(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱を回収して作動媒体蒸気を発生させる蒸気発生器と、該動作媒体蒸気により駆動されるタービンと、該タービンより排出される作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮した作動媒体液を前記蒸気発生器に循環させる作動媒体循環ポンプとを具備すると共に、前記タービンにより駆動される発電機を具備する排熱発電装置を備えた排熱発電設備であって、
前記発電機で発電された交流出力を整流器により直流に変換した直流電力と、外部電力系統から供給される交流電力を整流器により直流に変換した直流電力を合成した直流電力が流れる直流系統と、
前記直流系統の直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備え、
前記直流系統の合成された直流電力が、前記外部電力系統から供給され前記整流器で直流に変換した直流電力電圧により略一定電圧に維持されることにより、前記発電機の回転速度の上昇を抑制し、前記発電機の回転速度を略一定に維持することを特徴とする排熱発電設備。
【請求項２】
請求項１に記載の排熱発電設備において、
前記排熱は、発電機を駆動する内燃機関からの排熱であって、該内燃機関の補機類の電力の一部若しくは全部を、前記インバータからの交流電力で賄うことを特徴とする排熱発電設備。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の排熱発電設備において、
前記直流系統に、制御手段を介して電熱器を設けたことを特徴とする排熱発電設備。
【請求項４】
請求項１乃至又３のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、
前記直流系統に、蓄電器を設置したことを特徴とする排熱発電設備。
【請求項５】
請求項２乃至又４のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、
前記発電機の発電電力が、その時点での負荷の電力需要を上回った場合若しくは上回ることが予想される場合に、前記補機類を強制的に運転する機能を備えたことを特徴とする排熱発電設備。
【請求項６】
請求項１乃至又５のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、
前記外部電力系統が停電した場合、当該排熱発電設備に付随する負荷の一部若しくは全部を遮断する機能を備えたことを特徴とする排熱発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱エネルギーを電力に変換する排熱発電装置を備えた排熱発電設備に関し、特に利用可能な熱エネルギーを最大に取り込みながら、緊急停止の応答性に優れた排熱発電装置を備えた排熱発電設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マイクロガスタービン或いはエンジン駆動の自家発電装置等においては、目標の発電量にするための調整は、発電装置への燃料（熱エネルギー）の供給量の増減により行われている。また、発電装置において、停電時に発電装置を緊急停止するときには、燃焼を短時間で停止し、ロータ等の過回転速度防止が図られている。燃焼ガス等の熱容量が小さければ、制御応答性がよいので、燃料調整で過回転速度防止を行うことができる。
【０００３】
一方、排熱による熱エネルギーを有効に利用する排熱発電装置が知られている。これらの排熱発電装置は、いわゆるランキンサイクル等を利用したクローズドシステム発電装置であり、装置のコンパクト化のために、作動媒体として水ではなく、低沸点の作動媒体を用い、排ガス等と熱交換することにより排熱を回収すると共に、作動媒体を蒸発させて発電機を駆動する蒸気として利用している。
【０００４】
また、近年はパワーエレクトロニクス分野の技術進歩により、系統連携装置（系統連携インバータ等）を用いて、高速発電機で高周波交流電力を発電し、これを整流して直流とした上で商用電力系統と同じ周波数の電力に変換して商用電力系統に電力を送電することが普及している。これにより、発電装置の主軸回転速度が商用電力系統の周波数に制約されることがなくなるので、主軸回転数を高くして排熱発電装置を小型化することが可能となり、小容量の排熱発電装置を実用的な性能とコストで提供出来るようになってきた。
【０００５】
図１は従来のこの種の排熱発電装置を備えた排熱発電設備のシステム構成例を示す図である。排熱発電装置１００は排熱を回収して高圧の作動媒体蒸気を発生させる蒸気発生器１０１、該蒸気発生器１０１で発生した高圧蒸気で駆動されるタービン１０２、該タービン１０２により駆動される高速発電機１０３、該タービン１０２より排出される低圧の作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器１０４と、該凝縮器１０４で凝縮した作動媒体液を蒸気発生器１０１に循環させる給液ポンプ１０５とを備え、これら蒸気発生器１０１、タービン１０２、凝縮器１０４及び給液ポンプ１０５は作動媒体循環経路１０６で接続されている。
【０００６】
また、蒸気発生器１０１の出口には調速弁１０７が設けられている。高速発電機１０３で発電された高周波交流電力は高周波整流器１０８により直流に変換された後、更にインバータ（図示せず）を備える系統連携装置１０９により商用電力系統２００と同期した交流電力に変換され、送電される。１１０は排熱発電装置制御盤であり、該排熱発電装置制御盤は給液ポンプ１０５等を制御する。
【０００７】
商用電力系統２００には、熱源装置１２０の発電機１２１の他、温水系、補機類を制御する温水系統補機盤１２２や冷却塔補機盤１２３等が接続されている。熱源装置１２０は発電機（同期発電機）１２１を駆動する内燃機関１２４、発電機盤１２５、熱源装置補機盤１２６を備えている。内燃機関１２４のジャケット冷却水が循環するジャケット冷却水循環路１２７が設けられ、該ジャケット冷却水循環路１２７に熱回収用熱交換器１２８、三方弁１２９、ジャケット冷却水循環ポンプ１３０が接続されている。
【０００８】
１３１は排温水循環系であり、該排温水循環系１３１には温水循環ポンプ１３２、往水ヘッダー１３３、還水ヘッダー１３４が接続されており、熱回収用熱交換器１２８でジャケット冷却水から熱を回収して高温となった温水は蒸気発生器１０１に送られ、該蒸気発生器１０１で作動媒体を蒸発させて温度が低下した温水は熱回収用熱交換器１２８に戻るようになっている。また、往水ヘッダー１３３には温水循環ポンプ１３９が接続され、温水が温水需要先１４０に送られ、温水需要先１４０からの温度が降下した温水は還水ヘッダー１３４に戻るようになっている。
【０００９】
また、熱源装置１２０の内燃機関１２４、排熱発電装置１００の凝縮器１０４に冷却水を送る冷却水循環系１３５には、冷却水ポンプ１３６、冷却ファン１３８を備えた冷却塔１３７が接続されている。冷却水ポンプ１３６や冷却ファン１３８は冷却塔補機盤１２３で制御される。また、ジャケット冷却水循環路１２７の三方弁１２９により、ジャケット冷却水を放熱用熱交換器１４２に導き、その有する熱を冷却水循環系１３５の冷却水に放熱できるようになっている。
【００１０】
上記従来構成の排熱発電装置１００では、蒸気発生器１０１とタービン１０２の間に調速弁１０７が設けられている。タービン１０２の主軸の回転速度が、危険回転速度に近づいたり、最高回転速度を超えると、装置の破損や異音の発生につながる。逆に低下すれば、発電電力が低下して送電不能に陥ったりする。このため、調速弁１０７は、その開度を制御することでタービン１０２の回転速度が一定範囲内にとどまるよう制御するものである。この場合、調速弁１０７の開度が変化することで、配管内の圧力損失を増して効率を制御すると共に、調速弁１０７の開度を小さくすると、蒸気発生器１０１内の蒸発温度が上昇して熱回収量が低下して出力が低下し、調速弁１０７の開度が大きくなると、蒸気発生器１０１内の蒸発温度が降下して、熱回収量が回復して出力が回復する。
【００１１】
図２は、上記従来の排熱発電設備の、特に電気系統だけを抜き出して示した図である。図２に示すように、商用電力系統２００に系統連携装置１０９、排熱発電装置制御盤１１０、発電機盤１２１、熱源装置補機盤１２６、及び循環水系補機盤１４１が接続される。図２において、図１の温水系統補機盤１２２と冷却塔補機盤１２３とを合わせて循環水系補機盤１４１としている。図示するように、排熱発電装置１００内の高速発電機１０３で発電された高周波交流電力は、高周波整流器１０８で直流電力に変換された後、系統連携装置１０９により商用電力系統２００に送電される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、例えば排熱を熱エネルギーとして利用する排熱発電装置のように、熱源の熱エネルギー量が定まっている場合においては、熱の供給量を増減することは熱エネルギーの利用効率が高低することであり、熱エネルギー損失が増加することになる。
【００１３】
系統連携装置１０９のインバータは、要求される出力電力の質が高いこと、商用電力系統２００と連携するためには大容量のリアクトルや電磁接触器が必要なことや、逆潮流や単独運転を検出・保護する必要があることなどから、高周波整流器１０８で変換された直流電力を単に設定された周波数の交流に変換する汎用的なインバータに比べて高価且つ大きくなる。これが、排熱発電装置１００の価格を押し上げる要因の一つであった。
【００１４】
たとえば、系統連携装置１０９を用いないで、排熱発電装置１００の出力を独立した電力系統とし、電力需要に合わせてその出力を増減することは、先に述べたように排熱利用量を増減することになるので、排熱の利用効率を犠牲にせざるを得なくなる。また、同系統に接続する電気的負荷が常に発電能力以下となるように設備を設計する必要があるため、さらに排熱の利用効率を低下させることになってしまう。
【００１５】
また、図１に示すように排熱エネルギーにより作動媒体蒸気を発生させ、該作動媒体蒸気のエネルギーによりタービン１０２を駆動することにより、高速発電機１０３を駆動して発電する排熱発電装置１００において、蒸気発生器１０１の熱保有量が多くなるため、緊急停止する場合に、熱源を遮断しても発生する蒸気量を急激には減らすことができない。即ち、商用電力系統２００が停電等で使えない場合に、高速発電機１０３が無負荷で運転されることになり、その結果、タービン１０２及び高速発電機１０３が過回転速度で運転され、これらの機器が損傷するおそれがあった。
【００１６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、排熱の利用効率を低下させることなく、膨張機（タービン等）や高速発電機が過回転速度運転されることなく、安価な排熱発電設備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】
【００１７】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、排熱を回収して作動媒体蒸気を発生させる蒸気発生器と、該動作媒体蒸気により駆動されるタービンと、該タービンにより排出される作動媒体蒸気を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器で凝縮した作動媒体液を蒸気発生器に循環させる作動媒体循環ポンプとを具備すると共に、タービンにより駆動される発電機を具備する排熱発電装置を備えた排熱発電設備であって、発電機で発電された交流出力を整流器により直流に変換した直流電力と、外部電力系統から供給される交流電力を整流器により直流に変換した直流電力を合成した直流電力が流れる直流系統と、直流系統の直流電力を交流電力に変換するインバータと、を備え、直流系統の合成された直流電力が、外部電力系統から供給され整流器で直流に変換した直流電力電圧により略一定電圧に維持されることにより、発電機の回転速度の上昇を抑制し、発電機の回転速度を略一定に維持することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排熱発電設備において、前記排熱は、発電機を駆動する内燃機関からの排熱であって、該内燃機関の補機類の電力の一部若しくは全部を、前記インバータから交流電力で賄うことを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の排熱発電設備において、直流系統に、制御手段を介して電熱器を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至又３のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、前記直流系統に、蓄電器を設置したことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、前記発電機の発電電力が、その時点での負荷の電力需要を上回った場合若しくは上回ることが予想される場合に、前記補機類を強制的に運転する機能を備えたことを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至又５のいずれか１項に記載の排熱発電設備において、外部電力系統が停電した場合、当該排熱発電設備に付随する負荷の一部若しくは全部を遮断する機能を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載の発明によれば、（高速）発電機で発電された（高周波）交流出力を（高周波）整流器により直流に変換した直流電力と、外部電力系統から供給される交流電力を整流器により直流に変換した直流電力を合成した直流電力が流れる直流系統と、直流系統の直流電力を交流電力に変換するインバータとを備え、直流系統の合成された直流電力が、外部電力系統から供給され整流器で直流に変換した直流電力電圧により略一定電圧に維持されることにより、発電機の回転速度の上昇を抑制し、発電機の回転速度を略一定に維持するので、下記のような優れた効果が得られる。
【００２４】
（１）（高速）発電機の負荷側の電力が発電電力を上回る場合でも、外部電力系統から不足した電力を直流で供給されるため、排熱発電装置に（高速）発電機の発生電力を上回る負荷を接続することができる。
【００２５】
（２）インバータの出力を一つの独立した電力系統とすることができるので、電力の品質は高いものが要求されず、従来のように高価系統連携装置を搭載することに比して排熱発電装置を安価に構成できる。
【００２６】
（３）排熱発電装置の負荷としては、排熱発電設備の熱源装置、若しくは排熱発電装置に組み込まれた系の補機動力が利用できる。この場合、これら補機類は排熱発電装置が運転される場合には、常に運転されることが期待されるため、発電した動力を無駄にすることが少なくなる。
【００２７】
（４）また、後に詳述するように従来のタービン発電機を用いた排熱発電装置では不可欠であった調速装置も省略若しくは簡略化することが可能となる。これにより調速装置による損失がなくなるばかりではなく、ハンチングなどの制御不良を生じる危険性が少なく、信頼性も高くなり、更に安定した調速効果をもたらす。
【００２８】
（５）また、後に詳述するように（高速）発電機の発電電力は常に任意の出力で運転できるようになるため、排熱発電装置は常に可能な限りの排熱を回収し、発電をすることができる。即ち、従来は主軸回転速度が一定範囲内にあるためには、排熱発電装置の電力負荷と、（高速）発電機の発電能力とがバランスするように、排熱発電装置の入熱量か、発電効率を抑制する必要があったが、本発明では主軸回転速度を一定範囲に維持するために、排熱の回収量や発電効率を抑制する必要はなくなる。
【００２９】
請求項２に記載の発明によれば、排熱は、発電機を駆動する内燃機関からの排熱であって、該内燃機関の補機類の電力の一部若しくは全部を、インバータからの交流電力で賄うので、排熱発電装置で発電した電力を排熱発電設備内で有効に利用できると共に、その分内燃機関で駆動される発電機で発電された電力を外部の商用電力系統に供給できる。
【００３０】
請求項３に記載の発明によれば、直流系統に、制御手段を介して発熱器を設けたので、何等かの理由でタービン出力（高速発電機出力）が負荷を上回った場合電熱器により負荷をつくり、（高速）発電機に負荷をかけて過回転を防止することができる。また、電熱器の応答は、他の制動手段に比べて高速であるため、排熱発電装置の安全性が高くなる。
【００３１】
請求項４に記載の発明によれば、直流系統に、蓄電器を設置したので、一時的に発電電力が負荷を上回った場合、発電電力を該蓄電器に蓄えることにより、負荷のバランスをとることが可能となり、簡単な構成で（高速）発電機の過回転を防止することができる。
【００３２】
請求項５に記載の発明によれば、（高速）発電機の発電電力が、その時点での負荷の電力需要を上回った場合若しくは上回ることが予想される場合に、補機類を強制的に運転するので、この補機類の運転分の負荷が増え、（高速）発電機の過回転速度を防止してきる。
【００３３】
請求項６に記載の発明によれば、外部電力系統が停電した場合、当該排熱発電設備に付随する負荷の一部若しくは全部を遮断する機能を備えたので、排熱発電装置の負荷を軽減できる。
【００３４】
また、本発明によれば、インバータと補機類の組み合わせの一部若しくは全部に代えて、直流電力で駆動される補機類を用いることができるので、補機に例えば市販のインバータ内蔵の補機をそのまま使用することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図３及び図４は本発明に係る排熱発電設備のシステム構成例を示す図で、図３は排熱発電設備の全体のシステム構成を示し、図４は特に電気系統だけを抜き出した構成を示す。排熱発電設備は、排熱源として熱電併給型のエンジン発電機ユニット（コージェネレーションパッケージ）を用いて、内燃機関（エンジン）の排温水を循環させ、その一部を排熱発電装置に導き、発電を行う例である。なお、本実施例では、内燃機関として特に普及台数の多いディーゼルエンジンを示しているが、これに限定されるものではない。
【００３６】
排熱発電装置１０は排熱を回収して高圧の作動媒体蒸気を発生させる蒸気発生器１１、蒸気発生器１１で発生した高圧蒸気で駆動されるタービン１２、タービン１２により駆動される高速発電機１３、タービン１２より排出される低圧蒸気を凝縮させる凝縮器１４と、該凝縮器１４で凝縮した作動媒体液を蒸気発生器１１に循環させる給液ポンプ１５とを備え、これら蒸気発生器１１、タービン１２、凝縮器１４及び給液ポンプ１５は作動媒体循環経路１６で接続されている。
【００３７】
高速発電機１３で発電された高周波交流電力は高周波整流器１８により直流に変換され直流系統２０１に出力される。商用電力系統２００からの交流電力は商用電力系統側の整流器１７で直流に変換されて直流系統２０１に出力され、前記高周波整流器１８の直流出力と合成される。直流系統２０１の合成直流電力はインバータ１９により交流に変換され、交流系統２０２に出力される。直流系統２０１には制御器２０を介して電熱器２１が接続されている。２２は排熱発電装置制御盤であり、該排熱発電装置制御盤２２は前記交流系統２０２に接続されている。
【００３８】
商用電力系統２００には、上記排熱発電装置１０の整流器１７の他、熱源装置３０の発電機盤３１が接続されている。熱源装置３０は発電機（ここでは同期発電機を用いるが誘導発電機などでもよく、特に種類は問わない）３２を駆動する内燃機関（ディーゼルエンジン）３３、発電機盤３１、熱源装置補機盤３４を備えている。内燃機関３３のジャケット冷却水が循環するジャケット冷却水循環路３５には、熱回収用熱交換器３６、三方弁３７、ジャケット冷却水循環ポンプ３８が接続されている。３９は排温水循環系であり、該排温水循環系３９には温水循環ポンプ４０、往水ヘッダー４１、還水ヘッダー４２が接続されており、熱回収用熱交換器３６でジャケット冷却水から熱を回収して高温となった温水は蒸気発生器１１に送られ、該蒸気発生器１１で作動媒体を蒸発させて温度が低下した温水は熱回収用熱交換器３６に戻るようになっている。また、往水ヘッダー４１には温水循環ポンプ４３が接続され、温水が温水需要先４４に送られ、温水需要先４４からの温水は還水ヘッダー４２に戻るようになっている。
【００３９】
また、熱源装置３０の内燃機関３３、排熱発電装置１０の凝縮器１４に冷却水を送る冷却水循環系４５には、冷却水ポンプ４６、冷却ファン４７を備えた冷却塔４８が接続されている。冷却水ポンプ４６や冷却ファン４７は冷却塔補機盤５２で駆動・制御される。また、ジャケット冷却水循環路３５の三方弁３７により、ジャケット冷却水を放熱用熱交換器４９に導き、その有する熱を冷却水循環系４５の冷却水に放熱できるようになっている。５１は温水系統補機盤であり、該温水系統補機盤で温水循環ポンプ４０、温水循環ポンプ４３は駆動・制御される。なお、図４において、循環水系補機盤５０は温水系統補機盤５１と冷却塔補機盤５２を合わせたものである。
【００４０】
熱源装置３０は、内燃機関３３により発電機３２を駆動して電力を発電する。発電した電力は発電機盤３１を経由して商用電力系統２００に送電される。このとき内燃機関３３内にジャケット冷却水と呼ばれる熱媒体が循環しており、内燃機関３３で発生した熱をジャケット冷却水循環路３５を通して内燃機関３３外に運び出している。運びだされた熱は熱回収用熱交換器３６を介して排温水として熱源装置３０の外に供給される。このとき排温水が利用されない場合等には、排熱は熱源装置３０内の放熱用熱交換器４９により、冷却水循環系４５の冷却水に放熱させ、冷却塔４８で冷却され、大気に放出される。
【００４１】
この冷却水及び冷却塔４８は内燃機関３３としてディーゼルエンジン等を用いた場合、吸気圧縮機（チャージャ）により圧縮された空気を冷却する冷却器（アフタークーラ）を冷却するために必要とされる。これは、内燃機関３３の出力向上と排気ガス中の窒素酸化物量などを抑制するために必要なもので、排熱発電装置１０の利用の有無に関わらず必要となる場合が多い。排温水循環系３９に排温水の形で取り出された排熱は、排温水の需要がある場合は、温水循環ポンプ４３により温水需要先４４に温水のまま供給されるが、排温水の需要がない場合や余剰の排熱がある場合、排熱発電装置に供給される。
【００４２】
排熱発電装置１０に供給された排温水は蒸気発生器１１に供給される。ここで排温水により作動媒体が加熱され、高圧の作動媒体蒸気となる。該作動媒体蒸気はタービン１２に供給されこれを駆動する。該タービン１２を通過した後の低圧の作動媒体蒸気は凝縮器１４で液化され、給液ポンプ１５を介して再び蒸気発生器１１に送られ、循環する。本実施形態では、凝縮器１４の冷却源として、冷却水循環系４５の冷却水を使用し、熱源装置３０の冷却塔４８を共用している。
【００４３】
一方、タービン１２は、タービン１２と同軸で連結された高速発電機１３を駆動する。高速発電機１３で発電された高周波交流電力は、高周波整流器１８で直流電力（発電機直流電力）に変換される。この発電機直流電力と、商用電力系統２００の電力を整流器１７を介して直流に変換した直流電力（系統直流電力）は、直流系統２０１で合成され、合成直流電力としてインバータ１９に供給される。これにより、後述するように高速発電機１３の発電電圧は略一定となり、回転速度も略一定となる。
【００４４】
また、このように接続した場合、図１及び図２示すように系統連携装置１０９を用いた場合に問題となる逆潮流を生じる可能性が無い。逆潮流とは、需要家の需要電力を越える電力を発電装置が発電してしまい、発電した電力が電力会社等の保有する電力系統に流れ込む現象であるが、整流器１７及び高周波整流器１８は原理的に電力を逆方向に通すことが無いので（図４の矢印Ａ、Ｂに示す方向にしか通さない）、排熱発電装置１０で発電された電力が商用電力系統側の整流器１７を通して商用電力系統２００に供給される可能性は無いので、逆潮流は起こりえない。
【００４５】
インバータ１９からの交流電力が出力される交流系統２０２には、排熱発電装置１０内の補機類（排熱発電装置制御盤２２、給液ポンプ１５、自動弁、計装機器等）、温水系統補機類（温水系統補機盤５１、温水循環ポンプ４０、温水循環ポンプ４３等）及び冷却水系統の補機類（冷却塔補機盤５２、冷却ファン４７、冷却水ポンプ４６等）を接続しこれらで消費する電力、更には熱源装置内の補機類で消費する電力を賄い、更に負荷を接続してもよい。
【００４６】
また、上記のように接続すると、高価な系統連携装置を用いなくとも、安価なインバータ１９を用いて、排熱発電装置１０で発電した電力を利用できることになる。このとき、従来は熱源装置３０が発電して補機類が消費していた電力が、商用電力系統２００に送電されることになり、実質的に系統連携装置を用いた従来例と同等の効果を生むことができる。  
【００４７】
上記のように高速発電機１３の出力を高周波整流器１８により直流に変換した直流電力と、外部の商用電力系統２００から供給される電力を商用電力系統側の整流器１７により直流に変換した直流電力とを直流系統２０１で合成し、該合成して直流電力をインバータ１９で交流電力に変換することにより、負荷側の電力が高速発電機１３の発電電力を上回る場合でも、商用電力系統２００から不足した電力を直流で供給されるため、排熱発電装置１０に高速発電機１３の発生電力を上回る負荷を接続することができる。更に、インバータ１９の出力を一つの独立した交流系統２０２とすることができるので、電力の品質は高いものが要求されず、図１に示す系統連携装置１０９を搭載することに比して排熱発電装置１０を安価に構成できる。
【００４８】
また、排熱発電装置１０の負荷としては、排熱発電設備の熱源装置３０、若しくは排熱発電装置１０に組み込まれた系の補機動力が利用できる。この場合、これら補機類は排熱発電装置１０が運転される場合には、常に運転されることが期待されるため、発電した動力を無駄にすることが少なくなる。この場合、これまで補機類に消費されていた、熱源装置３０の発電機３２で発電した電力の一部が、排熱発電装置１０の出力で代替されて商用電力系統２００に供給されることになり、系統連携装置を用いた従来の例（図１参照）と略同等の効果を少ないコストで得ることができる。
【００４９】
また、従来のタービン発電機（図１のタービン１０２及び高速発電機１０３参照）を用いた排熱発電装置では不可欠であった調速機能も省略若しくは簡略化することが可能となる。即ち、商用電力系統２００の交流電圧は略一定であるのに対して、高速発電機１３の高周波交流電圧は、主軸の回転速度に略比例して上昇すると考えてよい。このため、仮にタービン１２の出力軸に対して高速発電機１３の出力が劣っていれば、主軸の回転速度が上昇するが、このとき、高速発電機１３の高周波交流電圧も上昇するため、高速発電機１３の負荷が増えて該高速発電機１３に制動がかかり、主軸の回転速度が自然に調速される。
【００５０】
この調速装置が不要となる点を更に詳しく述べる。まず、インバータ１９の負荷は一定であると仮定する。本排熱発電設備の条件で使用するインバータ１９は、電圧の変動が小さいことから定電流負荷であると考えてよい。高周波整流器１８及び商用電力系統側の整流器１７は、どちらも電気回路中では抵抗の一種とみなすことができ、その電圧降下は流れる電流が増大すると大きくなり、減じると小さくなる。上記のように、例えば温度条件の変化等によりタービン１２の軸出力が増し、そのとき高速発電機１３の負荷（発電電力）相当の軸出力を上回ると、主軸の回転速度が上昇する。
【００５１】
このとき、高速発電機１３の出力電圧が上昇し、この電圧上昇により高周波整流器１８を流れる電流が増す。このためインバータ１９が定電流負荷であると考えれば、商用電力系統側の整流器１７に流れる電流が減じ、該整流器１７の電圧降下が小さくなる。本排熱発電設備では商用電力系統２００は定電圧電源であると考えてよいので、整流器１７の出力合成直流電圧が若干上昇し、高周波整流器１８の電圧降下と釣り合う点に安定する。この電圧変化を図示すると図５に示すようになる。
【００５２】
実際にはこの合成直流電圧の変化（図５のΔＶ参照）は高々数ボルトであり、合成直流電圧は通常数百ボルト程度であるので、インバータ１９を定電流負荷と考えることと矛盾しない。なお、逆にタービン１２の軸出力が変わらず、インバータ１９の負荷が変動する場合でも、同様の調整機能が働いて高速発電機１３による軸負荷とタービン１２の出力とはバランスする。両者が同時に変動しても問題が無い。
【００５３】
従って、商用電力系統２００の電圧が略一定であれば、高速発電機１３の主軸回転速度は常に一定の範囲にあることとなる。実際これに加えて高速発電機１３の内部リアクタンスの影響で、発電電流が増すと回転速度がやや上昇するが、その範囲は予想でき、設計時点で一定の範囲内に抑えることができる。即ち、特設に調速装置を設ける必要が無くなる。このため、調速装置による損失がなくなるばかりでなく、従来の機械的な調速装置よりも、いわゆるハンチングなどの制御不良を生じる危険性が少なく、信頼性も高くなり、更に安定した調速効果をもたらす。
【００５４】
更に、上記の作用効果より高速発電機１３の発電電力は常に任意の出力で運転できるようになるため、排熱発電装置１０は常に可能な限りの排熱を回収し、発電をすることができる。即ち、従来は主軸回転速度が一定範囲内にあるためには、排熱発電装置の電力負荷と、高速発電機の発電能力とがバランスするように、排熱発電装置の入熱量か、発電効率を抑制する必要があったが、本排熱発電設備に依れば、主軸回転速度を一定範囲に維持するために、排熱の回収量や発電効率を抑制する必要はなくなる。
【００５５】
なお、上記したように、本排熱発電設備の排熱発電装置１０では原理的に調速装置が不要であるが、安全のために非常調整装置のみを設けてもよい。これは高速発電機１３の主軸が過回転になり、主軸回転速度が設定値を超えた場合、タービン１２の入口蒸気を遮断して高速発電機１３を緊急停止させるものであるが、一般に通常の調速装置を有する発電装置であっても、それは別系統で設けるものであるので、本排熱発電装置１０の優位である点には変わりはない。
【００５６】
なお、本排熱発電設備の排熱発電装置１０では合成直流電力を、制御器２０としてＩＧＢＴ（スイッチング素子）を介して、電熱器２１と接続している。これは、インバータ１９に異常が発生した時等、急激に高速発電機１３の負荷が失われたときのためのものである。このような場合、タービン１２の回転速度が急激に上昇するため、緊急遮断弁などによりタービン１２を停止させる必要があるが、本排熱発電装置１０では、高速発電機１３の負荷が急速に失われた場合、制御器２０により発電した電力を電熱器２１に導き、高速発電機１３に制動をかけることができる。
【００５７】
これらの異常を検知してから緊急遮断弁が閉塞するまでには、１〜３秒程度の時間が必要であるが、この方法によれば、異常を検知してから、瞬時（数ミリ秒程度）に高速発電機１３に制動をかけることが可能である。これにより、不慮の異常発生時でも、高速発電機１３が過回転に達することを防止でき、装置の安全性と信頼性を高めることができる。
【００５８】
なお、制御器２０としてはＩＧＢＴ以外に、他のトランジスタ等の別のスイッチング素子、或いは継電器や接触器等を使用しても構わない。また、電熱器２１は冷却媒体（冷却水）、熱源媒体（排温水）、作動媒体、空気などにより冷却することがよいが、上記のように非常用のみとして用いるものであれば、例えば蓄熱体を用いて発生した熱を蓄えるだけでもよい。
【００５９】
また、何等かの条件により、排熱発電装置１０の発電電力が負荷電力を上回った場合に電熱器を調速器の一種として用いることができる。即ち、高速発電機１３の発電電力が負荷を上回った場合、上回った負荷に見合うように電熱器２１に電力を供給すればよい。
【００６０】
制御器２０に用いるＩＧＢＴは電熱器２１に流れる電流を断続的に制御するいわゆるチョッパ制御により、任意に電熱器２１の負荷を変えることができる。前述したとおり、高速発電機１３の発電電圧は高速発電機の回転速度に略比例するので、直流電圧が設計値以上に上昇したのであれば、高速発電機１３が過回転速度に近づいたものとみなしてもよい。本排熱発電装置１０の場合、直流電圧が設定値を超えた場合、超えた値に応じて電熱器２１の負荷が増すようにＩＧＢＴを制御することにしている。これは、簡単な電子回路で実現でき、安全のためには独立した電子回路等で構成することが望ましいが、制御盤等のデジタル制御によってもよい。なお、これら制御回路及び制御盤の電源は、直流系統２０１の合成直流電流からとることができる。
【００６１】
このとき、前記したような、インバータ１９に異常が発生した時等、急激に高速発電機１３の負荷が失われた場合であっても、制御器が動作して発電装置が過回転となることを抑制する効果が望める。上記から明らかなように直流電圧の上昇により、制御器２０が動作するような構成とすると、過回転速度やインバータの異常を特に検知しなくても働くため、安全性が大きく向上する。なお、このとき、直流系統２０１の電圧は上昇しているため、系統側から電力が流れ込むことが無く、設定値だけ適切に定めていれば、系統側から供給される電力を電熱器が無駄に消費することは無い。
【００６２】
このようにすると、高速発電機１３の出力が負荷を上回った場合でも、余剰の電力を電熱器２１が消費することにより負荷がバランスし、回転速度を適正範囲に保つことができる。これにより排熱発電装置１０の負荷が、排熱発電装置の発電能力を下回る可能性のある条件でも使用可能となる。なお、この方法を用いず、従来の調速器のように供給する温水の流量を制限する、或いはタービン１２の入口に制御弁（図１の調速弁１０７参照）を設けて発電能力を制御する、或いは作動媒体循環経路１６の作動媒体の循環量を減じる等により、高速発電機１３の出力を減じるなどして、高速発電機１３の出力を制御してもよい。
【００６３】
ここで、系統側が停電した場合を考える。この場合、系統側から整流器２１を通じて電力が供給されなくなるため、高速発電機１３の負荷が急増し、回転速度が低下して、直流電圧が低下する。このような場合、直流電圧の低下を検出した場合にインバータ１９が動作を停止することとしてもよい。しかし、系統側が停電したことを検出した場合、直流電圧が低下する前に、必要性の小さい負荷を遮断してインバータ１９の負荷を減らし、特に装置内の補機器等、必要な機器だけ運転を継続したり、安全に停止させたりすることもできる。このとき、発電量が負荷を上回れば、やはり余剰の電力を電熱器２１で消費させるのがよい。
【００６４】
図６は本発明に係る他の排熱発電設備のシステム構成例を示す図である。ここでは電気系統だけを抜き出して示しており、図３に相当する全体のシステム構成図は省略する。ここでは排熱発電装置１０の補機類（排熱発電装置制御盤２２、給液ポンプ１５等）と、循環水系の補機類（循環水系補機盤５０、温水循環ポンプ４０、温水循環ポンプ４３、冷却水ポンプ４６、冷却ファン４７等）を直流系統２０１の合成直流電流の一部で駆動している。なお、ここで、循環水系補機盤５０は、温水系統補機盤５１と冷却塔補機盤５２を合わせたものである。
【００６５】
また、本排熱発電設備の排熱発電装置１０では、直流系統２０１に蓄電器５３を接続し、合成直流電力を蓄電器５３に蓄電できるようになっている。このようにすることで、一時的に発電電力が負荷を上回った場合、発電電力を蓄電器５３に蓄えることで、負荷のバランスをとることが可能となる。蓄電器５３に蓄えられた電力は、再び負荷が上昇した場合などに有効に利用できる。また、商用電力系統側の整流器１７と直列に開閉器を設け、条件により蓄電器５３の電力と商用電力系２００の電力を使い分けることも可能となる。
【００６６】
また、商用電力系２００の停電時等、排熱発電装置制御盤２２や、循環水系補機盤５０を介して温水循環ポンプ４０、４３、冷却塔４８（冷却水ポンプ４６、冷却ファン４７）の運転を短時間であれば維持できることとなり、これによりシステムの信頼性を向上させることができる。このとき、蓄電器５３を直接直流系統２０１に接続してもよく、このとき、蓄電器は定電圧電源となるので、前述した調速機能が更に有効に働く、また、例えば直流電圧が一定の値を超えた場合に充電し、一定の値を下回った場合に放電するような回路としても良い。蓄電器５３としては、鉛電池に代表される二次電池や近年研究の進んでいるフライホイールバッテリ、大容量キャパシタ等、特に種類を問わない。
【００６７】
図７は本発明に係る他の排熱発電設備のシステム構成例を示す図である。ここでは電気系統だけを抜き出して示すたもので、図３に相当する全体のシステム構成図は省略する。本排熱発電設備の排熱発電装置１０は保護装置５４を備え、保護装置５４を介して直接直流系統２０１の合成直流電力を外部の直流負荷５５に供給できるようになっている。ここで直流負荷５５とは、後述する直流電力を電源とするインバータに接続された交流電動機等であっても構わない。更に、排熱発電装置１０の補機類（排熱発電装置制御盤２２、給液ポンプ１５等）を直流電源用のものに置き換えて、直接直流系統２０１の合成直流電力の一部で駆動すると共に、循環水系補機盤５０を排熱発電装置１０内に設け、循環水系補機盤５０に補機類（冷却水ポンプ４６、冷却ファン４７等）を駆動する電動機用インバータ５０ａ、５０ｂを内蔵させてもよい。なお、補機類を駆動する電動機用インバータは排熱発電装置１０の外部の補機の近傍に設け、直接直流系統２０１の合成直流電力を直流電力ケーブルで供給するようにしても差し支えない。
【００６８】
近年は、インバータを用いてポンプやファンの回転速度を制御することで、これらの機器を最適化することが一般的になっている。即ち、ポンプを例にとれば、従来のようにポンプ出力は一定で、ポンプの吐出口等に制御弁を設けて流量や圧力を制御する代りに、インバータで交流電力の周波数を変え、流量や圧力を制御する方法である。このようにするとポンプの所要動力（電動機の消費電力）を低減できるため、省エネルギーに役立つ。近年インバータを内蔵したポンプもあり、これらの機器を、上記外部の直流負荷５５として直接直流系統２０１に直結して用いても差し支えない。
【００６９】
この場合、市販の電動機用インバータやインバータ内蔵ポンプを用いることは困難ではない。なぜならば、これらの機器は装置内部に整流器を内蔵しているが、商用の交流電力に代えて直流電力を供給しても、多くの場合は整流器を電流が通り抜けるだけで、機能上の不具合を生じない。但し、整流器による損失を回避するために、これらの機器に若干の改造を加えても良い。これらの改造は整流器を導体に置き換えるなどの軽微なもので十分である。
【００７０】
このとき、補機類の運転を排熱発電装置１０自身が制御することで、高速発電の過回転を防止することに役立たせることができる。即ち、タービン出力がそのときのインバータ出力を上回る場合などに、運転されていない補機類を強制的に運転することで、インバータに負荷をかけ、高速発電機が過回転速度に達することを抑制できる。一般に循環水ポンプ等は運転することで不具合を生じにくいため、負荷を調整するために好ましい。なお、同等の制御は本実施形態例に限らず、これら補機類の制御が、排熱発電装置側から行えるようになっていれば良い。
【００７１】
図８は本発明に係る他の排熱発電設備のシステム構成例を示す図である。本排熱発電設備は、熱源装置３０として温水供給が可能な内燃機関による熱電併給型の発電装置を用い、排熱発電装置１０の熱源としては内燃機関３３の排気ガス６２を用いることとした。一般に、内燃機関３３を用いた熱電併給型の発電装置（エンジンコージェネレーションパッケージ）では、ジャケット冷却水循環路３５を循環する内燃機関３３のジャケット冷却水から熱回収用熱交換器３６で熱を回収し、温水を温水循環ポンプ４０により、温水需要先４４に供給し、内燃機関３３の排気ガス６２を熱源として排熱発電装置１０の蒸気発生器１１に供給している。
【００７２】
蒸気発生器１１で発生した高圧作動媒体蒸気はタービン１２に供給されタービン１２を駆動し、タービン１２を出た作動媒体蒸気は空冷ファン６０を備えた空冷凝縮器６３で凝縮され、凝縮液は給液ポンプ１５で蒸気発生器１１に送られる。また、タービン１２で駆動される高速発電機１３で発電された高周波交流電力は高周波整流器１８で直流電力に変換される。この高周波整流器１８からの直流電力と整流器１７で直流に変換された商用電力系統２００からの直流電力は直流系統２０１で合成され、インバータ１９で交流系統２０２に出力される。交流系統２０２には、熱源装置補機盤３４、排熱発電装置制御盤２２、循環水系補機盤６１が接続されている。
【００７３】
上記のようにエンジンコージェネレーションパッケージでは、エンジン冷却水を熱源にして温水を供給できる他、排気ガスを熱源としても、蒸気や温水を供給できる。しかし、温水需要先４４の温水需要があまり大きくない場合などでは、排気ガス６２については排熱源として利用せず大気に放出していることがある。本排熱発電設備では、このような未利用の排熱を有効利用することにも道を開くものである。また、本排熱発電設備の排熱発電装置１０では凝縮器を空冷凝縮器６３とし空冷ファン６０を用いて冷却している。
【００７４】
なお、図８では、電熱器などの装置は省略しているが、これらは適宜設けてもよい。また、図７に示すように、外部な直流電力を供給し、これにより補機等を駆動することとしてもよい。
【００７５】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】従来の排熱発電設備のシステム構成を示す図である。
【図２】従来の排熱発電設備の特に電気系統だけを抜き出して示した図である。
【図３】本発明に係る排熱発電設備の全体のシステム構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る排熱発電設備の電気系統の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る排熱発電設備の排熱発電装置の電圧変化の状態を示す図である。
【図６】本発明に係る排熱発電設備の電気系統の構成例を示す図である。
【図７】本発明に係る排熱発電設備の電気系統の構成例を示す図である。
【図８】本発明に係る排熱発電設備の全体のシステム構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０      排熱発電装置
１１      蒸気発生器
１２      タービン
１３      高速発電機
１４      凝縮器
１５      給液ポンプ
１６      作動媒体循環経路
１７      整流器
１８      高周波整流器
１９      インバータ
２０      制御器
２１      電熱器
２２      排熱発電装置制御盤
３０      熱源装置
３１      発電機盤
３２      発電機
３３      内燃機関
３４      熱源装置補機盤
３５      ジャケット冷却水循環路
３６      熱回収用熱交換器
３７      三方弁
３８      ジャケット冷却水循環ポンプ
３９      排温水循環系
４０      温水循環ポンプ
４１      往水ヘッダー
４２      還水ヘッダー
４３      温水循環ポンプ
４４      温水需要先
４５      冷却水循環系
４６      冷却水ポンプ
４７      冷却ファン
４８      冷却塔
４９      放熱用熱交換器
５０      循環水系補機盤
５１      温水系統補機盤
５２      冷却塔補機盤
５３      蓄電器
５４      保護装置
５５      直流負荷
６０      空冷ファン
６１      循環水系補機盤
６２      排気ガス
６３      空冷凝縮器
【図１】
0004685518.tif 000002
【図２】
0004685518.tif 000003
【図３】
0004685518.tif 000004
【図４】
0004685518.tif 000005
【図５】
0004685518.tif 000006
【図６】
0004685518.tif 000007
【図７】
0004685518.tif 000008
【図８】
0004685518.tif 000009