JP2014510872A - 有機ランキンサイクルにおいて用いられるターボエクスパンダのための封止システム - Google Patents

Abstract

周囲の空気の有機ランキンシステムの中への侵入と、プロセスガスの有機ランキンシステムから外への脱出とを制御するための方法およびシステムが説明される。有機ランキンシステムが動作しているときには、プロセスガスの脱出を防止するために、例えば二重ドライガスシールなどの第１の密封機構を用いることができる。有機ランキンシステムが静止モードにあるには、周囲の空気の侵入を防止するために、例えば膨張可能な静止リングシールなどの第２の密封機構を用いることができる。例えば周囲の空気の侵入が生じシステムパージが必要であるかどうかを判断するために、１つまたは複数の圧力センサが、有機ランキンシステムに設置することができる。
【選択図】図２

Description

ここで開示される主題の実施形態は、一般には発電システムに関し、更に詳しくはターボエクスパンダに関する。

ランキンサイクルは、閉じたサイクルで作業流体を用いて、熱源またはホットリザーバから熱を収集し、タービンを通過して膨張し電力を生成する高温のガス流を生成する。膨張したストリームは、コンデンサにおいて、熱を低温リザーバに転送することによって圧縮され、再び加熱圧力まで加圧されてサイクルを終了する。ガスタービンや往復機関（１次システム）などの発電システムは、（２次システムによる）以後の発電プロセスにおいて用いられるか、または、周囲への廃熱として失われるかのいずれかである高温排気ガスを生じる。例えば、大型エンジンの排気は、追加的な発電に用いられる廃熱回復システムにおいて回復されることにより、全体的なシステム効率を改善しうる。ランキンシステムで動作している一般的な廃熱発電システムが、図１に示されている。

発電システム１は、ボイラまたはエバポレータとしても知られている熱交換器２と、ターボエクスパンダ４と、コンデンサ６と、ポンプ８とを含む。動作においては、熱交換器２を用いて開始されるのであるが、例えば高温の排ガスである外部熱源１０が、熱交換器２を加熱する。これにより、受け取られた加圧液体媒体１２が、加圧蒸気１４になり、これがターボエクスパンダ４に流れる。ターボエクスパンダ４は、加圧蒸気ストリーム１４を受け取り、加圧蒸気が膨張すると電力１６を生成することができる。ターボエクスパンダ４によって解放された膨張されたより低圧の蒸気ストリーム１８はコンデンサ６に入り、コンデンサ６は、膨張したより低圧の蒸気流ストリーム１８を、より低圧の液体ストリーム２０に圧縮する。このより低圧の液体ストリーム２０は次にポンプ８に入り、ポンプ８は、より高圧の液体ストリーム１２の生成と、閉ループシステムの流れの継続との両方を行う。より高圧の液体ストリーム１２は、次に、このプロセスを継続するために、熱交換器２の中に流れ込む。

ランキンサイクルにおいて用いることができる作業流体の１つは、シクロペンタンなどの有機作業流体である。このコンテキストにおける有機作業流体は、ときには、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）流体と称されることがあり、ＯＲＣ流体を用いるシステムは、ときには、ＯＲＣシステムと称されることがある。安全上の理由により、シクロペンタンを周囲の空気と相互作用させることは望ましくない。

例えば、２つのタイプの漏れの問題が、ＯＲＣシステムにおいて用いられるターボエクスパンダにおいて、処理されるべきである。ＯＲＣシステムが動作しているときには、図１のループ内部の圧力は、周囲の環境と比較して相対的に高く、従って、システムから逃げる（逃れる）シクロペンタンなどのＯＲＣ流体を留めるのが望ましい。ＯＲＣシステムが動作していない、すなわち、静止モードにあるときには、図１のループ内部の圧力は、周囲の環境と比較して相対的に低く、従って、周囲の空気がＯＲＣシステムの中に侵入することを防ぐことが望ましい。

従って、発電システムをより効率的に動作させるためのシステムおよび方法が望まれている。

欧州特許第２０２５８７９号公報

周囲の空気の例えば有機ランキンシステムの中への侵入と、プロセスガスの例えば有機ランキンシステムからの脱出とを制御するための方法およびシステムが説明される。例えば二重ドライガスシールなどの第１の密封機構は、有機ランキンシステムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するのに用いることができる。例えば膨張可能な静止リングシールなどの第２の密封機構は、有機ランキンシステムが静止しているときに、周囲の空気の侵入を防止するのに用いることができる。有機ランキンシステムでは、例えば周囲の空気の侵入が生じシステムパージが必要であるかどうかを判断するために、１つまたは複数の圧力センサを設置することができる。

ある実施形態によると、ターボマシンのシャフト経由での気体の侵入と脱出とを制御するための方法が、システムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するためにシャフトを密封するステップと、ターボマシンが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するためにシャフトを密封するステップと、侵入が発生したかどうかをモニタするために、ターボマシン内部の気体の圧力を検出するステップと、を含む。

別の実施形態によると、電力を発生するためのシステムが、ギアボックスに接続された少なくとも１つのシャフトを有するターボマシンと、このシステムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するために少なくとも１つのシャフトを密封するように構成された第１の密封機構と、このシステムが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するために少なくとも１つのシャフトを密封するように構成された第２の密封機構と、侵入が発生したかどうかをモニタするために、このシステム内部の気体の圧力を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、を含む。

更に別の実施形態によると、電力発生システムが、このシステムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するためにターボマシンのシャフトを密封する手段と、このシステムが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するためにシャフトを密封するための手段と、侵入が発生したかどうかをモニタするために、このシステム内部の気体の圧力を検出するための手段と、を含む。

添付の図面には、以下のように、例示的な実施形態が図解されている。

ランキンサイクルを示している。 例示的な実施形態による有機ランキンサイクルの図解である。 例示的な実施形態による、動作の間のプロセスガスの脱出と静止状態の間の周囲の空気の侵入とを防止するのに用いられる第１の封止機構と第２の封止機構とをそれぞれ示している。 二重ドライガスシールを示している。 例示的な実施形態による、プロセスガスの脱出と周囲の空気の侵入とを制御するための方法を示すフローチャートである。

例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。異なる図面における同じ参照番号は、同一のまたは類似の要素を識別する。更に、図面は、必ずしも寸法通りではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定することはない。そうではなく、本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲によって定義される。

本明細書を通じて「ある実施形態」または「１つの実施形態」を参照する場合には、１つの実施形態との関係で説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示されている主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通じて様々な箇所に現れる「ある実施形態では」または「１つの実施形態では」という表現は、必ずしも同一の実施形態を参照しているのではない。更に、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な態様で組み合わされる場合がありうる。

発明の背景の項目において説明され、図１に示されているように、ランキンサイクルは、廃熱エネルギの一部を捕捉する発電システムにおいて用いることができる。上述した２つの本質的に対立する密封要件、すなわち、動作中の密封要件と静止状態における密封要件とに対処するため、例示的な実施形態が、周辺空気の侵入とプロセスガスの脱出との両方を防止するためにターボエクスパンダ４を密封する複合的な密封構成を提供する。より詳しくは、システムが動作している間はＯＲＣ流体の潜在的な脱出に対処するために、例示的な実施形態は、例えば二重ドライガスシールのような第１の密封機構を用いる。システムが静止状態の間に周辺空気の潜在的な侵入に対処するため、例えば膨張可能な静止シールリングのような第２の密封機構もまた提供されうる。本明細書において説明される第１および第２の密封機構は、それぞれが、脱出と侵入とを防止するように主に構成されているが、これらはまた、それぞれが、侵入と脱出とを防止するための何らかの追加的な密封保護も提供することに注意すべきである。更に、制御センサとフィードバック回路とを用いて、密封機構の動作が不適切である場合に、システム内部の検出された圧力レベルに応答して、例えば周辺空気の侵入に関連する警告や制御を提供するように、システムの制御がなされる。

ここで説明される実施形態ではターボエクスパンダにおける密封構成の使用に言及しているが、本発明はそのような限定を有しないことに注意すべきである。より詳しくは、これらの実施形態による密封構成は、例えばコンプレッサなど他のターボマシンにおいても用いることが可能である。

次に、発電のための例示的なシステム２００（単純および簡潔にする目的で、通常のランキンシステムのいくつかのコンポーネントを取り除いてある）について、図２との関係で説明する。なお、システム２００は、これらの実施形態による密封構成を備えた例示的なターボエクスパンダを含んでいる。最初に、システムは加圧され、作業流体が、ポンプ２０２によって閉ループランキンサイクルシステムにおいて（矢印によって示されている方向に）循環される。例えばＯＲＣ流体などの作業流体は蒸発器２０４にポンプで移動され、蒸発器２０４において、作業流体は蒸発される。この加圧蒸気は、次に、ターボエクスパンダ２０６に移動する。ターボエクスパンダ２０６は、この例では、第１の膨張段２０８と第２の膨張段２１０とを有するが、本発明は、例えば単一の段だけを有するまたは２つよりも多くの段を有するようなターボエクスパンダや他のターボマシンにも等しく応用可能である。

第１の膨張段２０８は、この第１の膨張段２０８に入る加圧蒸気の量／速度を規制するインレット誘導羽根２１２を含む。加圧蒸気は、膨張する間にいくらかのエネルギを消費し、第２の膨張段２１０まで移動して、この第２の膨張段２１０に入る蒸気の量／速度をやはり規制する別のインレット誘導羽根２１４を通過して第２の膨張段２１０に入る。蒸気が膨張段２０８および２１０において膨張するにつれて、仕事が実行され、それにより、（例えば、ギアボックス２２０に接続された対応のホイール（図示せず）を経由して）対応のシャフト２１６、２１８を回転させる。単一のシャフト２２２がギアボックス２２０を発電機２２４に接続する。そして、電力２２６が発電機２２４から出力される。

図２のランキンサイクル部分に戻ると、膨張された蒸気は、第２の膨張段２１０を去り、ターボエクスパンダ２０６から出て、作業流体の熱交換を可能にする熱交換器２２８に至る。作業流体は、次に、ランキンサイクルの他のステップ（図示せず）を通過して、ポンプ２０２に至り、サイクルを反復する。センサ２３０は圧力モニタリングセンサを表し、コントローラ２３４は電力発生システムの設定を制御して、警告を提供するが、これらについては共に後で更に詳細に述べる。２つの圧力センサ２３０が図解されているが、より多くまたはより少なく設置することもできる。純粋に説明的な実施形態によると、圧力センサまたはトランスデューサ２３０もまた、あるいは、参照番号２１６および２１８によって示された（また、シャフトと関連する）位置に実質的に配置されうる。

ある実施形態による例えばターボエクスパンダ２０６におけるシャフト２１６および／または２１８のような密封のための例示的な密封カートリッジ３００が、図３に図解されている。図３では、密封カートリッジが、システムのＬＰ段へのベント３０４の上流に配置されている第１のプロセスラビリンスシール３０２と、二重ドライガスシール３１０の外側にバッファガスを提供するインプットポート３０８の上流に配置されている第２のプロセスラビリンスシール３０６とを含む。二重ドライガスシール３１０は、本明細書では第１の密封機構の例としても参照され、図４と関係して後で詳述されるのであるが、図３ではプロセスラビリンスシール３０６に隣接して配置され、ポート３１２経由で例えばＯＲＣプロセスガスなどの密封ガスを与えられる。密封カートリッジ３００は、また、実施形態に従って動作し、システムが静止状態のときにシステムを密封する膨張可能で静的な密封リング３１４を含む。この密封リング３１４は、この実施形態による第２の密封機構の例である。更に、二重ドライガスシール３１０は、始動時にシステムの中に周囲の空気が侵入することに関する膨張可能で静的な密封リング３１４のバックアップとして動作可能である。

膨張可能で静的な密封リング３１４は、この例示的な実施形態によると、二重ドライガスシール３１０と大気への出口を与える加圧ベント３１６との間に配置される。ある例示的な実施形態によると、圧力センサ２３０を加圧ベント３１６の内部に配置し、後述するように用いることができる密封システムのこの部分の内部の気体圧力の測定をすることが可能である。バッファシール３１８もまた、密封カートリッジ３００の中に含めることもできる。

図４に示されているように、第１の密封機構３１０として用いることができる例示的なタンデム型の（二重とも称される）ドライガスシールシステム４００は、第１のシール４０２と第２のシール４０４とを含み、これらは共に単一のパッケージに含まれている。システム２００の正常な動作の間は、第１のシール４０２は、処理されたガスの全圧力を含むように動作し、他方で、第２のシール４０４は、第１のシール４０２が故障するまたは過剰なリークを生じている場合にのみ動作するように設計されているバックアップとして作用する。一般的に、第１の気体源４０６からの来る条件付きの気体フローは、例えばシクロペンタンなどのプロセスガスからドライガスシール４００を分離するために、シール４０２の上流に注入される。タンデム４００における第２のシール４０４は、ソース４０８から、より低圧のガスを受け取ることがある。それぞれのシール４０２、４０４は、典型的には、静止ディスク４１０および４１２と、移動ディスク４１４および４１６とをそれぞれ含む。

実施形態によると、制御システム２３４は、また、密封構成２００と共にも、用いられる。ランキンサイクルプラントまたはシステム２００のシャットダウンが長びいている間は、周囲の空気と例えばシクロペンタンなどのＯＲＣ流体の蒸気圧との間の圧力差に起因して、空気がシステムに侵入する危険性が存在する。この可能性に対処するため、ある実施形態による制御システムは、（ａ）例えば図１のような有機ランキンシステムのループ内部か（ｂ）ターボエクスパンダの内部の気体圧力を測定する圧力トランスデューサもしくはセンサ２３０の少なくとも一方か、または、両方を含む。検出された気体圧力が例えばシクロペンタンなどのＯＲＣ流体の予測される蒸気圧を超える場合には、制御システムは、空気がシステムに侵入したとの結論に達する、または、そのように示し、例えば、オペレータによって読み取られるユーザインターフェースに対し、システムを浄化すべきであるとの信号を送る。システムの動作の間、圧力測定値は、例えば、ドライガスシールの一体性が維持されていることを確認するのに用いることができ、すなわち、万が一、シールの両側での圧力変化がある閾値を上回る場合には、これは、おそらくは、シールの一体性が既に破綻している／破綻しつつあることを意味する。

よって、図５に図解されているように、例えば有機ランキンサイクルシステムなどのシステムで動作しているターボマシンのシャフト経由でのガスの侵入および脱出を制御するための複合的な方法は、いくつかのステップを含みうる。そこでは、ステップ５００において、例えばターボエクスパンダのシャフトが、システムが動作しているときのプロセスガスの脱出を防止するために、例えば二重ドライガスシールにより、密封される。ステップ５０２では、シャフトは、また、システムが静止状態のときに周囲の空気の侵入を防止するために、密封される。更に、ステップ５０４に示されているように、システム内部の気体圧力が、侵入が発生したかどうかをモニタするために、検出される。

以上の例示的な実施形態は例示的な有機ランキンサイクルシステムに焦点を合わせたものであるが、これらの実施形態による密封システムおよび方法は、有機ランキンサイクルシステムに限定されることはないことに注意すべきである。例えば、しかし制限がないわけではないが、このような密封システムおよび方法は、液化天然ガス（ＬＮＧ）システムに応用されるまたは提供されることも可能である。

上述した例示的な実施形態は、限定ではなく、本発明に関するすべての点で説明を意図するものである。よって、本発明は、当業者によれば、本明細書に含まれている説明から導くことが可能な詳細な実装例において、多くの変更を行うことが可能である。そのようなすべての変更および修正は、後述する特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および精神に属すると考えられる。明示的に記載がある場合でなければ、本出願の明細書で用いられているどの要素、動作、または命令も、本発明にとって決定的で必須のものであると解釈されるべきではない。

本明細書は、例を用いて、最良の形態を含めて本発明を開示し、当業者が本発明を実施できるようにしており、この実施は任意の装置またはシステムを作成および使用することと、任意の組み込まれた方法を実行することとを含む。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含みうる。このような他の例は、それらが請求項の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または、それらが請求項の文言の中に均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲に含まれるものとする。

１ 発電システム
２ 熱交換器
４ ターボエクスパンダ
６ コンデンサ
８ ポンプ
１０ 外部熱源
１２ 加圧液体媒体
１４ 加圧蒸気
１６ 電力
１８ より低圧の蒸気ストリーム
２０ より低圧の液体ストリーム
２００ システム
２０２ ポンプ
２０４ 蒸発器
２０６ ターボエクスパンダ
２０８ 第１の膨張段
２１０ 第２の膨張段
２１２ インレット誘導羽根
２１４ インレット誘導羽根
２１６ シャフト
２１８ シャフト
２２０ ギアボックス
２２２ シャフト
２２４ 発電機
２２６ 電力
２２８ 熱交換器
２３０ センサ
２３４ コントローラ
３００ 密封カートリッジ
３０２ 第１のプロセスラビリンスシール
３０４ ベント
３０６ 第２のプロセスラビリンスシール
３０８ インプットポート
３１０ 二重ドライガスシール
３１２ ポート
３１４ 密封リング
３１６ 加圧ベント
３１８ バッファシール
４００ ドライガスシールシステム
４０２ 第１のシール
４０４ 第２のシール
４０６ 第１の気体源
４０８ ソース
４１０ 静止ディスク
４１２ 静止ディスク
４１４ 移動ディスク
４１６ 移動ディスク
５００ ステップ
５０２ ステップ
５０４ ステップ

Claims (20)

1. ターボマシンのシャフトを経由しての気体の侵入と脱出とを制御するための方法であって、
   ターボマシンが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するために前記シャフトを密封するステップと、
   ターボマシンが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するために前記シャフトを密封するステップと、
   前記侵入が発生したかどうかをモニタするために、前記ターボマシン内部の気体の圧力を検出するステップと、
   を含む方法。
2. 前記ターボマシンが有機ランキンサイクルシステムの一部である、請求項１記載の方法。
3. 前記気体の前記圧力を検出する前記ステップが、前記ランキンサイクルシステムのループ内部において、前記ターボマシンの外部でも実行される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記プロセスガスはシクロペンタンである、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記ターボマシンがターボエクスパンダである請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記プロセスガスの脱出を防止するために前記シャフトを密封する前記ステップが、二重ドライガスシールを用いて実行される、請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記有機ランキンサイクルシステム内部の前記ガスの前記検出された圧力が所定の閾値よりも上にある場合には、前記有機ランキンサイクルシステムのパージ動作が実行されることを求める信号を送るステップを更に含む、請求項１乃至６のいずれか１項記載の方法。
8. 発電システムであって、
   ギアボックスに接続された少なくとも１つのシャフトを有するターボマシンと、
   このシステムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するために前記少なくとも１つのシャフトを密封するように構成された第１の密封機構と、
   このシステムが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するために前記少なくとも１つのシャフトを密封するように構成された第２の密封機構と、
   前記侵入が発生したかどうかをモニタするために、このシステム内部の気体の圧力を検出するように構成された少なくとも１つのセンサと、
   を含む発電システム。
9. 前記少なくとも１つのセンサが前記ターボマシンの内部に配置されている、請求項８記載のシステム。
10. 前記少なくとも１つのセンサが、前記有機ランキンサイクルシステムのループ内部において、前記ターボマシンの外部に配置されている、請求項８または９記載のシステム。
11. 前記プロセスガスはシクロペンタンである、請求項８乃至１０のいずれか１項記載のシステム。
12. 前記ターボマシンがターボエクスパンダである請求項８乃至１１のいずれか１項記載のシステム。
13. 前記第１の密封機構が二重ドライガスシールである、請求項８乃至１２のいずれか１項記載のシステム。
14. 前記少なくとも１つのセンサから測定値を受け取るように構成され、かつ、前記有機ランキンサイクルシステム内部の前記ガスの前記検出された圧力が所定の閾値よりも上にある場合には、前記有機ランキンサイクルシステムのパージ動作が実行されることを求める信号を送るように構成されたコントローラを更に含む、請求項８乃至１３のいずれか１項記載のシステム。
15. 前記ターボエクスパンダのアウトレット側に流体的に接続されており、膨張した蒸気ストリームを受け取り液体ストリームに圧縮するように構成されたコンデンサと、
    前記液体ストリームを受け取り、前記液体ストリームを加圧し、前記液体ストリームを前記熱交換器に循環させるように構成された前記コンデンサのアウトレット側に流体的に接続されたポンプと、
    前記ポンプのアウトレット側に流体的に接続されており、前記加圧された流体ストリームを受け取り、前記加圧された流体ストリームを加圧された蒸気ストリームに蒸発させるように構成された熱交換器と、
    を更に含む、請求項８乃至１４のいずれか１項記載のシステム。
16. 発電システムであって、
    前記システムが動作しているときに、プロセスガスの脱出を防止するためにターボマシンのシャフトを密封する手段と、
    前記システムが静止モードにあるときに、周囲の空気の侵入を防止するために前記シャフトを密封するための手段と、
    前記侵入が発生したかどうかをモニタするために、前記システム内部の気体の圧力を検出するための手段と、
    を含む発電システム。
17. 前記ガスの前記圧力を検出する前記手段が、前記ターボマシンの内部で実行される、請求項１６記載の発電システム。
18. 前記ガスの前記圧力を検出する前記手段が、有機ランキンサイクルシステムのループ内部において、前記ターボマシンの外部で実行される、請求項１６または１７記載の発電システム。
19. 前記プロセスガスはシクロペンタンである、請求項１６乃至１８のいずれか１項記載の発電システム。
20. 前記ターボマシンがターボエクスパンダである、請求項１６乃至１９のいずれか１項記載の発電システム。