(57)【要約】【課題】制御又は監視における重要性に基づいて選択された機器に対し、排熱から熱電変換された電力を供給するプラントの非常用電力供給技術を提供する。【解決手段】プラントの非常用電力供給装置１０は、プラントの構成要素のうち発熱体１１の表面に設けられる熱電変換部１２と、この熱電変換部１２が出力した電気エネルギーを蓄積する蓄電池１３と、不能に陥った常用電源１４に代わり蓄電池１３から電力消費機器１５に電力を配電する配電管理部２０と、を備えている。【選択図】  図１
2013201830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの構成要素のうち発熱体の表面に設けられる熱電変換部と、
前記熱電変換部が出力した電気エネルギーを蓄積する蓄電池と、
不能に陥った常用電源に代わり前記蓄電池から電力消費機器に電力を配電する配電管理部と、を備えることを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラントの非常用電力供給装置において、
前記蓄電池は、それぞれ異なる前記発熱体に設けられた複数の前記熱電変換部が出力した電気エネルギーを蓄積することを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のプラントの非常用電力供給装置において、
前記配電管理部は、複数の前記電力消費機器のそれぞれに対し電力を配電することを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラントの非常用電力供給装置において、前記配電管理部は、
前記電気エネルギーの調達を前記常用電源から前記蓄電池に切り替える切替部と、
接続する前記電力消費機器の重要度情報を登録する機器情報登録部と、
前記蓄電池のエネルギー残量を検出する第１検出部と、
前記エネルギー残量及び前記重要度情報に基づいて配電対象となる前記電力消費機器を判定する配電判定部と、
前記配電対象となる前記電力消費機器に前記蓄電池から電気エネルギーを供給させる供給部と、を有することを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラントの非常用電力供給装置において、さらにエネルギー分配部を備え、
このエネルギー分配部は、
相互に接続する前記蓄電池及び前記配電管理部を単位としてこれらに接続する電力消費機器及び前記熱電変換部も含めて分類したグループの重要度情報を登録するグループ情報登録部と、
前記グループ毎における前記蓄電池のエネルギー残量を検出する第２検出部と、
前記グループ毎の前記エネルギー残量及び前記重要度情報に基づいて電気エネルギーの分配量を判定する分配判定部と、
判定された前記分配量に従い前記電気エネルギーを前記グループ間で転送させる転送部と、を有することを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項６】
請求項５に記載のプラントの非常用電力供給装置において、
前記グループは、前記電力消費機器が制御系及び監視系のいずれに該当するかに基づいて分類されることを特徴とするプラントの非常用電力供給装置。
【請求項７】
プラントの構成要素のうち発熱体の表面に設けられる熱電変換部が出力した電気エネルギーを蓄電池に蓄積するステップと、
不能に陥った常用電源に代わり前記蓄電池から電力消費機器に電力を配電するステップと、を含むことを特徴とするプラントの非常用電力供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常用電源からの電力供給が停止した場合のプラントの非常用電力供給技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電所等では、大規模プラントの制御や監視のために多数の電力消費機器が設けられている。昨今、マイクロプロセッサーの小型高性能化及び無線通信技術の進歩に伴い、これら電力消費機器には、センサーネットワークやアドホックネットワークなどの高度なセンサー機能が取り入れられている。
【０００３】
一方において、環境における未利用エネルギーを利用するエネルギーハーベスト（環境発電）に関する研究・開発が盛んである。原子力プラントでは、比較的低温度の熱エネルギーの利用に関し、ゼーベック効果を利用した熱電発電の利用が期待されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４２２８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発電所や工場等では、大電力を消費する大規模プラントの制御や監視の信頼性を確保するために、常用電源をバックアップする非常用電源を備えている。しかし、地震、その他の災害が複合的に発生した場合は、常用電源及び非常用電源が同時に機能喪失する可能性が否定できない。
このような可能性に対処するために、バックアップの多重度を単純に増加させることは、経済的な観点から限界がある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、制御又は監視における重要性に基づいて選択された機器に対し、排熱から熱電変換された電力を供給するプラントの非常用電力供給技術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】
【０００７】
プラントの非常用電力供給装置において、プラントの構成要素のうち発熱体の表面に設けられる熱電変換部と、前記熱電変換部が出力した電気エネルギーを蓄積する蓄電池と、不能に陥った常用電源に代わり前記蓄電池から電力消費機器に電力を配電する配電管理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、制御又は監視における重要性に基づいて選択された機器に対し、排熱から熱電変換された電力を供給するプラントの非常用電力供給技術が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るプラントの非常用電力供給装置の第１実施形態を示すブロック図。
【図２】本発明に係るプラントの非常用電力供給装置の第２実施形態を示すブロック図。
【図３】第２実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置における配電管理部の構成図。
【図４】本発明に係るプラントの非常用電力供給装置の第３実施形態を示すブロック図。
【図５】第３実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置におけるエネルギー分配部の構成図。
【図６】第２実施形態における機器情報登録部に登録されている機器重要度情報を示すテーブル。
【図７】第３実施形態におけるグループ情報登録部に登録されているグループ重要度情報を示すテーブル。
【図８】本発明に係るプラントの非常用電力供給装置の第４実施形態を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように、第１実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置１０（以下、単に「装置１０」という）は、プラントの構成要素のうち発熱体１１の表面に設けられる熱電変換部１２と、この熱電変換部１２が出力した電気エネルギーを蓄積する蓄電池１３と、不能に陥った常用電源１４に代わり蓄電池１３から電力消費機器１５に電力を配電する配電管理部２０と、を備えている。
【００１１】
なお、図示は、発明の実施形態の典型例を示すものであって、これらから当業者が容易に想到する範囲で変形したバリエーションも、発明の実施形態に含まれる。
このように装置１０を構成することにより、プラントの安定・安全運転に不可欠な電力消費機器１５（弁など）を、監視および制御する必要最低限の電力を賄う。
この監視および制御を賄う電力は、プラント内の未利用の熱源（発熱体１１）と外界との温度差に応じて熱電変換部１２で発生し、蓄電池１３に蓄積される。
【００１２】
発熱体１１は、プラントを構成するボイラー、各種の炉、又は熱交換器等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく未利用排熱を大量に放出するものであれば適宜利用することができる。よって、これら機器等に接続され、内部に熱流体が流動する配管等も発熱体１１として利用することができる。
【００１３】
熱電変換部１２は、異種金属又は半導体で構成され、ゼーベック効果により温度差に略比例した起電力を発生する。このため熱電変換部１２は、稼動部分の無い単純構造で、温度差が存在すれば発電可能であることから、信頼性の高い発電手段といえる。
熱電変換部１２は、その片面を発熱体１１の表面に接触させ、その反対面を通風や液体などにより除熱して低温にする必要がある。
【００１４】
ところで、熱電変換部１２の性能を十分に引き出すためには、発熱体１１の熱伝達面に対して圧着させる必要がある。
熱電変換部１２及び発熱体１１の接触面が互いに平面である場合は、放熱グリスなどの伝熱特性の優れたグリスで隙間を可能な限り埋めたうえで、圧着させることができる。
一方において、発熱体１１が配管のような表面が曲面である場合は、曲面形状を有する熱電変換部１２の加工が困難であるために、熱伝導特性の良い材質を介して発熱体１１と熱電変換部１２とを接合する。
【００１５】
蓄電池１３は、蓄えたエネルギー量や負荷電力量に応じて充電や放電を制御したり、熱電変換部１２で発電された直流電力を交流電力に変換したりするインバーター機能を備えている。
蓄電池１３は、常用電源１４が不能に陥った後も熱電変換部１２で発電された直流電力を充電し、外部に電力供給することができる。
【００１６】
熱電変換部１２は、自身の内部抵抗のために直接的に大電力を供給することはできないが、蓄電池１３に一時蓄積することにより大電力の供給が可能になる。
また蓄電池１３は、蓄電機能を有するコンデンサーなどと併用することで、非常用電源としての信頼性を向上させることができる。
【００１７】
電力消費機器１５としては、開閉弁１７とその駆動機構１６とが例示されているが、これに限定されることはない。
開閉弁１７としては、異常時に機器（発熱体１１）を隔離する隔離弁、又はこの機器内に高温高圧の流体が蓄積して破損を回避するための安全弁などが挙げられる。
【００１８】
配電管理部２０は、常時において常用電源１４から電気エネルギーを調達して電力消費機器１５（駆動機構１６）に対し定格の駆動電力を供給する。そして、この常用電源１４が不能に陥った場合は蓄電池１３から電気エネルギーを調達して電力消費機器１５に定格の駆動電力を供給するものである。
【００１９】
（第２実施形態）
図２に示すように、第２実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置１０における蓄電池１３は、それぞれ異なる発熱体１１（１１1，１１2，１１3…）に設けられた複数の熱電変換部１２（１２1，１２2，１２3…）が出力した電気エネルギーを蓄積する。
これにより、蓄電池１３にとっては熱源の多重化が図れ、予測不能なさまざまな事故に対しても安定的に熱電変換部１２から電気エネルギーを調達することができる。
【００２０】
また配電管理部２０は、複数の電力消費機器１５（１５1，１５2，１５3…）のそれぞれに対し電力を配電する構成となっている。
そして、配電管理部２０は、常用電源１４が機能喪失すると、この常用電源１４の回復予定期間や蓄電池１３のエネルギー残量等も考慮して、電力消費機器１５（１５1，１５2，１５3…）のうち重要性の高いものに対し順番に又は選択的に配電する。
なお、図２において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００２１】
図３に示すように、配電管理部２０は、電気エネルギーの調達を常用電源１４から蓄電池１３に切り替える切替部２５と、接続する電力消費機器１５（１５1，１５2，…１５m）の重要度情報２１ａ（図６）を登録する機器情報登録部２１と、蓄電池１３のエネルギー残量を検出する第１検出部２２と、エネルギー残量及び重要度情報（図６）に基づいて配電対象となる電力消費機器１５を判定する配電判定部２３と、この配電対象となる電力消費機器１５に蓄電池１３から電気エネルギーを供給させる供給部２４と、を備えている。
【００２２】
機器情報登録部２１は、接続する電力消費機器１５（１５1，１５2，…１５m）の重要度情報２１ａ（図６）を登録する。
図６に示すように機器重要度情報２１ａには、電力消費機器１５（１５1，１５2，…１５m）の消費電力量と、考えられる異常事象（１〜Ｍ）に対する安全対策上の重要性とを鑑みて、重要度Ｗが定義されている。
【００２３】
重要度Ｗは、異常事象の種類やその進展などに伴い異なっている。また重要度Ｗの定義は、各電力消費機器１５jの重要度Ｗjの総和が１になるように値を定義しておく。
Σ(j=1→m)Ｗj＝１  ［Ｗ1≧Ｗ2≧…≧Ｗm≧０］
【００２４】
これに対して、例えば全ての機器ｍのうち、重要度が上位ｐ個までは値が全て１で、それ以降は総和が１といった重要度を導入することもできる。
この場合、まず重要度の順番１番の機器に電力を供給して、それによる安全確保が終了次第、重要度が２番目の機器に電力を供給する。ｐ番目までの電力供給が終了したら、それ以降は、各機器の重要度にしたがって電力を配分する。
Ｗ1＝Ｗ2＝…Ｗp＝１    Σ(j=p+1→m)Ｗj＝１  ［Ｗp+1≧ＷP+2≧…≧Ｗm≧０］
【００２５】
配電判定部２３は、第１検出部２２で検出された蓄電池１３のエネルギー残量及び重要度情報２１ａに基づいて配電対象となる電力消費機器１５を判定する。なお、電気エネルギーの調達が常用電源１４から蓄電池１３に切り替わった直後は、蓄電池１３はフル充電されているために、エネルギー残量を考慮せずに所定の電力消費機器１５を配電対象とすることができる。
【００２６】
供給部２４は、蓄電池１３から電気エネルギーを調達し、接続されている電力消費機器１５（１５1，１５2，…１５m）のうち配電判定部２３で指定された配電対象に、定格の駆動電力を供給する。
【００２７】
切替部２５は、電気エネルギーの調達を常用電源１４から蓄電池１３に切り替えるといった動作以外に、蓄電池１３のエネルギー残量が低下した場合に、供給部２４への電気エネルギー供給を停止する役目も果たす。
そして、蓄電池１３のエネルギー蓄積量が回復したところで、供給部２４への電気エネルギー供給を再開させる。
【００２８】
（第３実施形態）
図４に示すように、第３実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置１０は、相互に接続する蓄電池１３及び配電管理部２０を単位としてこれらに接続する電力消費機器１５及び熱電変換部１２も含めて分類したグループ３２（３２1，３２2，…）を形成している。
そして、エネルギー分配部４０は、これら複数のグループ３２（３２1，３２2，…）の電気エネルギーを互いに融通しあうように、それぞれの蓄電池１３に蓄積されている電気エネルギーを分配する。
なお、図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００２９】
これにより、グループ単位で、独立に蓄電池１３を有するとともに、蓄電池１３を多重化して信頼性を向上させることができる。また、異常事態の種類に応じて異なる重要度に従って各グループが保有する電気エネルギーを別のグループに振り分けることができる。
【００３０】
図５に示すように、エネルギー分配部４０は、分類したグループ３２（３２1，３２2，…）の重要度情報４１ａ（図７）を登録するグループ情報登録部４１と、グループ３２（３２1，３２2，…）毎における蓄電池１３（図４）のエネルギー残量を検出する第２検出部４２と、グループ３２（３２1，３２2，…）毎のエネルギー残量及び重要度情報４１ａに基づいて電気エネルギーの分配量を判定する分配判定部４３と、この判定された分配量に従い電気エネルギーをグループ３２（３２1，３２2，…）間で転送させる転送部４４と、を有している。
【００３１】
グループ情報登録部４１は、分類したグループ３２（３２1，３２2，…）の重要度情報４１ａ（図７）を登録する。
図７に示すようにグループ重要度情報４１ａには、考えられる異常事象（１〜Ｍ）の発生時における安全対策上の重要性を鑑みて、各グループ３２の重要度Ｗが定義されている。
そして、各グループ３２が保有する蓄電池１３のエネルギー残量、配電される各電力消費機器１５のエネルギー消費量に基づいて、状況変化に応じてグループ間で自動的に、エネルギー転送が行なわれる。
【００３２】
各グループ３２が保有する蓄電池１３の容量変化（d/dt・Ｕc）は次式のように表すことができる。ここで、熱電発電による蓄電量Ｅin、消費量Ｅout、放電量ＥDを示している。
蓄電量Ｅinは、熱電変換部１２の設置部位の温度条件によりその発電量が変わることから、時間的に変動する。消費量Ｅoutも同様であるが、電力供給先の電力消費機器１５の消費電力の見積もりが可能なために、その総和を取ることで推定が可能である。放電量ＥDも蓄電池１３の性能や周りの温度環境で変動するが、推定が可能である。
d/dt・Ｕc＝Ｅin−Ｅout−ＥD
【００３３】
なお、容量変化（d/dt・Ｕc）値が、０以上の値をとれば蓄電池１３の保有エネルギーが枯渇することがないが、負の値をとる場合はいずれ枯渇する。
蓄電池１３からエネルギー供給を開始してから常用電源１４が回復するまでの間、安全上重要な電力消費機器１５への電力供給を途絶えさせないために、重要性の低いグループ３２もしくは電力消費機器１５への電力供給を制限する必要がある。
【００３４】
電力供給を制限方法としては、各グループ３２における蓄電池１３の容量変化（d/dt・Ｕc）が０以上の値をとるように重要度Ｗの低い電力消費機器１５への電力供給を停止する。すなわち、消費量Ｅoutが、Ｅin−ＥDを超えない範囲となるように、電力消費機器１５への電力供給を制限する。
【００３５】
前記した電力供給の制限方法は保守的な運用である。
実際には、各グループ３２の蓄電池１３は、切替時点で既にフル充電されているので、保有エネルギーが枯渇するまで、電気エネルギーの消費が可能になっている。このために蓄電池１３は、Ｅin−ＥD＋αまで電力供給は可能である。
ここで、αは電圧が低下するまでの余裕容量ＷM、供給時間（電源復旧の予測時間）ＴRをとすれば、α＝ＷM／ＴRと定義される。このα分まで余分に電力を供給し、ＴRを超えても電源が復旧しない場合には、電力供給を前記した保守的な運用に切り替える。
【００３６】
（第４実施形態）
図８に示すように、第４実施形態に係るプラントの非常用電力供給装置１０において、グループ３２（３２1，３２2，…）は、熱電変換部１２（１２1，１２2）及び電力消費機器１５（１５1，１５2）が制御系及び監視系のいずれに該当するかに基づいて分類されている。
なお、図８において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
【００３７】
ここで、制御系の電力消費機器１５1とは開閉弁等の操作が必要な時にオンデマンドで電力供給をすることができるものであり、監視系の電力消費機器１５2とは継続的な監視・通信機能を達成するために常時電力供給が必要とされるものである。
【００３８】
異常事態が発生して、電気エネルギーの調達が常用電源１４から蓄電池１３に切り替えられた場合、プラントは、監視とそれに伴う制御・操作が必要になる。このために、同じグループ３２に制御系の電力消費機器１５1と監視系の電力消費機器１５2とが混在していると、監視を継続するために多くのグループ３２に常時電力供給する必要がある。
そこで、グループ３２が常時電力供給の必要な監視系の電力消費機器１５2もしくは重要度で分類された電力消費機器１５でまとまっていれば、エネルギーの伝達ロスを低減させることができる。
【００３９】
また、監視系の電力消費機器１５のうち、互いに代替関係もしくは一方から他方が推定可能な関係にある別個の電力消費機器１５を、それぞれ別々のグループ３２に配属させることとすれば、クループ単位で電力消費のＯＮ／ＯＦＦを実行できる。
【００４０】
以上述べた少なくともひとつの実施形態のプラントの非常用電力供給装置によれば、普遍的に存在する未利用の廃熱を利用して熱電発電し、異常事象の発生により常用電源が機能喪失した場合であってもプラントの制御と監視に不可欠な機器を動作させる最低限の電力が確保される。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０…非常用電力供給装置、１１（１１1，１１2，…１１m）…発熱体、１２（１２1，１２2，…１２m）…熱電変換部、１３…蓄電池、１４…常用電源、１５（１５1，１５2，…１５m）…電力消費機器、１６…駆動機構、１７…開閉弁、２０…配電管理部、２１…機器情報登録部、２１ａ…機器属性情報、２２…第１検出部、２３…配電判定部、２４…供給部、２５…切替部、３２（３２1，３２2，３２3）…グループ、４０…エネルギー分配部、４１…グループ情報登録部、４１ａ…重要度情報、４２…第２検出部、４３…分配判定部、４４…転送部。
【図１】
2013201830.tif 000003
【図２】
2013201830.tif 000004
【図３】
2013201830.tif 000005
【図４】
2013201830.tif 000006
【図５】
2013201830.tif 000007
【図６】
2013201830.tif 000008
【図７】
2013201830.tif 000009
【図８】
2013201830.tif 000010