JP6283185B2 - 機械駆動用途の有機ランキンサイクル - Google Patents

Description

本明細書に開示の主題の実施形態は、概して熱回収による機械的動力生成システムに関する。

一般的な水蒸気ランキンサイクルの代替手段として、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）が廃熱回収プロセスに用いられており、これを用いて発電機を駆動させることで、ひいては廃熱を有用な電気エネルギーへと変換する。

図１は、電気エネルギー生成用複合ガスタービンＯＲＣサイクルを示す。有機ランキンサイクルを用いて、ガスタービン排気から廃熱を回収し、ダブル閉ループシステムを用いてこれを電気エネルギーへと変換する。参照符号１０１は、（例えば、１０２で概略的に示す発電機の原動機として使用される）ガスタービンを示す。ガスタービン１０１の排気燃焼ガスは、熱交換器１０３で冷却され、第１の閉ループ１０４を用いてこの排気燃焼ガスから熱が抽出される。第１の閉ループ１０４では、ガスタービン１０１から放出された熱を第２の閉ループ１０５で循環する流体へと伝達する伝熱流体として、ダイアサーミックオイルを使用する。第１の閉ループ１０４は、ポンプ１０６と、直列配置された３つの熱交換器１０７、１０８、及び１０８ａを有し、ここで、ダイアサーミックオイルから第２の閉ループ１０５で循環する流体へと熱が伝達される。

第２の閉ループ１０５は、ランキン方式に基づく熱力学的サイクルであり、作動流体が、（例えば、シクロペンタン、又は適当な特性を備えた冷媒流体等の）有機流体、特に重炭化水素である。

第２の閉ループ１０５を循環する作動流体は、直列配置された３つの熱交換器１０８ａ、１０８、及び１０７においてそれぞれ加熱、蒸発、及び過熱され、ターボエキスパンダ１０９で膨張する。流体の熱力学的特性によって乾式膨張が可能になる（即ち、ターボエキスパンダ１０９の排気側の流体は、まだ気体の状態である）。レキュペレータ１１０が、ターボエキスパンダ１０９の下流に配置されている。レキュペレータ１１０では、高温の膨張後の流体が、復水器１１２で膨張後の流体を液化して得た低温の高圧液体と熱を交換し、その後、ポンプ１１３を用いてこの凝縮液を熱力学的サイクルの所望の更なる高圧でポンピングする。ポンプ１１３から送達された液体は、レキュペレータ１１０の後、予熱器、蒸発器、及びこのループを閉じる熱交換器１０８ａ、１０８、１０７を介してポンピングされる。

ターボエキスパンダ１０９は、発電機１１５に機械的に結合されており、発電機１１５では、ターボエキスパンダ１０９の出力シャフトで得られる機械的動力を電力へと変換する。

この２つの閉ループを循環するダイアサーミックオイルと有機流体によって、低温熱源を効率的に活用して幅広い動力出力にわたる電気エネルギーを生成できる。

本開示の実施形態は、機械的動力を生成するための複合熱力学的システムを提供する。本システムは、ガスタービンと、ガスタービンによって駆動されるターボ機械と、ターボエキスパンダを含む熱力学的有機ランキンサイクルと、ガスタービンの排気燃焼ガスから熱力学的有機ランキンサイクルへと熱を伝達するための熱伝達装置と、ターボエキスパンダによって駆動される被駆動ターボ機関とを備える。有利には、このターボエキスパンダは、一体ギヤ式多段ターボエキスパンダである。幾つかの実施形態では、ガスタービンと有機ランキンサイクルのターボエキスパンダとによって駆動されるターボ機械が、各々、１つ以上のコンプレッサ（例えば、遠心コンプレッサ又はコンプレッサトレイン）を有する。

この熱力学的サイクルは両方とも、機械駆動目的に用いられる。本システムは、有利には設備内で用いられ、１つ以上のターボ機関の駆動に必要なのは機械的動力である。電力の生成は不要であって便法ではない。有機ランキンサイクルの使用によって、本システムは、水が使用できないか又は水蒸気ランキンサイクルを稼働させるには水が不十分な場合の、現地での使用に特に好適となる。

本システムは、石油−ガスプラント及び設備で使用可能である。例えば、ガスタービンとターボエキスパンダを、パイプライン圧縮ステーション又は天然ガス液化システムのコンプレッサの駆動に使用できる。

更なる態様によると、本開示は、機械的動力の生成及びターボ機械の駆動方法にも関する。本方法は、ガスタービンを準備するステップと、ガスタービンを用いて機械的動力を生成し、これによってターボ機械を駆動させるステップと、ガスタービンの排気燃焼ガスから有機ランキンサイクルへと熱を伝達させるステップと、有機ランキンサイクルを用いて多段一体ギヤ式多段ターボエキスパンダによって機械的動力を生成し、この機械的動力によってターボ機関を駆動させるステップとを含む。

本明細書では、以下に特徴及び実施形態を開示し、添付の特許請求の範囲においても記載するが、これらは本明細書の一体的部分を構成するものである。上記の概要では、本発明の様々な実施形態の特徴を記載し、これに続く詳細な説明の理解が深まるように、また、当該技術分野への本発明の貢献がよくわかるようになっている。勿論、本発明のその他の特徴も、以下に説明されており、添付の特許請求の範囲に記載されている。この点において、本発明の様々な実施形態を詳説する前に、本発明の様々な実施形態は、その用途が以下の説明又は図面に記載されている構造の詳細及び部品の配置に限られることはない。本発明には、その他の実施形態も可能であり、本発明を様々な方法で実施及び実行できる。また、本明細書の用語及び表現は、説明目的で用いられているのであって、限定目的であるとみなされるべきではないことを理解されたい。

このように、本開示の基礎を成す概念を、本発明の幾つかの目的を達成するその他の構成、方法、及び／又はシステムの設計の基盤として容易に利用できることを、当業者であれば理解できよう。したがって、特許請求の範囲は、こうした等価の構成が本発明の精神及び範囲から逸脱しない限り、これらを包含するとみなすことが重要である。

以下の詳細な説明を添付図面に関連して検討すると、これを参照することによって、本発明の開示の実施形態のより全面的な理解と付随する多くの利点の理解が深まるので、これらをより容易に得ることができよう。

先行技術に係る複合ガスタービンＯＲＣシステムを示す図である。 本開示に係る、機械駆動用の複合ガスタービンＯＲＣシステムを示す図である。 ２段式ターボエキスパンダの主な機構の略図である。 ２段式ターボエキスパンダの主な機構の略図である。

以下の実施例の詳細な説明では添付図面を参照する。別図面の同じ参照番号は、同一又は同様の要素を示す。加えて、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていない。また、下記の詳細な説明が本発明を限定することはない。寧ろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書を通じて「一実施形態」又は「一実施例」又は「幾つかの実施形態」とは、或る実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、又は特性が、開示されている主題の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。したがって、本明細書の様々な箇所で見られる「一実施形態では」又は「一実施例では」又は「幾つかの実施形態では」という表現は、必ずしも同一の実施形態について言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性を１つ以上の実施形態において、如何様にも適当に組み合わせることができる。

図２を参照すると、参照番号１が、負荷２を駆動させるガスタービンを示している。幾つかの実施形態では、負荷がコンプレッサ又はコンプレッサトレインである。例えば、ガスタービン１を用いて天然ガス液化設備又はパイプライン圧縮ステーションの１つ以上のコンプレッサを駆動させる。幾つかの実施形態では、ガスタービン１がヘビーデューティタービンである。別の実施形態では、ガスタービン１が、航空転用型ガスタービンである。

ガスタービン１は、高温の燃焼ガスを生成する。本明細書で以下に開示する有機ランキンサイクルを用いて、燃焼ガスに含まれる廃熱を少なくとも部分的に回収した後、燃焼ガスを大気中に放出する。

熱回収の目的で、図２の実施例では、燃焼ガスが熱回収交換器３を通過した後、大気中に放出される。

第１の閉ループ４を用いて熱交換器３から熱を除去して、これを第２の閉ループ５へと搬送する。第１の閉ループ４では、伝熱流体（例えば、ダイアサーミックオイル）を用いて、燃焼ガスから除去した熱を第２の閉ループ５へと搬送する。参照番号６は、第１の閉ループ４の循環ポンプを示している。

第２の閉ループ５は熱力学的サイクルで、より具体的には有機ランキンサイクルである。第２の閉ループ５を循環するプロセス流体が、凝縮、ポンピング、加熱、蒸発、過熱、膨張を含む熱力学的変換を受けて、熱エネルギーが機械的エネルギーへと変換される。適当な作動流体（例えば、シクロペンタン、又は有機ランキンサイクルで使用可能なその他適当な有機流体）が、第２の閉ループ５を循環している。

幾つかの実施例では、第２の閉ループ５が、循環ポンプ７、予熱器９ａ、蒸発器９、過熱器１１、ターボエキスパンダ１３、レキュペレータ１５、及び復水器１７を有する。当業者には周知のように、膨張容器等の追加部品がこの回路に存在してもよい。

まず、第２の閉ループ５を循環する液状の作動流体が循環ポンプ７によって高い圧力レベルでポンピングされる。第１の閉ループ４を循環する流体により回収された熱によって、加圧流体が予熱器９ａ、蒸発器９、及び過熱器１１で加熱される。熱交換器の数及び配置が異なっていてもよく、例えば、熱交換器、加熱器、及び過熱器がそれぞれ２基だけでもよい。

過熱器１１の出口では、第２の閉ループ５を循環する作動流体が、過熱され、ガス状で、高圧の状態になっている。この高圧の過熱された作動流体は、その後、ターボエキスパンダ１３で膨張する。第２の低い圧力レベルでターボエキスパンダ１３を出た排気流体は、レキュペレータ１５を通過して、最後には復水器１７で凝縮される。この凝縮は、例えば凝縮作動流体と外気（又は水）との熱交換によって行われる。

レキュペレータ１５では、ターボエキスパンダ１３を出た膨張した流体が保有する低温の熱を、循環ポンプ７によって送達された液状で冷温の加圧流体と交換する。

図２に示す実施例では、ターボエキスパンダ１３を、負荷を駆動させるメカニカルドライブとして使用している。ターボエキスパンダ１３は、機械式トランスミッション１９によって被駆動ターボ機関２１に機械的に結合される。例えば、被駆動ターボ機関２１は、コンプレッサ（例えば、遠心コンプレッサ又はアキシャルコンプレッサ）である。別の実施形態では、ターボ機関２１が、ポンプ又はその他被駆動ターボ機関である。

幾つかの実施形態では、図示しないが、第１の閉ループ４を省いてもよい。この場合、ガスタービン排気から有機ランキンサイクルへと直接、熱伝達が行われる。加熱器９及び過熱器１１を、熱交換器３に組み込んでもよい。設備が更にコンパクトになり、熱損失が減少し、システムの全体効率が向上する。

幾つかの実施形態では、ターボエキスパンダ１３が、一体ギヤ式の多段式ターボエキスパンダである。図２では、ターボエキスパンダ１３が、一体ギヤ式の２段式ターボエキスパンダとして示されている。

ガスタービン１から排出される燃焼ガスが保有する熱の一部が、こうして有用な機械的動力へと変換されることで、システムの全体効率及びシステムによって生成される全体的な機械的動力が増大する。

以上に説明した、ガスタービン設備の効率を向上させる熱回収システムでは、ガスタービンの高温の燃焼ガスは、冷却された後で大気中に放出される。燃焼ガスの温度範囲は、有機ランキンサイクルを用いて熱を機械的動力へと変換するために適当なものである。熱力学的サイクルは水を必要としないので、水が使用できない場合及び一般的な蒸気サイクルが使用できなかった場合にも、使用可能である。

被駆動ターボ機関２１（例えば遠心コンプレッサ）は、例えばＬＮＧシステムにおける冷媒流体の処理又はパイプラインにおけるガスの転送に使用可能である。

図３及び図４は、図２のＯＲＣサイクル５で使用可能な２段式ターボエキスパンダ１３の主な機構を概略的に示す。ターボエキスパンダ１３は、第１の高圧段１３Ａと第２の低圧段１３Ｂを有する。作動流体がターボエキスパンダ１３の第１の高圧段１３Ａに流入し、この第１のターボエキスパンダ段１３Ａを出ると、パイプ２４を介してターボエキスパンダ１３の第２の低圧段１３Ｂの入口へと送達される。

２段式ターボエキスパンダ１３と被駆動ターボ機関２１の間には、機械式トランスミッション１９が設けられる。

図３の実施例では、機械式トランスミッション１９が、２つの駆動入口シャフトと１つの被駆動出口シャフトを備えたギヤボックス２０を有する。駆動入口シャフトは、一体ギヤ式多段ターボエキスパンダ１３のシャフトである。出口シャフトは、被駆動ターボ機関２１のシャフトに接続される。参照番号３１Ａは、ターボエキスパンダ１３の第１の高圧段１３Ａの第１のインペラが結合された第１の入口シャフトを示している。第１の入口シャフト３１Ａは、したがって、ターボエキスパンダ１３の第１の高圧段１３Ａのインペラの回転速度で回転する。ターボエキスパンダ１３の第２の低圧段１３Ｂのインペラは、第２の入口シャフト３１Ｂに結合されており、この第２の入口シャフト３１Ｂは、ターボエキスパンダ１３の第２の低圧段１３Ｂのインペラの回転速度で回転する。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った正面図における機械式トランスミッション１９の略図であり、図４から最もよくわかるように、ギヤボックス２０は、第１の入口シャフト３１Ａに取り付けられた第１のギヤ３３Ａと、第２の入口シャフト３１Ｂに取り付けられた第２のギヤ３３Ｂを有する。この２つのギヤ３３Ａ及び３３Ｂは、中央の冠歯車３４と噛合する。ギヤボックス２０の第３のギヤ３３Ｃが、（例えばジョイント２２を介して）被駆動ターボ機関２１のシャフトに結合された、出力シャフト１９Ａに取り付けられている。

第１、第２、及び第３のギヤ３３Ａ、３３Ｂ、及び３３Ｃは、有利には、中央の冠歯車３４の直径よりも小さい直径を有する。

一部の実施形態では、第３のギヤ３３Ｃが、中央の冠歯車３４の直径よりも小さい直径を有し、被駆動ターボ機関２１に結合された出力シャフト１９Ａの回転速度を増大させる。

出力シャフト１９Ａが高速であるほど、より高速で回転する必要がある遠心コンプレッサ２１を駆動させ易くなる。

第１及び第２のギヤ３３Ａ及び３３Ｂは、ターボエキスパンダ１３の第１及び第２の段の各インペラに最適な回転速度となるように異なる直径を有している。

有利には、この一体ギヤ式の解決手段は、特にＬＮＧシステム又はパイプライン圧縮ステーションにおいて有用である。

加えて、図３及び図４の実施形態は、各インペラがその最適回転速度で回転可能となるので、膨張フェーズの効率を向上させる。

また、複数のインペラを有する実施形態では、高圧の過熱作動流体の全体的な圧力降下を利用できる。

本明細書に記載の主題に関する開示の実施形態を、幾つかの実施形態に関連して具体的且つ詳細に図示し、以上に十分に説明したが、当業者であれば自明のように、本明細書に記載した新規な教示、原理、及び概念、並びに添付の特許請求の範囲に列挙した主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、及び省略が可能である。したがって、開示した新規事項に適当な範囲は、添付の特許請求の範囲の最も広義的な解釈によって定義され、こうした修正、改変、及び省略を全て包含することになる。加えて、あらゆるプロセス又は方法ステップの順序又はシーケンスを、代替実施形態に係り改変すること又はその順序を変更することができる。

Claims (11)

1. 機械的動力を生成するための複合熱力学的システムであって、
   ガスタービンと、
   前記ガスタービンによって駆動されるターボ機械と、
   一体ギヤ式多段ターボエキスパンダを含む熱力学的有機ランキンサイクルと、
   前記ガスタービンの排気燃焼ガスから前記熱力学的有機ランキンサイクルへと熱を伝達するための熱伝達装置と、
   前記ターボエキスパンダによって駆動される被駆動ターボ機関と、
   を備え、
   前記熱伝達装置が、閉式熱伝達ループであって、該熱伝達ループ内を、前記排気燃焼ガスから前記熱力学的有機ランキンサイクルへと熱を伝達するダイアサーミックオイルが循環する、閉式熱伝達ループを備えた、
   システム。
2. 前記被駆動ターボ機関がコンプレッサ、好ましくは遠心コンプレッサである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ガスタービンによって駆動される前記ターボ機械が、コンプレッサ又はコンプレッサトレインを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 一体ギヤ式多段ターボエキスパンダを前記ターボエキスパンダによって駆動される前記ターボ機関に機械的に結合させる機械式トランスミッションを有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシステム。
5. 前記機械式トランスミッションが、２つの駆動入口シャフトと１つの被駆動出口シャフトを備えたギヤボックスを含む、請求項４に記載のシステム。
6. 前記２つの駆動入口シャフトのうち第１の入口シャフトが、前記一体ギヤ式多段ターボエキスパンダの第１段の第１のインペラに結合された、請求項５に記載のシステム。
7. 前記２つの駆動入口シャフトのうち第２の入口シャフトが、前記一体ギヤ式多段ターボエキスパンダの第２段の第２のインペラに結合された、請求項５又は６に記載のシステム。
8. 前記第１段が、前記一体ギヤ式多段ターボエキスパンダの高圧段である、請求項６又は７に記載のシステム。
9. 前記第２段が、前記一体ギヤ式多段ターボエキスパンダの低圧段である、請求項７に記載のシステム。
10. 前記出口シャフトが前記被駆動ターボ機関の前記シャフトに結合された、請求項５乃至９のいずれか一項に記載のシステム。
11. ガスタービンを準備するステップと、
    前記ガスタービンを用いて機械的動力を生成し、該機械的動力によってターボ機械を駆動させるステップと、
    前記ガスタービンの排気燃焼ガスから有機ランキンサイクルへと熱を伝達させるステップと、
    前記有機ランキンサイクルを用いて一体ギヤ式多段ターボエキスパンダによって機械的動力を生成し、これによって第２のターボ機関を駆動させるステップと、
    を含み、
    前記ガスタービンの排気燃焼ガスから有機ランキンサイクルへと熱を伝達させるステップが、
    閉式熱伝達ループを有する熱伝達装置を準備するステップと、
    前記熱伝達ループを循環するダイアサーミックオイルを循環させるステップと、
    前記ダイアサーミックオイルによって前記排気燃焼ガスから前記熱力学的有機ランキンサイクルへと熱を伝達するステップと、
    を含む、
    機械的動力の生成及びターボ機械の駆動方法。