JP2008542629A - ポンプ - Google Patents

Abstract

熱源からの熱を用いて電力を発生する蒸気発電システム。システムは、作動流体用の閉回路を備え、熱源からの熱でもって加圧下で流体を加熱する熱交換アセンブリ（１）と、加熱された流体の蒸気相をその液相から分離する分離器（８）と、蒸気を膨張させて電力を発生する膨張器（１４）と、膨張器（１４）からの出口流体を凝縮する凝縮器（１７）と、凝縮器（１７）からヒータへと凝縮された流体を返すための供給ポンプ（Ｆ）および分離器からヒータへと液相を戻すための帰還路と、を備える。作動流体の液相は、液相中で溶けるか混和性のある潤滑剤を含み、供給ポンプ（Ｆ）によって加圧された液相を、膨張器の回転要素用の少なくとも一つのベアリングへと搬送するためのベアリング供給経路（２１）が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、潤滑剤が作動流体に溶解するかまたは作動流体と混和性を有する（miscible）、閉回路の蒸気発電システムで使用される膨張器（expander）の潤滑に関する。本発明は特に、しかし限定でなく、地熱熱水、産業廃棄物熱源および内燃機関の排熱流などの、システムの作動流体の最大温度がおおよそ１５０°Ｃを超えることのない適度な熱源または低グレードの熱源から発電をするシステムに関する。

この種のシステムは、通常、テトラフルオロエタン、クロロテトラフルオロエタン１．１．１．３．３−ペンタフルオロプロパンなどの有機作動流体や、イソブタン、ｎ−ブタン、イソペンタンおよびｎ−ペンタンなどの軽質炭化水素を使用し、ランキンサイクルまたはその変形サイクルで動作する。

本発明の一態様によると、作動流体用の閉回路を備え、適度なまたは低グレードの熱源からの熱を用いて電力を発生する蒸気発電システムが提供される。このシステムは、熱源からの熱でもって通常は最高で２００°Ｃまでの温度で加圧下の流体を加熱する加熱手段と、加熱された流体の蒸気相を液相から分離する分離器と、蒸気を膨張させて電力を発生する膨張器と、膨張器からの出口流体を凝縮する凝縮器と、凝縮器からヒータへと凝縮された流体を戻すための供給ポンプおよび分離器からヒータへと液相を戻すための帰還路と、を備える。液相は、液相中で溶けるか混和性のあるベアリング用の潤滑剤を含み、供給ポンプ手段によって加圧された液相を、膨張器の回転要素用の少なくとも一つのベアリングへと搬送するためのベアリング供給経路が配置されている。凝縮器は、最初に膨張器からの蒸気を過熱防止してもよい。

このシステムを用いると、潤滑剤が作動流体の液相に溶解するか乳化され、分離器（separator）を出る液相の一部がベアリング供給路に沿ってベアリングに供給される。ベアリングで発生した熱が作動流体を蒸発させ、十分に濃縮された潤滑剤がベアリング内に残り、ベアリングを適度に潤滑する。ベアリングの周囲および下方に収集空間が設けられることが好ましい。ベアリングを離れ膨張器に入った潤滑剤は、膨張器から排出された作動流体とともに凝縮器（condenser）へと移動する。潤滑剤は再び、凝縮器内に形成された液相と混合するかまたは液相に溶解し、供給ポンプを介してヒータへと戻る。ヒータの蒸発区画内での潤滑剤の集積または堆積は、ヒータの効率を減じるものであるが、蒸発区画を通って再循環する液体の滞留（retention）によって防止され、その一部が流出して膨張器、凝縮器、供給ポンプを通って流れる。有利なことに、膨張器の回転要素を支持する各ベアリングがこのようにして潤滑される。必要な潤滑剤の全体質量は、最大で作動流体の質量の５％である。通常、０．５％から２％で十分である。

膨張器は回転式膨張器（rotary expander）であってもよい。膨張器は、例えば半径流タービンまたは軸流タービンであってもよい。特に、最大約３ＭＷの発電出力が必要な場合、膨張器はツインスクリュー型であってもよい。ツインスクリュー型膨張器が潤滑ロータ型（lubricated rotor type）である場合、潤滑剤は適切なオイルであり、分離器から出たオイルと液体の混合物の一部が、典型的に、潤滑ロータツインスクリュー型マシン用に設けられた通常潤滑ポートを通して、または高圧ポートにより近い同様のポートを通して、膨張器に供給される。

本発明の別の態様によると、作動流体用の閉回路を備え、熱源からの熱を用いて発電する蒸気発電システムが提供される。このシステムは、熱源からの熱を用いて加圧下で流体を加熱する加熱手段と、蒸気を膨張させて発電する複数スクリュー型膨張器と、膨張器からの出口流体を凝縮する凝縮器および凝縮器からヒータへと凝縮された流体を戻す供給ポンプ手段と、を備える。供給ポンプ手段によって加圧された液相を、膨張器の回転要素用の少なくとも一つのベアリングに搬送するためのベアリング供給経路が配置されており、少なくとも一つのベアリングに搬送された液相が、液相に溶けるか混和性のある膨張器用の潤滑剤を含む。

本発明の実施形態では、ヒータの中間点から液相が搬送されてもよい。

以下、図面を参照し、例示のみを目的として本発明をさらに説明する。

図１に示す有機ランキンサイクルシステムは、大気圧において１００°Ｃを下回る沸点を有する有機作動流体の閉回路を定める。重量で５％までの（通常は０．５〜２％）相溶性のある（compatible）天然潤滑油または合成潤滑油が流体に付加される。

回路は、最大約１５０°Ｃの温度で地熱熱水または産業資源の廃棄物などの熱水と逆流熱交換（counterflow heat exchange）して作動流体を加熱する熱交換器アセンブリ１を備える。

熱交換器アセンブリ１は、資源からの熱流体用の経路２を定める。この経路２は、入口３から出口４へと延びる。アセンブリはまた、液体の作動流体を加熱するヒータ区画５と作動流体の少なくとも一部を蒸発させるための蒸発器区画６とを通って、経路２との逆流熱交換部に延びる経路を定める。

ライン７は、ヒータ区画５よりも高いレベルで、蒸発器６の出口から分離器８へと通じる。分離器８は、蒸発器出力の蒸気成分を液体成分から分離する。ライン９および１０は、ヒータ区画５と蒸発器区画６の連結部１１へと熱水成分を戻す役割を持つ。

ライン１２は、分離器８の蒸気出口を、蒸気を低圧に膨張させるツインスクリュー型膨張器１４の入口１３に接続する。これによって、発電機Ｇなどの外部負荷を駆動するための動力を発生することができる。

ライン１５は、膨張器の排気口１６から凝縮器１７へと通じる。凝縮器１７は、回路１８を通って流れる冷却液との熱交換によって膨張した蒸気を凝縮する。

ライン１９は、凝縮器の流体出口を供給ポンプＦと接続する。供給ポンプＦは、ライン２０を通して加圧下で液体をヒータに戻す。膨張器１４のベアリングを潤滑し冷却するために、ライン９および１０の接合部２２から、膨張器の回転要素用のベアリングを収容するベアリングハウジング２３、２４内の入口２７、２８へとライン２１が通じている。

ベアリングハウジング２３、２４は、液体作動流体のオイル成分用の十分な空間をベアリングの周囲に提供する。ベアリングで発生した熱のために作動流体が膨張器内へと蒸発するときに液体作動流体が凝縮される。作動流体の多くが蒸気として分離器８を離れるので、したがってこのオイルなしに、ライン９、１０および２１内のオイル成分が既に増大されている。オイルがベアリングを離れて膨張器内部へと流れると、ライン２１からのさらなるオイルによって絶えず置換される。オイルは蒸気とともに膨張器出口１６を出て、凝縮器１７内で濃縮される液体の中に溶解する。

分離器８はヒータ区画５よりも高い位置にあるため（および、好ましくは蒸発器６よりも高い位置にあるため）、また、ライン９内の液体柱が蒸発器６とライン７内の流体柱よりも濃いので、蒸発器区画を通して絶えず循環が起こる。

同様に、供給ポンプＦは、ヒータ区画５を通した連続的な循環を保証する。接合部２２からベアリングへの流れを取り出すことによって、ヒータ区画、ベアリング、凝縮器および供給ポンプを通した連続的な循環が発生し、その結果、ヒータ区画と蒸発器区画の表面上へのオイルの蓄積が防止される。このオイルの蓄積はヒータと蒸発器の効率を低下させる。

膨張器が潤滑ロータ型（lubricated-rotor type）である場合、ライン２１がライン２５によって膨張器の通常のオイル供給ポート２６に接続されていてもよい。

図２に示す回路は、接合部１１から取り出された潤滑液を含む液体が、供給ポンプＦによってヒータ区画５の入口に運ばれる液体と逆流させて、熱交換器３０内で例えば８０°Ｃから３５°Ｃへと冷却される点で図１に示した回路と異なる。したがって、供給ポンプＦの出口が、ライン３１によって熱交換器３０のプレヒータ区画３２の入口に接続される。プレヒータ区画３２の出口は、ライン３３によってメインヒータ区画５の入口に接続される。

接合部２２からベアリングへと直接、潤滑流を供給する代わりに、この流れをライン３４によって熱交換器の冷却区画３５の入口へと運び、その中を通してプレヒータ区画３２内の液体と冷却熱交換をする。その後、ライン３６によって膨張器のベアリングへと供給される。膨張器がツインスクリュー型膨張器である場合、潤滑流をロータ表面潤滑入口３７へと運んでもよい。

潤滑流を例えば９０°Ｃから３５°Ｃへと冷却することによって、作動流体が急激に蒸発するリスク、およびそれによる潤滑液の供給が中断されるリスクが回避される。さらに、蒸発させることなく、制限器（restrictor）または制御弁によって流れを制御することができる。この手段により、本来はベアリング内に廃棄される熱が回収され、膨張器のパワー出力を増加させるために使用される。入口３７に流れる流速は作動流体およびサイクルの運転条件に依存するが、通常はロータベアリングへと運ばれる全体の流れの２倍から４倍のオーダーである。

図３および図４は、図１および図２の回路での使用に適したツインスクリュー型膨張器を示す。膨張器は、らせん溝付きロータ４２とかみ合うらせん凸部付きロータ４１を収容するハウジング４０を有する。ロータ断面は、横断面でみるとき、ピッチ円の領域内にらせんインボリュートバンドを有する低摩擦タイプであり、好ましくはＥＰ ０，８９８，６５５に開示されているタイプである。ロータ４１および４２は、ベアリングハウジング２３、２４内に転がり軸受４３、４４で支持されている。ロータ４１は、発電機Ｇ等の外部負荷を駆動するためにベアリングハウジング２４を通して突出する延長部４５を有し、シーリングアセンブリ４６を備える。

ハウジングには、蒸気入口１３のちょうど下流の位置にあるロータ表面潤滑入口３７が形成されており、これによって、適切な潤滑流を提供するための十分な圧力低下を保証する。

この流れの作動液体部分は、この流れの主要部分を形成しており、蒸発が自由であり、膨張器を通して流れるとき仕事を供給する一方、ロータ表面に潤滑液を堆積させる。余分な潤滑剤は、膨張器を離れる蒸気の流れによって凝縮器へと運ばれ、こうして再循環が行われる。

転がり軸受に近接して収集空間（４７、４８）を備えると有利であることが分かるだろう。

熱源が排気ガスおよび内燃機関の冷却ジャケットによって形成されている場合、クロロテトラフルオロエタンが特に作動流体として適している。

図５に示すように、凝縮器はシステムの最高地点に配置されており、ヒータ１と供給ポンプは低い位置に配置されている。膨張器１４が、蒸気流れ内に液滴が存在する可能性を許容できる容積式（例えば、ツインスクリュー型膨張器）である場合、分離器８と液体戻りライン９とを省略することができる。代わりに、蒸発器区画６からの蒸気は、ライン５１によって膨張器１４の入口１３に供給される。

膨張器入口１３は膨張器の一端の底部にあり、低圧蒸気出口１６は膨張器の上部にある（図４に示す向きと比較して）。過剰なオイルは、蒸気とともにライン１５内にはき出される傾向にあるが、残りのオイルが膨張器１４内に残ってもよい。これは、あらゆる作動条件下におけるロータ表面の適切な潤滑を保証するとともに、ロータ同士の間、およびロータとケーシングの間の不可避なクリアランスにより形成される漏れギャップをオイルで埋めることによって、作動流体のシーリングを改善する。

図示するように、凝縮器１７内に濃縮される液体は、ライン１９Ａによって、作動流体のリザーバを保持する液体レシーバ５２へと運ばれる。レシーバ５２からの液体は、ライン１９Ｂによって供給ポンプＦの入口に運ばれる。凝縮器１７と供給ポンプの間の水圧ヘッドによって、供給ポンプへの入口にキャビテーションが生じるリスクが回避される。

膨張器におけるオイルの蓄積が大きすぎることが分かる場合、非常に小さい内径のオイル戻りライン５３が、膨張器のケーシングの底にある出口５４を、凝縮器から供給ポンプへの帰還路へと接続する。この場合、液体レシーバ５２へと接続する。出口５４は、スクリュー型膨張器のメイン出口１６のちょうど上流に配置される。この場所は、レシーバ５２内よりも十分に圧力が高い場所であり、これにより過剰なオイルが膨張器から離れることを可能にしている。

ヒータ１、好ましくはプレート型の熱交換器、および膨張器のベアリングへの液流が、熱交換器３０内での冷却の前後に収納容器５５内に蓄積されてもよく、また、液流がベアリングハウジング２３および２４へと供給され、必要であれば、ロータ表面潤滑入口２６へと供給される。

図６に示すように、代替実施形態では、作動流体はシングルパスボイラー（single pass boiler）６０で加熱される。シングルパスボイラー６０は、分離器を通した内部再循環をすることなく、冷液が入口６１に進入し、わずかに湿った蒸気が出口６２から出る。この場合、作動流体に含まれている例えばオイルなどの潤滑剤がボイラー内で集積することはできないが、蒸気によって運ばれて膨張器１４へと進入する。しかしながら、作動流体内にオイルが存在することによって、所与の圧力に対して蒸気の飽和温度を上昇させる効果が生まれ、この効果を使用してこの実施形態に利益をもたらすことができる。

質量で５％以下のオイル凝縮において、この温度変位は大抵の場合無視できる程度であり、作動流体の熱力学特性は、事実上、純粋作動流体の特性と同一である。作動流体が蒸発器を通して再循環するボイラーの場合では、再循環流速は通常、ボイラーを通した流体の大きな流れの少なくとも５倍である。したがって、オイル凝縮が初期の場合、例えば質量で２％の場合、流体の約２０％が蒸発した結果によるオイル凝縮の増加が流体の挙動に与える影響は無視できる程度である。

しかしながら、同様のオイルの初期凝縮を伴うシングルパスボイラーでは、オイルの存在により蒸発の進行につれて流体挙動に増大効果を与える。したがって、初期には、蒸発の進行につれて、作動流体は純粋流体のように振る舞う。しかしながら、蒸発の８０％−９０％が完了すると、残りの液体の中のオイル凝縮が重要になり、外部熱源からボイラーへのさらなる熱伝達により残りの液体の過熱が生じる一方で、オイルの大半が保持される。これは、作動流体が湿り蒸気として膨張器１４に入ることを意味し、５−１０％の液体が高い割合でオイルを含む。スクリュー型または任意の他のタイプの容積式膨張器において、液体の存在は有益となりうる。なぜなら、ｉ）液体がギャップをシールし機械を潤滑する役に立ち、ｉｉ）液体が膨張過程の間に蒸発し、これによって有機作動流体が通常膨張器１４を出る過熱状態を減少させるからである。

こうして、過熱状態の液体はオイルを膨張器の回転部分へと効率的に搬送し、蒸発が進行すると、従来のボイラーの再循環した液体から流れる場合と正確に同一の態様で、オイル堆積をそこに残す。

膨張器内でのオイルの集積は、最終的に凝縮器１７の中へと流れ出るか移送され、そこで再溶解するか運び去られる。したがって、供給ポンプを出た冷たい作動流体はオイルを含む。したがって、冷液がポンプの下流から流れ、プレヒートや再生熱交換器を必要とすることなく、冷液がベアリングへと直接運び込まれる。このように、シングルパスボイラーを使用すると、図示の潤滑システムのさらに単純化することができる。

図６には示していないが、この図の構成が図５に示すタイプの液体レシーバ構成を有し、凝縮器１７に凝縮された液体または膨張器からの過剰なオイルを収集し保持することも可能である。

本発明による蒸気発電システムの回路図である。 図１に類似するが変更点を含む回路図である。 図１または図２の回路での使用に適したツインスクリュー型膨張器のロータ軸を通した断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における長手方向断面図である。 図１および図２に示したものと類似したシステムの構成要素の垂直配置を示す図である。 シングルパスボイラーを用いた本発明の代替実施形態の回路図である。

Claims (18)

1. 作動流体の閉回路を備え、熱源からの熱を用いて電力を発生する蒸気発電システムであって、
   当該システムは、
   熱源からの熱でもって加圧下で流体を加熱する加熱手段と、
   加熱された流体の蒸気相を液相から分離する分離器と、
   蒸気を膨張させて電力を発生する膨張器と、
   前記膨張器からの出口流体を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器から前記ヒータへと凝縮された流体を戻すための供給ポンプおよび前記分離器から前記ヒータへと液相を戻すための帰還路と、
   を含み、
   前記液相は、液相中で溶けるか混和性のあるベアリング用の潤滑剤を含み、前記供給ポンプ手段によって加圧された液相を、前記膨張器の回転要素用の少なくとも一つのベアリングへと搬送するためのベアリング供給経路が配置されていることを特徴とする蒸気発電システム。
2. 前記加熱手段が蒸発器を含み、前記分離器から前記加熱手段へと前記液相を戻す前記帰還路が、加熱手段のヒータ区画と蒸発区画との接合部に通じることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ベアリング供給経路が、前記加熱手段の中間部分から通じることを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記ベアリングとの連結部に収集空間が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記供給ポンプからの液体と熱交換してベアリングへと運ばれる流れを冷却するため、前記ベアリング供給経路に熱交換器が含まれることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記膨張器が回転式膨張器であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記ベアリング供給経路が、前記膨張器の回転要素を支持する各ベアリングへとつながることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記膨張器がツインスクリュー型膨張器であることを特徴とする請求項６または７に記載のシステム。
9. 作動流体用の閉回路を備え、熱源からの熱を用いて発電する蒸気発電システムであって、
   当該システムは、
   熱源からの熱を用いて加圧下で流体を加熱する加熱手段と、
   蒸気を膨張させて発電する複数スクリュー型膨張器と、
   前記膨張器からの出口流体を凝縮する凝縮器および前記凝縮器から前記ヒータへと凝縮された流体を戻す供給ポンプ手段と、を備え、
   前記供給ポンプ手段によって加圧された液相を、前記膨張器の回転要素用の少なくとも一つのベアリングに搬送するためのベアリング供給経路が配置されており、前記ベアリングに搬送された液相が、液相に溶けるか混和性のある前記膨張器用の潤滑剤を含むことを特徴とするシステム。
10. 前記作動流体が、湿り蒸気として前記加熱手段を出ることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のシステム。
11. 前記加熱手段がシングルパスボイラーであることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記複数スクリュー型マシンが潤滑ロータ型であり、前記ベアリング供給経路が前記マシンのオイル供給ポートに通じることを特徴とする請求項８または９に記載のシステム。
13. 前記ロータが互いに実質的に回転接触する部分を有することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
14. 前記互いに実質的に回転接触するロータ部分が、共通の直線ラック部により画定されるインボリュート部分であることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 前記互いに実質的に回転接触するロータ部分が、前記ロータ断面のピッチ円に近接して位置することを特徴とする請求項１４または１５に記載のシステム。
16. 前記凝縮器および前記供給ポンプ手段に連通し、前記凝縮器内に凝縮された液体を受け入れる液体レシーバを備えることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載のシステム。
17. 前記複数スクリュー型マシンが、前記複数スクリュー型マシンからの潤滑剤を受け入れるために前記液体レシーバと連通する潤滑剤ドレインを備えることを特徴とする請求項１２および１６に記載のシステム。
18. 排気熱源が内燃機関であり、前記作動流体がクロロテトラフルオロエタンであることを特徴とする請求項１ないし１７のいずれかに記載のシステム。

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