(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）を運転する方法であって、
高圧エキスパンダ（１０２）からの排気流（１０８）を送出するステップと、
前記高圧エキスパンダ（１０２）からの前記排気流（１０８）を第１の排気流（１１２）と第２の排気流（１１４）に分割するステップと、
前記第１の排気流（１１２）を第１の低圧エキスパンダ（１０４）に向けるステップであって、前記第１の低圧エキスパンダ（１０４）はターボ圧縮機シャフト（１２２）を介して加圧装置（１２０）に結合されている、ステップと、
前記第２の排気流（１１４）を第２の低圧エキスパンダ（１０６）に向けるステップであって、前記第２の低圧エキスパンダ（１０６）はターボ発電機シャフト（１１８）を介して前記高圧エキスパンダ（１０２）および電気発生機（１１６）に結合されている、ステップと、
前記加圧装置（１２０）から作動流体の臨界点を上回る加圧された流体流を送出し、前記高圧エキスパンダ（１０２）へ前記加圧された流体流を配給するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記排気流（１０８）を前記第１の排気流（１１２）と前記第２の排気流（１１４）に分割するステップの前に、前記排気流（１０８）を加熱するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記高圧エキスパンダ（１０２）へ前記加圧された流体流を供給するステップの前に、前記加圧された流体流を加熱するステップをさらに含む、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記第１の低圧エキスパンダ（１０４）からの第３の排気流（１４０）と前記第２の低圧エキスパンダ（１０６）からの第４の排気流（１４２）とを送出し、１つまたは複数の熱交換器（１３０）へ前記第３の排気流（１４０）および前記第４の排気流（１４２）の各々を再生式で供給するステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記１つまたは複数の熱交換器（１３０）を介して前置冷却器（１３５）へ前記第３の排気流（１４０）および前記第４の排気流（１４２）を供給するステップをさらに含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記前置冷却器（１３５）から冷却された流体流を受け取り、前記加圧装置（１２０）へ当該冷却された流体流を供給するステップをさらに含む、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記高圧エキスパンダ（１０２）からの前記排気流（１０８）を分割するステップは、前記第１の排気流（１１２）と前記第２の排気流（１１４）の流量比を制御するステップを含む、請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）であって、
排気流（１０８）を送出する高圧エキスパンダ（１０２）と、
前記高圧エキスパンダ（１０２）に流体結合されているとともに、前記排気流（１０８）を第１の排気流（１１２）と第２の排気流（１１４）に分割するように構成されている導管と、
ターボ圧縮機シャフト（１２２）を介して加圧装置（１２０）に結合されているとともに、前記第１の排気流（１１２）を受け入れるように流体結合されている第１の低圧エキスパンダ（１０４）と、
ターボ発電機シャフト（１１８）を介して前記高圧エキスパンダ（１０２）および電気発生機（１１６）に結合されているとともに、前記第２の排気流（１１４）を受け入れるように流体結合されている第２の低圧エキスパンダ（１０６）と
を備え、
前記加圧装置（１２０）は、作動流体の臨界点を上回る加圧された流体流を前記高圧エキスパンダ（１０２）へ供給するように前記高圧エキスパンダ（１０２）に流体結合されている、再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項９】
前記作動流体のための密閉流路を形成する、請求項８記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１０】
前記作動流体は、二酸化炭素を含む、請求項９記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１１】
前記加圧装置（１２０）は、互いに結合された第１の圧縮機（１２４）および第２の圧縮機（１２６）を備える、請求項８から１０のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１２】
前記加圧装置（１２０）は、１つまたは複数の熱交換器（１３０）を介して前記高圧エキスパンダ（１０２）に流体結合されている、請求項８から１１のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の熱交換器（１３０）は、互いに流体結合された第１の熱交換器（１３２）および第２の熱交換器（１３４）を備える、請求項１２記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の熱交換器（１３０）と前記高圧エキスパンダ（１０２）の間に流体結合された第１の熱源（１３８）をさらに備える、請求項１２又は１３記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の熱交換器（１３０）は、前記第１の低圧エキスパンダ（１０４）からの第３の排気流（１４０）および前記第２の低圧エキスパンダ（１０６）からの第４の排気流（１４２）を受け入れるように、前記第１の低圧エキスパンダ（１０４）、および前記第２の低圧エキスパンダ（１０６）にさらに流体結合されている、請求項１２から１４のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１６】
前記高圧エキスパンダ（１０２）から前記排気流（１０８）を受け入れ前記導管へ加熱された排気流（１０８）を送出するように、前記高圧エキスパンダ（１０２）と前記導管の間に流体結合された第２の熱源をさらに備える、請求項８から１５のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１７】
前記第１の排気流（１１２）と前記第２の排気流（１１４）の流量比を制御するための圧力調整弁をさらに備える、請求項８から１６のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【請求項１８】
冷却された流体流を前記加圧装置（１２０）へ供給するように前記加圧装置（１２０）に流体結合されている前置冷却器（１３５）をさらに備える、請求項８から１７のいずれか１項記載の再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般に、再生式熱力学サイクル、例えば再生式ブレイトンサイクルに関し、より詳細には、再生式ブレイトンサイクル、およびこのシステムを運転する方法を利用する発電システム、例えばガスタービン発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
再生式熱力学サイクルは、典型的には、サイクル（例えば、ブレイトンサイクル）の効率を、単純サイクル機械を用いてその他の方法で達成可能であるものを超えて改善するようにガスタービンおよびマイクロタービンに実装される。現在の再生式ガスタービンサイクルでは、燃料エネルギーの一部置き換えは、エネルギーを排ガスから熱交換器を介して圧縮機から排出される空気へ再生式に伝達することによって達成される。そのような機械における圧縮比は十分低いので、タービンを出て再生器に入る排ガスの温度はその中で加熱される圧縮機排気よりも高い。ガスタービンサイクルの効率における改善がかなり実現されている。
【０００３】
これらのガスタービンサイクルに対するさらなる改善は、様々なプロセスおよび構成、例えば、中間冷却を用いた多段圧縮、再加熱を用いた多段膨張、および再圧縮を用いることによって達成されている。しかしながら、そのような再生サイクルおよび再圧縮サイクルでも、熱効率は、タービン排ガス温度は圧縮機排気温度よりも低く下げることがどうしてもできず、さもなければ熱は（排ガスへ）逆方向に流れることになり、システムの効率を減少させることになるといったことで制限される。
【０００４】
最近になって、密閉熱力学発電サイクルにおいて超臨界二酸化炭素などの超臨界流体を用いることの関心が増している。例えば、超臨界ブレイトンサイクル発電システムは、既存の蒸気駆動式発電プラントおよびガスタービン発電プラントと比べて、より高い効率およびより大きい費用対効果の電力変換を達成するための有望な手法をもたらす。しかしながら、そのような発電システムのためのターボ機械設計は、主に、（ｉ）多数の構成要素がこのシステムに必要／使用されること、および（ｉｉ）超臨界流体が高い流体密度であることによって複雑で困難なものである。特に、機械設計が応力および正味軸スラスト荷重を最小にするように最適化されるとともに非設計条件における制御可能な動作を確実にもするように、エキスパンダおよび圧縮機の流体の流量および速度を適合させることが困難であり得る。
【０００５】
したがって、発電システムに典型的に使用される従来の熱力学発電サイクルを上回る利点をもたらす再生式熱力学サイクルの代替の構成が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１４５７５９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
一実施形態は、再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステムを運転する方法を提供する。この方法は、高圧エキスパンダからの排気流を送出するステップと、高圧エキスパンダからの排気流を第１の排気流と第２の排気流に分割するステップとを含む。第１の排気流は、ターボ圧縮機シャフト１２２を介して加圧装置に結合されている第１の低圧エキスパンダに向けられる。第２の排気流は、ターボ発電機シャフト１１８を介して高圧エキスパンダおよび電気発生機に結合されている第２の低圧エキスパンダに向けられる。
【０００８】
別の実施形態は、再生式密閉ループ熱力学発電サイクルシステムを提供する。このシステムは、排気流を送出する高圧エキスパンダを含む。導管は、高圧エキスパンダに流体結合されており、この高圧エキスパンダは、高圧エキスパンダからの排気流を第１の排気流と第２の排気流に分割するように構成されている。システムは、第１の低圧エキスパンダ、および第２の低圧エキスパンダをさらに含む。第１の低圧エキスパンダは、ターボ圧縮機シャフトを介して加圧装置に結合されているとともに、第１の排気流１１２を受け入れるように流体結合されている。第２の低圧エキスパンダは、ターボ発電機シャフト１１８を介して高圧エキスパンダおよび電気発生機に結合されているとともに、第２の排気流を受け入れるように流体結合されている。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むとより良く理解されることになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の明細書および添付の特許請求の範囲において、いくつかの専門用語について言及がなされており、これは、以下の意味を有するように定められるものとする。単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈上他のものを明確に示さない限り、複数の指示対象を含む。「任意選択の」または「任意選択で」は、続いて説明されるイベントまたは状況が生じても生じなくても、この説明は、イベントが生じる場合と、イベントが生じない場合とを含むことを意味する。
【００１２】
本明細書中に使用されるとき、近似の言い回しは、明細書および特許請求の範囲に全体にわたって、それに関連がある基本的な機能の変更という結果になることなく変更を許容できる任意の定量的表現を修正するために付与することができる。したがって、「約」および「実質的に」などの１つまたは複数の用語によって修正された値は、特定された正確な値に限定されるべきでない。いくつかの例では、近似の言い回しは、値を測定する機器の精度に対応し得る。
【００１３】
図１は、再圧縮および再加熱の構成を用いる従来の再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システム１０を示す。本明細書中に使用されるとき、用語「密閉ループ」は、システム１０が、（明細書全体を通じて「流体」とも呼ばれ得る）作動流体のための閉サイクル流路を形成することを意味する。（通常、主圧縮機１４および再圧縮機１６を備える）１つまたは複数の圧縮機１２によって圧縮される作動流体は、システム１０内部の以下の閉サイクル流路に従う。１つまたは複数の圧縮機１２から、圧縮流体流２６は、第１の熱交換器２０、第２の熱交換器２２、熱源３２、エキスパンダ１５に入り、第２の熱交換器２２、および第１の熱交換器２０に再び入り、前置冷却器２４に入り、１つまたは複数の圧縮機１２に戻る。したがって、作動流体は、この閉サイクル流路内を流れ、周囲の液体または他の液体と混合しない。エキスパンダ１５は、少なくとも２つのエキスパンダ１７および１８を、再加熱のための２つのエキスパンダの間の追加の熱源１９と共に備える多段エキスパンダとすることができる。
【００１４】
作動流体の適切な一例には、二酸化炭素（ＣＯ2）が含まれる。作動流体の他の例には、空気、水、ヘリウム、または有機流体、例えば、イソブテン、プロパンなどが含まれる。いくつかの例では、作動流体は、超臨界流体、例えば超臨界二酸化炭素であり、システム１０は、超臨界ブレイトンサイクル発電システムと呼ばれる。
【００１５】
超臨界ブレイトンサイクル発電システムは、超臨界作動流体（または超臨界流体）を使用する電力変換システムである。本明細書中に使用されるとき、用語「超臨界流体」は、流体の臨界点（臨界温度および臨界圧力）でまたは臨界点を上回って別個の液相および気相が存在しない単相流体を指す。超臨界流体の用語「臨界点」は、物質が超臨界状態において存在する最低温度および最低圧力を指す。用語「臨界温度」および「臨界圧力」は、それぞれ超臨界流体の臨界点における温度および圧力を指す。
【００１６】
典型的には、超臨界ブレイトンサイクル発電システムにおける熱遮断は、作動流体の状態が流体の臨界温度および臨界圧力を上回るときに行われる。一般に、超臨界ブレイトンサイクルシステムにおける最高のサイクル効率は、そのような発電システムの主圧縮機の入口における作動流体の温度および圧力が、できる限り作動流体の臨界点の近くにあるときに生じる。
【００１７】
本明細書中に説明されるとき、再生式熱力学サイクル（図１）において、（一般に熱源３２によって与えられる）外部熱エネルギーの一部置き換えは、エキスパンダ１５からの排気流３０から回収した熱エネルギーの一部分を圧縮流体流（２６、２８）へ伝達することによって達成される。この熱エネルギーの一部分の伝達によって、流体流２６および２８が圧縮機１２を出た後、エキスパンダ１５に入る前に、圧縮流体流（２６、２８）の温度を増加させる。残りの排出エネルギーは、エキスパンダ１５から排出される。熱源３２は、エキスパンダ１５に入る前に流体流２９をさらに加熱させるために加えて使用される。概して、（出力タービンとも呼ばれ得る）エキスパンダ１５は、電気を発生させるために発電機３４に結合されている。図１に示されるように、１つまたは複数の圧縮機１２、エキスパンダ１７および１８、ならびに発電機３４を含むこのシステム全体は、通常、同じシャフト１１に配置される。
【００１８】
本明細書中に説明される本発明の各態様は、最先端技術の上記弱点に対処し、従来の熱力学発電サイクルシステムと比較して開示された熱力学発電サイクルシステムの性能をさらに改善する。本発明の実施形態は、再生式熱力学発電サイクル、例えば、超臨界ＣＯ2ブレイトンサイクルのための代替構成に向けられる。本発明のいくつかの実施形態は、開示された熱力学発電サイクルを含むシステムを運転するシステムおよびプロセスを説明する。
【００１９】
特に、本発明の実施形態は、高温エキスパンダからの排流体流（または排気流）を排気流の再加熱後に第１の排気流と第２の排気流に分割することを可能にする再生式熱力学サイクルを対象としている。このシステムは、１つの圧縮機または複数の圧縮機を含むターボ圧縮機シャフトと、高圧エキスパンダおよび発電機を含むターボ発電機シャフトといった２つの分離したシャフトを備える。各シャフトは、第１の排気流または第２の排気流を受け入れるために高圧エキスパンダと流体連通している低圧エキスパンダをさらに備える。この構成または設計は、（以下詳細に説明されるように）、（ｉ）２つのシャフトごとにバランスのとれた正味軸スラストをもたらし、（ｉｉ）圧縮機を駆動すために、ターボ圧縮機シャフトに配置された低圧エキスパンダに望ましい量の流体流を与え、（ｉｉｉ）排気流の流れを２つの並列なエキスパンダ（例えば、２つの低圧エキスパンダ）に分割し、それによって２つのエキスパンダのエーロフォイル空力負荷および機械的応力を減少させるという利点がある。
【００２０】
本発明のプロセスおよびシステムは、上記サイクル構成の例に限定されず、他のサイクル構成、例えば、単純再生式ブレイトンサイクル、ならびに作動流体が圧縮前に凝縮されるランキンサイクルおよび超臨界ランキンサイクルに適用可能であり得ることを理解されたい。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態による再生式密閉ループ熱力学サイクルシステム１００を示す。一実施形態では、システム１００は、発電システムである。いくつかの特定の実施形態では、システム１００は、超臨界ブレイトンサイクル発電システムを表す。いくつかの他の実施形態では、システム１００は、超臨界ランキンサイクル発電システムを表す。これらの実施形態では、システム１００は、例えば、膨張前にその超臨界圧力まで直接圧縮しその超臨界状態へ加熱することができる液体状態で比較的低い温度および低い圧力を有する作動流体を使用する。
【００２２】
いくつかの実施形態では、システム１００は、閉サイクル流路内を流れる超臨界二酸化炭素などの超臨界作動流体を含む。ＣＯ2についての臨界温度および臨界圧力は、約３０４°Ｋおよび７．３ＭＰａである。いくつかの例では、作動流体は、ＣＯ2の混合物、および少なくとも添加剤、例えばアルカン、ネオン、窒素、ヘリウムなどであり得る。混合物は、流体の臨界温度を所望の温度にさせるように選択することができ、これは、システムの周囲の環境、例えば周囲温度、日夜の温度範囲、システムの近くの湿度、および季節温度などに少なくとも一部基づいて選択することができる。
【００２３】
システム１００は、高圧エキスパンダ１０２と、２つの低圧エキスパンダ、すなわち、第１の低圧エキスパンダ１０４および第２の低圧エキスパンダ１０６とを備える。２つの低圧エキスパンダ１０４および１０６の各々は、それぞれ、ターボ圧縮機シャフト１２２、およびターボ発電機シャフト１１８に配置されている。ターボ圧縮機シャフト１２２は、シャフト１２２を介して第１の低圧エキスパンダ１０４に結合されている加圧装置１２０をさらに備える。ターボ発電機シャフト１１８は、ターボ発電機シャフト１１８を介して第２の低圧エキスパンダ１０６に結合されている高圧エキスパンダ１０２と発電機１１６とをさらに備える。すなわち、例示の実施形態では、２つの低圧エキスパンダ１０４および１０６は、並列配置される。
【００２４】
本明細書中に使用されるとき、高圧エキスパンダ、および低圧エキスパンダは、互いに対して定められる。低圧エキスパンダの入口および出口における動作圧力範囲、すなわち、作動流体の圧力範囲は、高圧エキスパンダの入口および出口における動作圧力範囲、すなわち、作動流体の圧力範囲よりも低い。いくつかの例では、高圧エキスパンダは、作動流体の臨界圧力よりも上で、例えば約１００バールから約３００バールの間で動作し、低圧エキスパンダは、高圧エキスパンダの動作圧力範囲よりも下で、例えば約３０バールから約２００バールの間で動作する。
【００２５】
最初に、作動流体流１３７は、加圧装置１２０へ供給される。流体流１３７は、超臨界流体、例えば超臨界二酸化炭素でを含む。いくつかの実施形態では、加圧装置１２０は、１つまたは複数の圧縮機を備え、この圧縮機は、軸方向タイプ、径方向タイプ、またはレシプロタイプとすることができる。好ましくは、超臨界流体流１３７は、流体が（以下で論じられるように）流体の臨界温度および臨界圧力の近くにある温度および圧力まで膨張および冷却された後に第１の圧縮機１２４の入口（図示せず）に入り、第１の圧縮機１２４は、そのような流体流１３７を圧縮する。第１の圧縮機１２４の入口は、第３の排気流１４０および第４の排気流１４２が前置冷却器１３５を介して第１の圧縮機１２４の入口へ向けられるように、第１の低圧エキスパンダ１０４および第２の低圧エキスパンダ１０６の各々の出口に流体結合されている。圧縮後、加圧（すなわち、圧縮）かつ冷却された流体流１２５は、圧縮機１２４から出る。
【００２６】
加圧装置１２０は、ターボ圧縮機シャフト１２２を介して第１の圧縮機１２４に結合されている第２の圧縮機１２６をさらに備えることができる。第２の圧縮機１２６は、再圧縮機とも呼ばれ得る。再圧縮機は、通常、熱エネルギーが前置冷却器によって取り除かれる前に排流体流の一部分を圧縮するために使用される。第２の圧縮機１２６は、（流体流１３７よいも比較的高い温度で）流体流１４４を受け入れるように第１および第２の低圧エキスパンダ１０４および１０６の各々に流体結合されている。流体流１４４は、第１の低圧エキスパンダ１０４の出力と第２の低圧エキスパンダ１０６の出力、すなわち、第３の排気流１４０および第４の排気流１４２を含む。圧縮後、第２の圧縮機１２６は、第１の圧縮機１２４によって送出される圧縮流体流１２５よりも通常比較的高い温度である圧縮流体流１２７を送出する。
【００２７】
いくつかの他の実施形態では、例えば、ランキンサイクル、または超臨界ランキンサイクルでは、加圧装置１２０は、ポンプ、および復水器を備える。これらの実施形態では、作動流体流１３７は、その臨界圧力および臨界温度より下で、すなわち、その液体状態で加圧装置１２０へ供給される。いくつかの実施形態では、加圧装置１２０は、流体の臨界点よりも上の温度および圧力で加圧された流体流を送出する。
【００２８】
図２を参照すると、１つまたは複数の圧縮機１２０は、高圧エキスパンダ１０２へ圧縮流体流１２５および１２７を供給するように高圧エキスパンダ１０２に流体結合されている。例示のように、１つまたは複数の圧縮機１２０は、１つまたは複数の熱交換器群１３０を介して高圧エキスパンダ１０２に流体結合されている。１つまたは複数の熱交換器１３０は、第１の低圧エキスパンダ１０４からの第３の排気流１４０と、第２の低圧エキスパンダ１０６からの第４の排気流１４２とを受け入れるように、第１および第２の低圧エキスパンダ１０４および１０６の各々にさらに流体結合されている。一実施形態では、システム１００は、第１の熱交換器１３２と、第２の熱交換器１３４とを備える。第１の熱交換器１３２は、第３および第４の排気流１４０および１４２から圧縮流体流１２５へ、すなわち第１の圧縮機１２４の出力へ熱を伝達するように構成され、それによって圧縮流体流１２５の温度を増加させる。
【００２９】
第２の熱交換器１３４は、高温回収熱交換器であり得る。第２の熱交換器１３４は、第３および第４の排気流１４０および１４２から第１の熱交換器１３２を通過した後の第１の圧縮機１２４からの圧縮流体流１２５と、第２の圧縮機１２６からの圧縮流体流１２７との組み合わせへ熱を伝達するように構成されている。これによって、第１の熱源１３８で受け入れられる前に組み合わされた圧縮流体流１２８の温度をさらに増加させ、それによって第１の熱源１３８が利用するエネルギー量を減少させて、流体の温度を高温エキスパンダ１０２へ供給するのに適したものにさせる。
【００３０】
他方で、第１の熱交換器１３２、および第２の熱交換器１３４は、流体流１４４および１４６が前置冷却器１３５および／または再圧縮機１２６で受け入れられる前に、低圧エキスパンダ１０４および１０６からの第３および第４の排気流１４０および１４２について温度を低下させる、すなわち冷却する。
【００３１】
第１の熱源１３８は、１つまたは複数の熱交換器群１３０と高圧エキスパンダ１０２の間で流体結合され、圧縮流体流１２５および１２７を含む組み合わされた圧縮流体流１２８に熱エネルギーを与え、加熱された圧縮流体流１２９を送出するように構成されている。
【００３２】
第１の熱源１３８から受け取った加熱された圧縮流体流１２９は、第１の熱源１３８によって与えられる熱エネルギーにより加熱された圧縮流体流１２９が膨張するように高圧エキスパンダ１０２の入口へ供給され、エキスパンダ１０２を駆動する。膨張後、排気流１０８、すなわち、エキスパンダ１０２の出力流体流は、高温のままであるが、エキスパンダ１０２の入口で受け取った流体流１２９よりも低い圧力を有する。
【００３３】
例示のように、排気流１０８は、導管１１０へ向けられる。導管１１０は、高圧エキスパンダ１０２に流体結合されており、排気流１０８を第１の排気流１１２と第２の排気流１１４に分割するように構成されている。分割前に、排気流１０８は、第２の熱源１１５にかけられる。第２の熱源１１５が、エキスパンダ１０２から排気流１０８を受け取り、導管１１０へ加熱された排気流１０９を送出するように、高圧エキスパンダ１０２と導管１１０の間に流体結合されている。したがって、第１のおよび第２の排気流１１２および１１４の各々の温度は、第２の熱源１１５が排気流１０８を再加熱するため、排気流１０８よりも高い。
【００３４】
一実施形態では、圧力調整弁（図示せず）が、第１の排気流１１２と第２の排気流１１４の流量比を制御するためにシステム１００内に配置される。一実施形態では、圧力調整弁は、導管１１０に配置できる三方弁である。別の実施形態では、圧力調整弁は、第１の排気流１１２または第２の排気流１１４のいずれかで単独に動作する絞り弁である。流量比を制御することによって、第１の排気流１１２の所望の流れは、ターボ圧縮機シャフト１２２を駆動するために第１の低圧エキスパンダ１０４へ供給されて、１つまたは複数の圧縮機１２０の性能向上を達成することができる。圧縮機の性能向上は、システム１００の全体効率を改善することができる。一実施形態では、流量比は、約３０：７０から約７０：３０の範囲である。公称設計動作状態における流量比は、第１の低圧エキスパンダ１０４が発生するシャフト出力と１つまたは複数の圧縮機１２０を動作させるのに必要な所望のシャフト出力とを適合させるように維持される。特定の一実施形態では、流量比は、約５０：５０で維持される。
【００３５】
第１の熱源１３８および第２の熱源１１５の各々は、任意の適した熱源とすることができ、化石燃料熱源、核熱源、地熱熱源、太陽熱熱源などを含み得るが、これらに限定されない。
【００３６】
本明細書中に使用されるとき、熱交換器、 例えば、図２の第１の熱交換器１３２および第２の熱交換器１３４は、２つの流体流を接触させることなく、すなわち、２つの流体流を組み合わせることなく２つの流体流の間で熱を交換するように構成される。この熱交換または熱伝達は、一般に、間接加熱として知られている。本明細書中に使用されるとき、熱交換器は、外部熱源である熱源と区別される。
【００３７】
例示のように、加熱された排気流の分割後、第１の排気流１１２および第２の排気流１１４は、ぞれぞれ、第１の低圧エキスパンダ１０４および第２の低圧エキスパンダ１０６へ向けられてさらに膨張し、これによって各エキスパンダ、および各シャフトを駆動する。出力流、すなわち、第１の低圧エキスパンダ１０４からの第３の排気流１４０と、第２の低圧エキスパンダ１０６からの第４の排気流１４２とは組み合わされ、組み合わされた流れの一部分、すなわち、流れ１４６は、前置冷却器１３５へ向けられる。前置冷却器１３５は、加圧装置１２０へ冷却および膨張した流体流１３７を供給するように加圧装置１２０にさらに流体結合されている。
【００３８】
一実施形態では、前置冷却器１３５は、流体の臨界温度の近くの熱を遮断する熱遮断器を備える。前置冷却器１３５は、液体冷却システム、乾式冷却システム等などの任意の適切な熱遮断器を備えることができる。
【００３９】
本明細書中に使用されるとき、用語「近く」は、特定された正確な値の少なくとも１％の範囲内にあることができる値を指す。一例では、「流体の臨界点の近く」、または「流体の臨界温度の近く」は、流体の臨界点の１％の範囲内にあることができる温度、圧力、または両方を指す。いくつかの実施形態では、温度、圧力、または両方は、流体の臨界点の５％の範囲内にあることができ、いくつかの実施形態では、１０％の範囲内にあることができる。別の例では、「流体の臨界温度の近く」は、流体の臨界温度の３ケルビン度の範囲内にあることができる温度を指す。いくつかの実施形態では、温度は、流体の臨界温度の１５ケルビン度の範囲内にあり、いくつかの実施形態では、１０ケルビン度の範囲内にある。
【００４０】
本明細書中に使用されるとき、圧縮機およびエキスパンダは、それぞれ多段圧縮機および多段エキスパンダを含むことができる。当業界で知られているように、圧縮プロセスは、多段内で作動流体を圧縮することによって、すなわち多段圧縮を利用することによって実行することができ、膨張プロセスは、多段内で作動流体を膨張させることによって、すなわち多段膨張を利用することによって実行することができる。さらに、多段圧縮は、段の中間で流体を中間冷却してもしなくても利用することができ、多段膨張は、段の中間で流体を再加熱してもしなくても利用することができる。
【００４１】
排気流１０８を第１の排気流１１２と第２の排気流１１４に分割することによって、第１のおよび第２の低圧エキスパンダ１０４および１０６へ供給するように排気流１０８を分配する。この分配によって、エキスパンダの直列構成で達成することができるものよりも高い圧力比で、低圧エキスパンダ１０４および１０６へ流れる流体の量の減少をもたらす。この流れの構成は、高い段数を有するエキスパンダの短いエーロフォイル、エーロフォイルに対する低い空力負荷、および低いエーロフォイル付け根曲げ応力を有利にもたらす。エキスパンダ１０２および１０６を並列配置に位置決めすることによって、正味軸スラストのバランスをとることを可能にし、バランスピストンとそれに関連した漏れを有利になくすことができる。さらに、第１の排気流１１２と第２の排気流１１４の流量比は、２つのシャフトの速度を別々に制御する。典型的には、１つのシャフトを使用する従来の構成では、圧縮機の回転は、（出力タービンとも呼ばれ得る）エキスパンダの回転速度によって規制され、このことは通常、圧縮機の性能を制限する。本実施形態は、異なる速度を有する２つのシャフトの回転、特に、圧縮機の性能を最大化するのに望ましい速度を有するターボ圧縮機シャフトの回転を有利に可能にする。さらに、システム１００の効率は、既存の再生式ブレイトンサイクル発電システムと比較して比較的高い。
【００４２】
特許請求の範囲に使用されるとき、単語『備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）』およびその文法的バリエーションも、例えば、限定するものではないが、「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」、および「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」などの様々な異なる広がりのフレーズの範囲を論理的に定めるとともに含む。必要があれば、範囲が与えられ、これらの範囲は、その間にある全ての部分範囲を含むものである。これらの範囲のバリエーションは、それ自体を当業者に示唆し、まだ公衆に供されていない場合、それらのバリエーションは、可能な場合、添付の特許請求の範囲によって含まれると解釈されるべきことが期待されよう。科学技術の進歩によって、言語の不正確さのために現在考えられない均等物および代替物が可能になることも予期され、これらのバリエーションも、可能な場合、添付の特許請求の範囲によって含まれると解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  再生式密閉ループブレイトンサイクル発電システム、システム
１１  シャフト
１２  圧縮機
１４  主圧縮機
１５  エキスパンダ
１６  再圧縮機
１７  エキスパンダ
１８  エキスパンダ
１９  追加の熱源
２０  第１の熱交換器
２２  第２の熱交換器
２４  前置冷却器
２６  圧縮流体流、流体流
２８  圧縮流体流、流体流
２９  流体流
３０  排気流
３２  熱源
３４  発電機
１００  再生式密閉ループ熱力学サイクルシステム、システム
１０２  高圧エキスパンダ、高温エキスパンダ、エキスパンダ
１０４  第１の低圧エキスパンダ、低圧エキスパンダ
１０６  第２の低圧エキスパンダ、低圧エキスパンダ
１０８  排気流
１０９  加熱された排気流
１１０  導管
１１２  第１の排気流
１１４  第２の排気流
１１５  第２の熱源
１１６  発電機
１１８  ターボ発電機シャフト
１２０  加圧装置、圧縮機
１２２  ターボ圧縮機シャフト、シャフト
１２４  第１の圧縮機
１２５  加圧（すなわち、圧縮）かつ冷却された流体流，圧縮流体流
１２６  第２の圧縮機
１２７  圧縮流体流
１２８  組み合わされた圧縮流体流
１２９  加熱された圧縮流体流、流体流
１３０  熱交換器群
１３２  第１の熱交換器
１３４  第２の熱交換器
１３５  前置冷却器
１３７  超臨界流体流、流体流
１３８  第１の熱源
１４０  第３の排気流
１４２  第４の排気流
１４４  流体流
１４６  流れ
【図１】
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【図２】
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