作動流体供給制御装置

本発明は、作動流体供給制御装置に係り、より詳細には、作動流体の流量および圧力を効率的かつ経済的に制御して発電サイクル内へ供給することができる作動流体供給制御装置に関する。

国際的に効率の良い電力生産に対する必要性がますます大きくなっており、公害物質の発生を減らすための動きがますます活発になるにつれ、公害物質の発生を低減しながら電力生産量を高めるためにさまざまな努力を傾けている。そのような努力の一環として、超臨界二酸化炭素を作動流体として用いる超臨界二酸化炭素発電システム(Power generation system using Supercritical CO₂)に関する研究開発が盛んに行われている。

超臨界状態の二酸化炭素は、液体状態と類似の密度、および気体と類似の粘性を同時に有するので、機器の小型化だけでなく、流体の圧縮および循環に必要な消費電力の最小化を図ることができる。さらに、超臨界状態の二酸化炭素は、臨界点が摂氏31.4度、72.8気圧であって、臨界点が摂氏373.95度、217.7気圧である水よりも非常に低いため、取り扱いが容易であるという利点がある。

また、超臨界二酸化炭素発電システムは、発電に使用された二酸化炭素を外部へ排出しない閉サイクル(close cycle)で運営される場合がほとんどであるため、国別公害物質の排出減少に大きく役立つことができる。

一般に、超臨界二酸化炭素発電システムは、発電に使用された二酸化炭素を外部へ排出しない閉サイクル(close cycle)をなし、作動流体として超臨界状態の二酸化炭素を用いる。

作動流体は、発電サイクル内へ注入されてターボ機器を駆動させる発電用と、ターボ機器のベアリング潤滑およびシーリングのためのターボ機器用の二つの目的でサイクル内へ供給される。作動流体の供給方法の一例が米国特許登録第8281593号に開示されている。

前述した先行文献に開示されている作動流体の充電システムは、貯蔵タンクに貯蔵された作動流体を高圧用ピストンポンプを用いてサイクルの内部およびターボマシンへ供給する方式である。また、作動流体の流量制御および圧縮機の入出口の圧力制御のためにマスコントロールタンク(mass control tank)が備えられる。マスコントロールタンクはインベントリタンク(Inventory tank)とも呼ばれる。一般に、マスコントロールタンクは、圧縮機の出口高圧ラインとプレクーラー(precooler)の入口低圧ラインに接続されるように設置される。圧縮機の出口圧力が増加するとき、高圧バルブを開いて流量の一部をマスコントロールタンクへ送って圧力を減少させることができる。圧縮機の入口圧力が減少するときに低圧バルブを開いてマスコントロールタンクの一部の流量を圧縮機の入口ラインへ送って圧力を増加させることができる。

よって、マスコントロールタンクは、圧縮機の出口高圧ラインに接続されるので、高圧に耐えられる高価な材質および部品で構成されることが不可欠なので、コストが高く、経済性に劣るという問題がある。

米国特許登録第8281593号(2012年10月9日登録)

本発明の目的は、作動流体の流量および圧力を効率的かつ経済的に制御して発電サイクル内へ供給することができる作動流体供給制御装置を提供することにある。

本発明の作動流体供給制御装置は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機へ供給される作動流体を冷却するプレクーラーが備えられたた発電サイクルへ作動流体を供給するための作動流体供給制御装置において、前記発電サイクルへ供給される前記作動流体を貯蔵する貯蔵タンクと、前記プレクーラーと前記圧縮機との間に配置され、前記作動流体が流動または一時貯蔵されるフローテーションタンク(floatation tank)とを含み、前記圧縮機の入口および前記プレクーラーの出口の圧力に応じて前記フローテーションタンク内の圧力および前記作動流体の流量が制御されることを特徴とする。

前記貯蔵タンクと前記フローテーションタンクとの間に備えられ、前記貯蔵タンクから前記作動流体を前記フローテーションタンクへ供給する供給ポンプと、前記貯蔵タンクと前記フローテーションタンクとの間に備えられ、前記フローテーションタンクから前記作動流体を前記貯蔵タンクへ排出するための制御弁とをさらに含む。

前記フローテーションタンクは、ピストン蓄圧器(accumulator)タイプのタンクであることを特徴とする。

前記フローテーションタンクは、前記作動流体が流入するタンク本体と、前記タンク本体の内部に設置され、外部から供給される制御用流体によって昇降するピストンとを含む。

前記フローテーションタンクは、前記タンク本体の下端に備えられ、前記制御用流体が流入する制御流体流入部と、前記タンク本体の一側に備えられ、前記供給ポンプから前記作動流体が流入する第1入口と、前記タンク本体の他側に備えられ、前記制御弁へ前記作動流体が排出される第1出口とをさらに含む。

前記フローテーションタンクは、前記タンク本体の上部に備えられ、前記プレクーラーから前記作動流体が流入する第2入口と、前記タンク本体の上部に備えられ、前記圧縮機へ前記作動流体が排出される第2出口とをさらに含む。

前記プレクーラーの後段での圧力P₁または前記圧縮機の前段での圧力P₂が高くなる場合には、前記制御流体流入部へ前記制御用流体が供給され、前記制御弁を開放して前記第1出口を介して前記フローテーションタンク内の作動流体を前記貯蔵タンクへ排出することを特徴とする。

前記制御用流体の供給および前記貯蔵タンクへの前記作動流体の排出は、前記ピストンの高さが設定値に対応する高さに到達するまで行われることを特徴とする。

前記プレクーラーの後段での圧力P₁または前記圧縮機の前段での圧力P₂が低くなる場合、前記供給ポンプを作動させて前記第1入口を介して前記フローテーションタンク内へ前記作動流体を供給することを特徴とする。

前記フローテーションタンク内への前記作動流体の供給は、前記ピストンの高さが設定値に対応する高さに到達するまで行われることを特徴とする。

また、本発明は、作動流体を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機へ供給される作動流体を冷却するプレクーラーが備えられた発電サイクルへ作動流体を供給するための作動流体供給制御装置において、前記発電サイクルへ供給される前記作動流体を貯蔵する貯蔵タンクと、前記圧縮機の入口低圧ラインに配置され、前記作動流体が流動または一時貯蔵されるフローテーションタンクと、前記貯蔵タンクと前記フローテーションタンクとの間に備えられ、前記貯蔵タンクから前記作動流体を前記フローテーションタンクへ供給する供給ポンプと、前記貯蔵タンクと前記フローテーションタンクとの間に備えられ、前記フローテーションタンクから前記作動流体を前記貯蔵タンクへ排出するための制御弁とを含んでなる、作動流体供給制御装置を提供することができる。

前記プレクーラーの出口または前記圧縮機の入口の圧力が高くなると、前記フローテーションタンクから前記作動流体を前記貯蔵タンクへ排出し、前記プレクーラーの出口または前記圧縮機の入口の圧力が低くなると、前記貯蔵タンクから前記フローテーションタンクへ前記作動流体を供給することを特徴とする。

前記フローテーションタンクは、ピストン蓄圧器(accumulator)タイプのタンクであることを特徴とする。

前記フローテーションタンクは、前記作動流体が流入するタンク本体と、前記タンク本体の内部に設置され、外部から供給される制御用流体によって昇降するピストンとを含む。

前記フローテーションタンクは、前記タンク本体の下端に備えられ、前記制御用流体が流入する制御流体流入部と、前記タンク本体の一側に備えられ、前記供給ポンプから前記作動流体が流入する第1入口と、前記タンク本体の他側に備えられ、前記制御弁へ前記作動流体が排出される第1出口とをさらに含む。

前記フローテーションタンクは、前記タンク本体の上部に備えられ、前記プレクーラーから前記作動流体が流入する第2入口と、前記タンク本体の上部に備えられ、前記圧縮機へ前記作動流体が排出される第2出口とをさらに含む。

前記プレクーラーの後段での圧力P₁または前記圧縮機の前段での圧力P₂が高くなる場合、前記制御流体流入部へ前記制御用流体が供給され、前記制御弁を開放して前記第1出口を介して前記フローテーションタンク内の作動流体を前記貯蔵タンクへ排出することを特徴とする。

前記制御用流体の供給および前記貯蔵タンクへの前記作動流体の排出は、前記ピストンの高さが設定値に対応する高さに到達するまで行われることを特徴とする。

前記プレクーラーの後段での圧力P₁または前記圧縮機の前段での圧力P₂が低くなる場合、前記供給ポンプを作動させて前記第1入口を介して前記フローテーションタンク内へ前記作動流体を供給することを特徴とする。

前記フローテーションタンク内への前記作動流体の供給は、前記ピストンの高さが設定値に対応する高さに到達するまで行われることを特徴とする。

本発明の一実施形態に係る作動流体供給制御装置は、高価のインベントリタンクを使用しなくても圧縮機の入出口の圧力を制御することができ、作動流体の流量を効率よく制御することができるので、サイクル構成の費用を削減して経済性の向上を図るという効果がある。

本発明の一実施形態に係る作動流体供給制御装置が適用された発電サイクルの一例を示す模式図である。

図1による作動流体供給制御装置の一例を示す模式図である。

図2による作動流体供給制御装置の作動状態を示す模式図である。

図2による作動流体供給制御装置の作動状態を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る作動流体供給制御装置について詳細に説明する。

一般に、超臨界二酸化炭素発電システムは、発電に使用された二酸化炭素を外部へ排出しない閉サイクル(close cycle)をなし、作動流体として超臨界状態の二酸化炭素を用いる。

超臨界二酸化炭素発電システムは、作動流体が超臨界状態の二酸化炭素であるので、火力発電所などから排出される排気ガスを用いることができるため、単独発電システムだけでなく、火力発電システムとのハイブリッド発電システムにも使用できる。超臨界二酸化炭素発電システムの作動流体は、排気ガスから二酸化炭素を分離して供給してもよく、別途の二酸化炭素を供給してもよい。

サイクル内の超臨界二酸化炭素(以下、「作動流体」という)は、圧縮機を通過した後、ヒーターなどの熱源を通過しながら加熱されて高温高圧の作動流体になってタービンを駆動させる。タービンには発電機またはポンプが接続され、発電機に接続されたタービンによって電力を生産し、ポンプに接続されたタービンを用いてポンプを駆動する。タービンを通過した作動流体は熱交換器を経て冷却され、冷却された作動流体は再び圧縮機へ供給されてサイクル内を循環する。タービンまたは熱交換器は複数個が備えられてもよい。

本発明の様々な実施形態に係る超臨界二酸化炭素発電システムは、サイクル内で流動する作動流体の全てが超臨界状態であるシステムだけでなく、作動流体の大部分が超臨界状態であり且つ残りは亜臨界状態であるシステムも含む意味で使用される。

また、本発明の様々な実施形態において、作動流体として二酸化炭素が用いられるが、ここで、二酸化炭素とは、化学的な意味で純粋な二酸化炭素、一般な観点からみて不純物が多少含まれている状態の二酸化炭素、および二酸化炭素に1種以上の流体が添加物として混合されている状態の流体も含む意味で使用される。

図1は本発明の一実施形態に係る作動流体供給制御装置が適用された発電サイクルの一例を示す模式図である。

図1に示すように、作動流体供給制御装置が適用された発電サイクルは、一つのタービンと、複数のレキュペレータ(recuperator)200と、複数の外部熱交換器300とを備えた超臨界二酸化炭素の発電サイクルであり得る。

本発明の各構成は、作動流体が流れる移送管によって接続され、特に言及しなくても、作動流体は移送管に沿って流動するものと理解されるべきである。ただし、複数の構成が一体化されている場合には、一体化された構成内に実質的に移送管の役目をする部品または領域があるので、この場合にも、当然、作動流体は移送管に沿って流動するものと理解されるべきである(本発明において、移送管は括弧内の数字で表記する)。

作動流体供給制御装置を介してサイクル内へ供給された作動流体は、圧縮機100で高圧に圧縮され、一部はレキュペレータ200に分岐し、一部は外部の熱交換器300に分岐する。

レキュペレータ200は第1レキュペレータ210および第2レキュペレータ230から構成され、これらのレキュペレータは直列に配置され、第1レキュペレータ210を通過した作動流体が第2レキュペレータ230に順次流入する。タービン400を通過した作動流体が第1レキュペレータ210に先に流入するので、第1レキュペレータ210は第2レキュペレータ230に比べて相対的に高温の作動流体と熱交換をする。

外部熱交換器300は、第1熱交換器310および第2熱交換器330から構成される。第1および第2熱交換器310、330は、発電所のボイラーから排出される排気ガスのように廃熱を持つ気体(以下「廃熱気体」という)を熱源として用い、廃熱気体とサイクル内を循環する作動流体との熱交換によって、廃熱気体から供給された熱で作動流体を加熱する役目をする。

複数の熱交換器300が備えられる場合、廃熱気体の温度に応じて相対的に低温、中温、高温などに区分することができる。つまり、熱交換器は、廃熱気体が流入する入口端側に近いほど高温での熱交換が可能であり、廃熱気体が排出される出口端側に近いほど低温での熱交換が行われる。

本実施形態において、第1熱交換器310は、第2熱交換器330に比べて相対的に高温または中来の廃熱気体を用いる熱交換器であり、第2熱交換器330は、相対的に中温または低温の廃熱気体を用いる熱交換器であり得る。つまり、廃熱気体が流入する入口端から排出端側へ第1熱交換器310、第2熱交換器330が順次配置されたことを例にして説明する。

前述したように、圧縮機100を経た作動流体の一部は、第2レキュペレータ230へ送られ、第1レキュペレータ210を経た作動流体と熱交換して1次に加熱された後、第1レキュペレータ210へ送られ、タービン400を経た作動流体と熱交換して加熱される。その後、第1熱交換器310の前段へ移送される。

圧縮機100を経た作動流体の一部は、第2熱交換器330へ送られて廃熱気体と熱交換して1次に加熱された後、加熱された作動流体と第1レキュペレータ210で混合されて第1熱交換器310へ送られる。第1熱交換器310で加熱された作動流体はタービン400へ供給される。

タービン400は作動流体によって駆動され、タービン400には発電機(図示せず)が接続され、タービンによって電力を生産することができる。タービン400を通過しながら作動流体が膨張するので、タービン400は膨張機(expander)の役目もする。タービン400を経た作動流体は第1レキュペレータ210へ移送される。

圧縮機100を通過した作動流体と第1レキュペレータ210および第2レキュペレータ230で熱交換して冷却された作動流体は、プレクーラー50へ移送される。

プレクーラー50は、空気または冷却水を冷媒として用いて、レキュペレータ200を通過して1次に冷却された作動流体を2次冷却する。プレクーラー50を経て冷却された作動流体は、フローテーションタンク(flotation tank)500を経て圧縮機100へ供給される。

圧縮機100へ作動流体を供給するための作動流体供給制御装置は、前述したプレクーラー50と圧縮機100との間に配置されるフローテーションタンク500と、作動流体の貯蔵のための貯蔵タンク10と、貯蔵タンク10から作動流体をフローテーションタンク500へ供給する供給ポンプ20と、フローテーションタンク500の作動流体を貯蔵タンク10へ排出するための制御バルブ30とを含んで構成される。

貯蔵タンク10は、サイクル全体に必要な作動流体の流量を貯蔵および供給することができる大容量貯蔵器であって、少なくともサイクル初期駆動の際に必要な作動流体の量を貯蔵することができる程度の大きさを持つ。貯蔵タンク10は、サイクル内で作動流体の一部流量を抜き出すときにも使用されるので、サイクルの総作動流体の流量よりも大きい流量を貯蔵することができるものが望ましい。貯蔵タンク10からフローテーションタンク500へ供給される作動流体の圧力は、供給ポンプ20によって1次に昇圧し、フローテーションタンク500内で2次に制御されて圧縮機100へ供給できる。

フローテーションタンク500は、圧縮機100の入口端に設置されるので、圧縮機100の入口の圧力変化に対するバッファ作用をする。よって、圧縮機100の入口の圧力制御はフローテーションタンク500によって自動的に制御できる。

圧縮機100の入口の圧力変化に対するバッファ作用は、フローテーションタンク500内の圧力変化に対するバッファ作用によって行われる。このために、フローテーションタンク500は、ピストン蓄圧器(accumulator)タイプのタンクとして備えられることが好ましい。フローテーションタンク500の最大許容流量(flow rate)は、例えば215L/secであり得る。ピストン蓄圧器タイプのタンクは制御反応の応答速度および反応時間が非常に速いという利点がある。

フローテーションタンク500が圧縮機100の入口端に設置されるので、圧縮される以前の作動流体を一時貯蔵または流動させる。よって、フローテーションタンク500は、サイクル内の低圧ラインに位置し、従来のインベントリタンクのように高圧に耐えられる高価な材質および部品を必要としないため、経済的なサイクル構成が可能であるという利点がある。

貯蔵タンク10は、サイクル全体で必要とする作動流体の流量を貯蔵することができる程度の最小サイズを有しなければならないが、これに対し、フローテーションタンク500は、圧力バッファ機能のために全体サイクル流量の1/3程度の作動流体を貯蔵することができれば十分である。よって、従来のインベントリタンクに比べて1/3までフローテーションタンク500の大きさを縮小することができるので、サイクル構成費用を削減することができるという効果がある。

次に、フローテーションタンク500の圧力バッファ機能について詳細に説明する。

図2は図1による作動流体供給制御装置の一例を示す模式図、図3および図4は図2による作動流体供給制御装置の作動状態を示す模式図である。

図2に示すように、フローテーションタンク500は、タンク本体510と、タンク本体510の内部に設置されたピストン530と、タンク本体510の下端に設けられ、ピストン530を昇降させるピストン位置制御用流体が流入する制御流体流入部510aと、タンク本体510の一側に備えられ、供給ポンプ20から作動流体が流入する第1入口512と、タンク本体510の他側に備えられ、制御弁30へ作動流体が排出される第1出口514とを含んでなる。また、第1入口512および第1出口514から離隔しているタンク本体510の上部には、プレクーラー50から作動流体が流入する第2入口516と、第2入口516から離隔して位置し、圧縮機100へ作動流体が排出される第2出口518とが備えられる。

図2において、P₁はプレクーラー50の後段での圧力を示し、P₂は圧縮機100の前段での圧力を示し、P_Sはフローテーションタンク500内の圧力を示す。また、F₁は、ピストン530の位置を制御するための制御流体の流量を示す(サイクル内へ供給される作動流体とは別個の流体であり、超臨界二酸化炭素ではなく、他の作動流体が使用できる)。H_Sはフローテーションタンク500内の設定ポイントによるピストン530の高さを示し、H_Aはフローテーションタンク500内の圧力変化によるピストン530の高さを示す。P_SおよびH_Sは、サイクルの設計の際に、予め設定された設定値にセットされ、圧力変化に応じてフローテーションタンク500内で前記設定値が維持されるように制御される。次に、以上説明した内容を参照して、圧力変化に応じたフローテーションタンク500の制御方法について詳細に説明する。

図3に示すように、P₁が高くなる場合が発生することがある。

P₁が上昇すると、フローテーションタンク500内でピストン530の高さがH_SからH_Aに下降する。このとき、フローテーションタンク500内の設定高さH_Sまでピストン530を上昇させるとともに、基準圧力P_Sを維持させるためにF₁の流量で制御流体を注入させる。これと同時に、制御弁30を開いてフローテーションタンク500内の一部作動流体の流量を排出して貯蔵タンク10へ送る。このような過程によって、P_SおよびH_Sが設定値に維持されるとき、制御弁30を閉じてフローテーションタンク500からの作動流体の排出を中止するとともに、F₁流量での制御流体注入を中止する。このとき、供給ポンプ20は駆動されない。

一方、P₂が高くなる場合が発生しても、図3に示すように、ピストン530がH_Aの高さに下降することができる。この場合にも、フローテーションタンク500内でピストン530の高さがH_SからH_Aに下降する。したがって、F₁で制御流体を注入して基準圧力P_Sを維持し、H_Sまでピストン530を上昇させることができるように、制御弁30を開いてフローテーションタンク500内の一部の作動流体を貯蔵タンク10へ排出する。P_SおよびH_Sが設定値に維持されるとき、制御弁30を閉じてフローテーションタンク500からの作動流体の排出を中止するとともに、F₁流量での制御流体注入を中止する。

逆に、図4に示すように、P₁が低くなる場合が発生することがある。

P₁が減少すると、フローテーションタンク500内でピストン530の高さがH_SからH_Aに上昇する。このとき、フローテーションタンク500内の設定高さH_Sまでピストン530を下降させるとともに、基準圧力P_Sを維持させるために供給ポンプ20を作動させてフローテーションタンク500内に作動流体の流量を補充する。このような過程によってP_SおよびH_Sが設定値になると、供給ポンプ20を停止させてフローテーションタンク500への作動流体の供給を中止することでP_SおよびH_Sを維持する。この際、制御弁30は駆動されず、ピストン530の位置設定のための制御流体も供給されない。

また、P₂が低くなる場合が発生しても、図4に示すように、ピストン530がH_Aの高さに上昇することができる。よって、フローテーションタンク500内の設定高さH_Sまでピストン530を下降させるとともに、基準圧力P_Sを維持させるために供給ポンプ20を作動させてフローテーションタンク500内への作動流体の流量を補充する。このような過程によってP_SおよびH_Sが設定値になると、供給ポンプ20を停止させてフローテーションタンク500への作動流体の供給を中止することでP_SおよびH_Sを維持する。

前述したように、圧縮機の入口およびプレクーラーの出口の圧力変化に応じてフローテーションタンク内の圧力および作動流体の流量が可変するので、フローテーションタンク内の圧力およびピストンの高さが一定の設定値に維持できる。このようにフローテーションタンクが圧縮機の入口の圧力変化に応じたバッファの役目をするので、別途の圧力制御が必要とされないため、従来のインベントリタンクのような高価な材質および部品を使用しなくてもよいので、サイクル構成費用が削減されるという効果がある。また、フローテーションタンクのみで作動流体の流量を効率よく制御することができ、圧縮機の入出口の圧力を制御することができるため、サイクル構成費用の削減および経済性の向上を図るという効果がある。

以上で説明され且つ図面に示された本発明の一実施形態は、本発明の技術的思想を限定するものと解釈されてはならない。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項によってのみ制限される。本発明の技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想を様々な形態に改良および変更することが可能である。よって、それらの改良および変更も、通常の知識を有する者に自明なことである限り、本発明の権利範囲に属するといえる。

10 貯蔵タンク 20 供給ポンプ 30 制御弁 50 プレクーラー 100 圧縮機 200 レキュペレータ 300 熱交換器 400 タービン 500 フローテーションタンク