JP5803494B2

JP5803494B2 - 発電装置の作動媒体に混入した空気を除去する装置

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Publication number: JP5803494B2
Application number: JP2011208357A
Authority: JP
Inventors: 明翫　市郎; 市郎明翫; 浩晃柴田; 義隆川原; 勇大澤; 康幹久保田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: JP2013068181A

Description

本発明は、水よりも低沸点の媒体を作動媒体とする発電装置において、作動媒体に混入した空気を除去する装置に関する。

従来の蒸気タービンを用いた地熱発電で活用されてこなかった低温熱源から熱エネルギーを回収し発電する低沸点媒体を用いた発電装置は、最近エネルギー回収装置として特別に注目されている（特許文献１参照）。

従来の低沸点媒体を用いた発電装置の基本的系統図を図４に示す。この発電装置は、蒸発器１００で水よりも低沸点の媒体と熱源との間で熱交換を行いこの媒体を蒸発させ、この媒体蒸気でタービン１０１を回転させ、その回転力で発電機１０２を作動させて電力を得る。タービンを出た媒体は凝縮器１０３で凝縮され循環ポンプ１０４で予熱器１０５を経由して再び蒸発器１００に送られ、上記のサイクルが繰り返される。

一般に、蒸気圧が高い（すなわち、沸点が低い）媒体を使用すると蒸発器での気化は容易であるが、凝縮器での凝縮が難しくなり、逆に、蒸気圧が低い（すなわち、沸点が高い）媒体を使用すると気化が難しくなるが、凝縮が容易になる。こうした観点から、使用される媒体は、タービン入口と出口のエンタルピー差（熱落差）がなるべく大きくなる媒体が選定される。例えば、地熱熱源温度１３０〜１４０℃、冷却源温度１５℃〜３０℃の条件で使用される天然媒体としてはｎ−ペンタン(ｎＣ_５Ｈ_１２)が主に利用されている。

凝縮器の冷却源は一般に循環冷却水または大気であるので、冬と夏では冷却源の温度が大幅に異なる。そのため、凝縮器が夏季に必要とされる冷却能力に基づいてのみ設計された場合、冬季に冷却源温度が低下すると、凝縮器の冷却能力が一段と増強される。

しかし、図３に示すように、ｎ−ペンタンの蒸気圧は３６℃以下になると１０１ｋＰａ以下になる為、冬季に凝縮器出口の温度が３６℃以下になると媒体流路は大気圧以下になる場合がある。そうなると、凝縮器本体及びその接続配管の各種の継手またはタービンの軸のメカニカルシール部分などから媒体流路へ空気が混入する可能性がある。
そこで、発電に関係する装置において媒体に混入する空気を除去する装置として、下記特許文献２から６が知られている。

特許文献２には、低沸点媒体の代わりに水を使用するバイナリー発電装置において、復水器の排出水から空気を抽出するための空気抽出装置を備えた装置が開示されている。
特許文献３には、高沸点媒体と低沸点媒体とを混合してなる作動流体が、当該作動流体の溶液を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器と、蒸気発生器から供給された蒸気により駆動する蒸気タービンと、蒸気タービンから排出された蒸気を冷却して溶液に復水させる復水器と、復水器から供給された溶液を蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を循環する動力サイクル回路を備えた動力システムであって、動力サイクル回路における復水器で起り得る最低圧力が大気圧近傍圧力となるように、復水器での作動流体の低沸点媒体の濃度が決定されている動力システムが開示されている。

特許文献４には、内部にピストンを備えたチャンバーを凝縮器の上部に備え、チャンバーのピストン下方の空間と凝縮器の間を接続するバルブと、壁を介してチャンバー下部を冷却材で冷却する冷却手段と、チャンバー下部に接続された排出バルブを備えている装置が開示されている。

特許文献５，６には、凝縮器の上部に密閉されたチャンバーを備え、このチャンバーは、チャンバー内を上部と下部に分ける可動のダイアフラムを備え、凝縮器とチャンバー下部の間に直列に配置された２つの流量制御バルブと、壁を介してチャンバー下部を冷却材で冷却する冷却手段と、チャンバー下部に接続された排出バルブを備えている装置が開示されている。

特許文献７には、供給ラインからの凝縮性有機蒸気含有ガスを圧縮機と冷却器とにより圧縮冷却して有機蒸気を液化回収し、不凝縮ガスを圧縮冷却状態のままガス分離膜モジュ−ルに導いて有機蒸気濃縮ガスと有機蒸気希釈ガスとに分離し、有機蒸気濃縮ガスを上記の供給ラインに戻すと共に有機蒸気希釈ガスの有機蒸気濃度を測定しつつ該有機蒸気希釈ガスを排出し、その有機蒸気濃度に応じて上記圧縮機による圧縮圧力または冷却器による冷却温度を制御することを特徴とする有機蒸気含有排ガスの処理方法が開示されている。

特許文献８、９、１０には、有機蒸気を膜に透過させて濃縮回収するガス分離膜モジュールとしてシリコーンゴム系ポリイミド複合膜の事例が開示されている。
特許文献９には、有機蒸気を含有した排ガスを圧縮機により加圧して冷却器に導き、該冷却器において有機蒸気を凝縮回収し、有機蒸気回収後の低濃度ガスをガス分離膜モジュールに導いて分離処理し、有機蒸気濃縮ガスを圧縮機の入口側に戻すと共に有機蒸気希釈ガスを大気に放出することを特徴とする有機蒸気含有排ガスの処理方法が開示されている。

特許文献１０には、有機溶剤蒸気を含む混合気体を選択透過性膜モジュールに供給して透過・濃縮し、この濃縮気体を冷却・凝縮して有機溶剤を液相で回収する方法において、上記の冷却・凝縮過程における非凝縮気体の有機溶剤濃度を上記膜モジュールにおける非透過気体の有機溶剤濃度よりも高くし、その非凝縮気体を上記の混合気体供給側に戻し、膜モジュールにおける非透過気体を排出することを特徴とする有機溶剤蒸気の回収処理方法が開示されている。

特開昭６２−２６３０４号公報特開２００３−１２０５１３号公報特開２００７−２６２９０９号公報米国特許５，１１９，６３５号公報米国特許５，１１３，９２７号公報米国特許５，４８７，７６５号公報特開平７−４７２２２号公報特開平４−２１９１１３号公報特開平４−１８０８１１号公報特開平３−５６１１３号公報

上記特許文献２は、媒体に水を用いているために、熱源が１００℃以上でなければならず、より低温の熱源を用いることができないという課題があった。
上記特許文献３は、冬季に復水器で起こりうる最低圧力が大気圧近傍圧力になるように低沸点媒体の濃度が決定されているので、夏季の復水器の圧力が高くなり、発電効率が低下するという課題があった。

上記特許文献４，５，６は、媒体から空気を除去する装置が開示されているが、その装置の作動タイミングは、２０分毎に定期的に作動させる例を挙げているに過ぎないため、必要以上に空気除去動作が行われて媒体の流出量が多くなるという課題があった。

上記特許文献７、８、１０は、膜の１次側に圧縮機を設けるだけでなく、２次側に真空ポンプを設けているので、設備のコストが高くなるという課題があった。
コスト低減の観点から、本発明は、自動で発電装置の媒体流路に混入した空気を検出し、混入した空気を装置外へ排出する際、シーケンスの中止判断を早くすることができる混入空気除去装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の混入空気除去装置は、水よりも沸点が低い媒体と空気との混合ガスから空気を除去する混入空気除去装置において、前記混合ガスを、前記混合ガスから空気を除去した濃縮ガスと前記混合ガスから除去された空気を含む透過ガスとに分離する膜を備えた膜ユニットと、前記膜ユニットの非透過側の入口に前記混合ガスを供給するポンプと、前記膜ユニットの非透過側の出口から流出する前記濃縮ガスを凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から流出する濃縮ガスを気液分離する第１容器と、前記第１容器から前記濃縮ガスを排出する第１弁と、前記第１容器から排出される前記濃縮ガスの流量を測定する流量計と、前記流量計の流量が流量閾値未満になると前記ポンプを停止する制御部とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、所定時間混合ガスから空気を除く処理を行った後に混合ガスの飽和蒸気濃度を計算して空気の混入の影響を検知するよりも、シーケンスの中止判断を早くすることができる。

また、本発明の混入空気除去装置は、前記膜ユニットの透過側の出口に接続した第２弁と、前記膜ユニットの非透過側の圧力を計測する第１圧力計と、前記膜ユニットの透過側の圧力を計測する第２圧力計とを備え、前記制御部は、前記膜ユニットの非透過側と透過側との差圧が前記膜ユニットの許容圧力限度以下になる様に前記第２弁の開度を制御することを特徴とする。

このような構成によれば、膜ユニットの許容圧力限度以下を確保しながら、非透過側の圧力を高くするようにポンプや弁を制御できるので、凝縮器での圧力を高くすることができる。凝縮器での圧力が高くなると、膜と非透過側の混合ガス中の各分子との接触確率が増加するので、空気の分離速度を向上できる。

また、本発明の混入空気除去装置は、前記媒体の媒体流路と連通し前記混合ガスの気相部と前記媒体の液相部とを内蔵する媒体貯留部と、前記気相部の圧力を計測する第３圧力計と、前記液相部の温度を計測する温度計とを備え、前記制御部は、前記温度計の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算し、前記気相部の圧力値が前記圧力閾値以上の場合は媒体に空気が混入していることを検知することを特徴とする。余裕値とは、飽和蒸気圧値から乖離して本装置で空気が媒体に混入していることを検知するまでの緩衝量を指定するものである。上記混入空気除去装置において、前記余裕値は、固定値とするか、もしくは、前記温度計の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に係数をかけた比例値とすることが望ましい。

このような構成によれば、自動で発電装置の媒体流路に混入した空気を検出し、混入した空気を装置外へ排出できる。
また、本発明の混入空気除去装置は、前記膜ユニットの透過側の入口に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、前記膜ユニットに供給される水蒸気の流量を調節する第３弁とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、膜ユニットの透過側の入口に水蒸気を供給することで、透過側の膜表面に付着する空気を掃きだし、空気が膜を透過し易くできる。
また、本発明の混入空気除去装置は、前記第１容器の液面水位を計測する液位計と、前記第１容器の下部に接続された第４弁とを備えていることを特徴とする。

このような構成によれば、第１容器に蓄積される凝縮した媒体を液面計で検知し、満水になった場合は、第４弁を介して媒体を第１容器の外に排出でき、本装置の連続運転ができるようになる。

また、本発明の混入空気除去装置は、前記第１容器の下部が前記第４弁を介して前記媒体貯留部に接続されていることを特徴とする。
このような構成によれば、第１容器から排出された液体の媒体を媒体貯留部に戻して、リサイクルできる。

また、本発明の混入空気除去装置は、前記第１弁から排出された前記濃縮ガスが、前記媒体流路または前記媒体貯留部に送られることを特徴とする。
このような構成によれば、第１容器から排出されたガス状の媒体を媒体流路または媒体貯留部に戻して、リサイクルできる。

また、本発明の混入空気除去装置を備えた発電装置は、前記媒体流路は、蒸発器と、タービンと、凝縮器と、循環ポンプとを循環する流路であり、前記タービンの動力を発電機に伝達して発電することを特徴とする。

このような構成によれば、媒体流路の空気を自動で除去できるので発電装置の発電効率を向上できる。
なお、本発明に用いられる媒体としては、特にｎ−ペンタンなどの沸点が水より低い有機性低沸点媒体が用いられる。

本発明によれば、自動で発電装置の媒体流路に混入した空気を検出し、混入した空気を装置外へ排出する際、シーケンスの中止判断を早くすることができる。

本発明の実施例に係る装置の構成を示す図である。本発明の実施例に係る装置の作動シーケンス図である。ｎ−ペンタンの飽和蒸気圧線図である。従来の一般的な低沸点媒体を用いた発電装置の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施例に係る混入空気除去装置の構成を示す図である。図１の凝縮器１０３は、図４の凝縮器１０３に相当する。媒体貯留部１は、凝縮液１０３の出口側コレクタの上部に接続されており、媒体貯留部１の液相部の温度を測定する温度計１０と、媒体貯留部１の気相部の圧力を測定する圧力計１１が設置されている。

第１容器２の下部は、弁１２を介して配管で媒体貯留部１と接続している。さらに、媒体貯留部１と膜ユニット３の非透過側入口を接続する配管が設置されており、この配管にポンプ１８が設置されている。

膜ユニット３の膜は、媒体を透過し難く、かつ、少なくとも空気の主成分である窒素および酸素を透過し易い分離膜を適宜選択して用いればよい。
凝縮器４２の入口側は膜ユニット３の非透過側出口と配管で接続されており、この配管に膜ユニット３の非透過側の圧力を計測する圧力計１３が設置されている。
凝縮器４２の出口側は第１容器２に配管で接続されている。

第１容器２には、容器上方から順に液位計(高液面)８と液位計(低液面)９が設置されている。第１容器２の上部から凝縮器１０３入口コレクタに配管で接続されており、その配管には弁１４が設けられている。第１容器２の上部から媒体貯留部に配管で接続して、その配管に弁１４を設けることにしてもよい。さらに、弁１４と第１容器２の間の配管には、流量計６と圧力計７が設けられている。

膜ユニット３の透過側入口と蒸気供給部２５とを接続する配管には、弁２０が設けられている。膜ユニット３の透過側出口には大気開放する配管と弁１６が設けられており、膜ユニット３と弁１６の間の配管に、膜ユニット３の透過側の圧力を計測する圧力計４が設けられている。

制御部５は、温度計１０と圧力計１３、１１、７、４と液位計(高液面)８と液位計(低液面)９と流量計６とにそれぞれ信号線で接続されており、各計測機器からの信号はそれぞれ制御部５に入力される。また、制御部５は、弁１２，１４，２０，１６にそれぞれ電気配線で接続されており、各弁の開閉を制御している。さらに制御部５は、ポンプ１８と凝縮器４２を制御している。凝縮器４２は、熱交換部分を空冷するためのファンを備えているものが望ましい。凝縮器４２の別の態様としては、積極的に冷却するためにペルチェ素子やヒートポンプを用いた冷凍機を備えていてもよい。

次に本装置の動作について説明する。図２は、本発明の実施例に係る混入空気除去装置の作動シーケンスの概要を示す図である。制御部５は、空気混入検出工程Ｓ１、空気除去工程Ｓ２の順に実行し、その後、空気混入検出工程Ｓ１に戻る。なお、初期状態では、すべての弁は、閉じた状態である。

まず、空気混入検出工程Ｓ１について説明する。制御部５は、まず、媒体貯留部１の気相部に設置された圧力計１１の信号と媒体貯留部１の液相部に設置された温度計１０の信号を取得し、温度計の温度に基づいて算出された媒体の飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算する。そして、圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）が圧力閾値以下の場合は空気混入検出工程Ｓ１の最初に戻る。圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）が圧力閾値より高い場合は媒体に空気が混入したと判断し、次の工程に進む。また、上記余裕値は、固定値とするか、もしくは、前記温度計の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に係数をかけた比例値とする。具体的には、例えば、ｎペンタンの場合、下記の式１を用いて、温度(Ｔ１)における飽和蒸気圧値(Ｐｓｔ)を演算する。グラフにしたものを図３に示す。用いる媒体が違う場合は、その媒体の特性に合わせて飽和蒸気圧値(Ｐｓｔ)を求める式を適宜変更する。
Ｐｓｔ＝0.0003(Ｔ１)^３＋0.0159(Ｔ１)^２＋1.1844(Ｔ１)＋24.316 ・・・（式１）
余裕値は、継手の数や状態を考慮して何回かの試験を経て決める。例えば、固定値の場合は、１気圧時の１０％程度とする。比例値とする場合は、前記係数を0.1程度とする。

次に、空気除去工程Ｓ２について説明する。この工程の主目的は、膜ユニットで混合ガスから空気を除去し、残りのガスを凝縮器で冷却後、媒体流路に戻すことである。媒体流路に戻す位置としては、凝縮器１０３入口コレクタが望ましい。

具体的には、図１に示す混入空気除去装置の弁１２，１４，１６，２０をそれぞれ閉じた後、凝縮器４２を作動させ、弁１４を開き、ポンプ１８を作動させる。ポンプ１８で膜ユニット３の非透過側に供給された混合ガス中の空気は、膜を透過して膜ユニット３の透過側の膜表面に移動する。透過側の膜表面に移動した空気の除去を促進するために、弁２０，１６を開け、水蒸気供給部２５から水蒸気を透過側の膜表面に吹き付ける。この水蒸気としては、発電装置の蒸発器１００から分岐させた熱水原水の水蒸気を用いても良い。

膜ユニットにおける空気成分の移動に関わる推進力は、膜の非透過側と透過側との差圧によって生じる。従って、この差圧が大きいほど望ましいので、膜の圧力限界を超えないように差圧を制御することがより望ましい。膜の透過側は大気と連通しているが、透過側の圧力を高くすれば、膜の圧力限界を超えない程度に非透過側の圧力を高くすることができる。透過側の圧力を圧力計４で計測し、圧力値が所定の値になる様に弁１６の開度を制御する。

また、非透過側の圧力を所定の値に保つ様に弁１４の開度を制御している。例えば、圧力計１３または７の圧力値の信号に基づいて弁１４の開度を制御する。圧力計７を膜の差圧の非透過側の圧力値の代用として用いる場合は、圧力損失などを補正して用いればよい。このように非透過側の圧力を高く維持できる程、凝縮器４２での媒体の液化が促進される。

ここから、２つの同時並行的に動作する分岐シーケンスが実行される。
第１の分岐シーケンスは、上記の膜ユニットによる空気除去を停止するシーケンスであり、もう一方は、第１容器２内に溜まった媒体を媒体貯留部１に戻す工程である。

具体的に説明すると、第１の分岐シーケンスでは、弁１２が閉じられているか判断し、弁１２が開いている場合は、この判断条件の直前に戻る。一方、弁１２が閉じている場合は、流量計６の計測値（ＦＩ）を流量閾値と比較する。計測値（ＦＩ）が流量閾値以上の場合は、前述の弁１２の開閉判断の直前に戻る。一方、計測値（ＦＩ）が流量閾値未満の場合は、弁１４，１６，２０を閉じポンプ１８と凝縮器４２を停止する。そして、空気混入検出工程Ｓ１の最初に戻る。

一方、第２の分岐シーケンスでは、弁１４が開いているか判定し、弁１４が閉じている場合は、第１の分岐シーケンスが終了していることを意味しているので、第２の分岐シーケンスを停止し、空気混入検出工程Ｓ１の最初に戻る。弁１４が開いている場合は、第１容器２内の液面が、液面計８の位置（ＬＩ１）より高いかどうか判定する。第１容器２内の液面が、液位計８の位置（ＬＩ１）以上の場合は、上述の弁１４が開いているか判定する部分に戻る。第１容器２内の液面が、液位計８の位置（ＬＩ１）より高い場合は、弁１２を開く。弁１２を開くと、第１容器２に溜まった液状の媒体が、媒体貯留部１に戻る。これは、ポンプ１８の作動によって第１容器２内と媒体貯留部１内との差圧が生じているので、この圧力差によって、液化した媒体が第１容器２から媒体貯留部１に移動する。

次に、上述と同じように、弁１４が開いているか判定する。弁１４が閉じている場合は、第１の分岐シーケンスが終了していることを意味しているので、第２の分岐シーケンスを停止し、空気混入検出工程Ｓ１の最初に戻る。弁１４が開いている場合は、第１容器２内の液面が、液位計９の位置（ＬＩ２）より高いかどうか判定する。第１容器２内の液面が、液位計９の位置（ＬＩ２）以下の場合は、直前の弁１４が開いているか判定する部分に戻る。第１容器２内の液面が、液位計９の位置（ＬＩ２）より高い場合は、弁１２を閉じる。そして、第２の分岐シーケンスの最初に戻る。

このような装置構成および制御を行うことで、自動で発電装置の媒体流路に混入した空気を検出することができる。そして、混入した空気を装置外へ排出する際、シーケンスの中止判断を早くすることができるので、装置運転に係るコストを低減できる。

１：媒体貯留部
２：第１容器
３：膜ユニット
５：制御部
６：流量計
４，７，１１，１３：圧力計
８：液位計（高液面）
９：液位計（低液面）
１０：温度計
１２，１４,１６，２０：弁
１８：ポンプ
２５：水蒸気供給部
４２：凝縮器
Ｓ１：空気混入検出工程
Ｓ２：空気除去工程
１００：蒸発器
１０１：タービン
１０２：発電機
１０３：凝縮器
１０４：循環ポンプ
１０５：予熱器

Claims

水よりも沸点が低い媒体と空気との混合ガスから空気を除去する混入空気除去装置において、
前記混合ガスを、前記混合ガスから空気を除去した濃縮ガスと前記混合ガスから除去された空気を含む透過ガスとに分離する膜を備えた膜ユニットと、
前記膜ユニットの非透過側の入口に前記混合ガスを供給するポンプと、
前記膜ユニットの非透過側の出口から流出する前記濃縮ガスを凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器から流出する濃縮ガスを気液分離する第１容器と、
前記第１容器から前記濃縮ガスを排出する第１弁と、
前記第１容器から排出される前記濃縮ガスの流量を測定する流量計と、
前記流量計の流量が流量閾値未満になると前記ポンプを停止する制御部と
を備えていることを特徴とする混入空気除去装置。
前記膜ユニットの透過側の出口に接続した第２弁と、
前記膜ユニットの非透過側の圧力を計測する第１圧力計と、
前記膜ユニットの透過側の圧力を計測する第２圧力計とを備え、
前記制御部は、前記膜ユニットの非透過側と透過側との差圧が前記膜ユニットの許容圧力限度以下になる様に前記第２弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の混入空気除去装置。
前記媒体の媒体流路と連通し前記混合ガスの気相部と前記媒体の液相部とを内蔵する媒体貯留部と、
前記気相部の圧力を計測する第３圧力計と、
前記液相部の温度を計測する温度計とを備え、
前記制御部は、前記温度計の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算し、前記気相部の圧力値が前記圧力閾値以上の場合は媒体に空気が混入していることを検知することを特徴とする請求項１または２に記載の混入空気除去装置。
前記膜ユニットの透過側の入口に水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
前記膜ユニットに供給される水蒸気の流量を調節する第３弁と
を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の混入空気除去装置。
前記第１容器の液面水位を計測する液位計と、
前記第１容器の下部に接続された第４弁と
を備えていることを特徴とする請求項３に記載の混入空気除去装置。
前記第１容器の下部が前記第４弁を介して前記媒体貯留部に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の混入空気除去装置。
前記第１弁から排出された前記濃縮ガスが、前記媒体流路または前記媒体貯留部に送られることを特徴とする請求項５または６に記載の混入空気除去装置。
前記媒体流路は、蒸発器と、タービンと、凝縮器と、循環ポンプとを循環する流路であり、前記タービンの動力を発電機に伝達して発電することを特徴とする請求項５ないし７のいずれか一項に記載の混入空気除去装置を備えた発電装置。