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公開番号2021080833
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210527
出願番号2019206057
出願日20191114
発明の名称発電装置
出願人株式会社神戸製鋼所
代理人個人,個人,個人
主分類F01K 13/02 20060101AFI20210430BHJP(機械または機関一般;機関設備一般;蒸気機関)
要約【課題】再生器の使用及び不使用を選択可能にする発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本出願は、ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源から熱を回収するとともに回収された熱を用いて発電する発電装置100。発電装置は、熱源との熱交換の下で作動媒体を蒸発させる蒸発器112と、蒸発した作動媒体の膨張によって駆動される膨張機113と、蒸発器に流入する前の前記作動媒体と膨張機で仕事をした後の前記作動媒体とを熱交換させることが可能に構成された再生器121と、膨張機に接続された発電機115と、作動媒体が再生器を通過することなく蒸発器に流入する経路を構成する第1流路116と作動媒体が再生器を通過した後に蒸発器に流入する経路を構成する第2流路120との間で作動媒体の流動経路を切り替える切替部と、を備えている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源から熱を回収するとともに前記回収された熱を用いて発電する発電装置であって、
前記熱源との熱交換の下で前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発した作動媒体の膨張によって駆動される膨張機と、
前記蒸発器に流入する前の前記作動媒体と前記膨張機で仕事をした後の前記作動媒体とを熱交換させることが可能に構成された再生器と、
前記膨張機に接続された発電機と、
前記作動媒体が前記再生器を通過することなく前記蒸発器に流入する経路を構成する第1流路と前記作動媒体が前記再生器を通過した後に前記蒸発器に流入する経路を構成する第2流路との間で前記作動媒体の流動経路を切り替える切替部と、を備えている
発電装置。
続きを表示(約 1,400 文字)【請求項2】
前記作動媒体と冷熱源との熱交換の下で前記作動媒体を凝縮するように構成された凝縮器と、
前記第1流路及び前記第2流路のいずれが前記作動媒体の前記流動経路として選択されたときに高い発電量が得られるかを、前記蒸発器への前記熱源及び前記凝縮器への前記冷熱源の流入温度及び流量に基づいて判定する判定部と、を更に備え、
前記第1流路が選択されるときに前記高い発電量が得られると前記判定部が判定したときに、前記切替部は、前記作動媒体の前記流動経路を前記第1流路に設定し、
前記第2流路が選択されるときに前記高い発電量が得られると前記判定部が判定したときに、前記切替部は、前記作動媒体の前記流動経路を前記第2流路に設定する
請求項1に記載の発電装置。
【請求項3】
前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプと、
前記蒸発器から流出した前記熱源の流出温度を検出する温度検出部と、
前記蒸発器から流出する前記作動媒体の過熱状態及び前記流出温度の検出値が所定の設定値を上回った状態を維持するように前記媒体ポンプを制御するポンプ制御部と、を備え、
前記判定部は、前記設定値、前記熱源及び前記冷熱源の前記流入温度及び前記流量に基づいて、前記作動媒体の前記流動経路として前記第1流路を選択するか前記第2流路を選択するかを判定する
請求項2に記載の発電装置。
【請求項4】
前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプと、
前記蒸発器から流出した前記熱源の流出温度を検出する温度検出部と、
前記蒸発器から流出する前記作動媒体の過熱状態及び前記流出温度の検出値が所定の設定値を上回った状態を維持するように前記媒体ポンプを制御するポンプ制御部と、を備え、
前記判定部は、前記検出値、前記熱源及び前記冷熱源の前記流入温度及び前記流量に基づいて、前記作動媒体の前記流動経路として前記第1流路を選択するか前記第2流路を選択するかを判定する
請求項2に記載の発電装置。
【請求項5】
前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプを更に備え、
前記第1流路は、前記媒体ポンプから前記蒸発器に延設され、
前記第2流路は、互いに離間した位置で前記第1流路に接続された両端部を有しているとともに前記再生器を通過するように延設され、
前記切替部は、前記第2流路の前記両端部の間に位置するように前記第1流路に設けられた第1媒体バルブと、前記第2流路に設けられた第2媒体バルブと、前記第1媒体バルブ及び前記第2媒体バルブを制御する媒体バルブ制御部と、を含み、
前記第1流路が選択されるときに、前記媒体バルブ制御部は、前記第1媒体バルブを開く一方で前記第2媒体バルブを閉じ、
前記第2流路が選択されるときに、前記媒体バルブ制御部は、前記第2媒体バルブを開く一方で前記第1媒体バルブを閉じる
請求項1又は2に記載の発電装置。
【請求項6】
前記作動媒体と冷熱源との熱交換の下で前記作動媒体を凝縮するように構成された凝縮器と、
前記第1流路が選択されるときに前記冷熱源を前記凝縮器及び前記再生器に供給する一方で、前記第2流路が選択されるときに前記冷熱源を前記再生器へ供給することなく前記凝縮器へ供給するように前記冷熱源の供給経路を切り替える供給切替部と、を更に備えている
請求項1に記載の発電装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源から熱を回収するとともに回収された熱を用いて発電する発電装置に関する。
続きを表示(約 7,000 文字)【背景技術】
【0002】
ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源から熱を回収するとともに回収された熱を用いて発電する様々な発電装置が開発されている。これらの発電装置は、作動媒体が流れる循環流路と、循環流路上に設けられた媒体ポンプ、蒸発器、膨張機及び凝縮器と、膨張機の内部ロータに接続された発電機と、媒体ポンプを制御するポンプ制御部とを備えている。蒸発器、膨張機及び凝縮器は、媒体ポンプによって吐出された作動媒体がこれらを順に通過するように配置されている。蒸発器は、熱源と媒体ポンプから吐出された作動媒体との熱交換の下で作動媒体を蒸発させるように構成されている。膨張機は、蒸発した作動媒体の膨張の下で内部ロータを回転させるように構成されている。凝縮器は、膨張機で仕事をした後の作動媒体と冷熱源との熱交換の下で作動媒体を凝縮させるように構成されている。ポンプ制御部は、作動媒体が過熱状態で蒸発器から流出するように媒体ポンプからの作動媒体の吐出量を制御する。
【0003】
発電量を増加させることを目的として、媒体ポンプから吐出された作動媒体を膨張機で仕事をした後の作動媒体と熱交換させる再生器が発電装置に組み込まれることがある(特許文献1〜3を参照)。再生器が発電装置に組み込まれる場合、循環流路は、媒体ポンプから吐出された作動媒体が再生器を通過した後に蒸発器に流入するとともに、膨張機で仕事をした後の作動媒体が再生器を通過した後に凝縮器に流入するように構成される。したがって、媒体ポンプから吐出された作動媒体が蒸発器に入る前に、作動媒体の温度が上がる一方で、膨張機で仕事をした後の作動媒体が凝縮器に入る前に、作動媒体の温度が下がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2013−76383号公報
特開2014−218922号公報
特開2009−138684号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発電装置に再生器が組み込まれる場合には、過熱度が上がりやすいので、作動媒体の流量を増やすことによって、発電機の発電量を増加させることが期待される。一方で、作動媒体が再生器を通過するときに圧力損失が生ずる。この圧力損失は、発電量に影響するので、再生器が組み込まれた場合において、発電量が低減することも起こりえる。
【0006】
本発明は、再生器を備えた発電装置において、再生器の使用に伴う発電量の低減を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一の局面に係る発電装置は、ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源から熱を回収するとともに前記回収された熱を用いて発電するように構成されている。発電装置は、前記熱源との熱交換の下で前記作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発した作動媒体の膨張によって駆動される膨張機と、前記蒸発器に流入する前の前記作動媒体と前記膨張機で仕事をした後の前記作動媒体とを熱交換させることが可能に構成された再生器と、前記膨張機に接続された発電機と、前記作動媒体が前記再生器を通過することなく前記蒸発器に流入する経路を構成する第1流路と前記作動媒体が前記再生器を通過した後に前記蒸発器に流入する経路を構成する第2流路との間で前記作動媒体の流動経路を切り替える切替部と、を備えている。
【0008】
上記の構成によれば、切替部は、作動媒体の流動経路を第1流路と第2流路との間で切り替える。作動媒体の流動経路として第1流路が選択されると、作動媒体は、再生器を通過しないので、再生器での圧力損失の影響を受けることなく蒸発器に流入することができる。作動媒体の流動経路として第2流路が選択されると、作動媒体は、再生器での熱交換の下で昇温された後に蒸発器に流入する。再生器によって発電量が増加することが確認されているような場合には、第2流路を選択することによって発電量が増加する。一方、再生器によって発電量が低下することが確認されているような場合には、第1流路を選択することによって、再生器の使用に伴う発電量の低減を防止することができる。
【0009】
上記の構成に関して、発電装置は、前記作動媒体と冷熱源との熱交換の下で前記作動媒体を凝縮するように構成された凝縮器と、前記第1流路及び前記第2流路のいずれが前記作動媒体の前記流動経路として選択されたときに高い発電量が得られるかを、前記蒸発器への前記熱源及び前記凝縮器への前記冷熱源の流入温度及び流量に基づいて判定する判定部とを更に備えていてもよい。前記第1流路が選択されるときに前記高い発電量が得られると前記判定部が判定したときに、前記切替部は、前記作動媒体の前記流動経路を前記第1流路に設定してもよい。前記第2流路が選択されるときに前記高い発電量が得られると前記判定部が判定したときに、前記切替部は、前記作動媒体の前記流動経路を前記第2流路に設定してもよい。
【0010】
上記の構成によれば、熱源の流入温度、熱源の流量及び冷熱源の流量が高い値を取る一方で、冷熱源の流入温度が低い値を取るとき、膨張機の吸込側と吐出側との間の圧力差が大きくなり、高い発電量が得られる。すなわち、熱源及び冷熱源の流量及び流入温度は、発電量に影響する因子である。一方、再生器の使用の結果生ずる圧力損失が大きくなると、発電量は低下する。この圧力損失は、熱源及び冷熱源の流量に影響される。すなわち、熱源及び冷熱源の流量及び流入温度は、圧力損失にも影響を与える因子である。したがって、判定部は、より高い発電量を得るために第1流路及び第2流路のいずれを選択すべきかを、熱源及び冷熱源の流入温度及び流量に基づいて判定することができる。切替部は、判定部の判定結果に基づいて作動媒体の流動経路を第1流路又は第2流路に設定するので、発電機は、高い発電量を達成することができる。
【0011】
上記の構成に関して、発電装置は、前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプと、前記蒸発器から流出した前記熱源の流出温度を検出する温度検出部と、前記蒸発器から流出する前記作動媒体の過熱状態及び前記流出温度の検出値が所定の設定値を上回った状態を維持するように前記媒体ポンプを制御するポンプ制御部とを備えていてもよい。前記判定部は、前記設定値、前記熱源及び前記冷熱源の前記流入温度及び前記流量に基づいて、前記作動媒体の前記流動経路として前記第1流路を選択するか前記第2流路を選択するかを判定してもよい。
【0012】
上記の構成によれば、ポンプ制御部のポンプ制御によって、蒸発器からの熱源の流出温度が設定値を上回っているので、熱源の熱を発電だけでなく他の用途にも利用可能となる。
【0013】
熱源の流入温度と設定値との間の差は、上述のポンプ制御に影響する。熱源の流入温度と設定値との間の差が小さい場合には、蒸発器における熱源の大きな温度降下は許容されない。蒸発器での温度降下は、再生器の使用によって抑制されるので、再生器が使用されたときの方が再生器が使用されないときよりも、媒体ポンプからの作動媒体の吐出量を増加させることができる。この場合、判定部は、熱源の流入温度及び設定値に基づいて、作動媒体の流動経路として第2流路を選択することができる。一方、熱源の流入温度と設定値との間の差が大きい場合には、蒸発器における熱源の大きな温度降下が許容されるので、設定値はポンプ制御にあまり影響しない。この場合、判定部は、熱源及び冷熱源の流量及び流入温度に基づいて、作動媒体の前記流動経路として第1流路を選択するか第2流路を選択するかを判定することができる。
【0014】
上記の構成に関して、発電装置は、前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプと、前記蒸発器から流出した前記熱源の流出温度を検出する温度検出部と、前記蒸発器から流出する前記作動媒体の過熱状態及び前記流出温度の検出値が所定の設定値を上回った状態を維持するように前記媒体ポンプを制御するポンプ制御部とを備えていてもよい。前記判定部は、前記検出値、前記熱源及び前記冷熱源の前記流入温度及び前記流量に基づいて、前記作動媒体の前記流動経路として前記第1流路を選択するか前記第2流路を選択するかを判定してもよい。
【0015】
熱源の流出温度の設定値が大きい場合、流出温度の検出値も大きくなる。熱源の流出温度の設定値が小さい場合、流出温度の検出値も小さくなる。したがって、判定部は、熱源の流出温度の設定値に代えて、温度検出部から得られた流出温度の検出値に基づいて、より高い発電量を得るための判定を行うことができる。
【0016】
上記の構成に関して、発電装置は、前記作動媒体を前記蒸発器へ吐出する媒体ポンプを更に備えていてもよい。前記第1流路は、前記媒体ポンプから前記蒸発器に延設されていてもよい。前記第2流路は、互いに離間した位置で前記第1流路に接続された両端部を有しているとともに前記再生器を通過するように延設されていてもよい。前記切替部は、前記第2流路の前記両端部の間に位置するように前記第1流路に設けられた第1媒体バルブと、前記第2流路に設けられた第2媒体バルブと、前記第1媒体バルブ及び前記第2媒体バルブを制御する媒体バルブ制御部とを含んでいてもよい。前記第1流路が選択されるときに、前記媒体バルブ制御部は、前記第1媒体バルブを開く一方で前記第2媒体バルブを閉じてもよい。前記第2流路が選択されるときに、前記媒体バルブ制御部は、前記第2媒体バルブを開く一方で前記第1媒体バルブを閉じてもよい。
【0017】
上記の構成によれば、第1流路が選択されるときに、媒体バルブ制御部は、第1媒体バルブを開く一方で第2媒体バルブを閉じる。このとき、媒体ポンプから吐出された作動媒体は、再生器に流入することなく第1流路に沿って流れる。第2流路が選択されるときに、媒体バルブ制御部は、第2媒体バルブを開く一方で第1媒体バルブを閉じる。このとき、媒体ポンプから吐出された作動媒体は、第2流路の一端部を通じて第2流路に流入する。その後、作動媒体は、再生器を通過した後、第2流路の他端部を通じて第1流路に戻り蒸発器に流入する。
【0018】
上記の構成に関して、発電装置は、前記作動媒体と冷熱源との熱交換の下で前記作動媒体を凝縮するように構成された凝縮器と、前記第1流路が選択されるときに前記冷熱源を前記凝縮器及び前記再生器に供給する一方で、前記第2流路が選択されるときに前記冷熱源を前記再生器へ供給することなく前記凝縮器へ供給するように前記冷熱源の供給経路を切り替える供給切替部とを更に備えていてもよい。
【0019】
上記の構成によれば、第1流路が選択されるときに、供給切替部は、冷熱源を凝縮器及び再生器に供給するように冷熱源の供給経路を切り替えるので、膨張機で仕事をした後の作動媒体は、冷熱源によって凝縮器及び再生器で冷却される。このとき、再生器は、追加的な凝縮器として機能する。したがって、作動媒体に対する凝縮能力が増大する。第2流路が選択されるときに、冷熱源は、再生器に供給されない。冷熱源の代わりに、再生器には第2流路を通じて媒体ポンプから吐出された作動媒体が流入する。このとき、再生器は、一般的な再生器として機能する。
【発明の効果】
【0020】
上述の発電装置は、再生器の使用に伴う発電量の低減を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
第1実施形態の発電装置の概略図である。
発電装置の媒体ポンプを制御するための制御構成の概略図である。
発電装置の第1媒体バルブ及び第2媒体バルブを制御するための制御構成の概略図である。
発電装置の冷熱源バルブを制御するための制御構成の概略図である。
発電装置の動作を表す概略的なフローチャートである。
第2実施形態の発電装置の概略図である。
発電装置の制御構成の概略図である。
第3実施形態の発電装置の制御構成の概略図である。
第4実施形態の発電装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
(第1実施形態)
図1は、ランキンサイクルの下で作動媒体を用いて熱源(たとえば、高温の空気、高温のガス、蒸気や温水)から熱を回収するとともに回収された熱を用いて発電する第1実施形態の発電装置100(バイナリ発電装置)の概略図である。図1を参照して発電装置100が説明される。
【0023】
発電装置100は、作動媒体が流れる循環流路110と、作動媒体を冷却する冷熱源を供給する供給部139とを備えている。循環流路110には、媒体ポンプ111、蒸発器112、膨張機113、再生器121及び凝縮器114が設けられている。膨張機113の内部には、内部ロータが配置されている。内部ロータにはいわゆる軸流式、遠心式、スクロール式、スクリュー式など、様々な種類のものが採用される。膨張機113の内部ロータには、発電機115が接続されている。本実施形態において、媒体ポンプ111として遠心ポンプが用いられている。
【0024】
循環流路110では、媒体ポンプ111から吐出された作動媒体が、蒸発器112、膨張機113、再生器121及び凝縮器114を順に通過する。媒体ポンプ111と蒸発器112との間で延設された循環流路110の流路区間は、以下の説明において、「第1流路116」と称される。第1流路116は、作動媒体が再生器121を通過することなく蒸発器112に流入する流動経路を構成している。
【0025】
循環流路110には、第2流路120が接続されている。第2流路120の両端部は、互いに離間した位置で第1流路116に接続されている。以下の説明において、第1流路116を流れる作動媒体の流れ方向において上流側に位置している第2流路120の端部には、符号「122」が付されている。端部122の下流側に位置している第2流路120の端部には、「符号123」が付されている。第2流路120には、再生器121が設けられている。第2流路120は、作動媒体が蒸発器112に流入する前に再生器121によって昇温されるときの作動媒体の流動経路として用いられる。
【0026】
供給部139は、冷熱源を貯留している冷却塔131と、一端部が冷却塔131に繋がる上流管132と、上流管132の他端部から分岐した2つの下流管133,134と、冷熱源を送出する送出ポンプ135とを含んでいる。下流管133,134それぞれの下流端は冷却塔131に接続されている。上流管132には、送出ポンプ135及び凝縮器114が設けられている。一方、下流管134には、再生器121が設けられている。
【0027】
蒸発器112は、作動媒体を加熱する熱源が流れる熱源流路181と循環流路110とに接続され、熱源流路181を流れる熱源と作動媒体とを熱交換させるように構成されている。熱源流路181は、蒸発器112に流入する熱源が流れる流入路182と、蒸発器112から流出した熱源が流れる流出路183とを含んでいる。
【0028】
膨張機113は、熱源との熱交換によって蒸発した作動媒体の膨張によって内部ロータが回転するように構成されている。凝縮器114には、循環流路110及び上流管132が接続されている。
【0029】
発電装置100は、作動媒体の温度を検出する温度検出部151(温度センサ)と、作動媒体の圧力を検出する圧力検出部152(圧力センサ)とを備えている。温度検出部151及び圧力検出部152は、蒸発器112から膨張機113までの流路区間において循環流路110に取り付けられ、蒸発器112から流出した作動媒体の温度及び圧力を検出するように配置されている。温度検出部151及び圧力検出部152は、検出した温度及び圧力を表す検出信号を出力するように構成されている。
【0030】
発電装置100は、熱源の温度を検出する温度検出部153(温度センサ)と、熱源の流量を検出する流量検出部155(流量センサ)とを更に備えている。温度検出部153及び流量検出部155は、蒸発器112への熱源の流入温度及び流量を検出するように流入路182に取り付けられている。温度検出部153及び流量検出部155は、検出した流入温度及び流量を表す検出信号を出力するように構成されている。
(【0031】以降は省略されています)

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