JP2015520822A - 有機ランキンサイクルによるエネルギ発生の為のｏｒｃシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

有機ランキンサイクルによるエネルギ発生の為のＯＲＣシステムは、単一ロータディスク（１０８）によって形成され、補助開口（４０ｃ）が設けられた半径方向遠心形のターボエキスパンダ（４０）を備える。補助開口（４０ｃ）は、タービン（４０）の入口（４０ａ）と出口（４０ｂ）との間に入れられ、補助循環路（１０００，２０００）と流体連通されており、噴射圧力及び吐出圧力間の中間圧力で作動流体を、ターボエキスパンダ（４０）から抽出、または、ターボエキスパンダ（４０）に噴射する。

Description

発明の分野

本発明は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を使用してエネルギを生み出す為のＯＲＣシステムに関する。より具体的には、本発明は、２つ以上の圧力レベルを有するサイクルを備えたＯＲＣプラント及び方法、熱電供給ＯＲＣプラント及び方法に関する。

従来技術

知られているように、熱エネルギを機械的及び／又は電気的エネルギに変換する為のランキン熱力学サイクルに基づくＯＲＣプラントにおいて、有機流体は、比較的に低い温度、一般的に１００℃〜３００℃ばかりでなく、それより高温の温度で、熱源を、より効率的に変換することができるので、伝統的な水／蒸気システムの代わりに、有機型の作動流体（高分子量又は中間分子量）が使用されるのが好ましい。そのため、ＯＲＣ変換システムは、様々な部門で（例えば、地熱分野、産業エネルギ再循環、バイオマス・エネルギ生産プラント、集中太陽熱発電（ｃｓｐ）プラント、ガス再充填プラントなど）、次第に、より広く適用されるようになっている。有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を経て熱エネルギを変換する既知の種類の基本プラントは、一般的に、作動流体を加熱、蒸発、過熱させる為の、高温源と作動流体との間で熱を交換する熱交換器／蒸発器と、ランキンサイクルに従って、作動流体に存在する熱エネルギを機械的エネルギに変換することを実現する為に、熱交換器からの出口において蒸気段部の作動流体によって供給されるターボエキスパンダと、タービンによって生み出される機械的エネルギが電気エネルギへと変換される、ターボエキスパンダに有効に接続される発電機と、タービンからの作動流体が出口において凝縮され少なくともポンプに送られる凝縮器と、を備える。ポンプから、流体は熱交換器に送られる。

前述された構成と同様に、ＯＲＣサイクルは、当該サイクルの性能を最適化し、電気及び熱の熱電供給を実現するため、より複雑かつ関節式の既知の構成をとることができる。既知のＯＲＣプラントにおいて、熱電供給は、対圧熱電供給又は換熱器における熱電供給として生じる。換熱及び熱電供給ＯＲＣプラントの既知の構成において、熱は熱ベクトル流体を凝縮熱により加熱することによって発生される。この構成は、一般的に対圧熱電供給として知られている。換熱器を備えたＯＲＣプラントの異なる既知の構成において、換熱器内で、ターボエキスパンダから放出される有機流体蒸気は、ポンプから送出される液体を加熱する為に使用される。このように、蒸発器による熱交換器の量は減少され、全体のサイクル歩留まりは高められる。さらに、換熱器において交換された熱の一部が使用され熱電供給が実現するＯＲＣサイクル設定が知られている。

文献２０１０／００７１３６８は、２つの圧力レベル方法の一例であり、熱の再循環の為のＯＲＣシステムを例示し、それは、第１高圧タービン及び第２低圧タービンを含み、第１タービンは、高圧蒸気を受け、第２タービンは低圧蒸気を受け、第１タービンは、また、低圧蒸気を第２タービンに供給する。同様に知られているのは、共通の蒸気タービンで熱電供給抽出を伴うプラントであり、ここでは、タービン交換機から引かれた蒸気は、水又は流体を加熱する為に、水や他の流体と熱を交換する。水の熱力学的性質によると、共通の蒸気プラントにおいて、蒸気は、凝結温度より少し高い温度で抽出される。このため、タービンから抽出される蒸気は、再生を行う流体に直接熱を与える。

発明の目的

ＯＲＣプラントの分野において、出願人は、２つ以上の圧力レベルで熱電供給抽出サイクルを用いてサイクル（すなわち、ターボエキスパンダ又はその目的の為に存在するエキスパンダの内部の膨張中に有機作動流体の一部の抽出又は噴射を含むサイクル）を実現可能にする装置を最適化することを目的に設定した。

出願人は、また、熱及び電気エネルギを実現することを意図し、タービンから放出される蒸気からの熱の換熱を実現する装置を最適化することを目的に設定した。

出願人は、簡単な機械的解決策を用いて、有機作動流体の吸込／抽出または噴射の実行を可能にする単一のロータリディスク遠心半径方向ターボエキスパンダを採用することによって目的を達成した。

より具体的には、本発明は、有機ランキンサイクルを経てエネルギを生み出す為のＯＲＣシステム（ＯＲＣプラント、すなわち、有機作動流体と組み合わされ、作動流体として有機流体を使用するのに適する）に関し、前記有機作動流体を加熱、蒸発、過熱するように、高温源と前記有機作動流体との間で熱を交換する少なくとも一つの熱交換器と、前記熱交換器から出てくる蒸発された有機作動流体と共に供給される入口を呈する少なくとも一つのターボエキスパンダであって、前記有機作動流体に存在する熱エネルギをランキンサイクルに従い機械的エネルギへと変換させる、前記ターボエキスパンダと、少なくとも一つのターボエキスパンダの出口から出てくる前記蒸発された有機作動流体が凝縮される、少なくとも一つの凝縮器と、前記凝縮器から出てくる前記有機作動流体を前記少なくとも一つの熱交換器に供給する少なくとも一つのポンプと、前記有機作動流体を前記ターボエキスパンダに噴射または前記ターボエキスパンダから有機作動流体を抽出する為の少なくとも一つの補助循環路と、を備え、前記少なくとも一つのターボエキスパンダが半径方向遠心型であり、複数のロータブレードを保有する単一のロータディスクと、入口（及び出口）間に挿入され、前記補助循環路と流体連通された少なくとも一つの補助開口とを備え、入口圧力及び出口圧力の中間圧力で有機作動流体を抽出または噴射する。

本発明は、また、有機欄器サイクルによってエネルギを生み出す為のＯＲＣ方法に関し、有機作動流体を加熱、蒸発、過熱するように、高温源と前記有機作動流体との間で、少なくとも熱交換器内で熱を交換するステップと、少なくとも一つのターボエキスパンダの入口開口を通って前記熱交換器から出口で蒸発される段部で、前記有機作動流体を供給し、前記有機作動流体に存在する熱エネルギをランキンサイクルによって機械的エネルギに変換させるステップと、少なくとも一つの凝縮器において、前記少なくとも一つのターボエキスパンダの出口開口から前記蒸発される段部で前記有機作動流体を凝縮させるステップと、少なくともポンプを経て、前記凝縮器から前記少なくとも熱交換器に向かう前記有機作動流体を供給するステップと、を備え、前記方法は、前記有機作動流体を前記ターボエキスパンダの中に噴射するステップ、又は、少なくとも補助循環路を経て、前記ターボエキスパンダから前記有機作動流体を抽出するステップを更に含み、前記少なくともターボエキスパンダは、半径方向遠心型であり、複数のロータブレードを持つ唯一の回転ディスクと、を備え、噴射開口と吐出開口との間に挿入され、補助循環路と流体連通される、少なくとも補助開口と、を備え、有機作動流体は、入口圧力と吐出圧力との間の中間圧力で、少なくとも補助開口から抽出、又は、少なくとも補助開口の中に噴射される。

出願人は、単一ロータディスク遠心型ターボエキスパンダの構造が、ターボエキスパンダのロータ動態に否定的な衝撃を与えることなく、作動流体の抽出又は噴射の実施を可能にすることを確認した。

実際、補助開口を実現する為に半径方向遠心型タービンの段部の間に開口された導管の実現は、軸方向ターボエキスパンダで生じるように、機械の軸方向の寸法を長くすることにならない。ベアリングに関して典型的に片持ちにされており、ＯＲＣ分野で使用される共通軸方向ターボエキスパンダにおいて、ブレードの２つのライン間の距離は、非常に小さく、この構成において抽出又は噴射を行うことは非常に難しい。噴射導管又は抽出導管に必要な空間を得ることを可能にするため、軸方向タービンを長くすることにより、振動の増加になり、更に／又は、完全に機械をバランスさせる為に機械的要素の構造上の精度を高める必要がある。他方、本発明のタービンディスクの半径方向の寸法の増加は、都合の良いことに、その動態に均等に否定的な衝撃を与えない。

好ましい実施形態において、ターボエキスパンダは、代わるがわる半径方向に配置された複数の段部を備え、補助開口は、これらの段部の間で開口されている。

実施形態において、図示されていないが、ターボエキスパンダには、複数の段部と、噴射及び／又は抽出の為に連続した２つの段部の間に各々が開口された複数の補助開口とが設けられている。実施形態において、補助開口は、連続した段部の各対の間に位置される。異なる実施形態において、補助開口は、複数対の段部の幾つかの間にのみ開口する。

有機作動流体の噴射／抽出チャンバを画成するように、間に補助開口が存在する２つの段部は、好ましくは半径方向に遠ざけられている。

補助開口が間に位置する２つの段部の間の半径方向の距離は、他の段部の間の半径方向の距離より大きい。

複数の段部の間の距離の寸法的限界は、本願で前述した理由のため、軸方向ターボエキスパンダのように狭くない。

補助開口は、（膨張量の方向及び向きに関して）最も半径方向の周辺の段部の上流側に開口するのが好ましい。

異なる実施形態において、複数の段部は、開口の下流側に存在する。

最後の段部から蒸気を抽出することによって、最初の段部が全流量で作動する。このように、ターボエキスパンダの上流側と下流側との間の全体の膨張の歩留まりが最適化される。

好ましい実施形態において、単一のロータディスクは、片持ちで支持される。

これが意味することは、ロータリディスクが持つシャフトが、例えば、２つ以上のベアリングによってケーシング内で支えられること、更に、ロータディスクがシャフトの端部に取り付けられ、シャフトはケーシングに対して片持ちにされていることである。

ターボエキスパンダは、好ましくは、静止ケーシングを備え、単一ロータディスクは、そのケーシング内に収容され、ケーシングも片持ちにされている。

この解決策は、プラントの容積を含むことを可能にし、単一ディスク遠心型ターボエキスパンダがどんな特別な振動問題にも悩まされない点で可能になる。

補助開口は、好ましくは、ケーシングの前壁に余裕がある。

表現「前壁」は、シャフト及びベアリングに対して反対側に面する壁に関連する。

この解決策は、補助循環路の配管をケーシングに取り付け、補助開口と流体連通させて配置することを構造的に容易にする。

実施形態において、補助循環路は、熱電供給及び回収循環路である。

熱電供給及び回収循環路は、ターボエキスパンダの補助開口に接続された第１端部と熱交換器の上流側に接続された第２端部とを示す。

熱電供給及び回収循環路は、好ましくは、第１熱交換器及び第２熱交換器を備え、第１熱交換器において、ターボエキスパンダの補助開口から出てくる有機作動流体は、第２熱交換器から出てくる有機作動流体と熱を交換し、第２熱交換器において、熱機器の為の熱キャリア流体が、第１熱交換器から出てくる有機作動流体によって加熱される。

この構成の利点は、熱電供給への入力温度を選択することができる点にある。この温度を設計変数として使用することによって、第２熱交換器は、交換面と変換歩留まりとの間で最適条件を得るように設計可能になる。さらに、入口における有機流体と出口における熱伝達流体との間には大きな温度差があるので、熱の換熱を実行する第１交換器を挿入することによって、第２交換器は、高熱応力から救われる。

さらに、対圧における構成に関し、本発明は、季節を通して変化する熱需要状態において、より柔軟な機械を得るという利点を有する。実際、固定された高温保存温度を用いた一例として、半径方向の貫流ターボエキスパンダ抽出において、サイクルの電気性能は、熱電供給無しで約２４％から熱電供給有りで２３％まで伸びる。

プラントは、好ましくは、換熱器を更に備え、ここで、少なくともターボエキスパンダの放出開口から出口において蒸気段部の有機作動流体は、少なくともターボエキスパンダから貫流で蒸気段部の有機作動流体が凝縮器内で凝縮される前に、ポンプから送出される有機作動流体と熱を交換する。

本発明のシステムは、新しい柔軟なＯＲＣサイクルの設定を提供し、これは、熱エネルギが必要とされない時期の間、電気エネルギだけの最適化された生産、熱エネルギ及び／又は熱エネルギの部分的熱電供給（すなわち、回収された熱の一部および放散された一部）に対して高い需要がある場合、後述される様々な設定において、全熱電供給又は総熱電供給（少なくともターボエキスパンダによって放出される熱の全てが熱回収部に送られるという意味で）を可能にする。

更なる実施形態において、補助循環路は、ターボエキスパンダに有機作動流体を噴射する為の循環路である。

作動流体をターボエキスパンダに噴射する循環路は、好ましくは、蒸発器を備え、蒸発器において、凝縮器又は換熱器から或いは少なくとも予熱器から出てくる有機作動流体の一部は、凝縮器から出てくる有機作動流体の一部が補助開口を通ってターボエキスパンダに再導入される前に、高温源（図２に図示せず）と熱を交換する。換言すると、凝縮器からの（或いは、換熱器、又は予熱器からの）出口における流体の一部が、熱交換器（概念的には他の蒸発器）における高温源からの熱を受ける。図２に示されるように、この流れは、その後、ターボエキスパンダへの中間噴射の為に送られる。

更なる特徴及び利点は、本発明に従う有機ランキンサイクルによってエネルギを発生させる為のシステムに独特の実施形態ではないが、幾つかの好ましい実施形態の詳細な説明から充分に明らかになる。

実施形態の詳細な説明は、限定されない実施例によって与えられる添付図面を参照して、説明される。
図１は、本発明に従う有機ランキンサイクルによりエネルギを生み出す為の熱電供給プラントの構成の概略図である。 図１Ａは、図１のプラントで生じるＴ−Ｓの変態線図である。 図１Ｂは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。 図１Ｃは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。 図１Ｄは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。 図２は、本発明に従う有機ランキンサイクルを経てエネルギを生み出す為の２つの圧力レベルプラントの構成を示す。 図３は、図１又は図２のプラントに属するターボエキスパンダの横の部分である。

本発明の好ましい実施形態の詳細な説明

図１を参照すると、１は、全体として、本発明に従う有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）によるエネルギ生産の為のプラントを示す。

プラント１は、閉じられた循環路を備え、そこで、高分子量または中間分子量を持つ有機作動流体が循環する。流体は、炭化水素、ケトン、フルオロカーボン、シロキサンを含むグループから選択可能である。

プラント１は、熱交換器／蒸発器３０、ターボエキスパンダ４０，発電機５０，凝縮器６０を備え、熱交換器／蒸発器３０は、作動流体を加熱、蒸発、過熱するように高温源と作動流体との間で熱を交換し、ターボエキスパンダ４０は、熱交換器から、出口において蒸発された状態の作動流体が供給され、発電機５０は、ターボエキスパンダ４０に有効に接続され、ここで、ターボエキスパンダ４０によって生み出された機械的エネルギが電気エネルギに変換され、凝縮器６０では、ターボエキスパンダ４０からの出口における作動流体が凝縮され、少なくともポンプ２０に送られる。流体は、ポンプ２０から熱交換器３０まで送られる。

図示されたプラント１は、換熱器１６０を更に備え、これは、ターボエキスパンダ３０と凝縮器６０との間に挿入されている。換熱器１６０において、タービン４０から放出される有機流体蒸気は、ポンプ２０から送出される液体を加熱する為に使用される。このように、蒸発器３０によって交換される熱の量は、減少可能であるため、サイクルの全体の性能が高められる。

図１に表された実施形態によると、プラント１は、第１バルブ２１０によってタービン４０の（この場合は抽出の為の）補助開口４０ｃに接続された熱電供給及び回収循環路１０００を更に備える。

熱電供給及び回収循環路１０００は、第１交換器２１、第２交換器２６０、ポンプ２２０を備える。

入口及び放出圧力間の中間圧力でタービン４０から抽出される有機作動流体は、プラントに再噴射される液相の有機流体を予熱する目的で、第１交換器２６１に送られる。第１交換器２６１からの出口において、有機流体は、第２交換器２６０に送られ、そこで、ＯＲＣプラントによって発生される熱を移動させる熱伝達流体に熱を与える。交換器２６０，２６１内で生じる変態は、図１ＡのＴ−ｓ線図、図１ＢのＴ−Ｑ線図に表されれている。線図で観察できるように、有機流体はターボエキスパンダから温度Ｔspで抽出される。温度Ｔspにおけるプラントの作動パラメータ及び有機流体の熱力学的性質を考えると、有機流体は強く過熱されている。例えば、抽出される流体は、約２５０℃の温度であり、熱伝達流体は６０℃から８０℃に加熱されなければならない。ターボエキスパンダから抽出される有機流体は、交換器２６２内で温度Ｔinまで冷却される。温度Ｔinの流体は、その後、第２交換器２６０に入り、そこで、熱が熱伝達流体に与えられ、温度Ｔoutにされる。冷却により、有機流体は、飽和液体状態に達し、或いは、必要であれば、過冷却液体状態に達する。この状態から、液体は、ポンプ２２０によって圧縮され、第１交換器２６１内で予熱される。予熱が終わると、有機液体は、蒸発器３０に対する入口内で、主な熱サイクルへと噴射される。

図１は、また、熱伝達流体の為の熱伝達循環路２０００を部分的に示し、これが、プラント１によって発生される熱を移動させる。熱伝達循環路２０００は、シンク７０及び戻り分岐部２００２に向か外分岐部２００１と、プラント１の第２交換器２６０及び凝縮器６０を通過する戻り分岐２００２とを備える。ポンプ８０は、外分岐部に配置される。第１バイパス分岐部２００３は、第２三方弁と共にシンク７０を排除する（しない）ように機能する。プラント１の第２交換器２６０及び凝縮器６０の間に挿入された戻り分岐部２００２は、それぞれ、第３バルブ２６６及び第４バルブ２６８を備えた２つの接続管２００４，２００５を経て、外分岐部に接続されている。更に第５バルブが、第３バルブ２６６及び第４バルブ２６８を備えた２つの部分２００５、２００６の間の戻り分岐部に配置されている。第６バルブ２６５を備えた第２バイパス分岐２００７は、戻り分岐部２００２に配置され、第２交換機２６０を通って、熱伝達流体が通過することを妨げるのに役立つ。

図示されたプラントは、良好な作動柔軟性を可能にする。以下において、設定された主な機能が説明される。

Ａ．純粋な電気的セットアップ
第１バルブが閉じられ、第１交換機２６１及び第２交換機２６０が供給されず、第３バルブ２６６が開けられ、ポンプ８０は、シンク７０を経た熱の放散により、或いは、代替え的に冷却タレット又は他の溶液のおかげで、入口において、一例として３０℃から５０℃の、比較的に冷たい水で、凝縮器６０に対する流体供給を保証する。これらの状態において、凝縮器内の流体圧力を最小にされるため、電気的性能は最大にされる。

Ｂ．総合熱電供給セットアップ：
２つの異なる可能なセットアップＢ１，Ｂ２がある。

Ｂ１．熱使用が、例えば、５−１０℃の領域内で非常に限られた熱上昇ＤＴを伴う熱流を要する場合、再循環抽出は、非稼働中に保たれ（第１バルブが閉じられ）、この場合、第３バルブ２６６及び第４バルブ２６８が閉じられ、第６バルブ２６５が開けられ、ターボエキスパンダ４０から放出される熱の全てが、６０／７０℃又は７０／８０℃の入口／出口の典型的な温度レベルで、凝縮器６０へと再循環される。

Ｂ２．熱の使用が、より高い温度勾配ＤＴ（例えば２０−３０℃又はそれ以上の温度）を必要とする場合、凝縮器６０及び第２交換器２６０は、直列式で作動され；第６バルブ２６５が現時点で閉じられ、第１バルブ２１０が開けられ、第３バルブ２６６及び第４バルブ２６８が閉じられ、或いは、第４バルブ２６８も、流れをひいきし、凝縮器６０と第２交換器２６０との間の負荷を良好に再スタートさせる；この場合、加熱された流体のベクトルは、（交換器２６０において）より高い圧力で、（凝縮器において）より低い圧力で部分的に蒸気と共に生じ、より高い電気的歩留まりで熱電供給が可能になり；凝縮器６０における及び第２交換器２６０における熱負荷の共有は、放出の際の圧力、ターボエキスパンダ４０の抽出、必要な温度レベルに依存する。典型的な入口温度レベルは、６０−９０℃、７０−１００、８０−１１０℃である。
方法は、図１Ｃの線図によって説明される。

Ｃ．部分的熱電供給セットアップ；
このセットアップは、第５バルブ２６７を閉じ、第３バルブ２６６及び第４バルブ２６８を開け、明らかに、第１バルブ２１０を開けることによって簡単に作動される。この場合、凝縮器６０及び第２交換器２６０は外され、凝縮器６０は、３０−５０℃で比較的に冷たい流体と共に洗浄され、サイクルの電気的熱交換率を最大にするが、ターボエキスパンダ４０内で膨張する一部の蒸気だけが抽出器から引かれ、ゼロではない低い熱負荷の期間における最適化された機能を可能にする。セットアップは、図１Ｄで説明される。

（熱伝達循環路が図示されていない）図２で表される異なる実施形態において、熱電供給及び再循環路１０００の代わりに、プラント１は、２つの圧力レベルで循環を実行する目的で、ターボエキスパンダ４０への作動流体の入口循環路３０００を備える。この入口循環路３０００は、蒸発器３００が設けられた接続分岐を備え、これが、ポンプ２０及び再循環器１６０の下流側、熱交換器３０の上流側に配置された地点を、ターボエキスパンダ４０への補助器４０ｃ（この場合、入口）で接続する。

図示された両方の実施形態において、ターボエキスパンダ４０は、以下の図３に示され、説明された種類のターボエキスパンダである。

拡張型ターボエキスパンダ４０は、有利なことに、多段部遠心半径方向（貫流）のエキスパンダである。換言すると、作動流体は、ターボエキスパンダ４０の、半径方向より内側ゾーンで軸方向に沿って、ターボエキスパンダ４０に入って出て、ターボエキスパンダ４０の半径方向より外側ゾーンで軸方向又は半径方向に沿って、膨張される。入口及び出口間の通路内で、流れは、膨張の間、ターボエキスパンダ４０のＸ−Ｘ回転軸から、遠ざかり続ける。

ターボエキスパンダ４０は、円形の前半ケーシング１０２によって、更に、後半ケーシング１０３によって形成される、固定されたケーシング１０１を備える。スリーブ１０４は、後半ケーシング１０３から片持ちにされ、プラントのベアリング構造に拘束される。

前半ケーシング１０２及び後半ケーシング１０３によって区切られた内側容量には、ロータ１０５が収容され、ロータは、ベアリング（図示せず）によってスリーブ１０４内に回転できるように支持されるシャフト１０６に頑丈に拘束されているので、回転軸Ｘ−Ｘの周りに自由に回転する。

回転軸Ｘ−Ｘの位置において、前半ケーシング１０２は、軸方向入口開口４０ａに余裕があり、ケーシング１０１の半径方向周辺部において、拡散器１０７における半径方向周辺部は、放出開口４０ｂに余裕がある。

ロータ１０５は、回転軸Ｘ−Ｘに対して垂直に、単一ロータディスク１０８を備え、ロータディスクは、シャフト１０６に拘束され、前半ケーシング１０２に対面する前面１０９と、後半ケーシング１１０に対面する後面１９とを呈する。有機作動流体の為の通路容量は、ロータディスク１０８の前面１０９と前半ケーシング１０２との間で区切られる。

ロータディスク１７の前面１０９は、３連ロータブレード１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを持つ。各連は、回転軸Ｘ−Ｘ周りに配置された複数の平坦ロータブレードを備える。第２連１１１ｂのロータブレードは、第１連１１１ａのロータブレードに対して半径方向外側の位置に配置され、第３連１１１ｃのロータブレードは、第２連１１１ｂのロータブレードに対して半径方向外側の位置に配置されている。

３つのステータブレード１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃは、前半ケーシング１０２のロータ１０５に対面する内面に装着されている。各連は、回転軸Ｘ−Ｘの周りに配置された複数の平坦スタータブレードを備える。第１連１１３ａのステータブレードは、第１連１１３ａのロータブレードに対して半径方向内側の位置に配置されている。第２連１１３ｂのステータブレードは、第１連１１１ａのロータブレードに対して半径方向外側に、第２連１１１ｂのロータブレードに対して半径方向内側に配置されている。第３連１１３ｃのステータブレードは、第２連１１１ｂのロータブレードに対して半径方向外側の位置に、第３連１１１ｃのロータブレードに対して半径方向内側の位置に配置されている。そのため、ターボエキスパンダ４０は、３段部を示す。

ターボエキスパンダ４０の内側では、軸方向の入口開口４０ａに入る作動流体の流れが偏向器１１４によってそらされ、偏向器は、凸状円形状を示し、ロータ１０５の前でケーシング１０３に固定・装着され、入口内の流れに対面する凸状で回転軸Ｘ−Ｘと同軸に配置されている。

偏向器１１４は、回転軸Ｘ−Ｘから始まり、第１連１１３ａのステータブレードまで半径方向に延びている。第１連１１３ａのステータブレードは、偏向器２５の周辺部分に一体化され、前半ケーシング１０２の内面１１２に装着された端部を示す。より詳細に、偏向器１１４は、放射相称（radial symmetry）の細い凸状プレートによって画成され、これは、凸状／凹状中央部分１１４ａを示し、凸状部は、前半ケーシング１０２及び軸方向入口開口４０ａに対面し、凸状部を備えた凸状／凹状である環状の半径方向の、より外側の部分１１４ｂは、前半ケーシング１０２に対面している。前半ケーシング１０２及び偏向器１１４の半径方向外側部分１１４ｂは、作動流体をターボエキスパンダ４０の第１連１１３ａの第１段部（第１連１１１ａのロータブレード及び第１連１１３ａのステータブレード）の方に導く導管を区切っている。

ステータブレード１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃを支えるロータディスク１０８の前面１０９及び前半ケーシング１０２の表面は、第１段部から始まり回転軸（Ｘ−Ｘ）から徐々に遠ざかる方向で、一方を他方からそらす。半径方向に、より外側のブレードは、半径方向に、より内側のブレードより、大きな高さのブレードを示す。

タービン４は、運動エネルギ再循環用拡散器１０７を更に備え、これは、（第３連１１ｃのロータブレード及び第３連１１３ｃのステータブレードによって形成された）第３段部に対して半径方向に外側の位置に置かれ、ロータディスク１０８の前面１０９及び前半ケーシング１０２の反対面１１２によって画成される。出口フランジと連通するボリュート１１５は、拡散器１０７の出口で、ケーシング１０１の半径方向外側周辺に置かれている。

第２段部と第３段部との間、すなわち、第２連１１１ｂのロータブレードと第３連１１３ｃのステータブレードとの間の半径方向の距離Ｒｄは、第１段部と第２段部との間の半径方向の距離、より一般的には、他のステータと、それに隣接するロータブレードとの間の半径方向の距離よりも大きい。

一例として、隣接するブレードの半径方向の距離は、約５ｍｍであるが、第２段部と第３段部との間の半径方向の距離Ｒｄは、約５０ｍｍ、すなわち、１０倍大きい。

有機作動流体の噴射／抽出の為の環状チャンバ１１６は、第２段部と第３段部との間で区切られている。

導管１１７（又は、複数の導管）は、前半ケーシング１０２内に余裕があり、チャンバ１１６へと開かれ、ターボエキスパンダ４０の補助開口４０ｃを画成する。導管１１７は、前半ケーシング１０２の前壁１０２ａで開いている。前壁１０２ａに装着される適当な管及び／又はコネクタは、ターボエキスパンダ４０への有機作動流体の噴射またはターボエキスパンダ４０からの有機作動流体の除去を可能にする。

図１の実施形態において、導管１１７は、熱電供給及び再循環路１０００に接続されている。図２の実施形態において、導管１１７は、ターボエキスパンダ４０への噴射循環路３０００に接続され、これは、２つの圧力レベルで循環を実行することが予定されている。

本発明は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を使用してエネルギを生み出す為のＯＲＣシステムに関する。より具体的には、本発明は、２つ以上の圧力レベルを有するサイクルを備えたＯＲＣプラント及び方法に関する。

文献ＵＳ２０１０／００７１３６８は、２つの圧力レベル方法の一例であり、熱の再循環の為のＯＲＣシステムを例示し、それは、第１高圧タービン及び第２低圧タービンを含み、第１タービンは、高圧蒸気を受け、第２タービンは低圧蒸気を受け、第１タービンは、また、低圧蒸気を第２タービンに供給する。同様に知られているのは、共通の蒸気タービンで熱電供給抽出を伴うプラントであり、ここでは、タービン交換機から引かれた蒸気は、水又は流体を加熱する為に、水や他の流体と熱を交換する。水の熱力学的性質によると、共通の蒸気プラントにおいて、蒸気は、凝結温度より少し高い温度で抽出される。このため、タービンから抽出される蒸気は、再生を行う流体に直接熱を与える。
既知の文献ＧＢ３１１，５８６は、異なるブレード段部と連通した蒸気チャンバを備えた蒸気タービンを開示する。
既知の文献ＤＥ５７２，２０７は、２対のカウンタ回転ディスクを備え、高圧蒸気を受ける為に２つのディスクを通って形成されるチャネルを備えた蒸気タービンを開示する。

より具体的には、本発明は、請求項１に従う、有機ランキンサイクルを経てエネルギを生み出す為のＯＲＣシステム（ＯＲＣプラント、すなわち、有機作動流体と組み合わされ、作動流体として有機流体を使用するのに適する）に関する。

本発明は、また、請求項９に従う、有機欄器サイクルによってエネルギを生み出す為のＯＲＣ方法に関する。

出願人は、単一ロータディスク遠心型ターボエキスパンダの構造が、ターボエキスパンダのロータ動態に否定的な衝撃を与えることなく、作動流体の噴射の実施を可能にすることを確認した。

実際、補助開口を実現する為に半径方向遠心型タービンの段部の間に開口された導管の実現は、軸方向ターボエキスパンダで生じるように、機械の軸方向の寸法を長くすることにならない。ベアリングに関して典型的に片持ちにされており、ＯＲＣ分野で使用される共通軸方向ターボエキスパンダにおいて、ブレードの２つのライン間の距離は、非常に小さく、この構成において噴射を行うことは非常に難しい。噴射導管に必要な空間を得ることを可能にするため、軸方向タービンを長くすることにより、振動の増加になり、更に／又は、完全に機械をバランスさせる為に機械的要素の構造上の精度を高める必要がある。他方、本発明のタービンディスクの半径方向の寸法の増加は、都合の良いことに、その動態に均等に否定的な衝撃を与えない。

【００３７】
実施形態の詳細な説明は、限定されない実施例によって与えられる添付図面を参照して、説明される。
【図１】 図１は、本発明の一部ではない有機ランキンサイクルによりエネルギを生み出
す為の熱電供給プラントの構成の概略図である。
【図１Ａ】 図１Ａは、図１のプラントで生じるＴ−Ｓの変態線図である。
【図１Ｂ】 図１Ｂは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。
【図１Ｃ】 図１Ｃは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。
【図１Ｄ】 図１Ｄは、図１のプラントで生じるＴ−Ｑの変態線図である。
【図２】 図２は、本発明に従う有機ランキンサイクルを経てエネルギを生み出す為の２
つの圧力レベルプラントの構成を示す。
【図３】 図３は、図１又は図２のプラントに属するターボエキスパンダの横の部分であ
る。
【本発明の好ましい実施形態の詳細な説明】

図１に表された実施例によると、プラント１は、第１バルブ２１０によってタービン４０の（この場合は抽出の為の）補助開口４０ｃに接続された熱電供給及び回収循環路１０００を更に備える。

（熱伝達循環路が図示されていない）図２で表される異なる実施形態において、熱電供給及び再循環路１０００の代わりに、プラント１は、２つの圧力レベルで循環を実行する目的で、ターボエキスパンダ４０への作動流体の入口循環路３０００を備える。この入口循環路３０００は、蒸発器３００が設けられた接続分岐を備え、これが、ポンプ２０及び換熱器１６０の下流側、熱交換器３０の上流側に配置された地点を、ターボエキスパンダ４０への補助器４０ｃ（この場合、入口）で接続する。

有機作動流体の噴射の為の環状チャンバ１１６は、第２段部と第３段部との間で区切られている。

Claims (15)

1. 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）によりエネルギを発生させるＯＲＣシステムにおいて、
   有機作動流体と、
   前記有機作動流体を加熱、蒸発、過熱するように高温源と前記有機作動流体との間で熱を交換する為の少なくとも一つの熱交換器（３０）と、
   前記有機作動流体に存在する熱エネルギをランキンサイクルに従って機械的エネルギに変換するため、前記熱交換器（３０）から出てくる蒸発した有機作動流体が供給される入口を呈する少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）と、
   前記少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）の出口（４０ｂ）から出てくる前記蒸発した有機作動流体が凝縮される少なくとも一つの凝縮器（６０）と、
   前記凝縮器（６０）から出てくる前記有機作動流体を前記少なくとも一つの熱交換器（３０）に供給する、少なくとも一つのポンプ（２０）と、
   前記ターボエキスパンダ（４０）に前記有機作動流体を噴射、又は、前記ターボエキスパンダ（４０）からの前記有機作動流体を抽出する為の、少なくとも一つの補助循環路（１０００，３０００）と、を備えるＯＲＣシステムであって、
   前記少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）は、半径方向遠心形であり、
   複数のロータブレード（１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ）を保有する単一ロータディスク（１０８）と、
   前記入口（４０ａ）と前記出口（４０ｂ）との間に入れられ、前記補助循環路（１０００，２０００）と流体連通され、入口の圧力と出口の圧力との間の中間圧力で、前記有機作動流体を抽出または噴射する、少なくとも一つの補助開口（４０ｃ）と、
   を備えることを特徴とする、ＯＲＣシステム。
2. 前記ターボエキスパンダ（４０）は、一方から他方へと半径方向に配置された複数の段部（１１１ａ、１１３ａ、１１１ｂ、１１３ｂ、１１１ｃ、１１３ｃ）を備え、前記補助開口（４０ｃ）は、前記段部の２つの間で開口する、請求項１に記載のプラント。
3. 前記補助開口（４０ｃ）が間で開口する前記２つの段部は、半径方向に間隔があけられ、前記有機作動流体の噴射／抽出チャンバ（１１６）を制限する、請求項１に記載のプラント。
4. 前記補助開口（４０ｃ）が間で開口する前記２つの段部間の前記半径方向の間隔（Ｒｄ）は、前記他の段部間の前記半径方向の間隔より大きい、請求項２又は３に記載のプラント。
5. 前記補助開口（４０ｃ）は、たいていの半径方向の周囲の段部の上流側に開口する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラント。
6. 前記単一のロータディスク（１０８）は、片持ち梁になっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラント。
7. 前記ターボエキスパンダ（４０）は、静止のケーシング（１０１）を備え、前記単一ロータディスク（１０８）は、前記ケーシングの中に収容され、前記ケーシング（１０１）も片持ち梁になっている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のプラント。
8. 前記補助開口（４０ｃ）は、前記ケーシング（１０１）の前壁内に形成される、請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラント。
9. 前記補助循環路（１０００）は、熱電供給及び回収循環路である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラント。
10. 前記熱電供給及び回収循環路（１０００）は、前記ターボエキスパンダ（４０）の前記補助開口（４０ｃ）に接続された第１末端部と前記加熱交換器（３０）の上流側に接続された第２末端部とを呈する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラント。
11. 前記熱電供給及び回収循環路（１０００）は、
    第１熱交換器（２６１）及び第２熱交換器（２６０）を備え、
    前記第１熱交換器（２６１）において、前記ターボエキスパンダ（４０）の前記補助開口（４０ｃ）から出てくる前記有機作動流体は、前記第２熱交換器（２６０）から出てくる有機作動流体と熱を交換し、前記第２熱交換器（２６０）において、熱機器の為の熱キャリア流体が、前記第１熱交換器（２６１）から出てくる前記有機作動流体によって加熱される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラント。
12. 前記補助循環路（３０００）は、有機作動流体を前記ターボエキスパンダ（４０）の中に噴射する為の循環路である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のプラント。
13. 有機作動流体を前記ターボエキスパンダ（４０）の中に噴射する為の前記循環路（３０００）は、蒸発器（３００）を備え、
    前記蒸発器（３００）において、前記凝縮器（６０）から出てくる前記有機作動流体の一部は、前記凝縮器（６０）から出てくる前記有機作動流体の前記一部が前記補助開口（４０ｃ）を通って前記ターボエキスパンダ（４０）に再導入される前に、高温源と熱を交換する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のプラント。
14. 前記少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）の前記出口から出てくる前記蒸発された有機作動流体が、前記凝縮器（６０）内で凝縮される前に、ポンプ（２０）によって供給される前記有機作動流体と熱を交換する、換熱器（１６０）を更に備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のプラント。
15. 有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）によりエネルギを生み出す為のＯＲＣ方法において、
    有機作動流体を加熱、蒸発、過熱するように、高温源と前記有機作動流体との間で、少なくとも熱交換器（３０）内で熱を交換するステップと、
    少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）の入口開口（４０ａ）を通って前記熱交換器（３０）から出口（４０ａ）で蒸発される段部で、前記有機作動流体を供給し、前記有機作動流体に存在する熱エネルギをランキンサイクルによって機械的エネルギに変換させるステップと、
    少なくとも一つの凝縮器（６０）において、前記少なくとも一つのターボエキスパンダ（４０）の出口開口（４０ｂ）から前記蒸発される段部で、前記有機作動流体を凝縮させるステップと、
    少なくともポンプ（２０）を経て、前記凝縮器（６０）から前記少なくとも熱交換器（３０）に向かう前記有機作動流体を供給するステップと、
    を備え、
    前記方法は、前記有機作動流体を前記ターボエキスパンダ（４０）の中に噴射するステップ、又は、少なくとも補助循環路（１０００；３０００）を経て、前記ターボエキスパンダ（４０）から前記有機作動流体を抽出するステップを更に含み、
    前記少なくともターボエキスパンダ（４０）は、半径方向遠心型であり、
    複数のロータブレード（１１１ａ、１１１ｂ、１１ｃ）を持つ一つの回転ディスク（１０８）と、
    前記噴射開口（４０ａ）と前記吐出開口（４０ｂ）との間に挿入され、前記補助循環路（１０００；２０００）と流体連通される、少なくとも補助開口（４０ｃ）と、
    を備え、
    前記有機作動流体は、入口圧力と吐出圧力との間の中間圧力で、少なくとも補助開口（４０ｃ）から抽出、又は、少なくとも補助開口（４０ｃ）の中に噴射される、ＯＲＣ方法。

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