JP6592418B2 - 熱エネルギー回収装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギー回収装置に関するものである。

従来、工場の各種設備から排出される排ガス等の蒸気（気相の加熱媒体）から動力を回収する熱エネルギー回収装置が知られている。例えば、特許文献１には、外部の熱源から供給される気相の加熱媒体により作動媒体を加熱する蒸発器と、蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、膨張機に接続された発電機と、膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、凝縮器で凝縮された作動媒体を蒸発器へ送る循環ポンプと、蒸発器に接続された蒸気配管と、を備えるバイナリー発電装置（熱エネルギー回収装置）が開示されている。蒸気配管は、蒸発器に気相の加熱媒体を供給する供給配管と、蒸発器から加熱媒体を排出する排出配管と、を有している。

特開２０１４−１９４２１０号公報

特許文献１に記載されるような熱エネルギー回収装置では、動力回収量をできるだけ大きくすることが望ましい。

本発明の目的は、動力回収量を上げることが可能な熱エネルギー回収装置及びその運転方法を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明者らは、従来調整されていなかった蒸気圧（蒸発器へ供給される気相の加熱媒体の圧力）に着目した。すなわち、蒸発器へ供給される気相の作動媒体の圧力が高められると、当該加熱媒体の温度が上がるので、その分蒸発器で作動媒体が加熱媒体から受け取ることが可能な熱量が増える。そして、蒸発器での作動媒体の加熱媒体からの受熱量が増えた分ポンプの回転数を上げることが可能となり、これにより動力回収量を増やすことが可能であることに想到した。

本発明は、このような観点からなされたものである。具体的に、本発明は、外部から供給される気相の加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、前記膨張機に接続された動力回収部と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、前記蒸発器に前記加熱媒体を供給するための供給流路と、前記蒸発器から前記加熱媒体を排出するための排出流路と、前記排出流路に設けられており、前記蒸発器に供給される前記加熱媒体の圧力を調整可能な圧力調整弁と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記蒸発器に供給される気相の加熱媒体の圧力が基準値未満であるときに当該加熱媒体の圧力が前記基準値以上となるように前記圧力調整弁の開度を調整する圧力調整部と、前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整後、あるいは、前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整と同時に、前記ポンプの回転数を上げる回転数調整部と、を有する、熱エネルギー回収装置を提供する。

本熱エネルギー回収装置では、圧力調整部による圧力調整弁の開度の調整によって蒸発器に供給される気相の加熱媒体の圧力が基準値以上に調整されることにより、蒸発器で作動媒体が気相の加熱媒体から受け取ることが可能な熱量が大きく確保される。このため、回転数調整部がポンプの回転数を上げることによって蒸発器での作動媒体の受熱量、すなわち、動力回収部での動力の回収量が増大する。

この場合において、前記回転数調整部は、前記膨張機に流入する作動媒体の過熱度が下限値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げることが好ましい。

このようにすれば、作動媒体が気液二相の状態で膨張機に流入することを抑制しつつ、動力回収部での動力の回収量を増やすことができる。

また、前記熱エネルギー回収装置において、前記供給流路から分岐しており、負荷側へ前記気相の作動媒体を供給するための分岐流路と、前記分岐流路への前記気相の作動媒体の流入量と前記供給流路への前記気相の作動媒体の流入量とを調整する流量調整弁と、をさらに備え、前記制御部は、前記分岐流路への前記気相の作動媒体の供給量が所定量以上となるように前記流量調整弁の開度を調整する流量調整部を有し、前記回転数調整部は、前記流量調整部による前記流量調整弁の開度の調整及び前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整の後、あるいは、前記流量調整部による前記流量調整弁の開度の調整及び前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整と同時に、前記ポンプの回転数を上げてもよい。

この態様では、負荷側への気相の作動媒体の供給量を所定量以上確保しつつ、動力回収部での動力回収量を増やすことができる。

あるいは、前記熱エネルギー回収装置において、前記回転数調整部は、前記蒸発器から流出した加熱媒体の温度が規定値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げてもよい。

この態様では、蒸発器から流出した加熱媒体（例えばドレン）の温度を規定値以上に維持しつつ、すなわち、当該加熱媒体の有効活用を可能にしつつ、動力回収部での動力回収量を増やすことができる。

また、本発明は、外部から供給される気相の加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、前記膨張機に接続された動力回収部と、前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、を備える熱エネルギー回収装置の運転方法であって、前記蒸発器に供給される加熱媒体の圧力が基準値未満であるときに当該加熱媒体の圧力が前記基準値以上となるように前記加熱媒体の圧力を調整する圧力調整工程と、前記圧力調整工程の後、前記ポンプの回転数を上げる回転数調整工程と、を含む、熱エネルギー回収装置の運転方法を提供する。

本運転方法では、圧力調整工程で蒸発器に供給される気相の加熱媒体の圧力が基準値以上に調整されることにより、蒸発器で作動媒体が気相の加熱媒体から受け取ることが可能な熱量が大きく確保される。このため、回転数調整工程でポンプの回転数を上げることによって蒸発器での作動媒体の受熱量、すなわち、動力回収部での動力の回収量が増大する。

前記熱エネルギー回収装置の運転方法において、前記回転数調整工程では、前記膨張機に流入する作動媒体の過熱度が下限値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げることが好ましい。

このようにすれば、作動媒体が気液二相の状態で膨張機に流入することを抑制しつつ、動力回収部での動力の回収量を増やすことができる。

以上のように、本発明によれば、動力回収量を上げることが可能な熱エネルギー回収装置及びその運転方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態の熱エネルギー回収装置の構成の概略を示す図である。 図１に示される熱エネルギー回収装置の制御部の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の熱エネルギー回収装置の構成の概略を示す図である。 図３に示される熱エネルギー回収装置の制御部の制御内容を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の熱エネルギー回収装置について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１に示されるように、熱エネルギー回収装置は、蒸発器１０と、膨張機１２と、動力回収部１４と、凝縮器１６と、ポンプ１８と、循環流路２０と、供給流路３２と、排出流路３４と、制御部４０と、を備えている。循環流路２０は、蒸発器１０、膨張機１２、凝縮器１６及びポンプ１８をこの順に直接に接続している。

蒸発器１０は、外部の加熱媒体供給源１００（例えばボイラ）から供給される気相の加熱媒体（蒸気）と作動媒体とを熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる。蒸発器１０は、加熱媒体が流れる第１流路１０ａと、作動媒体が流れる第２流路１０ｂと、を有している。

供給流路３２は、加熱媒体供給源１００で生じた加熱媒体を蒸発器１０に供給するための流路であり、第１流路１０ａの上流側の端部に接続されている。このため、第１流路１０ａには、供給流路３２を通じて加熱媒体供給源１００から気相の加熱媒体が供給される。

排出流路３４は、蒸発器１０から加熱媒体を排出するための流路であり、第１流路１０ａの下流側の端部に接続されている。このため、蒸発器１０で作動媒体と熱交換した後の加熱媒体（例えばドレン）は、排出流路３４を通じて蒸発器１０から排出される。排出流路３４には、加熱媒体供給源１００から蒸発器１０に供給される加熱媒体の圧力を調整可能な圧力調整弁Ｖ１が設けられている。

本実施形態の熱エネルギー回収装置は、供給流路３２から分岐した分岐流路３６をさらに備えている。分岐流路３６は、加熱媒体供給源１００で生成された気相の加熱媒体を負荷側（プロセス側）に供給するための流路である。分岐流路３６には、加熱媒体供給源１００から分岐流路３６へ流入する気相の作動媒体の流量と、加熱媒体供給源１００から供給流路３２へ流入する気相の作動媒体の流量と、を調整する流量調整弁Ｖ２が設けられている。

膨張機１２は、循環流路２０における蒸発器１０の下流側の部位に設けられている。膨張機１２は、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体を膨張させる。本実施形態では、膨張機１２として、蒸発器１０から流出した気相の作動媒体の膨張エネルギーにより回転駆動されるスクリュロータを有する容積式のスクリュー膨張機が用いられている。

動力回収部１４は、膨張機１２に接続されている。本実施形態では、動力回収部１４として発電機が用いられている。この動力回収部１４は、膨張機１２のスクリュロータに接続された回転軸を有している。動力回収部１４は、前記回転軸が前記スクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。なお、動力回収部１４として、発電機の他、圧縮機等が用いられてもよい。

凝縮器１６は、循環流路２０における膨張機１２の下流側の部位に設けられている。凝縮器１６は、膨張機１２から流出した作動媒体を外部から供給される冷却媒体（冷却水等）で冷却することにより凝縮（液化）させる。

ポンプ１８は、循環流路２０における凝縮器１６の下流側の部位（凝縮器１６と蒸発器１０との間の部位）に設けられている。ポンプ１８は、液相の作動媒体を所定の圧力まで加圧して蒸発器１０へ送り出す。ポンプ１８としては、インペラをロータとして備える遠心ポンプや、ロータが一対のギアからなるギアポンプ、スクリュポンプ、トロコイドポンプ等が用いられる。

制御部４０は、負荷側への気相の作動媒体の供給量を確保したうえで、できるだけ動力回収部１４での動力の回収量（本実施形態では発電量）を増やすために圧力調整弁Ｖ１の開度、流量調整弁Ｖ２の開度及びポンプ１８の回転数を制御する。具体的に、制御部４０は、圧力調整部４２と、回転数調整部４４と、流量調整部４６と、を有している。

圧力調整部４２は、蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の圧力Ｐｖ０が基準値ｘ未満であるときに当該加熱媒体の圧力Ｐｖ０が基準値ｘ以上となるように圧力調整弁Ｖ１の開度を調整する（下げる）。なお、蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の圧力Ｐｖ０は、供給流路３２に設けられた圧力センサ５１により検出される。

回転数調整部４４は、圧力調整部４２による圧力調整弁Ｖ１の開度の調整後、あるいは、圧力調整部４２による圧力調整弁Ｖ１の開度の調整と同時に、ポンプ１８の回転数を上げる。具体的に、回転数調整部４４は、膨張機１２に流入する作動媒体の過熱度Ｔｒｏが下限値α以上となる範囲でポンプ１８の回転数を上げる。なお、膨張機１２に流入する作動媒体の過熱度Ｔｒｏは、循環流路２０のうち蒸発器１０と膨張機１２との間の部位に設けられた温度センサ５２及び圧力センサ５３の各検出値に基づいて求められる。

流量調整部４６は、分岐流路３６への気相の作動媒体の供給量が所定量以上となるように流量調整弁Ｖ２の開度を調整する。本実施形態では、分岐流路３６への気相の作動媒体の供給量は、分岐流路３６に設けられた圧力センサ５４の検出値Ｐｖ２に基づいて算出される。

以下、図２を参照しながら、制御部４０の制御内容について説明する。

本エネルギー回収装置が起動されると、制御部４０（流量調整部４６）は、圧力センサ５４の検出値Ｐｖ２が所定値εよりも大きいか否か、すなわち、負荷側に供給される気相の作動媒体が所定量よりも多いか否かを判定する（ステップＳ１１）。この結果、前記検出値Ｐｖ２が所定値ε以下である場合、制御部４０（流量調整部４６）は、流量調整弁Ｖ２の開度を上げ（ステップＳ１２）、ステップＳ１１に戻る。一方、前記検出値Ｐｖ２が所定値εよりも大きい場合、制御部４０（回転数調整部４４）は、膨張機１２に流入する作動媒体の過熱度Ｔｒｏが下限値α以上でかつ上限値β以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

この結果、過熱度Ｔｒｏが下限値α以上でかつ上限値β以下ではない場合、制御部４０（回転数調整部４４）は、過熱度Ｔｒｏが上限値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、過熱度Ｔｒｏが上限値βよりも大きい場合、制御部４０（回転数調整部４４）は、ポンプ１８の回転数を上げ（ステップＳ１５）、ステップＳ１１に戻る一方、過熱度Ｔｒｏが上限値βよりも大きくない場合、つまり、過熱度Ｔｒｏが下限値αよりも小さい場合、制御部４０（回転数調整部４４）は、ポンプ１８の回転数を下げ（ステップＳ１６）、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３において、過熱度Ｔｒｏが下限値α以上でかつ上限値β以下である場合（ステップＳ１３でＹＥＳの場合）、制御部４０（圧力調整部４２）は、蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の圧力Ｐｖ０が基準値ｘ以上でかつ設定値ｙ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。この結果、圧力Ｐｖ０が基準値ｘ以上でかつ設定値ｙ以下である場合、制御部４０（圧力調整部４２）は、ステップＳ１１に戻る一方、圧力Ｐｖ０が基準値ｘ以上でかつ設定値ｙ以下ではない場合、制御部４０（圧力調整部４２）は、圧力Ｐｖ０が基準値ｘ未満か否かを判定する（ステップＳ１８）。なお、設定値ｙは、基準値ｘよりも大きな値であり、例えば加熱媒体供給源１００に許容される圧力の上限値に設定される。

その結果、圧力Ｐｖ０が基準値ｘ未満ではない場合、つまり、圧力Ｐｖ０が設定値ｙよりも大きい場合、制御部４０（圧力調整部４２）は、圧力Ｐｖ０の値を小さくするために圧力調整弁Ｖ１の開度を上げ（ステップＳ１９）、ステップＳ１１に戻る。一方、圧力Ｐｖ０が基準値ｘ未満である場合、制御部４０（圧力調整部４２）は、蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の圧力Ｐｖ０を上げるために圧力調整弁Ｖ１の開度を下げる（ステップＳ２０）。これにより、蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の温度が上昇する。このため、蒸発器１０で作動媒体が加熱媒体から受け取ることが可能な熱量が増大する。

そこで、制御部４０（回転数調整部４４）は、ポンプ１８の回転数を上げる（ステップＳ２１）。これにより、動力回収部１４での動力の回収量が増大する。

ステップＳ２０において圧力調整弁Ｖ１の開度を下げたことにより、分岐流路３６を通じて負荷側へ供給される気相の加熱媒体の流量が増加するので、制御部４０は、流量調整弁Ｖ２の開度を下げ（ステップＳ２２）、ステップＳ１１に戻る。なお、ステップＳ２０〜Ｓ２２は、同時に行われてもよい。

以上に説明したように、本熱エネルギー回収装置では、圧力調整部４２による圧力調整弁Ｖ１の開度の調整（ステップＳ２０の操作）によって蒸発器１０に供給される気相の加熱媒体の圧力Ｐｖ０が基準値ｘ以上に調整されることにより、蒸発器１０で作動媒体が気相の加熱媒体から受け取ることが可能な熱量が大きく確保される。このため、回転数調整部４４がポンプ１８の回転数を上げること（ステップＳ２１の操作）によって蒸発器１０での作動媒体の受熱量、すなわち、動力回収部１４での動力の回収量が増大する。

また、回転数調整部４４は、膨張機１２に流入する作動媒体の過熱度Ｔｒｏが下限値α以上となる範囲でポンプ１８の回転数を上げるので、作動媒体が気液二相の状態で膨張機１２に流入することを抑制しつつ、動力回収部１４での動力の回収量を増やすことができる。

また、流量調整部４６は、分岐流路３６への気相の作動媒体の供給量が所定量以上となるように流量調整弁Ｖ２の開度を調整するので、負荷側への気相の作動媒体の供給量を所定量以上確保しつつ、動力回収部１４での動力回収量を増やすことができる。

（第２実施形態）
次に、図３及び図４を参照しながら、本発明の第２実施形態の熱エネルギー回収装置について説明する。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は省略する。

本実施形態の熱エネルギー回収装置は、分岐流路３６、流量調整弁Ｖ２及び流量調整部４６を有していない。本実施形態では、制御部４０の回転数調整部４４は、蒸発器１０から流出した加熱媒体（例えばドレン）の温度Ｔ１が規定値Ｔ０以上となり、かつ、膨張機１２に流入する作動媒体の過熱度Ｔｒｏが下限値α以上となる範囲でポンプ１８の回転数を上げる。なお、蒸発器１０から流出した加熱媒体の温度Ｔ１は、排出流路３４に設けられた温度センサ５５により検出される。以下、図４を参照しながら、本実施形態の制御部４０の制御内容について説明する。

本熱エネルギー回収装置が起動されると、制御部４０は、蒸発器１０から流出した加熱媒体の温度Ｔ１が規定値Ｔ０よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３１）。その結果、前記温度Ｔ１が規定値Ｔ０以下であれば、制御部４０（圧力調整部４２）は、蒸発器１０で加熱媒体が作動媒体に与える熱量を減少させるために圧力調整弁Ｖ１の開度を上げ（ステップＳ３２）、ステップＳ１１に戻る。一方、前記温度Ｔ１が規定値Ｔ０よりも大きい場合、制御部４０は、ステップＳ１３に進む。なお、ステップＳ１３以降のフローについては、ステップＳ２２を備えない点を除き、第１実施形態のそれと同じであるので、説明を省略する。

本実施形態では、蒸発器１０から流出した加熱媒体（例えばドレン）の温度Ｔ１を規定値Ｔ０以上に維持しつつ、すなわち、当該加熱媒体の有効活用を可能にしつつ、動力回収部１４での動力回収量を増やすことができる。

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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。

例えば、第１実施形態では、圧力センサ５４の代わりに流量センサが設けられ、流量調整部４６は、その流量センサの検出値が所定量以上となるように流量調整弁Ｖ２の開度を調整してもよい。また、分岐流路３６に流量調整弁Ｖ２が設けられる代わりに、供給流路３２と分岐流路３６との接続部に三方弁が設けられてもよい。

１０ 蒸発器
１２ 膨張機
１４ 動力回収部
１６ 凝縮器
１８ ポンプ
２０ 循環流路
３２ 供給流路
３４ 排出流路
３６ 分岐流路
４０ 制御部
４２ 圧力調整部
４４ 回転数調整部
４６ 流量調整部
Ｖ１ 圧力調整弁
Ｖ２ 流量調整弁

Claims (6)

1. 外部から供給される気相の加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、
   前記膨張機に接続された動力回収部と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、
   前記蒸発器に前記加熱媒体を供給するための供給流路と、
   前記蒸発器から前記加熱媒体を排出するための排出流路と、
   前記排出流路に設けられており、前記蒸発器に供給される前記加熱媒体の圧力を調整可能な圧力調整弁と、
   制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記蒸発器に供給される気相の加熱媒体の圧力が基準値未満であるときに当該加熱媒体の圧力が前記基準値以上となるように前記圧力調整弁の開度を調整する圧力調整部と、
   前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整後、あるいは、前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整と同時に、前記ポンプの回転数を上げる回転数調整部と、を有する、熱エネルギー回収装置。
2. 請求項１に記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記回転数調整部は、前記膨張機に流入する作動媒体の過熱度が下限値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げる、熱エネルギー回収装置。
3. 請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記供給流路から分岐しており、負荷側へ前記気相の作動媒体を供給するための分岐流路と、
   前記分岐流路への前記気相の作動媒体の流入量と前記供給流路への前記気相の作動媒体の流入量とを調整する流量調整弁と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記分岐流路への前記気相の作動媒体の供給量が所定量以上となるように前記流量調整弁の開度を調整する流量調整部を有し、
   前記回転数調整部は、前記流量調整部による前記流量調整弁の開度の調整及び前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整の後、あるいは、前記流量調整部による前記流量調整弁の開度の調整及び前記圧力調整部による前記圧力調整弁の開度の調整と同時に、前記ポンプの回転数を上げる、熱エネルギー回収装置。
4. 請求項１又は２に記載の熱エネルギー回収装置において、
   前記回転数調整部は、前記蒸発器から流出した加熱媒体の温度が規定値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げる、熱エネルギー回収装置。
5. 外部から供給される気相の加熱媒体と作動媒体とを熱交換させることによって前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる膨張機と、
   前記膨張機に接続された動力回収部と、
   前記膨張機から流出した作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   前記凝縮器から流出した作動媒体を前記蒸発器に送るポンプと、を備える熱エネルギー回収装置の運転方法であって、
   前記蒸発器に供給される加熱媒体の圧力が基準値未満であるときに当該加熱媒体の圧力が前記基準値以上となるように前記加熱媒体の圧力を調整する圧力調整工程と、
   前記圧力調整工程の後、前記ポンプの回転数を上げる回転数調整工程と、を含む、熱エネルギー回収装置の運転方法。
6. 請求項５に記載の熱エネルギー回収装置の運転方法において、
   前記回転数調整工程では、前記膨張機に流入する作動媒体の過熱度が下限値以上となる範囲で前記ポンプの回転数を上げる、熱エネルギー回収装置の運転方法。
   

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