(57)【要約】【課題】従来よりも優れたコンバインドサイクル発電装置を提供すること。【解決手段】熱エネルギ貯蔵装置が、ボトムサイクル熱エンジンから抽出された熱エネルギを貯蔵するように改良される。熱エネルギ貯蔵装置に貯蔵された熱エネルギは、ボトムサイクル熱エンジンによる発電を補充するために用いられる。ある実施形態では、蓄熱作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、ボトムサイクル熱エンジンの作動流体の中に熱エネルギを放出し、発電を補充するように構成されている。ある実施形態では、蓄熱ユニットは、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと、加熱状態にある作動媒体を含む高温タンクとを含む。ボトムサイクル熱エンジン及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有する１以上の熱交換器が、蓄熱作動媒体とボトムサイクル熱エンジンで用いられる作動流体との間の熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンと、
作動流体を蒸気タービンに供給する蒸気発生源と、
蓄熱作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、蒸気発生源から供給された作動流体の中に熱エネルギを放出し、蒸気タービンによる発電を補充するように構成され、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと加熱状態にある蓄熱作動媒体を含む高温タンクとを含む蓄熱ユニットと、
蒸気タービン、蒸気発生源及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有し、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体と蒸気発生源から蒸気タービンに供給される作動流体との間の熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする熱交換器と
を備えている発電装置。
【請求項２】
低温タンクにおける蓄熱作動媒体が、蒸気発生源から供給される作動流体と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にすることにより加熱された蓄熱作動媒体を生じる充填動作モードで、熱交換器に供給される、請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
作動流体と蓄熱作動媒体との間で充填動作モードの間に熱エネルギの直接的な熱移動を熱交換器が容易にするのと同時に、蒸気発生源が作動流体を蒸気タービンに供給する、請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
加熱された蓄熱作動媒体が高温タンクに貯蔵される、請求項２記載の発電装置。
【請求項５】
蒸気発生源が、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に熱交換器を経由する蓄熱作動媒体を用いたどのような熱移動もなく、作動流体のすべてを蒸気タービンに直接供給するように構成されている、請求項１記載の発電装置。
【請求項６】
低温タンクにおける作動媒体の固化を回避するため、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に、高温タンクの中の蓄熱作動媒体の所定の量が、低温タンクの中の蓄熱作動媒体に供給される、請求項５記載の発電装置。
【請求項７】
蒸気発生源から供給される作動流体の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、ピーク需要時間の間に、蒸気タービンからの蒸気発生と電力出力とを増強するのが望ましい場合に生じる、請求項１記載の発電装置。
【請求項８】
蒸気発生源から供給される作動流体の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、電気供給グリッドにエネルギ増強を提供してグリッドにおけるどのような周波数低下をも相殺することが望ましい場合に生じる、請求項１記載の発電装置。
【請求項９】
蓄熱作動媒体が無機塩を含む、請求項１記載の発電装置。
【請求項１０】
トッピング熱力学サイクルで動作し電気エネルギを生成するように構成されたトップサイクル熱エンジンと、
ボトミング熱力学サイクルで動作し追加的な電気エネルギを生成するように構成されているボトムサイクル熱エンジンであって、トップサイクル熱エンジンから生じた排気エネルギから追加的な電気エネルギの生成のために蒸気タービンへの作動流体を生成する蒸気発生源を含む、ボトムサイクル熱エンジンと、
蓄熱作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、ボトムサイクル熱エンジンの作動流体の中に熱エネルギを放出し、追加的電気エネルギの発電を補充するように構成され、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと加熱状態にある作動媒体を含む高温タンクとを含む蓄熱ユニットと、
ボトムサイクル熱エンジン及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有し、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体とボトムサイクル熱エンジンにおいて用いられる作動流体との間の熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする１以上の熱交換器と
を備えるコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１１】
低温タンクにおける蓄熱作動媒体が、ボトムサイクル熱エンジンで用いられる作動流体と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にすることにより加熱された蓄熱作動媒体を生じる充填動作モードで、１以上の熱交換器に供給される、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１２】
ボトムサイクル熱エンジンの作動流体と蓄熱作動媒体との間で充填動作モードの間に熱エネルギの直接的な熱移動を１以上の熱交換器が容易にするのと同時に、蒸気発生源が作動流体を蒸気タービンに供給する、請求項１１記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１３】
加熱された蓄熱作動媒体が高温タンクに貯蔵される、請求項１１記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１４】
トップサイクル熱エンジンから得られる排気エネルギが、蓄熱ユニットとどのような相互作用も有することなく、ボトムサイクル熱エンジンにおける作動流体を生成するのに用いられる、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１５】
蒸気発生源が、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に１以上の熱交換器を経由する蓄熱作動媒体を用いたどのような熱移動もなく、作動流体のすべてを蒸気タービンに直接供給するように構成されている、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１６】
低温タンクにおける作動媒体の固化を回避するため、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に、高温タンクの中の蓄熱作動媒体の所定の量が、低温タンクの中の蓄熱作動媒体に供給される、請求項１５記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１７】
ボトムサイクル熱エンジンから生成される追加的な電気エネルギが、トップサイクル熱エンジンの排気エネルギと、１以上の熱交換器を経由した蓄熱作動媒体からボトムサイクル熱エンジンの作動流体の中への熱エネルギの放出との両方の関数である、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１８】
ボトムサイクル熱エンジンによって用いられる作動流体の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、ピーク需要時間の間に、蒸気タービンからの蒸気発生と電力出力とを増強するのが望ましい場合に生じる、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項１９】
ボトムサイクル熱エンジンによって用いられる作動流体の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、電気供給グリッドにエネルギ増強を提供してグリッドにおけるどのような周波数低下をも相殺することが望ましい場合に生じる、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２０】
蓄熱作動媒体が無機塩を含む、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２１】
１以上の熱交換器が、ボトムサイクル熱エンジンからの作動流体を用いての蓄熱ユニットの中への蓄熱作動媒体の充填と、蓄熱ユニットからボトムサイクル熱エンジンで用いられる作動流体の中への蓄熱作動媒体の放出との両方を実行するようにそれぞれが構成されている複数の熱交換器を含む、請求項１０記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２２】
ガスタービンと、
ガスタービンからの排気エネルギを回収し排気エネルギから蒸気を発生するように構成されている排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、
ＨＲＳＧから蒸気の供給を受け取るように構成されている蒸気タービンと、
作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、ＨＲＳＧから供給された蒸気の中に熱エネルギを放出して蒸気タービンによる発電を補充するように構成されており、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと加熱状態にある蓄熱作動媒体を含む高温タンクとを含む蓄熱ユニットと、
ＨＲＳＧ、蓄熱ユニット及び蒸気タービンとフロー連通関係を有し、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体とＨＲＳＧから供給される蒸気とから蒸気タービンへの熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする熱交換器と
を備えるコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２３】
低温タンクにおける蓄熱作動媒体が、ＨＲＳＧから供給される蒸気と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にすることにより加熱された蓄熱作動媒体を生じる充填動作モードで、熱交換器に供給される、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２４】
蒸気と蓄熱作動媒体との間で充填動作モードの間に熱エネルギの直接的な熱移動を熱交換器が容易にするのと同時に、ＨＲＳＧが蒸気を蒸気タービンに供給する、請求項２３記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２５】
充填動作モードが、最小の装置減量運転負荷と基本負荷との間のどのような装置負荷の時点でも生じる、請求項２３記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２６】
加熱された蓄熱作動媒体が高温タンクに貯蔵される、請求項２３記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２７】
ＨＲＳＧが、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に熱交換器を経由する蓄熱作動媒体を用いたどのような熱移動もなく、蒸気のすべてを蒸気タービンに直接供給するように構成されている、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２８】
低温タンクにおける作動媒体の固化を回避するため、蓄熱ユニットのオフ動作モードの間に、高温タンクの中の蓄熱作動媒体の所定の量が、低温タンクの中の蓄熱作動媒体に供給される、請求項２７記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項２９】
ＨＲＳＧから供給される蒸気の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、ピーク需要時間の間に、蒸気タービンからの蒸気発生と電力出力とを増強するのが望ましい場合に生じる、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項３０】
ＨＲＳＧから供給される蒸気の中への蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体の放出は、電気供給グリッドにエネルギ増強を提供してグリッドにおけるどのような周波数低下をも相殺することが望ましい場合に生じる、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項３１】
熱交換器が、装置全体の始動時間とＨＲＳＧの起動時間とを改善するために、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体からの熱エネルギを放出してＨＲＳＧに戻すように構成されている、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【請求項３２】
蓄熱作動媒体が無機塩を含む、請求項２２記載のコンバインドサイクル発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、発電装置に関し、更に詳しくは、例えば、蒸気発生と電力出力とを補充又は増強する熱エネルギ蓄積ユニットを組み入れたコンバインドサイクル発電装置などの発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンから生成された排気エネルギが蒸気タービンの動力として用いられるコンバインドサイクル発電装置の典型的な動作においては、装置から生成される電力出力は、１日の中の時間と関連する負荷とに左右される。例えば、午前中の早い時間では、エネルギに対する需要は、その日の他の時間よりも低いのが一般的であるから、コンバインドサイクル発電装置は、最小の装置減量運転負荷で動作する。このような午前中の早い時間からエネルギ需要が増加するにつれて、コンバインドサイクル発電装置は、電力出力を基本負荷まで上昇させる。１日の間に、エネルギ需要がピークになるある時間帯が存在する。このようなピーク需要時間の間は、電力出力がピーク負荷を満たすまで増加するため、コンバインドサイクル発電装置の熱効率は低下する。コンバインドサイクル発電装置の中には、このようなピーク需要時間の間のエネルギ需要の増加を満たすために、ダクト燃焼を用いて、追加的な電力出力を生成するものが存在する。ダクト燃焼は、本質的に効率がより低い発電方法であるから、コンバインドサイクル発電装置は、希望よりも低い熱効率で動作することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００５５１５７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のある態様では、発電装置が提供される。本発明のこの態様では、発電装置は、蒸気タービンと、作動流体を蒸気タービンに供給する蒸気発生源とを備えている。この発電装置は、更に、蓄熱作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、蒸気発生源から供給された作動流体の中に熱エネルギを放出し、蒸気タービンによる発電を補充するように構成された蓄熱ユニットを備えている。この蓄熱ユニットは、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと、加熱状態にある蓄熱作動媒体を含む高温タンクとを含む。この発電装置は、また、蒸気タービン、蒸気発生源及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有する熱交換器を備えている。この熱交換器は、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体と蒸気発生源から蒸気タービンに供給される作動流体との間の熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。
【０００５】
本発明の別の態様では、コンバインドサイクル発電装置が提供される。本発明のこの態様では、コンバインドサイクル発電装置は、トッピング熱力学サイクルで動作し電気エネルギを生成するように構成されたトップサイクル熱エンジンを備えている。コンバインドサイクル発電装置は、更に、ボトミング熱力学サイクルで動作し、追加的な電気エネルギを生成するように構成されているボトムサイクル熱エンジンを備えている。このボトムサイクル熱エンジンは、トップサイクル熱エンジンから生じた排気エネルギから追加的な電気エネルギの生成のために蒸気タービンへの作動流体を生成する蒸気発生源を含む。このコンバインドサイクル発電装置は、更に、蓄熱作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、ボトムサイクル熱エンジンの作動流体の中に熱エネルギを放出し、追加的電気エネルギの発電を補充するように構成された蓄熱ユニットを備えている。この蓄熱ユニットは、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと、加熱状態にある作動媒体を含む高温タンクとを含む。このコンバインドサイクル発電装置は、更に、ボトムサイクル熱エンジン及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有する１以上の熱交換器を備えている。この１以上の熱交換器は、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体とボトムサイクル熱エンジンにおいて用いられる作動流体との間の熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。
【０００６】
本発明の第３の態様では、コンバインドサイクル発電装置が開示される。本発明のこの態様では、コンバインドサイクル発電装置は、ガスタービンと、ガスタービンからの排気エネルギを回収し排気エネルギから蒸気を発生するように構成されている排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）と、ＨＲＳＧから蒸気の供給を受け取るように構成されている蒸気タービンとを備えている。このコンバインドサイクル発電装置は、更に、作動媒体を貯蔵する蓄熱ユニットであって、ＨＲＳＧから供給された蒸気の中に熱エネルギを放出して蒸気タービンによる発電を補充するように構成されている蓄熱ユニットを備えている。この蓄熱ユニットは、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンクと、加熱状態にある蓄熱作動媒体を含む高温タンクとを含む。このコンバインドサイクル発電装置は、更に、ＨＲＳＧ、蓄熱ユニット及び蒸気タービンとフロー連通関係を有する熱交換器を備えている。この熱交換器は、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体とＨＲＳＧから供給される蒸気とから蒸気タービンへの熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明のある実施形態により蒸気発生と電力出力とを補充又は増強するために用いられる熱エネルギ蓄積ユニットを備えた発電装置の概略図である。
【図２】本発明の別の実施形態により蒸気発生と電力出力とを補充するために複数の熱交換器を用いる熱エネルギ蓄積ユニットを備えた発電装置の概略図である。
【図３Ａ】発電装置の性能のプロットを示しており、図１及び２に示されているコンバインドサイクル発電装置のような発電装置の電力出力プロファイルを示している。
【図３Ｂ】発電装置の性能のプロットを示しており、本発明の様々な実施形態において説明されるような熱蓄積ユニットを用いないように構成された従来型の発電装置の熱発生率プロファイルと比較した、図１及び２に示されている発電装置の熱発生率プロファイルを示している。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の様々な実施形態は、蓄熱ユニットを用いて、例えばコンバインドサイクル発電装置などの発電装置の蒸気発生及び電力出力を補充又は増強することに向けられている。蓄熱ユニットは、発電装置を動作させている蒸気タービンによる発電を補充するために、蒸気発生源から供給される作動流体の中に熱エネルギが放出され、蒸気発生源が蓄熱作動媒体の温度を充填すなわち上昇させる動作モードに適応するように構成された蓄熱作動媒体を貯蔵する。蓄熱ユニットは、低温状態の蓄熱作動媒体を含む低温タンクと、加熱状態にある蓄熱作動媒体を含む高温タンクとを含む。ある実施形態では、蓄熱ユニットに含まれている作動媒体は、溶融塩などの無機塩を含みうる。動作の際には、１以上の熱交換器が、蒸気タービン、蒸気発生源及び蓄熱ユニットとフロー連通関係を有する。この１以上の熱交換器が、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体と蒸気発生源から蒸気タービンに供給される作動流体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。
【０００９】
ある実施形態では、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体は、ピーク需要期間の間に、蒸気発生源から蒸気タービンに供給される蒸気を補充するのに用いられる。発電装置がコンバインドサイクル発電装置である別の実施形態では、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）などの蒸気発生源から供給される蒸気を補充するのに用いられる。これにより、コンバインドサイクル発電装置が蒸気発生と電力出力とを増強することが可能になる。別の実施形態では、１以上の熱交換器が、ＨＲＳＧのウォームアップ時間を改善するために、熱エネルギを、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体からＨＲＳＧに放出して戻す。更に、それにより、ガスタービンの排気エネルギが蒸気タービンの蒸気源を生成するのに用いられる実施形態のために、その起動の間、ガスタービンの排気温度を上昇させることができる。別の実施形態では、発電装置から電力を受け取る電気供給グリッドにエネルギ増強を提供するために、蓄熱ユニットにおける蓄熱作動媒体が、蒸気発生源から供給される蒸気を補充するのに用いられる。いくつかの場合には、供給グリッドの周波数が、既存の周波数では満たされていない電力需要の上昇に応答して、実質的に低下することがありうる。これらの場合には、蓄熱作動媒体を用いることで容易になるエネルギ増強が、電気供給グリッドにおけるどのような周波数低下でも相殺するように機能しうる。
【００１０】
上述した技術的効果は、本発明の様々な実施形態の応用例の一部を説明するものであり、限定を意図していない。これらの技術的効果と本発明の実施形態と関連するそれ以外の効果とを、以下でより詳細に述べる。
【００１１】
ここで図面を参照すると、図１には、本発明のある実施形態により蒸気発生と電力出力とを補充する又は増強するのに用いられる熱エネルギ貯蔵ユニット１０５を備えた発電装置１００の概略図が示されている。図１に図解されている発電装置１００は、電気エネルギを生成するように構成されたトッピング熱力学サイクルで動作するトップサイクル熱エンジン１１０と、追加的な電気エネルギを生成するように構成されたボトミング熱力学サイクルで動作するボトムサイクル熱エンジン１１５とを含むコンバインドサイクル発電装置である。以下の説明はコンバインドサイクル発電装置に関するものであるが、当業者であれば、本発明の様々な実施形態は蒸気タービンエンジンを用いるどのタイプの発電装置にも適していることを理解するはずである。蒸気タービンエンジンを用い本発明の実施形態を配備するのに適している発電装置の説明のためであるが網羅的ではないリストには、化石燃料発電装置、原子力発電装置、太陽熱発電装置、地熱発電装置、及びそれ以外の更新可能なエネルギによる発電装置が含まれる。
【００１２】
図１に示されているように、トップサイクル熱エンジン１１０は、コンプレッサ部（Ｃ）と燃焼室部（ＣＣ）とガスタービン部（ＧＴ）とを含むガスタービン１２０を含む。当業者であれば、ガスタービン１２０は、コンバインドサイクル発電装置と共に用いることができるガスタービンエンジンの構成の一例に過ぎず、本明細書において説明されている本発明の様々な実施形態を限定することを意図していないことを理解するはずである。本明細書において用いられているトップサイクル熱エンジン１１０とは、一般に、コンプレッサ部と燃焼室部とガスタービン部とを一次コンポーネントとして含むガスタービン１２０を指している。しかし、図１には図解されていないトップサイクル熱エンジンのそれ以外のコンポーネントとして、燃料ヒータとフロー制御弁とを備えたガス燃料スキッドと、可変作動インレット誘導翼と、排気ディフューザと、冷却システムを備えたコンプレッサインレットハウジングとが含まれうる。ボトムサイクル熱エンジン１１５とは、ガスタービン１２０とは関連しない図１のすべてのコンポーネントを指しており、ただし、以下で更に詳述する蓄熱ユニット１０５と熱交換器１３５は含まれない。すなわち、ボトムサイクル熱エンジン１１５には、図１に図解されているＨＲＳＧ１２５と、蒸気タービン１３０と、復水器１６０と、ポンプ１６５とが含まれ、更に、発電装置１００のバランスや関連する補助機器などの特に示されていないそれ以外のコンポーネントも含まれる。
【００１３】
ボトムサイクル熱エンジン１１５の説明を続けるが、ＨＲＳＧ１２５は、ガスタービン１２０からの排気エネルギを用いて、熱交換器１３５を経由して蒸気タービン１３０に供給される蒸気源を生成する。ＨＲＳＧ１２５は、蒸気タービン１３０において膨張する水／蒸気の作動流体を生成するのに用いることができる蒸気発生源の単なる一例であり、当業者であれば、２又は３の圧力レベルで蒸気を発生し、再加熱過熱器部を備えている又は備えていないＨＲＳＧを含む他の蒸気発生源が存在することを理解するはずである。当業者であれば、更に、蒸気タービンは、ＨＲＳＧ１２５への専用のパイピング接続をそれぞれが含みうる高圧部、中間圧部及び低圧部など複数の部分から構成されうることを理解するはずである。ＨＲＳＧ１２５は、水／蒸気の作動流体を蒸気タービン１３０に供給する。この作動流体は、蒸気タービン１３０において膨張し、発電機１５０を駆動するのに用いられる。発電機１５０は、電力を生成し、電気供給グリッドに分配するための電気を生じる。ガスタービン１２０もまた電気供給グリッドに分配するための電気を生成する発電機１５５を駆動することに注意すべきである。いくつかの構成では、ガスタービンと蒸気タービンとが共通のシャフト上にあり両者が単一の発電機に動力を与えている場合もあることに注意すべきである。ボトムサイクル熱エンジン１１５を再び参照すると、復水器１６０は、蒸気タービン１３０からの膨張した作動流体を圧縮し、ポンプ１６５によってＨＲＳＧ１２５にフィードバックされる液体（復水）を生じる。ＨＲＳＧ１２５からの副産物は、スタック１７０を経由して大気に解放される。
【００１４】
蓄熱ユニット１０５は、熱交換器１３５と共に、蒸気タービン１３０による発電（例えば、蒸気発生及び電力出力の増強）を補充するように用いることができる。ある実施形態では、蓄熱ユニット１０５に貯蔵されている蓄熱作動媒体は、熱交換器１３５を経由してＨＲＳＧ１２５から蒸気タービン１３０に供給される作動流体の中に、熱エネルギを放出することができ、熱交換器１３５はこれらのコンポーネントとフロー連通関係を有する。このように、熱交換器１３５は、蓄熱ユニット１０５に貯蔵されている蓄熱作動媒体とＨＲＳＧ１２５から蒸気タービン１３０に供給される作動流体（例えば、水／蒸気）との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする。
【００１５】
図１に示されているように、蓄熱ユニット１０５は、低温状態にある蓄熱作動媒体を含む低温タンク１４０と、加熱状態にある蓄熱作動媒体を含み絶縁されている高温タンク１４５とを含む。ある実施形態では、低温タンク１４０と高温タンク１４５との中の熱エネルギ貯蔵ユニット１０５によって用いられる蓄熱作動媒体は、任意の所望のデューティサイクルで熱エネルギを吸収し保持し、そして解放する能力を有するタイプの多数の貯蔵媒体のうちの任意の１つを含みうる。更に、蓄熱作動媒体は、高い融解熱と、広い動作温度範囲と、相対的な不活性さとを有していなければならない。熱エネルギ貯蔵ユニット１０５によって用いられうる蓄熱作動媒体の、説明目的であって限定的でない例として、溶融塩などの無機塩が含まれる。当業者であれば、蓄熱作動媒体として他の無機化合物を用いることができることを理解するはずである。例えば、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属水酸化物は、蓄熱作動媒体として用いることが可能な無機化合物のタイプである。
【００１６】
本発明の実施形態では、一般的に、発電装置１００において蓄熱ユニット１０５と熱交換器１３５とが用いられうる動作モードが３つ存在する。１つの動作モードが、蓄熱ユニットのオフ動作モードであり、このモードでは、ＨＲＳＧ１２５からの生成された作動流体（例えば、水／蒸気）のすべてが、膨張仕事のため蒸気タービン１３０に直接送られる。この蓄熱ユニットがオフであるモードでは、ＨＲＳＧ１２５は、熱交換器１３５を経由した蓄熱ユニット１０５の中の蓄熱作動媒体とのどのような熱移動もなく、すべての作動流体を直接に蒸気タービン１３０に供給するように構成されている。更に、蓄熱ユニットがオフであるモードの間は、加熱状態にある高温タンク１４５の中の蓄熱作動媒体の所定量を、バイパス弁１７５を経由して、低温タンク１４０の中の低温状態にある蓄熱作動媒体に供給することができる。蓄熱ユニットがオフなのであるから、蓄熱作動媒体が固化する可能性がある。高温タンク１４５の中の蓄熱作動媒体の最小量をバイパス弁１７５経由で低温タンク１４０の中の蓄熱作動媒体に供給することにより、低温タンクが作動媒体の固化を回避できる最低の温度をその中で維持することが可能になる。
【００１７】
別の動作モードとして、充填動作モードがあり、このモードでは、ＨＲＳＧ１２５からの作動流体が蒸気タービン１３０に供給され、低温タンク１４０における蓄熱作動媒体が熱交換器１３５に供給される。これにより、ＨＲＳＧ１２５から供給される作動流体と蓄熱作動媒体との間の熱エネルギの直接的な熱移動が容易になる。更に詳しくは、これにより、ボトムサイクル熱エンジン１１５で用いられる作動流体と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動が容易になり、加熱された蓄熱作動媒体が生じる。すなわち、蓄熱作動流体は、ボトムサイクル熱エンジン１１５によって直接的に充填される。これにより、トップサイクル熱エンジン１１０を用いた直接的な熱移動が不要になる。こうして、蓄熱作動流体１０５は、トッピングサイクル１１０の排気エネルギとのいかなる直接的な相互作用なくして充填される。
【００１８】
充填動作モードの結果として、蓄熱作動媒体の温度は上昇し、加熱された蓄熱作動媒体が生じる。次に、加熱された蓄熱作動媒体を、高温タンク１４５の中に貯蔵することができる。充填動作モードでは、熱交換器１３５が作動流体と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にするのと並行して又は同時に、ＨＲＳＧ１２５が作動流体を蒸気タービン１３０に供給することに注意すべきである。この充填動作モードにより、供給されるときの作動流体のフロー及び／又はその温度がより低くなるにつれて、蒸気タービン１３０からの電力出力が低下しうる。このような電位条件のために、充填動作モードは、電気的出力の値が比較的低くなると判断される場合（例えば、夜間や温暖な季節など）に適していることになる。しかし、充填動作モードが基本負荷に至る最小の減量運転の間のどのような装置負荷の時点でも実装可能であることは、当業者であれば理解するはずである。
【００１９】
第３の動作モードは、放出動作モードであり、このモードでは、熱交換器１３５を経由して高温タンク１４５から低温タンク１４０に循環する蓄熱作動流体を用い、ガスタービン１２０とＨＲＳＧ１２５との排気エネルギを経由して生成された作動流体が、蒸気タービン１３０による蒸気発生と電力出力を増強するのに用いられる。このようにして、蒸気タービン１３０に供給されて膨張する作動流体は、ＨＲＳＧ１２５に分配されたガスタービン１２０の排気エネルギによって提供されるエネルギと、蓄熱ユニット１０５からの蓄熱作動流体からの熱エネルギの放出とに同時に基づいている。更に詳しくは、蒸気タービン１３０に供給されて膨張する作動流体は、トップサイクル熱エンジン１１０の排気エネルギと、熱交換器１３５を経由して蓄熱作動媒体からボトムサイクル熱エンジン１１５の作動流体の中への熱エネルギの放出との両方の関数である。
【００２０】
蒸気タービン１３０からの蒸気発生及び電力出力を増強する放出動作モードにより、発電装置１００は、複数の応用例に対して適したものとなる。ある実施形態では、放出動作モードにより、発電装置１００は、ピーク需要時間の間などに蒸気タービンからの蒸気発生及び電力出力を増強することが望ましい場合での使用に適したものとなる。これにより、そのようなピーク需要時間の間にエネルギに対する需要の増加を満たすためにダクト燃焼を用いて追加的な電力出力を生成することが不要になるか、又は軽減される。別の実施形態では、放出動作モードにより、発電装置１００は、エネルギ増強を電気供給グリッドに提供して達成されていないグリッド需要を相殺することが望ましい場合での使用に適したものとなる。特に、供給グリッドに接続されている発電装置は、グリッドのそれ以外の場所で失われた容量を埋め合わせるために、その電気的出力を迅速に増強することを求められることがしばしばある。放出モードを経由して蒸気タービンからの蒸気発生及び電力出力を増強する能力により、発電装置１００は、グリッドへのエネルギ増強を迅速に提供して周波数におけるどのような不安定性も相殺することが可能になる。別の実施形態では、放出動作モードを用いて、蓄熱ユニット１０５の中の蓄熱作動媒体からの熱エネルギを、比較的低温の状態からの始動の間にＨＲＳＧ１２５の中に放出して、装置の全体的な始動時間を短縮することができる。
【００２１】
図２は、本発明の別の実施形態による、蒸気発生と電力出力とを補充するのに複数の熱交換器を用いる熱エネルギ貯蔵ユニットを備えた発電装置２００の概略図である。図１で用いられた構成要素と同様の図２の構成要素には、類似の参照番号が付されている。ただし、図２で用いられている参照番号は数字の２で始まる。この実施形態では、それぞれの熱交換器２３５は、ボトムサイクル熱エンジン２１５からの作動流体を用いての蓄熱ユニット２０５の中への蓄熱作動媒体の充填と、蓄熱ユニットからボトムサイクル熱エンジンで用いられる作動流体の中への蓄熱作動媒体の放出との両方を実行するように構成されている。
【００２２】
ある例では、蓄熱作動媒体と作動流体との間での熱移動は、充填モードと放出モードとの両方で２つから３つの熱交換器２３５を用いることを通じて生じうる。熱交換器２３５のうちの１以上の位置とサイズとを決定するには、要求される熱交換器の総数を減少させるために両方の動作モードで用いることができるようにすることが可能であるし経済的に好ましく、それによって、全体的な費用と複雑さとが潜在的に低下する。換言すると、充填及び放出のために３つの熱交換器２３５が要求される場合には、全体で４つ又は５つの熱交換器が要求されるだけであり、１つ又は２つの熱交換器が両方のモードで動作することになる。当業者であれば、熱交換器が２つ又は３つという例は単に説明だけの目的であり、１以上の追加的な熱交換器を追加することによって増分的な性能上の効果が達成されうることを理解するはずである。更に、当業者であれば、経済的な及び動作上の効果を得るために、潜在的に複数の熱交換器を充填及び放出の両モードで用いることが可能であることを理解するはずである。
【００２３】
図３Ａ〜３Ｂには、発電装置の性能のプロットが示されている。ここで、図３Ａは、図１及び２に示されているコンバインドサイクル発電装置などの発電装置の理想化された電力出力プロファイル３００を示しており、他方で、図３Ｂは、本発明の様々な実施形態において説明されているような蓄熱ユニットを用いることなく構成されている発電装置の熱発生率プロファイルと比較して、図１及び２に示されている発電装置の熱発生率プロファイル３０５を示している。図３Ａを参照すると、電力出力プロファイル３００は、１時から７時の間は、発電装置が、参照番号３１０によってプロファイルにおいて示されているように、最小の装置減量運転負荷で動作していることを示している。７時から８時までの間に、発電装置は、参照番号３１５によってプロファイルにおいて示されているように、基本負荷まで電力出力を増加しはじめる。８時から２３時までの間は、装置は、参照番号３２０によってプロファイルにおいて示されているように、基本負荷で動作している。参照番号３２５によってプロファイルにおいて示されているように、１３時から１６時までがその日のピーク需要時間を表しており、このときには、発電装置は、ピーク需要負荷を達成するために追加的な電力を生成する必要があるのが典型的である。本明細書で説明されているように、本発明の様々な実施形態は、蓄熱ユニットと（１以上の）熱交換器とを、蒸気ボトムサイクルから活性化させ、それを貯蔵し、そして、蒸気発生及び電力出力を増強するためにこの熱エネルギをピーク需要において再度投入する。これは、３２５におけるピーク需要負荷を満たす蒸気発生を増強するためにダクト燃焼に頼らなくてはならないのが典型的であると思われる従来型のコンバインドサイクル発電装置と対照的である。基本負荷で動作した後で、この発電装置は、参照番号３３０でプロファイルにおいて示されているように、２３時から２４時までは部分負荷で動作する。
【００２４】
図３Ｂを参照すると、熱発生率プロファイル３０５は、図１及び２に示されていた発電装置に対する熱発生率プロファイル３３５と、ピーク需要の時間帯にはダクト燃焼を用いて蒸気発生を増強する従来型の発電装置の熱発生率プロファイル３４０とを含む。この技術分野で知られているように、発電装置の熱発生率の逆数は、その装置の効率を表す。従って、発電装置の熱発生率が低ければ低いほど、装置の効率が優れていることになる。逆に、発電装置の熱発生率が高ければ高いほど、装置の効率が悪いということになる。
【００２５】
図３Ｂでは、発電装置が最小の装置減量運転負荷で動作している１時から７時までの間、参照番号３４５によって示されている本発明の実施形態に従って動作している発電装置の熱発生率は、参照番号３５０によって示されているように動作している従来型のコンバインドサイクル発電装置の熱発生率と比較して、より高い熱発生率を有する。これは、本発明の実施形態に従って動作している発電装置が、従来型の発電装置と比較して、最小の装置減量運転負荷において、より低い効率を有することを示している。これは、ＨＲＳＧからの作動流体が蒸気タービンに供給され、低温タンクの中の蓄熱作動媒体が（１以上の）熱交換器に供給されて、ＨＲＳＧ作動流体と蓄熱作動媒体との間での熱エネルギの直接的な熱移動を容易にする充填動作モードに起因する。当業者であれば、１時から７時までの間は熱効率がより低いにもかかわらず、この時間の間の電気的出力の値は比較的低いと考えられ、本発明の様々な実施形態によってピーク需要時間の間に提供される効果により、このより低い効率でも受け入れ可能となることを理解するはずである。
【００２６】
図３Ｂに示されているように、ピーク需要がその最高値にある１３時から１６時までの間、参照番号３５５によって示されている本発明の実施形態に従って動作している発電装置の熱発生率は、参照番号３６０によって示されているように動作している従来型のコンバインドサイクル発電装置の熱発生率と比較して、より低い熱発生率を有する。特に、これは、本発明の実施形態によると、ダクト燃焼を用いる従来型の発電装置と比較して、発電装置がピーク需要時間の間、より高い効率で動作することが可能になることを示している。これは、本発明の実施形態が、充填された蓄熱作動媒体を利用し、それを蒸気タービンの中に放出することで蒸気発生と電力出力とを増強していることに起因する。これは、蒸気発生と電力出力とを増強するためにダクト燃焼の間はより多くの燃料を燃焼させてピーク需要負荷を満たす従来型のコンバインドサイクル発電装置と対照的である。
【００２７】
２３時から２４時までの間、発電装置は部分負荷で動作している。図３Ｂに示されているように、本発明の実施形態に従って動作している発電装置の熱発生率は、従来型のコンバインドサイクル発電装置と実質的に同一の熱発生率を有しており、よって、同一の効率を有する。図３Ｂは、また、本発明の実施形態に従って動作している発電装置の熱発生率は、従来型のコンバインドサイクル発電装置が７時から８時までの間に基本負荷まで電力出力を上昇させているときと、実質的に同一の熱発生率を有しており、よって、同一の効率を有していることを図解している。図３Ｂでは、これらの装置の熱発生率と効率とは、８時から１２時までほぼ同じであり、他方で、ピーク需要時間（すなわち、１３時から１６時まで）の前は基本負荷にあり、ピーク需要時間の後の１７時から２３時までも基本負荷にある。
【００２８】
以上では本開示をその好適な実施形態との関係で特に示し説明してきたが、当業者であれば変動や修正を想到しうることを理解すべきである。従って、添付の特許請求の範囲は本開示の真の精神の範囲に属するそのような修正及び変更のすべてに及ぶことを、理解すべきである。
【符号の説明】
【００２９】
１００  発電装置
１０５  熱エネルギ貯蔵ユニット
１１０  トップサイクル熱エンジン
１１５  ボトムサイクル熱エンジン
１２０  ガスタービン
１２５  ＨＲＳＧ
１３０  蒸気タービン
１３５  熱交換器
１４０  低温タンク
１４５  高温タンク
１５０  発電機
１５５  発電機
１６０  復水器
１６５  ポンプ
１７０  スタック
１７５  バイパス弁
２００  発電装置
２０５  熱エネルギ貯蔵ユニット
２１０  トップサイクル熱エンジン
２１５  ボトムサイクル熱エンジン
２２０  ガスタービン
２２５  ＨＲＳＧ
２３０  蒸気タービン
２３５  熱交換器
２４０  低温タンク
２４５  高温タンク
２５０  発電機
２５５  発電機
２６０  復水器
２６５  ポンプ
２７０  スタック
２７５  バイパス弁
３００  電力出力プロファイル
３０５  熱発生率プロファイル
３１０〜３３０  電力出力プロファイル部
３３５〜３６０  熱発生率プロファイル部
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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