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JP6485688B2 - 熱発電装置 - Google Patents

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Description

本開示は、熱発電装置に関する。
当業者によく知られているように、ランキンサイクルは、蒸気タービンの理論サイクルである。ランキンサイクルに関する研究開発は古くからなされている。一方、特許文献１に記載されているように、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収して発電を行う廃熱発電装置に関する研究開発も行われている。
特許文献１の廃熱発電装置では、蒸発器によって廃熱媒体から熱エネルギーが回収され、回収された熱エネルギーによってランキンサイクルの作動流体が蒸発する。蒸発した作動流体によってタービン発電機が駆動される。作動流体は、タービン発電機を駆動した後、水冷式の凝縮器で冷却されて凝縮する。凝縮した作動流体は、ポンプによって再び蒸発器に送られる。これにより、廃熱エネルギーから電気エネルギーが連続的に生成される。近年では、大規模な廃熱発電装置だけでなく、比較的小規模な施設に併設できる廃熱発電装置が注目を浴びている。
このような廃熱発電装置は、故障に伴い、緊急停止を余儀なくされる場合がある。その際、廃熱発電装置が安全に発電を停止するように所定の制御が行われる。例えば、特許文献２には、作動流体の流れを停止した後、発電装置の運転の実質的な早期停止を可能とし、膨張機に逆スラスト力が加わることを回避するための技術が記載されている。
図７に示すように、特許文献２に記載された発電装置２００は、開閉弁２１５、均圧流路２１７、膨張機バイパス流路２１９及びコントローラ２２０を備えている。均圧流路２１７は、循環流路２０６において、開閉弁２１５と蒸発器２０２との間の部分とスクリュー膨張機２０３と凝縮器２０４との間の部分とを連通させうる。膨張機バイパス流路２１９は、循環流路２０６において、開閉弁２１５とスクリュー膨張機２０３との間の部分とスクリュー膨張機２０３と凝縮器２０４との間の部分とを連通させうる。運転停止時において、コントローラ２２０は、開閉弁２１５を閉じる一方で作動流体ポンプ２０５の停止以後に膨張機バイパス弁２１８及び均圧弁２１６を開放する制御を行う。また、コントローラ２２０は、起動時には、開閉弁２１５を開放する一方で、作動流体ポンプ２０５を駆動する前に膨張機バイパス弁２１８及び均圧弁２１６を閉じる制御を行う。
特開２０１３−７３７０号公報 特開２０１３−５７２６４号公報
特許文献２に記載された技術は、比較的低温の熱媒体から熱を回収すること想定している。低温の熱媒体から熱を回収する熱発電装置だけでなく、３００℃を超えるような高温の熱媒体から熱を回収する熱発電装置においても、熱発電装置を安全に停止させることが必要である。
本開示は、熱発電装置に異常が発生したときに、その熱発電装置を安全に停止させるための技術を提供することを目的とする。
すなわち、本開示は、
熱源から供給される熱媒体と作動流体とを熱交換させるように構成された熱交換部を有する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体から動力を回収する膨張機と、
前記膨張機で回収された動力を電力に変換する発電機と、
前記膨張機で減圧された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、
を備え、
前記作動流体が有機作動流体であり、
前記蒸発器は、前記熱媒体が前記熱交換部を迂回して流れるように構成されたバイパス流路と、前記熱交換部に供給されるべき前記熱媒体の流量と前記バイパス流路に供給されるべき前記熱媒体の流量とを調節する流量調節機構とをさらに有する、熱発電装置を提供する。
上記の技術によれば、熱発電装置に異常が発生したとき、バイパス流路及び流量調節機構を使用して、その熱発電装置を安全に停止させることができる。
実施形態１に係る熱発電装置の構成図 図１に示す熱発電装置に使用された空冷ユニットの構成図 変形例１に係る空冷ユニットの構成図 変形例２に係る空冷ユニットの構成図 実施形態２に係る熱発電装置の構成図 実施形態３に係る熱発電装置の構成図 従来の発電装置の構成図
ガスエンジン、工業炉などの熱源から排出される３００℃以上の高温の熱媒体から熱を回収する場合、熱媒体の温度が熱発電装置の作動流体の熱分解温度（例えば２５０℃）を上回る可能性がある。熱発電装置が正常に運転されている状況下においては、蒸発器における作動流体の温度は熱分解温度未満に保たれている。しかし、熱発電装置の構成部品の故障時などの異常時において、蒸発器における作動流体の温度が熱分解温度を超える懸念がある。すなわち、熱発電装置に異常が発生し、かつ蒸発器が熱媒体に曝された状況が続く場合、蒸発器における作動流体の温度が熱分解温度を超過し、ＨＦなどの有害物質が生成される可能性がある。そのような有害物質が外部に漏洩する可能性も否定できない。また、作動流体が漏洩しない場合でも、作動流体の物性が変化し、熱発電装置に所望の性能を発揮させることが困難となる可能性がある。
本開示の第１態様は、
熱源から供給される熱媒体と作動流体とを熱交換させるように構成された熱交換部を有する蒸発器と、
前記蒸発器で加熱された前記作動流体から動力を回収する膨張機と、
前記膨張機で回収された動力を電力に変換する発電機と、
前記膨張機で減圧された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、
を備え、
前記作動流体が有機作動流体であり、
前記蒸発器は、前記熱媒体が前記熱交換部を迂回して流れるように構成されたバイパス流路と、前記熱交換部に供給されるべき前記熱媒体の流量と前記バイパス流路に供給されるべき前記熱媒体の流量とを調節する流量調節機構とをさらに有する、熱発電装置を提供する。
本開示の第１態様によれば、熱発電装置に異常が発生したとき、熱交換部に供給される熱媒体の流量を調節することができる。言い換えれば、バイパス流路に熱媒体を流すことができる。これにより、熱交換部において作動流体が過度に加熱されることが防止され、ひいては熱発電装置を安全に停止させることができる。
本開示の第２態様は、第１態様に加え、前記流量調節機構は、前記熱交換部よりも前記熱媒体の流れ方向における上流側に配置されている、熱発電装置を提供する。このような位置に流量調節機構が配置されていると、熱交換部への熱媒体の供給を確実に停止することができる。
本開示の第３態様は、第１又は第２態様に加え、前記蒸発器は、前記熱交換部よりも前記熱媒体の流れ方向における下流側に配置された第２流量調節機構をさらに有する、熱発電装置を提供する。第２流量調節機構によれば、下流側から熱交換部に向かって熱媒体が逆流することを防止できる。その結果、熱交換部への不要な入熱を抑制できる。流量調節機構及び第２流量調節機構を閉じるように流量調節機構及び第２流量調節機構を制御すれば、熱交換部の取り外しを含めたメンテナンスを行うことが可能になる。
本開示の第４態様は、第１〜第３態様のいずれか１つに加え、前記熱発電装置の運転状態を把握するための検出器と、前記流量調節機構を制御する制御器と、をさらに備え、前記検出器による検出結果が予め設定された閾値を超えたとき、前記制御器は、前記熱交換部への前記熱媒体の供給が減少又は停止されるように前記流量調節機構を制御する、熱発電装置を提供する。このような構成によれば、熱交換部において作動流体の温度が熱分解温度を超えないように熱発電装置を運転することができる。
本開示の第５態様は、第１〜第４態様のいずれか１つに加え、前記熱発電装置は、前記作動流体が前記膨張機を迂回して流れるように構成された膨張機バイパス流路と、前記膨張機バイパス流路に配置された弁と、前記弁を制御する制御器とを有し、前記制御器は、前記熱発電装置の異常を検出したとき、前記膨張機バイパス流路に前記作動流体が流れるように前記弁を開くための制御を行う、熱発電装置を提供する。このような構成によれば、膨張機バイパス流路に作動流体を流すことができる。その結果、膨張機への過剰な作動流体の流入を抑制し、熱発電装置を安全に停止することが可能となる。
本開示の第６態様は、第１〜第４態様のいずれか１つに加え、前記熱発電装置は、前記作動流体が前記膨張機を迂回して流れるように構成された膨張機バイパス流路と、前記膨張機バイパス流路に配置された弁とを有し、前記熱発電装置の異常時に前記弁が開く、熱発電装置を提供する。このような構成によれば、熱発電装置の異常時において、熱発電装置における内部圧力の上昇を抑制できる。
本開示の第７態様は、第４〜第６態様のいずれか１つに加え、前記検出器は、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力、又は、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との差を検出する検出器を含む、熱発電装置を提供する。このような構成によれば、熱発電装置の挙動を監視し、熱発電装置の異常を確実に検出することが可能である。
本開示の第８態様は、第４〜第７態様のいずれか１つに加え、前記検出器は、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を検出する検出器を含む、熱発電装置を提供する。このような構成によれば、熱発電装置の挙動を監視し、熱発電装置の異常を確実に検出することが可能である。
本開示の第９態様は、第４〜第８態様のいずれか１つに加え、前記検出器は、前記発電機で発電された電力の大きさを検出する検出器を含む、熱発電装置を提供する。発電された電力は応答性に優れたパラメータなので、電力を検出する検出器によれば、迅速に熱発電装置の異常を検出することが可能である。
本開示の第１０態様は、第１〜第９態様のいずれか１つに加え、前記熱交換部は、前記熱媒体と前記作動流体とが直接的に熱交換を行うように構成されている、熱発電装置を提供する。このようにすれば、二次媒体を介して熱交換が行われる場合と比較して、高い熱交換効率を達成することができる。そのため、熱発電装置の発電量を高めることが可能である。また、熱発電装置の構成部品の簡素化を図ることができる。
本開示の第１１態様は、第１〜第１０態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器は、空気によって前記作動流体を冷却する空冷式の凝縮器である、熱発電装置を提供する。凝縮器が空冷式の凝縮器であるとき、冷却水が必要ないので水配管などの付属設備も不要となる。その結果、熱発電装置の設置工事を簡素化できるとともに、メンテナンスの手間も省ける。
本開示の第１２態様は、第１〜第１０態様のいずれか１つに加え、前記凝縮器は、水によって前記作動流体を冷却する水冷式の凝縮器である、熱発電装置を提供する。凝縮器が水冷式の凝縮器であるとき、凝縮器が空冷式の凝縮器である場合と比較して、凝縮温度を下げることができる。その結果、熱発電装置の発電量が向上し、高い発電効率が達成されうる。
本開示の第１３態様は、第１〜第１２態様のいずれか１つに加え、前記熱媒体の温度が前記作動流体の熱分解温度よりも高い、熱発電装置を提供する。このような条件で熱発電装置を運転すれば、熱発電装置における熱回収量が増加し、高い発電効率を達成できる可能性がある。
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。本開示は、以下の実施形態に限定されない。
（実施形態１）
図１に示すように、熱発電装置１００は、蒸発器２４、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３及び制御器１６を備えている。蒸発器２４、膨張機１１、凝縮器１２及びポンプ１３は、ランキンサイクル回路を形成するように、配管によって上記の順番で環状に接続されている。ダクト１０６を通じて、熱源１０４から熱発電装置１００に高温の熱媒体が供給される。熱発電装置１００は、熱源１０４で生成された高温の熱媒体を用いて電力を生成する。
熱源１０４の種類は特に限定されない。熱源１０４から熱発電装置１００に供給される熱媒体の種類も特に限定されない。熱源１０４では、例えば、１００〜５００℃程度の高温の熱媒体が生成される。一例において、熱源１０４は、ごみ焼却炉、燃焼炉、焼成炉などの炉である。この場合、熱源１０４から排気ガス、燃焼空気などの高温のガスが熱媒体として熱発電装置１００に供給される。他の例において、熱源１０４は、蒸気プラントなどの工場である。この場合、熱源１０４から高温の蒸気又は高温の排液が熱発電装置１００に供給される。他の例において、熱源１０４は、地熱源、温泉などの天然の蒸気源である。この場合、熱源１０４から高温の蒸気が熱発電装置１００に供給される。その他、熱媒体として、オイルなどの流体が熱発電装置１００に供給されてもよい。
本実施形態において、熱発電装置１００に使用された作動流体は、有機作動流体である。上記のランキンサイクル回路に有機作動流体が充填されている。つまり、熱発電装置１００は、オーガニックランキンサイクルに基づいている。オーガニックランキンサイクルによれば、１００〜５００℃の温度帯で他の発電方式に比べて、高い発電効率を達成しやすい。
有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素、炭化水素、アルコールなどが挙げられる。ハロゲン化炭化水素として、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅなどが挙げられる。炭化水素として、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタンなどのアルカンが挙げられる。アルコールとして、エタノールなどが挙げられる。これらの有機作動流体は、単独で使用してもよいし、２種類以上の混合物を使用してもよい。なお、作動流体として、水、二酸化炭素、アンモニアなどの無機作動流体を使用した熱発電装置に本明細書に開示された技術を適用できる可能性もある。
熱発電装置１００の運転時において、熱交換部２４ａが配置された位置での熱媒体の温度は、例えば、作動流体の熱分解温度よりも高い。このような条件で熱発電装置１００を運転すれば、熱発電装置１００における熱回収量が増加し、高い発電効率を達成できる可能性がある。
本実施形態において、ダクト１０６の一部は、蒸発器２４によって形成されている。すなわち、蒸発器２４は、ダクト１０６の一部を含む蒸発ユニットでありうる。具体的に、蒸発器２４は、熱交換部２４ａ、主流路２４ｂ及びバイパス流路２４ｃを有する。熱交換部２４ａは、熱源１０４からの熱媒体と作動流体とを熱交換させるように構成されている。蒸発器２４の熱交換部２４ａにおいて加熱されるべき作動流体は、ランキンサイクル回路に充填された作動流体である。作動媒体は、熱交換部２４ａにおいて熱媒体から熱エネルギーを受け取り、蒸発する。主流路２４ｂ及びバイパス流路２４ｃは、それぞれ、ダクト１０６の内部に形成された流路である。主流路２４ｂに熱交換部２４ａが配置されている。バイパス流路２４ｃは、熱媒体が熱交換部２４ａを迂回して流れるように構成されている。本実施形態では、主流路２４ｂとバイパス流路２４ｃとが隔壁６０によって隔てられている。
蒸発器２４は、熱媒体を介して、工場、焼却炉などの施設から排出された熱エネルギーを回収する。蒸発器２４の構造（特に、熱交換部２４ａの構造）は、熱媒体の温度、熱媒体の流量、熱媒体の物性などの条件に応じて適切に設計されうる。熱交換部２４ａは、例えば、フィンチューブ熱交換器の構造を有する。熱源１０４が工場であり、ダクト１０６が工場の廃熱経路（排気ダクト）であるとき、熱交換部２４ａはその廃熱経路に配置されている。
熱交換部２４ａは、熱媒体と作動流体とが直接的に熱交換を行うように構成されている。言い換えれば、二次媒体を介することなく、熱媒体と作動流体との間の熱交換が行われる。このようにすれば、二次媒体を介して熱交換が行われる場合と比較して、高い熱交換効率を達成することができる。そのため、熱発電装置１００の発電量を高めることが可能である。また、熱発電装置１００の構成部品の簡素化を図ることができる。
蒸発器２４は、さらに、流量調節機構２７を有する。流量調節機構２７は、熱交換部２４ａに供給されるべき熱媒体の流量とバイパス流路２４ｃに供給されるべき熱媒体の流量とを調節する役割を担う。流量調節機構２７によれば、熱発電装置１００に異常が発生したとき、熱交換部２４ａに供給される熱媒体の流量を調節することができる。言い換えれば、バイパス流路２４ｃに熱媒体を流すことができる。これにより、熱交換部２４ａにおいて作動流体が過度に加熱されることが防止され、ひいては熱発電装置１００を安全に停止させることができる。
流量調節機構２７は、主流路２４ｂにおける熱媒体の流量とバイパス流路２４ｃにおける熱媒体の流量との比率を段階的又は連続的に調節する機能（分配機能）を有している。このような機能によれば、熱源１０４の状況、必要な発電量などに応じて、各流路における熱媒体の流量を調節できる。例えば、熱源１０４で大量の熱が発生したとき、熱媒体の一部を主流路２４ｂに流し、熱媒体の残部をバイパス流路２４ｃに流すことができる。このようにすれば、熱交換部２４ａにおける作動流体の過昇温を防止しつつ、熱発電装置１００を安定的に運転することができる。ただし、流量調節機構２７がそのような分配機能を有していることは必須ではない。流量調節機構２７は、熱媒体の全量を主流路２４ｂに流すモードと熱媒体の全量をバイパス流路２４ｃに流すモードとから選ばれるいずれかのモードのみで動作するように構成されていてもよい。
本実施形態において、流量調節機構２７はダンパー式の調節機構である。詳細には、流量調節機構２７は、ダンパー２５及びアクチュエータ２６を含む。流量調節機構２７は、制御器１６によって電気的に制御される。ダンパー２５はアクチュエータ２６にリンクしており、アクチュエータ２６によってダンパー２５が動かされる。アクチュエータ２６は、モータ、ソレノイドなどである。ダンパー２５の位置に応じて、主流路２４ｂにおける熱媒体の流量とバイパス流路２４ｃにおける熱媒体の流量との比率が設定される。例えば、ダンパー２５が実線で示す位置を占有するとき、バイパス流路２４ｃが閉鎖され、熱媒体の全量が主流路２４ｂに導かれる。ダンパー２５が破線で示す位置を占有するとき、バイパス流路２４ｃが開放され、熱媒体の全量がバイパス流路２４ｃに導かれる。
本実施形態において、流量調節機構２７は、熱交換部２４ａよりも熱媒体の流れ方向における上流側に配置されている。具体的には、主流路２４ｂとバイパス流路２４ｃとの分岐位置（隔壁６０の上流端）に流量調節機構２７が配置されている。このような位置に流量調節機構２７が配置されていると、熱交換部２４ａへの熱媒体の供給を確実に停止することができる。
本実施形態において、流量調節機構２７は、アクチュエータ２６によって作動する。アクチュエータ２６は、制御器１６によって制御される。このような構成によれば、流量調節機構２７を遠隔から作動させることができる。なお、流量調節機構２７の構造は特に限定されない。流量調節機構２７は、スライド式、バタフライ式、二方式バルブ、三方式バルブによる流量調節機構であってもよい。
図２に示すように、膨張機１１、凝縮器１２及びポンプ１３は、空冷ユニット１１０を形成している。空冷ユニット１１０は、筐体３０を有する。筐体３０の内部に膨張機１１、凝縮器１２及びポンプ１３が配置されている。空冷ユニット１１０には、接続部１４及び１５が設けられている。接続部１４と蒸発器２４の入口（詳細には、熱交換部２４ａの入口）とが配管によって接続されている。接続部１５と蒸発器２４の出口（詳細には、熱交換部２４ａの出口）とが配管によって接続されている。接続部１４を経由して、空冷ユニット１１０から蒸発器２４に作動媒体が送られる。作動媒体は、蒸発器２４において熱エネルギーを受け取り、気化する。気相状態の作動媒体は、接続部１５を経由して空冷ユニット１１０に戻る。接続部１４及び１５は必須ではなく、省略されていてもよい。
膨張機１１は、蒸発器２４で加熱された作動流体から動力を回収する。詳細には、膨張機１１は、作動流体を膨張させることによって作動流体の膨張エネルギーを回転動力に変換する。膨張機１１の回転軸には、発電機１７が接続されている。膨張機１１によって発電機１７が駆動される。発電機１７は、膨張機１１で回収された動力を電力に変換する。膨張機１１は、例えば、容積型又はターボ型の膨張機である。容積型の膨張機として、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、往復膨張機などが挙げられる。ターボ型の膨張機は、いわゆる膨張タービンである。
膨張機１１として、容積型の膨張機が推奨される。一般に、容積型の膨張機は、ターボ型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機はこのような特性を持っているので、容積型の膨張機を使用すれば高効率を維持したまま発電量を増減できる。
本実施形態では、膨張機１１の密閉容器の中に発電機１７が配置されている。つまり、膨張機１１は、全密閉型の膨張機である。ただし、膨張機１１は、半密閉型又は開放型の膨張機であってもよい。
凝縮器１２は、膨張機１１で減圧された作動流体を冷却し、凝縮させる。凝縮器１２として、空気によって作動流体を冷却する空冷式の熱交換器を使用できる。空冷式の熱交換器として、フィンチューブ熱交換器が挙げられる。フィンチューブ熱交換器は、空冷ユニット１１０のコストの節約及び設置面積の低減に寄与する。凝縮器１２の構造は、空冷ユニット１１０の設置場所、熱源１０４から熱発電装置１００に供給される熱量などに応じて適切に決定される。凝縮器１２が空冷式の凝縮器であるとき、冷却水が必要ないので水配管などの付属設備も不要となる。その結果、熱発電装置１００の設置工事を簡素化できるとともに、メンテナンスの手間も省ける。
ただし、凝縮器１２の形式は空冷式に限定されない。凝縮器１２として、例えば、作動流体を水などの液体によって冷却する液冷却式（水冷式）の熱交換器を使用してもよい。そのような熱交換器としては、プレート型の熱交換器がよく知られている。凝縮器１２が水冷式の凝縮器であるとき、凝縮器１２が空冷式の凝縮器である場合と比較して、凝縮温度を下げることができる。その結果、熱発電装置１００の発電量が向上し、高い発電効率が達成されうる。
空冷ユニット１１０は、さらに、凝縮器１２に空気を供給するファン１８を備えている。ファン１８も筐体３０の中に配置されている。ファン１８の働きによって、凝縮器１２に空気を供給することができる。ファン１８は、例えば、プロペラファンである。
ポンプ１３は、凝縮器１２で冷却された作動流体を吸入して加圧し、加圧された作動流体を蒸発器２４に向けて吐出する。ポンプ１３として、一般的な容積型又はターボ型のポンプを使用できる。容積型のポンプとして、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、ロータリポンプなどが挙げられる。ターボ型のポンプとして、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプなどが挙げられる。
制御器１６は、流量調節機構２７、ポンプ１３、発電機１７、ファン１８などの制御対象を制御する。つまり、制御器１６は、熱発電装置１００の全体の制御を行う。制御器１６として、Ａ／Ｄ変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むＤＳＰ（Digital Signal Processor）を使用できる。制御器１６には、熱発電装置１００を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
筐体３０は、膨張機１１、凝縮器１２、ポンプ１３などの構成要素を収納している容器である。筐体３０は、例えば、金属で作られている。筐体３０は、例えば、直方体の形状を有する。筐体３０の互いに向かい合う１組の側面には、空気を筐体３０の内部空間に導くための開口及び空気を筐体３０の内部空間から排出するための開口がそれぞれ形成されている。
空冷ユニット１１０は、さらに、仕切り１９及び仕切り２０を備えている。筐体３０の内部空間は、仕切り１９及び仕切り２０によって、膨張機収納部３２と、凝縮器収納部３７と、ポンプ収納部３８とに仕切られている。膨張機収納部３２の温度、凝縮器収納部３７の温度及びポンプ収納部３８の温度を相互に比較すると、膨張機収納部３２の温度が最も高い。膨張機収納部３２の温度は、例えば２００℃まで上昇する。仕切り１９及び仕切り２０によって膨張機１１からの伝熱が低減されているので、凝縮器収納部３７の温度及びポンプ収納部３８の温度は、膨張機収納部３２の温度よりも数１０℃低い。
熱発電装置１００は、さらに、熱発電装置１００の運転状態を把握するための検出器３３を備えている。検出器３３から制御器１６に検出信号が入力される。検出器３３による検出結果が予め設定された閾値を超えたとき、制御器１６は、熱発電装置１００の異常を検出する。そして、制御器１６は、熱交換部２４ａへの熱媒体の供給が減少又は停止されるように流量調節機構２７を制御する。このような構成によれば、熱交換部２４ａにおいて作動流体の温度が熱分解温度を超えないように熱発電装置１００を運転することができる。また、作動流体の温度が熱分解温度を越えた場合又は超えそうな場合には、直ちに流量調節機構２７を制御して熱媒体をバイパス流路２４ｃに導き、熱交換部２４ａで作動流体が熱分解することを防止できる。
検出器３３は、例えば、膨張機１１の入口（又は熱交換部２４ａの出口）における作動流体の温度を検出する検出器を含む。つまり、検出器３３は温度センサでありうる。膨張機１１の入口における作動流体の温度は、熱発電装置１００において最も高い温度を示す。したがって、この位置で作動流体の温度を検出すれば、作動流体の熱分解を確実に防止できる。温度センサを含む検出器３３を使用すれば、熱発電装置１００の挙動を監視し、熱発電装置１００の異常を確実に検出することが可能である。また、温度センサを含む検出器３３は、簡易的かつ安価である。検出器３３が温度センサを含む場合、上記した閾値（閾値温度）は、例えば、作動流体の熱分解温度よりも５０℃程度低い温度に設定されうる。
また、熱交換装置１００は、熱発電装置１００の運転状態を把握するための検出器として、検出器３４を備えていてもよい。検出器３４は、膨張機１１の入口における作動流体の圧力を検出する。つまり、検出器３４は、圧力センサでありうる。膨張機１１の入口における作動流体の圧力が閾値を越えたとき、熱発電装置１００に異常が発生したものと判断される。制御器１６は、熱交換部２４ａへの熱媒体の供給が減少又は停止されるように流量調節機構２７を制御する。閾値（閾値圧力）は、作動流体の種類などに応じて適切に定められる。圧力センサを含む検出器３４を使用すれば、熱発電装置１００の挙動を監視し、熱発電装置１００の異常を確実に検出することが可能である。
また、熱交換装置１００は、熱発電装置１００の運転状態を把握するための検出器として、検出器３４及び検出器３５を備えていてもよい。検出器３４は、膨張機１１の入口における作動流体の圧力を検出する。検出器３５は、膨張機１１の出口における作動流体の圧力を検出する。つまり、検出器３４及び３５は、圧力センサでありうる。検出器３４及び３５によって、膨張機１１の入口における作動流体の圧力と膨張機１１の出口における作動流体の圧力との差を特定できる。圧力差が予め設定された閾値を超えたとき、制御器１６は、熱交換部２４ａへの熱媒体の供給が減少又は停止されるように流量調節機構２７を制御する。検出器３４及び３５を使用すれば、熱発電装置１００の挙動を監視し、熱発電装置１００の異常を確実に検出することが可能である。
また、熱交換装置１００は、熱発電装置１００の運転状態を把握するための検出器として、検出器３６を備えていてもよい。検出器３６は、発電機１７で発電された電力の大きさを検出する。つまり、検出器３６は、電力計でありうる。発電された電力の大きさが予め設定された閾値を超えたとき、制御器１６は、熱交換部２４ａへの熱媒体の供給が減少又は停止されるように流量調節機構２７を制御する。発電された電力は応答性に優れたパラメータなので、検出器３６によれば、迅速に熱発電装置１００の異常を検出することが可能である。
上記した検出器３３、検出器３４、検出器３４と検出器３５との組み合わせ、及び検出器３６から選ばれる少なくとも１つを用い、熱発電装置１００の挙動を監視し、熱発電装置１００の異常を検出することが可能である。
熱発電装置１００における異常としては、例えば、ポンプの故障による作動流体の循環不能、インバータの故障に伴う膨張機１１の回転制御不能、空冷ユニット１１０のファン１８の故障による凝縮不足などが挙げられる。このような異常が発生したとき、熱源１０４から高温の熱媒体、特に、作動流体の熱分解温度を超える温度の熱媒体が熱交換部２４ａに供給され続け、熱交換部２４ａが熱媒体に曝され続けると、作動流体が熱分解する可能性がある。本実施形態においては、熱発電装置１００の異常を検出した場合、熱交換部２４ａを熱から保護するように、流量調節機構２７が制御される。これにより、熱交換部２４ａでの作動流体の過昇温が回避され、作動流体の熱分解を抑制することができる。
次に、熱発電装置１００に使用できる空冷ユニットのいくつかの変形例について説明する。
（変形例１）
図３に示すように、変形例１に係る空冷ユニット１１２は、図２を参照して説明した空冷ユニット１１０の構成に加え、再熱器２１、膨張機バイパス流路２２及び弁２３を備えている。再熱器２１、膨張機バイパス流路２２及び弁２３は、筐体３０に収納されている。膨張機バイパス流路２２は、作動流体が膨張機１１を迂回して流れるように構成されている。具体的に、膨張機バイパス流路２２は、作動流体を膨張機１１に流入させる流路５０と、膨張機１１から吐出された作動流体が流れる流路５２とを膨張機１１の外部で接続することにより、膨張機１１をバイパスしている流路である。すなわち、膨張機バイパス流路２２は、作動流体が膨張機１１を経由せずに再熱器２１に流入することを可能にする流路である。空冷ユニット１１２が再熱器２１を有していない場合、作動流体は、膨張機バイパス流路２２を経由して凝縮器１２に供給されうる。弁２３は、膨張機バイパス流路２２に配置されている。弁２３は、膨張機バイパス流路２２における作動流体の流量を調節する。弁２３は、流量調節弁であってもよいし、開閉弁であってもよい。
再熱器２１は、膨張機１１から吐出された作動流体を凝縮器１２に供給するための流路５２の一部を形成している。再熱器２１は、また、ポンプ１３から吐出された作動流体を蒸発器２４に供給するための流路５１の一部を形成している。再熱器２１において、膨張機１１から凝縮器１２に供給されるべき作動流体とポンプ１３から蒸発器２４に供給されるべき作動流体との間で熱交換が行われる。膨張機１１から吐出された作動流体の温度は、例えば１００〜１５０℃である。再熱器２１において、膨張機１１から吐出された作動流体の熱エネルギーをポンプ１３から吐出された作動流体に伝えることができる。これにより、凝縮器１２で必要な冷却エネルギー及び蒸発器２４で必要な加熱エネルギーを減らすことが可能となる。その結果、凝縮器１２及び蒸発器２４を小型化することが可能となる。
本実施形態では、再熱器２１が膨張機収納部３２に配置されている。膨張機収納部３２に再熱器２１が配置されていると、再熱器２１によって直接的に又は再熱器２１に接続された配管を通じて、膨張機収納部３２の熱を回収できる。ポンプ１３から吐出された作動流体の温度は低く、例えば２０〜５０℃である。膨張機１１から吐出された作動流体の温度は、例えば１００〜１５０℃である。ポンプ１３から吐出された作動流体の温度は、膨張機１１から吐出された作動流体の温度よりも低い。また、再熱器２１から流出した作動流体の温度も膨張機１１から吐出された作動流体の温度よりも低い。従って、膨張機１１から放出された熱エネルギーは、再熱器２１によって熱発電装置１００に回収されうる。
膨張機バイパス流路２２及び弁２３も膨張機収納部３２に配置されている。弁２３の上流側の膨張機バイパス流路２２における作動流体の温度は、膨張機１１の入口における作動流体の温度に概ね等しく、例えば２００℃である。膨張機バイパス流路２２及び弁２３が膨張機収納部３２に配置されていると、膨張機バイパス流路２２の上流部分にある高温の作動流体から凝縮器１２、ポンプ１３などの低温の構成要素への伝熱を抑制できる。
本実施形態のように、膨張機１１、再熱器２１、膨張機バイパス流路２２及び弁２３が１つの囲まれた空間（膨張機収納部３２）に配置されていると、これらの構成要素を断熱材で個別に覆う必要が無い。膨張機収納部３２を断熱材４０で囲うことによって膨張機収納部３２を断熱することも可能である。その結果、空冷ユニット１１２の製造工程を簡略化できる。もちろん、膨張機１１、再熱器２１、膨張機バイパス流路２２及び弁２３が個別に断熱材で覆われていてもよい。
また、本変形例では、制御器１６がポンプ収納部３８に配置されている。ポンプ収納部３８は、膨張機収納部３２の温度よりも数１０℃低い温度を有する空間であり、制御器１６にとって有用な環境である。制御器１６がポンプ収納部３８に配置されていると、制御器１６の温度が過度に上昇することを抑制できる。
また、制御器１６がポンプ収納部３８に配置されていると、ポンプ１３の出口の作動流体によって制御器１６を冷却することができる。一般的に、制御器１６は制御用の電子回路を搭載している。電子回路から熱が発生するので、制御器１６は冷却されるべきである。また、空気によって制御器１６を冷却することも可能である。他方、本実施形態のように、ポンプ１３から吐出された作動流体によって制御器１６を冷却することも可能である。周囲環境及び熱発電装置１００の運転条件に依存するが、ポンプ１３の出口の作動流体は、液相状態にあり、例えば２０〜５０℃の温度を有する。このような作動流体は、制御器１６の冷却において有用である。具体的には、ポンプ１３の出口に接続された流路５１（配管）の一部（流路５１ａ）を制御器１６（制御器１６の発熱部）に接触させることによって、制御器１６を冷却することができる。これにより、制御器１６の温度が過度に上昇することを抑制できる。
本実施形態では、膨張機１１を蒸発器２４に接続するための流路５０（第１流路）が膨張機収納部３２を経由して筐体３０の外部に延びている。流路５０に蒸発器２４を接続するための接続部１５が筐体３０の外部に位置している。また、ポンプ１３を蒸発器２４に接続するための流路５１（第２流路）の一部（流路５１ｂ）が膨張機収納部３２を経由して筐体３０の外部に延びている。流路５１に蒸発器２４を接続するための接続部１４が筐体３０の外部に位置している。接続部１４及び接続部１５は、例えば、筐体３０の膨張機収納部３２を形成している部分に取り付けられている。このような構成によれば、比較的高温の作動流体が流れる流路５０及び流路５１ｂ（配管）を膨張機収納部３２に収納することができる。その結果、凝縮器１２のための風路及びポンプ１３に及ぶ伝熱を低減できる。
弁２３は、望ましくは、開度を変更可能な弁である。弁２３の開度を変更することによって、膨張機１１をバイパスする作動流体の流量を調節できる。例えば、熱発電装置１００の起動時及び停止時のように、蒸発器２４の出口における作動流体の状態が過渡的に変化し、サイクルが不安定な状態にあるときに弁２３を開く制御が実行される。ただし、弁２３を開く時期は過渡期に限定されない。蒸発器２４の出口における作動流体の状態が安定した状態にあるときに弁２３を開く制御が実行されてもよい。
また、制御器１６は、熱発電装置１００の異常を検出したとき、膨張機バイパス流路２２に作動流体が流れるように弁２３を開くための制御を行う。これにより、膨張機バイパス流路２２に作動流体を流すことができる。その結果、膨張機１１への過剰な作動流体の流入を抑制し、熱発電装置１００を安全に停止することが可能となる。
（変形例２）
図４に示すように、本変形例に係る空冷ユニット１１４は、変形例１の空冷ユニット１１２の構成に加え、追加の膨張機バイパス流路２９及び第２弁２８を備えている。すなわち、追加の膨張機バイパス流路２９は、膨張機バイパス流路２２と並列に配列され、作動流体が膨張機１１を経由せずに再熱器２１に流入することを可能にする流路である。第２弁２８は、例えば、リリーフ弁である。詳細には、膨張機１１の入口における圧力と膨張機１１の出口における圧力との差が閾値を越えた場合、すなわち、熱発電装置１００に異常が発生した場合、第２弁２８が開く。このような構成によれば、熱発電装置１００の異常時において、熱発電装置１００における内部圧力の上昇を抑制できる。また、第２弁２８は、予め設定された閾値圧力に基づき、無動力で機械的に開閉を行う安全弁として機能する。そのため、停電時など電力が得られない状況においても第２弁２８が確実に機能し、熱発電装置１００をより安全に停止することが可能となる。
（実施形態２）
図５に示すように、実施形態２に係る熱発電装置１０１は、実施形態１の熱発電装置１００の構成に加え、第２流量調節機構６７を備えている。第２流量調節機構６７は、例えば、蒸発器２４に含まれている。
本実施形態において、第２流量調節機構６７は、熱交換部２４ａよりも熱媒体の流れ方向における下流側に配置されている。具体的には、主流路２４ｂとバイパス流路２４ｃとの合流位置（隔壁６０の下流端）に第２流量調節機構６７が配置されている。実施形態１で説明した流量調節機構２７（第１流量調節機構２７）に加え、第２流量調節機構６７が設けられていると、下流側から熱交換部２４ａに向かって熱媒体が逆流することを防止できる。その結果、熱交換部２４ａへの不要な入熱を抑制できる。第１流量調節機構２７及び第２流量調節機構６７を閉じる、すなわち、主流路２４ｂへの熱媒体の侵入が阻止されるように第１流量調節機構２７及び第２流量調節機構６７を制御すれば、熱交換部２４ａの取り外しを含めたメンテナンスを行うことが可能になる。
第１流量調節機構２７と同様、第２流量調節機構６７の構造も特に限定されない。本実施形態において、第２流量調節機構６７は、ダンパー６５及びアクチュエータ６６を含む。第２流量調節機構６７も制御器１６によって電気的に制御される。ダンパー６５はアクチュエータ６７にリンクしており、アクチュエータ６７によってダンパー６６が動かされる。
（実施形態３）
図６に示すように、本実施形態に係る熱発電装置１０２において、バイパス流路２４ｃは、バイパス配管によって形成されている。熱源１０４から配管１０７を通じて、熱発電装置１０２に熱媒体が供給される。熱交換部２４ａにおいて、作動流体は、主流路２４ｂを流れる熱媒体から熱を受け取る。熱交換部２４ａは、例えば、シェルチューブ熱交換器、二重管式熱交換器などの構造を有する。
本実施形態では、主流路２４ｂとバイパス流路２４ｃとの分岐位置に流量調節機構７７が配置されている。流量調節機構７７は、例えば、三方弁である。ただし、流量調節機構７７は流量調節弁を含んでいてもよい。この場合、流量調節機構７７は先の実施形態で説明した分配機能を有する。また、下流側から熱交換部２４ａに向かって熱媒体が逆流することを防止するために、熱交換部２４ａの下流側に第２流量調節機構８７としての開閉弁が配置されている。詳細には、主流路２４ｂとバイパス流路２４ｃとの合流位置よりも上流側において、主流路２４ｂに開閉弁が配置されている。
（その他）
蒸発器２４にバイパス流路２４ｃが含まれていることは必須ではない。同様に、蒸発器２４に流量調節機構２７，６７，７７，８７が含まれていることは必須ではない。これらは、蒸発器２４とは別に設けられていてもよい。
また、制御器１６はＤＳＰに限定されず、制御機能を有するものであればよい。一例において、制御器１６は、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＭＰＵ及びＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリが例示される。制御プログラムは、演算処理部を介して、流量調節機構２７、ポンプ１３、発電機１７、ファン１８などの制御を行う。制御器１６は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
本明細書に開示された技術は、工場、焼却炉などの施設から排出された廃熱エネルギーを回収して発電を行う熱発電装置に有用である。また、本明細書に開示された技術は、廃熱エネルギーの回収だけでなく、ボイラーのような熱源を用いた発電装置にも広く採用できる。
１１ 膨張機
１２ 凝縮器
１３ ポンプ
１４，１５ 接続部
１６ 制御器
１７ 発電機
１８ ファン
２４ 蒸発器
２４ａ 熱交換部
２４ｂ 主流路
２４ｃ バイパス流路
２５，６５ ダンパー
２６，６６ アクチュエータ
２７，６７，７７，８７ 流量調節機構
１００，１０１，１０２ 熱発電装置
１０４ 熱源
１１０，１１２，１１４ 空冷ユニット

Claims (14)

  1. 熱源から供給される熱媒体と作動流体とを熱交換させるように構成された熱交換部を有する蒸発器と、
    前記蒸発器で加熱された前記作動流体から動力を回収する膨張機と、
    前記膨張機で回収された動力を電力に変換する発電機と、
    前記膨張機で減圧された前記作動流体を冷却する凝縮器と、
    前記凝縮器で冷却された前記作動流体を吸入して前記蒸発器に向けて吐出するポンプと、
    制御器と、
    を備え、
    前記作動流体が有機作動流体であり、
    前記蒸発器は、前記熱媒体が前記熱交換部を迂回して流れるように構成されたバイパス流路と、前記熱交換部に供給されるべき前記熱媒体の流量と前記バイパス流路に供給されるべき前記熱媒体の流量との比率を段階的又は連続的に調節する流量調節機構とをさらに有し、
    前記制御器は、前記熱交換部において前記作動流体の温度が熱分解温度を超えないように前記流量調節機構を制御し、
    前記流量調節機構は、ダンパーと、前記ダンパーにリンクしており、前記制御器によって制御され、前記比率に対応する位置に前記ダンパーを移動させるアクチュエータと、を含む、熱発電装置。
  2. 前記流量調節機構は、前記熱交換部よりも前記熱媒体の流れ方向における上流側に配置されている、請求項１に記載の熱発電装置。
  3. 前記蒸発器は、前記熱交換部よりも前記熱媒体の流れ方向における下流側に配置された第２流量調節機構をさらに有する、請求項１又は２に記載の熱発電装置。
  4. 前記熱発電装置の運転状態を把握するための検出器をさらに備え、
    前記検出器による検出結果が予め設定された閾値を超えたとき、前記制御器は、前記熱交換部への前記熱媒体の供給が減少又は停止されるように前記流量調節機構を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  5. 前記熱発電装置は、前記作動流体が前記膨張機を迂回して流れるように構成された膨張機バイパス流路と、前記膨張機バイパス流路に配置された弁と、を有し、
    前記制御器は、前記熱発電装置の異常を検出したとき、前記膨張機バイパス流路に前記作動流体が流れるように前記弁を開くための制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  6. 前記熱発電装置は、前記作動流体が前記膨張機を迂回して流れるように構成された膨張機バイパス流路と、前記膨張機バイパス流路に配置された弁とを有し、
    前記熱発電装置の異常時に前記弁が開く、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  7. 前記検出器は、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力、又は、前記膨張機の入口における前記作動流体の圧力と前記膨張機の出口における前記作動流体の圧力との差を検出する検出器を含む、請求項４に記載の熱発電装置。
  8. 前記検出器は、前記膨張機の入口における前記作動流体の温度を検出する検出器を含む、請求項４又は７に記載の熱発電装置。
  9. 前記検出器は、前記発電機で発電された電力の大きさを検出する検出器を含む、請求項４、７及び８のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  10. 前記熱交換部は、前記熱媒体と前記作動流体とが直接的に熱交換を行うように構成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  11. 前記凝縮器は、空気によって前記作動流体を冷却する空冷式の凝縮器である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  12. 前記凝縮器は、水によって前記作動流体を冷却する水冷式の凝縮器である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  13. 前記熱媒体の温度が前記作動流体の熱分解温度よりも高い、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱発電装置。
  14. 前記流量調節機構は、前記熱媒体の一部を前記熱交換部に流し、前記熱媒体の残部を前記バイパス流路に流すことが可能となるように構成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱発電装置。
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