JP6398117B2 - 廃熱発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱発電装置に関する。

従来から、工場や焼却施設等で放出される廃熱エネルギーを回収して発電が行われており、この発電によって得られた電気エネルギーが再利用されることで省エネルギーが図られている。このような工場や施設では、発電機を駆動するための高圧の蒸気を生成しやすいということから約３００℃以上（場合によっては１０００℃近く）の廃熱が発電に用いられており、約３００℃以下の低温廃熱はその多くが依然として大気中に放出されていた。このため、従来は殆ど回収されていなかった低温廃熱の廃熱エネルギーを回収して発電を行えば、更なる省エネルギーを実現することができると考えられている。

以下の特許文献１には、低沸点作動媒体を用いたランキンサイクルによって、３００℃以下の低温廃熱の廃熱エネルギーを用いて発電を行う廃熱発電装置が開示されている。具体的に、以下の特許文献１に開示された廃熱発電装置は、廃熱回収器、蒸気タービン、凝縮器、及び高圧ポンプを備えており、廃熱回収器で回収される低温の廃熱によって低沸点作動媒体の高圧蒸気を生成し、この高圧蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行っている。尚、蒸気タービンの排気は凝縮器により凝縮液化し、この液化した低沸点作動媒体を廃熱回収器に送り出して循環させるようにしている。

特開２０００−１１０５１４号公報

ところで、従来の廃熱発電装置は、凝縮器で液化された低沸点作動媒体を、高圧ポンプにより廃熱回収器に送り出して循環させているが、高圧ポンプの回転数を一定に維持したとしても、循環する低沸点作動媒体の流れに脈動が生ずる場合がある。このような脈動は、高圧ポンプから廃熱回収器に送り出されて廃熱回収器内の蒸発過程で暖められた低沸点作動媒体が、高圧ポンプ側に押し戻されることが原因で生ずるものと考えられる。

廃熱発電装置は、前述の通り、低沸点作動媒体の高圧蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行っているため、循環する低沸点作動媒体の流れに脈動が生ずると、低沸点作動媒体の流れの変化に応じて蒸気タービンの回転数が変化するため、発電量が変化してしまう。このように、循環する低沸点作動媒体の流れに脈動が生ずると、安定した発電を行うことができないという問題が生ずる。

ここで、例えば高圧ポンプから廃熱回収器に向けて送り出される低沸点作動媒体を蓄積するアキュムレータ等の機構を設ければ、低沸点作動媒体の流量を安定させることができるとも考えられる。しかしながら、このような機構により流量を安定させることができるのは、低沸点作動媒体の流量がある程度定まっている場合であり、発電量に応じて低沸点作動媒体の流量が大きく変化する廃熱発電装置では、流量を十分に安定させることができないと考えられる。また、このような機構を設けると、装置の大型化やコスト上昇が引き起こされる懸念もある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化やコスト上昇を招くことなく低沸点作動媒体の流量を安定させることができ、これにより発電量を安定させることが可能な廃熱発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の廃熱発電装置は、廃熱エネルギーを回収して作動媒体（Ｙ）を蒸発させる蒸発器（１１、１１ａ〜１１ｃ）と、該蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機（１２）と、該タービン発電機から排出された前記作動媒体を凝縮する凝縮器（１３）と、該凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプ（１５）とを備える廃熱発電装置（１０）において、前記ポンプに印加される周波数に応じて前記ポンプに印加される電圧が下に凸となる変化を示すように、前記ポンプに印加する電圧を制御する制御装置（２０）を備えることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記制御装置が、前記ポンプに印加される電圧が前記ポンプに印加される周波数に応じて累乗で変化するように、前記ポンプに印加する電圧を制御することを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記ポンプに印加される電圧が、前記ポンプのトルクを一定とするために前記ポンプに印加される周波数に比例するように前記ポンプに印加される電圧よりも小さく設定されていることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記ポンプに印加される電圧が、前記ポンプの定格周波数における定格電圧の８０％の電圧を最大電圧とし、該最大電圧よりも下に凸となる変化を示すように設定されていることを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、前記タービン発電機に供給される前記作動媒体の温度及び圧力を計測する計測器（１９、１９ａ、１９ｂ）を備えており、前記制御装置が、前記計測器の計測結果に基づいて過熱度を算出し、過熱度が予め規定された目標値となるよう前記ポンプに印加される周波数を制御するとともに、前記ポンプに印加される周波数に応じて前記ポンプに印加する電圧を制御することを特徴としている。
また、本発明の廃熱発電装置は、熱源及び作動媒体が供給される蒸発器と、前記蒸発器から前記作動媒体が供給されるタービン発電機と、前記タービン発電機から前記作動媒体が供給される凝縮器と、前記凝縮器から供給される前記作動媒体を前記蒸発器に送出するポンプと、前記ポンプの周波数を制御すると共に、前記周波数の制御範囲に対応して前記ポンプに印加される電圧の値を、前記ポンプの周波数に比例する電圧の値よりも小さい値となるように制御する制御装置と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、ポンプに印加される周波数に応じてポンプに印加される電圧が下に凸となる変化を示すように、ポンプに印加する電圧を制御しているため、装置の大型化やコスト上昇を招くことなく低沸点作動媒体の流量を安定させることができ、これにより発電量を安定させることができるという効果がある。

本発明の一実施形態による廃熱発電装置の全体構成を簡略化して示すブロック図である。 本発明の一実施形態において、ポンプを制御するための周波数指令値と電圧との関係を示す図である。 本発明の一実施形態による廃熱発電装置の正面図である。 脈動が生じている場合における観測結果の一例を示す図である。 想定される脈動の発生原因を説明するための図である。 本発明の一実施形態による廃熱発電装置の運転状態の一例を示す図である。 従来の廃熱発電装置の運転状態の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による廃熱発電装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置の全体構成を簡略化して示すブロック図である。図１に示す通り、廃熱発電装置１０は、蒸発器１１、膨張タービン発電機１２（タービン発電機）、凝縮器１３、リザーバタンク１４、及びポンプ１５を備えるランキンサイクルを利用した発電装置であり、工場や焼却施設等から放出される約３００℃以下の廃熱媒体（本実施形態では「温水Ｘ」という）の廃熱エネルギーを回収して発電を行う。尚、廃熱媒体は、温水Ｘに限られるものではなく、工場や焼却施設等から放出されるガスを用いることもできる。

また、廃熱発電装置１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７を備えており、膨張タービン発電機１２で発電された電力を、商用電力と同仕様の三相交流電力に変換する。加えて、廃熱発電装置１０は、計測装置１８、センサ１９（温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂ：計測器）、及び制御装置２０を備えており、膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量、並びに膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力の計測結果に基づいて、作動媒体Ｙの流量を安定させつつ、温水Ｘの廃熱エネルギーから最も多くの発電が可能となるようにポンプ１５の駆動を制御する。

蒸発器１１は、工場等から放出される温水Ｘとポンプ１５から送出される作動媒体Ｙとが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙの蒸気を生成する。つまり、蒸発器１１は、温水Ｘの廃熱エネルギーを回収して作動媒体Ｙの蒸気を生成する。ここで、作動媒体Ｙは、沸点（大気圧条件下における沸点）が１５℃程度の媒体であるのが望ましい。この作動媒体Ｙとしては、例えばハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、フルオロカーボン、フルオロケトン、パーフルオロポリエーテル等を用いることができる。

膨張タービン発電機１２は、タービン１２ａ及び発電機１２ｂを備えており、蒸発器１１から供給された気化状態の作動媒体Ｙを用いて三相交流電力を発電する。タービン１２ａは、蒸発器１１からの作動媒体Ｙの供給によってタービンインペラを回転させる回転機械である。発電機１２ｂは、タービンインペラの軸と結合したロータ（回転子）と、ロータの外周を取り囲むように設けられたステータ（固定子）とを備えており、ロータがタービン１２ａによって回転駆動されることによって、三相交流電力を発電する。尚、発電機１２ｂが出力する三相交流電力は、周波数及び出力電圧の少なくとも一方が商用電力の仕様とは異なっている。

凝縮器１３は、膨張タービン発電機１２から排出された作動媒体Ｙと、冷却媒体（本実施形態では「冷却水Ｚ」という）とが別経路にて供給され、内部にて熱交換を行うことで作動媒体Ｙを冷却して凝縮する。リザーバタンク１４は、凝縮器１３で凝縮された作動媒体Ｙを一時的に蓄えるタンクである。ポンプ１５は、凝縮器１３で凝縮されてリザーバタンク１４に一時的に蓄えられた作動媒体Ｙを加圧して蒸発器１１に向けて送出する。

ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７は、発電機１２ｂが発電した三相交流電力を商用電力の仕様に適合した三相交流電力（例えば５０／６０Ｈｚ，２００Ｖ級）に変換するためのものである。ＡＣ／ＤＣ変換器１６は、発電機１２ｂから出力される三相交流電力を直流電力に変換してＤＣ／ＡＣ変換器１７に出力する。ＤＣ／ＡＣ変換器１７は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６からの直流電力を商用電力の仕様に適合した三相交流電力に変換する。

計測装置１８は、ＤＣ／ＡＣ変換器１７に流れる電流を計測して膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量を計測する。ここで、計測装置１８は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６に流れる電流を計測して膨張タービン発電機１２の単位時間当りの発電量を計測するものであっても良い。尚、計測装置１８は、発電量のノイズ（例えば、μｓｅｃオーダーのノイズ）を拾うことのないようノイズフィルタを有する。

センサ１９（温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂ）は、蒸発器１１と膨張タービン発電機１２とを接続する配管に取り付けられており、膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力を計測する。尚、センサ１９は、蒸発器１１における作動媒体Ｙの出口、或いは膨張タービン発電機１２における作動媒体Ｙの入口に取り付けられていても良い。

制御装置２０は、廃熱発電装置１０の動作を統括して制御する。例えば、制御装置２０は、計測装置１８及びセンサ１９（温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂ）の計測結果に基づいて、温水Ｘの廃熱エネルギーから最も多くの発電が可能となるようにポンプ１５に印加される周波数（作動媒体Ｙの循環量を規定する周波数）を制御する。具体的に、制御装置２０は、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて過熱度を算出し、算出した過熱度が予め規定された目標値となるようポンプ１５に印加される周波数を制御する。但し、制御装置２０は、計測装置１８の計測結果に急激な変化が生じた場合には、ポンプ１５に印加される周波数を低減する制御を行う。これは温水Ｘの急激な温度上昇に起因するエロージョン（作動媒体Ｙが液体のまま膨張タービン発電機１２に供給されて生ずるタービンインペラの浸食）を防止するためである。

また、制御装置２０は、上記の制御とともに、ポンプ１５のトルクを減ずる制御を行う。具体的に、制御装置２０は、ポンプ１５に印加される周波数に応じて、ポンプ１５に印加される電圧が下に凸となる変化を示すように、ポンプに印加する電圧を制御する。例えば、制御装置２０は、ポンプ１５に印加される電圧がポンプ１５に印加される周波数に応じて累乗（例えば、２乗、３乗等の整数の累乗、或いは、１．７乗、２．５乗等の小数の累乗）で変化するように（或いは、累乗に近い値で変化するように）、ポンプ１５に印加する電圧を制御する。このような制御を行うのは、作動媒体Ｙの流れの脈動を抑制して流量を安定させることによって、廃熱発電装置１０の発電量を安定させるためである。

図２は、本発明の一実施形態において、ポンプを制御するための周波数指令値と電圧との関係を示す図である。尚、図２においては、ポンプ１５に対する周波数指令値を横軸にとり、ポンプ１５に印加される電圧を縦軸にとってある。図２において、符号Ｌ１が付された線は、本実施形態における周波数指令値と電圧との関係を示す線であり、符号Ｌ２が付された線は、従来における周波数指令値と電圧との関係を示す線である。

図２に示す通り、従来は、ポンプ１５のトルクを一定にするために、ポンプ１５に印加される電圧が、ポンプ１５の周波数指令値に比例するように設定されていた（線Ｌ２参照）。これに対し、本実施形態では、ポンプ１５のトルクを減じて作動媒体Ｙの流れの脈動を抑制するために、ポンプ１５の周波数指令値に応じて、ポンプ１５に印加される電圧が下に凸となる変化を示すように設定されている（線Ｌ１参照）。

しかも、本実施形態では、ポンプ１５に印加される電圧が、全体的に従来よりも小さく設定されており、図２に示す通り、全体的に線Ｌ１が線Ｌ２を下回るようにされている。具体的に、ポンプ１５に印加される電圧は、ポンプ１５の定格周波数における定格電圧の８０％の電圧を最大電圧とし、その最大電圧よりも下に凸となる変化を示すように設定されている。尚、定格電圧に対する最大電圧の割合は、本発明の一実施形態における実測結果より導き出されたものである。

次に、廃熱発電装置１０の具体的な構成について説明する。図３は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置の正面図である。尚、図３においては、図１に示す構成に相当する構成については同一の符号を付してある。また、図３においては、理解を容易にするために、廃熱発電装置１０に設けられた構成の一部の図示を省略している。例えば、廃熱発電装置１０の筐体、蒸発器１１に接続される温水Ｘの配管（温水供給配管及び温水回収配管）、凝縮器１３等の図示を省略している。

図３に示す通り、蒸発器１１は、架台Ｂによって支持された３つの蒸発器１１ａ〜１１ｃからなる。これら蒸発器１１ａ〜１１ｃは、箱形に形状設定されており、温水Ｘ及び作動媒体Ｙの出入口が正面側に集約されて設けられている。具体的に、蒸発器１１ａ〜１１ｃの正面側には、温水Ｘの入口Ｐ１１、温水Ｘの出口Ｐ１２、作動媒体Ｙの入口Ｐ２１、作動媒体Ｙの出口Ｐ２２が設けられている。

蒸発器１１ａ〜１１ｃに設けられた作動媒体Ｙの入口Ｐ２１は、循環配管Ｑ１に対して並列に接続されており、作動媒体Ｙの出口Ｐ２２は、循環配管Ｑ２に対して並列に接続されている。循環配管Ｑ１は、ポンプ１５に接続されており、ポンプ１５から送出された作動媒体Ｙを蒸発器１１ａ〜１１ｃにそれぞれ導くための配管である。これに対し、循環配管Ｑ２は、膨張タービン発電機１２に接続されており、蒸発器１１ａ〜１１ｃで生成された作動媒体Ｙの蒸気を膨張タービン発電機１２に導くための配管である。

膨張タービン発電機１２は、蒸発器１１ａ〜１１ｃ及び不図示の凝縮器１３よりも僅かに上方に配置されるよう架台Ｂに支持されている。膨張タービン発電機１２をこのような配置とするのは、循環配管Ｑ２（或いは、膨張タービン発電機１２と不図示の凝縮器１３とを接続する循環配管Ｑ３）内で作動媒体Ｙが凝集しても、液体の状態で作動媒体Ｙが膨張タービン発電機１２に供給されることを防止するためである。

凝縮器１３（図３では図示を省略）は、例えば蒸発器１１と同様に、箱形に形状設定された３つの凝縮器からなる。このような３つの凝縮器は、例えば蒸発器１１ａ〜１１ｃの背面側にそれぞれ設けられる。リザーバタンク１４は、凝縮器１３の下方に配置されるように架台Ｂによって支持されている。ポンプ１５は、廃熱発電装置１０の最下部に配置されるよう架台Ｂによって支持されており、循環配管Ｑ５を介してリザーバタンク１４に接続されるとともに、循環配管Ｑ１を介して蒸発器１１ａ〜１１ｃに接続されている。

尚、図３に示す通り、廃熱発電装置１０は、遮断弁Ｖ１及びバイパス弁Ｖ２を備える（図１においては図示省略）。遮断弁Ｖ１は、緊急時等に膨張タービン発電機１２への作動媒体Ｙの供給を停止する弁であり、膨張タービン発電機１２の上流側において循環配管Ｑ２に対して設けられている。バイパス弁Ｖ２は、バイパス流路（遮断弁Ｖ１によって循環配管Ｑ２が閉鎖された場合に、膨張タービン発電機１２を回避させて作動媒体Ｙを循環配管Ｑ３に流すための流路：図示省略）に設けられた弁である。このバイパス弁Ｖ２は、遮断弁Ｖ１が循環配管Ｑ２を開放している場合にはバイパス流路を閉鎖し、遮断弁Ｖ１が循環配管Ｑ２を閉鎖している場合にはバイパス流路を開放する。

次に、上記構成における廃熱発電装置１０の動作について説明する。本実施形態の廃熱発電装置１０では、作動媒体Ｙが、蒸発器１１（蒸発器１１ａ〜１１ｃ）→膨張タービン発電機１２→凝縮器１３→リザーバタンク１４→ポンプ１５→蒸発器１１（蒸発器１１ａ〜１１ｃ）の順で循環しつつ、作動媒体Ｙが液体と気体に状態変化することによって膨張タービン発電機１２における発電が行われる。

即ち、蒸発器１１において温水Ｘの熱によって蒸発した作動媒体Ｙは、膨張タービン発電機１２に供給された後に凝縮器１３で冷却水Ｚによって凝縮されて、リザーバタンク１４に一時に貯溜された後、再びポンプ１５を介して蒸発器１１に送出される。このような作動媒体Ｙの循環的な状態変化の過程において、作動媒体Ｙによって膨張タービン発電機１２が駆動されて発電が行われる。そして、膨張タービン発電機１２で発電された三相交流電力は、ＡＣ／ＤＣ変換器１６及びＤＣ／ＡＣ変換器１７によって商用電力の仕様に適合した三相交流電力に変換されて外部に供給される。

以上の動作が行われている間、ＤＣ／ＡＣ変換器１７に流れる電流（或いは、ＡＣ／ＤＣ変換器１６に流れる電流）が計測装置１８で計測されて、膨張タービン発電機１２の単位時間（例えば秒単位）当りの発電量が計測装置１８によって計測される。また、膨張タービン発電機１２に供給される作動媒体Ｙの温度及び圧力が、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂによってそれぞれ計測される。

そして、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて過熱度を算出し、算出した過熱度が予め規定された目標値となるようポンプ１５に印加される周波数を可変する制御が制御装置２０で行われる。例えば、算出した過熱度が上記の目標値よりも小さい場合には、制御装置２０はポンプ１５の回転数を下降させる周波数指令値を不図示のインバータ（ポンプ１５を駆動するインバータ）に出力する一方、算出した過熱度が上記の目標値よりも大きい場合には、制御装置２０はポンプ１５の回転数を上昇させる周波数指令値を出力する制御を行う。尚、計測装置１８の計測結果に急激な変化が生じた場合には、前述したエロージョンを防止するために、ポンプ１５に印加される周波数を低減する制御が制御装置２０によって行われる。

また、上述したポンプ１５に印加される周波数の制御とともに、ポンプ１５のトルクを減ずる制御が制御装置２０で行われる。具体的には、ポンプ１５の周波数指令値に応じて、図２に示す線Ｌ１上の電圧がポンプ１５に印加されるように、不図示のインバータの出力電圧が制御される。このような電圧（周波数指令値に応じて下に凸となる変化を示す電圧）がポンプ１５に印加されることにより、作動媒体Ｙの流れの脈動が抑制され、流量を安定させることができる。尚、電圧が周波数指令値に応じて下に凸となる変化を示すように制御することは一例であり、トルクを線Ｌ１の比例関係よりも低減させることを実現するために別の制御を実行することも考えられる。従って、実際には制御装置２０は、ポンプの周波数を制御すると共に、周波数の制御範囲に対応してポンプに印加される電圧の値を、ポンプの周波数に比例する電圧の値よりも小さい値となるように制御していることとなる。

ここで、従来のように、周波数指令値に比例する電圧（図２に示す線Ｌ２上の電圧）をポンプ１５に印加してポンプ１５のトルクを一定にした場合には、作動媒体Ｙの流れの脈動が生ずる。このような脈動が生ずると、その脈動の周期（例えば、１０秒程度の周期）とほぼ同じ周期で膨張タービン発電機１２の発電量が変化するとともに、蒸発器１１における作動媒体Ｙの入口Ｐ２１の温度変化が生ずる。

図４は、脈動が生じている場合における観測結果の一例を示す図である。図４に示す通り、膨張タービン発電機１２での発電が高い場合には、蒸発器１１における作動媒体Ｙの入口Ｐ２１で、「低い（ポンプ入口と同等の温度）」という観測結果が得られている。これに対し、膨張タービン発電機１２での発電が低い場合には、蒸発器１１における作動媒体Ｙの入口Ｐ２１では「高い（ポンプ入口と蒸発器出口の中間程度の温度）」という観測結果が得られている。

つまり、蒸発器１１における作動媒体Ｙの入口Ｐ２１では、作動媒体Ｙの流れの脈動の周期（発電量が変化する周期）で「低い」と「高い」という温度変化が生ずる。このような温度変化が生ずることから、作動媒体Ｙの流れの脈動は、蒸発器１１内の蒸発過程で暖められた作動媒体Ｙが、ポンプ１５側に押し戻されることが原因で生ずるものと考えられる。

図５は、想定される脈動の発生原因を説明するための図である。尚、図５においては、図３に示した部材と同じ部材には、同一の符号を付してある。図５に示す通り、蒸発器１１は、下部に設けられた入口Ｐ２１から液体の作動媒体Ｙが供給され、上部に設けられた出口Ｐ２２から気体の作動媒体Ｙ（温水Ｘと熱交換が行われた作動媒体Ｙ）が排出される構成である。このため、蒸発器１１に対する作動媒体Ｙの供給量が適切な状態では、液体の作動媒体Ｙと気体の作動媒体Ｙとの界面は、例えば図５に示した界面Ｓ０になると想定される。

これに対し、蒸発器１１に対する作動媒体Ｙの供給量が過剰な状態では、液体の作動媒体Ｙと気体の作動媒体Ｙとの界面が一時的に上昇して、例えば図５に示した界面Ｓ１になると想定される。このような界面の上昇が生ずると、蒸発器１１内の蒸発過程で暖められて蒸発しきれなかった作動媒体Ｙが、重力の影響によってポンプ１５側に押し戻されるため、例えば図５に示した界面Ｓ２になると想定される。

ポンプ１５のトルクが大きな場合には、再び作動媒体Ｙが過剰に供給されるため、蒸発器１１内では、液体の作動媒体Ｙと気体の作動媒体Ｙとの界面が、図５中の界面Ｓ１と界面Ｓ２との間を行き来する現象（ハンチング現象）が生ずると想定される。このようなハンチング現象が生ずることによって、作動媒体Ｙの流れの脈動が生ずると想定される。

本実施形態では、温度センサ１９ａ及び圧力センサ１９ｂの計測結果に基づいて算出した過熱度に基づいてポンプ１５に印加される周波数を制御するとともに、ポンプ１５のトルクを減ずる制御を制御装置２０が行っている。これにより、蒸発器１１に対する作動媒体Ｙの供給量が過剰になるのを抑制して、作動媒体Ｙの流れの脈動を低減するようにしている。

図６は、本発明の一実施形態による廃熱発電装置の運転状態の一例を示す図である。これに対し、図７は、従来の廃熱発電装置の運転状態の一例を示す図である。これら図６，７において、符号ＯＰ１が付された曲線は発電機端（膨張タービン発電機１２の出力端）の発電出力を示す曲線であり、符号ＯＰ２が付された曲線は送電端（廃熱発電装置１０の出力端）の発電出力を示す曲線であり、符号Ｒが付された曲線はタービン１２ａの回転数を示す曲線である。また、符号ＩＰが付された曲線はポンプ１５の入力電力を示す曲線であり、符号ＩＶが付された曲線はポンプ１５の入力電圧を示す曲線である。

まず、図７を参照すると、従来のように、周波数指令値に比例する電圧（図２に示す線Ｌ２上の電圧）をポンプ１５に印加してポンプ１５のトルクを一定にした場合には、作動媒体Ｙの流れの脈動の周期でタービン１２ａの回転数Ｒが変動している。また、タービン１２ａの回転数の変動に伴って、発電機端の発電出力ＯＰ１及び送電端の発電出力ＯＰ２が±２０％程度の振幅をもって一定周期で変動しており発電量が安定してはいない。加えて、ポンプ１５の入力電力ＩＰ及び入力電圧ＩＶも作動媒体Ｙの流れの脈動の周期で変動している。

次に、図６を参照すると、本実施形態のように、図２に示す線Ｌ１上の電圧がポンプ１５に印加してポンプ１５のトルクを減ずる制御を行った場合には、タービン１２ａの回転数Ｒがほぼ一定になる。これにより、発電機端の発電出力ＯＰ１及び送電端の発電出力ＯＰ２の変動が±３％以下に低減されて発電量が安定する。尚、ポンプ１５の入力電力ＩＰ及び入力電圧ＩＶの変動も、図７に比べて大幅に低減している。このように、本実施形態では、従来に比べて大幅に発電量を安定させることができる。

以上の通り、本実施形態では、ポンプ１５に印加される周波数に応じてポンプ１５に印加される電圧が下に凸となる変化を示すように、ポンプ１５に印加する電圧を制御するようにしている。かかる制御を行うことでポンプ１５のトルクが低減されるため、蒸発器１１に対する作動媒体Ｙの供給量が過剰になるのを抑制することができ、作動媒体Ｙの流れの脈動を低減することができる。その結果として、発電量を安定させることができる。

ここで、蒸発器１１が複数台設けられている場合であっても、１台のみ設けられている場合であっても、作動媒体Ｙの流れの脈動は生ずる。このため、本実施形態では、蒸発器１１の数に拘わらず、作動媒体Ｙの流れの脈動を低減して発電量を安定させることができる。尚、蒸発器１１が複数台設けられている場合には、作動媒体Ｙの流れが不安定になり易いと考えられるため、効果的に発電量を安定させることができると考えられる。

以上、本発明の一実施形態による廃熱発電装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、温水Ｘとなった廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば熱源として廃ガスを用いてもよい。また、熱源は、廃ガスや廃温水などの廃熱に限定されない。また、上述した膨張タービン発電機１２として、遠心式膨張タービン発電機、斜流式膨張タービン発電機等のラジアルタービン発電機を用いることも可能である。

１０…廃熱発電装置、１１…蒸発器、１１ａ〜１１ｃ…蒸発器、１２…膨張タービン発電機、１３…凝縮器、１５…ポンプ、１９…センサ、１９ａ…温度センサ、１９ｂ…圧力センサ、２０…制御装置、Ｙ…作動媒体

Claims (3)

1. 廃熱エネルギーを回収して作動媒体を蒸発させる蒸発器と、該蒸発器からの前記作動媒体の供給により発電を行うタービン発電機と、該タービン発電機から排出された前記作動媒体を凝縮する凝縮器と、該凝縮器で凝縮された前記作動媒体を前記蒸発器に向けて送出するポンプとを備える廃熱発電装置において、
   前記ポンプに印加される周波数に応じて前記ポンプに印加される電圧が下に凸となる変化を示すように、前記ポンプに印加する電圧を制御する制御装置を備え、
   前記ポンプに印加される電圧は、前記ポンプの定格周波数における定格電圧の８０％の電圧を最大電圧とし、該最大電圧よりも下に凸となる変化を示すように設定されている
   ことを特徴とする廃熱発電装置。
2. 前記制御装置は、前記ポンプに印加される電圧が前記ポンプに印加される周波数に応じて累乗で変化するように、前記ポンプに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１記載の廃熱発電装置。
3. 前記タービン発電機に供給される前記作動媒体の温度及び圧力を計測する計測器を備えており、
   前記制御装置は、前記計測器の計測結果に基づいて過熱度を算出し、過熱度が予め規定された目標値となるよう前記ポンプに印加される周波数を制御するとともに、前記ポンプに印加される周波数に応じて前記ポンプに印加する電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の廃熱発電装置。

Images