JP5910122B2 - 熱回収発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、回収した熱を利用して発電を行う熱回収発電装置に関する。

下記特許文献１には、所定の熱源と供給された冷媒との間で熱交換させて蒸気を生成する熱交換器（蒸発器）と、蒸気の供給により回転力を得るタービンが連結されたロータを有する発電機と、上記タービンを通過した蒸気を凝縮して液化させる凝縮器と、この凝縮器から熱交換器に供給される冷媒の一部を上記発電機に供給して冷却する発電機冷却装置と、上記発電機を通過して熱回収した冷媒を上記蒸発器に供給する第１冷媒供給装置とを有する発電機システムが開示されている。このような発電機システムは、発電機の冷却に冷媒を流用することによりシステムの全体効率が向上させるものである。

特開２０１１−１０６３１６号公報

ところで、上記発電機システムにおける発電機冷却装置は、発電機の熱によって冷媒を気化させて発電機を冷却するものである。つまり、この発電機冷却装置では、冷媒の気化熱を発電機の冷却に利用するものである。また、上記発電機システムでは、発電機で気化した冷媒を蒸発器に供給して熱源と熱交換させる構成を採用している。

しかしながら、このような従来技術の構成では、蒸発器で気化した冷媒（気体）と発電機の熱で気化した冷媒が混合することになる。この時、発電機の熱で気化した冷媒が熱源よりも低い場合、蒸発器内では熱源で気化した冷媒の温度を下げる可能性がある。これは、熱源温度が変化したり、発電状態により発熱量が変化したりする場合が考えられるためである。また、気液混合状態の冷媒を熱源と熱交換させることになるので、熱交換効率が悪くなる。このような事情から、上記発電機システムには最重要性能項目である熱源からの熱回収効率が必ずしも十分ではないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、熱源からの熱回収効率を従来よりも向上させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、熱源との熱交換によって液体状態の作動媒体を気化させる蒸発器と、蒸発器から供給された気化状態の作動媒体を用いて発電する膨張タービン発電機と、該膨張タービン発電機から排出される気化状態の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、該凝縮器から液体状態の作動媒体を排出して蒸発器に供給するポンプと、膨張タービン発電機から出力された電力を変換する電力変換器と、液体状態の作動媒体を用いることにより膨張タービン発電機を冷却する発電機用冷却器とを具備し、発電機用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量は発電機用冷却器で気化しない流量に設定されている、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、電力変換器を液体状態の作動媒体を用いて冷却する電力変換器用冷却器をさらに備え、当該電力変換器用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量は、電力変換器用冷却器で気化しない流量に設定されている、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、ポンプから蒸発器に供給される液体状態の作動媒体の一部を発電機用冷却器及び電力変換器用冷却器に各々個別に供給する、という手段を採用する。

第４の解決手段として、上記第１〜３のいずれかの解決手段において、膨張タービン発電機の温度を計測する温度計と、膨張タービン発電機の温度が目標温度を維持するように温度計の計測値に基づいて発電機用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量を調節する制御弁とをさらに備える、という手段を採用する。

本発明によれば、発電機用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量は膨張タービン発電機で気化しない流量に設定されているので、蒸発器では気化した冷媒（気体）と凝縮器から供給された冷媒（液体）とを熱源と熱交換させる従来技術との対比において熱源からの熱回収効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る熱回収発電装置の機能構成を示すシステム構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る廃熱回収発電装置は、図１に示すように、蒸発器１、膨張タービン発電機２、凝縮器３、リザーバタンク４、ポンプ５、制御弁６、ＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８によって構成されている。なお、これら各機器のうち、膨張タービン発電機２は、本廃熱回収発電装置の主機であり、また他は当該主機に対する補機である。

廃熱回収発電装置は、廃ガスの熱エネルギを電気エネルギ（三相交流電力）として回収する装置である。この廃熱回収発電装置は、例えば工場等の施設に設けられ、当該施設で発生する数百℃程度の廃ガスから商用電力と同仕様の三相交流電力を発電する。この三相交流電力は、施設の各部に給電されて消費される。すなわち、この廃熱回収発電装置は、施設の全体的なエネルギ効率を向上させるために施設内に備え付けられるものである。

蒸発器１は、上記廃ガス（熱源）との熱交換によって作動媒体を気化させる一種の熱交換器である。この蒸発器１では、廃ガス（気体）が流通する流路と作動媒体が流通する流路とが隣接かつ対向するように設けられており、高温側である廃ガスの熱が低温側である作動媒体に効率良く伝導する。上記作動媒体は沸点が百℃以下（例えば８０℃程度）のフッ素系媒体であり、廃ガスの熱によって気化する。このような蒸発器１は、ポンプ５から供給された液体状体の作動媒体（液体媒体ＭＬ）を気化させることによって圧力上昇した気化状態の作動媒体（気体媒体ＭＧ）を膨張タービン発電機２に供給する。

膨張タービン発電機２は、このような蒸発器１から供給された気化状態の作動媒体を用いて三相交流電力を発電する。この膨張タービン発電機２は、図示するようにタービン２ａ、発電機２ｂ、冷却ジャケット２ｃ及び温度センサ２ｄ（温度計）を備えており、例えば全体として略円筒状に構成されている。

タービン２ａは、上記蒸発器１から供給される気体媒体ＭＧによって駆動される回転機械である。すなわち、このタービン２ａは、気体媒体ＭＧを蒸発器１から受け入れる受入口と、気体媒体ＭＧを凝縮器３に排出する排出口と、軸（タービン軸）が発電機２ｂと結合するタービンインペラ等を備えるものであり、気体媒体ＭＧをタービンインペラに吹き付けることによりタービンインペラを回転させる。このようなタービン２ａは、略円筒状の膨張タービン発電機２において例えば上部に設けられ、例えば下部に設けられた略円筒状の発電機２ｂと軸結合している。

発電機２ｂは、タービン２ａの回転動力によって駆動されて三相交流電力を発電する回転機械である。すなわち、この発電機２ｂは、上記タービン２ａのタービン軸と軸結合すると共に略円筒状のロータ（界磁）と、当該ロータの外周に円環状に備えられたステータ（電機子巻線）等から構成されている。このような発電機２ｂは、ロータ（界磁）がタービン２ａによって回転駆動されることによって、ステータ（電機子巻線）に起電力が発生する。なお、この発電機２ｂが出力する三相交流電力は、周波数あるいは／及び出力電圧が商用電力（系統電力）の仕様とは異なっている。

冷却ジャケット２ｃは、円筒状の上記発電機２ｂの外周全体を覆うように設けられ、液体媒体ＭＬを用いて発電機２ｂを冷却する。すなわち、この冷却ジャケット２ｃは、液体媒体ＭＬを受け入れる受入口と液体媒体ＭＬを排出する排出口とを備えるものであり、発電機２ｂの熱を液体媒体ＭＬに伝熱させて発電機２ｂを冷却する。このような冷却ジャケット２ｃは、発電機２ｂの外周つまりステータ（電機子巻線）に隣接して設けられているので、作動時に最も発熱するステータを特に効果的に冷却することができる。

ここで、この冷却ジャケット２ｃが受け入れる液体媒体ＭＬの流量は、冷却ジャケット２ｃから排出される液体媒体ＭＬが気化しない流量に設定されているが、このような流量設定の詳細については後述する。温度センサ２ｄは、発電機２ｂ内部温度、例えば最も温度が高くなる部位（ステータ巻線）の温度を検出する。このような温度センサ２ｄは、例えば熱電対であり、計測値を制御弁６に出力する。

凝縮器３は、上記タービン２ａから受け入れた気体媒体ＭＧを冷却水を用いて凝縮（液体化）させる一種の熱交換器である。この凝縮器３では、気体媒体ＭＧが流通する流路と冷却水が流通する流路とが隣接かつ対向するように設けられており、高温側である気体媒体ＭＧの熱が低温側である冷却水に効率良く伝導する。冷却水は、例えば工場の冷却設備から排出される３０〜４０℃程度の水である。このような凝縮器３は、気体媒体ＭＧを液体媒体ＭＬに状態変化させてリザーバタンク４に供給する。

リザーバタンク４は、液体媒体ＭＬを一時的に貯留する容器であり、必要に応じて適宜設けられる。ポンプ５は、このリザーバタンク４から液体媒体ＭＬを払い出して蒸発器１、冷却ジャケット２ｃ及び後述する２つの冷却器７ｂ、７ｃに供給する。すなわち、ポンプ５の吐出口に接続された配管は図示するように３つに分岐しており、第１の分岐管（主配管）が蒸発器１に、第２の分岐管（副配管）が冷却ジャケット２ｃに、また第３の分岐管（副配管）が２つの冷却器７ｂ、７ｃに各々接続されている。ポンプ５から吐出される液体媒体ＭＬの殆どは、このような配管を介して蒸発器１に供給されるが、液体媒体ＭＬの一部は上記配管によって冷却ジャケット２ｃと２つの冷却器７ｂ、７ｃとに分配される。なお、このポンプ５は、例えば電動機によって回転駆動される。

ここで、ポンプ５の吐出流量は、蒸発器１における廃熱量（つまり単位時間当たりの熱量）に応じた必要量（第１の必要量）に、冷却ジャケット２ｃ及び２つの冷却器７ｂ、７ｃを所定の目標温度に冷却するために必要な量（第２の必要量）を加味した流量に設定されている。また、上記第２の必要量つまりポンプ５から冷却ジャケット２ｃ及び２つの冷却器７ｂ、７ｃに各々供給される液体媒体ＭＬの流量は、冷却ジャケット２ｃ及び２つの冷却器７ｂ、７ｃにおいて液体媒体ＭＬが気化しない最小流量以上に設定されている。

すなわち、冷却ジャケット２ｃ及び２つの冷却器７ｂ、７ｃでは、液体媒体ＭＬの流量が少ないと液体媒体ＭＬの一部が気化するが、液体媒体ＭＬの流量がある量以上（最小流量以上）に確保されている場合には、液体媒体ＭＬは気化することなく液体のまま熱を受容する。このような最小流量は、液体媒体ＭＬの熱媒としての性能や冷却ジャケット２ｃあるいは２つの冷却器７ｂ、７ｃの発熱量等に依存するが、設計値として見積ることができる。

制御弁６は、温度センサ２ｄの計測値に基づいて冷却ジャケット２ｃから排出される液体媒体ＭＬの流量を調節する調節弁やＯＮ／ＯＦＦ弁である。すなわち、この制御弁６は、膨張タービン発電機２（主機）の冷却に供される液体媒体ＭＬの流量を調節するものであり、図示するように冷却ジャケット２ｃの排出口と第１の分岐管とを結ぶ配管に備えられている。このような制御弁６によれば、冷却ジャケット２ｃからの液体媒体ＭＬの排出流量（＝流入流量）が発電機２ｂの内部温度が所定の目標温度を維持するように調節されるが、この排出流量（流入流量）は、上述したように液体媒体ＭＬが気化しない最小流量以上の流量領域で調節される。

ＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８は、発電機２ｂが発電した三相交流電力を商用電力（系統電力）の仕様に適合した三相交流電力（例えば５０／６０Ｈｚ，２００Ｖ級）に変換するためのものである。このようなＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８のうち、前段のＡＣ−ＤＣ変換器７は、発電機２ｂから入力された三相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＡＣ変換器８に出力する。後段のＤＣ−ＡＣ変換器８は、上記直流電力を商用電力（系統電力）の仕様に適合した三相交流電力に変換する。

また、このようなＡＣ−ＤＣ変換器７は、ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａと冷却器７ｂとから構成されている。ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａは、ＡＣ−ＤＣ変換器７の本体であり、発電機２ｂの三相交流電力を整流して直流電力に変換する電力回路である。冷却器７ｂは、第３の分岐管を介して供給された液体媒体ＭＬを用いてＡＣ−ＤＣ変換回路７ａを冷却する。すなわち、この冷却器７ｂは、液体媒体ＭＬを受け入れる受入口と液体媒体ＭＬを排出する排出口とを備えるものであり、ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａの熱を液体媒体ＭＬに伝熱させてＡＣ−ＤＣ変換回路７ａを冷却する。

ＤＣ−ＡＣ変換器８は、ＤＣ−ＡＣ変換回路８ａと冷却器８ｂとから構成されている。ＤＣ−ＡＣ変換回路８ａは、ＤＣ−ＡＣ変換器８の本体であり、上記ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａから入力された直流電力を商用電力（系統電力）の仕様に適合した三相交流電力に変換する電力回路である。冷却器８ｂは、第３の分岐管を介して上記冷却器７ｂと並行して供給された液体媒体ＭＬを用いてＡＣ−ＤＣ変換回路７ａを冷却する。すなわち、この冷却器７ｂは、液体媒体ＭＬを受け入れる受入口と液体媒体ＭＬを排出する排出口とを備えるものであり、ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａの熱を液体媒体ＭＬに伝熱させてＡＣ−ＤＣ変換回路７ａを冷却する。

また、冷却ジャケット２ｃ、ＡＣ−ＤＣ変換器７の冷却器７ｂ及びＤＣ−ＡＣ変換器８の冷却器８ｂの排出口からそれぞれ排出された液体媒体ＭＬは、図示するように第１の分岐管を流れる液体媒体ＭＬに合流されて蒸発器１に供給される。すなわち、ポンプ５から吐出された液体媒体ＭＬの一部は、冷却ジャケット２ｃと２つの冷却器７ｂ，８ｂに供給され、液体状体を保つように加熱されて蒸発器１に供給される。

次に、このように構成された廃熱回収発電装置の動作について詳しく説明する。
最初に、本廃熱回収発電装置の発電動作（主動作）について説明する。本廃熱回収発電装置では、作動媒体が蒸発器１→膨張タービン発電機２→凝縮器３→リザーバタンク４→ポンプ５→蒸発器１の順で循環しつつ液体媒体ＭＬと気体媒体ＭＧとに状態変化することによって膨張タービン発電機２における発電がおこなわれる。

すなわち、廃ガスの熱によって蒸発器１で生成された気体媒体ＭＧは、膨張タービン発電機２に供給された後に凝縮器３で冷却水によって液体媒体ＭＬに状態変換され、該液体媒体ＭＬは、リザーバタンク４及びポンプ５を介して蒸発器１に供給されて気体媒体ＭＧに状態変換される。このような作動媒体の循環的な状態変化の過程において、気体媒体ＭＧの作用によって膨張タービン発電機２で発電が行われる。そして、当該膨張タービン発電機２で発生した三相交流電力は、ＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８を経ることによって商用電力（系統電力）の仕様に適合した三相交流電力に変換されて外部に供給される。

続いて、本廃熱回収発電装置の冷却動作（補助動作）について説明する。
本廃熱回収発電装置では、上述した作動媒体の循環過程においてポンプ５から吐出された液体媒体ＭＬの一部が、第１、第２の分岐管を介して膨張タービン発電機２の冷却ジャケット２ｃ及びＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８の各冷却器７ｂ，８ｂに供給されて、膨張タービン発電機２並びにＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８の冷却に供される。

冷却ジャケット２ｃでは、液体媒体ＭＬが液体状態を維持する流量状態で発電機２ｂの熱が液体媒体ＭＬに伝熱され、この結果発電機２ｂが冷却される。一方、ＡＣ−ＤＣ変換器７の冷却器７ｂでは、液体媒体ＭＬが液体状態を維持する流量状態でＡＣ−ＤＣ変換回路７ａの熱が液体媒体ＭＬに伝熱され、この結果ＡＣ−ＤＣ変換回路７ａが冷却される。また、ＤＣ−ＡＣ変換器８の冷却器８ｂでは、液体媒体ＭＬが液体状態を維持する流量状態でＤＣ−ＡＣ変換回路８ａの熱が液体媒体ＭＬに伝熱され、この結果ＤＣ−ＡＣ変換回路８ａが冷却される。

このような実施形態によれば、液体状態を維持する流量設定で液体媒体ＭＬを用いて膨張タービン発電機２、ＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８を冷却するので、蒸発器１には液体媒体ＭＬ（液体状態の作動媒体）のみが供給される。したがって、一部を気化させた作動媒体を蒸発器に供給する従来技術との対比において廃ガス（熱源）からの熱回収効率を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、系統電力等の外部の動力源を用いることなく液体媒体ＭＬを膨張タービン発電機２、ＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８の冷却に利用するので、装置のエネルギ効率がよい。

また、本実施形態によれば、温度センサ２ｄ及び制御弁６が設けられているので、膨張タービン発電機２（主機）を構成する発電機２ｂの内部温度が目標温度を維持するように調節する。すなわち、本実施形態では、補機であるＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８よりも膨張タービン発電機２（主機）の冷却に供される液体媒体ＭＬの流量をより積極的に制御する。このような本実施形態によれば、膨張タービン発電機２（主機）の冷却をより確実に行うことが可能である。

さらに、本実施形態によれば、第２、第３の分岐管を用いることによりポンプ５から蒸発器１に供給される液体媒体ＭＬの一部を膨張タービン発電機２（主機）の冷却ジャケット２ｃと補機であるＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８の各冷却器７ｂ，８ｂに各々個別（並行）に供給するので、冷却ジャケット２ｃと各冷却器７ｂ，８ｂとにおいて液体状体を保つことが比較的容易である。

すなわち、仮に、冷却ジャケット２ｃ及び各冷却器７ｂ，８ｂを配管によって直列に接続することにより、例えば冷却ジャケット２ｃから排出された液体媒体ＭＬを冷却器７ｂに供給し、さらに当該冷却器７ｂから排出された液体媒体ＭＬを冷却器８ｂに供給した場合には、液体媒体ＭＬは、冷却ジャケット２ｃ→冷却器７ｂ→冷却器８ｂの順で徐々に高温になるので、例えば最も高温な冷却器８ｂにおいて液体状体を保つことが困難になることが考えられる。本実施形態は、冷却に供された液体媒体ＭＬを気化させず液体状態を維持させたまま蒸発器１に供給することを基本とするので、液体媒体ＭＬの一部を冷却ジャケット２ｃと各冷却器７ｂ，８ｂとに各々個別（並行）に供給するという構成を採用する。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、膨張タービン発電機２（主機）に加えて、補機であるＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８をも液体媒体ＭＬで冷却するように構成したが、本発明はこれに限定されない。主機だけを液体媒体ＭＬで冷却してもよく、また場合によっては補機だけを液体媒体ＭＬで冷却してもよい。

（２）上記実施形態では、液体媒体ＭＬの一部を冷却ジャケット２ｃと各冷却器７ｂ，８ｂとに各々個別（並行）に供給するように構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば冷却ジャケット２ｃ及び各冷却器７ｂ，８ｂに供給する液体媒体ＭＬの流量をより多くすることにより、冷却による液体媒体ＭＬの温度上昇幅を小さく抑えることが可能なので、冷却ジャケット２ｃ及び各冷却器７ｂ，８ｂを配管によって直列に接続してもよい。

（３）上記実施形態では、膨張タービン発電機２（主機）についてのみ温度センサ２ｄ及び制御弁６を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば補機であるＡＣ−ＤＣ変換器７及びＤＣ−ＡＣ変換器８をも温度センサ２ｄ及び制御弁６に相当する温度センサ及び制御弁を設けて流量調節を行ってもよい。

（４）上記実施形態では、廃ガスの熱エネルギを電気エネルギとして回収したが、本発明はこれに限定されない。例えば熱源として廃ガスに代えて百℃程度の廃温水を用いてもよい。また、熱源は、上記廃ガスや廃温水などの廃熱に限定されない。

（５）上記実施形態では、作動媒体（液体媒体）としてフッ素系媒体を用いたが、本発明はこれに限定されない。

１…蒸発器、２…膨張タービン発電機、２ａ…タービン、２ｂ…発電機、２ｃ…冷却ジャケット、２ｄ…温度センサ（温度計）、３…凝縮器、４…リザーバタンク、５…ポンプ、６…制御弁、７…ＡＣ−ＤＣ変換器、８…ＤＣ−ＡＣ変換器、ＭＬ…液体媒体、ＭＧ…気体媒体

Claims (4)

1. 熱源との熱交換によって液体状態の作動媒体を気化させる蒸発器と、
   前記蒸発器から供給された気化状態の作動媒体を用いて発電する膨張タービン発電機と、
   該膨張タービン発電機から排出される気化状態の作動媒体を凝縮させる凝縮器と、
   該凝縮器から液体状態の作動媒体を排出して前記蒸発器に供給するポンプと、
   液体状態の作動媒体を用いることにより前記膨張タービン発電機を冷却する発電機用冷却器とを具備し、
   前記発電機用冷却器に供給される液体状態の作動媒体は、前記発電機用冷却器で気化しない最少流量以上の流量領域で流量が調節され、前記蒸発器に供給されることを特徴とする熱回収発電装置。
2. 前記膨張タービン発電機から出力された電力を変換する電力変換器と、
   前記電力変換器を液体状態の作動媒体を用いて冷却する電力変換器用冷却器とをさらに備え、
   当該電力変換器用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量は、前記電力変換器用冷却器で気化しない流量に設定されていることを特徴とする請求項１記載の熱回収発電装置。
3. 前記ポンプから前記蒸発器に供給される液体状態の作動媒体の一部を前記発電機用冷却器及び前記電力変換器用冷却器に各々個別に供給することを特徴とする請求項２記載の熱回収発電装置。
4. 前記膨張タービン発電機の温度を計測する温度計と、
   前記膨張タービン発電機の温度が目標温度を維持するように前記温度計の計測値に基づいて前記発電機用冷却器に供給される液体状態の作動媒体の流量を調節する制御弁と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱回収発電装置。

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