JP4523948B2 - 有効エネルギーへの熱変換方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギー（例えば都市廃棄物などの毒性／または腐食性燃料の燃焼によって生成される熱、または地熱）を有効エネルギー（例えば、機械的または電気的エネルギー）に変換する事に関するものである。

毒性および／または腐食性煙道ガスを発生する燃料の燃焼工程においては、ボイラー管の急速な腐食を防止するため、これらのボイラー管を一定温度水準以下の温度に保持する必要がある。これは通常、これらのボイラー管の中に沸騰水を循環させその結果として飽和水蒸気または少し過熱された水蒸気を形成する事によって達成される。

従来この水蒸気は次に有効な動力を発生するため水蒸気タービンの中で膨張させられる。しかしこの水蒸気は飽和されまたは軽度に過熱されているにすぎないので、その膨張はタービンを湿潤区域で作動させるが、これは水蒸気タービンの効率と寿命を大幅に低下させる。従って水蒸気タービンは水蒸気湿潤度が１２−１３％を超える条件で作動する事ができないので、しばしば膨張の途中で膨張を停止し液体を分離除去し次に再び膨張を継続する事が必要である。

また米国特許第５，４４０，８８２号に記載のように水蒸気と塩水とを含有する地熱流体から有効なエネルギーが得られる。

１つの観点において、本発明の特徴は一次流体（例えば水蒸気）を多段膨張させて前記一次流体中の熱を有効エネルギーに変換し、別個の閉鎖ループ中において一次流体の熱を使用して多成分作動流体を加熱し、前記多成分作動流体を膨張させるにある。蒸気状態の一次流体が第１段階膨張器の中で膨張させられて有効エネルギーを生産しまた部分的に膨張された一次流体流を形成する。次にこの部分的に膨張させられた一次流体が液体成分と蒸気成分とに分離され、また（第２段階膨張器において膨張される）蒸気流と（多成分作動流体の加熱に使用される）第２の一次流とに分割される。

好ましい実施態様において、（膨張させられた）消費済み多成分作動流体が凝縮器において凝縮されまた回収型熱交換器を通され、この熱交換器の中において前記消費済み多成分作動流体の熱を使用して凝縮された多成分作動流体を熱回収的に加熱する。一次流体はボイラーの中で加熱される事ができ、または一次流体は地熱流体から得られる水蒸気とする事ができる。

他の観点において、本発明の特徴は一般に２つの閉鎖ループを使用して熱を有効エネルギーに変換するにある。一方の閉鎖ループが一次作動流体を収容し、この一次作動流体が外部熱源によって（例えば、腐食性または毒性燃料を燃焼させるボイラーの中で）加熱され次に２つの流れに分割される。その第１流が（例えばタービンの中で）膨張させられて有効エネルギーを生産し、第２流が第１熱交換器中において第２閉鎖ループ中の多成分作動流体を加熱するために使用される。加熱された多成分作動流体は（例えば第２タービン中において）膨張させられてさらに有効エネルギーを生産する。

好ましい実施態様において第１流が２つの流れに分割され、これらの２流の一方が蒸気流であって膨張させられて有効エネルギーを生産し、またこれらの追加的２流がいずれも他の２つの熱交換器の中で多成分作動流体を加熱するために使用される。

他の観点において、本発明の特徴は一般に水蒸気と塩水とを含有する地熱流体の熱を有効エネルギーに変換する動力システムである。塩水から水蒸気が分離され、この水蒸気の熱が別個の閉鎖ループ中において第１熱交換器の中で多成分作動流体を加熱するために使用される。前記の分離された塩水は第２熱交換器の中において多成分作動流体をさらに加熱するために使用され、次にシステムから排出される。次に多成分作動流体が膨張させられて追加的有効エネルギーを生産する。

好ましい実施態様において、消費済み多成分作動流体が凝縮器において凝縮され、回収型熱交換器を通され、この熱交換器中において消費済み多成分作動流体の熱を使用して、凝縮器の中で凝縮された多成分作動流体を熱回収的に加熱する。第１熱交換器の中で多成分作動流体を加熱するために使用される熱は、膨張させられて２流に分割された水蒸気から得られる。一方の流は有効エネルギーを得るために膨張させられる蒸気であり、他方の流は第１熱交換器を通って次に絞られ、膨張流と結合させられる。

以下、本発明を図面に示す実施の形態について詳細に説明するが本発明はこれに限定されない。

図１について述べれば、熱を機械的エネルギーに変換する装置が図示されている。装置１１０は第１および第２閉鎖ループ１１２、１１４を含む。ループ１１２は一次作動流体として水を含む。第２ループ１１４は多成分作動流体として水／アンモニア混合物を含む。多成分作動流体を使用するシステムはアレキサンダー Ｉ．カリーナの米国特許第４、３４６、５６１号、第４，４８９，５６３号、第４，５４８，０４３号、第５，５９６，３４０号、第４，６０４，８６７号、第４，７３２，００５号、第４，７６３，４８０号、第４，８９９，５４５号、第４，９８２，５６８号、第５，０２９，４４４号、第５，０９５，７０８号、第５，４４０，８８２号、第５，４５０，８２１号および特願第０８／２８３，０９１号、第０８／５４６，４１９号に記載され、これらの特許および特願を引例とする。

閉鎖ループ１１２の中において、点５６のようなパラメータを有する凝縮液状水が管を通してボイラー１１６の中に送られ、このボイラーが腐食性および／または毒性燃料を燃焼する。ボイラー１１６の管の中で、水が沸騰し、点５１のパラメータを有する乾燥した飽和水蒸気を生成する。点５１のパラメータを有する水蒸気がそれぞれ点４１および５２のパラメータを有する第１および第２の一次流に分割される。点４１のパラメータを有する水蒸気流が水蒸気タービンの第１段ＳＴ−１の中に転送される。この第１段は第１膨張器であってその中で水蒸気が中圧まで膨張し、出力を生じ、点４２のパラメータをもってＳＴ−１をでる。この水蒸気はすでに湿潤しており、セパレータ／スプリッター１１８中のセパレータＳの中に転送され、そこで膨張した第１の一次流中の液体が水蒸気から分離される。点４３のパラメータを有する分離された水蒸気部分が水蒸気タービンの第２段、ＳＴ−２（第２膨張器）の中に転送される。水蒸気の残分とセパレータＳを出る液体全部が結合されて、点４５のパラメータを有する第４の一次流を成す。点４３（前記）のパラメータを有する水蒸気の第３の一次流が水蒸気タービンの第２段、ＳＴ−２中で膨張され、出力を生じまた点４４のパラメータを得る。このようにして、それぞれ点５２、４４および４５のパラメータを有する飽和または湿潤水蒸気の第２、第３および第４の一次流が形成される。点５２のパラメータを有する第２の一次流が最高の圧力と温度を有する。点４５のパラメータを有する第４の一次流と、点４４のパラメータを有する第３の一次流とがそれぞれ中圧および中温度と最低圧および最低温度を有する。点５２のパラメータを有する第２の一次流中の水蒸気が熱交換器ＨＥ−１の中に転送され、そこでこの水蒸気が凝縮されサブクーリングされて、放熱し、点５４のパラメータをもって熱交換器ＨＥ−１を出る。点４５のパラメータを有する第４の一次流中の水蒸気が第２熱交換器ＨＥ−２の中に転送され、そこでこの水蒸気が凝縮されサブクーリングされて、放熱し、点４６のパラメータをもって熱交換器ＨＥ−２を出る。次にこの第４の一次流が点５４のパラメータを有する前記の第２の一次流中の水蒸気の圧力に等しい圧力までポンプＰ−２によって加圧されて点５０のパラメータを得る。点４４のパラメータを有する第３の一次流中の水蒸気が第３熱交換器ＨＥ−３の中に転送され、そこでこの水蒸気が凝縮されサブクーリングされて、放熱し、点４８のパラメータをもって熱交換器ＨＥ−３を出る。次にこの第３の一次流がそれぞれ前記の点５４と５０のパラメータを有する第２および第４の一次流の圧力に等しい圧力までポンプＰ−３によって加圧される。次に、それぞれ点５４、４９および５０のパラメータを有する第２、第３および第４の一次流が結合されて点５５のパラメータを有する流を生じる。次にこの流が前記の点５６のパラメータを得るのに必要な圧力までポンプＰ−４によって加圧され、ボイラー１１６の中に転送される。

第２閉鎖ループ１１４の中において、点１４のパラメータを有する完全に凝縮された多成分作動流体がポンプＰ−１によって所要圧まで加圧され点２１のパラメータを得る。その後、点２１のパラメータを有する多成分作動流体流が第４熱交換器ＨＥ−４を通過し、そこで流体は加熱されて点６０のパラメータを得る。好ましくは点６０における作動流体の状態は飽和液である。その後、点６０のパラメータを有する多成分作動流体が回収型第５熱交換器ＨＥ−５を通り、そこで部分的に蒸発されて点６２のパラメータを得る。その後、点６２のパラメータを有する流体流が前記の第３熱交換器ＨＥ−３の中に転送され、そこでこの熱交換器中において放出される熱によってさらに加熱され、点６６のパラメータを得る。その後、点６６のパラメータを有する多成分作動流体流が前記の第２熱交換器ＨＥ−２の中に転送され、そこでこの熱交換器中において放出される熱によってさらに加熱され完全に蒸発される。熱交換器ＨＥ−２を出て点６８のパラメータを有する多成分作動流体流（好ましくは飽和蒸気の状態）が前記の第１熱交換器ＨＥ−１の中に入り、そこでこの熱交換器中において放出される熱によって過熱され点３０のパラメータをもってこの第１熱交換器から出る。点３０のパラメータを有する多成分作動流体流が作動流体タービンＷＦＴ（第２膨張器）を通り、この中で膨張させられて出力を生じ、点３６のパラメータを有する消費済み多成分作動流体としてＷＦＴを出る。点３６のパラメータを有する消費済み多成分作動流体が回収型熱交換器ＨＥ−５を通り、そこで冷却され部分的に凝縮され、放熱し（前述）、点３８のパラメータをもってＨＥ−５を出る。その後、点３８のパラメータを有する多成分作動流体流が回収熱交換器ＨＥ−４に入り、そこでさらに冷却され凝縮し、放熱（前述）して点２９のパラメータをもってＨＥ−４を出る。点２９のパラメータを有する部分的に凝縮された多成分作動流体流は凝縮器ＨＥ−６を通り、そこで冷却水または冷却空気流２３−２４によって完全に凝縮されて、点１４のパラメータを得る。

前記工程のすべてのキーポイントのパラメータを表１に示す。

装置１１０は毒性および腐食性燃料の燃焼によって生じた熱の効率的変換を成す。本発明による図１のシステムの性能一覧を表２に示し、この表は２８．１４％の正味熱効率を示す。従来の流体流の直接膨張に基づくシステムにおいては、点５１の同一パラメータをもってボイラーを出る流体流は２１％の正味熱効率を示す。従って図１のシステムは熱変換／出力発生効率を３３％増大させる。

図２において、水蒸気と塩水から成る地熱流体からの熱を利用するように設計された動力システム２１０を示す。塩水の高度の無機質含有量は塩水の冷却される限度を制限し、その結果、二、三の点において腐食性毒性燃料を利用するための図１のシステムに類似した条件を生じる。このような条件の類似性の故に、地熱動力システム２１０においても一部の同一原理を利用する事ができる。

地熱動力システム２１０においては、点１５１のパラメータを有する水蒸気と無機質含有塩水とから成る地熱流体がセパレータＳ−１に入り、そこで点１４１のパラメータを有する飽和水蒸気流と点１５２のパラメータを有する無機質塩水流とに分離される。点１４１のパラメータを有する水蒸気流が高圧蒸気タービンＳＴ−１の中に入り、そこで中圧まで膨張させられて点１４２のパラメータを得る。点１４２のパラメータを有する水蒸気は湿潤水蒸気であって、セパレータ／スプリッター２１２中のセパレータＳ−２の中に入り、そこで膨張水蒸気中の液体が水蒸気から分離され、点１４３のパラメータを有する第１流と点１４６のパラメータを有する第２流とに分割される。セパレータＳ−２から出る水蒸気は、それぞれ点１４３と点１４５のパラメータを有する２つの支流に分割され。その後、第１流（点１４３のパラメータを有する水蒸気）が低圧蒸気タービンＳＴ−２の中に転送され、そこで低圧まで膨張させられて有用エネルギーを発生する。高圧蒸気タービンＳＴ−１と低圧蒸気タービンＳＴ−２は水蒸気のそれぞれ第１および第２段階膨張器である。低圧タービンＳＴ−２における膨張後に、第１流は点１４４のパラメータを得る。点１４５のパラメータを有する水蒸気流がセパレータＳ−２から除去された液体と混合され、パラメータ１４６を有する第２流を生じる。この第２流が第１熱交換器ＨＥ−１を通り、そこで凝縮されサブクーリングされ、この第１熱交換器から点１４８のパラメータをもって出る。その後、点１４８のパラメータを有する凝縮物流は絞り弁ＴＶにおいて、点１４４のパラメータを有するＳＴ−２からの流れと同等圧まで絞られ、この流と混合される。この混合の結果、点１４９のパラメータを有する部分的に凝縮された水蒸気流が形成される。点１４９のパラメータを有する流が水蒸気凝縮器ＨＥ−６を通り、そこで冷却水または冷却空気によって冷却されて、点１５０のパラメータを得る。この凝縮流がシステム２１０から排出される。

セパレータＳ−１から除去され点１５２のパラメータを有する塩水（前述）が第２熱交換器ＨＥ−２を通り、そこで冷却されて点１５４のパラメータを得る。熱交換器ＨＥ−２中の塩水から放出された熱が下記に説明する二元サイクルの作動流体に転送される。冷却された塩水はシステム２１０から適度の温度で排出される。

完全に凝縮され点１１４のパラメータを有する二元サイクルの作動流体がポンプＰ−１によってポンプ輸送されて点１２１のパラメータを得る。点１２１のパラメータを有する作動流体流が回収型熱交換器ＨＥ−３を通過し、そこで加熱されて１６０のパラメータを得る。この点１６０のパラメータを有する作動流体の状態は飽和液である。その後、点１６０のパラメータを有する作動流体流は熱交換器ＨＥ−４を通り、そこで部分的に沸騰させられ点１６６のパラメータを得る。その後、点１６６のパラメータを有する作動流体流は第１熱交換器ＨＥ−１を通り、そこで前記セパレータ／スプリッター２１２から出る第２流の熱によって加熱されて完全に蒸発させられ、点１６８のパラメータをもって熱交換器ＨＥ−１から出る。点１６８のパラメータを有する多成分作動流体が第２熱交換器ＨＥ−２を通り、そこで液状地熱塩水の冷却工程に際して放出された熱によって過熱される。熱交換器ＨＥ−２中の加熱の結果、作動流体は点１３０のパラメータを得て作動流体タービンＷＦＴの中に入る。タービンＷＦＴ中で作動流体が膨張させられて仕事を生じ点１３６のパラメータを得る。その後、点１３６のパラメータを有する消費済み多成分作動流体が回収型熱交換器ＨＥ−４を通り、そこで部分的に凝縮されてこの熱交換器を点１３８のパラメータをもって出る。熱交換器ＨＥ−４の中に放出された熱は作動流体を点１６０と１６６との間において初期蒸発させるのに使用される。その後、点１３８のパラメータを有する作動流体が熱交換器ＨＥ−３を通り、そこでさらに凝縮されて点１２９のパラメータを得る。熱交換器ＨＥ−３の中に放出された熱が作動流体を前述のように点１２１と点１６０との間において予熱するために利用される。さらに点１２９のパラメータを有する作動流体流が凝縮器ＨＥ−５の中に転送され、そこで冷却水または空気によって完全に凝縮されて、点１１４のパラメータを得る。そこで作動流体のサイクルが閉じる。

動力システム２１０において、タービン第２段（ＳＴ−２）後の水蒸気の凝縮熱は図１のシステム１１０のように二元サイクル中の作動流体の加熱と蒸発には使用されない。これは、この種の熱が非常に低温であって、動力を発生するポテンシャルを有しないからである。

地熱エネルギーの利用に応用される図２の動力システムは、蒸気が最低可能圧まで全部膨張させられ、液体が追加水蒸気を発生するように絞られ、この追加水蒸気も最低可能圧まで膨張させられるように成された従来システムと比較して、約３０％の効率増大をもたらす。

動力システム２１０のすべてのキーポイントの水蒸気パラメータを表３に示し、またこのシステムの性能一覧を表４に示す。

前記のシステム１１０と２１０は、熱源として使用される水蒸気の多段膨張を使用し、また凝縮熱を閉鎖二元サイクルにおいて多成分作動流体を加熱し蒸発させるために利用される。またいずれの場合にも、二元サイクル中の多成分作動流体は少なくとも２種の成分の混合物である。多成分作動流体中の成分組成は、作動流体の膨張後の初凝縮温度が膨張前の同一作動流体の初沸騰温度より高くなるように選定される。その結果、流入作動流体の回収型初沸騰を可能とする。

本発明は前記の説明のみに限定されるものでなく、その主旨の範囲内において任意に変更実施できる。例えば図１のシステムにおいて、熱源として水蒸気でなく水蒸気と液体との混合物を使用し、またこの液体の冷却によって放出された熱を二元サイクルの作動流体の過熱のために使用する事ができる。

燃料燃焼から熱を生産する本発明の第１の実施の形態のフローシート。 水蒸気と塩水とを含む地熱流体から熱を生産する本発明の第２の実施の形態のフローシート。

符号の説明

１１０ 燃料燃焼から熱が得られる装置
２３ 冷却水／エア
４１ 第１の一次流
５２ 第２の一次流
４４ 第３の一次流
４５ 第４の一次流
１１２、１１４ ループ
１１６ ボイラー
１１８ セパレータ／スプリッター
Ｓ セパレータ
ＳＴ−１ 第１段階タービン（膨張器）
ＳＴ−２ 第２段階タービン（膨張器）
ＷＦＴ 多成分作動流体タービン
ＨＥ−１、２、３、４、５ 熱交換器
ＨＥ−６ 凝縮器
Ｐ１、２、３、４ ポンプ
２１０ 地熱から熱が得られる装置
Ｓ−１ セパレータ
Ｓ−２ セパレータ
ＴＶ 絞り弁
１５１ 蒸気導入
１５２ 塩水導入
１５４ 塩水排出
２１２ スプリッター

Claims (8)

1. 水蒸気と塩水とを含有する地熱流体の熱を動力システムの中において有効エネルギーに変換する方法において、
   前記地熱流体中の前記水蒸気を前記塩水から分離する工程と、
   前記水蒸気を第１膨張器中で膨張させて膨張水蒸気流を生じる工程と、
   別個の閉鎖ループの中において第１熱交換器中で前記水蒸気の熱を使用して多成分作動流体を加熱する工程と、
   第２熱交換器の中において、前記塩水を使用して前記第１熱交換器から来る前記多成分作動流体をさらに加熱する工程と、
   前記塩水を前記第２熱交換器から動力システム外に排出する工程と、
   前記多成分作動流体を前記別個の閉鎖ループ中の第２膨張器の中において膨張させて、有効エネルギーを生産し消費済み多成分作動流体を生じる工程とを備え、
   前記第１熱交換器の中で前記多成分作動流体を加熱するために使用される前記の熱は、前記第１膨張器の中で膨張された水蒸気から得られ、
   前記第１膨張器中の膨張後に前記膨張水蒸気流が液体成分と水蒸気成分とに分離されまた第１流と第２流とに分割され、前記第１流は水蒸気であってこの水蒸気が第３膨張器の中で膨張させられて有効エネルギーを生じさせ、前記第２流が前記第１熱交換器の中を通る事を特徴とする方法。
2. 前記消費済み多成分作動流体を凝縮器の中で凝縮しこの多成分作動流体を回収型熱交換器の中を通し、この回収型熱交換器の中で前記消費済み多成分作動流体の熱を使用して、前記凝縮器で凝縮された後の前記多成分作動流体を熱回収的に加熱する事を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第２流が前記第１熱交換器通過後に絞られて、前記第３膨張器中の膨張後の前記第１流と結合される事を特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記第１流と第２流との結合流が凝縮されシステムから排出される事を特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 動力システムにおいて水蒸気と塩水を含有する地熱流体の熱を有効エネルギーに変換する装置において、
   前記地熱流体中の前記水蒸気を前記塩水から分離するセパレータと、
   前記水蒸気を膨張させて有効エネルギーを生産し膨張水蒸気流を形成する第１膨張器と、
   多成分作動流体を収容する別個の閉鎖ループであって、前記水蒸気の熱を使用して前記多成分作動流体を加熱する第１熱交換器中の流路と、前記塩水が前記第１熱交換器からの前記多成分作動流体をさらに加熱する第２熱交換器中の流路と、前記第２熱交換器から来る多成分作動流体が膨張されて有効エネルギーを生じさせ消費済み多成分作動流体を形成するように成された第２膨張器とを含む別個の閉鎖ループと、
   前記塩水を前記第２熱交換器からシステム外部に排出するように接続された流出ラインとを備え、
   前記第１熱交換器中の前記多成分作動流体を加熱するために使用される前記熱は前記第１膨張器の中において膨張された水蒸気から得られ、
   さらに前記膨張水蒸気流を液体成分と水蒸気成分とに分離し前記膨張水蒸気流を第１流と第２流とに分割し前記第１流を水蒸気とするセパレータ／スプリッターと、前記第１流を通して膨張させて有効エネルギーを生産する第３膨張器とを更に備え、前記第２流が前記第１熱交換器を通るように成された事を特徴とする装置。
6. 前記別個の閉鎖ループは前記消費済み多成分作動流体を凝縮する凝縮器と、前記消費済み多成分作動流体の熱を使用して前記多成分作動流体を前記凝縮器における凝縮後に熱回収的に加熱する回収型熱交換器とを含む事を特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第１熱交換器を通過後の前記第２流を絞る絞り弁と、前記絞り弁から来る前記第２流を前記第３膨張器の中で膨張された前記第１流と結合させる継手とを更に備えた事を特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記第１流と前記第２流との結合流が凝縮されシステムから排出される事を特徴とする請求項７に記載の装置。

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