JP2008540916A - グランド漏洩シールシステム - Google Patents

Abstract

本発明はタービンシールシステムを対象とする。タービンシールシステムは、閉ループ熱力学サイクルシステムから流出する作動流体を捕捉し、捕捉した作動流体を凝縮し、凝縮物を再び熱力学サイクルシステムへと戻す。タービンシールシステムは、流出する作動流体を捕捉または混合するために、窒素または他の非凝縮物または他の材料を適用するように構成されている。タービンから流出する作動流体と作動流体を捕捉するために使用される窒素の結合した混合物は、タービングランドシールのコンパートメントに所望の真空を維持する排気コンプレッサによって排出される。次いで、結合混合物を凝縮器に送って作動流体蒸気を凝縮し、作動流を形成しながら非凝縮物を排出することができる。非凝縮物が排出されると、作動流は給送されて高圧になり、熱力学サイクルシステムに再導入するよう準備される。
【選択図】図１

Description

本発明は閉ループの熱力学システムで使用されるシールシステムに関する。より詳細には、本発明は膨張タービンから漏洩または流出した作動流体を捕捉し、流出した作動流体を、カリーナサイクルなどの混合作動流体熱力学サイクルに戻すためのシールシステムに関する。

熱エネルギーは、機械的形態に、次いで電気的形態に有用に変換することができる。低温および高温の熱源の熱エネルギーを電力に変換する方法は、エネルギー生成の重要な分野である。そのような低温の熱を電力に変換する効率を上げる必要がある。

熱源からの熱エネルギーは、熱力学サイクルで動作する閉システムで膨張され再生される作動流体を使用して、機械的形態に、次いで電気的形態に変換することができる。作動流体は様々な沸点の成分を含むことができ、作動流体の組成は、エネルギー変換動作の効率を改善するためにシステム内の様々な場所で変更することができる。

一般に、多成分作動流体は低沸点成分および高沸点成分を含む。低沸点成分と高沸点成分の組合せを使用することによって、産業廃熱などの外部熱源流を、電力生産のためにより効率的に使用することができる。低沸点成分の例には水がある。

作動流体は加熱されると、タービンで膨張してポテンシャルエネルギーを機械的エネルギーに変換し、これが電力生産に使用される。一般的なタービンで生じる１つの問題は、作動流体が周囲に漏洩および流出する場合があることである。この問題は、作動流体の１つまたは複数の成分が蒸気または過熱蒸気の形態であるときに悪化する。作動流体が漏洩すると、サイクルで使用される作動流体の総容量が減少することがある。これにより、作動流体が閉ループで使用される場合、別の問題も発生することがある。さらに、場合によっては多成分作動流体のうち１つの成分が、他の成分に対して不均衡な量だけ漏洩することがある。その結果、多成分作動流体の種別バランスが損なわれることがある。作動流体の成分の１つとしてアンモニアが使用される場合、アンモニアの材料特性から、アンモニアの大気中への放出が望ましくないことがある。したがって、いずれの成分も制御下で放出することが大変望ましい。

流体の漏洩の問題を緩和するために、タービンシールシステムが製造されてきた。しかし、そのようなシールシステムは一般に、タービンシステムを効果的にするために修正または大規模な変更を必要とする。その結果、使用される熱源流の特別な要件に基づいて、専用のタービンを製造しなければならない。これによりタービンが非常に高価になり、および／またはタービン技術の望ましい動作の妨げとなることがある。さらに、いくつかのシステムでは、特定のパラメータを維持するためにシステムに真空または他の圧力が必要である。その結果、全体的なシステム要件は、所望より高価なものになる場合がある。

本発明はグランド漏洩またはタービンシールシステムを対象とする。タービンシールシステムは、カリーナサイクルシステムなど、多成分作動流体を有する熱力学システムから流出する作動流体を捕捉し、捕捉した作動流体を凝縮し、凝縮物を再び多成分作動流体熱力学システムへと戻すように構成されている。タービンシールシステムは、流出する作動流体を捕捉または混合するために、窒素または他の非凝縮ガスまたは他の材料を適用するように構成されている。流出した作動流体と作動流体を捕捉するために使用される窒素の結合した混合物は、排気またはタービングランドコンパートメントに所望の真空を維持するコンプレッサによって排出される。次いで、結合した混合物を凝縮器に送り、作動流体蒸気を凝縮し、非凝縮物を排出することができる。非凝縮物が排出されると、作動流は給送されて高圧になり、再び熱力学システムに導入されるよう準備される。

本発明の一実施形態では、結合した混合物が凝縮され、最終的な作動流が給送されて高圧になると、作動流が予熱され部分的に沸騰する。次いで、作動流は分離器で分離され、作動流の蒸気（すなわち、高濃度流）は熱力学システムに戻され、作動流の液体部分（すなわち、低濃度流）は結合した混合物と混合される。

本発明の別の実施形態では、結合した混合物を、完全に凝縮し所与の冷却剤温度で蒸留することができるようにあるレベルに加圧するために、機械的コンプレッサが使用される。コンプレッサを使用することによって、結合した混合物を利用可能な冷却剤温度で凝縮することが可能になる。さらに、これにより、システムは非常に高温の環境条件でも所望のシール真空を維持することが可能である。凝縮前の圧縮に必要な機械的力を低減するために、任意で、結合した混合物のパラメータを操作して、結合した混合物の露点に近づけるようにする、熱交換器を使用することができる。

機械的コンプレッサによって、多様な環境温度条件での所望のシステム動作が可能になる。一実施形態では、ある時間だけ機械的コンプレッサを必要とし、それ以外はバイパスすることができる。任意で、周囲圧力より高圧に凝縮器を加圧する凝縮が必要でないときもコンプレッサを使用することができ、追加の送風機を使用せずに非凝縮物を排出することができるようになる。

本発明の別の実施形態では、２段の熱動作式蒸留システムが使用される。２段の熱動作式蒸留システムを使用することによって、すでに凝縮器を通過した露点曲線より高い温度を有する加圧蒸気を蒸留して、希釈に十分な流動性を生成することができる。図示された実施形態では、作動流は給送されて高圧になった後、予熱され、部分的に沸騰し、第１の分離器に送られる。第１の分離器では、露点より高い温度を有する作動流（すなわち、高濃度流）を蒸気冷却器に送ることができる。蒸気冷却器では、高濃度流のパラメータを変更して高濃度流の露点に近づけることができ、次いで、高濃度流を第２の露点分離器で分離することができる。露点分離器では、熱力学システムのタービンを出る膨張した作動流体と実質的に同じパラメータを有する多成分熱力学システムへと高濃度流を戻すことができる。

結合した混合物を凝縮した後、所望のシステム動作を維持するように、ポンプを通る作動流の流れを調整することができる。例えば、作動流の流れを使用して、タービンシールの真空およびタービンシールシステムを通る流体の全体的な流れを調整することができる。さらに、熱交換器を通過する熱源流の流れを抑制して、タービンシールシステムのパラメータをさらに変更することができる。

本発明のこれらおよび他の目的および特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲からより完全に明らかとなり、または以下に述べる本発明の実践によって理解されるであろう。

本発明の上記および他の利点および特徴をさらに明確にするために、本発明のより詳細な説明を、添付の図面に図示された特定の実施形態を参照しながら述べる。これらの図面は、本発明の一般的な実施形態のみを表しており、したがってその範囲を制限するものであるとはみなされない。本発明は添付の図面を使用することにより、付加的な特異性および詳細とともに記述され説明されることを理解されたい。

本発明はグランド漏洩またはタービンシールシステムを対象とする。タービンシールシステムは、（ｉ）カリーナサイクルなどの多成分作動流体熱力学システムから流出した作動流体を捕捉し、（ｉｉ）捕捉した作動流体を凝縮し、（ｉｉｉ）凝縮物を再び熱力学システムに戻すように構成されている。タービンシールシステムは、流出する作動流体を捕捉するために、窒素または他の非凝縮ガスまたは他の材料またはそれらの組合せを使用するように構成されている。タービンから流出する作動流体と作動流体を捕捉するために使用される窒素の結合した混合物は、排気またはタービングランドシールに所望の真空を維持するコンプレッサによって排出される。次いで、結合した混合物は凝縮器に送られ、結合した混合物を凝縮し、非凝縮物を排出する。非凝縮物が排出されると、作動流は給送されて高圧になり、再び熱力学システムに導入するよう準備される。

本発明の一実施形態では、結合した混合物が凝縮され、作動流が給送されて高圧になると、作動流は予熱され部分的に沸騰する。次いで、作動流は分離器で分離され、作動流の蒸気（すなわち、高濃度流）は熱力学システムに戻され、作動流の液体部分（すなわち、低濃度流）は結合した混合物と混合される。

本発明の別の実施形態では、結合した混合物の所与の冷却温度での凝縮を可能にするために、機械的コンプレッサを使用する。さらに、コンプレッサによって、システムは非常に高温の環境条件でも所望のシール真空を維持することが可能である。凝縮前の圧縮に必要な機械的力を低減するために、任意で、結合した混合物のパラメータを操作して、結合した混合物の露点に近づけるようにする、熱交換器を使用することができる。機械的コンプレッサによって、多様な環境温度条件での所望のシステム動作が可能になる。一実施形態では、ある時間だけ機械的コンプレッサを必要とし、それ以外はバイパスすることができる。任意で、周囲圧力より高圧に凝縮器を加圧する凝縮が必要でないときもコンプレッサを使用することができ、追加で送風機を使用せずに非凝縮物を排出することができるようになる。

本発明の別の実施形態では、２段の熱動作式蒸留システムが使用される。２段の熱動作式蒸留システムを使用することによって、すでに凝縮器を通過した露点曲線より高い温度を有する加圧蒸気を蒸留して、希釈に十分な流動性を生成することができる。図示された実施形態では、作動流は給送されて高圧になった後、予熱され、部分的に沸騰し、第１の分離器に送られる。第１の分離器では、露点より高い温度を有する作動流（すなわち、高濃度流）を蒸気冷却器に送ることができる。蒸気冷却器では、高濃度流のパラメータを変更して高濃度流の露点に近づけることができ、次いで、高濃度流を第２の露点分離器で分離することができる。露点分離器では、熱力学システムのタービンを出る膨張した作動流体と実質的に同じパラメータを有する多成分熱力学システムへと高濃度流を戻すことができる。

結合した混合物を凝縮した後、所望のシステム動作を維持するように、ポンプを通る作動流の流れを調整することができる。例えば、作動流の流れを使用して、タービンシールの真空およびタービンシールシステムを通る流体の全体的な流れを調整することができる。さらに、熱交換器を通る熱源流の流れを抑制して、タービンシールシステムのパラメータをさらに変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態によるタービンシールシステムを示す。この実施形態では、タービンシールシステムは、熱力学サイクルシステムの膨張タービン３１−３６と組み合わせて使用される。本発明は、カリーナサイクルシステムなど、多成分作動流体を使用する閉ループの熱力学システムと組み合わせて使用することができる。本発明は多種多様な熱力学サイクルシステムに組み込むことができると理解されるが、本願明細書では特にカリーナサイクルシステムを参照する。膨張システム３１−３６は、熱力学システムの高エネルギーの作動流体を膨張するために使用される。高エネルギーの作動流体を膨張することによって、作動流体のポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換することが可能になる。例示的なカリーナサイクル技術が、米国特許第５，９５３，９１８号、第５，５７２，８７１号、第５，４４０，８８２号および第４，９８２，５６８号に示されている。

タービンシールシステムは、ラビリンスまたは機械的乾式ガスシールを使用して、膨張タービン３１−３６の両シャフト端部を点３１および３４で、窒素で密封する。ラビリンスまたは機械的乾式ガスシールは、膨張タービンから流出する作動流体の量を減らすように機能する。タービンの両端部を窒素で密封することによって、それ以外の方法では周囲環境に流出してしまう作動流体を捕捉し、窒素と結合させる。したがって、点３３および３４でパラメータを有する、流出した作動流体を捕捉し、熱力学サイクルシステムに戻すことができる。窒素と作動流体の結合した混合物を、以下、結合混合物という。点３３および３４の結合混合物は、点３４のわずかに下流の点で結合し、点３５でパラメータを有する。

点３５の結合混合物は、凝縮器６に向かって排出される。凝縮器６に入る直前に、結合混合物は点８１からの低濃度流と結合して、点７１で結合混合物を形成する。結合混合物７１は、点７１でパラメータを有する凝縮器６に入る。凝縮器では、結合混合物は、作動流体を沸点にするための最初の凝縮度を有する。

結合混合物は、冷却剤５８、５９を使用して凝縮される。冷却剤５８、５９は、点５８で低温パラメータを有し、点５９で高温パラメータを有する熱交換器６に入る。熱交換器６での結合混合物７１、７２との熱交換関係の結果、低温パラメータ５８から高温パラメータ５９へと冷却剤の移動が生じる。作動流体が点７２でのパラメータを有するように、凝縮器６は結合混合物の凝縮可能な作動流体を凝縮するために使用される。

凝縮器６と関連して、点３３および３４でタービンの両側に最初に設けられた、結合混合物７１、７２からの窒素などの非凝縮物は、ブローダウンタンク５へと排出される。ブローダウンタンク５は、窒素などの非凝縮物の排出を可能にしながら、残りの作動流体が不注意によって周囲に放出されないようにするために使用される。窒素を使用して作動流体を捕捉することによって、安全かつ効果的な方法で環境に排出することができる環境に配慮した非凝縮物を提供しながら、流出する作動流体の所望の捕捉が可能になる。

点７２では、凝縮された作動流体は点７２でのパラメータを有する作動流を含む。作動流７２はコンプレッサ７３へと送られる。コンプレッサ７２、７３では、作動流７３は圧縮され、熱交換器７へと送られる。熱交換器７では、作動流は低濃度流８０、８１を使用して予熱される。次いで、予熱された作動流は熱交換器８へと送られる。熱交換器８は外部熱源流からの温度源流体５１を使用する。本発明の一実施形態では、温度源流体はカリーナサイクルからの流体を含む。別の実施形態では、温度源流体はカリーナサイクルおよびタービンシールシステムの外部の流体源からである。温度源流体は、地熱ブライン、産業排熱等、様々な熱源を含むことができる。

熱交換器８では、予熱された作動流は温度パラメータ７４から温度パラメータ７５へと加熱される。本発明の一実施形態では、作動流は熱交換器８を使用して部分的に沸騰する。点７５から、部分的に沸騰した作動流は、露点分離器７６−８０に入る。露点分離器７６−８０は、作動流を高濃度流７６および低濃度流８０へと分離する。高濃度流７６は、点３６で膨張タービンを出る作動流体または使用済み流と実質的に同じ圧力および組成を有することができる。このように、高濃度流７６の導入はカリーナサイクルの作動流体の成分のバランスを実質的に変化させない。さらに、カリーナサイクルの点３６から点３７への作動流体の圧力、および組成などの他のパラメータを維持することができる。

点７６で露点分離器を出る作動流体は高濃度流と呼ばれるが、点３６での作動流体または使用済み流と実質的に同じパラメータを有する。しかし、点８０での作動流体（すなわち、高濃度流）に関しては、点７６での作動流体（すなわち、低濃度流）は、作動流の低沸点成分を点８０の作動流より実質的に多く有する。本発明の一実施形態では、露点分離器７６−８０は作動流の液体部分から作動流の蒸気部分を分離する。気化した作動流は点７６へと分離され、点３６での作動流体または使用済み流と実質的に同じ気化特性を有する。低濃度流８０の液体部分は、点３６での作動流体と同じ温度パラメータを有さない。

低濃度流８０は熱交換器７へと送られ、圧縮された作動流７３、７４を予熱するために使用される。圧縮された作動流７３−７４と低濃度流８０−８１の熱交換関係によって、点８１での低濃度流の温度が低下する。次いで、冷却された低濃度流は結合混合物３５と結合され、点７１での温度パラメータを有する結合混合物を提供する。低濃度流８１を結合混合物３５に導入することによって、結合混合物３５から低濃度流８１の成分へとエネルギーを伝達することができる。このように、点７１での結合混合物のエネルギーパラメータは点３５での結合混合物より低く、したがって凝結器６での結合混合物７１の凝縮が容易になる。

タービンシールシステムを使用して、タービン３１−３６から流出する気化した作動流体が捕捉され、同時にそのような作動流体がカリーナサイクルへと戻される。作動流体は、カリーナサイクル内で結合する作動流体と実質的に同じ圧力を有するカリーナサイクルへと戻される。グランド漏洩コンプレッサシステムを使用することによって、作動流体の低沸点成分の環境への流出を最小限に抑える。低沸点成分の捕捉は、成分の化学特性が環境にとって有害な場合、特に有用である。さらに、作動流体の損失を避けることによって、作動流体、特に作動流体の低沸点成分の効率および保存が維持される。

本発明の一実施形態では、コンプレッサ７２−７３は、コンプレッサ７２−７３を通る凝縮された作動流の流れる量を調節するように制御することができる。このように、タービンシールシステムに所望の真空圧力を維持することができる。タービンシールシステムの圧力を制御することによって、ユーザが点７５で部分的に沸騰した作動流のパラメータを制御し、所望の露点曲線に合わせることが可能になる。

露点曲線は作動流の圧力および組成の関数ならびにシステムの他のパラメータに基づいている。作動流の温度を上昇させる必要がある場合、熱交換器８で与えられる温度パラメータを増加するために加熱流体４６−４７を抑制することができる。このように、点７５での部分的に沸騰した作動流に所望の露点温度を維持するために、システム内のパラメータに他の変更を行なうことができる。

作動流の露点温度を維持することによって、作動流は、部分的に沸騰した作動流を露点分離器７６−８０へと導入するよう準備される。言い換えると、システム内で所望のパラメータを維持し、タービンシールシステムの適切な機能を可能にするために、加熱流体４６−４７の流れおよびコンプレッサ７２−７３を通る作動流の流れを使用することができる。特に、点７６での作動流のパラメータを、点３６での作動流体または使用済み流のパラメータに近づけるよう維持することができる。さらに、結合混合物を凝縮器および作動流を通してコンプレッサ７２−７３へと引き込むために、タービンシールシステム内で所望の真空度を維持することができる。

本発明の一実施形態では、約３０−５０ミリバールの所望の真空がタービングランドコンパートメント内で維持される。これにより、結合混合物を点３３および３４から凝縮器６へと排出することが可能である。結合混合物を凝縮した後、作動流をコンプレッサ７２−７３で圧縮し、熱交換器７で予熱し、熱交換器８で部分的に沸騰させ、露点分離器７６−８０で分離し、点３６−３７でカリーナサイクルシステムへと戻して、点３７と同様のパラメータを有する作動流を提供する。

当業者には明らかなように、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、様々なタイプおよび構成のコンプレッサを使用することができる。本発明の一実施形態では、シールシステムが摂氏約２４度（華氏約７５度）の周囲温度で空冷されるとき、図１のタービンシールシステムが使用される。本発明の別の実施形態では、冷却水温度が摂氏約２９−３１度（華氏約８５−８７度）の場合、図１のタービンシールシステムが水冷プラントに使用される。本発明の別の実施形態では、冷却剤５８−５９が、摂氏約１８度（華氏約６５度）以下の温度パラメータを有する媒体を使用する。言い換えると、システムの動作パラメータが追加でコンポーネントまたはシステムを使用せずに所望のシステム動作性を維持するのに十分である場合、図１のタービンシールシステムを使用することができる。

本発明の別の実施形態では、既存のタービングランドシールに高度または複雑な修正を行なわずに、従来のタービングランドシールでタービンシールシステムを使用することができる。本発明の別の実施形態では、特にタービンシールシステムで使用するために修正されたタービングランドシールで、タービンシールシステムが使用される。

図２は本発明の別の実施形態によるタービンシールシステムの概略図である。図示された実施形態では、タービンシールシステムは熱交換器９およびコンプレッサ７９−８２を含む。図示された実施形態では、点３５での結合混合物は冷却器９へと送られる。冷却器９は、点３５での結合混合物の温度パラメータを点７９での温度パラメータへと低下させる熱交換器を含む。点７９での温度パラメータは点３５での温度パラメータより低く、コンプレッサ７９−８２で獲得された機械的力を減少させる。図示された実施形態では、凝縮器６を出た冷却剤を使用して、熱交換器９内の結合混合物を冷却する。しかし、当業者には明らかなように、熱交換器９と組み合わせて使用される冷却剤は凝縮器６の冷却剤とは分離し、別個にすることができる。

点７９から、結合混合物が機械的コンプレッサ７９−８２によって圧縮される。機械的コンプレッサ７９−８２は結合混合物を圧縮する。圧縮を高めることによって、凝縮器６は、冷却剤５８−５９の利用可能な冷却剤温度を使用して点７１から点７２へと結合混合物を凝縮することが可能になる。本発明の一実施形態では、機械的コンプレッサ７９−８２は点７９での結合混合物の圧縮と比較すると４対１の最大圧縮で結合混合物を圧縮する。結合混合物を４対１の圧縮で圧縮することによって、非常に高温の環境温度条件でも、カリーナサイクルの膨張タービンで所望のシール真空がさらに容易になる。さらに、結合混合物を点３５から点３９へと冷却することによって、機械的コンプレッサ７９−８２を使用する圧縮に必要な機械的力が減少する。

当業者には明らかなように、システム内の温度パラメータが結合混合物への付加的な冷却および／または圧縮を必要としないとき、熱交換器９を使用する結合混合物の冷却およびコンプレッサ７９−８２を使用する圧縮は任意でバイパスすることができる。例えば、いくつかのシステムでは、正常な動作パラメータは、熱交換器９およびコンプレッサ７９−８２で供給される結合混合物の冷却または圧縮を必要としない。しかし、利用可能な冷却剤の温度、戻り圧力および主分離器７６−８０、結合混合物の温度パラメータ、または他のシステム変数など、システムを調整することがある場合は、コンプレッサ７９−８２および／または熱交換器９によって得られる付加的な動作性による利益を受けることができる。例えば、本発明の一実施形態では、主分離器７６−８０の戻り圧力は、液体成分が低沸点成分では濃くなりすぎて利用可能な冷却剤温度で凝縮できない点まで上昇することができる。その結果、熱交換器９によって提供される結合混合物の付加的な冷却および／または機械的コンプレッサ７９−８２によって加えられ、または提供される圧縮によって、熱交換器６は結合混合物を冷却剤５８−５９の利用可能な冷却剤温度パラメータで凝縮することが可能になる。

本発明の別の実施形態では、システム内の圧力および／または結合混合物の温度パラメータが許容範囲内であるときも、コンプレッサ７９−８２は継続的に使用される。システム内の動作条件が正常範囲内であるときにコンプレッサ７９−８２を使用することによって、図１に示すようなブローダウンタンクを使用せずに、窒素または作動流体を捕捉するために使用される他の流体などの非凝縮物を膨張タービンで直接排出することが可能になる。システムの直接排出を可能にすることによって、追加のシステムコンポーネントを最小限に抑え、および／または排除して、全体的なシステムのコストおよび複雑性を低減する。当業者には明らかなように、凝縮器６が点７１−７２での結合混合物を凝縮する能力は、冷却剤５８−５９の冷却剤温度パラメータだけでなく、点７１での結合混合物の圧縮のパラメータにも基づいている。

作動流が点７３での高圧パラメータへと給送されると、作動流は点８３でパラメータを有する熱交換器７に入る。作動流は点８４で温度パラメータに予熱され、熱交換器８へと送られる。熱交換器８では、作動流は部分的に沸騰し、分離器７６−８０へと送られる。分離器７６−８０では、作動流の蒸気成分（すなわち、高濃度流）が点７６で分離され、点３６−３７でカリーナサイクルシステムへと導入され、作動流８０の液体部分（すなわち、低濃度流）がコンプレッサ７９−８２と凝縮器６の間で結合混合物と再結合する。

点３６で膨張タービンを出る作動流体または使用済み流と実質的に同じ圧力および組成を有する作動流体を提供することによって、カリーナサイクル内の作動流体の全体的な組成およびパラメータは実質的に変わらない。これにより、カリーナサイクル内の付加的なシステム修正または設計変更を行なわずに、同時にタービンシールシステムの利益をもたらしながら、タービンシールシステムを使用することができる。

当業者には明らかなように、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、様々なタイプおよび構成システムおよびシステムコンポーネントを使用することができる。例えば、本発明の一実施形態では、機械的コンプレッサを使用せず、凝縮器前の冷却剤熱交換器を使用する。別の実施形態では、凝縮器前の冷却剤熱交換器を使用せず、機械的コンプレッサを使用する。さらに別の実施形態では、冷却剤コンプレッサおよび熱交換器の一方または両方を使用することができる。別の実施形態では、冷却剤コンプレッサが機械的コンプレッサの下流に配置される。

図３は本発明の別の実施形態によるタービンシールシステムの概略図である。図示された実施形態では、タービンシールシステムは第１の分離器７６−８０および第２のシール分離器７９−８２を含む。第１の分離器および第２の分離器を使用することによって、２段の熱動作式システムが設けられる。これにより、図２の実施形態のような機械的圧縮を使用せずに、結合混合物の温度パラメータの動作範囲が拡大される。

図示された実施形態では、コンプレッサ７２−７３を使用して、凝縮された作動流を給送し、凝縮器６を出た凝縮された作動流より高い圧力にする。この実施形態では、点８５での作動流の温度パラメータは、一般的な設定で所望される温度パラメータより高い。その結果、熱交換器７および熱交換器８で作動流を加熱した後、点７５での作動流は露点曲線より高い温度パラメータを有する。

作動流が分離器７６−８０で分離されると、高濃度流は、カリーナサイクルの点３６での作動流体または使用済み流より多くの高沸点成分を有することができる。これは主に、点７５での作動流が一般に露点を超えていることによる。その結果、作動流体が露点である場合より多くの部分の高濃度流が低沸点成分を含む。点７５での作動流体は露点を超えているので、作動流の実質的にすべての液体成分（すなわち、低濃度流）が高沸点成分を含む。その結果、点８０での分離器の液体は、点７１で結合混合物３５と混合された結合混合物を希釈するために使用することのできる、低濃度流を含む。さらに、図示された実施形態では、点８５から点８３への作動流の温度パラメータを上げるために、熱交換器７で低濃度流を使用する。

液体の作動流を分離器７６−８０で分離した後、高濃度流７６は熱交換器９へと送られる。熱交換器９は、点７６から点７７への高濃度流の温度パラメータを低下させる冷却器を含む。図示された実施形態では、熱交換器９で使用される冷却剤はカリーナサイクルからの作動流体を含む。カリーナサイクルからの作動流体はタービンシールシステムの高濃度流を冷却し、点７６から点７７への高濃度流は点６０から点６３へカリーナサイクル内で作動流体を加熱する。このように、カリーナサイクルからの作動流体がタービンシールシステム内の高濃度流の冷却を助けるだけでなく、タービンシールシステムからの高濃度流もまたカリーナサイクル内の作動流体の加熱を容易にする。

高濃度流の温度パラメータが点７６から点７７へと冷却されると、露点分離器７９−７８へと送られる。任意で、点７７での高濃度流が露点に近づくようにシステムを構成することができる。高濃度流が露点になるとき、高濃度流内の実質的により多くの蒸気は低沸点成分を含む。このように、高濃度流７８の組成および温度パラメータは、点３６でのタービンを出る作動流体または使用済み流の組成と実質的に類似している。

点３６での高濃度流７８の導入は、最終的な作動流体３７の温度組成にほとんど影響を及ぼさない。言い換えると、点３７での作動流体の組成および温度パラメータは、点３６での作動流体または使用済み流の温度および組成に非常に類似している。しかし、点７８からの高濃度流を点３６−３７で加えることにより、点３６ではより多くの流れが提供される。

露点分離器７９−７８はまた、高濃度流７７を低濃度流７９に分離する。低濃度流７９は高濃度流７８より実質的に多くの高沸点成分を含む。コンプレッサ７９−８２を使用して、低濃度流７９の圧力パラメータを点８２へと戻すように、低濃度流７９を給送することができる。さらに、点８２での低濃度流の圧力は、点８３での作動流の圧力パラメータに近づけられる。低濃度流８２は、点８４で作動流８３と結合して、点７４でのパラメータを有する作動流を提供する。

上述したように、作動流体は熱交換器８へと送られて、点７５での温度パラメータを上昇させる。図示された実施形態では、熱交換器８で外部熱源流４６−４７を使用して、作動流７４−７５を加熱する。低濃度流８２の高沸点成分の割合がより高いことから、点７４での最終的な作動流もまた点８３での作動流より多くの高沸点成分を有する。その結果、作動流７４が点７５での温度パラメータに加熱され、分離器８０−７６で分離されると、実質的により多くの低沸点成分が低濃度流８０へと分離され、点８１での希釈に十分な低濃度流を提供する。

コンプレッサ７２−７３によって提供される圧縮は、凝縮器６で点７３に対して負圧を発生させ、その負圧によって結合混合物が凝縮器６内へと引き込まれる。その結果、コンプレッサ７２−７３を通る流れを調整することによって、コンプレッサ７２−７３が分離器７６−８０での作動流の温度に影響を及ぼすことができる。同様に、熱源５１からの熱源作動流４６−４７を抑制することによって、作動流７５−７４の温度を上昇させることができる。

本発明の一実施形態では、点７５での作動流の温度は、分離器８０−７６へと導入される前に露点より低くなることはない。これにより、点７８での高濃度流の所望の組成および温度パラメータを提供するために、タービンシールシステムで作動流の所望の種別バランスが維持される。作動流の温度パラメータが低下し始めると、コンプレッサ７２−７３を通る流体の流速を低下させることができ、および／または熱源流を抑制することによってタービンシールシステム内の作動流の加熱量をより多くすることができる。例えば、好適でない環境温度条件では、点３５での流量が少ないにもかかわらず、熱交換器７４−７５のサイズおよびそこで消費される熱量を非常に大きくすることができる。

当業者には明らかなように、本発明の範囲および精神から逸脱せずに、様々なタイプおよび構成のタービンシールシステムを使用することができる。例えば、一実施形態では、図２に示す機械的コンプレッサを、図３の２段の熱動作式システムと組み合わせて使用することができる。本発明の別の実施形態では、図２の冷却器および／またはコンプレッサを、図３の２段の熱動作式システムとともに使用することができる。別の実施形態では、コンプレッサおよび／またはポンプおよび熱源流を使用してシステムの動作パラメータを調節することによって、システム内の１つまたは複数のパラメータの自動調節を調節することができる。本発明の別の実施形態では、システム内の混合結合物の温度パラメータなどの動作条件によって、１つまたは複数のシステムコンポーネントはバイパスすることができる。さらに、多成分作動流体を有する様々な異なるタイプの閉ループ熱力学サイクルシステムに、本発明を組み込むことができる。

本発明は、その精神または基本特性から逸脱せずに、他の特定の形態で実施することができる。上記の実施形態はすべての点で図示のためのものに過ぎず、限定的なものではないとみなされるべきである。したがって本発明の範囲は、上述の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示される。特許請求の範囲と同等の意味および範囲内で想起されるすべての変更はその範囲内に包含されるものとする。

本発明の一実施形態に従って、多成分作動流体熱力学システムで使用される、タービンシールシステムである。 本発明の一実施形態による、機械的コンプレッサを有するタービンシールシステムである。 本発明の別の実施形態による、第１の分離器および第２の分離器を含む、２段の熱動作式システムを有するタービンシールシステムである。

Claims (26)

1. 熱力学サイクルのタービンをシールして作動流体の周囲環境への流出を最小限にする方法であって、
   熱力学サイクルシステムの多成分気体作動流体を、そのエネルギーを使用可能な形態に変換し使用済み流を生成して、タービンで膨張するステップと、
   シール内の非凝縮物を前記タービンから流出する多成分作動流と混合し、前記非凝縮物および前記流出する多成分作動流が結合流を形成するように、前記膨張するステップと組み合わせてシールを設けるステップと、
   前記非凝縮物から前記多成分作動流を分離するように、前記結合流を少なくとも部分的に凝縮するステップと、
   前記多成分作動流を前記熱力学サイクルシステムへと戻すステップとを含む方法。
2. 前記非凝縮物が窒素を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記熱力学サイクルシステムがカリーナサイクルシステムを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記シールがタービンシールシステムを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記シールのシールコンパートメント内で所望の真空を維持するように、前記結合流を排出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記多成分作動流を凝縮した後、前記多成分作動流を高圧にするよう給送するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記結合流を圧縮するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記結合流を凝縮した後、前記非凝縮物を排出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 作動流体の周囲環境への流出を最小限にするために、熱力学サイクル内でタービンをシールして、前記タービンから流出する作動流体を捕捉し、凝縮し、前記熱力学サイクルへと戻すようにする方法であって、
   熱力学サイクルの多成分気体作動流を、そのエネルギーを使用可能な形態に変換し使用済み流を生成して、タービンで膨張するステップと、
   非凝縮物を前記タービンから流出する多成分気体作動流体と混合させ、前記非凝縮物および前記流出する多成分気体作動流体が結合流を形成するステップと、
   前記結合流を排出するステップと、
   前記多成分気体作動流体を前記非凝縮物から分離するように、前記排出された結合流の少なくとも一部を凝縮し、前記分離された多成分気体作動流体が作動流を形成するステップと、
   前記作動流を加圧するステップと、
   前記作動流の少なくとも一部を前記熱力学サイクルへと戻すステップとを含む方法。
10. 前記非凝縮物がタービンシールシステムで提供される、請求項９に記載の方法。
11. 熱力学システム内の種別バランスを維持するために、タービンをシールする方法が閉ループ熱力学システムと組み合わせて提供される、請求項９に記載の方法。
12. 前記排出された結合流の少なくとも一部分を凝縮することに備えて、前記結合流を冷却するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記排出された結合流の少なくとも一部分を凝縮することを容易にするために、前記冷却された結合流を圧縮するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記加圧された作動流を低濃度流と高濃度流に分離するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記低濃度流を前記排出された結合流と混合するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記高濃度流を第２の高濃度流と第２の低濃度流に分離するステップをさらに含み、前記第２の高濃度流を前記使用済み流と混合し、前記第２の低濃度流を作動流と混合する、請求項１４に記載の方法。
17. 作動流体の周囲環境への流出を最小限にするために、熱力学サイクル内でタービンをシールして、前記タービンから流出する作動流体を捕捉し、凝縮し、前記熱力学サイクルへと戻すようにする方法であって、
    多成分気体作動流体を、そのエネルギーを使用可能な形態に変換し使用済み流を生成して、膨張するステップと、
    前記タービンのシール内に非凝縮物を適用し、前記非凝縮物を前記タービンから流出する多成分気体作動流体と混合して、前記非凝縮物および前記流出する多成分気体作動流体が結合流を形成するようにするステップと、
    前記シールのシールコンパートメント内を所望の真空に維持するように、前記結合流を排出するステップと、
    前記非凝縮物から前記多成分気体作動流体を分離するように、前記結合流の少なくとも一部分を凝縮器で凝縮するステップと、
    前記結合流の前記非凝縮物を排出して作動流を形成するステップと、
    前記作動流を給送して前記凝縮器の前記結合流の圧力より高い圧力にするステップと、
    前記作動流を熱交換器で加熱して前記作動流の温度を露点へと上昇させるステップと、
    前記結合流に追加される低濃度流ならびに前記使用済み流に類似する温度および圧力パラメータを有する高濃度流を形成する前記作動流を分割するステップと、
    前記高濃度流を前記熱力学サイクルへと戻すステップとを含む方法。
18. 前記高濃度流を前記熱力学サイクルの前記使用済み流と結合する、請求項１７に記載の方法。
19. 前記作動流を分割するステップが第１の分離器で行なわれる、請求項１７に記載の方法。
20. 前記高濃度流を第２の分離器で分割するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の分離器に導入される前記作動流が露点を超えている、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２の分離器に導入される前記高濃度流が露点に近い、請求項２１に記載の方法。
23. 前記高濃度流を第２の分離器で、前記熱力学サイクルへと戻される第２の高濃度流および前記結合流と結合する第２の低濃度流に分割するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
24. 前記作動流を加熱するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
25. 前記作動流が前記低濃度流によって加熱される、請求項２４に記載の方法。
26. 前記作動流が外部熱源によって加熱される、請求項２４に記載の方法。

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