(57)【要約】      （修正有）【課題】膨張機の非常停止を要する緊急時に減圧されないまま作動流体が流れるのを防止できるとともに、故障することなく作動流体を逃がすことができる発電装置を提供する。【解決手段】供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１であって、スクロール膨張機２の供給経路１１と排出経路１２との間には、供給経路１１から排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、供給経路１１における当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも上流側には、第一遮断弁４１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられ、排出経路１２における当該排出経路１２とバイパス経路１３との合流点Ｂよりも下流側には、減圧弁５が設けられたものである。【選択図】図１
2015048712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置であって、
膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路が設けられ、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁が設けられ、バイパス経路には、バイパス弁が設けられ、排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも下流側には、減圧弁が設けられたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも上流側には、第二遮断弁が設けられた請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも下流側には、第三遮断弁が設けられた請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁を閉じるように制御する制御部を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の発電装置。
【請求項５】
緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁および第二遮断弁を閉じるように制御する制御部を有する請求項２または３に記載の発電装置。
【請求項６】
作動流体が水蒸気となされた請求項１ないし５の何れか一に記載の発電装置。
【請求項７】
発電機が誘導発電機である請求項１ないし６の何れか一に記載の発電装置。
【請求項８】
膨張機が発電機と直結されたスクロールである請求項１ないし７の何れか一に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体を利用した発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気発生源で発生した蒸気を、当該蒸気の主配管に設けた減圧弁で減圧して蒸気利用設備へと供給することが行われている。
【０００３】
従来より、このような減圧弁の代わりとして、蒸気によって発電する発電装置を使用することが提案されている。
【０００４】
この発電装置は、排熱ボイラの蒸気を蒸気発電システムで発電に利用した後に蒸気利用プロセスに流す構成である（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１７１４１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、コントロール弁を蒸気発電システムと並列に設け、蒸気発電システムの前後に開閉弁を設ける構成とし、発電しない場合は、蒸気発電システムの前後の開閉弁を閉じてコントロール弁で主配管に流れる蒸気圧力を調整し、発電する場合はコントロール弁を閉じて蒸気発電システムの前後の開閉弁を開いて蒸気発電システムを駆動することで主配管に流れる蒸気圧力を調整する構成を開示する。しかし、特許文献１は、分岐管６０aに逆止弁を設けており、蒸気発電システムを緊急停止する場合に分岐管６０ａに残存する蒸気を逃がす構成については開示も示唆もない。
【０００７】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、膨張機の非常停止を要する緊急時に減圧されないまま作動流体が流れるのを防止できるとともに、故障することなく作動流体を逃がすことができる発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するための本発明に係る発電装置は、供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置であって、膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路が設けられ、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁が設けられ、バイパス経路には、バイパス弁が設けられ、排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも下流側には、減圧弁が設けられたものである。
【０００９】
上記発電装置において、排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも上流側には、第二遮断弁が設けられたものであってもよい。
【００１０】
上記発電装置において、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも下流側には、第三遮断弁が設けられたものであってもよい。
【００１１】
上記発電装置において、緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁を閉じるように制御する制御部を有するものであってもよい。
【００１２】
上記発電装置において、緊急時に、バイパス弁を開け、このバイパス弁を開けるのと同時またはバイパス弁を開けた後に第一遮断弁および第二遮断弁を閉じるように制御する制御部を有するものであってもよい。
【００１３】
上記発電装置において、作動流体が水蒸気となされたものであってもよい。
【００１４】
上記発電装置において、発電機が誘導発電機であってもよい。
【００１５】
上記発電装置において、膨張機が発電機と直結されたスクロールであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、膨張機の供給経路と排出経路との間には、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を設け、供給経路における当該供給経路とバイパス経路との分岐点よりも上流側には、第一遮断弁を設け、バイパス経路には、バイパス弁を設けているので、発電機の緊急停止時にバイパス弁を開け、第一遮断弁を閉じても、この第一遮断弁よりも下流側の供給経路は、バイパス経路によってバイパスされるので、第一遮断弁を閉じた後に作動流体が膨張機に流入することによって、膨張機が壊れるようなことを避けることができる。また、バイパス経路を通過することによって作動流体の減圧が不十分となっても、排出経路における当該排出経路とバイパス経路との合流点よりも下流側に設けた減圧弁で減圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る発電装置の全体構成の概略図である。
【図２】本発明の他の実施の形態に係る発電装置の全体構成の概略図である。
【図３】本発明のさらに他の実施の形態に係る発電装置の全体構成の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明に係る発電装置１の全体構成の概略を示している。
【００２０】
この発電装置１は、供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１であって、スクロール膨張機２の供給経路１１と排出経路１２との間には、供給経路１１から排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、供給経路１１における当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも上流側には、第一遮断弁４１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられ、排出経路１２における当該排出経路１２とバイパス経路１３との合流点Ｂよりも下流側に減圧弁５が設けられたものである。
【００２１】
供給経路１１は、水蒸気の供給源からスクロール膨張機２の作動流体の供給口に接続されており、この供給経路１１の上流側から供給される水蒸気によってスクロール膨張機２を駆動するように構成されている。この供給経路１１には、調量弁４０が設けられており、スクロール膨張機２の駆動源となる水蒸気の供給量は、制御部１０によって調量弁４０の開閉度を制御することで調整される。この際、制御部１０は、供給経路１１における調量弁４０の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ１およびスクロール膨張機２の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ２によって圧力を管理しながら調量弁４０の開閉制御を行うようになされている。また、供給経路１１の最上流側には、当該供給経路１１を流れる水蒸気中の異物を濾過するためのストレーナ１１ａが設けられている。また、供給経路１１は、調量弁４０の下流側であって、バイパス経路１３との分岐点Ａの上流側に、第一遮断弁４１が設けられている。この第一遮断弁４１は、通常時は開いた状態となっており、スクロール膨張機２への水蒸気を遮断する必要が生じた場合には、制御部１０による制御によって閉じた状態となって供給経路１１を流れる水蒸気を遮断できるようになされている。
【００２２】
排出経路１２は、その一端がスクロール膨張機２の排出口に接続され、他端が水蒸気の排出先へ接続される。この排出経路１２は、バイパス経路１３との合流点Ｂの下流側に、減圧弁５が設けられている。
【００２３】
バイパス経路１３は、その一端が、供給経路１１に設けられた第一遮断弁４１の下流側とスクロール膨張機２の供給口との間に接続され、他端が、スクロール膨張機２の排出口の下流側と減圧弁５の上流側との間に接続されている。これによって、バイパス経路１３は、供給経路１１と排出経路１２との間をバイパスするように設けられている。また、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられている。このバイパス弁４２は、通常時は閉じた状態となっており、供給経路１１の水蒸気をスクロール膨張機２に供給せずに排出経路１２へ排出させたい場合には、制御部１０による制御によって開いた状態となり、供給経路１１を流れる水蒸気を、排出経路１２へと排出できるようになされている。
【００２４】
供給経路１１からスクロール膨張機２を経て排出経路１２へと水蒸気が流れた場合、スクロール膨張機２によって所定の圧力分だけ減圧が得られるが、供給経路１１からバイパス経路１３を経て排出経路１２へと水蒸気が流れた場合、減圧が不十分となる。減圧弁５は、制御部１０によって制御され、この不足分の減圧を行うようになされている。
【００２５】
スクロール膨張機２は、当該スクロール膨張機２に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、誘導発電機３と直結できるようになされている。
【００２６】
誘導発電機３は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクよりも、当該誘導発電機３に直結されたスクロール膨張機２の回転による回転トルクが大きくなると、すべりが発生して発電機として機能することとなる。この誘導発電機３は、前記回転トルクが負荷トルクよりも小さくなると電動機として機能する。誘導発電機３は、電磁開閉器８１によって、電気系統８に接続および切断できるように構成されている。
【００２７】
このようにして構成される発電装置１は、工場やプラント設備などにおいて、水蒸気が流れる主配管６の途中に設けられた減圧弁７を跨ように、この発電装置１の供給経路１１を減圧弁７の上流側の主配管６に接続し、排出経路１２を減圧弁７の下流側の主配管６に接続して使用される。そして、供給経路１１から供給される水蒸気を、調量弁４０によって調整してスクロール膨張機２に供給し、当該スクロール膨張機２と直結された誘導発電機３を発電機として作動させることで、発電される。発電によって得られた電力は、電磁開閉器８１を介して電気系統８へと給電される。
【００２８】
スクロール膨張機２に供給され、当該スクロール膨張機２を駆動させた後の水蒸気は、排出経路１２から排出される。この際、排出経路１２から排出される水蒸気が所定の減圧となっていない場合には、減圧弁５で所定の減圧とされた後、排出経路１２から主配管６へと戻される。
【００２９】
以後、上記動作が繰り返されることで、主配管６を流れる水蒸気を利用した発電が継続される。
【００３０】
この発電装置１の運転状態において、スクロール膨張機２には、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクが発生している。したがって、このような運転状況から、急に停電になったり、系統解列を起こしたりして励磁電流が遮断されてしまうと、スクロール膨張機２は、負荷トルクが無くなって暴走してしまい、定格回転数を超えて過剰に回転してしまうことが懸念されるので、スクロール膨張機２の非常停止が必要となる。
【００３１】
そこで、本発明の発電装置１の制御部１０は、停電や系統解列などで励磁電流が遮断されてしまうような緊急時になった場合、バイパス経路１３のバイパス弁４２を開き、このバイパス弁４２を開くタイミングと同じか少し遅れて第一遮断弁４１を閉じるようになされている。
【００３２】
すなわち、バイパス弁４２を開くことで、スクロール膨張機２へ供給される水蒸気を、当該バイパス弁４２が設けられたバイパス経路１３から排出経路１２へと逃がすことができ、スクロール膨張機２の暴走を抑えることができることとなる。また、第一遮断弁４１を閉じることにより、スクロール膨張機２への水蒸気の供給を完全に停止することができることとなり、当該スクロール膨張機２の暴走による故障を防止することができることとなる。この第一遮断弁４１は、供給経路１１における分岐点Ａよりも上流側に設けているので、第一遮断弁４１を遮断しても、供給経路１１における分岐点Ａよりも下流側の水蒸気は、バイパス経路１３を介して排出経路１２側へと逃がすことができる。したがって、第一遮断弁４１を閉じることによって、その下流側に残存している水蒸気がスクロール膨張機２へ流入することも防止することができる。
【００３３】
なお、バイパス弁４２を開けるよりも先に第一遮断弁４１を閉じてしまうと、第一遮断弁４１よりも下流側の供給経路１１に溜まる水蒸気がスクロール膨張機２へ流入して暴走を引き起こすことが懸念される。したがって、制御部１０は、バイパス弁４２を開けると同時か少し遅れて第一遮断弁４１を閉じるように制御するようになされている。
【００３４】
このように制御することで、急に停電になったり、系統解列を起こしたりするような緊急時になった場合であっても、スクロール膨張機２の過剰回転による故障を防止することができる。
【００３５】
ただし、スクロール膨張機２へと供給される水蒸気をバイパス経路１３から排出経路１２へと逃がすことで、本来ならスクロール膨張機２で減圧されるべき水蒸気が、十分に減圧されないまま排出経路１２へと流れることとなる。したがって、このような緊急時になった場合には、制御部１０によって減圧弁５を制御することで、排出経路１２を流れる水蒸気は、所定の圧力に減圧される。
【００３６】
これにより、発電装置１は、急に停電になったり、系統解列を起こしたりするような緊急時になった場合であっても、排出経路１２から主配管６へと戻される水蒸気の減圧具合を保つことができ、主配管６を接続した工場やプラント設備に支障を来たすことを防止することができる。
【００３７】
図２は、本発明の他の実施の形態に係る発電装置１ａを示している。図２において、図１に示す発電装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。
【００３８】
この発電装置１ａは、排出経路１２における、当該排出経路１２とバイパス経路１３との合流点Ｂよりも上流側に、すなわち、スクロール膨張機２の排出口と合流点Ｂとの間の排出経路１２に、第二遮断弁４３が設けられている。
【００３９】
この第二遮断弁４３は、制御部１０によって、以下のように制御される。
【００４０】
すなわち、本発明の発電装置１ａの制御部１０は、停電や系統解列などで励磁電流が遮断されてしまうような緊急時になった場合、バイパス経路１３のバイパス弁４２を開き、このバイパス弁４２を開くタイミングと同じか少し遅れて第一遮断弁４１および第二遮断弁４３を閉じるようになされている。すなわち、バイパス弁４２を開くことで、スクロール膨張機２へ供給される水蒸気を、当該バイパス弁４２が設けられたバイパス経路１３から排出経路１２へと逃がすことができ、スクロール膨張機２の暴走を抑えることができることとなる。また、第一遮断弁４１を閉じることにより、スクロール膨張機２への水蒸気の供給を完全に停止することができることとなり、当該スクロール膨張機２の暴走による故障を防止することができることとなる。さらに、第二遮断弁４３を閉じることにより、スクロール膨張機２の排出側への水蒸気の抜けを防止し、当該スクロール膨張機２の回転にブレーキを掛ける役割を果たすこととなる。
【００４１】
なお、バイパス弁４２を開けるよりも先に第一遮断弁４１を閉じてしまうと、第一遮断弁４１よりも下流側の供給経路１１に溜まる水蒸気がスクロール膨張機２へ流入して暴走を引き起こすことが懸念される。また、バイパス弁４２を開けるよりも先に第二遮断弁４３を閉じてしまうと、当該第二遮断弁４３よりも上流側の排出経路１２に溜まる水蒸気の圧力が過剰に上昇してしまうことになる。したがって、制御部１０は、バイパス弁４２を開けると同時か少し遅れて、第一遮断弁４１および第二遮断弁４３を閉じるように制御するようになされている。
【００４２】
このように制御することで、急に停電になったり、系統解列を起こしたりするような緊急時になった場合であっても、スクロール膨張機２の故障を防止することができる。
【００４３】
図３は、本発明のさらに他の実施の形態に係る発電装置１ｂを示している。図３において、図１に示す発電装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。
【００４４】
この発電装置１ｂは、供給経路１１における、当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも下流側に、すなわち、スクロール膨張機２の供給口と分岐点Ａとの間の供給経路１１に、第三遮断弁４４が設けられている。
【００４５】
供給経路１１の上流側には、ストレーナ１１ａを設けているが、ストレーナ１１ａよりも下流側の供給経路１１は、発電装置１ｂの停止によって配管内部に錆やコンタミなどの異物が発生することがある。また、このような異物とともに配管内に溜まっていた凝縮水は、始動時にスクロール膨張機２ｂへと供給される高圧の水蒸気によって、ウォーターハンマーとなり、スクロール膨張機２を壊してしまうことが懸念される。
【００４６】
この発電装置１ｂは、異物がスクロール膨張機２へ入るのを防止できるとともに、凝縮水がウォーターハンマーとなってスクロール膨張機２を壊してしまうことを防止できる。
【００４７】
なお、この発電装置１ｂは、上記した図２に示す発電装置１ａに設けられた第二遮断弁４３が設けられた構成としてもよい。
【００４８】
なお、上記した各実施の形態において、発電装置１、１ａ、１ｂは、スクロール膨張機２を用いているが、この膨張機としては、蒸気タービンであってもよい。
【００４９】
また、上記した各実施の形態において、発電装置１、１ａ、１ｂは、工場やプラント設備などにおいて、水蒸気が流れる主配管６の途中に設けられているが、水蒸気を作動流体とする主配管６に接続するものに限定されるものではなく、発電装置１を運転することができる作動流体が流れる各種主配管の途中に設けるものであってもよい。また、このような主配管６の途中に設けることに限定されるものではなく、地熱発電等によって水蒸気を取り出して発電装置１、１ａ、１ｂに取り入れるようにしたものであってもよい。
【００５０】
さらに、上記した各実施の形態において、発電装置１、１ａ、１ｂは、誘導発電機３を連結しているが、発電機としては、このような誘導発電機３に限定されるものではなく、停電や系統解列などの緊急時に負荷トルクが無くなってしまうような発電機であれば、他の誘導発電機や同期発電機であってもよい。
【００５１】
さらに、上記した各実施の形態において、発電装置１、１ａ、１ｂは、供給経路１１における分岐点Ａよりも上流側に第一遮断弁４１を設けることで、バイパス経路１３におけるバイパス弁４２を開いた際に、分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２へと逃がすように構成されているが、この分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１における水蒸気の圧力を逃がすことを考慮する必要がなければ、第一遮断弁４１に代えて、分岐点Ａの位置に切替弁（図示省略）を設けてもよい。この場合、切替弁（図示省略）は、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの下流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよいし、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの上流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよい。前者の切替弁（図示省略）の場合、緊急時に切り替えた後は、供給経路１１の上流側からの水蒸気の供給を止めることができるとともに、分岐点Ａの下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２に逃がすことができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  発電装置
１ａ  発電装置
１ｂ  発電装置
１０  制御部
１１  供給経路
１２  排出経路
１３  バイパス経路
２  スクロール膨張機（膨張機）
３  誘導発電機（発電機）
４１  第一遮断弁
４２  バイパス弁
４３  第二遮断弁
４４  第三遮断弁
Ａ  分岐点
Ｂ  合流点
【図１】
2015048712.tif 000003
【図２】
2015048712.tif 000004
【図３】
2015048712.tif 000005