JP2013090378A

JP2013090378A - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP2013090378A
Application number: JP2011226616A
Authority: JP
Inventors: Sunao Niitsuma; 素直新妻
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-05-13
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: JP5858222B2

Abstract

【課題】タービンで発電した電力でコンプレッサを駆動して排熱回収することができ、コンプレッサの制御が容易であり、かつ排熱を回収するために複数のタービンを必要とする場合への適用が容易である排熱回収装置を提供する。
【解決手段】直流バス５の直流電圧を検出する電圧検出器１２と、直流電圧に基づいて算出されたコンプレッサ８Ａ，８Ｂの回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂをインバータ６Ａ，６Ｂに出力する回転速度指令器１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱機関や熱サイクルを有する装置で用いられる排熱回収装置に関する。

熱機関や熱サイクルにおいて排熱を有効に活用するため、排気に含まれる熱エネルギーをタービンで運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーでコンプレッサを駆動して給気圧を高めることが行われている。そのための代表的な装置としてターボチャージャがあり、例えば、特許文献１〜７に記載のものが既に知られている。

特開平４−１５９４２２号公報、「エンジンの過給装置」特開平９−３２５６７号公報、「排気エネルギー回収装置」特開２００８−３７９０１号公報、「消化ガス中のシロキサン除去方法および除去装置」特開２００８−３７９０２号公報、「バイオマス熱分解ガス中のタール除去方法および除去装置」特開平１−１２１５１４号公報、「回転電機付ターボチャージャの故障診断装置」特開平９−３２５６９号公報、「車両用排気タービン付エンジン」特開２００７−２１１６３４号公報、「排気ターボ過給機」

特許文献１〜５に記載されている従来のターボチャージャは、タービンとコンプレッサが機械的に軸で連結され一体として回転する構造である。

しかし、通常、ターボチャージャの回転速度は高い（毎分数万回転ないしそれ以上）ため、軸の振動を防止するために軸をできるだけ短くする必要がある。そのため、タービンへ排気を導くための配管、およびコンプレッサへ給気を導くための配管が長く、かつ曲がりくねったものになっている。そのため、配管における圧力損失が大きくなり、配管そのものも大きな場所を占めている。
また、配管には断熱材を巻くことも多いが、断熱材の必要量も多く、かつ曲がった配管では断熱材を巻く手間も大きいという問題点があった。

そこで、特許文献６，７は、タービンで発電した電力でコンプレッサを駆動する構成が提案されている。しかし、その場合、コンプレッサを制御する制御装置が複雑となる問題点があった。
また、特許文献６，７の装置は、排熱量が大きく、排熱を回収するために複数のタービンを必要とする場合への適用が困難であった。

本発明は、上述した問題点に鑑みて創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、タービンで発電した電力でコンプレッサを駆動して排熱回収することができ、コンプレッサの制御が容易であり、かつ排熱を回収するために複数のタービンを必要とする場合への適用が容易である排熱回収装置を提供することにある。

本発明によれば、排気により駆動されるタービンと、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
タービンの回転によって発電する発電機と、
発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
前記整流後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
コンプレッサを回転駆動する電動機と、
直流電圧により電動機を駆動するインバータと、
平滑化した直流電圧をインバータに印加する直流バスと、
直流バスの直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記直流電圧に基づいて算出されたコンプレッサの回転速度指令値をインバータに出力する回転速度指令器と、を備えることを特徴とする排熱回収装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、インバータの動作可能な電圧より高い電圧を供給する直流電源と、
発電機からの発電電圧が直流電源の電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流をインバータに供給するダイオードと、を備える。

上記本発明によれば、コンプレッサを回転駆動する電動機の回転速度を制御するのに、直流バスの直流電圧のみ用いるので、排熱量が大きく、排熱を回収するために複数のタービンを必要とする場合への適用が容易である。
また、直流バスの直流電圧に基づいてコンプレッサの回転速度指令値を算出するので、コンプレッサの制御が容易である。
さらに、タービンとコンプレッサを機構的に二つに分けることによって、タービン及びコンプレッサを任意に配置することができるため、排気及び給気の配管を短く、かつ、直線的にすることができる。これにより、配管における圧力損失が小さくなり、配管が占める場所を小さくできる。また、断熱材の必要量を少なくでき、かつ断熱材を巻く手間を少なくできる。

本発明による排熱回収装置の第１実施形態図である。回転速度指令器による回転速度指令値の生成を示す制御フロー図である。回転速度指令器による回転速度指令値の生成のもう一つの例を示す制御フロー図である。本発明による排熱回収装置の第２実施形態図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による排熱回収装置の第１実施形態図である。
この例は、タービン及び発電機が２台、コンプレッサ及び電動機が２台の構成であるが、それぞれ１台もしくは３台以上でもよい。
また、同一の直流バスに接続されている限りで、タービン及び発電機とコンプレッサ及び電動機の台数は異なってもよい。

図１において、本発明の排熱回収装置１０は、タービン１Ａ，１Ｂ、発電機２Ａ，２Ｂ、整流器３Ａ，３Ｂ、平滑化回路４、直流バス５、インバータ６Ａ，６Ｂ、電動機７Ａ，７Ｂ、コンプレッサ８Ａ，８Ｂ、電圧検出器１２、及び回転速度指令器１３を備える。なおこの図で、１５は電圧、１６Ａ，１６Ｂは回転速度指令値である。

発電機２Ａ，２Ｂは、熱機関（図示しない）からの排気によって回転されるタービン１Ａ，１Ｂとそれぞれ軸で直結されており、タービン１Ａ，１Ｂと一体となって回転し、タービン１Ａ，１Ｂの回転によって発電する。
発電機２Ａ，２Ｂは、例えば、三相交流で駆動される永久磁石同期モータを発電機として使用することができる。

整流器３Ａ，３Ｂは、発電機２Ａ，２Ｂからの交流出力を整流して直流に変換する。整流器３Ａ，３Ｂは、例えば、ダイオードブリッジなどで構成されている。

平滑化回路４は、整流器直後の直流電圧には脈動があるのでこれを平滑化する。例えば、平滑化回路４は、リアクトルとコンデンサで構成されている。

直流バス５は、電力をタービン１Ａ，１Ｂ側からコンプレッサ８Ａ，８Ｂ側へ送るものであり、平滑化した直流電圧をインバータ６Ａ，６Ｂに印加する。例えば、直流バス５は、ケーブルや、銅／アルミなどの導体のバスバーで構成されている。

インバータ６Ａ，６Ｂは、回転速度指令器１３からの回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂに従って電動機７Ａ，７Ｂを可変速で駆動する。
例えば、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴなどの電力制御素子をＰＷＭ変調し、電圧型ないし電流型インバータとする構成が好ましい。
電動機７Ａ，７Ｂを可変速で駆動する手段としては、センサレスベクトル制御でもよいし、電動機７Ａ，７Ｂの回転をエンコーダやレゾルバで検出してベクトル制御を行ってもよい。

電動機７Ａ，７Ｂは、熱機関（図示せず）への給気を圧縮するコンプレッサ８Ａ，８Ｂにそれぞれ軸で直結されており、コンプレッサ８Ａ，８Ｂを回転駆動する。
電動機７Ａ，７Ｂは、好ましくは交流電動機であり、例えば、３相交流で駆動される誘導モータや永久磁石同期モータで構成されている。

電圧検出器１２は、直流バスのインバータ６Ａ，６Ｂに近い側の直流電圧１５（プラスマイナス間の直流電圧）を検出する。
例えば、直流バスの電圧を抵抗で分圧し、分圧した電圧をＡ／Ｄコンバータでデジタル信号に変換する構成が可能である。

回転速度指令器１３は、電圧検出器１２で検出した直流バス５の直流電圧１５に基づいて算出された電動機７Ａ，７Ｂの回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂをインバータ６Ａ，６Ｂへ出力する。
回転速度指令器は、例えば、マイクロプロセッサとメモリと演算プログラムで構成することが可能である。

図２は、回転速度指令器１３による回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂの生成を示す制御フロー図である。この図において、回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂの生成はＳ１〜Ｓ１１の各ステップ（工程）からなる。
Ｓ１〜Ｓ１１は、一定の制御周期で繰り返す。
回転速度指令器１３は、以下のように回転速度指令値１６Ａ，１６Ｂを生成する。以下、現在の制御周期における、回転速度指令値１６Ａの値をＣａ、回転速度指令値１６Ｂの値をＣｂ、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」の値をＶとする。また、一つ前（一周期過去）の制御周期における回転速度指令値１６Ａの値をＣａ_ｐｒｅ、回転速度指令値１６Ｂの値をＣｂ_ｐｒｅ、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」の値をＶ_ｐｒｅとする。

Ｓ１では、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」の値をＶに設定する。

Ｓ２では、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」と「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」とを比較する。すなわち、ＶとＶ_０とを比較する。

Ｓ２で、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」より低い場合（ＹＥＳ）には、Ｓ３において、指令値Ｃａ，Ｃｂをいずれも０に設定する。
この場合、電動機７Ａ，７Ｂは停止するため、電力の消費を防止することができる。

Ｓ２で、「電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」と同じか高い場合には、Ｓ４において、「一つ過去の制御周期における電圧検出器１２で検出した電圧１５」と「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」とを比較する。すなわち、Ｖ_ｐｒｅとＶ_０とを比較する。

Ｓ４で、「一つ過去の制御周期における電圧検出器１２で検出した電圧１５」が「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」より低い場合（ＹＥＳ）には、Ｓ５において、指令値Ｃａ，Ｃｂを最低速度Ｃａ＝Ａ_０，Ｃｂ＝Ｂ_０に設定する。
この場合は、直流バス５の電圧が上昇してインバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０に達した場合に相当し、電動機７Ａ，７Ｂが最低速度で回転を開始する。

Ｓ６では、電圧１５の変化をチェックする。すなわち、ＶとＶ_ｐｒｅを比較する。

Ｓ６で電圧１５が上昇している場合、すなわちＶ＞Ｖ_ｐｒｅの場合、Ｓ７でＣａの値をΔＡだけ増加させ、Ｃｂの値をΔＢだけ増加させる。すなわち、Ｃａの値をＣａ_ｐｒｅ＋ΔＡに、Ｃｂの値をＣｂ_ｐｒｅ＋ΔＢに設定する。ΔＡ，ΔＢは、後述する微小量である。
Ｓ６で電圧１５が下降している場合、すなわちＶ＜Ｖ_ｐｒｅの場合、Ｓ８でＣａの値をΔＡだけ減少させ、Ｃｂの値をΔＢだけ減少させる。すなわち、Ｃａの値をＣａ_ｐｒｅ−ΔＡに、Ｃｂの値をＣｂ_ｐｒｅ−ΔＢに設定する。
Ｓ６で電圧１５が一定の場合、すなわちＶ＝Ｖ_ｐｒｅの場合、Ｓ９でＣａ，Ｃｂの値はそのままとする。すなわち、Ｃａの値をＣａ_ｐｒｅに、Ｃｂの値をＣｂ_ｐｒｅに設定する。

Ｓ１０では、Ｃａ，Ｃｂの値を回転速度指令値１６として出力する。

Ｓ１１では、次の（一つ未来の）制御周期に備え、Ｃａの値をＣａ_ｐｒｅに、Ｃｂの値をＣｂ_ｐｒｅに、Ｖの値をＶｂ_ｐｒｅに、それぞれコピーする。

なお上述した最低速度Ａ_０，Ｂ_０は、それぞれ、コンプレッサ８Ａ，８Ｂが性能を発揮できる最低の回転速度にあわせて選定したパラメータである。また、ΔＡ，ΔＢは、微小量であり、それぞれコンプレッサ８Ａ，８Ｂが性能を発揮する回転速度範囲の大きさに応じて選定したパラメータである。

上述の例では、電動機７Ａ、７Ｂに対する回転速度指令値１６Ａ、１６Ｂを独立に計算したが、コンプレッサ８Ａ、８Ｂが性能を発揮する回転速度・回転速度の範囲が一定の比率の関係にある場合には、電動機７Ａに対する回転速度指令値１６Ａの計算にのみ上述の方法を用い、回転速度指令値１６Ａに一定の比率を乗じることにより回転速度指令値１６Ｂを求めてもよい。たとえば、コンプレッサ８Ａが性能を発揮する回転速度の範囲が２００００ｒｐｍ〜３００００ｒｐｍ、コンプレッサ８Ｂが性能を発揮する回転速度の範囲が１００００ｒｐｍ〜１５０００ｒｐｍである場合、比率Ｎは０．５となり、Ｃｂ＝Ｃａ×Ｎにより、回転速度指令値１６Ｂを求めればよい。この場合のフローチャートを図３に示す。

図２ないし図３にフローチャートを示し以上で説明してきた回転速度指令器１３による制御により、複数の発電機２Ａ，２Ｂから直流バス５に流入する電力と、直流バス５から複数の電動機７Ａ，７Ｂへ流出する電力がバランスし、直流バス５の電圧が安定するように、電動機７Ａ，７Ｂ（およびそれと同軸のコンプレッサ８Ａ，８Ｂ）の回転速度が制御される。

従って、コンプレッサ８Ａ，８Ｂを回転駆動する電動機７Ａ，７Ｂの回転速度を制御するのに、直流バス５の直流電圧（電圧検出器１２で検出した電圧１５）のみを用いるので、コンプレッサ８Ａ，８Ｂの制御が容易である。

図４は、本発明による排熱回収装置の第２実施形態図である。
この例において、本発明の排熱回収装置１０は、さらに直流電源２１とダイオード２２を備える。直流電源２１としては、インバータ６Ａ，６Ｂの動作可能な最低電圧Ｖ_０ないしそれ以上の電圧を出力するものを使用する。ダイオード２２は、発電機２Ａ，２Ｂからの発電電圧が直流電源２１の電圧に満たない場合に、直流電源２１からの電流をインバータ６Ａ，６Ｂに供給するように接続する。
直流電源２１は、例えば、二次電池や電気二重層キャパシタを使用してもよいし、商用交流電源を整流、平滑化、定電圧化する構成でもよい。

ダイオード２２の作用により、発電機２Ａ，２Ｂによる発電電圧が低い場合には直流電源から直流バス５に電流が供給される。直流電源２１の電圧はインバータ６Ａ，６Ｂの動作可能な最低電圧Ｖ_０ないしそれ以上であり、直流バス５の電圧も直流電源２１の電圧と等しくなる。発電機２Ａ，２Ｂにより十分な発電電圧が得られる場合には、発電機２Ａ，２Ｂから直流バス５に電流が供給されるように自動的に切り換わり、ダイオード２２の作用により、直流バス５から直流電源２１への電流の逆流は防止される。

上述した構成により、直流バス５には常に「インバータ６Ａ，６Ｂが動作可能な最低電圧Ｖ_０」以上の電圧が加わっており、インバータ６Ａ，６Ｂは常に動作可能となる。すなわち、常にコンプレッサ８Ａ，８Ｂが回転して熱機関への給気が圧縮されており、熱機関の立ち上がり特性が良好となる。
その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。

なお、タービン１Ａ，１Ｂとコンプレッサ８Ａ，８Ｂ間の距離が長い場合、電線（直流バス５）における電位降下を小さくするため、平滑化回路４の直後に昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを追加し、電圧を昇圧してもよい。
また、過電圧防止のため、直流バス５のプラスマイナス間にコンタクタを介して回生抵抗を追加し、直流バス５の電圧がインバータ６Ａ，６Ｂの入力許容電圧を越える場合にはコンタクタを閉じるように構成してもよい。

上述した実施形態において値の大小判定を行っているが、数学的に厳密な大小判定を行うのではなく、不感帯を設けた大小判定を行うことが実用的である。例えば、図２のＳ６におけるＶとＶ_ｐｒｅの比較において、ΔＶを正の微小量として、Ｖ＞Ｖ_ｐｒｅの代わりにＶ＞Ｖ_ｐｒｅ＋ΔＶを、Ｖ＜Ｖ_ｐｒｅの代わりにＶ＜Ｖ_ｐｒｅ−ΔＶを、Ｖ＝Ｖ_ｐｒｅの代わりにＶ_ｐｒｅ−ΔＶ≦Ｖ≦Ｖ_ｐｒｅ＋ΔＶを用いることにより、回転速度指令値が微小に振動することを防ぐ効果が得られる。

上述した本発明によれば、コンプレッサ８Ａ，８Ｂを回転駆動する電動機７Ａ，７Ｂの回転速度を制御するのに、直流バス５の直流電圧のみ用いるので、排熱量が大きく、排熱を回収するために複数のタービン１Ａ，１Ｂを必要とする場合への適用が容易である。
また、直流バス５の直流電圧に基づいてコンプレッサ８Ａ，８Ｂの回転速度指令値を算出するので、コンプレッサ８Ａ，８Ｂの制御が容易である。
さらに、タービン１Ａ，１Ｂとコンプレッサ８Ａ，８Ｂを機構的に二つに分けることによって、タービン１Ａ，１Ｂ及びコンプレッサ８Ａ，８Ｂを任意に配置することができるため、排気及び給気の配管を短く、かつ、直線的にすることができる。これにより、配管における圧力損失が小さくなり、配管が占める場所を小さくできる。また、断熱材の必要量を少なくでき、かつ断熱材を巻く手間を少なくできる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１Ａ，１Ｂタービン、２Ａ，２Ｂ発電機、
３Ａ，３Ｂ整流器、４平滑化回路、
５直流バス、６Ａ，６Ｂインバータ、
７Ａ，７Ｂ電動機、８Ａ，８Ｂコンプレッサ、
１０排熱回収装置、
１２電圧検出器、１３回転速度指令器、
１５電圧、１６Ａ，１６Ｂ回転速度指令値、
２１直流電源、２２ダイオード

Claims

排気により駆動されるタービンと、気体を圧縮するコンプレッサとを備える排熱回収装置であって、
タービンの回転によって発電する発電機と、
発電機からの交流出力を整流して直流に変換する整流器と、
前記整流後の直流電圧を平滑化する平滑化回路と、
コンプレッサを回転駆動する電動機と、
直流電圧により電動機を駆動するインバータと、
平滑化した直流電圧をインバータに印加する直流バスと、
直流バスの直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記直流電圧に基づいて算出されたコンプレッサの回転速度指令値をインバータに出力する回転速度指令器と、を備えることを特徴とする排熱回収装置。
インバータの動作可能な電圧より高い電圧を供給する直流電源と、
発電機からの発電電圧が直流電源の電圧に満たない場合に、前記直流電源からの電流をインバータに供給するダイオードと、を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収装置。