WO2013027643A1 - 発電装置 - Google Patents

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WO2013027643A1
WO2013027643A1 PCT/JP2012/070791 JP2012070791W WO2013027643A1 WO 2013027643 A1 WO2013027643 A1 WO 2013027643A1 JP 2012070791 W JP2012070791 W JP 2012070791W WO 2013027643 A1 WO2013027643 A1 WO 2013027643A1
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valve
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container
air
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明翫　市郎
浩晃 柴田
義隆 川原
勇 大澤
康幹 久保田
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富士電機株式会社
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K19/00—Regenerating or otherwise treating steam exhausted from steam engine plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/02—Arrangements or modifications of condensate or air pumps
    • F01K9/023—Control thereof

Definitions

  • the present invention relates to a power generation apparatus that uses a medium having a boiling point lower than that of water as a working medium, and that includes an air removal device that removes air mixed in the working medium.
  • Patent Document 1 A power generation apparatus using a low boiling point medium that recovers heat energy from a low-temperature heat source that has not been used in geothermal power generation using a conventional steam turbine has recently attracted special attention as an energy recovery apparatus (Patent Document 1). reference).
  • Fig. 7 shows a basic system diagram of a conventional power generator using a low boiling point medium.
  • the evaporator 100 exchanges heat between a medium having a boiling point lower than that of water and a heat source, evaporates the medium, rotates the turbine 101 with the medium vapor, and rotates the generator 102 with the rotational force. Activate to get power.
  • the medium leaving the turbine is condensed by the condenser 103 and sent to the evaporator 100 again by the circulation pump 104 via the preheater 105, and the above cycle is repeated.
  • n-pentane (nC 5 H 12 ) is mainly used as a natural medium used under conditions of a geothermal heat source temperature of 130 to 140 ° C. and a cooling source temperature of 15 ° C. to 30 ° C.
  • the condenser cooling source is generally circulating cooling water or air, the temperature of the cooling source differs greatly between winter and summer. Therefore, when the condenser is designed only based on the cooling capacity required in the summer, the cooling capacity of the condenser is further enhanced when the cooling source temperature decreases in the winter.
  • Patent Documents 2 to 6 below are known as apparatuses for removing air mixed in a medium in an apparatus related to power generation.
  • Patent Document 2 discloses a device including an air extraction device for extracting air from the discharge water of a condenser in a binary power generation device that uses water instead of a low boiling point medium.
  • a working fluid obtained by mixing a high-boiling point medium and a low-boiling point medium is supplied from a steam generator 1 that heats a solution of the working fluid to generate steam, and the steam generator 1.
  • Steam turbine 2 driven by steam, condenser 3 that cools the steam discharged from the steam turbine and condenses it into a solution, and supply pump that supplies the solution supplied from condenser 3 to steam generator 1 16 is a power system provided with a power cycle circuit 10 that circulates each in the order of 16, and in the condenser 3 so that the lowest pressure that can occur in the condenser 3 in the power cycle circuit 10 is a pressure near atmospheric pressure.
  • a power system is disclosed in which the concentration of the low boiling medium of the working fluid is determined.
  • Patent Document 4 a chamber having a piston inside is provided in the upper part of the condenser, and a valve connecting the space below the piston of the chamber and the condenser and the lower part of the chamber are cooled by a coolant through a wall.
  • An apparatus comprising cooling means and a discharge valve connected to the lower part of the chamber is disclosed.
  • a sealed chamber is provided at the top of the condenser, and this chamber is provided with a movable diaphragm that divides the inside of the chamber into an upper part and a lower part, and is arranged in series between the condenser and the lower part of the chamber.
  • an apparatus including two flow control valves, a cooling means for cooling the lower part of the chamber with a coolant through a wall, and a discharge valve connected to the lower part of the chamber.
  • JP 62-26304 A Japanese Patent Laid-Open No. 2003-120513 JP 2007-262909 A US Pat. No. 5,119,635 US Patent No. 5,113,927 US Pat. No. 5,487,765
  • Patent Document 2 uses water as a medium, there is a problem that the heat source must be 100 ° C. or higher and a lower temperature heat source cannot be used.
  • Patent Document 3 since the concentration of the low boiling point medium is determined so that the minimum pressure that can occur in the condenser in winter is a pressure close to atmospheric pressure, the condenser pressure in summer increases and the power generation efficiency increases. There has been a problem of lowering.
  • Patent Documents 4, 5, and 6 disclose an apparatus for removing air from a medium, but the operation timing of the apparatus merely gives an example of periodically operating every 20 minutes. There was a problem that the air removal operation was performed more than necessary, and the amount of medium outflow increased.
  • the present invention provides a mixed air removal device that can detect air mixed in a medium flow path of a power generation device and reduce the amount of working medium discharged outside the device without stopping the power generation device. It aims at providing the provided electric power generating apparatus.
  • the present invention provides a heat exchanger for generating a medium gas by exchanging heat between a medium having a boiling point lower than that of water and a heat source, and a medium gas supplied from the heat exchanger.
  • a turbine that rotates under pressure, a generator coupled to the turbine, a condenser that cools the medium gas discharged from the turbine, and the medium discharged from the condenser to the heat exchanger
  • a power generation apparatus comprising: a circulation pump to be supplied; a medium flow path that circulates through the heat exchanger, the turbine, the condenser, and the circulation pump; and an air removal device that removes air mixed in the medium.
  • the air removal device is configured to store a gas in a medium provided on the outlet side of the condenser, a pressure gauge that measures a pressure in the gas storage unit, and a temperature in the gas storage unit. With a thermometer to measure And calculating a pressure threshold value based on the saturated vapor pressure value of the medium calculated using the temperature of the thermometer, and comparing the pressure value of the pressure gauge with the pressure threshold value into the medium.
  • a control unit that determines whether or not air is mixed, and a discharge unit that discharges the gas in the gas storage unit when it is determined that air is mixed.
  • the discharge unit when the control unit determines that air is mixed in, includes a first container in which the gas stored in the gas storage unit is transferred, and a liquid medium in the first container.
  • Medium supply means for supplying and compressing the gas, and exhausting the gas remaining in the first container after the medium supply.
  • the medium supply means may comprise a liquid medium tank for storing the liquid medium, and a liquid medium supply pump for supplying the liquid medium from the liquid medium tank into the first container.
  • the medium supply unit includes a valve provided on the outlet side of the circulation pump of the medium flow path, and a branch pipe that branches from a pipe between the circulation pump and the valve and connects the first container And the valve provided in the branch pipe, and the control unit closes the valve provided on the outlet side of the circulation pump of the medium flow path when it is determined that air is mixed, and the branch You may comprise so that control which opens the valve provided in piping may be performed.
  • the discharge means is provided in a pipe connecting the first valve provided in a pipe connecting the gas storage part and the lower part of the first container, and a pipe connecting the liquid medium supply pump and the first container.
  • the control unit determines that air is mixed, the control unit closes the second valve and the third valve, opens the first valve and the fifth valve, and allows the gas in the gas storage unit to flow.
  • the first valve and the fifth valve are closed, the second valve is opened, and the liquid medium supply pump supplies the liquid medium to the first container to compress the gas. Then, the third valve is opened with the fourth valve closed to transfer the gas in the first container to the second container, and then the third valve is closed and the fourth valve is closed. Control is performed to open the valve and discharge the gas in the second container to the outside of the second container.
  • the apparatus may further include a combustor that burns a medium remaining in the gas discharged from the second container, an air supply unit that supplies air to the combustor, and the combustor and the air.
  • a pipe connected to the supply unit may include a sixth valve, and the control unit may control the opening degree of the fourth valve and the sixth valve to adjust the flow rate.
  • control unit determines that air is mixed when the pressure value of the pressure gauge is larger than the pressure threshold value, and the pressure threshold value is calculated by adding a margin value to the saturated vapor pressure value.
  • the margin value is a preset fixed value or a proportional value obtained by multiplying the saturated vapor pressure value by a coefficient.
  • a spray nozzle for spraying the liquid medium into the first container.
  • chlorofluorocarbons such as R245fa and organic low boiling point media such as n-pentane are used.
  • the pressure threshold value obtained by adding a margin value to the saturated vapor pressure value of the medium calculated based on the temperature of the liquid phase part of the gas storage part and the pressure value of the gas phase part of the gas storage part are compared.
  • the amount of working medium discharged outside the apparatus can be reduced.
  • the fall of power generation efficiency by the air which is not condensed with a condenser mixes in a medium, and the condensation capability of a condenser falls can be prevented.
  • FIG. 5 is a diagram showing the volume ratio of n-pentane saturated in air using pressure and temperature as parameters. It is the figure which showed the volume ratio of each container of the apparatus which concerns on the Example of this invention, and the pentane accompanying rate. It is a figure which shows the structure of the electric power generating apparatus using the conventional general low boiling-point medium.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a mixed air removing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the condenser 103 in FIG. 1 corresponds to the condenser 103 in FIG.
  • the gas storage part 1 is connected to the upper part of the outlet side collector of the condenser 103, and the air mixed in the medium is recovered in the gas storage part 1 through the outlet side collector.
  • the gas reservoir 1 is provided with a thermometer 10 that measures the temperature in the gas reservoir 1 and a pressure gauge 11 that measures the pressure in the gas reservoir 1.
  • the first container 2 is connected to the gas storage unit 1 through a valve 12 by piping. Furthermore, a pipe connecting the upper part of the first container 2 and the gas storage unit 1 is installed, and a valve 16 is installed in this pipe. A pressure gauge 7, a liquid level gauge (high liquid level) 8, and a liquid level gauge (low liquid level) 9 are installed in the first container 2 in order from the top of the container.
  • the liquid medium supply pump 18 is connected to the inside of the first container 2 by piping via a liquid pentane flow meter 6 and a valve 13.
  • a spray nozzle 25 is installed at the liquid pentane outlet of the pipe.
  • the second container 3 is connected to the upper part of the first container 2 by piping through the valve 14.
  • the combustor 4 includes a combustion catalyst therein, and a lower portion of the combustor 4 is connected to the second container 3 through a valve 15 by piping.
  • the air supply means 19 is connected to the combustor 4 through a valve 17 by piping.
  • the pentane supplied from the second container 3 is mixed with the air supplied from the air supply means 19 and burned by the combustion catalyst of the combustor 4 to become exhaust gas.
  • the generated exhaust gas is released to the atmosphere.
  • the combustor 4 is provided with a heater 4a for controlling the combustion catalyst to a predetermined temperature in order to make the combustion catalyst function.
  • the combustor 4, the air supply unit 19, the valve 17, and the piping connecting them are not essential, and are not necessary when the gas discharged from the valve 15 is diluted with the atmosphere without being burned.
  • the control unit 5 is connected to the thermometer 10, the pressure gauge 11, the pressure gauge 7, the liquid level gauge (high liquid level) 8, the liquid level gauge (low liquid level) 9, and the flow meter 6 through signal lines, respectively. A signal from each device is input to the control unit 5.
  • the control unit 5 is connected to the valves 12, 13, 14, 15, 16, and 17 by electric wiring, and controls the opening and closing of each valve.
  • the circulation pump 104 is also used as the liquid medium supply pump 18, and the liquid medium tank 24 is replaced by a pipe between the condenser 103 and the circulation pump 104, A valve may be provided in the pipe, the pipe may be branched from between the valve and the circulation pump 104 and connected to the first container 2, and the valve 13 may be provided in the branch pipe.
  • the control unit 5 executes the aeration detection step S1, the medium liquefaction step S2, and the discharge step S3 in this order. After the discharge step S3 is completed, the control unit 5 returns to the aeration detection step S1.
  • the mixed air removal device may be operated at all times, but the pressure of the pressure gauge 11 has become the atmospheric pressure or lower (when the medium is n-pentane, the medium temperature is 36 ° C. or lower) after the previous operation. It is more desirable to operate it only when it is confirmed. This is because if the pressure in the medium flow path continues to be at or above atmospheric pressure, it is difficult for air to enter the medium flow path from the outside air.
  • the control unit 5 acquires a signal from the pressure gauge 11 installed in the gas phase part of the gas storage unit 1 and a signal from the thermometer 10 installed in the liquid phase part of the gas storage unit 1, and based on the temperature of the thermometer.
  • the pressure threshold value obtained by adding a margin value to the saturated vapor pressure value of the medium calculated in this way is calculated. Then, when the pressure value of the pressure gauge 11 is equal to or lower than the pressure threshold value, the measurement of the pressure value and the temperature is continued.
  • the margin value is a fixed value or a proportional value obtained by multiplying the saturated vapor pressure value of the medium calculated based on the temperature of the thermometer by a coefficient.
  • the saturated vapor pressure (Ps) at the temperature (T1) is calculated using the following formula 1.
  • Ps 0.0003 (T1) 3 +0.0159 (T1) 2 +1.1844 (T1) +24.316 (Formula 1)
  • the margin value is determined through several tests in consideration of the number and condition of joints. For example, in the case of a fixed value, it is about 10% at 1 atmosphere. In the case of a proportional value, the coefficient is set to about 0.1.
  • the medium liquefaction step S2 will be described.
  • the air-containing gas stored in the gas storage unit is transferred to the first container 2, the gas is compressed by adding a liquid medium to the first container 2, and the medium in the gas is liquefied. Reduce the amount of media.
  • the valves 12 and 16 are opened, and air-containing gas is supplied from the gas reservoir 1. Move to first container 2.
  • the detection value of the liquid level gauge (low liquid level) 9 for measuring the liquid level of the medium in the first container 2 is equal to or higher than a predetermined low liquid level threshold
  • the valves 12 and 16 are kept open.
  • the detected value of the liquid level gauge (low liquid level) 9 becomes lower than a predetermined low liquid level threshold
  • the valves 12 and 16 are closed and the first container 2 is sealed.
  • the valve 13 is opened, and the liquid medium is supplied from the liquid medium tank 24 to the first container 2 by the liquid medium supply pump 18. While the detection value of the liquid level gauge (high liquid level) 8 is equal to or lower than a predetermined high liquid level threshold, the state in which the valve 13 is opened is continued.
  • T2 T1 ⁇ [P2 / P1] (k-1) / mk (Equation 2)
  • T2 Gas temperature after compression (K)
  • T1 Gas temperature before compression (K)
  • P2 Gas pressure after compression (mPa)
  • P1 Gas pressure before compression (mPa)
  • k Specific heat ratio
  • m Number of compression stages For example, when 30 ° C. air saturated with pentane is adiabatically compressed from 101 kPa to 1 MPa, the temperature difference ( ⁇ T) is 83 ° C.
  • this temperature rise can be suppressed by injecting into the first container 2 liquid pentane that has been refined by a spray nozzle.
  • a part of n-pentane saturated with the air-containing gas can be cooled, liquefied and recovered. If spray injection is performed, the temperature in the 1st container 2 can be rapidly reduced rather than the method of injecting liquid pentane without spraying.
  • the discharging process S3 will be described.
  • the counter is initialized to zero.
  • the first container 2 and the second container 3 are communicated, and a part of the gas compressed in the first container 2 is moved to the second container 3.
  • the state in which the valve 15 is closed and the valve 14 is opened is continued for a predetermined time. Thereafter, the valve 14 is closed.
  • valve 15 When the gas discharged from the valve 15 is diluted in the atmosphere without burning, the valve 15 may be opened to release the gas to the atmosphere as it is.
  • the combustor 4 includes a ceramic honeycomb filter in which platinum fine particles are supported as a combustion catalyst. In a state where the inside of the combustor 4 is heated to 200 to 350 ° C.
  • the valve 17 and the valve 15 are opened, and gas and air are supplied to the combustor 4 to burn the medium. This state is continued for a predetermined time. Thereafter, the valve 15 and the valve 17 are closed. Thereafter, 1 is added to the counter, and when the counter is less than the predetermined number N times, the process returns as shown in FIG. If the counter is greater than or equal to the predetermined number N times, the loop is exited.
  • the number N is appropriately set according to the volume and pressure of the compressed gas in the first container 2 and the volume of the second container 3. Combustion of the gas in the combustor 4 is not essential for removing air mixed in the medium flow path from the medium flow path, but when a combustible gas medium is used, it is released as it is to the atmosphere. Can be prevented.
  • the pressure is released from the first container 2 to the gas reservoir 1 and the medium is moved. Specifically, the valve 16 and the valve 12 are opened, and the valve 16 and the valve 12 are closed after a predetermined time has elapsed. Then, the process returns to the air mixing detection step S1.
  • Equation 3 The reason why the amount of medium in the mixed gas can be reduced by compressing the mixed gas of air and medium will be described below.
  • the amount Fst of n-pentane saturated with air can be expressed by the following Equation 3.
  • Fst Fa ⁇ (Ps / (Pc ⁇ Ps)) (Equation 3)
  • Fst Standard state quantity of n-pentane saturated in air at temperature t (Nm 3 )
  • Fa Standard state quantity of air (Nm 3 )
  • Ps saturated vapor pressure of n-pentane at temperature t (kPa)
  • Pc Operating pressure (kPa)
  • FIG. 5 shows the result of calculating the volume ratio of n-pentane saturated in the air from Equation 3 using the pressure and temperature as parameters.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the volume ratio of each container of the apparatus according to the embodiment of the present invention and the pentane incident rate as an example in the case where the temperature is constant at 30 ° C.
  • C0 represents the volume of the gas reservoir 1
  • C1 represents the volume of the first container 2
  • C2 represents the volume of the second container 3.
  • the amount of n-pentane combusted in the combustor 4 is important in terms of operation management because it greatly varies depending on the ratio of the volume C1 of the first container 2 and the volume C2 of the second container 3. That is, the air accumulated and compressed in the first container 2 is saturated with n-pentane in the compressed pressure state.
  • Gas storage part 2 First container 3: Second container 4: Combustor (combustion catalyst filling) 4a: heater 5: control unit 6: flow meter of liquid pentane 7: pressure gauge of the first container 8: liquid level gauge of the first container (high liquid level) 9: Level gauge of the first container (low liquid level) 10: Thermometer in gas reservoir 11: Pressure gauge in gas reservoir 12, 13, 14, 15, 16, 17: Valve 18: Liquid medium supply pump 24: Liquid medium tank 25: Spray nozzle 19: Air supply section S1 : Air mixing detection step S2: Medium liquefaction step S3: Discharge step 100: Evaporator 101: Turbine 102: Generator 103: Condenser 104: Circulation pump 105: Preheater

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Abstract

【課題】発電装置の媒体流路に混入した空気を検出し、混入した空気を自動で除去する空気除去装置を備えた発電装置を提供する。 【解決手段】熱交換器とタービンと凝縮器とポンプを循環する媒体流路を備えているバイナリー発電装置における媒体流路に混入した空気を除去する方法であって、媒体流路に連通しているガス貯留部の圧力と温度に基づき、媒体の飽和蒸気圧と余裕値を加えた圧力閾値を演算し、気相部の圧力と圧力閾値を比較して、媒体に空気が混入したことを検知する空気混入検出工程（Ｓ１）と、媒体と空気との混合ガスを加圧して混合ガス中の媒体量を減らしたガスを作る媒体液化工程（Ｓ２）と、ガスを排出する排出工程（Ｓ３）とを順次行うことを特徴とする。

Description

発電装置
　本発明は、水よりも低沸点の媒体を作動媒体とする発電装置であって、作動媒体に混入した空気を除去する空気除去装置を備えた発電装置に関する。
　従来の蒸気タービンを用いた地熱発電で活用されてこなかった低温熱源から熱エネルギーを回収し発電する低沸点媒体を用いた発電装置は、最近エネルギー回収装置として特別に注目されている（特許文献１参照）。
　従来の低沸点媒体を用いた発電装置の基本的系統図を図７に示す。この発電装置は、蒸発器１００で水よりも低沸点の媒体と熱源との間で熱交換を行いこの媒体を蒸発させ、この媒体蒸気でタービン１０１を回転させ、その回転力で発電機１０２を作動させて電力を得る。タービンを出た媒体は凝縮器１０３で凝縮され循環ポンプ１０４で予熱器１０５を経由して再び蒸発器１００に送られ、上記のサイクルが繰り返される。
　一般に、蒸気圧が高い（すなわち、沸点が低い）媒体を使用すると蒸発器での気化は容易であるが、凝縮器での凝縮が難しくなり、逆に、蒸気圧が低い（すなわち、沸点が高い）媒体を使用すると気化が難しくなるが、凝縮が容易になる。こうした観点から、使用される媒体は、タービン入口と出口のエンタルピー差（熱落差）がなるべく大きくなる媒体が選定される。例えば、地熱熱源温度１３０～１４０℃、冷却源温度１５℃～３０℃の条件で使用される天然媒体としてはｎ－ペンタン(ｎＣ5Ｈ12)が主に利用されている。
　凝縮器の冷却源は一般に循環冷却水または大気であるので、冬と夏では冷却源の温度が大幅に異なる。そのため、凝縮器が夏季に必要とされる冷却能力に基づいてのみ設計された場合、冬季に冷却源温度が低下すると、凝縮器の冷却能力が一段と増強される。
　しかし、図４に示すように、ｎ－ペンタンの蒸気圧は３６℃以下になると１０１ｋＰａ以下になる為、冬季に凝縮器出口の温度が３６℃以下になると媒体流路は大気圧以下になる場合がある。そうなると、凝縮器本体及びその接続配管の各種の継手またはタービンの軸のメカニカルシール部分などから媒体流路へ空気が混入する可能性がある。
そこで、発電に関係する装置において媒体に混入する空気を除去する装置として、下記特許文献２から６が知られている。
　特許文献２には、低沸点媒体の代わりに水を使用するバイナリー発電装置において、復水器の排出水から空気を抽出するための空気抽出装置を備えた装置が開示されている。
　特許文献３には、高沸点媒体と低沸点媒体とを混合してなる作動流体が、当該作動流体の溶液を加熱して蒸気を発生する蒸気発生器１と、蒸気発生器１から供給された蒸気により駆動する蒸気タービン２と、蒸気タービンから排出された蒸気を冷却して溶液に復水させる復水器３と、復水器３から供給された溶液を蒸気発生器１に供給する供給ポンプ１６との順に夫々を循環する動力サイクル回路１０を備えた動力システムであって、動力サイクル回路１０における復水器３で起り得る最低圧力が大気圧近傍圧力となるように、復水器３での作動流体の低沸点媒体の濃度が決定されている動力システムが開示されている。
　特許文献４には、内部にピストンを備えたチャンバーを凝縮器の上部に備え、チャンバーのピストン下方の空間と凝縮器の間を接続するバルブと、壁を介してチャンバー下部を冷却材で冷却する冷却手段と、チャンバー下部に接続された排出バルブを備えている装置が開示されている。
　特許文献５，６には、凝縮器の上部に密閉されたチャンバーを備え、このチャンバーは、チャンバー内を上部と下部に分ける可動のダイアフラムを備え、凝縮器とチャンバー下部の間に直列に配置された２つの流量制御バルブと、壁を介してチャンバー下部を冷却材で冷却する冷却手段と、チャンバー下部に接続された排出バルブを備えている装置が開示されている。
特開昭６２－２６３０４号公報 特開２００３－１２０５１３号公報 特開２００７－２６２９０９号公報 米国特許５，１１９，６３５号公報 米国特許５，１１３，９２７号公報 米国特許５，４８７，７６５号公報
　上記特許文献２は、媒体に水を用いているために、熱源が１００℃以上でなければならず、より低温の熱源を用いることができないという課題があった。
上記特許文献３は、冬季に復水器で起こりうる最低圧力が大気圧近傍圧力になるように低沸点媒体の濃度が決定されているので、夏季の復水器の圧力が高くなり、発電効率が低下するという課題があった。
　上記特許文献４，５，６は、媒体から空気を除去する装置が開示されているが、その装置の作動タイミングは、２０分毎に定期的に作動させる例を挙げているに過ぎないため、必要以上に空気除去動作が行われて媒体の流出量が多くなるという課題があった。
上記課題を鑑み、本発明は、発電装置を停止することなしに、発電装置の媒体流路に混入した空気を検出し、装置外へ排出される作動媒体の量を低減できる混入空気除去装置を備えた発電装置を提供することを目的とする。
　前記目的を達成するために、本発明は、水よりも沸点が低い媒体と熱源との間で熱交換し媒体ガスを発生させる熱交換器と、前記熱交換器から供給される前記媒体ガスの圧力を受けて回転するタービンと、前記タービンに連結された発電機と、前記タービンから排出された前記媒体ガスを冷却する凝縮器と、前記凝縮器から排出された前記媒体を前記熱交換器に供給する循環ポンプと、前記熱交換器と前記タービンと前記凝縮器と前記循環ポンプとを循環する媒体流路と、前記媒体に混入した空気を除去する空気除去装置とを備えた発電装置において、前記空気除去装置が、前記凝縮器の出口側に設けられた媒体中のガスを貯留するガス貯留部と、前記ガス貯留部中の圧力を測定する圧力計と、前記ガス貯留部中の温度を測定する温度計とを備え、さらに、前記温度計の温度を用いて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に基づいて圧力閾値を算出し、前記圧力計の圧力値と前記圧力閾値とを比較して媒体中への空気が混入したか否かを判定する制御部と、空気が混入したと判定した場合に、前記ガス貯留部のガスを排出する排出手段と、を備えることを特徴とした。
　また、前記排出手段は、前記制御部により空気が混入したと判定された場合に、前記ガス貯留部に貯留された前記ガスが移送される第１容器と、前記第１容器に液状の媒体を供給して前記ガスを圧縮する媒体供給手段とを備え、前記媒体供給後に前記第１容器内に残留したガスを排出するものとした。
　また、前記媒体供給手段は、前記液状の媒体を貯留する液状媒体タンクと、前記液状媒体タンクから前記液状の媒体を前記第１容器内に供給する液状媒体供給ポンプとから構成してもよく、あるいは、前記媒体供給手段は、前記媒体流路の前記循環ポンプの出口側に設けられた弁と、前記循環ポンプと前記弁の間の配管から分岐して前記第１容器とを接続する分岐配管と、前記分岐配管に設けられた弁とからなり、前記制御部は、空気が混入したと判定した場合に、前記媒体流路の前記循環ポンプの出口側に設けられた弁を閉じ、前記分岐配管に設けた弁を開く制御を行うよう構成してもよい。
　さらに、前記排出手段が、前記ガス貯留部と前記第１容器の下部との間を接続する配管に設けた第１弁と、前記液状媒体供給ポンプと前記第１容器とを接続する配管に設けた第２弁と、前記第１容器上部と第２容器とを接続する配管に設けた第３弁と、前記第２容器から前記ガスを排気する第４弁と、前記ガス貯留部と前記第１容器の上部とを接続する配管に設けられた第５弁と、を備えることを特徴とする。
　また、前記制御部は、空気が混入したと判定した場合に、前記第２弁と前記第３弁と閉じ、前記第１弁と前記第５弁とを開いて前記ガス貯留部内の前記ガスを前記第１容器へ移送した後、前記第１弁と前記第５弁を閉じて前記第２弁を開いて前記液状媒体供給ポンプで前記第１容器に液体の媒体を供給して前記ガスを圧縮し、次に、前記第４弁を閉じた状態で前記第３弁を開いて前記第１容器内の前記ガスを前記第２容器へ移送させた後、前記第３弁を閉じて前記第４弁を開いて前記第２容器内の前記ガスを前記第２容器の外へ排出する制御を行うことを特徴とする。
　また、前記第２容器から排出された前記ガス中に残留する媒体を燃焼する燃焼器と、前記燃焼器に空気を供給する空気供給部を備えることとしてもく、さらに、前記燃焼器と前記空気供給部とを接続する配管に第６弁を備え、前記制御部は、前記第４弁と前記第６弁の開度を制御し流量調整を行なうこととしてもよい。
　また、前記制御部は、前記圧力計の圧力値が前記圧力閾値より大きい場合に、空気が混入したと判定することとし、前記圧力閾値は、前記飽和蒸気圧値に余裕値を加算して算出されることが好ましい。尚、前記余裕値は、予め設定された固定値、もしくは、前記飽和蒸気圧値に係数を乗じた比例値とする。
　さらに、前記液状の媒体を前記第１容器内に散布するスプレーノズルを備えることが好ましい。
　本発明に用いられる媒体としては、特にＲ２４５ｆａなどの各種フロンやｎ－ペンタンなどの有機性低沸点媒体が用いられる。
　本発明によれば、ガス貯留部の液相部の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値と、ガス貯留部の気相部の圧力値を比較して空気の混入を検知しているので、発電装置の媒体流路に空気が混入したことを自動で検出できる。また、装置外へ排出される作動媒体の量を低減できる。そして、凝縮器で凝縮されない空気が媒体に混入して凝縮器の凝縮能力が低下することによる発電効率の低下を防止できる。
本発明の実施例に係る装置の構成を示す図である。 本発明の実施例に係る装置の作動シーケンスの概要を示す図である。 本発明の実施例に係る装置の作動シーケンスの詳細を示す図である。 ｎ－ペンタンの飽和蒸気圧線図である。 圧力と温度をパラメーターとして、空気中に飽和するｎ－ペンタンの容積比率を表した図である。 本発明の実施例に係る装置の各容器の容積比とペンタン随伴率を示した図である。 従来の一般的な低沸点媒体を用いた発電装置の構成を示す図である。
以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明する。まず、本発明の実施形態の例について、図１～６に基づいて以下に説明する。
　図１は、この発明の実施例に係る混入空気除去装置の構成を示す図である。図１の凝縮器１０３は、図７の凝縮器１０３に相当する。ガス貯留部１は、凝縮器１０３の出口側コレクタの上部に接続されており、媒体に混入した空気は、出口側コレクタを介してガス貯留部１内に回収される。ガス貯留部１には、ガス貯留部１内の温度を測定する温度計１０と、ガス貯留部１内の圧力を測定する圧力計１１が設置されている。
　第１容器２は、弁１２を介して配管でガス貯留部１と接続している。さらに、第１容器２の上部とガス貯留部１を接続する配管が設置されており、この配管に弁１６が設置されている。第１容器２には、容器上方から順に圧力計７と液面計(高液面)８と液面計(低液面)９が設置されている。
　液状媒体供給ポンプ１８は、液体ペンタンの流量計６と弁１３を介して配管で第１容器２の内部に接続されている。この配管の液体ペンタン出口には、スプレーノズル２５が設置されている。
　第２容器３は、弁１４を介して配管で第１容器２の上部に接続されている。
　燃焼器４は、内部に燃焼触媒を備え、同燃焼器４の下部は、弁１５を介して第２容器３と配管で接続されている。空気供給手段１９は、弁１７を介して配管で燃焼器４と接続されている。第２容器３から供給されたペンタンは、空気供給手段１９から供給された空気と混合され、燃焼器４の燃焼触媒で燃焼され、排ガスになる。生じた排ガスは、大気に放出される。燃焼器４には、燃焼触媒を機能させるために、燃焼触媒を所定の温度に制御するヒーター４aが設置されている。燃焼器４と空気供給部１９と弁１７およびそれらを接続する配管は必須の構成ではなく、弁１５から排出されるガスを燃焼させずに大気で希釈する場合は、不要である。
　制御部５は、温度計１０と圧力計１１と圧力計７と液面計(高液面)８と液面計(低液面)９と流量計６にそれぞれ信号線で接続されており、各機器からの信号はそれぞれ制御部５に入力される。また、制御部５は、弁１２，１３，１４，１５，１６，１７にそれぞれ電気配線で接続されており、各弁の開閉を制御している。
　尚、本実施例の別の態様としては、循環ポンプ１０４を液状媒体供給ポンプ１８と兼用し、液状媒体タンク２４を凝縮器１０３から循環ポンプ１０４の間の配管で代用し、循環ポンプ１０４出口の配管に弁を設けて、この弁と循環ポンプ１０４の間から配管を分岐させて第一容器２へ接続し、その分岐配管に弁１３を備える構成にしてもよい。
　次に本装置の動作について説明する。図２、図３は、本発明の第１の実施形態に係る装置の作動シーケンスの概要を示す図である。制御部５は、空気混入検出工程Ｓ１、媒体液化工程Ｓ２、排出工程Ｓ３の順に実行し、排出工程Ｓ３が終了した後、空気混入検出工程Ｓ１に戻る。混入空気除去装置は、常時作動することとしても良いが、前回作動した時以降に圧力計１１の圧力が大気圧以下（媒体がｎ－ペンタンの場合、媒体温度が３６℃以下）になった事が確認された時のみ作動させることがより望ましい。なぜならば、媒体流路内の圧力が大気圧以上の状態が継続していれば、外気から媒体流路内に空気が混入し難いからである。
　まず、空気混入検出工程Ｓ１について説明する。
　制御部５は、ガス貯留部１の気相部に設置された圧力計１１の信号とガス貯留部１の液相部に設置された温度計１０の信号を取得し、温度計の温度に基づいて算出された媒体の飽和蒸気圧値に余裕値（マージン）を加えた圧力閾値を計算する。そして、圧力計１１の圧力値が圧力閾値以下の場合は圧力値および温度の計測を続け、圧力計１１の圧力値が圧力閾値より高い場合は媒体に空気が混入したと判断し、次の工程に進む。また、上記余裕値は、固定値とするか、もしくは、前記温度計の温度に基づいて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に係数をかけた比例値とする。具体的には、下記の式１を用いて、温度(Ｔ１)における飽和蒸気圧(Ｐｓ)を演算する。
Ｐｓ＝0.0003(Ｔ１)3＋0.0159(Ｔ１)2＋1.1844(Ｔ１)＋24.316・・・（式１）
　余裕値は、継手の数や状態を考慮して何回かの試験を経て決める。例えば、固定値の場合は、１気圧時の１０％程度とする。比例値とする場合は、前記係数を0.1程度とする。
　次に、媒体液化工程Ｓ２について説明する。この工程では、ガス貯留部内に貯留した空気含有ガスを第１容器２へ移送し、第１容器２に液体の媒体を加えることでガスを圧縮して、ガス中の媒体を液化し、ガス中の媒体量を減らす。
　具体的には、図１に示す混入空気除去装置の弁１２，１３，１４，１５，１６，１７をそれぞれ閉じた状態後、弁１２，１６を開いて、ガス貯留部１から空気含有ガスを第１容器２へ移動させる。第１容器２内の媒体の液面を計測する液面計（低液面）９の検出値が予め定めた低液面閾値以上の場合は弁１２，１６を開いた状態を継続する。液面計（低液面）９の検出値が予め定めた低液面閾値より低くなると弁１２，１６を閉じ、第１容器２を密閉する。その後、弁１３を開き、液状媒体供給ポンプ１８で液状媒体タンク２４から第１容器２へ液状媒体を供給する。液面計（高液面）８の検出値が予め定めた高液面閾値以下の間、弁１３を開いた状態を継続する。
　第１容器２内に液体ペンタンを導入して空気含有ガスを圧縮する時、ガス温度が上昇する。この温度上昇は下記の式２で与えられる。
Ｔ２＝Ｔ１×[Ｐ２／Ｐ１](k-1)/mk・・・・・・・・・・・・・・（式２）
Ｔ２：圧縮後のガスの温度（Ｋ）
Ｔ１：圧縮前のガス温度(Ｋ)
Ｐ２：圧縮後のガスの圧力(ｍＰａ)
Ｐ１：圧縮前のガス圧力(ｍＰａ)
ｋ：比熱比
ｍ：圧縮段数
　例えば、ペンタンで飽和した３０℃の空気を１０１ｋＰａから１ＭＰａに断熱圧縮すると、上昇温度差（ΔT）は８３℃である。単に液体ペンタンを第１容器２内へ注入するのではなく、スプレーノズルで微細化した液体ペンタンを第１容器２内に注入することで、この温度上昇を抑制できる。空気含有ガスに飽和していたｎ－ペンタンの一部は、冷却されて液化し、回収できる。スプレー注入を行えば、スプレーする事なく液体ペンタンを注入する方法より第１容器２内の温度を速やかに低下できる。
　液面計（高液面）８の検出値が予め定めた高液面閾値より高くなると、弁１３を閉じ、液状媒体供給ポンプ１８を停止する。
　次に、排出工程Ｓ３を説明する。まず、カウンターを０に初期化する。そして、第１容器２と第２容器３を連通し、第１容器２で圧縮されたガスの一部を第２容器３に移動させる。具体的には、弁１５を閉じ、弁１４を開いた状態を予め定めた時間継続する。その後、弁１４を閉じる。
　次に、第２容器３から装置外へガスを放出する。この際、燃焼器４と空気供給部１９と弁１７およびそれらを接続する配管は必須の構成ではない。例えば、弁１５から排出されるガスを燃焼させずに大気で希釈する場合は、弁１５を開放してガスを大気にそのまま放出してもよい。
　ガスを燃やして大気に放出する場合は、ガスに含まれる酸素だけでは完全燃焼できないことが想定される。例えば、ｎ－ペンタンの場合、空気との混合比がｎ－ペンタンの燃焼範囲(１．５％～７．８％)を超える場合は、酸素を供給する必要がある。この範囲に空気量を調整する為、弁１７を介して空気が投入される。この空気としては、圧縮空気供給設備から供給することが望ましく、例えば、装置の計装機器を作動させるための計装用空気を使用してもよい。具体的には、次の手順で行う。燃焼器４は、燃焼触媒として白金微粒子を担持させたセラミックハニカムフィルターを内部に備えている。燃焼器４内を２００～３５０℃になるようにヒーター４aで加熱された状態で、弁１７と弁１５を開いて燃焼器４へガスと空気を供給して媒体を燃焼する。この状態を予め定めた時間継続する。その後、弁１５と弁１７を閉じる。その後、カウンターに１を加え、カウンターが予め定めた回数Ｎ回未満の場合、図３に示したように戻る。カウンターが予め定めた回数Ｎ回以上の場合、このループから抜ける。回数Ｎは、第１容器２の圧縮された後のガスの体積と圧力および第２容器３の容積に応じて適切に設定する。燃焼器４でガスを燃焼させることは、媒体流路に混入した空気を媒体流路から除去するために必須ではないが、可燃性ガスの媒体を用いている場合、大気にそのまま放出されることを防止できる。
　次に、第１容器２からガス貯留部１へ圧力を逃がすと共に媒体を移動させる。具体的には、弁１６と弁１２を開き、予め定めた時間経過後、弁１６と弁１２を閉じる。そして、上記空気混入検出工程Ｓ１に戻る。
　空気と媒体の混合ガスを圧縮することで混合ガス中の媒体量を減らすことができる理由を次に説明する。空気に飽和するｎ－ペンタンの量Ｆｓｔは、下記の式３で表わすことができる。
Ｆｓt＝Ｆａ×(Ｐｓ／(Ｐｃ－Ｐｓ))・・・・・・・・・・・・・（式３）
Ｆｓt：温度tで空気に飽和するｎ－ペンタンの標準状態量（Ｎｍ3）
Ｆａ：空気の標準状態量（Ｎｍ3）
Ｐｓ：温度tでのｎ－ペンタンの飽和蒸気圧（ｋＰａ）
Ｐｃ：運転圧力（ｋＰａ）
　この式３から、空気中に飽和するｎ－ペンタンの容積比率に関して、圧力と温度をパラメーターとして計算した結果を図５に示す。図５から解るように、圧力が高い程、また温度が低い程、空気に飽和するペンタンが少ない事がわかる。特に圧力を高くする事は空気に飽和して系外へ持ち出されるｎ－ペンタンを少なくする上で極めて有効である事がわかる。
　次に、ｎ－ペンタンの損失量に関して述べる。図６は、温度が３０℃一定の場合の例として本発明の実施例に係る装置の各容器の容積比とペンタン随伴率の関係を示す図である。Ｃ０はガス貯留部１の容積、Ｃ１は、第１容器２の容積、Ｃ２は、第２容器３の容積を表す。燃焼器４で燃焼されるｎ－ペンタン量は、第１容器２の容積Ｃ１と第２容器３の容積Ｃ２の比で大きく異なるので、運転管理上重要である。即ち、第１容器２に蓄積され圧縮された空気は、圧縮された圧力状態でｎ－ペンタンが飽和状態にある。その後、弁１４を開けて、第１容器２と第２容器３を連通させると、第１容器２の圧力は第２容器３の容積増加に見合った分だけ低下する。そうすると、第１容器２内には液体のペンタンが存在するので、圧力低下分に見合った分だけ式３にしたがってガス中のｎ－ペンタン量は増加する。この事は容積比（Ｃ２／Ｃ１）が小さい程、装置外に放出されるｎ－ペンタン量が少なくなる事を示している。なお、Ｃ１／Ｃ０の比は、ペンタン随伴率に殆ど影響がない。
１：ガス貯留部
２：第１容器
３：第２容器
４：燃焼器(燃焼触媒充填)
４ａ：ヒーター
５：制御部
６：液体ペンタンの流量計
７：第１容器の圧力計
８：第１容器の液面計(高液面)
９：第１容器の液面計(低液面)
１０：ガス貯留部の温度計
１１：ガス貯留部の圧力計
１２，１３,１４,１５,１６,１７：弁
１８：液状媒体供給ポンプ
２４：液状媒体タンク
２５：スプレーノズル
１９：空気供給部
Ｓ１：空気混入検出工程
Ｓ２：媒体液化工程
Ｓ３：排出工程
１００：蒸発器
１０１：タービン
１０２：発電機
１０３：凝縮器
１０４：循環ポンプ
１０５：予熱器

Claims (11)

  1. 水よりも沸点が低い媒体と熱源との間で熱交換し媒体ガスを発生させる熱交換器と、
    前記熱交換器から供給される前記媒体ガスの圧力を受けて回転するタービンと、
    前記タービンに連結された発電機と、
    前記タービンから排出された前記媒体ガスを冷却する凝縮器と、
    前記凝縮器から排出された前記媒体を前記熱交換器に供給する循環ポンプと、
    前記熱交換器と前記タービンと前記凝縮器と前記循環ポンプとを循環する媒体流路と、
    前記媒体に混入した空気を除去する空気除去装置と
    を備えた発電装置において、
    前記空気除去装置は、
    前記凝縮器の出口側に設けられた媒体中のガスを貯留するガス貯留部と、
    前記ガス貯留部中の圧力を測定する圧力計と、
    前記ガス貯留部中の温度を測定する温度計と、
    前記温度計の温度を用いて算出された前記媒体の飽和蒸気圧値に基づいて圧力閾値を算出し、前記圧力計の圧力値と前記圧力閾値とを比較して媒体中へ空気が混入したか否かを判定する制御部と、
    空気が混入したと判定された場合に、前記ガス貯留部のガスを排出する排出手段を備えたことを特徴とする発電装置。
  2. 前記排出手段は、
    前記制御部により空気が混入したと判定された場合に、前記ガス貯留部に貯留された前記ガスが移送される第１容器と、
    前記第１容器に液状の媒体を供給して前記ガスを圧縮する媒体供給手段と、を備え、
    前記媒体供給後に、前記第１容器内に残留したガスを排出することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記媒体供給手段は、前記液状の媒体を貯留する液状媒体タンクと、前記液状媒体タンクから前記液状の媒体を前記第１容器内に供給する液状媒体供給ポンプとを備えたことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
  4. 前記排出手段は、
    前記ガス貯留部と前記第１容器の下部との間を接続する配管に設けた第１弁と、
    前記液状媒体供給ポンプと前記第１容器とを接続する配管に設けた第２弁と、
    前記第１容器上部と第２容器とを接続する配管に設けた第３弁と、
    前記第２容器から前記ガスを排気する第４弁と、
    前記ガス貯留部と前記第１容器の上部とを接続する配管に設けられた第５弁と、
    を備えたことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
  5. 前記制御部は、空気が混入したと判定した場合に、
    前記第２弁と前記第３弁と閉じ、前記第１弁と前記第５弁とを開いて前記ガス貯留部内の前記ガスを前記第１容器へ移送した後、前記第１弁と前記第５弁を閉じて前記第２弁を開いて前記液状媒体供給ポンプで前記第１容器に液体の媒体を供給して前記ガスを圧縮し、
    次に、前記第４弁を閉じた状態で前記第３弁を開いて前記第１容器内の前記ガスを前記第２容器へ移送させた後、前記第３弁を閉じて前記第４弁を開いて前記第２容器内の前記ガスを前記第２容器の外へ排出する制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
  6. 前記第２容器から排出された前記ガス中に残留する媒体を燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器に空気を供給する空気供給部と、を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載に記載の発電装置。
  7. 前記燃焼器と前記空気供給部とを接続する配管に第６弁を備え、
    前記制御部は、前記第４弁と前記第６弁の開度を制御し流量調整を行なうことを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
  8. 前記制御部は、前記圧力計の圧力値が前記圧力閾値より大きい場合に、空気が混入したと判定することを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の発電装置。
  9. 前記圧力閾値は、前記飽和蒸気圧値に余裕値を加算して算出され、
    前記余裕値は、予め設定された固定値、もしくは、前記飽和蒸気圧値に係数を乗じた比例値であることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の発電装置。
  10. 前記液状の媒体を前記第１容器内に散布するスプレーノズルを備えたことを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の発電装置。
  11. 前記媒体供給手段は、前記媒体流路の前記循環ポンプの出口側に設けられた弁と、前記循環ポンプと前記弁の間の配管から分岐して前記第１容器とを接続する分岐配管と、前記分岐配管に設けられた弁とからなり、
    前記制御部は、前記空気混入を検出した場合に、前記媒体流路の前記循環ポンプの出口側に設けられた弁を閉じ、前記分岐配管に設けた弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
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