(57)【要約】  本発明は、蒸発器（１）と、膨張部材（２）と、凝縮器（３）と、循環ポンプ（４）とを含む熱伝導流体の閉回路を含む、電気を生成するシステムに関し、発電機（５）が膨張部材（２）に連結されており、そのシステムでは、液体槽（１２）を設けられている気液分離器（６）が、蒸発器（１）と膨張部材（２）との間に配置されており、そのシステムは、槽内の液体レベルが最大閾値（１３）に達した場合、槽（１２）を空にするように構成されている制御デバイス（１５）をさらに設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発器（１）と、膨張部材（２）と、凝縮器（３）と、循環ポンプ（４）とを含む熱伝導流体閉回路とを含む電気を生成するシステムであって、発電機（５）が前記膨張部材（２）に連結されており、液体槽（１２）を設けられている気液分離器（６）が、前記蒸発器（１）と前記膨張部材（２）との間に配置されており、前記システムは、前記槽内の液体レベルが最大閾値（１３）に達した場合、前記槽（１２）を空にするように構成されている制御デバイス（１５）をさらに設けられている、システム。
【請求項２】
前記熱伝導流体は有機物である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記槽（１２）を空にすることは、前記蒸発器（１）内へ送り込んでいる液体再循環ライン（９）により行われる、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記制御デバイス（１５）は、前記槽内の前記液体レベルが前記最大閾値（１３）に達した場合、前記循環ポンプ（４）の送達量を減少させるように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記槽（１２）内の前記液体レベルは、最小閾値（１４）と前記最大閾値（１３）の間に保たれている、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御デバイス（１５）は、前記槽内の前記液体レベルが前記最小閾値（１４）に達した場合、前記槽（１２）を空にすることを停止させるように構成されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記制御デバイス（１５）は、前記槽内の前記液体レベルが前記最小閾値（１４）に達した場合、前記循環ポンプ（４）の前記送達量を増大させるように構成されている、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
以下の同時に起こる
−  熱源を使用して、熱伝導流体を加熱し、蒸発させるステップと、
−  蒸発を経た前記熱伝導流体を液相と気相とに分離するステップであり、前記液相は液体槽内に保存される、分離するステップと、
−  前記気相を膨張させて、電流の生成を可能にするステップと、
−  前記膨張した気相を凝縮させるステップと、
−  前記凝縮相をポンプで送るステップと
を含み、以下の
−  前記液体槽内の液体レベルを監視するステップと、
−  この槽内の前記液体レベルが最大閾値に達した場合、前記液体槽を空にするステップと
をさらに含む、電気を生成する方法。
【請求項９】
前記熱伝導流体は有機物である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
空にされた液体は、前記加熱し蒸発させるステップへと再循環される、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記凝縮相がポンプで送られる送達量は、この槽内の前記液体レベルが前記最大閾値に達した場合に減少される、請求項８から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記槽内の前記液体レベルは、最小閾値と前記最大閾値の間で一定に保たれている、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記槽を空にする前記ステップは、前記槽内の前記液体レベルが前記最小閾値に達した場合に中断される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記凝縮相がポンプで送られる前記送達量は、前記槽内の前記液体レベルが前記最小閾値に達した場合に増大される、請求項１２または１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランキンサイクルを制御するシステムに関し、このシステムを使用して実施され得る、電気を生成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランキンサイクルは、熱エネルギーが電気エネルギーに変換されることを可能にするシステムである。回収された熱は、次に膨張部材、通常はタービン、内で膨張し、発電機に電力を供給する熱伝導流体を加熱し、次いで気化するのに使用される。その流体は、次いで、サイクルが再開され得るように、凝縮させられる。
【０００３】
ランキンサイクルが、特に、例えば発電所における、発電に使用される。このようなサイクルは、一般に、熱伝導流体として水を使用する。
【０００４】
有機ランキンサイクル（またはＯＲＣ）が水の代わりに有機生成物を使用する。これにより、設備のサイズを縮小することおよび低電力設備を建設することが可能になる。
【０００５】
現在、このような設備のコストは、これらを制御するのに必要とされる技術のため、依然高い水準にあり、これにより、現在の利用のためのこの技術の進歩が減速している。
【０００６】
膨張部材（タービン）への入口における液体粒子の存在は、膨張部材の腐食および侵食の現象、およびこれを損傷し、破壊する傾向がある機械的応力の原因になる。
【０００７】
したがって、熱伝導流体は、通常、これが膨張部材に進入する前、気化状態にある必要がある。液体が膨張部材に進入しないようにするために、蒸発器とタービンとの間に気液分離器を配置することは既知の実践である。
【０００８】
したがって、文献米国特許第７，８４１，３０６号が、蒸発器とタービンとの間に気液分離器を含み、かつ蒸発器から来る流れの中に存在する液滴が回収され、凝縮器の出口に配置されている液体槽へ戻されることを可能にする、ランキンサイクルを記載している。
【０００９】
文献ＤＥ  １０  ２０１１  ００９  ２８０も、蒸発器へ戻る管に接続されている気液分離器を記載している。
【００１０】
文献国際公開第２００７／１０４９７０号パンフレットが、その文献の図１と併せて、蒸発器とタービンとの間に気液分離器を含む既知のランキンサイクルを記載している。管が、液体を分離器から蒸発器まで再循環させるように設けられている。さらに、分離器内の液体レベルは測定され、判定されて、電気エネルギーの需要に基づいて回路ポンプを制御する。分離器内の液体レベルが上昇した場合、ポンプの送達量は減少し、逆の場合も同様ある。その文献は、次いで、僅かな液体が膨張部材に進入することを可能にすることにより、かつ複合制御システムを使用してこのごく少量を制御することにより、自体をこの既知のシステムから区別することを提案している。
【００１１】
文献国際公開第２０１２／１３０４２１号パンフレットが、いくつかの異なる源から熱を回収するようになされている設備を記載している。その設備は、共通気液分離器と、共通タービンと、様々な源に対応するいくつかの蒸発器およびポンプとを含む。気液分離器は、これもまた凝縮器から来る液体を供給されているので、設備のための液体槽としての機能を果たす。
【００１２】
文献ＦＲ２９７６１３６号が、タービンを迂回させるためにバイパス弁を設けられている、ランキンサイクルに基づく設備を教示している。
【００１３】
したがって、簡単で経済的な方法で膨張部材が任意の損傷から保護されている、有機熱伝導流体を用いて動作することができるランキンサイクルに頼る発電システムを提供することが真に必要である。
【発明の概要】
【００１４】
本発明は、まず第１に、蒸発器と、膨張部材と、凝縮器と、循環ポンプとを含む熱伝導流体閉回路を含む、電気を生成するシステムに関し、発電機が膨張部材に連結されており、液体槽を設けられている気液分離器が蒸発器と膨張部材との間に配置されており、そのシステムは、槽内の液体レベルが最大閾値に達した場合、槽を空にするように構成されている制御デバイスをさらに設けられている。
【００１５】
一実施形態によれば、熱伝導流体は有機物である。
【００１６】
一実施形態によれば、槽を空にすることは、蒸発器内に送り込んでいる液体再循環ラインにより行われる。
【００１７】
一実施形態によれば、制御デバイスは、槽内の液体レベルが最大閾値に達した場合、循環ポンプの送達量を減少させるように構成されている。
【００１８】
一実施形態によれば、槽内の液体レベルは、最小閾値と最大閾値の間に保たれている。
【００１９】
一実施形態によれば、制御デバイスは、槽内の液体レベルが最小閾値に達した場合、槽を空にすることを停止させるように構成されている。
【００２０】
一実施形態によれば、制御デバイスは、槽内の液体レベルが最小閾値に達した場合、循環ポンプの送達量を増大させるように構成されている。
【００２１】
また、本発明は、以下の同時に起こる
−  熱源を使用して、熱伝導流体を加熱し、蒸発させるステップと、
−  蒸発を経た熱伝導流体を液相と気相とに分離するステップであり、液相は液体槽内に保存される、分離するステップと、
−  気相を膨張させて、電流の生成を可能にするステップと、
−  膨張した気相を凝縮させるステップと、
−  凝縮相をポンプで送るステップと
を含み、以下の
−  液体槽内の液体レベルを監視するステップと、
−  この槽内の液体レベルが最大閾値に達した場合、液体槽を空にするステップと
をさらに含む、電気を生成する方法に関する。
【００２２】
一実施形態によれば、熱伝導流体は有機物である。
【００２３】
一実施形態によれば、空にされた液体は、加熱し蒸発させるステップまで再循環される。
【００２４】
一実施形態によれば、凝縮相がポンプで送られる送達量は、この槽内の液体レベルが最大閾値に達した場合、減少される。
【００２５】
一実施形態によれば、槽内の液体レベルは、最小閾値と最大閾値の間で一定に保たれている。
【００２６】
一実施形態によれば、槽を空にするステップは、槽内の液体レベルが最小閾値に達した場合、中断される。
【００２７】
一実施形態によれば、凝縮相がポンプで送られる送達量は、槽内の液体レベルが最小閾値に達した場合、増大される。
【００２８】
本発明は、先行技術の欠点を克服することを可能にする。より詳細には、本発明は、膨張部材が簡単で経済的な方法で任意の損傷から保護されている、有機熱伝導流体を用いて動作することができるランキンサイクルに頼る発電システムを提供する。
【００２９】
これは、槽内の液体レベルを制御することができる制御デバイスに連結されている、液体槽を設けられている気液分離器を、蒸発器の出口で使用することにより達成される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施するのに使用され得るランキンサイクルの概略図である。
【図２】ある動作段階における、本発明の一実施形態によるシステムの部分の概略図である。
【図３】別の動作段階における、本発明の一実施形態によるシステムの部分の概略図である。
【図４】更に別の動作段階における、本発明の一実施形態によるシステムの部分の概略図である。
【図５】更に別の動作段階における、本発明の一実施形態によるシステムの部分の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
ここで、本発明は、以下の説明においてより詳細に非限定的に記載される。
【００３２】
図１を参照すると、本発明による発電システムが、蒸発器１と、膨張部材２と、凝縮器３と、循環ポンプ４とを含むランキンサイクルに頼っている。
【００３３】
ランキンサイクルは、有機化合物、例えば炭化水素、またはハイドロフルオロカーボン、またはハイドロフルオロオレフィン、またはいくつかのこのような化合物の混合物、であることが好ましい熱伝導流体を含有する。
【００３４】
好適な化合物は、ＨＦＣ−１３４ａ（１，１，１，２−テトラフルオロエタン）、ＨＦＣ−３２（ジフルオロメタン）、ＨＦＣ−１２５（ペンタフルオロエタン）、ＨＦＣ−１５２ａ（１，１−ジフルオロエタン）、ＨＦＣ−１３４（１，１，２，２−テトラフルオロエタン）、ＨＦＣ−１６１（フルオロエタン）、ＨＦＯ−１２３４ｙｆ（２，３，３，３−テトラフルオロプロペン）、ＨＦＯ−１２３４ｚｅ（１，３，３，３−テトラフルオロプロペン）、ＨＦＯ−１２３３ｚｄ（１−クロロ−３，３，３−トリフルオロプロペン）、Ｅ形またはＺ形のＨＦＯ−１３６６ｍｚｚ（１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロブテン）、ＨＣ−６００（ブタン）、ＨＣ−６００ａ（２−メチルプロパン）、およびＨＣ−２９０（プロパン）である。
【００３５】
蒸発器１は熱源に連結されている。
【００３６】
発電機５が膨張部材２に連結されている。その発電機は、システムからの出力として電流を供給する。
【００３７】
熱伝導流体は蒸発器１内の熱源から熱を受け取る。熱伝導流体はこのように加熱され、蒸発させられ、場合により過熱される。流体内にこのように蓄積されたエネルギーは、膨張部材２内でその流体を膨張させることによる機械的作用として元の状態に戻される。この機械的作用はこれ自体、本質的に既知の方法で、発電機５内で電流に変換される。
【００３８】
膨張した熱伝導流体は凝縮器３内で凝縮させられ、次いでポンプ４により蒸発器１へ戻される。
【００３９】
図１では、各カテゴリーにたった１つの要素が描写されているが、このような要素のいくつか、例えばいくつかの蒸発器および／またはいくつかの膨張部材および／またはいくつかのポンプおよび／またはいくつかの凝縮器、を設けることが可能であり、これらは直列しているかつ／または並列しているどちらかである。
【００４０】
用語「蒸発器」は、本明細書で、これの一般に受け入れられている意味で用いられている。蒸発器は、流体を加熱し、蒸発させ、場合により過熱するように設計されている熱交換器を意味する。したがって、蒸発器は、異なる部分、例えば加熱部分、気化部分、および場合により過熱部分を含んでいてもよい。蒸発器はボイラであってもよいかまたはボイラを含んでいてもよい。
【００４１】
熱源として、例えば、本発明のシステムが接続され得る、熱水源（地熱源）、産業流（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｓｔｒｅａｍ）（例えば燃焼ガス）、またはさらには別の熱設備（ｔｈｅｒｍａｌ  ｆａｃｉｌｉｔｙ）（冷却プラントもしくは空調プラント、燃焼機関等）を使用することが可能である。
【００４２】
熱源は、蒸発器１内の熱伝導流体と熱を直接交換するか、または中間熱伝導流体回路により熱を交換するかのどちらかであり得る。
【００４３】
同様に、凝縮器３の内部で、熱伝導流体は、直接にまたは中間熱伝導流体回路によりどちらかで、例えば周囲からの空気または水である可能性がある冷熱源へ熱を伝導する。
【００４４】
膨張部材２はタービン、特に遠心力の、スクリュータイプの、ピストンタイプの、または回転式の（渦巻きタイプの）タービンであることが好ましい。
【００４５】
図２から図５を参照すると、本発明は、蒸発器１と膨張部材２との間に気液分離デバイス６を設ける。このデバイスは、加熱流体および蒸発流体（および場合により過熱流体）が（理論上、優勢なまたは非常に優勢な割合である）気相と場合により液相とに分離されることを可能にする。液相は、これが蓄積する槽１２内に収集される。
【００４６】
気液分離器６は、単に、槽１２と、槽１２内に含有されている液体内に入る、蒸発器１の出口に接続されている浸漬管と、槽１２の最上部に向かって配置されている膨張部材２の入口に接続されているガス出口とを含むことが好ましい。
【００４７】
あるいは、気液分離器６は、サイクロンまたは凝集薄膜（ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）または任意の他の分離デバイスを含んでいてもよく、槽１２は、次いで、以前に分離された液相を収集することが意図されている。
【００４８】
図示の実施形態では、液体再循環ライン９が槽１２の出口に接続されており、液体再循環ラインは弁１０に適合されていることが有利である。液体再循環ライン９は、特に、蒸発器１内に送り込んでいてもよい。例えば、液体再循環ラインは、ポンプ４と蒸発器１との間に置かれている管７に接続されていてもよい。あるいは、管７は、蒸発器の入口でまたは何らかの中間点で、蒸発器１内に直接送り込んでいてもよい。
【００４９】
あるいは、液体再循環ライン９は、膨張部材２と凝縮器３との間に、または凝縮器３とポンプ４との間に、接続されていてもよい。
【００５０】
図示の実施形態では、１つまたは複数の液体レベルセンサが槽１２内に設けられており、槽１２内で液体レベルが最大液体閾値１３および最小液体閾値１４に達した時を検出する。これらの液体レベルセンサは制御デバイス１５に接続されている。
【００５１】
槽１２が完全に空になるかまたは完全に満ちる可能性を防ぐために、最大液体レベル１３は槽１２の上端部の下方に置かれており、最小液体閾値１４は槽１２の下端部の上方に置かれていることが好ましい。
【００５２】
制御デバイス１５は弁１０およびポンプ４を有利に制御する。
【００５３】
制御デバイス１５は、槽内の液体レベルが最大閾値１３に達した場合、槽１２を空にする。これにより、液体が膨張部材２内に引き込まれる任意のリスク回避することが可能になる。
【００５４】
用語「空にする」は、液体槽１２を完全に空にすることまたは部分的に空にすることを含む作用を意味する。その空にすることは、部分的のみであることが好ましい。
【００５５】
槽を空にすることは、弁１０を開くことにより実施される。槽１２が蒸発器１の上方に置かれている場合、槽を空にすることは単に重力の影響下で達成され得る。あるいは、必要に応じて、液体再循環ライン９上に付加ポンプを設け、制御デバイス１５により制御することが可能である。
【００５６】
弁１０の開放と同時に、制御デバイス１５は、送達量を減少させるためにポンプ４に作用することが好ましい。送達量の減少が、ゼロ値または非ゼロ値に至るまで実施される。前者の例では、送達量を減少させることは、ポンプ４を通る流体の流れを中止させることを意味する。当然のことながら、同じ機能は、ポンプ４の上流にまたは下流に置かれている弁を制御デバイス１５に制御させることにより実施されてもよい。
【００５７】
逆に、制御デバイス１５は、槽内の液体レベルが最小閾値１４に達した場合、槽１２を空にすることを停止させるように設計されており、これは、特に、気液分離器がこれの機能を正確に実施するのに槽１２内の液体量が十分であることを確実にするため、かつシステムがこれの通常動作モードに戻ることを可能にするためである。空にすることの最後は弁１０を閉じることにより実施される。同時に、制御デバイス１５は、（ポンプ４が以前にスイッチを切られている場合、これを再開に切り替えることを意味する）送達量を増大させるために、ポンプ４に作用することが好ましい。
【００５８】
図２から図５は、様々な構成における、本発明のシステムを示す。
【００５９】
図２では、ポンプ４は液体をポンプで送っており、弁１０は閉じている。槽１２内の液体レベルは最小レベル１４と最大レベル１３の間である。蒸発器出口に存在する液相が気液分離器６内に徐々に収集されるので、この液体レベルは時間の経過に亘って上昇する傾向がある。
【００６０】
図３では、槽１２内の液体レベルは最大閾値１３に達している。それに応じて、制御デバイス１５はポンプ４を停止させ（またはこれの送達量を非ゼロ値まで減少させ）、弁１０を開く。
【００６１】
図４では、槽からの液体は、（例えば重力の影響下で）液体再循環ライン９により空にされる。この液体は、システムがこの空にする段階の間に動作し続け、電流を生成するように、蒸発器１内で加熱され、蒸発させられ、適切な場合、過熱される。槽１２内の液体レベルは、この空にする段階の間により低くなる。
【００６２】
図５では、槽１２内の液体レベルは最小レベル１４に達する。それに応じて、制御デバイス１５は、ポンプ４を起動し（またはこのポンプが以前にスイッチを切られていなかった場合、これの送達量を増大させ）、弁１０を閉じる。システムはこのように図２の状態に戻る。
【００６３】
弁１０を開閉する代わりに、また、空にする段階以外でも、液体再循環ライン９内に非ゼロ液体流量を供給することが可能である。この場合、制御デバイス１５は、空にする段階の間、液体再循環ライン９内の流量を増大させることを可能にする。この代替的形態は、かなりの割合の液体が蒸発器１の出口に存在する場合に有益だと分かる可能性がある。
【００６４】
図２から図５までに示されている実施形態は、設計および実施において特に簡単であるという利点を提供する。しかし、また、例えば最大閾値１３および最小閾値１４に加えて他のレベルの閾値を設けることにより、使用条件上の変化によりぴったり適合することができるより複雑なシステムを提供することが可能であり、制御デバイス１５は、次いで、ポンプ４の送達量および／または槽１２からの液体が槽１２内の液体レベルに基づいて再循環される量を調節するように設計されることが可能である。
【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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【国際調査報告】
2017524090.tif 000008
2017524090.tif 000009
2017524090.tif 000010
2017524090.tif 000011