JP5924980B2 - バイナリ発電装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バイナリ発電装置に関する技術であって、特に、このバイナリ発電装置の発電出力を低下させないで暖房または／および給湯の用途等に熱を回収することができる技術に関する。

近年、地球温暖化対策のため化石燃料の代替エネルギーとして再生可能エネルギーの導入が図られており、太陽光発電システム、風力発電システム、マイクロ水力発電システムが着目されている。さらに、蒸気タービンを回転させるほどの熱量を持たない低温の熱源（たとえば地熱）から低沸点の作動媒体の熱サイクルへ熱を移動し、この循環サイクル内で作動媒体を用いた発電を行うバイナリ発電システムも着目されている。

このような発電システムにおける排熱を回収して、発電と熱需要先とに効率よく振り分ける発電・給湯システムも開発され、特開２０１０−７１０９１号公報（特許文献１）は、このような複合発電システムの一例を開示する。また、このような複合発電システムにおいて、発電優先運転と給湯優先運転とを切り換える技術も開発され、特開２００５−２４０５７７号公報（特許文献２）は、このような技術の一例を開示する。

特開２０１０−７１０９１号公報 特開２００５−２４０５７７号公報

ところで、上述したような複合発電システムにおいて、発電出力を高めるためには、蒸発器の出口側すなわち膨張機の入口側の作動媒体温度を高めるとともに、凝縮器の出口側における作動媒体温度が低くなるように設定することが好ましい。この点では、特許文献１に開示されたように、凝縮器の手前に熱交換器を設けて、凝縮器の手前において作動媒体温度を低くすることも効果的であると考えられる。

しかしながら、このように膨張機出口の作動媒体から熱交換器で熱を回収する場合、的確に熱回収しないと、凝縮温度および凝縮圧力の上昇を招き発電出力が低下する可能性がある。たとえば、熱交換器において熱回収し過ぎると作動媒体が気相から液相に相転移してしまう。この場合、通常は気体状態で凝縮器に導入される作動媒体が、液体状態で凝縮器に導入されてしまう。凝縮器は気体状態の作動媒体が導入されることを前提に設計されているために、凝縮器の能力が十分に発現しないで、作動媒体が所望の温度および圧力まで低下しない可能性がある。このような場合に、発電出力の低下が発生し得る。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、発電出力を低下させることなく、バイナリ発電装置において作動媒体の膨張後に熱を好適に回収することができる、バイナリ発電装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るバイナリ発電装置およびその制御方法は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のある局面に係るバイナリ発電装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリ発電装置において、前記膨張機の作動媒体出口側に接続され、作動媒体の顕熱を系外から供給される副次利用温水へと回収する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の作動媒体出口側に接続され、作動媒体を冷却する第２の熱交換器と、を含むことを特徴とする。

好ましくは、前記第２の熱交換器は、前記作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器として構成することができる。
さらに好ましくは、前記蒸発器は、前記作動媒体を過熱蒸気へと変化させる過熱機能を
有するように構成することができる。
また、本発明の別の局面に係る発電装置の制御方法は、上述したバイナリ発電装置を制御するに際し、前記バイナリ発電装置の第２の熱交換器の作動媒体入口において前記作動媒体の気相状態が維持されるように、前記バイナリ発電装置の第１の熱交換器において顕熱を回収することを特徴とする。

好ましくは、前記第２の熱交換器入口における作動媒体の圧力および温度を計測して、前記作動媒体を冷却する冷却媒体の流量を制御することにより、前記作動媒体の気相状態を維持するように構成することができる。
さらに好ましくは、前記作動媒体のエンタルピーを計算して、前記作動媒体を冷却する冷却媒体の流量を制御することにより、前記作動媒体の気相状態を維持するように構成することができる。
また、本発明に係るバイナリ発電装置の最も好ましい形態は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリ発電装置において、前記膨張機の作動媒体出口側に接続され、作動媒体の顕熱を系外から供給される副次利用温水へと回収する第１の熱交換器と、前記第１の熱交換器の作動媒体出口側に接続され、作動媒体を冷却する第２の熱交換器と、を含み、前記第２の熱交換器は、前記作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器であって、前記凝縮器の入口における冷媒ガスの状態が気相状態に維持されるように、前記凝縮器の入口における冷媒ガスの圧力及び温度に基づいて、前記副次利用温水の流量を調整する制御バルブを備えており、前記膨張機で膨張した冷媒ガスの顕熱を前記第１の熱交換器で回収すると共に、前記冷媒ガスの潜熱を前記凝縮器で冷却していることを特徴とする。

本発明に係るバイナリ発電装置およびその制御方法を用いることにより、発電出力を低下させることなく、バイナリ発電装置において作動媒体の膨張後に熱を好適に回収することができる。

本発明の実施形態に係るバイナリ発電装置を示す図である。 本発明の実施形態に係るバイナリ発電装置におけるｐ−ｈ線図である。 従来のバイナリ発電装置におけるｐ−ｈ線図である。

以下、本発明の実施形態に係るバイナリ発電装置１００およびその制御方法を、図面に基づき詳しく説明する。
［全体構成］
図１に示すように、本実施形態に係るバイナリ発電装置１００は、膨張機３０で発生した回転駆動力を用いて発電機４０を駆動することにより発電を行うものである。

なお、以下においては、蒸発器１０の熱源として用いる加熱媒体を温水として、熱回収器５０（第１の熱交換器）の冷媒として用いる冷却媒体を水として、凝縮器６０（第２の熱交換器）の冷媒として用いる冷却媒体を水として説明する。しかしながら、加熱媒体および冷却媒体は、これらに限定されるものではない。加熱媒体は温水ではなく蒸気（温ガス）であっても構わないし、冷却媒体は水以外の油等であっても構わない。特に、熱回収器５０において回収された熱を暖房の熱源として使用する場合には、熱回収器５０の冷却媒体は油であっても構わない。

図１に示すように、バイナリ発電装置１００は、液体の冷媒（冷媒液）を蒸発させる蒸発器１０と、この蒸発器１０で蒸発した冷媒ガスを過熱（スーパーヒート）状態に加熱する過熱器２０と、冷媒ガスの蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機３０と、膨張機３０で膨張させられた冷媒ガスを液体に凝縮する凝縮器６０と、この凝縮器６０で凝縮させられた冷媒液を循環させる冷媒ポンプ７０とを、閉ループ状の循環配管上に備えている。冷媒ポンプ７０は、冷媒液を蒸発器１０へ向けて圧送する。

本実施形態に係るバイナリ発電装置１００は、このような機器から構成される従来のバイナリ発電装置に加えて、膨張機３０と凝縮器６０との間に熱回収器５０を設けたことを特徴とする。
蒸発器１０および過熱器２０は、いずれも熱源である温水と冷媒液との間で熱交換する機器であって、蒸発器１０および過熱器２０の１次側に温水を供給することにより、２次側の冷媒液が温水から受けた熱で蒸発し、さらに過熱状態まで加熱されるようになっている。本実施形態においては蒸発器１０と過熱器２０とを別体の機器として記載しているが、一体の熱交換器であってもよく、過熱状態の冷媒ガスを膨張機３０へ送り込むことができればよい。

膨張機３０は、冷媒ガスを膨張させることにより回転駆動する駆動部を有している。本実施形態における膨張機は、スクリュ型であっても、ラジアル型であっても、スクロール型であっても構わない。スクリュ型膨張機である場合には、駆動部としてスクリュロータ
を有している。このスクリュロータで発生した回転駆動力は発電機４０へ伝えられ、発電機４０で発電が行われる。

熱回収器５０および凝縮器６０は、いずれも水と冷媒ガスとの間で熱交換する機器であって、熱回収器５０および凝縮器６０の２次側に水を供給することで１次側の冷媒ガスを凝縮できるようになっている。
熱回収器５０の２次側の水は熱交換されて温水（蒸発器１０の熱源である温水と区別するために副次利用温水と記載）となり、温水利用先である暖房機器や給湯機器へ、図示しないポンプにより送られて利用される。凝縮器６０の２次側の冷却水は、冷却水ポンプ６４により冷却塔６２との間で循環されて、凝縮器６０において冷媒ガスを凝縮して冷媒液へ、気相から液層へ相転移させる。

このように、本実施形態に係るバイナリ発電装置１００は、膨張後の熱交換器として、熱回収器５０（第１の熱交換器）および凝縮器６０（第２の熱交換器）とを備える。熱回収器５０は、冷媒ガスの顕熱を回収し、凝縮器６０は、冷媒ガスを冷却して冷媒液に凝縮する。この場合において、凝縮器６０の入口における冷媒ガスの圧力が圧力計５４により計測され、冷媒ガスの温度が温度計５６により計測されて、これらの計測結果に基づいて、冷媒ガスから熱回収する副次利用温水の流量を制御バルブ５２で調整することにより、凝縮器６０入口における冷媒ガスの状態が気相状態に維持される。

上述したバイナリ発電装置１００で発電を行う際には、温水ポンプを用いて温水を蒸発器１０および過熱器２０の１次側に送る。蒸発器１０および過熱器２０の２次側に供給される冷媒液は、水より低沸点の有機媒体であるため、容易に蒸発して、冷媒液から過熱状態の冷媒ガスへ変化する。このようにして得られた冷媒ガスは膨張機３０に送られ、膨張機３０内で膨張してスクリュロータ（駆動部）を回転させ、ロータの回転軸が発電機４０の回転軸が回転されて、発電機４０で発電される。

このようにしてスクリュロータを回転させるのに用いられた冷媒ガスは、凝縮器６０手前の熱回収器５０に送られる。熱回収器５０の２次側には図示しないポンプを用いて副次利用温水が供給されており、熱回収器５０での熱交換により１次側の冷媒ガスが気相状態を維持したままで熱交換が行われ、冷媒ガスの顕熱が回収される。
凝縮器６０の２次側には冷却水ポンプ６４を用いて冷却水が冷却塔６２との間で循環されており、凝縮器６０での熱交換により１次側の冷媒ガスが凝縮されて冷媒液に戻る。このようにして凝縮器６０で液体になった冷媒液は、冷媒ポンプ７０を用いて再び蒸発器１０および過熱器２０へ送られ蒸発に用いられる。このような冷媒（冷媒液および冷媒ガス）が循環するサイクル（バイナリサイクル）においては、膨張機３０で冷媒ガスが膨張し、膨張する冷媒ガスによりスクリュロータが回転して回転駆動力が生じる。

［制御方法］
上述したように、凝縮器６０入口における冷媒ガスの圧力が圧力計５４により計測され、冷媒ガスの温度が温度計５６により計測される。これらの計測結果に基づいて、凝縮器６０入口における冷媒ガスの状態が気相状態に維持されるように、冷媒ガスから熱回収する副次利用温水の流量を制御バルブ５２により調整する。

なお、冷媒のエンタルピーを計算して、凝縮器６０入口において冷媒ガスが気相状態を維持するように、副次利用温水の流量を制御バルブ５２により調整するようにしても構わない。さらに、この計算において、簡略化されたモデル等を用いることも、計算時間を高速化できる点で好ましい。
このように制御した場合の冷媒の状態をｐ−ｈ（圧力−比エンタルピー）線図を用いて説明する。

図２は、本実施形態に係るバイナリ発電装置１００におけるｐ−ｈ線図であって、図３は、従来のバイナリ発電装置（熱回収器５０を備えない）におけるｐ−ｈ線図である。
図３に示すように、従来のバイナリ発電装置においては、まず、冷媒ポンプ７０により、冷媒を昇圧する（図３の線（１））。その後、蒸発器１０及び過熱器を用いて、冷媒に熱を加え、圧力一定のままエンタルピーを増加させる（図３の線（２））。その上で、膨張機３０により、過熱状態の冷媒ガスから回転駆動力を取り出すようにする（図３の線（
３））。そして、凝縮器６０のみにより、過熱状態の冷媒ガスを冷媒液に凝縮していた（図３の線（４））。すなわち、従来のバイナリ発電装置においては、冷媒ガスが有する顕熱も潜熱も凝縮器６０で冷却し、有効利用することなく、熱を廃棄する状況下にあった。

これに対して、図２に示す如く、本実施形態に係るバイナリ発電装置１００においては、膨張後の冷媒ガスの顕熱分を熱回収器５０により回収し、潜熱分を凝縮器６０により冷却している。このため、凝縮器６０の入口においても冷媒ガスが気体状態を維持しており、凝縮器６０が所望の凝縮能力を発揮することができ、発電出力を低下させることがない。

すなわち、冷媒ポンプ７０により、冷媒を昇圧する（図２の線（１））。その後、蒸発器１０及び過熱器を用いて、冷媒に熱を加え、圧力一定のままエンタルピーを増加させる（図２の線（２））。その上で、膨張機３０により、過熱状態の冷媒ガスから回転駆動力を取り出すようにする（図２の線（３））。そして、熱回収器５０により膨張後の冷媒ガスの顕熱分を回収し（（図２の線（４）’）、凝縮器６０で、冷媒ガスを冷媒液に凝縮するようにしている（図２の線（４）’’）。このように、本実施形態のバイナリ発電装置１００によれば、冷媒ガスが有する顕熱を熱回収器５０で効果的に回収し、有効利用できるようになっている。本実施形態に係るバイナリ発電装置１００によると、暖房または／および給湯に利用するための副次利用温水を得ることができるともに、発電電力を低下させることもない。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
また、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１０ 蒸発器
２０ 過熱器
３０ 膨張機
４０ 発電機
５０ 熱回収器
６０ 凝縮器
７０ 冷媒ポンプ
１００ バイナリ発電装置

Claims (5)

1. 作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機とを備え、前記回転駆動力を用いて発電機を駆動するバイナリ発電装置において、
   前記膨張機の作動媒体出口側に接続され、作動媒体の顕熱を系外から供給される副次利用温水へと回収する第１の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器の作動媒体出口側に接続され、作動媒体を冷却する第２の熱交換器と、を含み、
   前記第２の熱交換器は、前記作動媒体の蒸気を液体に凝縮する凝縮器であって、
   前記凝縮器の入口における冷媒ガスの状態が気相状態に維持されるように、前記凝縮器の入口における冷媒ガスの圧力及び温度に基づいて、前記副次利用温水の流量を調整する制御バルブを備えており、
   前記膨張機で膨張した冷媒ガスの顕熱を前記第１の熱交換器で回収すると共に、前記冷媒ガスの潜熱を前記凝縮器で冷却していることを特徴とするバイナリ発電装置。
2. 前記蒸発器は、前記作動媒体を過熱蒸気へと変化させる過熱機能を有す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. 請求項１または２に記載されたバイナリ発電装置を制御するに際し、
   前記バイナリ発電装置の第２の熱交換器の作動媒体入口において前記作動媒体の気相状態が維持されるように、前記バイナリ発電装置の第１の熱交換器において顕熱を回収することを特徴とするバイナリ発電装置の制御方法。
4. 前記第２の熱交換器入口における作動媒体の圧力および温度を計測して、前記作動媒体を冷却する冷却媒体の流量を制御することにより、前記作動媒体の気相状態を維持することを特徴とする請求項３に記載のバイナリ発電装置の制御方法。
5. 前記作動媒体のエンタルピーを計算して、前記作動媒体を冷却する冷却媒体の流量を制御することにより、前記作動媒体の気相状態を維持することを特徴とする請求項３に記載のバイナリ発電装置の制御方法。

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