JP5567961B2 - 二重再熱ランキンサイクルシステム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、ランキンサイクルシステムに関し、より具体的には、二重再熱ランキンサイクルシステム及びその方法に関する。

多くの電力要件は、環境影響が最小限の低コストエネルギーを提供し、既存の電力網に容易に統合されるか、或いは単独ユニットとして迅速に設置できる発電システムにより恩恵を受けることができる。マイクロタービン又はレシプロエンジンなどの燃焼エンジンは、ガソリン、天然ガス、及びディーゼル燃料などの一般的に利用可能な燃料を用いて、低コストで電気を発生させる。しかしながら、窒素酸化物（ＮＯｘ）及びパーティキュレートなどの大気エミッションが発生する。

燃料消費量又はエミッション出力を増大させることなく燃焼エンジンの廃熱から電気を発生する１つの方法は、ボトミングサイクルを利用することである。ボトミングサイクルは、エンジンなどの熱源からの廃熱を使用して、当該熱エネルギーを電気に変換する。ランキンサイクルは、熱源用のボトミングサイクルとして利用されることが多い。ランキンサイクルはまた、地熱源又は産業廃熱源から発電するのに使用される。基本的な本来のランキンサイクルは、タービン発電機、予熱器／ボイラー、凝縮器、及び液体ポンプを含む。

このようなサイクルは、高温（例えば、サイクル内で循環する作動流体の沸点を上回る）の廃熱を受け入れ、通常は、周囲空気又は水に対する低温の熱を受け付けない。作動流体の選択は、サイクルの温度範囲及び熱効率特性を決定付ける。

高温且つ大型設備用の１つの従来のランキンサイクルシステムでは、蒸気が作動流体として使用される。蒸気は、高温まで加熱することができ、化学的に分解することなくより多くの排気エネルギーを取り込む。逆に、蒸気がサイクル構成部品を腐食させる傾向があること、及び統合エネルギーを最適に送給するのに真空近くの状態まで蒸気を膨張させる要件に起因して、蒸気は大きな問題を引き起こす。実質的に低い凝縮器圧力は、システムに漏出する非凝縮性ガスの精巧な除去手段だけでなく、大型の高価で低速始動の膨張器段及び凝縮ユニットを必要とする。

他の従来のランキンサイクルシステムでは、作動流体として二酸化炭素が使用される。二酸化炭素は、化学分解の恐れもなく高温まで超臨界的に加熱することができる。逆に、二酸化炭素は臨界温度が比較的低い。二酸化炭素を液相に凝縮させてポンプ送給するために、ヒートシンクの温度は、二酸化炭素の凝縮温度よりも幾分低くなければならない。多くの地理的場所における周囲温度は、二酸化炭素の臨界温度を日常的に超えるので、凝縮器用の冷却媒体として周囲空気を利用する場合には、こうした地理的場所で二酸化炭素を凝縮することができないことがある。

米国特許第７，０２１，０６３号公報

より効果的なランキングサイクルシステム及びその方法を有することが望ましい。

本発明の１つの例示的な実施形態によれば、例示的なランキンサイクルシステムが開示される。ランキンサイクルシステムは、高温流体と熱交換関係で作動流体を循環させて該作動流体を蒸発させるよう構成された加熱器を含む。加熱器には高温システムが結合される。高温システムは、作動流体の第１の凝縮ストリーム（stream：流れ）と熱交換関係で加熱器から作動流体の第１の蒸発ストリームを循環させて、作動流体の第１の凝縮ストリームを加熱させるよう構成された第１の熱交換器を含む。低温システムは、加熱器及び高温システムに結合される。低温システムは、作動流体の第２の凝縮ストリームと熱交換関係で高温システムから作動流体の第２の蒸発ストリームを循環させて、作動流体の第２の凝縮ストリームを加熱した後に加熱器に送給するよう構成された第２の熱交換器を含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。

本発明の１つの例示的な実施形態による、二重再熱ランキンサイクルシステムの概略図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、二重再熱ランキンサイクルシステムの高温システムの一部分の概略図。 本発明の１つの例示的な実施形態による、二重再熱ランキンサイクルシステムの低温システムの一部分の概略図。

本明細書で検討される実施形態によれば、二重再熱ランキンサイクルシステムが開示される。例示的なランキンサイクルシステムは、高温の流体と熱交換関係で作動流体を循環させ、該作動流体を蒸発させるよう構成された加熱器を含む。高温システムが加熱器に結合される。高温システムは、作動流体の第１の凝縮ストリームと熱交換関係で加熱器から作動流体の第１の蒸発ストリームを循環させ、作動流体の第１の凝縮ストリームを加熱するよう構成された第１の熱交換器を含む。低温システムが加熱器及び高温システムに結合される。低温システムは、作動流体の第２の凝縮ストリームと熱交換関係で高温システムから作動流体の第２の蒸発ストリームを循環させ、作動流体の第２の凝縮ストリームを加熱した後、加熱器に送給するよう構成された第２の熱交換器を含む。本発明の例示的な実施形態によれば、ランキンサイクルシステムは、発電用に廃熱のより高効率な回収を可能にするため熱源と統合される。熱源は、燃焼エンジン、ガスタービン、地熱、太陽熱、産業及び住宅熱源、又は同様のものを含むことができる。

図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態によるランキンサイクルシステム１０が示されている。図示のランキンサイクルシステム１０は、加熱器１２、高温システム１４、及び低温システム１６を含む。作動流体は、ランキンサイクルシステム１０を通じて循環される。高温システム１４は、第１の膨張器１８、第１の熱交換器２０、第１の凝縮ユニット２２、及び第１のポンプ２４を含む。低温システム１６は、第２の膨張器２６、第２の熱交換器２８、第２の凝縮ユニット３０、及び第２のポンプ３２を含む。

加熱器１２は、例えば、発熱システム（例えば、エンジン）の排気ユニットなどの熱源（図示せず）に結合される。加熱器１２は、熱源、例えば、熱源から発生する排気ガスを受け取り、作動流体を加熱して、該作動流体の第１の蒸発ストリーム３４を生成するようにする。高温システム１４では、作動流体の第１の蒸発ストリーム３４が第１の膨張器１８を通過し、作動流体の第１の蒸発ストリーム３４を膨張させ、第１の発電ユニット（図示せず）を駆動する。第１の膨張器１８は、軸方向型膨張器、インパルス型膨張器、高温スクリュー型膨張器、又は半径流タービン型の膨張器とすることができる。第１の膨張器１８を通過した後、比較的定圧低温の作動流体の第１の蒸発ストリーム３４が、第１の熱交換器２０を通じて第１の凝縮ユニット２２に流れる。作動流体の第１の蒸発ストリーム３４は、液体に凝縮され、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６を生成するようになる。次いで、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６は、第１のポンプ２４を用いて、第１の熱交換器２０を介して第２の膨張器２６にポンプ送給される。第１の熱交換器２０は、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６と熱交換関係で第１の膨張器１８から作動流体の第１の蒸発ストリーム３４を循環させ、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６を加熱して作動流体の第２の蒸発ストリーム３８を生成する。

低温システム１６では、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、第２の膨張器２６に流れて、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８を膨張させ、第２の発電ユニット（図示せず）を駆動する。第２の膨張器２６は、軸方向型膨張器、インパルス型膨張器、高温スクリュー型膨張器、又は半径流タービン型の膨張器とすることができる。第２の膨張器２６を通過した後、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、第２の熱交換器２８を通って第２の凝縮ユニット３０に流れる。作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、液体に凝縮され、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０を生成するようになる。次いで、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０は、第２のポンプ３２を用いて、第２の熱交換器２８を介して加熱器１２にポンプ送給される。第２の熱交換器２８は、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０と熱交換関係で第２の膨張器２６から作動流体の第２の蒸発ストリーム３８を循環させ、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０を加熱した後、加熱器１２に送給される。

図示の実施形態では、作動流体の高圧ストリームと作動流体の低圧ストリームとの間に熱交換の２つの実施段階（熱の「サイクル内」移行と呼ぶ場合もある）が存在する。第１の実施段階では、作動流体の第１の蒸発ストリーム３４は、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６と熱交換関係で循環され、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６を加熱して、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８を生成する。この熱交換は、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６を沸騰させ（作動流体の第１の凝縮ストリーム３６が未臨界温度である場合）、或いは、作動流体の第１の凝縮ストリーム３６のエンタルピーを増大させ（作動流体の第１の凝縮ストリーム３６が超臨界温度である場合）、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８が、第２のタービン２６において別の膨張を受けることができるようになる。第２の実施段階では、第２の膨張器２６からの作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０と熱交換関係で循環され、作動流体の第２の凝縮ストリーム４０を加熱する。作動流体の第２の凝縮ストリーム４０は、加熱器１２に送給され、外部熱源を用いて加熱して、流れ巡回を完了する。第２の熱交換器２８は、システム１０における「復熱装置」としての機能を果たす。

図示の実施形態では、作動流体は二酸化炭素を含む。作動流体として二酸化炭素を使用することは、非可燃性で非腐食性であり、高サイクル温度（例えば、４００℃を超える）に耐え得るといった利点がある。上述のような１つの実施形態では、二酸化炭素は、化学分解の恐れもなく相当な温度まで超臨界的に加熱することができる。作動流体の初期膨張の後に続く２つの別個のサイクル内熱移行は、単一膨張プロセス（従来のランキンサイクル運転におけるような）で実施可能であるものと比べて、連続膨張を通じてより多くの仕事を作動流体に行わせることができる。他の実施形態では、他の作動流体も想定される。

図２を参照すると、高温システム１４（図１に示す）の一部が開示される。上記で検討したように、第１の膨張器を通過した後、比較的低圧低温の作動流体の第１の蒸発ストリーム３４は、第１の熱交換器２０を通って第１の凝縮ユニット２２に流れる。第１の凝縮ユニット２２については、本明細書でより詳細に説明する。図示の実施形態では、第１の凝縮ユニット２２は、空冷凝縮ユニットである。第１の熱交換器２０を通って出る作動流体の第１の蒸発ストリーム３４は、第１の凝縮ユニット２２の空気冷却器４２を介して流れる。空気冷却器４２は、周囲空気を用いて作動流体の第１の蒸発ストリーム３４を冷却するよう構成される。

従来のシステムでは、多くの地理的場所における周囲温度は、二酸化炭素の臨界温度を日常的に超えるので、凝縮器用の冷却媒体として周囲空気を利用する場合には、こうした地理的場所で二酸化炭素を凝縮することができない。本発明の実施形態によれば、こうした地理的場所の周囲温度が二酸化炭素の臨界温度を日常的に超えた場合でも、二酸化炭素は、その臨界温度を下回って完全に凝縮される。

図示の実施形態では、第１のセパレータ４４は、空気冷却器４２から出る作動流体の第１の凝縮ストリーム３６から第１の非凝縮蒸発ストリーム４６を分離するよう構成される。次いで、第１の非凝縮蒸発ストリーム４６の一部分４８は、第３の膨張器５０を介して膨張される。第２のセパレータ５２は、第１の非凝縮蒸発ストリーム４６の膨張した一部分４８から第２の非凝縮蒸発ストリーム５４を分離するよう構成される。第２の非凝縮蒸発ストリーム５４は、第３の熱交換器５８を介して第１の非凝縮蒸発ストリーム４６の残りの部分５６と熱交換関係で循環され、該第１の非凝縮蒸発ストリーム４６の残りの部分５６を凝縮させるようにする。

圧縮機６０は、第３の膨張器５０に結合される。圧縮機６０は、第３の熱交換器５８からの第２の非凝縮蒸発ストリーム５４を加圧するよう構成される。次に、加圧された第２の非凝縮蒸発ストリーム５４は、空気冷却器４２の上流側に送給される。本明細書では、第１のセパレータ４４を介して出る作動流体の第１の凝縮ストリーム３６、第２のセパレータ５２を介して出る作動流体の第３の凝縮ストリーム６２、及び第３の熱交換器５８を介して出る作動流体の第４の凝縮ストリーム６４は、第１のポンプ２４に送給される点に留意されたい。第２のセパレータ５２から出る作動流体の第３の凝縮ストリーム６２を第１のポンプ２４に送給するために、ポンプ６３が設けられる。

図３を参照すると、冷却システム１６（図１に示す）の一部が開示される。上記で検討したように、第２の膨張器を通過した後、作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、第２の熱交換器２８を通って第２の凝縮ユニット３０に流れる。第２の凝縮ユニット３０は、本明細書で詳細に説明される。図示の実施形態では、第２の凝縮ユニット３０は、空冷凝縮ユニットである。第２の熱交換器２８を通って出る作動流体の第２の蒸発ストリーム３８は、第２の凝縮ユニット３０の空気冷却器６６を介して流れる。空気冷却器６６は、周囲空気を用いて作動流体の第２の蒸発ストリーム３８を冷却するよう構成される。

図示の実施形態では、第３のセパレータ６８は、空気冷却器６６から出る作動流体の第２の蒸発ストリーム３８から第２の非凝縮蒸発ストリーム７０を分離するよう構成される。次に、第２の非凝縮蒸発ストリーム７０の一部分７２は、第４の膨張器７４を介して膨張される。第４のセパレータ７６は、第２の非凝縮蒸発ストリーム７０の膨張した一部分７２から第３の非凝縮蒸発ストリーム７８を分離するよう構成される。第３の非凝縮蒸発ストリーム７８は、第４の熱交換器８２を介して第２の非凝縮蒸発ストリーム７０の残りの部分８０と熱交換関係で循環され、該第２の非凝縮蒸発ストリーム７０の残りの部分を凝縮させるようにする。

圧縮機８４は、第４の膨張器７４に結合される。圧縮機８４は、第４の熱交換器８２からの第３の非凝縮蒸発ストリーム７８を加圧するよう構成される。次に、加圧された第３の非凝縮蒸発ストリーム７８は、空気冷却器６６の上流側に送給される。本明細書では、第３のセパレータ６８を介して出る作動流体の第２の蒸発ストリーム３８、第２のセパレータ７６を介して出る作動流体の第５の凝縮ストリーム８６、及び第４の熱交換器８２を介して出る作動流体の第６の凝縮ストリーム８８は、第２のポンプ３２に送給される点に留意されたい。第４のセパレータ７６を介して出る作動流体の第５の凝縮ストリーム８６を第２のポンプ３２に送給するために、ポンプ８７が設けられる。

上記で検討した図２及び３の実施形態を参照すると、作動流体（例えば、二酸化炭素）の一部は、２つの凝縮ユニット２２、３０の各々で分流され、作動流体の凝縮を行う。冷却周囲空気が作動流体の完全凝縮をもたらすには温度が高過ぎる場合には、非凝縮蒸気の一部が過膨張になり、飽和温度並びに周囲空気温度を遙かに下回って冷却されるようになる。次いで、この冷却された非凝縮蒸気は、過膨張にされていない非凝縮蒸気の残りの部分と熱交換関係で循環され、非凝縮蒸気の残りの部分を液体に凝縮するようになる。分流及び過膨張されることになる非凝縮蒸気の量は、非凝縮蒸気の非分流部分を完全に凝縮するのに十分であるまで調節することができる。膨張プロセスから生じるシャフト仕事は、凝縮プロセスにより加熱された後で、非凝縮蒸気の過膨張部分を加圧するよう適用される。次に、加圧蒸気ストリームは、凝縮ユニットの上流側の地点まで再循環される。

上述の実施形態は、作動流体として二酸化炭素に関連して検討しているが、他の特定の実施形態では、ランキンサイクルに好適な臨界温度が低い他の流体も想定される。本明細書で検討したように、ランキンサイクルの冷却流の可用性を確保することで、夏期に周囲冷却温度が上昇したときに、作動流体を凝縮するのに十分な冷却流の可用性が得られる。例示的な実施形態によれば、凝縮ユニット及びタービンの低圧段は、作動流体として二酸化炭素を利用するランキンサイクルにおいて容量が低減される。また、例示的なランキンサイクルは、作動流体として蒸気を利用するランキンサイクルと比べて、占有面積が小さく、結果として起動時間がより速くなる。

本発明の特定の特徴のみを本明細書で例示し説明してきたが、当業者であれば、多くの変更形態及び変形が想起されるであろう。本発明の真の精神の範囲内にあるこのような変更形態及び変更全ては、添付の請求項によって保護されるものとする点を理解されたい。

１０ ランキンサイクルシステム
１２ 加熱器
１４ 高温システム
１６ 低温システム
１８ 第１の膨張器
２０ 第１の熱交換器
２２ 第１の凝縮ユニット
２４ 第１のポンプ
２６ 第２の膨張器
２８ 第２の熱交換器
３０ 第２の凝縮ユニット
３２ 第２のポンプ
３４ 第１の蒸発ストリーム
３６ 第１の凝縮ストリーム
３８ 第２の蒸発ストリーム
４０ 第２の凝縮ストリーム
４２ 空気冷却器
４４ 第１のセパレータ
４６ 第１の非凝縮蒸発ストリーム
４８ 第１の非凝縮蒸発ストリームの一部分
５０ 第３の膨張器
５２ 第２のセパレータ
５４ 第２の非凝縮蒸発ストリーム
５６ 第１の非凝縮蒸発ストリームの残りの部分
５８ 第３の熱交換器
６０ 圧縮機
６２ 作動流体の第３の凝縮ストリーム
６３ ポンプ
６４ 作動流体の第４の凝縮ストリーム
６６ 空気冷却器
６８ 第３のセパレータ
７０ 第２の非凝縮蒸発ストリーム
７２ 第２の非凝縮蒸発ストリームの一部分
７４ 第４の膨張器
７６ 第４のセパレータ
７８ 第３の非凝縮蒸発ストリーム
８０ 第３の非凝縮蒸発ストリームの残りの部分
８２ 第４の熱交換器
８４ 圧縮機
８６ 作動流体の第５の凝縮ストリーム
８７ ポンプ
８８ 作動流体の第６の凝縮ストリーム

Claims (10)

1. ランキンサイクルシステム（１０）において、
   高温流体と熱交換関係で作動流体を循環させて該作動流体を蒸発させるよう構成された加熱器（１２）と、
   前記作動流体の第１の凝縮ストリーム（３６）と熱交換関係で前記加熱器（１２）から作動流体の第１の蒸発ストリーム（３４）を循環させて、前記作動流体の第１の凝縮ストリーム（３６）を加熱させるよう構成された第１の熱交換器（２０）を含み、前記加熱器（１２）に結合される高温システム（１４）と、
   前記加熱器（１２）及び前記高温システム（１４）に結合された低温システム（１６）と、
   を備え、
   前記低温システム（１６）が、前記作動流体の第２の凝縮ストリーム（４０）と熱交換関係で前記高温システム（１４）から作動流体の第２の蒸発ストリーム（３８）を循環させて、前記作動流体の第２の凝縮ストリーム（４０）を加熱した後に前記加熱器（１２）に送給するよう構成された第２の熱交換器（２８）を含む、
   ランキンサイクルシステム（１０）。
2. 前記高温システム（１４）が、前記加熱器（１２）から作動流体の第１の蒸発ストリーム（３４）を膨張させるよう構成された第１の膨張器（１８）を含む、
   請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記高温システム（１４）が、前記第１の熱交換器（２０）を介して前記加熱器（１２）から送給される作動流体の膨張された第１の蒸発ストリーム（３４）を凝縮するよう構成された第１の凝縮ユニット（２２）を含む、
   請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記第１の凝縮ユニット（２２）が、前記第１の熱交換器（２０）を介して前記加熱器（１２）から送給される作動流体の膨張された第１の蒸発ストリーム（３４）を冷却するよう構成された空気冷却器（４２）を含む、
   請求項３に記載のシステム（１０）。
5. 前記第１の凝縮ユニット（２２）が、前記空気冷却器（４２）から出る前記作動流体の第１の凝縮ストリーム（３６）から第１の非凝縮蒸発ストリーム（４６）を分離するよう構成された第１のセパレータ（４４）を含む、
   請求項４に記載のシステム（１０）。
6. 前記第１の凝縮ユニット（２２）が、前記第１の非凝縮蒸発ストリームの一部分（４８）を膨張させるように構成された第３の膨張器（５０）を含む、
   請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 前記第１の凝縮ユニット（２２）が、前記第３の膨張器（５０）から出る前記第１の非凝縮蒸発ストリームの膨張部分（４８）から第２の非凝縮蒸発ストリーム（５４）を分離するよう構成された第２のセパレータ（５２）を含む、
   請求項６に記載のシステム（１０）。
8. 前記作動流体が二酸化炭素である、
   請求項１に記載のシステム（１０）。
9. 前記高温流体が排気ガスである、
   請求項１に記載のシステム（１０）。
10. 加熱器（１２）を介して高温流体と熱交換関係で作動流体を循環させて該作動流体を蒸発させる段階と、
    高温システム（１４）の第１の熱交換器（２０）を介して前記作動流体の第１の凝縮ストリーム（３６）と熱交換関係で前記加熱器（１２）から作動流体の第１の蒸発ストリーム（３４）を循環させて、前記作動流体の第１の凝縮ストリーム（３６）を加熱する段階と、
    低温システム（１６）の第２の熱交換器（２８）を介して前記作動流体の第２の凝縮ストリーム（４０）と熱交換関係で前記高温システム（１４）から作動流体の第２の蒸発ストリーム（３８）を循環させて、前記作動流体の第２の凝縮ストリーム（４０）を加熱する段階と、
    を含む方法。

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