(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる蒸発器と、当該蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動するタービンと、当該タービンを回転駆動した後の低沸点作動流体を冷媒との熱交換により液化する凝縮器とに、記載の順に低沸点作動流体を循環させて、前記タービンの回転軸に連結される発電機を回転駆動して発電するバイナリー発電システムであって、
低沸点作動流体がフッ素系炭化水素であり、
少なくとも、低沸点作動流体を圧送する作動流体圧送ポンプと、冷媒を圧送する冷媒圧送ポンプと、外気を利用して冷媒を冷却する冷却塔ファンと、熱源流体を圧送する熱源流体圧送ポンプとを、電力消費機器として備え、
前記タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する流量調整ノズルを有し、
前記蒸発器は、蒸発器筐体の内部に配設されて熱源流体を通流する伝熱管を備え、前記蒸発器筐体と前記伝熱管との間に低沸点作動流体を通流させる形態で、熱源流体と低沸点作動流体とを熱交換させるように構成され、
前記蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を測定する作動流体流量測定手段と、前記蒸発器に流入する熱源流体の流量を測定する熱源流体流量測定手段と、前記蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を調整可能な流量調整弁とを備え、
前記作動流体流量測定手段及び前記熱源流体流量測定手段の測定結果に基づいて前記流量調整弁の弁開度を、前記蒸発器筐体内における低沸点作動流体の液面が前記伝熱管の伝熱面よりも上方に位置する状態を維持する開度に制御する弁開度制御手段と、
前記流量調整ノズルにより調整される低沸点作動流体の流量を、前記発電機にて発電される発電電力から前記電力消費機器にて消費される自家消費電力を減算した正味の発電電力としての正味回収電力が最大となるように制御するノズル制御手段とを備えるバイナリー発電システム。
【請求項２】
前記蒸発器は、熱源から圧送された熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる高温側蒸発器と、当該高温側蒸発器を通過した後の熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる低温側蒸発器とからなり、
前記タービンは、前記高温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する高圧タービンと、前記低温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する低圧タービンとからなり、
前記高圧タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する第１流量調整ノズルを有すると共に、前記低圧タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する第２流量調整ノズルを有し、
前記ノズル制御手段は、前記第２流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体の流量に対する、前記第１流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体の流量の比である流量比を１以上１．８５以下に設定する請求項１に記載のバイナリー発電システム。
【請求項３】
前記低温側蒸発器を通過した後の熱源流体と前記凝縮器を通過した後の低沸点作動流体とを熱交換する形態で、低沸点作動流体を予熱する予熱器を備えている請求項２に記載のバイナリー発電システム。
【請求項４】
前記高温側蒸発器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該高温側蒸発器内にて最近接するときの温度差と、前記低温側蒸発器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該低温側蒸発器内にて最近接するときの温度差と、前記予熱器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該予熱器内にて最近接するときの温度差と、の夫々が２℃以内となるように、前記ノズル制御手段が前記第１流量調整ノズルと前記第２流量調整ノズルとを制御する請求項３に記載のバイナリー発電システム。
【請求項５】
前記高温側蒸発器に流入する熱源流体は、温度が８０〜９８℃で、且つ流量が２０〜１００ｔ／ｈの地熱水あるいは工場排熱やコージェネレーションの排温水である請求項２〜４の何れか一項に記載のバイナリー発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる蒸発器と、当該蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動するタービンと、当該タービンを回転駆動した後の低沸点作動流体を冷媒との熱交換により液化する凝縮器とに、記載の順に低沸点作動流体を循環させて、タービンの回転軸に連結される発電機を回転駆動して発電するバイナリー発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、通常の蒸気タービンには適さない低温熱源から発電できる発電システムとして、石油系炭化水素やアンモニア等の低沸点流体の蒸気を利用して発電するバイナリー発電システムが知られている。
当該バイナリー発電システムでは、比較的低温の熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる蒸発器と、当該蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動するタービンと、当該タービンを回転駆動した後の低沸点作動流体を冷媒との熱交換により液化する凝縮器と、タービンの回転軸に連結される発電機とを備えて構成されている。
そして、蒸発器と、タービンと、凝縮器とに、記載の順に低沸点作動流体を循環させる形態で、タービンの回転軸に連結される発電機を回転駆動して発電する（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２２１９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示の技術は、熱源の熱流体の温度が２００℃程度で、熱源の熱量が非常に豊富にあり、システムによる自家消費電力が発電出力に占める割合は小さいため、システムに導入される熱源流体に対する発電効率をそれほど考慮しなくても、発電電力から自家消費電力を差し引いた正味の発電電力である正味回収電力を十分に得ることができ、投資回収効率を高めることができるものであった。
しかしながら、数多くある日本の温泉源、あるいは工場排熱やコージェネレーションの熱源として、２００℃程度の温度で十分な流量の熱源水を得られるところは多くない。
そして、熱源水の温度が低い場合にあっては、発電電力に対する自家消費電力の割合が大きくなるため、正味回収電力を十分に得られない場合があり、このような場合にあっては、投資に対する回収が十分に行えず、改善の余地があった。
また、低沸点作動流体の特性として、蒸発器における過熱度が低い場合、蒸発器にて蒸発した作動媒体の蒸気がタービン内で湿り域に入り、タービン翼に衝突することにより、タービン発電機の発電効率が低下する。このため、蒸発器において低沸点作動流体を飽和状態で蒸発させた後、更に熱源流体で設定された過熱度に高めて低沸点作動流体をタービンへ送るように、低沸点作動流体の流量を制御している。上記特許文献１に開示のバイナリー発電システムでも同様の制御形態を採用していた。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、供給される熱源流体の温度が比較的低い場合であっても、正味回収電力を高め得るバイナリー発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためのバイナリー発電システムは、
熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる蒸発器と、当該蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動するタービンと、当該タービンを回転駆動した後の低沸点作動流体を冷媒との熱交換により液化する凝縮器とに、記載の順に低沸点作動流体を循環させて、前記タービンの回転軸に連結される発電機を回転駆動して発電するバイナリー発電システムであって、その特徴構成は、
低沸点作動流体がフッ素系炭化水素であり、
少なくとも、低沸点作動流体を圧送する作動流体圧送ポンプと、冷媒を圧送する冷媒圧送ポンプと、外気を利用して冷媒を冷却する冷却塔ファンと、熱源流体を圧送する熱源流体圧送ポンプとを、電力消費機器として備え、
前記タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する流量調整ノズルを有し、
前記蒸発器は、蒸発器筐体の内部に配設されて熱源流体を通流する伝熱管を備え、前記蒸発器筐体と前記伝熱管との間に前記低沸点作動流体を通流させる形態で、熱源流体と低沸点作動流体とを熱交換させるように構成され、
前記蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を測定する作動流体流量測定手段と、前記蒸発器に流入する熱源流体の流量を測定する熱源流体流量測定手段と、前記蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を調整可能な流量調整弁とを備え、
前記作動流体流量測定手段及び前記熱源流体流量測定手段の測定結果に基づいて前記流量調整弁の弁開度を、前記蒸発器筐体内における低沸点作動流体の液面が前記伝熱管の伝熱面よりも上方に位置する状態を維持する開度に制御する弁開度制御手段と、
前記流量調整ノズルにより調整される低沸点作動流体の流量を、前記発電機にて発電される発電電力から前記電力消費機器にて消費される自家消費電力を減算した正味の発電電力としての正味回収電力が最大となるように制御するノズル制御手段とを備える点にある。
【０００７】
本発明の発明者らは、用いる低沸点作動流体、例えば沸点が約１５℃のＨＦＣ２４５ｆａ（Ｃ3Ｈ3Ｆ5）や沸点が約３４℃のＨＦＥ７０００（Ｃ4Ｈ3Ｆ7Ｏ）では、熱力学的特性からバイナリー発電システムにおいて、蒸発器出口における過熱度を高めなくても、作動媒体がタービン内で湿り域に入らないため、タービン発電機での発電効率が低下せず、また過熱度を高めていないためにタービンを出た作動流体の過熱度が低いために、凝縮器の上流（タービンと凝縮器との間）において熱回収設備を設ける必要も無く、また凝縮器にて捨てられる熱エクセルギーも少ないことを、新たに見出した。
そこで、上述した本発明にあっては、まずもって、蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を測定する作動流体流量測定手段と、蒸発器に流入する熱源流体の流量を測定する熱源流体流量測定手段と、蒸発器に流入する低沸点作動流体の流量を調整可能な流量調整弁とを備え、弁開度制御手段が、作動流体流量測定手段及び熱源流体流量測定手段の測定結果に基づいて流量調整弁の弁開度を、蒸発器筐体内における低沸点作動流体の液面が熱源流体を通流する伝熱管の伝熱面よりも上方に位置する状態を維持する開度に制御する、即ち、蒸発器筐体内で蒸発した低沸点作動流体が蒸発した後で更に過熱されないように、当該低沸点作動流体の流量を制御する。
これにより、蒸発器において低沸点流体の過熱度の上昇を防止して、蒸発器とタービンと凝縮器とを記載の順に通流する低沸点作動流体の流量を増加させ、タービン発電機での発電量を増加させ、発電効率を高めることができる。
尚、本発明にあっては、熱源流体としては、大気圧において液体状態であり、例えば、工場排熱やコージェネレーションの排温水あるいは、温泉を熱源とする地熱水を想定しており、その温度は略一定（例えば、８０℃〜９８℃程度）に保たれていることを前提としている。
【０００８】
更に、本発明にあっては、これまで注目されていなかったタービンへの流入流量に着目し、バイナリー発電システムにおける正味発電効率の最大化を図っている。
本発明にあっては、タービン発電機における発電電力は、タービンに流入する低沸点作動流体の流量が特定の値に達するまで増加し、当該特定の値に達した後は低下する。一方で、バイナリー発電システムに備えられる電力消費機器による自家消費電力は、電力消費機器が流体を圧送するポンプや冷却のためのファンが主であることから、タービンへ流入する低沸点作動流体の流量の増加に伴って増加する。
つまり、本願の発明者らは、低沸点作動流体の流量において、正味回収電力が変化し、当該正味回収電力は、低沸点作動流体の流量が特定の流量であるときに、最大となることを見出した。
そこで、上述の特徴構成においては、ノズル制御手段が、流量調整ノズルにより調整される低沸点作動流体の流量を、発電機にて発電される発電電力から電力消費器機器にて消費される自家消費電力を減算した正味の発電電力としての正味回収電力が最大となるように制御している。これにより、例えば、確保できる熱源流体の流量が小さく、且つその温度も高くないような状況においても、正味回収電力を高めることができるバイナリー発電システムを実現できる。
【０００９】
本発明のバイナリー発電システムの更なる特徴構成は、
前記蒸発器は、熱源から圧送された熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる高温側蒸発器と、当該高温側蒸発器を通過した後の熱源流体を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる低温側蒸発器とからなり、
前記タービンは、前記高温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する高圧タービンと、前記低温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する低圧タービンとからなり、
前記高圧タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する第１流量調整ノズルを有すると共に、前記低圧タービンが自身に流入する低沸点作動流体の流量を調整する第２流量調整ノズルを有し、
前記ノズル制御手段は、前記第２流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体の流量に対する、前記第１流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体の流量の比である流量比を１以上１．８５以下に設定する点にある。
【００１０】
本発明にあっては、蒸発器において低沸点作動流体の過熱度を上げない（過熱度を０℃にして）関係で、その分だけ低沸点作動流体の流量を増加させることができる。
このように、低沸点作動流体の流量を増加し、増加した低沸点作動流体にて、効率よく発電する意味からは、上述の特徴構成の如く、熱源から圧送された熱源流体（高温側の熱源流体）を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる高温側蒸発器と、高温側蒸発器を通過した後の熱源流体（低温側の熱源流体）を加熱源として低沸点作動流体を蒸発させる低温側蒸発器とを備えると共に、高温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する高圧タービンと、低温側蒸発器にて蒸発した低沸点作動流体にて回転駆動する低圧タービンとを備える構成を採用することが好ましい。
このような構成において、更に、本発明の発明者らは、高圧タービンに導かれる低沸点作動流体の流量と、低圧タービンに導かれる低沸点作動流体の流量との比が、特定の比であるときに、正味回収電力が高くなることを見出した。
即ち、上記特徴構成を有するバイナリー発電システムにあっては、ノズル制御手段が、第２流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体の流量に対する、第１流量調整ノズルにて調整される高圧タービンへ流入する低沸点作動流体の流量の比である流量比を１以上１．８５以下に設定することで、正味回収電力を高く設定しているのである。
【００１１】
本発明のバイナリー発電システムの更なる特徴構成は、
前記低温側蒸発器を通過した後の熱源流体と前記凝縮器を通過した後の低沸点作動流体とを熱交換する形態で、前記低沸点作動流体を予熱する予熱器を備えている点にある。
【００１２】
上記特徴構成によれば、低温側蒸発器を通過した後の熱源流体と凝縮器を通過した後の低沸点作動流体とを熱交換する形態で、低沸点作動流体を予熱する予熱器を備えているから、熱源流体が保有する熱を十分に活用でき得るシステム構成とできる。
【００１３】
本発明のバイナリー発電システムの更なる特徴構成は、
前記高温側蒸発器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該高温側蒸発器内にて最近接するときの温度差と、前記低温側蒸発器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該低温側蒸発器内にて最近接するときの温度差と、前記予熱器を通流する熱源流体の温度と低沸点作動流体の温度とが当該予熱器内にて最近接するときの温度差と、の夫々が２℃以内となるように、前記ノズル制御手段が前記第１流量調整ノズルと前記第２流量調整ノズルとを制御する点にある。
【００１４】
発明者らは、高温側蒸発器と低温側蒸発器と予熱器との夫々におけるピンチポイントを調整することで更なる正味回収発電量を増加することができることを見出した。
つまり、上記特徴構成を有するバイナリー発電システムにあっては、ノズル制御手段が、高温側蒸発器と低温側蒸発器と予熱器との夫々におけるピンチポイントが２℃以内となるように、第１流量調整ノズルと第２流量調整ノズルとを制御することで、このような制御をしない場合に比べて、正味回収電力を４４％増加できることを、後述するシミュレーションにて確認している。
【００１５】
本発明のバイナリー発電システムの更なる特徴構成は、
前記高温側蒸発器に流入する熱源流体は、温度が８０〜９８℃で、且つ流量が２０〜１００ｔ／ｈの地熱水あるいは工場排熱やコージェネレーションの排温水である点にある。
【００１６】
本発明のバイナリー発電システムにあっては、特に、熱源流体の下限温度が８０℃で、且つ下限流量が２０ｔ／ｈのような従来は地熱発電の熱源あるいは工場排熱やコージェネレーションの排温水としては活用され難かった熱源流体をも有効に利用して、売り電可能電力１５ｋＷの発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態に係るバイナリー発電システムに係る概略構成図
【図２】第１実施形態に係るバイナリー発電システムで、正味回収電力等の低沸点作動流体の流量依存性を示すグラフ図
【図３】第２実施形態に係るバイナリー発電システムに係る概略構成図
【図４】第２実施形態に係るバイナリー発電システムで、正味回収電力等の低沸点作動流体の流量依存性を示すグラフ図
【図５】第２実施形態に係るバイナリ発電システムで、蒸発器等におけるピンチポイントを２℃程度に設定した場合における正味回収電力等の低沸点作動流体の流量依存性を示すグラフ図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態に係るバイナリー発電システム１００は、供給される熱源流体の温度が比較的低い場合であっても、正味回収電力を高め得るバイナリー発電システムに関する。
【００１９】
〔第１実施形態〕
以下、図１に基づいて、本発明の実施形態に係るバイナリー発電システム１００の第１実施形態について説明する。
第１実施形態に係るバイナリー発電システム１００は、温泉から沸き出る地熱水あるいは工場排熱やコージェネレーションの排温水等の熱源流体ＨＷを加熱源として、比較的沸点の低い低沸点作動流体ＬＷを蒸発させる蒸発器ＨＸ１と、当該蒸発器ＨＸ１にて蒸発した低沸点作動流体ＬＷにて回転駆動するタービンＴ１と、当該タービンＴ１を回転駆動した後の低沸点作動流体ＬＷを水等の冷媒ＣＷとの熱交換により液化する凝縮器ＨＸ４と、凝縮器ＨＸ４にて凝縮した低沸点作動流体ＬＷを蒸発器ＨＸ１を通過した後の熱源流体ＨＷと熱交換する形態で予熱する予熱器ＨＸ３とに、記載の順に低沸点作動流体ＬＷを循環させて、タービンＴ１の回転軸に連結される発電機Ｇ１を回転駆動して発電するものである。
【００２０】
本発明の実施形態に係るバイナリー発電システム１００は、熱源流体ＨＷとしては、例えば、８０℃〜９８℃程度の温度で、２０ｔ／ｈ〜１００ｔ／ｈ程度の流量のものを対象とできる。尚、以下の実施形態にあっては、熱源流体ＨＷは、その代表的な値として、平均で、流量１００ｔ／ｈ、温度９５℃のものが供給されるものとして説明する。尚、当該熱源流体ＨＷの温度に関しては、安定しており、大きな変動をするものではないものとする。
【００２１】
熱源流体ＨＷを通流する流路には、当該熱源流体ＨＷの流量を測定する熱源流体流量センサＦ１と、当該熱源流体ＨＷの圧力を、約３気圧（３００ｋＰａ）程度まで昇圧する熱源流体圧送ポンプＰ１が設けられている。
【００２２】
比較的沸点の低い低沸点作動流体ＬＷとしては、フッ素系炭化水素（例えば、ＨＦＣ２４５ｆａ（Ｃ3Ｈ3Ｆ5）：沸点約１５℃、ＨＦＥ７０００（Ｃ4Ｈ3Ｆ7Ｏ）：沸点約３４℃）等が好適に用いられるが、当該実施形態では、低沸点作動流体ＬＷとして、ＨＦＣ２４５ｆａ（Ｃ3Ｈ3Ｆ5）を用いることとする。
【００２３】
蒸発器ＨＸ１は、蒸発器筐体ＨＸ１ｂの内部に配設されて熱源流体ＨＷを通流する伝熱管ＨＸ１ａを備え、蒸発器筐体ＨＸ１ｂと伝熱管ＨＸ１ａとの間に低沸点作動流体ＬＷを通流させる形態で、熱源流体ＨＷと低沸点作動流体ＬＷとを熱交換させるように構成されている。
詳細については後述するが、当該蒸発器ＨＸ１では、蒸発器筐体ＨＸ１ｂの内部において低沸点作動流体ＬＷの液面が伝熱管ＨＸ１ａの伝熱面よりも上方にくるように、即ち、伝熱管ＨＸ１ａの伝熱面のすべてに低沸点作動流体ＬＷが接触するように、低沸点作動流体ＬＷの流量が制御されている。これにより、熱源流体ＨＷの保有する熱が、蒸発器筐体ＨＸ１ｂの内部にて蒸発した低沸点作動流体ＬＷの過熱に用いられることを防止している。
【００２４】
蒸発器ＨＸ１にて蒸発した低沸点作動流体ＬＷが導かれるタービンＴ１は、当該タービンＴ１に流入する低沸点作動流体ＬＷの流量を調整する流量調整ノズル（図示せず）を備えたラジアルタービンが用いられる。
当該タービンＴ１の回転軸には発電機Ｇ１が連結されており、タービンＴ１の軸出力にて回転駆動して発電される。図示は省略するが、発電機Ｇ１は、分電盤等を介する形態で、電力線により商用電力系統に接続されており、発電機Ｇ１にて発電した電力を商用電力系統へ逆潮流可能に構成されている。また、発電機Ｇ１にて発電された電力の一部は、当該バイナリー発電システム１００にて電力消費するポンプ等の電力消費機器へ給電可能に構成されている。
【００２５】
タービンＴ１にて降圧・降温して凝縮器ＨＸ４へ導かれる低沸点作動流体ＬＷは、冷媒ＣＷとしての水と熱交換する形態で、冷却・凝縮・過冷却される。
ここで、冷媒ＣＷに係る回路について説明を追加すると、凝縮器ＨＸ４を出た冷媒ＣＷには、外気Ａに補給水Ｗが追加されて混合器Ｍ１にて混合され、冷却塔ＣＴにて外気と積極的に接触させられる形態で、気化潜熱が奪われて降温し、飽和状態となった外気ＶＥはファンＣＰにより大気に放散される。その後、冷媒圧送ポンプＰ２により、再度、凝縮器ＨＸ４へ導かれる形態で、循環されるように構成されている。
ここで、冷媒圧送ポンプＰ２は、例えば、外気が２０℃、相対湿度７５％の場合、冷却塔ＣＴにて冷媒ＣＷが２４℃から２０℃まで降温すると共に、凝縮器ＨＸ４にて冷媒ＣＷが２４℃まで昇温するように、その回転数がインバータ制御される。
【００２６】
凝縮器ＨＸ４にて冷却・凝縮・過冷却された低沸点作動流体ＬＷは、作動流体圧送ポンプＰ３にて、予熱器ＨＸ３へ圧送される。当該作動流体圧送ポンプＰ３は、当該低沸点作動流体ＬＷを安定的に循環するのに必要な流量調整弁Ｖ１の差圧１００ｋＰａ程度が得られるように、インバータ制御又は定回転数制御される。
【００２７】
予熱器ＨＸ３は、蒸発器ＨＸ１を通過した後の熱源流体ＨＷと、作動流体圧送ポンプＰ３にて圧送された低沸点作動流体ＬＷとを熱交換する形態で、低沸点作動流体ＬＷを予熱する。
当該予熱器ＨＸ３にて予熱された低沸点作動流体ＬＷを蒸発器ＨＸ１まで導く流路には、当該流路を通流する低沸点作動流体ＬＷの流量を計測する作動流体流量センサＦ２（作動流体流量測定手段の一例）と、当該流路を通流する低沸点作動流体ＬＷの流量を調整する流量調整弁Ｖ１とが設けられている。
制御装置１０（弁開度制御手段の一例）は、作動流体流量センサＦ２及び熱源流体流量センサＦ１の測定結果に基づいて、流量調整弁Ｖ１の開度を、蒸発器ＨＸ１の蒸発器筐体ＨＸ１ｂ内における低沸点作動流体ＬＷの液面が伝熱管ＨＸ１ａの伝熱面よりも上方に位置する状態を維持する開度に制御する。
これにより、蒸発器ＨＸ１の蒸発器筐体ＨＸ１ｂでの低沸点作動流体ＬＷの過熱を防止し、低沸点作動流体ＬＷの流量を増加させ、タービンＴ１にて回転駆動される発電機Ｇ１による発電出力を増加させている。
【００２８】
更に、制御装置１０は、熱源流体圧送ポンプＰ１、冷媒圧送ポンプＰ２、作動流体圧送ポンプＰ３、及び冷却塔ＣＴにて外気Ａを送風する送風ファンＣＰ等の電力消費機器の自家消費電力を監視すると共に、タービンＴ１にて回転駆動される発電機Ｇ１の発電電力量を監視するように構成されている。
そして、制御装置１０は、タービンＴ１の流量調整ノズル（図示せず）により調整される低沸点作動流体ＬＷの流量を、発電電力から自家消費電力を減算した正味の発電電力としての正味回収電力が最大となるように制御する形態で、ノズル制御手段として機能する。
【００２９】
以下、当該第１実施形態に係る構成で、制御装置１０が流量調整ノズルを調整して、低沸点作動流体ＬＷの流量を制御した場合におけるシミュレーション結果を図２のグラフ図に示す。
尚、当該シミュレーションの条件としては、外気の温度２０℃、相対湿度７５％とし、熱源流体圧送ポンプＰ１、冷媒圧送ポンプＰ２、作動流体圧送ポンプＰ３の断熱効率を夫々７５％、及び冷却塔ＣＴのファンの断熱効率を７０％で各モータ効率９０％とし、タービンＴ１の断熱効率７５％、機械損失５％とし、発電機Ｇ１の発電効率を９０％としている。また蒸発器ＨＸ１と予熱器ＨＸ３との夫々におけるピンチポイントを５℃、凝縮器ＨＸ４におけるピンチポイントを７℃としている。
【００３０】
図２のグラフ図に示すように、制御装置１０が、流量調整ノズルを、タービンＴ１へ流入する低沸点作動流体ＬＷの流量を徐々に増加する形態で制御する場合、電力消費機器の消費電力である自家使用電力は、低沸点作動流体ＬＷの流量の増加に伴って徐々に増加する。
一方、タービンＴ１の出力（発電電力）は、低沸点作動流体ＬＷの流量の増加に伴い、特定の流量（図２のグラフ図では、８０ｔ／ｈを超える程度の流量）までは、徐々に増加し、当該特定の流量を超えた後は、徐々に減少している。
結果、当該発電電力から自家消費電力を減算した値である正味回収電力は、当該第１実施形態に係る構成で、上述した条件の場合には、低沸点作動流体ＬＷの流量が、６０ｔ／ｈ〜７０ｔ／ｈの間で最大となる。
【００３１】
即ち、当該第１実施形態に係るバイナリー発電システム１００にあっては、制御装置１０は、低沸点作動流体ＬＷの流量を６０ｔ／ｈ〜７０ｔ／ｈの間の流量となるように、タービンＴ１の流量調整ノズルを制御することとなる。
【００３２】
〔第２実施形態〕
第２実施形態に係るバイナリー発電システム１００は、図３に示すように、第１実施形態に係る構成に加えて、タービン、発電機、蒸発器、流量調整弁、作動流体流量センサの夫々を、二つ設けている点が異なる。
以下では、第１実施形態に対して異なる点について、重点的に説明をすることとし、それ以外の構成については、第１実施形態と同一の符号を付すこととし、説明を割愛することがある。
【００３３】
尚、当該第２実施形態では、第１実施形態におけるタービンＴ１を高圧タービンＴ１とし、発電機Ｇ１を第１発電機Ｇ１とし、蒸発器ＨＸ１を高温側蒸発器ＨＸ１とし、流量調整弁Ｖ１を第１流量調整弁Ｖ１とし、作動流体流量センサＦ２を、第１作動流体流量センサＦ２とする。
当該第２実施形態に係るバイナリー発電システム１００では、熱源から圧送された熱源流体ＨＷを加熱源として低沸点作動流体ＬＷを蒸発させる高温側蒸発器ＨＸ１に加えて、当該高温側蒸発器ＨＸ１を通過した後の熱源流体ＨＷを加熱源として低沸点作動流体ＬＷを蒸発させる低温側蒸発器ＨＸ２が設けられており、熱源流体ＨＷは当該低温側蒸発器ＨＸ２を通過した後に予熱器ＨＸ３へ導かれるように構成されている。
低温側蒸発器ＨＸ２は、高温側蒸発器ＨＸ１と同様に、低温側蒸発器筐体ＨＸ２ｂの内部に配設されて熱源流体ＨＷを通流する伝熱管ＨＸ２ａを備え、低温側蒸発器筐体ＨＸ２ｂと低温側伝熱管ＨＸ２ａとの間に低沸点作動流体ＬＷを通流させる形態で、熱源流体ＨＷと低沸点作動流体ＬＷとを熱交換させるように構成されている。
【００３４】
更に、当該低温側蒸発器ＨＸ２にて蒸発した低沸点作動流体ＬＷにて回転駆動する低圧タービンＴ２と、当該低圧タービンＴ２の回転軸に連結される形態で回転駆動する第２発電機Ｇ２とが設けられている。
ここで、低圧タービンＴ２には、当該低圧タービンＴ２に流入する低沸点作動流体ＬＷの流量を調整する第２流量調整ノズル（図示せず）が設けられている。
高圧タービンＴ１を通過した後の低沸点作動流体ＬＷと低圧タービンＴ２を通過した後の低沸点作動流体ＬＷとは、同じタービン出口圧力にて混合器Ｍ２で混合された後、凝縮器ＨＸ４にて、冷却・凝縮・過冷却され、予熱器ＨＸ３にて予熱された後、分岐ＳＰ１にて分離される形態で、高温側蒸発器ＨＸ１の側と低温側蒸発器ＨＸ２の側とに、各別に導かれる。
【００３５】
尚、当該第２実施形態においては、低沸点作動流体ＬＷが通流する系統としては、高圧タービンＴ１の側と低圧タービンＴ２の側との２系統が存在するが、当該作動流体圧送ポンプＰ３は、分岐ＳＰ１の上流に単一のものを設ける構成とする。
【００３６】
分岐ＳＰ１と低温側蒸発器ＨＸ２との間の流路には、当該流路を通流する低沸点作動流体ＬＷの流量を計測する第２作動流体流量センサＦ３と、当該流路を通流する低沸点作動流体ＬＷの流量を調整する第２流量調整弁Ｖ２とが設けられている。
【００３７】
制御装置１０（弁開度制御手段の一例）は、第１作動流体流量センサＦ２、第２作動流体流量センサＦ３、及び熱源流体流量センサＦ１の測定結果に基づいて、高温側蒸発器ＨＸ１の高温側蒸発器筐体ＨＸ１ｂ内における低沸点作動流体ＬＷの液面が高温側伝熱管ＨＸ１ａの伝熱面よりも上方に位置する状態を維持し、且つ低温側蒸発器ＨＸ２の低温側蒸発器筐体ＨＸ２ｂ内における低沸点作動流体ＬＷの液面が低温側伝熱管ＨＸ２ａの伝熱面よりも上方に位置する状態を維持するように、第１流量調整弁Ｖ１及び第２流量調整弁Ｖ２の開度を制御する。
これにより、高温側蒸発器ＨＸ１及び低温側蒸発器ＨＸ２での低沸点作動流体ＬＷの過熱を防止し、高圧タービンＴ１及び低圧タービンＴ２へ導かれる低沸点作動流体ＬＷの流量を増加させ、第１発電機Ｇ１及び第２発電機Ｇ２による発電出力を増加させている。
【００３８】
制御装置１０は、熱源流体圧送ポンプＰ１、冷媒圧送ポンプＰ２、作動流体圧送ポンプＰ３、及び冷却塔ＣＴにて外気Ａを送風する送風ファンＣＰ等の電力消費機器の自家消費電力を監視すると共に、第１発電機Ｇ１及び第２発電機Ｇ２の発電電力を監視するように構成されている。
そして、制御装置１０（ノズル制御手段）は、高圧タービンＴ１の第１流量調整ノズル（図示せず）により調整される低沸点作動流体ＬＷの流量と、低圧タービンＴ２の第２流量調整ノズル（図示せず）により調整される低沸点作動流体ＬＷの流量との合計流量を、発電電力から自家消費電力を減算した正味の発電電力としての正味回収電力が最大となるように制御する。
【００３９】
更に、制御装置１０は、低圧タービンＴ２に設けられる第２流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体ＬＷの流量に対する、高圧タービンＴ１に設けられる第１流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体ＬＷの流量の比である流量比を適切な値に設定している。
【００４０】
上述の流量比を変動させた場合に、当該第２実施形態に係る構成にてシミュレーションにより導出した正味回収電力を、以下の〔表１〕に示す。
ここで、シミュレーションの条件は、上記第１実施形態に示したものに関しては、上記第１実施形態に示したものと同一であるとし、低圧タービンＴ２の断熱効率７５％、機械損失５％とし、第２発電機Ｇ２の発電効率を９０％としている。また、高圧タービンＴ１と低圧タービンＴ２、第１発電機Ｇ１と第２発電機Ｇ２、高温側蒸発器ＨＸ１と低温側蒸発器ＨＸ２は、同一の機能を有するものとする。
【００４１】
【表１】
0006345102.tif 000002
【００４２】
上述のシミュレーション結果から、制御装置１０は、低圧タービンＴ２に設けられる第２流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体ＬＷの流量に対する、高圧タービンＴ１に設けられる第１流量調整ノズルにて調整される低沸点作動流体ＬＷの流量の比である流量比を１以上１．８５以下に設定する。
【００４３】
以下、当該第２実施形態に係る構成で、制御装置１０が第１流量調整ノズル及び第２流量調整ノズルを調整して、低沸点作動流体ＬＷの合計流量を制御した場合におけるシミュレーション結果を図４のグラフ図に示す。尚、図４に示すシミュレーション結果は、上述の流量比を１．５に設定した場合のものである。
図４のグラフ図に示すように、制御装置１０が、第１流量調整ノズル及び第２流量調整ノズルを、高圧タービンＴ１及び低圧タービンＴ２へ流入する低沸点作動流体ＬＷの流量を徐々に増加する形態で制御する場合、第１実施形態の場合と同様に、自家使用電力は、低沸点作動流体ＬＷの流量の増加に伴って徐々に増加し、高圧タービンＴ１及び低圧タービンＴ２の合計出力（発電電力）は、低沸点作動流体ＬＷの流量の増加に伴い、特定の流量（図４のグラフ図では、９０ｔ／ｈ程度の流量）までは、徐々に増加し、当該特定の流量を超えた後は、徐々に減少している。
結果、当該発電電力から自家消費電力を減算した値である正味回収電力は、当該第２実施形態に係る構成で、上述した条件の場合には、低沸点作動流体ＬＷの流量が、７０ｔ／ｈ〜８０ｔ／ｈの間で最大となる。
【００４４】
即ち、当該第２実施形態に係るバイナリー発電システム１００にあっては、制御装置１０は、低沸点作動流体ＬＷの合計流量を７０ｔ／ｈ〜８０ｔ／ｈの間の流量となるように、高圧タービンＴ１の第１流量調整ノズル及び低圧タービンＴ２の第２流量調整ノズルを制御することとなる。
【００４５】
更に、制御装置１０が、高温側蒸発器ＨＸ１を通流する熱源流体ＨＷの温度と低沸点作動流体ＬＷの温度とが当該高温側蒸発器ＨＸ１内にて最近接するときの温度差と、低温側蒸発器ＨＸ２を通流する熱源流体ＨＷの温度と低沸点作動流体ＬＷの温度とが当該低温側蒸発器ＨＸ２内にて最近接するときの温度差と、予熱器ＨＸ３を通流する熱源流体ＨＷの温度と低沸点作動流体ＬＷの温度とが当該予熱器ＨＸ３内にて最近接するときの温度差と、冷却水ＣＷの温度と高温タービンＴ１及び低温タービンＴ２とを出た低沸点作動媒体ＬＷの温度が当該凝縮器ＨＸ４内にて最近接するときの温度差が、夫々大凡２℃となるように、第１流量調整ノズルと第２流量調整ノズルとを制御するように構成した場合のシミュレーション結果を、図５のグラフ図に示す。
当該構成によれば、図４のグラフ図に比べ、正味回収電力を４４％増加できており、電力回収効率を向上する意味で有効であることがわかる。
【００４６】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、高圧タービンＴ１と低圧タービンＴ２の二段式の発電システムを示したが、二段より多い多段式の発電システムであっても本発明の目的を良好に達成し得るバイナリー発電システムを提供できる。また、第２実施形態では、それぞれの高温タービンＴ１及び低温タービンＴ２により第１発電機Ｇ１及び第２発電機Ｇ２が駆動されるとしたが、直結もしくは多軸の減速機を用いて一台の発電機を駆動することもできる。
【００４７】
（２）上記実施形態では、制御装置１０は、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２の開度を、作動流体流量センサＦ２、Ｆ３にて測定される低沸点作動流体ＬＷの流量に基づいて、蒸発器ＨＸ１、ＨＸ２の蒸発器筐体ＨＸ１ｂ、ＨＸ２ｂ内の低温作動流体が伝熱管ＨＸ１ａ、ＨＸ２ａの伝熱面を覆う状態を維持するように、決定される例を示した。
しかしながら、当該蒸発器ＨＸ１、ＨＸ２の蒸発器筐体ＨＸ１ｂ、ＨＸ２ｂ内の低温作動流体の液面は、伝熱管ＨＸ１ａ、ＨＸ２ａを通流する熱源流体ＨＷの温度、流量にも依存するものである。
そこで、制御装置１０は、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２の開度を、熱源流体ＨＷの温度、流量にも基づいて、制御するように構成しても構わない。
更に、図１又は図３に示すように、蒸発器ＨＸ１、ＨＸ２の蒸発器筐体ＨＸ１ｂ、ＨＸ２ｂ内の液面を直接測定する液面センサＷＳ１、ＷＳ２の測定結果にも基づいて、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２の開度を制御するように構成しても構わない。
【００４８】
（３）上記実施形態では、熱源流体ＨＷの温度は、安定しており大きく変動するものでない場合の構成例を例示した。
しかしながら、当該熱源流体ＨＷの温度が大きく変動する場合、熱源から凝縮器ＨＸ４へ供給される熱源流体ＨＷの温度を測定する熱源流体温度センサを備える構成を採用すると共に、制御装置１０は、当該熱源流体温度センサの測定結果をも考慮して、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２の弁開度、及び流量調整ノズルにより調整される低沸点作動流体ＬＷの流量を、制御するように構成しても構わない。
【００４９】
（４）また、冷水塔ＣＴと冷媒圧送ポンプＰ２の代わりに発電出力は低下するものの補給水が不要となる空冷式凝縮器を用いることもできる。
【００５０】
尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のバイナリー発電システムは、供給される熱源流体ＨＷの温度が比較的低い場合であっても、正味回収電力を高め得るバイナリー発電システムとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０      ：制御装置
１００    ：バイナリー発電システム
ＣＰ      ：送風ファン
Ｆ１      ：熱源流体流量センサ
Ｆ２      ：第１作動流体流量センサ
Ｆ３      ：第２作動流体流量センサ
Ｇ１      ：第１発電機
Ｇ２      ：第２発電機
ＨＷ      ：熱源流体
ＨＸ１    ：蒸発器
ＨＸ１ａ  ：伝熱管
ＨＸ１ｂ  ：蒸発器筐体
ＨＸ２    ：低温側蒸発器
ＨＸ３    ：予熱器
ＨＸ４    ：凝縮器
ＬＷ      ：低沸点作動流体
Ｐ１      ：熱源流体圧送ポンプ
Ｐ２      ：冷媒圧送ポンプ
Ｐ３      ：作動流体圧送ポンプ
ＳＰ１    ：分岐
Ｔ１      ：高圧タービン
Ｔ２      ：低圧タービン
Ｖ１      ：第１流量調整弁
Ｖ２      ：第２流量調整弁
【図１】
0006345102.tif 000003
【図２】
0006345102.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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