WO2021002146A1 - 圧縮空気貯蔵発電装置 - Google Patents

圧縮空気貯蔵発電装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2021002146A1
WO2021002146A1 PCT/JP2020/022337 JP2020022337W WO2021002146A1 WO 2021002146 A1 WO2021002146 A1 WO 2021002146A1 JP 2020022337 W JP2020022337 W JP 2020022337W WO 2021002146 A1 WO2021002146 A1 WO 2021002146A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
compression
expansion
compressed air
power generation
expander
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/022337
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松隈　正樹
Original Assignee
株式会社神戸製鋼所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社神戸製鋼所 filed Critical 株式会社神戸製鋼所
Publication of WO2021002146A1 publication Critical patent/WO2021002146A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the present invention relates to a compressed air storage power generation device.
  • CAES Compressed air energy storage
  • the compressor heats up due to the heat of compression in the compression process. Since there is an upper limit to the operating temperature of the compressor, a cooling jacket may be attached to the compressor (see, for example, Patent Document 1). The cooling jacket suppresses the generation of thermal strain in the casing of the compressor during the compression process.
  • both a compressor and an expander are required, but it is preferable to use a compression / expansion combined machine that also uses these.
  • the compression / expansion combined machine By using the compression / expansion combined machine, the number of components is reduced, the installation area is reduced, the construction man-hours are reduced, and the maintenance cost is reduced.
  • An object of the present invention is to improve the operation efficiency of a CAES power generation device using a compression / expansion combined machine by favorably cooling the compression / expansion combined machine.
  • the present invention has a function as a compressor for compressing air and a function as an expander for expanding compressed air, and has a compression / expansion combined machine having a cooling jacket through which a cooling liquid is passed, and the compression / expansion combined machine.
  • An electric power generator that is mechanically connected and has a function as an electric motor that drives the compressor / expansion machine and a function as a generator that is driven by the compressor / expansion machine, and a compressor / expansion machine fluidly.
  • the accumulator unit that is connected and stores the compressed air generated by the compressor / expansion machine, the liquid flow adjusting unit that adjusts the flow rate of the coolant to the cooling jacket, and the compression / expansion machine expand.
  • the amount of the coolant flowing through the cooling jacket when functioning as a machine is equal to or less than the amount of the coolant passing through the cooling jacket when the compressor / expansion machine functions as a compressor.
  • a compressed air storage power generation device including a control device for controlling the liquid flow amount adjusting unit.
  • the compression / expansion combined machine can be sufficiently cooled in the compression process, and excessive cooling of the compression / expansion combined machine in the expansion process can be suppressed. Therefore, since the compression / expansion combined machine can be cooled favorably, the operating efficiency of the CAES power generation device using the compression / expansion combined machine can be improved.
  • the amount of liquid passing through the expansion process includes zero, that is, the flow of liquid is stopped.
  • the compression / expansion combined machine may be a screw type.
  • the screw rotor is used in both the compression process and the expansion process, and the rotation directions of the screw rotors are opposite to each other in the compression process and the expansion process, so that the compression / expansion machine can be easily used.
  • the intake amount and the discharge amount can be adjusted by adjusting the rotation speed of the screw rotor, it is possible to provide a CAES power generation device having a wide operating range by being able to responsively follow an irregularly fluctuating input power.
  • a supply air temperature sensor that measures the temperature of the air supplied to the compression / expansion combined machine may be further provided.
  • the supply air temperature sensor can detect an abnormal temperature outside the allowable temperature range in the operation of the compression / expansion combined machine.
  • the air supply means the supply of compressed air to the compression / expansion combined machine in the expansion process.
  • the intake air means the suction of air by the compression / expansion combined machine in the compression process.
  • the control device controls the liquid flow amount adjusting unit to obtain the above.
  • the amount of the coolant passing through the cooling jacket may be increased.
  • the abnormal temperature above a predetermined value means a temperature above the operating upper limit of the compression / expansion combined machine.
  • the control device controls the liquid flow amount adjusting unit to obtain the above.
  • the coolant may be drained from the cooling jacket.
  • the abnormal temperature below a predetermined value means a temperature at which the coolant freezes. The temperature depends on the type of coolant.
  • the compression / expansion combined machine in a CAES power generation device using a compression / expansion combined machine, can be suitably cooled by controlling the liquid flow in the cooling jacket according to the operating state, so that the operating efficiency can be improved. ..
  • the schematic block diagram (compression process) of the compressed air storage power generation apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • the schematic block diagram (expansion process) of the compressed air storage power generation apparatus which concerns on embodiment of this invention.
  • Partial cross-sectional view of the compression / expansion machine (compression process).
  • Partial cross-sectional view (expansion process) of the compression / expansion combined machine The flowchart which shows the control method of the amount of liquid passing through a cooling jacket.
  • the PV diagram which shows the effect of the liquid flow control.
  • FIGS. 1 and 2 show the compressed air storage (CAES: compressed air energy storage) power generation device 1.
  • FIG. 1 shows the CAES power generation device 1 in the charging operation state
  • FIG. 2 shows the CAES power generation device 1 in the power generation operation state.
  • the charging operation means to generate and store compressed air by using electric power, and corresponds to the compression process of the compression / expansion combined machine 10 described later.
  • the power generation operation means to generate electric power by using the stored compressed air, and corresponds to the expansion process of the compression / expansion combined machine 10 described later.
  • the thick arrows in FIGS. 1 and 2 indicate the flow of air.
  • the CAES power generation device 1 receives power from the power generation facility 2 that generates power using renewable energy, performs a charging operation, and performs a power generation operation according to the power demand. That is, the CAES power generation device 1 equalizes irregular output fluctuations of the power generation facility 2 and supplies power according to the power demand.
  • a wind power generation facility is illustrated as a power generation facility 2 that generates power using renewable energy.
  • the types of renewable energy are not limited to this, and are constantly or repetitively replenished by natural forces such as sunlight, solar heat, wave power, tidal power, running water, or tide, and fluctuate irregularly. It can cover all power generation using energy.
  • all factories with fluctuating power generation such as factories with power generation facilities that operate irregularly, can be targeted.
  • the CAES power generation device 1 includes a compression / expansion combined machine 10, an electric power generation combined machine 20, a pressure accumulator 30, and a control device 40.
  • the compression / expansion combined machine 10 is a two-stage type, and includes a low-pressure stage main body 11 and a high-pressure stage main body 12. Therefore, compression and expansion can be performed in two steps each.
  • the compression / expansion combined machine 10 may be a single-stage type or a multi-stage type having three or more stages.
  • the compression / expansion combined machine 10 of the present embodiment is a screw type. Since the screw type compression / expansion combined machine 10 can control the rotation speed, it can responsively follow the input power that fluctuates irregularly from the power generation facility 2. Therefore, the screw type compression / expansion combined machine 10 is preferable as a component of the CAES power generation device 1. Further, the compression / expansion combined machine 10 can be easily configured by using the screw rotor in both the compression process and the expansion process and making the rotation directions of the screw rotors opposite to each other in the compression process and the expansion process. However, the compression / expansion combined machine 10 may be a positive displacement type, and may be a scroll type or a reciprocating type in addition to the screw type.
  • the flow paths 5a to 5d shown by the broken lines in FIGS. 1 and 2 are the flow paths of the coolant supplied to the cooling jacket described later.
  • a coolant is supplied to the cooling jacket of the compression / expansion combined machine 10.
  • the flow path 5a is a flow path on the upstream side of the low pressure stage main body 11.
  • the coolant is supplied to the low pressure stage main body 11 through the flow path 5a.
  • the flow path 5b is a flow path from the low pressure stage main body 11 to the high pressure stage main body 12.
  • the coolant flows from the low pressure stage main body 11 to the high pressure stage main body 12 through the flow path 5b.
  • the flow path 5c is a flow path on the downstream side of the high-voltage stage main body 12.
  • the coolant discharged from the high-voltage stage main body 12 is discharged from the CAES power generation device 1 through the flow path 5c.
  • the flow path 5d is a flow path for drainage branched from the flow path 5a, and the details will be described later.
  • the liquid flow rate adjusting unit 50 includes a coolant pump 51 for pumping the coolant, a flow rate adjusting valve 52 for adjusting the flow rate, and a three-way valve 53 for draining the liquid.
  • the coolant pump 51, the three-way valve 53, and the flow rate adjusting valve 52 are provided in this order from the upstream side to the downstream side in the flow path 5a.
  • the coolant pump 51 is a known fluid pump, and its mode is not particularly limited.
  • the coolant pump 51 pumps the coolant from the flow path 5a to the flow path 5c.
  • the pumping of the coolant by the coolant pump 51 is controlled by the control device 40.
  • the flow rate adjusting valve 52 can adjust the flow rate of the coolant by adjusting the opening degree.
  • the opening degree of the flow rate adjusting valve 52 is controlled by the control device 40.
  • the three-way valve 53 is a valve for switching between supplying the cooling liquid flowing through the flow path 5a to the compression / expansion combined machine 10 and draining the cooling liquid to the outside through the flow path 5d.
  • the three-way valve 53 is normally set to allow the cooling liquid to flow through the compression / expansion combined machine 10, but when an abnormality described later occurs, the cooling liquid is not supplied to the compression / expansion combined machine 10 and is discharged to the outside through the flow path 5d. It is set to liquid.
  • the coolant remaining in the compression / expansion combined machine 10 has a higher pressure than the atmospheric pressure, so that the coolant is naturally drained through the flow paths 5b and 5c. ..
  • the mode of the liquid passing amount adjusting unit 50 is an example, and is not particularly limited to the above configuration, and may be any one that enables adjustment of the liquid passing amount of the coolant.
  • a flow rate sensor 19 is provided in the flow path 5b.
  • the flow rate sensor 19 can measure the flow rate of the coolant flowing between the low pressure stage main body 11 and the high pressure stage main body 12.
  • the flow rate data measured by the flow rate sensor 19 is sent to the control device 40.
  • oil is supplied to the compression / expansion combined machine 10.
  • the oil here is supplied to a rotating mechanism such as a bearing of the compression / expansion combined machine 10.
  • the compression / expansion combined machine 10 itself of the present embodiment is an oil-free type that does not require refueling, and the oil here is not supplied to the compression chamber / expansion chamber 11d described later, and the bearing or the like rotates. Supplied to the mechanism.
  • the refueled oil is stored in the oil tank 60 after lubrication of a rotating mechanism such as a bearing.
  • the oil stored in the oil tank 60 is refueled by the oil pump 61 to the rotating mechanism such as the bearing of the compression / expansion machine 10.
  • FIGS. 3 and 4 show the low pressure stage main body 11 of the compression / expansion combined machine 10.
  • FIG. 3 shows the low-voltage stage main body 11 in the charging operation state
  • FIG. 4 shows the low-voltage stage main body 11 in the power generation operation state.
  • the high-voltage stage main body 12 also has substantially the same structure as the low-pressure stage main body 11.
  • the low-voltage stage main body 11 has a casing 11c as an exterior.
  • the casing 11c is composed of a plurality of parts and is combined to form one exterior.
  • the casing 11c is provided with a low pressure port 11a that serves as an intake port in the compression process and an exhaust port in the expansion process, and a high pressure port 11b that serves as a discharge port in the compression process and an air supply port in the expansion process.
  • the casing 11c defines a compression chamber / expansion chamber 11d inside.
  • a pair of male and female screw rotors 11f are arranged in the compression chamber / expansion chamber 11d.
  • the screw rotor 11f is supported by the rotary shaft member 11g.
  • the casing 11c is provided with a through hole 11e, and the rotary shaft member 11g extends through the through hole 11e to the inside and outside of the casing 11c.
  • the through hole 11e of the casing 11c is provided with a sealing mechanism 11i that seals the gap between the rotating shaft member 11g and the casing 11c.
  • the compression chamber / expansion chamber 11d is sealed by the sealing mechanism 11i, air leakage from the compression chamber / expansion chamber 11d is suppressed, and the lubricating oil that lubricates the bearing 11h does not enter the compression chamber / expansion chamber 11d. It has been done.
  • the rotary shaft member 11g is mechanically connected to the motor generator 20 (conceptually illustrated in FIGS. 3 and 4).
  • the rotating shaft member 11g is rotatably supported by the bearing 11h, and can transmit rotational power to the motor generator 20.
  • the electric power generation combined machine 20 has a function as an electric motor (motor) for driving the compression / expansion combined machine 10 and a function as a generator driven by the compression / expansion combined machine 10.
  • the power generation facility 2 is electrically connected to the motor generator 20.
  • the motor generator 20 In the charging operation, the motor generator 20 is driven by the fluctuating input power from the power generation facility 2. Further, the motor generator 20 is electrically connected to a power system (not shown). In the power generation operation, the electric power generation combined machine 20 generates power, and the generated power is transmitted to the power system.
  • the casing 11c also has a function as a cooling jacket. Therefore, the casing may be referred to as a cooling jacket.
  • the cooling jacket 11c is formed with a coolant flow path 11j through which the coolant is passed.
  • the coolant flow path 11j fluidly connects the coolant flow path 5a and the flow path 5b.
  • the coolant can be, for example, water or coolant.
  • the coolant flows in the coolant flow path 11j at a predetermined temperature or lower to cool the casing 11c.
  • the cooling jacket 12c of the high-pressure stage main body 12 has the same structure, and the cooling fluid flow paths formed in the cooling jacket 12c of the high-pressure stage main body 12 are the flow path 5b and the flow path 5c. Is fluidly connected.
  • a flow rate adjusting valve 13 is fluidly connected to the low pressure port 11a of the low pressure stage main body 11.
  • the flow rate adjusting valve 13 is a component for adjusting the intake amount and the exhaust amount.
  • the flow rate adjusting valve 13 has a configuration in which the flow rate can be adjusted by using the compressed air discharged from the high pressure port 12b of the high pressure stage main body 12.
  • a silencer 14 for reducing intake noise and exhaust noise is fluidly connected to the flow rate adjusting valve 13.
  • the high pressure port 11b of the low pressure stage main body 11 is fluidly connected to the low pressure port 12a of the high pressure stage main body 12.
  • the thick arrow A indicates that the arrow A is connected as an air flow path.
  • a heat exchanger 15 is interposed between the high pressure port 11b of the low pressure stage main body 11 and the low pressure port 12a of the high pressure stage main body 12.
  • a heat medium is supplied to the heat exchanger 15, and the heat exchanger 15 exchanges heat between the heat medium and air. Therefore, in the heat exchanger 15, air is heated or cooled by a heat medium as needed.
  • the high pressure port 12b of the high pressure stage main body 12 is fluidly connected to the accumulator portion 30.
  • a heat exchanger 16 is interposed between the high pressure port 12b of the high pressure stage main body 12 and the accumulator portion 30.
  • a heat medium is supplied to the heat exchanger 16, and the heat exchanger 16 exchanges heat between the heat medium and air. Therefore, in the heat exchanger 16, air is heated or cooled by a heat medium as needed.
  • the pressure accumulator portion 30 is a portion that stores compressed air.
  • the accumulator 30 may be, for example, a steel tank.
  • the number of pressure accumulators 30 is not particularly limited, and a plurality of tanks may be provided. Further, the pressure accumulator 30 does not necessarily have to be in the form of a tank. Alternatively, it may be able to store compressed air, such as a closed underground cavity.
  • the motor generator 20 is driven as an electric motor by the input power from the power generation facility 2, and the motor generator 10 is compressed by the motor generator 20. Drive as a machine. That is, in the charging operation, compressed air is generated by using electric power, and the generated compressed air is stored in the accumulator unit 30.
  • the low-pressure stage main body 11 of the compression / expansion combined machine 10 takes in air from the low-pressure port 11a through the flow rate adjusting valve 13 to compress it, generate compressed air, and discharge the compressed air from the high-pressure port 11b.
  • the compressed air discharged from the high pressure port 11b of the low pressure stage main body 11 is supplied to the low pressure port 12a of the high pressure stage main body 12 after being cooled by the heat exchanger 15.
  • the high-pressure stage main body 12 further compresses the compressed air taken in from the low-pressure port 12a to generate high-pressure compressed air, which is discharged from the high-pressure port 12b.
  • the compressed air discharged from the high-pressure port 12b of the high-pressure stage main body 12 is cooled by the heat exchanger 16 and then stored in the pressure accumulator 30.
  • the compressed air supplied from the accumulator unit 30 drives the compression / expansion combined machine 10 as an expander, and the compression / expansion combined machine 10 drives the electric power generation combined machine. 20 is driven as a generator. That is, in the power generation operation, the compressed air of the accumulator 30 is used to generate electric power.
  • the rotation directions of the screw rotor 11f are opposite to each other.
  • the compressed air sent out from the accumulator unit 30 is heated by the heat exchanger 16 and then supplied to the high pressure port 12b of the high pressure stage main body 12 of the compression / expansion combined machine 10.
  • the compressed air supplied to the high-voltage port 12b drives the high-voltage stage main body 12 as an expander, and the motor generator 20 is driven as a generator.
  • the compressed air expanded in the high-pressure stage main body 12 is exhausted from the low-pressure port 12a, heated by the heat exchanger 15, and then supplied to the high-pressure port 11b of the low-pressure stage main body 11.
  • the compressed air supplied to the high-voltage port 11b drives the low-voltage stage main body 11 as an expander, and the motor generator 20 is driven as a generator.
  • the air expanded in the low pressure stage main body 11 is exhausted from the low pressure port 11a and released to the atmosphere.
  • the electric power generated by the motor generator 20 is supplied to an electric power system (not shown).
  • the air supply temperature sensor 17 is installed in the high pressure port 11b of the low pressure stage main body 11, and the air supply temperature sensor 18 is also installed in the high pressure port 12b of the high pressure stage main body 12.
  • the air supply temperature sensors 17 and 18 can measure the temperature of the compressed air supplied to the low pressure stage main body 11 and the high pressure stage main body 12 in the expansion process, respectively.
  • the temperature data measured by the supply air temperature sensors 17 and 18 is sent to the control device 40 and used for the control described later.
  • the control device 40 controls the liquid passing amount adjusting unit 50 to set the liquid passing amount V 0 (step 3).
  • the liquid passing amount V 0 here is a liquid passing amount that allows efficient compression when the compression / expansion combined machine 10 is driven as a compressor.
  • the control unit 40 when the operating state of the CAES power generator 1 is a generator operation (power: step S2), and a liquid passing amount V 1 by controlling the liquid passing amount adjusting unit 50 (Step 4).
  • the liquid passage amount V 1 here may be, for example, a liquid passage amount such that the coolant does not boil in the cooling jacket, or the liquid passage may be completely stopped.
  • the liquid passing amount adjusting unit 50 is controlled so that the liquid passing amount V 0 or less of the cooling liquid to the cooling jackets 11c and 12c of the above.
  • Controller 40 is preferably the cooling jacket 11c when compression-expansion combined machine 10 functions as an expander, the liquid permeation amount V 1 of the coolant to 12c, the compression-expansion combined machine 10 functions as a compressor
  • the liquid passing amount adjusting unit 50 is controlled so that the liquid passing amount of the cooling liquid to the cooling jackets 11c and 12c is less than V 0 .
  • the liquid passing amount V 1 in the power generation operation may be set to about 1/10 of the liquid passing amount V 0 in the charging operation.
  • Such control of the flow rate may be performed based on the feedback of the flow rate sensor 19. This also applies to the subsequent control of the flow rate.
  • Controller 40 even after the liquid passing amount V 1 at step S4, whether the temperature of the compressed air supply to the compressor-expander combined machine 10 is not the abnormal high temperature (first abnormal temperature) It is monitored by the measured values of the supply air temperature sensors 17 and 18 (step S5).
  • the abnormally high temperature means a temperature exceeding the operating upper limit temperature of the compression / expansion combined machine 10.
  • the liquid passing amount V 2 here may be the same as the liquid passing amount V 0 during the charging operation.
  • the magnitude relationship of the liquid passing volumes V 0 , V 1 , and V 2 is V 1 ⁇ V 2 ⁇ V 0 .
  • the control device 40 has an abnormally low temperature of the supply air temperature sensors 17 and 18. Monitor for presence (step S7).
  • the values of the supply air temperature sensors 17 and 18 are abnormally low temperature (second abnormal temperature) (YES: step S7)
  • the cooling liquid is drained from the cooling jackets 11c and 12c (step S8). ..
  • the abnormally low temperature means the temperature at which the coolant freezes.
  • the abnormally low temperature is a temperature that differs depending on the type of coolant.
  • the three-way valve 53 see FIGS.
  • step S9 the control is terminated. In practice, these controls are constantly repeated during the operation of the CAES generator 1.
  • the compression / expansion combined machine 10 can be sufficiently cooled in the charging operation (compression process), and the compression / expansion combined machine 10 is excessively cooled in the power generation operation (expansion process). Can be suppressed. Therefore, since the compression / expansion combined machine 10 can be cooled favorably, the operating efficiency of the CAES power generation device 1 using the compression / expansion combined machine 10 can be improved.
  • FIG. 6 is a PV diagram that simply shows the effect of liquid flow control. That is, the vertical axis represents the pressure P of air, and the horizontal axis represents the volume V of air.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the effect. In this embodiment, the two-stage compression / expansion machine 10 is used, but in FIG. 6, the single-stage compression / expansion machine 10 is used. Is shown.
  • points X1 to X21 or points X22 indicate an air supply stroke, and in the air supply stroke, compressed air is supplied from the accumulator 30 to the compression / expansion combined machine 10.
  • the expansion stroke is shown, and the compressed air is expanded in the expansion stroke.
  • two straight lines L1 and L2 corresponding to the air supply stroke and two curves C1 and C2 corresponding to the expansion stroke are shown.
  • the straight line L1 and the curve C1 show a case where the flow rate is not controlled, unlike the present embodiment.
  • the straight line L2 and the curve C2 show a case where the liquid flow amount is controlled as in the present embodiment and the liquid flow amount in the expansion process (air supply stroke and expansion stroke) is set to be equal to or less than the liquid flow amount in the compression process.
  • heat exchange by passing liquid through the cooling jackets 11c and 12c is divided into the following two types. 1) Between the external air supply port 11b-1 and the internal air supply port 11b-2, which is the air supply process (see Fig. 4). 2) Between the internal air supply port 11b-2 and the internal exhaust port 11a-1, which is the expansion stroke (expansion chamber 11d) (see FIG. 4).
  • the shaded area S1 can be obtained by limiting the amount of heat released in the air supply stroke of 1), and the shaded region S2 can be obtained by limiting the amount of heat released in the expansion stroke of 2). ..
  • the increase in the shaded area S1 in 1) indicates that heat dissipation from the external air supply port 11b-1 to the internal air supply port 11b-2 causes a decrease in the supply air temperature, which can be suppressed.
  • the decrease in the supply air temperature from the external air supply port 11b-1 to the internal air supply port 11b-2 since the internal air supply volume is constant, the mass of supply air required for expansion increases as this temperature decreases.
  • the flow rate [kg / h] increases.
  • the supply air temperature sensors 17 and 18 detect an abnormal supply air temperature to the compression / expansion combined machine 10, and the amount of liquid flowing is appropriately controlled as described above. Therefore, in the compression / expansion combined machine 10, thermal deformation of the casings 11c and 12c due to an abnormally high temperature in the expansion process can be prevented, and freezing of the coolant in the casings 11c and 12c due to an abnormally low temperature in the expansion process can be prevented. It should be noted that the supply air temperature sensors 17 and 18 and the control of the amount of liquid passing therethrough are not essential and may be omitted if necessary.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮機および膨張機としての機能を有し、冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機１０と、圧縮膨張兼用機１０と機械的に接続され、圧縮膨張兼用機１０を駆動する電動機としての機能および圧縮膨張兼用機１０によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機２０と、圧縮膨張兼用機１０と流体的に接続され、圧縮膨張兼用機１０により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部３０と、冷却ジャケットへの冷却液の通液量を調整する冷却液ポンプ５１と、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケットへの冷却液の通液量以下となるように冷却液ポンプ５１を制御する制御装置４０とを備える。

Description

圧縮空気貯蔵発電装置
　本発明は、圧縮空気貯蔵発電装置に関する。
　変動する不安定な発電出力を平滑化または平準化するための技術の一つとして、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）が知られている。この技術を利用したＣＡＥＳ発電装置では、電力を使用して電動機で圧縮機を駆動することにより圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は一時的に貯蔵され、電力が必要なときに、貯蔵された圧縮空気で膨張機（タービン）を作動させて発電機を駆動することにより発電する。
　ＣＡＥＳ発電装置では、圧縮過程において圧縮機が圧縮熱によって昇温する。圧縮機の運転温度には上限があるため、圧縮機には冷却ジャケットが取り付けられることがある（例えば特許文献１参照）。冷却ジャケットにより、圧縮過程において圧縮機のケーシングに熱歪が発生することを抑制する。
特開２０１６－２１１４６６号公報
　ところで、ＣＡＥＳ発電装置では、圧縮機と膨張機の両方が必要とされるが、これらを兼用とした圧縮膨張兼用機を使用することが好ましい。圧縮膨張兼用機を使用することにより、構成部品数が減少し、設置面積が減少し、施工の工数が低減し、およびメンテナンス費用が低減する。
　しかし、圧縮膨張兼用機を使用すると、前述のような圧縮機の冷却ジャケット構造をそのまま採用することはできない。
　本発明は、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、圧縮膨張兼用機を好的に冷却することによって運転効率を向上させることを課題とする。
　本発明は、空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有し、冷却液を通液する冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御する制御装置とを備える、圧縮空気貯蔵発電装置を提供する。
　この構成によれば、制御装置による通液量調整部の制御によって、圧縮過程において圧縮膨張兼用機を十分に冷却できるとともに、膨張過程において圧縮膨張兼用機の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置の運転効率を向上させることができる。ここで、膨張過程の通液量は、ゼロを含み、即ち通液を停止することを含むものとする。
　前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型であってもよい。
　この構成によれば、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機を簡易に構成できる。また、スクリュロータの回転速度の調整によって、吸気量および吐出量を調整できるため、不規則に変動する入力電力に応答性良く追従でき、広範な運転範囲を有するＣＡＥＳ発電装置を提供できる。
　前記圧縮膨張兼用機に給気される空気の温度を測定する給気温度センサをさらに備えてもよい。
　この構成によれば、給気温度センサによって、圧縮膨張兼用機の運転において許容される温度範囲外の異常温度を検知できる。ここで、給気とは、膨張過程における圧縮膨張兼用機への圧縮空気の供給のことをいう。これに対し、吸気とは、圧縮過程における圧縮膨張兼用機による空気の吸い込みのこという。
　前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以上の第１の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を増やしてもよい。
　この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常高温による熱変形を防止できる。ここで、所定以上の異常温度とは、圧縮膨張兼用機の運転上限以上の温度のことをいう。
　前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以下の第２の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットから前記冷却液を排液してもよい。
　この構成によれば、圧縮膨張兼用機において、膨張過程の異常低温による冷却液の凍結を防止できる。ここで、所定以下の異常温度とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該温度は、冷却液の種類によって異なる。
　本発明によれば、圧縮膨張兼用機を使用したＣＡＥＳ発電装置において、運転状態に応じた冷却ジャケット内の通液制御によって好適に圧縮膨張兼用機を冷却できるため、運転効率を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図（圧縮過程）。 本発明の実施形態に係る圧縮空気貯蔵発電装置の概略構成図（膨張過程）。 圧縮膨張兼用機の部分断面図（圧縮過程）。 圧縮膨張兼用機の部分断面図（膨張過程）。 冷却ジャケットへの通液量の制御方法を示すフローチャート。 通液量制御の効果を示すＰＶ線図。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
　図１，２は、圧縮空気貯蔵（ＣＡＥＳ：compressed air energy storage）発電装置１を示している。図１は充電運転状態のＣＡＥＳ発電装置１を示し、図２は発電運転状態のＣＡＥＳ発電装置１を示している。ここで、充電運転とは、電力を使用して圧縮空気を生成して蓄えることをいい、後述する圧縮膨張兼用機１０の圧縮過程に対応する。また、発電運転とは、蓄えた圧縮空気を使用して電力を生成することをいい、後述する圧縮膨張兼用機１０の膨張過程に対応する。なお、図１，２中の太い矢印は、空気の流れを示している。
　図１，２を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１は、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２から電力を受けて充電運転を行い、電力需要に合わせて発電運転を行う。即ち、ＣＡＥＳ発電装置１は、発電設備２の不規則な出力変動を平準化するとともに、電力需要に応じた電力供給を行う。
　本実施形態では、再生可能エネルギーを利用して発電する発電設備２として風力発電設備を例示している。ただし、再生可能エネルギーの種類は、これに限定されず、太陽光、太陽熱、波力、潮力、流水、または潮汐等の自然の力で定常的ないし反復的に補充され、不規則に変動するエネルギーを利用した発電の全てを対象とし得る。さらに言えば、再生可能エネルギー以外にも不規則に稼働する発電設備を有する工場等のように、発電量が変動するものすべてを対象とし得る。
　ＣＡＥＳ発電装置１は、圧縮膨張兼用機１０と、電動発電兼用機２０と、蓄圧部３０と、制御装置４０とを備える。
　本実施形態では、圧縮膨張兼用機１０は、２段型であり、低圧段本体１１と、高圧段本体１２とを備える。従って、圧縮および膨張をそれぞれ２段階で行うことができる。ただし、圧縮膨張兼用機１０は、単段型であってもよいし、３段以上の複数段型であってもよい。
　また、本実施形態の圧縮膨張兼用機１０は、スクリュ型である。スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、回転数制御可能であるため、発電設備２からの不規則に変動する入力電力に応答性良く追従できる。従って、スクリュ型の圧縮膨張兼用機１０は、ＣＡＥＳ発電装置１の構成要素として好ましい。また、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータを兼用とし、圧縮過程と膨張過程とでスクリュロータの回転方向を互いに逆方向とする構成とすることにより、圧縮膨張兼用機１０を簡易に構成できる。ただし、圧縮膨張兼用機１０は、容積型であればよく、スクリュ型以外にも、例えばスクロール型またはレシプロ型であってもよい。
　図１，２において破線で示した流路５ａ～５ｄは、後述する冷却ジャケットに供給される冷却液の流路である。図１，２に示されているように、圧縮膨張兼用機１０の冷却ジャケットには冷却液が供給される。流路５ａは、低圧段本体１１の上流側の流路である。冷却液は、流路５ａを通じて低圧段本体１１に供給される。流路５ｂは、低圧段本体１１から高圧段本体１２までの流路である。冷却液は、流路５ｂを通じて低圧段本体１１から高圧段本体１２まで流れる。流路５ｃは、高圧段本体１２の下流側の流路である。高圧段本体１２から出た冷却液は、流路５ｃを通じてＣＡＥＳ発電装置１から排出される。流路５ｄは、流路５ａから分岐した排液用の流路であり、詳細については後述する。
　流路５ａ～５ｄの冷却液の流動は、通液量調整部５０によって調整されている。本実施形態では、通液量調整部５０は、冷却液を圧送する冷却液ポンプ５１と、流量を調整する流量調整弁５２と、排液用の三方弁５３とを含む。冷却液ポンプ５１、三方弁５３、および流量調整弁５２は、流路５ａにおいて上流側から下流側に向かってこの順で設けられている。
　冷却液ポンプ５１は、公知の流体ポンプであり、その態様は特に限定されない。冷却液ポンプ５１は、流路５ａから流路５ｃに冷却液を圧送している。冷却液ポンプ５１による冷却液の圧送は、制御装置４０によって制御されている。
　流量調整弁５２は、開度調整により、冷却液の流量を調整できる。流量調整弁５２の開度は、制御装置４０によって制御されている。
　三方弁５３は、流路５ａを流れる冷却液を圧縮膨張兼用機１０に供給するか、流路５ｄを通じて外部に排液するかを切り替えるための弁である。三方弁５３は、通常時、圧縮膨張兼用機１０に冷却液を流すように設定されているが、後述する異常時には圧縮膨張兼用機１０に冷却液を供給せずに流路５ｄを通じて外部に排液するように設定されている。なお、この排液の際、圧縮膨張兼用機１０内に残存する冷却液は、大気圧に比べて高い圧力を有しているため、流路５ｂ，５ｃをも通じて自然と排液される。
　なお、上記通液量調整部５０の態様は、一例であり、上記構成に特に限定されず、冷却液の通液量の調整を可能にするものであればよい。
　また、流路５ｂには、流量センサ１９が設けられている。流量センサ１９によって低圧段本体１１と高圧段本体１２との間を流れる冷却液の流量を測定できる。流量センサ１９によって測定された流量のデータは、制御装置４０に送られる。
　図１，２において一点鎖線で示されているように、圧縮膨張兼用機１０には油が供給される。ここでの油は、圧縮膨張兼用機１０の軸受等の回転機構に供給される。詳細には、本実施形態の圧縮膨張兼用機１０自体は、給油を必要としないオイルフリー式であり、ここでの油は後述する圧縮室／膨張室１１ｄには供給されず、軸受等の回転機構に供給される。給油された油は、軸受等の回転機構の潤滑後にオイルタンク６０に溜められる。オイルタンク６０に溜められた油は、オイルポンプ６１によって再び圧縮膨張兼用機１０の軸受等の回転機構に給油される。
　図３，４は、圧縮膨張兼用機１０の低圧段本体１１を示している。図３は充電運転状態の低圧段本体１１を示し、図４は発電運転状態の低圧段本体１１を示している。なお、高圧段本体１２も低圧段本体１１と実質的に同一の構造を有している。
　図３，４を参照して、低圧段本体１１は、外装となるケーシング１１ｃを有している。ケーシング１１ｃは、複数の部品から構成され、組み合わされて一つの外装を構成している。ケーシング１１ｃには、圧縮過程において吸気口および膨張過程において排気口となる低圧口１１ａと、圧縮過程において吐出口および膨張過程において給気口となる高圧口１１ｂとが設けられている。また、ケーシング１１ｃは、内部に圧縮室／膨張室１１ｄを画定している。圧縮室／膨張室１１ｄには、雌雄一対のスクリュロータ１１ｆ（図３，４では雄側のスクリュロータのみ図示）が配置されている。スクリュロータ１１ｆは、回転軸部材１１ｇに支持されている。ケーシング１１ｃには貫通孔１１ｅが設けられており、回転軸部材１１ｇは貫通孔１１ｅを通ってケーシング１１ｃの内外にわたって延びている。ケーシング１１ｃの貫通孔１１ｅには、回転軸部材１１ｇとケーシング１１ｃとの隙間をシールするシール機構１１ｉが設けられている。シール機構１１ｉによって圧縮室／膨張室１１ｄは密閉されており、圧縮室／膨張室１１ｄからの空気の漏出が抑制されるとともに、軸受１１ｈを潤滑する潤滑油が圧縮室／膨張室１１ｄに浸入しないようされている。
　ケーシング１１ｃ外において、回転軸部材１１ｇは、電動発電兼用機２０（図３，４において概念的に図示）に機械的に接続されている。回転軸部材１１ｇは、軸受１１ｈに回転可能に支持されており、電動発電兼用機２０と回転動力の伝達が可能となっている。
　電動発電兼用機２０は、圧縮膨張兼用機１０を駆動する電動機（モータ）としての機能および圧縮膨張兼用機１０によって駆動される発電機としての機能を有する。電動発電兼用機２０には、発電設備２が電気的に接続されている。充電運転においては、電動発電兼用機２０は、発電設備２からの変動する入力電力によって駆動される。また、電動発電兼用機２０は、不図示の電力系統に電気的に接続されている。発電運転においては、電動発電兼用機２０は発電を行い、発電した電力は電力系統に送電される。
　また、ケーシング１１ｃは、冷却ジャケットとしての機能も有している。従って、ケーシングのことを冷却ジャケットという場合がある。冷却ジャケット１１ｃには、冷却液が通液される冷却液流路１１ｊが形成されている。冷却液流路１１ｊは、冷却液の流路５ａと流路５ｂとを流体的に接続している。冷却液は、例えば水またはクーラント液であり得る。冷却液は、所定温度以下で冷却液流路１１ｊ内を流動し、ケーシング１１ｃを冷却する。なお、詳細を図示しないが、高圧段本体１２の冷却ジャケット１２ｃも同様の構造を有し、高圧段本体１２の冷却ジャケット１２ｃ内に形成された冷却液流路は、流路５ｂと流路５ｃとを流体的に接続している。
　図１，２を参照して、低圧段本体１１の低圧口１１ａには、流量調整弁１３が流体的に接続されている。流量調整弁１３は、吸気量および排気量を調整するための部品である。本実施形態では、流量調整弁１３は、高圧段本体１２の高圧口１２ｂから吐出される圧縮空気を利用して流量調整可能な構成となっている。また、流量調整弁１３には、吸気音および排気音を低減させるサイレンサ１４が流体的に接続されている。
　低圧段本体１１の高圧口１１ｂは、高圧段本体１２の低圧口１２ａに流体的に接続されている。図１，２において、太い矢印Ａは空気の流路として接続されていることを示している。低圧段本体１１の高圧口１１ｂと高圧段本体１２の低圧口１２ａとの間には、熱交換器１５が介設されている。熱交換器１５には熱媒が供給されており、熱交換器１５では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器１５では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
　高圧段本体１２の高圧口１２ｂは、蓄圧部３０と流体的に接続されている。高圧段本体１２の高圧口１２ｂと蓄圧部３０との間には、熱交換器１６が介設されている。熱交換器１６には、熱媒が供給されており、熱交換器１６では熱媒と空気との熱交換が行われる。従って、熱交換器１６では、必要に応じて空気が熱媒によって加熱または冷却される。
　蓄圧部３０は、圧縮空気を蓄える部分である。蓄圧部３０は、例えば鋼製のタンクであり得る。蓄圧部３０の数は特に限定されず、複数個のタンクが設けられてもよい。また、蓄圧部３０は必ずしもタンクの態様でなくてもよい。代替的には、密閉した地下空洞のように圧縮空気を貯蔵できるものであり得る。
　上記構成を有するＣＡＥＳ発電装置１の運転動作について説明する。
　図１を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が充電運転を行うときには、発電設備２からの入力電力により電動発電兼用機２０を電動機として駆動し、電動発電兼用機２０によって圧縮膨張兼用機１０を圧縮機として駆動する。つまり、充電運転では、電力を使用して圧縮空気を生成し、生成した圧縮空気を蓄圧部３０に貯蔵する。
　具体的には、充電運転では、圧縮膨張兼用機１０の低圧段本体１１は、流量調整弁１３を通じて低圧口１１ａから吸気して圧縮し、圧縮空気を生成し、高圧口１１ｂから圧縮空気を吐出する。低圧段本体１１の高圧口１１ｂから吐出された圧縮空気は、熱交換器１５にて冷却された後に高圧段本体１２の低圧口１２ａに供給される。高圧段本体１２は低圧口１２ａから吸気した圧縮空気をさらに圧縮し、高圧の圧縮空気を生成し、高圧口１２ｂから吐出する。高圧段本体１２の高圧口１２ｂから吐出された圧縮空気は、熱交換器１６にて冷却された後に蓄圧部３０に貯蔵される。
　図２を参照して、ＣＡＥＳ発電装置１が発電運転を行うときには、蓄圧部３０から供給される圧縮空気により圧縮膨張兼用機１０を膨張機として駆動し、圧縮膨張兼用機１０によって電動発電兼用機２０を発電機として駆動する。つまり、発電運転では、蓄圧部３０の圧縮空気を使用して電力を生成する。なお、充電運転と発電運転では、スクリュロータ１１ｆ（図３，４参照）の回転方向が互いに逆方向である。
　具体的には、発電運転では、蓄圧部３０から送出された圧縮空気が、熱交換器１６で加熱された後に圧縮膨張兼用機１０の高圧段本体１２の高圧口１２ｂに給気される。高圧口１２ｂに給気された圧縮空気によって高圧段本体１２が膨張機として駆動し、電動発電兼用機２０が発電機として駆動される。高圧段本体１２にて膨張された圧縮空気は、低圧口１２ａから排気され、熱交換器１５にて加熱された後に、低圧段本体１１の高圧口１１ｂに給気される。高圧口１１ｂに給気された圧縮空気によって低圧段本体１１が膨張機として駆動し、電動発電兼用機２０が発電機として駆動される。低圧段本体１１にて膨張された空気は、低圧口１１ａから排気され、大気に放出される。電動発電兼用機２０で発電した電力は、不図示の電力系統に供給される。
　低圧段本体１１の高圧口１１ｂには給気温度センサ１７が設置されており、高圧段本体１２の高圧口１２ｂにも同様に給気温度センサ１８が設置されている。給気温度センサ１７，１８によって低圧段本体１１および高圧段本体１２に膨張過程において給気される圧縮空気の温度をそれぞれ測定できる。給気温度センサ１７，１８によって測定された温度のデータは、制御装置４０に送られ、後述する制御に使用される。
　図５を参照して、制御装置４０による通液量調整部５０の制御方法を説明する。
　制御装置４０は、ＣＡＥＳ発電装置１の運転状態が充電である場合（充電：ステップＳ２）、通液量調整部５０を制御して通液量Ｖ０とする（ステップ３）。ここでの通液量Ｖ０は、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として駆動した際に効率的に圧縮を行える程度の通液量である。また、制御装置４０は、ＣＡＥＳ発電装置１の運転状態が発電運転である場合（発電：ステップＳ２）、通液量調整部５０を制御して通液量Ｖ１とする（ステップ４）。ここでの通液量Ｖ１は、例えば冷却液が冷却ジャケット内で沸騰しない程度の通液量としてもよいし、完全に通液を停止してもよい。
　換言すると、制御装置４０は、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ１が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ０以下となるように通液量調整部５０を制御する。制御装置４０は、好適には、圧縮膨張兼用機１０が膨張機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ１が、圧縮膨張兼用機１０が圧縮機として機能する際の冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの冷却液の通液量Ｖ０未満となるように通液量調整部５０を制御する。例えば、発電運転の通液量Ｖ１を充電運転の通液量Ｖ０の１／１０程度としてもよい。このような通液量の制御は、流量センサ１９のフィードバックに基づいて行われてもよい。これは、以降の通液量の制御においても同様である。
　制御装置４０は、ステップＳ４にて通液量Ｖ１とした後も、圧縮膨張兼用機１０に給気される圧縮空気の温度が異常な高温（第１の異常温度）となっていないかを給気温度センサ１７，１８の測定値によって監視している（ステップＳ５）。そして、異常な高温が検知された場合（ＹＥＳ：ステップＳ５）には、通液量Ｖ２とする（ステップＳ６）。ここで、異常な高温とは、圧縮膨張兼用機１０の運転上限温度を超える温度のことをいう。例えば、ここでの通液量Ｖ２は、充電運転の際の通液量Ｖ０と同じとしてもよい。ここで、通液量Ｖ０、Ｖ１，Ｖ２の大小関係は、Ｖ１≦Ｖ２≦Ｖ０となっている。また、給気温度センサ１７，１８の値が異常な高温となっていない場合（ＮＯ：ステップＳ５）には、制御装置４０は、給気温度センサ１７，１８の値が異常な低温となっていないかを監視する（ステップＳ７）。給気温度センサ１７，１８の値が異常な低温（第２の異常温度）となっている場合（ＹＥＳ：ステップＳ７）には、冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃから冷却液を排液する（ステップＳ８）。ここで、異常な低温とは、冷却液が凍結する温度のことをいう。当該異常な低温は、冷却液の種類によって異なる温度である。排液の際には、三方弁５３（図１，２参照）を切り替えて、圧縮膨張兼用機１０に冷却液を流さず流路５ｄを通じて外部に冷却液を排液する。そして、これらの処理を完了後、制御を終了する（ステップＳ９）。実際には、これらの制御がＣＡＥＳ発電装置１の運転中、絶えず繰り返される。
　上記ＣＡＥＳ発電装置１によれば、以下の効果を奏する。
　制御装置４０による通液量調整部５０の制御によって、充電運転（圧縮過程）において圧縮膨張兼用機１０を十分に冷却できるとともに、発電運転（膨張過程）において圧縮膨張兼用機１０の過度の冷却を抑制できる。従って、圧縮膨張兼用機１０を好的に冷却できるため、圧縮膨張兼用機１０を使用したＣＡＥＳ発電装置１の運転効率を向上させることができる。
　図６は、通液量制御の効果を簡易的に示すＰＶ線図である。即ち、縦軸が空気の圧力Ｐを示し、横軸が空気の体積Ｖを示している。図６は効果を説明するための模式的なものであり、本実施形態では２段型の圧縮膨張兼用機１０を使用しているが、図６では単段型の圧縮膨張兼用機１０によるものを示している。
　図６を参照して、点Ｘ１から点Ｘ２１または点Ｘ２２は給気行程を示しており、給気行程では蓄圧部３０から圧縮膨張兼用機１０に圧縮空気が給気されている。次いで、点Ｘ２１または点Ｘ２２から点Ｘ３（大気圧）では、膨張行程を示しており、膨張行程では圧縮空気が膨張している。図６では、給気行程に対応する２つの直線Ｌ１，Ｌ２と、膨張行程に対応する２つ曲線Ｃ１，Ｃ２とが示されている。直線Ｌ１および曲線Ｃ１は、本実施形態と異なり、通液量の制御を行なわない場合を示している。直線Ｌ２および曲線Ｃ２は、本実施形態のように通液量制御を行い、膨張過程（給気行程および膨張行程）における通液量を圧縮過程における通液量以下とした場合を示している。
　図６を参照すると、通液量の制御を行った場合（直線Ｌ２，曲線Ｃ２）、通液量の制御を行っていない場合（直線Ｌ１，曲線Ｃ１）よりも、斜線で示す面積分Ｓ１，Ｓ２だけ仕事量が増加していることが確認できる。従って、本実施形態のように通液量の制御を行った場合（直線Ｌ２，曲線Ｃ２）、通液量の制御を行っていない場合（直線Ｌ１，曲線Ｃ１）よりも、運転効率が向上していることがわかる。
　具体的には、冷却ジャケット１１ｃ，１２ｃへの通液による熱交換は次の２つに分かれる。
１）　給気行程となる外部給気口１１ｂ－１から内部給気口１１ｂ－２の間（図４参照）
２）　膨張行程となる内部給気口１１ｂ－２から内部排気口１１ａ－１の間（膨張室１１ｄ）（図４参照）
　図６を参照して、１）の給気行程での放熱量を制限することで、斜線領域Ｓ１が得られ、２）の膨張行程での放熱量を制限することで斜線領域Ｓ２が得られる。１）の斜線領域Ｓ１の増加は、外部給気口１１ｂ－１から内部給気口１１ｂ－２での放熱が給気温度の低下をもたらすが、これを抑制できることを示している。外部給気口１１ｂ－１から内部給気口１１ｂ－２に至るまでの給気温度低下については、内部給気体積が一定であるため、この温度が低下するほど膨張に必要な給気空気質量流量［ｋｇ/ｈ］が増大する。従って、発電性能を示す比発電電力量［ｋＷｈ/ｋｇ］が低下するため、この放熱を制限するために通液量の抑制が必要である。２）の斜線領域Ｓ２の増加は、高温での膨張を可能にすることで、膨張効率が向上することを示している。
　また、本実施形態では、給気温度センサ１７，１８によって、圧縮膨張兼用機１０への異常な給気温度を検知し、前述のように通液量を好適に制御している。そのため、圧縮膨張兼用機１０において、膨張過程の異常高温によるケーシング１１ｃ，１２ｃの熱変形を防止できるとともに、膨張過程の異常低温によるケーシング１１ｃ，１２ｃ内での冷却液の凍結を防止できる。なお、給気温度センサ１７，１８およびこれに伴う通液量の制御は、必須ではなく、必要に応じて省略され得る。
　以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。
　　１　圧縮空気貯蔵発電装置（ＣＡＥＳ発電装置）
　　２　発電設備
　　５ａ～５ｄ　流路
　　１０　圧縮膨張兼用機
　　１１　低圧段本体
　　１１ａ　低圧口
　　１１ａ－１　内部排気口
　　１１ｂ　高圧口
　　１１ｂ－１　外部給気口
　　１１ｂ－２　内部給気口
　　１１ｃ　ケーシング（冷却ジャケット）
　　１１ｄ　圧縮室／膨張室
　　１１ｅ　貫通孔
　　１１ｆ　スクリュロータ
　　１１ｇ　回転軸部材
　　１１ｈ　軸受
　　１１ｉ　シール機構
　　１１ｊ　冷却液流路
　　１２　高圧段本体
　　１２ａ　低圧口
　　１２ｂ　高圧口
　　１２ｃ　ケーシング（冷却ジャケット）
　　１３　流量調整弁
　　１４　サイレンサ
　　１５，１６　熱交換器
　　１７，１８　給気温度センサ
　　１９　流量センサ
　　２０　電動発電兼用機
　　３０　蓄圧部
　　４０　制御装置
　　５０　通液量調整部
　　５１　冷却液ポンプ
　　５２　流量調整弁
　　５３　三方弁
　　６０　オイルタンク
　　６１　オイルポンプ

Claims (5)

  1. 　空気を圧縮する圧縮機としての機能および圧縮空気を膨張させる膨張機としての機能を有し、冷却液を通液する冷却ジャケットを有する圧縮膨張兼用機と、
    　前記圧縮膨張兼用機と機械的に接続され、前記圧縮膨張兼用機を駆動する電動機としての機能および前記圧縮膨張兼用機によって駆動される発電機としての機能を有する電動発電兼用機と、
    　前記圧縮膨張兼用機と流体的に接続され、前記圧縮膨張兼用機により生成された圧縮空気を貯蔵する蓄圧部と、
    　前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を調整する通液量調整部と、
    　前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量が、前記圧縮膨張兼用機が圧縮機として機能する際の前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量以下となるように前記通液量調整部を制御する制御装置と
    　を備える、圧縮空気貯蔵発電装置。
  2. 　前記圧縮膨張兼用機は、スクリュ型である、請求項１に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  3. 　前記圧縮膨張兼用機に給気される空気の温度を測定する給気温度センサをさらに備える、請求項１または請求項２に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  4. 　前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以上の第１の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットへの前記冷却液の通液量を増やす、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
  5. 　前記圧縮膨張兼用機が膨張機として機能する場合、前記給気温度センサが所定以下の第２の異常温度を検出するとき、前記制御装置は、前記通液量調整部を制御することにより、前記冷却ジャケットから前記冷却液を排液する、請求項３に記載の圧縮空気貯蔵発電装置。
PCT/JP2020/022337 2019-07-02 2020-06-05 圧縮空気貯蔵発電装置 WO2021002146A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-123438 2019-07-02
JP2019123438A JP6756880B1 (ja) 2019-07-02 2019-07-02 圧縮空気貯蔵発電装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021002146A1 true WO2021002146A1 (ja) 2021-01-07

Family

ID=72432422

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/022337 WO2021002146A1 (ja) 2019-07-02 2020-06-05 圧縮空気貯蔵発電装置

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6756880B1 (ja)
WO (1) WO2021002146A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0742573A (ja) * 1993-07-30 1995-02-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧縮空気エネルギー貯蔵式電力平準化システム
JP2013509529A (ja) * 2009-10-28 2013-03-14 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 圧縮器−膨張器可逆式ユニットを備える圧縮空気エネルギー貯蔵システム
US20140238022A1 (en) * 2011-09-05 2014-08-28 Boge Kompressoren Otto Boge Gmbh & Co. Kg System for storing energy by means of compressed air
JP2016048063A (ja) * 2014-08-27 2016-04-07 株式会社神戸製鋼所 圧縮流体貯蔵発電装置
JP2016211436A (ja) * 2015-05-08 2016-12-15 株式会社神戸製鋼所 圧縮空気貯蔵発電装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0742573A (ja) * 1993-07-30 1995-02-10 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 圧縮空気エネルギー貯蔵式電力平準化システム
JP2013509529A (ja) * 2009-10-28 2013-03-14 ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ 圧縮器−膨張器可逆式ユニットを備える圧縮空気エネルギー貯蔵システム
US20140238022A1 (en) * 2011-09-05 2014-08-28 Boge Kompressoren Otto Boge Gmbh & Co. Kg System for storing energy by means of compressed air
JP2016048063A (ja) * 2014-08-27 2016-04-07 株式会社神戸製鋼所 圧縮流体貯蔵発電装置
JP2016211436A (ja) * 2015-05-08 2016-12-15 株式会社神戸製鋼所 圧縮空気貯蔵発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP6756880B1 (ja) 2020-09-16
JP2021008860A (ja) 2021-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9897103B2 (en) Compressor
JP6510876B2 (ja) 圧縮空気貯蔵発電方法および圧縮空気貯蔵発電装置
EP2524144B1 (en) Integral compressor-expander
US11079143B2 (en) Heat pump
CN112648168B (zh) 往返式压缩膨胀机
WO2021002146A1 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置
AU2007255673A1 (en) Refrigerating apparatus
WO2020110684A1 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置および圧縮空気貯蔵発電方法
US10626754B2 (en) Compression device
US11952941B2 (en) Compressed air energy storage power generation device
US11319876B2 (en) Compressed air energy storage power generation apparatus
US20210180588A1 (en) Reciprocating compressor-expander
WO2018198724A1 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法
WO2021039467A1 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置
JP6793616B2 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法
JP6906013B2 (ja) ヒートポンプ
JP2023166928A (ja) 圧縮機システム
JP2006161734A (ja) スクリュー圧縮機およびその運転制御方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20835655

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20835655

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1