JP6425310B2

JP6425310B2 - 熱回収システムおよび制御装置

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Publication number: JP6425310B2
Application number: JP2016008806A
Authority: JP
Inventors: 馨久保田; 理博鈴木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2017129059A

Description

本発明の実施形態は、低中温の熱源から発電を行うためのバイナリ発電を含む熱回収システムおよび制御装置に関する。

バイナリ発電とは、低沸点の作動媒体を使用した発電ユニットを用いた発電方式である。バイナリ発電では、低温の熱源から熱交換器を介して作動媒体に熱を移動して作動媒体を蒸発させ、高圧蒸気となった作動媒体によってタービンを駆動し、発電を行う。タービンを通った作動媒体は、熱交換器で冷却され低圧液体となり、ポンプによって押し出され、二次配管内を循環する。ここでの低温とは１５０℃程度以下を指し、１５０℃を超える熱源は、発電設備の機械的強度の上限値を超えるためバイナリ発電には使用することが困難である。

近年では低温だけでなく中温で棄てられている廃熱を利用するための廃熱回収システムが構築されている。１５０℃を超える中温の熱源を使用するには、発電ユニットの機械的上限値を考慮すると、熱源を直接発電ユニットに流入させることはできない。中温の熱源を利用する廃熱回収システムでは、さらに熱交換器およびポンプを追加して、中温の熱源から油や水等による中間媒体に熱を移動する。中間媒体は、１５０℃を超えないようにすることができるので、発電設備の機械的強度を考慮せずにバイナリ発電を行うことができる。

中温で棄てられている熱源とは、たとえばプラントの炉から排出される排ガス等である。プラントの炉では、炉内の燃焼対象物の性質や量に応じて炉内温度が制御される。炉内温度は、バーナを用いて、使用する燃料と空気の流量を変化させることによって、調整される。そのため、熱源として用いる排ガスの温度や流量、つまり熱源のエネルギは、炉内の状態に応じて時間的な変化をともなう。

発電ユニットは、熱源の温度や流量の時間的な変化に応じて、発電量が変化するため、安定して高い出力を得ることが困難である。また、1台の発電ユニットでは、入力可能な熱源の温度や流量の範囲も限られている。たとえば、発電ユニットの発電定格値が小さい場合には、最大発電量を上回る熱源エネルギが入力されても、発電量は、定格値で制限され、熱源の有効活用が困難となる。また、発電ユニットの発電定格値に対して入力される熱源エネルギが小さい場合には、定格値に満たない熱源エネルギの入力される期間が増えてしまい、発電量が不十分となるおそれがある。

特開２０１４−１９０２８５号公報

実施形態は、低中温の熱源のエネルギが時間的に変化した場合に、効率的に発電することができる熱回収システムおよび制御装置を提供する。

実施形態に係る熱回収システムは、第１流体から第２流体に熱交換する第１熱交換器と、前記第２流体の流量を制御する第１流量制御手段と、前記第２流体の一部を分流して入力する第１バイナリ発電装置と、前記第２流体の残りの少なくとも一部を分流して入力する第２バイナリ発電装置と、前記第２流体の一部の流量を制御する第２流量制御手段と、前記第２流体の残りの少なくとも一部の流量を制御する第３流量制御手段と、前記第１流量制御手段、前記第２流量制御手段および前記第３流量制御手段を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記第１熱交換器の特性、前記第１流体の温度および前記第１流体の流量にもとづいて、前記第２流体の第１目標温度を設定する温度演算部と、前記第１目標温度にもとづいて、前記第１流量制御手段によって前記第２流体の流量を制御する第１流量制御部と、前記第１バイナリ発電装置の特性データ、前記第２バイナリ発電装置の特性データおよび前記第１目標温度にもとづいて、前記第２流量制御手段および前記第３流量制御手段のそれぞれの流量を計算する発電機流入量演算部と、を含む。

本実施形態では、複数のバイナリ発電装置を備え、制御装置によってそれぞれのバイナリ発電装置に流入する第２流体の流量を設定することができるので、効率的に発電することができる。

第１の実施形態に係る廃熱回収システムを例示するブロック図である。第１の実施形態の廃熱回収システムの一部を例示するブロック図である。バイナリ発電ユニットの構成を例示するブロック図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、バイナリ発電ユニットの特性を例示する模式的なグラフである。比較例の廃熱回収システムの一部を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る廃熱回収システムを例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る廃熱回収システムを例示するブロック図である。
図２は、本実施形態の廃熱回収システムの一部を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の廃熱回収システム１００は、熱交換器４０と、バルブ４２と、ポンプ４３と、バイナリ発電ユニット５１，５２と、バルブ４５，４６と、制御装置１０と、を備える。本実施形態の廃熱回収システム１００では、２つ以上のバイナリ発電ユニットを設けることができるが、以下では、理解を容易にするため、特に断らない限り、廃熱回収システム１００は、２つのバイナリ発電ユニット５１，５２を備える場合について説明する。

熱交換器４０は、流体的に接続された一次配管１０１を介して熱源が供給されている。熱源は、たとえばプラントの排ガスである。熱源の温度は、たとえば、１００℃〜５００℃程度であり、以下では、この温度範囲を低中温という。熱交換器４０は、二次配管１０２に流体的に接続されている。二次配管１０２内には、中間媒体が流動している。中間媒体は、たとえば水や油等である。二次配管１０２は、分岐されており、分岐された複数の二次配管１０３，１０４は、それぞれバイナリ発電ユニット５１，５２に流体的に接続されている。中間媒体は、分岐された二次配管１０３，１０４によってバイナリ発電ユニット５１，５２に供給され、排出される。バイナリ発電ユニット５１，５２から排出された中間媒体は、分岐配管によって１つにまとめられ、熱交換器４０に回収される。

二次配管１０２には、バルブ（Ｖ１）４２が流体的に接続されている。バルブ４２は、熱交換器４０の中間媒体の供給口と回収口との間に接続されている。バルブ４２の開度を調整すると、中間媒体のバイパス量が変化し、二次配管１０２内の中間媒体の流量Ｑ１が変化する。二次配管１０２の回収口の側には、ポンプ（Ｐ１）４３が挿入されている。ポンプ４３は、インバータ装置によって制御されるモータで駆動される。バルブ４２およびポンプ４３は、二次配管１０２内の中間媒体の流量Ｑ１を制御する。二次配管１０２の途中には、温度センサ４４が設けられている。温度センサ４４は、中間媒体の温度を測定し、電気信号に変換して出力する。出力された温度データは、制御装置１０に供給される。

分岐された二次配管１０３，１０４には、バルブ（Ｖ１１，Ｖ１２）４５，４６がそれぞれ挿入されている。バルブ４５，４６は、電気信号によって開度を調節され、バイナリ発電ユニット５１，５２にそれぞれ流入する中間媒体の流量Ｑ１１，Ｑ１２が設定される。

バルブ４２，４５，４６の開度およびポンプ４３の吐出量を設定する電気信号は、制御装置１０によって生成され、供給される。

バイナリ発電ユニット５１，５２は、二次配管１０３，１０４を介して中間媒体を供給される。バイナリ発電ユニット５１，５２は、中間媒体の流量および温度に応じた出力電力で発電する。バイナリ発電ユニット５１は、実際に発電している際の出力電圧データＥ１１および出力電流データＩ１１を出力する。バイナリ発電ユニット５２も、実際に発電している際の出力電圧データＥ１２および出力電流データＩ１２を出力する。出力された出力電圧データＥ１１，Ｅ１２および出力電流データＩ１１，Ｉ１２は、制御装置１０に供給される。

図２に示すように、制御装置１０は、温度演算部１２と、流量制御部１３と、発電ユニット流量制御部１４と、総発電量演算部１５と、補正演算部１６と、を含む。

温度演算部１２は、一次配管１０１を流動する排ガスの温度を検出する温度センサおよび流量を検出する流量センサに接続されており、排ガスの温度データＴ１［℃］および流量データＸ１［Ｎｍ^３／ｈｏｕｒ］を入力する。

温度演算部１２は、図示しないデータベースから、熱交換器４０の特性データＢ１を取得し入力する。

温度演算部１２は、熱交換器の特性データＢ１、熱源（排ガス）の温度データＴ１［℃］および熱源の流量データＸ１［Ｎｍ^３／ｈｏｕｒ］にもとづいて、中間媒体の目標温度ｔ０１を計算して出力する。

流量制御部１３は、温度演算部１２の出力に接続されており、目標温度ｔ０１を入力する。流量制御部１３は、中間媒体の温度を検出する温度センサ４４に接続されており、中間媒体の温度データｔ１［℃］を入力する。

流量制御部１３は、中間媒体の温度データｔ１が目標温度ｔ０１に近づくように、バルブ４２の開度およびポンプ４３の吐出量を設定して、中間媒体の流量Ｑ１を制御する。なお、図中、（Ｑ１）のかっこは、中間媒体の流量Ｑ１となるように、流量制御部１３によって、バルブＶ１開度制御信号およびポンプＰ１吐出量制御信号がバルブ４２およびポンプ４３にそれぞれ供給されることを示す。バルブＶ１開度制御信号は、バルブ４２の開度を設定する信号であり、ポンプＰ１吐出量制御信号は、ポンプ４３の吐出量を設定する信号である。

バルブ４２およびポンプ４３が中間媒体の流量Ｑ１を制御することによって、中間媒体の有するエネルギは、低中温の熱源である排ガスのエネルギの時間変化に応じて変化する。

発電ユニット流量制御部１４は、温度演算部１２の出力に接続されており、目標温度ｔ０１を入力する。

発電ユニット流量制御部１４は、図示しないデータベースから、バイナリ発電ユニット５１，５２の特性データＧ１１，Ｇ１２をそれぞれ取得して入力する。

発電ユニット流量制御部１４は、目標温度ｔ０１およびバイナリ発電ユニット５１，５２の特性データＧ１１，Ｇ１２を入力して、バイナリ発電ユニット５１，５２にそれぞれ流入する中間媒体の流量Ｑ１１，Ｑ１２を設定する。なお、図中、（Ｑ１１，Ｑ１２）のかっこは、バイナリ発電ユニット５１，５２にそれぞれ流入する中間媒体の流量がＱ１１，Ｑ１２になるように、発電ユニット流量制御部１４によって、バルブＶ１１開度制御信号およびバルブＶ１２制御開度信号がバルブ４５およびバルブ４６にそれぞれ供給されることを示す。バルブＶ１１開度制御信号は、バルブ４５の開度を設定する信号であり、バルブＶ１２開度制御信号は、バルブ４６の開度を設定する信号である。

バイナリ発電ユニット５１，５２に流入する中間媒体の流量Ｑ１１，Ｑ１２は、バイナリ発電ユニット５１，５２の発電量Ｗ１１，Ｗ１２の合計である総発電量Ｗ１が最大になるように設定される。なお、二次配管１０２を流れる中間媒体の流量Ｑ１は、分岐後の二次配管１０３，１０４を流れる中間媒体のそれぞれの流量Ｑ１１，Ｑ１２の和である。

総発電量演算部１５は、温度演算部１２の出力および発電ユニット流量制御部１４の出力に接続されている。総発電量演算部１５は、温度演算部１２から出力される目標温度ｔ０１および発電ユニット流量制御部１４から出力されるバイナリ発電ユニット５１，５２の発電量Ｗ１１，Ｗ１２にもとづいて、総発電量の計算値を求める。

補正演算部１６は、バイナリ発電ユニット５１，５２のそれぞれの出力に接続されており、バイナリ発電ユニット５１，５２が出力している出力電流データＩ１１，Ｉ１２および出力電圧データＥ１１，Ｅ１２を取得する。補正演算部１６は、それぞれのバイナリ発電ユニット５１，５２の出力電流データＩ１１，Ｉ１２および出力電圧データＥ１１，Ｅ１２にもとづいて、実際に出力されている電力を計算し、データの取得時間ごとに電力を積算して、電力量の実績値をバイナリ発電ユニット５１，５２ごとに計算する。

補正演算部１６は、総発電量演算部１５の出力に接続されており、バイナリ発電ユニット５１，５２が出力することができる計算上の電力を入力する。

補正演算部１６は、バイナリ発電ユニット５１，５２が出力する電力の実績値と計算値との差にもとづいて、流入する中間媒体の流量Ｑ１１，Ｑ１２を補正する。補正されたそれぞれの流量の補正値は、発電ユニット流量制御部１４に供給される。

制御装置１０は、たとえばプログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller、以下、ＰＬＣという。）である。ＰＬＣは、コントローラを有しており、温度演算部１２、流量制御部１３、発電ユニット流量制御部１４、総発電量演算部１５および補正演算部１６は、コントローラの機能として実現される。熱交換器４０の特性データＢ１は、たとえばＰＬＣのメモリに格納されている。ＰＬＣのメモリには、バイナリ発電ユニット５１，５２の特性データＧ１１，Ｇ１２も格納されている。温度データＴ１，ｔ１、流量データＸ１、バイナリ発電ユニットの電圧データおよび電流データは、たとえばＰＬＣの入力モジュールを介してＰＬＣのコントローラに供給される。また、バルブ４２，４５，４６のための駆動信号は、コントローラで生成され、出力モジュールを介して、バルブ４２，４５，４６に供給される。

本実施形態の廃熱回収システム１００の動作について説明する。
図３は、バイナリ発電ユニットの構成を例示するブロックである。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、バイナリ発電ユニットの特性を例示する模式的なグラフである。

本実施形態の廃熱回収システム１００では、熱交換器４０の二次配管１０２側に中間媒体の流量制御手段としてバルブ４２およびポンプ４３を備えている。制御装置１０は、データベースから熱交換器４０の特性データＢ１を取得し、たとえば定周期で排ガスの温度および流量を計測し、温度データＴ１および流量データＸ１を取得する。制御装置１０は、入力した温度データＴ１、流量データＸ１および熱交換器の特性データＢ１にもとづいて、中間媒体の目標温度ｔ０１を計算する。このようにして、廃熱回収システム１００では、中間媒体のエネルギを、排ガスのエネルギの時間変化に応じて、変化させることができる。

図３に示すように、バイナリ発電ユニット５１は、高温側の熱交換器１と、タービン２と、低温側の熱交換器３と、ポンプ４と、を含む。蒸発器と呼ばれる熱交換器１の一次側の配管には、水や油等の中間媒体が流動している。熱交換器１の二次側の配管には、作動媒体が流動している。作動媒体は、低沸点の不燃性の不活性流体であり、たとえばハイドロフルオロカーボン等の代替フロン等である。熱交換器１は、中間媒体と作動媒体との間で熱交換を行う。熱交換された作動媒体は、熱交換器１の二次側の配管に流体接続されたタービン２に供給される。タービン２に吸気されて膨張する作動媒体によって、タービン２の回転翼が回転し、タービンの回転軸と接続された発電機（図示せず）によって、発電される。作動媒体は、凝縮器とも呼ばれる低温側の熱交換器３に供給され冷却されて、ポンプ４によって送出圧力を上げて、熱交換器１へ戻される。他のバイナリ発電ユニット５２等も同一の構成を有し、同一の動作を行う。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、バイナリ発電ユニット５１，５２は、それぞれ異なる入出力特性を有している。この入出力特性においては、横軸は、バイナリ発電ユニット５１に流入する中間媒体の流量Ｑ１１［ｍ^３／ｈｏｕｒ］である。縦軸は、中間媒体の流量に対する発電量Ｗ１１（電力［ｋＷ］）である。中間媒体の流量Ｑ１ｘと発電量Ｗ１ｘ（ここでｘは１または２）との間の関係は、中間媒体の温度データｔ１によって変動するので、入出力特性は、パラメータとして中間媒体の温度を用いている。これらの図では、中間媒体の温度ｔａ，ｔｂ，ｔｃは、ｔａ＞ｔｂ＞ｔｃである。バイナリ発電ユニットは、一般に、中間媒体の流量の増大とともに発電量が増大する。同じ流量のときには、中間媒体の温度の上昇とともに発電量は増大する。たとえば、図４（ａ）は、バイナリ発電ユニット５１の入出力特性であり、図４（ｂ）は、バイナリ発電ユニット５２の入出力特性である。

これらのグラフより、この例では、バイナリ発電ユニット５１は、バイナリ発電ユニット５２に比べて、流量に対する発電量の依存性が小さい。一方バイナリ発電ユニット５２は、バイナリ発電ユニット５１に比べて流量に対する発電量の関係の温度依存性が小さい。つまり、これらのバイナリ発電ユニット５１，５２を同時に用いた場合には、中間媒体の温度が低い場合には、バイナリ発電ユニット５２の流量をバイナリ発電ユニット５１の流量よりも大きく設定することによって、総発電量を大きくすることができる。また、中間媒体の温度が高い場合には、バイナリ発電ユニット５１の流量を大きく設定することによって、総発電量を大きくすることができる。

以下の式（１）によって、総発電量Ｗ１を最大にするように、バイナリ発電ユニット５１，５２に流入する中間媒体の流量Ｑ１１，Ｑ１２が求められる。

Ｑ１＝ｆｍａｘ［Ｗ１１＋Ｗ１２］（１）

ここで、ｆｍａｘは、バイナリ発電ユニットの総発電量Ｗ１＝Ｗ１１＋Ｗ１２が最大になるときの各バイナリ発電ユニットの流量Ｑ１１，Ｑ１２の和を求める関数である。Ｑ１１，Ｑ１２の和は、二次配管１０２を流れる中間媒体の流量Ｑ１に等しい。上述したように、発電量Ｗ１１，Ｗ１２は、流量Ｑ１１，Ｑ１２の関数であるとともに、中間媒体の温度によっても変化する。発電ユニット流量制御部１４では、中間媒体の温度に目標温度ｔ０１を用いて、そのときのＷ１１，Ｗ１２を計算する。

本実施形態の廃熱回収システム１００では、複数のバイナリ発電ユニット５１，５２，…のそれぞれの入出力特性に応じて、それぞれのバイナリ発電ユニットに流入する中間媒体の流量を設定することによって、総発電量を適切に最大化することができる。このときの総発電量は、温度演算部１２によって計算された目標温度ｔ０１における最大値として計算される。

補正演算部１６では、以下の式（２），（３）にしたがって、それぞれのバイナリ発電ユニット５１，５２の発電量に関する補正量ａ１１，ａ１２を計算する。

ａ１１＝α１１×［Ｗ１１（ｃａｌ）−Ｗ１１（ａｃｔ）］（２）
ａ１２＝α１２×［Ｗ１２（ｃａｌ）−Ｗ１２（ａｃｔ）］（３）

ここで、α１１，α１２は、実測と計算との発電量の差に相当する流量を算出する補正係数であり、バイナリ発電ユニット５１，５２のそれぞれの特性データＧ１１，Ｇ１２にもとづいて求められる。Ｗ１１（ｃａｌ），Ｗ１２（ｃａｌ）は、発電ユニット流量制御部１４において計算された、バイナリ発電ユニット５１，５２のそれぞれの発電量の計算値である。Ｗ１１（ａｃｔ），Ｗ１２（ａｃｔ）は、バイナリ発電ユニット５１，５２の出力電流データＩ１１，Ｉ１２および出力電圧データＥ１１，Ｅ１２にもとづいて計算された発電量の実績値である。

式（２），（３）より、補正後のバイナリ発電ユニット５１，５２に流入する中間媒体の流量Ｑ１１（ｃｍｐ），Ｑ１２（ｃｍｐ）は、次の式（４），（５）によって求められる。

Ｑ１１（ｃｍｐ）＝Ｑ１１（ｃａｌ）＋ａ１１（４）
Ｑ１２（ｃｍｐ）＝Ｑ１２（ｃａｌ）＋ａ１２（５）

ここで、Ｑ１１（ｃａｌ），Ｑ１２（ｃａｌ）は、発電ユニット流量制御部１４において計算された、バイナリ発電ユニット５１，５２のそれぞれに流入する中間媒体の流量である。なお、Ｑ１１（ｃａｌ），Ｑ１２（ｃａｌ）に対応する発電量は、それぞれＷ１１（ｃａｌ），Ｗ１２（ｃａｌ）である。

なお、二次配管１０２を流動する中間媒体の流量Ｑ１は、バイナリ発電ユニット５１，５２の流量Ｑ１１，Ｑ１２の和であるので、流量Ｑ１１，Ｑ１２を補正することによって、二次配管１０２を流動する中間媒体の流量Ｑ１が変化してしまう場合がある。そこで、発電ユニット流量制御部１４において、補正後の流量Ｑ１１（ｃｍｐ），Ｑ１２（ｃｍｐ）にさらに補正係数を乗じて、中間媒体の流量Ｑ１と等しくなるようにしてもよい。

本実施形態の廃熱回収システムの作用および効果について、比較例の廃熱回収システムと比較しつつ説明する。

図５は、比較例の廃熱回収システムの一部を例示するブロック図である。
上述したように、１５０℃を超える低中温の廃熱を利用するためには、バイナリ発電ユニットや配管等の機械的強度の制約があるので、熱交換器４０を介して、中間媒体に熱を移動させて１５０℃以下とする必要がある。図５に示すように、比較例の廃熱回収システム２００では、熱交換器４０の一次配管１０１に供給される排ガスの温度および流量が、プラントの炉内温度の制御状態に応じて時間とともに変化する。排ガスのエネルギは、排ガスの温度および流量にそれぞれほぼ比例するので、排ガスの温度が低い場合でも、排ガスの流量が大きいときには、排ガスのエネルギは大きくなり得る。排ガスの流量が小さい場合には、排ガスの温度が高いと排ガスのエネルギは大きくなり得る。つまり、熱源の温度のみが変動する場合に比べて、排ガスの流量が変動する分に応じて、二次配管に移送し得るエネルギの変動範囲が広くなる。

中間媒体は、ポンプ４３によってほぼ一定の流量で二次配管１０２内を流動し、バイナリ発電ユニット５１に供給される。そのため、中間媒体の温度は、排ガスのエネルギに応じて変化する。排ガスのエネルギ変動幅は、排ガスの温度および流量に応じて広いので、中間媒体の温度の変動範囲は、これに応じて非常に広くなる。

中間媒体の温度の変動範囲が非常に広くなるので、１つのバイナリ発電ユニット５１ではその温度範囲をカバーすることができない場合が生じるおそれがある。たとえば、バイナリ発電ユニット５１の温度範囲を超える温度の中間媒体が流入したときには、発電量は、最大温度のときの出力で飽和してしまう。また、バイナリ発電ユニット５１の温度範囲よりも低い温度の中間媒体が流入したときには、バイナリ発電ユニット５１は、十分な発電量を確保することができない。

これに対して、本実施形態の廃熱回収システム１００では、時間的に変動する低中温の排ガスのエネルギに応じて、中間媒体の目標温度ｔ０１を設定し、中間媒体の流量Ｑ１を制御することによって中間媒体の温度を目標温度ｔ０１に近づけるように制御する。これによって、中間媒体の温度変動の範囲を抑えることができ、排ガスのエネルギをより無駄なく確実に中間媒体に移動させることができる。

１つのバイナリ発電ユニットでは、その入出力特性を十分に生かすことができない場合があるので、本実施形態の廃熱回収システム１００では、複数のバイナリ発電ユニット５１，５２，…を用いる。それぞれのバイナリ発電ユニット５１，５２，…は、入出力特性が異なっていることが好ましく、入出力特性が異なっているため、流入する中間媒体の流量の範囲を広くすることができる。

本実施形態の廃熱回収システム１００では、複数のバイナリ発電ユニット５１，５２，…に流入する中間媒体の流量をそれぞれ設定するバルブ４５，４６を備えている。また、それぞれの流量Ｑ１１，Ｑ１２を、総発電量が最大になるように設定する発電ユニット流量制御部１４を備えている。そのため、中間媒体の流量をバイナリ発電ユニットの総発電量を最大化するように設定することができる。

さらに、本実施形態の廃熱回収システム１００では、実績値にもとづいて、バイナリ発電ユニット５１，５２，…のそれぞれの発電量を補正する補正演算部１６を備えているので、総発電量を最適化することができる。

このようにして、本実施形態の廃熱回収システム１００では、エネルギの時間変化の大きい低中温の熱源を利用して、効率的に発電することが可能になる。

（第２の実施形態）
複数の熱交換器を用い、熱交換器ごとに中間媒体の流量制御を行うことによって、温度範囲が広い中低温の熱源に対して、より効率よく、確実に廃熱を回収し、発電を行うことができる。
図６は、本実施形態に係る廃熱回収システムを例示するブロック図である。
第１の実施形態の場合と同じ構成要素については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態の廃熱回収システム３００では、低中温の熱源の側に、熱交換器４０に縦続に流体接続された熱交換器１４０をさらに備える。つまり、熱交換器１４０の一次配管には、熱交換器４０の一次配管１０１から排出された熱源が流入する。熱交換器１４０の二次配管２０２には、バルブ１４２およびポンプ１４３が流体的に接続されている。また、この二次配管２０２は、分岐しており、分岐後の二次配管２０３，２０４を介して、複数のバイナリ発電ユニット１５１，１５２，…に流体的に接続されている。分岐された二次配管２０３，２０４には、それぞれバルブ１４５，１４６，…が設けられている。

バルブ１４２，１４５，１４６の開度およびポンプ１４３の吐出量は、制御装置１０ａによって生成された電気信号によって、制御される。制御装置１０ａをＰＬＣ等によって構築することによって、容易に上述の拡張を行うことができる。

バイナリ発電ユニット１５１，１５２は、二次配管２０３，２０４を介して中間媒体を供給される。中間媒体は、水または油等であり、バイナリ発電ユニット５１，５２に流入する中間媒体と同一であってもよく、異なっていてもよい。バイナリ発電ユニット１５１，１５２は、中間媒体の流量および温度に応じた出力電力で発電する。バイナリ発電ユニット１５１は、実際に発電している際の出力電圧データＥ２１および出力電流データＩ２１を出力する。バイナリ発電ユニット１５２も、実際に発電している際の出力電圧データＥ２２および出力電流データＩ２２を出力する。出力された出力電圧データＥ２１，Ｅ２２および出力電流データＩ２１，Ｉ２２は、制御装置１０ａに供給される。

本実施形態の廃熱回収システムでは、２つ以上の熱交換器を縦続に流体接続することができる。以下では、理解を容易にするため、特に断らない限り、２つの熱交換器４０，１４０の場合について説明し、第１の実施形態の場合と同一の構成要素については、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

制御装置１０ａの温度演算部１２には、熱交換器１４０に流入する排ガスの温度センサ１４４から供給される温度データＴ２［℃］および流量センサから供給される流量データＸ２［Ｎｍ^３／ｈｏｕｒ］が入力される。温度演算部１２には、データベースから熱交換器１４０の特性データＢ２が入力される。

温度演算部１２は、温度データＴ２［℃］、流量データＸ２［Ｎｍ^３／ｈｏｕｒ］および熱交換器１４０の特性データＢ２にもとづいて、中間媒体の目標温度ｔ０２を計算する。

流量制御部１３は、目標温度ｔ０２［℃］および中間媒体の温度データｔ２［℃］を入力して、中間媒体の温度データｔ２を目標温度ｔ０２に近づけるように、バルブ１４２の開度およびポンプ１４３の吐出量を設定して、中間媒体の流量を制御する。

発電ユニット流量制御部１４には、目標温度ｔ０２およびバイナリ発電ユニット１５１，１５２の特性データＧ２１，Ｇ２２が入力され、バイナリ発電ユニット１５１，１５２にそれぞれ流入する中間媒体の流量Ｑ２１，Ｑ２２が設定される。中間媒体の流量Ｑ２１，Ｑ２２は、バイナリ発電ユニット１５１，１５２の発電する発電量が最大になるように設定される。

総発電量演算部１５は、バイナリ発電ユニット１５１，１５２の発電量Ｗ２１，Ｗ２２にもとづいて、総発電量の計算値を求める。総発電量の最大値を求める関係式は、式（１）を一般化した以下の式（６）によって求めることができる。

ここで、ｉは、１〜ｍまでの整数である。ｍは、熱交換器の縦続接続数であり、熱交換器がｍ段縦続に流体接続されていることを表す。ｊは、１〜ｎの整数である。ｎは、１つの熱交換器の二次配管に流体接続されるバイナリ発電ユニットの数である。バイナリ発電ユニットの数ｎは、接続される熱交換器ごとに同じであってもよく、異なっていてもよい。

補正演算部１６は、それぞれのバイナリ発電ユニット１５１，１５２の電流データおよび電圧データにもとづいて、実際に出力されている電力を計算し、データの取得時間ごとに電力を積算して、電力量の実績値を計算する。

補正演算部１６では、式（２），（３）を一般化した以下の式（７）によって、流量Ｑｉｊの補正量ａｉｊを求める。

ａｉｊ＝αｉｊ×［Ｗｉｊ（ｃａｌ）−Ｗｉｊ（ａｃｔ）］（７）

式（４），（５）を一般化した式（８）によって、補正後の流量を設定する。

Ｑｉｊ（ｃｍｐ）＝Ｑｉｊ（ｃａｌ）＋ａｉｊ（８）

本実施形態の廃熱回収システム３００の作用および効果について説明する。
本実施形態の廃熱回収システム３００では、複数の熱交換器を縦続に流体接続しているので、それぞれの熱交換器の二次配管に供給する廃熱エネルギの範囲をより狭くすることができる。そのため、それぞれのバイナリ発電ユニットに流入される中間媒体の流量の範囲が狭くなるので、より効率のよい発電動作を行うことができる。

熱交換器の縦続接続数を増大させることによって、低中温の廃熱の回収を、発電の効率を低下させることなくより広範囲で行うことができる。

以上説明した実施形態によれば、低中温の熱源のエネルギが時間的に変換した場合であっても、効率的に発電することができる廃熱回収システムおよびその制御装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１熱交換器、２タービン、３熱交換器、４ポンプ、１０制御装置、１２温度演算部、１３流量制御部、１４発電ユニット流量制御部、１５総発電量演算部、１６補正演算部、４０熱交換器、４２バルブ、４３ポンプ、４４温度センサ、４５，４６バルブ、５１，５２バイナリ発電ユニット、１００廃熱回収システム、１０１，２０１一次配管、１０２〜１０４、２０２〜２０４二次配管、１４０熱交換器、１４２バルブ、１４３ポンプ、１４４温度センサ、１４５，１４６バルブ、３００廃熱回収システム

Claims

第１流体から第２流体に熱交換する第１熱交換器と、
前記第２流体の流量を制御する第１流量制御手段と、
前記第２流体の一部を分流して入力する第１バイナリ発電装置と、
前記第２流体の残りの少なくとも一部を分流して入力する第２バイナリ発電装置と、
前記第２流体の一部の流量を制御する第２流量制御手段と、
前記第２流体の残りの少なくとも一部の流量を制御する第３流量制御手段と、
前記第１流量制御手段、前記第２流量制御手段および前記第３流量制御手段を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第１熱交換器の特性、前記第１流体の温度および前記第１流体の流量にもとづいて、前記第２流体の第１目標温度を設定する温度演算部と、
前記第１目標温度にもとづいて、前記第１流量制御手段によって前記第２流体の流量を制御する第１流量制御部と、
前記第１バイナリ発電装置の特性データ、前記第２バイナリ発電装置の特性データおよび前記第１目標温度にもとづいて、前記第２流量制御手段および前記第３流量制御手段のそれぞれの流量を計算する発電装置流入量演算部と、
を含む熱回収システム。
前記制御装置は、
前記温度演算部の出力および前記発電装置流入量演算部の出力にもとづいて、前記第１バイナリ発電機の発電量および前記第２バイナリ発電機の発電量を含むすべてのバイナリ発電機の総発電量計算値を計算する総発電量演算部と、
前記第１バイナリ発電機が実際に発電した電力量および前記第２バイナリ発電機が実際に発電した電力量を含む総発電量実測値と、前記総発電量計算値とを比較して補正する補正演算部と、
を含む請求項１記載の熱回収システム。
前記第１熱交換器に縦続接続され、第３流体を出力する第２熱交換器と、
前記第３流体の流量を制御する第４流量制御手段と、
前記第３流体の一部を分流して入力する第３バイナリ発電機と、
前記第３流体の残りの少なくとも一部を分流して入力する第４バイナリ発電機と、
前記第３流体の一部の流量を制御する第５流量制御手段と、
前記第３流体の残りの少なくとも一部の流量を制御する第６流量制御手段と、
をさらに備え、
前記温度演算部は、前記第２熱交換器の特性、前記第１流体の温度および流量にもとづいて、前記第３流体の第２目標温度を設定し、
第１流量制御部は、前記第２目標温度にもとづいて、前記第４流量制御手段によって前記第３流体の流量を制御し、
発電機流入量演算部は、前記第３バイナリ発電機の特性データ、前記第４バイナリ発電機の特性データおよび前記第２目標温度にもとづいて、前記第５流量制御手段および前記第６流量制御手段のそれぞれの流量を計算する請求項１または２に記載の熱回収システム。
第１流体から第２流体に熱交換する熱交換器から出力される前記第２流体の流量を制御する第１流量制御手段、第１バイナリ発電装置に流入する前記第２流体の一部の流量を制御する第２流量制御手段、および第２バイナリ発電装置に流入する前記流体の残りの少なくとも一部の流量を制御する第３流量制御手段を制御する制御装置であって、
前記熱交換器の特性、前記第１流体の温度および流量にもとづいて、前記第２流体の第１目標温度を設定する温度演算部と、
前記第１目標温度にもとづいて、前記第１流量制御手段によって前記第２流体の流量を制御する第１流量制御部と、
前記第１バイナリ発電機の特性データ、前記第２バイナリ発電機の特性データおよび前記第１目標温度にもとづいて、前記第２流量制御手段および前記第３流量制御手段のそれぞれの流量を計算する発電装置流入量演算部と、
を備えた制御装置。