技術紹介

制御共通プラットフォームを採用した制御装置の適用事例（バイナリー発電）
川崎政芳

*1

Kawasaki Masayoshi

中村元 *2

Nakamura Hajime

バイナリー発電は、水よりも沸点の低い媒体を加熱・蒸発させ、その蒸気でタービン発電機などを駆動させて電気を得るシステムである。従来利用できなかったガスエンジン、ディーゼルエンジンなどのエンジン排熱や化学工場、ボイラなどの産業用排熱、および太陽熱、地熱、バイオマスなどを利用した発電が可能である。
IHI グループのバイナリー発電への取り組みと、当社の担当した IHI の制御共通プラットフォームを採用した制御システムについて紹介する。
キーワード：バイナリー発電、有機ランキンサイクル、ORC、CO2 削減

エンジンの排ガスやジャケット冷却水の熱を利用

1. はじめにし、より大容量の 100kW 級のバイナリー発電装

パリ協定を踏まえ、地球温暖化現象の原因であ置について、Verdicorp 社（アメリカ）のタービる温室効果ガスの排出削減への要求が世界的に高ン発電機と、IHI グループのもつエンジニアリン

まり、日本では二酸化炭素（CO2）などの排出量

グ力を活用し、プラント全体のお客さまへの提案を 2030 年までに 13 年比で 26％減らす目標に取から施工までを実施している 。当社は、その制り組んでいる。これまで利用されずに捨てられて御盤と制御ロジックの製作を担当した。

（1）

いた低温（200℃以下）の熱源を活用するバイナ

2. エンジン排熱利用のバイナリー発電装置

リー発電は有効な新エネルギーであり、電気事業

図 1 にエンジン排熱利用のバイナリー発電装法の規制緩和と固定価格買取り制度の導入を受け置のフロー概略図を示す。熱源はディーゼルエンて急速に導入が進んでいる。
株式会社 IHI（以下、IHI と称す）は、2013 年ジン（出力 5MW）の排ガスである。排ガス温水

8 月から 20kW 級バイナリー発電装置「ヒートリボイラで加熱した高温水を、バイナリー発電装置カバリー（HR シリーズ）」を販売開始しており、の蒸発器に送り発電する。

すでに温泉や工場での実績を積んでいる。IHI とIHI プラント建設株式会社（以下、IPC と称す）は、*1：制御システム事業部*2：制御システム事業部

制御システム部
制御システム部

部長

—48—

図1

（1）

エンジン排熱利用のバイナリー発電装置のフロー概略図

2.1 排ガス温水ボイラ

媒体は、冷媒ポンプにより蒸発器に送られ熱源と排ガスは①排ガス温水ボイラや、②高温水ポン熱交換し、冷媒ガスとしてタービンを回転させ発プなどにより熱回収される。高温水は、ポンプに電する。圧力が低下した冷媒ガスは、凝縮器で凝よりボイラに導入され排ガスからの入熱により加縮した後、再度冷媒ポンプに送られ冷媒ラインを熱されたのち、バイナリー発電装置の④蒸発器に

循 環 す る。 表 1 に バ イ ナ リ ー 発 電 装 置「Heat導入される。蒸発器を出た高温水は、再びポンプ

Innovator®」の仕様を示す 。

（1）

図 2 にバイナリー発電装置の外観を示す。バ吸入側に供給され、循環する。

イナリー発電関連機器および動力盤、制御盤、ト
2.2 バイナリー発電装置「Heat Innovator 」

ランスなどは、図 3 に示すエンクロージャー内®

IHI の採用している有機ランキンサイクル「ORC」にすべて収納されているため省スペース化および（2）現地工事量の削減が可能な構造である 。

（Organic Rankine Cycle）は、水と比べて沸点の低い代替フロンやペンタンなどの有機媒体を作動流※ 1： ボイラとタービンの間を循環し熱の吸収体としてランキンサイクル（※ 1）を構成し、高と放出を行う熱サイクル（加熱、膨張、温水からの熱によって蒸発した有機媒体をタービ凝縮、昇圧）をランキンサイクルという。
※ 2： 加熱源系統と媒体系統の二つの熱サイクンに導入し、動力を得る手法である。（※ 2）ルを利用して発電する方式をバイナリー

ORC は、③冷媒ポンプ、④蒸発器、⑤タービ（Binary）発電という。

ン発電機および、⑥凝縮器から構成される。有機表1（1）バイナリー発電装置「Heat Innovator®」—49—

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図2（1）

バイナリー発電装置

図32.3 冷却塔

（1）

エンクロージャー

3. 制御システム

タービン発電機を通って圧力が低下した冷媒ガスは、凝縮器へ送られる。凝縮器には⑦冷却水ポ

図 4 に制御システム構成を示す。プラント制御

ンプから冷却水が供給されており、冷媒は凝縮しシステムは、バイナリー発電装置と連携しプランたのち冷媒ポンプの吸入側へと送られる。

ト全体を制御する。コントローラには、IHI および

図4

制御システム構成—

50—

当社が開発した制御共通プラットフォーム「CSIGS」

3.1 主要な機能（Control System of IHI group：Global Series）を使用（1）監視・操作機能している。CSIGS は、プラントを構成する各機器・プラント制御システムにタッチパネルを設け、センサーから信号を収集し、装置の起動／停止やプラントの稼働状態の監視や各機器の操作、パラ流量や圧力を制御する調節弁の開度調整などを行メータの設定を行うことができる。図 5 に主要う。また、収集したデータを「ILIPS」（IHI group

な画面イメージを示す。

Lifecycle Partner System）により、携帯電話網を介（2）制御機能してサーバに蓄積し、蓄積したデータをインター① 自動起動シーケンス

ネットを通じて Web ブラウザでモニタリングする熱源であるディーゼルエンジンの始動、また（3）ことで、プラントの状態を遠隔地から監視する 。

は起動ボタン操作により自動起動シーケンスがまた、熱源であるディーゼルエンジンの稼働状スタートする。コンプレッサや図 3 に示すエン態を監視し、ディーゼルエンジンの停止時にはバイクロージャーに格納されている冷却水ポンプ、ナリー発電装置を停止させ、ディーゼルエンジンが冷却塔、高温水循環ポンプを起動させ、ディー始動・復帰した場合には自動的にバイナリー発電

ゼルエンジン始動後一定時間経過後排ガス温水装置を再始動させる自動起動停止シーケンスを搭

ボイラが起動し（ボイラ制御盤による）、発電載し、ILIPS との組み合わせにより、現場での操作を開始する準備を行う。準備完了後、バイナリー（1）を行うことなくの運転を継続することができる 。

発電装置は流入する高温水の温度や流量に応じ

プ ラ ン ト の 制 御 方 法 に つ い て は、IPC が IBDて最適な冷媒ポンプ回転数、タービン回転数の（1）制御を行い発電する 。

（Interlock Block Diagram）としてまとめ、当社はIBD をもとに制御ロジックを製作した。

（a）メニュー

（b）系統図（c）PID 調節計（d）操作端（e）アラーム履歴（f）パラメータ設定

図5

画面イメージ—

51—

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（3）リモートモニタリング（ILIPS）② 高温水温度制御
排ガスラインおよびボイラを迂回するバイパ熱源であるディーゼルエンジンや各装置・センスラインにダンパを設け、PID 制御（Proportional-サーの状態を収集し、事務所などの遠隔地から運Integral-Differential Control） に よ り ダ ン パ の 開

転状態を把握することができる。また、異常発生度を調節することでボイラへの排ガス流量を調時には、関係者にメールで通知することも可能で

整し高温水温度を制御する。図 6 に排ガス温水ある（図 4 参照） 。

（3）

ボイラを示す。
3.2 シミュレーション③ 自動停止シーケンス
発電中は、ディーゼルエンジンの停止、重大

今回、IHI および当社が開発した制御ロジックな故障の発生、または停止ボタン操作により自構築ツール「LD」（Logic Developer）のシミュレー

動停止シーケンスがスタートする。バイナリーション機能を使用し、CSIGS やランプ／スイッチ発電装置を停止させた後、排ガス温水ボイラがなどの模擬装置を接続することなく、パソコン上停止し（ボイラ制御盤による）、高温水循環ポで動作の確認を行った。図 7 にシミュレータのンプ、冷却水ポンプ、冷却塔を順次停止させる。

動作イメージを示す。
制御対象モデルのロジックを作成し、制御対象モデルによって、制御ロジックからの操作指令に対する応答や運転時の圧力や温度の変化を模擬し、パソコン上の共有メモリを介して連携させた。
利点としては、設備やスペースを必要としない点、ランプ／スイッチのシミュレータでは困難である複雑なシーケンスや高速の動作、および PID制御の応答などの模擬を比較的容易に実現できる

図6

ことが挙げられる。

排ガス温水ボイラ

図7

シミュレータの動作イメージ̶52

̶

4. おわりに

参考文献

バイナリー発電は、発電事業者やエネルギーを（1） 賴泰弘、柴田成康、和田大輔、三好一雄、秋消費する工場・プラントに対して、省エネルギー

吉亮：100kW 級中型バイナリー発電装置「Heatによるコスト競争力向上や CO2 排出量削減といっInnovator®」によるエンジン排熱の回収、IHIたニーズに応えることができる。また IHI と IPC

技報、第 56 巻、第 1 号、2016、pp.47-50

では、発電機単体販売ではなく、ソリューション

（2） IHI プラント建設株式会社：“廃熱”から新／エンジニアリングによる総合サービスとして本

たな電力を生み出す、IHI 技報、第 55 巻、第装置を提供しており、お客さまのニーズに合わせ

1 号、2015、pp.18-19

た排熱回収から発電までをトータルシステムとし（3） 株式会社 IHI：お客さまの価値を向上させる（2）て提案できるという強みをもつ 。

データ活用技術、IHI 技報、第 56 巻、第 4 号、

当社は、これらのニーズに対して最適制御の実2016、pp.10-13

現に向けて協力していくとともに他の装置やプラントの制御で IHI グループに貢献していく。

制御システム事業部
制御システム部

制御システム事業部
制御システム部
部長

川崎 政芳

中村

TEL. 045-523-8315
FAX. 045-523-8320

元TEL. 045-523-8315
FAX. 045-523-8320—53—

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