JP7154278B2 - 熱電併給システムと操作方法 - Google Patents

Description

本明細書で説明する主題は、熱電併給システム、特に、廃有機資源を利用し、それを熱システムに結合したガスタービンを駆動するために使用する熱エネルギーに変換して、低温および高温の熱用途のための電力および高レベルの使用可能な排熱を生成する熱システムに関する。

熱電併給（Combined Heat and Power, ＣＨＰ）システムは、１００年以上にわたってさまざまな形で利用されてきた。最も一般的なのは、例えば蒸気タービン、ガス燃焼タービン、内燃エンジンを使用して電力を生成する化石燃料燃焼システムである。これらのシステムからの排熱は、加熱、冷却などの幅広い用途に使用でき、排熱温度が十分に高い場合には、２番目のサイクルを駆動するために使用できる。従来のＣＨＰシステムの主な焦点は、地域の暖房グリッドに接続された大型の化石燃料燃焼システムである。過去３０年間、焦点は、発生した熱または電力をエンドユーザーがより適切に利用できる小規模な分散ＣＨＰシステムに移った。これらのシステムは、一般的に小型ガスタービンまたはレシプロエンジンを使用して、サイクルからの使用可能な排熱とともに電力を生成する化石燃料燃焼システムでもあった。有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle）を使用する他のシステムも使用されているが、排熱の品質は比較的低く、熱の用途が制限される。

より最近では、燃料に再生可能な有機廃棄物の流れを使用することに重点が置かれ、技術が進歩している。電力システムへの大規模なバイオマスおよび都市固形廃棄物は、何十年もの間運用されている。小さなＣＨＰシステム（例えば、１ＭＷ未満の電気）で多種多様な有機源を利用する能力は、多くの理由で挑戦的であった。さまざまな成功の度合いに利用されている多くの小さな有機から電力への変換技術があった。有機物の合成ガスへのガス化は、従来の電力システムでの燃焼のために固体燃料を炭化水素ガスに変換するアプローチの１つである。残念ながら、これらのシステムは、特に小規模なアプリケーションに拡張する場合、費用がかかる可能性がある。さらに、有機原料は、用途において特定の課題を提示する可能性がある。例えば、ガス化方法と変換効率に応じて、一部の有機物で利用可能な潜在的エネルギーは、電力と熱のコストに経済的な影響を与える損失に悩まされる。混合有機残留物のガス化は、多くのガス化システムにとって特に問題である。

小さなＣＨＰ用途に適用される別の方法は、適切な燃焼器を介した有機物の直接燃焼を使用し、熱交換器を介して熱を使用して外部燃焼エンジンを駆動することであった。従来の外部燃焼システムには、スターリングサイクル、蒸気ランキン、有機ランキン、および超臨界ＣＯ_２サイクルが含まれる。これらすべてのシステムでは、排熱の温度がサイクル効率に影響する。排熱温度が高いほど、電力効率は低くなる。蒸気サイクルを除いて、他の熱力学的サイクルは、９０℃の温水さえ生成する場合、通常効率を失う。ただし、蒸気サイクルでは、小さな適用での高圧蒸気回路に関連する複雑さとコストが欠点である。

最近採用されたもう１つの方法は、オープンブレイトンサイクルガスタービンを使用し、熱交換器を通して間接的に熱を導入することである。小さなタービンが有機燃焼システムに結合されているいくつかのシステムがテストされている。これらのシステムでは、周囲の空気がタービンのコンプレッサーで圧縮され、復熱器に送られてコンプレッサーの空気が予熱される。圧縮され予熱された空気は、高温燃焼熱交換器に送られ、有機燃焼システムによって加熱される。高温になった空気はタービン内で膨張し、発電機を回して発電する仕事を生成する。サイクルを続けると、前述のように、高温のタービンガスが復熱装置の予熱に使用される。次いで、タービン排気高温ガスは、排出されるか、または燃焼空気が排出された燃焼ガスで加熱され、燃焼プロセスに向けられるさらなる熱交換器に向けられ得る。従来技術の構成のすべてにおいて、タービンは、復熱装置を利用して、圧縮された周囲空気を予熱する。さらに、ほとんどの既存のシステムでは、燃焼空気予熱器を使用して、燃焼ガスから熱とタービン排気に残っている熱を回収する。これらのアプローチは熱から電気への変換効率を改善するが、システム全体の効率を低下させる可能性のある回路内のガスのルーティングに複数の熱交換器と複雑な配管を必要とする。

復熱器の効果は、高温の熱交換器の前にコンプレッサーの空気の温度を上げることである。膨張タービンから熱が抽出され、圧縮機の空気が予熱される。圧縮機の空気は、熱が燃焼ガスから抽出される高温の熱交換器によってさらに加熱される。復熱装置を利用すると、熱交換器のサイズが小さくなる。ただし、燃焼ガスから抽出される熱エネルギーの量も減少する。高い熱電気効率を達成するために、排気燃焼ガスから可能な限り多くの熱を回収することが望ましい。燃焼排ガスは燃焼システムに直接フィードバックできないため、排ガスから熱を回収するには燃焼空気予熱器が必要である。これらの損失は、タービン排気を燃焼用空気として使用することで削減できるが、これには空気予熱器が必要である。

既存のシステムのもう１つの課題は、高温の熱交換器に入る燃焼ガスの温度を制御することである。ブレイトンサイクルガスタービンを使用する用途では、タービンの設計吸気温度でコンプレッサー（またはエキスパンダー）空気を供給できることが望ましい。多くの場合、この温度は９５０℃にも達することがある。この吸気温度を達成するには、熱交換器は設計の最大温度限界近くで動作する必要がある。さらに、熱交換器で一定の温度を維持できることが重要である。過熱と温度変動により、熱交換器と膨張タービンにストレスが発生する可能性があるが、加熱下では、入口温度が低下して電力と効率が低下する。温度の変動は、発熱量の差が非常に大きくなる可能性のある混合燃料を燃焼させる際の重要な懸念事項である。

また、既存のシステムは、通常、一定量の供給システムを利用して、固体燃料を燃焼チャンバーに送る。混合された固体燃料が燃焼チャンバーに供給されるときに、その燃料の発熱量を決定するシステムはない。燃料が燃焼すると、熱価の高い燃料は排気ガスの温度を上昇させ、熱価の低い燃料は反対の効果をもたらす。その結果、混合固体燃料は変動するガス温度フローを生成するが、これは供給システムの調整では簡単に修正できない。

本明細書では、一つの実施形態において、熱電併給（ＣＨＰ）システムについて説明する。ガス入口と排気口を備えた燃焼チャンバーを含むＣＨＰシステム。燃焼用の高温二次ガスを受けるように構成された燃焼チャンバー。ＣＨＰシステムはまた、ガス入口と直列に動作可能（または運転可能もしくは作動可能（operably）、以下同じ）に結合され、そこへの膨張加熱二次ガスの流れを制御するように動作可能な比例バルブも含む。燃焼チャンバーに動作可能に接続され、そこから高温燃焼ガスを受けるように構成された排気プレナム。プレナムは、高温燃焼ガスと混合するために、膨張加熱二次ガスを排気プレナムに向けるように動作可能な二次ガスポートを含む。排気プレナムに結合された熱交換器は、混合燃焼ガスを受け、熱を二次ガスに伝達する。ＣＨＰシステムには、二次ガスを受けて圧縮し、圧縮二次ガスを熱交換器に送るように構成されたタービンも含まれる。タービンは、加熱された圧縮された二次ガスを受け、膨張して仕事を生成するように構成されている。ガスは燃焼にも使用され、熱交換器に入る燃焼ガスの温度を調整する。発電機がタービンの駆動軸に接続されており、発電機で発電された仕事で電気を生成するように構成されている。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度を制御するための制御機構を含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、制御機構が供給機構および制御バルブを含むことを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼ガス排気で燃焼ガスの温度を感知するように動作可能な温度センサーを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、温度センサーが熱電対、赤外線検出器および半導体検出器の少なくとも１つであることを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、入口および排気口を有する高温粒子分離器を含むことができ、分離器は燃焼チャンバーに動作可能に接続され、そこからの高温燃焼ガスを受けるように構成される。ここで、排気は排気プレナムを含む。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温粒子分離器がサイクロン分離器に含み、サイクロン分離器が粒子状物質の除去のためにホッパーに動作可能に結合されることを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、サイクロン分離器が５ミクロンより大きいすべての微粒子の約９９％を除去することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、ガスバルブがコントローラーに動作可能に接続され、膨張加熱二次ガスの流れを制御して高温燃焼ガスと混合する比例バルブであることを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、ガスバルブが、膨張加熱二次ガスの流れを制御して、膨張した二次ガス、高温燃焼ガス、および混合燃焼ガスの少なくとも１つの温度に基づいて高温燃焼ガスと混合することを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、比例バルブが制御装置に動作可能に接続され、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れを制御するように構成されることを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、比例バルブが、膨張二次ガス、高温燃焼ガス、混合燃焼ガス、および加熱圧縮二次ガスの温度の少なくとも１つの温度に基づいて燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れを制御することを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、加熱圧縮二次ガスの温度に基づいて、比例バルブが膨張加熱二次ガスの燃焼チャンバーへの流れを制御することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、混合燃焼ガスの温度を感知するように動作可能な第２の温度センサーを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、膨張加熱二次ガスの温度を感知するように動作可能な第３温度センサーを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、第１温度センサー、第２温度センサー、および第３温度センサーの少なくとも１つに動作可能に接続されたコントローラーを含み得、コントローラーは、制御機構、比例バルブ、ガスバルブの少なくとも１つにも動作可能に接続されており、燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度、膨張加熱二次ガスの燃焼チャンバーへの流入、および混合燃焼ガスの温度の少なくとも１つを制御する方法を実行するように構成される。

上記または下記の１つまたは複数の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼チャンバーに動作可能に接続されたブロワーおよびヒーターを含むことができ、ブロワーおよびヒーターは、燃焼チャンバーにおける固体燃料の燃焼を開始するように動作するように構成される。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼チャンバーに動作可能に接続されたドラフト誘導排気ファンを含むことができ、ドラフト誘導排気ファンは、燃焼チャンバーを膨張した加熱された二次ガスをより低い圧力に維持するように構成される。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温熱交換器が単一の向流熱交換器として構成されることを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温熱交換器に動作可能に接続され、その中で冷却された混合燃焼ガスを受けるように構成された低温熱交換器を含むことができ、低温熱交換器は二次低温用途のために二次低温作動流体に冷却された混合燃焼ガスからの熱を伝達するように動作可能である。

また、本明細書の実施形態では、熱電併給（ＣＨＰ）システムを動作させる方法を記載する。この方法は、燃焼チャンバーで燃焼プロセスを開始し、膨張加熱された二次ガスで固体燃料を燃焼させ、高温の燃焼ガスを生成し、膨張加熱された二次ガスで高温の燃焼ガスの温度を調整して混合燃焼ガスを得ることを含む。この方法はまた、二次ガスを圧縮し、混合燃焼ガスから圧縮二次ガスに熱を伝達し、圧縮加熱二次ガスを膨張させ、それにより仕事（work）を生成し、生成された仕事を使用することを含む。

上記または下記の１つ以上の特徴の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度の制御、燃焼チャンバーへの膨張した加熱二次ガスの流速の制御、ならびに膨張加熱二次ガスの温度、混合燃焼ガスの温度、高温燃焼ガスの温度および生成した仕事の少なくとも１つに基づく調整の制御を含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温燃焼ガスの温度の調節が、膨張加熱二次ガスの流れの制御および分離後の高温燃焼ガスとの混合を含み得る。

上述または後述の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温燃焼ガスの温度を測定することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、混合燃焼ガスの温度を測定することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、膨張加熱二次ガスの温度を測定することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、伝達が向流熱交換器で起こることを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、膨張加熱二次ガスが約６００℃の温度であり、燃焼プロセスに直接適用されることを含み得る。

上記または下記の特徴の１つ以上に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、燃焼プロセスが１０００℃、１０５０℃、１１００℃、および１１５０℃の少なくとも１つの温度を達成することを含み得る。

上記または下記の１つ以上の特徴に加えて、または代替として、さらなる実施形態は、高温粒子分離器で高温燃焼ガスから粒子状物質を除去することを含み得る。

実施形態の他の態様、特徴、および技術は、図面と併せて以下の説明からより明らかになるであろう。

発明とみなされる主題は、本明細書の末尾の特許請求の範囲で特に指摘され、明確に請求されている。本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。

図１は、実施形態による熱電併給システムの概略ブロック図である。

図２は、実施形態による熱電併給システムを制御する方法を示すフローチャートである。

発明の詳細な説明
本明細書の１つまたは複数の実施形態では、廃有機資源を利用し、それを熱システムに結合されたガスタービンを駆動するために使用される熱エネルギーに変換して、電力および高レベルの有用な排熱を低温および高温熱用途の両方のために生成することを熱電併給システムである。

説明した実施形態の１つの特徴は、圧縮機空気を吐出温度からタービン入口で必要な最高温度まで加熱するように機能する１つの熱交換器でシステムを構成することである。復熱器を回路から取り外すことにより、燃焼ガスからより多くのエネルギーが抽出され、それにより熱交換器後の燃焼ガスの温度が低下する。熱交換器は、より高い熱エネルギー伝達に対応するために高温熱交換器よりも大きくてもよいが、復熱器と高温熱交換器を組み合わせたものと同じかそれよりも小さい。この構成の利点の１つは、タービンの排気が非常に高温であり、６００℃の温度に達する可能性があることである。この温風は、燃焼空気予熱器を必要とせずに直接燃焼システムに使用でき、コストを削減し、効率を向上させる。

記載された燃焼システムの実施形態の別の特徴は、燃焼チャンバーを出る燃焼排気ガスの温度を測定するための熱電対などの温度センサーを含む。実施形態において、高温サイクロン粒子分離システムを使用して、サイズが約５ミクロンを超える粒子の約９９％を燃焼ガスから除去して、熱交換器の汚れを低減する。完全な燃焼を得るには、少なくとも１０００℃の燃焼ガス温度を達成することが望ましい。ＮＯｘの生成が排出制限となる可能性がある点まで、より高い温度が望ましい。いくつかの実施形態では、燃焼ガス温度は一般に、熱交換器の最大温度限界よりも高い。サイクロン分離器を出る高温ガスは、二次ガスを導入するためのポートを備えたダクトを流れる。このガスは、燃焼ガスよりも温度が低い利用可能なガスストリームとし得る。１つのソースはタービン排気であるか、外気も使用できる。比例流量バルブがポートに取り付けられ、燃焼ガスの流れに入る質量と熱エネルギーの量を制御する。二次ガス流の目的は、燃焼ガス温度を下げ、ガス温度の変動を調整することである。チャンバーを出る燃焼ガスの温度を測定する熱電対は、比例バルブに信号を送信して、システムに多少のガスを送り込む。ガスが燃焼チャンバーの出口からバルブまで移動するのに約１秒かかるため、バルブが反応するのに十分な時間が与えられる。熱電対などの第２の温度センサーは、混合ゾーンの下流に配置され、熱交換器を使用して比例バルブに信号を送信してから、所望の熱交換器温度を維持し、ガス温度を微調整する。

説明される実施形態のさらに別の特徴は、固体燃料を燃焼チャンバーに送達するための機械的供給システムを含む燃焼チャンバーである。ブロワーと外部熱源が燃焼チャンバーに連結され、燃焼を開始する。ガスタービンから一次燃焼空気を供給する複数のガスポート。ガス温度を測定するために、熱電対などの温度センサーが燃焼ガス出口に接続されている。

説明される実施形態の別の特徴は、排気ガスを浄化するために、燃焼チャンバーに結合された複数の高温サイクロン粒子分離器を含む。灰除去システムが提供され、サイクロンから粒子を除去するための機械的オーガーまたは空気圧システムが含まれる。

説明する実施形態のさらなる態様は、サイクロンに結合された排気プレナムが提供されることを含む。二次ガスを導入できるように、二次ガスポートが排気プレナムに結合されている。二次ガスの質量流量を制御するために、ガスポートに接続された電子制御比例バルブが提供される。ガスが温度平衡に達するために、プレナムに混合ゾーンが設けられている。混合ゾーンの後にプレナムに熱電対を結合して、ガス温度を測定する。二次ガスのガス温度を測定するために、二次ポートに結合された熱電対が提供される。比例バルブを自動的に制御するための電子コントローラーが提供されている。

さらに、記載された実施形態のさらなる特徴は、排気プレナムに結合された熱交換器が提供されることを含む。熱交換器に結合されたガスタービンも提供される。熱交換器の低温側に結合されたガスタービンのコンプレッサーセクションからの流体接続。膨張タービンの入口に接続された熱交換器の高温側からの流体接続。低温熱交換器に結合された熱交換器の低温側からの流体接続は、燃焼ガスから残留熱を除去するために提供される。膨張タービン排気に結合された流体接続は、燃焼チャンバーに結合されて燃焼空気を提供する。別の実施形態では、燃焼空気を提供するために、比例バルブが燃焼チャンバーに結合されている。膨張タービン排気に結合された第２の流体接続は、粒子分離器の排気プレナムで比例バルブに結合される。熱用途に残留高温空気を使用するために、膨張タービン排気に結合された第３の流体接続が提供される。

記載された実施形態のさらなる特徴は、熱交換器の前に燃焼ガスの温度を制御する方法を含む。燃焼チャンバーの出口にある熱電対などの温度センサーは、ガスの温度を測定する。コントローラーの温度設定値からの偏差は、設定値温度から外れている熱交換器に向かって排気ガスが流れているという信号を比例バルブに送信する。アルゴリズムを使用して、温度偏差に比例して比例バルブを比例的に開閉する。タービン排気ガスまたは周囲空気からのガスを燃焼ガスに導入して、温度をコントローラーの設定値まで下げる。混合ゾーンの後に位置する２番目の熱電対は、混合ガスが熱平衡に達した後の温度を感知する。２番目の熱電対はコントローラーに信号を送信して、比例バルブの質量流量の変化を調整する。

説明された実施形態の別の態様は、単一の向流熱交換器の使用により提供される熱電気効率を増大または最大化する方法である。向流熱交換器は、混合プレナムの出口に流体的に結合されている。オープンサイクルブレイトンガスタービンは、熱交換器に流体的に結合されている。タービンコンプレッサー出口からの流体接続は、熱交換器のコールドエンドに接続されている。熱交換器の高温側からの流体接続は、膨張タービン入口に結合される。タービンの出口からの流体接続は、比例バルブに接続されている。タービンの出口からの第２の流体接続は、オプションで比例バルブに、次に燃焼チャンバーに接続される。追加の熱用途のために、タービンの出口からの３番目の流体接続が提供される。熱交換器に流入する燃焼ガスは、コンプレッサーの出口温度が低いため、利用可能な熱の大部分をタービンの作動ガスに伝達する。高温（６００℃）のクリーンな乾燥空気が膨張タービンを出て、二次ガス混合ポートを介して熱回収に利用できる。高温空気は、予熱する必要なしに燃焼空気として燃焼チャンバーに直接使用することもできる。熱風は、水分や粒子に敏感な高温用途にも使用できる。さらに、高温の熱は、２番目のサイクルの発電に使用できる。

本開示の原理の理解を促進する目的で、図面に示された実施形態を参照し、特定の言語を使用してこれを説明する。それにもかかわらず、それにより、本開示の範囲の限定が意図されないことが理解されるであろう。以下の説明は本質的に単なる例示であり、本開示、その適用または使用を限定することを意図するものではない。図面全体を通して、対応する参照番号は、同様または対応する部品および特徴を示すことを理解されたい。本明細書で使用するコントローラーという用語は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、電子プロセッサー（共有、専用、またはグループ）、および１つ以上のソフトウェアまたはファームウェアプログラムを実行するメモリを含む処理回路を指する。組み合わせ論理回路、および／または説明された機能を提供する他の適切なインターフェースおよびコンポーネント。

さらに、「例示的」という用語は、「例」、「インスタンス」または「イラスト」として機能することを意味するために本明細書で使用される。本明細書で「例示的」として説明される実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではない。用語「少なくとも１つ」および「１つ以上」は、１以上、すなわち１、２、３、４などの任意の整数を含むと理解される。用語「複数」は、任意の整数を含むと理解される２以上、つまり２、３、４、５などの数を、「接続」という用語には、間接的な「接続」と直接的な「接続」を含めることができる。

本明細書に示され説明されているように、本開示のさまざまな特徴が提示される。様々な実施形態は、同じまたは類似の特徴を有してもよく、したがって、同じまたは類似の特徴は同じ参照番号でラベル付けされてもよいが、特徴が示される図を示す異なる最初の数字が前に付くことがあるしたがって、例えば、図Ｘに示されている要素「ａ」は「Ｘａ」とラベル付けされ、図Ｚの同様の機能は「Ｚａ」とラベル付けされている。同様の参照番号が一般的な意味で使用される場合があるが、さまざまな実施形態が説明され、さまざまな特徴には、明示的に説明されているかそうでないかにかかわらず、当業者によって理解される変更、代替、修正などが含まれる場合がある当業者には理解される。

図１は、一つの実施形態による熱電併給システム（ＣＨＰ）１００を示す。ＣＨＰシステム１００は、燃焼システム２１、オープンサイクルブレイトンガスタービン２２、高温サイクロン粒子分離器２３、高温熱交換器２４を利用して、燃焼システム２１で発生した熱をタービン２２および任意に低温熱交換器２５、およびドラフトファンまたはブロワー２６に伝達する。

すべての間接火力発電システムは、燃焼プロセスからエンジンの作動ガスに熱を伝達するために、少なくとも１つの熱交換器を利用する。エンジンサイクルのタイプに応じて、熱伝達は異なる温度で発生する。有機ランキンなどのサイクルでは、エンジンに供給される温度が５００℃を超えることはめったになく、より一般的には２５０℃を下回る。ＯＲＣを使用する利点は、より低い温度の熱を利用し、その後より低コストの熱交換器を利用できることである。不利な点は、効率が低下し、コストが高く、サイクルから排熱される低温の排熱、通常は９０℃未満であり、他の場所では容易に利用できないことである。

したがって、多くの場合、オープンブレイトンサイクルなどの高温サイクルを使用して、燃焼システム２１から得られる高温をより直接的かつ効率的に利用することが好ましい。現在のブレイトンタービンエンジンは、約９５０℃の熱を利用するように設計されている。高温サイクルの利点は、効率が高く、コストが低く、通常６００℃のサイクルから排出される高温の排熱である。欠点は、本明細書でさらに説明するように、燃焼ガス経路でより特殊なコンポーネントを使用する必要があることである。

一つの実施形態において、燃焼システム２１は、有機燃料を燃焼させて熱を発生させるための燃焼チャンバーまたはハウジング３０をさらに含むが、これらに限定されない。バイオマス燃料、すなわち再生可能な方法で生産された有機材料には、例えば、木材チップ、ノコギリなどのような木質燃料、動物廃棄物、すなわち肥料、または都市固形廃棄物（ＭＳＷ）さえ含まれる。燃焼チャンバー３０はまた、燃焼チャンバー３０に燃料を供給するための開口部、バルブ、またはポート３１、燃焼空気および始動用の熱を供給するためのブロワー３２および電気ヒーター３３を含む。燃焼システム２１は、燃焼チャンバー３０に導かれる固体燃料の質量を計量するためのバルブ３４、タービン２２から燃焼空気を送るためのポート３５、タービン２２からの燃焼空気を計量するための任意の比例バルブ３８、例えば、燃焼排気温度を測定する熱電対３６などの温度センサーと、温度、バルブ位置、速度などのさまざまなセンサー入力を受信し、システム１００内のさまざまなバルブと電気モーターを制御するコントローラー９０も含む。

一つの実施形態において、粒子分離器２３は、１つ以上のサイクロン４１、４２を有するハウジング４０、微粒子収集用の離脱ホッパー４３、ホッパー４３から粒子を除去するための機械的オーガー４４、およびオーガー４４を駆動するモーター４５をさらに含む。粒子分離器２３は、約１１５０℃の燃焼ガス温度で作動するように設計されており、そのような温度で作動できる材料で構成され、燃焼ガスの研磨効果および腐食効果に耐えるように設計されている。一つの実施形態において、粒子分離器は、耐熱衝撃性、耐摩耗性および断熱特性を提供する耐火性セラミックで構成される。サイクロン粒子分離器２３は、二次ガスポート４７、比例ガス流量バルブ４８、ガス流量バルブ４８に接続されてバルブの位置と速度を自動的に制御するモーター４９、および例えば、熱電対５０など温度センサーを含む排気プレナム４６も含んで、排気プレナム４６内のガス温度を測定する。

ＣＨＰシステム１００はまた、高温燃焼ガスを熱交換器２４に導くための第１ポート５１、低温燃焼ガスを熱交換器２４から導くためのポート５２、指向するための入口５３を含む高温熱交換器２４を利用し、冷たい圧縮機空気を熱交換器２４に送り込み、熱交換器２４から膨張タービン６４に熱い空気を導くためのポート５４を含む。高温熱交換器２４は、約１１００℃の高温で作動するように構成される。この用途に必要な高温範囲で動作可能な熱交換器は、一般にステンレス鋼またはニッケル合金で作られた金属の構造的限界近くで動作する。したがって、燃焼ガスの温度を注意深く正確に制御することにより、高温熱交換器２４の材料の温度限界を超えないことが保証される。さらに、高温熱交換器２４に入る排気ガスと熱交換器２４を出る作動ガスとの間の最小差温度を制御する。温度差が低いほど、熱交換器の最高使用温度は低くなる。より低い温度差は、高温熱交換器２４の応力を減らし、その寿命を延ばす。例えば、９５０℃のタービン入口温度が望ましい場合、燃焼ガスは９６０℃で供給することが望ましい。そのような温度は金属熱交換器の構造能力の極限にあり、高温熱交換器２４に送られる燃焼ガスの温度の正確かつ正確な制御を必要とすることを理解されたい。

一つの実施形態において、単一の向流熱交換器を使用して、ＣＨＰシステム１００の熱電気効率を改善する。他の熱交換器構成が可能であることが理解されよう。一つの実施形態において、ステンレス鋼またはニッケル合金、単一向流プレートまたはチューブスタイルの熱交換器が使用されるが、チューブおよびシェル、マイクロチューブ、マイクロチャネル、プレートタイプなどを含むがこれらに限定されない他のタイプも同様に利用され得る。一つの実施形態において、高温熱交換器は、セラミックまたはニッケル合金鋼で構築されてもよい。有利なことに、セラミック熱交換器は１１００℃を超える温度で動作できるが、従来の金属熱交換器は通常９５０℃を超えることはできない。セラミック熱交換器にはいくつかの利点があるが、一つの実施形態において、金属熱交換器が使用される。高温熱交換器２４に入る燃焼ガス温度の制御は、２つの方法でコストを削減する。第１は、燃焼ケースの温度を高温熱交換器２４に厳密に制御することにより、非常に高価なセラミック熱交換器の代わりに金属熱交換器を使用できるようになることである。セラミック熱交換器は、金属よりも７５％高価になる場合がある。場合によっては、より高価なニッケル合金の代わりにステンレス鋼を使用できる。２番目のコスト節約は、熱交換器の寿命を延ばすことで、長期にわたってメンテナンスコストを削減する。発電設備は通常、予想される２０年のサービス期間がある。高温で高温熱交換器を動作させると、熱応力が高くなり、わずか１０～１５年で故障する可能性がある。燃焼ガスの温度を適切に制御して熱応力を低減することにより、２０年程度の長期にわたる運転が保証され、メンテナンスコストが２５％削減される。

オープンサイクルブレイトンガスタービンシステム２２は、周囲空気を圧縮するためのタービン圧縮機６１、タービン圧縮機出口から高温熱交換器２４に圧縮された周囲空気を運ぶ熱交換器入力ポート５３への流体接続６２をさらに含む。ガスタービンシステム２２は、高温熱交換器２４の出口ポート５４から膨張タービン６４の入口までの流体接続６３も含む。タービン膨張機６４は、作動ガス（この場合は加熱された周囲空気）を膨張させ、使用可能な仕事、例えば発電機６９を回転させて発電する仕事を生成するように動作する。タービンシステム２２は、膨張タービン６４の出口から粒子分離器２３の比例バルブ４８への流体接続部６５、膨張タービン６４から燃焼システム２１の燃焼チャンバー３０への流体接続部６６、および補助高温熱用途のための膨張タービン６４からの流体接続６７、熱電対６８などの温度センサーを使用して、膨張タービン６４排気の温度を測定する。タービンシステムはまた、電力を生成するためにタービンのシャフトに接続された発電機６９を含む。

ＣＨＰシステム１００において単一の熱交換器を使用する利点は、熱電効率およびコストの改善に関する。オープンブレイトンサイクルタービンＣＨＰシステムの一般的な構成には、燃焼空気予熱器、復熱器、および熱交換器が含まれる。復熱装置は、タービン排気から熱エネルギーを回収し、圧縮機の作動空気を予熱するために使用される。高温の熱交換器を使用して、作動空気をさらにタービン入口温度まで加熱する。燃焼空気予熱器は、タービン排気または高温の熱交換器を出る燃焼ガスから熱エネルギーを回収するために必要である。この構成では、タービンの排気温度は低く（１６０℃）、低温アプリケーションにのみ使用できる。回収された熱エネルギーの多くは復熱装置で発生するため、高温の熱交換器を出る燃焼ガスの温度は高くなる（６５０℃）。十分な熱電効率を達成するために、燃焼ガスを使用して予熱器で燃焼空気を予熱する。

オープンサイクルブレイトンＣＨＰシステム１００で単一の高温熱交換器２４を利用することにはいくつかの利点がある。まず、単一の熱交換器を使用して圧縮機の作動ガスを加熱すると、従来のシステムのように復熱器と高温の熱交換器を使用する場合と比較して、燃焼ガスからより多くの熱エネルギーが抽出される。単一の高温熱交換器のサイズは、例えば、復熱装置と高温熱交換器を組み合わせたのとほぼ同じサイズの高温熱交換器よりもわずかに大きくなるが、作動ガスの圧力降下を引き起こす相互接続を排除する。この圧力降下は、タービンから生成される電力の０．５％にもなる場合がある。

単一の高温熱交換器を使用する第２の利点は、従来のシステムで一般的に使用されている燃焼空気予熱器が不要になることである。これにより、システムの複雑さとコストが削減され、熱交換器とパイプ接続に関連する圧力低下により、燃焼ブロワーまたはドラフトファンがより多くの電力を消費し、寄生エネルギー損失になる。ファンからの余分なエネルギーは、使用可能な電力でさらに０．５％のエネルギー損失を表する。

単一の高温熱交換器を使用する３番目の利点は、システムの全体的な熱伝達効率である。これは、燃焼空気予熱器を介して伝達されない熱を回収できるため、単一の熱交換器を使用して増加します予熱器の熱伝達効率。単一の高温熱交換器を使用する別の利点は、システム全体のコスト削減である。復熱装置と復熱装置から高温熱交換器への相互接続パイプ、および燃焼空気予熱器とその相互接続パイプを排除することで、システム全体のコストを約６％節約できる。したがって、システムで生成される電力と熱のコストが削減される。

単一の高温熱交換器２４を利用することにより、熱交換器の前にタービンで使用可能な熱として約１５％多くの熱エネルギーをＣＨＰシステム１００に再導入できる。ここで説明するように単一の熱交換器を使用すると、すべての損失を考慮すると、複数の熱交換器を使用する場合に比べて、特定の出力で４％以上の電力が得られる。これは、タービンサイクル効率に応じて、熱電全体の１．３％効率。

図２を続け、図１を続けて参照すると、ＣＨＰシステムの燃焼を制御するプロセス２００が示されている。動作中、この方法は、燃焼空気ブロワー３２および電気ヒーター３３をオンにすることによりＣＨＰシステム１００を始動することを含む。プロセスステップ２０５に描かれているように、周囲空気は加熱されて燃焼チャンバー３０に送られる。一つの実施形態において、空気は８００℃に予熱されるが、用途、燃焼チャンバー３０、および使用される燃料の種類に応じて、他の温度が使用されてもよい。燃焼チャンバー３０が選択された温度に加熱されると、燃焼が始まるバルブ３４を通して固体燃料を導入できる。一つの実施形態において、燃焼チャンバー３０への燃料の供給速度を制御するためにロータリーバルブ３４が使用される。一つの実施形態において、燃料を導入する温度は３５０℃に選択されるが、他の温度が採用され得る。一つの実施形態において、比例バルブ３４は複数の空洞を含むことができ、燃焼チャンバー３０に入る固体燃料の量を計量するために回転する。また、高温の燃焼ガスが燃料供給および有機燃料貯蔵に逆流するのを防ぐエアロックとしても機能する。

燃焼プロセスが継続するにつれて、燃焼ガス温度は燃焼システム２１の作動温度まで上昇する。比例バルブ３８は、燃焼チャンバー３０の燃焼空気ポート３５に入る高温作動ガスの質量流量を制御する。比例バルブ３８は、バタフライ、ゲート、ボール、フラッパー、または他の機械システムを含む自動制御バルブであり得る。比例バルブ３８は、バルブ３８に接続されたサーボモーター３９によって駆動される。比例バルブ３８は、ＤＣサーボモーター３９、油圧式、空気圧式、または他の電気機械式位置システムによって駆動できる。サーボモーターは、コントローラー９０に接続されており、コントローラー９０からの信号により駆動される。

有機材料を利用する燃焼システムは一般に、燃焼チャンバー３０に供給される燃料または空気を変えるようにコントローラー９０に指示する酸素またはラムダセンサー３７によって空燃比を制御する。ＣＨＰシステム１００では、酸素センサー３７は、主に始動中に正の酸素／燃料比を確保するために主に使用され、燃焼空気供給を必ずしも制御しない。

排気ドラフトファンを利用したＣＨＰ燃焼システムの空気供給を制御する１つの方法は、例えば０％－１００％の範囲で燃焼空気の流れを変えることができる比例バルブ３８を使用することである。動作中、一貫した含水量で一貫した材料を燃焼させる場合、比例バルブ３８は、完全な燃焼のために十分な空気を供給し、要求される熱需要を満たすだけでよい。すべての条件が一定である場合、需要の変更が行われる場合を除いて、空気／燃料を制御する必要はほとんどない。

燃料が有機材料である場合、燃料は混合され、異なる発熱量と異なる水分含有量を示す場合がある。このような燃料では、より一定の出力温度を維持するために空燃比の制御がより重要になる。燃焼チャンバー３０に入る燃料流の水分および熱の値を決定することは、典型的には、あまり実用的ではない。さらに、これらの不一致の結果として、排気ガス温度の変動が著しくなる可能性がある。したがって、燃焼後の排気ガス温度の制御は、燃焼に望ましい設定温度を確保するための最も実行可能な手段になる。

燃焼空気にタービン作動ガスを使用する場合、圧縮されたタービン作動ガスは、さまざまな温度で燃焼チャンバー３０に導入され得る。例えば、最大熱回収のために膨張タービン６４から直接膨張した作動ガスを使用すると、６００℃の温度で作動ガスが供給される。しかし、膨張した作動ガスが、電力を生成するなどの第２サイクルにも、またはスラッジ乾燥などの高温熱用途にも使用される場合、燃焼チャンバー３０に送られる作動ガスの温度は低くなり、低くなる可能性がある５０℃として。これらの条件は、発電機７０の出力の変化、ならびに特定の有機燃料の燃焼およびシステム１００の動作に通常のその他の過渡的な影響によっても変化し得る。

一つの実施形態において、燃焼プロセスの目標作動温度は、使用される燃焼チャンバーおよび燃料の種類に応じて、約１１００℃である。他の燃焼作動温度が可能であることが理解されよう。燃焼プロセスの所望の作動温度は、いくつかの要因に基づいて選択できることが理解されよう。粒子状物質の排出量、炭化水素の排出量、例えば一酸化炭素（ＣＯ）の排出量、亜酸化窒素の排出量などで燃料をきれいに燃焼させるためには、一般に高温が望ましい。逆に、熱交換器などの下流コンポーネントには、より低い温度が望ましい場合がある。

燃焼ガス温度は、温度センサー３６、例えば、熱電対、ＩＲセンサー半導体センサーなどによって出口で測定され、燃焼チャンバー３０への燃料の供給速度と、高温の高温ガスの両方を制御するために使用される。下流プロセスに向けられます。ガスが燃焼ハウジング３０を出ると、温度は温度センサー３６によって測定される。制御装置９０は、平均燃焼温度がどうあるべきかの規定された設定点温度を有する。一つの実施形態において、コントローラー９０は、時間平均温度測定を使用して、固体燃料回転バルブ３４の速度を制御し、燃料の供給速度を制御する。回転バルブは、燃焼チャンバー３０への固体燃料の供給を提供すると同時に、燃焼ガスの漏れを避けるためのエアロックを提供するように構成される。回転バルブの制御に時間平均温度測定を使用することにより、燃焼ガスの出力温度の変動に応答するのではなく、回転バルブ３４がより一定の速度を維持できる。燃焼チャンバー３１を出るガス温度は１１５０℃と高く、ほとんどの熱交換器の最高温度を超える。完全な燃焼を達成し、未燃焼の炭化水素排出物を排除するために、高温が望ましい。

上述のように、システム１００によって生成される電力および熱を制御するには、燃焼チャンバー３０への燃料の供給速度を制御するだけでなく、燃焼チャンバー３０に向けられる燃焼空気も制御する必要がある。変化する燃焼空気温度でほぼ一定の排気ガス温度を維持するために、比例バルブ３８には広範囲の流量能力が必要である。１つの方法は、燃焼システム２１の出力容量に予想される最大容積に合わせてバルブ３８の容量をサイズ設定することである。化学量論燃焼では、一定量の燃料質量と反応するために一定量の空気質量が必要である。燃焼空気の流量は、空気の温度に依存する。熱い空気は冷たい空気よりも密度が低いため、所定の質量流量では、熱い空気は冷たい空気よりも体積が大きくなる。例えば、６００℃では、空気の密度は５０℃の空気の４倍である。つまり、比例バルブ３８は、燃料との燃焼のために冷気に比べて４倍の量の温風を許容する必要がある。比例バルブ３８は、最大容量で最高の設計空気温度で全開になる。さらに、高温で空気の流れを調整する場合、バルブの位置がわずかに変化すると、流量がわずかに変化する。ただし、燃焼空気の温度が低いほど密度が高くなるため、流量を減らすには比例バルブをさらに閉じる必要がある。すなわち、温度が低いと、バルブの位置の小さな変化が、高温ガスに対する流量の不均衡な大きな変化をもたらす。さらに、温度が低いと、バルブ位置の感度により、温度センサーとバルブ位置の間にヒステリシスフィードバックループが発生し、バルブが温度センサーの変動を追いかけます。

作動中、ＣＨＰシステム１００は、燃焼空気の温度を変化させる多くの過渡的な影響を受ける可能性がある。温度センサーに対してバルブ位置を過度に補償することからバルブ３８を安定化するために、時間平均温度測定値を利用することが好ましい。つまり、例えば、センサーはガス温度の瞬間値を読み取るために、毎秒最低１０サンプルで温度をサンプリングする。例えば、５秒の時間間隔でローリング平均を取ると、バルブで制御しやすい滑らかな温度プロファイルが生成される。バルブ３８が十分速く反応できない点まで、より短い間隔を使用できる。逆に、間隔が長いほど温度プロファイルは滑らかになるが、ＣＨＰシステムからの需要の変化に対する応答時間に遅れが生じます。時間平均温度法を使用して燃焼空気バルブ３８を制御するが、瞬間値を使用して、高温熱交換器２４の前で膨張作動ガスを燃焼排気と混合する二次ガス比例バルブ４８を制御する。

燃焼空気供給の温度を検知することにより、空気密度を決定するアルゴリズムを、任意の温度の特定の比例バルブ位置に関連付けることができる。さらに、低温域でバルブ位置の分解能を上げて、燃焼空気をより厳密に制御できる。

燃焼チャンバー３０を出るガスは、粒子分離器またはフィルター２３に入り、プロセスステップ２１０に示されるように、燃焼ガスから粒子状物質を分離する。一つの実施形態において、高温サイクロン粒子分離器２３が使用されるが、粒子分離器フィルターなどの他の形態を利用してもよい。一つの実施形態において、高温サイクロン粒子分離器は、サイズが５ミクロンを超える粒子の９９％が高温燃焼ガスから確実に除去されるように構成される。ガスがサイクロン４１および４２を通過すると、粒子は外殻に向かって加速され、サイクロンの長さを伝わる。サイクロン４１、４２の下部で、粒子は懸濁液から脱落ホッパー４３に落下する。一つの実施形態において、離脱ホッパー４３に収集された粒子は、機械的オーガー４４およびモーター４５によって除去される。オーガーモーター４５は、固体燃料中の無機材料の量、オーガー４４およびホッパー４３のサイズに応じて、断続的または連続的に運転できる。次に、ガスはサイクロン４１、４２の中心に上がり、上部から排気プレナム４６に入る。

高温熱交換器２４に入る排気ガスの温度を制御する１つの方法は、タービン作動ガス（この例では空気）または周囲空気を含む他の空気源から二次ガス流を導入することである。高温の熱交換器２４の前に排熱がシステムに戻されるため、タービン作動ガスを使用することが好ましい。燃焼システムは、燃焼ガス流内の負圧を維持する排気ドラフトファン２６を利用する。排気プレナム４６では、二次ガス、この実施形態ではタービンからの高温ガスが導入される。一つの実施形態において、燃焼ガスによるより冷たいガスの添加を制御するために比例バルブ４８が使用される。比例バルブ４８は、空気の流れを０％～１００％の間で変化させることができる。動作中、比例バルブ４８は、温度センサー３６、５０、および６８に応答してバルブ４８を開閉するようバルブモーター４９に指示するコントローラー９０によって制御される。これらのガスは、プロセスステップ２１５で示されるように、燃焼ガスの温度を高温熱交換器２４の所望の入口温度に調整するために混合される。ライン６５のタービン圧縮作動ガスは、排気プレナム４６内の燃焼ガスよりも高圧になるように構成されているため、タービン圧縮作動ガスはファンを必要とせずに流れる。比例バルブ４８は、広範囲の流れ状態の制御に関して、比例バルブ３８と同様の特性を有する。

ＣＨＰ燃焼システムおよび二次空気バルブ４８の制御は、タービン２２および発電機７０への電気負荷で始まる。タービン速度は、膨張タービン６４を通る作動ガス流を変化させる電気負荷に応じて変化し、それにより高温熱交換器２４で作動ガスが加熱される。温度センサー６９は、高温熱交換器２４を出る作動ガス温度を感知する。この温度は一定の設定点温度である。設定温度を維持するために、高温熱交換器２４への燃焼ガス流量は、温度センサー６９で検出された温度の変化に基づいて調整され、正しい量のエネルギーを供給する必要がある。これは、コントローラー９０が燃焼チャンバーへの供給物３４中の燃料を変化させて所望のエネルギーと一致させることにより達成される。

温度センサー３６は、燃焼チャンバーを出る燃焼ガスの温度を制御するために使用される。ガスの瞬間温度を測定し、これをコントローラー９０に送信する。時間平均値は、燃焼チャンバーの設定値との比較に使用され、設定温度を維持するために必要な燃料と空気の量を制御する。瞬時値は、設定値からの偏差の振幅を決定するために、設定値と比較される。温度センサー６８は、バルブ４８に導入される二次作動ガスの温度を検知するために使用される。ガスの温度は、さまざまな条件でバルブ位置をより適切に制御するために、コントローラー９０に２次空気の密度を伝える。センサー３６が設定点からの逸脱を感知すると、温度コントローラー９０は、プレナム４６に到達する排ガスを見越してバルブ４８の調整を開始する。温度センサー５０は、熱交換器に入る燃焼ガスの温度を感知し、２つの方法でバルブ４８を制御するために使用される。第１の制御アルゴリズムは、二次ガスの温度と熱交換器の設定温度に基づいて、バルブを所定の位置に開閉する。第２の制御アルゴリズムは、温度センサー３６と協働して、燃焼チャンバーの設定点温度からの温度の偏差にバルブ４８を調整するコマンドに応答してバルブの感度を調整する。

開始時に、燃焼チャンバー３０から出る燃焼ガスの温度を測定する温度センサー３６によって測定される温度が熱交換器２４の所望の入口設定点温度を超えるまで、比例バルブ４８は完全に閉じられる。比例バルブ４８が開くと、ライン６５上の膨張タービン６４からの加熱空気がプレナム４６内の燃焼ガスと混合され、高温熱交換器２４に向けられた高温燃焼ガスをほぼ一定に維持および調整する。望ましい許容範囲内の温度。比例バルブ４８は、粒子分離器２３の後に二次ポート４７に入る高温作動ガスの質量流量を制御する。比例バルブ４８は、バタフライ、ゲート、ボール、フラッパー、または他の機械システムを含む自動制御バルブであり得る。比例バルブ４８は、バルブ４８に接続されたサーボモーター４９によって駆動される。バルブ４８は、ＤＣサーボモーター、油圧式、空気圧式、または他の電気機械式位置システムによって駆動され得る。サーボモーターは、コントローラー９０に接続されており、コントローラー９０による信号により駆動される。別の温度センサー５０を使用して、高温熱交換器２４に入る前に燃焼ガスの温度を測定する。燃焼チャンバー３０を出る燃焼ガスの設定点温度からの偏差は、温度センサー３６によって測定され、温度センサー６８の温度に基づいて比例バルブ４８を調整することによって補償され、温度に基づいてバルブを開くアルゴリズムですバルブの開口位置がどこにあるべきかの計算された推定値。ガスの温度は、さまざまな条件でバルブ位置をより適切に制御するために、コントローラー９０に２次空気の密度を伝える。温度センサー３６は、二次ガスポート４７が位置する場所の上流に配置され、燃焼ガスが二次ガスポート４７に移動するのに約１秒かかる。これにより、ガスが二次ポート４７を通過する前に信号とバルブが調整を開始する時間を確保できる。温度センサー３６は、燃焼チャンバー３０を出る燃焼ガスの温度を制御するために使用される。ガスの瞬間温度を測定し、これをコントローラー９０に送信する。時間平均値は、燃焼チャンバーの設定値と比較し、設定温度を維持するために必要な燃焼チャンバー３０に向けられた燃料の量を制御するために使用される。瞬時値は、設定値からの偏差の振幅を決定するために、設定値と比較される。センサー３６が設定点からの逸脱を感知すると、温度コントローラー９０は、プレナム４６に到達する排気ガスを見越してバルブ４８の調整を開始する。コントローラー９０は、ユーザー入力および所定の高温熱交換器２４の設計制約に基づいて熱交換器２４の設定点温度を定義し、温度センサー５０の測定温度に応答する。温度センサー５０は、高温熱交換器２４に入る燃焼ガスの温度を感知し、２つの方法でバルブ４８を制御するために使用される。第１の制御アルゴリズムは、二次ガスの温度と熱交換器の設定温度に基づいて、バルブを所定の位置に開閉する。第２の制御アルゴリズムは、温度センサー３６と協働して、設定値温度からの温度の偏差にバルブ４８を調整するコマンドに応答してバルブの感度を調整する。一つの実施形態において、コントローラー９０は、熱交換器２４の設定点温度からの偏差に応答して、比例バルブ４８の速度変化信号の比例減衰を行う。一つの実施形態において、プレナム４６を出る燃焼ガスの温度は、高温熱交換器２４の最大温度能力に調整される。一つの実施形態において、燃焼ガスの温度は１１００℃に調整される。別の実施形態では、燃焼ガスの温度は９５０℃に調節される。一つの実施形態において、温度は＋１００℃の許容誤差で調整される。別の実施形態では、公差は＋５０℃である。さらに別の実施形態では、温度は＋１０℃の範囲内に維持される。

プロセスステップ２２５に示すように、高温の燃焼ガスが高温の熱交換器２４を通過すると、燃焼ガスからタービン２２の作動ガス（圧縮された周囲空気）に熱が伝達される。一つの実施形態において、熱を作動ガスに伝達した後、燃焼ガスを二次目的に利用して、ＣＨＰシステム１００の効率および有効性を改善できる。一つの実施形態において、高温熱交換器２４を出る燃焼排気ガス温度は、約３００℃ほど高くなり得る。しかしながら、高温熱交換器２４を出る排気ガスの温度は、熱交換器の効率に依存することが理解されよう。熱交換器の効率が高いと、排気温度が下がる。加えて、高温熱交換器２４に入る排気ガスの温度は影響を与える。高温熱交換器２４に入る排気ガスがより低い温度、例えば９００℃に調整される用途では、熱交換器２４を出る温度はより低くなる。燃焼ガスを使用する二次的な目的は、高温の熱を提供することである。一つの実施形態において、燃焼ガスは、第２の低温熱交換器２５を通過して、オプションのプロセスステップ２４５に示されるように、低温熱用途のために燃焼ガスからさらなる熱を回収できる。低温セカンドサイクルプロセスの例には、さらなる仕事または電気を生成するための、たとえばセカンドサイクルＯＲＣシステムでの発電、温水、吸収冷却、低温乾燥用途、スラッジ乾燥、熱水浄化、およびスペースの加熱と冷却などが含まれる。さらに冷却された燃焼ガスは、低温熱交換器２５を出て、ドラフトファン２６を通って引き出され、排気される。ドラフトファン２６は、燃焼チャンバー３０からサイクロン粒子分離器２３および熱交換器２４、２５を通して燃焼ガスを引き出すために利用される。ドラフトファン２６を使用すると、燃焼チャンバー３０内の負圧も維持され、ガスの漏れを防ぎ、膨張した作動ガスがバルブ３８またはバルブ４８を介してプレナム４６に確実に引き込まれ、燃焼と混合するガス。

タービン２２の始動は、作動ガスの温度が上昇するにつれてタービンを自然に加速させるか、スターターモーターで始動するかのいずれかにより達成できる。一つの実施形態において、高温熱交換器２４内の作動ガスが加熱されると、作動タービン６４と圧縮機タービン６１の両方に向かって膨張する。膨張タービン６４は圧縮機よりも多くの仕事を生み出すため、シャフトは適切な方向に回転する。シャフトが回転し、圧縮機タービン６１の空気を通る空気流が流れ始めると、圧縮空気がさらに膨張して流れがさらに加速され、時間の経過とともにシステムが巻き上げられます。別の実施形態では、タービン２２およびシステムをより迅速に高速化するためにスターターモーターが使用される。一つの実施形態において、発電機６９はまた、タービン２２を始動するスターターとして動作するように構成される。タービン２２が回転し始めると、ライン６５で加熱膨張タービン排気が利用可能になり、粒子分離器２３のバルブ４８とポート４７、および燃焼システムポート３５のライン６６を介した一次燃焼空気に二次空気を供給する。タービン速度が増加している間、燃焼チャンバー３０に供給される一次燃焼空気も増加している。熱電対３６は、燃焼排気ガス温度の変化を感知し、コントローラー９０に信号を送り、ロータリーバルブ３４の速度を変更して燃焼システムを調整し、サイクルを継続することにより、固体燃料の供給速度を変更する。別の実施形態では、比例バルブ３８は、燃焼チャンバー２５およびサイクロン分離器２３によって許容される空気流を維持するように制御される。燃料需要が負荷需要を満たすために増加／減少すると、比例バルブ３８によって一次燃焼空気の制御が実行される。

システム１００が熱平衡に達すると、比例バルブ３８は、所望の燃焼温度を維持するのに十分な空気流を可能にするように設定される。燃料システムは、タービン２２にかかる負荷に反応する。一つの実施形態において、電力が要求されると、タービン２２は高温熱交換器２４から熱を引き出す。温度センサー５０は、熱交換器に供給する高温ガスの温度の変化を感知し、電力需要に応じてより多くのまたはより少ない燃料を燃焼させる必要がある。コントローラー９０は、それに応じて回転バルブ３４に命令し、その速度を増加または減少させて、センサー５０で感知された設定温度を維持するのに必要な熱を提供するのに十分な燃料エネルギーを許可／維持する。比例バルブ３８は、いくつかの信号入力と比例積分微分（ＰＩＤ）位置決め制御アルゴリズムおよび信号を使用して、コントローラー９０によって制御される。温度センサー３６は、燃焼チャンバー３０の出口温度を測定し、約１１５０℃の所望の燃焼温度に維持されて完全な燃焼を達成する。膨張タービン６４の出口上の温度センサー６８は、膨張した加熱作動ガスの温度を測定し、燃焼に使用される単位質量当たりの膨張した加熱作動ガスのエネルギーを計算するためにコントローラー９０によって使用される。一つの実施形態において、化学量論的燃焼に必要な量よりも多くの燃焼ガスが常に存在するように、システム１００が大量の過剰な作動ガス（例えば、膨張した加熱作動ガス、空気）で動作することを保証することが望ましい。前述のように、高温の熱交換器２４に適用するために、燃焼ガスを所望の設定点温度まで冷却するために、過剰な作動ガスも使用される。燃焼空気温度コントローラー９０に応じて、比例バルブ４８に開閉を指示して、必要な空気が高温熱交換器２４で所望の温度を達成できるようにする。

有利なことに、一つの実施形態において、タービン２２は、ガスタービン燃焼器に直接導入できない燃料を使用しながら熱をタービン作動ガスに伝達する方法を可能にする独立したガス回路を介して高温熱交換器２４に接続される。別個のガス回路は、燃焼生成物が膨張タービンセクション６４に悪影響を与えるのを防ぎ、これにより、メンテナンスコストが削減され、コンポーネントの寿命が延びます。さらに、間接熱伝達とは、作動ガス（空気）が乾燥していて清潔であり、タービンでの膨張後、燃焼空気やその他の多くの熱用途に使用できることを意味する。オプションのプロセスステップ２２０に示されるように、タービン２２は、清浄な作動ガス（例えば、環境からの周囲空気）を作動ガスが圧縮される圧縮機６１の入口に引き込む。圧縮ガスは、流体接続６２を介して高温熱交換器２４の低温側入口ポート５３に供給される。プロセスステップ２２５について前述したように、熱交換器２４の別個のチャネルを流れる燃焼ガスから熱を抽出することにより、圧縮作動ガスは、膨張タービン６４の設定点温度まで加熱される。加熱された作動ガスは、熱交換器ポート５４から流体接続６３を通って膨張タービン６４の入口に移動する。次いで、高温作動ガスは、プロセスステップ２３０に示されているシャフト動力の形で使用可能な仕事を生成するために膨張される。一つの実施形態において、タービンシャフトは、この仕事を電力に変換する発電機６９に接続される。別の実施形態では、使用可能な作業を使用して製造プロセスを実行する。例えば、使用可能な作業を使用して、ポンプまたは機械式チラー、コンプレッサー、蒸気圧縮蒸留、輸送機器などの他の機械プロセスを実行できる。

一つの実施形態において、膨張後、ＣＨＰシステム１００の効率および有効性を改善するために、高温タービン作動ガスがいくつかの主要な目的に利用される。第１は、プロセスステップ２３５に示されているように、燃焼システム２１に高温の燃焼空気を供給するために高温作動ガスが使用されることである。膨張タービン６４を出るガスは、流体接続部６６を通り、任意で比例バルブ３８を通って燃焼空気ポート３５を介して燃焼ハウジング３０に移動する。有利なことに、一つの実施形態において、タービン排気は、既存のＣＨＰシステムで燃焼空気予熱器を使用することで通常達成できるよりも高い６００℃の高温にできる。以前の先行技術のシステムは、復熱装置を使用してタービンサイクル内の熱を回収していた。熱エネルギーを回収する他の方法がないため、サイクル内で燃焼が発生する場合、これは不可欠である。外部燃焼サイクルでは、タービン排気の温度がコンプレッサー空気の予熱により著しく低下しているため、これは有害である。これは、外気またはタービン空気を使用するには、燃焼ガスの残りの熱を回収するために追加の熱交換器が必要になることを意味する。記載された実施形態は、サイクル内の熱を回収するための復熱装置の使用を排除することにより、従来システムの燃焼空気予熱器が使用された場合よりも高い温度でタービン排気を利用可能にする。

タービン排気を使用する第２の目的は、プロセスステップ２１５を参照して上述したように、高温熱交換器２４に入る燃焼ガスの温度を調整および制御することである。

タービン排気の使用の第３の目的は、オプションのプロセスステップ２４０に示すように、高温および低温の両方の用途に高温（６００℃）の清潔で乾燥した空気を供給することである。高温の作動ガスは、流体接続６７を介してタービン２２から排出される。流体接続部６７はまた、熱風を利用するために外部熱システムに結合されてもよい。タービン排気作動ガスは、例えば第２サイクルＯＲＣシステムでの第２サイクル発電に使用して、さらなる仕事または電気を生成し、クリーンな乾燥空気が望ましい高温乾燥用途、スラッジ乾燥、熱水浄化、および暖房用に使用できる。冷却。一つの実施形態において、作動ガス中に存在する燃焼入力熱エネルギーの約５０パーセントが二次サイクルの使用に利用可能である。例えば、膨張タービン６１からの加熱膨張作動ガスの主な機能は、ポート４７を介して燃焼ガスと燃焼チャンバー３０の燃焼空気との混合を提供することであるが、残りの高温作動ガスを追加の熱伝達に使用してもよい。または作業生成。一つの実施形態において、ライン６７での作動ガス温度は約６００℃である。有利には、１００ｋＷの電力を生成するサイズのシステム１００では、第２サイクルプロセスから追加の４０ｋＷ～１００ｋｗの電力が生成され得る。例えば、利用可能な排熱を利用する低温ＯＲＣは追加の４０ｋＷを生成でき、一方、高温ＯＲＣは追加の７５ｋＷを生成できる。閉じた再生ブレイトン、スターリング、または超臨界ＣＯ_２エンジンなどの高効率サイクルは、１００ｋＷを超える追加の電力を生成する可能性がある。第２サイクルプロセスから出るさらに冷却された作動ガスは排出される場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、第２サイクルプロセスに続き、冷却された作動ガスは、さらなる低温プロセスに利用して残留熱を回収し、さらにプロセスを再開するためにリサイクルすることさえできる。

一つの実施形態において、ポート５２で高温熱交換器２４を出る燃焼ガスは、低温熱交換器２５を通過して、オプションのプロセスステップ２４５で示されるように、低温熱用途のために冷却燃焼ガスからさらなる熱を回収できる。例えば、一つの実施形態において、冷却された燃焼ガスは約３００℃の温度であり、温水、低圧蒸気、ボトミングサイクル発電、吸収冷却を含むがこれらに限定されない低温用途に使用され得る。のような。さらに冷却された燃焼ガスは、低温熱交換器２５を出て、必要に応じて排出またはリサイクルされてもよい。

「約」という用語は、出願時に利用可能な機器に基づく特定の量の測定に関連する誤差の程度を含むことを意図している。例えば、「約」には、特定の値の＋８％または５％、または２％の範囲を含めることができる。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していない。限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳細に説明したが、本発明はそのような開示された実施形態に限定されないことを容易に理解されたい。これまで説明していないが、特許請求の範囲の趣旨および範囲に見合う任意の数の変形、変更、置換、または同等の配置。さらに、様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明された実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。したがって、実施形態は、前述の説明によって限定されると見なされるべきではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (28)

1. 熱電併給（Combined Heat and Power、ＣＨＰ）システムであって、該ＣＨＰシステムは次のもので構成される：
   燃焼チャンバー、および固体燃料を燃焼チャンバーに供給するように構成された供給機構を有する燃焼システムであって、燃焼チャンバーは、燃焼および燃焼ガス排気用のガス入口を有し、燃焼チャンバーは固体燃料の燃焼のための燃焼空気入口に膨張加熱二次ガスを受けるように構成されており；
   ガス入口と直列に動作可能に結合され、膨張加熱二次ガスの流れを制御するように動作可能である比例バルブ；
   燃焼チャンバーに動作可能に接続され、高温燃焼ガスを受けるように構成された排気プレナムを有する粒子分離器であって、排気プレナムは、高温燃焼ガスと混合するために膨張加熱二次ガスを排気プレナムに方向付けるように動作可能な二次ガスポートを含み；
   排気プレナムに動作可能に結合され、混合燃焼ガスを受けるように構成された高温熱交換器であって、高温熱交換器は、混合燃焼ガスから圧縮二次ガスに熱を伝達するように動作可能であり；
   駆動シャフト上に動作可能に接続された圧縮セクションおよび膨張セクションを有するガスタービンであって、ガスタービンは、圧縮セクションへの入口で二次ガスを受け、二次ガスを圧縮し、圧縮された二次ガスを高温熱交換器の入口に方向付けるように構成され、ガスタービンは、膨張セクションへの入口で加熱圧縮二次ガスを受け、加熱圧縮二次ガスを膨張させ、仕事を生成するように構成され、ガスタービンの膨張セクションの出力は、排気プレナムの二次ガスポートおよび燃焼チャンバーの燃焼入口へ動作可能に結合されており；
   ガスタービンの駆動軸に動作可能に接続され、生成される仕事で電気を生成するように構成された発電機；および
   コントローラーに動作可能に接続され、膨張加熱二次ガスの流れを制御して高温燃焼ガスと混合するように構成されたさらなる比例バルブ
   を含む、熱電併給システム。
2. 燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度を制御するための制御機構をさらに含む、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
3. 制御機構が供給機構および制御バルブを含む、請求項２に記載のＣＨＰシステム。
4. 燃焼ガス排気部において燃焼ガスの温度を感知するように動作可能な温度センサーをさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のＣＨＰシステム。
5. 温度センサーが、熱電対、赤外線検出器、および半導体検出器のうちの少なくとも１つである、請求項４に記載のＣＨＰシステム。
6. 入口および排気部を有する高温粒子分離器をさらに含み、分離器が燃焼チャンバーに動作可能に接続され、高温燃焼ガスを受けるように構成され、排気部が排気プレナムを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載のＣＨＰシステム。
7. 高温粒子分離器がサイクロン分離器を含み、該サイクロン分離器が粒子状物質の除去のためにホッパーに動作可能に結合されている、請求項６に記載のＣＨＰシステム。
8. サイクロン分離器が、５ミクロンより大きいすべての微粒子の約９９％を除去する、請求項７に記載のＣＨＰシステム。
9. ガス入口と直列に動作可能に結合され、膨張加熱二次ガスの流れを制御するように動作可能である比例バルブが、膨張加熱二次ガス、高温燃焼ガス、および混合燃焼ガスの少なくとも１つの温度に基づいて、高温燃焼ガスと混合する膨張加熱二次ガスの流れを制御する、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
10. 比例バルブが、コントローラーに動作可能に接続され、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れを制御するように構成される、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
11. 比例バルブが、膨張加熱二次ガス、高温燃焼ガス、混合燃焼ガスの少なくとも１つの温度、および加熱圧縮二次ガスの温度に基づいて、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れを制御する、請求項１０に記載のＣＨＰシステム。
12. 比例バルブが、加熱圧縮二次ガスの温度に基づいて、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れを制御する、請求項１１に記載のＣＨＰシステム。
13. 混合燃焼ガスの温度を感知するように動作可能な第２の温度センサーをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のＣＨＰシステム。
14. 膨張加熱二次ガスの温度を感知するように動作可能な第３の温度センサーをさらに含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載のＣＨＰシステム。
15. 第１温度センサー、第２温度センサー、および第３温度センサーの少なくとも１つに動作可能に接続されたコントローラーをさらに含み、コントローラーは制御機構、比例バルブおよびガスバルブの少なくとも１つに動作可能に接続され、コントローラーは燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流れ、および混合燃焼ガスの温度の少なくとも１つを制御する方法を実行するように構成される、請求項１４に記載のＣＨＰシステム。
16. 燃焼チャンバーに動作可能に接続されたブロワーおよびヒーターをさらに含み、ブロワーおよびヒーターは、燃焼チャンバー中の固体燃料の燃焼開始のために動作するように構成される、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
17. 燃焼チャンバーに動作可能に接続されたドラフト誘導排気ファンをさらに含み、ドラフト誘導排気ファンは、燃焼チャンバーを膨張加熱二次ガスよりも低い圧力に維持するように構成される、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
18. 高温熱交換器が単一の向流熱交換器として構成される、請求項１記載のＣＨＰシステム。
19. 高温熱交換器に動作可能に接続され、冷却された混合燃焼ガスを受けるように構成された低温熱交換器をさらに含み、低温熱交換器が二次低温用途のために冷却した混合燃焼ガスから二次低温作動流体へ熱を伝達するのに動作可能である、請求項１に記載のＣＨＰシステム。
20. 熱電併給システム（ＣＨＰ）を動作する方法であって、
    燃焼チャンバーで燃焼プロセスを開始し、膨張加熱二次ガスで固体燃料を燃焼させ、高温燃焼ガスを生成し；
    高温燃焼ガスの温度を膨張加熱二次ガスで調整して、混合燃焼ガスを得；
    二次ガスを圧縮し；
    混合燃焼ガスから圧縮二次ガスに熱を伝達し；
    圧縮加熱二次ガスを膨張させ、それによって仕事（work）を生成し；ついで
    生成した仕事を使用し；および
    燃焼チャンバーへの固体燃料の供給速度を制御すること、燃焼チャンバーへの膨張加熱二次ガスの流速を制御すること、および膨張加熱二次ガスの温度、混合燃焼ガスの温度、高温燃焼ガスの温度および生成した仕事の少なくとも１つに基づいて調整を制御すること、の少なくとも１つ
    を含む、方法。
21. 高温燃焼ガスの温度を調節することが、膨張加熱二次ガスの流れを制御し、粒子分離後に高温燃焼ガスと混合することを含む、請求項２０に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
22. 高温燃焼ガスの温度を測定することをさらに含む、請求項２０または２１に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
23. 混合燃焼ガスの温度を測定することをさらに含む、請求項２０～２２のいずれか１項に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
24. 膨張加熱二次ガスの温度を測定することをさらに含む、請求項２０～２３のいずれか１項に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
25. 伝達が向流熱交換器で生じる、請求項２０に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
26. 膨張加熱二次ガスが約６００℃の温度であり、燃焼プロセスに直接適用される、請求項２０に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
27. 燃焼プロセスが、１０００℃、１０５０℃、１１００℃、および１１５０℃の少なくとも１つの温度を達成する、請求項２０に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。
28. 高温粒子分離器を用いて高温燃焼ガスから粒子状物質を除去することをさらに含む、請求項２０に記載のＣＨＰシステムを動作する方法。

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