JP7372132B2 - ランキンサイクル装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、ランキンサイクル装置及びその運転方法に関する。

ランキンサイクル装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置である。特許文献１は、ランキンサイクル装置において、蒸気の膨張比を所定の膨張比εに設定することにより、膨張機から排出される蒸気の圧力及び温度を目標値に一致させて膨張機及び凝縮器の性能を最大限に発揮させることを開示している。

特開２００２－１５５７０７号公報

本開示は、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立可能なランキンサイクル装置を提供する。

本開示におけるランキンサイクル装置は、
ポンプ、蒸発器、膨張機及び凝縮器を含む作動流体回路と、
前記膨張機に接続された発電機と、
前記膨張機の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出する第１圧力センサと、
前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力である出口圧力を検出する第２圧力センサと、
前記発電機の発電出力を検出する出力検出器と、
前記発電出力が最大化されるように、前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差を制御する制御装置と、
を備える。

別の側面において、本開示のランキンサイクル装置の運転方法は、
膨張機の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出することと、
前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力である出口圧力を検出することと、
前記膨張機に接続された発電機の発電出力を検出することと、
前記発電出力が最大化されるように、前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差を制御することと、
を含む。

本開示によれば、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立可能なランキンサイクル装置を提供できる。

実施の形態における熱発電システムの構成図 作動流体回路における作動流体の状態を示すモリエル線図 実施の形態における基本制御を示すフローチャート 実施の形態における出力最大化制御を示すフローチャート

（本開示の基礎となった知見等）
ランキンサイクル装置において、発電出力の検出値のみを用いて膨張機の回転数を制御すると、ポンプ、膨張機などの機器に予想外の負荷が加わる可能性がある。他方、膨張機の圧力差を目標値として制御を行うと、サイクルが安定し、システムの信頼性の向上を期待できる。

しかし、膨張機の圧力差を予め定められた圧力差に制御するだけでは、外気温度の変動、熱源条件の変動、及び、機器の個体差により、発電出力が必ずしも最大とならない。本発明者らは、膨張機の回転数を変化させることで膨張機の圧力差を制御可能であること、及び、膨張機の圧力差と発電出力との間に相関があることに着目し、ランキンサイクル装置において、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立できることを見出した。その結果、本発明者らは、本開示の主題を構成するに至った。

本開示は、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立可能なランキンサイクル装置を提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、又は、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図４を用いて、実施の形態１を説明する。

[１－１．構成]
図１は、本実施の形態における熱発電システム１００の構成図である。熱発電システム１００は、熱流路４０及びランキンサイクル装置５０を備えている。

熱流路４０は、熱源３０で生成された加熱媒体Ｇをランキンサイクル装置５０に供給するための流路である。熱流路４０は、典型的には、ダクトである。熱源３０は、工場などの設備でありうる。加熱媒体Ｇは、設備から排出される排ガスでありうる。

ランキンサイクル装置５０は、ポンプ１、蒸発器２、膨張機３及び凝縮器４を備えている。ポンプ１、蒸発器２、膨張機３及び凝縮器４は、配管によって環状に接続されて作動流体回路１４を形成している。作動流体回路１４には、作動流体が充填されている。蒸発器２が熱流路４０に配置されている。蒸発器２において、加熱媒体Ｇの熱が作動流体に与えられる。

作動流体の種類は特に限定されない。作動流体は、無機作動流体であってもよく、有機作動流体であってもよい。無機作動流体としては、水が挙げられる。加熱媒体Ｇの温度が比較的低温であるとき、作動流体として、有機作動流体が適している。有機作動流体としては、ハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）系の作動流体が挙げられる。ＨＦＯ系の作動流体は、ＨＦＯを含む作動流体を意味する。作動流体におけるＨＦＯの含有率は、例えば、５０質量％以上であり、８０質量％以上であってもよい。ＨＦＯとしては、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｚ）、ＨＦＯ１３３６ｍｚｚ（Ｅ）、これらの混合物が挙げられる。作動流体として、ＨＦＯを含まない公知の冷媒を採用することもできる。

ポンプ１は、作動流体を搬送する役割を担う。ポンプ１において、作動流体は加圧される。ポンプ１は、回転数可変のポンプであってもよい。

蒸発器２は、加熱媒体Ｇの熱を受け取って作動流体を蒸発させる。蒸発器２は、例えば、フィンアンドチューブ熱交換器である。蒸発器２は、加熱媒体Ｇの温度及び流量に応じて所定量の熱を回収して作動流体に付与する。

工場などの設備から加熱媒体Ｇが排出されるとき、設備の稼働中における加熱媒体Ｇの温度及び流量は、経時的に大きく変動しない傾向にある。即ち、蒸発器２に供給されるべき加熱媒体Ｇの温度及び流量は、概ね安定状態にある。工場での乾燥工程を例に考えると、製品の品質（乾燥状態）を均一に保つためには、乾燥用の熱源３０の状態を安定させる必要がある。即ち、加熱媒体Ｇの温度及び流量を安定させる必要がある。そのような安定状態において、加熱媒体Ｇから作動流体へと所定量の熱を移動させるための熱交換がなされるように、蒸発器２が設計されている。即ち、外気温度に応じて予め設定された回転数でポンプ１を運転したときに蒸発器２から流出する作動流体の温度が所定温度に達し、膨張機３に流入する作動流体の状態が所定状態となるように、加熱媒体Ｇの温度及び流量を考慮に入れて、蒸発器２が設計されている。具体的には、蒸発器２において、伝熱管の段数、伝熱管の列数、伝熱管の長さ、フィンのピッチ、フィンの枚数などが定められている。

膨張機３は、作動流体を膨張させて圧力エネルギーを機械エネルギーに変換する。膨張機３は、容積型の膨張機であってもよく、速度型の膨張機であってもよい。容積型の膨張機としては、ロータリ膨張機、スクロール膨張機などが挙げられる。速度型の膨張機としては、半径流タービン、斜流タービン、軸流タービンなどが挙げられる。

膨張機３には発電機１８が接続されている。発電機１８の発電出力、即ち、発電機１８によって生成された電力を検出する出力検出器１９が設けられている。発電機１８は、膨張機３によって回転させられ、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。発電機１８のコンバータを介して膨張機３の回転数を制御することができる。

凝縮器４は、作動流体を凝縮させる。具体的には、凝縮器４は、冷却媒体によって作動流体を冷却して作動流体を凝縮させる。凝縮器４としては、フィンアンドチューブ熱交換器、プレート熱交換器、二重管式熱交換器などが挙げられる。冷却媒体は、液体であってもよく、気体であってもよい。凝縮器４は、典型的には、フィンアンドチューブ熱交換器である。凝縮器４に冷却媒体としての空気を供給するためのファン７が設けられていてもよい。液体の冷却媒体としては、水、及び、ブラインなどの不凍液が挙げられる。

作動流体回路１４は、循環流路１５及びバイパス流路１６を有する。

循環流路１５は、第１流路１５ａ及び第２流路１５ｂを含む。第１流路１５ａは、ポンプ１から蒸発器２を経由して膨張機３に至る流路である。第２流路１５ｂは、膨張機３から凝縮器４を経由してポンプ１に至る流路である。

バイパス流路１６は、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分と、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分と、を接続している。バイパス流路１６には、弁５が設けられている。以下では、弁５を、バイパス弁５と称することがある。本実施の形態では、バイパス弁５は、流量調整弁である。流量調整弁は、０％（全閉）及び１００％（全開）のみならず、０％よりも大きく１００％よりも小さい開度をとりうる。バイパス弁５は、膨張機３を流れる作動流体の流量とバイパス流路１６を流れる作動流体の流量との比率を調整する。

ランキンサイクル装置５０は、再熱器６をさらに備えている。再熱器６は、第１部分６ａ及び第２部分６ｂを含む。第１部分６ａは、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の部分である。第２部分６ｂは、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分である。再熱器６において、第１部分６ａを流れる作動流体と第２部分６ｂを流れる作動流体との間で熱交換が行われる。この熱交換によって、第１部分６ａを流れる作動流体の温度が上昇し、第２部分６ｂを流れる作動流体の温度が低下する。

ランキンサイクル装置５０は、第１圧力センサ８ａ及び第２圧力センサ８ｂをさらに備えている。第１圧力センサ８ａは、第１流路１５ａに設けられている。第２圧力センサ８ｂは、第２流路１５ｂに設けられている。本実施の形態では、第１圧力センサ８ａは、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分に設けられている。第２圧力センサ８ｂは、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分に設けられている。

第１圧力センサ８ａは、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を検出する。第２圧力センサ８ｂは、第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を検出する。言い換えれば、第１圧力センサ８ａは、膨張機３の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出する。第２圧力センサ８ｂは、膨張機３の出口における作動流体の圧力である出口圧力を検出する。入口圧力及び出口圧力から、サイクルの高圧とサイクルの低圧との圧力差を特定することができる。

第１圧力センサ８ａは、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の部分に設けられていてもよい。第１圧力センサ８ａは、バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられていてもよい。バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも上流側の部分に設けられた第１圧力センサ８ａも、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を検出しうる。

第２圧力センサ８ｂは、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分に設けられていてもよい。第２圧力センサ８ｂは、バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも下流側の部分に設けられていてもよい。バイパス流路１６におけるバイパス弁５よりも下流側の部分に設けられた第２圧力センサ８ｂも、第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を検出しうる。

ランキンサイクル装置５０は、第１温度センサ９ａ、第２温度センサ９ｂ、第３温度センサ９ｃ及び第４温度センサ９ｄをさらに備えている。

第１温度センサ９ａは、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分における作動流体の温度を検出する。本実施の形態では、第１温度センサ９ａは、この部分に設けられている。第１温度センサ９ａは、膨張機３の入口における作動流体の温度を検出しうる。

第２温度センサ９ｂは、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分における作動流体の温度を検出する。本実施の形態では、第２温度センサ９ｂは、この部分に設けられている。第２温度センサ９ｂは、凝縮器４の出口における作動流体の温度を検出しうる。

第３温度センサ９ｃは、凝縮器４に供給されるべき冷却媒体の温度、即ち、外気温度を検出する。本実施の形態では、第３温度センサ９ｃは、凝縮器４における冷却媒体（空気）の吸い込み部に配置されている。

第４温度センサ９ｄは、蒸発器２に供給されるべき加熱媒体Ｇの温度を検出する。本実施の形態では、第４温度センサ９ｄは、蒸発器２における加熱媒体Ｇの吸い込み部に配置されている。言い換えれば、第４温度センサ９ｄは、熱流路４０に配置されており、熱流路４０において、蒸発器２よりも上流側に位置している。

ランキンサイクル装置５０は、制御装置２０をさらに備えている。制御装置２０は、各センサから取得した信号に基づき、ポンプ１、膨張機３、発電機１８、ファン７、バイパス弁５などの制御対象を制御する。

［１－２．動作］
図２は、作動流体回路１４における作動流体の状態を示すモリエル線図である。ランキンサイクル装置５０が定常運転を行っているとき、作動流体の状態は、図２に示すモリエル線図に沿って変化する。

図２において、横軸は、エンタルピである。縦軸は、圧力である。一点鎖線Ｌ１は、飽和液線である。二点鎖線Ｌ２は、飽和蒸気線である。

矢印ＰＵＭは、ポンプ１による昇圧を表す。矢印ＲＨ１は、再熱器６による加熱を表す。矢印ＥＶは、蒸発器２による加熱を表す。矢印ＥＸは、膨張機３による膨張を表す。矢印ＲＨ２は、再熱器６による冷却を表す。矢印ＣＯＮは、凝縮器４による冷却を表す。これらの矢印が表す作用によって、作動流体の状態は、状態（１）、状態（２）、状態（３）、状態（４）、状態（５）及び状態（６）の順に変化する。

状態（１）は、循環流路１５における凝縮器４よりも下流側かつポンプ１よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（１）は、過冷却液の状態である。ブロック矢印ＳＣは、作動流体の過冷却度を模式的に表している。状態（１）は、状態（６）に比べ、エンタルピが低い。

状態（２）は、循環流路１５におけるポンプ１よりも下流側かつ再熱器６の第１部分６ａよりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（２）は、過冷却液の状態である。状態（２）は、状態（１）に比べ、圧力が高い。

状態（３）は、循環流路１５における再熱器６の第１部分６ａよりも下流側かつ蒸発器２よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（３）は、過冷却液の状態である。状態（３）は、状態（２）に比べ、エンタルピが高い。ただし、再熱器６における熱交換量が更に増加すると、状態（３）は、飽和液線Ｌ１の右側に移る、即ち、気液２相状態になることもありうる。

状態（４）は、循環流路１５における蒸発器２よりも下流側かつ膨張機３よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（４）は、過熱蒸気の状態である。ブロック矢印ＳＨは、作動流体の過熱度を模式的に表している。状態（４）は、状態（３）に比べ、エンタルピが高い。

状態（５）は、循環流路１５における膨張機３よりも下流側かつ再熱器６の第２部分６ｂよりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（５）は、過熱蒸気の状態である。状態（５）は、状態（４）に比べ、圧力及びエンタルピが低い。

状態（６）は、循環流路１５における再熱器６の第２部分６ｂよりも下流側かつ凝縮器４よりも上流側の部分における作動流体の状態である。状態（６）は、気液２相の状態である。ただし、再熱器６における熱交換量が更に減少すると、状態（６）は、飽和蒸気線Ｌ２の右側、即ち、過熱蒸気の状態になることもありうる。状態（６）は、状態（５）に比べ、圧力が低い。

状態（２）、状態（３）及び状態（４）は、第１流路１５ａにおける作動流体の状態であり、相対的に高圧の状態である。状態（５）、状態（６）及び状態（１）は、第２流路１５ｂにおける作動流体の状態であり、相対的に低圧の状態である。ブロック矢印ＰＤは、第１流路１５ａにおける作動流体と第２流路１５ｂにおける作動流体との圧力差を表す。以下、第１流路１５ａにおける作動流体の圧力を、高圧ＰＨと称することがある。第２流路１５ｂにおける作動流体の圧力を、低圧ＰＬと称することがある。高圧ＰＨと低圧ＰＬの圧力差を、圧力差ＰＤと称することがある。

上述の通り、本実施の形態では、ランキンサイクル装置５０の構成要素が、制御装置２０によって制御される。具体的には、制御装置２０は、起動制御、通常制御、停止制御、及び出力最大化制御を行う。起動制御は、ランキンサイクル装置５０を起動させるための制御である。通常制御は、ランキンサイクル装置５０のサイクルの安定時に行われる制御である。通常制御は、出力最大化制御を含む。出力最大化制御は、発電機１８の発電出力を最大化するための制御である。停止制御は、ランキンサイクル装置５０を停止させるための制御である。

以下、制御装置２０が行う制御について、図３及び表１から表５を参照しながら説明する。以下の説明では、各アクチュエータの起動制御における目標回転数を初期目標回転数と称することがある。

図３は、ランキンサイクル装置５０の基本制御を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御装置２０は、ランキンサイクル装置５０に運転信号が入力されたか否かを判断する。運転信号が入力されている場合、ステップＳ２に進む。運転信号が入力されていない場合、再度ステップＳ１が行われる。

ステップＳ２において、制御装置２０は、ファン７を所定回転数で所定時間だけ運転する。

ステップＳ２の後、ステップＳ３において、制御装置２０は、第３温度センサ９ｃの検出値Ｔｃを取得する。検出値Ｔｃは、外気温度Ｔａｉｒに対応する。

ステップＳ３の後、ステップＳ４において、制御装置２０は、各アクチュエータの初期目標回転数を設定する。

具体的には、制御装置２０には、表１に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、ポンプ１の初期目標回転数Ｒｐ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置２０は、このテーブルデータから、外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｐ０を選択する。

また、制御装置２０には、表２に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、ファン７の初期目標回転数Ｒｆ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置２０は、このテーブルデータから、外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｆ０を選択する。

また、制御装置２０には、表３に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、膨張機３の初期目標回転数Ｒｅ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置２０は、このテーブルデータから、外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた初期目標回転数Ｒｅ０を選択する。

ステップＳ４の後、ステップＳ５において、制御装置２０は、ランキンサイクル装置５０の起動制御を実行する。

起動制御において、制御装置２０は、バイパス弁５の開度を小さくする。具体的には、制御装置２０は、バイパス弁５の開度を全開（１００％）から全閉（０％）まで、徐々に変更する。

起動制御において、制御装置２０は、ポンプ１の回転数を、ゼロから初期目標回転数Ｒｐ０へと制御する。具体的には、制御装置２０は、ポンプ１の回転数を、徐々に上昇させる。初期目標回転数Ｒｐ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。

起動制御において、制御装置２０は、膨張機３の回転数を、ゼロから初期目標回転数Ｒｅ０へと制御する。具体的には、制御装置２０は、膨張機３の回転数を、徐々に上昇させる。初期目標回転数Ｒｅ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。

起動制御において、制御装置２０は、ファン７の回転数を、ゼロから初期目標回転数Ｒｆ０へと制御する。具体的には、制御装置２０は、ポンプ１の回転数を初期目標回転数Ｒｐ０に到達させ、ファン７の回転数を初期目標回転数Ｒｆ０に到達させる。また、制御装置２０は、膨張機３の回転数を初期目標回転数Ｒｅ０に到達させる。初期目標回転数Ｒｆ０は、ステップＳ４で設定された値であり、具体的にはステップＳ４で選択された値である。

制御装置２０は、バイパス弁５の開度の制御が完了し、かつ、ポンプ１、ファン７及び膨張機３の回転数が初期目標値に達すると、起動制御を終了させる。

起動制御の終了後、ステップＳ６において、制御装置２０は、通常制御を実行する。

通常制御において、制御装置２０は、バイパス弁５の開度を、起動制御で小さくした値に維持する。具体的には、制御装置２０は、バイパス弁５の開度を全閉に維持する。

通常制御において、制御装置２０は、第１温度センサ９ａの検出値Ｔａを取得する。先の説明から理解されるように、検出値Ｔａから、膨張機３の入口における作動流体の温度を検出できる。

通常制御において、制御装置２０は、検出値Ｔａが所定の目標値となるように、ポンプ１の回転数を制御する。

通常制御において、制御装置２０は、第１圧力センサ８ａの検出値を取得する。この検出値から、膨張機３の入口における作動流体の圧力（入口圧力）を検出できる。

通常制御において、制御装置２０は、第２圧力センサ８ｂの検出値を取得する。この検出値から、膨張機３の出口における作動流体の圧力（出口圧力）を検出できる。

通常制御において、制御装置２０は、第１圧力センサ８ａの検出値から第２圧力センサ８ｂの検出値を差し引いた差分を計算する。以下では、この差分を、圧力差ΔＰ１と称することがある。圧力差ΔＰ１から、高圧と低圧との圧力差ＰＤを把握できる。

通常制御において、制御装置２０は、膨張機３の目標圧力差ΔＰ０を設定する。

具体的には、制御装置２０には、表４に示すテーブルデータが格納されている。このテーブルデータでは、膨張機３の目標圧力差ΔＰ０と外気温度Ｔａｉｒとが対応付けられている。制御装置２０は、このテーブルデータから、外気温度Ｔａｉｒに対応付けられた目標圧力差ΔＰ０を選択する。例えば、第３温度センサ９ｃの検出値Ｔｃが２５℃のとき、対応する目標圧力差ΔＰ０は１．３ＭＰａである。

通常制御において、制御装置２０は、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０に追従するように、膨張機３の回転数を制御する。具体的には、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０よりも大きい場合、膨張機３の回転数を増加させる。制御装置２０は、圧力差ΔＰ１が目標圧力差ΔＰ０よりも小さい場合、膨張機３の回転数を減少させる。

ステップＳ７において、制御装置２０は、ランキンサイクル装置５０に停止信号が入力されたか否かを判断する。停止信号が入力されている場合、ステップＳ８に進む。停止信号が入力されていない場合、再度ステップＳ７が行われる。

ステップ８において、制御装置２０は、各アクチュエータを停止させる。こうして、制御装置２０は、ランキンサイクル装置５０を停止させる。

次に、図４を参照して制御装置２０が実行する出力最大化制御について説明する。図４は、出力最大化制御を示すフローチャートである。

ステップＳＳ１において、制御装置２０は、ランキンサイクル装置５０が通常制御状態にあるか否かを判断する。即ち、制御装置２０は、各アクチュエータが予め設定された目標値に制御された状態にあるか否かを判断する。通常制御状態にある場合、ステップＳＳ２に進む。通常制御状態にない場合、再度ステップＳＳ１が行われる。

ステップＳＳ２では、通常制御状態における出力検出器１９の検出値を発電出力Ｗ０として制御装置２０のメモリに記憶する。この時点の膨張機３の目標圧力差はΔＰ０で表される。目標圧力差は、膨張機３の入口圧力と膨張機３の出口圧力との差の目標値である。

ステップＳＳ３では、膨張機３の目標圧力差を直近の目標圧力差ΔＰ０から所定値αだけ増加させる。ステップＳＳ３での目標圧力差の増加は、暫定的である。

所定値αは、作動流体の種類、加熱媒体Ｇの温度などに応じて定められる。所定値αは、定数であってもよく、変数であってもよい。一例において、所定値αは、０．１ＭＰａである。一例において、所定値αは、直近の目標圧力差ΔＰ０の１０％の値である。

ステップＳＳ４では、膨張機３の圧力差が目標圧力差（ΔＰ０＋α）に収斂するように膨張機３の回転数が制御される。

ステップＳＳ５では、目標圧力差をΔＰ０から（ΔＰ０＋α）に変更後のサイクル状態が安定しているか否かを判断する。判断基準は、例えば、目標圧力差（ΔＰ０＋α）と実際の圧力差との偏差である。偏差が閾値圧力未満のとき、サイクル状態が安定しているものと判断する。偏差が閾値圧力以上のとき、サイクル状態が安定していないものと判断する。実際の圧力差は、第１圧力センサ８ａの検出値と第２圧力センサ８ｂの検出値との差分である。また、判断基準は、目標圧力差を暫定的に変更した時点からの経過時間であってもよい。経過時間が閾値時間未満のとき、サイクル状態が安定していないものと判断する。経過時間が閾値時間以上のとき、サイクル状態が安定であるものと判断する。サイクル状態が安定している場合、ステップＳＳ６に移行する。サイクル状態が安定していない場合、ステップＳＳ５の処理を繰り返す。

ステップＳＳ６では、目標圧力差（ΔＰ０＋α）における出力検出器１９の検出値を発電出力Ｗ１として制御装置２０のメモリに記憶する。

ステップＳＳ７では、膨張機３の目標圧力差を直近の目標圧力差ΔＰ０から所定値αだけ減少させる。ステップＳＳ７で設定される目標圧力差（ΔＰ０－α）は、ステップＳＳ３において設定された目標圧力差（ΔＰ０＋α）よりも２α小さい。ステップＳＳ３での目標圧力差の増加と同様、ステップＳＳ７での目標圧力差の減少も暫定的である。

ステップＳＳ８では、膨張機３の圧力差が目標圧力差（ΔＰ０－α）に収斂するように膨張機３の回転数が制御される。

ステップＳＳ９では、目標圧力差を（ΔＰ０＋α）から（ΔＰ０－α）に変更後のサイクル状態が安定しているか否かを判断する。判断基準は、ステップＳＳ５と同様、目標圧力差と実際の圧力差との偏差であってもよく、目標圧力差を一時的に変更した時点からの経過時間であってもよい。サイクル状態が安定している場合、ステップＳＳ１０に移行する。サイクル状態が安定していない場合、ステップＳＳ９の処理を繰り返す。

ステップＳＳ１０では、目標圧力差（ΔＰ０－α）における出力検出器１９の検出値を発電出力Ｗ２として制御装置２０のメモリに記憶する。

ステップＳＳ３からステップＳＳ６の処理は、ステップＳＳ７からステップＳＳ１０の処理と入れ替わってもよい。

ステップＳＳ１１では、直近の目標圧力差ΔＰ０における発電出力Ｗ０、暫定的な目標圧力差（ΔＰ０＋α）における発電出力Ｗ１、及び、暫定的な目標圧力差（ΔＰ０－α）における発電出力Ｗ２の中から最大の発電出力を特定する。特定した発電出力に対応する目標圧力差を新たな目標圧力差として設定する。新たな目標圧力差は、ΔＰ０、（ΔＰ０＋α）又は（ΔＰ０－α）である。

ステップＳＳ１１によれば、制御装置２０は、発電出力が最大となる特定の目標圧力差を新たな目標圧力差として設定しうる。これにより、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力を最大化することができる。

制御装置２０は、ステップＳＳ１からステップＳＳ１１の処理を定期的に実行する。言い換えれば、制御装置２０は、出力最大化制御を実行して目標圧力差を定期的に更新する。これにより、外気温度、加熱媒体Ｇの温度、及び、加熱媒体Ｇの流量が変化したとしても、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力が最大となるように膨張機３の回転数を速やかに制御することができる。

制御装置２０は、ステップＳＳ３において、目標圧力差を直近の目標圧力差ΔＰ０から所定値αだけ増加させるとともに、ステップＳＳ７において、目標圧力差を直近の目標圧力差ΔＰ０から所定値αだけ減少させる。目標圧力差を増加させたときに発電出力が増加する場合と、目標圧力差を減少させたときに発電出力が増加する場合とが想定される。そのため、目標圧力差を増加させる処理と目標圧力差を減少させる処理との両方を実行することによって、発電出力を確実に最大化させることができる。

ステップＳＳ６において、暫定の目標圧力差（ΔＰ０＋α）における発電出力Ｗ１が、直近の目標圧力差ΔＰ０における発電出力Ｗ０よりも大きい場合、ステップＳＳ７からステップＳＳ９の処理を省略してもよい。暫定の目標圧力差（ΔＰ０＋α）を最適な目標圧力差として設定することで、速やかに発電出力を最大化することができる。

図４のフローチャートによれば、制御装置２０は、発電出力が最大化されるように、膨張機３の入口圧力と出口圧力との圧力差を制御する。入口圧力と出口圧力との圧力差を目標値として制御することによって、モリエル線図上におけるサイクルの形状が保たれやすい。そのため、ポンプ１、膨張機３などの駆動部において、大きい負荷変動が生じにくい。その結果、システムの信頼性が向上する。圧力差を制御することによって、発電出力も最大化されうる。即ち、本実施の形態によれば、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立することができる。

ステップＳＳ３、ステップＳＳ７及びステップＳＳ１１の説明から理解できるように、制御装置２０は、目標圧力差を直近の目標圧力差ΔＰ０から所定値αだけ変化させたときの発電出力の変化に応じて目標圧力差を更新する。膨張機３の目標圧力差を逐次的に更新するので、外気温度、熱源温度などの条件が変化しても、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力を最大化することができる。

ステップＳＳ１の処理によれば、膨張機３の回転数が目標回転数に調節された状態にランキンサイクル装置５０があるとき、制御装置２０は、ステップＳＳ２からステップＳＳ１１に従って、発電出力を最大化するための制御を実行する。これにより、システムが不安定な過渡期を避けて、発電出力を確実に最大化することができる。

本実施の形態によれば、第１圧力センサ８ａ及び第２圧力センサ８ｂによって検出された圧力差が目標圧力差よりも大きい場合には膨張機３の回転数を増加させる。膨張機３の回転数を増加させると、高圧が低下して圧力差が減少する。第１圧力センサ８ａ及び第２圧力センサ８ｂによって検出された圧力差が目標圧力差よりも小さい場合には膨張機３の回転数を減少させる。膨張機３の回転数を減少させると、高圧が上昇して圧力差が拡大する。このようにすれば、検出した圧力差が速やかに目標圧力差に収斂するので、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立させるのに有利である。

本実施の形態において、ステップＳＳ３における所定値は、ステップＳＳ７における所定値に等しい。ただし、ステップＳＳ３における所定値は、ステップＳＳ７における所定値と異なっていてもよい。言い換えれば、膨張機３の目標圧力差を直近の目標圧力差から暫定的に増加させるときに使用される所定値は、膨張機３の目標圧力差を直近の目標圧力差から暫定的に減少させるときに使用される所定値と異なっていてもよい。

制御装置２０において設定されるべき膨張機３の目標圧力差には、上限値及び下限値が設けられていてもよい。

[１－３．効果等]
以上のように、本実施の形態において、ランキンサイクル装置５０は、発電出力が最大化されるように、膨張機３の入口圧力と膨張機３の出口圧力との圧力差を制御する制御装置２０を備えている。これにより、モリエル線図上におけるサイクルの形状が保たれやすい。そのため、ポンプ１、膨張機３などの駆動部において、大きい負荷変動が生じにくい。その結果、システムの信頼性が向上する。圧力差を制御することによって、発電出力も最大化されうる。即ち、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立することができる。

また、本実施の形態において、制御装置２０は、目標圧力差を直近の目標圧力差から所定値だけ変化させたときの発電出力の変化に応じて目標圧力差を更新してもよい。膨張機３の目標圧力差を逐次的に更新するので、外気温度、熱源温度などの条件が変化しても、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力を最大化することができる。

また、本実施の形態において、制御装置２０は、発電出力が最大となる特定の目標圧力差を新たな目標圧力差として設定してもよい。これにより、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力を最大化することができる。

また、本実施の形態において、制御装置２０は、目標圧力差を直近の目標圧力差から所定値だけ増加及び減少させてもよい。目標圧力差を増加させる処理と目標圧力差を減少させる処理との両方を実行することによって、発電出力を確実に最大化させることができる。

また、本実施の形態において、膨張機３の回転数が目標回転数に調節された状態にランキンサイクル装置５０があるとき、制御装置２０は、発電出力を最大化するための制御を実行してもよい。これにより、システムが不安定な過渡期を避けて、発電出力を確実に最大化することができる。

また、本実施の形態において、制御装置２０は、目標圧力差を定期的に更新してもよい。これにより、外気温度、加熱媒体の温度、及び、加熱媒体の流量が変化したとしても、システムの信頼性を維持しつつ、発電出力が最大となるように膨張機３の回転数を速やかに制御することができる。

また、本実施の形態において、第１圧力センサ８ａ及び第２圧力センサ８ｂによって検出された圧力差が目標圧力差よりも大きい場合には膨張機３の回転数を増加させてもよい。第１圧力センサ８ａ及び第２圧力センサ８ｂによって検出された圧力差が目標圧力差よりも小さい場合には膨張機３の回転数を減少させてもよい。これにより、検出した圧力差が速やかに目標圧力差に収斂するので、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立させるのに有利である。

本開示のランキンサイクル装置５０の運転方法は、膨張機３の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出することと、膨張機３の出口における作動流体の圧力である出口圧力を検出することと、膨張機３に接続された発電機１８の発電出力を検出することと、発電出力が最大化されるように、入口圧力と出口圧力との圧力差を制御することと、を含む。これにより、システムの信頼性の向上と発電出力の最大化とを両立することができる。

（他の実施の形態）
バイパス弁５は、電磁弁のような開閉弁であってもよい。開閉弁は、開度が０％および１００％の２値のいずれかに設定される弁を指す。

バイパス弁５として、電動ボールバルブを採用可能である。電動ボールバルブは、弁の部分と弁前後の配管とで流路断面積の変化が小さい。このため、電動ボールバルブによれば、作動流体を循環させる際の流路抵抗を小さくすることができる。

ランキンサイクルの状態変化は、図２に示す態様のものに限定されない。図２では、配管における圧力損失、配管における放熱損失などの各種の損失が無視されている。現実には、モリエル線図はこれらが反映された形状をとる。

表１から表４の外気温度の区間の分割の仕方は、一例に過ぎず、本開示を限定するものではない。表１から表４の数値は、ポンプ１、ファン７及び膨張機３の仕様によって変化しうる。

表１から表４のＲｐ０、Ｒｆ０、Ｒｅ０及びΔＰ０を、外気温度及び別のパラメータに依存させることも可能である。別のパラメータの例は、蒸発器２に流入する加熱媒体Ｇの温度の検出値である。この検出値は、第４温度センサ９ｄによって得られる。Ｒｐ０、Ｒｆ０、Ｒｅ０及びΔＰ０を第４温度センサ９ｄの検出値に応じて細かく設定することにより、ランキンサイクル装置５０の運転効率が向上しうる。

ランキンサイクルにおけるエンタルピの変化幅が適切となるように蒸発器２を構成することは必須ではない。そのように蒸発器２が構成されていない場合であっても、ランキンサイクルにおける圧力の変化幅が適切となるようにランキンサイクル装置５０を制御することによって、ランキンサイクルが安定するという効果が得られる。

ランキンサイクル装置が、図示した要素の全てを有していることは必須ではない。例えば、バイパス弁５及び／又は再熱器６は省略可能である。

本開示に係る技術は、蒸発器が加熱媒体に直接接触する直接接触型ランキンサイクル装置、及び、蒸発器と加熱媒体との間に水冷媒回路などの別のサイクルを有するバイナリ式ランキンサイクル装置に適用できる。

１ ポンプ
２ 蒸発器
３ 膨張機
４ 凝縮器
５ バイパス弁
６ 再熱器
６ａ 第１部分
６ｂ 第２部分
７ ファン
８ａ 第１圧力センサ
８ｂ 第２圧力センサ
９ａ 第１温度センサ
９ｂ 第２温度センサ
９ｃ 第３温度センサ
９ｄ 第４温度センサ
１４ 作動流体回路
１５ 循環流路
１５ａ 第１流路
１５ｂ 第２流路
１６ バイパス流路
１８ 発電機
１９ 出力検出器
２０ 制御装置
３０ 熱源
４０ 熱流路
５０ ランキンサイクル装置
１００ 熱発電システム
Ｇ 加熱媒体

Claims (8)

1. ポンプ、蒸発器、膨張機及び凝縮器を含む作動流体回路と、
   前記膨張機に接続された発電機と、
   前記膨張機の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出する第１圧力センサと、
   前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力である出口圧力を検出する第２圧力センサと、
   前記発電機の発電出力を検出する出力検出器と、
   前記発電出力が最大化されるように、前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、目標圧力差を直近の目標圧力差から所定値だけ変化させたときの前記発電出力の変化に応じて前記目標圧力差を更新する、ランキンサイクル装置。
2. 前記制御装置は、前記発電出力が最大となる特定の目標圧力差を新たな目標圧力差として設定する、
   請求項１に記載のランキンサイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記目標圧力差を前記直近の目標圧力差から前記所定値だけ増加及び減少させる、
   請求項１又は２に記載のランキンサイクル装置。
4. 前記膨張機の回転数が目標回転数に調節された状態に前記ランキンサイクル装置があるとき、前記制御装置は、前記発電出力を最大化するための制御を実行する、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
5. 前記制御装置は、前記目標圧力差を定期的に更新する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
6. 前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサによって検出された前記圧力差が目標圧力差よりも大きい場合には前記膨張機の回転数を増加させ、
   前記第１圧力センサ及び前記第２圧力センサによって検出された前記圧力差が前記目標圧力差よりも小さい場合には前記膨張機の回転数を減少させる、
   請求項１から５のいずれか１項に記載のランキンサイクル装置。
7. 前記制御装置は、前記直近の目標圧力差における発電出力と、前記目標圧力差を前記直近の目標圧力差から前記所定値だけ増加させたときの発電出力と、前記目標圧力差を前記直近の目標圧力差から前記所定値だけ減少させたときの発電出力とから最大の発電出力を特定し、特定した発電出力に対応する目標圧力差を新たな目標圧力差として設定する、
   請求項１に記載のランキンサイクル装置。
8. 膨張機の入口における作動流体の圧力である入口圧力を検出することと、
   前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力である出口圧力を検出することと、
   前記膨張機に接続された発電機の発電出力を検出することと、
   前記発電出力が最大化されるように、前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差を制御することと、
   を含み、
   前記圧力差を制御するとき、目標圧力差を直近の目標圧力差から所定値だけ変化させたときの前記発電出力の変化に応じて前記目標圧力差を更新する、ランキンサイクル装置の運転方法。

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