JP6641648B2 - 超臨界二酸化炭素発電システム - Google Patents

Description

本発明は、超臨界二酸化炭素発電システムに関し、より詳細には、システムの発電効率を向上させることができる超臨界二酸化炭素発電システムに関する。

国際的に、効率的な電力生産の必要性が益々大きくなっており、公害物質の発生を低減するための動きが益々活発になっている。これに伴い、公害物質の発生を低減し、且つ電力生産量を高めるために様々な努力が払われており、中でも、日本特開２０１２−１４５０９２号公報に開示されているように、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（Ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ Ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌ ＣＯ２）に関する研究開発が活性化されている。

超臨界状態の二酸化炭素は、液体状態に類似の密度と、気体に類似の粘性とを同時に有するため、機器の小型化とともに、流体の圧縮及び循環に必要な電力消耗を最小化することができる。尚、臨界点が摂氏３１．４度、7２．８気圧であって、臨界点が摂氏３7３．９５度、２１7．7気圧である水に比べて非常に低いため、取り扱いが容易である利点がある。かかる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、従来のスチームサイクルの発電効率に比べて２０％以上の発電効率が向上するとともに、ターボ機器を数十分の１の水準に縮小することができる利点がある。

ところで、このような従来の超臨界二酸化炭素発電システムは、サイクルの特性上、高ＲＰＭのタービンを用いる場合、トルクコンバータやギヤボックスなどを用いて、発電機に適した回転数にタービンの出力を変換して伝達しなければならなかった。または、インバータを用いて、発電された電力の周波数を変換して一定の出力周波数を出すようにしなければならなかった。したがって、このような従来の超臨界二酸化炭素発電システムは、サイクル内の種々の部分で動力損失及び効率低下が発生する恐れが多く、追加の部品及び工程によってコストが上昇するという問題がある。

本発明の目的は、並列膨張方式のカスケードサイクルを適用して最適の効率を提供する超臨界二酸化炭素発電システムを提供することにある。

本発明は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第１熱交換機と、前記第１熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、発電機に連結されて電力を生産する高温タービンと、前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第２熱交換機と、前記第２熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、前記発電機に連結されて電力を生産する低温タービンと、前記第１熱交換機と前記高温タービンとの間に備えられ、前記第１熱交換機で復熱された前記作動流体と熱交換する第３熱交換機と、前記高温タービン及び低温タービンを通過した前記作動流体を冷却させて前記圧縮機に供給するクーラと、を含む超臨界二酸化炭素発電システムを提供することができる。

前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）は、前記圧縮機の後段で第１フローと第２フローに分けられ、前記第１フローは、前記圧縮機から前記第１熱交換機に流入されることを特徴とする。

前記第２熱交換機は、前記作動流体の前記第２フローが流入されて復熱されることを特徴とする。

前記低温タービンは、前記第２熱交換機から前記作動流体が供給されると、前記発電機に駆動力を伝達し、前記第２熱交換機から前記作動流体が供給されないと、前記発電機に駆動力を伝達しないことを特徴とする。

前記高温タービンと前記低温タービンのうち何れか１つのタービンは中空軸上に形成され、他の１つのタービンは前記中空軸に挿入されている軸上に形成されていることを特徴とする。

前記高温タービンの軸は前記発電機の軸の一側に連結されて前記発電機に駆動力を伝達し、前記低温タービンの軸は前記発電機の軸の他側に連結されて前記発電機に駆動力を伝達することを特徴とする。

前記第１熱交換機及び第２熱交換機は、前記作動流体を復熱するレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）であることを特徴とする。

前記第３熱交換機は、外部熱源から回収した廃熱を前記作動流体に伝達することを特徴とする。

前記高温タービンを通過した前記作動流体は、前記第２熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第２フローの前記作動流体は、前記第２熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱されることを特徴とする。

前記低温タービンを通過した前記作動流体は、前記第１熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第１フローの前記作動流体は、前記第１熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱されることを特徴とする。

前記作動流体のフローは、前記圧縮機の後段で分けられる第３フローをさらに含む。

前記作動流体の前記第３フローが流入されて復熱される第４熱交換機と、前記発電機に連結されて電力を生産する中温タービンと、をさらに含み、前記第４熱交換機を通過した前記作動流体は前記中温タービンに送られることを特徴とする。

前記高温タービンを通過した前記作動流体は、前記第２熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第２フローの前記作動流体は、前記第２熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱されることを特徴とする。

前記低温タービンを通過した前記作動流体は、前記第１熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第１フローの前記作動流体は、前記第１熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱されることを特徴とする。

前記中温タービンを通過した前記作動流体は、前記第３熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第３フローの前記作動流体は、前記第４熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱されることを特徴とする。

前記第４熱交換機は、前記作動流体を復熱するレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）であることを特徴とする。

前記圧縮機の後段に備えられ、前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）を前記第１フロー〜第３フローに分配する分配機をさらに含む。

本発明の一実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムは、発電機を駆動させるタービンを並列的に用いることで、タービンの運転ＲＰＭを減少してトルクを分散させることができる。また、タービンの出口側作動流体を順に復熱させることができるため、システム全体の効率が向上する効果がある。

本発明の第１実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムを示したブロック図である。 本発明の第２実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムを示したブロック図である。

以下では、図面を参照して、本発明の一実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムについて詳細に説明する。

通常、超臨界二酸化炭素発電システムは、発電に使用された二酸化炭素を外部に排出しない閉サイクル（ｃｌｏｓｅ ｃｙｃｌｅ）からなり、作動流体として超臨界状態の二酸化炭素を用いる。

超臨界二酸化炭素発電システムは、作動流体が二酸化炭素であって、火力発電所などから排出される排気ガスを使用することができるため、単独の発電システムだけでなく、火力発電システムとのハイブリッド発電システムにも用いられることができる。超臨界二酸化炭素発電システムの作動流体は、排気ガスから二酸化炭素を分離して供給することもでき、別の二酸化炭素を供給することもできる。

サイクル内の二酸化炭素は、圧縮機を通過した後、ヒータなどのような熱源を通過しながら加熱されて高温高圧の超臨界状態となり、超臨界二酸化炭素流体がタービンを駆動させる。タービンには発電機が連結されており、タービンによって駆動されて電力を生産する。電力の生産に用いられた二酸化炭素は熱交換機を経て冷却され、冷却された作動流体は、さらに圧縮機に供給されてサイクル内を循環する。タービンや熱交換機は、複数で備えられることができる。

本発明では、このような基本的な超臨界二酸化炭素発電システムに、複数の膨張装置であるタービンを並列適用したカスケードサイクルを適用することで、システムの効率を向上させることができる超臨界二酸化炭素発電システムを提案する。

本発明の様々な実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムは、サイクル内で流動する全ての作動流体が超臨界状態であるシステムだけでなく、作動流体の殆どが超臨界状態であって、残りは亜臨界状態であるシステムも含む意味で用いられる。

また、本発明の様々な実施形態において作動流体として二酸化炭素が用いられるが、ここで、二酸化炭素は、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多少含まれている状態の二酸化炭素、及び二酸化炭素に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も含む意味で用いられる。

図１は本発明の第１実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムを示したブロック図である。

図１に示されたように、本発明の第１実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムは二酸化炭素を作動流体として用いるものであって、作動流体を圧縮させる圧縮機２００と、圧縮機２００を通過した作動流体の一部と熱交換する第１熱交換機３００と、第１熱交換機３００を経た作動流体によって駆動される高温タービン６００と、圧縮機２００を通過した作動流体の残りと熱交換する第２熱交換機４００と、第２熱交換機４００を経た作動流体によって駆動される低温タービン７００と、高温タービン６００及び低温タービン７００を経た作動流体が圧縮機２００に流入される前に冷却させるクーラ１００と、第１熱交換機３００を通過した作動流体を再熱する第３熱交換機５００と、を含むことができる。

本発明の各構成は、作動流体が流れる移送管によって連結されており、特に言及しなくても、作動流体は移送管に沿って流動すると理解されるべきである。但し、複数の構成が一体化されている場合、一体化された構成内に実際に移送管の役割を担う部品乃至領域があるはずである。この場合にも、作動流体は移送管に沿って流動すると理解されるべきである。別の機能を担う流路の場合は、追加に説明する。

高温タービン６００及び低温タービン７００は、作動流体によって駆動され、そのタービンの少なくとも何れか１つのタービンに連結された発電機６５０を駆動させることで、電力を生産する役割を担う。高温タービン６００及び低温タービン７００は、作動流体が高温タービン６００及び低温タービン７００を通過しながら膨張されるため、膨張機（ｅｘｐａｎｄｅｒ）の役割も担うことになる。

ここで、高温タービン６００と低温タービン７００という用語は、相対的な意味を有する用語であって、特定温度を基準値としてそれより高いと高温、それより低いと低温という意味で理解されてはならないということを明らかにしておく。

以上の構成を有する本発明の第１実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムの詳細構成についてより詳細に説明する。

クーラ１００に注入された気体状態の作動流体は、冷却されながら液体状態に相変化を起こす。クーラ１００の前段には、作動流体を追加的に供給するか、高温タービン６００または低温タービン７００を経た作動流体をクーラ１００に注入させる第１ヘッダ５０が備えられることができる。第１ヘッダ５０は、一種の分配機または作動流体供給機の役割をする。クーラ１００の後段には、クーラ流量調節弁１０２が備えられており、フラッシュタンク１５０に注入される液体状態の作動流体の流量を調節する。

本発明の超臨界二酸化炭素発電システムがランキンサイクルで構成される場合、作動流体が液体状態と気体状態の間の相変化を起し、フラッシュタンク１５０は、液状の作動流体がクーラ１００の方に逆流されないようにするための構成である。クーラ１００の前段とフラッシュタンク１５０はタンク循環バイパスライン１６０によって連結されており、タンク循環バイパスライン１６０上にタンク循環調節弁１６２が設けられることができる。タンク循環調節弁１６２が開放されると、液化されずに気体状態で残っている作動流体がタンク循環バイパスライン１６０を介してクーラ１００に送られる。フラッシュタンク１５０を経た液状の作動流体は圧縮機２００で高圧に圧縮される。

圧縮機２００で圧縮された高圧の作動流体は、圧縮機２００の後段で２つのフローに分けられることができる。作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）は、圧縮機２００の後段に備えられた第２ヘッダ２５０を介して第１熱交換機３００に送られる第１フローと、第２熱交換機４００に送られる第２フローとに区分される。

第２ヘッダ２５０における作動流体の流量分配は、熱伝逹量の限界と流量及びエンタルピーの差を考慮して、システムの設計時に予め設定されることができる。一例として、高温タービン６００の方に送られる第１フローと、低温タービン７００の方に送られる第２フローとの割合は、６０：４０と設定されることができる。しかし、外部の熱エネルギーの流入量、外部気温の変化量、起動状況であるか運転状況であるかなどによって、作動流体の流量分配の設定が変わり得る。追加的な流量分配の基準としては、廃熱を吸収する主熱交換機がどれであるかが挙げられ、主熱交換機の方に送られる作動流体の流量が大きくなるように設定することができる。

第１熱交換機３００に連結される移送管上に設けられた第１流量調節弁２５２の開放時に、第１フローは第１熱交換機３００に送られる。第２熱交換機４００に連結される移送管上に設けられた第２流量調節弁２５４の開放時に、第２フローは第２熱交換機４００に送られる。

第１フローに沿って循環する作動流体は、第１熱交換機３００及び第３熱交換機５００を経て復熱及び加熱された後、高温タービン６００で膨張され、第２熱交換機４００を経てさらにクーラ１００に循環される。

第２フローに沿って循環する作動流体は、第２熱交換機４００を経て復熱された後、低温タービン７００で膨張され、第１熱交換機３００を経てさらにクーラ１００に循環される。

ここで、第１熱交換機３００は作動流体を復熱する低温のレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）であり、第２熱交換機４００は作動流体を復熱する高温のレキュペレータである。ここで、低温及び高温の意味は、第１熱交換機３００が第２熱交換機４００に比べて相対的に低温であり、第２熱交換機４００が第１熱交換機３００に比べて相対的に高温であることを意味する。

第３熱交換機５００は、熱源から伝達される熱を受け、本発明の様々な実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムの作動流体に伝達する。ここで、熱源としては、例えば、鉄鋼工場、化学工場、発電所、燃料運送ラインなど、廃熱を排出する施設や機器などが挙げられる。第３熱交換機５００としては、前記熱源の他にも、種々の熱源から熱の伝達を受けるに適した構造を有する構成が採用されることができる。

一方、圧縮機２００の後段から圧縮機２００の前段に圧縮機循環ライン２１０が連結されることができ、圧縮機循環ライン２１０上に圧縮機循環弁２１２が備えられることができる。圧縮機循環弁２１２により、圧縮機２００を通過した作動流体が第１熱交換機３００の方に流れず、圧縮機２００の前段の方にバイパスされることができる。圧縮機循環弁２１２はシステムの初期起動時（圧縮機の初期起動時）に開放され、作動流体がタービンを駆動させることができる程度にウォームアップ（ｗａｒｍ ｕｐ）されるまで作動流体を循環させる役割を担う。また、非常時に安全弁の役割も担う。

圧縮機２００で圧縮された後、第１フローに沿って第１熱交換機３００を経て復熱された作動流体は、第３熱交換機５００を経て加熱された後、高温タービン６００に送られる。

第３熱交換機５００から高温タービン６００側に連結された作動流体移送管６１０には高圧側調節弁６１２が備えられ、高温タービン６００に供給される作動流体の流量を調節することができる。

高温タービン６００に流入される作動流体の圧力が高すぎる場合、作動流体をサイクルの外部に排気するように安全弁の役割を担う排気弁５１０が備えられることができる。

また、高圧側調節弁６１２の前段から高温タービン６００の後段に連結される高温タービン側バイパスライン６２０が備えられることができ、高温タービン側バイパスライン６２０上にはバイパス弁６２２が設けられる。高圧側調節弁６１２とバイパス弁６２２の開閉状態に応じて、作動流体は高温タービン６００に供給されることもでき、高温タービン６００をバイパスして直ちに第２熱交換機４００に送られることもできる。

このように高温タービン６００を通過した作動流体は第２熱交換機４００に流入され、第２フローに沿って第２熱交換機４００に流入された作動流体の復熱に用いられる。その後、第２熱交換機４００で熱が奪われた作動流体は第１ヘッダ５０を経てさらにクーラ１００に流入される。

一方、圧縮機２００で圧縮された後、第２フローに沿って第２熱交換機４００を経て復熱された作動流体は低温タービン７００に送られる。第２熱交換機４００から低温タービン７００側に連結された作動流体移送管７１０には低圧側調節弁７１２が備えられ、低温タービン７００に供給される作動流体の流量を調節することができる。

低温タービン７００に流入される作動流体の圧力が高すぎる場合、作動流体をサイクルの外部に排気するように安全弁の役割を担う排気弁４１０が備えられることができる。

また、低圧側調節弁７１２の前段から低温タービン７００の後段に連結される低温タービン側バイパスライン７２０が備えられることができ、低温タービン側バイパスライン７２０上にはバイパス弁７２２が設けられる。低圧側調節弁７１２とバイパス弁７２２の開閉状態に応じて、作動流体は低温タービン７００に供給されることもでき、低温タービン７００をバイパスして直ちに第１熱交換機３００に送られることもできる。

低温タービン７００を通過した作動流体は第１熱交換機３００に流入され、第１フローに沿って第１熱交換機３００に流入された作動流体の復熱に用いられる。その後、第１熱交換機３００で熱が奪われた作動流体は第１ヘッダ５０を経てさらにクーラ１００に流入される。

第１実施形態において、高温タービン６００と低温タービン７００は両方とも発電機６５０に連結されており、回転しながら発電機６５０を駆動させて電力を生産する。但し、低温タービン７００に作動流体が流入されない場合に、低温タービン７００は発電機の駆動には全く寄与せず、却って高温タービン６００の回転抵抗としてのみ作用し得る。

したがって、第１実施形態の第１変形例において、高温タービン６００と低温タービン７００のうち何れか１つのタービンは中空軸上に形成され、他の１つのタービンはその中空軸に挿入されている軸（以下、挿入軸という）上に形成されて、中空軸と挿入軸は発電機６５０にそれぞれ連結されることができる。この場合、何れか１つのタービンのみが作動しても発電機６５０を駆動させることができ、稼動しない他のタービンは、発電機の駆動において回転抵抗として作用しない利点がある。

また、第１実施形態の第２変形例において、発電機６５０の軸に、高温タービン６００の軸と低温タービン７００の軸が別に断続される構造が採用されてもよい。例えば、上記の３つの軸の外側面の少なくとも一部区間にギヤが形成されていて、発電機６５０の軸に形成されたギヤの一側に、高温タービン６００の軸に形成されたギヤが噛合されており、発電機６５０の軸に形成されたギヤの他側に、低温タービン７００の軸に形成されたギヤが噛合されている場合を想定することができる。

また、第１実施形態の第２変形例において、３つの軸を断続的に結合する構造として、ギヤ構造だけでなく、ベルト構造や、チェーン構造などを含めた様々な動力連結構造が用いられることができる。すなわち、それぞれの軸を断続する過程が円滑に行われるように、様々な構造のクラッチが用いられることができる。

第２変形例は、第１変形例と同様に、何れか１つのタービンのみが作動しても発電機６５０を駆動させることができ、稼動しない他のタービンは、発電機の駆動において回転抵抗として作用しない利点がある。

また、第１実施形態の第１変形例と第２変形例において、高温タービン６００の軸と低温タービン７００の軸が両方とも発電機６５０の軸に連結されて駆動力を伝達している場合を想定したときに、発電機６５０の軸には、駆動力が２つの軸から分けられて伝達されるのである。したがって、第１変形例と第２変形例の構造を採用すると、１つの軸から大きい駆動力が伝達される場合に比べて、発電機６５０の軸に累積される捻り疲労応力及びそれによる破断可能性が著しく低くなる効果を期待することができる。

また、高温タービン６００の軸と低温タービン７００の軸が発電機６５０の軸に伝達すべき駆動トルクを分けて負担しているのである。したがって、ただ１つのタービンの軸が発電機６５０の軸に大きい駆動力を伝達しなければならない場合に比べて、高温タービン６００の軸と低温タービン７００の軸に累積される捻り疲労応力及びそれによる破断可能性が著しく低くなる効果を期待することができる。

特に、サイクルを迅速に稼動しなければならない場合や、サイクルの停止及び稼動再開が繰り返される場合を含め、ＲＰＭ及び出力が速く変化する場合には、特にこのような効果が顕著になる。

以上では、膨張装置である２つのタービンを並列に備えたカスケードサイクルを適用した超臨界二酸化炭素発電システムについて説明した。以下では、３つの膨張装置を備えた超臨界二酸化炭素発電システムについて説明する（第１実施形態と同一の構成については同一の参照番号を用い、重複説明は省略する）。

図２は本発明の第２実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムを示したブロック図である。

図２に示されたように、本発明の第２実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムは、圧縮機２００の後段の第２ヘッダ２５０から作動流体が第１〜第３フローに区分されて分配される。タービンは、高温タービン６００、中温タービン８００、低温タービン７００の３つが備えられ、第４熱交換機９００がさらに備えられることができる。

第１流量調節弁２５２の開放時、第１フローは第１熱交換機３００に送られる。作動流体は第１熱交換機３００で復熱され、第３熱交換機５００で加熱された後、高温タービン６００に送られる。高温タービン６００で膨張された作動流体は第２熱交換機４００に送られ、高温タービン６００を通過した作動流体の熱は、第２熱交換機４００で第２フローの作動流体の復熱に用いられる。その後、高温タービン６００及び第２熱交換機４００を経た作動流体は、第１ヘッダ５０を介してクーラ１００にさらに循環される。

第２流量調節弁２５４の開放時、第２フローは第２熱交換機４００に送られる。作動流体は第２熱交換機４００で復熱された後、中温タービン８００に送られる。中温タービン８００で膨張された作動流体は第４熱交換機９００に送られ、中温タービン８００を通過した作動流体の熱は、第４熱交換機９００で第３フローの作動流体の復熱に用いられる。その後、中温タービン８００及び第４熱交換機９００を経た作動流体は、第１ヘッダ５０を介してクーラ１００にさらに循環される。

第４熱交換機９００に連結される移送管上に設けられた第３流量調節弁２５６の開放時、第３フローは第４熱交換機９００に送られる。第３フローに沿って循環する作動流体は、第４熱交換機９００を経て復熱された後、低温タービン７００に送られる。低温タービン７００で膨張された作動流体は第１熱交換機３００に送られ、低温タービン７００を通過した作動流体の熱は、第１熱交換機３００で第１フローの作動流体の復熱に用いられる。その後、低温タービン７００及び第１熱交換機３００を経た作動流体は、第１ヘッダ５０を介してさらにクーラ１００に循環される。

ここで、第１熱交換機３００は作動流体を復熱する低温のレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）であり、第２熱交換機４００は作動流体を復熱する高温のレキュペレータである。第４熱交換機９００は作動流体を復熱する中温のレキュペレータである。ここで、低温、中温、及び高温の意味は、第１熱交換機３００や第４熱交換機９００が第２熱交換機４００に比べて相対的に低温または中温であり、第２熱交換機４００が第１熱交換機３００及び第４熱交換機９００に比べて相対的に高温であることを意味する。

一方、第２熱交換機４００から中温タービン８００側に連結された作動流体移送管８１０には中圧側調節弁８１２が備えられ、中温タービン８００に供給される作動流体の流量を調節することができる。中温タービン８００に流入される作動流体の圧力が高すぎる場合、作動流体をサイクルの外部に排気するように、安全弁の役割をする排気弁（不図示）が備えられることができる。しかし、本実施形態では、便宜上、排気弁が備えられていないことを例とした。

また、中圧側調節弁８１２の前段から中温タービン８００の後段に連結される中温タービン側バイパスライン８２０が備えられることができ、中温タービン側バイパスライン８２０上にはバイパス弁８２２が設けられる。中圧側調節弁８１２とバイパス弁８２２の開閉状態に応じて、作動流体は中温タービン８００に供給されることもでき、中温タービン８００をバイパスして直ちに第４熱交換機９００に送られることもできる。

第２実施形態において、高温タービン６００、中温タービン８００、及び低温タービン７００は、何れも発電機６５０に連結されており、回転しながら発電機６５０を駆動させて電力を生産する。但し、中温タービン８００と低温タービン７００に作動流体が流入されない場合に、中温タービン８００と低温タービン７００は、発電機の駆動には全く寄与せず、却って高温タービン６００の回転抵抗としてのみ作用し得る。

したがって、第２実施形態の第１変形例において、高温タービン６００、中温タービン８００、及び低温タービン７００のうち何れか１つのタービンは中空軸（以下、第１中空軸という）上に形成される。残りの２つのうち１つのタービンは、第１中空軸に挿入されている中空軸（以下、第２中空軸という）上に形成される。残りの１つのタービンは、第２中空軸に挿入されている軸（以下、第３軸という）上に形成される。第１中空軸、第２中空軸、及び第３軸は、発電機６５０にそれぞれ連結されることができる。この場合、何れか１つのタービンのみが作動しても発電機６５０を駆動させることができ、稼動しない１つまたは２つのタービンは、発電機の駆動において回転抵抗として作用しない利点がある。

また、第２実施形態の第２変形例において、発電機６５０の軸に、高温タービン６００の軸、中温タービン８００の軸、及び低温タービン７００の軸が別に断続される構造が採用されてもよい。例えば、上記の４つの軸の外側面の少なくとも一部区間にギヤが形成されることができる。そして、発電機６５０の軸に形成されたギヤの第１側に、高温タービン６００の軸に形成されたギヤが噛合されることができる。そして、発電機６５０の軸に形成されたギヤの第２側に、中温タービン８００の軸に形成されたギヤが噛合されていて、発電機６５０の軸に形成されたギヤの第３側に、低温タービン７００の軸に形成されたギヤが噛合されている場合を想定することができる。また、第２変形例において、４つの軸を断続的に結合する構造としては、ギヤ構造だけでなく、ベルト構造や、チェーン構造などを含めた様々な動力連結構造が用いられることができる。また、それぞれの軸を断続する過程が円滑に行われるように、様々な構造のクラッチが用いられることができる。第２変形例は、第１変形例と同様に、何れか１つのタービンのみが作動しても発電機６５０を駆動させることができ、稼動しない１つまたは２つのタービンは、発電機の駆動において回転抵抗として作用しない利点がある。

また、第２実施形態の第１変形例と第２変形例において、高温タービン６００の軸、中温タービン８００の軸、及び低温タービン７００の軸が、何れも発電機６５０の軸に連結されて駆動力を伝達している場合を想定したときに、発電機６５０の軸には、駆動力が３つの軸から分けられて入力されるのである。したがって、第１変形例と第２変形例の構造を採用すると、１つの軸から大きい駆動力が伝達される場合に比べて、発電機６５０の軸に累積される捻り疲労応力及びそれによる破断可能性が著しく低くなる効果を期待することができる。また、高温タービン６００の軸、中温タービン８００の軸、及び低温タービン７００の軸が発電機６５０の軸に伝達すべき駆動トルクを分けて負担しているのである。したがって、ただ１つのタービンの軸が発電機６５０の軸に大きい駆動力を伝達しなければならない場合に比べて、高温タービン６００の軸、中温タービン８００の軸、及び低温タービン７００の軸に累積される捻り疲労応力及びそれによる破断可能性が著しく低くなる効果を期待することができる。

特に、サイクルを迅速に稼動しなければならない場合や、サイクルの停止及び稼動再開が繰り返される場合を含め、ＲＰＭ及び出力が速く変化する場合には、特にこのような効果が著しくなる。

一方、本発明の様々な実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムにおいて、１つまたはそれ以上のタービンの回転速度が変化する場合にも、発電機で均一な周波数の電気を生産することができるように、１つまたはそれ以上のタービンの回転軸と発電機６５０の回転軸との間に変速機を設けることができる。

また、本発明の様々な実施形態によると、タービンの出口側作動流体を順に復熱させることができるため、システム全体の効率が向上する効果がある。

本発明の一実施形態による超臨界二酸化炭素発電システムは、発電機を駆動させるタービンを並列的に用いることで、タービンの運転ＲＰＭを減少させてトルクを分散させることができる。また、タービンの出口側作動流体を順に復熱させることができるため、システム全体の効率が向上する。

Claims (16)

1. 作動流体を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第１熱交換機と、
   前記第１熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、発電機に連結されて電力を生産する高温タービンと、
   前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第２熱交換機と、
   前記第２熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、前記発電機に連結されて電力を生産する低温タービンと、
   前記第１熱交換機と前記高温タービンとの間に備えられ、前記第１熱交換機で復熱された前記作動流体と熱交換する第３熱交換機と、
   前記高温タービン及び低温タービンを通過した前記作動流体を冷却させて前記圧縮機に供給するクーラと、を含み、
   前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）は、前記圧縮機の後段で第１フローと第２フローに分けられ、
   前記低温タービンを通過した前記第２フローの前記作動流体は前記第１熱交換機に流入され、前記第１フローの前記作動流体は、前記圧縮機から前記第１熱交換機に流入され、前記第２フローの前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、超臨界二酸化炭素発電システム。
2. 作動流体を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第１熱交換機と、
   前記第１熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、発電機に連結されて電力を生産する高温タービンと、
   前記圧縮機を通過した前記作動流体と熱交換する第２熱交換機と、
   前記第２熱交換機を通過した前記作動流体を膨張させ、前記発電機に連結されて電力を生産する低温タービンと、
   前記第１熱交換機と前記高温タービンとの間に備えられ、前記第１熱交換機で復熱された前記作動流体と熱交換する第３熱交換機と、
   前記高温タービン及び低温タービンを通過した前記作動流体を冷却させて前記圧縮機に供給するクーラと、を含み、
   前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）は、前記圧縮機の後段で第１フローと第２フローに分けられ、
   前記高温タービンを通過した前記第１フローの前記作動流体は前記第２熱交換機に流入され、前記第２フローの前記作動流体は、前記圧縮機から前記第２熱交換機に流入され、前記第１フローの前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱され、
   前記作動流体のフローは、前記圧縮機の後段で分けられる第３フローをさらに含み、
   前記作動流体の前記第３フローが流入されて復熱される第４熱交換機と、
   前記発電機に連結されて電力を生産する中温タービンと、をさらに含み、
   前記第２熱交換機を通過した前記作動流体は前記中温タービンに送られる、超臨界二酸化炭素発電システム。
3. 前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）は、前記圧縮機の後段で第１フローと第２フローに分けられ、前記第１フローは、前記圧縮機から前記第１熱交換機に流入される、請求項１又は２に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
4. 前記第２熱交換機は、前記作動流体の前記第２フローが流入されて復熱される、請求項３に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
5. 前記低温タービンは、前記第２熱交換機から前記作動流体が供給されると、前記発電機に駆動力を伝達し、前記第２熱交換機から前記作動流体が供給されないと、前記発電機に駆動力を伝達しない、請求項４に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
6. 前記高温タービンと前記低温タービンのうち何れか１つのタービンは中空軸上に形成され、他の１つのタービンは前記中空軸に挿入されている軸上に形成されている、請求項５に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
7. 前記高温タービンの軸は前記発電機の軸の一側に連結されて前記発電機に駆動力を伝達し、前記低温タービンの軸は前記発電機の軸の他側に連結されて前記発電機に駆動力を伝達する、請求項５に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
8. 前記第１熱交換機及び第２熱交換機は、前記作動流体を復熱するレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）である、請求項７に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
9. 前記第３熱交換機は、外部熱源から回収した廃熱を前記作動流体に伝達する、請求項８に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
10. 前記高温タービンを通過した前記作動流体は、前記第２熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第２フローの前記作動流体は、前記第２熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、請求項９に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
11. 前記低温タービンを通過した前記作動流体は、前記第１熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第１フローの前記作動流体は、前記第１熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、請求項９に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
12. 前記高温タービンを通過した前記作動流体は、前記第２熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第２フローの前記作動流体は、前記第２熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、請求項２に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
13. 前記低温タービンを通過した前記作動流体は、前記第１熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第１フローの前記作動流体は、前記第１熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、請求項２または１２に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
14. 前記中温タービンを通過した前記作動流体は、前記第４熱交換機を経て前記クーラに送られ、前記第３フローの前記作動流体は、前記第４熱交換機を経る前記作動流体から伝達される熱を受けて復熱される、請求項２、１２、および１３のいずれか一項に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
15. 前記第４熱交換機は、前記作動流体を復熱するレキュペレータ（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）である、請求項２、１２から１４のいずれか一項に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。
16. 前記圧縮機の後段に備えられ、前記作動流体のフロー（ｆｌｏｗ）を前記第１フロー、前記第２フローおよび前記第３フローに分配する分配機をさらに含む、請求項１５に記載の超臨界二酸化炭素発電システム。