JP5849557B2 - 発電装置の作動媒体に混入した空気を除去する装置 - Google Patents

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５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、復水器より数段のエダクター等を使って不凝結ガスを抽出し、復水器内の真空を保つ地熱発電プラントのガス抽出システムが開示されている。

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 昭６０−１３２００６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は、エダクターの駆動に蒸気を使用しているので、後段のクーラーで駆動蒸気と復水器から取り出したガスの両方を冷却しなければならないので、冷却負荷が大きいという課題があった。

上記課題を鑑み、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、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本発明の混入空気除去装置は、媒体を冷却する冷却器と、冷却された液状の前記媒体を駆動媒体とし前記混合ガスの流路から前記混合ガスを吸引するエダクターと、前記エダクターに液状媒体を供給するポンプと、前記エダクターの吐出部と接続され、大気と連通する配管を備えた第１容器と、前記第１容器の下部と前記混合ガスの流路とを接続する配管に設けられた第１弁と、前記混合ガスの流路の気相部の圧力を測定する圧力計と、前記混合ガスの流路の温度を測定する温度計と、前記温度計の温度と前記圧力計の圧力値に基づいて算出した前記媒体の飽和蒸気圧値と余裕値とを合計した圧力閾値を算出し、前記圧力閾値より前記圧力計の圧力値が大きい場合に、前記媒体に空気が混入していることを検知し、前記冷却器と前記ポンプを作動させて前記エダクターにより前記混合ガスの流路から前記混合ガスを取り出して前記第１容器に移送し、前記第１容器で気液分離された液状の媒体を、前記第１弁を介して前記混合ガスの流路に戻す制御を行う制御部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、冷却された媒体の圧力を駆動力として、前記混合ガスの流路から混合ガスをエダクターにより取り出すため、エダクターで容易に混合ガスが冷却され、空気に含まれる媒体濃度を低下させることができる。そのため、装置外に放出される媒体の量を低減できる。

また、前記混入空気除去装置に前記第１容器の液面を検出する液面計をさらに備えることが望ましい。このような構成によれば、第１容器内が空にならないように第１弁の開閉を制御するので、第１容器内の空気が前記混合ガスの流路に流入することを防止できる。

本発明の混入空気除去装置は、前記混合ガスに空気を供給する空気供給部と、前記空気供給部から供給する空気量を調節する第２弁と、前記第１容器から供給される混合ガスの流量を調整する第３弁と、前記第２弁と前記第３弁にそれぞれ接続され、前記第１容器から排出された前記媒体を燃焼する燃焼器を備え、前記制御部は、前記第２弁と、前記第３弁とを制御して、前記燃焼器で前記媒体を燃焼することとしても良い。このような態様によれば、可燃性の媒体を用いている場合は、本発明の混入空気除去装置外に安全に排出できる。

前記混入空気除去装置を発電装置に備えると、自動で媒体中の空気を除去できるので、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Ｒ２４５ｆａなどの各種フロンや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、媒体貯留部の液相部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と、媒体貯留部の気相部の圧力値を比較して空気の混入を検知しているので、発電装置の媒体流路に空気が混入したことを自動で検出できる。また、装置外へ排出される作動媒体の量を低減できる。そして、凝縮器で凝縮されない空気が媒体に混入して凝縮器の凝縮能力が低下することによる発電効率の低下を防止できる。

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。 圧力１０１ｋＰａにおいて、温度をパラメーターとして空気中に飽和するｎ−ペンタンの容積比率を表した図である。 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５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とエダクター４１を接続する配管が設置されており、この配管に弁１６と圧力計４５が設置されている。

媒体タンク２４は、ポンプ１８に接続されている。ポンプ１８は、流量計６と冷却器４２と温度計１５と弁１３とを介して配管でエダクター４１に接続されている。エダクター４１の吐出口は、第１容器２上部に接続されている。

第１容器２には、容器上方から順に圧力計７と液面計(高液面)８と液面計(低液面)９が設置されている。
燃焼器４は、内部に燃焼触媒を備え、燃焼器４の下部は、弁１４を介して第１容器２と配管で接続されている。空気供給手段１９は、弁１７を介して配管で燃焼器４と接続されている。第１容器２から供給された混合ガスは、空気供給手段１９から供給された空気と混合され、燃焼器４の燃焼触媒で燃焼され、排ガスになる。生じた排ガスは、大気に放出される。燃焼器４には、燃焼触媒を機能させるために、燃焼触媒を所定の温度に制御するヒーターが設置されている。燃焼器４と空気供給部１９と弁１７およびそれらを接続する配管は必須の構成ではなく、弁１４から排出されるガスを燃焼させずに大気で希釈する場合は、不要である。

制御部５は、温度計１０、１５と圧力計１１、７、４５と液面計(高液面)８と液面計(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１２，１３，１４，１６，１７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。

次に本装置の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態に係る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。混入空気除去装置は、圧力計１１の圧力が大気圧以下（媒体がｎ−ペンタンの場合、３６℃以下）になった事が確認された時のみ作動させる。なぜならば、媒体流路内の圧力が大気圧以上の状態が継続していれば、外気から媒体流路内に空気が混入し難いという点と、後述する空気除去工程Ｓ２の後半で、第１容器２に溜まった液状の媒体を媒体貯留部１に戻す際の駆動力として、大気圧と媒体貯留部１内部の圧力差を利用している点からである。第１容器２と弁１２の間の配管に新たにポンプを設けて、この圧力差が無くても作動するようにしてもよい。

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の圧力値（ＰＩａ）が、１０１ｋＰａ未満かどうか判定する。圧力値（ＰＩａ）が、１０１ｋＰａ以上の場合は、この判定条件の上流にもどり、この判定を継続する。圧力値（ＰＩａ）が、１０１ｋＰａ未満の場合は、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、エダクター４１により、媒体貯留部１から気相部の混合ガスを第１容器２へ移送することである。その際、エダクターの駆動媒体を冷却しておくことで混合ガスを冷却し、混合ガス中の媒体濃度を低下させることである。

具体的には、図１に示す混入空気除去装置の弁１２，１３，１６，１４をそれぞれ閉じた後、冷却器４２を作動させる。所定時間経過後、弁１３と弁１４を開き、ポンプ１８を作動させる。そうすると、冷却器４２で冷却された媒体が便１３とエダクター４１を経由して第１容器２に移送される。

その後、一部の気化した媒体は、第１容器２から弁１４を通って外部に排出される。この際、弁１７も開けられる。この際、燃焼器４と空気供給部１９と弁１７およびそれらを接続する配管は必須の構成ではない。例えば、弁１４から排出されるガスを燃焼させずに大気で希釈する場合は、弁１４を開放して混合ガスを大気にそのまま放出してもよい。 混合ガスを燃やして大気に放出する場合は、混合ガスに含まれる酸素だけでは完全燃焼できないことが想定される。例えば、ｎ−ペンタンの場合、空気との混合比がｎ−ペンタンの燃焼範囲(１．５％〜７．８％)を超える場合は、酸素を供給する必要がある。この範囲に空気量を調整する為、弁１７を介して空気が投入される。この空気としては、圧縮空気供給設備から供給することが望ましく、例えば、装置の計装機器を作動させるための計装用空気を使用してもよい。具体的には、次の手順で行う。燃焼器４は、燃焼触媒として白金微粒子を担持させたセラミックハニカムフィルターを内部に備えている。燃焼器４内を２００〜３５０℃になるようにヒーター４aで加熱された状態で、弁１７と弁１４を開いて燃焼器４へ混合ガスと空気を供給して媒体を燃焼する。

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、媒体貯留部１の混合ガスをエダクターによって吸引し、冷却された媒体と共に第１容器２に移送する工程であり、第２の分岐シーケンスは、第１容器２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、圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）の半分の値未満かどうか判定される。この判定は、エダクターの真空度の到達具合をチェックしているだけであり、ここでは仮に、圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）の半分の値を用いているが、適宜任意に設定可能である。圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）の半分の値以上である場合は、この判定条件の上流にもどり、この判定を継続する。圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が圧力計１１の圧力値（ＰＩａ）の半分の値未満である場合は、弁１６を開く。そうすると、媒体貯留部１の混合ガスは、エダクターによって吸引され、冷却された媒体と共に第１容器２に移送される。

次に、圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が判断閾値（Ｆ３ × Ｐｓｔ）未満かどうか判定される。この判断式におけるＰｓｔは、温度計１５で測定された温度（ＴＩ２）での媒体の飽和蒸気圧である。Ｆ３は、係数であり、初期には1.1を用いる。この値で頻繁に本装置が停止するようなら、発電装置の効率低下が続く事になるので、継手部分の漏洩を点検を実施する。
この判定は、本発明の混入空気除去装置の空気除去能力の限界を検知するために設けられている。圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が判断閾値（Ｆ３ × Ｐｓｔ）以上である場合は、エラー信号を発信し、本装置を停止させる。圧力計４５の圧力値（ＰＩｂ）が判断閾値（Ｆ３ x Ｐｓｔ）未満の場合は、所定時間経過後、弁１６を閉じ、ポンプ１８と冷却器４２を停止し、弁１３を閉じる。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１３が開いているか判定し、弁１３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１３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、液面計８の位置（ＬＩ１）以下の場合は、上述の弁１３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、液面計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、大気圧と媒体貯留部１内部の圧力とに差があるために、ポンプを用いなくても媒体を移送できる。なお、ポンプを用いて能動的に媒体を移送させてもよい。

次に、上述と同じように、弁１３が開いているか判定する。弁１３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１３が開いている場合は、第１容器２内の液面が、液面計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、液面計９の位置（ＬＩ２）以下の場合は、直前の弁１３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、液面計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。

ここで、空気と媒体の混合ガスが冷やされることで混合ガス中の媒体量を減らすことができる理由を説明する。空気に飽和するｎ−ペンタンの量Ｆｓｔは、下記の式２で表わすことができる。
Ｆｓt＝Ｆａ×(Ｐｓｔ／(Ｐｃ−Ｐｓｔ)) ・・・・・・・・・・・・・（式２）
Ｆｓt：温度tで空気に飽和するｎ−ペンタンの標準状態量（Ｎｍ^３）
Ｆａ：空気の標準状態量（Ｎｍ^３）
Ｐｓｔ：温度tでのｎ−ペンタンの飽和蒸気圧（ｋＰａ）
Ｐｃ：運転圧力（ｋＰａ）
この式２から、空気中に飽和するｎ−ペンタンの容積比率に関して、１０１ｋＰａにおいて温度をパラメーターとして計算した結果を図４に示す。ここでいう容積比率とは、空気１に対して飽和するｎ−ペンタンの容積が空気の何倍かを表す値である。図４から解るように、温度が低い程、空気に飽和するペンタンが少ない事がわかる。

１：媒体貯留部
２：第１容器
４：燃焼器(燃焼触媒充填)
５：制御部
６：流量計
７：第１容器の圧力計
８：第１容器の液面計(高液面)
９：第１容器の液面計(低液面)
１０，１５：温度計
１１，４５：圧力計
１２，１３,１４,１６,１７：弁
１８：ポンプ
１９：空気供給部
２４：媒体タンク
４１：エダクター
４２：冷却器
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 (4)

1. 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、
   媒体を冷却する冷却器と、
   冷却された液状の前記媒体を駆動媒体とし前記混合ガスの流路から前記混合ガスを吸引するエダクターと、
   前記エダクターに液状媒体を供給するポンプと、
   前記エダクターの吐出部と接続され、大気と連通する配管を備えた第１容器と、
   前記第１容器の下部と前記混合ガスの流路とを接続する配管に設けられた第１弁と、
   前記混合ガスの流路の気相部の圧力を測定する圧力計と、
   前記混合ガスの流路の温度を測定する温度計と、
   前記温度計の温度と前記圧力計の圧力値に基づいて算出した前記媒体の飽和蒸気圧値と余裕値とを合計した圧力閾値を算出し、前記圧力閾値より前記圧力計の圧力値が大きい場合に、前記媒体に空気が混入していることを検知し、前記冷却器と前記ポンプを作動させて前記エダクターにより前記混合ガスの流路から前記混合ガスを取り出して前記第１容器に移送し、前記第１容器で気液分離された液状の媒体を、前記第１弁を介して前記混合ガスの流路に戻す制御を行う制御部を備えていることを特徴とする混入空気除去装置。
   
2. 前記第１容器の液面を検出する液面計を備え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。
3. 請求項１または２に記載の混入空気除去装置において、
   前記混合ガスに空気を供給する空気供給部と、
   前記空気供給部から供給する空気量を調節する第２弁と、
   前記第１容器から供給される混合ガスの流量を調整する第３弁と、
   前記第２弁と前記第３弁にそれぞれ接続され、前記第１容器から排出された前記媒体を燃焼する燃焼器を備え、
   前記制御部は、前記第２弁と、前記第３弁とを制御して、前記燃焼器で前記媒体を燃焼することを特徴とする混入空気除去装置。
4. 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を備えた発電装置。

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