JP7268151B2 - コンバインドパワーサイクルを使用して機械的エネルギーを生成する装置 - Google Patents
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Description
-ヒートポンプの「コールドリザーバー」は、大気圧での水蒸気の凝縮温度に近い温度で動作する必要がある。
-コールドリザーバーとホットリザーバーの温度差は、以前に凝縮された圧力よりも大幅に高い圧力で蒸気を再生するために、かなり大きくなければならない(摂氏数十度)。
-機械的圧縮エネルギーも、再生中のブレイトンサイクルから取得したりそれに戻したりする必要がある。
-コンバインドサイクルの一部を再生するこの方法に価値があるためには、冷却サイクルの性能は十分に高くなければならない。
UAX:熱交換用吸着器ユニット。これは「ヒートポンプ」の役割を果たし、このコンバインドパワーサイクルの再生を支援するシステムである。独立した作動ユニットとしてのUAXは、番号(200)で識別される。構成要素ブレイトンサイクルを再生するために使用される。UAX(200)は、コンバインドパワーサイクルとは物質を交換しないが、「共生」して機能し、機械的エネルギーを生成するためのコンバインドサイクルが機能するために不可欠なシステムである。UAXは、アンモニアと水で機能する本発明の設置に不可欠なコンポーネントである。
このレポートには5つの図が含まれている。最初の4つは、提示されたコンバインドパワーサイクルのさまざまな構成または設計バージョンの概略図である。最後に、5番目の図は、「ヒートポンプ」としてパワーサイクルを支援する基本的な機能を実行する「熱交換用吸着器ユニット」(UAX)の構成の概略図である。
本発明は、請求項1に記載の装置、ならびに方法の主請求項に記載の、エネルギーを生成するための方法を指す。この装置および方法の特定の実施形態は、それぞれの従属請求項に記載されている。
-水を熱流体として使用するクローズドまたはセミクローズドの再生構成要素ブレイトンサイクルを実行する手段と、
-再生構成要素ブレイトンサイクルと相互接続された、構成要素基本ランキンサイクルである少なくとも1つのランキンサイクルを実行する手段と、
-再生構成要素ブレイトンサイクルを再生する閉回路を構成するヒートポンプ(UAX)と、
を含む、コンバインドパワーサイクルを使用してエネルギーを生成するための装置を指す。
-熱交換器と、
-酸素燃焼バーナーと、から選択される必須熱源(101)を備え、
必須熱源(101)では、構成要素ブレイトンサイクルと構成要素基本ランキンサイクルの2つのサイクルからの流れが合流する。
-1つの簡単な段階で凝縮し、ヒートポンプUAXのコールドリザーバー(201)にエネルギーを伝達する、再生凝縮器(107)、
-パワーシャフト(130)から仕事を受け取り、複数の段階でガスを凝縮し、連続する圧縮段階で放出された熱のみをUAXのコールドリザーバー(201)に伝達する、CO2液化プラント、
-であることが可能な、要素(107)と、
-ヒートポンプUAXのホットリザーバー(210)からパワーサイクルに熱が戻されるためのリボイラー(113)と、
-要素(107)の底部で得られた凝縮液を圧送し、リボイラー(113)に向かって流す、凝縮液再生ポンプ(111)と、
-水蒸気が発生する熱回収導管(CRC)(103)と、
-必須熱源(101)に蒸気を送る高圧タービンTAP(122)と、熱回収導管CRC(103)に蒸気を送る高温タービンTAT(102)との、少なくとも2つのタービンと、
-サイクルの有用な機械的エネルギーが得られる、少なくとも1つの共通のパワーシャフト(130)と、
-CRC(103)の底部でのまたはその後の蒸気の凝縮によりヒートシンクの機能を実行するシステムと、
-凝縮液戻りポンプ(109)と、
-構成要素基本ランキンサイクル用の給水ポンプ(119)と、
-エコノマイザーコイル(120)、
-CRC(103)内にある、水蒸気(121)用の蒸発器及び過熱器、
-からなる、構成要素基本ランキンサイクル用の蒸気発生器と、
-蒸気とガスが要素(107)に入る前に、凝縮液戻り予熱器(110)に熱を放出する、凝縮熱交換器要素(106)と、
-リボイラー(113)の出口に設けられて、熱を下記から選択されるバイパスラインに放出する、凝縮熱交換器要素(114)と、
-リボイラー(113)自体への取水用の予熱器(112)、および
-リボイラー(113)自体への取水を予熱することに加えて、ポンプ(119)への給水を加熱し、また、再生凝縮液ポンプ(111)の圧送と給水ポンプ(119)の吸引との間の過熱器(136)で温度が上昇すると、圧縮機(115)および/またはタービン・加熱器(137)に導かれる蒸気を生成する、熱回収交換器(112)、
-要素(112)に配置され、構成要素ブレイトンサイクルと構成要素基本ランキンサイクルを結合するバイパスラインと、
を含む。
-再生凝縮器(107)に位置し、気体状態の、または、再生凝縮器(107)が液化プラントである場合、液体状態の、燃焼で生成されたCO2のための出口、および
-凝縮液戻りラインにおける燃焼によって生成された液体水のための出口、
を含む。
-熱回収導管CRC(103)から出口蒸気を取り出して圧縮して、独立した二次ランキンサイクルの蒸発器(125)のコンポーネントセクションを少なくとも1つ収容している凝縮交換器要素(105)に送る、ファン(104)
を含むことができる。
-シェルサイド(108)で導管(105)からの凝縮液が冷却され、独立した二次ランキンサイクルのエコノマイザー(124)が内部に収容されている、熱交換器(108/124)
を含むことができる。
-要素(107)とのみ熱を交換し、コールドリザーバーとして機能する、ガス状アンモニアの主発生器(201)、
-吸着器(210)からアンモニア溶液を受け取り、アンモニア蒸気をいくつかの圧縮機(203)に送り、残りのアンモニア溶液を主発生器(201)に送る、二次発生器(202)、
-直列に接続され、その間で冷却が行われ、主発生器(201)および二次発生器(202)からアンモニアを受け取る、少なくとも2つのアンモニア圧縮機(203)、
-超臨界アンモニア蒸発器(209)で圧縮および冷却されたアンモニアを受け取り、熱を二次発生器(202)に伝達する、圧縮アンモニア凝縮器(207)、
-超臨界アンモニア蒸発器(209)、
-アンモニア凝縮液を、アンモニア蒸気を超臨界圧で生成するアンモニア蒸発器(209)に送る、圧縮アンモニア凝縮器(207)からのアンモニア凝縮液用のポンプ(208)、
-超臨界アンモニア用蒸発器(209)から蒸気を受け取り、を水相に溶解するアンモニア吸着器(210)、および
-希アンモニア溶液を主発生器(201)から吸着器(210)に移送する移送ポンプ(215)、
を含む。
-主発生器(201)からの希アンモニア溶液と、吸着器(210)からの濃アンモニア溶液との間の熱交換器(213/214)、
-吸着器(210)からの濃アンモニア溶液に含まれる熱を利用して、超臨界アンモニアを生成する、アンモニア蒸発器(209)内に収容されたコイル(211)、
-超臨界アンモニア蒸発器(209)に熱を供給する、圧縮機(203)からの圧縮アンモニア用の冷却コイル(206)、
を含むことができる。
-熱流体として水を使用し、高温タービンTAT(102)で機械的エネルギーを生成し、ヒートポンプ(UAX)によって再生される、クローズドの、または酸素燃焼に基づく構成要素ブレイトンサイクルを実行すること、
-両方とも共通の熱流体として水を使用するため、ブレイトンサイクルと物質とエネルギーを交換し、タービンTAP(122)で機械的エネルギーを生成する、ブレイトンサイクルと相互接続された構成要素ランキンサイクルを実行すること、
-構成要素ブレイトンサイクルとエネルギーを交換して再生し、特定の圧縮機(203)の中の機械的エネルギーを吸収する、ヒートポンプUAX(200)を使用すること、
を含む。
-要素(107)内で、周囲圧力で水蒸気を凝縮し、ヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバー(201)に得られた熱を放出すること、
-ヒートポンプUAX(200)のホットリザーバー(210)によって提供される熱を使用して、リボイラー(113)内で水蒸気を要素(107)で凝縮した圧力よりも高い圧力で再生すること、
を含む。
-コンバインドパワーサイクルがクローズドサイクルとして実行され、または水素のみを燃料とする場合、熱回収導管CRC(103)から、凝縮液が給水として構成要素基本ランキンサイクルに戻される凝縮器(128)によって提供された真空条件下で動作する二次ランキンサイクルのタービンTBP(127)に蒸気を直接送ることを含む。この方法では、二次ランキンサイクルはパワーサイクルの残りの流体と同じ熱流体を使用する。
-ヒートポンプUAX(200)は、NH3を熱流体、水を溶剤として、圧縮と吸収の操作を組み合わせて機能する冷凍機であり、
-ヒートポンプUAX(200)の主発生器(201)は、コールドリザーバーとして機能し、要素(107)から熱を排他的に吸収し、
-ヒートポンプUAX(200)の唯一のコールドリザーバーは、80°C~120°Cの温度で動作し、
-ヒートポンプUAX(200)のアンモニア吸着器(210)は、ホットリザーバーとして機能し、熱をリボイラー(113)に排他的に伝送し、
-ヒートポンプUAX(200)では、その間に冷却を伴う連続した段階でNH3蒸気の圧縮が行われ、
-ヒートポンプUAX(200)の圧縮アンモニア蒸気凝縮器(207)は、二次発生器(202)によって放出されたすべての熱を放出し、
-ヒートポンプUAX(200)の超臨界アンモニア蒸発器(209)は、熱を使用して超臨界状態でNH3を生成し、
-熱は、圧縮段階(204および206)の間の冷却コイルによって提供され、
-潜熱の一部がアンモニア吸着器(210)から熱く流れる濃縮溶液によって保持される。
本発明のコンバインドサイクルに従って装置が機能するためには、その効率を考慮せずに、かつこのタイプの装置の経済的実行可能性を決定する他のタイプの要因を無視することなく、一連の必須機器が不可欠である。
-リボイラー自体(113)への取水用の予熱器(112)、および、
-リボイラー(113)自体への取水を予熱することに加えて、ポンプ(119)への給水を加熱し、過熱器(136)で温度が上昇した後に圧縮機(115)および/またはタービン加熱器(137)に導かれる蒸気を生成する熱回収交換器(112)。
-リボイラー(113)に送られる加熱された液体水の流れであって、なお、この機能のみを実行する場合は、予熱器(112)と呼ばれる。
-給水ポンプ(119)に送られる加熱された液体水の流れ。
-蒸気圧縮機(115)または/および過熱器(136)の最初の追加の段階に送られ、タービンTBP(127)に入る前に追加のタービン(137)内で部分的に膨張する蒸気の流れ(大気圧より高い圧力)。
UAXは、上記に示されているように、アンモニアと水で機能する本発明の装置に必要不可欠なコンポーネントである。
-支援するパワーサイクルのみとエネルギーを交換する。つまり、コールドリザーバーによって吸着されたすべての熱はパワーサイクルから取得され、ホットリザーバーによって放出されたすべての熱は、別の箇所でパワーサイクルに新たに転送される必要がある。外部とエネルギーを交換すると、効率が低下することを示す。
-UAXのコールドリザーバーは、回収目的のために、水蒸気の凝縮熱を周囲圧力で(80°Cと120°Cとの間で)捕集しなければならない。
-ホットリザーバーは、凝縮した飽和水蒸気を事前に再生する必要があるため、UAXのリザーバー間で可能な限り大きな熱ステップ(温度差)を達成する必要がある。ただし、システムの効率を高めるために、可能な限り高い圧力で行うべきである
-性能(CoP)は可能な限り高くする必要がある。つまり、コールドリザーバーからホットリザーバーに転送されるカロリー数は、圧縮機が消費する機械的仕事と比較して非常に多くする必要がある。
-ヒートポンプUAXが外部から受け取るすべての(機械的および熱的)エネルギーは、支援しているコンバインドサイクルそのもののパワーシャフト(130)によって供給される必要がある。
-ヒートポンプUAXが放出する熱エネルギー全体(UAX自体の実際の損失を除く)は、「ホットリザーバー」によって発生し、リボイラー(113)を介してパワーサイクルで蒸気を再生するために使用されるべきである。
1.-UAX(200)が他の吸着システムと同様に、クローズドサイクルで連続的に動作できるようにするには、ガスを「吸着」して濃縮溶液を生成するコンポーネントと、「脱着」して希薄溶液を生成するもう一つのコンポーネントとの間で溶液を交換するための回路を確立する必要がある。換言すれば、希薄溶液は主発生器(201)から出てアンモニア吸着器(210)を循環する。その一方で、濃縮溶液は吸着器(210)を離れ、反対方向の主発生器(201)へと循環することによって、新たに再循環される。
-圧縮の各段階の間にある配列の冷却要素(204)
-圧縮されたアンモニア蒸気が圧縮アンモニア凝縮器(207)に入る前にそれを冷却する冷却コイル(206)。
-アンモニア吸着器(210)から出てくる高温濃縮溶液の一部が循環する交換器要素(211)。
二次発生器(202)の上流に位置するエキスパンダー(212)要素は、この機器の濃縮溶液に含まれるアンモニアの部分的な脱着が起こる圧力で機能する。
本発明によるコンバインドサイクルが作動するためには、熱交換用吸着器ユニットUAX(200)が単一の装置内に統合され、構成要素ブレイトンサイクルを「再生」する機能を実行し、他の従来のコンバインドサイクルで発生するような損失を防ぐために、サイクルの最低温の箇所で放出された熱を再循環する必要がある。
-通常のブレイトンサイクルで見られるように、ガスの代わりに凝縮性熱流体(水蒸気)を使用する。
-ヒートポンプUAX(200)を機能させるために、パワーサイクルから一定量の機械的仕事を取る。
-UAX(200)の「コールドリザーバー」によってパワーサイクルから放出された凝縮熱を捕集する
-UAX(200)の「ホットリザーバー」によってパワーサイクルから受け取った熱と仕事を戻し、その前の凝縮中に一般的な圧力と温度よりも高い圧力と温度で水蒸気を発生する。
-周囲圧力の水蒸気凝縮熱をヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバーに伝達する、要素(107)によって形成された、熱交換器システム。
-ヒートポンプUAX(200)がそのホットリザーバーを通じて戻した熱を使用して、より高い圧力で水蒸気を生成する要素(107)よりも高い温度で動作する再生器リボイラー(113)の
-凝縮液を要素(107)から再生器リボイラー(113)に送り出す再生凝縮液ポンプ(111)。凝縮液は要素(107)から再生器リボイラー(113)に送られる。
-構成要素ブレイトンサイクルによって放出された熱を、ちょうどサイクルで温度が最も低い箇所で再循環させること。
-水蒸気がある圧力で凝縮し、そして、より高い圧力で蒸気が再生されるため、再生されるのは圧縮流体である。これにより、蒸気を構成要素ブレイトンサイクルの必須熱源(101)に運ぶために必要な圧縮の機械的仕事の消費が最小限に抑えられる。
-「クローズドサイクル」での動作は、外部から材料を供給せずにこの装置が機能する場合に達成される。この場合、入力エネルギーは、目的に十分な温度で外部熱源と熱を交換することによって供給される(例えば、太陽光または原子力によるエネルギーの場合)。
-「セミクローズドサイクル」での動作は、バーナーで行われる「内部酸素燃焼」のプロセスによってこの装置へのエネルギーの入力が行われることで達成される。
-使用する燃料は、液体または気体である必要があるが、固体であってはならない。
-コンバインドサイクルのバーナーで使用される燃料は、単一の物質を含む場合もあれば、複数の燃料の混合物である場合もある。
-燃料として使用される物質の化学組成は、一般式CXHYOZを満たしている。ここで、文字C、H、およびOは、それぞれ元素の炭素、水素、および酸素を指し、下付き文字の「X、Y、Z」は、次の規定に従って、これらの各元素の化学量論的含有量を表す。
-一般式の酸素の下付き文字「Z」は、ゼロまたはその他の値にすることができる。これによれば、前述のすべての要件を満たす炭化水素は、コンバインドサイクルでの燃料としての使用に適している。
-いかなる場合でも、純粋な水素を燃料として使用できる。それにもかかわらず、H2を唯一の燃料として使用する装置の場合、また、装置の効率と単純さの理由により、コンバインドサイクルの構成4(図4)によれば、これは特別なケースと見なす必要がある。
-水素の下付き文字「Y」は値ゼロを取ることができる。
-炭素、水素と酸素以外の元素を含有する、他のいかなる化学化合物も望ましくない。
-使用しやすい燃料は、発熱燃焼過程で酸素と化学的に反応できる実際の化学物質でなければならない。
-燃焼の化学反応は、他の種類の二次化学反応が同時に発生することなく進む必要がある。
機械的エネルギーを生成するための他の方法に関して本発明のコンバインドサイクルによってもたらされる基本的な利点は、基本的に以下の通りである。
-本発明のパワーサイクルにより、現在の最先端技術における他の利用可能な方法によって現在提供されているものと同等またはそれ以上の性能が得られる。
-本発明のパワーサイクルにより、現在の最先端技術における他の利用可能な方法によって生成されているものよりも低い環境影響が得られる。
-コンバインドパワーサイクルは、それを構成する全ての機器に共通する熱流体として水を用いる。これにより、次のことが可能になる。
-コンバインドパワーサイクルは、少なくとも1つの構成要素ブレイトンサイクルと1つの構成要素基本ランキンサイクルを1つのサイクルに統合する。これにより、次のことが可能になる。
-コンバインドパワーサイクルは、クローズドサイクルとセミクローズドサイクル(内部酸素燃焼)の両方で機能することができる。
-コンバインドパワーサイクルは、ヒートポンプを使用して再生される。これにより、次のことが可能になる。
-コンバインドパワーサイクルは、サイクルの特定のコンポーネント、すなわち、要素(107)に閉じ込められて得られる、濃縮された気体または液体の残留物として(酸素燃焼の過程で生成された)CO2の回収を実行する。
-CO2液化プラントが存在し、この装置に統合され、要素(107)の機能を実行している場合、液体CO2を取得するプロセスの効率は非常に高いことがわかる。なぜなら、CO2の連続する圧縮段階で発生する熱は、失われるのではなく、それを再利用することが可能なヒートポンプ(UAX)のコールドリザーバー(201)に移すことで回収される。
-コンバインドパワーサイクル(実際の損失とコージェネレーション熱を除く)は、単一の熱リザーバー、すなわち、ヒートシンク(128)を介して環境に熱を放出する。残りの要素によって放出された熱は、同じサイクルの他の要素によって再利用される。
1)パワーサイクルの全体的な効率の向上。UAX(200)は、パワーサイクルのコールドリザーバーで熱を取り込み、ホットリザーバーによってサイクルに再導入する。これは、構成要素ブレイトンサイクルの等圧冷却段階で熱流体から外部への熱の損失がないことを意味する。これは、凝縮器(128)が、熱を外部に放出するコンバインドサイクルの唯一のヒートシンクの機能を実行することを意味する。
2)構成要素ブレイトンサイクルの再生。本発明は、構成ブレイトンのための斬新な「再生」方法である。この方法に従って、「ヒートポンプ」UAX(200)によって伝達された熱エネルギーを用いて、パワーサイクルの一部の蒸気は再生される。
3)構成要素ブレイトンサイクルにおける圧縮の機械的仕事の削減。パワーサイクルでは、UAX(200)は、蒸気を圧縮するのと同等の効果を実現する。これは、ヒートポンプによって実行される熱エネルギーの伝達プロセスが、周囲圧力での(「コールドリザーバー」によって吸着された熱を使用した)蒸気の凝縮を意味するためである。さらに、同じサイクルの別の箇所で、後で再びより高い圧力で(「ホットリザーバー」によって放出された熱で)蒸気を生成する。
4)環境への影響の低減。本発明において、二酸化炭素の隔離のプロセスは、コンバインドサイクル自体の機能が、コンバインドサイクルの特定の箇所、すなわち、要素(107)でこの燃焼生成ガスを処分するという点からして、本質的に行われるものである。ヒートポンプUAX(200)を本発明のセミクローズドコンバインドサイクルに統合することにより、熱流体(水)の完全な凝縮が達成され、CO2のみが解放される。この方法により、本発明のコンバインドサイクルは、燃焼から直接大気中にいかなる種類のガスも放出しない。
構成1
性能をうまく最大化するために、本発明のコンバインドサイクルが一連の追加の機器を利用することが必要である。
図2に示される構成2に対応する追加の実施形態による本発明の装置は、下記の特徴を有する:
-この装置は、パワーサイクルの残りの部分とは独立して、それ自体の熱流体を使用する独立した二次ランキンサイクルを含む。
-熱回収導管CRC(103)は、大気圧を超える圧力で動作する。
-蒸気の凝縮は、ガスの温度がより低いCRC(103)の最後のセクションで発生する。
図3に示される、構成3に対応する追加の実施形態による本発明の装置は、下記を特徴とする。
-この装置は、パワーサイクルの残りの部分とは独立して、それ自身の熱流体を使用する二次ランキンサイクルを含む。
-熱回収導管CRC(103)は周囲圧力で動作する。
-独立した凝縮液導管(105)がその目的のために提供されない限り、CRC(103)には蒸気の凝縮はない。
-この装置は、CRC(103)からガスを抽出し、凝縮液導管(105)がCRC(103)からの出力よりも高い圧力で作動するように、そのガスを圧縮するファン(104)を含む。
図4に示される、構成4に対応する追加の実施形態による本発明の装置は、下記の特徴を有する:
-この装置は、残りのパワーサイクルに共通の熱流体を使用する二次ランキンサイクルを含む。
-二次ランキンサイクルはエコノマイザー 、蒸発器または過熱器を持たない。
-タービンTBP(127)に送られる熱は、熱回収導管CRC(103)から抽出されることによって直接取得される。
-二次ランキンサイクルから得られた凝縮液は、コンバインドサイクルの残りの部分への給水として直接使用される。
追加の代替案によれば、要素(112)で生成されたこの蒸気は、二次ランキンサイクルに運ばれ、最終的にタービンTBP(127)で膨張することができる。
-コンバインドサイクルへのエネルギーの唯一の可能な入口点としての熱源(101)および(132)。
-シンク(128)を介して失われる熱、パワーシャフト(130)から得られる正味の機械的仕事、および「コージェネレーション」のために得られる有用な熱といった、不可避な実際の損失に加えて、エネルギーがサイクルを離れる箇所。
燃料からの熱エネルギーから有用エネルギーを生成する、この発明による装置の最大理論性能は、本方法を使用して、非常に簡単でおおよその推定が可能である。
-この装置によって生成される「有用エネルギー」は、要素(133)による「コージェネレーション」の形でサイクルの外部で使用するためにCRC(103)から取得された熱と、そのパワーシャフト(130)を介してコンバインドサイクルから発生する正味の機械的仕事との合計と見なされる。
-「実際の損失」はなく、かつ、コンバインドサイクルはヒートシンクの機能を実行する凝縮器(128)を介してのみ熱エネルギーを失うと見なされる。
-戻りライン内での凝縮液の1キロについて、計算を行うと:
-「X」は、特定の燃料。真空凝縮器(128)の後にサイクルに戻る「戻り凝縮液」1kgごとに燃焼した燃料のkg数を示す。
-「PCS」は、H2の高位発熱量。その値は、142,200kj/kgと考えられる。
-「PCI」は、H2の低位発熱量。その値は、120,240kj/kgと考えられる。
PCSH2O=15,800kj/kg生成H2O
PCIH2O=13,360kj/kg生成H2O
ΔHVC=PCSH2O-PCIH2O=2440kj/kgH2O
MV=1+X(kgH2O)
損失エネルギー=MV*ΔHVC=(1+X)*ΔHVC
=(1+X)*(PCSH2O-PCIH2O)
損失エネルギー=(1+X)*2440KJ/KGH2O
有用エネルギー=燃焼エネルギー-シンク(128)で除去される熱
有用エネルギー(KJ/KGH2O)
=(X*PCSH2O)-2440*(1+X)
=(X*PCSH2O-2440)-2440
有用エネルギー(KJ/KGH2O)=(X*PCIH2O)-2440
Claims (27)
- 水を熱流体として使用するクローズドまたはセミクローズドの再生の構成要素であるブレイトンサイクルを実行する手段と、
前記ブレイトンサイクルと相互接続された、構成要素である基本のランキンサイクルである少なくとも1つのランキンサイクルを実行する手段と、
前記ブレイトンサイクルを再生する閉回路を構成するヒートポンプ(UAX)と、
を少なくとも含み、
前記ブレイトンサイクルと前記基本のランキンサイクルは一体的に機能するものであり、両者は、共通の熱流体として水を使い物質を交換し、また、エネルギーを交換するものであり、
前記ブレイトンサイクルと前記基本のランキンサイクルを実行するための手段は、
必須熱源(101)であって、熱交換器と、
酸素燃焼バーナーと、から選択されるものであり、
前記ブレイトンサイクルと前記基本のランキンサイクルの2つのサイクルからの流れが合流するものである必須熱源(101)と、
要素(107)であって、
1つの簡単な段階で蒸気を凝縮し、ヒートポンプUAXのコールドリザーバー(201)にエネルギーを伝達する再生凝縮器(107)と、
相互接続されたブレイトン‐ランキンサイクルのパワーシャフト(130)から仕事を受け取り、複数の段階でガスを凝縮し、連続する圧縮段階で放出された熱を排他的にヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバー(201)に伝達する、CO2液化プラントと、
から選択される要素(107)と、
リボイラー(113)であって、
ヒートポンプUAXのホットリザーバー(210)からパワーサイクルに熱が戻されるためのリボイラー(113)と、
再生凝縮液ポンプ(111)であって、
再生凝縮器(107)の底部で得られた凝縮液を圧送し、リボイラー(113)に向かって流す、前記ブレイトンサイクルに属する再生凝縮液ポンプ(111)と、
熱回収導管(103)であって、
高温タービンTAT(102)からの排気ガスから熱を回収するものであり、水蒸気が生成されるための熱回収導管(103)と、
少なくとも2つのタービンであって、
水蒸気を必須熱源(101)に送る前記基本のランキンサイクルに属する高圧タービンTAP(122)と、蒸気を熱回収導管(103)に送る相互接続されたブレイトン‐ランキンサイクルの高温タービンTAT(102)との、少なくとも2つのタービンと、
少なくとも一つの共通のパワーシャフト(130)であって、ヒートポンプUAXに機械的エネルギーを伝達するためのパワーシャフト(130)と、
前記基本のランキンサイクルに属し、熱回収導管(103)の底部でのまたはその後の蒸気の凝縮により、パワーサイクルが失われた熱を外部環境に伝達するための任意の機器、デバイス、またはシステムと見なされるヒートシンク(128)と、
ヒートシンク(128)によって生成された凝縮液を凝縮液戻り予熱器(110)に循環させるための凝縮液戻りポンプ(109)と、
前記基本のランキンサイクルに給水するための給水ポンプ(119)と、
蒸気発生器であって、前記基本のランキンサイクルに属するエコノマイザーコイル(120)と、
熱回収導管(103)内にある、前記基本のランキンサイクルに属する水蒸気用の蒸発器及び過熱器(121)と、
からなる、前記基本のランキンサイクル用の蒸気発生器と、
凝縮熱交換器要素(106)であって、
蒸気とガスが再生凝縮器(107)に入る前において、凝縮液戻り予熱器(110)に熱を伝達する、凝縮熱交換器要素(106)と、
凝縮熱交換器要素(114)であって、
リボイラー(113)の出口に設けられて、熱を要素(112)に伝達するものであり、
前記要素(112)は、
リボイラー(113)自体への取水を予熱することに加えて、前記ポンプ(119)への給水を加熱し、
圧縮機(115)、および/または
過熱器(136)でその温度が上昇された後にタービン(137)に導かれる蒸気を生成する熱回収交換器(112)である、凝縮熱交換器要素(114)と、
再生凝縮液ポンプ(111)の圧送ラインと給水ポンプ(119)の吸引端との間に位置する、前記ブレイトンサイクルと前記基本のランキンサイクルを相互接続するバイパスラインと、
をさらに含む、コンバインドパワーサイクルを実行して機械的エネルギーを生成するための装置。 - 前記ブレイトンサイクルがセミクローズドであり、酸素燃焼およびCO 2 の本質的回収の機能を有する、
請求項1に記載のエネルギーを生成するための装置。 - 炭素含有燃料が使用される場合、パワーサイクルがセミクローズドであり、酸素燃焼を採用し、
要素(107)に位置し、燃焼で生成されたCO2のための出口と、
前記熱回収導管(CRC)(103)の底部からの凝縮液戻りラインにおける燃焼によって生成された液体水のための出口と、
を含む、請求項1または請求項2に記載のエネルギーを生成するための装置。 - 燃料として水素のみを使用する場合に、パワーサイクルがクローズドまたはセミクローズドであり、酸素燃焼を採用し、ヒートシンクが、パワーサイクルの残りの流体と同じ流体を有する二次ランキンサイクルで構成され、凝縮液戻りポンプ(109)の圧送ラインおよび熱回収導管CRC(103)につながるラインを通じて装置と相互接続される、請求項1から3のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。
- 最終過熱器(121)とタービン(122)との間に位置し、追加の熱を供給するための要素(132)を含む、請求項1乃至4のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。
- 必須熱源(101)の蒸気入口の前に、交換器要素(114)の蒸気出口に位置し、直列に接続された1つの蒸気圧縮機(115)または複数の蒸気圧縮機(117)をさらに含む、請求項1乃至5のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。
- 直列に接続された圧縮機(115)および(117)の間の蒸気冷却用交換器(116/118)をさらに含む、請求項1乃至6のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。
- 凝縮交換器要素(114)の底部からの凝縮液ラインにおいて、凝縮液の一部がリボイラー自体にも送られるリボイラー(113)への戻りラインをさらに含む、
請求項1乃至7のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - すべての産業用途での外部使用を目的とした有用な熱エネルギーを抽出するために、熱回収導管(103)内に設けられたコージェネレーション用の熱交換器要素(133)をさらに含む、請求項1乃至8のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。
- タービンTAP(122)から抽出された蒸気を受け取る蒸気再熱器(134)、および
CRC(103)の最後のセクションのいくつかの個所でその出口蒸気が注入される、補助タービンTPI(135)、
によって形成される「補助熱リリーフシステム」をさらに含む、
請求項1乃至9のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - 熱回収導管CRC(103)から出口蒸気を取り出して圧縮して、独立した二次ランキンサイクルの蒸発器(125)のコンポーネントセクションを少なくとも1つ収容している凝縮交換器(105)に送る、ファン(104)
をさらに含む、
請求項1乃至10のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - シェルサイド(108)で導管(105)からの凝縮液が冷却され、独立した二次ランキンサイクルのエコノマイザー(124)が内部に収容されている、熱交換器(108/124)
をさらに含む、
請求項1乃至11のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - ヒートポンプUAX(200)が、
要素(107)とのみ熱を交換し、コールドリザーバーとして機能する、ガス状アンモニアの主発生器(201)、
アンモニア吸着器(210)から液相を受け取り、アンモニア蒸気をいくつかの圧縮機(203)に送り、残りのアンモニア溶液を主発生器(201)に送る、二次発生器(202)、
直列に接続され、その間で冷却が行われ、主発生器(201)および二次発生器(202)からアンモニアを受け取る、少なくとも2つのアンモニア圧縮機(203)、
超臨界アンモニア蒸発器(209)で圧縮および冷却されたアンモニアを受け取り、熱を二次発生器(202)に伝達する、圧縮アンモニア凝縮器(207)、
超臨界アンモニア蒸発器(209)、
アンモニア凝縮液を、アンモニア蒸気を超臨界圧で生成するアンモニア蒸発器(209)に送る、圧縮アンモニア凝縮器(207)からのアンモニア凝縮液用のポンプ(208)、
超臨界アンモニア蒸発器(209)から蒸気を受け取り、水相に溶解するアンモニア吸着器(210)、および
希アンモニア溶液を主発生器(201)から吸着器(210)に移送する移送ポンプ(215)、
を含む、請求項1乃至12のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - ヒートポンプがさらに、
主発生器(201)からの希アンモニア溶液と、吸着器(210)からの濃アンモニア溶液との間の熱交換器(213/214)、
吸着器(210)からの濃アンモニア溶液に含まれる熱を利用して、超臨界アンモニアを生成する、アンモニア蒸発器(209)内に収容されたコイル(211)、
超臨界アンモニア蒸発器(209)に熱を供給する、圧縮機(203)からの圧縮アンモニア用の冷却コイル(206)、
を含む、請求項1乃至13のいずれか1つに記載のエネルギーを生成するための装置。 - 前記請求項1から14のいずれかに記載の装置によるコンバインドサイクルに基づいてエネルギーを生成し、
熱流体として水を循環させ、高温タービンTAT(102)で機械的エネルギーを生成し、ヒートポンプ(UAX)の作用によって再生される、クローズドの、または酸素燃焼に基づく構成要素であるブレイトンサイクルを実行すること、
両方とも共通の熱流体として水を使用するため、前記ブレイトンサイクルと物質とエネルギーを交換し、タービンTAP(122)で機械的エネルギーを生成する、前記ブレイトンサイクルと相互接続された基本のランキンサイクルを実行すること、
前記ブレイトンサイクルとエネルギーを交換して再生し、特定の圧縮機(203)の中の機械的エネルギーを吸収する、ヒートポンプUAX(200)を使用すること、
を含む方法。 - 再生凝縮器(107)を循環する水蒸気が、ヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバーに伝達された熱で完全に凝縮し、サイクルが水素以外の燃料を使用する場合、ガス状の残留物として非凝縮性CO2のみを残す、請求項15に記載の方法。
- 再生凝縮器(107)内で、
周囲圧力で水蒸気を凝縮し、得られた熱をヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバー(201)に伝達する、または
水蒸気およびCO2を凝縮し、得られた熱をヒートポンプUAX(200)のコールドリザーバー(201)に伝達すること、および
ヒートポンプUAX(200)のホットリザーバー(210)によって提供される熱を使用して、リボイラー(113)内で水蒸気を要素(107)で凝縮した圧力よりも高い圧力で再生すること、
を含む請求項15から16のいずれか1つに記載の方法。 - 構成要素であるブレイトンサイクルの再生が、ヒートポンプUAX(200)の作用によって行われ、蒸気凝縮熱をコールドリザーバーの温度で再循環してから、ホットリザーバーを使用してサイクルに戻し、前に凝縮されたときよりも高い圧力と温度で水蒸気を再生する、請求項15から17のいずれか1つに記載の方法。
- セミクローズドサイクルの場合は加圧バーナーであり、またはクローズドサイクルの場合は熱交換器である、から選択される必須熱源(101)からエネルギーを供給すること、
を含む請求項15から18のいずれか1つに記載の方法。 - 独立した二次ランキンサイクルの凝縮器(128)がヒートシンクの機能を実行する、請求項15に記載の方法。
- タービンTAT(102)の出口からの残りの熱を使用して、前記基本のランキンサイクルの過熱蒸気を生成する、熱回収導管(103)を使用することを含む、請求項15から20のいずれか1つに記載の方法。
- 酸素燃焼コンバインドサイクルを実行することを含み、一般式CxHyOz(x、yおよびzは、酸素で燃焼できる実際の化合物に対応する値を取る)の純粋または混合形態の液体または気体燃料を使用する、
請求項15から21のいずれか1つに記載の方法。 - タービンTAP(122)からの出口蒸気の抽出が実行されて、CRC(103)に入る熱の量を低減するために、再熱器(134)およびタービンTPI(135)で構成された「補助熱リリーフシステム」によって、熱源(101)、または熱源(101)および(132)に向かって入る蒸気の量を低減することを含む、請求項15から22のいずれか1つに記載の方法。
- 要素(112)によって、リボイラー(113)に入る水を、要素(114)で起こる蒸気の凝縮からの熱で予熱することを含む、請求項15から23のいずれか1つに記載の方法。
- カスケード接続され、中間で冷却が行われ、蒸気を必須熱源(101)に送るのに十分な圧力を供給することのできる追加の機械式圧縮機(115)および(117)を使用して、要素(112)によって供給される蒸気の圧力と、リボイラー(113)からの、凝縮交換器要素(114)から流れる蒸気の圧力とを上げることを含む、請求項15から24のいずれか1つに記載の方法。
- コンバインドパワーサイクルがクローズドサイクルとして実行され、または水素のみを燃料とする場合、熱回収導管CRC(103)から、凝縮液が給水として構成要素である基本ランキンサイクルに戻されるヒートシンク(128)によって提供された真空条件下で動作する二次ランキンサイクルのタービンTBP(127)に蒸気を直接送ること、
を含む請求項15から17のいずれか1つに記載の方法。 - 導管(103)からの出口ガスを吸引し、ファン(104)を使用して圧縮し、凝縮熱交換器要素(105)に送ることで、二次ランキンサイクルの蒸発器(125)で蒸気を発生することを含む、請求項15から26のいずれか1つに記載の方法。
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