JP4684761B2 - Power generator - Google Patents
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Description
本発明は発電装置に関し、特に発電機を損傷から保護しつつ、他の用途に利用しうる有効な電気エネルギを増大させる発電装置に関するものである。 The present invention relates to a power generator, and more particularly to a power generator that increases the effective electrical energy that can be used for other applications while protecting the generator from damage.
エネルギの有効利用が喫緊の課題となっている今日において、未利用エネルギを有効活用できる装置として、ランキンサイクルを利用したクローズドシステムで、排熱を利用して作動媒体を蒸発させ、作動媒体の蒸気を蒸気タービンに供給し発電機を駆動して電力を得る廃熱発電装置が知られている(例えば特許文献1参照)。 Today, the effective use of energy is an urgent issue. As a device that can make effective use of unused energy, a closed system that uses the Rankine cycle uses a waste heat to evaporate the working medium, and the working medium vapor There is known a waste heat power generation apparatus that supplies electric power to a steam turbine to obtain electric power by driving a generator (see, for example, Patent Document 1).
他方、このような発電装置における発電量は、周囲の環境温度によって変動し得る。すなわち、周囲の環境温度が低下(上昇)すると蒸気タービンで利用できるエネルギ(タービン出入口のエンタルピ差)が増加(減少)し、発電機の駆動力が増加(減少)するために発電量が変動する場合がある。一般に、発電機は、一時的に突入する可能性があるような、発電装置で考え得る最大仕事量に対する仕様で設計製造されているわけではない。したがって、環境温度が非常に低下した場合には、発電機への機械的仕事が発電容量を超える場合がある。発電機に最大容量以上の機械的仕事を与えた場合、発電機の電流過大に起因する発熱や温度上昇により運転不能(場合によっては焼損に至る)となったり、発電機のロータとステータ間のトルクが不足しロータが高速回転して過回転速度による軸受けの焼損に至る場合がある。 On the other hand, the amount of power generated in such a power generation device can vary depending on the ambient environmental temperature. In other words, when the ambient environmental temperature decreases (rises), the energy that can be used in the steam turbine (the difference in enthalpy at the turbine inlet / outlet) increases (decreases), and the driving force of the generator increases (decreases). There is a case. In general, the generator is not designed and manufactured with specifications for the maximum work that can be considered in the power generation device, which may temporarily enter. Therefore, when the environmental temperature is very low, the mechanical work on the generator may exceed the power generation capacity. When mechanical work exceeding the maximum capacity is given to the generator, it becomes impossible to operate due to heat generation or temperature rise due to excessive current of the generator (which may lead to burning), or between the rotor and stator of the generator Insufficient torque may cause the rotor to rotate at a high speed, resulting in bearing burnout due to excessive rotation speed.
一般的な発電装置では、熱源熱量あるいは燃料の供給量を削減して発電装置への入熱量を制限することにより発電量を減らし、発電機保護を図っていた。作動媒体の蒸発に必要な熱を特に限定しない一般的な発電装置においては、価値ある熱量を無駄に消費しないことが好ましい。
しかし、排熱を用いた発電装置では、供給される排熱をできるだけ利用し発電するのが望ましく、発電装置に投入する排熱量を節約する必要はない。また、利用する排熱がエンジンのジャケット温水のように所定の温度まで降下させて還す必要がある場合、熱量を利用し切らないと利用し切れなかった熱量をエネルギを使ってでも除去する必要がある。発電装置への入熱量を制限して発電機の保護を図る場合、発電装置から取り出せる、他の用途に利用しうる有効なエネルギの減少という犠牲を伴って発電装置を保護していることになる。 However, in a power generation apparatus using exhaust heat, it is desirable to generate power by using as much as possible the exhaust heat supplied, and it is not necessary to save the amount of exhaust heat input to the power generation apparatus. In addition, when the exhaust heat to be used needs to be returned to a predetermined temperature, such as engine jacket warm water, it is necessary to remove the amount of heat that could not be used even if energy is used unless the heat is used up. is there. When protecting the generator by limiting the amount of heat input to the generator, the generator is protected at the expense of reducing the effective energy available for other uses that can be removed from the generator. .
本発明は上述の課題に鑑み、発電機を損傷から保護しつつ、他の用途に利用しうる有効な電気エネルギを増大させる発電装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a power generator that increases the effective electrical energy that can be used for other applications while protecting the generator from damage.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させて機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機30と;発電機30で発電した電力により作動し、冷却媒体Cを凝縮器40に導入する冷却媒体導入手段41と;膨張機20及び発電機30の運転条件が所定の値を超えないように冷却媒体導入手段41に送電する電力を制御する制御装置60とを備える。典型的には、膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように、冷却媒体導入手段41に送電する電力を小さくする。
In order to achieve the above object, a power generator according to a first aspect of the present invention includes a
このように構成すると、膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように冷却媒体導入手段に送電する電力を制御するので、凝縮器における作動媒体の凝縮温度を調節して膨張機の機械的動力を調節することができ、発電機を損傷から保護することができる。典型的には、膨張機及び発電機の回転速度、あるいは発電機の発電電力が所定の値を超えないように、冷却媒体導入手段に送電する電力を小さくするので、発電機で発電した電力のうち発電装置内で消費する電力の割合が小さくなり、発電装置から取り出せる他の用途に利用できる有効な電気エネルギを増大させることができる。 With this configuration, since the electric power transmitted to the cooling medium introducing means is controlled so that the operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value, the condensing temperature of the working medium in the condenser is adjusted to adjust the expander The mechanical power of the generator can be adjusted and the generator can be protected from damage. Typically, the power transmitted to the cooling medium introducing means is reduced so that the rotation speed of the expander and the generator or the generated power of the generator does not exceed a predetermined value. Among them, the ratio of the electric power consumed in the power generation device is reduced, and the effective electrical energy that can be used for other purposes that can be taken out from the power generation device can be increased.
また、請求項2に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、請求項1に記載の発電装置1において、発電機30で発電した電流を検知する電流検知器81、発電機30で発電した電力を検知する電力検知器82、発電機30が有するステータコイルの温度を検知するコイル温度検知器83、発電機30が有するロータの回転速度を検知する速度検知器84、作動媒体Mの凝縮温度を検知する凝縮温度検知器85、及び凝縮器40に導入される冷却媒体Cの温度を検知する冷却媒体温度検知器86のうち少なくとも1つの検知器を備え;制御装置60が、前記検知器により検知した値に基づいて冷却媒体導入手段41に送電する電力を制御するように構成されている。
In addition, the power generation device according to the invention described in
このように構成すると、前記いずれかの検知器で検知した値で膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように制御することができ、実用上差し支えない範囲で制御の簡略化を図ることができる。 If comprised in this way, it can control so that the operating condition of an expander and a generator may not exceed predetermined value with the value detected by one of the above-mentioned detectors, and simplification of control in a range where there is no practical problem Can be achieved.
また、請求項3に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、請求項1又は請求項2に記載の発電装置1において、蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを、膨張機20をバイパスして凝縮器40に導入するバイパス流路56を備え;制御装置60が、膨張機20及び発電機30の運転条件が所定の値を超えないように蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mをバイパス流路56を介して凝縮器40に導入するように構成されている。
Further, the power generator according to the invention described in
このように構成すると、膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように蒸気発生器で蒸発した作動媒体をバイパス流路を介して凝縮器に導入するので、発電機を過回転速度から回避して、損傷から保護する措置に対する応答が早くなる。 With this configuration, the working medium evaporated by the steam generator is introduced to the condenser via the bypass channel so that the operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value. Speeds up response to measures that avoid speed and protect from damage.
上記目的を達成するために、請求項4に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、加熱媒体Hとの熱交換により作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と;蒸気発生器10で蒸発した作動媒体Mを膨張させて機械的動力を得る膨張機20と;冷却媒体Cとの熱交換により膨張機20で膨張した作動媒体Mを凝縮させる凝縮器40と;膨張機20で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機30と;発電機30で発電した電力あるいは商用電力により作動し、加熱媒体Hを蒸発器10に導入する加熱媒体導入手段16と;膨張機20及び発電機30の運転条件が所定の値を超えないように加熱媒体導入手段16に送電する電力を制御する制御装置60とを備える。典型的には、膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように、加熱媒体導入手段16に送電する電力を小さくする。
To achieve the above object, a power generator according to a fourth aspect of the present invention includes a
このように構成すると、膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように加熱媒体導入手段に送電する電力を制御するので、蒸気発生器で蒸発する作動媒体の量を調節し膨張機で利用できるエネルギを調節して膨張機の機械的動力を調節することができ、発電機を損傷から保護することができる。 With this configuration, the electric power transmitted to the heating medium introducing means is controlled so that the operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value. Therefore, the amount of working medium evaporated by the steam generator is adjusted and expanded. The energy available in the machine can be adjusted to adjust the mechanical power of the expander and protect the generator from damage.
また、請求項5に記載の発明に係る発電装置は、例えば図1に示すように、請求項4に記載の発電装置1において、加熱媒体Hが気体である。
Moreover, the electric power generating apparatus which concerns on invention of Claim 5 is as shown in FIG. 1, for example, in the electric
このように構成すると、加熱媒体導入手段の消費動力が大きくなり、加熱媒体導入手段に送電する電力を制御する効果が大きくなる。 If comprised in this way, the power consumption of a heating medium introduction means will become large, and the effect of controlling the electric power transmitted to a heating medium introduction means will become large.
本発明によれば、膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように冷却媒体導入手段に送電する電力を制御するので、凝縮器における作動媒体の凝縮温度を調節して膨張機の機械的動力を調節することができ、発電機を損傷から保護することができる。典型的には、膨張機及び発電機の回転速度、あるいは発電機の発電電力が所定の値を超えないように、冷却媒体導入手段に送電する電力を小さくするので、発電機で発電した電力のうち発電装置内で消費する電力の割合が小さくなり、発電装置から取り出せる他の用途に利用できる有効な電気エネルギを増大させることができる。また、膨張機及び発電機の運転条件が所定の値を超えないように加熱媒体導入手段に送電する電力を制御する場合は、蒸気発生器で蒸発する作動媒体の量を調節し膨張機で利用できるエネルギを調節して膨張機の機械的動力を調節することができ、発電機を損傷から保護することができる。 According to the present invention, since the electric power transmitted to the cooling medium introducing means is controlled so that the operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value, the condensing temperature of the working medium in the condenser is adjusted to expand the expander. The mechanical power of the generator can be adjusted and the generator can be protected from damage. Typically, the power transmitted to the cooling medium introducing means is reduced so that the rotation speed of the expander and the generator or the generated power of the generator does not exceed a predetermined value. Among them, the ratio of the electric power consumed in the power generation device is reduced, and the effective electrical energy that can be used for other purposes that can be taken out from the power generation device can be increased. In addition, when controlling the power transmitted to the heating medium introduction means so that the operating conditions of the expander and generator do not exceed a predetermined value, the amount of working medium evaporated by the steam generator is adjusted and used in the expander The energy that can be adjusted can adjust the mechanical power of the expander and protect the generator from damage.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding devices are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is omitted.
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る発電装置の構成を説明する。図1は、発電装置1の構成を説明するブロック図である。
発電装置1は、加熱媒体Hと熱交換することにより作動媒体Mを蒸発させる蒸気発生器10と、蒸発した作動媒体Mを膨張させて機械的動力を得る膨張機20と、膨張機20とシャフトを介して接続され膨張機20からの機械的動力により駆動されて交流電力Eaを発電する発電機30と、膨張した作動媒体Mを、冷却媒体Cと熱交換して凝縮させる凝縮器40と、冷却媒体Cを凝縮器40に導入する冷却媒体導入手段41と、制御装置60とを備えている。
With reference to FIG. 1, the structure of the electric power generating apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a block diagram illustrating the configuration of the
The
ここで、作動媒体として、沸点が40℃前後のジクロロトリフルオロエタンHCFC123あるいはトリフルオロエタノールCF3CH2OH等を用いると、200〜400℃程度の排ガスあるいは100〜150℃の排温水など比較的低温度の熱源を利用して、これらの熱エネルギをまず作動媒体Mの高圧蒸気に変換し、これにより膨張機20で発電機30に直結したタービン(不図示)を回転駆動し、発電を行うことができる。また、圧力が高くなるので、膨張機20などのコンパクト化が図れる。ただし、作動媒体Mは、これらに限られることはなく、ペンタフルオロプロパンR245fa等のその他のフロン類、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、アルコール等でもよく、水でもよい。また、加熱媒体Hは、焼却炉の排ガス、排温水、エンジンのジャケット温水等、作動媒体Mを蒸発させる熱を有していればよい。発電装置1は、加熱媒体Hを蒸気発生器10に圧送する加熱媒体搬送機16を備えており、加熱媒体搬送機16は、発電機30で発電した電力あるいは商用電力により作動するように構成されている。なお、冷却媒体Cについては、後述する。
Here, when dichlorotrifluoroethane HCFC123 having a boiling point of around 40 ° C. or trifluoroethanol CF 3 CH 2 OH or the like is used as the working medium, exhaust gas of about 200 to 400 ° C. or exhaust hot water of 100 to 150 ° C. is comparatively used. Using a low-temperature heat source, these heat energies are first converted into high-pressure steam of the working medium M, thereby rotating the turbine (not shown) directly connected to the
蒸気発生器10と膨張機20とは、蒸発した作動媒体Mの流路である配管53で接続されている。配管53には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができる仕切弁51が配設されている。膨張機20と凝縮器40とは、膨張した作動媒体Mの流路である配管54で接続されている。凝縮器40と蒸気発生器10とは、凝縮した作動媒体Mの流路である配管55で接続されている。配管55には、凝縮した作動媒体Mを蒸気発生器10に向かって圧送する作動媒体ポンプ50が配設されている。また、蒸気発生器10と仕切弁51との間の配管53と凝縮器40とは、膨張機20をバイパスして凝縮器40に蒸発した作動媒体Mを導入するバイパス配管56で接続されている。バイパス配管56には、蒸発した作動媒体Mの流れを遮断し、開度を調節することにより流量を調節することができるバイパス仕切弁52が配設されている。
The
発電機30は、電気ケーブルを介して、発電した交流電力Eaを直流電力Edに変換する整流器61と接続されている。整流器61は、電気ケーブルを介して、直流電力Edを交流電力Pgに変換するインバータ62と接続されている。また、本実施の形態では、インバータ62は、電気ケーブルを介して、系統電力を供給する商用電源と系統連系している。また、発電機30には、軸受けに送る潤滑油を循環する油配管34が接続され、油配管34には油を循環させる油ポンプ32が配設されている。また、油配管34には油を冷却するオイルクーラー33が配設されている。オイルクーラー33には油を冷却するための油冷却用媒体M1を流す油冷却用配管35が接続されている。本実施の形態では、油冷却用媒体M1として、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの一部を分流して用いている。油冷却用配管35は、作動媒体ポンプ50の二次側の配管55及び凝縮器40に接続されている。
The
発電装置1は、凝縮器40への冷却媒体Cの導入を行う冷却媒体導入手段41を備えている。本実施の形態では、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体としての冷却水Cを凝縮器40に圧送する冷却水ポンプ43と、冷却水Cを冷却する冷却塔42とを含んで構成されている。冷却塔42のファン42f及び冷却水ポンプ43は、それぞれ不図示の電気ケーブルを介してインバータ62と接続されており、発電機30で発電した電力あるいは商用電力を受電して作動するように構成されている。このように、冷却媒体導入手段41は、冷却媒体Cを、凝縮機40内の作動媒体Mを凝縮させるのに必要な冷熱量を保有するように調整して、凝縮器40に導入するものである。
The
また、発電装置1は、発電機30で発電した電流の強さを検知する電流検知器81と、整流器61で変換された直流の電圧の大きさを検知する直流電圧検知器88とを備えている。また、発電機30で発電した電力の大きさを検知する電力検知器82を備えてもよい。電流検知器81、直流電圧検知器88、電力検知器82(備える場合)は、制御装置60の内部に設けられている。さらに、上述の検知器に代えて、又は上述の検知器と共に、発電機30が有するステータコイルの温度を検知するコイル温度検知器83、発電機30が有するロータの回転速度を検知する速度検知器84、及び凝縮器40に導入される冷却媒体Cの温度を検知する冷却媒体温度検知器86を備えていてもよい。これらの検知器は、膨張機20及び発電機30の回転速度、あるいは発電機30の発電電力が所定の値を超えないように、機器の状態を把握するためのものである。
Further, the
発電装置1が備える検知器を、電流検知器81とすると、過電流か否かを直接検知することができる。電力検知器82とすると、発電機30で発電された電気エネルギの量を検知することができる。なお、電力の値は、電流値と電圧値とから算出するようにしてもよい。また、コイル温度検知器83とすると、発電機30の温度を直接検知することができるので、過昇温防止の対応がしやすくなる。速度検知器84とすると、発電機30の過回転速度防止の観点から、回転速度を直接検知することができる。なお、ロータの回転速度と発電電力の周波数には相関関係があることから、ロータの速度を検知する代わりに発電電力の周波数を検知してもよく、速度検知器の概念には周波数検知器も含むものとする。また、冷却媒体温度検知器86とすると、簡便な手段で作動媒体Mのおおよその凝縮温度を検知することができる。なお、冷却媒体Cを外気と熱交換する場合は、外気温によって冷却水温度を求めてもよく、冷却媒体温度検知器の概念には外気温を検知する外気温度検知器93も含むものとする。
If the detector provided in the
また、発電装置1は、作動媒体Mの蒸気の温度を検知する蒸気温度検知器91と、作動媒体Mの蒸気の圧力を検知する蒸気圧力検知器92と、凝縮器40で凝縮した作動媒体Mの圧力を作動媒体Mの飽和液の温度から検知するための凝縮温度検知器85とを備えている。蒸気温度検知器91と蒸気圧力検知器92とは一体に構成されていてもよい。簡易的には作動媒体Mの温度あるいは圧力の一方を検知するように構成しても差し支えない。また、凝縮温度検知器85に代えて凝縮圧力検知器95を設け、直接作動媒体Mの凝縮圧力を求めてもよい。また、蒸気温度検知器91に代えて熱源温度検知器94で加熱媒体Hの温度を検知して、これから作動媒体Mの蒸気の温度を算出してもよい。蒸気温度検知器91、蒸気圧力検知器92、凝縮温度検知器85(凝縮圧力検知器95)から膨張機20前後のエンタルピ差(h3−h4)を求めることができる。
Further, the
制御装置60は、典型的には、整流器61、インバータ62、電流検知器81、直流電圧検知器88を含んで構成されている。また、ファン42fや冷却水ポンプ43の回転速度を設計値の範囲内で増減することができるように構成されている。また、仕切弁51及びバイパス仕切弁52のそれぞれと不図示の信号ケーブルで接続されており、これらに開閉信号を送信して開閉させることができるように構成されている。また、各検知器82〜86、91〜95と不図示の信号ケーブルで接続されており、各検知器82〜86、91〜95で検知した値を取り入れることができるように構成されている。
The
次に図1及び図2を参照して、発電装置1の作用について説明する。
図2は、作動媒体Mの状態の変化を説明するP−h線図(圧力Pを縦軸に、エンタルピhを横軸にとったもの)である。また、図2中の曲線は、作動媒体Mのかわき度0及びかわき度1の状態点を結んだものである。なお、以下では、膨張機20がタービン(不図示)を備えるものとして、また、加熱媒体Hがエンジンのジャケット温水であるとして説明を行う。
蒸気発生器10、膨張機20、凝縮器40及びそれらを連接する配管53、54、55は、作動媒体Mのクローズドシステムを構成し、発電装置1はランキンサイクルを行って、膨張機20で得られた機械的駆動力で駆動される発電機30にて発電を行う。
Next, with reference to FIG.1 and FIG.2, the effect | action of the electric
FIG. 2 is a Ph diagram (the pressure P is taken on the vertical axis and the enthalpy h is taken on the horizontal axis) for explaining changes in the state of the working medium M. Also, the curve in FIG. 2 connects the state points of the working medium M with a degree of excitement of 0 and degree of excitement of 1. In the following description, it is assumed that the
The
液体の作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて蒸気発生器10に圧送される(状態1→状態2)。蒸気発生器10に流入した作動媒体Mは、ジャケット温水Hとの間で熱交換が行われて飽和蒸気あるいは過熱蒸気となる(状態2→状態3)。蒸気となった作動媒体Mは、膨張機20に流入する。ここで、定常運転時は、仕切弁51が開、バイパス仕切弁52が閉となっている。したがって、作動媒体蒸気Mのすべてが膨張機20に流入する。膨張機20に流入した作動媒体蒸気Mは、タービンを通して断熱膨張する(状態3→状態4)。このとき、タービンの動翼が作動媒体Mにより回転させられて機械的動力が得らる(熱エネルギから機械エネルギへの変換)。得られた機械的動力により膨張機20に接続された発電機30が駆動されて、発電機30が発電を行う(機械エネルギから電気エネルギへの変換)。膨張機20で得られる機械的動力は、膨張機20前後の作動媒体Mのエンタルピの差(h3−h4:熱落差)により変動する。エンタルピ差が大きければ大きな機械的動力が得られ、エンタルピ差が小さければ得られる機械的動力も小さくなる。膨張機20で膨張した作動媒体Mは、凝縮器40に流入して冷却水Cとの間で熱交換が行われて凝縮し、液体の作動媒体Mとなる(状態4→状態1)。液体に戻った作動媒体Mは、作動媒体ポンプ50にて再び蒸気発生器10に圧送され、以下同様のサイクルを行う。
The liquid working medium M is pumped to the
発電機30で発電した交流電力Eaは、整流器61に送られて直流電力Edに変換された後、インバータ62に送られて交流電力Pgに変換されることにより、周波数が商用電源の系統電力と同調される。インバータ62で調整された交流電力Pgは、系統連系して、ファン42f及び冷却水ポンプ43や、電力負荷(不図示)に送電される。ファン42f及び冷却水ポンプ43は、発電機30での発電がない場合は商用電源から電力の供給を受けて作動する。厳密にいえば、系統連系した後の交流電力は、発電機30で発電したものか商用電源から供給されたものか区別することはできないが、概念として、発電機30で発電した電力から発電装置1内で消費する電力を差し引いた残りの電力が、発電装置1から取り出せる、発電装置1外の電力負荷で利用できる有効な電力ということになる。なお、発電装置1内で消費する電力は、直流電力を直接あるいは冷却媒体導入手段用インバータ(不図示)経由で供給しても差し支えない。
The AC power Ea generated by the
蒸気発生器10で作動媒体Mと熱交換して温度が下がったジャケット温水Hは、不図示のエンジンに導かれてエンジンの冷却に利用され、温度が上昇したのち発電装置1の熱源として再び蒸気発生器10に導入される。また、凝縮器40で作動媒体Mと熱交換して温度が上昇した冷却水Cは、冷却塔42で熱を大気に排出して温度が低下し、冷却水ポンプ43にて再び凝縮器40に圧送される。ここで、ジャケット温水Hの温度はほとんど変動がなくほぼ一定であるので、蒸気発生器10における作動媒体Mの蒸発温度はほぼ一定となる。他方、冷却水Cの温度は、外気温等の周囲の環境条件の変動により変化する。
The jacket hot water H whose temperature has been lowered by exchanging heat with the working medium M in the
外気温が低下すると凝縮器40に圧送される冷却水Cの温度が低くなり、これに伴って凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度が低下する。これを図2でみると、状態4が、状態4より圧力が低くエンタルピが小さい状態4’に移動している。図2から明らかなように、外気温の低下に伴い凝縮器40における凝縮温度が低下して、作動媒体Mのサイクルが状態4から状態4’に移ると、エンタルピ差、すなわち、機械的動力に変換される熱エネルギが増大する。熱エネルギが増大してタービンの仕事が増大すると発電機30の駆動力も増大することとなる。発電機30は、発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様にはなっていない。仮に発電装置1で想定しうる最大仕事量に耐えられる仕様とすると、まれにしか生じない事態のために多大なコストをかけて発電機を製作することとなり不経済である。他方、発電機30に許容量以上の機械的仕事を与えた場合、電流過大による発熱や温度上昇が生じて運転不能に陥ったり、発電機のロータとステータとの間のトルクが不足してロータが高速回転となって過回転速度による軸受けの焼損に至ることがある。たとえ経済性を考慮しても、このような発電機30の損傷を回避する必要がある。
When the outside air temperature decreases, the temperature of the cooling water C pumped to the
発電装置1は、発電機30の損傷を回避するために以下のような制御を行う。制御装置60は、電流検知器81で発電機30が発電した電流の値を検知し、発電機30の最大許容電流値に余裕分を見込んだ所定の値を超えそうになったら、冷却塔42のファン42fの、回転速度の減少や台数制御等を行い、及び/又は冷却水ポンプ43の回転速度を減少させる。ファン42fの回転速度の減少や台数制御を行うと、冷却塔42で除去される冷却水C中の熱量が減少するので凝縮器40に圧送される冷却水Cの温度が上昇する。冷却水ポンプ43の回転速度が減少すると、凝縮器40に圧送される冷却水Cの流量が減少する。冷却水Cの温度が上昇したり流量が減少すると、凝縮器40の作動媒体Mの凝縮温度が上昇する。作動媒体Mの凝縮温度が上昇するとエンタルピ差が減少するので(図2参照)、膨張機20で得られる機械的動力も少なくなり、ひいては発電機30における発電量も減少して、発電機30を温度上昇や焼損といった損傷から保護することができる。
The
同時に、ファン42fの回転速度の減少や台数制御等、及び/又は冷却水ポンプ43の回転速度の減少は、ファン42f及び/又は冷却水ポンプ43への送電量の減少を伴う。ファン42f及び冷却水ポンプ43は、発電機30で発電した電力により作動するので、これらの消費電力が少なくなれば、発電装置1外へ送電できる電力、すなわち、他の用途に利用できる有効な電力が増大することとなる。特にファン42fの動力は、発電機30が発電する電力の約10%を占める場合もあるので、この動力を削減する意義は大きい。
At the same time, a decrease in the rotational speed of the
このとき、ファン42fの回転速度の減少や台数制御等、及び/又は冷却水ポンプ43の回転速度の減少を行っても、凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度の低下に反映されるまでにはある程度の時間を要するので、発電機30の発電電流が増大するペースの方が大きい場合がある。このような場合、制御装置60は、バイパス仕切弁52を開方向に開度調整して、作動媒体Mの蒸気の一部をバイパス流路56を通し、膨張機20をバイパスして凝縮器40に流入させる。このようにすると、膨張機20のタービンを通過する作動媒体Mの蒸気の量が減少するので、時間を要さずにタービンの機械的動力を制限することができ、発電機30における発電量も減少して、発電機30を温度上昇や焼損といった損傷から保護することができる。なお、仕切弁51の開度調整を併用しても差し支えない。
At this time, even if the rotational speed of the
ただし、作動媒体Mの蒸気のバイパスによる発電機30の保護は、ファン42fや冷却水ポンプ43の動力削減にならないので緊急避難的な使用にとどめ、可能な限りファン42fや冷却水ポンプ43への送電を減少させることにより発電機30を損傷から保護して、有効な電気エネルギを増大させることが好ましい。したがって、一旦開としたバイパス仕切弁52を徐々に閉めてエンタルピ差調整機能をファン42fや冷却水ポンプ43に移行するようにするとよい。また、ファン42fや冷却水ポンプ43で調整しきれない分をバイパス仕切弁52で受け持つようにするとよい。
However, the protection of the
以上の説明のように、加熱媒体Hをエンジンのジャケット温水とした場合、蒸気発生器10への加熱媒体Hの導入量を減少させることによる膨張機20の機械的動力の減少を考慮しなかった。ジャケット温水Hの蒸気発生器10への導入量を減少させてジャケット温水Hと作動媒体Mとの交換熱量が少なくなると、ジャケット温水Hが十分に冷却されずにエンジンを冷却することができなくなり、この場合は別途エネルギを使ってでもジャケット温水を冷却しなければならないからである。しかし、加熱媒体Hを焼却炉の排ガス、排温水等、所定の温度に低下させる必要がないものの場合、加熱媒体搬送機16の回転速度を減少させることにより、蒸気発生器10の導入する加熱媒体Hの流量を減少させてもよい。このようにすると、加熱媒体Hと作動媒体Mとの交換熱量が減少し、作動媒体Mの蒸気発生量が減少するからタービンの機械的動力を制限することができ、発電機30における発電量も減少して、発電機30を温度上昇や焼損といった損傷から保護することができると共に、加熱媒体搬送機16への送電を減少するので有効に利用可能な電気エネルギが増大する。この場合、冷却媒体導入手段41の制御、及び/又は、仕切弁51及びバイパス仕切弁52の開度調整を併用してもよいことはいうまでもない。
As described above, when the heating medium H is the engine jacket warm water, the reduction of the mechanical power of the
次に図3を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る発電装置2について説明する。図3は、発電装置2の構成を説明するブロック図である。以下、発電装置1と発電装置2との相違点を主に説明し、共通部分の説明は省略する。
発電装置2は、凝縮器40が空冷で構成されている。したがって、冷却媒体Cは空気となる。また、冷却媒体導入手段41が空冷ファン45で構成されている。その他の構成は発電装置1と同様である。
Next, with reference to FIG. 3, the electric
The
発電装置2の作用は、発電機30の保護のために送電を制限する先が、発電装置1におけるファン42f及び冷却水ポンプ43に代えて、空冷ファン45となる以外は、発電装置1と同じである。すなわち、外気温が低下して、凝縮器40における作動媒体Mの温度が低下してタービン前後のエンタルピ差が増大することにより膨張機20のタービンの仕事が増大すると、発電機30の駆動力も増大する。これに伴う発電機30の損傷を防止するため、制御装置60は、電流検知器81で発電機30が発電した電流の値を検知し、所定の値を超えそうになったら、空冷ファン45の回転速度の減少や台数制御等を行い、凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度を上昇させる。このように膨張機20前後における作動媒体Mのエンタルピ差を減少させて膨張機20で得られる機械的動力を減少させ、発電機30における発電量も減少させて、発電機30を温度上昇や焼損といった損傷から保護する。このとき、空冷ファン45の回転速度の減少や台数制御等のため、空冷ファン45への送電量を減少させるので、発電装置2から取り出される有効な電気エネルギが増大する。なお、空冷ファン45の回転速度の減少や台数制御で、凝縮器40における作動媒体Mの凝縮温度低下が発電機30の発電量の抑制に追従できない場合は、仕切弁51及びバイパス仕切弁52の開度調整を併用してもよいことは、発電装置1と同様である。また、加熱媒体Hが焼却炉の排ガス、排温水等、所定の温度に低下させる必要がないものの場合、加熱媒体搬送機16の回転速度を減少させてもよいことはいうまでもない。
The function of the
次に、そのものの図示はしないが、本発明の第3の実施の形態に係る発電装置を、図1を参照して説明する。第3の実施の形態に係る発電装置として、発電装置1の構成において、冷却媒体Cとして海水や河川水を用い、冷却塔42を省略するように構成してもよい。この場合、冷却媒体導入手段41は、冷却水ポンプ43となる。このように構成すると、一般的に必要な動力がポンプよりも大きいファンを省略することができるので、有効に利用できる電気エネルギが増大する。
Next, although not illustrated, a power generation apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As a power generator according to the third embodiment, seawater or river water may be used as the cooling medium C in the configuration of the
以上の説明では、電流検知器81で検知した値に基づいて冷却媒体導入手段41への送電や、仕切弁51及びバイパス仕切弁52の開度、加熱媒体搬送機16への送電を制御することとしたが、他の検知器82〜86で検知した値に基づいて制御してもよい。
In the above description, based on the value detected by the
1 発電装置
10 蒸気発生器
20 膨張機
30 発電機
40 凝縮器
41 冷却媒体導入手段
56 バイパス流路
60 制御装置
81 電流検知器
82 電力検知器
83 コイル温度検知器
84 速度検知器
85 凝縮温度検知器
86 冷却媒体温度検知器
C 冷却媒体
H 加熱媒体
M 作動媒体
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させて機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機と;
前記発電機で発電した電力あるいは商用電力により作動し、前記冷却媒体を前記凝縮器に導入する冷却媒体導入手段と;
前記膨張機及び前記発電機の運転条件が所定の値を超えないように前記冷却媒体導入手段に送電する電力を制御する制御装置とを備える;
発電装置。 A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that obtains mechanical power by expanding the working medium evaporated by the steam generator;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator that generates power by being driven by mechanical power obtained by the expander;
A cooling medium introducing means that operates with electric power generated by the generator or commercial electric power and introduces the cooling medium into the condenser;
A control device that controls electric power transmitted to the cooling medium introducing means so that operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value;
Power generation device.
前記制御装置が、前記検知器により検知した値に基づいて前記冷却媒体導入手段に送電する電力を制御するように構成された;
請求項1に記載の発電装置。 A current detector that detects current generated by the generator, a power detector that detects power generated by the generator, a coil temperature detector that detects the temperature of a stator coil of the generator, and the generator At least one of a speed detector that detects the rotational speed of the rotor, a condensation temperature detector that detects the condensation temperature of the working medium, and a cooling medium temperature detector that detects the temperature of the cooling medium introduced into the condenser Equipped with a detector;
The control device is configured to control electric power transmitted to the cooling medium introducing means based on a value detected by the detector;
The power generation device according to claim 1.
前記制御装置が、前記膨張機及び前記発電機の運転条件が所定の値を超えないように前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を前記バイパス流路を介して前記凝縮器に導入するように構成された;
請求項1又は請求項2に記載の発電装置。 A bypass flow path for bypassing the expander and introducing the working medium evaporated in the steam generator into the condenser;
The control device is configured to introduce the working medium evaporated by the steam generator to the condenser through the bypass channel so that operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value. Was;
The power generation device according to claim 1 or 2.
前記蒸気発生器で蒸発した作動媒体を膨張させて機械的動力を得る膨張機と;
冷却媒体との熱交換により前記膨張機で膨張した作動媒体を凝縮させる凝縮器と;
前記膨張機で得られた機械的動力により駆動されて発電する発電機と;
前記発電機で発電した電力あるいは商用電力により作動し、前記加熱媒体を前記蒸発器に導入する加熱媒体導入手段と;
前記膨張機及び前記発電機の運転条件が所定の値を超えないように前記加熱媒体導入手段に送電する電力を制御する制御装置とを備える;
発電装置。 A steam generator for evaporating the working medium by heat exchange with the heating medium;
An expander that obtains mechanical power by expanding the working medium evaporated by the steam generator;
A condenser that condenses the working medium expanded in the expander by heat exchange with the cooling medium;
A generator that generates power by being driven by mechanical power obtained by the expander;
A heating medium introducing means that operates with electric power generated by the generator or commercial electric power and introduces the heating medium into the evaporator;
A control device that controls electric power transmitted to the heating medium introducing means so that operating conditions of the expander and the generator do not exceed a predetermined value;
Power generation device.
The power generation device according to claim 4, wherein the heating medium is a gas.
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