JP6756880B1 - Compressed air storage power generator - Google Patents
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Abstract
【課題】圧縮膨張兼用機を使用したCAES発電装置において、圧縮膨張兼用機を好的に冷却することによって運転効率を向上させる。【解決手段】CAES発電装置1は、圧縮機および膨張機としての機能を有し、冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機10と、圧縮膨張兼用機10と機械的に接続され、圧縮膨張兼用機10を駆動する電動機としての機能および圧縮膨張兼用機10によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機20と、圧縮膨張兼用機10と流体的に接続され、圧縮膨張兼用機10により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部30と、冷却ジャケットへの冷却液の通液量を調整する冷却液ポンプ51と、圧縮膨張兼用機10が膨張機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量が、圧縮膨張兼用機10が圧縮機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量以下となるように冷却液ポンプ51を制御する制御装置40とを備える。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To improve operation efficiency by favorably cooling a compression / expansion combined machine in a CAES power generation device using a compression / expansion combined machine. SOLUTION: A CAES power generator 1 has a function as a compressor and an expander, and is mechanically connected to a compression / expansion combined machine 10 having a cooling jacket and a compression / expansion combined machine 10. The electric power generator 20 which has the function as an electric motor for driving and the function as a generator driven by the compressor / expansion machine 10 and the compressor / expansion machine 10 are fluidly connected and generated by the compressor / expansion machine 10. The accumulator 30 that stores the compressed air, the coolant pump 51 that adjusts the amount of coolant flowing through the cooling jacket, and the coolant to the cooling jacket when the compressor / expansion machine 10 functions as an expander. It is provided with a control device 40 that controls the coolant pump 51 so that the flow rate of the coolant is equal to or less than the flow rate of the coolant to the cooling jacket when the compression / expansion machine 10 functions as a compressor. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。 The present invention relates to a compressed air storage power generation device.
変動する不安定な発電出力を平滑化または平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵(CAES:compressed air energy storage)が知られている。この技術を利用したCAES発電装置では、電力を使用して電動機で圧縮機を駆動することにより圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は一時的に貯蔵され、電力が必要なときに、貯蔵された圧縮空気で膨張機(タービン)を作動させて発電機を駆動することにより発電する。 Compressed air energy storage (CAES) is known as one of the techniques for smoothing or leveling the fluctuating unstable power generation output. In a CAES power generation device using this technology, compressed air is generated by driving a compressor with an electric motor using electric power. The generated compressed air is temporarily stored, and when electric power is required, the stored compressed air is used to operate an expander (turbine) to drive a generator to generate electricity.
CAES発電装置では、圧縮過程において圧縮機が圧縮熱によって昇温する。圧縮機の運転温度には上限があるため、圧縮機には冷却ジャケットが取り付けられることがある(例えば特許文献1参照)。冷却ジャケットにより、圧縮過程において圧縮機のケーシングに熱歪が発生することを抑制する。 In the CAES power generator, the compressor heats up due to the heat of compression in the compression process. Since there is an upper limit to the operating temperature of the compressor, a cooling jacket may be attached to the compressor (see, for example, Patent Document 1). The cooling jacket suppresses the generation of thermal strain in the casing of the compressor during the compression process.
ところで、CAES発電装置では、圧縮機と膨張機の両方が必要とされるが、これらを兼用とした圧縮膨張兼用機を使用することが好ましい。圧縮膨張兼用機を使用することにより、構成部品数が減少し、設置面積が減少し、施工の工数が低減し、およびメンテナンス費用が低減する。 By the way, in the CAES power generation device, both a compressor and an expander are required, and it is preferable to use a compression / expansion combined machine that also serves these. By using the compression / expansion combined machine, the number of components is reduced, the installation area is reduced, the construction man-hours are reduced, and the maintenance cost is reduced.
しかし、圧縮膨張兼用機を使用すると、前述のような圧縮機の冷却ジャケット構造をそのまま採用することはできない。 However, when the compression / expansion combined machine is used, the cooling jacket structure of the compressor as described above cannot be adopted as it is.
本発明は、圧縮膨張兼用機を使用したCAES発電装置において、圧縮膨張兼用機を好的に冷却することによって運転効率を向上させることを課題とする。 An object of the present invention is to improve the operation efficiency of a CAES power generation device using a compression / expansion combined machine by favorably cooling the compression / expansion combined machine.
本発明は、空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有し、冷却液を通液する冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御する制御装置とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。 The present invention has a function as a compressor for compressing air and a function as an expander for expanding compressed air, and has a compression / expansion combined machine having a cooling jacket through which a cooling fluid is passed, and the compression / expansion combined machine. An electric power generator that is mechanically connected and has a function as an electric motor that drives the compressor / expansion machine and a function as a generator that is driven by the compressor / expansion machine, and a compressor / expansion machine fluidly. The accumulator unit that is connected and stores the compressed air generated by the compressor / expansion machine, the liquid flow amount adjusting unit that adjusts the flow rate of the coolant to the cooling jacket, and the compression / expansion machine expand. The amount of the coolant flowing through the cooling jacket when functioning as a machine is equal to or less than the amount of the cooling fluid flowing through the cooling jacket when the compressor / expansion machine functions as a compressor. Provided is a compressed air storage power generation device including a control device for controlling the liquid flow amount adjusting unit.
この構成によれば、制御装置による通液量調整部の制御によって、圧縮過程において圧縮膨張兼用機を十分に冷却できるとともに、膨張過程において圧縮膨張兼用機の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機を使用したCAES発電装置の運転効率を向上させることができる。ここで、膨張過程の通液量は、ゼロを含み、即ち通液を停止することを含むものとする。 According to this configuration, by controlling the liquid passing amount adjusting unit by the control device, the compression / expansion combined machine can be sufficiently cooled in the compression process, and excessive cooling of the compression / expansion combined machine in the expansion process can be suppressed. Therefore, since the compression / expansion combined machine can be cooled favorably, the operating efficiency of the CAES power generation device using the compression / expansion combined machine can be improved. Here, it is assumed that the amount of liquid passing through the expansion process includes zero, that is, the flow of liquid is stopped.
前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型であってもよい。 The compression / expansion combined machine may be a screw type.
この構成によれば、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機を簡易に構成できる。また、スクリュロータの回転速度の調整によって、吸気量および吐出量を調整できるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、広範な運転範囲を有するCAES発電装置を提供できる。 According to this configuration, the screw rotor is used in both the compression process and the expansion process, and the rotation directions of the screw rotors are opposite to each other in the compression process and the expansion process, so that the compression / expansion machine can be easily used. Can be configured. Further, since the intake amount and the discharge amount can be adjusted by adjusting the rotation speed of the screw rotor, it is possible to provide a CAES power generation device having a wide operating range by being able to responsively follow an irregularly fluctuating input power.
前記圧縮膨張兼用機に給気される空気の温度を測定する給気温度センサをさらに備えてもよい。 An air supply temperature sensor that measures the temperature of the air supplied to the compression / expansion combined machine may be further provided.
この構成によれば、給気温度センサによって、圧縮膨張兼用機の運転において許容される温度範囲外の異常温度を検知できる。ここで、給気とは、膨張過程における圧縮膨張兼用機への圧縮空気の供給のことをいう。これに対し、吸気とは、圧縮過程における圧縮膨張兼用機による空気の吸い込みのこという。 According to this configuration, the supply air temperature sensor can detect an abnormal temperature outside the temperature range allowed in the operation of the compression / expansion combined machine. Here, the air supply means the supply of compressed air to the compression / expansion combined machine in the expansion process. On the other hand, the intake means the suction of air by the compression / expansion combined machine in the compression process.
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以上の第1の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を増やしてもよい。 When the compression / expansion combined machine functions as an expander, when the supply air temperature sensor detects a first abnormal temperature equal to or higher than a predetermined value, the control device controls the liquid flow amount adjusting unit to obtain the above. The amount of the coolant passing through the cooling jacket may be increased.
この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常高温による熱変形を防止できる。ここで、所定以上の異常温度とは、圧縮膨張兼用機の運転上限以上の温度のことをいう。 According to this configuration, it is possible to prevent thermal deformation due to an abnormally high temperature in the expansion process in the compression / expansion combined machine. Here, the abnormal temperature above a predetermined level means a temperature above the operating upper limit of the compression / expansion combined machine.
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以下の第2の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットから前記冷却液を排液してもよい。 When the compression / expansion combined machine functions as an expander, when the supply air temperature sensor detects a second abnormal temperature of a predetermined value or less, the control device controls the liquid flow amount adjusting unit to obtain the above. The coolant may be drained from the cooling jacket.
この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常低温による冷却液の凍結を防止できる。ここで、所定以下の異常温度とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該温度は、冷却液の種類によって異なる。 According to this configuration, it is possible to prevent the coolant from freezing due to an abnormally low temperature in the expansion process in the compression / expansion combined machine. Here, the abnormal temperature below a predetermined value means a temperature at which the coolant freezes. The temperature depends on the type of coolant.
本発明によれば、圧縮膨張兼用機を使用したCAES発電装置において、運転状態に応じた冷却ジャケット内の通液制御によって好適に圧縮膨張兼用機を冷却できるため、運転効率を向上させることができる。 According to the present invention, in a CAES power generation device using a compression / expansion combined machine, the compression / expansion combined machine can be suitably cooled by controlling the liquid flow in the cooling jacket according to the operating state, so that the operating efficiency can be improved. ..
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1,2は、圧縮空気貯蔵(CAES:compressed air energy storage)発電装置1を示している。図1は充電運転状態のCAES発電装置1を示し、図2は発電運転状態のCAES発電装置1を示している。ここで、充電運転とは、電力を使用して圧縮空気を生成して蓄えることをいい、後述する圧縮膨張兼用機10の圧縮過程に対応する。また、発電運転とは、蓄えた圧縮空気を使用して電力を生成することをいい、後述する圧縮膨張兼用機10の膨張過程に対応する。なお、図1,2中の太い矢印は、空気の流れを示している。
FIGS. 1 and 2 show a compressed air energy storage (CAES)
図1,2を参照して、CAES発電装置1は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備2から電力を受けて充電運転を行い、電力需要に合わせて発電運転を行う。即ち、CAES発電装置1は、発電設備2の不規則な出力変動を平準化するとともに、電力需要に応じた電力供給を行う。
With reference to FIGS. 1 and 2, the CAES
本実施形態では、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備2として風力発電設備を例示している。ただし、再生可能エネルギーの種類は、これに限定されず、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。
In this embodiment, a wind power generation facility is exemplified as a
CAES発電装置1は、圧縮膨張兼用機10と、電動発電兼用機20と、蓄圧部30と、制御装置40とを備える。
The CAES
本実施形態では、圧縮膨張兼用機10は、2段型であり、低圧段本体11と、高圧段本体12とを備える。従って、圧縮および膨張をそれぞれ2段階で行うことができる。ただし、圧縮膨張兼用機10は、単段型であってもよいし、3段以上の複数段型であってもよい。
In the present embodiment, the compression / expansion combined
また、本実施形態の圧縮膨張兼用機10は、スクリュ型である。スクリュ型の圧縮膨張兼用機10は、回転数制御可能であるため、発電設備2からの不規則に変動する入力電力に応答性良く追従できる。従って、スクリュ型の圧縮膨張兼用機10は、CAES発電装置1の構成要素として好ましい。また、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機10を簡易に構成できる。ただし、圧縮膨張兼用機10は、容積型であればよく、スクリュ型以外にも、例えばスクロール型またはレシプロ型であってもよい。
Further, the compression / expansion combined
図1,2において破線で示した流路5a〜5dは、後述する冷却ジャケットに供給される冷却液の流路である。図1,2に示されているように、圧縮膨張兼用機10の冷却ジャケットには冷却液が供給される。流路5aは、低圧段本体11の上流側の流路である。冷却液は、流路5aを通じて低圧段本体11に供給される。流路5bは、低圧段本体11から高圧段本体12までの流路である。冷却液は、流路5bを通じて低圧段本体11から高圧段本体12まで流れる。流路5cは、高圧段本体12の下流側の流路である。高圧段本体12から出た冷却液は、流路5cを通じてCAES発電装置1から排出される。流路5dは、流路5aから分岐した排液用の流路であり、詳細については後述する。
The
流路5a〜5dの冷却液の流動は、通液量調整部50によって調整されている。本実施形態では、通液量調整部50は、冷却液を圧送する冷却液ポンプ51と、流量を調整する流量調整弁52と、排液用の三方弁53とを含む。冷却液ポンプ51、三方弁53、および流量調整弁52は、流路5aにおいて上流側から下流側に向かってこの順で設けられている。
The flow of the cooling liquid in the
冷却液ポンプ51は、公知の流体ポンプであり、その態様は特に限定されない。冷却液ポンプ51は、流路5aから流路5cに冷却液を圧送している。冷却液ポンプ51による冷却液の圧送は、制御装置40によって制御されている。
The
流量調整弁52は、開度調整により、冷却液の流量を調整できる。流量調整弁52の開度は、制御装置40によって制御されている。
The flow
三方弁53は、流路5aを流れる冷却液を圧縮膨張兼用機10に供給するか、流路5dを通じて外部に排液するかを切り替えるための弁である。三方弁53は、通常時、圧縮膨張兼用機10に冷却液を流すように設定されているが、後述する異常時には圧縮膨張兼用機10に冷却液を供給せずに流路5dを通じて外部に排液するように設定されている。なお、この排液の際、圧縮膨張兼用機10内に残存する冷却液は、大気圧に比べて高い圧力を有しているため、流路5b,5cをも通じて自然と排液される。
The three-
なお、上記通液量調整部50の態様は、一例であり、上記構成に特に限定されず、冷却液の通液量の調整を可能にするものであればよい。
The mode of the liquid passing
また、流路5bには、流量センサ19が設けられている。流量センサ19によって低圧段本体11と高圧段本体12との間を流れる冷却液の流量を測定できる。流量センサ19によって測定された流量のデータは、制御装置40に送られる。
Further, a
図1,2において一点鎖線で示されているように、圧縮膨張兼用機10には油が供給される。ここでの油は、圧縮膨張兼用機10の軸受等の回転機構に供給される。詳細には、本実施形態の圧縮膨張兼用機10自体は、給油を必要としないオイルフリー式であり、ここでの油は後述する圧縮室/膨張室11dには供給されず、軸受等の回転機構に供給される。給油された油は、軸受等の回転機構の潤滑後にオイルタンク60に溜められる。オイルタンク60に溜められた油は、オイルポンプ61によって再び圧縮膨張兼用機10の軸受等の回転機構に給油される。
As shown by the alternate long and short dash line in FIGS. 1 and 2, oil is supplied to the compression / expansion combined
図3,4は、圧縮膨張兼用機10の低圧段本体11を示している。図3は充電運転状態の低圧段本体11を示し、図4は発電運転状態の低圧段本体11を示している。なお、高圧段本体12も低圧段本体11と実質的に同一の構造を有している。
FIGS. 3 and 4 show the low pressure stage
図3,4を参照して、低圧段本体11は、外装となるケーシング11cを有している。ケーシング11cは、複数の部品から構成され、組み合わされて一つの外装を構成している。ケーシング11cには、圧縮過程において吸気口および膨張過程において排気口となる低圧口11aと、圧縮過程において吐出口および膨張過程において給気口となる高圧口11bとが設けられている。また、ケーシング11cは、内部に圧縮室/膨張室11dを画定している。圧縮室/膨張室11dには、雌雄一対のスクリュロータ11f(図3,4では雄側のスクリュロータのみ図示)が配置されている。スクリュロータ11fは、回転軸部材11gに支持されている。ケーシング11cには貫通孔11eが設けられており、回転軸部材11gは貫通孔11eを通ってケーシング11cの内外にわたって延びている。ケーシング11cの貫通孔11eには、回転軸部材11gとケーシング11cとの隙間をシールするシール機構11iが設けられている。シール機構11iによって圧縮室/膨張室11dは密閉されており、圧縮室/膨張室11dからの空気の漏出が抑制されるとともに、軸受11hを潤滑する潤滑油が圧縮室/膨張室11dに浸入しないようされている。
With reference to FIGS. 3 and 4, the low pressure stage
ケーシング11c外において、回転軸部材11gは、電動発電兼用機20(図3,4において概念的に図示)に機械的に接続されている。回転軸部材11gは、軸受11hに回転可能に支持されており、電動発電兼用機20と回転動力の伝達が可能となっている。
Outside the
電動発電兼用機20は、圧縮膨張兼用機10を駆動する電動機(モータ)としての機能および圧縮膨張兼用機10によって駆動される発電機としての機能を有する。電動発電兼用機20には、発電設備2が電気的に接続されている。充電運転においては、電動発電兼用機20は、発電設備2からの変動する入力電力によって駆動される。また、電動発電兼用機20は、不図示の電力系統に電気的に接続されている。発電運転においては、電動発電兼用機20は発電を行い、発電した電力は電力系統に送電される。
The electric power generation combined
また、ケーシング11cは、冷却ジャケットとしての機能も有している。従って、ケーシングのことを冷却ジャケットという場合がある。冷却ジャケット11cには、冷却液が通液される冷却液流路11jが形成されている。冷却液流路11jは、冷却液の流路5aと流路5bとを流体的に接続している。冷却液は、例えば水またはクーラント液であり得る。冷却液は、所定温度以下で冷却液流路11j内を流動し、ケーシング11cを冷却する。なお、詳細を図示しないが、高圧段本体12の冷却ジャケット12cも同様の構造を有し、高圧段本体12の冷却ジャケット12c内に形成された冷却液流路は、流路5bと流路5cとを流体的に接続している。
The
図1,2を参照して、低圧段本体11の低圧口11aには、流量調整弁13が流体的に接続されている。流量調整弁13は、吸気量および排気量を調整するための部品である。本実施形態では、流量調整弁13は、高圧段本体12の高圧口12bから吐出される圧縮空気を利用して流量調整可能な構成となっている。また、流量調整弁13には、吸気音および排気音を低減させるサイレンサ14が流体的に接続されている。
With reference to FIGS. 1 and 2, a flow
低圧段本体11の高圧口11bは、高圧段本体12の低圧口12aに流体的に接続されている。図1,2において、太い矢印Aは空気の流路として接続されていることを示している。低圧段本体11の高圧口11bと高圧段本体12の低圧口12aとの間には、熱交換器15が介設されている。熱交換器15には熱媒が供給されており、熱交換器15では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器15では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
The
高圧段本体12の高圧口12bは、蓄圧部30と流体的に接続されている。高圧段本体12の高圧口12bと蓄圧部30との間には、熱交換器16が介設されている。熱交換器16には、熱媒が供給されており、熱交換器16では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器16では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
The
蓄圧部30は、圧縮空気を蓄える部分である。蓄圧部30は、例えば鋼製のタンクであり得る。蓄圧部30の数は特に限定されず、複数個のタンクが設けられてもよい。また、蓄圧部30は必ずしもタンクの態様でなくてもよい。代替的には、密閉した地下空洞のように圧縮空気を貯蔵できるものであり得る。
The
上記構成を有するCAES発電装置1の運転動作について説明する。
The operation operation of the CAES
図1を参照して、CAES発電装置1が充電運転を行うときには、発電設備2からの入力電力により電動発電兼用機20を電動機として駆動し、電動発電兼用機20によって圧縮膨張兼用機10を圧縮機として駆動する。つまり、充電運転では、電力を使用して圧縮空気を生成し、生成した圧縮空気を蓄圧部30に貯蔵する。
With reference to FIG. 1, when the CAES
具体的には、充電運転では、圧縮膨張兼用機10の低圧段本体11は、流量調整弁13を通じて低圧口11aから吸気して圧縮し、圧縮空気を生成し、高圧口11bから圧縮空気を吐出する。低圧段本体11の高圧口11bから吐出された圧縮空気は、熱交換器15にて冷却された後に高圧段本体12の低圧口12aに供給される。高圧段本体12は低圧口12aから吸気した圧縮空気をさらに圧縮し、高圧の圧縮空気を生成し、高圧口12bから吐出する。高圧段本体12の高圧口12bから吐出された圧縮空気は、熱交換器16にて冷却された後に蓄圧部30に貯蔵される。
Specifically, in the charging operation, the low-pressure stage
図2を参照して、CAES発電装置1が発電運転を行うときには、蓄圧部30から供給される圧縮空気により圧縮膨張兼用機10を膨張機として駆動し、圧縮膨張兼用機10によって電動発電兼用機20を発電機として駆動する。つまり、発電運転では、蓄圧部30の圧縮空気を使用して電力を生成する。なお、充電運転と発電運転では、スクリュロータ11f(図3,4参照)の回転方向が互いに逆方向である。
With reference to FIG. 2, when the CAES
具体的には、発電運転では、蓄圧部30から送出された圧縮空気が、熱交換器16で加熱された後に圧縮膨張兼用機10の高圧段本体12の高圧口12bに給気される。高圧口12bに給気された圧縮空気によって高圧段本体12が膨張機として駆動し、電動発電兼用機20が発電機として駆動される。高圧段本体12にて膨張された圧縮空気は、低圧口12aから排気され、熱交換器15にて加熱された後に、低圧段本体11の高圧口11bに給気される。高圧口11bに給気された圧縮空気によって低圧段本体11が膨張機として駆動し、電動発電兼用機20が発電機として駆動される。低圧段本体11にて膨張された空気は、低圧口11aから排気され、大気に放出される。電動発電兼用機20で発電した電力は、不図示の電力系統に供給される。
Specifically, in the power generation operation, the compressed air sent out from the
低圧段本体11の高圧口11bには給気温度センサ17が設置されており、高圧段本体12の高圧口12bにも同様に給気温度センサ18が設置されている。給気温度センサ17,18によって低圧段本体11および高圧段本体12に膨張過程において給気される圧縮空気の温度をそれぞれ測定できる。給気温度センサ17,18によって測定された温度のデータは、制御装置40に送られ、後述する制御に使用される。
An air supply temperature sensor 17 is installed at the
図5を参照して、制御装置40による通液量調整部50の制御方法を説明する。
A method of controlling the liquid passage
制御装置40は、CAES発電装置1の運転状態が充電である場合(充電:ステップS2)、通液量調整部50を制御して通液量V0とする(ステップ3)。ここでの通液量V0は、圧縮膨張兼用機10が圧縮機として駆動した際に効率的に圧縮を行える程度の通液量である。また、制御装置40は、CAES発電装置1の運転状態が発電運転である場合(発電:ステップS2)、通液量調整部50を制御して通液量V1とする(ステップ4)。ここでの通液量V1は、例えば冷却液が冷却ジャケット内で沸騰しない程度の通液量としてもよいし、完全に通液を停止してもよい。
When the operating state of the CAES
換言すると、制御装置40は、圧縮膨張兼用機10が膨張機として機能する際の冷却ジャケット11c,12cへの冷却液の通液量V1が、圧縮膨張兼用機10が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット11c,12cへの冷却液の通液量V0以下となるように通液量調整部50を制御する。制御装置40は、好適には、圧縮膨張兼用機10が膨張機として機能する際の冷却ジャケット11c,12cへの冷却液の通液量V1が、圧縮膨張兼用機10が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット11c,12cへの冷却液の通液量V0未満となるように通液量調整部50を制御する。例えば、発電運転の通液量V1を充電運転の通液量V0の1/10程度としてもよい。このような通液量の制御は、流量センサ19のフィードバックに基づいて行われてもよい。これは、以降の通液量の制御においても同様である。
In other words, the
制御装置40は、ステップS4にて通液量V1とした後も、圧縮膨張兼用機10に給気される圧縮空気の温度が異常な高温(第1の異常温度)となっていないかを給気温度センサ17,18の測定値によって監視している(ステップS5)。そして、異常な高温が検知された場合(YES:ステップS5)には、通液量V2とする(ステップS6)。ここで、異常な高温とは、圧縮膨張兼用機10の運転上限温度を超える温度のことをいう。例えば、ここでの通液量V2は、充電運転の際の通液量V0と同じとしてもよい。ここで、通液量V0、V1,V2の大小関係は、V1≦V2≦V0となっている。また、給気温度センサ17,18の値が異常な高温となっていない場合(NO:ステップS5)には、制御装置40は、給気温度センサ17,18の値が異常な低温となっていないかを監視する(ステップS7)。給気温度センサ17,18の値が異常な低温(第2の異常温度)となっている場合(YES:ステップS7)には、冷却ジャケット11c,12cから冷却液を排液する(ステップS8)。ここで、異常な低温とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該異常な低温は、冷却液の種類によって異なる温度である。排液の際には、三方弁53(図1,2参照)を切り替えて、圧縮膨張兼用機10に冷却液を流さず流路5dを通じて外部に冷却液を排液する。そして、これらの処理を完了後、制御を終了する(ステップS9)。実際には、これらの制御がCAES発電装置1の運転中、絶えず繰り返される。
上記CAES発電装置1によれば、以下の効果を奏する。
According to the CAES
制御装置40による通液量調整部50の制御によって、充電運転(圧縮過程)において圧縮膨張兼用機10を十分に冷却できるとともに、発電運転(膨張過程)において圧縮膨張兼用機10の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機10を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機10を使用したCAES発電装置1の運転効率を向上させることができる。
By controlling the liquid flow
図6は、通液量制御の効果を簡易的に示すPV線図である。即ち、縦軸が空気の圧力Pを示し、横軸が空気の体積Vを示している。図6は効果を説明するための模式的なものであり、本実施形態では2段型の圧縮膨張兼用機10を使用しているが、図6では単段型の圧縮膨張兼用機10によるものを示している。
FIG. 6 is a PV diagram simply showing the effect of controlling the flow rate. That is, the vertical axis represents the pressure P of air, and the horizontal axis represents the volume V of air. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the effect. In this embodiment, the two-stage compression /
図6を参照して、点X1から点X21または点X22は給気行程を示しており、給気行程では蓄圧部30から圧縮膨張兼用機10に圧縮空気が給気されている。次いで、点X21または点X22から点X3(大気圧)では、膨張行程を示しており、膨張行程では圧縮空気が膨張している。図6では、給気行程に対応する2つの直線L1,L2と、膨張行程に対応する2つ曲線C1,C2とが示されている。直線L1および曲線C1は、本実施形態と異なり、通液量の制御を行なわない場合を示している。直線L2および曲線C2は、本実施形態のように通液量制御を行い、膨張過程(給気行程および膨張行程)における通液量を圧縮過程における通液量以下とした場合を示している。
With reference to FIG. 6, points X1 to X21 or points X22 indicate an air supply stroke, and in the air supply stroke, compressed air is supplied from the
図6を参照すると、通液量の制御を行った場合(直線L2,曲線C2)、通液量の制御を行っていない場合(直線L1,曲線C1)よりも、斜線で示す面積分S1,S2だけ仕事量が増加していることが確認できる。従って、本実施形態のように通液量の制御を行った場合(直線L2,曲線C2)、通液量の制御を行っていない場合(直線L1,曲線C1)よりも、運転効率が向上していることがわかる。 With reference to FIG. 6, when the liquid flow rate is controlled (straight line L2, curve C2), the area portion S1 shown by the diagonal line is higher than when the liquid flow rate is not controlled (straight line L1, curve C1). It can be confirmed that the workload is increased only in S2. Therefore, when the liquid flow rate is controlled as in the present embodiment (straight line L2, curve C2), the operation efficiency is improved as compared with the case where the liquid flow rate is not controlled (straight line L1, curve C1). You can see that.
具体的には、冷却ジャケット11c,12cへの通液による熱交換は次の2つに分かれる。
1) 給気行程となる外部給気口11b−1から内部給気口11b−2の間(図4参照)
2) 膨張行程となる内部給気口11b−2から内部排気口11a−1の間(膨張室11d)(図4参照)
Specifically, heat exchange by passing liquid through the cooling
1) Between the external
2) Between the internal
図6を参照して、1)の給気行程での放熱量を制限することで、斜線領域S1が得られ、2)の膨張行程での放熱量を制限することで斜線領域S2が得られる。1)の斜線領域S1の増加は、外部給気口11b−1から内部給気口11b−2での放熱が給気温度の低下をもたらすが、これを抑制できることを示している。外部給気口11b−1から内部給気口11b−2に至るまでの給気温度低下については、内部給気体積が一定であるため、この温度が低下するほど膨張に必要な給気空気質量流量[kg/h]が増大する。従って、発電性能を示す比発電電力量[kWh/kg]が低下するため、この放熱を制限するために通液量の抑制が必要である。2)の斜線領域S2の増加は、高温での膨張を可能にすることで、膨張効率が向上することを示している。
With reference to FIG. 6, the shaded area S1 can be obtained by limiting the amount of heat released in the air supply stroke of 1), and the shaded region S2 can be obtained by limiting the amount of heat released in the expansion stroke of 2). .. The increase in the shaded area S1 in 1) indicates that heat dissipation from the external
また、本実施形態では、給気温度センサ17,18によって、圧縮膨張兼用機10への異常な給気温度を検知し、前述のように通液量を好適に制御している。そのため、圧縮膨張兼用機10において、膨張過程の異常高温によるケーシング11c,12cの熱変形を防止できるとともに、膨張過程の異常低温によるケーシング11c,12c内での冷却液の凍結を防止できる。なお、給気温度センサ17,18およびこれに伴う通液量の制御は、必須ではなく、必要に応じて省略され得る。
Further, in the present embodiment, the supply
以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。 Although the specific embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention.
1 圧縮空気貯蔵発電装置(CAES発電装置)
2 発電設備
5a〜5d 流路
10 圧縮膨張兼用機
11 低圧段本体
11a 低圧口
11a−1 内部排気口
11b 高圧口
11b−1 外部給気口
11b−2 内部給気口
11c ケーシング(冷却ジャケット)
11d 圧縮室/膨張室
11e 貫通孔
11f スクリュロータ
11g 回転軸部材
11h 軸受
11i シール機構
11j 冷却液流路
12 高圧段本体
12a 低圧口
12b 高圧口
12c ケーシング(冷却ジャケット)
13 流量調整弁
14 サイレンサ
15,16 熱交換器
17,18 給気温度センサ
19 流量センサ
20 電動発電兼用機
30 蓄圧部
40 制御装置
50 通液量調整部
51 冷却液ポンプ
52 流量調整弁
53 三方弁
60 オイルタンク
61 オイルポンプ
1 Compressed air storage power generation device (CAES power generation device)
2
11d Compression chamber /
13
Claims (5)
前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、
前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御する制御装置と
を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。 A compression / expansion machine that has a function as a compressor that compresses air and an expander that expands compressed air, and has a cooling jacket that allows the coolant to pass through.
A motor generator that is mechanically connected to the compression / expansion machine and has a function as an electric motor that drives the compression / expansion machine and a function as a generator that is driven by the compression / expansion machine.
A pressure accumulator that is fluidly connected to the compression / expansion machine and stores compressed air generated by the compression / expansion machine.
A liquid flow adjusting unit that adjusts the flow rate of the coolant to the cooling jacket,
The amount of the coolant flowing through the cooling jacket when the compression / expansion combined machine functions as an expander is the flow of the coolant through the cooling jacket when the compression / expansion combined machine functions as a compressor. A compressed air storage power generation device including a control device that controls the liquid flow amount adjusting unit so that the amount of liquid is equal to or less than the liquid amount.
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