再生式熱力学発電サイクルシステム、およびそれを運転する方法

本発明の実施形態は、一般に、再生式熱力学サイクル、例えば再生式ブレイトンサイクルに関し、より詳細には、再生式ブレイトンサイクル、およびこのシステムを運転する方法を利用する発電システム、例えばガスタービン発電プラントに関する。

再生式熱力学サイクルは、典型的には、サイクル(例えば、ブレイトンサイクル)の効率を、単純サイクル機械を用いてその他の方法で達成可能であるものを超えて改善するようにガスタービンおよびマイクロタービンに実装される。現在の再生式ガスタービンサイクルでは、燃料エネルギーの一部置き換えは、エネルギーを排ガスから熱交換器を介して圧縮機から排出される空気へ再生式に伝達することによって達成される。そのような機械における圧縮比は十分低いので、タービンを出て再生器に入る排ガスの温度はその中で加熱される圧縮機排気よりも高い。ガスタービンサイクルの効率における改善がかなり実現されている。

これらのガスタービンサイクルに対するさらなる改善は、様々なプロセスおよび構成、例えば、中間冷却を用いた多段圧縮、再加熱を用いた多段膨張、および再圧縮を用いることによって達成されている。しかしながら、そのような再生サイクルおよび再圧縮サイクルでも、熱効率は、タービン排ガス温度は圧縮機排気温度よりも低く下げることがどうしてもできず、さもなければ熱は(排ガスへ)逆方向に流れることになり、システムの効率を減少させることになるといったことで制限される。

最近になって、密閉熱力学発電サイクルにおいて超臨界二酸化炭素などの超臨界流体を用いることの関心が増している。例えば、超臨界ブレイトンサイクル発電システムは、既存の蒸気駆動式発電プラントおよびガスタービン発電プラントと比べて、より高い効率およびより大きい費用対効果の電力変換を達成するための有望な手法をもたらす。しかしながら、そのような発電システムのためのターボ機械設計は、主に、(i)多数の構成要素がこのシステムに必要/使用されること、および(ii)超臨界流体が高い流体密度であることによって複雑で困難なものである。特に、機械設計が応力および正味軸スラスト荷重を最小にするように最適化されるとともに非設計条件における制御可能な動作を確実にもするように、エキスパンダおよび圧縮機の流体の流量および速度を適合させることが困難であり得る。

したがって、発電システムに典型的に使用される従来の熱力学発電サイクルを上回る利点をもたらす再生式熱力学サイクルの代替の構成が望まれている。

米国特許出願公開第2013/0145759号明細書

一実施形態は、再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステムを運転する方法を提供する。この方法は、高圧エキスパンダからの排気流を送出するステップと、高圧エキスパンダからの排気流を第1の排気流と第2の排気流に分割するステップとを含む。第1の排気流は、ターボ圧縮機シャフト122を介して加圧装置に結合されている第1の低圧エキスパンダに向けられる。第2の排気流は、ターボ発電機シャフト118を介して高圧エキスパンダおよび電気発生機に結合されている第2の低圧エキスパンダに向けられる。

別の実施形態は、再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステムを提供する。このシステムは、排気流を送出する高圧エキスパンダを含む。導管は、高圧エキスパンダに流体結合されており、この高圧エキスパンダは、高圧エキスパンダからの排気流を第1の排気流と第2の排気流に分割するように構成されている。システムは、第1の低圧エキスパンダ、および第2の低圧エキスパンダをさらに含む。第1の低圧エキスパンダは、ターボ圧縮機シャフトを介して加圧装置に結合されているとともに、第1の排気流112を受け入れるように流体結合されている。第2の低圧エキスパンダは、ターボ発電機シャフト118を介して高圧エキスパンダおよび電気発生機に結合されているとともに、第2の排気流を受け入れるように流体結合されている。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより良く理解されることになろう。

従来の再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システムの概略図である。

本発明の一実施形態による再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システムの概略図である。

以下の明細書および添付の特許請求の範囲において、いくつかの専門用語について言及がなされており、これは、以下の意味を有するように定められるものとする。単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈上他のものを明確に示さない限り、複数の指示対象を含む。「任意選択の」または「任意選択で」は、続いて説明されるイベントまたは状況が生じても生じなくても、この説明は、イベントが生じる場合と、イベントが生じない場合とを含むことを意味する。

本明細書中に使用されるとき、近似の言い回しは、明細書および特許請求の範囲に全体にわたって、それに関連がある基本的な機能の変更という結果になることなく変更を許容できる任意の定量的表現を修正するために付与することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの1つまたは複数の用語によって修正された値は、特定された正確な値に限定されるべきでない。いくつかの例では、近似の言い回しは、値を測定する機器の精度に対応し得る。

図1は、再圧縮および再加熱の構成を用いる従来の再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システム10を示す。本明細書中に使用されるとき、用語「密閉ループ」は、システム10が、(明細書全体を通じて「流体」とも呼ばれ得る)作動流体のための閉サイクル流路を形成することを意味する。(通常、主圧縮機14および再圧縮機16を備える)1つまたは複数の圧縮機12によって圧縮される作動流体は、システム10内部の以下の閉サイクル流路に従う。1つまたは複数の圧縮機12から、圧縮流体流26は、第1の熱交換器20、第2の熱交換器22、熱源32、エキスパンダ15に入り、第2の熱交換器22、および第1の熱交換器20に再び入り、前置冷却器24に入り、1つまたは複数の圧縮機12に戻る。したがって、作動流体は、この閉サイクル流路内を流れ、周囲の液体または他の液体と混合しない。エキスパンダ15は、少なくとも2つのエキスパンダ17および18を、再加熱のための2つのエキスパンダの間の追加の熱源19と共に備える多段エキスパンダとすることができる。

作動流体の適切な一例には、二酸化炭素(CO₂)が含まれる。作動流体の他の例には、空気、水、ヘリウム、または有機流体、例えば、イソブテン、プロパンなどが含まれる。いくつかの例では、作動流体は、超臨界流体、例えば超臨界二酸化炭素であり、システム10は、超臨界ブレイトンサイクル発電システムと呼ばれる。

超臨界ブレイトンサイクル発電システムは、超臨界作動流体(または超臨界流体)を使用する電力変換システムである。本明細書中に使用されるとき、用語「超臨界流体」は、流体の臨界点(臨界温度および臨界圧力)でまたは臨界点を上回って別個の液相および気相が存在しない単相流体を指す。超臨界流体の用語「臨界点」は、物質が超臨界状態において存在する最低温度および最低圧力を指す。用語「臨界温度」および「臨界圧力」は、それぞれ超臨界流体の臨界点における温度および圧力を指す。

典型的には、超臨界ブレイトンサイクル発電システムにおける熱遮断は、作動流体の状態が流体の臨界温度および臨界圧力を上回るときに行われる。一般に、超臨界ブレイトンサイクルシステムにおける最高のサイクル効率は、そのような発電システムの主圧縮機の入口における作動流体の温度および圧力が、できる限り作動流体の臨界点の近くにあるときに生じる。

本明細書中に説明されるとき、再生式熱力学サイクル(図1)において、(一般に熱源32によって与えられる)外部熱エネルギーの一部置き換えは、エキスパンダ15からの排気流30から回収した熱エネルギーの一部分を圧縮流体流(26、28)へ伝達することによって達成される。この熱エネルギーの一部分の伝達によって、流体流26および28が圧縮機12を出た後、エキスパンダ15に入る前に、圧縮流体流(26、28)の温度を増加させる。残りの排出エネルギーは、エキスパンダ15から排出される。熱源32は、エキスパンダ15に入る前に流体流29をさらに加熱させるために加えて使用される。概して、(出力タービンとも呼ばれ得る)エキスパンダ15は、電気を発生させるために発電機34に結合されている。図1に示されるように、1つまたは複数の圧縮機12、エキスパンダ17および18、ならびに発電機34を含むこのシステム全体は、通常、同じシャフト11に配置される。

本明細書中に説明される本発明の各態様は、最先端技術の上記弱点に対処し、従来の熱力学発電サイクルシステムと比較して開示された熱力学発電サイクルシステムの性能をさらに改善する。本発明の実施形態は、再生式熱力学発電サイクル、例えば、超臨界CO₂ブレイトンサイクルのための代替構成に向けられる。本発明のいくつかの実施形態は、開示された熱力学発電サイクルを含むシステムを運転するシステムおよびプロセスを説明する。

特に、本発明の実施形態は、高温エキスパンダからの排流体流(または排気流)を排気流の再加熱後に第1の排気流と第2の排気流に分割することを可能にする再生式熱力学サイクルを対象としている。このシステムは、1つの圧縮機または複数の圧縮機を含むターボ圧縮機シャフトと、高圧エキスパンダおよび発電機を含むターボ発電機シャフトといった2つの分離したシャフトを備える。各シャフトは、第1の排気流または第2の排気流を受け入れるために高圧エキスパンダと流体連通している低圧エキスパンダをさらに備える。この構成または設計は、(以下詳細に説明されるように)、(i)2つのシャフトごとにバランスのとれた正味軸スラストをもたらし、(ii)圧縮機を駆動すために、ターボ圧縮機シャフトに配置された低圧エキスパンダに望ましい量の流体流を与え、(iii)排気流の流れを2つの並列なエキスパンダ(例えば、2つの低圧エキスパンダ)に分割し、それによって2つのエキスパンダのエーロフォイル空力負荷および機械的応力を減少させるという利点がある。

本発明のプロセスおよびシステムは、上記サイクル構成の例に限定されず、他のサイクル構成、例えば、単純再生式ブレイトンサイクル、ならびに作動流体が圧縮前に凝縮されるランキンサイクルおよび超臨界ランキンサイクルに適用可能であり得ることを理解されたい。

図2は、本発明の実施形態による再生式密閉ループ熱力学サイクルシステム100を示す。一実施形態では、システム100は、発電システムである。いくつかの特定の実施形態では、システム100は、超臨界ブレイトンサイクル発電システムを表す。いくつかの他の実施形態では、システム100は、超臨界ランキンサイクル発電システムを表す。これらの実施形態では、システム100は、例えば、膨張前にその超臨界圧力まで直接圧縮しその超臨界状態へ加熱することができる液体状態で比較的低い温度および低い圧力を有する作動流体を使用する。

いくつかの実施形態では、システム100は、閉サイクル流路内を流れる超臨界二酸化炭素などの超臨界作動流体を含む。CO₂についての臨界温度および臨界圧力は、約304°Kおよび7.3MPaである。いくつかの例では、作動流体は、CO₂の混合物、および少なくとも添加剤、例えばアルカン、ネオン、窒素、ヘリウムなどであり得る。混合物は、流体の臨界温度を所望の温度にさせるように選択することができ、これは、システムの周囲の環境、例えば周囲温度、日夜の温度範囲、システムの近くの湿度、および季節温度などに少なくとも一部基づいて選択することができる。

システム100は、高圧エキスパンダ102と、2つの低圧エキスパンダ、すなわち、第1の低圧エキスパンダ104および第2の低圧エキスパンダ106とを備える。2つの低圧エキスパンダ104および106の各々は、それぞれ、ターボ圧縮機シャフト122、およびターボ発電機シャフト118に配置されている。ターボ圧縮機シャフト122は、シャフト122を介して第1の低圧エキスパンダ104に結合されている加圧装置120をさらに備える。ターボ発電機シャフト118は、ターボ発電機シャフト118を介して第2の低圧エキスパンダ106に結合されている高圧エキスパンダ102と発電機116とをさらに備える。すなわち、例示の実施形態では、2つの低圧エキスパンダ104および106は、並列配置される。

本明細書中に使用されるとき、高圧エキスパンダ、および低圧エキスパンダは、互いに対して定められる。低圧エキスパンダの入口および出口における動作圧力範囲、すなわち、作動流体の圧力範囲は、高圧エキスパンダの入口および出口における動作圧力範囲、すなわち、作動流体の圧力範囲よりも低い。いくつかの例では、高圧エキスパンダは、作動流体の臨界圧力よりも上で、例えば約100バールから約300バールの間で動作し、低圧エキスパンダは、高圧エキスパンダの動作圧力範囲よりも下で、例えば約30バールから約200バールの間で動作する。

最初に、作動流体流137は、加圧装置120へ供給される。流体流137は、超臨界流体、例えば超臨界二酸化炭素でを含む。いくつかの実施形態では、加圧装置120は、1つまたは複数の圧縮機を備え、この圧縮機は、軸方向タイプ、径方向タイプ、またはレシプロタイプとすることができる。好ましくは、超臨界流体流137は、流体が(以下で論じられるように)流体の臨界温度および臨界圧力の近くにある温度および圧力まで膨張および冷却された後に第1の圧縮機124の入口(図示せず)に入り、第1の圧縮機124は、そのような流体流137を圧縮する。第1の圧縮機124の入口は、第3の排気流140および第4の排気流142が前置冷却器135を介して第1の圧縮機124の入口へ向けられるように、第1の低圧エキスパンダ104および第2の低圧エキスパンダ106の各々の出口に流体結合されている。圧縮後、加圧(すなわち、圧縮)かつ冷却された流体流125は、圧縮機124から出る。

加圧装置120は、ターボ圧縮機シャフト122を介して第1の圧縮機124に結合されている第2の圧縮機126をさらに備えることができる。第2の圧縮機126は、再圧縮機とも呼ばれ得る。再圧縮機は、通常、熱エネルギーが前置冷却器によって取り除かれる前に排流体流の一部分を圧縮するために使用される。第2の圧縮機126は、(流体流137よいも比較的高い温度で)流体流144を受け入れるように第1および第2の低圧エキスパンダ104および106の各々に流体結合されている。流体流144は、第1の低圧エキスパンダ104の出力と第2の低圧エキスパンダ106の出力、すなわち、第3の排気流140および第4の排気流142を含む。圧縮後、第2の圧縮機126は、第1の圧縮機124によって送出される圧縮流体流125よりも通常比較的高い温度である圧縮流体流127を送出する。

いくつかの他の実施形態では、例えば、ランキンサイクル、または超臨界ランキンサイクルでは、加圧装置120は、ポンプ、および復水器を備える。これらの実施形態では、作動流体流137は、その臨界圧力および臨界温度より下で、すなわち、その液体状態で加圧装置120へ供給される。いくつかの実施形態では、加圧装置120は、流体の臨界点よりも上の温度および圧力で加圧された流体流を送出する。

図2を参照すると、1つまたは複数の圧縮機120は、高圧エキスパンダ102へ圧縮流体流125および127を供給するように高圧エキスパンダ102に流体結合されている。例示のように、1つまたは複数の圧縮機120は、1つまたは複数の熱交換器群130を介して高圧エキスパンダ102に流体結合されている。1つまたは複数の熱交換器130は、第1の低圧エキスパンダ104からの第3の排気流140と、第2の低圧エキスパンダ106からの第4の排気流142とを受け入れるように、第1および第2の低圧エキスパンダ104および106の各々にさらに流体結合されている。一実施形態では、システム100は、第1の熱交換器132と、第2の熱交換器134とを備える。第1の熱交換器132は、第3および第4の排気流140および142から圧縮流体流125へ、すなわち第1の圧縮機124の出力へ熱を伝達するように構成され、それによって圧縮流体流125の温度を増加させる。

第2の熱交換器134は、高温回収熱交換器であり得る。第2の熱交換器134は、第3および第4の排気流140および142から第1の熱交換器132を通過した後の第1の圧縮機124からの圧縮流体流125と、第2の圧縮機126からの圧縮流体流127との組み合わせへ熱を伝達するように構成されている。これによって、第1の熱源138で受け入れられる前に組み合わされた圧縮流体流128の温度をさらに増加させ、それによって第1の熱源138が利用するエネルギー量を減少させて、流体の温度を高温エキスパンダ102へ供給するのに適したものにさせる。

他方で、第1の熱交換器132、および第2の熱交換器134は、流体流144および146が前置冷却器135および/または再圧縮機126で受け入れられる前に、低圧エキスパンダ104および106からの第3および第4の排気流140および142について温度を低下させる、すなわち冷却する。

第1の熱源138は、1つまたは複数の熱交換器群130と高圧エキスパンダ102の間で流体結合され、圧縮流体流125および127を含む組み合わされた圧縮流体流128に熱エネルギーを与え、加熱された圧縮流体流129を送出するように構成されている。

第1の熱源138から受け取った加熱された圧縮流体流129は、第1の熱源138によって与えられる熱エネルギーにより加熱された圧縮流体流129が膨張するように高圧エキスパンダ102の入口へ供給され、エキスパンダ102を駆動する。膨張後、排気流108、すなわち、エキスパンダ102の出力流体流は、高温のままであるが、エキスパンダ102の入口で受け取った流体流129よりも低い圧力を有する。

例示のように、排気流108は、導管110へ向けられる。導管110は、高圧エキスパンダ102に流体結合されており、排気流108を第1の排気流112と第2の排気流114に分割するように構成されている。分割前に、排気流108は、第2の熱源115にかけられる。第2の熱源115が、エキスパンダ102から排気流108を受け取り、導管110へ加熱された排気流109を送出するように、高圧エキスパンダ102と導管110の間に流体結合されている。したがって、第1のおよび第2の排気流112および114の各々の温度は、第2の熱源115が排気流108を再加熱するため、排気流108よりも高い。

一実施形態では、圧力調整弁(図示せず)が、第1の排気流112と第2の排気流114の流量比を制御するためにシステム100内に配置される。一実施形態では、圧力調整弁は、導管110に配置できる三方弁である。別の実施形態では、圧力調整弁は、第1の排気流112または第2の排気流114のいずれかで単独に動作する絞り弁である。流量比を制御することによって、第1の排気流112の所望の流れは、ターボ圧縮機シャフト122を駆動するために第1の低圧エキスパンダ104へ供給されて、1つまたは複数の圧縮機120の性能向上を達成することができる。圧縮機の性能向上は、システム100の全体効率を改善することができる。一実施形態では、流量比は、約30:70から約70:30の範囲である。公称設計動作状態における流量比は、第1の低圧エキスパンダ104が発生するシャフト出力と1つまたは複数の圧縮機120を動作させるのに必要な所望のシャフト出力とを適合させるように維持される。特定の一実施形態では、流量比は、約50:50で維持される。

第1の熱源138および第2の熱源115の各々は、任意の適した熱源とすることができ、化石燃料熱源、核熱源、地熱熱源、太陽熱熱源などを含み得るが、これらに限定されない。

本明細書中に使用されるとき、熱交換器、 例えば、図2の第1の熱交換器132および第2の熱交換器134は、2つの流体流を接触させることなく、すなわち、2つの流体流を組み合わせることなく2つの流体流の間で熱を交換するように構成される。この熱交換または熱伝達は、一般に、間接加熱として知られている。本明細書中に使用されるとき、熱交換器は、外部熱源である熱源と区別される。

例示のように、加熱された排気流の分割後、第1の排気流112および第2の排気流114は、ぞれぞれ、第1の低圧エキスパンダ104および第2の低圧エキスパンダ106へ向けられてさらに膨張し、これによって各エキスパンダ、および各シャフトを駆動する。出力流、すなわち、第1の低圧エキスパンダ104からの第3の排気流140と、第2の低圧エキスパンダ106からの第4の排気流142とは組み合わされ、組み合わされた流れの一部分、すなわち、流れ146は、前置冷却器135へ向けられる。前置冷却器135は、加圧装置120へ冷却および膨張した流体流137を供給するように加圧装置120にさらに流体結合されている。

一実施形態では、前置冷却器135は、流体の臨界温度の近くの熱を遮断する熱遮断器を備える。前置冷却器135は、液体冷却システム、乾式冷却システム等などの任意の適切な熱遮断器を備えることができる。

本明細書中に使用されるとき、用語「近く」は、特定された正確な値の少なくとも1%の範囲内にあることができる値を指す。一例では、「流体の臨界点の近く」、または「流体の臨界温度の近く」は、流体の臨界点の1%の範囲内にあることができる温度、圧力、または両方を指す。いくつかの実施形態では、温度、圧力、または両方は、流体の臨界点の5%の範囲内にあることができ、いくつかの実施形態では、10%の範囲内にあることができる。別の例では、「流体の臨界温度の近く」は、流体の臨界温度の3ケルビン度の範囲内にあることができる温度を指す。いくつかの実施形態では、温度は、流体の臨界温度の15ケルビン度の範囲内にあり、いくつかの実施形態では、10ケルビン度の範囲内にある。

本明細書中に使用されるとき、圧縮機およびエキスパンダは、それぞれ多段圧縮機および多段エキスパンダを含むことができる。当業界で知られているように、圧縮プロセスは、多段内で作動流体を圧縮することによって、すなわち多段圧縮を利用することによって実行することができ、膨張プロセスは、多段内で作動流体を膨張させることによって、すなわち多段膨張を利用することによって実行することができる。さらに、多段圧縮は、段の中間で流体を中間冷却してもしなくても利用することができ、多段膨張は、段の中間で流体を再加熱してもしなくても利用することができる。

排気流108を第1の排気流112と第2の排気流114に分割することによって、第1のおよび第2の低圧エキスパンダ104および106へ供給するように排気流108を分配する。この分配によって、エキスパンダの直列構成で達成することができるものよりも高い圧力比で、低圧エキスパンダ104および106へ流れる流体の量の減少をもたらす。この流れの構成は、高い段数を有するエキスパンダの短いエーロフォイル、エーロフォイルに対する低い空力負荷、および低いエーロフォイル付け根曲げ応力を有利にもたらす。エキスパンダ102および106を並列配置に位置決めすることによって、正味軸スラストのバランスをとることを可能にし、バランスピストンとそれに関連した漏れを有利になくすことができる。さらに、第1の排気流112と第2の排気流114の流量比は、2つのシャフトの速度を別々に制御する。典型的には、1つのシャフトを使用する従来の構成では、圧縮機の回転は、(出力タービンとも呼ばれ得る)エキスパンダの回転速度によって規制され、このことは通常、圧縮機の性能を制限する。本実施形態は、異なる速度を有する2つのシャフトの回転、特に、圧縮機の性能を最大化するのに望ましい速度を有するターボ圧縮機シャフトの回転を有利に可能にする。さらに、システム100の効率は、既存の再生式ブレイトンサイクル発電システムと比較して比較的高い。

特許請求の範囲に使用されるとき、単語『備える、含む(comprises)』およびその文法的バリエーションも、例えば、限定するものではないが、「から本質的になる(consisting essentially of)」、および「からなる(consisting of)」などの様々な異なる広がりのフレーズの範囲を論理的に定めるとともに含む。必要があれば、範囲が与えられ、これらの範囲は、その間にある全ての部分範囲を含むものである。これらの範囲のバリエーションは、それ自体を当業者に示唆し、まだ公衆に供されていない場合、それらのバリエーションは、可能な場合、添付の特許請求の範囲によって含まれると解釈されるべきことが期待されよう。科学技術の進歩によって、言語の不正確さのために現在考えられない均等物および代替物が可能になることも予期され、これらのバリエーションも、可能な場合、添付の特許請求の範囲によって含まれると解釈されるべきである。

10 再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システム、システム 11 シャフト 12 圧縮機 14 主圧縮機 15 エキスパンダ 16 再圧縮機 17 エキスパンダ 18 エキスパンダ 19 追加の熱源 20 第1の熱交換器 22 第2の熱交換器 24 前置冷却器 26 圧縮流体流、流体流 28 圧縮流体流、流体流 29 流体流 30 排気流 32 熱源 34 発電機 100 再生式密閉ループ熱力学サイクルシステム、システム 102 高圧エキスパンダ、高温エキスパンダ、エキスパンダ 104 第1の低圧エキスパンダ、低圧エキスパンダ 106 第2の低圧エキスパンダ、低圧エキスパンダ 108 排気流 109 加熱された排気流 110 導管 112 第1の排気流 114 第2の排気流 115 第2の熱源 116 発電機 118 ターボ発電機シャフト 120 加圧装置、圧縮機 122 ターボ圧縮機シャフト、シャフト 124 第1の圧縮機 125 加圧(すなわち、圧縮)かつ冷却された流体流,圧縮流体流 126 第2の圧縮機 127 圧縮流体流 128 組み合わされた圧縮流体流 129 加熱された圧縮流体流、流体流 130 熱交換器群 132 第1の熱交換器 134 第2の熱交換器 135 前置冷却器 137 超臨界流体流、流体流 138 第1の熱源 140 第3の排気流 142 第4の排気流 144 流体流 146 流れ