(57)【要約】【課題】  バイナリー発電装置において膨張機を確実に潤滑しつつ発電を行う。【解決手段】本発明のバイナリー発電装置１は、蒸発器２と膨張機３と凝縮器４と循環ポンプ５と、膨張機３の潤滑を行う潤滑機構１４とを備えていて、潤滑機構１４は、蒸発器２と膨張機３との間に設けられて潤滑油を作動媒体から分離する油分離器１５と、分離された潤滑油を膨張機３に送る潤滑油供給配管１６と、潤滑油供給配管１６を流れる潤滑油の温度を調整するオイルクーラ３３とを有し、オイルクーラ３３は、凝縮器４で凝縮された作動媒体を１次側に供給して２次側に供給された潤滑油を冷却する熱交換器３４と、凝縮器４で凝縮された作動媒体の一部を熱交換器３４に導入すべく循環ポンプ５の出側から分岐して熱交換器３４の１次側の入側に接続される油冷却用配管３５と、油冷却用配管３５を流通する作動媒体の流量を調整する流量調整バルブ３６とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した気体の作動媒体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機で膨張した気体の作動媒体を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプと、前記膨張機に潤滑油を供給して膨張機の潤滑を行う潤滑機構とを備えたバイナリー発電装置であって、
前記潤滑機構は、前記蒸発器と膨張機との間に設けられると共に作動媒体に含まれた潤滑油を作動媒体から分離する油分離器と、前記油分離器から分離された潤滑油を膨張機に送る潤滑油供給配管と、前記潤滑油供給配管を流れる潤滑油の温度を調整するオイルクーラと、を有しており、
前記オイルクーラは、前記凝縮器で凝縮された作動媒体を１次側に供給して２次側に供給された潤滑油を冷却する熱交換器と、前記凝縮器で凝縮された作動媒体の一部を熱交換器に導入すべく前記循環ポンプの出側から分岐して前記熱交換器の１次側の入側に接続される油冷却用配管と、前記油冷却用配管を流通する作動媒体の流量を調整する流量調整バルブとを有していることを特徴とするバイナリー発電装置。
【請求項２】
前記熱交換器の２次側の出側から延びる潤滑油供給配管は、前記膨張器の入側へ接続されていて、
前記出側から延びる潤滑油供給配管に設けられ且つこの潤滑油供給配管を流通する潤滑油の温度を計測する温度センサを備えており、
前記温度センサで計測された潤滑油の温度が所定の温度となるように、前記流量調整バルブの開度を調整する構成とされていることを特徴とする請求項１に記載のバイナリー発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載されたバイナリー発電装置での運転方法であって、
前記熱交換器の２次側の出側を流通する潤滑油の温度を計測し、計測された潤滑油の温度が所定の温度となるように、前記熱交換器の１次側に供給される作動媒体の流量を調整することを特徴とするバイナリー発電装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膨張機の潤滑状態を最適な状態に維持しつつバイナリー発電装置を運転させるバイナリー発電装置及びバイナリー発電装置の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、工場などから排出される排蒸気のような低温の熱源から熱を回収して発電を行うものとして、バイナリー発電装置が存在する。このバイナリー発電装置は、作動媒体として水でなく低沸点の有機化合物などを用いており、通常の蒸気タービンを用いた発電装置に比べて低温の熱源であっても発電が可能なものとなっている。例えば、バイナリー発電装置では、蒸発器で作動媒体を気化させ、気化した気体の作動媒体を用いて膨張機を回転駆動し、膨張機を通過した作動媒体を凝縮器で液体の作動媒体に凝縮し、液体の作動媒体を循環ポンプで蒸発器に帰還させる循環サイクルに従って作動媒体を循環させており、膨張機の回転を利用して発電が行われる。
【０００３】
ところで、上述したバイナリー発電装置では、膨張機の回転をスムーズにするために潤滑手段を用いて潤滑油が膨張機に供給されることが一般的に行われている。
例えば、特許文献１には、スクリュ膨張機の膨張空間または軸受に潤滑油を供給し、軸受などに供給された潤滑油を回収して油収容部に貯留し、油収容部に貯留された潤滑油を再び膨張空間や軸受の潤滑に使用するバイナリー発電装置が開示されている。このバイナリー発電装置では、回収した潤滑油を貯留する油収容部が、循環ポンプから蒸発器に向かう循環配管上に設けられており、作動媒体に混合されている潤滑油も作動媒体と伴に循環ポンプを通過して油収容部で回収できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１２２５６８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、潤滑油は、作動媒体のように熱サイクルの中で膨張して仕事をするものではなく、作動媒体中に含まれていても膨張機では全く仕事をしない。それゆえ、膨張機に供給されて加熱された潤滑油をそのまま凝縮器に送って冷却すると、蒸発器でせっかく取り込んだ熱エネルギを凝縮器の冷却水に捨ててしまうことになり、バイナリー発電装置の発電効率が低下する。
【０００６】
そこで、上述した特許文献１のバイナリー発電装置では、蒸発器から膨張機に向かう循環配管上に油分離器を設け、油分離器で分離された潤滑油をオイルクーラに導いて凝縮器で凝縮（冷却）された作動媒体と熱交換させ、潤滑油が有する熱エネルギの一部を作動媒体に回収して、発電効率を高めた例も開示されている（図２、図４等参照）。
しかし、特許文献１のバイナリー発電装置のように、凝縮器で凝縮（冷却）された作動媒体をすべてオイルクーラに導いて潤滑油と熱交換させようとすると、作動媒体が沸騰してオイルクーラをスムーズに通過できなくなったり、潤滑油の温度が低くなりすぎて十分な潤滑効果を得られなくなったりする。
【０００７】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、膨張機に供給される潤滑油の粘度を調整することにより、膨張機を確実に潤滑しつつ発電を行うことができるバイナリー発電装置及びバイナリー発電装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のバイナリー発電装置は以下の技術的手段を講じている。
即ち、本発明のバイナリー発電装置は、作動媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した気体の作動媒体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機と、前記膨張機で膨張した気体の作動媒体を液体に凝縮する凝縮器と、前記凝縮器から蒸発器に向って作動媒体を循環させる循環ポンプと、前記膨張機に潤滑油を供給して膨張機の潤滑を行う潤滑機構
とを備えたバイナリー発電装置であって、前記潤滑機構は、前記蒸発器と膨張機との間に設けられると共に作動媒体に含まれた潤滑油を作動媒体から分離する油分離器と、前記油分離器から分離された潤滑油を膨張機に送る潤滑油供給配管と、前記潤滑油供給配管を流れる潤滑油の温度を調整するオイルクーラと、を有しており、前記オイルクーラは、前記凝縮器で凝縮された作動媒体を１次側に供給して２次側に供給された潤滑油を冷却する熱交換器と、前記凝縮器で凝縮された作動媒体の一部を熱交換器に導入すべく前記循環ポンプの出側から分岐して前記熱交換器の１次側の入側に接続される油冷却用配管と、前記油冷却用配管を流通する作動媒体の流量を調整する流量調整バルブとを有していることを特徴とする。
【０００９】
なお、好ましくは、本発明のバイナリー発電装置は、前記熱交換器の２次側の出側から延びる潤滑油供給配管は、前記膨張器の入側へ接続されていて、前記出側から延びる潤滑油供給配管に設けられ且つこの潤滑油供給配管を流通する潤滑油の温度を計測する温度センサを備えており、前記温度センサで計測された潤滑油の温度が所定の温度となるように、前記流量調整バルブの開度を調整する構成とされているとよい。
【００１０】
また、本発明のバイナリー発電装置の運転方法は、上述したバイナリー発電装置での運転方法であって、前記熱交換器の２次側の出側を流通する潤滑油の温度を計測し、計測された潤滑油の温度が所定の温度となるように、前記熱交換器の１次側に供給される作動媒体の流量を調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のバイナリー発電装置及びバイナリー発電装置の運転方法によれば、膨張機に供給される潤滑油の粘度を調整することにより、膨張機を確実に潤滑しつつ発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のバイナリー発電装置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１実施形態］
以下、本発明のバイナリー発電装置、及びこのバイナリー発電装置の運転方法の実施形態を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、実施形態のバイナリー発電装置１を模式的に示したものである。
図１に示すように、バイナリー発電装置１は、液体の作動媒体を蒸発させる蒸発器２と、蒸発器２で蒸発した気体の作動媒体を膨張させて回転駆動力を発生する膨張機３と、膨張機３で膨張した気体の作動媒体を液体に凝縮する凝縮器４と、凝縮器４から蒸発器２に向って作動媒体を循環させる循環ポンプ５とを備えている。これらの蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及び循環ポンプ５は作動媒体を循環させる閉ループ状の循環配管６により接続されていて、作動媒体を循環配管６の一方向（蒸発器２→膨張機３→凝縮器４→循環ポンプ５の順番に循環して蒸発器２に帰還する方向）に沿って流通できるようになっている。
【００１４】
次に、バイナリー発電装置１を構成する蒸発器２、膨張機３、凝縮器４及び循環ポンプ５について説明する。
蒸発器２は、温泉などのような熱源から１次側に供給された蒸気や温水などと、２次側に供給された作動媒体との熱交換を行う熱交換器であり、熱源から１次側に供給される熱を利用して液体の作動媒体を気化させるものである。本実施形態の蒸発器２は、温泉や地熱源から１次側に供給される蒸気の熱を利用して液体の作動媒体を気化させる構成とされている。
【００１５】
蒸発器２の１次側には、この蒸発器２内に蒸気を供給する蒸気配管７が設けられており、この蒸気配管７を介して、例えば温泉などの熱源で発生した蒸気が蒸発器２の内部に供給されている。また、蒸発器２の２次側には、上述した循環配管６を介して液体の作動媒体が供給され、１次側の蒸気との間で熱交換がなされる。１次側の蒸気との熱交換で加熱された作動媒体は、循環配管６を介して膨張機３に向かって移送される。
【００１６】
蒸発器２の入側の蒸気配管７には、蒸発器２に供給される蒸気圧力を減圧可能な減圧弁８と、この減圧弁８より上流側に設けられて減圧弁８に加わる蒸気圧を計測する減圧弁入
側圧力計２１とが設けられている。この減圧弁８は、減圧弁入側圧力計２１で計測された減圧弁入側圧力Ｐ０が蒸気バイナリー発電システムが正常に動作する所定の圧力となるように圧力を調整している。
【００１７】
また、スチームトラップ９は、蒸発器２の出側の蒸気配管７内を流通するドレインをトラップし、トラップされたドレインを強制的に排出可能な構成とされている。
膨張機３は、蒸発器２で気化した作動媒体を用いて回転駆動力を発生させるものであり、タービンなどで構成されている。膨張機３には、膨張機３で得られた回転駆動力を伝達する駆動軸１８と、駆動軸１８を介して伝達された回転駆動力を用いて発電を行う発電機１３とが設けられている。
【００１８】
また、膨張機３には、後述する潤滑機構１４の潤滑油供給配管１６を介して潤滑油が供給されており、潤滑油により十分に潤滑された状態でタービンなどを回転できるようになっている。膨張機３を通過した気体の作動媒体は、循環配管６を通じて凝縮器４に送られる。
凝縮器４は、１次側に供給された冷却水と、２次側に供給された気体の作動媒体との間に熱交換を行って、気体の作動媒体を凝縮（液化）させるものである。凝縮器４の１次側には、冷却塔１０（チラ−）で冷却された冷却水を供給する冷却水配管１１と、冷却水配管１１に沿って冷却水を流通させる冷却水ポンプ１２とが設けられている。また、凝縮器４の２次側には、膨張機３から送られてきた気体の作動媒体が循環配管６を経由して供給されており、凝縮器４の内部で凝縮した液体の作動媒体を循環ポンプ５に移送できるようになっている。
【００１９】
循環ポンプ５は、凝縮器４で凝縮された液体の作動媒体を循環配管６に沿って蒸発器２に圧送するものであり、回転数、電圧、あるいは電流などの運転条件を調整可能とされている。
循環ポンプ５から蒸発器２に向かう循環配管６上には、蒸発器２の負荷を下げるために液体の作動媒体を予め加熱する予熱器１７が設けられている。この予熱器１７には、外部から温水が供給されていて、温水との間に熱交換を行うことで液体の作動媒体を予熱できる構成となっている。
【００２０】
ところで、本発明のバイナリー発電装置１は膨張機に潤滑油を供給して膨張機の潤滑を行う潤滑機構１４を備えていることを特徴としている。
この潤滑機構１４は、蒸発器２と膨張機３との間に設けられると共に作動媒体に含まれた潤滑油を作動媒体から分離する油分離器１５と、油分離器１５から分離された潤滑油を膨張機３に送る潤滑油供給配管１６と、潤滑油供給配管１６を流れる潤滑油の温度を調整するオイルクーラ３３と、を有している。
【００２１】
このオイルクーラ３３は、凝縮器４で凝縮された作動媒体を１次側に供給して２次側に供給された潤滑油を冷却する熱交換器３４と、凝縮器４で凝縮された作動媒体の一部を熱交換器３４に導入すべく循環ポンプ５の出側から分岐して熱交換器３４の１次側の入側に接続される油冷却用配管３５と、油冷却用配管３５を流通する作動媒体の流量を調整する流量調整バルブ３６とを有している。
【００２２】
次に、本発明の潤滑機構１４を構成する油分離器１５、潤滑油供給配管１６、オイルクーラ３３について説明する。
油分離器１５は、作動媒体中に含まれる潤滑油を分離するものであり、サイクロン式などの分離器を用いることができる。例えば、サイクロン式の分離器は、潤滑油が混合した作動媒体に遠心力を作用させて、比重差を用いて潤滑油と作動媒体とを分離するものである。また、サイクロン式以外の分離器としては、潤滑油が混合した作動媒体を邪魔板やメッシュのような入り組んだ構造に沿って案内することで両者を分離する方式を採用しても良い。
【００２３】
潤滑油供給配管１６は、上述した油分離器１５で分離された潤滑油を、膨張機３（膨張機３のタービン）に供給するものである。潤滑油供給配管１６の一端は油分離器１５に連結しており、また潤滑油供給配管１６の他端は膨張機３に接続されている。また、潤滑油供給配管１６の中途には、この潤滑油供給配管１６を流通する潤滑油を冷却するオイルク
ーラ３３が設けられている。
【００２４】
オイルクーラ３３は、凝縮器４で凝縮された低温の作動媒体を用いて、油分離器１５で分離された潤滑油を冷却するものである。
具体的には、オイルクーラ３３は、作動媒体との熱交換により潤滑油を冷却する熱交換器３４を備えている。この熱交換器３４は、上述した潤滑油供給配管１６の中途側に配備され、熱交換器３４の２次側に潤滑油が流れ込むようになっている。
【００２５】
また、熱交換器３４の２次側の出側から延びる潤滑油供給配管１６は膨張器３へ接続されていて、この熱交換器３４の２次側の出側から膨張器３までの間に、潤滑油の温度を計測する温度センサ３７が設けられている。そして、オイルクーラ３３では、この温度センサ３７で計測された潤滑油の温度が所定の温度となるように、流量調整バルブ３６の開度を調整する構成とされている。
【００２６】
一方、熱交換器３４の１次側には、凝縮器４で凝縮された作動媒体の一部を導入すべく循環ポンプ５の出側から分岐してこの熱交換器３４の１次側の入側に接続される油冷却用配管３５が設けられている。熱交換器３４で熱交換に用いられた作動媒体は、熱交換器３４の１次側の出側から油冷却用配管３５を通って、予熱器１７の入側の循環配管６に送られる。この熱交換器３４の１次側の出側に設けられる油冷却用配管３５は、入側の油冷却用配管３５が分岐した位置よりも下流側の循環配管６に合流するようになっている。
【００２７】
上述した油冷却用配管３５（熱交換器３４の１次側の入側の油冷却用配管３５）には、油冷却用配管３５を流通する作動媒体の流量を調整する流量調整バルブ３６が設けられている。
次に、上述した潤滑機構１４を用いて膨張機３を潤滑しつつ発電を行う方法、言い換えれば本発明のバイナリー発電装置１の運転方法について説明する。
【００２８】
図１に示すバイナリー発電装置１で発電を行う際には、まず蒸発器２の１次側に蒸気を供給すると共に蒸発器２の２次側に液体の作動媒体を導いて、蒸発器２内で両者の間に熱交換を行って、作動媒体を気化させる。
このようにして蒸発器２で作動媒体が気化したら、気化した作動媒体を膨張機３に送って、膨張機３を駆動させる。膨張機３で発生した回転駆動力は駆動軸１８を経由して発電機１３に送り、発電機１３で発電を行う。一方、膨張機３の駆動に用いられた気体の作動媒体は凝縮器４に送られ、凝縮器４において冷却水との間に熱交換が行われて、気体の作動媒体は液体に戻る（凝縮される）。凝縮器４で凝縮された液体の作動媒体は循環ポンプ５で圧送され、予熱器１７を経由して再び蒸発器２に帰還する。予熱器１７では、外部から供給された温水の作用で液体の作動媒体が予熱され、予熱された作動媒体がさらに蒸発器２で加熱されて、液体の作動媒体は気体の作動媒体に変化する（気化する）。このようにしてバイナリー発電装置１では、作動媒体を循環させつつランキンサイクルを利用して発電が行われるのである。
【００２９】
以上述べた発電時において、上述したように蒸発器２で蒸気との間に熱交換を行うと、液体の作動媒体が加熱されて、気体の作動媒体が蒸発器２で発生する。このとき、蒸発器２で発生する気体の作動媒体には潤滑油が混合しており、潤滑油も蒸発器２で加熱される。このようにして蒸発器２で加熱された気体の作動媒体及び潤滑油が、循環配管６を経由して膨張機３側に送られる。
【００３０】
蒸発器２から膨張機３に向かう循環配管６には上述した油分離器１５が設けられており、この油分離器１５で作動媒体と潤滑油とが分離される。油分離器１５で分離された潤滑油は、蒸発器２で加熱された高温状態のまま殆ど冷却されておらず、多くの熱エネルギを有している。この分離された潤滑油は潤滑油供給配管１６を経由してオイルクーラ３３に備えられた熱交換器３４に送られる。
【００３１】
すなわち、熱交換器３４の２次側には、潤滑油供給配管１６を介して高温の潤滑油が供給されている。また、熱交換器３４の１次側には、油冷却用配管３５を介して低温の作動媒体が供給されていて、低温の作動媒体との間で熱交換を行うことで高温の潤滑油を冷却している。
油冷却用配管３５を介して供給される低温の作動媒体は、凝縮器４で凝縮（冷却）され
た作動媒体であり、油冷却用配管３５の中途側に設けられた流量調整バルブ３６で流量を制御されている。さらに、この流量調整バルブ３６は、熱交換器３４の２次側の出側から延びる潤滑油供給配管１６に設けられた温度センサ３７で計測された潤滑油の温度に基づいて、バルブの開度を調整できるようになっている。
【００３２】
つまり、温度センサ３７で計測された潤滑油の温度Ｔが、予め定められた潤滑油の温度の閾値より高い場合は、流量調整バルブ３６の開度を大きくして熱交換機３４の１次側に送られる作動媒体の流量を増加させる。そうすると、蒸発器３４において流量が増加した分だけ潤滑油から作動媒体に移動する熱量が大きくなり、冷却能力が向上して潤滑油の温度Ｔがさらに下がり、潤滑油の温度Ｔを所定の温度範囲に調整することが可能となる。また、計測された潤滑油の温度Ｔが、予め定められた潤滑油の温度の閾値より低い場合は、流量調整バルブ３６の開度を小さくして熱交換機３４の１次側に送られる作動媒体の循環量を減少させる。そうすると、蒸発器３４において流量が減少した分だけ潤滑油から作動媒体に移動する熱量が小さくなり、冷却能力が小さくなって潤滑油の温度Ｔがさらに上がり、潤滑油の温度Ｔを所定の温度範囲に調整することが可能となる。
【００３３】
上述した温度センサ３７と流量調整バルブ３６とを備えた潤滑機構１４を設ければ、膨張機３に供給される潤滑油の温度が所定の温度範囲に調整され、適切な粘性係数の潤滑油を膨張機３（例えば、軸受部）に供給することが可能となり、膨張機３の円滑な運転を確保することができるようになる。
また、上述した蒸発器２から膨張機３に向かう循環配管６上に油分離器１５が設けられており、油分離器１５で分離された潤滑油が熱交換器３４に導かれている。そして、この熱交換器３４では、潤滑油が凝縮器４で凝縮（冷却）された作動媒体と熱交換されており、熱交換された熱エネルギは予熱器１７の入側に送られる。そのため、潤滑油が有する熱エネルギが凝縮器４から冷却水と一緒に外部に放出されることがない。つまり、オイルクーラ３３を採用することで、使用されずに捨てられる熱エネルギを少なくでき、バイナリー発電装置１の発電効率を高めることができる。
【００３４】
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。
【符号の説明】
【００３５】
１  バイナリー発電装置
２  蒸発器
３  膨張機
４  凝縮器
５  循環ポンプ
６  循環配管
７  蒸気配管
８  減圧弁
９  スチームトラップ
１０  冷却塔
１１  冷却水配管
１２  冷却水ポンプ
１３  発電機
１４  潤滑機構
１５  油分離器
１６  潤滑油供給配管
１７  予熱器
１８  駆動軸
２１  減圧弁入側圧力計
３３  オイルクーラ
３４  熱交換器
３５  油冷却用配管
３６  流量調整バルブ
３７  温度センサ
【図１】
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