるので、膨張機20などのコンパクト化が図れる。ただし、作動媒体Mは、これらに限られることはなく、ペンタフルオロプロパンR245fa等のその他のフロン類、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、アルコール等でもよく、水でもよい。また、加熱媒体Hは、焼却炉の排ガス、排温水、エンジンのジャケット温水等、作動媒体Mを蒸発させる熱を有していればよい。発電装置1は、加熱媒体Hを蒸気発生器10に圧送する加熱媒体搬送機16を備えており、加熱媒体搬送機16は、発電機30で発電した電力あるいは商用電力により作動するように構成されている。なお、冷却媒体Cについては、後述する。
Here, when dichlorotrifluoroethane HCFC123 having a boiling point of around 40 ° C. or trifluoroethanol CF 3 CH 2 OH or the like is used as the working medium, exhaust gas of about 200 to 400 ° C. or exhaust hot water of 100 to 150 ° C. is comparatively used. Using a low-temperature heat source, these heat energies are first converted into high-pressure steam of the working medium M, thereby rotating the turbine (not shown) directly connected to the
蒸気発生器10と膨張機20とは、蒸発した作動媒体Mの流路である配管53で接続されている。配管53には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができる仕切弁51が配設されている。膨張機20と凝縮器40とは、膨張した作動媒体Mの流路である配管54で接続されている。凝縮器40と蒸気発生器10とは、凝縮した作動媒体Mの流路である配管55で接続されている。配管55には、凝縮した作動媒体Mを蒸気発生器10に向かって圧送する作動媒体ポンプ50が配設されている。また、蒸気発生器10と仕切弁51との間の配管53と凝縮器40とは、膨張機20をバイパスして凝縮器40に蒸発した作動媒体Mを導入するバイパス配管56で接続されている。バイパス配管56には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができるバイパス仕切弁52が配設されている。
The
発電機30は、電気ケーブルを介して、整流器61と接続されている。整流器61は、電気ケーブルを介して、インバータ62と接続されている。また、インバータ62は、電気ケーブルを介して、系統電力を供給する商用電源と系統連系している。また、発電機30には、軸受けに送る潤滑油を循環する油配管34が接続され、油配管34には油を循環させる油ポンプ32が配設されている。また、油配管34には油を冷却するオイルクーラー33が配設されている。オイルクーラー33には油を冷却するための油冷却用媒体M1を流す油冷却用配管35が接続されている。本実施の形態では、油冷却用媒体M1として、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの一部を分流して用いている。油冷却用配管35は、作動媒体ポンプ50の二次側の配管55及び凝縮器40に接続されている。
The
発電装置1は、凝縮器40への冷却媒体Cの導入を行う冷却媒体導入手段41を備えている。本実施の形態では、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体としての冷却水Cを凝縮器40に圧送する冷却水ポンプ43と、冷却水Cを冷却する冷却塔42とを含んで構成されている。冷却塔42のファン42f及び冷却水ポンプ43は、それぞれ不図示の電気ケーブルを介してインバータ62と接続されており、発電機30で発電した電力あるいは商用電力を受電して作動するように構成されている。このように、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体Cを、凝縮機40内の作動媒体Mを凝縮させるのに必要な冷熱量を保有するように調整して、凝縮器40に導入するものである。
The
発電装置1は、作動媒体Mの蒸気の温度を検知する蒸気温度検知器91と、作動媒体Mの蒸気の圧力を検知する蒸気圧力検知器92と、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの圧力を作動媒体Mの飽和液の温度から検知するための凝縮温度検知器85とを備えている。蒸気温度検知器91と蒸気圧力検知器92とは一体に構成されていてもよい。簡易的には作動媒体Mの温度あるいは圧力の一方を検知するように構成しても差し支えない。また、凝縮温度検知器85に代えて凝縮圧力検知器95を設け、直接作動媒体Mの凝縮圧力を求めてもよい。また、蒸気温度検知器91に代えて熱源温度検知器94で加熱媒体Hの温度を検知して、これから作動媒体Mの蒸気の温度を算出してもよい。なお、蒸気温度検知器91と凝縮温度検知器85とで膨張機20前後の作動媒体Mの温度差を検知することができ、これらが温度差検知手段を構成している。
The
また、発電装置1は、発電機30が有するロータの回転速度Nを検知する速度検知器84と、発電機30で発電した電流の強さを検知する電流検知器81と、整流器61で変換された直流の電圧の大きさを検知する直流電圧検知器88とを備えている。発電機30のロータ(不図示)と膨張機20の動翼(不図示)とはシャフトを介して連結されているので、ロータの回転速度Nから動翼の回転速度nを検知することができる。発電機30と膨張機20とが増速機又は減速機を介して連結されているときは発電機30のロータの回転速度Nと膨張機20の動翼の回転速度nとは等しくはないが相関関係があり、両者が直結されているときはロータの回転速度Nと動翼の回転速度nとが等しくなる。したがって、速度検知器84は速度検知手段の一つである。また、発電機30による発電電力の周波数とロータの回転速度Nには相関関係があることから、膨張機20の動翼の回転速度nを把握するため、ロータの回転速度Nを検知する代わりに周波数検知器(不図示)で発電電力の周波数を検知してもよい。周波数検知器も速度検知手段の一つである。なお、速度検知手段により、発電機30の過回転速度防止を監視することもできる。発電装置1は、発電機30で発電した電力の大きさを検知する電力検知器82を備えてもよい。
The
さらに、電流検知器81や電力検知器82に代えて、又はこれらの検知器と共に、発電機30が有するステータコイルの温度を検知するコイル温度検知器83、及び凝縮器40に導入される冷却媒体Cの温度を検知する冷却媒体温度検知器86を備えていてもよい。これらの検知器により、膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように、機器の状態を把握することが可能になる。
Further, instead of the
膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように機器の状態を把握することは、発電機30を、電流過大による昇温や過回転速度による軸受けの焼損といった損傷から防ぐ措置を講ずるための指標となる。電流検知器81は、過電流か否かを直接検知することができる。電力検知器82は、発電機30で発電された電気エネルギの量を検知することができる。なお、電力の値は、電流値と電圧値とから算出するようにしてもよい。また、コイル温度検知器83は、発電機30の温度を直接検知することができるので、過昇温防止の対応がしやすくなる。また、冷却媒体温度検知器86は、簡便な手段で作動媒体Mのおおよその凝縮温度を検知することができる。なお、冷却媒体Cを外気と熱交換する場合は、外気温検知器93で検知した外気温によって冷却媒体Cの温度を求めてもよい。
Understanding the rotation speed of the
制御装置60は、典型的には、整流器61、インバータ62、電流検知器81、直流電圧検知器88を含んで構成されている。また、蒸気温度検知器91、蒸気圧力検知器92、凝縮温度検知器85とそれぞれ不図示の信号ケーブルで接続されており、検知器85、91、92で検知した値を取り入れることができるように構成されている。また、各検知器82〜86、93〜95とも不図示の信号ケーブルで接続されており、各検知器82〜86、93〜95で検知した値を取り入れることができるように構成されている。制御装置60は、各検知器器82〜86、91〜95から取り入れた値に基づいて種種の演算ができ、演算した値や各検知器82〜86、91〜95から取り入れた値に基づいて、発電機30の発電電力の調節や発電装置1からの出力電力の調整、ファン42fや冷却水ポンプ43の回転速度の増減等をすることができるように構成されている。また、仕切弁51及びバイパス仕切弁52のそれぞれと不図示の信号ケーブルで接続されており、これらに開閉信号を送信して開閉させることができるように構成されている。
The
また、制御装置60は、各種の情報を記録することができるように構成されている。本実施の形態では、制御装置60には作動媒体Mに関する情報があらかじめ記録されている。したがって、蒸気温度検知器91で検知した温度及び蒸気圧力検知器92で検知した圧力から、作動媒体Mの蒸気のエンタルピh3及びエントロピs3を求めることができる。また、膨張機20における作動媒体Mの膨張は断熱膨張であるから膨張した作動媒体Mのエントロピs4は保存され(s4=s3)、これと凝縮温度検知器85で検知した温度を基に算出した凝縮圧力とから凝縮した作動媒体Mのエンタルピh4を求めることができる。なお、凝縮圧力を凝縮圧力検知器95から直接検知することができるのは前述の通りである。これらより、蒸気温度検知器91、蒸気圧力検知器92、凝縮温度検知器85(凝縮圧力検知器95)から膨張機20前後のエンタルピ差(h3−h4)を求めることができ、これがエンタルピ差検知手段を構成している。
Moreover, the
次に図1及び図2を参照して、発電装置1の作用について説明する。
図2は、作動媒体Mの状態の変化を説明するP−h線図(圧力Pを縦軸に、エンタルピhを横軸にとったもの)である。また、図2中の曲線は、作動媒体Mのかわき度0及びかわき度1の状態点を結んだものである。なお、以下では、膨張機20がタービン(不図示)を備えるものとして、また、加熱媒体Hがエンジンのジャケット温水であるとして説明を行う。
蒸気発生器10、膨張機20、凝縮器40及びそれらを連接する配管53、54、55は、作動媒体Mのクローズドシステムを構成し、発電装置1はランキンサイクルを行って、膨張機20で得られた機械的駆動力で駆動される発電機30にて発電を行う。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the electric
FIG. 2 is a Ph diagram (the pressure P is taken on the vertical axis and the enthalpy h is taken on the horizontal axis) for explaining changes in the state of the working medium M. Also, the curve in FIG. 2 connects the state points of the working medium M with a degree of excitement of 0 and degree of excitement of 1. In the following description, it is assumed that the
The
液体の作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて蒸気発生器10に圧送される(状態1→状態2)。蒸気発生器10に流入した作動媒体Mは、ジャケット温水Hとの間で熱交換が行われて飽和蒸気あるいは過熱蒸気となる(状態2→状態3)。蒸気となった作動媒体Mは、膨張機20に流入する。ここで、定常運転時は、仕切弁51が開、バイパス仕切弁52が閉となっている。したがって、作動媒体蒸気Mのすべてが膨張機20に流入する。膨張機20に流入した作動媒体蒸気Mは、タービンを通して断熱膨張する(状態3→状態4)。このとき、タービンの動翼が作動媒体Mにより回転させられて機械的動力が得らる(熱エネルギから機械エネルギへの変換)。得られた機械的動力により膨張機20に接続された発電機30が駆動されて、発電機30が発電を行う(機械エネルギから電気エネルギへの変換)。膨張機20で得られる機械的動力は、膨張機20前後の作動媒体Mのエンタルピの差(h3−h4:熱落差)により変動する。エンタルピ差が大きければ大きな機械的動力が得られ、エンタルピ差が小さければ得られる機械的動力も小さくなる。膨張機20で膨張した作動媒体Mは、凝縮器40に流入して冷却水Cとの間で熱交換が行われて凝縮し、液体の作動媒体Mとなる(状態4→状態1)。液体に戻った作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて再び蒸気発生器10に圧送され、以下同様のサイクルを行う。
The liquid working medium M is pumped to the
発電機30で発電した交流電力Eaは、整流器61に送られて直流電力Edに変換された後、インバータ62に送られて交流電力Pgに変換され、系統電力に連系される。系統連系した交流電力Pgは、ファン42f及び冷却水ポンプ43や、電力負荷(不図示)に送電される。ファン42f及び冷却水ポンプ43は、発電機30での発電がない場合は商用電源から電力の供給を受けて作動する。厳密にいえば、系統連系した後の交流電力は、発電機30で発電したものか商用電源から供給されたものか区別することはできないが、概念として、発電機30で発電した電力から発電装置1内で消費する電力を差し引いた残りの電力が、発電装置1から取り出せる、発電装置1外の電力負荷で利用できる有効な電力ということになる。なお、発電装置1内で消費する電力は、直流電力を直接あるいは冷却媒体導入手段用インバータ(不図示)経由で供給しても差し支えない。
The AC power Ea generated by the
蒸気発生器10で作動媒体Mと熱交換して温度が下がったジャケット温水Hは、不図示のエンジンに導かれてエンジンの冷却に利用され、温度が上昇したのち発電装置1の熱源として再び蒸気発生器10に導入される。また、凝縮器40で作動媒体Mと熱交換して温度が上昇した冷却水Cは、冷却塔42で熱を大気に排出して温度が低下し、冷却水ポンプ43にて再び凝縮器40に圧送される。ここで、ジャケット温水Hの温度はほとんど変動がなくほぼ一定であるので、蒸気発生器10における作動媒体Mの蒸発温度はほぼ一定となる。他方、冷却水Cの温度は、外気温等の周囲の環境条件の変動により変化する。
The jacket hot water H whose temperature has been lowered by exchanging heat with the working medium M in the
外気温が低下すると凝縮器40に圧送される冷却水Cの温度が低くなり、これに伴って凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度が低下する。これを図2でみると、状態4が、状態4より圧力が低くエンタルピが小さい状態4’に移動している。図2から明らかなように、外気温の低下に伴い凝縮器40における凝縮温度が低下して、作動媒体Mのサイクルが状態4から状態4’に移ると、エンタルピ差、すなわち、機械的動力に変換される熱エネルギが増大する。熱エネルギが増大するとタービン動翼の回転速度nが増大し、発電機30のロータの回転速度Nが増大して発電電力の周波数が高くなるが、発電装置1は整流器61及びインバータ62を備えているので、系統電力の周波数に合わせるためのタービン動翼の回転速度nの制限をする必要はない。そこで、制御装置60は、発電装置1における発電効率(出力電力/投入エネルギ)が最もよくなるような、すなわちタービンの効率が最もよくなるような、以下の制御を行う。なお、タービンの効率は、「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Mの蒸気の理論速度」に対する比(U/Co)と所定の関係があることが知られている。
When the outside air temperature decreases, the temperature of the cooling water C pumped to the
図3は、本実施の形態のタービン(単段のラジアルタービン)における「タービン動翼の周速度」の「作動媒体Mの蒸気の理論速度」に対する比(U/Co)とタービン効率ηとの関係を示すグラフである。ここで、タービン動翼の周速度U(以下単に「周速度U」という。)は、円周率πと動翼の回転速度nと動翼の直径Dとの積(U=πnD)で表される。他方、作動媒体Mの蒸気の理論速度Co(以下単に「理論速度Co」という。)はエンタルピ差(h3−h4)の2倍の平方根(Co=(2(h3−h4))1/2)で表されることが知られている。図3に示す本実施の形態における単段のラジアルタービンの例では、比(U/Co)が約0.7となるように運転するのが最も効率がよい。この、比(U/Co)が最もよい値が「所定の値」であり、所定の値は許容しうる幅があってもよい。上述のように、環境条件の変化によってエンタルピ差(h3−h4)は変動するから、理論速度Coも環境条件の変化によって変動する。他方、タービン動翼の直径Dは運転中に変わるものではないから、理論速度Coの変動に追従して回転速度nを変動させ、比(U/Co)が約0.7となるようにタービンを運転する。 FIG. 3 shows the ratio (U / Co) of “circumferential speed of turbine blade” to “theoretical speed of steam of working medium M” and turbine efficiency η in the turbine (single-stage radial turbine) of the present embodiment. It is a graph which shows a relationship. Here, the circumferential speed U of the turbine blade (hereinafter simply referred to as “circumferential speed U”) is expressed by the product (U = πnD) of the circumferential ratio π, the rotational speed n of the blade, and the diameter D of the blade. Is done. On the other hand, the theoretical velocity Co of the working medium M (hereinafter simply referred to as “theoretical velocity Co”) is twice the square root of the enthalpy difference (h3−h4) (Co = (2 (h3−h4)) 1/2 ). It is known that In the example of the single-stage radial turbine in the present embodiment shown in FIG. 3, it is most efficient to operate so that the ratio (U / Co) is about 0.7. The value with the best ratio (U / Co) is a “predetermined value”, and the predetermined value may have an allowable range. As described above, since the enthalpy difference (h3−h4) varies with changes in environmental conditions, the theoretical speed Co also varies with changes in environmental conditions. On the other hand, since the diameter D of the turbine blade does not change during operation, the turbine speed is changed so that the rotational speed n is changed following the change in the theoretical speed Co so that the ratio (U / Co) becomes about 0.7. To drive.
制御装置60は、蒸気温度検知器91で検知した温度及び蒸気圧力検知器92で検知した圧力から、作動媒体Mの蒸気のエンタルピh3を求める一方、凝縮温度検知器85で検知した温度に基づいて算出した圧力からエンタルピh4を求め、理論速度Coを算出する。次に、制御装置60は、比(U/Co)が0.7となるような回転速度ntを算出する(nt=0.7×Co/(πD))。また、制御装置60は、速度検知器84により実際の動翼の回転速度nを検知して、意図する回転速度ntとの偏差を算出する。そして、偏差が小さくなるように動翼の回転速度nを制御するのであるが、これをインバータ62による電圧の制御で行う。以下、インバータ62による電圧の制御について説明する。
The
図4は、直流電圧Vdをパラメータとした発電装置1の出力電力Pgと発電機30のロータ回転速度Nとの関係を示す図である。図4によれば、直流電圧Vdと出力電力Pgを与えるとロータ回転速度Nが決まることとなる。本実施の形態では、発電機30のロータはシャフトを介してタービン動翼と直結しているので、ロータ回転速度Nが決まるとタービン動翼の回転速度nが決まる。仮に直流電圧Vdを一定とする制御の場合、発電装置1のタービン仕事が増大すると、系統への出力電力Pgの増大とロータの回転速度Nの増大でバランスし、逆にタービン仕事が減少すると、出力電力Pgの減少とロータの回転速度Nの減少でバランスする。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the output power Pg of the
制御装置60は、インバータ62を制御して、直流電圧検知器88で検知される直流電圧Vdを監視しつつ系統電力へ出力される交流電流を調節し、直流電圧Vdを所定の電圧に調節することにより、ロータの回転速度N、ひいては動翼の回転速度nを制御することができる。より具体的には、制御装置60は、実際の動翼の回転速度nと目標とする回転速度nt(nt=0.7×Co/(πD))との偏差を小さくするために、直流電圧検知器88により直流電圧Vdを検知して、図4の太線で示す目標電圧になるように直流電圧を調節する。このように直流電圧を所定の電圧に調節することで動翼の回転速度nを効率のよいポイントに制御することができる。
The
ここで、発電装置1は系統連系しているため、出力する電圧は系統側の電圧以上にしなければならない。直流電力Edの最低必要電圧Vdは系統側の電圧から決まるが、例えば220Vに連系するためには、直流電圧Vdは最低365〜370Vが必要になる。したがって、この電圧値が、直流電圧Vdを所定の電圧に調節する際の下限となる。本実施の形態では、所定の電圧の下限を370Vとしている。
Here, since the
他方、発電機30は、一般に、発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様にはなっていない。仮に発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様とすると、まれにしか生じない事態のために多大なコストをかけて発電機を製作することとなり不経済である。発電機30に許容量以上の機械的仕事を与えた場合、電流過大による発熱や温度上昇が生じて運転不能に陥ったり、発電機のロータとステータとの間のトルクが不足してロータが高速回転となって過回転速度による軸受けの焼損に至ることがある。たとえ経済性を考慮しても、このような発電機30の損傷を回避する必要がある。したがって、過回転速度防止の観点から回転速度Nの上限が決定され、これに伴って直流電圧を所定の電圧に調節する際の上限が決まってくる。本実施の形態では、図4に示すように、回転速度Nの上限を108としたのに伴って、430Vが直流電圧値の上限となっている。図4においては、回転速度Nの上限で出力電力を増加させていくと次第に直流電圧が降下し下限値に到達してしまうことが考えられるが、このような場合はトリップさせる等して対応することとなる。
On the other hand, the
以上の説明では、エンタルピ差から理論速度Coを求め、動翼の回転速度nを効率のよい点に導くこととしたが、簡易に算出する手段として、膨張機20前後の作動媒体Mの温度差から導いてもよい。作動媒体Mの種類によっては、動翼の回転速度nの高効率点を温度差から導いても実用上差し支えない。
図5は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの過熱度Tsと理論速度Coとの関係を示したグラフであり、(a)は凝縮温度TCを一定として飽和蒸気の温度TGをパラメータとしたグラフ、(b)は飽和蒸気の温度TGを一定として凝縮温度TCをパラメータとしたグラフである。グラフより、いずれの場合も、過熱度Tsが変化しても理論速度Coにほとんど変化がないことが分かる。このことは、R245faは過熱度が増大しても、その状態から断熱変化で凝縮圧力まで膨張したときの膨張前後のエンタルピ差がほとんど変化しないことに起因している。したがって、簡易に算出する場合は、作動媒体Mの蒸気の過熱度Tsを無視しても実用上差し支えなく、作動媒体Mの蒸気の飽和温度TGと凝縮温度TCとから理論速度Coを求めることができる。
In the above description, the theoretical speed Co is obtained from the enthalpy difference, and the rotational speed n of the moving blade is led to an efficient point. However, as a simple calculation means, the temperature difference of the working medium M before and after the
5, in the case where the working medium M and R245fa, a graph showing the relationship between the degree of superheat Ts and the theoretical speed Co of the working medium M, (a) the temperature of the saturated steam condensation temperature T C as a constant graph of T G as a parameter, (b) is a graph as a parameter the condensation temperature T C at a constant temperature T G of the saturated vapor. From the graph, it can be seen that in any case, the theoretical speed Co hardly changes even if the superheat degree Ts changes. This is because even when the degree of superheat increases in R245fa, the difference in enthalpy before and after expansion when the state expands from the state to the condensation pressure by adiabatic change is hardly changed. Therefore, when calculating the simple, not harm practically ignore the degree of superheat Ts of the vapor of the working medium M, obtaining the theoretical speed Co and a saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C be able to.
図6は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの蒸気の飽和温度TGと凝縮温度TCとの温度差(TG−TC)と、理論速度Coとの関係を示したグラフである。
また図7は、作動媒体MをR245faとした場合の、作動媒体Mの蒸気の飽和温度TGと凝縮温度TCとの温度差(TG−TC)と、タービン動翼の目標とする回転速度ntとの関係を示したグラフである。
上述のように理論速度Coの過熱度の変化による影響が少ない作動媒体Mでは、作動媒体Mの蒸気の飽和温度TGと凝縮温度TCとの温度差(TG−TC)と、理論速度Co及び動翼の所定の回転速度ntとを図6、図7に示すようにあらかじめ関連づけて制御装置60に記憶させておき、蒸気温度検知器91及び凝縮温度検知器85で検知した温度差に基づいて直流電圧Vdを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度nを所定の回転速度ntに制御してもよい。
FIG. 6 shows the relationship between the temperature difference (T G −T C ) between the saturation temperature TG of the steam of the working medium M and the condensation temperature T C and the theoretical speed Co when the working medium M is R245fa. It is a graph.
The Figure 7 shows the case where the working medium M and R245fa, temperature difference between the saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C and (T G -T C), the turbine blades target is a graph showing the relationship between the rotational speed n t.
In the working medium M effect of the change in the degree of superheat of the theoretical velocity Co is small as described above, the temperature difference between the saturation temperature T G of the vapor of the working medium M and the condensing temperature T C and (T G -T C), the theoretical The speed Co and the predetermined rotational speed n t of the moving blade are stored in the
また、この他にもエンタルピと関連づけられる他の物理量(例えば飽和圧力、凝縮圧力、外気温度、冷却水温度、熱源温度等)で理論速度Coと動翼の所定の回転速度ntとをあらかじめ関連づけて制御装置60に記憶させておき、その代用した物理量を検知して動翼の回転速度nを制御してもよい。
In addition, other physical quantities (for example, saturation pressure, condensing pressure, outside air temperature, cooling water temperature, heat source temperature, etc.) associated with enthalpy are associated in advance with the theoretical speed Co and the predetermined rotational speed n t of the rotor blade. Alternatively, the rotational speed n of the moving blade may be controlled by detecting the substituted physical quantity and storing it in the
次に図8を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る発電装置2について説明する。図8は、発電装置2の構成を説明するブロック図である。以下、発電装置1と発電装置2との相違点を主に説明し、共通部分の説明は省略する。
発電装置2は、凝縮器40が空冷で構成されている。したがって、冷却媒体Cは空気となる。また、冷却媒体導入手段41が空冷ファン45で構成されている。その他の構成は発電装置1と同様である。
Next, with reference to FIG. 8, the electric
The
発電装置2は、凝縮器40における凝縮温度が外気温度により大きな影響を受けるので、制御装置60は、外気温度検知器93で検知した外気温に基づいて凝縮温度を算出し、あらかじめ関連づけられて記憶されている図6又は図7に示す条件に外気温度から算出した値をあてはめて、直流電圧Vdを所定の電圧に調節して、動翼の回転速度nを所定の回転速度ntに制御してもよい。
Since the condensing temperature in the
以上の説明では、発電機30の発電電力が交流であるとしたが、直流であってもよい。この場合は、整流器61を省略し、発電機30の発電電力をインバータ62で変換して系統電力と連系することができる。
In the above description, the power generated by the
以上の説明では、比(U/Co)が約0.7となるように運転するとして説明したが、この数値はタービンの種類や段数によって異なるので、用いるタービンの効率が高くなり、発電装置1の発電効率が高くなるように適宜設定するとよい。
In the above description, it is described that the operation is performed so that the ratio (U / Co) is about 0.7. However, since this value varies depending on the type and the number of stages of the turbine, the efficiency of the turbine to be used is increased, and the
1 発電装置
10 蒸気発生器
20 膨張機
30 発電機
40 凝縮器
41 冷却媒体導入手段
56 バイパス流路
60 制御装置
61 整流器
62 インバータ
81 電流検知器
82 電力検知器
83 コイル温度検知器
84 速度検知器
85 凝縮温度検知器
86 冷却媒体温度検知器
88 直流電圧検知器
91 蒸気温度検知器
92 蒸気圧力検知器
C 冷却媒体
H 加熱媒体
M 作動媒体
Ea、Pg 交流電力
Ed 直流電力
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機と;
前記動翼の周速度の、前記作動媒体の前記膨張機における熱落差から求まる理論速度に対する比が所定の値になるように前記動翼の回転速度を制御する制御装置とを備える;
発電装置。 A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that expands the working medium evaporated by the steam generator and obtains mechanical power via a moving blade;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator that generates power by being driven by mechanical power obtained by the expander;
A control device for controlling the rotational speed of the moving blade so that a ratio of a peripheral speed of the moving blade to a theoretical speed obtained from a heat drop of the working medium in the expander becomes a predetermined value;
Power generation device.
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと;
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体のエンタルピと前記凝縮器で凝縮した作動媒体のエンタルピとのエンタルピ差を検知するエンタルピ差検知手段と;
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と;
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器とを備え;
前記制御装置が、前記エンタルピ差検知手段で検知したエンタルピ差より前記理論速度を算出し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度を制御するように構成された;
請求項1に記載の発電装置。 The generated power is AC power, and a rectifier that converts the AC power into DC power;
An inverter that converts the DC power into AC power;
An enthalpy difference detection means for detecting an enthalpy difference between the enthalpy of the evaporated working medium introduced into the expander and the enthalpy of the working medium condensed by the condenser;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the moving blade;
A DC voltage detector for detecting the voltage of the DC power;
The control device calculates the theoretical speed from the enthalpy difference detected by the enthalpy difference detection means, and adjusts the voltage detected by the DC voltage detector to a predetermined voltage, thereby detecting the speed detection means. Configured to control the rotational speed of the blade;
The power generation device according to claim 1.
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させ、動翼を介して機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動され、交流電力を発電する発電機と;
前記発電した交流電力を直流電力に変換する整流器と;
前記直流電力を交流電力に変換するインバータと;
前記膨張機に導入される前記蒸発した作動媒体の飽和温度と前記凝縮器で凝縮した作動媒体の凝縮温度との温度差を検知する温度差検知手段と;
前記動翼の回転速度を検知する速度検知手段と;
前記直流電力の電圧を検知する直流電圧検知器と;
前記温度差検知手段で検知した温度差から、あらかじめ関連づけられた前記温度差に対応する前記動翼の所定の回転速度を決定し、前記直流電圧検知器で検知する電圧を所定の電圧に調節することにより、前記速度検知手段で検知する前記動翼の回転速度が前記所定の回転速度となるように制御する制御装置とを備える;
発電装置。
A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that expands the working medium evaporated by the steam generator and obtains mechanical power via a moving blade;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator driven by the mechanical power obtained by the expander to generate AC power;
A rectifier for converting the generated AC power into DC power;
An inverter that converts the DC power into AC power;
A temperature difference detection means for detecting a temperature difference between a saturation temperature of the evaporated working medium introduced into the expander and a condensation temperature of the working medium condensed in the condenser;
Speed detecting means for detecting the rotational speed of the moving blade;
A DC voltage detector for detecting the voltage of the DC power;
A predetermined rotational speed of the moving blade corresponding to the temperature difference associated in advance is determined from the temperature difference detected by the temperature difference detection means, and a voltage detected by the DC voltage detector is adjusted to a predetermined voltage. A control device that controls the rotational speed of the moving blade detected by the speed detection means to be the predetermined rotational speed;
Power generation device.
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