JP2018514686A

JP2018514686A - 超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム

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Publication number: JP2018514686A
Application number: JP2017553910A
Authority: JP
Inventors: ホホワン、ジョン
Original assignee: ドゥサンヘヴィーインダストリーズアンドコンストラクションカンパニーリミテッド
Priority date: 2015-04-16
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: WO2016167445A1; EP3284920A4; EP3284920A1; KR101784553B1; KR20160123662A; EP3284920B1; JP6526237B2; US20160305289A1; US10072531B2

Abstract

本発明は、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムに関し、ボイラで加熱された第１作動流体によって電力を生産する第１作動流体サーキット（ｃｉｒｃｕｉｔ）と、第２作動流体によって電力を生産する第２作動流体サーキットとを含み、前記第１作動流体サーキットと前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラを共有することを特徴とする。本発明によれば、火力発電システムの空気予熱器を削除し、燃焼後に排気ガスと空気の熱交換部を分離して超臨界二酸化炭素サイクルの熱源および冷却源として活用することにより、空気予熱器の漏れ損失を回収して発電効率を向上させる効果がある。

Description

本発明は、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムに関し、より詳細には、超臨界二酸化炭素サイクルを用いて火力発電所の空気予熱器を省くことのできる、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムに関する。

国際的に効率的な電力生産に対する必要性がますます高まってきており、公害物質の発生を低減するための動きが次第に活発になるにつれ、公害物質の発生を低減しながら電力生産量を高めるために様々な努力を傾けている。その努力の一つとして、韓国公開特許第２０１３−００３６１８０号に開示されたように、超臨界二酸化炭素を作動流体として用いる超臨界二酸化炭素発電システム（ＰｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇＳｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌＣＯ２）に対する研究開発が盛んになっている。

超臨界状態の二酸化炭素は、液体状態と類似の密度に気体と類似の粘性を同時に有するので、機器の小型化とともに、流体の圧縮および循環に必要な電力消耗を最小化することができる。同時に、臨界点が摂氏３１．４度、７２．８気圧で、臨界点が摂氏３７３．９５度、２１７．７気圧の水より非常に低くて扱いやすいという利点がある。このような超臨界二酸化炭素発電システムは、摂氏５５０度で運転する場合、約４５％水準の純発電効率を示し、既存のスチームサイクルの発電効率対比２０％以上の発電効率の向上とともに、ターボ機器を数十分の１水準に縮小可能であるという利点がある。

一方、一般的な石炭火力発電システムは、外部からボイラ内に注入される空気を予熱することにより、燃焼効率を高めるために空気予熱器を用いており、空気予熱器の一例が韓国公開特許第２００３−００５８６４５号に開示されている。

通常、空気予熱器は回転式で作動し、外部空気が流入して空気予熱器で加熱され、加熱された空気がボイラの内部に流入する。ボイラから排出される燃焼ガスは、空気予熱器で外部空気と熱交換により外部空気を加熱することにより、燃焼ガス中の廃熱を空気予熱器で使用する。

しかし、このような従来の回転式空気予熱器は、構造が複雑で、回転時に空気が燃焼ガスに流入したり、逆に燃焼ガスが空気中に流入して効率を低下させ、隙間が発生しやすくて空気やガスが漏れやすいという欠点がある。

本発明の目的は、火力発電システムの空気予熱器を削除し、燃焼後に排気ガスと空気の熱交換部を分離して超臨界二酸化炭素サイクルの熱源および冷却源として活用できる、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムを提供することである。

本発明の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムは、ボイラで加熱された第１作動流体によって電力を生産する第１作動流体サーキット（ｃｉｒｃｕｉｔ）と、第２作動流体によって電力を生産する第２作動流体サーキットとを含み、前記第１作動流体サーキットと前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラを共有することを特徴とする。

前記第２作動流体サーキットは、前記第２作動流体が前記第２作動流体サーキット内でのみ循環するように閉ループ（ｃｌｏｓｅｌｏｏｐ）をなすことを特徴とする。

前記第１作動流体は、液体または気体状態の水であり、前記第２作動流体は、超臨界二酸化炭素流体であることを特徴とする。

前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラから排出された前記第１作動流体によって駆動される複数のタービンと、前記タービンのいずれか１つに連結されて電力を生産する発電機と、前記タービンの少なくともいずれか１つから排出される第１作動流体と熱交換する複数の熱交換器とを含み、前記第１作動流体は、前記タービンおよび熱交換器を経て前記ボイラに送られることを特徴とする。

前記ボイラは、前記タービンおよび熱交換器を経た前記第１作動流体と熱交換するエコノマイザ（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）をさらに含んでもよい。

前記熱交換器は、前記第１作動流体を加熱する給水加熱器（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ）であり、前記エコノマイザは、前記ボイラ内で燃料の燃焼後に排気される排気ガスの廃熱を回収して前記第１作動流体を加熱するヒータであることが好ましい。

前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラから排気される排気ガスの廃熱を回収する第１熱交換器を含むことができる。

前記第２作動流体サーキットは、燃料の燃焼のために前記ボイラに流入する外気を加熱する第２熱交換器をさらに含んでもよい。

前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラ内に備えられ、前記第２作動流体を加熱する第３熱交換器と、前記第３熱交換器から加熱された前記第２作動流体によって駆動される第２サーキットタービンと、前記第２サーキットタービンを駆動させた前記第２作動流体を圧縮する圧縮機とを含むことができる。

前記第２作動流体は、前記第２サーキットタービンを経て前記第２熱交換器に流入して冷却した後、前記圧縮機に流入し、前記圧縮機で圧縮された前記第２作動流体は、前記第１熱交換器を経て加熱された状態で前記第３熱交換器に流入して、前記ボイラの熱によって加熱されることを特徴とする。

前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの後段に連結され、前記排気ガスが排気される排気ラインをさらに含み、前記第１熱交換器は、前記排気ライン上に設けられることを特徴とする。

前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの前段に連結され、前記外気が流入する外気ラインをさらに含み、前記第２熱交換器は、前記外気ライン上に設けられることを特徴とする。

前記第２作動流体サーキットは、前記第２サーキットタービンに連結され、前記第２サーキットタービンによって駆動されて電力を生産する発電機をさらに含んでもよい。

前記第１作動流体サーキットは、前記第１作動流体を前記給水加熱器に供給する給水ポンプ（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｐｕｍｐ）をさらに含んでもよい。

前記第２サーキットタービンは、前記給水ポンプに連結され、前記給水ポンプを駆動させることを特徴とする。

また、本発明の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムは、第１作動流体を加熱するボイラと、前記ボイラから排出された前記第１作動流体によって駆動される複数のタービンと、前記タービンのいずれか１つに連結されて電力を生産する発電機と、前記タービンの少なくともいずれか１つから排出される第１作動流体と熱交換する複数の給水加熱器（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ）とを含み、前記第１作動流体は、前記タービンおよび熱交換器を経て前記ボイラに送られる第１作動流体サーキットと、前記ボイラ内に備えられ、前記第２作動流体を加熱する第３熱交換器と、前記第３熱交換器から加熱された前記第２作動流体によって駆動される第２サーキットタービンと、前記第２サーキットタービンを駆動させた前記第２作動流体を圧縮する圧縮機とを備えた第２作動流体サーキットとを含み、前記第２作動流体サーキットは、前記第２作動流体が前記第２作動流体サーキット内でのみ循環するように閉ループ（ｃｌｏｓｅｌｏｏｐ）をなすことを特徴とする。

前記ボイラは、前記タービンおよび熱交換器を経た前記第１作動流体と熱交換するエコノマイザ（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）をさらに含み、前記エコノマイザは、前記ボイラ内で燃料の燃焼後に排気される排気ガスの廃熱を回収して前記第１作動流体を加熱するヒータであることを特徴とする。

前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラから排気される排気ガスの廃熱を回収する第１熱交換器と、燃料の燃焼のために前記ボイラに流入する外気を加熱する第２熱交換器とをさらに含んでもよい。

前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの後段に連結され、前記排気ガスが排気される排気ラインと、前記ボイラの前段に連結され、前記外気が流入する外気ラインとをさらに含み、前記第１熱交換器は、前記排気ライン上に設けられ、前記第２熱交換器は、前記外気ライン上に設けられる。

前記第１作動流体サーキットは、前記第１作動流体を前記給水加熱器に供給する給水ポンプ（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｐｕｍｐ）をさらに含み、前記第２サーキットタービンは、前記給水ポンプに連結され、前記給水ポンプを駆動させることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムを示す図である。本発明の他の実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムを示す図である。図１および図２によるハイブリッド発電システムの流体流れおよび熱交換の一例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムについて詳細に説明する。

本発明の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムは、石炭火力発電システムをボトムサイクル（Ｂｏｔｔｏｍｃｙｃｌｅ）として用い、超臨界二酸化炭素発電システムをトッピングサイクル（Ｔｏｐｐｉｎｇｃｙｃｌｅ）として用いることにより、２つの発電システムの効率をすべて向上させられるハイブリッド発電システムである（便宜上、石炭火力発電システムおよび超臨界二酸化炭素発電システムの主要構成についてのみ説明する）。

図１は、本発明の一実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムを示す図である。

本発明の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムは、石炭火力発電システムをボトムサイクル（Ｂｏｔｔｏｍｃｙｃｌｅ）として用い、超臨界二酸化炭素発電システムをトッピングサイクル（Ｔｏｐｐｉｎｇｃｙｃｌｅ）として用いることにより、２つの発電システムの効率をすべて向上させられるハイブリッド発電システムである。以下、作動流体によって、ボトムサイクルを第１作動流体サーキット（ｃｉｒｃｕｉｔ）、トッピングサイクルを第２作動流体サーキットと定義する。

図１に示されているように、本発明の一実施形態に係る第１作動流体サーキットは、石炭などの化石燃料をボイラ１００に供給して燃焼させ、ボイラ１００で発生した熱エネルギーがスチームジェネレータ（ｓｔｅａｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ、図示せず）に供給されて水をスチーム（ｓｔｅａｍ）に変換させるスチームサイクル（ｓｔｅａｍｃｙｃｌｅ）である。第１作動流体サーキットの第１作動流体は、サーキットの各区間ごとに液状の水または気状のスチームで存在し、スチームサイクルを構成する要素は次の通りである。

ボイラ１００内のスーパーヒータ（Ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｒ、過熱器）１１０を経たスチームは、高圧タービン（ＨｉｇｈＰｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ、ＨＰ）２００側に伝達されて高圧タービン２００を駆動させる。ボイラ１００内のリヒータ（Ｒｅｈｅａｔｅｒ、再熱器）１２０を経たスチームは、中圧タービン（ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＰｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ、ＩＰ）２０２側に伝達されて中圧タービン２０２を駆動させる。

高圧タービン２００を通過し膨張したスチームの一部は、ボイラ１００のリヒータ１２０に供給されて再加熱された後、中圧タービン２０２に送られる。高圧タービン２００を通過し膨張したスチームの残りは、給水加熱器（Ｆｅｅｄｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ）３００に流入した後、ボイラ１００のエコノマイザ（Ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ、節炭器）１３０に送られる。

中圧タービン２０２を通過したスチームの一部は、低圧タービン（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅｔｕｒｂｉｎｅ、ＬＰ）２０４に伝達され、低圧タービン２０４および低圧タービン２０４に連結された発電機（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、図示せず）を駆動させる。中圧タービン２０２を通過したスチームの残りは、空気分離器（Ｄｅａｅｒａｔｏｒ）３２０に流入して空気が分離され、空気分離後、給水ポンプ（Ｆｅｅｄｗａｔｅｒｐｕｍｐ）３１０を通して給水加熱器３００に送られる。給水加熱器３００で加熱されたスチームは、ボイラ１００のエコノマイザ１３０に送られる。

低圧タービン２０４を通過したスチームは、第２給水加熱器３３０を経て加熱された後、前述の空気分離器３２０に送られてエコノマイザ１３０に移送される。低圧タービン２０４には発電機（図示せず）が連結され、発電機を駆動させた後に排出されるスチームは、コンデンサ（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）３５０で冷却して再び水として回収される。コンデンサ３５０を通過した水は、第２給水ポンプ３４０によって第２給水加熱器３３０に供給されて一次加熱される。加熱された水は、空気分離器３２０を経て、最終的にエコノマイザ１３０に送られる。

エコノマイザ１３０は、ボイラ１００での燃料燃焼後に排気される排気ガスの廃熱を利用して、供給された水を加熱してスチームにした後、スチームラインに供給する。また、前述の給水ポンプは、すべて駆動のための別の駆動モータを備えることが好ましい。

一方、本発明の一実施形態に係る第２作動流体サーキットは、超臨界二酸化炭素サイクルであり、第２作動流体は、超臨界状態の二酸化炭素流体である。超臨界状態の二酸化炭素は、温度、圧力がすべて臨界点以上で作動し、第２熱交換器の空気の温度によって液体状態で存在し得る。

本発明の実施形態において、「超臨界二酸化炭素発電システム」とは、サイクル内で流動する作動流体のすべてが超臨界状態のシステムだけでなく、作動流体の大部分が超臨界状態で且つ残りは亜臨界状態のシステムも含む意味で使われる。

また、本発明の実施形態において、作動流体として使用される「二酸化炭素」とは、化学的な意味で純粋な二酸化炭素、一般的な観点で不純物がやや含まれている状態の二酸化炭素、および二酸化炭素に１つ以上の流体が添加物として混合されている状態の流体までも含む意味で使われる。

本発明の実施形態において、第２作動流体サーキットは、発電に使用された二酸化炭素を外部に排出しない閉ループ（ｃｌｏｓｅｌｏｏｐ）をなすことが特徴である。

第２作動流体サーキットは、第１作動流体サーキットのボイラ１００を共有する。すなわち、ボイラ１００内の高温部には、作動流体を加熱するための超臨界二酸化炭素ヒータ（以下、Ｓ−ＣＯヒータ）６３０が設けられ、作動流体がボイラ１００を経て超臨界二酸化炭素サイクルで循環するようにする。

超臨界二酸化炭素サイクルを構成する要素は、一般的に次の通りである。
作動流体である高圧の超臨界二酸化炭素流体は、Ｓ−ＣＯヒータ６３０（後述する第３熱交換器）によって最適な工程温度まで加熱される。Ｓ−ＣＯヒータ６３０を経た作動流体は、第２サーキットタービン８００を駆動させる。第２サーキットタービン８００には、発電機（図示せず）が連結され、第２サーキットタービン８００によって駆動される。第２サーキットタービン８００に連結された発電機は、電力を生産してスチームサイクルで生産される電力量を補助する。

第２サーキットタービン８００を経た高温低圧の作動流体は、クーラ（ｃｏｏｌｅｒ）６１０（後述する第２熱交換器）で冷却する。クーラ６１０で低温低圧となった作動流体は、圧縮機７００で２００気圧以上に加圧される。その後、加圧された作動流体は、排気ガスヒータ（ｈｅａｔｅｒ）６００（後述する第１熱交換器）と熱交換を経た後、再びＳ−ＣＯヒータ６３０に流入する。これらの構成は閉サイクル（ｃｌｏｓｅｄｃｙｃｌｅ）を構成し、この閉サイクル内で超臨界二酸化炭素流体が循環する。超臨界二酸化炭素サイクルの構成は、前述の構成以外にも、外部からスチームサイクルで流入する空気を予熱する予熱器や、圧縮機の機能を補助する再圧縮機、圧縮機と再圧縮機との間に設けられる熱交換器などを追加的に備えてもよい（本発明では、便宜上、発明の思想を説明するにあたり、必須の構成についてのみ説明した）。

一方、ボイラ１００内で燃料の燃焼のために外部から空気が供給されなければならず、外部空気は、燃焼効率を高めるために、従来はエアプレヒータ（ａｉｒｐｒｅｈｅａｔｅｒ）を備えて外気を加熱した。本発明では、既存のエアプレヒータを削除し、排気ガスと外気の熱交換ラインを分離した後、それぞれを超臨界二酸化炭素サイクルの熱源（Ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ）および冷却源（Ｃｏｏｌｉｎｇｓｏｕｒｃｅ）として活用する構造を提案する。

図１に示されているように、ボイラ１００の後段から排気ガスが排出される排気ライン１５０上に第１熱交換器６００が備えられ、外気が流入する外気ライン１４０上に第２熱交換器６１０が備えられる。また、ボイラ１００の高温部に第３熱交換器６３０が備えられ、第３熱交換器６３０を経た作動流体は、第２サーキットタービン８００に供給される。第２サーキットタービン８００を駆動させた作動流体は、第２熱交換器６１０に流入する。

ここで、第２熱交換器６１０は、前述の超臨界二酸化炭素サイクルのクーラに相当し、第３熱交換器６３０は、Ｓ−ＣＯヒータに相当する（以下、クーラを第２熱交換器、Ｓ−ＣＯヒータを第３熱交換器と統一して説明する）。

ボイラ１００から排気される排気ガスは、約摂氏３００度以上の温度を有するが、排出ガス規制の基準に適合するように、約摂氏１２０度程度の温度で排出されなければならない。このために第１熱交換器６００が備えられるのである。第１熱交換器６００は、既存のエアプレヒータと同様に、排気ガスから熱を回収する役割を果たす。第１熱交換器６００で回収された熱は、作動流体を加熱するのに使用されることにより、高温の流体が第２サーキットタービン８００を駆動する駆動力となる。

一方、外部から流入する空気は、燃焼効率のために大気温度で約摂氏３００度以上まで温度が上昇した状態でボイラ１００に流入しなければならない。外気の昇温に必要な熱源は、第２熱交換器６１０および第３熱交換器６３０から供給される。

すなわち、第２サーキットタービン８００から排出される超臨界二酸化炭素流体が第２熱交換器６１０を通して冷たい大気と接して冷却し、外気は超臨界二酸化炭素流体によって一次加熱される。作動流体は、第２熱交換器６１０で冷却した後、圧縮機７００を経て第１熱交換器６００に循環する。一次加熱された外気は、ボイラ１００の内部に供給され、ボイラ１００の高温部に位置した第３熱交換器６３０によって二次加熱される。これにより、ボイラ１００の燃焼効率の維持に必要な熱量を確保することができる。

［発明を実施するための形態］
前述の実施形態では、第１作動流体サーキットのボイラから排出される排気ガスの廃熱が第２作動流体サーキットの第２サーキットタービンの駆動に使用され、外気の昇温に必要な熱源を第２熱交換器および第３熱交換器から供給されることを説明した。しかし、第２サーキットタービンが給水ポンプの駆動のために使用されてもよい。便宜上、前述の実施形態と同一の構成については、その詳細な説明を省略する。
図２は、本発明の他の実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムを示す図である。

図２に示されているように、超臨界二酸化炭素サイクルにおいて、作動流体の超臨界二酸化炭素によって駆動される第２サーキットタービン８００は、第１作動流体サーキットの給水ポンプ３１０を駆動する駆動源として用いられる。第２サーキットタービン８００が給水ポンプ３１０の駆動用に用いられる場合、第２サーキットタービン８００には別の発電機が連結されない。その代わり、第２サーキットタービン８００には駆動軸１０００が備えられて給水ポンプ３１０に連結され、給水ポンプ３１０に駆動力を供給する。あるいは、第２サーキットタービン８００の駆動力を給水ポンプ３１０に伝達するギヤセットなどが設けられてもよい。第２サーキットタービン８００の駆動力を給水ポンプ３１０に伝達できれば、駆動伝達手段は種類に制限なく適用可能である。

以下、以上の実施形態で説明した超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムにおいて、作動流体の流れおよび熱交換の関係についてより詳細に説明する。

図３は、図１および図２によるハイブリッド発電システムの流体流れおよび熱交換の一例を示すブロック図である（図３に示された温度と熱量および電力量は一例に過ぎず、サイクルの構成やボイラの容量および効率などに応じて、作動流体の温度と熱量、電力量は異なり得る）。

図３に示されているように、本発明の一実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムにおいて、排気ガスは約３６０℃前後でボイラ１００から排出され、第１熱交換器６００を通して作動流体と熱交換された後、約１２０℃の温度で排気される。

この時、作動流体は、圧縮機７００を経て低温高圧の状態で流入し、排気ガスとの熱交換により約３４０℃前後の温度に加熱される。超臨界二酸化炭素サイクルの観点からみると、第１熱交換器６００は、作動流体を加熱するので、超臨界二酸化炭素サイクルの熱源（ｈｅａｔｓｏｕｒｃｅ）として機能するのである。従来のような空気予熱器を用いる場合、漏れ（ｌｅａｋａｇｅ）損失が発生するが、本発明の実施形態に係るハイブリッド発電システムによれば、第１熱交換器６００でこの漏れ損失の約２％程度を回収することになる。

第１熱交換器６００で加熱された作動流体は、スチームサイクルのボイラ１００の高温部に位置した第３熱交換器６３０を経て第２サーキットタービン８００を駆動させられる程度に加熱される。第３熱交換器６３０で約１２．６５ＭＷの熱エネルギーを吸収した作動流体は、約３７５℃前後に加熱されて高温高圧状態となり、この状態で第２サーキットタービン８００を駆動させる。超臨界二酸化炭素サイクルの観点からみると、第３熱交換器６３０も、作動流体を加熱する熱源として機能する。

高温高圧の作動流体が第２サーキットタービン８００を駆動させる時、エンタルピーは約８５％程度であり、この時、第２サーキットタービン８００に連結された発電機で生産される電力量は２０．１ＭＷに上る。

電力生産後、３１０℃前後に温度が下がった作動流体は、第２熱交換器６１０に送られる。第２熱交換器６１０において、作動流体は、常温である２５℃前後の外部空気との熱交換により約３５℃程度まで冷却した状態で圧縮機７００に送られる。この時、外気は、第２熱交換器６１０を通して作動流体と熱交換して約３００℃前後に加熱された状態でボイラ１００に流入して、燃料の燃焼に用いられる。超臨界二酸化炭素サイクルの観点からみると、第２熱交換器６１０は、作動流体の超臨界二酸化炭素流体を冷却させる役割を果たすので、超臨界二酸化炭素サイクルの冷却源（ｃｏｏｌｉｎｇｓｏｕｒｃｅ）として機能するのである。

圧縮機７００に流入した作動流体は約８．５ＭＰａの圧力から１６．８ＭＰａまで圧縮され、温度は約５５℃前後に上昇した状態で、前述の第１熱交換器６００に循環する。圧縮機７００の駆動時、圧縮に使用される電力量は約５ＭＷ程度であり、エンタルピーは約８０％となる。
第１熱交換器６００、第２熱交換器６１０、第３熱交換器６３０を通過する作動流体は、熱交換器の管内の圧力降下が約１％発生する。

上述のように、本発明は、スチームサイクルの空気予熱器を削除し、排気ガスの熱交換部および外部空気の熱交換部にそれぞれ熱交換器を装着することにより、それぞれを超臨界二酸化炭素サイクルの熱源と冷却源として活用するものである。これによって、既存の空気予熱器の漏れ損失を約２％程度回収して超臨界二酸化炭素サイクルの発電に活用するので、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムの効率を向上させる効果がある。漏れ損失２％を回収して追加発電に活用すると、全体発電システムの効率を約０．２％高める効果が発生するという利点がある。

本発明の一実施形態に係る超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システムは、火力発電システムの空気予熱器を削除し、燃焼後に排気ガスと空気の熱交換部を分離して超臨界二酸化炭素サイクルの熱源および冷却源として活用することにより、空気予熱器の漏れ損失を回収して発電効率を向上させる効果がある。

Claims

ボイラで加熱された第１作動流体によって電力を生産する第１作動流体サーキット（ｃｉｒｃｕｉｔ）と、
第２作動流体によって電力を生産する第２作動流体サーキットとを含み、
前記第１作動流体サーキットと前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラを共有する、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体サーキットは、前記第２作動流体が前記第２作動流体サーキット内でのみ循環するように閉ループ（ｃｌｏｓｅｌｏｏｐ）をなし、前記第１作動流体は、液体または気体状態の水であり、前記第２作動流体は、超臨界二酸化炭素流体である、請求項１に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラから排出された前記第１作動流体によって駆動される複数のタービンと、前記タービンのいずれか１つに連結されて電力を生産する発電機と、前記タービンの少なくともいずれか１つから排出される第１作動流体と熱交換する複数の熱交換器とを含み、前記第１作動流体は、前記タービンおよび熱交換器を経て前記ボイラに送られる、請求項２に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記ボイラは、前記タービンおよび熱交換器を経た前記第１作動流体と熱交換するエコノマイザ（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）をさらに含む、請求項３に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記熱交換器は、前記第１作動流体を加熱する給水加熱器（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ）であり、前記エコノマイザは、前記ボイラ内で燃料の燃焼後に排気される排気ガスの廃熱を回収して前記第１作動流体を加熱するヒータである、請求項４に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラから排気される排気ガスの廃熱を回収する第１熱交換器と、燃料の燃焼のために前記ボイラに流入する外気を加熱する第２熱交換器とを含む、請求項３〜５の何れか１項に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラ内に備えられ、前記第２作動流体を加熱する第３熱交換器と、前記第３熱交換器から加熱された前記第２作動流体によって駆動される第２サーキットタービンと、前記第２サーキットタービンを駆動させた前記第２作動流体を圧縮する圧縮機とを含む、請求項６に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体は、前記第２サーキットタービンを経て前記第２熱交換器に流入して冷却された後、前記圧縮機に流入し、前記圧縮機で圧縮された前記第２作動流体は、前記第１熱交換器を経て加熱された状態で前記第３熱交換器に流入して、前記ボイラの熱によって加熱される、請求項７に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの後段に連結され、前記排気ガスが排気される排気ラインをさらに含み、前記第１熱交換器は、前記排気ライン上に設けられる、請求項６〜８のいずれか１項に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの前段に連結され、前記外気が流入する外気ラインをさらに含み、前記第２熱交換器は、前記外気ライン上に設けられ、前記第２作動流体サーキットは、前記第２サーキットタービンに連結され、前記第２サーキットタービンによって駆動されて電力を生産する発電機をさらに含む、請求項７または８に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記第１作動流体を給水加熱器に供給する給水ポンプ（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｐｕｍｐ）をさらに含む、請求項７または８に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２サーキットタービンは、前記給水ポンプに連結され、前記給水ポンプを駆動させる、請求項１１に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
第１作動流体を加熱するボイラと、前記ボイラから排出された前記第１作動流体によって駆動される複数のタービンと、前記タービンのいずれか１つに連結されて電力を生産する発電機と、前記タービンの少なくともいずれか１つから排出される第１作動流体と熱交換する複数の給水加熱器（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｈｅａｔｅｒ）とを含み、前記第１作動流体は、前記タービンおよび熱交換器を経て前記ボイラに送られる第１作動流体サーキットと、
前記ボイラ内に備えられ、第２作動流体を加熱する第３熱交換器と、前記第３熱交換器から加熱された前記第２作動流体によって駆動される第２サーキットタービンと、前記第２サーキットタービンを駆動させた前記第２作動流体を圧縮する圧縮機とを備えた第２作動流体サーキットとを含み、
前記第２作動流体サーキットは、前記第２作動流体が前記第２作動流体サーキット内でのみ循環するように閉ループ（ｃｌｏｓｅｌｏｏｐ）をなす、超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体は、液体または気体状態の水であり、前記第２作動流体は、超臨界二酸化炭素流体である、請求項１３に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記ボイラは、前記タービンおよび熱交換器を経た前記第１作動流体と熱交換するエコノマイザ（ｅｃｏｎｏｍｉｚｅｒ）をさらに含み、前記エコノマイザは、前記ボイラ内で燃料の燃焼後に排気される排気ガスの廃熱を回収して前記第１作動流体を加熱するヒータである、請求項１４に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体サーキットは、前記ボイラから排気される排気ガスの廃熱を回収する第１熱交換器と、燃料の燃焼のために前記ボイラに流入する外気を加熱する第２熱交換器とをさらに含む、請求項１４に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体は、前記第２サーキットタービンを経て前記第２熱交換器に流入して冷却された後、前記圧縮機に流入し、前記圧縮機で圧縮された前記第２作動流体は、前記第１熱交換器を経て加熱された状態で前記第３熱交換器に流入して、前記ボイラの熱によって加熱される、請求項１６に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記ボイラの後段に連結され、前記排気ガスが排気される排気ラインと、前記ボイラの前段に連結され、前記外気が流入する外気ラインとをさらに含み、前記第１熱交換器は、前記排気ライン上に設けられ、前記第２熱交換器は、前記外気ライン上に設けられる、請求項１６または１７に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第２作動流体サーキットは、前記第２サーキットタービンに連結され、前記第２サーキットタービンによって駆動されて電力を生産する発電機をさらに含む、請求項１３から１８のいずれか１項に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。
前記第１作動流体サーキットは、前記第１作動流体を前記給水加熱器に供給する給水ポンプ（ｆｅｅｄｗａｔｅｒｐｕｍｐ）をさらに含み、前記第２サーキットタービンは、前記給水ポンプに連結され、前記給水ポンプを駆動させる、請求項１３から１９のいずれか１項に記載の超臨界二酸化炭素サイクルを用いたハイブリッド発電システム。