WO2014017293A1 - 複合動力機器及び複合動力機器の運転方法 - Google Patents

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WO2014017293A1
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steam
flow rate
cycle device
expander
rankine cycle
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PCT/JP2013/068792
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西村　真
上原　一浩
修 松谷
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株式会社神戸製鋼所
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    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the present invention relates to a composite power device in which Rankine cycle equipment and binary cycle equipment are combined, and a method for operating the composite power equipment.
  • thermodynamic cycle in which the steam turbine is driven by high-temperature steam to extract power is called a Rankine cycle.
  • a device that extracts power using the Rankine cycle is called a Rankine cycle device.
  • thermodynamic cycle in which power is generated using a heat source that does not have enough heat to rotationally drive a steam turbine or power is generated.
  • the binary cycle equipment using the binary cycle uses a low boiling point organic solvent that evaporates at a low temperature of 100 ° C. or lower as a working medium, and is a secondary or auxiliary in a relatively small factory. It is used as a power generation system and a power generation system.
  • Patent Document 1 discloses a combined power generation system that can recover power and electric power from a heat source with high efficiency by combining a gas turbine, a Rankine cycle, and a binary cycle.
  • the combined power generation system of Patent Document 1 recovers surplus thermal energy from, for example, a high-temperature Rankine cycle device using a heat exchanger, and uses the recovered thermal energy to drive power in a low-temperature binary cycle device. To generate or generate electricity.
  • a Rankine cycle device using a steam turbine as in Patent Document 1 the following disadvantages have been raised as actual results on site.
  • the pressure inside the condenser becomes close to a vacuum, and it becomes necessary to adopt an airtight structure in the condenser, or heat transfer with low-density steam (that is, liquid water) becomes possible.
  • low-density steam that is, liquid water
  • power generation systems that use renewable energy are often installed separately for each small user, rather than being concentrated in one place and installed on a large scale. Are often required to be relatively compact. Therefore, when considering the popularization of power generation systems that are optimal for small users, power generation systems not only have high efficiency, but also have high performance such as simple operation and small installation space. desired.
  • Patent Document 1 The technology of Patent Document 1 is intended for a large-scale power generation system (such as a power plant) that generates commercial power, and cannot cope with such a situation.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a composite power device capable of generating power and electric power with high efficiency without taking an installation space, and a method for operating the composite power device. Objective.
  • the composite power device of the present invention takes the following technical means. That is, the composite power device of the present invention includes a Rankine cycle device including an expander that generates power by expanding generated steam, and heat energy contained in the steam expanded by the expander included in the Rankine cycle device. And a binary cycle device that generates power using the recovered thermal energy, and a combined power device that has a steam temperature after being expanded by the expander included in the Rankine cycle device. A control unit is provided that adjusts the amount of thermal energy recovered from the Rankine cycle device to the binary cycle device so that the steam pressure is 100 ° C. or higher and / or the vapor pressure is higher than atmospheric pressure. And
  • the expander provided in the Rankine cycle device expands the generated steam to generate a rotational driving force
  • the Rankine cycle device includes a pump that returns the steam after being expanded by the expander.
  • the binary cycle device guides the steam after being expanded by the expander provided in the Rankine cycle device to the primary side, and evaporates the working medium supplied to the secondary side.
  • a pump that returns the working medium from the second heat exchanger toward the first heat exchanger.
  • the control unit may include a measurement unit that measures the temperature and / or pressure of the steam flowing through the outlet side of the expander provided in the Rankine cycle device.
  • the control unit is configured to adjust a flow rate of a working medium flowing through a pump provided in the binary cycle device and a flow rate and / or pressure of steam measured by the measuring unit.
  • the working medium flow rate adjustment unit so that the temperature of the steam after being expanded by the expander provided in the Rankine cycle device is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam is atmospheric pressure or higher. It is good to provide the adjustment control part which adjusts the flow volume of the working medium which distribute
  • control unit is based on a rotation speed adjustment unit capable of adjusting the rotation speed of an expander provided in the binary cycle device, and the flow rate and / or pressure of the steam measured by the measurement unit.
  • the rotation speed adjustment unit rotates the expander so that the temperature of the steam after being expanded by the expander included in the Rankine cycle device is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam is equal to or higher than atmospheric pressure.
  • an adjustment control unit that adjusts the number.
  • the control unit adjusts the flow rate of cooling water supplied to the second heat exchanger of the binary cycle device, and the flow rate and / or pressure of steam measured by the measurement unit.
  • the flow rate of the cooling water is adjusted so that the temperature of the steam after being expanded by the expander provided in the Rankine cycle device is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam is higher than the atmospheric pressure.
  • an adjustment control unit that adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger of the binary cycle device by the unit.
  • the control unit can change a temperature of the cooling water by merging a part of the steam flowing through the Rankine cycle equipment with the cooling water supplied to the second heat exchanger of the binary cycle equipment.
  • the cooling water temperature adjusting unit that adjusts the flow rate of the steam that flows through the bypass piping and returns to the cooling water side.
  • the bypass pipe adjusts the bypass pipe so that the temperature of the steam after being expanded by the expander provided in the Rankine cycle device is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam is higher than the atmospheric pressure. It is good to provide the adjustment control part which adjusts the flow volume of the vapor
  • it has a generator to which both the rotational driving force generated by the expander provided in the Rankine cycle device and the rotational driving force generated by the expander provided in the binary cycle device are transmitted. It is good to have.
  • the operation method of the composite power device according to the present invention is an operation method of the composite power device that generates power using the above-described composite power device, and is expanded by the expander provided in the Rankine cycle device.
  • the steam recovered by the binary cycle equipment is such that the temperature of the steam is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam after being expanded by the expander provided in the Rankine cycle equipment is higher than atmospheric pressure. It is characterized by adjusting the amount of energy.
  • the compound power equipment of a 1st embodiment is shown. It is the graph which compared the influence which the steam temperature of the exit side of an expander has on heat insulation efficiency with the compound power equipment of 1st Embodiment, and the conventional Rankine cycle apparatus.
  • the modification of the compound power equipment of 1st Embodiment is shown.
  • the compound power equipment of 2nd Embodiment is shown.
  • the compound power equipment of 3rd Embodiment is shown.
  • the compound power equipment of 4th Embodiment is shown.
  • FIG. 1 schematically shows a composite power device 1 according to the first embodiment.
  • the composite power device 1 of the first embodiment is a combination of a Rankine cycle device 3 and a binary cycle device 4.
  • the Rankine cycle device 3 includes an expander 2 (steam turbine) that generates power by expanding generated steam.
  • the binary cycle device 4 recovers a part of the thermal energy contained in the steam expanded by the expander 2, and generates power using the recovered thermal energy.
  • the Rankine cycle device 3 is a portion that is provided on the left side in FIG. 1 and that is surrounded by a one-dot chain line in the drawing.
  • the Rankine cycle device 3 generates power and electric power by rotationally driving the expander 2 (steam turbine) using superheated steam.
  • a power generation system that generates power using generated power is shown.
  • this Rankine cycle apparatus 3 includes an evaporator such as a boiler (not shown) in addition to the expander 2, the generator 5, the first heat exchanger 6, and the pump 7. This evaporator not only heats water (ion exchange water or pure water) to generate saturated steam, but can further heat saturated steam to generate superheated steam. Superheated steam generated in the boiler is sent to the expander 2.
  • the term “first” is given before the expander 2, the generator 5, and the pump 7 on the Rankine cycle device 3 side.
  • the term “second” is given before the expander 8, the generator 9, and the pump 10 on the binary cycle device 4 side, which will be described later. This avoids confusion between members of both cycle devices.
  • steam in the following description includes not only superheated steam but also saturated steam and wet steam.
  • the first expander 2 (an expander on the Rankine cycle equipment side, that is, a steam turbine) expands steam to generate a rotational driving force, and converts heat energy of steam into kinetic energy.
  • a first generator 5 (a generator on the Rankine cycle device side) to which the rotational driving force of the first expander 2 is transmitted through the rotation shaft of the first expander 2.
  • the first generator 5 further generates electric power using the rotational driving force generated by the first expander 2.
  • the steam after being expanded by the first expander 2 is sent to the first heat exchanger 6.
  • the first heat exchanger 6 collects a part of the heat energy generated in the Rankine cycle device 3 and moves it to the binary cycle device 4. Steam that has been expanded by the first expander 2 is supplied to the primary side of the first heat exchanger 6, and a binary cycle device to be described later is supplied to the secondary side of the first heat exchanger 6. 4 working medium is supplied in a liquid state.
  • the first heat exchanger 6 also serves as a condenser that cools and condenses the steam of the Rankine cycle device 3. The steam whose heat exchange (cooling) has been completed in the first heat exchanger 6 returns to the evaporator described above via the first pump 7 (the pump on the Rankine cycle device side).
  • the binary cycle device 4 is a portion surrounded by a two-dot chain line in the figure, provided on the right side in FIG.
  • the binary cycle device 4 uses a low boiling point organic solvent such as chlorofluorocarbon or hexane as a working medium, and the rotational driving force is obtained by expanding the working medium with an expander (second expander 8). Is generated.
  • the binary cycle device 4 is also shown as a power generation system that generates power using the power generated in the same manner as the Rankine cycle device 3.
  • the binary cycle device 4 includes a generator (second generator 9).
  • the binary cycle device 4 includes a first heat exchanger 6, a second expander 8, a second generator 9, a second heat exchanger 11, and a second pump 10.
  • the first heat exchanger 6 cools the steam of the Rankine cycle device 3 and recovers thermal energy from the steam, and evaporates the low-boiling working medium using the recovered thermal energy.
  • the 1st heat exchanger 6 serves as the evaporator of the binary cycle apparatus 4 which generate
  • the working medium vapor generated in the first heat exchanger 6 is sent to a second expander 8 (an expander on the binary cycle device side).
  • the second expander 8 expands the steam of the working medium, converts a part of the thermal energy recovered from the Rankine cycle device 3 side into kinetic energy, and generates a rotational driving force.
  • a second generator 9 (a generator on the binary cycle device side) to which the rotational driving force generated by the second expander 8 is transmitted.
  • This second generator 9 also generates electric power in the same manner as the first generator 5.
  • the working medium after being expanded by the second expander 8 is sent to the second heat exchanger 11.
  • the second heat exchanger 11 cools and condenses the vapor of the working medium after being expanded by the second expander 8, and condenses the gaseous working medium into a liquid.
  • the steam of the working medium after being expanded by the second expander 8 is supplied to the primary side of the second heat exchanger 11, and cooling water is supplied to the secondary side of the second heat exchanger 11.
  • the heat is exchanged between the two.
  • the second heat exchanger 11 is a condenser that condenses the working medium into a liquid.
  • the liquid of the working medium generated by the second heat exchanger 11 returns to the first heat exchanger 6 described above via the second pump 10 (a pump on the binary cycle device side). Thereafter, the working medium evaporates again in the first heat exchanger 6 and returns to gas.
  • the composite power device 1 that combines the Rankine cycle device 3 and the binary cycle device 4 as described above, first, a part of the thermal energy of the superheated steam is recovered in the Rankine cycle device 3 to generate power (electric power). .
  • the binary cycle device 4 further heat energy is recovered from the steam after being expanded in the Rankine cycle device 3.
  • the binary cycle device 4 recovers a part of the remaining heat energy that could not be recovered by the Rankine cycle device 3, and generates power (electric power) on the binary cycle device 4 side using the recovered heat energy.
  • the volume of the steam expanded to a temperature of 100 ° C. or lower or a pressure of atmospheric pressure or lower on the outlet side of the first expander 2 is greatly reduced. Therefore, in the conventional power unit constituted only by Rankine cycle equipment, the steam pressure in the condenser provided in the path from the outlet side of the expander to the pump becomes extremely low. As a result, the pressure inside the condenser becomes close to a vacuum, and it becomes necessary to adopt an airtight structure in the condenser, or to transfer the condenser so that heat transfer with low density steam is possible. It becomes necessary to increase the heat area, and the structure of the condenser is likely to increase in size.
  • the temperature of the steam after being expanded by the first expander 2 included in the Rankine cycle device 3 is 100 ° C. or higher and / or the pressure of the steam is higher than the atmospheric pressure.
  • the control part 12 which adjusts the quantity of the thermal energy collect
  • the control unit 12 changes the flow rate and temperature of the working medium that circulates in the binary cycle device 4 or changes the flow rate and temperature of the cooling water supplied to the binary cycle device 4. The amount of thermal energy recovered to the binary cycle device 4 is adjusted.
  • the control unit 12 provided in the composite power device 1 of the first embodiment changes the flow rate of the working medium flowing through the pump provided in the binary cycle device 4, thereby changing the heat energy recovered by the binary cycle device 4. Adjust the amount.
  • the control unit 12 includes a measurement unit 13, a working medium flow rate adjustment unit 14, and an adjustment control unit 15.
  • the measuring unit 13 measures the temperature and / or pressure of the steam flowing through the outlet side of the expander 2 provided in the Rankine cycle device 3.
  • the working medium flow rate adjustment unit 14 can adjust the flow rate of the working medium flowing through the pump provided in the binary cycle device 4. Based on the steam flow rate and / or pressure measured by the measurement unit 13, the adjustment control unit 15 has a steam temperature of 100 ° C.
  • the adjustment control part 15 adjusts the flow volume of the working medium which distribute
  • the measuring unit 13 is a temperature sensor that measures the temperature of the steam, a pressure sensor that measures the pressure of the steam, or a combination of these temperature sensors and pressure sensors, and is provided in the outlet side piping of the first expander 2.
  • the steam temperature after expansion and / or the steam pressure is measured.
  • the temperature and / or pressure measurement data measured by the measurement unit 13 is sent to an adjustment control unit 15 described later.
  • the working medium flow rate adjusting unit 14 adjusts the flow rate of the working medium flowing through the second pump, and either or both of the two flow rate adjusting valves 141 and 142 as shown in the figure can be used. That is, the first flow rate adjustment valve 141 is a servo type flow rate adjustment valve capable of adjusting the valve opening degree by a signal from the adjustment control unit 15. The first flow rate adjusting valve 141 is provided in a pipe from the second pump 10 to the first heat exchanger 6 of the binary cycle device 4 and circulates from the second pump 10 toward the first heat exchanger 6. In other words, the circulating flow rate of the working medium circulating in the binary cycle device 4 is adjusted.
  • the working medium can be directly returned to the upstream side without passing through the second pump 10 between the pipe located on the upstream side of the second pump 10 of the binary cycle device 4 and the pipe located on the downstream side.
  • a possible bypass pipe 16 is provided.
  • the second flow rate adjustment valve 142 is a flow rate adjustment valve that is provided in the bypass pipe 16 and can adjust the valve opening degree by a signal from the adjustment control unit 15 in the same manner as the first flow rate adjustment valve 141.
  • Such a second flow rate adjustment valve 142 can adjust the flow rate (return flow rate) of the working medium that returns from the downstream side to the upstream side of the second pump 10 through the bypass pipe 16.
  • the flow rate of the working medium flowing toward the exchanger 6 can be adjusted.
  • the adjustment controller 15 has a steam temperature of 100 ° C. after being expanded by the first expander 2 provided in the Rankine cycle device 3 based on the steam flow rate and / or pressure measured by the measuring unit 13 described above.
  • a command is sent to the working medium flow rate adjusting unit 14 so that the steam pressure is equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the working medium flow rate adjustment unit 14 (first flow rate adjustment valve and / or second flow rate adjustment valve) adjusts the flow rate of the working medium flowing through the second pump 10 provided in the binary cycle device 4.
  • a personal computer or a PLC can be used as the adjustment control unit 15.
  • the signal processing performed in the adjustment control unit 15, more specifically, the driving method performed in the composite power device 1 of the first embodiment will be described.
  • the temperature and / or pressure of the steam flowing through the outlet side of the expander 2 is measured using the measurement unit 13. Measurement data of the measured temperature and / or pressure is sent to the adjustment control unit 15.
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the working medium flow rate adjustment unit 14 when the temperature measured by the measurement unit 13 is less than 100 ° C. or the measured pressure falls below atmospheric pressure.
  • the working medium flow rate adjustment unit 14 changes the flow rate of the working medium flowing from the second pump 10 toward the first heat exchanger 6, and the amount of heat energy recovered by the binary cycle device 4. Adjust.
  • the pressure measured by the measurement unit 13 is “atmospheric pressure” means that the absolute pressure is 0.1 MPa.
  • the adjustment control unit 15 when the temperature measured by the measurement unit 13 is less than 100 ° C. or the measured pressure falls below atmospheric pressure (below 0.1 MPa), the adjustment control unit 15 operates. A command is sent to the medium flow rate adjustment unit 14. In response to this command, the working medium flow rate adjustment unit 14 decreases the flow rate of the working medium flowing from the second pump 10 toward the first heat exchanger 6. In this way, the amount of thermal energy recovered by the binary cycle device 4 is reduced, and the amount of thermal energy of the Rankine cycle device 3 is not reduced by the amount that the amount of recovered thermal energy is reduced. Thereby, the temperature of the vapor
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the working medium flow rate adjustment unit 14.
  • the working medium flow rate adjustment unit 14 increases the flow rate of the working medium flowing from the second pump 10 toward the first heat exchanger 6. In this way, the amount of thermal energy recovered on the binary cycle device 4 side increases, the temperature of the steam on the outlet side of the first expander 2 of the Rankine cycle device 3 becomes approximately 100 ° C., and The pressure becomes approximately atmospheric pressure.
  • FIG. 2 shows a comparison of heat insulation efficiency between the case where only Rankine cycle equipment is used and the case where Rankine cycle equipment 3 and binary cycle equipment 4 are used in combination.
  • power generation from steam at a steam temperature of 170 ° C. and a pressure of 0.7 MPaA is assumed.
  • the heat insulation efficiency when only Rankine cycle equipment is used is shown as a diamond mark in FIG.
  • the heat insulation efficiency was about 0.08 when the steam exhaust temperature was 100 ° C., but the heat insulation efficiency increased to about 0.14 when the temperature was 60 ° C. .
  • the thermal insulation efficiency when the Rankine cycle device 3 and the binary cycle device 4 are used in combination is estimated. In this calculation, the Rankine cycle device 3 generates power from steam at a steam temperature of 170 ° C.
  • the binary cycle device 4 uses the energy of the expanded steam. It is the efficiency when power is generated.
  • the thermal insulation efficiency calculated in this way is shown as a square mark in FIG. From FIG. 2, when the binary inlet temperature is 150 ° C., the heat insulation efficiency is about 0.1. When the binary inlet temperature is 100 ° C., the heat insulation efficiency is about 0.13. That is, in the Rankine cycle device 3, the thermal insulation efficiency equivalent to that when the temperature after expansion (steam exhaust temperature) is 60 ° C. (pressure is 0.08 MPaA) is obtained in the combination of the Rankine cycle device 3 and the binary cycle device 4. Can be realized under easy-to-handle conditions above atmospheric pressure.
  • an adjustment control unit 15 is provided with an expander (first unit) provided in the binary cycle device 4. You may comprise so that the rotation speed of 2 expander 8) may be adjusted.
  • a rotation speed adjusting unit (not shown) that can adjust the rotation speed of the expander is provided in the second generator 9 or the second generator 9. The two expander 8 may be provided. As described above, even when the load is applied to the second expander 8 or the second generator 9 of the binary cycle device 4 by the adjustment control unit 15 or the rotation speed adjustment unit to reduce the rotation speed, the binary cycle device 4 The amount of thermal energy recovered can be adjusted.
  • the second generator 9 of the binary cycle device 4 is provided with a rotation speed adjustment section (for example, an inverter or a converter) that changes the magnitude of a load given by a command from the adjustment control section 15, this rotation speed adjustment section
  • a rotation speed adjustment section for example, an inverter or a converter
  • the rotational speed of the second generator 9 or the second expander 8 can be reduced.
  • the flow rate of the working medium changes as the rotational speed of the second expander 8 or the second generator 9 changes, and the amount of thermal energy recovered by the binary cycle device 4 is adjusted. be able to.
  • first flow rate adjustment valve 141 and the second flow rate adjustment valve 142 used in the above-described working medium flow rate adjustment unit 14 have not only a function as a flow rate adjustment valve but also a function as a pressure adjustment valve.
  • the control unit 12 of the composite power device 1 changes the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 provided in the binary cycle device 4.
  • the amount of heat energy recovered by the binary cycle device 4 is adjusted.
  • the control unit 12 includes a cooling water flow rate adjustment unit 18 and an adjustment control unit 15.
  • the cooling water flow rate adjustment unit 18 adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 of the binary cycle device 4.
  • the cooling water flow rate adjustment unit 18 is a servo-type flow rate adjustment valve that can adjust only the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11, and can be freely opened and closed by a command from the adjustment control unit 15. Yes.
  • the adjustment controller 15 has a steam temperature of 100 ° C. after being expanded by the first expander 2 provided in the Rankine cycle device 3 based on the steam flow rate and / or pressure measured by the measuring unit 13 described above.
  • a command is sent to the cooling water flow rate adjustment unit 18 so that the steam pressure becomes atmospheric pressure or higher.
  • the cooling water flow rate adjustment unit 18 adjusts the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 provided in the binary cycle device 4.
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the cooling water flow rate adjustment unit 18.
  • the flow rate of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 is decreased. If it does in this way, the cooling function of the 2nd heat exchanger 11 to the working medium which circulates through binary cycle equipment 4 will fall, and the temperature of the working medium which circulates through binary cycle equipment 4 will become high. Then, the amount of thermal energy recovered by the binary cycle device 4 is reduced, and the amount of thermal energy of the Rankine cycle device 3 is increased by the reduced amount of recovered thermal energy. Thereby, while the temperature of the vapor
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the cooling water flow rate adjusting unit 18 to 2 Increase the flow rate of the cooling water supplied to the heat exchanger 11. If it does in this way, the cooling function of the 2nd heat exchanger 11 to the working medium which circulates through binary cycle equipment 4 will go up, and the temperature of the working medium which circulates through binary cycle equipment 4 will become low. And the quantity of the thermal energy collect
  • the control unit 12 of the composite power device 1 according to the second embodiment changes the amount of heat brought into the binary cycle device 4 by opening and closing the flow rate adjustment valve 17 provided on the entry side of the second expander 8. There may be.
  • the flow rate adjusting valve 17 has not only a function as a flow rate adjusting valve but also a function as a pressure adjusting valve.
  • the composite power device 1 of the third embodiment will be described.
  • the control unit 12 of the composite power device 1 according to the third embodiment changes the temperature of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 provided in the binary cycle device 4. The amount of heat energy recovered by the binary cycle device 4 is adjusted.
  • the control unit 12 includes a bypass pipe 19, a cooling water temperature adjustment unit 20, and an adjustment control unit 15.
  • the bypass pipe 19 can change the temperature of the cooling water by joining a part of the steam flowing through the Rankine cycle equipment 3 to the cooling water supplied to the second heat exchanger 11 of the binary cycle equipment 4. .
  • the cooling water temperature adjustment unit 20 adjusts the flow rate of the steam that flows through the bypass pipe 19 and returns to the cooling water side.
  • the adjustment control unit 15 Based on the steam flow rate and / or pressure measured by the measurement unit 13, the adjustment control unit 15 has a steam temperature of 100 ° C. or higher after being expanded by the expander 2 provided in the Rankine cycle device 3. Alternatively, a command is sent to the cooling water temperature adjusting unit 20 so that the steam pressure becomes equal to or higher than the atmospheric pressure.
  • the bypass pipe 19 connects between the downstream side of the first pump 7 of the Rankine cycle device 3 and the pipe that supplies the cooling water to the second heat exchanger 11 of the binary cycle apparatus 4.
  • a predetermined amount of a part of the steam that has been heat exchanged by the first heat exchanger 6 of the Rankine cycle device 3 is supplied to the second heat exchanger 11 of the binary cycle device 4 by the bypass pipe 19.
  • the cooling water temperature adjusting unit 20 of the third embodiment is a flow rate adjusting valve capable of adjusting the flow rate of the steam flowing through the bypass pipe 19.
  • both the first flow rate adjustment valve 201 and the second flow rate adjustment valve 202 can be used.
  • Each of the first flow rate adjustment valve 201 and the second flow rate adjustment valve 202 is a servo type flow rate adjustment valve capable of adjusting the temperature of the cooling water supplied to the second heat exchanger 11, and an adjustment control unit 15 can be opened and closed by a command from 15.
  • the adjustment controller 15 has a steam temperature of 100 ° C. after being expanded by the first expander 2 provided in the Rankine cycle device 3 based on the steam flow rate and / or pressure measured by the measuring unit 13 described above.
  • a command is sent to the cooling water temperature adjusting unit 20 so that the steam pressure becomes atmospheric pressure or higher.
  • the coolant temperature adjusting unit 20 changes the flow rate of the steam returned through the bypass pipe 19, thereby adjusting the temperature of the coolant supplied to the second heat exchanger 11.
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the cooling water temperature adjustment unit 20.
  • the flow rate of the steam flowing through the bypass pipe 19 is increased.
  • the cooling function of the second heat exchanger 11 with respect to the working medium circulating in the binary cycle device 4 is lowered, and the operation circulating through the binary cycle device 4 The temperature of the medium becomes high.
  • the amount of thermal energy recovered by the binary cycle device 4 is reduced, and the amount of thermal energy of the Rankine cycle device 3 is increased by the reduced amount of recovered thermal energy.
  • the adjustment control unit 15 sends a command to the cooling water temperature adjustment unit 20 to bypass it.
  • the flow rate of the cooling water flowing through the pipe 19 is decreased.
  • the flow rate of the steam flowing through the bypass pipe 19 is reduced, the cooling function of the second heat exchanger 11 with respect to the working medium circulating in the binary cycle device 4 is increased, and the binary cycle device 4 is circulated.
  • the temperature of the working medium is lowered.
  • recovered by the binary cycle apparatus 4 increases, and power (electric power) can be efficiently generated in the binary cycle apparatus 4.
  • the composite power device 1 of the third embodiment can generate power (electric power) while maintaining good efficiency without lowering the temperature of the superheated steam to less than 100 ° C. or below atmospheric pressure.
  • the description is abbreviate
  • the composite power device 1 of the fourth embodiment includes a rotational driving force generated by the expander 2 of the Rankine cycle device 3, a rotational driving force generated by the expander 8 of the binary cycle device 4, and Both have the generator 21 transmitted.
  • the generator 21 of the fourth embodiment is sandwiched between the rotating shaft of the first expander 2 and the rotating shaft of the second expander 8, and with respect to either of the rotating shafts. Is also equipped with a turbine in a coaxial position. Then, both the rotational driving force generated in the first expander 2 and the rotational driving force generated in the second expander 8 are transmitted to the generator 21, and the combined driving force (the sum) is added. Power (electric power) corresponding to is generated.
  • embodiment disclosed this time is an illustration and restrictive at no points.
  • matters that are not explicitly disclosed, for example, operating conditions and operating conditions, various parameters, dimensions, weights, volumes, and the like of a component deviate from a range that a person skilled in the art normally performs. Instead, values that can be easily assumed by those skilled in the art are employed.

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Abstract

　複合動力機器１は、蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器３と、膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収し、この熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器４と、を組み合わせている。制御部１２は、ランキンサイクル機器３の膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する。

Description

複合動力機器及び複合動力機器の運転方法
　本発明は、ランキンサイクル機器とバイナリサイクル機器とを組み合わせた複合動力機器及び複合動力機器の運転方法に関するものである。
　従来、火力や原子力などの発電所では、熱源から発生する熱を回収して蒸気タービンを回転駆動し、発生した回転駆動力を利用して発電が行われている。また、製造現場などにおいては、ボイラなどで発生した蒸気を利用して、蒸気タービンを回転駆動し、動力源としている場合もある。このように高温の蒸気によって蒸気タービンを駆動して動力を取り出す熱力学サイクルはランキンサイクルと呼ばれる。ランキンサイクルを用いて動力を取り出す機器はランキンサイクル機器と呼ばれる。
　一方、蒸気タービンを回転駆動する程の熱量がない熱源を利用して動力を発生させたり、発電を行ったりする熱力学サイクルには、バイナリサイクルがある。このバイナリサイクルを用いたバイナリサイクル機器は、１００℃以下の低温で蒸発するような低沸点の有機溶剤を作動媒体に用いるものであり、比較的小規模な工場などの２次的あるいは補助的な動力発生システムや発電システムなどとして用いられている。
　ところで、比較的高温の熱源に対応したランキンサイクル機器と、低温の熱源に対応したバイナリサイクル機器とを組み合わせて、高い効率で動力を発生させたり、発電を行ったりする複合動力機器が従来より考えられている。
　例えば、特許文献１には、ガスタービンとランキンサイクルとバイナリサイクルとを組み合わせることで、熱源から高効率で動力や電力を回収することのできる複合発電システムが開示されている。
日本国特開平７－１６６８１５号公報
　ところで、特許文献１の複合発電システムは、例えば高温側のランキンサイクル機器から熱交換器を用いて余剰な熱エネルギを回収し、回収した熱エネルギを利用して低温側のバイナリサイクル機器で動力を発生させたり、発電を行ったりするものである。
　しかしながら、特許文献１のように蒸気タービンを用いたランキンサイクル機器に用いる場合、以下に述べるような不都合な点が、現場の実績として挙がってきている。
　つまり、一般に蒸気タービンに導入される蒸気としては、飽和蒸気よりもさらに高温・高圧に加熱された過熱蒸気が用いられる。そして、ランキンサイクル機器では、高い断熱効率や発電効率を発揮できるように、過熱蒸気を１００℃以下の温度、又は大気圧以下の圧力まで蒸気タービン（膨張機）内で一挙に膨張させて駆動力を発生させるようにしている。そのため、ランキンサイクル機器では、蒸気タービンで膨張した後の蒸気は、その体積が大きく減少し、蒸気タービンの出側からポンプまでの経路に設けられる復水器内での圧力が極めて低くなってしまう。その結果、復水器の内部の圧力が真空に近くなって、復水器に気密構造を採用する必要が生じたり、密度の低い蒸気（すなわち液体の水）との伝熱が可能になるように復水器の伝熱面積を大きくしたりする必要が生じ、復水器の構造が大型化しやすくなる。
　特に、再生可能エネルギを利用した発電システムなどは、１箇所に集約して大規模なものが設置されるよりは、小口のユーザごとに分かれて設置されることが多く、このような発電システムとしては比較的コンパクトなものが求められることが多い。それゆえ、小口のユーザに最適な発電システムの普及を考えたとき、発電システムには、効率が高いという性能だけでなく、例えば操作が簡単であったり、設置スペースが小さくて済むといった性能が強く望まれる。
　特許文献１の技術は、商用電力を発生させる大型の発電システム（発電所など）を意図したものであり、このような状況に対応できるものとはなっていない。
　本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、設置スペースを取ることなく、高い効率で動力や電力を発生させることができる複合動力機器及び複合動力機器の運転方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の複合動力機器は、以下の技術的手段を講じている。
　即ち、本発明の複合動力機器は、発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器と、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器と、を組み合わせた複合動力機器であって、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記ランキンサイクル機器からバイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整する制御部が設けられていることを特徴とする。
　好ましくは、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機は、発生した蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させ、前記ランキンサイクル機器は、前記膨張機で膨張した後の蒸気を返送するポンプを備えているとよい。
　好ましくは、前記バイナリサイクル機器は、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気を１次側に導いて、２次側に供給された作動媒体を蒸発させる第１熱交換器と、前記第１熱交換器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記バイナリサイクル機器の前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を冷却し作動媒体を液体に凝縮する第２熱交換器と、前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に向って作動媒体を返送するポンプと、を備えているとよい。
　好ましくは、前記制御部は、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機の出側を流通する蒸気の温度及び／又は圧力を計測する計測部を有しているとよい。好ましくは、前記制御部は、前記バイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整可能な作動媒体流量調整部と、前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記作動媒体流量調整部により前記バイナリサイクル機器に備えられた前記ポンプを流通する作動媒体の流量を調整する調整制御部と、を備えているとよい。
　好ましくは、前記制御部は、前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部と、前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記回転数調整部により膨張機の回転数を調整する調整制御部と、を備えているとよい。
　好ましくは、前記制御部は、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する冷却水流量調整部と、前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水流量調整部により前記バイナリサイクル機器の前記第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する調整制御部と、を備えているとよい。
　好ましくは、前記制御部は、前記ランキンサイクル機器を流通する蒸気の一部を、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水に合流させて、前記冷却水の温度を変更可能なバイパス配管と、前記バイパス配管を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する冷却水温度調整部と、前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水温度調整部により前記バイパス配管を流通する蒸気の流量を調整する調整制御部と、を備えていることとよい。
　好ましくは、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で発生した回転駆動力と、前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機で発生した回転駆動力との双方が伝達された発電機を有しているとよい。
　一方、本発明の複合動力機器の運転方法は、上述した複合動力機器を用いて動力を発生させる複合動力機器の運転方法であって、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記バイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整することを特徴とする。
　本発明の複合動力機器及び複合動力機器の運転方法によれば、設置スペースを取ることなく、高い効率で動力や電力を発生させることができる。
第１実施形態の複合動力機器を示している。 膨張機の出側の蒸気温度が断熱効率に与える影響を、第１実施形態の複合動力機器と、従来のランキンサイクル機器とで比較したグラフである。 第１実施形態の複合動力機器の変形例を示している。 第２実施形態の複合動力機器を示している。 第３実施形態の複合動力機器を示している。 第４実施形態の複合動力機器を示している。
　以下、本発明の複合動力機器１及び複合動力機器１の運転方法の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態の複合動力機器１を模式的に示したものである。
　図１に示すように、第１実施形態の複合動力機器１は、ランキンサイクル機器３と、バイナリサイクル機器４と、を組み合わせたものである。ランキンサイクル機器３は、発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機２（蒸気タービン）を備える。バイナリサイクル機器４は、膨張機２で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギの一部を回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出す。
　ランキンサイクル機器３は、図１の紙面左側に設けられた、図中の１点鎖線で囲まれた部分である。このランキンサイクル機器３は、過熱蒸気を用いて膨張機２（蒸気タービン）を回転駆動することにより、動力や電力を発生させる。第１実施形態では、発生した動力を利用して発電を行う発電システムが示されている。
　具体的には、このランキンサイクル機器３は、膨張機２、発電機５、第１熱交換器６、ポンプ７に加えて、図示を省略するボイラなどの蒸発器を備えている。この蒸発器は、水（イオン交換水や純水）を加熱して飽和蒸気を発生させるだけでなく、飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を発生できるようになっている。ボイラで発生した過熱蒸気は膨張機２に送られる。
　なお、以降の説明では、ランキンサイクル機器３側の膨張機２、発電機５、ポンプ７の前に「第１」という文言を付与して呼称する。後述するバイナリサイクル機器４側の膨張機８、発電機９、ポンプ１０の前に「第２」という文言を付与して呼称する。これにより、両サイクル機器の部材同士の混同を避ける。また、以降の説明で「蒸気」と表現した場合には、過熱蒸気だけでなく、飽和蒸気、湿り蒸気が含まれる。
　第１膨張機２（ランキンサイクル機器側の膨張機、すなわち蒸気タービン）は、蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させるものであり、蒸気の熱エネルギを運動エネルギに変換するものである。第１膨張機２の側方には、第１膨張機２の回転軸を通じて、第１膨張機２の回転駆動力が伝達された第１発電機５（ランキンサイクル機器側の発電機）がある。この第１発電機５は、第１膨張機２で発生した回転駆動力を用いてさらに電力を発生させている。第１膨張機２で膨張させられた後の蒸気は、第１熱交換器６に送られる。
　第１熱交換器６は、ランキンサイクル機器３で発生した熱エネルギの一部を回収して、バイナリサイクル機器４に移動させるものである。第１熱交換器６の１次側には、第１膨張機２で膨張させられた後の蒸気が供給されており、第１熱交換器６の２次側には、後述するバイナリサイクル機器４の作動媒体が液体の状態で供給されている。言い換えれば、第１熱交換器６は、ランキンサイクル機器３の蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器の役割を兼ねている。この第１熱交換器６で熱交換（冷却）が終了した蒸気は、第１ポンプ７（ランキンサイクル機器側のポンプ）を経由して上述した蒸発器に帰還する。
　一方、バイナリサイクル機器４は、図１の紙面右側に設けられた、図中の２点鎖線で囲まれた部分である。このバイナリサイクル機器４は、代替フロンやヘキサンのような低沸点の有機溶剤を作動媒体に用いたものであり、この作動媒体を膨張機（第２膨張機８）で膨張させることで回転駆動力を発生させるものである。なお、第１実施形態では、バイナリサイクル機器４もランキンサイクル機器３と同様に発生した動力を利用して発電を行う発電システムとして示されている。バイナリサイクル機器４は、発電機（第２発電機９）を備えている。
　具体的には、このバイナリサイクル機器４は、第１熱交換器６、第２膨張機８、第２発電機９、第２熱交換器１１、及び第２ポンプ１０を有している。
　第１熱交換器６は、上述したようにランキンサイクル機器３の蒸気を冷却すると共にこの蒸気から熱エネルギを回収するものであり、回収された熱エネルギを用いて低沸点の作動媒体を蒸発させる。つまり、第１熱交換器６は、作動媒体の蒸気を発生させるバイナリサイクル機器４の蒸発器の役割を兼ねている。第１熱交換器６で発生した作動媒体の蒸気は、第２膨張機８（バイナリサイクル機器側の膨張機）に送られる。
　第２膨張機８は、作動媒体の蒸気を膨張させて、ランキンサイクル機器３側から回収された熱エネルギの一部を運動エネルギに変換して回転駆動力を発生させるものである。第２膨張機８の側方には、この第２膨張機８で生成された回転駆動力が伝達される第２発電機９（バイナリサイクル機器側の発電機）があり、この第２発電機９も第１発電機５と同様に電力を発生させている。第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体は、第２熱交換器１１に送られる。
　第２熱交換器１１は、第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体の蒸気を冷却・凝縮させて、気体の作動媒体を液体に凝縮させるものである。第２熱交換器１１の１次側には第２膨張機８で膨張させられた後の作動媒体の蒸気が供給されており、また第２熱交換器１１の２次側には冷却水が供給されていて、両者の間で熱交換が行われている。言い換えれば、この第２熱交換器１１は、作動媒体を液体に凝縮する凝縮器となっている。第２熱交換器１１で生成した作動媒体の液体は、第２ポンプ１０（バイナリサイクル機器側のポンプ）を経由して上述した第１熱交換器６に帰還する。その後、作動媒体は第１熱交換器６で再び蒸発し、気体に戻る。
　上述したような、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４とを組み合わせた複合動力機器１では、まずランキンサイクル機器３において過熱蒸気の有する熱エネルギの一部が回収されて動力（電力）が発生する。そして、次に、バイナリサイクル機器４において、ランキンサイクル機器３で膨張した後の蒸気からさらに熱エネルギを回収する。言い換えれば、バイナリサイクル機器４は、ランキンサイクル機器３で回収できなかった残りの熱エネルギの一部を回収し、回収された熱エネルギを利用してバイナリサイクル機器４側でも動力（電力）を発生させる。
　つまり、上述した複合動力機器１では、バイナリサイクル機器４で発生した動力（電力）の分だけ、ランキンサイクル機器３単独で動力（電力）を発生させる場合より動力変換効率や発電効率が高くなり、多くの動力や電力を発生させることができる。
　ところが、過熱蒸気を用いて蒸気タービンを回転駆動させるランキンサイクル機器３を用いる場合、過熱蒸気を１００℃以下の温度、又は大気圧以下の圧力になるまで膨張機２内で膨張させて駆動力を発生させると、以下の不都合が生じるおそれがある。
　すなわち、第１膨張機２の出側にて、１００℃以下の温度や大気圧以下の圧力まで膨張させられた蒸気は、その体積が大きく減少している。それゆえ、ランキンサイクル機器のみで構成された従来の動力装置では、膨張機の出側からポンプまでの経路に設けられる復水器内での蒸気圧力が極めて低くなる。その結果、復水器の内部の圧力が真空に近くなって、復水器に気密構造を採用する必要が生じたり、密度の低い蒸気との伝熱が可能になるように復水器の伝熱面積を大きくしたりする必要が生じ、復水器の構造が大型化しやすくなる。
　そこで、本発明の複合動力機器１は、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する制御部１２を設けている。
　この制御部１２は、バイナリサイクル機器４内を流通する作動媒体の流量や温度を変化させたり、バイナリサイクル機器４に供給される冷却水の流量や温度を変化させることで、ランキンサイクル機器３からバイナリサイクル機器４へ回収される熱エネルギの量を調整する。
　第１実施形態の複合動力機器１に設けられる制御部１２は、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する。
　具体的には、制御部１２は、計測部１３と、作動媒体流量調整部１４と、調整制御部１５と、を備えている。計測部１３は、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２の出側を流通する蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測する。作動媒体流量調整部１４は、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整することができる。調整制御部１５は、計測部１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように作動媒体流量調整部１４に指令を送る。これにより、調整制御部１５は、バイナリサイクル機器４に備えられたポンプ（第２ポンプ１０）を流通する作動媒体の流量を調整する。
　次に、第１実施形態の制御部１２を構成する計測部１３、作動媒体流量調整部１４及び調整制御部１５について、詳しく説明する。
　計測部１３は、蒸気の温度を計測する温度センサ、蒸気の圧力を計測する圧力センサ、またはこれらの温度センサと圧力センサとを組み合わせたものであり、第１膨張機２の出側配管に設けられて膨張後の蒸気の温度及び／又は蒸気の圧力を計測している。この計測部１３で計測された温度及び／又は圧力の計測データは、後述する調整制御部１５に送られる。
　作動媒体流量調整部１４は、第２ポンプを流通する作動媒体の流量を調整するものであり、図示するような２つの流量調整弁１４１、１４２のいずれか、あるいは両方を用いることができる。
　すなわち、第１流量調整弁１４１は、調整制御部１５からの信号によって弁開度を調整可能なサーボ式などの流量調整弁である。第１流量調整弁１４１は、バイナリサイクル機器４の第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かう配管に設けられて、第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量、言い換えればバイナリサイクル機器４内を循環する作動媒体の循環流量を調整している。
　バイナリサイクル機器４の第２ポンプ１０の上流側に位置する配管と、下流側に位置する配管との間には、第２ポンプ１０を経由することなく作動媒体を上流側に直接帰還させることができるバイパス配管１６を設けられている。第２流量調整弁１４２は、このバイパス配管１６に設けられて、第１流量調整弁１４１と同様に調整制御部１５からの信号によって弁開度を調整可能な流量調整弁である。このような第２流量調整弁１４２により、バイパス配管１６を通じて第２ポンプ１０の下流側から上流側に帰還する作動媒体の流量（帰還流量）が調整でき、結果として第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を調整することができる。
　上述した作動媒体流量調整部１４としては、これら２つの流量調整弁１４１、１４２のうち、いずれか一方だけを用いても良いし、２つともを用いても良い。
　調整制御部１５は、上述した計測部１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように作動媒体流量調整部１４に指令を送る。この指令に応じて、作動媒体流量調整部１４（第１流量調整弁及び／又は第２流量調整弁）が、バイナリサイクル機器４に備えられた第２ポンプ１０を流通する作動媒体の流量を調整する。この調整制御部１５としては、例えばパソコンやＰＬＣなどを用いることができる。
　次に、調整制御部１５で行われる信号処理、より具体的には第１実施形態の複合動力機器１で行われる運転方法について説明する。
　第１実施形態の複合動力機器１で行われる運転方法においては、まず、計測部１３を用いて、膨張機２の出側を流通する蒸気の温度及び／又は圧力を計測する。計測された温度及び／又は圧力の計測データは、調整制御部１５に送られる。
　調整制御部１５は、計測部１３で計測された温度が１００℃未満となったり、計測された圧力が大気圧を下回ったりしたときは、作動媒体流量調整部１４に指令を送る。この指令に応じて、作動媒体流量調整部１４が、第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を変化させ、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する。
　なお、計測部１３で計測される圧力が「大気圧」であるとは、絶対圧が０．１ＭＰａであることを意味する。
　具体的には、計測部１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回った（０．１ＭＰａ以下となった）ときには、調整制御部１５は、作動媒体流量調整部１４に指令を送る。この指令に応じて、作動媒体流量調整部１４は、第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を減少させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が減少しなくなる。これにより、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となるか、蒸気の圧力が大気圧以上となる。
　一方、計測部１３で計測された温度が１００℃を大きく上回るか、または計測された圧力が大気圧を大きく超えたときには、調整制御部１５は、作動媒体流量調整部１４に指令を送る。この指令に応じて、作動媒体流量調整部１４は、第２ポンプ１０から第１熱交換器６に向かって流通する作動媒体の流量を増加させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４側に回収される熱エネルギの量が増加し、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が略１００℃となると共に、蒸気の圧力が略大気圧となる。その結果、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側で蒸気の体積を著しく減少させることなく、ランキンサイクル機器３及びバイナリサイクル機器４の両方で効率よく動力（電力）を発生させることができ、装置を大型化したり複雑化する必要もない。
　次に、図２を用いて、本発明の運転方法に従って運転した場合の複合動力機器１が、従来のランキンサイクル機器３とほぼ同等の働きを行うことを、効率（断熱効率）の観点から説明する。
　図２は、ランキンサイクル機器のみを用いた場合と、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４を組み合わせて用いた場合とで、断熱効率を比較して示したものである。条件として、蒸気温度１７０℃、圧力０．７ＭＰａＡの蒸気からの発電を想定している。
　ランキンサイクル機器のみを用いた場合の断熱効率は、図２中にひし形のマークとして示されている。ランキンサイクル機器のみを用いた場合、膨張機の出側（排気側）における蒸気の温度（＝圧力）を低下させるほど、高効率となる。また、図２よりランキンサイクル機器のみの場合は、蒸気排気温度が１００℃のとき断熱効率が０．０８程度であったものが、６０℃のとき断熱効率は０．１４程度まで上昇している。
　次に、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４とを組み合せて用いた場合の断熱効率を試算する。この試算は、蒸気温度１７０℃、圧力０．７ＭＰａＡの蒸気から膨張機２の出口（＝バイナリ入口）温度までランキンサイクル機器３で発電し、膨張後の蒸気のエネルギを使ってバイナリサイクル機器４で発電した場合の効率である。このように試算された断熱効率は、図２中に四角形のマークとして示されている。図２より、バイナリ入口温度が１５０℃のとき、断熱効率は０．１程度であったものが、バイナリ入口温度が１００℃になると断熱効率は０．１３程度となる。すなわち、ランキンサイクル機器３において膨張後の温度（蒸気排気温度）が６０℃（圧力が０．０８ＭＰａＡ）のときと同等の断熱効率を、ランキンサイクル機器３とバイナリサイクル機器４との組合せでは、蒸気が大気圧以上の扱いやすい条件で実現できる。
　なお、図３に示すように、上述した作動媒体流量調整部１４の代わりに、あるいは作動媒体流量調整部１４に加えて、調整制御部１５が、バイナリサイクル機器４に備えられた膨張機（第２膨張機８）の回転数を調整するように構成してもよい。あるいは、上述した作動媒体流量調整部１４の代わりに、あるいは作動媒体流量調整部１４に加えて、膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部（図示略）が第２発電機９または第２膨張機８に設けられてもよい。このように調整制御部１５や回転数調整部によりバイナリサイクル機器４の第２膨張機８や第２発電機９に負荷を付与してその回転数を下げた場合にも、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整することができる。
　バイナリサイクル機器４の第２発電機９に、調整制御部１５からの指令により与えられる負荷の大きさが変わる回転数調整部（例えば、インバータ、コンバータ）などを設けた場合、この回転数調整部によって第２発電機９または第２膨張機８の回転数が減少できる。このようにすれば、第２膨張機８や第２発電機９の回転数が変化するのに合わせて作動媒体の流量も変化し、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整することができる。
　なお、上述した作動媒体流量調整部１４に用いられる第１流量調整弁１４１や第２流量調整弁１４２は、流量調整弁としての機能だけでなく圧力調整弁としての機能を併せ持っている。
［第２実施形態］
　次に、第２実施形態の複合動力機器１を説明する。
　図４に示すように、第２実施形態の複合動力機器１の制御部１２は、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整する。
　具体的には、制御部１２は、冷却水流量調整部１８と、調整制御部１５と、を備えている。
　冷却水流量調整部１８は、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を調整する。冷却水流量調整部１８は、第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量のみを調整可能なサーボ式などの流量調整弁であり、調整制御部１５からの指令によって開閉自在とされている。
　調整制御部１５は、上述した計測部１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、冷却水流量調整部１８に指令を送る。この指令に応じて、冷却水流量調整部１８が、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を調整する。
　具体的には、計測部１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回ったときには、調整制御部１５が冷却水流量調整部１８に指令を送って、第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を減少させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が下がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が高くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が増える。これにより、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となると共に、蒸気の圧力が大気圧以上となる。
　一方、計測部１３で計測された温度が１００℃を大きく超えるか、または計測された圧力が大気圧を大きく超えたときには、調整制御部１５が冷却水流量調整部１８に指令を送って、第２熱交換器１１に供給される冷却水の流量を増加させる。このようにすれば、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が上がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が低くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が増加し、バイナリサイクル機器４で効率よく動力（電力）を発生させることができる。
　それゆえ、第２実施形態の複合動力機器１でも、過熱蒸気の温度を１００℃未満や大気圧以下に下げなくても、良好な効率を維持したまま動力を発生できることがわかる。
　なお、上述した例は、第２熱交換器１１における冷却水の流量を増減させることによりバイナリサイクル機器４から持ち去られる熱量を変化させ、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものであった。しかし、第２実施形態の複合動力機器１の制御部１２は、第２膨張機８の入側に設けられた流量調整弁１７を開閉してバイナリサイクル機器４に持ち込まれる熱量を変化させるものであってもよい。この流量調整弁１７は、流量調整弁としての機能だけでなく圧力調整弁としての機能を併せ持っている。
　なお、第２実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
［第３実施形態］
　次に、第３実施形態の複合動力機器１を説明する。
　図５に示すように、第３実施形態の複合動力機器１の制御部１２は、バイナリサイクル機器４に備えられた第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度を変化させることで、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量を調整するものである。
　具体的には、この制御部１２は、バイパス配管１９と、冷却水温度調整部２０と、調整制御部１５と、を備えている。バイパス配管１９は、ランキンサイクル機器３を流通する蒸気の一部を、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に供給される冷却水に合流させることにより、冷却水の温度を変更可能である。冷却水温度調整部２０は、バイパス配管１９を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する。調整制御部１５は、計測部１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、冷却水温度調整部２０に指令を送る。
　バイパス配管１９は、ランキンサイクル機器３の第１ポンプ７の下流側と、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に対して冷却水を供給する配管と、の間を結んでいる。バイパス配管１９により、ランキンサイクル機器３の第１熱交換器６で熱交換された後の蒸気の一部を所定の量だけ、バイナリサイクル機器４の第２熱交換器１１に対して供給される冷却水に合流させることができる。これにより、冷却水の温度が調整可能である。
　また、第３実施形態の冷却水温度調整部２０は、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量を調整可能な流量調整弁である。この冷却水温度調整部２０としては、上述したバイパス配管１９に設けられた第１流量調整弁２０１、バイパス配管１９の分岐位置より下流側に位置する蒸気配管に設けられた第２流量調整弁２０２、あるいは第１流量調整弁２０１及び第２流量調整弁２０２の双方を用いることができる。これらの第１流量調整弁２０１及び第２流量調整弁２０２は、いずれも第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度を調整可能なサーボ式などの流量調整弁であり、調整制御部１５からの指令によって開閉自在とされている。
　調整制御部１５は、上述した計測部１３で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、ランキンサイクル機器３に備えられた第１膨張機２で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、蒸気の圧力が大気圧以上となるように、冷却水温度調整部２０に指令を送る。この指令に応じて、冷却水温度調整部２０が、バイパス配管１９を通じて返送される蒸気の流量を変更することにより、第２熱交換器１１に供給される冷却水の温度が調整される。
　具体的には、計測部１３で計測された温度が１００℃未満となるか、または計測された圧力が大気圧を下回ったときには、調整制御部１５は、冷却水温度調整部２０に指令を送ってバイパス配管１９を流通する蒸気の流量を増加させる。このようにすれば、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量が増加し、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が下がって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が高くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が減少し、回収される熱エネルギの量が減少した分だけランキンサイクル機器３の熱エネルギ量が増える。これにより、ランキンサイクル機器３の第１膨張機２の出側における蒸気の温度が１００℃以上となると共に、蒸気の圧力が大気圧以上となる。
　一方、計測部１３で計測された温度が１００℃を大きく超えるか、または計測された圧力が大気圧を大きく超えたときには、調整制御部１５は、冷却水温度調整部２０に指令を送ってバイパス配管１９を流通する冷却水の流量を減少させる。このようにすれば、バイパス配管１９を流通する蒸気の流量が減少し、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体に対する第２熱交換器１１の冷却機能が大きくなって、バイナリサイクル機器４を循環する作動媒体の温度が低くなる。そして、バイナリサイクル機器４に回収される熱エネルギの量が増加し、バイナリサイクル機器４で効率よく動力（電力）を発生させることができる。
　それゆえ、第３実施形態の複合動力機器１でも、過熱蒸気の温度を１００℃未満や大気圧以下に下げなくても、良好な効率を維持したまま動力（電力）を発生できることがわかる。
　なお、第３実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
［第４実施形態］
　次に、第４実施形態の複合動力機器１を説明する。
　図６に示すように、第４実施形態の複合動力機器１は、ランキンサイクル機器３の膨張機２で発生した回転駆動力と、バイナリサイクル機器４の膨張機８で発生した回転駆動力と、の双方が伝達された発電機２１を有している。言い換えれば、第４実施形態の複合動力機器１に設けられる発電機２１は、１基だけであり、ランキンサイクル機器３の第１発電機５の機能と、バイナリサイクル機器４の第２発電機９の機能とを兼用する構成となっている。
　より具体的には、第４実施形態の発電機２１は、第１膨張機２の回転軸と第２膨張機８の回転軸との間に挟み込まれていて、両回転軸のいずれに対しても同軸となる位置にタービンを備えている。そして、この発電機２１には、第１膨張機２で発生した回転駆動力と第２膨張機８で発生した回転駆動力との双方が伝達され、これらを足し合わせた（総和の）駆動力に対応した動力（電力）を発生させている。
　このような構成であれば、発電機、この発電機から電力を送り出す配線、またはこの発電機を制御する機器などが１系統だけで済み、複合動力機器１の装置構成をさらに簡単なものとすることが可能となる。
　第４実施形態におけるその他の構成、奏する作用効果は第１実施形態と略同じであるため、その説明は省略する。
　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。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば容易に想定することが可能な値を採用している。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。本出願は２０１２年７月２３日出願の日本特許出願（特願２０１２－１６２６４３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
１　複合動力機器
２　膨張機（第１膨張機）
３　ランキンサイクル機器
４　バイナリサイクル機器
５　第１発電機
６　第１熱交換器
７　第１ポンプ
８　第２膨張機
９　第２発電機
１０　第２ポンプ
１１　第２熱交換器
１２　制御部
１３　計測部
１４　作動媒体流量調整部
１４１　第１流量調整弁
１４２　第２流量調整弁
１５　調整制御部
１６　バイパス配管
１７　流量調整弁
１８　冷却水流量調整部
１９　バイパス配管
２０　冷却水温度調整部
２０１　第１流量調整弁
２０２　第２流量調整弁
２１　発電機

Claims (10)

  1. 　発生した蒸気を膨張させて動力を生み出す膨張機を備えたランキンサイクル機器と、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した蒸気に含まれる熱エネルギを回収して、回収した熱エネルギを用いて動力を生み出すバイナリサイクル機器と、を組み合わせた複合動力機器であって、
    　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記ランキンサイクル機器からバイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整する制御部が設けられていることを特徴とする複合動力機器。
  2. 　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機は、発生した蒸気を膨張させて回転駆動力を発生させ、
    　前記ランキンサイクル機器は、
    　前記膨張機で膨張した後の蒸気を返送するポンプを備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合動力機器。
  3. 　前記バイナリサイクル機器は、
    　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気を１次側に導いて、２次側に供給された作動媒体を蒸発させる第１熱交換器と、
    　前記第１熱交換器で蒸発した作動媒体の蒸気を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、
    　前記バイナリサイクル機器の前記膨張機で膨張した作動媒体の蒸気を冷却し作動媒体を液体に凝縮する第２熱交換器と、
    　前記第２熱交換器から前記第１熱交換器に向って作動媒体を返送するポンプと、
    　を備えていることを特徴とする請求項１に記載の複合動力機器。
  4. 　前記制御部は、
    　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機の出側を流通する蒸気の温度及び／又は圧力を計測する計測部を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合動力機器。
  5. 　前記制御部は、
    　前記バイナリサイクル機器に備えられたポンプを流通する作動媒体の流量を調整可能な作動媒体流量調整部と、
    　前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記作動媒体流量調整部により前記バイナリサイクル機器に備えられた前記ポンプを流通する作動媒体の流量を調整する調整制御部と、
    　を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
  6. 　前記制御部は、
    　前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機の回転数を調整可能な回転数調整部と、
    　前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記回転数調整部により膨張機の回転数を調整する調整制御部と、
    　を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
  7. 　前記制御部は、
    　前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する冷却水流量調整部と、
    　前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水流量調整部により前記バイナリサイクル機器の前記第２熱交換器に供給される冷却水の流量を調整する調整制御部と、
    　を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
  8. 　前記制御部は、
    　前記ランキンサイクル機器を流通する蒸気の一部を、前記バイナリサイクル機器の第２熱交換器に供給される冷却水に合流させて、前記冷却水の温度を変更可能なバイパス配管と、
    　前記バイパス配管を流通して冷却水側に帰還する蒸気の流量を調整する冷却水温度調整部と、
    　前記計測部で計測された蒸気の流量及び／又は圧力に基づいて、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記冷却水温度調整部により前記バイパス配管を流通する蒸気の流量を調整する調整制御部と、
    　を備えていることを特徴とする請求項４に記載の複合動力機器。
  9. 　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で発生した回転駆動力と、前記バイナリサイクル機器に備えられた膨張機で発生した回転駆動力との双方が伝達された発電機を有していることを特徴とする請求項１に記載の複合動力機器。
  10. 　請求項１～９のいずれか１項に記載の複合動力機器を用いて動力を発生させる複合動力機器の運転方法であって、
    　前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の温度が１００℃以上、及び／又は、前記ランキンサイクル機器に備えられた前記膨張機で膨張した後の蒸気の圧力が大気圧以上となるように、前記バイナリサイクル機器に回収される熱エネルギの量を調整することを特徴とする複合動力機器の運転方法。
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