Oil removal from the organic Rankine cycle (orc) system of the turbine

本発明は、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムに関し、詳しくは、ＯＲＣシステムのタービンからオイルを回収するための改善された方法およびシステムに関する。

ランキンサイクルシステムは、一般に、電力を発生させるために使用される。 ランキンサイクルシステムは、作動流体を蒸発させる蒸発器ないしボイラと、蒸発器から蒸気を受けて発電機を駆動するタービンと、蒸気を凝縮する凝縮器と、凝縮された流体を蒸発器へ再循環させるポンプあるいは他の再循環手段と、を含む。 ランキンサイクルシステムにおける作動流体は、たいていは水であり、その場合に、タービンは、水蒸気によって駆動される。 有機ランキンサイクル（ＯＣＲ）システムは、作動流体として水ではなく有機流体を使用すること以外は、従来のランキンサイクルと同様に運転する。

ＯＲＣシステムの潤滑、特にタービン内部の潤滑のためにオイルを使用することがある。 例えば、オイルは、タービンの軸受を潤滑する。 しかしこのオイルは、ＯＲＣシステムの運転中に、タービンのインペラを取り囲む領域などの、ＯＣＲシステム内の、オイルが望ましくない領域へ移動してしまう恐れがある。 ＯＣＲシステムの起動時に、オイルが望ましくないこれらの領域からオイルを回収することは難しい。 この回収不能のオイルによって、ＯＣＲシステムの起動時の故障が生じてしまう場合がある。

ＯＣＲシステムの起動時に、タービンからオイルを除去するための改善された方法およびシステムが必要とされている。

有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムにおいて、特に起動時における故障を回避するために、該ＯＲＣシステムのタービンの内部からオイルを除去するオイル除去システムが使用される。 このオイル除去システムは、タービンの上流に配置されてＯＲＣシステムの蒸発器から流出する冷媒の一部を受けるように構成されたエダクタラインを含む。 このエダクタラインは、エダクタシステムへ冷媒を運び、このエダクタシステムは、タービンのインペラを取り囲む領域からオイルを除去し、このオイルを油溜めへ送り返す。

タービンと、該タービンからオイルを除去するエダクタシステムと、を備える有機ランキンサイクル（ＯＣＲ）システムの概略図。

図１のタービンおよびエダクタシステムの概略図。

有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）システムは発電のために使用することができる。 ＯＲＣシステム内においてオイルが使用され、装置の様々な部品特に該ＯＣＲシステムのタービン内を潤滑する。 しかし、ＯＣＲシステムが運転中であるとき、このオイルは、オイルを必要としないタービン内の他の領域へ移動してしまう恐れがあり、このオイルが、装置の一部に対して有害となる場合がある。 さらには、システムの起動時に、インペラなどのタービンの特定の領域にオイルが存在する場合、このオイルによって、システム故障が生じる恐れがある。 本開示は、ＯＣＲシステムの起動時に、タービンからオイルを効果的に除去する方法およびシステムを提供することを主眼とする。

図１は、凝縮器１２と、ポンプ１４と、蒸発器１６と、タービン１８と、タービン１８に接続されたエダクタシステム２０と、を備えるＯＣＲシステム１０の概略を示す。 冷媒２２が、システム１０内を循環し、電力を発生させるために使用される。 凝縮器１２からの液体の冷媒２２ａは、ポンプ１４を通過し、これによって圧力が上昇する。 高圧にされた液体の冷媒２２ａは、蒸発器１６内に流れ、この蒸発器１６は、熱源２４を用いて冷媒２２を蒸発させる。 熱源２４としては、燃料電池、マイクロタービン、往復エンジンなどの種々の形式の廃熱や、太陽、地熱、排気ガスなどの他の形式の熱源があるが、これらに限らない。 蒸発器１６から流出する冷媒２２は、蒸気化した冷媒（２２ｂ）であり、この地点から、タービン入口弁２６を通って、タービン１８内へ流れる。 この冷媒蒸気２２ｂは、タービン１８を駆動するために使用され、このタービン１８が発電機２８に動力を与え、この発電機２８が電力を発生させる。 タービン１８から流出する冷媒蒸気２２ｂは、凝縮器１２へ返され、この凝縮器１２で、液体の冷媒２２ａに戻るように凝縮される。 ヒートシンク３０を使用して、この凝縮器１２に冷却水を供給する。

エダクタシステム２０が、タービン１８に接続されるとともに、タービン１８内のオイルが集まりやすい領域からオイルを除去するように構成される。 図２を参照して以下に詳しく説明するように、エダクタライン３２が、蒸発器１６から流出する冷媒蒸気２２ｂの一部を受け、この冷媒２２ｂをエダクタシステム２０へ送る。

図１に示すように、ＯＣＲシステム１０は、さらに、起動時に冷媒２２ｂがタービン１８内へ流れないように使用することができるバイパス弁３６およびバイパスライン３８を含む。 システム１０の起動時に、タービン１８は、一時的にバイパスモードで作動し、この状態では、タービン１８は、該タービン１８を所定の作動条件（すなわち、温度および圧力）に到達させるために、冷媒を受けない。 この場合、冷媒２２ｂは、バイパスライン３８に流され、さらに、該冷媒２２ｂの温度を上昇させるために、バイパスオリフィス３９を通るように導かれて、タービン１８内における作動条件と類似したものとなる。 この冷媒２２ｂは、バイパスオリフィス３９を通過した後、凝縮器１２へ導かれる。 いくつかの実施例においては、タービン入口弁２６が開いているときにバイパス弁３６が閉じており、また、これとは逆ともなる。

図２は、タービン１８、エダクタシステム２０、エダクタライン３２、タービン入口弁２６、発電機２８、バイパス弁３６およびバイパスライン３８を備える図１のＯＲＣシステム１０の一部を概略的に示す。 タービン１８は、インペラ４０、吐出ハウジング４２および高圧ボリュート４４を含む。 （このボリュート４４は、タービン１８が作動しているときに高圧状態にあるため、「高圧ボリュート」と呼ばれる。しかし、このボリュート４４は、システム１０およびタービン１８が起動時のバイパスモードにあるときは、低圧状態にある。）タービン１８の作動モード時に、（蒸発器１６からの）冷媒蒸気２２ｂは、入口弁２６を通って高圧ボリュート４４内に流れ、さらにノズル４６を通って流れ、これによってインペラ４０に駆動力が与えられ、このインペラ４０は、ギアボックス５０内のシャフト４８を駆動する。 歯車５２によって、駆動シャフト４８が発電機２８に接続されており、この発電機２８は、シャフトからのエネルギを使って電力を発生させる。 このギアボックス５０は、さらに、軸受５４、油溜め５６およびオイルポンプ５８を含む。

エダクタライン３２が、タービン入口弁２６の上流に配置されるとともに、蒸発器１６から流出する（その後、タービン１８へ流れる）冷媒蒸気２２ｂの一部を受けるように構成される。 このライン３２は、タービン１８から液体（主に、オイル）を除去するように構成されたエダクタシステム２０へ冷媒２２ｂを送る。 図２に示す実施例においては、エダクタライン３２は、バイパスライン３６の下流に配置され、代替的な実施例においては、エダクタライン３２は、バイパスライン３６の上流に配置され得る。

タービン入口弁２６の上流にエダクタライン３２を配置することによって、このエダクタライン３２は、タービン１８のモードに拘わらず、冷媒２２がシステム１０内を循環しているときは常に、エダクタシステム２０へ継続的に冷媒２２を供給することができる。 タービン１８が起動時のバイパスモードにあって、蒸発器１６からの冷媒２２がバイパスライン３６に流れるように分岐されている場合にも、冷媒２２は、エダクタシステム２０へ流れ続けることができる。

ＯＲＣシステムの他の設計においては、エダクタシステムで用いる冷媒源がタービンから送られるように、エダクタラインが、一般に、タービンに接続される。 例えば、エダクタシステムが、タービンの高圧ボリュートを通過した後の冷媒を使用するように、エダクタラインを、高圧ボリュートに接続することがある。 しかし、この種の設計においては、エダクタシステムは、蒸発器からの冷媒がタービンに流れているときにしか作動できない。 図１を参照して上記に説明したように、蒸発器からの冷媒蒸気は、システムの起動時に、タービン内に流れないようにされる。 その代わりに、この冷媒は、バイパスラインに流れ、さらに、凝縮器へ流れる。 従って、エダクタシステムがタービンからの冷媒に依存する場合、タービンのバイパスモード時つまり起動モード時に、タービンからオイルを除去することができない。

しかし、起動モードは、インペラを取り囲むタービンの領域（すなわち、高圧ボリュートおよび吐出ハウジング）からオイルを除去するための重要な時間となり得る。 これらの領域にオイルが残ったままタービンが起動する場合、タービン内の装置の一部が損傷を受ける恐れがある。 さらには、このタービン内のオイルは、ＯＲＣシステムの運転時および特に遮断時に、通常、吐出ハウジングや高圧ボリュートへ移動する。

再び述べると、システム１０のエダクタライン３２が、タービン入口弁２６の上流に配置され、蒸発器１６から直接的に冷媒２２ｂを受けるので、エダクタシステム２０は、運転中のシステム１０の全てのモード時に、タービン１８からオイルを除去することができる。 エダクタライン３２は、蒸発器１６からの冷媒２２のごく一部を受けるだけなので、タービン１８の作動や効率に与える影響は小さい。 例えば、一実施例においては、蒸発器１６からの冷媒２２の１重量％未満の冷媒がライン３２へ流れ、好ましい実施例においては、約０．２重量％の冷媒がライン３２へ流れる。 図２に示す実施例においては、エダクタライン３２は、冷媒２２がＯＲＣシステム１０内で流れているときは常にこの冷媒２２を受けるように構成されるので、このエダクタライン３２は、弁を含んでいない。 しかし、エダクタライン３２は、制御弁を含み得ることが理解されよう。 図２に示すように、エダクタライン３２は、冷媒２２から粒子状物質を除去するように構成されたフィルタ６０を含み得る。

図２の実施例においては、エダクタシステム２０は、ベンチュリ装置として作動する第１のエダクタ６２および第２のエダクタ６４を含み、各エダクタは、主流入口および副流入口を有する。 各エダクタにおいて、蒸発器１６からの高圧の冷媒が主流入口を通って流れ、タービン１８から液体を引き出すのに十分な吸引力がつくり出される。

エダクタシステム２０は、さらに、共にエダクタライン３２に接続された第１のライン６６および第２のライン６８を含む。 第１のライン６６は、第１のエダクタ６２の主流入口７０へ冷媒２２を送るように構成されている。 第１のエダクタ６２の副流入口７２は、ライン７４に接続され、タービン１８の吐出ハウジング４２から除去されたオイル７６を第１のエダクタ６２に送る。 （吐出ハウジング４２から吸い出される液体は主にオイルであるが、この液体は、いくらかの量の冷媒を含み得ることが理解されよう。）第２のライン６８は、第２のエダクタ６４の主流入口７８へ冷媒２２を送るように構成されている。 ライン８０が、第２のエダクタ６４の副流入口８２に接続され、タービン１８の高圧ボリュート４４から除去された液体を運ぶ。 高圧ボリュート４４から引き出される液体は、ほとんどがオイルであるが、この液体は、タービン１８内に流れている冷媒のいくらかを含み得る。 これらの冷媒およびオイルは、エダクタ６２，６４から流出した後、一緒にライン８４を通って油溜め５６に流れる。 このとき蒸気である冷媒は、油溜め５６からライン８６を通って吐出ハウジング４２へ戻るように再循環され得る。

図２に示すように、エダクタシステム２０は、２つのエダクタを含むが、このエダクタシステム２０は、第１のエダクタ６２のみでも作動できることが理解されよう。 エダクタライン３２がタービン入口弁２６の上流に配置されるので、このエダクタライン３２は、常に、第１のエダクタ６２へ冷媒を送ることができる。 従って、第１のエダクタ６２は、特にタービン１８の起動時に、タービン１８からオイルを除去するのに有効である。 タービンからの冷媒に依存するために起動時には作動しないエダクタシステムを有するＯＲＣシステムと比較して、本システム１０は、タービン１８を起動させる前に吐出ハウジング４２からオイルを除去することによって、起動における故障を著しく減らすことができる。

第２のエダクタ６４は必須ではないが、第１のエダクタ６２およびエダクタライン３２と組み合わせて第２のエダクタライン６４を使用することにより、タービン１８からオイルを除去するシステム１０の効果をさらに高められることが理解されよう。 上記に説明したように、オイルは、吐出ハウジング４２および高圧ボリュート４４の両方に集まり得る。 第２のエダクタ６４は、高圧ボリュート４４からオイルを除去することができるが、この高圧ボリュート４４は、通常、該ボリュート４４内でオイルと冷媒蒸気が分離すると、直ちにオイルが集まる。 ２つのエダクタを有するシステムを使用することによって、インペラ４０周辺のオイルが蓄積し得る両方の領域からオイルを除去することができるので、全体的なオイルの回収が改善される。

本開示は、タービン１８の起動時にエダクタライン３２およびエダクタシステム２０を使用することを主眼としているが、本明細書中に説明したオイル除去システムは、ＯＲＣシステムが運転しているときのいずれの時点においても、吐出ハウジングおよび高圧ボリュートからオイルを除去するように使用されることが理解されよう。 これは、蒸発器からの冷媒がタービン内に流れているときのタービンの作動モードを含む。

好ましい実施例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、形態や詳細にいくつかの変更がなされ得ることを理解されよう。