(57)【要約】【課題】蒸気圧や膨張機の回転速度が過度に上昇した場合でも、排ガスなどの熱源の供給を止めることなく熱源を取り込んで冷却することができ、可能な限り発電を行うことができる発電装置を提供する。【解決手段】熱源の熱エネルギーにより液相の作動媒体を気化させて蒸気を生成する蒸気発生器１００と、蒸気発生器１００により生成された蒸気により駆動される膨張機１０１と、膨張機１０１に連結された発電機１０２と、膨張機１０１から排出された蒸気を凝縮させて液相の作動媒体を生成する凝縮器１０３と、凝縮器１０３により生成された液相の作動媒体を蒸気発生器１００に移送するポンプ１０４と、膨張機１０１をバイパスするように蒸気発生器１００と凝縮器１０３とを接続する蒸気バイパス配管２２と、蒸気バイパス配管２２を開閉する開閉弁２３とを備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源の熱エネルギーにより液相の作動媒体を気化させて蒸気を生成する蒸気発生器と、
前記蒸気発生器により生成された蒸気により駆動される膨張機と、
前記膨張機に連結された発電機と、
前記膨張機から排出された蒸気を凝縮させて液相の作動媒体を生成する凝縮器と、
前記凝縮器により生成された液相の作動媒体を前記蒸気発生器に移送するポンプと、
前記膨張機をバイパスするように前記蒸気発生器と前記凝縮器とを接続する蒸気バイパス配管と、
前記蒸気バイパス配管を開閉する開閉弁と、を備えたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記蒸気発生器により生成された蒸気の圧力を測定する圧力センサと、
前記圧力センサの測定値に基づいて前記開閉弁を制御する第１の制御部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１の制御部は、前記蒸気発生器により生成された蒸気の圧力が所定の値を超えないように前記開閉弁を制御することを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記膨張機の回転速度を測定する回転速度測定器と、
前記回転速度測定器の測定値に基づいて前記開閉弁を制御する第２の制御部と、を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記第２の制御部は、前記膨張機の回転速度が所定の値を超えないように前記開閉弁を制御することを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記回転速度測定器は、前記発電機により発電された電力の周波数に基づいて前記膨張機の回転速度を測定することを特徴とする請求項４又は５に記載の発電装置。
【請求項７】
前記蒸気発生器への熱源の供給を停止させる停止弁を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記蒸気発生器に熱源を供給する熱源配管に設けられ、前記蒸気発生器をバイパスする熱源バイパス配管と、
熱源を前記熱源バイパス配管または前記蒸気発生器のいずれかに導く切換弁と、を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電力に変換する発電装置に係り、特に外部供給源から供給される排ガスなどを熱源として利用する発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排ガスや排温水などの排熱を熱源として利用し、熱源が持つ熱エネルギーを作動媒体を介して電力に変換する発電装置が知られている。この種の発電装置では、熱源を蒸気発生器に導いて液相の作動媒体を気化させて、高温高圧の蒸気を発生させる。そして、この蒸気を膨張機（例えばタービン）に供給し、膨張機に連結される発電機を駆動させることで発電が行われる。
【０００３】
従来の発電装置においては、蒸気発生器により生成された蒸気の圧力（以下、適宜蒸気圧という）が過度に高い場合は、熱源供給源から蒸気発生器への熱源（例えば、排ガス）の供給を停止させるか、あるいは、熱源の蒸気発生器への供給量を低減させる。また、膨張機の回転速度が過度に高速になった場合には、膨張機への蒸気の供給を停止させると共に、熱源の蒸気発生器への供給も同時に停止させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱源の供給を停止させると、熱源としての排ガスや排温水の圧力が変動し、熱源の供給源に大きな負荷を与えてしまうおそれがある。また、上述した発電装置では、排熱の熱エネルギーを回収して蒸気を発生させるため、この発電装置自体が排熱の冷却装置としても機能する。このため、排熱の蒸気発生器への供給を停止させて発電装置の運転を停止させると、排熱は冷却されずにそのまま周囲環境に放出されることになり、周囲環境の温度を上昇させてしまう。
【０００５】
本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、蒸気圧や膨張機の回転速度が過度に上昇した場合でも、排ガスなどの熱源の供給を止めることなく熱源を取り込んで冷却することができ、可能な限り発電を行うことができる発電装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明は、熱源の熱エネルギーにより液相の作動媒体を気化させて蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器により生成された蒸気により駆動される膨張機と、前記膨張機に連結された発電機と、前記膨張機から排出された蒸気を凝縮させて液相の作動媒体を生成する凝縮器と、前記凝縮器により生成された液相の作動媒体を前記蒸気発生器に移送するポンプと、前記膨張機をバイパスするように前記蒸気発生器と前記凝縮器とを接続する蒸気バイパス配管と、前記蒸気バイパス配管を開閉する開閉弁と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、蒸気バイパス配管に蒸気を流すことにより、蒸気発生器により生成された蒸気の圧力を低下させることができる。このとき、膨張機に供給される蒸気の流量が低減されることになるので、膨張機の回転速度を低下させることができる。したがって、熱源の蒸気発生器への供給を止めることなく蒸気圧や膨張機の回転速度の過度な上昇を防止することができる。また、熱源の蒸気発生器への供給が継続されるので、蒸気発生器において熱源の熱エネルギーを回収した後に、この熱源（例えば排ガス）を周囲環境に放出することができる。
【０００８】
本発明の好ましい態様は、前記蒸気発生器により生成された蒸気の圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサの測定値に基づいて前記開閉弁を制御する第１の制御部と、を更に備えたことを特徴とする。
この場合において、前記第１の制御部は、前記蒸気発生器により生成された蒸気の圧力が所定の値を超えないように前記開閉弁を制御することが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、蒸気圧が、例えば、蒸気発生器や、蒸気発生器と膨張機とを接続する配管などが許容しうる最大圧力を超えないようにすることができる。従って、蒸気発生器などの損傷を未然に防止することができる。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記膨張機の回転速度を測定する回転速度測定器と、前記回転速度測定器の測定値に基づいて前記開閉弁を制御する第２の制御部と、を更に備えたことを特徴とする。
この場合において、前記第２の制御部は、前記膨張機の回転速度が所定の値を超えないように前記開閉弁を制御することが好ましい。
また、この場合において、前記回転速度測定器は、前記発電機により発電された電力の周波数に基づいて前記膨張機の回転速度を測定することが好ましい。
【００１１】
本発明によれば、膨張機の回転速度が、例えば、膨張機や発電機が許容しうる最大回転速度の値を超えないようにすることができる。従って、膨張機や発電機の損傷を未然に防止することができる。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記蒸気発生器への熱源の供給を停止させる停止弁を更に備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記蒸気発生器に熱源を供給する熱源配管に設けられ、前記蒸気発生器をバイパスする熱源バイパス配管と、熱源を前記熱源バイパス配管または前記蒸気発生器のいずれかに導く切換弁と、を更に備えたことを特徴とする。
【００１３】
上述したように、蒸気バイパス配管を設けることによって熱源の供給を止めることなく蒸気圧や膨張機の回転速度の過度な上昇を防止することができるが、蒸気圧や膨張機の回転速度が制御不能な程度にまで上昇した場合を考慮すると、蒸気発生器への熱源の供給を停止させる機構を設けることが好ましい。本発明によれば、蒸気圧や膨張機の回転速度が極端に上昇した場合には、停止弁を操作して熱源の供給を停止させるか、または熱源バイパス配管に蒸気を流入させ、これによって、蒸気発生器での蒸気の生成を停止させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る発電装置の全体構成を示す模式図である。
本実施形態に係る発電装置は、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムとして構成されている。
【００１５】
図１に示すように、発電装置は、熱源の熱エネルギーにより液相の作動媒体を気化させて、高圧の蒸気（気相の作動媒体）を生成する蒸気発生器１００と、蒸気発生器１００により生成された蒸気により駆動される膨張機（例えばタービン）１０１と、膨張機１０１に主軸１１０を介して連結された発電機１０２と、膨張機１０１から排出された蒸気を凝縮させて液相の作動媒体を生成する凝縮器１０３と、凝縮器１０３により生成された液相の作動媒体を蒸気発生器１００に移送するポンプ１０４とを備えている。
【００１６】
作動媒体としては、沸点が４０℃前後のＨＣＦＣ１２３（ジクロロトリフルオロエタン）或いはトリフルオロエタノール（ＣＦ３ＣＨ２ＯＨ）等が好適に用いられる。これにより、２００〜４００℃程度の排ガス或いは１００〜１５０℃の排温水など比較的低温の排熱を熱源として利用することができる。言い換えれば、低沸点の作動媒体を用いることにより、従来利用されずに捨てられていた排熱を発電に有効利用することが可能となる。
【００１７】
蒸気発生器１００の内部には熱源配管１０を介して排ガスや排温水などの熱源が供給されるようになっている。蒸気発生器１００を通過する液相の作動媒体には、蒸気発生器１００を介して熱源から熱エネルギーが伝達され、これにより、高圧の蒸気（気相の作動媒体）が生成される。蒸気発生器１００と膨張機１０１とを接続する配管１１には圧力センサ１２が設けられ、この圧力センサ１２により蒸気発生器１００で生成された蒸気の圧力（蒸気圧）が測定される。
【００１８】
膨張機１０１としては、例えば軸流型の多段タービンが好適に使用される。この膨張機１０１は、配管１１を介して蒸気発生器１００から供給される高圧の蒸気によって回転駆動される。そして、膨張機１０１の回転に伴って発電機１０２が駆動され、これにより発電が行われる。
【００１９】
発電機１０２には、膨張機１０１の回転速度を測定するための回転速度測定器１５が設けられている。この回転速度測定器１５は、発電機１０２により発電された電力の周波数を検出し、この周波数から膨張機１０１の回転速度を演算する演算部１５ａを備えている。なお、膨張機１０１の回転速度を直接測定する回転速度センサを膨張機１０１に設けてもよい。
【００２０】
膨張機１０１に導入された高圧の蒸気は、膨張機１０１にて膨張してその圧力が低下し、これに伴って温度も低下する。膨張機１０１は配管１６を介して凝縮器１０３に接続されており、膨張機１０１から出た蒸気は配管１６を介して凝縮器１０３に導入される。凝縮器１０３の内部には、冷却配管１８の一部を構成する曲管部１８ａが配置されており、水などの冷却媒体が冷却配管１８内を流通するようになっている。従って、凝縮器１０３に導入された蒸気は、曲管部１８ａを介して冷却媒体によって冷却されて凝縮され、これにより液相の作動媒体（凝縮液）が生成される。このようにして、作動媒体が気相から液相に変換される。
【００２１】
凝縮器１０３の下流側には、凝縮器１０３によって凝縮された作動媒体を更に冷却するための過冷却器２０が設けられている。この過冷却器２０内には、上記冷却配管１８の一部を構成する曲管部１８ｂが配置されている。この曲管部１８ｂは、凝縮器１０３内に配置される曲管部１８ａよりも冷却媒体の流れ方向において上流側に位置している。従って、冷却配管１８内を流れる冷却媒体は、まず、過冷却器２０の内部を流れ、その後、凝縮器１０３の内部を流れることとなる。このような構成により、凝縮器１０３で冷却された液相の作動媒体は、過冷却器２０によって更に２〜３℃程度低い温度にまで過冷却される。
【００２２】
この過冷却器２０は、その下流側に接続されるポンプ１０４においてキャビテーションが発生してしまうことを防止するために設けられている。すなわち、低沸点の作動媒体が使用される発電装置では、液相の作動媒体は気化しやすい状態にあるため、ポンプ１０４の駆動に伴って吸込み側の作動媒体の圧力が低下するとキャビテーションが発生するおそれがある。したがって、凝縮器１０３内の蒸気の圧力（凝縮圧力）と凝縮された作動媒体の液ヘッド（液の自重）とにより、キャビテーション防止のために必要とされる押し込みヘッドを確保する必要がある。ところが、何らかの事情により冷却媒体が１〜２℃低下すると、低沸点の作動媒体では凝縮圧力が大きく低下することになる。このため、ポンプ１０４の駆動に伴って液相の作動媒体が沸騰してしまい、必要な押し込みヘッドを確保することができなくなってしまう。そこで、凝縮器１０３よりも２〜３℃程度低い温度で液相の作動媒体を過冷却器２０により冷却することにより、凝縮圧力が低下した場合でも液相の作動媒体の沸騰を防止することができ、必要な押し込みヘッドを確保することができる。従って、ポンプ１０４でのキャビテーションの発生を防止することができる。
【００２３】
凝縮器１０３によって凝縮された作動媒体はポンプ１０４に吸い込まれ、ポンプ１０４により配管２１を介して蒸気発生器１００に移送される。なお、配管２１には液相の作動媒体の流量を調節する調節弁２４が設けられている。液相の作動媒体を蒸気発生器１００に移送するポンプ１０４としては、遠心ポンプやギヤポンプなどが好適に使用される。
【００２４】
次に、本実施形態に係る発電装置の動作について説明する。まず、液相の作動媒体はポンプ１０４により蒸気発生器１００に供給される。蒸気発生器１００では、例えば２００〜３００℃程度の排ガスを熱源として用いて作動媒体を気化させ、高温高圧の蒸気を発生させる。この蒸気は膨張機１０１に送られて膨張機１０１が蒸気により駆動され、これにより、発電機１０２により発電が行われる。
【００２５】
膨張機１０１から排出され低温低圧となった蒸気は、次に凝縮器１０３へ導かれる。凝縮器１０３では、蒸気が持つ熱が冷却媒体に伝達され、これにより作動媒体が液化する。液相の作動媒体は過冷却器２０により更に冷却され、過冷却器２０からポンプ１０４に吸い込まれる。以上のクローズドループが連続的に繰り返されることで発電が行われる。
【００２６】
本実施形態に係る発電装置は、膨張機１０１をバイパスする蒸気バイパス配管２２を備えている。蒸気発生器１００と凝縮器１０３とは、蒸気バイパス配管２２を介して接続されており、この蒸気バイパス配管２２には、蒸気バイパス配管２２を開閉する開閉弁２３が配置されている。そして、開閉弁２３を開くことによって、蒸気発生器１００により生成された蒸気が膨張機１０１を介さずに直接凝縮器１０３に導かれるようになっている。
【００２７】
開閉弁２３及び圧力センサ１２には、第１の制御部２５が接続されており、圧力センサ１２の測定値（蒸気圧の値）は、第１の制御部２５に送信されるようになっている。第１の制御部２５は、圧力センサ１２の測定値に基づいて開閉弁２３を開閉させるようになっている。より詳しくは、第１の制御部２５には開閉弁２３を操作するか否かを決定する所定の値（以下、圧力設定値という）が予め設定されており、圧力センサ１２の測定値が上記圧力設定値を超えた場合には、開閉弁２３を開いて蒸気発生器１００から凝縮器１０３に蒸気を導くようになっている。
【００２８】
このような構成により、蒸気発生器１００により生成された蒸気の圧力が上昇して圧力設定値を超えると開閉弁２３が開かれ、蒸気が膨張機１０１をバイパスして凝縮器１０３に流れる。従って、熱源の蒸気発生器１００への供給を止めることなく蒸気圧を低下させることができ、これにより蒸気発生器１００や配管１１などの損傷を未然に防ぐことが可能となる。
【００２９】
また、開閉弁２３には第２の制御部２８が接続されている。第２の制御部２８には回転速度測定器１５が接続されており、回転速度測定器１５の測定値（膨張機１０１の回転速度）が第２の制御部２８に送信されるようになっている。第２の制御部２８は、回転速度測定器１５の測定値に基づいて開閉弁２３を開閉させるようになっている。より詳しくは、第２の制御部２８には、開閉弁２３を操作するか否かを決定する所定の値（以下、回転速度設定値という）が予め設定されており、膨張機１０１の回転速度がこの回転速度設定値を超えたときには、開閉弁２３を開いて蒸気発生器１００から凝縮器１０３に蒸気を導くようになっている。
【００３０】
このような構成により、膨張機１０１の回転速度が過度に上昇して上記回転速度設定値を超えた場合には、第２の制御部２８を介して開閉弁２３が開かれ、蒸気が膨張機１０１をバイパスして凝縮器１０３に流れる。したがって、膨張機１０１に供給される蒸気の流量が大きく減少することになるので、熱源の蒸気発生器１００への供給を止めることなく膨張機１０１の回転速度を低下させることができる。これにより膨張機１０１や発電機１０２の損傷を未然に防ぐことが可能となる。
【００３１】
上述したように、蒸気バイパス配管２２を設けることによって熱源の供給を止めることなく蒸気圧や膨張機１０１の回転速度の過度な上昇を防止することができるが、蒸気圧や膨張機１０１の回転速度が制御不能な程度にまで上昇した場合を考慮すると、熱源の蒸気発生器１００への供給を停止させる機構を設けることが好ましい。そこで、本実施形態に係る発電装置では、蒸気発生器１００をバイパスする熱源バイパス配管３０が熱源配管１０に設けられている。
【００３２】
熱源配管１０と熱源バイパス配管３０との接続部には、三方弁３１が設置されている。この三方弁３１は、熱源の蒸気発生器１００への供給を停止させる停止弁としての機能と、熱源を蒸気発生器１００または熱源バイパス配管３０のいずれかに導く切換弁としての機能を兼ね備えている。なお、三方弁３１が定常位置にあるときは、蒸気発生器１００のみに熱源が供給される。
【００３３】
このような構成によれば、蒸気圧や膨張機１０１の回転速度が極度に上昇した場合には、三方弁３１を操作して熱源の供給を停止させるか、または熱源バイパス配管３０に蒸気を流入させ、これによって、蒸気発生器１００での蒸気の発生を停止させることができる。その結果、蒸気圧及び膨張機１０１の回転速度を速やかに低下させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、蒸気バイパス配管に蒸気を流すことにより、蒸気発生器により生成された蒸気の圧力を低下させることができる。このとき、膨張機に供給される蒸気の流量が低減されることになるので、膨張機の回転速度を低下させることができる。したがって、熱源の蒸気発生器への供給を止めることなく蒸気圧や膨張機の回転速度の過度な上昇を防止することができる。また、熱源の蒸気発生器への供給が継続されるので、蒸気発生器において熱源の熱エネルギーを回収した後に、この熱源（例えば排ガス）を周囲環境に放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電装置の全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０      熱源配管
１１，１６，２１    配管
１２      圧力センサ
１５      回転速度測定器
１５ａ    演算部
１８      冷却配管
１８ａ，１８ｂ    曲管部
２０      過冷却器
２２      蒸気バイパス配管
２３      開閉弁
２４      調節弁
２５      第１の制御部
２８      第２の制御部
３０      熱源バイパス配管
３１      三方弁（停止弁、切換弁）
１００    蒸気発生器
１０１    膨張機
１０２    発電機
１０３    凝縮器
１０４    ポンプ
１１０    主軸
【図１】
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