(57)【要約】      （修正有）【課題】発電装置内に流れる湿った空気から水を回収し、全体的な効率を最適化し、排水を最小にすることができる復水回収装置を備える発電装置を提供する。【解決手段】発電装置は熱機械と、熱機械内の燃焼一次流体を搬送するための入口ダクトと、前記熱機械に冷却二次流体を搬送するための通気回路とを備え、一次流体および／または二次流体がその中に水を含む。発電装置が、入口ダクト、ならびに／あるいは一次流体および／または二次流体から水を凝縮し、回収するための通気回路４に結合されている水回収装置１０をさらに含み、水回収装置が、入口ダクト、ならびに／あるいは一次流体および／または二次流体をその露点を越えて冷却するための通気回路に熱的に結合されている、少なくとも１つの熱交換器に関連し、水回収装置が、一次流体および／または二次流体からの復水を水利用装置に搬送するための結合手段をさらに含む。【選択図】図１
2013140001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱機械（２）と、
前記熱機械（２）内の燃焼一次流体を搬送するための入口ダクト（３）と、
前記熱機械（２）に冷却二次流体を搬送するための通気回路（４）と
を備え、前記一次流体および／または前記二次流体がその中に水を含む発電装置（１）であって、
前記発電装置（１）が、前記入口ダクト（３）、ならびに／あるいは前記一次流体および／または前記二次流体から水を凝縮し、回収するための、通気回路（４）に結合されている水回収装置（１０）をさらに含み、前記水回収装置（１０）が、前記入口ダクト（３）、ならびに／あるいは前記一次流体および／または前記二次流体をその露点を越えて冷却するための通気回路（４）に熱的に結合されている、少なくとも１つの熱交換器（３０，４０）に関連し、前記水回収装置（１０）が、前記一次流体および／または前記二次流体からの復水を水利用装置（２０）に搬送するための結合手段（２５，２６，２７）をさらに含む、発電装置（１）。
【請求項２】
前記水回収装置（１０）が、前記二次流体からの水を分離し、回収するための通気回路（４）に熱的に結合されている、請求項１記載の発電装置（１）。
【請求項３】
前記水利用装置（２０）が、開放サイクル型である、請求項１記載の発電装置（１）。
【請求項４】
前記水利用装置（２０）が、
前記水回収装置（１０）によって分離され、回収された水から蒸気を生成するための加熱手段と、
前記蒸気からエネルギーを生成するための蒸気膨張器と
を含む、請求項１または２記載の発電装置（１）。
【請求項５】
前記水利用装置（２０）が、飲料水を生成するための水処理ユニットを含む、請求項１または２記載の発電装置（１）。
【請求項６】
前記水利用装置（２０）が、複合サイクル発電ユニットを含む、請求項２記載の発電装置（１）。
【請求項７】
前記熱交換器が、吸収冷却サイクルによって冷却される、請求項１または２記載の発電装置（１）。
【請求項８】
熱機械（２）を含む発電装置（１）用の水回収装置（１０）であって、前記熱機械（２）の入口ダクト（３）内を流れる燃焼一次流体からの水および／または前記熱機械（２）の通気回路（４）内を流れる冷却二次流体からの水を凝縮するための熱機械（２）に結合されており、前記入口ダクト（３）、ならびに／あるいは前記一次流体および／または前記二次流体をその露点を越えて冷却するための通気回路（４）に熱的に結合されている、少なくとも１つの熱交換器（３０，４０）に関連し、前記一次流体および／または前記二次流体からの復水を水利用装置（２０）に搬送するための結合手段（２５，２６，２７）をさらに含む、水回収装置（１０）。
【請求項９】
熱機械（２）を含む発電装置（１）内の効率を改良するための方法（１００）であって、
少なくとも１つの熱交換器（３０，４０）を前記熱機械（２）の入口ダクト（３）および／または前記熱機械（２）の前記通気回路（４）に熱的に結合するステップ（１０１）と、
前記入口ダクト（３）内を流れる一次流体および／または前記通気回路（４）内を流れる二次流体を冷却するための熱交換器（３０，４０）を作動するステップ（１０２）であって、前記一次流体および／または前記二次流体がその中に水を含むステップと、
前記一次流体および／または前記二次流体を、その中の水を凝縮するために、その露点を越える状態にするステップ（１０３）と、
前記一次流体および／または前記二次流体からの復水を回収するステップ（１０４）と、
前記発電装置の効率を改良するために、前記復水を利用するステップ（１０５）と
を含む、方法（１００）。
【請求項１０】
前記復水を使用するステップ（１０５）が、前記復水を、複合サイクル発電ユニット、および／または飲料水を生成するための水処理ユニット、および／または蒸気を生成するための加熱手段に搬送するステップの中に存する、請求項９記載の方法（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、復水回収装置に関し、具体的には、限定的ではないが、作動中に燃焼および／または通気の目的のために空気を供給する必要がある１つまたは複数の熱機械を含む発電装置向け復水回収装置に関する。さらに、本発明は、上述の型の発電装置内の全体的な効率を改良するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的エネルギーまたは機械的エネルギーを生成するための発電装置は、例えば、ガスタービンエンジンまたは往復エンジンまたはその他のエンジンのような、内部または外部燃焼エンジンなど、熱機械を含むことがある。
【０００３】
上述の型の発電装置は、通常、発電装置の熱機械の内側に燃焼空気を提供するための空気入口、および同じ熱機械の外側面上に冷却空気を供給するための空気通気回路を含む。そのような発電装置は、暑い環境または季節に稼働することを要求されることが多く、特に、それらは、各日の最も暑い時間帯または特定の季節、すなわち夏のピーク電力を供給するように要求されることがある。発電装置がガスタービンを含む場合、不都合なことに、発電装置への入口空気温度が上昇するにつれて、タービンが生成することができる電力が低下する。これにより、特に発電装置の空気ろ過装置内部の空気入口に取り付けられている１つまたは複数の熱交換器を含む入口冷却システムの必要性が促進されてきた。
【０００４】
従来、そのような熱交換器を冷却するために、機械的冷却、蒸発性冷却、または吸収性冷却など、３つの市販の選択肢が存在してきた。機械的冷却は、機械的圧縮を利用して、入口温度を低下させて、熱機械の出力を最適化する。蒸発性冷却は、タービン入口空気流の中に水を噴霧し、そこで水が蒸発し、空気を冷却する。吸収性冷却は、通常は熱機械の排気から抽出される熱源を使用して、冷却工程を駆動するために必要とされるエネルギーを提供する
上記のすべての場合、冷却工程は、熱交換器の下流に復水を生成する。そのような水は、通常、工業水として考えられ、したがって、廃棄流体処理プラント内に排出される。
【０００５】
別法として、冷却工程によって生成される復水は、発電装置内で、さらに工業的に使用するために回収され、再循環される。例えば、ガスタービンを含む発電装置内で、そのような水を使用することは、米国特許第５３９０５０５号から既知であり、そのような水は、出力増加、燃料節約および窒素酸化物（ＮＯｘ）の減少を達成するために、ガスタービンの燃焼領域内に水を射出することによる、閉鎖サイクル内の本質的に鉱質除去された水である。上記の解決策は、ガスタービンエンジンの効率を増加することができるが、しかし、不都合な点もまた示す。実際、ガスタービン内の復水を導入するための回路を発電装置内に加えることにより、ガスタービンの高温領域内に腐食損傷および熱応力を増加させることになる可能性があり、したがって、整備の介入が増加することになる可能性があり、それは発電装置を停止することを意味する。結局、発電装置の全体的な稼働率および信頼性が減少するであろう。
【０００６】
発電装置の空気入口で水回収装置を挿入することにより、通常、復水の生成が多くなることになる。いくつかの場合、より少ない量の復水が要求される場合（例えば、０．５〜３ｍ3／ｈ）、そのような解決策は不都合である可能性があり、発電装置内に別の復水源を導入することが所望され得るであろう。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、発電装置内に流れる湿った空気から水を回収し、したがって、全体的な効率を最適化し、排水を最小にすることができる復水回収装置を備える発電装置を提供することである。
【０００８】
一次実施形態によれば、本発明は、発電装置を提供することによってその目的を達成するが、その発電装置は、熱機械と、前記熱機械内の燃焼一次流体を搬送するための入口ダクトと、前記熱機械に冷却二次流体を搬送するための通気回路とを備え、一次流体および／または二次流体がその中に水を含み、発電装置が、入口ダクト、ならびに／あるいは一次流体および／または二次流体から水を凝縮し、回収するための、通気回路に結合されている水回収装置をさらに含み、水回収装置が、入口ダクト、ならびに／あるいは前記一次流体および／または前記二次流体をその露点を越えて冷却するための通気回路に熱的に結合されている、少なくとも１つの熱交換器に関連し、水回収装置が、一次流体および／または二次流体からの復水を水利用装置に搬送するための結合手段をさらに含む。
一次実施形態のさらに有利な特徴によれば、水利用装置が、開放サイクル型である。
一次実施形態のさらに有利な特徴によれば、水利用装置が、水回収装置によって分離され、回収された水から蒸気を生成するための加熱手段と、前記蒸気からエネルギーを生成するための蒸気膨張器とを含む。
【０００９】
一次燃焼流体から、または二次通気流体から、または一次流体および二次流体の両方からの水回収のための装置を提供することによって、本発明は、発電装置からの要求にしたがって、要求される回収水の流れを好都合にも生成することができる。多くの量の回収水が要求される場合、水回収装置は入口ダクト、および適宜、通気回路に結合される。発電装置によって、減少した量の回収水が要求される場合、水回収装置は通気回路にだけ結合される。後者の場合、既存の発電装置内で、入口ダクトを水回収装置に結合することが必要な修正形態に比較して、より簡単で費用のかからない修正形態によって要求される量の水を得ることができる。
【００１０】
本発明は、特に水利用装置が、例えば蒸気を生成するためのボイラなどの加熱手段を含む装置およびそのような蒸気からエネルギーを生成するための蒸気膨張器など、開放サイクル型である場合、回収水利用装置を含む発電装置の全体的な効率を最適化することができる。本発明の水回収装置の熱交換器に伝送される冷却力用の低熱源は、機械的、蒸発性または吸収性の任意の型であることができる。
【００１１】
本発明の追加の目的は、熱機械を含む発電装置内の効率を改良するための方法を発展させることである。
【００１２】
二次実施形態によれば、本発明は、少なくとも１つの熱交換器を熱機械の入口ダクトおよび／または熱機械の通気回路に熱的に結合するステップと、入口ダクト内を流れる一次流体および／または通気回路内を流れる二次流体を冷却するための熱交換器を作動するステップであって、一次流体および／または二次流体がその中に水を含むステップと、前記一次流体および／または前記二次流体を、その中の水を凝縮するために、その露点を越える状態にするステップと、一次流体および／または二次流体から復水を回収するステップと、発電装置の効率を改良するために復水を利用するステップとを含む方法を提供することによってこの追加の目的を達成する。
【００１３】
二次実施形態の追加の有利な特徴によれば、復水を使用するステップが、復水を、複合サイクル発電ユニット、および／または飲料水を生成するための水処理ユニット、および／または蒸気を生成するための加熱手段に搬送するステップの中に存する。本発明の一次実施形態に関連する、上記に説明した同じ利点が、二次実施形態によって達成される。
【００１４】
本発明の他の主題の特徴および利点が、以下の図面と併せて利用される本発明の実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明による発電装置の全体的な概略図である。
【図２】図１の発電装置の変形形態の概略図である。
【図３】図２の変形形態のより詳細な概略図である。
【図４】図１の発電装置の別の変形形態の概略図である。
【図５】図１の発電装置の別の変形形態の概略図である。
【図６】本発明による発電装置内の効率を改良するための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１〜５の実施形態の図面を参照すると、発電装置１が、熱機械２と、熱機械２内の燃焼一次流体を搬送するための入口ダクト３と、熱機械２に冷却二次流体を搬送するための通気回路４とを備え、一次流体および／または二次流体がその中に水を含む。典型的には、一次流体および二次流体は湿った空気である。熱機械２がガスタービンである場合、通気回路内の二次流体の流量は、入口ダクト内の一次流体の流量よりも少ない。例えば、往復燃焼エンジンなど、熱機械２の異なる型に対して、通気回路４内の二次流体の流量は、入口ダクト３内の一次流体の流量よりも多いことがある。
【００１７】
熱機械２は様々な型であることができるが、すべての型が燃焼一次流体および通気回路４付きで提供されることが必要である。例えば、発電装置１の既知の実施形態では、熱機械２は往復エンジンである。図３に示す発電装置１の実施形態では、熱機械２は、上流空気圧縮機２ａ、下流タービン２ｂおよびそれらの間の燃焼器２ｃを含むガスタービンエンジンである。図１〜４の実施形態では、熱機械２は、排気スタック１２を含み、電力生成器１３に結合されている。
【００１８】
図５に示す、本発明の別の実施形態では、熱機械２は蒸気タービンおよび蒸気凝縮器２ｄを含む複合サイクル発電ユニットであり、蒸気凝縮器２ｄは通気回路４内の二次流体によって少なくとも部分的に冷却される。
【００１９】
発電装置１は、入口ダクト３、ならびに一次流体および二次流体から水を凝縮し、回収するための通気回路４に結合されている水回収装置１０をさらに含み、水回収装置は、一次流体および二次流体をその露点を越えて冷却するために、それぞれ、熱的に入口ダクト３に結合されている一次熱交換器３０、および熱的に通気回路４に結合されている二次熱交換器４０に関連する。一次熱交換器および／または二次熱交換器は、例えば、空気コイルによって構成される。
【００２０】
一次熱交換器３０は、特に高温の環境または高温の季節で、熱機械２によって生成される電力を最大にするために、燃焼一次流体が冷却されることを保証する。
【００２１】
加えて、熱機械２に供給される燃焼流体は、構成要素、特に熱機械２の回転構成要素の損傷および過度の摩耗を避けるために不純物からろ過される必要がある。
【００２２】
燃焼流体の所望の品質を保証するために、固体不純物および／または他の不純物を除去するために、発電装置１は、入口ダクト３の吸込み側に、一次熱交換器３０、ならびに一次熱交換器３０の上流および下流に、それぞれ１つまたは複数のろ過モジュール６および７を含む入口空気処理システム５をさらに含む。入口空気処理システム５は、発電装置１の特定の要求に依存して、複数の構成内で配置され得る。例えば、入口空気処理システム５は、入口空気処理システム５を天候自然力から保護するための１つの吸込み雨よけ、または複数の吸込み雨よけを含むことができる。いくつかの実施形態では、入口空気処理システム５の上流ろ過モジュール６は、一次熱交換器３０に入る湿った空気からバクテリアおよびウィルスをそれぞれ除去するためのＨＥＰＡフィルタおよび／またはＵＬＰＡフィルタを備える。
【００２３】
適宜、ろ過が通気回路４内でもまた要求されることがある。そのような場合（図１、４および５）、ＨＥＰＡフィルタおよび／またはＵＬＰＡフィルタを備える、上流のろ過モジュール４０ａが、熱交換器４０の上流に設けられる。
【００２４】
一次熱交換器３０および二次熱交換器４０を冷却するために、発電装置１は、それぞれ一次熱交換器３０に結合されている低熱源３１および二次熱交換器４０に結合されている低熱源４１を備え、それぞれ一次熱交換器３０は一次流体から熱を抽出し、二次熱交換器４０は二次流体から熱を抽出するためのものである。
【００２５】
図１〜５の実施形態では、低熱源３１は吸収冷却サイクルによって構成され、吸収冷却サイクルは、熱的に排気スタック１２に接触する複数の管を有する熱回収蒸気生成器３５に結合されている。
【００２６】
熱回収蒸気生成器３５の管は、吸収冷却サイクル３１内で利用するために、ガスタービンエンジンの排気ガスから熱エネルギーを抽出する。図１〜５の実施形態の低熱源３１を構成する吸収冷却サイクルは当分野でよく知られており、その理由から、詳細には説明しない。例えば、本発明の実施形態の中で、吸収冷却サイクルは、水−アンモニア型のものである。
【００２７】
図１〜５の実施形態では、低熱源４１は機械的型であり、圧縮段階（図示せず）を含むが、その圧縮段階は当分野でよく知られており、その理由から、詳細には説明しない。
【００２８】
一般に、本発明の範囲に対して、正確な量の冷却力が熱交換器３０および４０向けにそれぞれ生成されるのであれば、低熱源３１および４１は任意の型であってよく、蒸発性型をも含む。低熱源３１および４１の型は、発電装置１の詳細および要求を考慮して選択される。例えば、通常、一次流体および二次流体の一方から凝縮され得る水の量は、他方の流体から凝縮される水の量よりも少ないと考えねばならない。例えば、熱機械がガスタービンである場合、二次流体から凝縮され得る水の量は、一次流体から凝縮される水の量よりも少ない。したがって、そのような場合、少ない量の復水が必要であるとき、二次熱交換器４０だけが発電装置１の通気回路４上に設けられる。
【００２９】
図１のような実施形態では、一次熱交換器３０および二次熱交換器４０の両方が存在する場合、通気回路４は、湿った空気を受けるために、大気に対して開放している入口区域を備える。図２および３のような実施形態では、一次熱交換器３０だけが存在し、通気回路４の入口区域は、熱機械２の方へ入口ダクト内を流れる同じ乾燥した空気を受ける目的で、一次熱交換器３０の下流で、入口ダクト３または入口空気処理システム５に直接結合される。図４のような実施形態では、二次熱交換器４０だけが存在し、通気回路４の入口区域は、熱機械２の方へ入口ダクト内を流れる同じ湿った空気を受ける目的で、入口ダクト３または入口空気処理システム５に直接結合される。
【００３０】
一次熱交換器３０および二次熱交換器４０内で、露点状態に達すると、水が一次流体および二次流体から分離し、一次熱交換器３０および二次熱交換器４０の底部に回収される。水回収装置２０は、一次流体および／または二次流体からから回収された復水を水利用装置２０に搬送するための結合手段２５、２６、２７を含む。結合手段２５、２６、２７は、供給ポンプ２７、ならびに、それぞれ一次熱交換器３０からポンプ２７に水を供給するためのパイプ２５、および二次熱交換器４０からポンプ２７に水を供給するためのパイプ２６を含む。復水は、パイプ２７を通って水利用装置２０に搬送される。適宜、ポンプ２７と水利用装置２０との間に水処理装置５０が設けられて、水利用装置２０に入る水の品質を改良するようになる。
【００３１】
図１〜５の実施形態では、水利用装置２０は開放サイクル型であり、すなわち、一次流体および／または二次流体から回収された復水は利用装置に搬送されるが、その復水は熱機械２内部で再利用されず、発電装置１の他の利用装置に送られる。いくつかの実施形態では、水利用装置２０は水回収装置１０によって分離され、回収された水から蒸気を生成するための加熱手段を含む。例えば、図２および３の実施形態では、水利用装置２０は蒸気を生成するための加熱手段を含み、その加熱手段は、熱回収蒸気生成器３５の下流で熱機械２の排気に沿って設けられている熱交換器３５ａによって構成される。別法として、他の実施形態（図示せず）では、そのような加熱手段はボイラによって構成される。そのような加熱手段によって生成された蒸気は、エネルギーを生成するために蒸気膨張器５１に搬送される。膨張した後、蒸気膨張器５１を出る蒸気は、次いで熱機械２の排気スタック１２に搬送される。蒸気膨張器５１は二次電力生成器５２に結合されている。
【００３２】
本発明の別の実施形態（図示せず）によれば、水利用装置２０は、飲料水を生成するための水処理ユニットを含む。
【００３３】
本発明の別の実施形態（図示せず）によれば、水利用装置２０は、複合サイクル発電ユニットを含む。
【００３４】
図６に図表で示す、本発明の第３の実施形態の中で、発電装置１内の効率を改良するための方法１００が５つの主なステップ１０１〜１０５を含む。
【００３５】
方法１００の第１のステップでは、一次熱交換器３０および二次熱交換器４０が、発電装置１の熱機械２の入口ダクト３および／または熱機械２の通気回路４に熱的に結合される。方法１００の第２のステップ１０２では、熱交換器３０および４０は、入口ダクト３内の一次流体および／または通気回路４内を流れる二次流体を冷却するために作動され、一次流体および／または二次流体はその中に水を含む。
【００３６】
方法１００の第３のステップ１０３では、一次流体および／または二次流体は、その中の水を凝縮するために、その露点を越える状態になる。
【００３７】
方法１００の第４のステップ１０４では、一次流体および／または二次流体から凝縮された水が回収される。
【００３８】
方法１００の第５のステップ１０５では、発電装置の効率を改良するために、回収済み復水が使用される。
【００３９】
方法１００の各実施形態では、第５のステップが、複合サイクル発電ユニット、および／または飲料水を生成するための水処理ユニット、および／または蒸気を生成するための加熱手段に搬送するステップの中に存する。
【００４０】
本発明は、発電装置の任意の構成または作動状態に対して、要求される復水の流れを生成することを可能にする水回収装置を提供することによって、上記に述べた目的および利点を達成することができる。加えて、本発明は、追加の利点に及ぶことが可能である。特に、上記の方法は、本発明にしたがって、水回収装置をその中に含めることによって、既存の発電装置を一新することに使用可能である。
【００４１】
ここに記載する説明は、本発明を開示するための好ましい実施形態を含む、実施例を使用し、また任意の装置またはシステムを作製し、使用するステップ、および任意の組み込まれている方法を実施するステップを含む、当業者が本発明を実施することができるための実施例を使用する。本発明の特許性のある範囲は請求項によって定義され、当業者が思い浮かぶ他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造的な要素を有するならば、またはそれらが特許請求の範囲の文言と実質的ではない相違を有する均等の構造的な要素を含むならば、特許請求の範囲内にあるものと意図するものである。
【符号の説明】
【００４２】
１  発電装置
２  熱機械
２ａ  圧縮機
２ｂ  タービン
２ｃ  燃焼器
２ｄ  蒸気凝縮器
３  入口ダクト
４  通気回路
５  入口空気処理システム
６  ろ過モジュール
７  ろ過モジュール
１０  水回収装置
１２  排気スタック
１３  電力生成器
２０  水利用装置
２５  結合手段  パイプ
２６  結合手段  パイプ
２７  結合手段  供給ポンプ
３０  一次熱交換器
３１  低熱源
３５  熱回収蒸気生成器
３５ａ  熱交換器
４０  二次熱交換器
４０ａ  ろ過モジュール
４１  低熱源
５０  水処理装置
５１  蒸気膨張器
５２  電力生成器
１００  発電装置の効率を改良するための方法
１０１  少なくとも１つの熱交換器３０、４０を熱機械２の入口ダクト３および／または熱機械２の通気回路４に熱的に結合するステップ
１０２  入口ダクト３内を流れる一次流体および／または通気回路４内を流れる二次流体を冷却するための熱交換器３０、４０を作動するステップ
１０３  一次流体および／または二次流体を、その中の水を凝縮するために、その露点を越える状態にするステップ
１０４  一次流体および／または二次流体からの復水を回収するステップ
１０５  発電装置の効率を改良するために、復水を利用するステップ
【図１】
2013140001.tif 000003
【図２】
2013140001.tif 000004
【図３】
2013140001.tif 000005
【図４】
2013140001.tif 000006
【図５】
2013140001.tif 000007
【図６】
2013140001.tif 000008
【外国語明細書】
2013140001000001.pdf