JP7103799B2

JP7103799B2 - バイナリー発電システム

Info

Publication number: JP7103799B2
Application number: JP2018021584A
Authority: JP
Inventors: 和雄高橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Compressors Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Kobelco Compressors Corp
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2022-07-20
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: JP2019138201A; WO2019155976A1

Description

本発明は、バイナリー発電システムに関する。

従来、工場等の各種設備の排熱を回収することにより電力を生成するバイナリー発電装置を含むバイナリー発電システムが知られている。例えば、特許文献１には、蒸発器、膨張機、発電機、凝縮器、循環ポンプ及び循環配管を含むバイナリー発電装置と、冷却塔と、冷却水配管と、冷却水ポンプと、を備えるバイナリー発電システムが開示されている。蒸発器は、作動媒体を蒸発させる。膨張機は、蒸発器から流出した作動媒体を膨張させる。発電機は、膨張機に接続されており、膨張機での作動媒体の膨張エネルギーから電力を取り出す。凝縮器は、膨張機から流出した作動媒体を冷却水によって凝縮させる。循環ポンプは、凝縮器から流出した作動媒体を蒸発器へ送る。冷却塔は、凝縮器から流出した冷却水を冷却する。冷却水配管は、凝縮器及び冷却塔間を冷却水が循環するように凝縮器と冷却塔とをこの順に接続している。冷却水ポンプは、冷却水配管に設けられている。

特開２０１４－１６３６０８号公報

特許文献１に記載されるようなバイナリー発電システムでは、冷却塔において冷却水が蒸発するので、定期的に冷却水を補充する必要があり、また、冷却塔にゴミ等が侵入した場合、凝縮器に詰まりが生じるおそれがある。

そこで、凝縮器から流出した冷却媒体（冷却水等）を冷却する手段として、ドライクーラを用いることが考えられる。ドライクーラは、冷却媒体を循環させる冷却媒体循環流路に接続された伝熱管と、伝熱管内を流れる冷却媒体を空冷するための気流を形成するファンと、を備える冷却媒体の冷却手段である。このドライクーラが用いられることにより、冷却媒体の蒸発や凝縮器での詰まりの発生が抑制される。ただし、ドライクーラが用いられる場合、ファンを駆動するための電力が必要となる。

本発明の目的は、冷却媒体の蒸発及び凝縮器での詰まりの発生を抑制しながらなるべく多くの電力（正味電力）を回収することが可能なバイナリー発電システムを提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明は、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発電機と、前記膨張機から流出した作動媒体を冷却媒体で冷却することによって当該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へ送る作動媒体ポンプと、前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記作動媒体ポンプをこの順に接続する作動媒体循環流路と、を含むバイナリー発電装置と、前記凝縮器から流出した冷却媒体を流すための伝熱管及び前記伝熱管内を流れる冷却媒体を空冷するための気流を形成するファンを有するドライクーラと、前記凝縮器及び前記伝熱管間を前記冷却媒体が循環するように前記凝縮器及び前記伝熱管をこの順に接続する冷却媒体循環流路と、前記冷却媒体循環流路に設けられた冷却媒体ポンプと、前記バイナリー発電装置が生成した電力から前記冷却媒体ポンプの駆動に必要な電力と前記ファンの駆動に必要な電力とを引くことにより算出される正味電力が増大するように前記冷却媒体ポンプの周波数を制御する制御部と、を備え、前記冷却媒体ポンプの周波数を下げることは、前記ドライクーラから流出した冷却媒体の温度が低下することとなって前記バイナリー発電装置によって生成される電力を上昇させる要因となる一方で、前記冷却媒体循環流路の冷媒媒体流量が低下することとなって前記バイナリー発電装置によって生成される電力を低下させる要因ともなり、前記制御部は、前記正味電力を算出するとともに前記冷却媒体ポンプの回転数を所定回転数だけ変更した後に前記正味電力を再度算出する算出部と、前記冷却媒体ポンプの回転数を前記所定回転数だけ変更する前に前記算出部によって算出された前記正味電力を記憶する第１記憶部と、前記冷却媒体ポンプの回転数を前記所定回転数だけ変更した後に前記算出部によって算出された前記正味電力を記憶する第２記憶部と、を含み、前記第１記憶部に記憶された正味電力と前記第２記憶部に記憶された正味電力との比較結果により、前記冷却媒体ポンプの周波数を上げるか下げるかを判定する、バイナリー発電システムを提供する。

本バイナリー発電システムでは、凝縮器から流出した冷却媒体を冷却する手段としてドライクーラが用いられているので、冷却媒体の蒸発及び凝縮器での詰まりの発生が抑制され、しかも、正味電力が増大するように冷却媒体ポンプの周波数が制御されるので、当該システムから回収される電力が増大する。

この場合において、前記制御部は、前記冷却媒体ポンプの周波数を調整する調整部を有し、前記調整部は、前記第２記憶部に記憶された前記正味電力の値が前記第１記憶部に記憶された正味電力の値よりも大きくなるように前記冷却媒体ポンプの周波数を調整することが好ましい。

このようにすれば、冷却媒体ポンプの周波数の調整の前後における正味電力の各値に基づいて冷却媒体ポンプの周波数が調整されるので、正味電力が有効に増大する。

この場合において、前記調整部は、前記ファンの回転数が一定の状態において、前記第２記憶部に記憶された前記正味電力の値が前記第１記憶部に記憶された正味電力の値よりも大きくなるように前記冷却媒体ポンプの周波数を調整することが好ましい。

このようにすれば、ファンの駆動に必要な電力が一定となるので、制御部による制御が簡素化される。

また、前記調整部は、前記冷却媒体循環流路を流れる冷却媒体の流量が基準値よりも大きいときに、前記冷却媒体ポンプの周波数を設定値とすることが好ましい。

このようにすれば、冷却媒体の循環量が過剰となることが回避される。

以上のように、本発明によれば、冷却媒体の蒸発及び凝縮器での詰まりの発生を抑制しながらなるべく多くの電力（正味電力）を回収することが可能なバイナリー発電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態のバイナリー発電システムの構成を概略的に示す図である。冷却媒体の温度とバイナリー発電装置の発電量との関係を示すグラフである。冷却媒体の流量とバイナリー発電装置の発電量との関係を示すグラフである。冷却媒体の流量と冷却媒体ポンプの消費電力との関係を示すグラフである。冷却媒体の流量とドライクーラの出口における冷却媒体の温度との関係を示すグラフである。制御部の制御内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態のバイナリー発電システム１について、図１～図６を参照しながら説明する。図１に示されるように、バイナリー発電システム１は、バイナリー発電装置１００と、ドライクーラ２００と、冷却媒体循環流路３００と、冷却媒体ポンプ４００と、制御部５００と、を備えている。

バイナリー発電装置１００は、作動媒体を用いたランキンサイクルの利用により電力を生成する装置である。具体的に、バイナリー発電装置１００は、蒸発器１１０と、膨張機１２０と、発電機１３０と、凝縮器１４０と、作動媒体ポンプ１５０と、蒸発器１１０、膨張機１２０、凝縮器１４０及び作動媒体ポンプ１５０をこの順に接続する作動媒体循環流路１６０と、を有している。

蒸発器１１０は、作動媒体と加熱媒体（温水等）とを熱交換させることによって作動媒体を蒸発させる。

膨張機１２０は、作動媒体循環流路１６０のうち蒸発器１１０の下流側の部位に設けられている。膨張機１２０は、蒸発器１１０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１２０として、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ロータを有する容積式のスクリュ膨張機が用いられている。

発電機１３０は、膨張機１２０に接続されている。具体的に、発電機１３０は、前記ロータに接続されており、当該ロータとともに回転することにより電力を生成する。

凝縮器１４０は、作動媒体循環流路１６０のうち膨張機１２０の下流側の部位に設けられている。凝縮器１４０は、膨張機１２０から流出した作動媒体を冷却媒体で冷却することによって当該作動媒体を凝縮させる。なお、冷却媒体として、エチレングリコール水溶液等の不凍液が用いられることが好ましい。

作動媒体ポンプ１５０は、作動媒体循環流路１６０における凝縮器１４０の下流側の部位（凝縮器１４０と蒸発器１１０との間の部位）に設けられている。作動媒体ポンプ１５０は、凝縮器１４０から流出した液相の作動媒体を所定の圧力で蒸発器１１０に送る。

ドライクーラ２００は、凝縮器１４０から流出した冷却媒体を冷却する。具体的に、ドライクーラ２００は、冷却媒体を流すための伝熱管２１０と、伝熱管２１０を収容する筐体２２０と、筐体２２０の例えば上部に接続されたファン２３０と、を有する。伝熱管２１０には、複数のフィンが設けられている。ファン２３０は、伝熱管２１０内を流れる冷却媒体を空冷するための気流を形成する。

冷却媒体循環流路３００は、凝縮器１４０及び伝熱管２１０間を冷却媒体が循環するように凝縮器１４０と伝熱管２１０とをこの順に接続している。

冷却媒体ポンプ４００は、冷却媒体循環流路３００に設けられている。

本実施形態のバイナリー発電システム１では、バイナリー発電装置１００によって電力Ｗｅが生成される一方、冷却媒体ポンプ４００の駆動のために電力Ｗｐが消費され、ファン２３０の駆動のために電力Ｗｆが消費される。つまり、バイナリー発電システム１全体としては、前記電力Ｗｅから前記電力Ｗｐと前記電力Ｗｆとを引くことにより算出される電力が正味電力Ｗとして生成される。なお、前記電力Ｗｅは、発電機１３０の生成電力から、バイナリー発電装置１００内で必要とされる電力（作動媒体ポンプ１５０の駆動に必要な電力等）を引いた、バイナリー発電装置１００としての出力を意味する。また、電力Ｗｐは、冷却媒体ポンプ４００の周波数に基づいて算出され、電力Ｗｆは、ファン２３０の回転数に基づいて算出される。

ここで、図２に示されるように、ドライクーラ２００から流出した冷却媒体の温度Ｔｗと電力Ｗｅとの間には、冷却媒体の流量Ｍｗが一定である場合においては、温度Ｔｗが低下するにしたがって次第に電力Ｗｅが増大するという関係がある。また、図３に示されるように、冷却媒体の流量Ｍｗと電力Ｗｅとの間には、前記温度Ｔｗが一定である場合においては、冷却媒体の流量Ｍｗが増大するにしたがって次第に電力Ｗｅが増大するという関係がある。また、図４に示されるように、冷却媒体の流量Ｍｗと電力Ｗｐとの間には、冷却媒体の流量Ｍｗが減少するにしたがって次第に電力Ｗｐが減少するという関係がある。そして、図５に示されるように、冷却媒体の流量Ｍｗと冷却媒体の温度Ｔｗとの間には、電力Ｗｆが一定である場合においては、冷却媒体の流量Ｍｗが減少するにしたがって次第に冷却媒体の温度Ｔｗが低下するという関係がある。なお、ドライクーラ２００から流出した冷却媒体の温度Ｔｗは、冷却媒体循環流路３００のうちドライクーラ２００の下流側に設けられた温度センサ６０１によって検出される。また、冷却媒体の流量Ｍｗは、冷却媒体循環流路３００に設けられた流量センサ（図示略）によって検出される、あるいは、冷却媒体ポンプ４００の周波数に基づいて算出される。

制御部５００は、上記の各関係に基づき、正味電力Ｗ（Ｗｅ－Ｗｐ－Ｗｆ）が最大になるような制御を行う。具体的に、電力Ｗｅが一定量確保された状態で電力Ｗｐを下げるために冷却媒体ポンプ４００の周波数を下げる。この結果、冷却媒体の流量が低下するので冷却媒体の温度Ｔｗが低下し（図５を参照）、これにより電力Ｗｅが上昇しやすくなる（図２を参照）。一方、冷却媒体の流量が低下すると電力Ｗｅも低下する（図３を参照）というトレードオフの関係がある。制御部５００は、この関係のバランスをとることによって正味電力Ｗを最大にする。つまり、制御部５００は、正味電力Ｗが増大するように冷却媒体ポンプ４００の周波数を制御する。具体的に、制御部５００は、正味電力Ｗを算出する算出部５１０と、算出部５１０が算出した正味電力Ｗを記憶する第１記憶部５２０と、算出部５１０が算出した正味電力Ｗを記憶する第２記憶部５３０と、冷却媒体ポンプの周波数を調整する調整部５４０と、を有する。

算出部５１０は、正味電力Ｗを算出して当該正味電力Ｗの値を第１記憶部５２０に入力するとともに、調整部５４０による冷却媒体ポンプ４００の周波数の調整後に再度正味電力Ｗを算出して当該正味電力Ｗの値を第２記憶部５３０に入力する。

調整部５４０は、第２記憶部５３０に記憶された正味電力Ｗの値が第１記憶部５２０に記憶された正味電力Ｗの値よりも大きくなるように冷却媒体ポンプ４００の周波数を調整する。

以下、図６を参照しながら、制御部５００の具体的な制御内容について説明する。なお、本実施形態では、ファン２３０の回転数、つまり、ファン２３０の駆動に必要な電力Ｗｆは、一定に維持されている。

まず、制御部５００の算出部５１０は、正味電力Ｗ（Ｗｅ－Ｗｐ－Ｗｆ）を算出するとともに、当該正味電力Ｗの値を第１記憶部５２０に入力する（ステップＳＴ１１）。そして、制御部５００の調整部５４０は、電力Ｗｐを減らすために冷却媒体ポンプ４００の周波数を所定値下げる（ステップＳＴ１２）。

そして、当該システムの系が安定するまでの一定時間待機した後（ステップＳＴ１３）、制御部５００の算出部５１０は、再度正味電力Ｗを算出し、この正味電力Ｗの値を第２記憶部５３０に入力する（ステップＳＴ１４）。

その後、制御部５００は、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴ１５）。この結果、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値よりも大きい場合、制御部５００は、第２記憶部５３０に記憶されている値を第１記憶部５２０に入力し（ステップＳＴ１６）、ステップＳＴ１２に戻る。一方、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値以下である場合、つまり、冷却媒体ポンプ４００の周波数を所定値下げることによって正味電力Ｗが減少した、あるいは、冷却媒体ポンプ４００の周波数を所定値下げても正味電力Ｗが変化しなかった場合、制御部５００は、第２記憶部５３０に記憶されている値を第１記憶部５２０に入力する（ステップＳＴ１７）。そして、調整部５４０は、冷却媒体ポンプ４００の周波数を所定値上げる（ステップＳＴ１８）。

そして、当該システムの系が安定するまでの一定時間待機した後（ステップＳＴ１９）、算出部５１０は、再度正味電力Ｗを算出し、この正味電力Ｗの値を第２記憶部５３０に入力する（ステップＳＴ２０）。

続いて、制御部５００は、冷却媒体循環流路３００を流れる冷却媒体の流量が基準値よりも大きいか否か（過剰であるか否か）を判断する（ステップＳＴ２１）。なお、本実施形態では、冷却媒体循環流路３００を流れる冷却媒体の流量が基準値よりも大きいか否かは、冷却媒体循環流路３００のうち凝縮器１４０の下流側の部位の圧力と上流側の部位の圧力との差圧ΔＰが所定値よりも大きいか否かによって判断する。前記差圧ΔＰは、冷却媒体循環流路３００のうち凝縮器１４０の下流側の部位及び上流側の部位のそれぞれに設けられた圧力センサ６０２，６０３の検出値に基づいて算出される。

この結果、前記流量が基準値以下（本実施形態では前記差圧ΔＰが所定値以下）である場合、制御部５００は、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳＴ２２）。そして、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値よりも大きい場合、制御部５００は、再度ステップＳＴ１７に戻る一方、第２記憶部５３０に記憶されている値が第１記憶部５２０に記憶されている値以下である場合、制御部５００は、ステップＳＴ１６に戻る。

一方、ステップＳＴ２１において、前記流量が基準値よりも大きい場合（ステップＳＴ２１においてＹＥＳの場合）、制御部５００は、冷却媒体ポンプ４００の周波数を設定値とする（ステップＳＴ２３）。その後、制御部５００は、系が安定するまでの一定時間または外気温が変化すると考えられる時間（例えば１０分）待機した後（ステップＳＴ２４）、ステップＳＴ１４に移る。

以上に説明したように、本実施形態のバイナリー発電システム１では、凝縮器１４０から流出した冷却媒体を冷却する手段としてドライクーラ２００が用いられているので、冷却媒体の蒸発及び凝縮器１４０での詰まりの発生が抑制され、しかも、正味電力Ｗが増大するように冷却媒体ポンプ４００の周波数が制御されるので、当該システム１から回収される電力が増大する。

具体的に、冷却媒体ポンプ４００の周波数の調整の前後における正味電力Ｗの各値に基づいて冷却媒体ポンプ４００の周波数が調整されるので、正味電力Ｗが有効に増大する。

また、調整部５４０は、ファン２３０の回転数、つまり、ファンの駆動に必要な電力Ｗｆが一定の状態において冷却媒体ポンプ４００の周波数を調整するので、制御部５００による制御が簡素化される。

また、調整部５４０は、冷却媒体循環流路３００を流れる冷却媒体の流量が基準値よりも大きいときに、冷却媒体ポンプ４００の周波数を設定値とするので、冷却媒体の循環量が過剰となることが回避される。

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、冷却媒体循環流路３００を流れる冷却媒体の流量は、冷却媒体循環流路３００に設けられた流量センサで検出してもよい。

また、制御部５００は、正味電力Ｗの算出後、ドライクーラ２００から流出した冷却媒体の温度Ｔｗ（温度センサ６０１の検出値）を確認することが好ましい。

１バイナリー発電システム
１００バイナリー発電装置
１１０蒸発器
１２０膨張機
１３０発電機
１４０凝縮器
１５０作動媒体ポンプ
１６０作動媒体循環流路
２００ドライクーラ
２１０伝熱管
２２０筐体
２３０ファン
３００冷却媒体循環流路
４００冷却媒体ポンプ
５００制御部
５１０算出部
５２０第１記憶部
５３０第２記憶部
５４０調整部
Ｗｅバイナリー発電装置が生成する電力
Ｗｐ冷却媒体ポンプの駆動に必要な電力
Ｗｆファンの駆動に必要な電力

Claims

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発電機と、前記膨張機から流出した作動媒体を冷却媒体で冷却することによって当該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へ送る作動媒体ポンプと、前記蒸発器、前記膨張機、前記凝縮器及び前記作動媒体ポンプをこの順に接続する作動媒体循環流路と、を含むバイナリー発電装置と、
前記凝縮器から流出した冷却媒体を流すための伝熱管及び前記伝熱管内を流れる冷却媒体を空冷するための気流を形成するファンを有するドライクーラと、
前記凝縮器及び前記伝熱管間を前記冷却媒体が循環するように前記凝縮器及び前記伝熱管をこの順に接続する冷却媒体循環流路と、
前記冷却媒体循環流路に設けられた冷却媒体ポンプと、
前記バイナリー発電装置が生成した電力から前記冷却媒体ポンプの駆動に必要な電力と前記ファンの駆動に必要な電力とを引くことにより算出される正味電力が増大するように前記冷却媒体ポンプの周波数を制御する制御部と、を備え、
前記冷却媒体ポンプの周波数を下げることは、前記ドライクーラから流出した冷却媒体の温度が低下することとなって前記バイナリー発電装置によって生成される電力を上昇させる要因となる一方で、前記冷却媒体循環流路の冷媒媒体流量が低下することとなって前記バイナリー発電装置によって生成される電力を低下させる要因ともなり、
前記制御部は、
前記正味電力を算出するとともに前記冷却媒体ポンプの回転数を所定回転数だけ変更した後に前記正味電力を再度算出する算出部と、
前記冷却媒体ポンプの回転数を前記所定回転数だけ変更する前に前記算出部によって算出された前記正味電力を記憶する第１記憶部と、
前記冷却媒体ポンプの回転数を前記所定回転数だけ変更した後に前記算出部によって算出された前記正味電力を記憶する第２記憶部と、を含み、
前記第１記憶部に記憶された正味電力と前記第２記憶部に記憶された正味電力との比較結果により、前記冷却媒体ポンプの周波数を上げるか下げるかを判定する、バイナリー発電システム。
請求項１に記載のバイナリー発電システムにおいて、
前記制御部は、前記冷却媒体ポンプの周波数を調整する調整部を有し、
前記調整部は、前記第２記憶部に記憶された前記正味電力の値が前記第１記憶部に記憶された正味電力の値よりも大きくなるように前記冷却媒体ポンプの周波数を調整する、バイナリー発電システム。
請求項２に記載のバイナリー発電システムにおいて、
前記調整部は、前記ファンの回転数が一定の状態において、前記第２記憶部に記憶された前記正味電力の値が前記第１記憶部に記憶された正味電力の値よりも大きくなるように前記冷却媒体ポンプの周波数を調整する、バイナリー発電システム。
請求項２又は３に記載のバイナリー発電システムにおいて、
前記調整部は、前記冷却媒体循環流路を流れる冷却媒体の流量が基準値よりも大きいときに、前記冷却媒体ポンプの周波数を設定値とする、バイナリー発電システム。