WO2013057956A1 - 混入空気除去装置およびこれを備えた発電装置 - Google Patents

混入空気除去装置およびこれを備えた発電装置 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for removing air mixed in organic gas.
  • 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).
  • 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 formed by mixing a high-boiling point medium and a low-boiling point medium is composed of a steam generator that generates a steam by heating a solution of the working fluid, and a steam supplied from the steam generator.
  • a steam turbine to be driven, a condenser that cools the steam discharged from the steam turbine and condenses it into a solution, and a supply pump that supplies the solution supplied from the condenser to the steam generator are circulated in this order.
  • the concentration of the low boiling point medium of the working fluid in the condenser is determined so that the lowest pressure that can occur in the condenser in the power cycle circuit is the pressure near the atmospheric pressure.
  • a power system 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.
  • Patent Document 7 discloses a gas separation membrane module in which condensable organic vapor-containing gas from a supply line is compressed and cooled by a compressor and a cooler to liquefy and recover organic vapor, and noncondensable gas is compressed and cooled.
  • the organic vapor concentrated gas and the organic vapor diluted gas are separated, and the organic vapor concentrated gas is returned to the supply line and the organic vapor diluted gas is discharged while measuring the organic vapor concentration of the organic vapor diluted gas.
  • An organic vapor-containing exhaust gas treatment method is disclosed in which the compression pressure by the compressor or the cooling temperature by a cooler is controlled in accordance with the organic vapor concentration.
  • Patent Documents 8, 9, and 10 disclose examples of a silicone rubber-based polyimide composite membrane as a gas separation membrane module that allows organic vapor to permeate through a membrane and concentrate and recover it.
  • exhaust gas containing organic vapor is pressurized by a compressor and guided to a cooler, and the organic vapor is condensed and recovered in the cooler, and the low-concentration gas after organic vapor recovery is converted into a gas separation membrane module.
  • An organic vapor-containing exhaust gas treatment method is disclosed, wherein the organic vapor-concentrated gas is returned to the inlet side of the compressor, and the organic vapor-diluted gas is discharged to the atmosphere.
  • Patent Document 10 a gas mixture containing an organic solvent vapor is supplied to a selectively permeable membrane module to be permeated and concentrated, and the condensed gas is cooled and condensed to recover the organic solvent in a liquid phase.
  • concentration of the organic solvent in the non-condensed gas in the cooling / condensation process is made higher than the concentration of the organic solvent in the non-permeate gas in the membrane module, and the non-condensable gas is returned to the mixed gas supply side.
  • a method for recovering organic solvent vapor is disclosed, which is characterized by exhausting water.
  • 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 Japanese Patent Laid-Open No. 7-47222 JP-A-4-219113 Japanese Patent Laid-Open No. 4-180811 JP-A-3-56113
  • 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 has been a problem that the air removal operation is performed more than necessary, and the amount of loss of the medium accompanying the exhaust air increases.
  • the pressure in the pressure vessel can be increased regardless of the allowable pressure limit of the membrane unit.
  • the higher the pressure the more organic gas can be liquefied in the pressure vessel.
  • a fourth pipe connected to the supply gas discharge port of the membrane unit, a pressure regulator provided in the fourth pipe, and a second pressure gauge for measuring the pressure on the supply side of the membrane unit,
  • the unit controls the opening of the first valve so that the value of the second pressure gauge approaches the supply pressure target value.
  • the supply side pressure target value of the membrane unit is arbitrarily set to a value lower than the allowable pressure value of the membrane unit. A higher supply-side pressure target value is desirable.
  • a fifth pipe communicating from the permeation side of the membrane unit to the inlet of the pump is provided.
  • the permeation side of the membrane unit can be sucked with the pump. Then, the moving speed of the organic gas that permeates the membrane can be promoted.
  • the second pipe is provided with a first condenser. According to such a configuration, liquefaction of the organic gas in the mixed gas introduced into the pressure vessel can be promoted.
  • the main point of this process is to compress the mixed gas in the pressure vessel, and supply the compressed gas to the membrane unit via a valve that adjusts the pressure to reduce the pressure in the pressure vessel regardless of the allowable pressure value of the membrane unit. It is to raise. Thereby, the quantity of the organic gas condensed with a pressure vessel can be increased.
  • the valves 12, 13, 14, 17, 22 are closed, the first condenser 23 is operated, the valve 15 is opened, and the pump 18 is operated. In this way, the mixed gas accumulated in the storage unit 1 is transferred to the pressure vessel 2. At that time, when cooled by the first condenser 23, liquefaction of the organic gas in the mixed gas can be promoted.
  • the valve 17 is opened and air with a predetermined flow rate is supplied.
  • This air is used to burn organic gas in the combustor 4. Therefore, the air flow rate is adjusted so that the organic gas supplied to the combustor 4 can be completely burned. If this predetermined flow rate is set such that the discharge pressure of the air supply unit is constant and the flow rate of air flowing through the pipe L8 is measured in advance according to the opening degree of the valve 17, an air flow meter need not be provided.
  • the valve 12 is closed. And it returns to before air mixing detection process S1.
  • air can be removed from the mixed gas of organic gas and air, and the amount of organic gas discharged outside the device can be reduced.

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Abstract

【課題】自動で有機性ガスと空気との混合ガス中の空気を検出し、混合ガスから空気を除去する装置を提供する。 【解決手段】貯留部1の混合ガスの温度に基づいて飽和圧力値を計算し、該飽和圧力値に余裕値を加えた圧力閾値を求め、貯留部1内の圧力値が該圧力閾値より大きい場合、混合ガスに空気が混入したことを検知する。この検知後、制御部5は、圧力容器2に混合ガスを加圧導入して混合ガス中の有機性ガスを凝縮し、希薄混合ガスを生成する。次いで、膜ユニット3の供給側に希薄混合ガスを導入して、透過側に希薄混合ガス中の有機性ガスを回収し、残りのガスを本装置外に排出する。

Description

混入空気除去装置およびこれを備えた発電装置
 本発明は、有機性ガスに混入した空気を除去する装置に関する。
 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4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第2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る。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。さらにタービン仕事効率の観点から、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(nC12)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3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り、空気混入によりタービン出口圧力が上昇し効率の低下をきたす。
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と、蒸気発生器から供給された蒸気により駆動する蒸気タービンと、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と、復水器から供給された溶液を蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を循環する動力サイクル回路を備えた動力システムであって、動力サイクル回路における復水器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。
 特許文献7には、供給ラインからの凝縮性有機蒸気含有ガスを圧縮機と冷却器とにより圧縮冷却して有機蒸気を液化回収し、不凝縮ガスを圧縮冷却状態のままガス分離膜モジュ-ルに導いて有機蒸気濃縮ガスと有機蒸気希釈ガスとに分離し、有機蒸気濃縮ガスを上記の供給ラインに戻すと共に有機蒸気希釈ガスの有機蒸気濃度を測定しつつ該有機蒸気希釈ガスを排出し、その有機蒸気濃度に応じて上記圧縮機による圧縮圧力または冷却器による冷却温度を制御することを特徴とする有機蒸気含有排ガスの処理方法が開示されている。
 特許文献8、9、10には、有機蒸気を膜に透過させて濃縮回収するガス分離膜モジュールとしてシリコーンゴム系ポリイミド複合膜の事例が開示されている。
 上記特許文献9には、有機蒸気を含有した排ガスを圧縮機により加圧して冷却器に導き、該冷却器において有機蒸気を凝縮回収し、有機蒸気回収後の低濃度ガスをガス分離膜モジュールに導いて分離処理し、有機蒸気濃縮ガスを圧縮機の入口側に戻すと共に有機蒸気希釈ガスを大気に放出することを特徴とする有機蒸気含有排ガスの処理方法が開示されている。
 上記特許文献10には、有機溶剤蒸気を含む混合気体を選択透過性膜モジュールに供給して透過・濃縮し、この濃縮気体を冷却・凝縮して有機溶剤を液相で回収する方法において、上記の冷却・凝縮過程における非凝縮気体の有機溶剤濃度を上記膜モジュールにおける非透過気体の有機溶剤濃度よりも高くし、その非凝縮気体を上記の混合気体供給側に戻し、膜モジュールにおける非透過気体を排出することを特徴とする有機溶剤蒸気の回収処理方法が開示されている。
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 特開平7-47222号公報 特開平4-219113号公報 特開平4-180811号公報 特開平3-56113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排出空気に随伴する媒体の損失量が多くなるという課題があった。
 上記特許文献7、8、10は、膜の1次側に圧縮機を設けるだけでなく、2次側に真空ポンプを設けているので、設備のコスト、運転コストが高くなるという課題があった。
 上記課題を鑑み、本発明は、有機性ガスと空気との混合ガスから空気を除去でき、装置外へ排出される有機性ガスの量を低減できる混入空気除去装置を提供することを目的とする。
 有機性ガスと空気との混合ガスから空気を除去するために、本発明の混入空気除去装置は、前記混合ガスを貯留する貯留部と、圧力容器と、前記圧力容器内の圧力を計測する第1圧力計と、前記貯留部から前記圧力容器へ前記混合ガスを送るポンプと、前記貯留部と前記ポンプとを接続する第1配管と、前記ポンプと前記圧力容器とを接続する第2配管と、空気より有機性ガスの透過速度が大きく有機性ガスを選択透過するガス分離膜を備えた膜ユニットと、前記膜ユニットの供給ガス導入口と前記圧力容器とを接続する第3配管と、第3配管に設けられた第1弁と、制御部とを備え、前記制御部は、前記第1弁を閉じた状態で前記ポンプを作動させて、前記第1圧力計の計測値が設定上限値に到達するまで前記圧力容器に前記混合ガスを供給し、前記設定上限値を超えた場合に前記第1弁を開いて前記混合ガスを前記膜ユニットに供給する制御を行うものであることを特徴とする。
 このような構成によれば、膜ユニットの許容圧力限界に関わらず圧力容器内の圧力を高めることができる。圧力が高いほど、圧力容器内で液化する有機性ガスの量を増加できる。
 また、前記膜ユニットの供給ガス排出口に接続した第4配管と、前記第4配管に備えた圧力調節器と、前記膜ユニットの供給側の圧力を計測する第2圧力計を備え、前記制御部は、前記第2圧力計の値が供給側圧力目標値に近づくように前記第1弁の開度を制御することを特徴とする。膜ユニットの供給側圧力目標値は、膜ユニットの許容圧力値よりも低い値を任意に設定する。供給側圧力目標値は、より高い方が望ましい。
 このような構成によれば、膜ユニットの供給ガス側の圧力を一定に保つことができるので、膜ユニットの許容圧力限界に関わらず圧力容器内の圧力を高めることができる。
  また、前記膜ユニットの透過側から前記ポンプの入口に連通する第5配管を備えていることを特徴とする。
 このような構成によれば、膜ユニットの透過側をポンプで吸引することができる。そうすると膜を透過する有機性ガスの移動速度を促進できる。
 また、前記膜ユニットの透過側の圧力を計測する第3圧力計と、前記第5配管に備えた第2弁と、前記第1配管に備えた第3弁を備え、前記制御部は、前記第3弁を閉じ、前記第2圧力計の圧力値と前記第3圧力計の圧力値との差が前記膜ユニットの許容差圧限界以下になる様に前記第2弁の開度を制御することを特徴とする。
 このような構成によれば、制御部は、膜ユニットの透過側および供給側の各圧力に関して、膜ユニットの許容差圧限界以下を確保しながら、供給側と透過側との差圧を大きくするように第2弁を制御できる。
 また、前記第2配管に第1凝縮器を備えていることを特徴とする。
 このような構成によれば、圧力容器に導入される混合ガス中の有機性ガスの液化を促進できる。
 また、前記圧力容器内の液相部の液位を計測する液位計と、前記圧力容器下部と前記貯留部を接続する第6配管と、前記第6配管に備えた第4弁を備えていることを特徴とする。
 このような構成によれば、圧力容器内に滞留した液化した有機性ガスを貯留部に戻すことができる。
 また、空気供給部と、前記空気供給部と前記圧力容器との間を接続する第7配管と、前記第7配管に備えた第5弁を備えていることを特徴とする。
 このような構成によれば、空気供給部から圧力容器へ空気を供給して、圧力容器内の混合ガスの有機性ガス濃度を、膜ユニットの許容有機ガス濃度以下までに希釈することができる。
 また、前記貯留部内の圧力を計測する第4圧力計と、前記貯留部内の温度を計測する温度計を備え、前記制御部は、前記温度計の温度に基づいて算出された前記有機性ガスの飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算し、前記第4圧力計の圧力値が前記圧力閾値以上の場合は前記貯留部に空気が混入していることを検知することを特徴とする。
 このような構成によれば、貯留部内の混合ガスに空気が混入したことを自動で検知できる。
 また、前記膜ユニットの供給側から排出された残余のガスを燃焼する燃焼器と、前記空気供給部と前記燃焼器との間を接続する第8配管と、前記第8配管に備えた第6弁を備え、前記制御部は、前記第2圧力計の出力信号に基づいて前記第6弁の開度を制御することを特徴とする。
 このような構成によれば、空気供給部から燃焼器へ供給する空気流量を、第6弁の開度を調節すること制御するので、供給側から排出された残余のガスを完全燃焼できる。なお、この燃焼器、第8配管、および第6弁は、必須の構成ではない。
 また、前記混入空気除去装置を発電装置に備え、前記貯留部が、蒸発器と、タービンと、第2凝縮器と、循環ポンプとを循環する媒体循環流路に接続されていることを特徴とする。
 このような構成によれば、混合ガス流路の空気を自動で除去できるので発電装置の発電効率を向上できる。
 また、前記発電装置において、前記膜ユニットの透過側または前記第5配管から、前記第2凝縮器の入口に接続された第9配管と、前記第9配管に備えた第7弁と、前記第2凝縮器の入口の圧力を測定する第5圧力計を備え、前記制御部は、前記第2圧力計の圧力値が前記第5圧力計の圧力値より大きい場合、前記第7弁を開くことを特徴とする。
 このような構成によれば、ポンプの負荷を低減でき、ポンプの消費電力を減らすことができる。
 なお、本発明に用いられる有機性ガスとしては、沸点が水より低い有機性低沸点ガスを用いることが望ましい。例えば、n-ペンタン、R134a、R245fa、HFO1234zeなどを用いることができる。
 本発明によれば、混合ガスを圧力容器で圧縮し、圧縮されたガスを減圧調節する弁を介して膜ユニットに供給しているので、膜ユニットの許容圧力値に関わらず圧力容器の圧力を高くすることができ、圧力容器で凝縮される有機性ガスの量を増加できる。これにより、装置外へ排出される有機性ガスの量を低減できる。
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図である。 n-ペンタンの飽和蒸気圧線図である。 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。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の第2凝縮器103は、図4の第2凝縮器103に相当する。貯留部1は、第2凝縮器103の出口側コレクタの上部に接続されており、貯留部1の温度を測定する温度計10と、貯留部1の圧力を測定する圧力計11が設置されている。貯留部1の上部とポンプ18の入口は、配管L1で接続されている。ポンプ18と圧力容器2は、配管L2で接続されている。配管L2の途中には、第1凝縮器23を備えている。第1凝縮器23は必須の装置ではないが、有機性ガスの凝縮を促進させるために設置することが望ましい。
 圧力容器2は、第1圧力計6と液位計8が設置されている。配管L3は、圧力容器2の上部と、膜ユニット3の供給ガス導入口とを接続している。配管L3の途中に弁13が設けられている。
 配管L4は、膜ユニット3の供給ガス排出口と燃焼器4を接続している。配管L4の途中に弁14と圧力調節器24が設置されている。配管L4の弁14と膜ユニット3との間の部分に、膜ユニット3の供給側(供給ガス流路側)の圧力を計測する圧力計7を備えている。
 膜ユニット3の膜は、少なくとも空気の主成分である窒素および酸素より、有機性ガスを透過し易い分離膜を適宜選択して用いればよい。この分離膜の窒素や酸素の透過速度に対する有機性ガス透過速度が高いほど有機性ガスの回収率を向上できる。分離膜の材質としては、例えば、シリコーンゴムを用いることができる。分離膜の形状としては、内径170μm~200μm、外径250μm~360μmの中空糸膜を用いることができる。
 圧力調節器24は、膜ユニット3の供給側が大気に比べて加圧された状態にするために設置されている。圧力調節器24は、例えば、オリフィスや減圧弁を用いることができる。
 配管L8は、空気供給部19と燃焼器4を接続している。配管L8の途中に弁17が設置されている。
 配管L5は、膜ユニット3の透過側とポンプ18の入口側の配管L1に接続している。この接続部分と貯留部1との間の配管L1に弁15が設置されている。
 配管L5の途中に弁21を備え、配管L5の弁21と膜ユニット3の間の部分に、膜ユニット3の透過側(透過ガス流路側)の圧力を計測する圧力計20を備えている。
 配管L9は、配管L5から分岐して、前記第2凝縮器103の入口に接続されている。配管L9の途中に弁25を備えている。なお、配管L9は、膜ユニット3の透過側から、前記第2凝縮器103の入口に接続することにしても良い。第2凝縮器103の入口側コレクタ部分の圧力を測定する圧力計26を備え、圧力計7の圧力値が圧力計26の圧力値より大きい場合、弁25を開く。この際、膜の供給側と透過側との差圧が、膜の許容差圧限界を超えないように、弁25の開度を制御することがより望ましい。
 配管L6は、圧力容器2の下部と貯留部1を接続している。配管L6の途中に弁12を備えている。圧力容器2内の凝縮した有機性ガスの液体は、配管L6を通して貯留部に戻り、さらに、貯留部に連通した混合ガス流路に戻される。なお、混合ガス流路と貯留部が連通する位置は、第2凝縮器103出口コレクタが望ましいが、この場所に限定されない。
 配管L7は、空気供給部19と圧力容器2を接続している。配管L7の途中に弁22が設置されている。
 制御部5は、温度計10と圧力計11、6、7、20、26と液位計8にそれぞれ信号線で接続されており、各計測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、17、21、22、25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。さらに制御部5は、ポンプ18と第1凝縮器23を制御している。第1凝縮器23は、ポンプ18から供給される混合ガスを空冷する熱交換部を少なくとも備え、熱交換部に送風して強制空冷するためのファンをさらに備えているものがより望ましい。第1凝縮器23の別の態様としては、積極的に冷却するためにペルチェ素子やヒートポンプを用いた冷凍機を備えていてもよい。
 次に本装置の動作について説明する。図2は、本発明の実施例に係る混入空気除去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、図2に示すように、空気混入検出工程S1、空気除去工程S2の順に実行し、その後、空気混入検出工程S1に戻る。なお、初期状態では、すべての弁は、閉じた状態である。
 まず、空気混入検出工程S1について説明する。制御部5は、まず、貯留部1に設置された圧力計11の信号と貯留部1に設置された温度計10の信号を取得し、温度計10の温度に基づいて算出された有機性ガスの飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算する。そして、圧力計11の圧力値(PIa)が圧力閾値以下の場合は、空気混入検出工程S1の最初に戻る。圧力計11の圧力値(PIa)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、温度計10の温度に基づいて算出された有機性ガス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、例えば、nペンタンの場合、下記の式1を用いて、温度(T1)における飽和蒸気圧値(Pst)を演算する。グラフにしたものを図3に示す。用いる有機性ガスが違う場合は、その有機性ガスの特性に合わせて飽和蒸気圧値(Pst)を求める式を適宜変更する。
Pst=0.0003(T1)+0.0159(T1)+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、空気除去工程S2について説明する。この工程の要点は、混合ガスを圧力容器で圧縮し、圧縮されたガスを減圧調節する弁を介して膜ユニットに供給することで、膜ユニットの許容圧力値に関わらず圧力容器内の圧力を高くすることである。これにより、圧力容器で凝縮される有機性ガスの量を増加できる。
 空気除去工程S2では、まず、弁12、13、14、17、22を閉じ、第1凝縮器23を作動させ、弁15を開き、ポンプ18を作動させる。このようにすると、貯留部1に溜まっている混合ガスは、圧力容器2へ移送される。その際、第1凝縮器23で冷却されると、混合ガス中の有機性ガスの液化を促進することができる。
 次に、圧力計6の圧力値PIbと圧力容器上限圧力値P1を比較し、圧力値PIbが圧力容器上限圧力値P1以下の場合、この判断条件の直前に戻り、ポンプ18が作動を継続する。一方、圧力値PIbが圧力容器上限圧力値P1より大きい場合、弁15を閉じ、圧力容器2の圧力が上昇しないようにする。圧力容器上限圧力値P1とは、圧力容器2、ポンプ18、第1凝縮器23および各弁の耐圧性能を考慮して、各機器の耐圧値を超えない値で任意に設定する。この圧力容器上限圧力値P1はなるべく高い方が、圧力容器2で液化して回収される有機性ガスの量を多くできる。
 次に、弁22を開き、所定量の空気を圧力容器に供給後、弁22を閉じる。膜ユニット3で使用する膜は、材質により許容される有機性ガス濃度が異なる。そこで、圧力容器2内の混合ガスが膜ユニット3の許容有機性ガス濃度の上限を超える場合は、このように圧力容器2に空気を供給して、混合ガス中の有機性ガス濃度を膜ユニット3の許容有機性ガス濃度以下に希釈することが望ましい。圧力容器2内の混合ガスの有機性ガス濃度が、膜ユニット3の膜の許容有機性ガス濃度の上限を超えないことが予め判っている場合は、このステップを省いても良い。
 次に、弁13を開き、圧力計7の出力信号に応じて弁13の開度を制御する動作を開始する。圧力計7の圧力値が、供給側圧力目標値に近づくように弁13の開度を制御している。このように供給側の圧力を高く維持できる程、膜ユニット3での有機性ガスの回収率が向上できる。そして、弁14を開く。なお、圧力計7と弁13の開度制御することの代わりに、圧力容器2と膜ユニットの間の配管L3に減圧弁を設け、膜ユニット3の供給側の圧力が減圧されて一定の値になるようにしてもよい。
 膜ユニット3における有機性ガスの移動に関わる推進力は、膜の供給側と透過側との差圧によって生じる。従って、この差圧が大きいほど望ましいので、膜の許容差圧限界を超えないように差圧を制御することがより望ましい。ポンプ18は、配管L5を経由して膜ユニット3の透過側の圧力を下げる働きをしている。このため、圧力計20の出力信号に応じて弁21の開度を制御する動作を開始する。透過側の圧力を圧力計20で計測し、差圧が膜の許容差圧限界より低い値になる様に弁21の開度を制御している。
 次に、弁17を開き、所定流量の空気を供給する。この空気は、燃焼器4で有機性ガスを燃焼するために使用される。従って、燃焼器4に供給される有機性ガスが完全燃焼できるように空気の流量調整が行われる。この所定流量は、空気供給部の吐出圧力を一定としておき、予め弁17の開度に応じて配管L8を流れる空気流量を測定しておけば、空気流量計を設けなくてもよい。
 次に、圧力計6の圧力値PIbと圧力容器下限圧力値P2を比較し、圧力値PIbが圧力容器下限圧力値P2以上の場合、この判断条件の直前に戻り、圧力値PIbが圧力容器下限圧力値P2より小さい場合、次のステップに移行する。圧力容器下限圧力値P2は、圧力容器2内の圧力が低下して膜ユニット3へのガス供給が減ってきたことを検知するための閾値としての役割を果たしている。この圧力容器下限圧力値としては、本装置作動時の貯留部1の圧力値より高い値を予め設定しておく。
 次に、弁13と弁21の各開度を制御する動作を停止させ、弁13、14、21、17を閉じ、ポンプ18と第1凝縮器23をそれぞれ停止させる。
 次に、弁12を開く。そうすると、圧力容器2の下部に溜まった液化した有機性ガスが配管L6を通って貯留部1に移動し始める。
 そして、液位計8の液面位置と圧力容器2の下限液位LI1を比較し、液面位置が下限液位LI1以上の場合は、この判断条件の直前の弁12を開く動作の前に戻る。これにより、圧力容器2内に溜まっている液化した有機性ガスの量を調整している。上述のポンプ18の作動によって圧力容器2内と貯留部1内との間に差圧が生じているので、この圧力差によって、液化した有機性ガスを圧力容器2から貯留部1に移動させている。
 一方、液面位置が下限液位LI1未満の場合は、弁12を閉じる。そして、空気混入検出工程S1の前に戻る。
 このような装置構成および制御を行うことで、有機性ガスと空気との混合ガスから空気を除去でき、装置外へ排出される有機性ガスの量を低減できる。
1:貯留部
2:圧力容器
3:膜ユニット
4:燃焼器
5:制御部
6,7,11,20,26:圧力計
8:液位計
10:温度計
12,13,14,15,17,21,22,25:弁
18:ポンプ
19:空気供給部
23:第1凝縮器
24:圧力調節器
L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9:配管
P1:圧力容器上限圧力値
P2:圧力容器下限圧力値
S1:空気混入検出工程
S2:空気除去工程
100:蒸発器
101:タービン
102:発電機
103:第2凝縮器
104:循環ポンプ
105:予熱器

Claims (11)

  1. 有機性ガスと空気との混合ガスから空気を除去する混入空気除去装置において、前記混合ガスを貯留する貯留部と、
    圧力容器と、
    前記圧力容器内の圧力を計測する第1圧力計と、
    前記貯留部から前記圧力容器へ前記混合ガスを送るポンプと、
    前記貯留部と前記ポンプとを接続する第1配管と、
    前記ポンプと前記圧力容器とを接続する第2配管と、
    空気より有機性ガスの透過速度の大きいガス分離膜を備えた膜ユニットと、
    前記膜ユニットの供給ガス導入口と前記圧力容器とを接続する第3配管と、
    第3配管に設けられた第1弁と、
    制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記第1弁を閉じた状態で前記ポンプを作動させて、前記第1圧力計の計測値が設定上限値に到達するまで前記圧力容器に前記混合ガスを供給し、前記設定上限値を超えた場合に前記第1弁を開いて前記混合ガスを前記膜ユニットに供給する制御を行うことを特徴とする混入空気除去装置。
  2. 前記膜ユニットの供給ガス排出口に接続した第4配管と、
    前記第4配管に備えた圧力調節器と、
    前記膜ユニットの供給側の圧力を計測する第2圧力計を備え、
    前記制御部は、前記第2圧力計の値が供給側圧力目標値に近づくように前記第1弁の開度を制御することを特徴とする請求項1に記載の混入空気除去装置。
  3. 前記膜ユニットの透過側から前記ポンプの入口に連通する第5配管を備えていることを特徴とする請求項2に記載の混入空気除去装置。
  4. 前記膜ユニットの透過側の圧力を計測する第3圧力計と、
    前記第5配管に備えた第2弁と、
    前記第1配管に備えた第3弁を備え、
    前記制御部は、前記第3弁を閉じ、前記第2圧力計の圧力値と前記第3圧力計の圧力値との差が前記膜ユニットの許容差圧限界以下になる様に前記第2弁の開度を制御することを特徴とする請求項3に記載の混入空気除去装置。
  5. 前記第2配管に第1凝縮器を備えていることを特徴とする請求項1に記載の混入空気除去装置。
  6. 前記圧力容器内の液相部の液位を計測する液位計と、
    前記圧力容器下部と前記貯留部を接続する第6配管と、
    前記第6配管に備えた第4弁と
    を備えていることを特徴とする請求項1に記載の混入空気除去装置。
  7. 空気供給部と、
    前記空気供給部と前記圧力容器との間を接続する第7配管と、
    前記第7配管に備えた第5弁と
    を備えていることを特徴とする請求項1に記載の混入空気除去装置。
  8. 前記貯留部内の圧力を計測する第4圧力計と、
    前記貯留部内の温度を計測する温度計を備え、
    前記制御部は、前記温度計の温度に基づいて算出された前記有機性ガスの飽和蒸気圧値に余裕値を加えた圧力閾値を計算し、前記第4圧力計の圧力値が前記圧力閾値以上の場合は前記貯留部に空気が混入していることを検知することを特徴とする請求項1に記載の混入空気除去装置。
  9. 前記膜ユニットの供給側から排出された残余のガスを燃焼する燃焼器と、
    空気供給部と、
    前記空気供給部と前記燃焼器との間を接続する第8配管と、
    前記第8配管に備えた第6弁を備え、
    前記制御部は、前記第2圧力計の出力信号に基づいて前記第6弁の開度を制御することを特徴とする請求項2に記載の混入空気除去装置。
  10. 請求項1から9のいずれか一項に記載の混入空気除去装置と、
    蒸発器と、タービンと、第2凝縮器、および、循環ポンプとを接続する媒体循環流路とを備え、
    前記貯留部が、媒体循環流路に接続されていることを特徴とする発電装置。
  11. 前記膜ユニットの透過側または前記第5配管から、前記第2凝縮器の入口に接続された第9配管と、
    前記第9配管に備えた第7弁と、
    前記第2凝縮器の入口の圧力を測定する第5圧力計を備え、
    前記制御部は、前記第2圧力計の圧力値が前記第5圧力計の圧力値より大きい場合、前記第7弁を開くことを特徴とする請求項10に記載の発電装置。
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