(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ランキンサイクルのプラントの作動流体からオイルを分離及び除去するためのデバイスであって、前記プラントが、少なくとも１つの供給ポンプ（６）と、少なくとも１つの熱交換器（１，１６）と、膨張タービン（５）と、凝縮器（４）とを備え、前記デバイスは、
蒸発器（１）と前記凝縮器（４）又は再生器（１６）の入口を流体結合するように構成されたバイパスライン（７）と、
前記バイパスラインに配設されるように構成された分離器（２）及び収集手段（３）とを備え、
前記有機ランキンサイクルのプラントから前記バイパスライン（７）を切り離すために、前記バイパスライン（７）が、前記分離器（２）の上流にある第１のバルブ（８）と前記分離器（２）の下流にある第２のバルブ（９）とをさらに含み、
前記デバイスが、前記収集手段（３）が排出することを必要とするとき、タンク（１１）から来る、加圧されたエアあるいは窒素を注入するために、前記収集手段（３）の上流に配設された第３のバルブ（１０）を備えることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記バイパスライン（７）が、前記作動流体の気相が存在する前記蒸発器（１）の部分（１’）と前記凝縮器（４）とを接続するように構成されており、前記分離器（２）が、サイクロン（１９）であるとともに、その端部において合体フィルタ（２０）を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１のバルブ（８）が、全プラント流量の１／１００００〜１／１０００の範囲でバイパス流量を連続的に制御するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２のバルブ（９）が、前記バイパスラインでの圧力を調節するように構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第１のバルブに代えて較正された穴ディスクが設けられ、前記較正された穴ディスクが、バイパス流量を決定するように構成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記第１のバルブに代えて毛細管が設けられ、前記毛細管が、バイパス流量を決定するように構成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記分離器（２）及び前記収集手段（３）の間に配設された第４のバルブ（１５）をさらに備え、前記収集手段（３）を排出させる間に前記分離器が作動し続けるように前記収集手段（３）を切り離すように前記第４のバルブ（１５）が構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
締結手段によって前記蒸発器（１）のヘッドに組み付けられることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
収集作動流体温度の容易な制御を可能にするように、前記収集手段（３）が、前記蒸発器（１）のヘッド上に溶接されるように構成されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記収集手段（３）が、自律的に加熱されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記分離器（２）が、分留用に構成され、前記作動流体の液相が存在する前記蒸発器の一部（１’’）からオイル及び作動流体の混合物を受け取ることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載のデバイスによって有機ランキンサイクルのプラントの作動流体からオイルを分離及び除去するための方法であって、当該方法が、
前記分離器（２）において、オイル及び作動流体を注入するステップと、
前記分離器（２）において作動流体からオイルを分離するステップと、
前記収集手段（３）の内部にオイルを運ぶステップと、
前記収集手段（３）を排出するステップとを備え、
前記収集手段（３）の排液路（１４）の方にオイルを押圧する加圧されたエアあるいは窒素を注入するためにバルブ（１０）を開くことにより、前記収集手段（３）の前記排出のフェーズが起こることを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記分離器（２）において気相にある前記作動流体からオイルを分離する前記ステップが、遠心又は慣性の効果によって行なわれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
分離のフェーズの終わりに、前記分離器（２）の出口で合体フィルタ（２０）によってオイル小滴を合体させる合体のフェーズをさらに備えることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記分離器（２）において液相にある前記作動流体からオイルを分離する前記ステップが、分留によって行なわれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１のバルブ（８）及び前記第２のバルブ（９）を閉じるとともに、前記収集手段（３）の前記排液路（１４）に配設されたバルブ（１３）を開けることにより前記バイパスライン（７）を切り離すと、前記収集手段（３）の前記排出のフェーズが、行なわれることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記分離器が作動し続けるように前記プラントを切り離すバルブ（１５）を閉じるとともに、前記収集手段（３）の前記排液路（１４）に配置したバルブ（１３）を開けることにより、前記収集手段（３）の前記排出のフェーズが起こることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蒸気プラント用の、具体的には、有機ランキンサイクル（以下、ＯＲＣサイクルという。）にしたがって作動するプラント用の、作動流体からオイルを分離及び除去するためのデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
知られており要約するように、ＯＲＣプラントは、少なくとも１つの供給ポンプと、少なくとも１つの熱交換器（通常、１つ以上の蒸発器であるが、さらに１つ以上の予熱器及び１つ以上の過熱器）と、１つの膨張タービンと、１つの凝縮器と、最後に１つの再生器とを備える。行なわれた熱力学サイクル（有機ランキンサイクル）は、作動流体が有機流体であるということを特徴としている。サイクルは、熱を提供し（蒸発器）、かつ熱を減ずる（凝縮器）ために、相変化を持った２つの実質的に断熱曲線及び２つの等圧線曲線から成る。タービンが熱エネルギーを機械仕事に変換する間、ポンプは凝縮液体を加圧し、蒸発器にそれを与える。したがって、当該熱力学サイクルの目的は、熱を機械仕事にできるだけ多く変換することである。有機ランキンサイクルは、電気エネルギを生成するために熱電のプラントにおいて典型的に使用される。
【０００３】
典型的用途では、回転速度と圧力は、外的環境から作動流体を密閉するオイル障壁を有する回転可能なメカニカル・シールを採用することを通常要求する。互いに相対的な運動を有する、構成要素間の接触領域は、完全な機能及び長い寿命を保証するために、一定で加圧された潤滑を要求する。実際には、当該潤滑は、２つの構成要素間の直接的接触に起因した摩耗を低減する。そのようなプラントでは、オイルケースが、加圧されたオイルを持ったシールのすべてに与えるために利用可能である。前記オイルケースは、タービンのシーリング及びベアリングに潤滑を供給するために、各メガワットの電力に対して著しい（remarkable）体積を、典型的に１００〜３００リッターの体積を、有する必要がある。
【０００４】
典型的には、回転可能なシールは小さなオイル損失に弱い。ある場合には、さらに大幅な損失が、技術的な不都合（例えば熱的又は機械的な過負荷）の結果として、シーリングの機械的な破損に起因して発生する場合がある。
【０００５】
ＯＲＣプラントでの典型的な小さな損失は、１日当たり約０．１〜０．５リッター（0,1 ÷  0,5 l）である。プロセス作動圧力より大きな圧力であると、オイルは、ＯＲＣプラントの配管内部に流れて、作動流体と混じり合い、それにより、作動流体の物理的及び化学的な特性を変化させる。例えば、そのような混合に起因して、有機流体の蒸気圧が変化し、従ってさらにその凝縮圧力が変化する。さらに、全流量（作動流体とオイルの流量の合計である）と同様に、作動流体の化学組成が変化する。当該変化は、グローバルな効率を悪化させて、行なわれたサイクルの熱係数及び圧力に影響を及ぼす。
【０００６】
したがって、寿命に沿った優れた効率を可能にするような、プラントの内部での作動流体からオイルを分離及び除去するための必要性が存在する。
【０００７】
知られた例は、オイル分離器を記載する特開昭５９−１１９００３の文献である。当該文献では、オイルと混合された液化ランキン媒体が、ランキン媒体とオイルとに分離されて、ランキンサイクル型の液化天然ガスの低温発電所に供給される。別の例が、潤滑オイルで潤滑されて、膨張機及びポンプでの作動流体に混合された潤滑オイルを収集することと、膨張機及びポンプに適量の潤滑オイルを供給することとが別々である膨張機及びポンプを備える有機ランキンサイクルでのデバイスを記載する特開２００９−１３８６８４の文献である。さらなる例が、潤滑オイルシステムから分離されて作動媒体システムの作動媒体に混合された潤滑オイルが、回復されるとともに潤滑オイルシステムに戻る潤滑オイル回復手段と、潤滑オイル回復方法とを備える発電デバイスを記載する特開２００６−２８３６７４の文献である。別の例が、蒸発器での潤滑オイルの濃度を制御することによるバイナリ生成デバイスを記載する特開平０９−０８８５０３の文献である。少なくとも、ドイツ特許出願公開１０２０１１０８９９２９号明細書は、分離ユニットの入力ユニットに潤滑物及び作動流体の混合物を供給するための入力を持った分離ユニットを有し、セパレートの内径が入力ユニットから潤滑出口にかけて徐々に小さくなり、分離ユニットの内側領域が混合から潤滑出口まで潤滑物を案内するために入力ユニットよりも小さな内径を有し、内側領域を囲む分離ユニットの周囲領域が混合から作動流体出口まで作動流体をガイドするために設けられているセパレータを記載する。
【０００８】
現在（At the time being）、ＯＲＣプラントの作動流体から他の高沸点の流体（例えば熱キャリア流体あるいは部品加工残留流体（component machining residual fluid））を除去するのと同様にシーリング手段から潤滑油を除去するのに適切である専用の（devoted）デバイスが知られていない。
【発明の概要】
【０００９】
この発明の目的は、プラント作動時間の間に及びオンライン手順に応じて、つまりプラントを停止することなく、作動流体からオイルを除去（運動用シールからの損失又は他の損失に起因した）するための新しいデバイスである。
【００１０】
分離されるオイルが作動流体と一緒にプラントにおいて流れることを強調することは重要である。この理由で、オイルは、プラントの各部分で見つけることができる。結果として、作動流体の動きの悪い影響により、ＯＲＣ流体が液相及び気相の両方にある。したがって、この発明は、液相及び気相の両方にある、ＯＲＣプラントの作動流体からオイルを分離及び除去するためのデバイスに関する。
【００１１】
第１の態様によれば、この発明は、ＯＲＣプラントの作動流体からオイルを分離及び除去するためのデバイスであり、前記プラントは、少なくとも１つの供給ポンプと、少なくとも１つの蒸発器と、少なくとも１つの膨張タービンと、少なくとも１つの凝縮器とを備え、前記デバイスは、ＯＲＣプラントの蒸発器と凝縮器（あるいは、使用されるならば再生器）との間に位置する分離器及び収集手段を備える。
【００１２】
この態様の利点は、著しい変更なしで、当該デバイスが既存のプラントにも容易に適用されるということである。
【００１３】
好ましい実施形態によれば、デバイスは、有機流体の気相が存在する蒸発器の部分と、凝縮器（あるいは再生器）の入口との間にバイパスラインを備え、前記分離器及び前記収集手段が、バイパスラインに沿って配設されて、前記分離器がサイクロンである。
【００１４】
作動流体が気相にあるとき、この実施形態の利点は、作動流体からオイルを分離及び回収する可能性である。
【００１５】
別の実施形態によれば、バイパスラインは、プラントからバイパスラインを切り離すための、蒸発器の下流にある第１のバルブと凝縮器の上流にある第２のバルブとを備える。
【００１６】
この実施形態の利点は、もし必要ならば、それを除外するようにプラントからバイパスが切り離されることである。
【００１７】
さらなる実施形態によれば、蒸発器の下流にある、第１のバルブ又は較正された穴を有するディスクは、全プラント流量の１／１００００〜１／１０００の範囲でバイパス流量を連続的に調節する。バイパス圧力は、凝縮器の上流に配設された第２のバルブの調節によって決定される。
【００１８】
プラントのニーズ及び種類により、この実施形態の利点は、簡単なバルブあるいは較正された穴を有するディスクによって、バイパス流量を容易に較正する可能性である。分離器と収集手段とにおいて利用可能である、圧力及び温度の条件に関する、首尾一貫した速度値を有するように、前記流量を調節する必要がある。
【００１９】
好ましい実施形態によれば、収集手段が排出を必要とするとき、タンクから来る加圧されたエアあるいは窒素の注入を可能にするための第３のバルブが、収集手段の上流に配設されている。
【００２０】
この実施形態は、収集手段が迅速にオイルを排出することを可能にする。
【００２１】
別の好ましい実施形態によれば、収集手段を排出させる間に、分離器が作動し続けるように、前記収集手段を切り離すために、第４のバルブは分離器と収集手段との間に配設されている。
【００２２】
この実施形態の利点は、分離器を停止することなく、収集手段を排出する可能性である。
【００２３】
さらに別の実施形態によれば、前記収集手段は、流体温度の収集の容易な制御を可能にするように、締結手段によって、あるいは蒸発器のヘッド上での溶接によって、蒸発器のヘッドの上に後付け（retrofitting）として組み付けられる。別法として、前記収集手段は、分離したデバイスであり、熱キャリア流体あるいは他の熱源によって自律的に加熱されるとともに調整可能である。
【００２４】
この実施形態は、プラントを著しく改良することなく、すべてのＯＲＣプラントにこのデバイスを組み付けることを可能にする。
【００２５】
さらなる実施形態によれば、分離器が、分留に基づいており、汚染された有機流体の液相が存在する、蒸発器の一部から混合物を受け取る。
【００２６】
この実施形態の利点は、ＯＲＣ流体が液相にあるときに、作動流体からオイルを分離及び回収する可能性である。
【００２７】
別の態様によれば、有機ランキンサイクルのプラントの作動流体からオイルを分離及び除去するための方法が記載される。当該方法は、上述したデバイスによって作動して、
分離器にオイル及び作動流体を注入する（inlet）ステップと、
分離器にある作動流体からオイルを分離するステップと、
収集手段の内部にオイルを運ぶステップと、
収集手段を排出するステップとを備える。
【００２８】
有利には、作動流体が気相で利用可能な場合、分離器でのオイル分離が遠心又は慣性の効果によって行なわれる。
【００２９】
さらに、分離のフェーズの終わりに、当該方法は、分離器の出口で合体（coalescent）フィルタによるオイル小滴を合体させる合体のフェーズを備えることができる。
【００３０】
利点は、気相にある作動流体からのオイルの分離及び除去を得るためにすべてのＯＲＣプラントに当該方法を適用できるということである。
【００３１】
さらなる利点は、当該方法が、メカニカル・シールから来る潤滑油の分離を可能にするだけでなく、他の高沸点のオイルが作動流体サイクルに入るならば、他の高沸点のオイルの分離も可能にするということである。
【００３２】
有利には、作動流体が液相にあるとき、分離が分留によって分離器において起こる。
【００３３】
この方法の利点は、作動流体及びオイルの両方が液相にあり、作動流体からのオイルの分離及び除去を得るために、すべてのＯＲＣプラントに当該方法を適用できるということである。
【００３４】
好ましい実施形態によれば、蒸発器の下流にあるバルブと凝縮器の上流にあるバルブとを閉じるとともに、収集手段の排液路（drainage）に配設されたバルブを開くことによりバイパスラインを切り離す（isolate）と、収集手段の排出のフェーズが行なわれる。
【００３５】
この方法の利点は、わずか３つのバルブを使用することにより、プラントを切り離す可能性である。
【００３６】
別の実施形態によれば、プラントを切り離してその結果分離器が作動し続ける第４のバルブを閉じること、及び、収集手段の排液路に配置されたバルブを開けることにより、収集手段の排出のフェーズが起こる。
【００３７】
この実施形態の利点は、排出ラインから分離器を切り離し、その結果、排出ラインが自律的に作動できる可能性である。
【００３８】
さらに別の実施形態によれば、収集手段の排出のフェーズは、収集手段の排液路の方にオイルを押す、加圧されたエアあるいは窒素を注入するために第３のバルブを開くことにより起こる。
【００３９】
この実施形態の利点は、収集手段によって迅速且つ効率的にオイルを排出する可能性である。
【００４０】
この発明の異なる実施形態は、添付された図面を参照して、限定しない実施例によって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＯＲＣサイクルの基本スキームを示す。
【図２】再生のＯＲＣサイクルに対する図１のスキームである。
【図３】この発明の第１の実施形態に係る、ＯＲＣサイクルの蒸発器と凝縮器との間に配設されたバイパス・デバイスを示す。
【図４】ＯＲＣサイクルの蒸発器と再生器との間に配設された、図３のバイパス・デバイスを示す。
【図５】分離器の遮断弁を持った、この発明のさらなる実施形態に係る、ＯＲＣサイクルの蒸発器と凝縮器との間に配設されたバイパス・デバイスを示す。
【図６】ＯＲＣサイクルの蒸発器と再生器との間に配設された、図５のバイパス・デバイスを示す。
【図７】デバイスが蒸発器伝導によって加熱されるスキームを示す。
【図８】分離器が自律的に加熱される、さらなるデバイス・スキームを示す。
【図９】分離器が分留に基づいている、デバイスの組立体を模式的に示す。
【図１０】合体フィルタを有する、遠心分離機を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
この発明の第１の実施形態は、ＯＲＣサイクルの気相にある作動流体からオイルを除去するためのデバイスである（図１）。既知であるように、ＯＲＣプラントは、少なくとも１つの供給ポンプ６と、少なくとも１つの熱交換器１と、典型的に１つの蒸発器と、１つの膨張タービン５と、１つの凝縮器４と、最終的には１つの再生器１６とを備える（図２）。関連する熱力学サイクル（有機ランキンサイクル）は、供給ポンプによって、液相にある有機作動流体を供給する供給のフェーズと、前記作動流体を加熱及び気化する加熱及び気化のフェーズと、膨張のフェーズと、最終的な再生のフェーズと、同じ作動流体を凝縮する凝縮のフェーズとを備える。
【００４３】
気相にある作動流体からオイルを分離及び除去することは、蒸発器１と凝縮器４との間に配設されるか、別法として蒸発器１と再生器１６との間に配設される、デバイスによって実現される。そのようなデバイス（図３及び４）は、例えばサイクロン・タイプ又は遠心タイプ（図１０）の分離器２を備え、分離器２は、その端において合体フィルタ２０（気相にある有機流体の凝縮を回避するために加熱状態を保持しなければならない）を有する。オイル分離は、気相にあるＯＲＣ流体と、液相にあるオイルとに作用する異なる遠心力に起因する、物理的な現象である。分離器２に入った後、両相の（bi-phase）流体は、旋回するパスに強いられ、その間、大きな遠心力にさらされたオイル小滴は、ＯＲＣ流体の蒸気流によって分離され、収集手段３において重力落下を提供できる寸法に達するまで、適切な合体フィルタ２０の内部で合体する。サイクロン１９中の流路は、蒸気からオイル小滴を分離することを容易にするために（慣性に起因する）方向の変更を有するであろう。それはワーキング・サイクルに戻るであろう。
【００４４】
収集手段３は、蒸気流から分離された、オイル粒子を収容するタンクである。収集手段３は、高温の蒸発器部分に接して、例えば蒸発器１のヘッド（図７）の上に配設される。蒸発器は、シェルとチューブの熱交換器である。具体的には、デバイスは、締結手段（例えば把握（grasp））によって、既存のプラント用の後付け（retrofitting）として組み付けられる。さらに、デバイスは、蒸発器のヘッド上に直接的に溶接される。別法として、デバイスは、自律的に例えば電気的に加熱された分離デバイスとすることができる。この解決策は、収集された流体の温度を簡単に制御するのに適している。デバイスは、蒸発器を凝縮器に流体接続するバイパスライン７をさらに備える。前記バイパスラインの内部には、分離器２及び収集手段３がインストールされている。典型的には、バイパスラインを通して、全プラント流量のうちの約１／１０００が流れる。前記のように、分離されたオイルがタンク３（収集手段）の中に集められる。タンクから、所定時間の経過後に、オイルが排出されなければならない。好ましい実施形態によれば、蒸発器の下流にある第１のバルブ８と凝縮器の上流にある第２のバルブ９とを閉じて、第３のバルブ１０を開けてプラント・バイパスを切り離することによって、収集手段３の排出が行なわれる。第３のバルブ１０は、タンク１１から来る加圧されたエアあるいは窒素の注入を可能にするために、収集手段３の上流に配設される。前記エアあるいは窒素は、収集手段の排液路１４の方に液体を押圧する。
【００４５】
代替の実施形態によれば、収集手段３の排出は、収集手段３の排液路（drainage）１４に設けられたバルブ１３を開いて、重力によって行なうことができる。この実施形態によれば、エアあるいは窒素用のタンク１１及び関連するバルブ１０は、これ以上必要ではない。
【００４６】
異なる実施形態によれば、第４のバルブ１５は、分離器２と、収集手段３（図５及び６）との間で利用可能である。前記バルブはプラントから収集手段を切り離す。その結果、分離器は作動し続けて、その間、圧力又は重力の効果により、収集手段が排出できる。
【００４７】
バイパス流量は、蒸発器１の下流にある、第１のバルブ８を調節することにより決定される。典型的には、バイパス流量は、１／１００００〜１／１０００の間の範囲で連続的に調節できる。機械加工の実現可能性を改善するために、バルブは、１つ以上の較正された穴を有するディスクと、あるいは毛細管と、あるいは他のチョック（chocking）手段と置き換えることができる。これらの手段のすべては、調整可能でないバイパス流量を規定する。バイパスライン圧力は、凝縮器４あるいは再生器１６の上流に配設された第２のバルブ９を調節することにより決定される。
【００４８】
図９に示されるように、この発明のさらなる作動（actuation）は、液相にある作動流体からオイルを除去するためのデバイスである。前記実施形態は、分留に基づく分離器において、前の実施形態と異なる。既知であるように、分留は２つ以上の物質を分離できる。２元の（binary）蒸留に関しては、混合物成分がそれらの異なる揮発性（あるいは沸点）に基づいて分離される。実際には、蒸留塔の最も高い部分（いわゆる「ヘッド」）では高濃度の高揮発性物質があり、最も低い部分（いわゆる「尾部（tail）」）では、高濃度の低揮発性物質がある。蒸留塔は分留塔と呼ばれる。分留は、デバイスにおいて起こる、広い一連の気化−凝縮に基づく。カラムでの温度プロフィールは、ボイラーに近い高温度値（ここで混合物が沸騰する）と、凝縮器に近い低温度値とを特徴としている。
【００４９】
作動流体が液相にあると、オイルの分離が、「オン・ライン」では実現できず、蒸留塔として構成された、分離器２の限られた体積でのバッチ・サイクルを必要とする。前記体積は、蒸発器から来て液体を含むパイプに配設されたバルブ８によって液体の作動流体で満たされる。分離器２にチャージされた流体は、発熱要素（例えば、熱キャリア流体を持った熱交換器あるいは電気抵抗）によって加熱される。高沸点成分（オイル）は、分離器２に蓄積される。エアまたは窒素を注入した後、高沸点成分（オイル）は遮断されて排出される。
【００５０】
この発明の実施形態以外に、上記開示のように、膨大な数の変換例が存在することは理解されるべきである。１つ以上の例示の実施形態が、単なる例であり、形はどうあれ、範囲、適用可能性あるいは構成を制限するのを意図していないことはさらに認識されるべきである。もっと正確に言えば、先の要約及び詳細な説明は、少なくとも１つの例示の実施形態を実施するために当業者に好都合なロードマップを提供するであろう。添付のクレーム及びそれらの法的等価物で示されるような範囲から逸脱することなく例示の実施形態に記載された要素の機能及び配置が様々に変更されてもよいことが理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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