JP2014501899A - 有機作動媒体を蒸発させる方法および装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、熱供給媒体の熱を該熱供給媒体とは異なる作動媒体へ移送する熱交換器（１）と、第１温度を有する熱供給媒体の流れを熱源から熱交換器へ供給する第１供給デバイスと、第１温度を有する熱供給媒体の流れに、熱交換器を通過した後の熱供給媒体および／または第１温度よりも低い第２温度を有する別の媒体を運ぶよう設計された第２供給デバイスと、を備えるデバイスを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱源から有機媒体の使用を通じて電気エネルギを生成する際に、有機作動媒体を直接的に蒸発させる装置に関する。

有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）法による蒸気タービンなどの膨張機器の取り扱いが知られている。有機ランキンサイクル法は、低い蒸発温度を有する有機媒体などの有機媒体の使用を通じて電気エネルギを生成する方法である。そのような有機媒体は一般に、作動媒体としての水と比較して同じ温度でより高い蒸気圧を有する。ＯＲＣプラントはランキンサイクルを実現する。ランキンサイクルでは基本的に、例えば作動媒体の状態の断熱変化および等圧変化によって電気エネルギが得られる。作動媒体の蒸発、膨張およびそれに続く凝縮によって機械的エネルギが生成され、そのように生成された機械的エネルギは電気エネルギに変換される。基本的に、フィードポンプによって作動媒体の圧力は動作圧力まで高められ、燃焼または排熱流によって提供される熱エネルギは熱交換器において作動媒体に供給される。作動媒体はエバポレータから圧力パイプを通じてＯＲＣタービンへと流れ、そこでより低い圧力へと膨張する。続いて膨張した作動媒体蒸気はコンデンサを通じて流れる。コンデンサでは、蒸気作動媒体と冷媒との間での熱交換が行われる。次に、凝縮した作動媒体はフィードポンプによってサイクルのエバポレータへと戻される。

水と比較して、有機媒体はより低い分解温度を有することは明らかである。分解温度は媒体の分子結合が破壊される温度である。媒体の分子結合が破壊されると作動媒体が破壊され、また、作動媒体は腐食性または毒性のある反応生成物へと分解されうる。生蒸気の温度が媒体の分解温度よりも低くても、流れが不十分となっている場所では分解温度をかなり超えるようなことも起こりうる。流れの不十分な場所はとりわけ蒸気に曝されている熱交換器の領域で生じうる。また、フィードポンプが動作しなくなると、熱交換器を通じた流れは遮断される。それによって、作動媒体は、蒸発のために使用される熱源の温度に直接曝されることとなる。

作動媒体が分解温度を超える温度まで熱せられることを避けるために、ＯＲＣプラントでは一般的な中間サイクルが使用される。そこでは、蒸発のために使用される高温媒体（燃焼ガス）から中間サイクルを通じてエバポレータへ熱が移送される。典型的には、そのような中間サイクルにおいては熱媒オイルが使用される。この熱媒オイルの温度安定性は作動媒体の温度安定性よりも高い。熱媒オイルを使用した単相熱移送によって、作動媒体が蒸発する熱交換器を通じてのより一様な流れが実現可能となる。しかしながら、この解法は以下の不利な点を示す。第１に、熱媒オイルは多くの場合可燃性である。したがって、熱媒オイルの酸化を避けるために、熱媒オイルサイクルは主に窒素からなる圧力と共に設けられる必要があり、これはプラントを技術的に複雑かつ高価なものとする。加えて、熱媒オイルは高い熱負荷のために経年劣化しやすく、定期的に交換する必要がある。これは、プラントのダウンタイムを生じさせ、またコストを増大させる。さらに、熱媒オイルの高い粘性のために、オイルを輸送する循環ポンプの電気的特性が重要となってくる。さらに、熱媒オイルを使用すると、作動媒体を直接的に蒸発させる場合であって中間サイクルが必要とされない場合と比較して、移送可能な熱がかなり低減され、したがって得られる電力もかなり低減される。

上述の不利な点を克服し、特に作動媒体の温度を確実に分解温度より低くすることができる改良されたＯＲＣ方法を提供することが、本発明の目的である。最も一般的な意味では、熱交換器の温度を、過剰温度を避けることができるように制御することが目的である。

上述の目的は、熱供給媒体の熱を該熱供給媒体とは異なる作動媒体へ移送する熱交換器と、第１温度を有する熱供給媒体の流れを熱源から熱交換器へ供給する第１供給デバイスと、第１温度を有する熱供給媒体の流れに、熱交換器を通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部および／または別の媒体を供給する第２供給デバイスと、を備える装置によって達成される。熱交換器を通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部および別の媒体のそれぞれは、第１温度よりも低い第２温度を有する。

特に、熱交換器はエバポレータの形で提供されてもよい。作動媒体はエバポレータ内で蒸発する。本発明によると、熱交換器／エバポレータに供給されるときの熱供給媒体の温度は熱源のみによって与えられるのではなく、熱交換器へ供給される熱供給媒体の流れへの、熱交換器を通過した後の熱供給媒体の再循環および／または別の媒体の供給によって実質的に制御される。従来技術とは異なり、この温度制御は熱交換器へのより一様な供給を可能とし、熱交換器における過剰温度を避けることができる。上述の通り、熱交換器を通過した後の熱供給媒体の再循環の代わりにまたはそれに加えて、熱供給媒体の流れに、第２温度を有する別の媒体を加えてもよい。特に、この別の媒体は、装置の外部から供給される周囲の空気であってもよい。

特に、熱供給媒体は、例えば熱源としての化石燃料の燃焼において生成される高温燃焼ガスであってもよい。特に、作動媒体は有機物質であってもよい。上述の熱交換器はシェルアンドチューブ式熱交換器であってもよい。シェルアンドチューブ式熱交換器は例えば、煙管ボイラや、水管ボイラや、プレート熱交換器である。シェルアンドチューブ式熱交換器では、作動媒体はボイラのシェル内で運ばれ、燃焼ガスはチューブの中をボイラを通じて運ばれる。したがって、一例では、上記装置は蒸気発電プラント、特に有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）プラントの一部である。ＯＲＣプラントはさらに、タービンなどの膨張機器と、ジェネレータと、エバポレータで蒸発した作動媒体をタービンへ供給するデバイスと、を備える。膨張した蒸発作動媒体はタービンから輸送手段（例えば、導管）を通じてコンデンサへと供給されてもよい。コンデンサでは、蒸発作動媒体が凝縮される。そこで液化された作動媒体は、サイクルプロセスにおいて、フィードポンプによって熱交換器へと戻されてもよい。

本発明によると、熱交換器において熱供給媒体の温度が作動媒体の分解温度よりも低くなるよう制御することによって、有機作動媒体の分解をより確実に回避することができる。

さらなる改良によると、第２供給デバイスは、熱交換器に供給される流れに、熱交換器を通過した後の冷却された熱供給媒体および／または別の媒体を再循環させるためのファンまたは真空デバイスを含む。ファンは、再循環のための廉価で効率的な手段を提供する。代替的または追加的に、第１供給デバイスは、第２供給デバイスから媒体を吸引するための真空デバイスを含んでもよい。

別のさらなる改良によると、第２供給デバイスは、第１温度を有する熱供給媒体の流れに、熱交換器を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体を、それが流れの周囲に亘って同様に分布するように供給する。これにより、例えば熱源から直接来る高温燃焼ガスとエバポレータを通過した後再循環されてくる冷却された燃焼ガスとの一様な混合が可能となり、高温ガスストランドの形成を回避することができる。

本発明に係る装置の上記の例では第１供給デバイスは、第１温度を有する熱供給媒体を導く第１導管を含んでもよい。第２供給デバイスは、熱交換器を通過した後の熱供給媒体を導くおよび／または別の媒体を導く第２導管を含んでもよい。本装置はさらに、第１導管内の第１温度を有する熱供給媒体と第２導管内の熱交換器を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体とを流体的に接続するよう設計されたミキシングピースまたはミキシングセクションを備えてもよい。ミキシングピースまたはミキシングセクションは、孔を有する第１導管の部分およびその部分を環囲する第２導管の部分であってもよい。孔は第１導管の部分のシェルに形成される（後述の詳細な説明も参照）。

また、本発明は、本発明に係る上記の例示的な装置のうちのひとつに係る装置を備える蒸気発電プラントを提供する。別の媒体は、蒸気発電プラントの外部または内部から提供される周囲の空気であってもよい。

上述の目的は、熱発電プラントにおいて作動媒体を蒸発させる方法によっても解決される。この方法は、液体状態の作動媒体をエバポレータに供給するステップと、作動媒体とは異なる第１温度を有する熱供給媒体を熱源からエバポレータに供給するステップと、熱源からエバポレータに供給される熱供給媒体の流れに、エバポレータを通過した後の第１温度よりも低い第２温度を有する熱供給媒体の少なくとも一部を再循環させるおよび／または別の媒体（例えば、周囲の空気）を供給するステップと、を含む。

エバポレータを通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部を再循環させ、かつ、周囲の空気などの別の媒体を供給するステップは、ファンおよび／または真空デバイスによって達成されてもよい。エバポレータを通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部は、第１温度を有し熱源からエバポレータへ供給される熱供給媒体の流れと、この流れの周囲に亘って分布するように混合されてもよい。別の媒体もまた、熱源からエバポレータへ供給される熱供給媒体の流れの周囲に亘って供給されてもよい。作動媒体は有機物質であるかまたは有機物質を含んでもよく、熱供給媒体は燃焼ガスであるかまたは燃焼ガスを含んでもよい。

本発明に係る方法および本発明に係る装置の上記全ての例によると、熱交換器から流れ出た後の熱供給媒体を所望の通りに加熱または冷却することによって、熱交換器に流入する際の熱供給媒体の混合温度を調整するためのより大きな柔軟性を得ることができる。したがって、方法の上記さらなる改良によると、エバポレータを通過した後であって熱源からエバポレータへ供給される熱供給媒体の流れに供給される前の熱供給媒体を第２温度へと加熱または冷却することが可能となる。外気などの別の媒体もまた、熱源からエバポレータへ供給される熱供給媒体の流れに供給される前に加熱または冷却されうる。

上記の例において、方法はさらに、エバポレータにおいて蒸発した作動媒体を膨張機器に供給して蒸気作動媒体を膨張させるステップと、膨張した蒸気作動媒体をコンデンサに供給してその膨張した蒸気作動媒体を液化するステップと、液化した作動媒体をエバポレータに供給するステップと、を含んでもよい。

追加的な特徴および例示的な実施の形態は、本発明の利点と共に、図面を用いて以下により詳細に説明されるであろう。保護範囲は実施の形態に限定されないことは理解されるであろう。以下に説明されるいくつかまたは全ての特徴は互いに別の方法で組み合わせ可能であることは理解されるであろう。

中間サイクルを含まない（左）従来のＯＲＣプラントと中間サイクルを含む（右）従来のＯＲＣプラントとを示す模式図である。 本発明に係るＯＲＣプラントの例を示す模式図である。 直接的蒸発による従来の蒸発方法（左）および再循環冷却燃焼ガスを使用した本発明に係る方法（右）のそれぞれにおけるＴＱ図である。 高温燃焼ガスと冷却された再循環燃焼ガスとを混合するためのミキシングピースを示す図である。

図１は、直接的蒸発に基づく従来のＯＲＣプラント（左）および中間サイクルを含むＯＲＣプラント（右）を示す。エバポレータ１は熱交換器として動作する。エバポレータ１には、図１の左側において左矢印によって示されるように、熱源（不図示）から例えば燃焼ガスによって熱が供給される。燃焼ガスは燃料の燃焼において生成される。エバポレータ１内では、フィードポンプ２によって供給される作動媒体に熱が供給される。例えば、熱交換器の下流において、作動媒体は完全に蒸発するかまたはフラッシュ蒸発により蒸発する。作動媒体の蒸気は圧力管を通じてタービン３へと導かれる。タービンにおいて、作動媒体の蒸気は膨張し、タービン３はジェネレータ４を駆動して電気エネルギが得られる（これは、図１において右矢印で示される）。膨張した作動媒体の蒸気はコンデンサ５において凝縮され、液化した作動媒体はフィードポンプによってエバポレータ１へと戻される。

図１の右側に示されるように中間サイクル６が使用される場合、燃焼ガスから作動媒体への熱移送はエバポレータにおいて直接的に実現されるのではなく、中間サイクル６の熱媒オイルなどの媒体によって実現される。中間サイクル６は熱交換器７を含む。熱交換器７において、燃焼ガスは熱を中間サイクル６の媒体へ移す。ポンプ８は中間サイクル６の媒体を熱交換器７へ供給する。中間サイクル６の媒体は熱交換器７からエバポレータ１へと流れ、その結果作動媒体は蒸発し、タービン３へと供給される。

図２は、本発明の例示的な実施の形態を示す。図１に示される従来技術に関連して既に説明された要素には同じ参照符号が与えられる。従来技術とは異なり、作動媒体を蒸発させるのに使用された媒体（例えば、燃焼ガス）は、それがエバポレータ１に供給された後、ＯＲＣプラントへと部分的に再循環される。したがって、エバポレータ１へ供給された後、冷却された燃焼ガス１０の一部は熱源から来る高温燃焼ガスの流れと、例えば（再循環）ファン９によって混合される。

ＯＲＣプラントそのものは例えば、地熱プラントまたは太陽熱プラントであってもよく、または熱源として化石燃料の燃焼を含んでもよい。従来のＯＲＣプラントで使用されている任意の「乾式媒体（dry media）」（例えば、Ｒ２４５ｆａ）や「湿式媒体（wet media）」（例えば、エタノール）や「等エントロピー媒体」（例えば、Ｒ１３４ａ）を、作動媒体として使用してもよい。ＧＬ１６０などのシリコンベースの合成作動媒体を使用してもよい。

上記によると、図示の実施の形態は、フィードポンプ５の不具合などのシステム不具合に起因するまたはエバポレータを通じた熱供給媒体（燃焼ガス）の不均一な流れに起因する過剰温度の結果として発生しうる作動媒体の破壊のリスクを含まない。

本発明に係る実施の形態の利点はこれだけではない。図３は、直接的蒸発による従来の蒸発方法（左）および再循環冷却燃焼ガスに基づく本発明に係る方法のそれぞれにおける温度／移送可能熱（ＴＱ）図の比較を示す。エバポレータ１に高温燃焼ガスを直接的に供給する場合と比較して、エバポレータ１を通過した後の冷却された燃焼ガスの少なくとも一部を再循環させる場合はエバポレータ１における熱移送媒体の入口温度は低下する。さらに、冷却曲線の傾きは、燃焼ガス温度の低下のみによって引き起こされる傾きほどは強くは減少しない。この効果はより大きな質量流によって部分的に補償されるからである。

再循環され冷却された燃焼ガスの残留熱は従来の方法では単に捨てられていたが、本実施の形態では、エバポレータ１における熱移送のために再度利用可能となる。図３の右側では、これはハッチングされたバーによって示されている。燃焼ガスおよび作動媒体のＴＱ曲線の最も良い近似のピンチポイントは、プレヒータの終端に位置する。プレヒータは多くの場合エバポレータ１の上流に接続されているか、またはエバポレータ１の一部とみなされうる。したがって、ピンチポイント温度ΔＴ_{Ｐｉｎｃｈ}（放熱（比較的高温）質量流と吸熱（比較的低温）質量流との温度差であり、この場合、燃焼ガスおよび作動媒体のＴＱ曲線の最も良い近似の点における差である）が一定に保たれる場合、エバポレータ１において移送可能な熱は低減されない。

従来の方法と比較して、エバポレータ１に流入する際の混合燃焼ガスの温度とエバポレータ１から流出する際の燃焼ガスの温度との間の温度勾配はより小さい。しかしながら、単位時間当たりでより大きな質量流がエバポレータ１を流れるので、熱移送係数Ｕは増大する。その結果、理論的には、エバポレータの面積Ａを顕著に増大させなくても、燃焼ガスの理想的なスループットを達成できる。しかしながら、実際は、排ガスのバック圧力のかなりの増大を避けるような面積が採用されるであろう。エバポレータ１の単位時間当たりの移送可能熱流は、Ｕ・Ａ・ΔＴ_Ｍによって規定される。ΔＴ_Ｍは対数平均温度差を表す。熱交換器に燃焼ガスが流入する際の混合温度として摂氏３００度から摂氏２００度を得るための、典型的な再循環質量流のレートは、燃焼ガス質量流の１０パーセントから６０パーセントの範囲にある。

本発明によると、再循環ガスの熱量が追加されることで、燃焼ガスの入口温度の低下に起因する移送可能な熱量の低減効果は軽減されるようになる。

最も単純な場合では、熱源からエバポレータ１へ供給される高温燃焼ガスとエバポレータ１を通過した後の冷却された燃焼ガスとの混合は、Ｙチューブセクションによって実現される。しかしながら、そのように実現される混合においては、混合ガスのなかに高温ストランドが発生しうる。これは、エバポレータ１への不均一な供給を引き起こす。基本的には、従来技術に係る通常のガスミキサを使用してもよい。

エバポレータ１を通過した後の冷却された燃焼ガスが高温燃焼ガス流に、この流れの周囲に亘って分布するように供給される場合、より良い混合を得ることができる。例えば、図４に示されるように、混合はミキシングピースによって実現されてもよい。このミキシングピースは、高温燃焼ガス流を導く第１導管の部分２１であって孔２２を有する部分２１と、再循環燃焼ガスを導く第２導管の部分２３と、を含む。孔２２は第１導管の部分２１のシェルに形成される。第２導管の部分２３は、第１導管の部分２１を環囲し、ガスケット２４によって外側に対してシールされている。再循環燃焼ガスはファンによって加圧され、第１導管のシェルの部分に設けられた孔２２を通じて第１導管内に押し込まれる。これにより、再循環燃焼ガスと高温燃焼ガスとの均一な混合が可能となる。

Claims (15)

1. 熱供給媒体の熱を該熱供給媒体とは異なる作動媒体へ移送する熱交換器（１）と、
   第１温度を有する熱供給媒体の流れを熱源から前記熱交換器（１）へ供給する第１供給デバイスと、
   第１温度を有する熱供給媒体の流れに、前記熱交換器（１）を通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部であって第１温度よりも低い第２温度を有する一部および／または第２温度を有する別の媒体を供給する第２供給デバイスと、
   前記熱交換器（１）を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体を、それが熱源から前記熱交換器（１）へ供給される熱供給媒体の流れに供給される前に、第２温度へと加熱または冷却するデバイスと、を備える装置。
2. 前記第１供給デバイスは真空デバイスを備える、および／または、前記第２供給デバイスはファン（９）および／または真空デバイスを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２供給デバイスは、第１温度を有する熱供給媒体の流れに、前記熱交換器（１）を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体を、それが流れの周囲に亘って同様に分布するように供給する、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記第１供給デバイスは、第１温度を有する熱供給媒体を導く第１導管を含み、
   前記第２供給デバイスは、前記熱交換器（１）を通過した後の熱供給媒体を導くおよび／または別の媒体を導く第２導管を含み、
   本装置はさらに、第１導管内の第１温度を有する熱供給媒体と第２導管内の前記熱交換器（１）を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体とを流体的に接続するよう設計されたミキシングピースまたはミキシングセクションを備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記ミキシングピースまたはミキシングセクションは、
   孔（２２）を有する第１導管の部分（２１）と、
   第１導管の部分（２１）を環囲する第２導管の部分（２３）と、を含み、
   前記孔（２２）は第１導管の部分（２１）のシェルに形成される、請求項３に記載の装置。
6. 作動媒体は有機物質であり、本装置は有機ランキンサイクル装置であり、本装置はさらに、
   特にタービンである膨張機器（３）と、
   ジェネレータ（４）と、
   エバポレータ（１）で蒸発した作動媒体を前記タービンへ供給するデバイスと、を備える、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. タービン（３）と、
   ジェネレータ（４）と、
   コンデンサ（５）と、をさらに備え、
   前記コンデンサは、前記タービン（３）を通過した後の膨張した作動媒体を蒸気状態から液体状態へ凝縮する、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
8. 熱供給媒体の熱を該熱供給媒体とは異なる作動媒体へ移送する熱交換器（１）と、
   第１温度を有する熱供給媒体の流れを熱源から前記熱交換器（１）へ供給する第１供給デバイスと、
   第１温度を有する熱供給媒体の流れに、第１温度よりも低い第２温度を有する別の媒体を供給する第２供給デバイスと、を備える装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の装置を備える蒸気発電プラント。
10. 熱発電プラントにおいて作動媒体を蒸発させる方法であって、
    液体状態の作動媒体をエバポレータ（１）に供給するステップと、
    作動媒体とは異なる第１温度を有する熱供給媒体を熱源からエバポレータ（１）に供給するステップと、
    熱源からエバポレータ（１）に供給される熱供給媒体の流れに、エバポレータ（１）を通過した後の第１温度よりも低い第２温度を有する熱供給媒体の少なくとも一部を再循環させるおよび／または別の媒体を供給するステップと、
    エバポレータ（１）を通過した後の熱供給媒体および／または別の媒体を、それが熱源からエバポレータ（１）へ供給される熱供給媒体の流れに供給される前に、第２温度へと加熱または冷却するステップと、を含む方法。
11. エバポレータ（１）を通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部を再循環させるおよび／または別の媒体を供給するステップは、ファン（９）および／または真空デバイスによって達成される、請求項１０に記載の方法。
12. エバポレータ（１）を通過した後の熱供給媒体の少なくとも一部および／または別の媒体は、第１温度を有し熱源からエバポレータ（１）へ供給される熱供給媒体の流れと、この流れの周囲に亘って同様に分布するように混合される、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 作動媒体は有機物質であるかまたは有機物質を含み、熱供給媒体は燃焼ガスであるかまたは燃焼ガスを含む、請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。
14. エバポレータ（１）において蒸発した作動媒体をタービン（３）に供給して蒸気作動媒体を膨張させるステップと、
    膨張した蒸気作動媒体をコンデンサ（５）に供給してその膨張した蒸気作動媒体を液化するステップと、
    液化した作動媒体をエバポレータ（１）に供給するステップと、をさらに含む請求項１０から１３に記載の方法。
15. 熱発電プラントにおいて作動媒体を蒸発させる方法であって、
    液体状態の作動媒体をエバポレータ（１）に供給するステップと、
    作動媒体とは異なる第１温度を有する熱供給媒体を熱源からエバポレータ（１）に供給するステップと、
    熱源からエバポレータ（１）に供給される熱供給媒体の流れに、第１温度よりも低い第２温度を有する別の媒体を供給するステップと、を含む方法。

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