電力を生成するためのシステム及び方法

本開示は、全体的に、電力を生成するためのシステム及び方法に関し、より詳細には、サーマルポンプに結合されたターボ膨張器を用いて電力を生成するためのシステム及び方法に関する。

典型的な発電用途において、Rankineサイクルを用いた発電プラントは、加圧液体を復水器からボイラ又は熱交換器に送給するのにポンプを利用している。熱交換器は、液体を気体(ガス)に蒸発させるのに使用される。更に、ターボ膨張器が熱交換器に結合され、ガスを受け取って膨張させ、電力を生成するための発電機を駆動する。熱交換器に加圧液体を送給するのに使用されるポンプは、発電機から生成された電力の相当な部分を消費する。これにより発電プラントの全体効率がかなり低下する。

従って、発電プラントの効率を向上させる改善されたシステム及び方法に対する必要性がある。

米国特許第8061139号明細書

本発明の1つの例示的な実施形態によれば、電力を生成するためのシステムが開示される。本システムは、バッファチャンバ及び流体源に結合されたサーマルポンプを含む。サーマルポンプは、流体源から第1のバルブを通って第1の流体を受け取る第1のチャンネルを含む。更に、サーマルポンプは、第2のバルブを通じて第2の流体を循環させる第2のチャンネルを含む。第2の流体は、一定容積の第1の流体で熱交換関係で循環されて第1の流体を加熱し、加圧ガスを発生させる。サーマルポンプは更に、チェックバルブを通じてバッファチャンバに加圧ガスの一部を排出するための第3のチャンネルを含む。更に、サーマルポンプは、第3のバルブを通じて加圧ガスの追加の部分を排出するための第4のチャンネルを含む。本システムは更に、サーマルポンプから加圧ガスの追加の部分を受け取って膨張させるターボ膨張器を含む。更に、本システムは、ターボ膨張器に結合されて電力を生成するように構成された発電機を含む。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、電力を生成する方法が開示される。本方法は、サーマルポンプと流体源との間に温度平衡状態が確立されるまで、流体源から第1のバルブ及び第1のチャンネルを通ってサーマルポンプまでの第1の流体を受け取るステップを含む。更に、本方法は、サーマルポンプの第2のチャンネル及び第2のバルブを通って第2の流体を循環させ、該第2の流体が第1の流体と熱交換関係で循環されて一定容積の第1の流体を加熱して加圧ガスを発生させるステップを含む。また、本方法は、サーマルポンプとバッファチャンバとの間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで、第3のチャンネル及びチェックバルブを介して加圧ガスの一部をサーマルポンプからバッファチャンバに排出するステップを含む。更に、本方法は、流体源とターボ膨張器の入口との間で第2の圧力平衡状態が確立されるまで、加圧ガスの追加の部分をサーマルポンプからターボ膨張器に排出するステップを含む。また、本方法は、加圧ガスの追加の部分を膨張させて発電機を駆動し、電力を生成するステップを含む。

本発明の更に別の例示的な実施形態によれば、電力を生成するためのシステムが開示される。本システムは、復水器に結合された主ターボ膨張器を含み、該復水器は、主ターボ膨張器から送給されるガスを凝縮して凝縮液体を生成する。更に、本システムは、液体ポンプを介して復水器に結合されたサーマルポンプを含み、該サーマルポンプの第1のチャンネルへの液体を受け取るようにする。更に、サーマルポンプは、主ターボ膨張器からのガスの一部を液体と熱交換関係で循環させ、一定容積の液体を蒸発させて加圧ガスを生成する第2のチャンネルを含む。更に、サーマルポンプは、チェックバルブを通ってバッファチャンバに加圧ガスの一部を排出する第3のチャンネルを含む。更に、サーマルポンプは、第3のバルブを通って加圧ガスの追加の部分を排出する第4のチャンネルを含む。本システムは更に、第4のチャンネルを介して前記サーマルポンプに結合され、加圧ガスの追加の部分を受け取って膨張させる補助ターボ膨張器を含む。更に、本システムは、補助ターボ膨張器に結合されて電力を生成する第1の発電機を含む。

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。

本発明のシステムの1つの実施形態による、例えば電力を生成するのに用いるか又はバッファチャンバに貯蔵してRankineサイクルシステムで利用できる加圧ガスを発生させるための例示的なシステムの概略図。

本発明の1つの実施形態による、サーマルポンプ及びターボ膨張器に結合された発電機を用いて電力を生成する例示的な方法を示すフロー図。

本発明のシステムの例示的な実施形態による、ターボ膨張器と結合されたサーマルポンプを有する例示的なRankineシステムのブロック図。

本発明のシステムの例示的な実施形態による、並列配列で配置された複数のサーマルポンプを有するシステムの概略図。

本発明のシステムの例示的な実施形態による、直列配列で配置された複数のサーマルポンプを有するシステムの概略図。

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。従って、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。

本明細書の実施形態は、サーマルポンプに結合されたターボ膨張器を用いて電力を生成するためのシステムを開示している。本システムは、第1の流体を受けるための第1のチャンネルと、第1の流体と熱交換関係で第2の流体を循環させ、第1の流体を加熱して加圧ガスを発生させるための第2のチャンネルとを有するサーマルポンプを含む。本システムは更に、サーマルポンプに結合されて、該サーマルポンプから加圧ガスの一部を受けるためのバッファチャンバを含む。本システムは更に、サーマルポンプに結合されて、該サーマルポンプから加圧ガスの追加の部分を受け、発電機を駆動して電力を生成するためのターボ膨張器を含む。

サーマルポンプ、流体源、バッファチャンバ及び他の要素の1以上の状態を検知するのにセンサが使用される。本明細書で使用される場合、使用されるセンサは、圧力トランスデューサ、熱電対及び目的とする状態を検知できる他の汎用センサなどのデバイスを指す。これらのセンサは、検知した状態を示す信号を出力するのに使用される。加えて、サーマルポンプ、ターボ膨張器、バッファチャンバ及び他の要素間の流れを制御するのに制御装置が使用される。本明細書で使用される場合、制御装置は、液体及び気体の流れを制御するバルブ、すなわちチェックバルブのような装置を意味する。一部の場合において、制御装置は迅速に開閉を行うことができるが、他の状況では、制御装置は流れを調節することができる。一部の実施例において、制御装置は、所定の値で作動するよう設定され、他の実施例では、制御装置は、制御ユニットを用いて動的に制御される。制御ユニットは、制御装置を動的に制御するようユーザが1以上の条件を定めることを可能にするプログラマブルインタフェースを含む。各制御装置を作動させる条件は、非一時的なコンピュータ可読媒体においてプログラムされる。

より具体的には、本システムの特定の実施形態は、サーマルポンプ、並びにサーマルポンプからの加圧ガスを用いて電力を生成するための典型的なRankineシステムにおけるサーマルポンプの種々の構成に関する。Rankineシステムにおいて構成されたサーマルポンプは、凝縮液を加熱して加圧ガスを生成するのに使用され、該加圧ガスは、ターボ膨張器において膨張させて発電機を駆動し、電力を生成するのに用いることができる。

図1は、加圧ガスを生成するための例示的なシステム100の概略図であり、該加圧ガスは、電力を生成するのに用いることができ、或いは、例えばRankineサイクルシステムにおいて更に利用するために、バッファチャンバ118内に貯蔵することができる。図示の実施形態では、システム100は、サーマルポンプ102、流体源104、第1のバルブ108、第2のバルブ112、チェックバルブ120、バッファチャンバ118、第3のバルブ128、ターボ膨張器130及び発電機132を含む。本システムは更に、制御ユニット146、ポンプ136(本明細書では一般に「圧縮装置」とも呼ばれる)及び熱交換器124を含む。

流体源104(本明細書では「第1の流体源」とも呼ばれる)は、サーマルポンプ102及び任意選択的にポンプ136に結合される。流体源104は、第1の流体をサーマルポンプ102に送給するのに使用される。特定の実施形態では、第1の流体の一部はまた、本明細書で考察される特定の作動条件に応じて、バルブ107を介してポンプ136に送給することができる。一実施形態では、第1のバルブ108及びバルブ107は、流体ポンプ(図1には示していない)を介して第1の流体源104に結合することができる。第1の流体源104からの第1の流体は、液体媒体又は気体媒体とすることができる。一実施形態では、流体源104は復水器である。サーマルポンプ102は、流体源104から第1のバルブ108を通って第1の流体を受け取るための第1のチャンネル106を含む。流体ポンプは、第1の流体を流体源104からサーマルポンプ102に送給し、第1の流体の一部をポンプ136に送給するのに用いることができる。別の実施形態では、第1の流体を流体源104からサーマルポンプ102に送給し、第1の流体の一部をポンプ136に送給するのに重力を利用してもよい。

一実施形態では、第1のバルブ108は、サーマルポンプ102の所定の温度に基づいて開放され、第1のチャンネル106を通る第1の流体の流れを開始する。第1のバルブ108の開放を引き起こすサーマルポンプ102の所定の温度は、用途及び設計基準に応じて変わることができる。一部の実施形態では、所定の温度は、用途に応じて動的に変えることができる。第1のバルブ108は、開放されて第1のチャンネル106を通じて第1の流体の流れを提供し、該第1の流体がサーマルポンプ102に充填されるようにする。一実施形態では、第1のバルブ108は、サーマルポンプ102と流体源104との間で温度平衡状態が確立されるまで、開放状態で第1の流体をサーマルポンプ102に提供するよう維持される。一実施形態では、第1のバルブ108は、サーマルポンプ102と流体源104との間で温度平衡状態が確立されると閉鎖される。図示の実施形態では、温度センサ164がサーマルポンプ102に結合され、サーマルポンプ102の温度を検知するのに使用される。同様に、別の温度センサ172が第1の流体源104に結合され、第1の流体源104の温度を検知するのに使用される。温度センサ164は、サーマルポンプ102の温度を表す信号166を制御ユニット146に出力する。同様に、温度センサ172は、流体源104の温度を表す信号174を制御ユニット146に出力する。このような実施形態では、制御ユニット146は、信号166,174に基づいて第1のバルブ108の開放及び閉鎖を制御する制御信号152を出力し、サーマルポンプ102の第1のチャンネル106を通って第1の流体の流れを可能にするようにする。温度平衡状態は、サーマルポンプ102及び流体源104の温度がほぼ同じである状態を指す点に留意されたい。特定の実施例において、第1の流体の温度平衡状態は、約300°Fであり、第1のバルブ108が第1の流体の流れを可能にするサーマルポンプ102の所定の温度は、約600°Fである。図示の実施形態では、第2の流体が第2の流体源135から受け取られる。別の実施形態では、第2の流体は、ターボ膨張器130に結合されたチャンネル134から受け取ることもできる。第2の流体は、液体媒体又は気体媒体とすることができる。一実施形態では、第2のバルブ112は、第2の流体を第2のチャンネル110を介して復水器133に排出する前に、第2の流体源135からの第2の流体の流れを制御する。別の実施形態では、第2のバルブ112は、第2の流体を第2のチャンネル110を介して第1の流体源104に排出する前に、第2の流体源135からの第2の流体の流れを制御する。

ある実施例では、第1のバルブ108の閉鎖に基づいて、又はサーマルポンプ102と第1の流体源104との間の温度平衡状態への到達に基づいて、第2のバルブ112が開放され、第2のチャンネル110を通る第2の流体の流れを開始する。第2の流体源からの第2の流体は、第1の流体源104からの第1の流体と熱交換関係で循環され、サーマルポンプ102において第1の流体を加熱する。ある実施例では、第1の流体は、一定容積の第1の流体で加熱され、所定の圧力に達する加圧ガスを生成する。サーマルポンプ102における所定の圧力は、バッファチャンバ118における圧力よりも大きいはずである。

図示の実施形態では、制御ユニット146は、信号166,174に基づいて第2のチャンネル110を通る第2の流体の循環を開始する。制御ユニット146は、信号166,174に基づいて第1の流体源104とサーマルポンプ102との間の温度平衡状態を判定する。例えば、図示の実施形態では、圧力センサ168は、サーマルポンプ102に結合され、サーマルポンプ102における圧力を検知するのに使用される。圧力センサ168は、サーマルポンプ102における圧力を表す信号170を制御ユニット146に出力する。このような実施形態では、制御ユニット146は、信号170に基づいて第2のバルブ112の閉鎖を制御する制御信号154を出力し、サーマルポンプ102における加圧ガスが所定の圧力に達したときに、サーマルポンプ102の第2のチャンネル110を通る第2の流体の循環を停止するようにする。第2のバルブ112の閉鎖を引き起こす所定の圧力は、用途及び設計基準に応じて変わることができる。所定の圧力は、用途に応じて動的に変えることができる。特定の実施形態では、バッファチャンバ118において所定の圧力は、約20バールである。

更に、サーマルポンプ102は、チェックバルブ120を介してバッファチャンバ118に結合される。チェックバルブ120は、サーマルポンプ102からバッファチャンバ118への加圧ガスの一部の排出を制御するのに使用される。この実施例において、チェックバルブ120が開放されて、サーマルポンプ102の第3のチャンネル116を通ってバッファチャンバ118内への加圧ガスの一部の排出を開始する。一実施形態では、チェックバルブ120は、加圧ガスがサーマルポンプ102における所定の圧力に達するのに基づいて、バッファチャンバ118に加圧ガスの一部を排出するよう開放される。この実施例において、第3のチャンネル116を通る加圧ガスの排出は、サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで維持される。この実施例において、チェックバルブ120は、サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間に第1の圧力平衡状態が確立されたときに閉鎖される。図示の実施形態では、圧力センサ176は、バッファチャンバ118に結合され、バッファチャンバ118における圧力を検知するのに使用される。圧力センサ176は、バッファチャンバ118における圧力を表す信号178を制御ユニット146に出力する。このような実施形態では、制御ユニット146は、信号170,178に基づいてチェックバルブ120の閉鎖を制御するよう制御信号156を出力し、サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間に第1の圧力平衡状態が確立されたときに、バッファチャンバ118への加圧ガスの一部の排出を停止するようにする。制御ユニット146は、信号170,178に基づいてサーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間の第1の圧力平衡状態を判定する。本明細書では、第1の圧力平衡状態とは、サーマルポンプ102及びバッファチャンバ118における圧力が同じである状態を指す点に留意されたい。特定の実施形態では、第1の圧力平衡状態は、約10バールに等しいとすることができる。別の特定の実施形態では、第1の圧力平衡状態は、約10〜20バールの範囲にあるものとすることができる。この実施例におけるチェックバルブ120は、一方向バルブであり、バッファチャンバ118からサーマルポンプ102への加圧ガスの逆方向の流れを許容するものではない。

サーマルポンプ102は更に、第3のバルブ128を介してターボ膨張器に結合される。第3のバルブ128は、サーマルポンプ102からターボ膨張器130に加圧ガスの追加の部分の排出を制御するのに使用される。この実施例では、第3のバルブ128は、サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間の第1の圧力平衡状態の確立時にガスの追加の部分を排出するために開放される。この実施例では、第3のバルブ128は、サーマルポンプ102の第4のチャンネル126を通りターボ膨張器130の入口182を介して加圧ガスの追加の部分を排出するために開放される。第3のバルブ128は、流体源104とターボ膨張器130の入口182との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまでガスの追加の部分の流れを維持するために開放される。この実施例では、第3のバルブ128は、流体源104とターボ膨張器130の入口182との間に第2の圧力平衡状態が確立されたときに閉鎖される。この実施例では、バイパスチャンネル190が、第4のチャンネル126からチャンネル134に延びて、ターボ膨張器130をバイパスする。バイパスチャンネル190は、第4のバルブ188を備える。第4のバルブ188は、バイパスチャンネル190を介してサーマルポンプ102から流体源104に加圧ガスの追加の部分の少なくとも一部の排出を制御するのに使用される。第4のバルブ188は、第2の圧力平衡状態及び第3のバルブ128の閉鎖に基づいて開放される。第4のバルブ188は、サーマルポンプ102の空状態に基づいて閉鎖される。別の実施形態では、第4のバルブ188は、サーマルポンプ102の温度が所定の温度に到達したときに閉鎖される。更に、第1のバルブ108は、流体源104からサーマルポンプ102への第1の流体の流れを可能にするために開放される。必要に応じてこの一連の流れが繰り返される。図示の実施形態では、圧力センサ180は、ターボ膨張器130の入口182に結合されて、サーマルポンプ102からターボ膨張器130に送給されるガスの圧力を検知する。同様に、圧力センサ192は、流体源104に結合されて、流体源104における第1の流体の圧力を検知する。圧力センサ180は、ターボ膨張器130に送給されるガスの圧力を表す信号184を出力する。同様に、圧力センサ192は、流体源104における第1の流体の圧力を表す信号194を出力する。このような実施形態では、制御ユニット146は、信号184,194に基づいて第3のバルブ128の閉鎖を制御する制御信号158を出力し、流体源104とターボ膨張器130の入口182との間に第2の圧力平衡状態が確立されたときに、ターボ膨張器130への加圧ガスの追加の部分の排出を停止するようにする。制御ユニット146は、信号184,194に基づいて流体源104とターボ膨張器130の入口182との間の第2の圧力平衡状態を判定する。更に、制御ユニット146は、信号184,194に基づいて第4のバルブ188の開放を制御する制御信号186を出力する。制御ユニット146は、サーマルポンプの空状態に基づいて第4のバルブ188の閉鎖を制御する制御信号186を出力する。別の実施形態では、制御ユニット146は、サーマルポンプ102の温度を表す信号174に基づいて第4のバルブ188の閉鎖を制御する制御信号186を出力する。

図示の実施形態では、ターボ膨張器130は、サーマルポンプ102、発電機132及び流体源104に動作可能に結合される。ターボ膨張器130は、サーマルポンプ102の第4のチャンネル126から加圧ガスの追加の部分を受け取り、加圧ガスの受け取った追加の部分を膨張させて発電機132を駆動し、電力を生成するようにする。図示の実施形態では、膨張ガスは、ターボ膨張器130からチャンネル134を介して流体源104に排出される。

図示の実施形態では、バッファチャンバ118を用いて、加圧ガスの一部を貯蔵し、一例ではバルブ122を介して一定の流量にある加圧ガスの一部を熱交換器124(例えば、ボイラ用)に送給する。このような一例において、加圧ガスの一定の流量は、質量流量計(図1には示していない)を用いることにより維持することができる。バルブ122は、バッファチャンバから熱交換器124への加圧ガスの一部の流れを制御する。図示の実施形態では、ポンプ136は、流体源104及びバッファチャンバ118に動作可能に結合される。ポンプ136は、バルブ107を通って流体源104から第1の流体の一部を受け取り、次いで、第1の流体の一部を加圧することができる。図示の実施形態では、センサ139を用いて、第1の流体の加圧部分の媒体を検知し、また、第1の流体の加圧部分の媒体を表す信号148を出力する。一実施形態では、制御ユニット146は、制御信号162を出力し、加圧装置136からチャンネル142を介してバッファチャンバ118に第1の流体の加圧部分を排出するようバルブ140を制御する。このような実施形態では、第1の流体の加圧部分は、気体媒体である。特定の実施形態では、第1の流体の加圧部分の圧力は、10〜20バールの範囲とすることができる。別の実施形態では、制御ユニット146は、制御信号162を出力し、加圧装置136からチャンネル144を介して熱交換器124に第1の流体の加圧部分を排出するようバルブ140を制御する。このような実施形態では、第1の流体の加圧部分は、液体媒体である。ポンプ136は、システム100の始動状態、シャットダウン状態及び過渡状態などの特定の運転状態中に作動することができる。図示の実施形態では、センサ123を用いて、システム100の運転状態を検知し、また、システム100の運転状態を表す信号150を制御ユニット146に出力する。このような実施形態では、制御ユニット146は、制御信号160を出力してバルブ107の開閉を制御し、信号150に基づいて流体源104からポンプ136に第1の流体の一部の流れを可能にする。

一実施形態では、制御ユニット146は、汎用のプロセッサ又は埋め込みシステムとすることができる。制御ユニット146は、キーボード又は制御パネルなどの入力装置又はプログラム可能インタフェースを通じたユーザからの入力を用いて構成することができる。制御ユニット146のメモリモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(ROM)、フラッシュメモリ、又は制御ユニット146がアクセス可能な他のタイプのコンピュータ可読メモリとすることができる。制御ユニット146のメモリモジュールは、バルブ又はチェックバルブが作動可能に定義される種々の条件に基づいて該バルブ又はチェックバルブを制御するプログラムでエンコードすることができる。

図2は、サーマルポンプ及びターボ膨張器に結合された発電機を用いて電力を生成するための例示的な方法200を示すフロー図である。方法200は、図1のシステム100と連動して説明される。

第1のバルブ108が開放され(204)、206で示されるように、第1の流体が流体源104からサーマルポンプ102に流れる。第1のバルブ108は、サーマルポンプ102と流体源104との間に温度平衡状態が確立されるまで「開放状態」で維持される。特定の実施形態では、サーマルポンプ102の所定の温度に基づいて、第1のバルブ108が開放され、サーマルポンプ102の第1のチャンネル106への第1の流体の流れを開始する。208で示されるように、サーマルポンプ102と流体源104との間に温度平衡状態が確立されると、第1のバルブ108が閉鎖される。このような実施形態では、制御ユニット146を用いて第1のバルブ108の開閉を制御し、第1の流体がサーマルポンプ102の第1のチャンネル106を通って流れることを可能にする。

210で示されるように、第1のバルブ108が閉鎖されると、第2のバルブ112が開放され、サーマルポンプ102の第2のチャンネル110を通って第2の流体を循環させる。別の実施形態では、第2のバルブ112が開放され、温度平衡状態の確立時及び第1のバルブ108の閉鎖時にサーマルポンプ102の第2のチャンネル110を通って第2の流体を循環させる。第2の流体の循環は、低温の第1の流体と高温の第2の流体との間で熱交換を生じさせ、第1の流体の加熱が加圧ガスを発生させる(212)。一実施形態では、第2の流体は、第2の流体源135から受け取られる。別の実施形態では、第2の流体は、ターボ膨張器130に結合されたチャンネル134から受け取ることができる。一実施形態では、第2のチャンネル110において循環される第2の流体は、該第2のチャンネル110を介して復水器133に排出することができる。別の実施形態では、第2のチャンネル110において循環される第2の流体は、第1の流体源104に排出することができる。第1の流体と第2の流体との間の熱交換は、発生したガスが所定の圧力に達するまで継続される。加圧ガスが所定の圧力に達すると、第2のバルブ112が閉鎖され、第2のチャンネル110を通る第2の流体の循環が停止する(214)。このような実施形態では、制御ユニット146は、第2のバルブ112の開閉を制御し、サーマルポンプ102の第2のチャンネル110を通る第2の流体の循環を可能にすることができる。

サーマルポンプ102内の加圧ガスが所定の圧力に達し、第2のバルブ112が閉鎖された後、チェックバルブ120が開放される(216)。218で示されるように、チェックバルブ120は、サーマルポンプ102の第3のチャンネル116からバッファチャンバ118への加圧ガスの排出を制御する。サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで、チェックバルブ120が開放状態に維持され、加圧ガスの一部を排出する。第1の圧力平衡状態が確立されると、チェックバルブ120が閉鎖される(222)。このような実施形態では、制御ユニット146は、チェックバルブ120の開閉を制御し、バッファチャンバ118への加圧ガスの一部の放出を可能にすることができる。サーマルポンプ102とバッファチャンバ118との間で第1の圧力平衡状態に到達し、チェックバルブ120が閉鎖された後、第3のバルブ128が開放される。224で示されるように、第3のバルブ128は、サーマルポンプ102の第4のチャンネル126からターボ膨張器130への加圧ガスの追加の部分を排出するために開放される。226で示されるように、第3のバルブ128は、流体源104とターボ膨張器130の入口182との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで加圧ガスの追加の部分を排出するために開放される。第2の圧力平衡状態が確立されると、第3のバルブ128は閉鎖される(230)。このような実施形態では、制御ユニット146を用いて第3のバルブ128の開閉を制御し、サーマルポンプ102からターボ膨張器130への加圧ガスの追加の部分を排出するようにする。

一部の実施形態では、220で示されるように、バッファチャンバ118に貯蔵される加圧ガスの一部は、熱交換器124に送給することができる。この実施例におけるバッファチャンバ118は、熱交換器124に対する加圧ガスを一定の流量に維持するように構成されている。このような実施形態では、質量流量計(図1に示していない)を用いることにより一定の流量の加圧ガスが維持される。228に示すように、加圧ガスの追加の部分は、ターボ膨張器130を介して膨張され、発電機132を駆動して電力を生成する。必要に応じてこの一連の流れが繰り返される。

図3は、電力生成のための例示的なRankineシステム300を示すブロック図である。システム300は、復水器304、サーマルポンプ306、バッファチャンバ322、熱交換器326、補助ターボ膨張器332、主ターボ膨張器302、第1発電機334及び第2発電機350を含む。システム300は更に、ポンプ338及び制御ユニット342を含むことができる。

前述の実施形態と同様に、例示的なシステム300は、サーマルポンプ306において温度センサ及び圧力センサ(図3には図示せず)を含むことができる。更に、システム300は、復水器304において温度センサと、バッファチャンバ322において圧力センサとを含むことができる。制御ユニット342は、温度センサ及び圧力センサからの信号を受け取り、それぞれのバルブ及びチェックバルブを制御して、対応する条件に基づいて気体又は液体の流れを可能にすることができる。Rankineシステム300の説明を簡潔にするために上述の温度センサ及び圧力センサは図3には図示されていないが、システム300を限定するものと解釈すべきではない。

復水器304が主ターボ膨張器302に結合され、該主ターボ膨張器302から膨張ガスを受け取る。復水器304は更に、ポンプ305を介してサーマルポンプ306及び任意選択的にポンプ338に結合される。特定の実施形態では、ポンプ338は、ポンプ305を介して復水器304から凝縮液の一部を受け取り、本明細書で検討される特定の作動条件に応じてバルブ309により制御することができる。別の実施形態では、復水器304からの凝縮液をサーマルポンプ306及びポンプ338に送給するために重力を利用することができる。このような実施形態では、復水器304は、重力により凝縮液を送給するために、サーマルポンプ306及びポンプ338の上流側に置かれる。本明細書では、用語「第1の流体」及び「液体」は同義的に使用される点に留意されたい。また、用語「第2の流体」及び「ガス(気体)」もまた同義的に使用される。

図示の実施形態では、サーマルポンプ306は、液体ポンプ305から第1のバルブ310を通じて凝縮液を受け取る第1のチャンネル308を含む。一実施形態では、第1のバルブ310は、サーマルポンプ306の所定の温度に基づいて開放される。第1のバルブ310は、サーマルポンプ306と復水器304との間に温度平衡状態が確立されるまで、ポンプ305からサーマルポンプ306への液体の流れを制御する。例示的な実施形態では、温度平衡状態は、約300°Fであり、第1のバルブが開放するように構成される所定の温度は、約600°Fである。この実施例における第1のバルブ310は、サーマルポンプ306と復水器304との間に温度平衡状態が確立されたときに閉鎖される。本明細書では、温度平衡状態とは、サーマルポンプ306と復水器304の温度が同じである状態を指す点に留意されたい。図示の実施形態では、制御ユニット342は、制御信号364を出力して第1のバルブ310の開閉を制御し、サーマルポンプ306における液体の流れを可能にする。

サーマルポンプ306は、第2のバルブ314を通って主ターボ膨張器302からガスの一部を循環させるための第2のチャンネル312を含む。ガスの一部は、液体の一定容積で該液体を加熱し蒸発させて加圧ガスを発生するため液体と熱交換関係で第2のチャンネル312を通って循環される。サーマルポンプ306と復水器304との間に確立される温度平衡状態に基づいて、第2のバルブ314が開放され、第2のチャンネル312を通るガスの一部の循環を開始する。別の実施形態では、第2のチャンネル312を通るガスの一部の循環は、第1のバルブ310の閉鎖に基づいている。第2のチャンネル312は、発生した加圧ガスがサーマルポンプ306内で所定の圧力に達するまで、液体と熱交換関係でガスの一部の循環を可能にし、加圧ガスを発生させる。サーマルポンプ306内での到達した加圧ガスの所定の圧力に基づいて、第2のバルブ314が閉鎖され、第2のチャンネル312を通るガスの一部の循環を停止する。一実施形態では、第2のチャンネル312において循環されるガスの一部は、復水器304に排出することができる。別の実施形態では、第2のチャンネル312において循環されるガスの一部は、異なる復水器(図示せず)に排出することができる。図示の実施形態では、制御ユニット342は、制御信号366を出力して第2のバルブ314の開閉を制御し、サーマルポンプ306の第2のチャンネル312へのガスの一部の循環を可能にする。例示的な実施形態では、所定の圧力は、約20バールとすることができる。

サーマルポンプ306は更に、チェックバルブ320を介してバッファチャンバ322に結合される。チェックバルブ320は、サーマルポンプ306の第3のチャンネル318からバッファチャンバ322への加圧ガスの一部の排出を制御する。第2のバルブ314が閉鎖されて、加圧ガスがサーマルポンプ306内で所定の圧力に達した後、チェックバルブ320が開放される。この実施例でのチェックバルブ320は、一方向バルブであり、バッファチャンバ322からサーマルポンプ306への加圧ガスの逆方向の流れを許容するものではない。チェックバルブ320は、バッファチャンバ322とサーマルポンプ306との間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで、バッファチャンバ322への加圧ガスの一部の排出を可能にする。本明細書では、第1の圧力平衡状態とは、サーマルポンプ306とバッファチャンバ322における圧力が同じである状態を指す点に留意されたい。バッファチャンバ322とサーマルポンプ306との間に第1の圧力平衡状態が確立されと、チェックバルブ320が閉鎖され、加圧ガスの一部の排出が停止する。 図示の実施形態では、制御ユニット342は、制御信号368を出力してチェックバルブ320の開閉を制御し、第3のチャンネル318を通ってバッファチャンバ322に加圧ガスの一部を排出する。例示的な実施形態では、第1の圧力平衡状態は、約10バールに等しいとすることができる。

バッファチャンバ322は、バルブ324を介して熱交換器326に結合される。バッファチャンバ322は、加圧ガスの一部を貯蔵し、加圧ガスの一部を一定の流量で熱交換器326に送給するように構成される。このような実施形態では、熱交換器326への加圧ガスの一部の一定の流量を維持するために、質量流量計が使用される(図3には図示せず)。熱交換器326は更に、主ターボ膨張器302に結合される。ある実施例では、熱交換器326が加圧ガスを加熱した後、加圧ガスの加熱された部分がバルブ346を介してターボ膨張器302に送給される。

サーマルポンプ306は更に、第3のバルブ330を介して補助ターボ膨張器332に結合される。図示の実施形態では、バイパスチャンネル386は、第4のチャンネル328からチャンネル358に延びて、補助ターボ膨張器332をバイパスする。バイパスチャンネル386は、第4のバルブ384を備える。サーマルポンプ306は、加圧ガスの追加の部分をサーマルポンプ306の第4のチャンネル328を通って補助ターボ膨張器332の入口378に排出するように構成される。第3のバルブ330の開放は、チェックバルブ320の閉鎖に依存する。別の実施形態では、第3のバルブ330の開放は、サーマルポンプ306とバッファチャンバ322との間での第1の圧力平衡状態の到達に依存することができる。第3のバルブ330は、復水器304と補助ターボ膨張器332の入口378との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで、補助ターボ膨張器332への加圧ガスの追加の部分の排出を制御する。第2の圧力平衡状態に到達したときに、第3のバルブ330が閉鎖され、加圧ガスの追加の部分の排出を停止する。第3のバルブ330の閉鎖及び第2の圧力平衡状態に基づいて、第4のバルブ384が開放され、バイパスチャンネル386及びチャンネル358を介したサーマルポンプ306から流体源304への加圧ガスの追加の部分の少なくとも一部を放出する。図示の実施形態では、圧力センサ377が補助ターボ膨張器332の入口378に結合され、主ターボ膨張器302及びサーマルポンプ306から送給されるガスの圧力を検知する。同様に、圧力センサ388が復水器304に結合され、復水器304における液体の圧力を検知する。センサ377は、補助ターボ膨張器332に送給されるガスの圧力を表す信号380を制御ユニット342に出力する。センサ388は、復水器304における液体の圧力を表す信号390を制御ユニット342に出力する。このような実施形態では、制御ユニット342は、信号380,390に基づいて、制御信号370を出力して第3のバルブ330の開閉を制御し、サーマルポンプ306からターボ膨張器332への加圧ガスの追加の部分の排出を可能にする。更に、制御ユニット342は、制御信号382を出力して第4のバルブ384の開閉を制御し、バイパスチャンネル386及びチャンネル358を介してサーマルポンプ306から復水器304への加圧ガスの追加の部分の少なくとも一部の排出を可能にする。この実施例において、バイパスチャンネル386は、加圧ガスの追加の部分の少なくとも一部を送給し、第2の圧力平衡状態の確立時に補助ターボ膨張器332をバイパスするように構成されている。

補助ターボ膨張器332は、第1の発電機334及びサーマルポンプ306に結合される。補助ターボ膨張器332は、サーマルポンプ306の第4のチャンネル328から受け取った加圧ガスの追加の部分を膨張させて、第1の発電機334を駆動し、電力を生成する。膨張したガスは、チャンネル336,358を介して復水器304に排出される。主ターボ膨張器302からの膨張ガスの一部は、チャンネル348,354を介して補助ターボ膨張器332に送給することができる。このような実施形態では、制御ユニット342は、制御信号372,374を出力してバルブ352,356を制御し、第3のバルブ330の作動に基づいて対応するチャンネル348,354を通る膨張ガスの一部の流れを可能にする。一実施形態では、第3のバルブ330が開放されてサーマルポンプ306から補助ターボ膨張器332への加圧ガスの追加の部分を排出する際に、バルブ356は閉鎖される。第3のバルブ330が閉鎖されると、バルブ356は開放され、主ターボ膨張器302から補助ターボ膨張器332に膨張ガスの一部を排出するようにする。主ターボ膨張器302は、補助ターボ膨張器332の上流側に配置される。

主ターボ膨張器302は、バルブ346を介して熱交換器326に結合される。主ターボ膨張器302は、熱交換器326から加圧ガスの加熱部分を受け取り、この加圧ガスの加熱部分を膨張させて第2の発電機350を駆動し、電力を生成する。

主ターボ膨張器302は更に、チャンネル348,358を介して復水器304に結合される。バルブ352は、三方バルブであり、チャンネル348,358を介して復水器304及びチャンネル348,360を介してサーマルポンプ306の第2のチャンネル312、並びにチャンネル348,354を介して補助ターボ膨張器332に膨張ガスを排出するように構成されている。一実施形態では、膨張ガスの流れは、チャンネル348,358を通って復水器304に連続的である。別の実施形態では、チャンネル348を介して主ターボ膨張器302から、チャンネル360を介してサーマルポンプの第2のチャンネル312へ、或いはチャンネル354を介して補助ターボ膨張器332への膨張ガスの流れは断続的である。膨張ガスの断続的流れは、制御ユニット342を用いて制御される。一実施形態では、制御ユニット342は、制御信号372,366を出力して、チャンネル360を介してサーマルポンプ306の第2のチャンネル312への膨張ガスの断続的流れを制御し、この流れは、主ターボ膨張器302から膨張ガスの一部を送給する(本明細書では「第2の流体」とも呼ばれる)ために第2のバルブ314が開放されたときに生じる。同様に、制御ユニット342は、制御信号372,374を出力して、チャンネル48,354を介して補助ターボ膨張器332への膨張ガスの断続的流れを制御し、この流れは、膨張ガスの一部を補助ターボ膨張器332に送給するためにバルブ356が開放されたときに生じる。ポンプ338は、液体ポンプ305を介して復水器304に結合される。ポンプ338は、システム300の始動状態、シャットダウン状態及び過渡状態などの特定の運転状態中、バルブ309を介して復水器304から凝縮液体の一部を受け取るように構成される。図示の実施形態では、センサ323は、システム300の作動条件を検知するのに使用され、システム300の作動条件を表す信号362を制御ユニット342に出力する。このような実施形態では、制御ユニット342は、制御信号376を出力してバルブ309の開閉を制御し、信号362に基づいて復水器304からポンプ338への第1の流体の一部の流れを可能にする。ポンプ338は、凝縮液体の一部を加圧するのに使用される。バルブ340は、ポンプ338から受け取った液体の加圧部分をチャンネル344を介して熱交換器326に排出するのを制御するのに使用される。

熱交換器326は、バッファチャンバ322、ポンプ338及び主ターボ膨張器302に結合される。一実施形態では、熱交換器326は、バッファチャンバ322から加圧ガスを受け取り、該加圧ガスを更に加熱した後、該加圧ガスの加熱部分を主ターボ膨張器302に送給するようにする。別の実施形態では、熱交換器326は、チャンネル344を介してポンプ338から液体の加圧部分を受け取り、液体の加圧部分を更に加熱して蒸気を発生させた後、該蒸気を主ターボ膨張器302に送給するようにすることができる。

図示の実施形態では、バルブ346を介して熱交換器326に結合された主ターボ膨張器302は、加圧ガスの加熱部分を受け取るように構成される。このような実施形態では、主ターボ膨張器302は、加圧ガスを膨張させ、第2の発電機を駆動して電力を生成する。別の実施形態では、バルブ346を介して熱交換器326に結合された主ターボ膨張器302は、蒸気を受け取るように構成される。このような実施形態では、主ターボ膨張器302は、蒸気を膨張させて第2の発電機を駆動し、電力を生成する。

図4は、ターボ膨張器476を介して電力を生成するのに使用される加圧ガスを生成するため並列構成で配置された複数のサーマルポンプ404,406を有するシステム400の1つの実施形態の概略図である。一実施形態では、システム400は、流体源402、複数のサーマルポンプ404,406,408、バッファチャンバ456、ターボ膨張器476及び発電機478を含む。加えて、システム400は、ポンプ484(本明細書では一般に「圧縮装置」とも呼ばれる)及び熱交換器460を含む。サーマルポンプの数は、用途に応じて変わることができる。

上述の実施形態と同様に、システム400は、サーマルポンプ404,406,408及び流体源402の各々の温度及び圧力を検知するため、サーマルポンプ404,406,408及び流体源402の各々において温度センサ及び圧力センサを含むことができる。システムは更に、バッファチャンバ456内の圧力を検知するためバッファチャンバ456内に圧力センサを含むことができる。更に、システム400は、ポンプ/圧縮装置484から送給された第1の流体の加圧部分の媒体を検知するための1以上のセンサを含むことができる。また、システム400の作動条件を判定して、ポンプ/圧縮装置484を始動させる必要性を決定するための1以上のセンサが存在することができる。このような実施形態では、システム400は更に、バルブ及びチェックバルブに適切な種々の条件に基づいてそれぞれのバルブ及びチェックバルブを制御するための制御ユニットを含むことができる。制御ユニットは、温度センサ、圧力センサ及びサーマルポンプ404,406,408のそれぞれのバルブ及びチェックバルブを制御するための1以上のセンサからの信号を受け取り、対応する条件に基づいてガス又は液体もしくは第1の流体又は第2の流体の流れを可能にすることができる。更に、上述の実施形態を参照して考察したバイパスチャンネル構成もまた、図示の実施形態に同様に適用することができる。システム400の説明を簡潔にするために、センサ構成及び制御ユニットは図4には図示されていないが、システム400を限定するものと解釈すべきではない。

流体源402(本明細書では「第1の流体源」とも呼ばれる)は、複数のサーマルポンプ404,406,408及びターボ膨張器476に結合される。流体源402は、第1の流体を流体マニホルド416を介して複数のサーマルポンプ404,406,408に送給する。第1の流体は、気体媒体又は液体媒体とすることができる。一実施形態では、流体源402は、復水器とすることができる。流体ポンプ403は、第1の流体を流体源402から流体マニホルド416を介して複数のサーマルポンプ404,406,408に送給するのに使用される。

図示の実施形態では、複数のサーマルポンプ404,406,408は更に、ガスマニホルド454を介してバッファチャンバ456に結合される。この実施例における複数のサーマルポンプ404,406,408は、所定のシーケンスで作動される。図示の実施形態では、所定のシーケンスは、サーマルポンプ404及びその後のサーマルポンプ406,408で開始する。他の実施形態では、サーマルポンプの動作シーケンスは、用途に基づいて変わることができる。図示の実施形態では、最初に、第1のバルブ418が開放され、第1の佐丸ポンプ404の第1のチャンネル410への第1の流体の流れを可能にする。第1のチャンネル410への第1の流体の流れの間、他の第1のバルブ420,422は閉鎖されている。

第1のサーマルポンプ404と流体源402との間に温度平衡状態が確立されると、第2のサーマルポンプ406が作動され、対応する第1のバルブ420を通って第1の流体を受け取るようにし、他のバルブ418,422は閉鎖される。第2のサーマルポンプ406が第1の流体を受け取っている間、第1のサーマルポンプ404に対応する第2のバルブ430は開放され、第2のチャンネル424を通る第2の流体の循環を可能にする。第2の流体は、第2の流体源488から送給することができる。別の実施形態では、第2の流体源は、主ターボ膨張器476のチャンネル480から送給することができる。第2のチャンネル424を流れる第2の流体は、第1の流体と熱交換関係にあって一定容積で第1の流体を加熱し、加圧ガスを発生させる。加圧ガスが第1のサーマルポンプ404において所定の圧力に到達するまで第2のバルブ430が開放され、その後、第2のバルブ430が閉鎖される。第2の流体は、第2のチャンネル424を介して復水器436に排出される。別の実施形態では、第2の流体は、流体源402に排出することができる。同様に、サーマルポンプ406,408の第2のチャンネル426,428において循環される第2の流体は、それぞれの復水器438,440に排出される。第2のポンプ406と流体源402との間に温度平衡状態が確立されると、第2のサーマルポンプ420に対応する第1のバルブ420が閉鎖され、第3のサーマルポンプ408に対応する第1のバルブ422が開放され、第3のサーマルポンプ408の第1のチャンネル414に第1の流体を送給するようにする。他のサーマルポンプ404,406に対応する第1のバルブ418及び420は閉鎖される。第3のサーマルポンプ408が第1の流体を受け取っている間、第2のサーマルポンプ406に対応する第2のバルブ432は開放され、第1の流体と熱交換関係で第2のチャンネル426を通る第2の流体の循環を可能にする。加圧ガスが第2のサーマルポンプ406において生成される。その間、第1のサーマルポンプ404に対応するチェックバルブ448は開放され、第1のサーマルポンプ404とバッファチャンバ456との間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで、加圧ガスマニホルド454を介してサーマルポンプ404からバッファチャンバ456へ加圧ガスの一部を排出するようにする。サーマルポンプ404とバッファチャンバ456との間の第1の圧力平衡状態の確立に基づいて、第1のサーマルポンプ404に対応する第3のバルブ468が開放され、加圧ガスの追加の部分をターボ膨張器476の入口494に排出するようにする。流体源402とターボ膨張器476の入口494との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで、第3のバルブ468が開放され、加圧ガスの追加の部分を排出するようにする。サーマルポンプの第1のチャンネルにおいて第1の流体を受け取り、該第1の流体を加熱して加圧ガスを発生させ、該加圧ガスを排出するプロセスは、複数のサーマルポンプ間で各サーマルポンプにおいて順次的に実施される。

一実施形態では、対応するサーマルポンプ404,406,408の第1のチャンネル410,412,414は、サーマルポンプ404,406,408の所定の温度に基づいて第1の流体を受け取る。対応するサーマルポンプ404,406,408の第1のチャンネル410,412,414は、第1の流体を加熱するため第2のチャンネル424,426を通る第2の流体の循環を開始する前に、サーマルポンプ404,406,408と流体源402との間に温度平衡状態が確立されるまで、流体源402から第1の流体を受け取る。同様に、第2のバルブ430,432,434を開放して、サーマルポンプ404,406,408において第1の流体を加熱するため第2の流体の循環することは、第1のバルブ418,420,422の閉鎖と、サーマルポンプ404,406,408と流体源402との間の温度平衡状態の確立に基づくことができる。サーマルポンプ404,406,408の第2のチャンネル424,426を通る第2の流体の循環は、サーマルポンプ404,406,408内の加圧ガスの圧力が所定の圧力に達したときに停止される。

更に、複数のサーマルポンプ404,406,408が、対応するチェックバルブ448,450,452(「第1の排出バルブ」とも呼ばれる場合がある)及び対応する第3のチャンネル442,444,446を通じてバッファチャンバ456に結合される。チェックバルブ448,450,452は、一方向バルブであり、第1の圧力平衡状態に基づいてバッファチャンバ456への加圧ガスの流れを許容する。チェックバルブ448,450,452を開放するタイミングは、サーマルポンプ404,406,408の圧力に基づくことができる。チェックバルブ448,450,452は、順次的に開放され、加圧ガスの一部をポンプ404,406,408からバッファチャンバ456に排出することができる。本発明の一実施形態では、第1のサーマルポンプ404に対応するチェックバルブ448が最初に開放され、加圧ガスの一部をバッファチャンバ456に排出することができ、他のサーマルポンプ406,408に対応するチェックバルブ450,452は、この時点では閉鎖することができる。同様に、第2のサーマルポンプ406に対応するチェックバルブ450が開放され、加圧ガスをバッファチャンバ456に排出し、対応するサーマルポンプ404,408の他のチェックバルブ448,452は閉鎖される。換言すると、チェックバルブの何れか1つが開放されて加圧ガスの一部をバッファチャンバ456に排出している場合には、残りのチェックバルブは閉鎖状態にある。対応するサーマルポンプ内の圧力が所定の圧力を下回ったときには、チェックバルブ448,450,452が閉鎖され、バッファチャンバ456への加圧ガスの一部の排出を停止する。バッファチャンバ456は、加圧ガスの一部を貯蔵し、また、バルブ458を通じて一定流量で加圧ガスを熱交換器460に送給するのに使用される。このような実施形態では、バッファチャンバ456から熱交換器への加圧ガスの一定流量は、質量流量計(図4には示していない)を用いて維持される。

ターボ膨張器476は、対応する第3のバルブ468,470,472を介して複数のサーマルポンプ404,406,408に結合される。具体的には、第3のバルブ468,470,472は、それぞれ対応する第4のチャンネル462,464,466に結合される。第4のチャンネル462,464,466は、ガスマニホルド474を介してターボ膨張器476に結合される。加えて、ターボ膨張器476は、チャンネル480を介して流体源402に結合され、膨張した流体を流体源402に排出する。ターボ膨張器はまた、発電機478に結合されて電力を生成する。チェックバルブ448,450,452の閉鎖及びサーマルポンプ404,406,408とバッファチャンバ456との間の第1の圧力平衡状態の確立の後、第3のバルブ468,470,472は開放され、対応するサーマルポンプ404,406,408内の加圧ガスの追加の部分を対応する第4のチャンネル462,464,466を介してターボ膨張器476に送給する。流体源402とターボ膨張器476の入口494との間で第2の圧力平衡状態に到達すると、第3のバルブ468,470,472が閉鎖され、サーマルポンプ404,406,408からターボ膨張器476への加圧ガスの追加の部分の排出を停止する。第3のバルブ468,470,472はまた、順次的に開放することができる。例えば、第1のサーマルポンプ404に対応する第3のバルブ468が開放され、加圧ガスの追加の部分を排出するときには、サーマルポンプ406,408に対応する他の第3のバルブ470,472は閉鎖される。

流体源402は、チャンネル480を通じてターボ膨張器476から膨張流体を受け取る。流体源402は、流体を凝縮した後、凝縮した第1の流体をサーマルポンプ404,406,408に送給することができる。

ポンプ484は、流体源402及びバッファチャンバ456に結合される。ポンプ484は、流体源402からの第1の流体の一部をチャンネル482を介しバルブ483により制御されて流体ポンプ403から受け取る。ポンプ484は、第1の流体の一部を加圧するように構成される。圧縮装置484に結合されるバルブ490は、圧縮装置484からチャンネル486を通じてバッファチャンバ456への第1の流体の加圧部分の排出を制御する。このような実施形態では、第1の流体の加圧部分は気体媒体である。別の実施形態では、バルブ490は、ポンプ484からチャンネル492を通じて熱交換器460への第1の流体の加圧部分の排出を制御する。このような実施形態では、第1の流体の加圧部分は液体媒体である。上記で考察したように、ポンプ484は、システム400の始動状態、シャットダウン状態及び過渡状態などの特定の運転状態中に作動される。

図5は、直列配列で配置された複数のサーマルポンプ504,506,508を有するシステム500の別の実施形態の概略図である。一実施形態では、システム500は、流体源502、複数のサーマルポンプ504,506,508、バッファチャンバ560、ターボ膨張器578及び発電機580を含む。加えて、システム500は、ポンプ586(本明細書では「圧縮装置」とも呼ばれる)及び熱交換器568を含む。サーマルポンプの数は、用途に応じて変えることができる。

上述の実施形態と同様に、システム500は、サーマルポンプ504,506,508及び流体源502の各々の温度及び圧力を検知するため、サーマルポンプ504,506,508及び流体源502の各々において温度センサ及び圧力センサを含むことができる。システムは更に、バッファチャンバ560内の圧力を検知するため、バッファチャンバ560内に圧力センサを含むことができる。更に、システム500は、ポンプ/圧縮装置586から送給された第1の流体の加圧部分の媒体を検知するための1以上のセンサを含むことができる。また、システム500の作動条件を判定して、ポンプ/圧縮装置586を始動させる必要性を決定するための1以上のセンサが存在することができる。このような実施形態では、システム500は更に、バルブ及びチェックバルブに適切な種々の条件に基づいてそれぞれのバルブ及びチェックバルブを制御するための制御ユニットを含むことができる。制御ユニットは、温度センサ、圧力センサ及びサーマルポンプ504,506,508のそれぞれのバルブ及びチェックバルブを制御するための1以上のセンサからの信号を受け取り、対応する条件に基づいてガス又は液体もしくは第1の流体又は第2の流体の流れを可能にすることができる。更に、上述の実施形態を参照して考察したバイパスチャンネル構成もまた、図示の実施形態に同様に適用することができる。システム500の説明を簡潔にするために、センサ構成及び制御ユニットは図5には図示されていないが、システム500を限定するものと解釈すべきではない。

図示の実施形態では、流体源502は、第1のサーマルポンプ504に及びターボ膨張器578のチャンネル582を介してターボ膨張器578に結合される。流体源502は、流体ポンプ503を用いて第1のサーマルポンプ504に、すなわち、第1のバルブ510を介して第1のサーマルポンプ504の第1のチャンネル520に第1の流体を送給する。サーマルポンプ504と流体源502との間に温度平衡状態が確立されると、第1のバルブ510が閉鎖され、第1の流体の送給を停止する。

第2のバルブ538,544,550を用いて、ターボ膨張器から第2のチャンネルマニホルド536を通るそれぞれのサーマルポンプ504,506,508への第2の流体の流れを制御する。第2の流体は、第2の流体源584から受け取ることができる。第1のサーマルポンプ504に対応する第1のバルブ510の閉鎖の後、第1のサーマルポンプ504に対応する第2のバルブ538が開放され、第1の流体と熱交換関係で第2の流体を循環させて第1の流体を加熱するようにする。第1の流体は、加圧ガスを発生させるために加熱される。第1のサーマルポンプ504内の加圧ガスが所定の圧力に達すると、第2のバルブ538が閉鎖され、第2の流体の循環を停止する。加圧ガスの一部は、第1のサーマルポンプ504からチェックバルブ512を通って第2のサーマルポンプ506に排出される。チェックバルブ512は、第1のサーマルポンプ504と第2のサーマルポンプ506との間で第1の圧力平衡状態が確立されるまで、第2のサーマルポンプ506に加圧ガスの一部を排出する。第1のサーマルポンプ504から排出された加圧ガスは、第2のサーマルポンプ506に送給される前に、第1の冷却ユニット524を介して冷却することができる。冷却ユニット524は、加圧ガスの温度を第1のサーマルポンプ504に流入する第1の流体の温度付近に維持するよう、加圧ガスの温度を低下させるのに使用される。流体源502とターボ膨張器578の入口576との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで、第1のサーマルポンプ504に対応する第3のバルブ570が開放され、第1のサーマルポンプ504からターボ膨張器578への加圧ガスの追加の部分を排出するようにする。第1のサーマルポンプ504からターボ膨張器578に加圧ガスの追加の部分が排出されると、第1のサーマルポンプ504に対応する第3のバルブ570は閉鎖される。第2のサーマルポンプ506に対応する第1のバルブ514が開放されるときには、第2のサーマルポンプ506が第1のサーマルポンプ504から加圧ガスの一部を受け取る。第1のサーマルポンプ504と同様に、第2及び第3のサーマルポンプ506,508についてもプロセスが繰り返される。

一実施形態では、第2のチャンネル540,546,552にて循環される第2の流体は、復水器542,548,554それぞれに排出される。別の実施形態では、第2のチャンネル540,546,552にて循環される第2の流体は、第1の流体源502に排出することができる。

冷却ユニット524,532は、対応するサーマルポンプから流出する加圧ガスの一部の温度を、サーマルポンプに流入する第1の流体の温度付近に維持するよう、この流出する加圧ガスの一部の温度を低下させるのに使用される。

加圧ガスを受け取り、第2の流体を循環させ、加圧ガスの一部を排出して、該加圧ガスの追加の部分を排出することからなるプロセスは、第2のサーマルポンプ506及び第3のサーマルポンプ508において順次的に行われる。第3のサーマルポンプ508とバッファチャンバ560との間に第1の圧力平衡状態が確立されるまで、第3のサーマルポンプ508は、バッファチャンバ560に加圧ガスの一部を排出する。流体源502とターボ膨張器578の入口576との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで、加圧ガスの追加の部分は、第3のサーマルポンプ508からターボ膨張器578に排出することができる。発生したガスの圧力は、システム500全体の漸次的な作動の間、各サーマルポンプ504,506,508にて増大する。一実施形態では、発生したガスの圧力は、第1のサーマルポンプ504内で約8バールとすることができ、第2のサーマルポンプ506の入口にてガスが受け取られるときには圧力は約6バールとすることができる。第2のサーマルポンプ506において、圧力は約14バールまで上昇し、次いで、第3のサーマルポンプ508に吐出することができる。第3のサーマルポンプ508の入口に到達するガスの圧力は、約12バールとすることができ、次いで、該圧力は、第3のサーマルポンプ508内で12バールから20バールまで上昇することができる。

各サーマルポンプ504,506,508からのガスの追加の部分は、ターボ膨張器578を介して膨張することができる。特定の実施形態では、流体源502とターボ膨張器578の入口576との間に第2の圧力平衡状態が確立されるまで、ガスの追加の部分は、対応する第3のバルブ568,570,572を介してサーマルポンプ504,506,508から順次的に排出される。

図示の実施形態では、第1のサーマルポンプ504に対応する第1のバルブ510が開放されて第1の流体を送給するときには、第1のサーマルポンプ504に対応する第2のバルブ538、チェックバルブ512及び第3のバルブ570は閉鎖される。第2のバルブ538が開放されて第2の流体を循環するときには、第1のサーマルポンプ504の第1のバルブ510、チェックバルブ512及び第3のバルブ570は閉鎖される。更に、チェックバルブ512が開放されて加圧ガスの一部を第2のサーマルポンプ506に排出するときには、第1のサーマルポンプ504に対応する第1のバルブ510、第2のバルブ538及び第3のバルブ570は閉鎖される。同様に、第3のバルブ570が開放されて第1のサーマルポンプ504から加圧ガスの追加の部分を排出するときには、第1のバルブ510、第2のバルブ538及び、チェックバルブ512は閉鎖される。第2のサーマルポンプ506に対応する第2のバルブ544が開放され、第2の流体を循環して、受け取ったガスの圧力を更に上昇させる。第2のサーマルポンプ506に対応するチェックバルブ516が開放されて加圧ガスの一部を第3のサーマルポンプ508に排出するときには、第2のサーマルポンプ506に対応する第1及び第2のバルブ514,544は閉鎖される。一実施形態では、第1のサーマルポンプ504に対応する第1のバルブ510が開放されて、第1の流体を第1のサーマルポンプ504に送給し、第3のサーマルポンプ508に対応する第1のバルブ518が開放されて、加圧ガスを第3のサーマルポンプ508に送給するようにする。この時点で、第1のサーマルポンプ504に対応するバルブ538,570及びチェックバルブ512は閉鎖される。第2のサーマルポンプ506に対応する第3のバルブ572が開放されて加圧ガスの追加の部分を排出するときには、第2のサーマルポンプ506に関連するバルブ514,544及びチェックバルブ516は閉鎖される。第1のサーマルポンプ504及び第3のサーマルポンプ508それぞれに対応する第2のバルブ538,550は、開放されて第2の流体を循環させ、加圧ガスを生成する。この時点では、第1のサーマルポンプ504及び第3のサーマルポンプ508に対応する第1のバルブ510,518、チェックバルブ512,556及び第3のバルブ570,574は閉鎖される。受け取り、循環及び排出からなるこのプロセスは、各サーマルポンプにおいて所定のシーケンスで実施される。 図示の実施形態では、バルブ564は、バッファチャンバからバルブ564を通じて熱交換器568への加圧ガスの流れを制御する。熱交換器568は、加圧ガスを更に加熱するのに使用される。ターボ膨張器578は、発電機580に結合され、更に、対応する第3のバルブ570,572,574を通じて複数のサーマルポンプ504,506,508に結合される。ターボ膨張器578は、該ターボ膨張器の入口576を通じてサーマルポンプ504,506,508から加圧ガスの追加の部分を受け取る。ターボ膨張器578は、サーマルポンプから受け取った加圧ガスの追加の部分を膨張させ、発電機580を駆動して電力を生成する。膨張ガスは、ターボ膨張器578からチャンネル582を通じて流体源502に送給される。

ポンプ586は、流体ポンプ503及びチャンネル584を介して流体源502に結合される。ポンプ586は、バルブ585を介して第1の流体源502から受け取った第1の流体の一部を加圧するのに使用される。圧縮装置586に結合されたバルブ590は、圧縮装置586からチャンネル588を通じたバッファチャンバ560への第1の流体の加圧部分の排出を制御する。このような実施形態では、加圧された第1の流体は気体媒体である。ポンプ586に結合されたバルブ590は、ポンプ586からチャンネル592を通じた熱交換器568への第1の流体の加圧部分の排出を制御する。このような実施形態では、加圧流体は液体媒体である。ポンプ586は、システム500の始動状態、シャットダウン状態及び過渡状態などの特定の運転状態中に作動される。

本発明の実施形態は、より少ない電力を利用して発電プラントの1以上の構成要素を駆動することによって発電プラントの効率を向上させる。ターボ膨張器は、サーマルポンプの効率を有意に改善することができる。サーマルポンプはまた、復熱器として機能し、ボイラ又は蒸発器に流入する流体を予熱するために大きな熱交換器の必要性と置き換えられる。

104:流体源 102:サーマルポンプ 124:熱交換器 133:復水器 146:制御ユニット