双循环发电系统及双循环发电方法与流程

本发明涉及双循环发电系统(binary power generation system)及双循环发电方法(binary power generation method)。

背景技术：

作为这种技术，已知专利文献1(日本特开2008-175108号公报)所记载的装置。该装置是兰金循环动力回收装置，具备单一蒸气产生器、多台容积型膨胀机和一个凝结器。由蒸气产生器产生的蒸气的蒸气通路分支并与各膨胀机连接。向蒸气产生器供给的凝结水通过内燃机的废气的热在蒸气产生器内被加热而蒸发，并供给至膨胀机。由各膨胀机膨胀的蒸气集中于一个蒸气通路中，并在凝结器中冷却而凝结。通过各膨胀机中的蒸气的膨胀，动力取出轴进行旋转，利用感应发电机进行发电。

该装置中，可以增加或减少膨胀机的运转台数。检测蒸气产生器中产生的蒸气的压力，且在该蒸气的压力超过适当范围的上限值的情况下，增加膨胀机的运转台数，在该蒸气的压力低于适当范围的下限值的情况下，减少膨胀机的运转台数。由此，即使蒸气热量改变，也不浪费蒸气，而将兰金循环效率保持成一定。

上述的装置中，通过内燃机的废气的热蒸发蒸气，且根据该蒸气的压力，变更膨胀机的运转台数。即，随着内燃机的废气的热量变动，由单一蒸气产生器产生的蒸气的热量进而压力变动，因此，利用该压力变动，决定运转台数。但是，即使废气的热量变动，也由单—蒸气产生器蒸发凝结水，因此，蒸气产生器中的热交换量(热回收量)大幅变动。于是，在例如蒸气产生器中产生进行工作的部分和不进行工作的部分。另外，产生的蒸气的压力大幅变动，因此，膨胀机的运转效率有时也不充分。因此，兰金循环中，作为整体的效率可能降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种双循环发电系统及双循环发电方法，即使输入热量变动，也不会降低整体的效率，可以进行充分的发电。

本发明的一方式是一种双循环发电系统，具备多个容积型膨胀机和与多个容积型膨胀机的各个连接的多个发电机，通过接收来自热源介质的热而蒸发了的工作介质在多个容积型膨胀机的至少1台中膨胀，从而进行发电，具备：多个蒸发器，其与多个容积型膨胀机的各个对应地连接，使用来自热源介质的热而使工作介质蒸发；1台凝结器，其与多个容积型膨胀机的各个连接，使在多个容积型膨胀机的至少1台中膨胀了的工作介质冷却并凝结；停止单元，其能够将工作介质相对于蒸发器及容积型膨胀机的各个的组的流通和热源介质相对于该蒸发器的流通停止；控制部，其基于与热源介质的热量相关的信息而控制停止单元，由此控制蒸发器及容积型膨胀机的运转台数。

本发明的另一方式是一种双循环发电方法，使用具备多个容积型膨胀机和与多个容积型膨胀机的各个连接的多个发电机的双循环发电系统，通过接收来自热源介质的热而蒸发了的工作介质在多个容积型膨胀机的至少1台中进行膨胀，从而进行发电，双循环发电系统具备：多个蒸发器，其与多个容积型膨胀机的各个对应地连接，使用来自热源介质的热而使工作介质蒸发；1台凝结器，其与多个容积型膨胀机的各个连接，使在多个容积型膨胀机的至少1台中膨胀了的工作介质冷却并凝结，基于与热源介质的热量相关的信息，控制蒸发器及容积型膨胀机的运转台数。

根据这些双循环发电系统及双循环发电方法，设有：多个容积型膨胀机，其分别连接有发电机；多个蒸发器，其与这些容积型膨胀机一对一地对应。另一方面，相对于多个容积型膨胀机，仅设有1台凝结器。由于基于与热源介质的热量相关的信息而控制蒸发器及容积型膨胀机的运转台数，因此，可以使工作介质以每1台容积型膨胀机所需要的充分的热量蒸发。因此，即使输入热量变动，也可实现高效的兰金循环，不会降低整体的效率而可以进行充分的发电。

在上述的双循环发电系统中，也可以是多个蒸发器及多个容积型膨胀机分别为N台，控制部至少存储关于与热源介质的热量相关的信 息的不同的(N-1)个阈值，控制部检测与热源介质的热量相关的信息，在判断为所检测的信息超过(N-1)个阈值中从较小的一方起第a个(a为从1到(N-1)的任一整数)阈值的情况下，使(a+1)台蒸发器及容积型膨胀机运转。

根据该结构，以不同的(N-1)个阈值为分界，阶段性地变更运转台数，因此，可以通过简单的判断处理进行更高效率的发电。

根据本发明，即使输入热量变动，也可实现高效的兰金循环，不会降低整体的效率而可以进行充分的发电。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的双循环发电系统的概略结构的图。

图2是表示与输入热量对应的各发电机的运转状态的图。

符号的说明

1…双循环发电系统、4A～4C…第一～第三蒸发器、6A～6C…第一～第三涡旋膨胀机(容积型膨胀机)、7A～7C…第一～第三发电机、10…凝结器、14A～14C…第一～第三电磁阀(停止单元)、16A～16C…第四～第六电磁阀(停止单元)、30…控制部。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。此外，附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复的说明。

首先，参照图1对本实施方式的双循环发电系统1进行说明。图1中，实线表示电路，虚线表示热水的回路。双点划线表示工作介质的回路。以与控制部30连接的方式表示的虚线表示控制回路。

如图1所示，双循环发电系统1是利用比较低温(例如80～90℃左右)的温热源使沸点较低的工作介质加热·蒸发，并利用该蒸气进行发电的发电系统。作为温热源，可以利用所有的温热源，可举出例如温泉水、地热及工场排热等。作为工作介质，例如可举出氟里昂替代品(HFC245fa)或氨等。双循环发电系统1具备通过在与温热源之间进行热交换而对热源介质进行加热的热交换器3。热交换器3中，从温 热源向热源介质传递温热。此外，热源介质不限于水。作为热源介质，也可以利用其它热介质。

双循环发电系统1具备通过在与热源介质之间进行热交换而使工作介质加热并蒸发的第一蒸发器4A、第二蒸发器4B及第三蒸发器4C。这3台(即，N＝3)蒸发器4A～4C以与双循环发电系统1所具备的3个系列的双循环发电装置一对一地对应的方式设置。即，双循环发电系统1具备3组容积型膨胀机及发电机。具体而言，双循环发电系统1具备：第一涡旋膨胀机6A、第二涡旋膨胀机6B、及第三涡旋膨胀机6C、和与它们的各个连接的第一发电机7A、第二发电机7B、及第三发电机7C。

双循环发电系统1还具备相对于第一～第三涡旋膨胀机6A～6C设置的1台凝结器10。相对于3台(即，N＝3)第一～第三涡旋膨胀机6A～6C共用凝结器10。凝结器10中流通有作为冷热源的冷水的路线。凝结器10在与地下水或冷却塔等冷热源之间进行热交换，使在第一～第三涡旋膨胀机6A～6C中膨胀了的工作介质的蒸气冷却并凝结。

第一涡旋膨胀机6A及第一发电机7A通过在第一蒸发器4A中蒸发了的工作介质的蒸气在第一涡旋膨胀机6A中进行膨胀，从而使其输出轴旋转，利用第一发电机7A进行发电。第二涡旋膨胀机6B及第二发电机7B通过在第二蒸发器4B中蒸发了的工作介质的蒸气在第二涡旋膨胀机6B中进行膨胀，从而使其输出轴旋转，利用第二发电机7B进行发电。第三涡旋膨胀机6C及第三发电机7C通过在第三蒸发器4C中蒸发了的工作介质的蒸气在第三涡旋膨胀机6C中进行膨胀，从而使其输出轴旋转，利用第三发电机7C进行发电。

在热交换器3，连通有作为热源介质的热水所流通的热水路线L1。在热水路线L1，在热交换器3的出口部和向第一～第三蒸发器4A～4C的入口部之间，设有用于检测与热水的热量相关的信息的入口部检测器11。另外，在热水路线L1，在第一～第三蒸发器4A～4C的出口部和向热交换器3的入口部之间，设有用于检测与热水的热量相关的信息的出口部检测器12。与热水的热量相关的信息是热水的流量、温度、压力的任一或两个以上的信息。入口部检测器11检测第一～第三蒸发器4A～4C中的热交换前的热水的信息。出口部检测器12检测第一～ 第三蒸发器4A～4C中的热交换后的热水的信息。此外，“路线”是指流体在内部流动的配管。

在热水路线L1，设有用于使热水循环的循环泵15。热水路线L1分支成3条。第一热水分支路线L1A与第一蒸发器4A连通，第二热水分支路线L1B与第二蒸发器4B连通，第三热水分支路线L1C与第三蒸发器4C连通。在第一～第三热水分支路线L1A～L1C，设有用于使各路线内的热水的流通停止(截断)的第一～第三电磁阀14A～14C。

经由第一蒸发器4A中的与热水的热交换而蒸发了的蒸气所通过的第一蒸气供给路线L2A与第一涡旋膨胀机6A连接。经由第二蒸发器4B中的与热水的热交换而蒸发了的蒸气所通过的第二蒸气供给路线L2B与第二涡旋膨胀机6B连接。经由第三蒸发器4C中的与热水的热交换而蒸发了的蒸气所通过的第三蒸气供给路线L2C与第三涡旋膨胀机6C连接。在这些第一～第三蒸气供给路线L2A～L2C，设有用于使各路线内的蒸气的流通停止(截断)的第四～第六电磁阀16A～16C。

与第一涡旋膨胀机6A的蒸气出口部连接的第一蒸气回收路线L3A、与第二涡旋膨胀机6B的蒸气出口部连接的第二蒸气回收路线L3B和与第三涡旋膨胀机6C的蒸气出口部连接的第三蒸气回收路线L3C合流而成为1条路线，并通过共有的凝结器10。经由凝结器10中的与冷热源的热交换而凝结了的工作介质所通过的凝结液供给路线L4分支成3条，并与第一～第三蒸发器4A～4C的各个连接。在凝结液供给路线L4，设有用于使工作介质循环的循环泵20。在循环泵20，连接有用于调整循环泵20的循环流量的变换器(inverter)19。

这样，热水路线L1及第一～第三热水分支路线L1A～L1C构成作为供给热的一侧的热水的循环路径。第一～第三蒸气供给路线L2A～L2C、第一～第三蒸气回收路线L3A～L3C及凝结液供给路线L4构成作为从热水接收热的一侧的工作介质的循环路径。任意的循环路径均在中途分支，但各分支路线的配管形状及配管长度例如设为相等，因此，压力损耗也大致相等。各分支路线中流过大致相等的流量的流体。

上述的第一～第三蒸发器4A～4C、第一～第三涡旋膨胀机6A～6C及第一～第三发电机7A～7C是采用有机兰金循环方式的比较小型的双循环发电装置。第一～第三涡旋膨胀机6A～6C的各额定转速为 例如3000rpm，第一～第三发电机7A～7C的各送电端输出为例如5.5kW。

第一～第三发电机7A～7C的各个经由检漏器及电磁接触器等而与变换器17连接。变换器17与三相交流(例如200V)的商用电源21连接。在变换器17，连接有例如电动机等负荷18。

双循环发电系统1中，上述的第一～第三电磁阀14A～14C及第四～第六电磁阀16A～16C相当于可以将工作介质相对于第一～第三蒸发器4A～4C和第一～第三涡旋膨胀机6A～6C的各个的组的流通和热水相对于第一～第三蒸发器4A～4C的流通停止的停止单元。

双循环发电系统1具备控制部30，该控制部30通过基于与热水的热量相关的信息而控制该停止单元，从而控制第一～第三蒸发器4A～4C及第一～第三涡旋膨胀机6A～6C的运转台数。控制部30是由例如CPU(Central Processing Unit(中央处理器))、ROM(Read Only Memory(只读存储器))及RAM(Random Access Memory(随机存取存储器))等的硬件和存储于ROM的程序等的软件构成的计算机。如果上述的入口部检测器11及出口部检测器12检测出与热水的热量相关的信息，则将检测出的信息依次发送至控制部30。控制部30取得与热水的热量相关的信息，基于取得的信息开闭控制第一～第三电磁阀14A～14C及第四～第六电磁阀16A～16C。通过第一～第三电磁阀14A～14C及第四～第六电磁阀16A～16C的开闭控制，可以控制第一～第三蒸发器4A～4C及第一～第三涡旋膨胀机6A～6C的运转台数。双循环发电系统1中，这样，在保持蒸发器和容积型膨胀机的一对一的关系的基础上，仅将凝结器10共有化，而且可以切换运转的蒸发器和容积型膨胀机的组数(系列数)。

控制部30至少存储关于与热水的热量相关的信息的不同的两个((N－1)个)阈值。控制部30存储例如关于基于入口部检测器11的检测结果而算出的输入热量(％)的两个阈值(在此，例如第一阈值：40％、及第二阈值：70％)。输入热量(％)是热水实际保持的热量相对于作为3个系列整体的额定热量的比率。控制部30将这些阈值用于第一～第三蒸发器4A～4C及第一～第三涡旋膨胀机6A～6C的运转台数的切换控制。

接着，参照图2说明双循环发电系统1的运转方法(使用了双循环发电系统1的双循环发电方法)。控制部30基于双循环发电系统1的工作中从入口部检测器11发送的与热水的热量相关的信息，算出与上述的阈值对应的数值(与阈值相同次元的数值)。在此，控制部30基于来自入口部检测器11的信息算出当前的输入热量。

控制部30判断算出的输入热量是否超过上述的第一阈值、及是否超过第二阈值。控制部30判断为输入热量为第一阈值以下时，仅将第一电磁阀14A及第四电磁阀16A设为打开，其它电磁阀设为关闭。由此，仅作为第一系列的第一蒸发器4A及第一涡旋膨胀机6A成为运转状态。控制部30判断为输入热量超过第一阈值时，进一步将第二电磁阀14B及第五电磁阀16B设为打开。由此，作为第二系列的第二蒸发器4B及第二涡旋膨胀机6B也成为运转状态，合计两个系列成为运转状态。控制部30判断为输入热量也超过第二阈值时，进一步将第三电磁阀14C及第六电磁阀16C设为打开。由此，作为第三系列的第三蒸发器4C及第三涡旋膨胀机6C也成为运转状态，合计3个系列成为运转状态。

此外，控制部30进行第一电磁阀14A及第四电磁阀16A的开闭控制时，开闭控制与第一发电机7A连接的电磁接触器。控制部30进行第二电磁阀14B及第五电磁阀16B的开闭控制时，开闭控制与第二发电机7B连接的电磁接触器。控制部30进行第三电磁阀14C及第六电磁阀16C的开闭控制时，开闭控制与第三发电机7C连接的电磁接触器。

如图2所示，以作为第一阈值的40％和作为第二阈值的70％为分界，切换运转台数。对同时运转的多个涡旋膨胀机分配的蒸气的热量相等，因此，多个涡旋膨胀机的转速相等。(图中，通过使线种类不同，读取多个涡旋膨胀机的转速相等(线重合)。)图2所示的运转方式中，输入热量每变化10％，阶段性地改变各涡旋膨胀机的转速。

这样，控制部30检测与热水的热量相关的信息，在判断为所检测的信息超过两个((N-1)个)阈值中的第一阈值(从较小的一方起第一个阈值)的情况下，使两台蒸发器及容积型膨胀机运转。控制部30在判断为与检测的热量相关的信息超过两个阈值中的第二阈值(从较 小的一方起第二个阈值)的情况下，使3台蒸发器及容积型膨胀机运转。

根据以上说明的双循环发电系统1及双循环发电方法，分别设有连接有发电机7A～7C的多个容积型膨胀机6A～6C和与这些容积型膨胀机6A～6C一对一地对应的多个蒸发器4A～4C。另一方面，相对于多个容积型膨胀机6A～6C，仅设置1台凝结器10。通过控制部30，基于与热源介质的热量相关的信息，进行第一～第三电磁阀14A～14C及第四～第六电磁阀16A～16C的开闭控制，由此，控制蒸发器4A～4C及容积型膨胀机6A～6C的运转台数。因此，可以使工作介质以每1台容积型膨胀机所需要的充分的热量蒸发，即使输入热量变动，也可实现高效的兰金循环。其结果，不会降低作为双循环发电系统1整体的效率而可以进行充分的发电。

特别是使用温泉水或地热等的来自自然的温热源的情况下，认为热量的时间变动较大。双循环发电系统1中，可以从较小的热量到较大的热量广泛地对应，而且，蒸发器的运转中无浪费。因此，在热量的变动较大的情况下，发挥特别有利的效果。此外，关于凝结器10，过度冷却工作介质所引起的缺点减小，将凝结器10共用化所带来的优点提升。

控制部30检测与热源介质的热量相关的信息，在判断为所检测的信息超过两个阈值中从较小的一方起第a个(a为从1到2的任一整数)阈值的情况下，使(a+1)台的蒸发器及容积型膨胀机运转。根据该结构，以不同的两个阈值为分界阶段性地变更运转台数，因此，可以通过简单的判断处理进行更高效率的发电。

以上，说明了本发明的实施方式，但本发明不限于上述实施方式。例如，蒸发器及容积型膨胀机的系列数(台数)也可以为4个以上。即使设置多个系列，根据本发明的切换控制，也可以以与热源介质的热量相应的最佳的运转台数，进行简单且高效地发电。

控制部30存储的阈值不限于比系列数小1的个数。阈值也可以比其多，也可以比其少。停止单元不限定于电磁阀所进行的截断。也可以对各系列独立地设置泵，通过泵的导通-切断进行流通及其停止。也可以设为在分支点使用三通阀的结构。

上述实施方式中，说明了利用热交换器3进行温热源与热水的热交换的情况，但在可以将温泉水、地热及工场排热等的温热源直接向第一～第三蒸发器4A～4C流通的情况下，也可以省略热交换器3。在该情况下，温泉水、地热及工场排热等的温热源相当于给工作介质带来热的热源介质，使工作介质在蒸发器中蒸发。控制部30取得与温热源(热源介质)的热量相关的信息，并进行与上述一样的控制。

容积型膨胀机不限于涡旋膨胀机。也可以使用其它容积型膨胀机代替第一～第三涡旋膨胀机6A～6C。例如也可以使用螺杆膨胀机、爪膨胀机、往复式膨胀机、罗茨膨胀机等各种膨胀机。