JP2010534786A - オイルを予熱することなく冷媒システムを起動する方法および装置 - Google Patents

Abstract

ランキンサイクルシステムは、オイル溜めを有したギアボックスによって発電機を駆動するタービンを備える。このランキンサイクルシステムは、エダクタ内で混合された後にオイル溜めへと通流してオイルを加熱すべき、蒸発器からの高温冷媒ガスの混合物によって比較的速く加熱されたオイルと、タービンの底部からのオイルと、を備えることに適応している。

Description

本発明は、一般に、有機ランキンサイクルシステムに関し、特に、潤滑オイルを予熱することなく、このようなシステムを起動する方法および装置に関する。

周知の閉じたランキンサイクルは、作動流体を蒸発させるボイラ即ち蒸発器と、該ボイラからの蒸気を供給して発電機や他の負荷を駆動するタービンと、該タービンから排出された蒸気を凝縮する凝縮器と、この凝縮した流体をボイラへと循環させる装置、例えば、ポンプと、を備える。このようなシステムは、米国特許第３，３９３，５１５号明細書で図示されて説明されている。

エネルギの危機にさらされ、利用可能なエネルギを節約するとともにより効果的に使用することが必要となったことに伴い、ランキンサイクルシステムは、いわゆる「廃熱」もしくはメタンガスのフレアや地熱源のような自然熱源からのエネルギを取り込むように使用されてきた。この目的のために利用されているタービンは、本発明の出願人に譲渡された米国特許第７，１７４，７１６号明細書で図示されて説明されている。

このような冷媒システムを起動するために、タービンの軸受を潤滑するために使用されるオイルは、冷媒が凝縮しオイルを移動させるようになる温度よりも高い温度に加熱される必要がある。これは、ヒータを使用して一般に達成され、このヒータは、温度が上昇してしまえば、その温度を維持するのに効率的であるが、温度を上昇させるのに比較的長い時間がかかってしまう。したがって、このような有機ランキンサイクルシステムを起動する時間を実質的に無くし、可能であれば、オイルヒータを使用する必要が無いことが望ましい。

簡潔には、本発明の一つの特徴は、高温冷媒蒸気が、蒸発器の下流でかつタービン入口弁の上流の点から引き出され、タービンの吸入側ハウジングからオイルを吸い込むエダクタに導かれ、冷媒蒸気とオイルとの混合物をオイル溜めにポンプ輸送して該溜め内のオイルを加熱することである。

従来技術の有機ランキンサイクルシステムの概略図である。 従来技術のオイルの流れを示した、タービンおよびタービン発電機部の概略図である。 本発明のタービンおよびタービン発電機部の概略図である。 本発明の方法を示したフローチャートである。

図１には、有機ランキンサイクルシステムが示されており、該システムは、電気を生成するために廃熱源もしくは自然熱源を使用する目的で一般に利用される形式のものである。有機ランキンサイクルシステムは、流れが直列に流れるような形で、ポンプ１１、蒸発器１２、タービン１３および凝縮器１４を備える。作動流体は、Ｒ−２４５ｆａのような適切な冷媒とすることができる。

ボイラ即ち蒸発器１２を加熱する熱源は、図示されているように蒸発器１２へ温水を供給するガスタービンエンジンの排気ガス、メタンガスのフレア、地熱源などの適切な供給源とすることができる。

タービン１３は、ギアボックス（図示せず）によって、電気を生成する発電機１７に機械的に接続されている。バイパスオリフィス１８が、システムの起動時にタービン１３をバイパスするために設けられており、これにより、冷媒の温度および圧力が、初期段階で望ましいレベルに上がり、タービン１３の適切な動作が確実となる。

凝縮器１４は、図示したようなヒートシンク１９によって、空冷もしくは水冷とすることができる。

図３には、有機ランキンサイクルシステムの一部が示されており、蒸発器１２およびタービン１３が含まれている。タービン１３は、高圧渦形室２１、吸入側ハウジング２２およびインペラ２３を備えており、本発明の出願人に譲渡された米国特許第７，１７４，７１６号明細書で図示されて説明されている形式のものとすることができる。蒸発器１２は、タービン入口弁２４を介して高圧渦形室２１に流体的に接続されている。

動作時には、冷媒蒸気が、蒸発器１２からタービン入口弁２４を介して高圧渦形室２１へと通流した後にノズル２６を通過し、これにより、インペラ２３に動力が与えられてギアボックス２８内のシャフト２７が駆動される。シャフト２７は、発電機３１を駆動するようにギア２９によって接続されている。ギアボックス２８は、オイルクーラ（図示せず）に通流する前にギア２９および軸受３４までオイルをポンプ輸送するオイルポンプ３３およびオイル溜め３２を備える。

冷媒流回路では、オイルは、冷媒中で乳化し、２つの物質からなる混合物をもたらす。したがって、吸入側ハウジング２２内では、図示したように、オイルは、蒸気から分離して吸入側ハウジング２２の底部に集まる。このオイルは、オイル溜め３２へ戻ることが望ましい。これは、１次流れ入口３７および２次流れ入口３８を備えたエダクタ３６によって達成される。図示したように、１次流れ入口３７は、ライン３９を介して高圧渦形室２１に流体的に接続されており、２次流れ入口３８は、ライン４１を介して吸入側ハウジング２２の下部に流体的に接続されている。

動作時には、高圧渦形室２１からの高圧冷媒蒸気が、ライン３９を介してエダクタ３６の１次流れ入口３７へと通流し、これにより、吸入側ハウジング２２からのオイルの２次流れが、ライン４１を通して２次流れ入口３８へと流入し、これらの流れの混合流が、ライン４２を介してオイル溜め３２へと通流する。そして、冷媒蒸気は、ギアボックス２８内で上昇し、ギアボックス２８からライン４５を介して吸入側ハウジング２２へと流入するように、圧力勾配によって移動する。

冷媒およびオイルからなる混合物は、蒸発器１２にも存在し、この混合物中のオイルは、ライン４９を介して吸入側ハウジング２２へと通流する。

一般に、システムの起動時では、オイル溜め３２内のオイルは冷たく、システムにおいて適切に循環させるのに適した状態となっていない。したがって、この問題は、図示したように、ヒータ５１をオイル溜め３２内に配置することにより対策されてきた。一実施例では、ヒータ５１は、比較的短い時間でオイルを加熱することができる電気ヒータである。しかし、この機能を達成するのに必要となる待機時間を無くし、可能であれば、ヒータ５１を全く用いないことが望ましい。

図３を参照すると、高圧渦形室２１は、１次流れ入口３７に接続されておらず、その代わりに、高温の冷媒蒸気が、蒸発器１２の下流でかつタービン入口弁２４の上流の点においてライン５２から取り出されている。この高温冷媒蒸気は、ライン５３を介して１次流れ入口３７へ導かれる。上記のように、オイルは、吸入側ハウジング２２から引き出され、ライン４１を介して２次流れ入口３８へと通流する。しかし、高温冷媒ガスによって、ライン４２を介してオイル溜め３２へと通流するオイルおよび冷媒からなる混合物の温度（つまり温度範囲）が、実質的に高くなる。したがって、オイル溜め３２内のオイルは、従来技術と比べて非常に速く加熱され、これにより、システムを従来よりも早期に起動することが可能となる。したがって、従来技術のオイルヒータ５１を無くすことができる。

図４には、システムを起動する方法として、フローチャートが示されている。最初に、システムを通して冷媒を循環させるために、ポンプ１１が起動される（ブロック５４）。次に、地熱源１６が、蒸発器１２を加熱するように利用される（ブロック５５）。本発明のシステムでは、起動時にオイルが冷たくても、上記の特徴部を備えたシステムが起動するので、オイル温度アラームを無効にすることができる（ブロック５６）。タービン１３を適切に動作させるために、蒸気を過熱する前にシステムを所定の時間だけ作動させる必要があるので、タービン１３をバイパスしながら、システムを通して冷媒を循環させるようにバイパスオリフィス１８が開かれる（ブロック５７）。

次に、システム内（即ち、ギアボックス２８および発電機３１内）でオイルを循環させるために、オイルポンプ３３が起動される（ブロック５８）。蒸発器１２を出た高温冷媒は、エダクタ３６を通流するとともに吸入側ハウジング２２からポンプ輸送されたオイルを加熱した後に、オイル溜め３２へと通流して該オイル溜め３２内のオイルを加熱する（ブロック５９）。オイルが、システムを適切に作動させるのに適した温度に達すると、発電所は、通常運転を再開し、発電モードへと切り替わる（ブロック６１）。

図示した好ましい実施例を参照して、本発明が特に図示されて説明されてきたが、特許請求の範囲によって画定された本発明の真意および範囲を逸脱することなく、詳細部の多くの変更が実施され得ることを、当業者であれば理解するであろう。

Claims (7)

1. 蒸発器と、オイル溜めを有したタービン発電機と、を備えている形式の有機ランキンサイクルシステムの起動方法であって、
   １次流れ入口および２次流れ入口を備えたエダクタを設けるステップと、
   前記蒸発器の出口に前記１次流れ入口を流体的に接続するステップと、
   前記タービンの底部に前記２次流れ入口を流体的に接続するステップと、
   オイルと冷媒蒸気との混合物をオイル溜めにポンプ輸送して該オイル溜め内のオイルを加熱するように前記エダクタを動作させるステップと、
   を含む有機ランキンサイクルシステムの起動方法。
2. 前記オイルが所定の温度レベルに達したときに、前記蒸発器からの冷媒蒸気流を前記タービンに接続することを特徴とする請求項１に記載の有機ランキンサイクルシステムの起動方法。
3. 初期段階において、前記タービンをバイパスしながら、前記システムを通して前記冷媒蒸気流をポンプ輸送することを特徴とする請求項２に記載の有機ランキンサイクルシステムの起動方法。
4. 初期段階において、前記蒸発器に熱を加えることを特徴とする請求項３に記載の有機ランキンサイクルシステムの起動方法。
5. 前記システムは、前記タービンの上流に入口弁を備え、該入口弁は、前記蒸発器と流体的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の有機ランキンサイクルシステムの起動方法。
6. 流れが直列に流れるような形で、ポンプ、蒸発器、タービンおよび凝縮器を備え、このタービンが、オイル溜めを有したギアボックスを介して発電機を駆動するように使用される形式のランキンサイクルシステムであって、
   １次流れ入口および２次流れ入口を備えたエダクタと、
   前記２次流れ入口と前記タービンの底部との間を接続し、前記タービン内のオイルの流れを導く流体接続と、
   前記蒸発器の出口と前記１次流れ入口との間を接続し、該蒸発器内の高温冷媒ガス流を導く流体接続と、
   前記エダクタの出口と前記オイル溜めとの間を接続し、該エダクタ内のオイルおよび高温冷媒ガスの混合物流れを導く流体接続と、
   を備えたランキンサイクルシステム。
7. 前記タービンの上流かつ前記蒸発器の下流に配置されたタービン入口弁を備え、前記蒸発器からの流体接続が、前記タービン入口弁の上流に位置することを特徴とする請求項６に記載のランキンサイクルシステム。

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