JPH0633766B2

JPH0633766B2 - 動力装置

Info

Publication number: JPH0633766B2
Application number: JP59004509A
Authority: JP
Inventors: 泰發中本; 俊郎寺山; 幹男高柳
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-01-13
Filing date: 1984-01-13
Publication date: 1994-05-02
Anticipated expiration: 2009-05-02
Also published as: JPS60147577A; US4593527A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は動力装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

動力装置の一例は、海洋温度差エネルギー変換（Ocean
Thermal Energy Conversion。以下ＯＴＥＣと略す。）
装置である。ＯＴＥＣ装置は、太陽によって暖められた
海洋の表層の温海水（例えば、２５〜３０℃前後）と深
さ数百メートルから１０００ｍ程度の深層冷海水（５〜
７℃程度）とをそれぞれ高温熱源および低温熱源として
利用し、これらの間の約２０℃の温度差でランキンサイ
クルを動作させ、流体タービンによって動力を得る装置
である。

この種の装置の高温熱源は、太陽に依存しているため、
赤道近傍の海域では、表層の海水温度が高くしかもその
季節的変動が小さいため理想的であるが、我国を含む高
緯度地域では表層海水温度の季節的変動が大きく、冬期
には著しく低温となってしまうため、タービンの出力が
著しく低下する。例えば、僅か１℃の低下によって、タ
ービン出力が50％低下する程である。このため、我国の
近海におけるＯＴＥＣ装置は、相当立地条件に恵まれた
場所であっても、夏期を中心とする数ケ月しか運転でき
ず、設備の稼働率が低く、経済性が良くなかった。

〔発明の目的〕

本発明はこのような問題を解決すべくなされたものであ
って、熱源の温度が低下しても、その温度条件において
最高の効率で動力を発生することができ、従って温度の
季節的変動が大きい場合にも、稼動率が高く、経済性の
良好な動力装置を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明の動力装置は、蒸発器に供給される高温熱源の温
度が低下したとき、その低下した温度に応じた最適蒸発
圧力または最適蒸発温度を求め、この求められた値に基
いて動作流体の蒸発を制御するものである。

〔発明の実施例〕

以下本発明をＯＴＥＣ装置に適用した一実施例について
説明する。

第１図において、海洋表層の温海水ＷＷは温水取水管６
を通って汲み上げられ、蒸発器２でタービン動作流体、
例えばフレオンＷＦに熱を与えて蒸発させた後、混合排
水管８から排出される。一方、海洋深層の冷海水ＣＷ
は、冷水取水管７を通して汲み上げられ、凝縮器３でタ
ービン動作流体ＷＦから熱を奪って凝縮させた後、混合
排水管８から排出される。尚上記のように、混合排水管
８を設ける代りに、温海水ＷＷおよび冷海水ＣＷの各々
に対し、別個の排水管を設けることとしてもよい。

タービン動作流体ＷＦは蒸発器２で温海水ＷＷにより加
熱されて蒸発、気化し、発電機９を駆動する流体タービ
ン１で膨張して仕事をし、凝縮器３で冷海水ＣＷに熱を
与え凝縮、液化した後、動作流体供給ポンプ４で昇圧さ
れ、再び蒸発器２に導びかれる。このように、図示の例
では、動作流体は閉回路を循環する。

上記のような動力装置で、仮に従来の如く、温海水の温
度が設計値より低下しても、蒸発器２における蒸発圧力
を一定として設計点のままで運転することとすれば、温
海水の温度と蒸発温度（蒸発圧力の飽和温度）との温度
差が小さくなるので、蒸発器２における交換熱量が大幅
に減少し（この減少の度合は温度差の減少の度合よりも
大きい）、これに伴い動作流体の蒸発量が減少する。従
って、流体タービン１に流入する動作流体の流量が少な
くなり、液体タービン１は部分負荷運転の状態となる。
この状態では、加減弁13が絞り込まれてタービンノズル
14の入口圧力が流量に比例して低下し、結果的に流体タ
ービン１で取り得る断熱熱落差が減少する。流体タービ
ン１の発生出力は、基本的に流量と熱落差との積に比例
するため、上記のようにその両者が同時に小さくなる
と、タービン１の出力が著しく小さくなる。このため、
本質的に利用し得る温度差が小さいＯＴＥＣ装置では、
既に述べたように、温海水の１℃の低下により出力が５
０％低下する程である。

そこで本発明においては、温海水の温度が低下した場合
には、その低下した温度に対して最適の蒸発圧力（また
は、これに対応する蒸発温度）を決定し、この決定した
値に基いて蒸発器２における蒸発を制御する。

ここで最適蒸発温度（およびこれに対応する最適蒸発圧
力）とは、温海水温度の低下による、流体タービン１の
出力低下を最少限にとどめる値である。これは、タービ
ンバイパス弁17が開かない範囲における、最大流量の蒸
気を発生するための最低の蒸発圧力または温度であるこ
とが発明者らによって明らかとなった。これらの最適値
を如何にして決定するかが重要な問題であるが、本実施
例では、以下のようにしている。

即ち、実際の温海水温度の設計温度からの低下量△ｔ_1w
に対して、蒸発温度を設計値から低下させるべき量△ｔ
_ｅを下式によって求める。

△ｔ_ｅ＝Ｃ・△ｔ_1w ・・・・・・(1) ここでＣは、変圧係数と称されるもので、温海水温度、
冷海水温度のほか、蒸発器２、流体タービン１、加減弁
13、タービンノズル14、凝縮器３などの機器の特性に依
存するものである。尚、蒸発器２が過熱器を備えている
かどうかには無関係しない。

たとえば固定式ノズルの場合において、最適な変圧係数
Ｃを表わす近似式は次のごとく誘導される。

ある運転状態にある蒸発器には次の関係がなりたつ。

ただしここに、ｔ_1w：蒸発器入口の温海水温度（運転点）ｔ_2w：蒸発器出口の温海水温度（運転点）ｔ_ｅ：動作流体の蒸発温度（運転点）Ｋ_ｅ：蒸発器の熱貫流率Ａ_ｅ：蒸発器の伝熱面積Ｇ_ｗ：温海水流量Ｃ_pw：温海水の定圧比熱また、動作流体の蒸発量は次式により求められる。

Ｇ_ｓ＝α・（ｔ_1w−ｔ_2w）・・・・・(3) ただしここに、Ｇ_ｓ：動作流体の蒸発量ｈ_ｅ：動作流体の蒸発エンタルピ（運転点）ｈ_ｃ：動作流体の凝縮エンタルピ（運転点）一方、変圧係数Ｃは次式で定義される。

ここに、ｔ_ed：動作流体の蒸発温度（設計点）ｔ_1wd：蒸発器入口の温海水温度（設計点） (4)式よりｔ_ｅ＝ｔ_ed＋Ｃ・（ｔ_1w−ｔ_1wd）・・・・・(5) (2)式より (5)式、(6)式、(3)式よりただしＥ＝ｔ_1wd−ｔ_1w Ｆ＝ｔ_1w−ｔ_ed 一方、製作されたタービンに流入しうる蒸気量は次式に
より決定される。

ここに、Ｇ_ｔ：タービンノズル通過蒸気量 φ：タービンの流量特性係数Ｐ_Ｂ：タービンノズル入口圧力ｔ_Ｂ：タービンノズル入口温度Ｐ_３：タービン排気圧力蒸発した全量をタービンに流入させうるよう、変圧係数
Ｃを求める。

ただし、近似的に次の仮定をおくものとする。

ｔ_Ｂ＝ｔ_ｅ・・・・・・・・・（９）Ｐ_Ｂ＝Ｐ_ｅ・・・・・・・・・（10）Ｐ_３＝Ｐ_ｃ・・・・・・・・・（11）ここに、Ｐ_ｅ：動作流体の蒸発圧力（運転点）Ｐ_ｃ：動作流体の凝縮圧力（運転点）また、飽和圧力と飽和温度の相関を１次式にて近似する
こととする。すなわち、Ｈ，ｂを定数として次の関係で
表わすこととする。

Ｐ_ｅ＝Ｈ・ｔ_e＋ｂ・・・・・・・(12) Ｐ_ｃ＝Ｈ・ｔ_c＋ｂ・・・・・・・(13) ここに、ｔ_ｃ：動作流体の凝縮温度（運転点） (2)式は熱交換器の基本式であるゆえ、凝縮器に対して
も応用され、ｔ_ｃを含む次の関係がなりたつ。

ただしここにｔ_1c：凝縮器入口の冷海水温度（運転点）ｔ_2c：凝縮器出口の冷海水温度（運転点）Ｋ_ｃ：凝縮器の熱貫流率Ａ_ｃ：凝縮器の伝熱面積Ｇ_ｃ：冷海水流量Ｃ_pc：冷海水の定圧比熱凝縮器における交換熱量は蒸発器における交換熱量に比
例して変化するとの仮定のもとに(14)式を変形すると次
の関係式を得る。

ここに、ｔ_1cd：凝縮器入口の冷海水温度（設定点）ところで、海洋温度差発電システムにおいては、ａ_ｅと
ａ_ｃとはほぼ等しい値になる。したがって、(15)式は次
のように簡略近似することができる。

ｔ_ｃ＝Ｅ・Ｃ＋Ｆ＋ｔ_１ｃｄ・・・・・(16) 一方、(5)式より、ｔ_ｅ＝ｔ_ed−Ｅ・Ｃ・・・・・・・(17) (16)式を(13)式へ、(17)式を(12)式へ代入し、最終的に
(18)式へ適用する。さらに、(7)式で表わされるＧ_ｓと
(8)式で表わされるＧ_ｔとが等しいとすることにより、
Ｃを未知数とする二次方程式として次式を得る。

Ｘ・Ｃ^２＋Ｙ・Ｃ＋Ｚ＝０・・・・・・(18) ここに、 (18)式を解くことによって最適な変圧係数Ｃを理論的に
近似することができたこととなる。

従って、この式により求められた変圧係数Ｃを用いるこ
とができる。なお(19)式は、その誘導過程で示したごと
く、幾つかの仮定と近似を行なつた結果であり、実際の
適用においては、より厳密な計算をさせた方がよい場合
もあるし、更に簡略してよい場合もある。

上記のようにして、最適蒸発温度が求められた次に、こ
れに基いて最適蒸発圧力を求める。ここで蒸発圧力と蒸
発温度とは飽和関係にあるから、使用されている動作流
体について知られている式を用いれば容易に換算でき
る。

上記のように、温海水の温度の低下に応じて最適の蒸発
圧力（従って蒸発温度）で蒸発を行なわせるため、図示
の実施例では、温水の温度が温度検出器10で検出され、
その出力信号（検出温度を示す）ｔ_1wは演算器12に与え
られる。演算器12は、後に第２図を参照して詳しく説明
するようにして、最適の蒸発圧力を演算する。そして、
演算された最適蒸発圧力に基いて蒸発器２における蒸発
圧力が調整される。このため、図示の実施例では、圧力
検出器11で蒸発器２の出側圧力が検出され、演算された
最適蒸発圧力と突き合わされ、その偏差が零となるよう
圧力の調整が行なわれる。圧力の調整は種々の方法によ
ってなし得るが、図示の実施例では、動作流体供給ポン
プ４をポンプ駆動機によって可変速駆動することとし、
その速度を制御する回転数制御装置15に上記偏差を示す
補正信号△Ｐ_ｅを与えている。ポンプ駆動機５が電動機
の場合には、回転数制御装置15として位相制御されるサ
イリスタを組込んだものを用いることもでき、また、ポ
ンプ駆動機５としてトルクコンバータを組み込んだもの
を用いることもできる。

第２図は最適蒸発温度およびこれに対応する最適蒸発圧
力を演算する演算器12の一例を示したものである。温度
検出器10で検出された温海水の温度ｔ_1wを示す信号は、
変圧係数演算部20および比較部22に与えられる。

変圧係数演算部20では、与えられた温海水温度ｔ_1wおよ
び他の諸因子に基いて、例えば上記の(19)式に従い、変
圧係数Ｃを求める。ここで、第２図の例では、温海水温
度ｔ_1wのみが外部から与えられ、他の因子はすべて一定
の値であり、予め演算部20に設定されているものとして
図示しているが、必要ならば他の因子のうち時間ととも
に変化するものについては実際に検出を行な、その検
出値を使用することとしてもよい。尚動作流体の蒸発エ
ンタルピｈ_ｅは蒸発圧力（または温度）から求められる
ものであり、一方凝縮エンタルピｈ_ｃは凝縮圧力（また
は温度）から求められるものである。

比較部22では、検出された温海水温度ｔ_1wがその設計値
ｔ_1wd（例えば30℃）と突き合わされ、設計値よりも低
いときはその低下分△ｔ_1w＝ｔ_1wd−ｔ_1wを発生する。
検出値ｔ_1wが設計値ｔ_1wdと等しいとき、または検出値
ｔ_1wの方が高いときは、比較部の出力は零となる。

掛算部24では、上記の低下分△ｔ_1wと変圧係数Ｃとの積
が求められる。この積が蒸発温度の低下分の目標値（最
適値）△ｔ_ｃである。

演算部26では、蒸発温度の設計値ｔ_ed（例えば２５℃）
から上記低下分の目標値△ｔ_ｅが差し引かれ、最適蒸発
温度ｔ_e ^*が得られる。

換算部28では、最適蒸発温度ｔ_e ^*に対応する最適蒸発圧
力Ｐ_e ^*が求められる。

減算部30では、圧力検出器11で検出された圧力Ｐ_eの、
最適蒸発圧力Ｐ_e ^*に対する偏差△Ｐ_ｅが求められ、この
偏差を示す信号が補正信号として出力される。

この補正信号は、上述のように、図示の実施例では回転
数制御装置15に与えられて、ポンプの回転数制御に用い
られる。

上記のような動力装置は、温海水温度が低下した場合に
も、最適の状態で運転することができ、タービン出力の
低下が小さい。従って、タービンによって駆動される発
電機の出力の低下が小さい。このため、温海水温度が季
節的に変化する場合にも、年間を通じての送電電力量が
多くなる。

第３図はこのことを明らかにするための図で、年間の電
力出力の変化についての試算結果の一例を示すものであ
る。温海水温度の季節変化は設計点を最大値として振幅
５℃の正弦波曲線ｔ_1wを描くものと仮定している。ま
た、所内動力は発電端出力の５０％であると仮定してい
る。第３図で、破線ｚは、従来のＯＴＥＣ装置を用いた
ときの発電端出力の季節変化を示す。この曲線ｚから明
らかなように、従来のＯＴＥＣ装置では、送電出力が得
られるのは１年のうちの一部のみであり、年間を通じて
の送電電力量が、理想的な場合（年間を通じて温度の低
下が全くない場合：鎖線Ｗで示す）の２０％程度とな
る。一方、本発明に係るＯＴＥＣ装置では、曲線Ｘで示
すように、寒冷期にもある程度の（夏期より少ないが）
電力を送電することができ、年間を通じての送電電力量
が、理想的な場合の６０％程度となる。

その上、上記の実施例のように、蒸発圧力の調整を動作
流体供給ポンプ４の回転数制御によって行なった場合に
は、温海水温度の低下する時期に所内動力が小さくな
り、送電し得る電力が増加するという利点がある。一例
を挙げると、所内動力に占めるポンプ４の駆動動力の割
合は、設計点で１５％程度であり、このような駆動動力
の低減の効果は著しい。

尚、変圧係数Ｃとしては上記の実施例のように計算によ
って求めたものを用いる代りに実験によって求めたもの
を用いることとしてもよい。いずれにしても、この変圧
係数Ｃは、大幅には変らない値であり、一例をあげれ
ば、タービンノズル14が固定式ノズルの場合0.80±0.15
の範囲にあり、可変式ノズルの場合1.0±0.4の範囲内に
ある。従って、このような場合には、変圧係数Ｃとして
一定の値を用いることとしてもよい。

また、上記の実施例のように、ポンプ４を可変速駆動す
る代りに、圧力調整弁16の開度調整によって蒸発器にお
ける蒸発を調整することとしてもよい。この場合には、
演算器12の出力は、圧力調整弁の調節部（図示しない）
に加えられ、これにより圧力調整弁16が調節される。圧
力の調整はまた、タービンノズルを可変ノズルとしてそ
のノズルの面積を調整することによって行なってもよ
い。

さらに、上記の実施例のように、蒸発器２の出側におけ
る動作流体の圧力を検出する代りに、温度を検出するこ
ととしてもよい。この場合、第２図の変換部28は不要と
なり、減算部30では、圧力の偏差ではなく温度の偏差が
求められる。この偏差を示す補正信号が蒸発の調整に用
いられる。

また、本発明はＯＴＥＣ装置に限らず、高温熱源の温度
が時間とともに変化するものであれば、いかなる動力装
置にも適用できる。例えばソーラポンド（太陽池）、産
業廃熱回収装置などがこれに含まれる。蒸発器に供給さ
れる加熱流体は、液体に限らず、ガスであってもよいこ
とは言うまでもない。

また、タービンサイクルは、実施例のような閉ループの
ものでなくとも、開ループのもの（動作流体を循環させ
ない）であってもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、熱源の温度が低下して
も、その低下した温度においてタービンの出力を最大に
するように制御がなされるので、出力の低下を最少限に
留めることができる。従って、熱源の温度の季節的変化
が大きい場合にも、動力装置の稼働率が高くなり、同時
に年間を通じての出力総量が大きくなる。従って経済性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の動力装置を示す概略図、第
２図は第１図の演算器12の一例を示すブロック図、第３
図は従来の動力装置および本発明に係る動力装置の、出
力の季節的変化を示す図である。１……流体タービン、２……蒸発器、３……凝縮器、４
……動作流体供給ポンプ、５……ポンプ駆動機、６……
温海水取水管、７……冷水取水管、８……混合排水管、
９……発電機、10……温度検出器、11……圧力検出器、
12……演算器、13……加減弁、14……タービンノズル、
15……回転数制御装置、16……圧力調整弁、17……ター
ビンバイパス弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高柳幹男東京都千代田区内幸町１丁目１番６号東京芝浦電気株式会社東京事務所内 (56)参考文献特開昭56−20708（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−173512（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度が時間と共に変動する熱源からの熱を
動作流体に伝え、該動作流体を蒸発させる蒸発器と、上
記蒸発器で蒸発した動作流体を受けて駆動されるタービ
ンとを備えた動力装置において、更に、上記熱源の温度（ｔ_1w）を検出する熱源温度検出
手段と、温度（ｔ_1w）に基づいて上記熱源の設計温度（ｔ_1wd）
からの温度低下による上記タービンの出力低下を最小限
にとどめる最適蒸発圧力または最適蒸発温度を演算する
演算手段と、演算された最適蒸発圧力または最適蒸発温度に基づい
て、上記動作流体の上記蒸発器における蒸発を制御する
制御手段とを備えたことを特徴とする動力装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の動力装置にお
いて、上記演算手段が、検出された熱源温度（ｔ_1w）の熱源の設計温度
（ｔ_1wd）からの低下量（Δｔ_1w）を求める手段(22)
と、上記熱源温度（ｔ_1w）に応じた変圧係数（Ｃ）を出力す
る変圧係数出力手段(20)と、上記変圧係数（Ｃ）と上記低下量（Δｔ_1w）との積によ
り蒸発温度の低下分目標値（Δｔ_ｅ）を求める手段(24)
と、蒸発温度の設計値（ｔ_ed）から上記蒸発温度の低下分目
標値（Δｔ）を差し引いて最適蒸発温度（ｔ_ｅ ^＊）を求
める手段(26)と、上記最適蒸発温度（ｔ_ｅ ^＊）を最適蒸発圧力（Ｐ_ｅ ^＊）
に換算する換算手段(28)と、を備えることを特徴とする動力装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の動力装置にお
いて、上記制御手段が、上記蒸発器の出力側における上記動作流体の圧力または
温度を検出し、この検出された圧力または温度の、上記
演算された最適蒸発圧力または最適蒸発温度に対する偏
差に基づいて上記蒸発の制御を行うことを特徴とする動
力装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項記載の動力装置にお
いて、上記動作流体が可変速駆動されるポンプによって上記蒸
発器に送給され、該ポンプの駆動速度が上記演算された
最適蒸発圧力または最適蒸発温度に基づいて調整される
ことを特徴とする動力装置。
【請求項５】特許請求の範囲第１項記載の動力装置にお
いて、上記蒸発器に送給される上記動作流体の圧力が圧力調整
弁によって調整され、該圧力調整弁の開度が上記演算さ
れた最適蒸発圧力または最適蒸発温度に基づいて調整さ
れることを特徴とする動力装置。