発電システムおよび発電方法

本発明は、発電システムおよび発電方法に関する。

従来、膨張機において蒸気を膨張させることで発電を行う装置が知られている。たとえば、特許文献1に記載の装置では、蒸発器と膨張機と凝縮器とが1つの発電サイクルをなしており、そのような発電サイクルが複数設けられている。また、加熱媒体遮断弁と冷却媒体遮断弁とが設けられている。この装置では、発電量を検出し、この発電量の検出値と、加熱媒体排出温度とに基づいて、加熱媒体遮断弁および冷却媒体遮断弁を開閉している。

特開2012−202262号公報

上記した装置のように、複数の発電サイクルを設けることにより、大きな熱量に対応することができる。しかしながら、熱量の変動に対応できる発電システムはこれまでになかった。たとえば、熱量100%に合わせたタービン設計において、熱量が50%に減少した場合には、発電機を稼働させるトルクが得られずに相対的なメカロスが大きくなっていた。この場合、発電量が著しく低下してしまう。

本発明は、入力熱量が変動しても、全体の効率を低下させることなく十分な発電を行うことができる発電システムおよび発電方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、複数の容積型膨張機と、複数の容積型膨張機のそれぞれに接続された複数の発電機とを備え、複数の容積型膨張機の少なくとも1台において蒸気が膨張することで発電を行う発電システムであって、容積型膨張機のそれぞれに対する蒸気の流通を抑制可能な抑制手段と、蒸気の熱量に関する情報に基づいて抑制手段を制御することにより、容積型膨張機の1台あたりの負荷率を調整する制御部と、を備える。

本発明の他の態様は、複数の容積型膨張機と、複数の容積型膨張機のそれぞれに接続された複数の発電機とを備えた発電システムを用い、複数の容積型膨張機の少なくとも1台において蒸気が膨張することで発電を行う発電方法であって、蒸気の熱量に関する情報に基づいて容積型膨張機の1台あたりの負荷率を調整する。

これらの発電システムおよび発電方法によれば、発電機がそれぞれ接続された複数の容積型膨張機が設けられている。蒸気の熱量に関する情報に基づいて容積型膨張機の1台あたりの負荷率が調整される。たとえば、入力熱量が低下した場合には、容積型膨張機の1台あたりの負荷率を高くすることにより、発電を効率的に制御することができる。また、入力熱量が増加した場合には、容積型膨張機の1台あたりの負荷率を低くすることにより、発電を効率的に制御することができる。よって、入力熱量が変動しても、全体の効率を低下させることなく、必要な台数の容積型膨張機によって十分な発電を行うことができる。

上記の発電システムにおいて、複数の容積型膨張機はN台であり、制御部は、蒸気の熱量に関する情報についての異なる(N−1)個の閾値を少なくとも記憶しており、制御部は、蒸気の熱量に関する情報を検出し、検出した情報が、(N−1)個の閾値のうち小さい方からa番目(aは1から(N−1)までのいずれかの整数)の閾値を超えると判断した場合に、(a+1)台の容積型膨張機を運転させてもよい。

この構成によれば、異なる(N−1)個の閾値を境界として段階的に運転台数が変更されるため、簡便な判断処理で、より高効率な発電を行うことができる。

本発明によれば、入力熱量が変動しても、全体の効率を低下させることなく、必要な台数の容積型膨張機によって十分な発電を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示す図である。

入力熱量に応じた各発電機の運転状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

まず図1を参照して、本実施形態の蒸気発電システム1について説明する。図1において、実線は電気回路を示しており、破線は蒸気の回路を示している。二点鎖線は、蒸気の回路を示している。制御部30に接続されるように示された破線は、制御回路を示している。

図1に示されるように、蒸気発電システム1は、高温の蒸気(たとえば圧力0.7〜0.8MPaで温度170〜180℃程度)を熱源として用い発電を行う発電システムである。蒸気発電システム1は、第1スクロール膨張機6A、第2スクロール膨張機6B、および第3スクロール膨張機6Cと、これら3台(すなわち、N=3)の第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cのそれぞれに接続された第1発電機7A、第2発電機7B、および第3発電機7Cとを備えている。

第1スクロール膨張機6Aおよび第1発電機7Aは、蒸気が第1スクロール膨張機6Aにおいて膨張することでその出力軸を回転させ、第1発電機7Aにより発電を行う。第2スクロール膨張機6Bおよび第2発電機7Bは、蒸気が第2スクロール膨張機6Bにおいて膨張することでその出力軸を回転させ、第2発電機7Bにより発電を行う。第3発電機7Cおよび第3発電機7Cは、蒸気が第3スクロール膨張機6Cにおいて膨張することでその出力軸を回転させ、第3発電機7Cにより発電を行う。

蒸気発電システム1には蒸気ラインL1が設けられており、この蒸気ラインL1内を、蒸気が所定の圧力をもって供給される。蒸気ラインL1には、蒸気の熱量に関する情報を検出するための入口部検出器11が設けられている。蒸気の熱量に関する情報とは、蒸気の流量、温度、圧力のいずれか1つまたは2以上の情報である。入口部検出器11は、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cに供給される蒸気の情報を検出する。なお、「ライン」は、内部を流体が流れる配管を意味する。

蒸気ラインL1は、3本に分岐している。第1蒸気供給ラインL1Aは第1スクロール膨張機6Aに接続されており、第2蒸気供給ラインL1Bは第2スクロール膨張機6Bに接続されており、第3蒸気供給ラインL1Cは第3スクロール膨張機6Cに接続されている。第1〜第3蒸気供給ラインL1A〜L1Cには、各ライン内における蒸気の流通を停止(遮断)または抑制するための第1〜第3電磁弁16A〜16Cが設けられている。すなわち、第1〜第3電磁弁16A〜16Cのそれぞれは、その開度が調整されることにより、蒸気の流通を抑制可能である。また、第1〜第3電磁弁16A〜16Cのそれぞれは、全閉とされることにより、蒸気の流通を停止させる。第1〜第3電磁弁16A〜16Cは、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cのそれぞれに対する蒸気の流通を抑制可能な抑制手段に相当する。

第1スクロール膨張機6Aの蒸気出口部に接続された第1蒸気放出ラインL2Aと、第2スクロール膨張機6Bの蒸気出口部に接続された第2蒸気放出ラインL2Bと、第3スクロール膨張機6Cの蒸気出口部に接続された第3蒸気放出ラインL2Cとは、合流して1本のラインとなり、大気放出されている。

第1〜第3発電機7A〜7Cのそれぞれは、検漏器や電磁接触器等を介してインバータ17に接続されている。インバータ17は、三相交流(たとえば200V)の商用電源21に接続されている。インバータ17には、たとえば電動機等の負荷18が接続されている。

蒸気発電システム1は、蒸気の熱量に関する情報に基づいて上記の抑制手段を制御することにより、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cの1台当たりの負荷率を調整する制御部30を備えている。制御部30は、たとえばCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等のハードウェアと、ROMに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、から構成されたコンピュータである。前述の入口部検出器11は、蒸気の熱量に関する情報を検出すると、検出した情報を制御部30に逐次送信する。制御部30は、蒸気の熱量に関する情報を取得し、取得した情報に基づいて第1〜第3電磁弁16A〜16Cを開閉制御する。第1〜第3電磁弁16A〜16Cの開閉制御によって、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cの1台当たりの負荷率を調整することができる。また、第1〜第3電磁弁16A〜16Cを全閉/全開制御することにより、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cの運転台数を制御することもできる。蒸気発電システム1では、このようにして、運転する容積型膨張機の台数を絞り込めるようになっている。

制御部30は、蒸気の熱量に関する情報についての異なる2個((N−1)個)の閾値を少なくとも記憶している。制御部30は、たとえば、入口部検出器11における検出結果に基づいて算出される入力熱量(%)についての2個の閾値(ここでは、たとえば第1閾値:40%、および、第2閾値:70%)を記憶している。入力熱量(%)とは、3系列全体としての定格熱量に対する、実際に蒸気が持っている熱量の比率である。制御部30は、これらの閾値を、第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cの負荷率または運転台数の調整制御に用いる。

続いて、図2を参照して、蒸気発電システム1の運転方法(蒸気発電システム1を用いた発電方法)について説明する。制御部30は、蒸気発電システム1の稼働中、入口部検出器11から送信された蒸気の熱量に関する情報に基づいて、前述の閾値に対応する数値(閾値と同じ次元の数値)を算出する。ここでは、制御部30は、入口部検出器11に基づいて、現在の入力熱量を算出する。

制御部30は、算出した入力熱量が、前述の第1閾値を超えているか、および、第2閾値を超えているかを判断する。制御部30は、入力熱量が第1閾値以下であると判断すると、第1電磁弁16Aのみを開とし、他の電磁弁は閉とする。これにより、第1の系列である第1スクロール膨張機6Aのみが運転状態となる。制御部30は、入力熱量が第1閾値を超えていると判断すると、さらに、第2電磁弁16Bを開とする。これにより、第2の系列である第2スクロール膨張機6Bも運転状態となり、合計で2系列が運転状態となる。制御部30は、入力熱量が第2閾値をも超えていると判断すると、さらに、第3電磁弁16Cを開とする。これにより、第3の系列である第3スクロール膨張機6Cも運転状態となり、合計で3系列が運転状態となる。

図2に示されるように、第1閾値である40%と、第2閾値である60%とを境界として、運転台数が切り替わっている。同時に運転している複数のスクロール膨張機に対して分配される蒸気の熱量は等しくされており、したがって、複数のスクロール膨張機における回転数は等しくなっている。(図では、線種を異ならせることにより、複数のスクロール膨張機における回転数が等しくなっている(線が重なっている)ことが読み取れる。)図2に示される運転方式では、入力熱量が10%変化するごとに、段階的に、各スクロール膨張機における回転数を変えるようにしている。

このように、制御部30は、蒸気の熱量に関する情報を検出し、検出した情報が、2(N−1)個の閾値のうち第1閾値(小さい方から1番目の閾値)を超えると判断した場合に、2台の容積型膨張機を運転させる。制御部30は、検出した熱量に関する情報が2個の閾値のうち第2閾値(小さい方から2番目の閾値)を超えると判断した場合に、3台の容積型膨張機を運転させる。

以上説明した蒸気発電システム1およびそれを用いた発電方法によれば、第1〜第3発電機7A〜7Cがそれぞれ接続された複数の容積型膨張機6A〜6Cが設けられている。制御部30によって、蒸気の熱量に関する情報に基づいて第1〜第3電磁弁16A〜16Cの開閉制御が行われ、これにより、容積型膨張機6A〜6Cの1台あたりの負荷率が調整される。たとえば、入力熱量が低下した場合には、容積型膨張機の1台あたりの負荷率を高くすることにより、発電を効率的に制御することができる。また、入力熱量が増加した場合には、容積型膨張機の1台あたりの負荷率を低くすることにより、発電を効率的に制御することができる。よって、入力熱量が変動しても、全体の効率を低下させることなく、必要な台数の容積型膨張機6A〜6Cによって十分な発電を行うことができる。

特に、蒸気発電システム1では、小さい熱量から大きい熱量まで幅広く対応可能であり、熱量の変動が大きい場合には特に有利な効果を発揮する。従来、蒸気を熱源に用いる小型の発電システムは少なかったが、複数の容積型膨張機および発電機を並べた蒸気発電システム1では、小型から大型の幅広いスケールに対応可能である。

制御部30は、熱源媒体である蒸気の熱量に関する情報を検出し、検出した情報が、2個の閾値のうち小さい方からa番目(aは1から2までのいずれかの整数)の閾値を超えると判断した場合に、(a+1)台の容積型膨張機を運転させる。この構成によれば、異なる2個の閾値を境界として段階的に運転台数が変更されるため、簡便な判断処理で、より高効率な発電を行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られない。たとえば、容積型膨張機の系列数(台数)は、4以上であってもよい。多数の系列を設けたとしても、本発明の制御によれば、熱源媒体である蒸気の熱量に応じた最適な運転台数で、簡便かつ効率よく発電を行うことができる。

制御部30が記憶している閾値は、系列数より1少ない個数に限られない。閾値は、それより多くてもよいし、少なくてもよい。抑制手段は、電磁弁に限定されない。各系列にポンプを独立して設け、ポンプの流量調整やオンーオフによって流通の抑制/停止を行ってもよい。分岐点に三方弁を用いる構成としてもよい。

容積型膨張機は、スクロール膨張機に限られない。第1〜第3スクロール膨張機6A〜6Cに代えて、他の容積型膨張機を用いてもよい。たとえば、スクリュー膨張機、クロー膨張機、レシプロ膨張機、ルーツ膨張機等の各種の膨張機を用いてもよい。

1…蒸気発電システム(発電システム)、6A〜6C…第1〜第3スクロール膨張機(容積型膨張機)、7A〜7C…第1〜第3発電機、16A〜16C…第1〜第3電磁弁(抑制手段)、30…制御部。