(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極低温流体を貯蔵する貯蔵タンクと、
該貯蔵タンクから取り出された極低温流体を高圧に圧縮する流体ポンプと、
前記高圧極低温流体を蒸発させて高圧ガスを供給する蒸発器と、
前記高圧ガスを膨張させ、前記高圧ガスから仕事を抽出する第１の膨張タービンと、
該第１の膨張タービンから排出された前記ガスを、周囲熱または廃熱を用いて再加熱する第１の再熱器と、
該第１の再熱器から排出された作動流体を膨張させ、前記第１の再熱器から排出された前記作動流体から仕事を抽出する第２の膨張タービンと、を具備したエネルギ発生装置であって、
前記第２の膨張タービンは第１の経路と第２の経路とに分割された排気出口を有し、したがって前記第２の膨張タービンから排出された前記作動流体が第１の部分と第２の部分とに分割され、前記作動流体の前記第１の部分が、前記第１の経路に沿って第１の排気口を通じて周囲に導かれ、前記作動流体の前記第２の部分が、前記第２の経路に沿って前記蒸発器の入口に導かれ、したがって前記蒸発器内で、前記作動流体の前記第２の部分が、前記高圧極低温流体と熱エネルギを交換し、
第１の圧縮器は、前記作動流体の前記第２の部分が前記蒸発器を通過してから、前記作動流体の前記第２の部分を圧縮し、前記圧縮器の排気出口が前記第１の膨張タービンの排気出口と連結され、したがって前記作動流体の前記第２の部分と、前記第１の膨張タービンから排出された前記ガスとが併せられ、前記第１の再熱器に導かれ、前記周囲熱または廃熱を用いて再加熱される、エネルギ発生装置。
【請求項２】
前記第１および前記第２の膨張タービンの少なくとも一方は、発電機を駆動して電気を生成するために使用される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記流体ポンプが、前記極低温流体を少なくとも５０バールの圧力に圧縮するためのものである、請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記蒸発器から出力された前記高圧作動流体を、同じ場所に位置するプロセスからの熱源を用いて高温に加熱する過熱器をさらに備えている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
同じ場所に位置する前記熱源が、周囲環境、雰囲気、地熱、河川、海水、もしくは湖水、または発電所もしくは工業用プラントからの廃熱である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の膨張タービンが、前記第１の圧縮器と同じ動力シャフトに取り付けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記蒸発器と前記第１の膨張タービンとの間に配置された第３の膨張タービンおよび第２の再熱器と、
前記第１の再熱器と前記第２の膨張タービンとの間に配置された第４の膨張タービンおよび第３の再熱器と、をさらに備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および前記第３の膨張タービンが、前記第１の圧縮器と同じ動力シャフトに取り付けられている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記作動流体の前記第２の部分が前記蒸発器を最初に通過してから、前記作動流体の前記第２の部分を圧縮し、前記作動流体の前記第２の部分が前記第１の圧縮器によって圧縮される前に、前記作動流体の前記第２の部分を前記蒸発器に再度送り戻す第２の圧縮器をさらに備えている、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および前記第３の膨張タービンが、前記第１および前記第２の圧縮器と同じ動力シャフトに取り付けられている、請求項８に従属した場合の請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置を備えた動力回収構成要素を有する、極低温エネルギ貯蔵システム。
【請求項１２】
極低温流体を貯蔵タンクに貯蔵するステップと、
前記貯蔵タンクから前記極低温流体を抽出し、前記極低温流体を、流体ポンプを用いて高圧に圧縮するステップと、
蒸発器内で前記高圧極低温流体を蒸発させて、高圧ガスを供給するステップと、
第１の膨張タービンを用いて前記高圧ガスを膨張させ、前記高圧ガスから仕事を抽出するステップと、
前記第１の膨張タービンから排出された前記ガスを、第１の再熱器、および周囲熱または廃熱を用いて再加熱して、作動流体を提供するステップと、
第２の膨張タービンを用いて前記第１の再熱器から排出された前記作動流体を膨張させ、前記第１の再熱器から排出された前記作動流体から仕事を抽出するステップと、を含んだエネルギ発生方法であって、
前記第２の膨張タービンが第１の経路と第２の経路とに分割された排気出口を有し、したがって前記第２の膨張タービンから排出された前記作動流体が第１の部分と第２の部分とに分割され、
前記作動流体の前記第１の部分が、前記第１の経路に沿って第１の排気口通じて周囲に導かれ、前記作動流体の前記第２の部分が、前記第２の経路に沿って前記蒸発器の入口に導かれ、したがって前記蒸発器内で、前記作動流体の前記第２の部分が、前記高圧極低温流体と熱エネルギを交換し、
前記作動流体の前記第２の部分が前記蒸発器を通過してから、第１の圧縮器を用いて前記作動流体の前記第２の部分を圧縮するステップであって、前記圧縮器の排気出口が前記第１の膨張タービンの排気出口と連結され、したがって前記作動流体の前記第２の部分と、前記第１の膨張タービンから排出された前記ガスと、が併せられ、前記第１の再熱器に導かれ、前記周囲熱または廃熱を用いて再加熱されるステップと、を含んでいる、エネルギ発生方法。
【請求項１３】
前記第１および前記第２の膨張タービンの少なくとも一方を用いて発電機を駆動して電気を生成するステップをさらに含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
過熱器および同じ場所に位置するプロセスからの熱源を用いて、前記蒸発器から出力された前記高圧作動流体を高温に加熱するステップをさらに含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
第３の膨張タービンを用いて高圧ガスを膨張させるステップと、
第２の再熱器を用いて前記第３の膨張タービンから排出された前記ガスを再加熱するステップと、
第４の膨張タービンを用いて前記第１の再熱器から排出された前記作動流体を膨張させるステップと、
第３の再熱器を用いて前記第４の膨張タービンから排出された前記ガスを再加熱するステップと、
をさらに含んでいる、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
第２の圧縮器を用いて、前記作動流体の前記第２の部分が前記蒸発器を最初に通過してから、前記作動流体の前記第２の部分を圧縮し、前記第１の圧縮器によって前記作動流体の前記第２の部分が圧縮される前に、前記作動流体の前記第２の部分を前記蒸発器に再度送り戻すステップをさらに含んでいる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記極低温流体が、液体窒素、液体空気、または液体天然ガスを含んでいる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記極低温流体が、液体窒素、液体空気、または液体天然ガスを含んでいる、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体窒素または液体空気などの極低温流体、および低品位廃熱源を使用する発電装置および方法、ならびにかかる装置からのエネルギ回収効率を高める手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
配電網(またはグリッド)は、高需要期間中、および発電所の予期せぬ障害などの非常事態時に電気を供給する一群のディーゼル発電機、および開放サイクルガスタービンによって援助されることが多い。かかる発電資産はしばしばピーク対応プラントと呼ばれ、低効率で化石燃料を燃焼し、大気汚染の大きな原因となり得る。かかるピーク対応プラントによって供給されるサービスには、それだけに限られるものではないが、以下のものが含まれる。
・一日のうちの様々な時間帯における急激な需要と供給との差を平衡化する
・配電網全体の障害時に、発電資産の再起動に必要となる補助装置に電力供給するために必要となる電気を供給する(自力起動サポート(black-start support))
・高電力需要期間中に、配電網の一部に容量不足がある箇所で配電網を強化する
・電気需要が急速に増大したときに、配電網に出力を注入して、グリッドの周波数を支持する
【０００３】
さらに、配電網からの電力の損失は、データセンタなど、一部の消費者とって重大な経済的損失を引き起こす恐れがあり、または例えば病院の停電の場合、人々に危険が生じる恐れがある。かかる用途では、配電網からの電気供給が中断した場合に、ディーゼル発電機を使用して予備電気を供給することが多い。かかるディーゼル駆動発電機を、持続可能な資源からの燃料を使用するゼロエミッション装置と置き換えることができれば有利となる。
【０００４】
同様のサービスを提供できるが、持続可能な資源に由来し、大気汚染が低いか、または好ましくは大気汚染を生じない燃料を使用する装置が求められている。
【０００５】
本発明者らは、液体空気、液体窒素、または極低温液体(cryogen)の膨張を用いてタービンを駆動し、それによって電気を発生させる利用可能性があることを認識してきた。かかる装置は、配電網の需要と供給との平衡化の問題に対するコンパクトで、反応性が高く、かつ環境を汚染しない解決策となり得る。
【０００６】
特許文献１は、低温の液体空気、液体窒素、または極低温液体と、周囲空気、または廃熱との間の温度差ならびに位相差を利用して、低需要期間および/または過剰生産期間にエネルギを貯蔵し、貯蔵されたこのエネルギを後で放出して、高需要期間および/または出力抑制期間中に電気を発生することが可能な極低温エネルギ貯蔵システムを開示している。このシステムは、低電気需要期間に空気を液化する手段と、生成された液体空気を貯蔵する手段と、液体空気を膨張させるための膨張タービンと、を備えている。この膨張タービンは、需要と供給との間の不足を解消する必要がある場合に、電気を発生するように発電機に接続されている。
【０００７】
特許文献２は、特許文献１の動力回収要素を発展させ、極低温流体と、低品位廃熱源とを使用してゼロエミッション電気を発生する装置、すなわち極低温発電セット(cryogenset)、および方法を開示しており、この装置および方法を用いて配電網の負荷平衡および緊急時の支持を実現することができ、または病院もしくはデータセンタなどの重要な消費者に対する非常用電源となり得る。図1を参照すると、特許文献２の発明は、液体窒素または液体空気などの極低温流体と、低品位廃熱源140とを使用してターボ発電機に動力を供給している。この装置から出る排出物質は、気体窒素または気体空気のいずれかであり、環境に対するいかなる懸念も生じない。極低温流体は、グリッドからの電力150、または再生可能な資源からの電力160を用いて工業用冷凍庫または空気分離プラント100で製造され、タンカまたはパイプライン110によって、好ましくは貯蔵タンク120を介して極低温発電セット130に供給される。
【０００８】
かかるシステムおよび装置の効率に対する主な制約は、周囲温度まで加熱する間に極低温流体から放出される熱エネルギの利用が不十分であることである。極低温発電セットの排気は、極低温流体の温度よりもほんの僅かに高いだけであり、したがって周囲温度よりも遥かに低い。プロセスからの排気は周囲温度にほぼ近いと理想的であり、これはプロセスからの仕事をより有効に回収することができるからである。
【０００９】
本発明者らは、特許文献２に記載のメイン開放ランキンサイクルに追加の動力回収サイクルを含めることによって、作動流体からさらに仕事を抽出することができることを見出した。追加の動力回収サイクルをメインランキンサイクルと組み合わせることによって、周囲温度と、第1のランキンサイクルの排気との温度差を利用して、作動流体からより多くの仕事を抽出する。いくつかのサイクルを含めて、排気温度を次第に増大させて最終的に周囲温度に近づけることができる。しかし、追加の各サイクルの効率は、サイクルの高温部と低温部との間の温度差が次第に減少するにつれて低減し、それによって各増分追加サイクルのカルノー効率は低下する。実際には、さらなるサイクルの費用対効果が限界収益点となるには、1つまたは2つの追加サイクルを適用することができる。
【００１０】
この手法は周知であり、いわゆる「トッピング」または「ボトミング」サイクルが、しばしば発電装置に適用される。例えば、複合サイクルガスタービン発電所では、開放ブレイトンサイクルを、閉鎖蒸気ランキンボトミングサイクルと組み合わせて使用している。極低温発電セットは、周囲温度と極低温液体の温度との間の動作範囲で液化する作動流体を使用した閉鎖ランキンサイクルと組み合わせることができる(図2参照)。あるいは、開放または閉鎖ブレイトンサイクルを使用してもよい(図3aおよび図3b参照)。
【００１１】
上述のケースではほとんどの場合、メインサイクルとボトミングサイクルとで、空気および蒸気など、異なる作動流体が使用される。本発明者らは、極低温発電セットの場合、開放ブレイトンサイクル(図3bに示すものなど)をボトミングサイクルとして使用すると、単一の作動流体をメイン作動流体とボトミングサイクル作動流体との両方に使用することができることを認識してきた。これには、設計が簡単になり、費用が削減されるという利点があり、これは予備電力の標的市場で必須の特徴である。図3bのサイクルでは、ブレイトンボトミングサイクルへの吸気は、空気浄化ユニットをまず通過して、水および二酸化炭素を除去することができる。図4を参照すると、第1または第2の膨張タービンの入口のところでメイン作動流体と、ボトミングサイクル作動流体と、を併せることによって、設計の簡易化が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第2007/096656号パンフレット
【特許文献２】英国特許第1100569.1号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、液体窒素または液体空気などの極低温流体、および低品位廃熱源を使用する発電装置および方法、ならびにかかる装置からのエネルギ回収効率を高める手段を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
したがって、本発明は、
極低温流体を貯蔵する貯蔵タンクと、
貯蔵タンクから取り出された極低温流体を高圧に圧縮する流体ポンプと、
高圧極低温流体を蒸発させて高圧ガスを供給する蒸発器と、
高圧ガスを膨張させ、高圧ガスから仕事を抽出する第1の膨張タービンと、
第1の膨張タービンから排出されたガスを、周囲熱または廃熱を用いて再加熱する第1の再熱器と、
第1の再熱器から排出された作動流体を膨張させ、第1の再熱器から排出された作動流体から仕事を抽出する第2の膨張タービンと、を具備したエネルギ発生装置であって、
第2の膨張タービンは第1の経路と第2の経路とに分割された排気出口を有し、したがって第2の膨張タービンから排出された作動流体が第1の部分と第2の部分とに分割され、作動流体の第1の部分が、第1の経路に沿って第1の排気口を通じて周囲に導かれ、作動流体の第2の部分が、第2の経路に沿って蒸発器の入口に導かれ、したがって蒸発器内で、作動流体の第2の部分が、高圧極低温流体と熱エネルギを交換し、
第1の圧縮器は、作動流体の第2の部分が蒸発器を通過してから、この作動流体の第2の部分を圧縮し、この圧縮器の排気出口が、第1の膨張タービンの排気出口と連結され、したがって作動流体の第2の部分と、第1の膨張タービンから排出されたガスとが併せられ、第1の再熱器に導かれ、周囲熱または廃熱を用いて再加熱される、エネルギ発生装置を提供する。
【００１５】
したがって、本発明では、ランキンサイクルをブレイトンサイクルと組み合わせている。
【００１６】
圧縮器は通常、電動機または類似の装置によって駆動される。
【００１７】
膨張タービンの一方または両方は、発電機を駆動して、膨張タービンによって生成された回転エネルギから電気を生成するために使用することができる。
【００１８】
極低温流体は、システム内の作動流体として働く。
【００１９】
本発明の構成では、2つのサイクルの作動流体は同じである。さらに、第2のタービンを流れる流体の質量流量は、第1のタービンを流れる質量流量よりも本質的に多くなる。
【００２０】
流体ポンプは、極低温流体を少なくとも50バール、より典型的には100バール超の高圧に圧縮する。
【００２１】
この発電装置は、蒸発器から出力された高圧作動流体を、同じ場所に位置するプロセスからの熱源を用いて高温に加熱する過熱器をさらに備えることができる。同じ場所に位置する熱源は、周囲環境からでも、雰囲気からでも、地熱、河川、海水、もしくは湖水からでも、発電所、または製鉄所もしくはデータセンタなどの工業用プラントなどの廃熱源からでも、類似の低品位廃熱源、例えば発電所からの冷却水からでもよい。過熱器は、システムの蒸発器と第1の膨張タービンとの間に配置することができる。
【００２２】
併せられた流体の流れは再熱器を通過し、第2の膨張タービン内で周囲圧力付近まで膨張する。第2の膨張タービンは、低圧タービンを備え、そこから仕事が抽出される。
【００２３】
第2の低圧膨張タービンの排気を分割することによって、流れの一部が第1の排気口から周囲に放出され、残りの部分が蒸発器を循環し、そこで低圧作動流体が極低温高圧作動流体と熱エネルギを交換する。結果として得られる低圧かつ低温のガスが、圧縮器内で圧縮されてから、第1の高圧膨張タービンの排気と合流する。
【００２４】
再熱器は、周囲熱源または廃熱源を用いて、第1の膨張タービンから排出された作動流体を再加熱する。利用可能な熱源によってピークサイクル温度まで上昇させる。この熱源は、周囲環境からでも、雰囲気からでも、地熱、河川、海水、もしくは湖水からでも、発電所、または製鉄所もしくはデータセンタなどの工業用プラントなどの同じ場所に位置するプロセスからでも、類似の低品位廃熱源からでもよい。
【００２５】
この装置は、蒸発器と第1の膨張タービンとの間に配置された第3の膨張タービンおよび第2の再熱器と、第1の再熱器と第2の膨張タービンとの間に配置された第4の膨張タービンおよび第3の再熱器とをさらに備えることができる。この場合、加熱された極低温作動流体は、2つの高圧段および2つの低圧段を介して膨張し、これら4つの段で圧力は次第に低減し、各膨張段間で段間再加熱される。この場合、過熱器を蒸発器と第3の膨張タービンとの間に配置することができる。
【００２６】
この装置は、作動流体の第2の部分が蒸発器を最初に通過してから、この作動流体の第2の部分を圧縮し、作動流体の第2の部分を蒸発器に再度送り戻す第2の圧縮器をさらに備えることができ、その後、この作動流体の第2の部分は第1の圧縮器によってさらに圧縮されることになる。この構成では、作動流体の第2の部分はまず蒸発器内で冷却され、次いで第2の低圧圧縮器によって圧縮されてから、蒸発器に戻されてさらに冷却され、第1の高圧圧縮器内でさらに圧縮される。追加の圧縮器によって、段間冷却を利用することにより圧縮器作業が低減している。
【００２７】
高圧タービン段は、圧縮器と同じ動力シャフトに取り付けることができる。この構成では、駆動損失が低減されることによって、効率が高くなり、かつ費用が削減されるという両利点が得られる。
【００２８】
本発明による装置は、極低温エネルギ貯蔵システムの動力回収構成要素として使用することができる。
【００２９】
本発明の装置では、特許文献２に記載の極低温発電セットに比べて費用対効果のトレードオフが改善されている。本発明者らによる計算では、特定の仕事について、4%未満の設備費用の増大で、20%以上の改善が示された。貯蔵市場では、本発明の効率改善から実現される運転費用の大幅な削減によって、資本費用の増大が抑えられるため、好都合となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明は、図2、図3a、および図3bに示す装置に優るいくつかの有意な利点を提供する。こうした利点には、以下のものが含まれる。
1. 部品点数の減少、したがって費用の削減
本発明者らの行った計算では、特許文献２の単一サイクル極低温発電セットに対する、本発明の費用増大は4%未満で、20%の効率改善が得られた。図2、図3a、および図3bに示す設計では、同様の効力改善を得るには20%から40%の費用増大を招くことになろう。
2. 流体の取扱いの簡素化
閉鎖ランキンサイクルおよび閉鎖ブレイトンサイクルでは、別個の流体ループが必要となり、したがって流体が交差汚染するのを防止するために、複雑さが伴うことになる。本発明のシステムでは、かかる複雑さがない。
【００３１】
次に、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】同じ場所に位置する廃熱源と、遠隔に位置する空気分離プラントから極低温液体を送達する選択肢との位置関係を示す極低温発電セットの構成を示す図である。
【図２】ランキンボトミングサイクルを備えた極低温発電セットを示す図である。
【図３ａ】閉鎖ブレイトンボトミングサイクルを備えた極低温発電セットを示す図である。
【図３ｂ】開放ブレイトンボトミングサイクルを備えた極低温発電セットを示す図である。
【図４】2つのタービン段を備えた本発明の発電装置および方法の第1の実施形態を示す図である。
【図５】図4に示す本発明の第1の実施形態の温度エントロピ図である。
【図６】4つのタービン段を備えた本発明の発電装置および方法の第2の実施形態を示す図である。
【図７】4つのタービン段および2つの圧縮器段を備えた本発明の発電装置および方法の第3の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図4に示された本発明の第1の実施形態は、極低温タンク400からなり、そこから極低温流体、すなわち作動流体が高圧ポンプ410に搬送される。極低温流体は、少なくとも50バール、より典型的には100バール超の高圧に圧縮される。次いで、高圧流体は、蒸発器と称される熱交換器420内で加熱され、ここで熱エネルギが、タンクから来た極低温作動流体と、複合サイクルのブレイトンループの低圧作動流体と、の間で伝達される。過熱器430内で、発電所からの冷却水など、同じ場所に位置する廃熱源480から任意選択によって熱がさらに加えられる。結果として得られる高圧流体は、この時点で圧力が臨界圧力未満である場合には気体状態にあり、温度および圧力条件が超臨界である場合には液体状態にあり、第1の高圧タービン440を介して膨張し、そこから仕事が抽出される。高圧タービンからの排気が、ブレイトンサイクルループ圧縮器470からの排出と併せられ、再熱器450内で周囲熱または廃熱480を用いて再加熱される。併せられた流れ(ランキンループおよびブレイトンループ)は、低圧タービン460内で周囲圧力付近まで膨張し、そこから仕事が抽出される。次いで、このタービンからの排気は分割され、流れの一部が排気口490から周囲に放出され、残りの部分が蒸発器420を循環し、そこで低圧作動流体が極低温高圧作動流体と熱エネルギを交換する。排気口490からの定常流は、タンクからの質量流量に等しい。排気の、蒸発器420を循環した部分は、低圧かつ低温のガスであり、このガスは圧縮器470内で圧縮されてから、高圧タービン440の排気と合流する。ランキンループの作動流体と、ブレイトンループの作動流体とは、本質的に同じである。
【００３４】
このサイクルが図5の温度エントロピ図に表されており、図5に示された状態番号は、図4の六角形内に示された位置番号に対応している。
【００３５】
図6に示された本発明の第2の好ましい実施形態では、追加の2つのタービン段がこのプロセスに加えられ、それによって作動流体からの仕事回収が向上している。本発明者らは、加熱された極低温作動流体を2つの高圧段441および442と、2つの低圧段461および462とを介して膨張させることによって性能が大幅に改善されることを見出し、この場合圧力は4つの段で次第に低減し、各膨張段間で段間再加熱される。このようにすると、膨張プロセスは、理想的な等温ケースにより近くなる。完全なプロセスは、以下の通りである。極低温作動流体が、タンク400から高圧ポンプ410へとまず搬送される。次いで、この時点で高圧の流体は、蒸発器420内で加熱され、そこで熱エネルギがブレイトンループの低圧流体と交換される。次いで、この高圧加温作動流体は、任意選択で、過熱器430内で廃熱または周囲熱によってさらに加熱される。次いで、この高圧かつ高温の作動流体は、高圧タービン441内で膨張し、再熱器451内で再加熱され、さらなる高圧タービン442内で膨張する。次いで、この作動流体は、ブレイトンループからの高圧供給と併せられ、さらなる再熱器452内で加熱される。この流体は、低圧タービン461内で膨張し、次いでさらなる再熱器453内で再加熱され、最後にさらなる低圧タービン段462内で膨張する。最後の低圧タービンの排気が、再循環流れと排気流れ490とに分割される。再循環流れはまず、蒸発器420内で冷却され、次いで圧縮器470内で圧縮されてから、再熱器452上流でメイン作動流体流れと併せられる。このサイクルの様々な地点における典型的な温度、圧力、および質量流量を以下の表 (表1)に示し、図6の六角形内に示した位置番号で指す。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
表1に示された条件は、容易に入手可能なターボ機械の動作圧力と調和して比較的低い圧力(段1のタービン入口が100バール)で動作する本発明の一例を参照したものであることに留意されたい。発明者らによる分析によって、かかる機器で利用可能なより高いピーク圧力の作動流体では、より優れた性能が実現されることが示された。
【００３８】
図7に示された別の実施形態では、追加の圧縮器段がこのシステムに加えられ、段間冷却を利用することによって圧縮器作業を低減させている。低圧ブレイトンループ作動流体は、蒸発器420内で冷却され、低圧圧縮器472によってまず圧縮されてから蒸発器に戻され、そこでさらに冷却され、高圧圧縮器471内で圧縮される。この設計によって圧縮器作業は低減するが、圧縮器段が追加されるため複雑になるという犠牲が生じる。
【００３９】
図示されていないさらなる実施形態では、高圧タービン段440または段441および442が、圧縮器470または圧縮器471および472と同じ動力シャフトに取り付けられている。本発明者らは、高圧タービン段によって送達される動力は、最適動作条件での圧縮器動力要件とほぼ正確に合致することを見出した。本実施形態では、効率がより高く、かつ費用が削減されるという両利点が得られ、これらの利点は、圧縮器に接続された電動機をなくすことによって駆動損失を低減させ、かつ動力出力を低減させ、したがってタービンに接続される発電機の寸法が低減することによって得られる。本実施形態では、発電機の出力は低減しているが、このシステムの正味出力は先の実施形態と同じままとなり、その理由は、高圧タービンによって圧縮器を直接駆動することによって圧縮器電動機の寄生電気負荷が排除されているからである。
【符号の説明】
【００４０】
100  工業用冷凍庫または空気分離プラント
110  タンカまたはパイプライン
120  貯蔵タンク
130  極低温発電セット
140  低品位廃熱源
150  グリッドからの電力
160  再生可能な資源からの電力
400  極低温タンク
410  高圧ポンプ
420  熱交換器(蒸発器)
430  過熱器
440、441、442  高圧タービン
450、451、452、453  再熱器
460、461、462  低圧タービン
470、471、472  圧縮器
480  廃熱源
490  排気口
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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