JP5596631B2 - バイナリ発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、ランキンサイクルによるバイナリ発電装置に関する。

近年、省エネルギーの観点から、工場等の各種の設備からのいわゆる「排熱」を回収し、その回収された「排熱」のエネルギーを利用して発電を行なう発電装置へのニーズが高まっている。「排熱」は、一般的な発電装置に用いられる水蒸気タービンを駆動するための水蒸気を生成できる程には高温でない場合が多いため、低温の熱によって発電できる発電装置が求められている。

そのような発電装置として、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載されているような、低沸点の作動媒体を蒸発させる蒸発器と、作動媒体蒸気に膨張仕事をさせて発電機を駆動するタービン等の膨張機と、作動媒体蒸気を凝縮させるための凝縮器と、作動媒体を加圧して蒸発器に再供給するための循環ポンプとを直列に接続した閉ループ内で作動媒体を循環させるランキンサイクル熱機関を構成するバイナリ発電装置が知られている。

ランキンサイクル熱機関において、理論上、膨張機によって取り出せるエネルギーは、蒸発器出口における作動媒体のエンタルピーと凝縮器入口における作動媒体のエンタルピーとの差である。作動媒体は、理想的には、膨張機において、等エントロピー変化をして、凝縮器における凝縮圧力まで圧力低下する。

一般に、凝縮器において作動媒体を冷却するための冷熱源としては、クーリングタワーで製造した冷却水等の安価なものが使用される。このため、凝縮器における凝縮温度、即ち、作動媒体の凝縮圧力は、季節によって変動する。つまり、従来のバイナリ発電装置では、夏場には、冷却水の温度が上昇し、凝縮器の入口における作動媒体の温度及び圧力、つまり、エンタルピーが高くなるので、膨張機が取り出せるエネルギー、即ち、発電量が減少するという問題があった。

特開昭６０−１４４５９４号公報

井上修行他５名、「排熱発電装置の開発（作動媒体及び膨張タービンの検討）」、エバラ時報、荏原製作所、２００６年４月、第２１１号、ｐ．１１−２０

そこで、本発明の課題は、冷却水温が上昇しても、発電量が減少しないバイナリ発電装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明によるバイナリ発電装置は、蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機が接続された膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、前記膨張機は、容積式膨張機であって、前記凝縮器における凝縮圧力が高いときには、前記循環ポンプの回転数を高くするとともに、前記膨張機の飲み込み量を大きくする制御装置を有するものとする。

凝縮器における凝縮圧力が高いときには、膨張機が取り出せる作動媒体の単位流量当たりのエネルギーが小さくなるので、作動媒体の流量を増加することにより、発電量の減少を補うことができる。

また、本発明のバイナリ発電装置において、前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記循環ポンプの回転数を連続的に変化させてもよい。また、前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記膨張機の飲み込み量を連続的に変化させてもよい。

この構成によれば、凝縮器における凝縮圧力の高低の程度に応じて、適切に作動媒体の流量を増加させることができ、より柔軟且つ適正に、発電量の減少を補う効果を得ることができる。

また、本発明のバイナリ発電装置において、前記蒸発器と前記膨張機とを接続する流路と前記膨張機の膨張途中の内部空間とを接続することによって、前記膨張機の飲み込み量を増大させてもよい。

この構成によれば、簡単な構成で飲み込み量を調節できる。

以上のように、本発明によれば、冷却水温が上昇しても、発電量が減少しないバイナリ発電装置を提供できる。

本発明の第１実施形態のバイナリ発電装置の構成図である。 図１のバイナリ発電における作動媒体の状態変化のモリエル線図である。 図１のバイナリ発電における凝縮圧力と循環ポンプの回転数及び膨張機の飲み込み量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態のバイナリ発電装置の構成図である。 図４のバイナリ発電における凝縮圧力と循環ポンプの回転数及び膨張機の飲み込み量との関係を示す図である。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態のバイナリ発電装置１の構成を示す。バイナリ発電装置１は、蒸発器２、スクリュ膨張機３、凝縮器４及び循環ポンプ５を介設してなり、作動媒体（例えばＲ２４５ｆａ）を封入した循環流路６を有する。

蒸発器２は、工場等から排出される熱水等で作動媒体を加熱して蒸発させる熱交換器である。蒸発器２は、所定の圧力（例えば０．７８６ＭＰａ）において作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を例えば９０℃（過熱度１０℃）までさらに加熱する。

スクリュ膨張機３は、ケーシング内に形成したロータ室に雌雄一対のスクリュロータを収容してなり、ロータ室をスクリュロータによって区分して形成した内部空間において熱媒を膨張させることにより、スクリュロータを回転させる容積式膨張機である。スクリュ膨張機３のケーシングの外部に突出したスクリュロータの軸には、発電機７が接続されている。

さらに、スクリュ膨張機３は、給気側のポートの大きさを調節して、実質的に作動媒体の膨張工程を開始する時点（循環流路６から切り離された瞬間）の内部空間の容積である飲み込み量を調節するためのスライド弁８を備える。

凝縮器４は、クーリングタワーで製造される冷却水のような安価な冷熱源によって、作動媒体を冷却して液化させる熱交換器である。凝縮器４の上流側の圧力は、凝縮器４における作動媒体の凝縮温度により決まる凝縮圧力になる。

循環ポンプ５は、凝縮器４において液化した作動媒体を、加圧して蒸発器２に再供給する。循環ポンプ５は、例えばロータリポンプのような容積式ポンプであり、その回転数に比例する量の作動媒体を送出する。循環ポンプ５は、インバータ９によって回転数制御される。

また、バイナリ発電装置１は、スクリュ膨張機３と凝縮器４との間の循環流路の圧力、つまり、凝縮器４における凝縮圧力を検出する凝縮圧力検出器１０を備え、さらに、凝縮圧力検出器１０の検出値に基づいてスライド弁８及びインバータ９を制御する制御装置１１を有する。つまり、制御装置１１は、スクリュ膨張機３の飲み込み量と循環ポンプ５の回転数とを制御する。

図２に、バイナリ発電装置１における作動媒体の状態変化をモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）に示す。点Ａは、スクリュ膨張機３に供給される作動媒体の状態（圧力０．７８６ＭＰａ、９０℃）を示す。

点Ｂは、スクリュ膨張機３から排出された作動媒体の凝縮器４における凝縮温度が３０℃である場合の状態を示す。点Ｂにおける圧力は、凝縮器４における凝縮温度（ＰＬ＝０．１７９ＭＰａ）によって定められる凝縮圧力であり、点Ａから点Ｂへの状態変化は、等エントロピー変化となる。つまり、点Ｂの位置は、点Ａの位置と凝縮器４における凝縮温度とによって一義的に決定される。

点Ｃは、凝縮器４から流出した作動媒体の状態を示し、凝縮温度における飽和液線上の点である。点Ｄは、蒸発器２の入口における作動媒体の状態を示し、点Ｃの状態から、循環ポンプ５によって、蒸発器２における作動媒体の蒸発温度によって決定される蒸発圧力まで昇圧されている。蒸発器２は、作動媒体を点Ｄの状態から点Ａの状態に加熱する。

さらに、図２には、凝縮器４における凝縮温度が４０℃である場合の作動媒体の状態変化を示している。この４０℃という値は、夏場の冷却水の温度の上昇に伴って上昇した場合の、凝縮温度の想定値である。スクリュ膨張機３の出口における状態を示す点Ｂ’は、点Ａから凝縮温度が４０℃であるとき凝縮圧力（ＰＨ＝０．２５２ＭＰａ）まで等エントロピー変化した点である。凝縮器４の出口における状態を示す点Ｃ’及び蒸発器２の入口における状態を示す点Ｄ’も、凝縮圧力の上昇に伴って移動している。

この図において、スクリュ膨張機３が単位量の作動媒体の膨張力を１００％動力に変換し、発電機の効率が１００％である場合に得られる電力は、点Ａにおける比エンタルピーと点Ｂまたは点Ｂ’における比エンタルピーとの差（ΔｉまたはΔｉ’）に一致する。したがって、理想的には、バイナリ発電装置１の発電量は、この比エンタルピーの差（ΔｉまたはΔｉ’）に作動媒体の循環流量を乗じた値となる。

制御装置１１は、図３に示すように、凝縮圧力検出器１０が検出した凝縮器４における凝縮圧力に比例して、スクリュ膨張機３の飲み込み量及び循環ポンプ５の回転数を調節する。即ち、制御装置１１は、凝縮器４における凝縮圧力が高いとき（例えば凝縮圧力がＰＬに比して高いＰＨであるとき）には、循環ポンプ５の回転数を高くする（例えば循環ポンプ５の回転数をＲＬに比して高いＲＨとする）。さらに、制御装置１１は、凝縮器４における凝縮圧力が高いとき（例えば凝縮圧力がＰＬに比して高いＰＨであるとき）には、膨張機３の飲み込み量を大きくする（例えば膨張機３の飲み込み量をＶＬに比して大きいＶＨとする）。

尚、制御装置１１は、凝縮圧力検出器１０の検出値が、凝縮温度が４０℃であるときの凝縮圧力（ＰＨ＝０．２５２ＭＰａ）に達したときに、スクリュ膨張機３の飲み込み量が機械的上限（ＶＨ）に達し、且つ、循環ポンプ５の回転数が機械的上限値（ＲＨ）に到達するよう、スライド弁８及びインバータ９を調節する。

循環ポンプ５の回転数を高くすることによって、その循環ポンプ５から送出される作動媒体の送出量は増加する。ただし、循環流路６を通じる作動媒体の循環流量を増加するには、循環ポンプ５から送出される作動媒体の増加に応じて、作動媒体を受け入れる側のスクリュ膨張機３の飲み込み量も増加する必要がある。即ち、凝縮圧力の上昇に伴って循環ポンプ５の回転数を高くするとともに、スクリュ膨張機３の飲み込み量を増大させることにより、循環流路６を通じる作動媒体の循環流量を円滑に増加することができる。

そして、スクリュ膨張機３が動力に変換し得る作動媒体の単位量あたりのエネルギーは、凝縮圧力の上昇に伴って減少するが、凝縮圧力の上昇に伴って循環流路６を循環する作動媒体の流量を増加させることで、スクリュ膨張機３が動力に変換し得るエネルギーの総量を維持できる。即ち、従来、夏場には、冷却水の温度が上昇し、凝縮器４の入口における作動媒体の温度及び圧力、つまり、エンタルピーが高くなるので、スクリュ膨張機３が取り出せるエネルギー、発電量が減少するという問題があったが、本発明にかかるバイナリ発電装置１によれば、その従来の問題を解消し、作動媒体の流量を増加することにより、発電量の減少を補うことができる。

尚、制御装置１１は、凝縮圧力に応じて循環ポンプ５の回転数を連続的に変化させて、また、スクリュ膨張機３の飲み込み量を連続的に変化させているので、凝縮器４における凝縮圧力の高低の程度に応じて、適切に作動媒体の流量を増加させることができる。即ち、制御装置１１は凝縮圧力がＰＬとＰＨの間の圧力ＰＭ（図示せず）である場合において、その凝縮圧力ＰＭに応じた循環ポンプ５の回転数、スクリュ膨張機３の飲み込み量を設定することができ、（段階的に循環ポンプ５の回転数、スクリュ膨張機３の飲み込み量を設定するものに比して）より柔軟且つ適正に、発電量の減少を補う効果を得ることができる。

また、凝縮圧力の上昇に伴ってスクリュ膨張機３の飲み込み量及び循環ポンプ５の回転数の双方を増大させることにより、スクリュ膨張機３の回転数を極端に上昇させることなく、作動媒体の流量を増加することができる。これにより、スクリュ膨張機３の回転数を極端に上昇させることがないため、スクリュ膨張機３の回転数が仕様上の上限回転数(軸受けの寿命の短期化や振動の発生を回避するために定められている上限の回転数)に達する恐れがない。

続いて、図４に、本発明の第２実施形態のバイナリ発電装置１ａを示す。尚、本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態のスクリュ膨張機３ａは、連続的に飲み込み量を調節することはできないが、２つの異なる飲み込み量を実現できるようになっている。具体的には、スクリュ膨張機３ａは、循環流路６から分岐して膨張途中の内部空間に連通する補助流路１２を有し、補助供給流路１２に設けた補助供給弁１３を開放することにより、実質的に飲み込み量を増大させられる。

また、本実施形態の循環ポンプ５は、変速装置１４を有し、２つの回転速度を実現できるようになっている。変速装置１４は、例えばギアボックスのような機械的なものであってもよく、電動機の極数を切り替える装置のような電気的なものであってもよい。

本実施形態のバイナリ発電装置１ａでは、図５に示すように、凝縮圧力検出器１０の検出値が、凝縮温度が４０℃であるときの凝縮圧力（ＰＨ＝０．２５２ＭＰａ）に達したときに、スクリュ膨張機３ａの飲み込み量を大きく設定し、且つ、循環ポンプ５の回転数を高く設定する。

本実施形態のように、比較的簡単な構成によって、スクリュ膨張機３ａの飲み込み量及び循環ポンプ５の回転数を２段階に調節可能とするだけでも、凝縮器４における凝縮温度の上昇による発電量の低下をある程度は補うことが可能である。

また、本発明によれば、スクリュ膨張機３，３ａの飲み込み量を固定してもよい。さらに、本発明では、スクリュ膨張機３，３ａの飲み込み量と循環ポンプ５の回転数とのいずれか一方のみを連続的に制御し、他方を段階的に制御してもよい。また、スクリュ膨張機３，３ａの飲み込み量の上限に達する凝縮圧力と、循環ポンプ５の回転数が上限に達する凝縮圧力とを異なる圧力に設定してもよい。

１，１ａ…バイナリ発電装置
２…蒸発器
３…スクリュ膨張機
４…凝縮器
５…循環ポンプ
６…循環流路
７…発電機
８…スライド弁
９…インバータ
１０…凝縮圧力検出器
１１…制御装置
１２…補助供給流路
１３…補助供給弁
１４…変速装置

Claims (4)

1. 蒸発器において外部から供給される加熱媒体によって作動媒体を蒸発させ、蒸発した作動媒体を発電機が接続された膨張機に導入して、前記膨張機において作動媒体の熱膨張力を回転力に変換することによって前記発電機を駆動して発電し、前記膨張機から排出された作動媒体を凝縮器に導入し、前記凝縮器において外部から供給される冷却媒体によって作動媒体を冷却して凝縮させ、凝縮した作動媒体を循環ポンプによって加圧して前記蒸発器に再供給する発電装置において、
   前記膨張機は、容積式膨張機であって、
   前記凝縮器における凝縮圧力が高いときには、前記循環ポンプの回転数を高くするとともに、前記膨張機の飲み込み量を大きくする制御装置を有することを特徴とするバイナリ発電装置。
2. 前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記循環ポンプの回転数を連続的に変化させることを特徴とする請求項１に記載のバイナリ発電装置。
3. 前記制御装置は、前記凝縮圧力に応じて前記膨張機の飲み込み量を連続的に変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のバイナリ発電装置。
4. 前記蒸発器と前記膨張機とを接続する流路と前記膨張機の膨張途中の内部空間とを接続することによって、前記膨張機の飲み込み量を増大させることを特徴とする請求項１または２に記載のバイナリ発電装置。

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