JP6538989B2 - 熱回収システムおよび熱回収システムを用いて熱を電気エネルギーに変換する方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電のための廃熱の回収および利用に関する。

本発明は、発電（発電所、燃焼機関、燃焼装置、製油所、産業）において、高温の排ガスによって相当量の貴重なエネルギーが失われているという事実に対処する。

スチームタービン（蒸気タービン）を使用して前記排ガス中の熱を有用なエネルギー、例えば電気エネルギーに変換するシステムが確立され、実績のある技術となっている。スチームタービンは、任意のＯＲＣとは無関係に排ガスから熱エネルギーを抽出することができる。しかし、これは、スチームタービンから出る蒸気の冷却を必要とし、典型的には、真空下で動作する大型で高価な凝縮容器を必要とする。

排ガスからより多くの熱を抽出し、そのような熱を例えばランキンサイクルにおいて９０℃で使用することも技術的に実現可能である。しかし、低温では熱抽出中に腐食性物質が凝縮し、深刻な腐食問題を引き起こす可能性がある。エネルギー回収に低温を使用する際は、硫黄、窒素酸化物および他の腐食性物質を除去するための適切な方法と組み合わせるのが理想的である。

以下に示す開示および参考文献は、発電所技術および廃熱回収システムの全体像を示している。

Ralph Greif（University of California）らによる特許文献１は、有機フラッシュサイクル（Organic Flash Cycle）と称するＯＲＣサイクルの変形を記載している。著者らは、飽和蒸気からの発電に関連する一般的な問題について記述しており、セクション［００４５］を参照されたい。
Kevin DiGenovaらによる特許文献２（BP、２０１１年）は、フィッシャー・トロプシュ反応器（Fischer-Tropsch reactor）と組み合わせたＯＲＣシステムの使用を記載している。
特許文献３（Brown Boveri、１９８６年）は、一般的な湿りスチームタービン技術を開示している。
George Atkinsonらによる特許文献４（Parasons Brinckerhoff、２００６年）およびHans Linhardtによる特許文献５（１９８７年）も、湿りスチームタービン用途に興味深い一般的背景を与えている。
特許文献６（Westinghouse、１９７３年）は、蒸気発生器を使用することによるスチームタービンと廃熱回収の組み合わせを含む発電プラントの方式を開示している。

凝縮、非凝縮、再加熱、抽出および誘導タイプなどの様々なタイプのスチームタービンが利用可能であり、A.Stodolaの「Steam and gas turbine」（McGraw Hil）および類似の教本を参照されたい。

特許文献７（Mitsubishi、２０１２年）は、排ガス処理装置で処理された排ガスから回収された熱を利用するＯＲＣを用いた発電装置を開示しており、この発電装置は、熱交換器、蒸発器、スチームタービン、発電機、凝縮器、および媒体ポンプを含む。

Torsten Mueller（GM、２０１３年）による特許文献８は、自動車用廃熱回収システムを開示している。

Uri Kaplanによる特許文献９（Ormat、２００９年）は、ジャケット冷却熱および排ガス熱を使用する廃熱回収システムを開示している。ここで、ジャケット冷却熱は、後で排ガスからの熱を用いて蒸発される液体有機作動流体を予熱するために使用される。前記熱は、スチームタービンを通過した膨張スチームの形態で輸送される。

ＵＳ２０１３０３４１９２９Ａ１ ＵＳ８８８９７４７ ＵＳ４５８９２５８ ＵＳ７９００４３１ ＵＳ４８３１８１７ ＵＳ４４５５６１４ ＵＳ２０１４００６９０９８Ａ１ ＵＳ２０１４０３５２３０１Ａ１ ＵＳ８８５０８１４

既知の解決法にもかかわらず、低コスト設備の使用を可能にする発電のための廃熱の回収および利用のための改善された方法および単純化されたシステムを提供する必要性が依然としてあり、エネルギーの最大限の使用と容易な制御とが提供される。

本発明の目的は、このようなシステムおよび方法を提供することである。

スチームタービンで使用されるように、排ガスからのエネルギー回収のために、水の代わりに有機溶媒を使用することも可能であり、それも本発明の一部である。本発明は、熱交換器、スチームタービン、および追加の熱力学ランキンサイクル、好ましくは約７０〜１２０℃の熱を回収するためのＯＲＣ（Organic Rankine Cycle、有機ランキンサイクル）を使用して排ガスから熱を回収するように構成される。

２つの熱源、すなわちジャケット冷却および排ガスが別個のシステムに熱入力を供給し、互いに独立したエネルギーを生成することも有益である。

したがって、本発明の目的は、システムに含まれる異なる熱力学サイクルを互いに独立して使用して電気エネルギーを生成することができる方法およびシステムを提供することである。したがって、１つの閉ループ熱力学システムが故障しても、他の１つは依然として動作可能である。

本発明のさらなる利点は、第２の高温熱力学サイクルを利用するスチームタービンが、第１の低温熱力学サイクルに入力される第２の流れを使用して「冷却」されることでもある。

別の目的は、例えば排ガスからの廃熱などの発熱ユニットによって生成されたすべてのエネルギーを抽出し、可能な限り最大限に電気に変換し、利用可能なすべての熱流からの最大熱入力を使用することである。

本明細書で述べる目的は、添付の特許請求の範囲による熱回収システムと、発熱ユニットからの熱を電気エネルギーに変換するこのような熱回収システムによって実施される方法とによって達成される。

したがって、本発明の１つの態様は、発熱ユニットからの熱を電気エネルギーに変換するために、第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第１の閉ループシステムと共に使用するように構成された熱回収システムであって、前記発熱ユニットは、少なくとも１つの熱流を生成するように構成される。前記熱回収システムは、少なくとも１つの熱流の熱を前記電気エネルギーの第１のバッチに変換するように構成された閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第２の閉ループシステムを含む。第２の閉ループシステムは、循環する第２のシステム作動媒体と、前記少なくとも１つの廃熱流からの熱を第１の作動媒体に伝達することによって前記第２のシステム作動媒体を蒸発（蒸気化）させて蒸気にするように構成された第１の熱交換器と、前記第２のシステム作動媒体を膨張させて、電気エネルギーの第１のバッチとして抽出されるエネルギーを生成するように構成されたタービンと、前記第２のシステム作動媒体を凝縮して液体にするように構成された第２の熱交換器と、を含む。前記熱回収システムは、循環する第３のシステム作動媒体を含む第３の閉ループシステムをさらに備える。第３のシステム作動媒体は、第２の熱交換器を通って循環するように構成され、かつ第１の作動媒体の凝縮媒体として作用する。前記第２の熱交換器は、蒸発させた第２のシステム作動媒体の凝縮エンタルピーを前記第３のシステム作動媒体に伝達し、第３のシステム作動媒体の温度を上昇させるように構成される。第３のシステム作動媒体からの熱は、閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成された第１の閉ループシステムへの初期熱入力として使用されるように構成される。前記第１の閉ループシステムは、第３のシステム作動媒体からの熱を前記電気エネルギーの第２のバッチに変換するように構成される。

前記発熱ユニットは、任意のタイプの発電プラント、燃焼装置、エンジン、焼却プラントなどであってもよい。前記少なくとも１つの熱流は、前記発熱ユニットの排ガスシステムによって生成された排熱であってもよい。第２の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムは高温熱力学サイクルを使用してもよく、第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムは低温熱力学サイクルを使用してもよい。低温熱力学サイクルは、有機ランキンシステムであってもよい。

上記の熱回収システムでは、各閉ループ熱力学システムを互いに独立して使用して電気エネルギーを生成することができる。したがって、１つの閉ループ熱力学システムが故障しても、他の１つは依然として動作可能である。さらに、ここでは、第２の熱力学閉ループシステムを使用して、第１の熱力学閉ループシステムへの熱力学入力を増加させ、それによって第１の熱力学サイクルの効率を高める。

一実施形態では、熱回収システムの第２の閉ループシステムは、前記第２のシステム作動媒体の循環および／または加圧を制御するための第１の制御装置をさらに含む。一実施形態では、前記タービン直後の前記第２のシステム作動媒体の圧力は、前記第２のシステム作動媒体の凝縮温度に対応する圧力に制御される。前記第２の作動媒体が水である一実施形態では、前記圧力は大気圧を上回るように、すなわちほぼ１バールまたは１バール超に制御される。一実施形態では、循環および／または加圧を制御するための前記第１の装置は、バルブおよびポンプの少なくとも１つを含む。循環および／または加圧を制御するために、複数のバルブおよび／またはポンプを使用することはもちろん可能である。

タービン後の前記第２のシステム作動媒体の圧力が、前記第２のシステム作動媒体の凝縮温度に対応する圧力、好ましくは大気圧に近いかそれより高い圧力である場合、タービン内の凝縮が減少し、第２の熱交換器内の凝縮が増加する。大気圧に近い圧力またはそれを上回る圧力では、前記第２のシステム作動媒体の最大１５重量％が前記膨張ステップ中に凝縮される。より好ましくは、前記膨張ステップの間に最大８重量％が凝縮され、最も好ましくは、最大３重量％が凝縮される。

膨張後の前記第２のシステム作動媒体の圧力が大気圧よりも低い場合、タービンではより多くの凝縮が生じる。タービン内の水滴は摩耗を促進させる。さらに、第２の熱交換器において利用可能な凝縮エンタルピーが少なくなるので、熱回収システムの効率は低下する。利用可能な凝縮エンタルピーが少ない場合、第１の閉ループシステムへの熱入力として作用する第３のシステム作動媒体の温度上昇はより小さくなる。第１の閉ループシステムへの熱入力が少ないと、生成されるエネルギーが少なくなる。

一実施形態では、前記発熱ユニットは、少なくとも第１の廃熱流および第２の廃熱流を生成するように構成され、前記第１の廃熱流の温度は前記第２の廃熱流の温度より高く、廃熱回収システムは、第２の熱流からの熱を第３の閉ループシステムへの初期熱入力として使用するように構成される。

このシステムは、発熱ユニットによって生成された複数の熱源からの熱を利用する。ここで、第３のシステム作動媒体は、第２の熱源によって生成された初期温度の流れを受け取る。前記初期温度は、第１の閉ループシステムから凝縮エンタルピーを加えることによって上昇する。

一実施形態では、第２の閉ループシステムは、前記第２のシステム作動媒体を膨張させ、かつ電気エネルギーの前記第１のバッチの少なくとも一部として抽出されるエネルギーを生成するように構成された少なくとも２つの並列タービンを含む。

２つ以上のタービンを使用する場合、発熱ユニットがＴ１よりも低い温度の熱流を生成する場合、例えば発熱ユニットが部分負荷運転しているエンジンである場合でも、最大出力を生成するようにシステムを制御することが可能である。

一実施形態では、第３の閉ループシステムは、第３の閉ループシステム内の前記第３のシステム作動媒体の制御可能な循環および／または加圧を生成するように構成されたポンプを含む。

これにより、本質的にすべての蒸発した第２のシステム作動媒体が熱交換中に凝縮され、第２のシステム作動媒体の凝縮エンタルピーが、第３のシステム作動媒体に伝達されるよう、第２のシステム作動媒体と第３のシステム作動媒体との間の熱伝達は制御される。

一実施形態では、ポンプは、第２の熱交換器に入る前に、第３の閉ループシステムを第２のシステム作動媒体の圧力よりも高い圧力に加圧するように構成される。

これにより、特にシャットダウン（停止）処理中の内部沸騰が防止される。

一実施形態では、第２の熱交換器を通る第３のシステム作動媒体の循環は、第２の熱交換器に入る第２のシステム作動媒体の温度と第２の熱交換器から出る第２のシステム作動媒体との間の所定の温度差を維持するために制御されるように構成される。

所定の温度差が維持されると、熱伝達の間に本質的にすべての蒸発した第２のシステム作動媒体が凝縮され、第２のシステム作動媒体の凝縮エンタルピーが、第３のシステム作動媒体に伝達されると判断できる。

本発明の１つの態様は、発熱ユニットからの熱を電気エネルギーに変換するために、第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成された第１の閉ループシステムと共に熱回収システムを使用する方法に関する。前記発熱ユニットは、少なくとも１つの熱流を生成するように構成される。熱回収システムは、第２のシステム作動媒体を含む第２の閉ループシステムであって、第２の閉ループシステムは、少なくとも１つの熱流の熱を前記電気エネルギーの第１のバッチに変換するように構成された第２の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第２の閉ループシステムと、循環する第３のシステム作動媒体を含む第３の閉ループシステムと、を含む。この方法は、前記少なくとも１つの熱流からの熱を第２のシステム作動媒体に伝達することによって、前記第２のシステム作動媒体を蒸発させ蒸気にするステップと、前記第２のシステム作動媒体を膨張させて、電気エネルギーの第１のバッチを抽出するステップと、前記第２のシステム作動媒体を凝縮させて、前記蒸気よりも低い熱エンタルピーを有する液体とするステップと、を含む。この方法は、蒸発させた第２のシステム作動媒体の凝縮熱エンタルピーを前記第３のシステム作動媒体に伝達し、第３のシステム作動媒体の温度を上昇させるステップと、第３のシステム作動媒体からの熱を前記電気エネルギーの第２のバッチに変換するよう構成された第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第１の閉ループシステムへの初期熱入力として、第３のシステム作動媒体からの熱を使用するステップと、をさらに含む。

一実施形態では、前記方法は、前記膨張した第２のシステム作動媒体の圧力を、大気圧を上回るように制御するステップを含む。

一実施形態では、前記方法は、前記発熱ユニットによって生成された第２の熱流からの熱を、第３の閉ループシステムへの初期熱入力として使用するステップを含む。

一実施形態では、前記方法は、前記第３のシステム作動媒体の循環および／または加圧を制御するステップを含む。一実施形態では、前記第３のシステム作動媒体の循環は、所定の温度差を維持するために、膨張した第２のシステム作動媒体の温度と凝縮した前記第２のシステム作動媒体の温度との間の測定された温度差に基づいて制御される。別の実施形態では、前記第３のシステム作動媒体の加圧は、前記第３のシステム作動媒体の圧力が膨張した第２のシステム作動媒体の圧力を上回るように制御される。

一実施形態では、前記方法は、本発明の第１の態様の実施形態のいずれかによる熱回収システムを使用する。

本発明の第１の実施形態による熱回収システムの概略図である。 本発明の第２の実施形態による熱回収システムの概略図である。 排ガスから電気エネルギーを抽出するために複数のタービンが使用される図２の実施形態を示す。 第１の閉ループシステムＳ１を詳細に示す。 第２のシステム作動媒体を膨張させて、電気エネルギーの第１のバッチを抽出するように構成されたタービンの好ましい作動点Ｐ２（＝始点）およびＰ３（＝終点）を示す、水（飽和線Ｐ１）のエンタルピー／エントロピー図の概略図である。

以下において、実施形態の説明を提供する。与えられた温度は、少なくとも±５℃の幅を持って解釈されるべきである。与えられた圧力は、少なくとも±１０％の幅を持って解釈されるべきである。「熱力学サイクル」のＳ３は、ランキンサイクル、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）、および本明細書の文脈において熱を機械エネルギーに、理想的には電気エネルギーに変換する任意のプロセスを含む任意の発電サイクルとすることができる。

図１は、本発明による熱回収システム１の概略図であり、発熱ユニット１からの熱を電気エネルギーＥに変換する第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成された第１の閉ループシステムＳ１と共に使用するように構成される。発熱ユニット１は、第１の高温範囲Ｔ１を有する少なくとも１つの熱流ＨＳ１を生成するように構成される。発熱ユニットは、任意のタイプの発電プラント、燃焼装置、エンジン、焼却プラントなどであってもよい。第１の熱流ＨＳ１は、一実施形態では、ユニットの排ガスシステムで生成される排ガスである。第１の熱流ＨＳ１は、例えば煙突を通る、ガス状の高温の第１の熱源媒体の流れであってもよい。第１の熱流ＨＳ１の温度Ｔ１は、好ましくは２００℃超である。

熱回収システムは、第２の閉ループシステムＳ２および第３の閉ループシステムＳ３を含む。

第２の閉ループシステムＳ２は、少なくとも１つの熱流ＨＳ１の熱を前記電気エネルギーＥの第１のバッチＥ１に変換するように構成された第２の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される。第２の閉ループシステムＳ２は、高温熱力学サイクルであってもよい。第２の閉ループシステムＳ２は、循環する第２のシステム作動媒体Ｗ２を含む。前記第２のシステム作動媒体Ｗ２は、ある気化温度（蒸発温度）で液体と蒸気との間で相を変化（転移）させる媒体として選択され、ある凝縮温度で蒸気と液体との間で相を変化させる。一実施形態では、第２の閉ループシステムＳ２の第２のシステム作動媒体Ｗ２は、水またはメタノール、エタノール、アセトン、イソプロパノール若しくはブタノールまたはケトンまたは高温安定性シリコーン誘導体またはフレオン／冷媒などの溶媒を含むことができる。第２のシステム作動媒体Ｗ２が水である場合、凝縮温度は、大気圧に近いかそれを上回る圧力、すなわち１バールに対応する１００℃である。

第２の閉ループシステムＳ２は、前記少なくとも１つの廃熱流ＨＳ１から第２のシステム作動媒体Ｗ２に熱を伝達することによって、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２を蒸発させるように構成された第１の熱交換器２を含む。第２のシステム作動媒体Ｗ２は、好ましくは、第１の熱交換器３においてほぼ一定の圧力で第１の熱流ＨＳ１によって加熱されて、乾燥飽和蒸気または乾燥飽和スチームになる。一実施形態では、前記第１の媒体が水である場合、前記蒸発ステップは、１７０℃および６バールのスチームをもたらす。この蒸気（vapour）／スチーム（水蒸気；steam）は配管５ａを通ってタービン３に導かれる。タービン３は、第２のシステム作動媒体Ｗ２を膨張させ、かつ電気エネルギーの第１のバッチＥ１として抽出されるエネルギーを生成するように構成される。前記タービン３はスチームタービン（steam turbine）であってもよい。この膨張ステップにより、蒸気の温度および圧力が低下し、膨張した第２のシステム作動媒体は特定の温度および圧力を有するようになる。バルブ１０を使用して、タービン３の前に圧力降下を生じさせることができる。タービンの前の制御された圧力降下によって、タービンに入るスチームが確実に過熱される。前記第１のタービンを出る膨張蒸気は、配管５ｂを通って第２の熱交換器４に導かれる。第２の熱交換器４は、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２を凝縮させて液体にし、特定の温度および圧力を有する凝縮した第２のシステム作動媒体をもたらすように構成される。前記第２のシステム作動媒体Ｗ２は、ほぼ一定の温度で凝縮される。一実施形態では、温度変化は最大１〜５℃の範囲内である。したがって、第２の熱交換器４は、凝縮器および熱交換器として機能する。凝縮したスチームは、配管５ｃを通って第１の熱交換器２に戻される。

第２の閉ループシステムＳ２は、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２の循環および／または加圧を制御するための第１の制御装置８、１２をさらに含む。特に、この制御装置は、タービン３の低圧側の圧力を制御するために使用される。前記第１の制御装置は、バルブ８、または任意の種類の調節可能な制限部を含んでいてもよい。第１の制御装置は、さらにポンプ１２を含んでいてもよい（図２参照）。タービン３の低圧側の圧力、すなわち膨張ステップ後の圧力はセンサによって測定され、第２のシステム作動媒体の凝縮温度に対応する圧力、好ましくは大気圧に近いかそれを上回る、すなわち１バールに制御される。圧力が大気圧を上回るとき、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２の最大１５重量％が前記膨張ステップ中に、したがってタービンで凝縮される。他の実施形態では、タービン内部のスチームの凝縮量は、３、４、５、８、１０または１２重量％が許容できる。

第３の閉ループシステムＳ３は、循環する第３のシステム作動媒体Ｗ３を含む。第３のシステム作動媒体Ｗ３は、好ましくは主として水であり、場合によっては例えば腐食防止効果がある添加剤を含む。第３のシステム作動媒体Ｗ３は、第３の閉ループシステムにおける循環中に相を変化させるように構成されていない。第３のシステム作動媒体Ｗ３は、第２の熱交換器４を通って循環される。第２のシステム作動媒体Ｗ２および第３のシステム作動媒体Ｗ３の両方が第２の熱交換器４を通るとき、蒸発した第２のシステム作動媒体Ｗ２の凝縮エンタルピーが第３のシステム作動媒体Ｗ３に伝達される。第３の閉ループシステムＳ３は、第３の閉ループシステムＳ３および第２の熱交換器４を通る前記第３のシステム作動媒体Ｗ３の循環および／または加圧を制御する第２の制御装置１１、１４をさらに含む。第２の制御装置１１、１４は、前記第３のシステム作動媒体Ｗ３の循環を制御するように構成されたポンプ１１を含む。第２の制御装置は、さらにバルブ１４を含んでいてもよい（図２参照）。このバルブ１４は、好ましくは、第２の熱交換器４の前に、第２の閉ループシステムＳ２内に配置される。第２の熱交換器４を通る前記第３のシステム作動媒体Ｗ３の流れは、第２の熱交換器４に入る第２のシステム作動媒体Ｗ２の温度と第２の熱交換器４を出る第２のシステム作動媒体Ｗ２の温度との間の所定の温度差を維持するために制御されるように構成されていてもよい。第２の熱交換器における第２のシステム作動媒体の温度差は、第２の熱交換器４を通る第２のシステム作動媒体Ｗ２の循環および／または加圧を制御する第１の制御装置８、１２によって制御される。したがって、前記第３のシステム作動媒体Ｗ３のこの循環を制御するように構成されたポンプ１１は、本質的にすべての蒸気化された第２のシステム作動媒体Ｗ２が熱交換中に凝縮されるよう、第２のシステム作動媒体Ｗ２と第３のシステム作動媒体Ｗ３との間の熱伝達を制御するためにも使用される。ポンプ１１はまた、第２の熱交換器４に入る前に、第１の閉ループシステムにおいて第２のシステム作動媒体Ｗ２の圧力よりも高い圧力に第３の閉ループシステムＳ３を加圧するように構成されてもよい。圧力と温度を制御できるようにするために、センサが、各閉ループシステムの必要な場所にこれらのパラメータを測定するために配置される。

第３のシステム作動媒体Ｗ３からの熱は、第１の閉ループシステムＳ１への初期熱入力として使用される。第１の閉ループシステムＳ１は、第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される。第１の閉ループシステムＳ１は、第３のシステム作動媒体Ｗ３からの熱を前記電気エネルギーＥの第２のバッチＥ２に変換するように構成される。第１の閉ループシステムＳ１は、低温有機ランキン熱力学サイクルであってもよく、図４にさらに記載されている。

第３のシステム作動媒体Ｗ３は、第２の熱交換器４を通って循環するように構成され、かつ第２のシステム作動媒体Ｗ２の凝縮媒体として作用するように構成されている。第２の熱交換器４において、好ましくは、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２の凝縮からの凝縮エンタルピーのすべてまたは大部分が、第１の閉ループシステムＳ１で使用される第１の低温熱力学サイクルを供給する第３のシステム作動媒体Ｗ３に伝達される。前記第２の熱交換器４は、シェルアンドチューブ型の熱交換器であってもよい。第１の閉ループシステムＳ１は、熱入力としてこの第３のシステム作動媒体Ｗ３のみを使用して動作することができる。

図２は、本発明の第２の実施形態による熱回収システムの概略図である。この実施形態では、発熱ユニットは、少なくとも第１の熱流ＨＳ１および温度Ｔ２で第２の熱流ＨＳ２を生成するように構成される。前記第１の熱流ＨＳ１の温度Ｔ１は、前記第２の熱流ＨＳ２の温度Ｔ２よりも高い。第２の温度Ｔ２は、好ましくは１２０℃未満、より好ましくは１００℃未満、最も好ましくは６０〜９９℃の範囲内であって、好ましくは８０℃である。第２の熱流ＨＳ２からの熱は、第３の閉ループシステムＳ３の初期熱入力として使用される。一実施形態では、第２の熱流ＨＳ２は、第３のシステム作動媒体Ｗ３の流れと言える。一実施形態では、第２の熱流ＨＳ２は、発熱ユニット１の冷却に由来し、例えば発熱ユニットを通ってあるいは介して循環する冷却媒体によって生じる。一実施形態では、冷却媒体はジャケット冷却水である。一実施形態では、冷却媒体は第３の作動流体Ｗ３である。

この実施形態の第２の閉ループシステムＳ２における液体の第２のシステム媒体Ｗ２の流れを確実にするために、バルブ８および／またはポンプ１２を含む、圧力を制御するための装置を、第２の熱交換器４の前または後に配置することができる。図１に示すように、第１の実施形態では、ポンプ１２を使用することもできる。このポンプ１２およびバルブ８は、スチーム凝縮エンタルピーが、可能な限り最大限に、第１の閉ループ熱力学システムＳ１の熱入力である第３のシステム作動媒体Ｗ３に伝達されるように、液体媒体の流れを調節する。前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の凝縮温度に対応する圧力に、前記タービン（３）直後の前記第２システム作動媒体（Ｗ２）の圧力を制御する。第３のシステム作動媒体Ｗ３がジャケット水である実施形態では、第２の熱交換器４において、ジャケット冷却水が８５℃から例えば９５℃に加熱されることが好ましい。また、配管５ｂおよび５ｃ内のスチーム圧が大気圧を上回り、したがって１バールまたはそれ以上の状態であることが好ましい。

第１の熱源ＨＳ１、及びオプションの第２の熱源、つまり、ａ）排ガスシステムおよびｂ）ジャケット冷却、による第１の閉ループ熱力学システムＳ１への熱供給は、最適化された熱利用のために、ソフトウェアおよびハードウェア制御（バルブなど）によって制御される。

図２にも示される一実施形態では、第２の凝縮器１３が、前記第２の熱交換器４の下流に配置されている。発熱ユニットによって生成された熱量が、前記第１の閉ループシステムＳ１によって電気エネルギーに変換可能なエネルギー量を超える場合、この凝縮器を使用することができる。したがって、これは、第２の熱交換器４において第２のシステム作動媒体Ｗ２のすべてが凝縮可能とはならない場合に使用することができる。

第１の熱力学サイクルシステムＳ１は冷却を必要とし、これらの熱流は図１には示されていないが、図４にさらに記載されている。また、システムの制御された動作を確実にするために、センサが、３つの閉ループシステムのすべてにおいて、例えば熱媒体の圧力、温度、空気量などを監視するために使用される。これらは、簡略化のために、図１および図２には示していない。脱気装置または非凝縮性ガスを除去するための装置は、第１および／または第２の閉ループシステムで使用することができ、例えばポンプ１２の前に配置される。

図２では、第３のシステム作動媒体Ｗ３、例えばジャケット冷却水は、第２の熱交換器４を通って第１の閉ループ熱力学システムＳ１に入り、ランキンサイクル（ＲＣ）または有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）の少なくとも１つを使用して、電力を生成する。前記第１の閉ループ熱力学システムＳ１は、高温側で７０〜１２０℃、低温側で０〜３５℃の間で動作する。詳細については、図４を参照されたい。ジャケット冷却媒体の戻り流は、配管を通って発熱ユニット２、例えばエンジンに戻される。

図３は、第１の熱源ＨＳ１から電気エネルギーを抽出するために複数のタービン３ａ、３ｂ、３ｃが使用される図１の実施形態を示す。少なくとも２つの並列タービンを使用することができるが、ここでは３つのタービンを開示する。第１の熱交換器２の後に配置された第１の配管部５ａは、第１の配管部５ａを少なくとも２つの並列な第１の配管部分岐に分割するよう構成されたマニホールド５ｄを含む。各分岐は、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２を膨張させ、かつ前記電気エネルギーの前記第１のバッチＥ１の少なくとも一部Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃとして抽出されるエネルギーを生成するように構成されたタービン３ａ、３ｂ、３ｂを含む。同様のマニホールドを用いて、出口スチームを配管５ｂに結合し、第２の熱交換器４に導く。各タービンの前に圧力降下を生成するためにバルブ１０を使用することができる。各タービン前の制御された圧力降下によって、タービンに入るスチームが確実に過熱される。タービンは、好ましくは、発熱ユニットが最大量の熱を生成しているとき、例えば最高速度で運転されているエンジンの場合、すべてのタービンが最適効率で運転されるように寸法設計されている。発熱ユニットがより少ない熱を生成しているとき、すなわち例えば部分負荷で運転されているエンジンの場合、前記少なくとも２つのタービンの少なくとも１つを止めることができる。

図３はまた、少なくとも２つの第１の熱力学閉ループシステムＳ１ａ、Ｓ１ｂが並列または直列に（この図では直列）結合されている実施形態を示す。並列モードでは、マニホールドは、少なくとも２つの第１の熱力学閉ループシステムＳ１に高温水流（３７）を分配し、第１の熱源ＨＳ１によって生成される利用可能な熱量に応じて、少なくとも１つの第１の熱力学閉ループシステムＳ１は、スイッチオフ（停止）またはスイッチオン（始動）されてもよい。直列モードでは、高温水は第１の熱力学閉ループシステムＳ１ａに流れ３７として流入し、流出流れ３８は、第２の第１の熱力学閉ループシステムＳ１ｂへの流入流れ３７を構成する。この動作モードは、並列動作モードで可能であるように、流れ３７／３８のより大きな温度低下を可能にする。冷却は並列または直列でもよいが、好ましくは海洋用途の場合には並列である。

図４は、第１の熱力学閉ループシステムＳ１を詳細に示す。第１の熱力学閉ループシステムＳ１は、第１のシステム作動媒体Ｗ１を含む。第１の熱力学閉ループシステムＳ１は、一実施形態では、低温ランキンサイクルシステム、すなわち有機ランキンサイクルシステムであってもよい。前記第１のシステム作動媒体Ｗ１は、第２のシステム作動媒体Ｗ２の相転移温度よりも低温である第２の相転移温度で液体と蒸気との間で相が変化するように構成される。一実施形態では、第１のシステム作動媒体Ｗ１は流体であり、メタノール、エタノール、アセトン、イソプロパノール若しくはブタノールまたはメチルエチルケトン若しくは他のケトンまたは当技術分野で公知の冷媒などの低沸点溶媒を含むことができる。液体熱流３７、すなわち第３のシステム作動媒体Ｗ３、例えばジャケット冷却水は、熱交換器３１に流入し、戻り流３８として前記熱交換器を出ることにより、熱交換器３１において蒸発する第１のシステム作動媒体Ｗ１に熱入力を供給する。蒸発し加圧されたガスは、熱交換器３１を出てタービン３２内で膨張し、電気エネルギーＥ２の第２のバッチを生成する。タービン３２は、図示していない発電機に接続され、前記電気エネルギーを生成する。次いで、第１の作動媒体Ｗ１は、作動媒体が液化される凝縮容器３３に入る。液体作動媒体Ｗ１は、底部の近くで容器３３を出て、ポンプ３６を通って熱交換器３４に部分的に送り込まれ、冷却され、例えば効果的な凝縮のために飛沫として容器に再び入る。熱交換器３４は、流入する冷却流３９（冷たい）および流出する冷却流４０によって冷却される。船舶用エンジンが発熱ユニットである場合、冷却流は、例えば海水であり得る。容器３３からの液体は、部分的に（すなわち、容器３３からの全流れからポンプ３６を通る流れを引いた流れ）ポンプ３５を使用して蒸発のために熱交換器３１に送り込まれ、サイクルが終了する。典型的な温度は、流れ３７は７０〜１１０℃、流れ３８は６０〜８５℃、流れ３９は０〜３０℃、流れ４０は１０〜４０℃であってもよい。

図５は、第２の作動媒体、好ましくは水のエンタルピー／エントロピー図の概略図である。図において、一定入口圧力線Ｌ３および一定出口圧力線Ｌ４および一定温度線Ｌ２がプロットされているので、飽和線Ｌ１の下の二相領域Ａ１において、一定圧力および一定温度の線はその飽和線と一致する。Ｐ１は、一定温度線Ｌ２と一定圧力線Ｌ３とが互いに交差する、好ましいわずかに過熱された入口条件に対応する。理想的な膨張は、出口圧力線Ｌ４の点Ｐ２で終了する線ＥＬ１に対応する。しかし、理想的な膨張サイクルは不可能である。したがって、タービン３における実際の膨張は、湿った領域において少なくとも０．８５である気体物質の乾き度（質量による）に対応する一定圧力線Ｌ４上の点Ｐ３で終了する。このように、タービン出口における膨張スチームは、タービンのタイプおよび条件に応じて、５％未満、または８％未満または１５％未満の凝縮蒸気を含む。この場合、スチームタービンは第２の作動流体Ｗ２として水を使用している。点Ｐ１から点Ｐ３へのわずかに過熱されたスチームの膨張は、図２に示したように、第２のシステム作動媒体Ｗ２の循環および／または加圧を制御するための第１の制御装置８、１２、すなわちバルブ８またはポンプ１２によって調整される。したがって、前記タービン３直後の膨張した第２のシステム作動媒体Ｗ２の圧力は、前記第２のシステム作動媒体Ｗ２の凝縮温度に対応する圧力を上回る圧力に制御される。

例示的な実施形態
ａ）船舶用エンジン
高温のジャケット冷却水は、通常８５℃で船舶用エンジンを出て、通常７５℃でエンジンに戻される。この熱を海水で冷却する代わりに、熱はランキンサイクルのような熱力学サイクルに供給される。船舶用エンジンからの排ガスは、通常２００℃超で煙突を通って送られる。排ガスシステム内で、第２のシステム作動媒体Ｗ２、好ましくは水が、第１の熱交換器４によって蒸発され、好ましくは１７０℃および６バールのスチームを供給するよう、熱が抽出される。第１の熱交換器４は、本実施形態において、通常、排ガスボイラＥＧＢと称する。前記スチームは、スチームタービン３を駆動して電力Ｅ１を生成するために使用される。スチームは、好ましくは９８℃まで、および少なくとも大気圧まで膨張され、凝縮される。凝縮熱は、可能な限り最大限に、第１の閉ループ熱力学サイクルＳ１への液体入力に伝達される。実際には、第２の熱交換器４を使用することができ、第２の熱交換器４において、スチームタービン３の出口からの凝縮熱が、流入する第３のシステム作動媒体、すなわち高温のジャケット冷却水に伝達され、前記第３のシステム作動媒体、すなわち高温のジャケット冷却水は、８５℃から９５℃まで温度が上昇する。このようにして、第１の閉ループ熱力学サイクルＳ１は、（８５−７５＝１０℃）だけの代わりに（９５−７５＝２０℃）の温度差を用いて電気を生成することができる。スチームタービンからの凝縮液は、スチームタービンサイクルが再び始まるように、排ガスシステムにポンプで戻される。ａ）ジャケット冷却およびｂ）排ガスシステムによる熱力学サイクルへの熱供給は、熱利用を最適化するためのソフトウェアおよびハードウェア制御（バルブなど）によって制御される。

実際の実施形態では、上記の温度データから明らかなように、高温のジャケット冷却水、すなわち第３のシステム作動媒体Ｗ３は、第１の閉ループ熱力学サイクルに熱入力の５０％を供給し、排ガス回収からの熱、すなわち第２のシステム作動媒体Ｗ２は、熱入力の残りの５０％を供給する。この構成では、第１の閉ループ熱力学サイクルＳ１は、全抽出可能な電気の約７０％を生成する一方で、スチームタービンを利用する第２の閉ループ熱力学サイクルＳ２は、残りの３０％を生成する。

一実施形態では、８２℃のジャケット冷却水によって供給され、スチームタービンサイクルからの凝縮液で加熱することで９５℃に上昇される熱力学サイクルによって、１５０ｋＷが生成される。ジャケット冷却は、７２℃でエンジンに戻される。１７０℃のスチームがスチームタービンを駆動し、６０％のタービン効率（乾き度（steam quality）＝０．９６、質量流量＝０．３ｋｇ／秒）で追加の５４ｋＷを生成する。

ｂ）電力生成のための陸上発電機セット
基本的に、陸上発電機セットは大型船舶エンジンとほとんど同じである。ａ）に記載された方法に、わずかな変更を加えて使用することができる。

ｃ）発電所および産業廃熱
本発明によるシステムおよび方法は、初期の第２のシステム作動媒体温度が少なくとも４０℃であるか、好ましくは初期の第３のシステム媒体温度よりも６０℃超で高い場合に、普遍的に適用することができる。初期の第２のシステム作動媒体温度は、第１の熱源の温度Ｔ１に依存する。本発明の一実施形態では、初期の第３のシステム作動媒体温度は、第２の熱源ＨＳ２の温度Ｔ２に依存する。多くの産業および発電所において、例えば、鋼、アルミニウムおよび金属産業において、バイオマス、廃棄物焼却および他の発電所において、セメント、紙、化学、石油精製および他の多くの産業において、第３のシステム作動媒体の初期温度は、例えば６０〜１００℃である。これらの場合における第２のシステム作動媒体の初期温度は、１４０℃超である。

高温の排ガスが（蒸気）タービンによる発電用の熱入力として使用される場合にも適用が可能であり、前記スチームタービンからの凝縮エンタルピーは、ＯＲＣ、および具体的にはＣｌｉｍｅｏｎのＣ３熱力学サイクルを含む熱力学サイクルの熱入力の温度を上昇させるために使用される。熱力学サイクルへの第１の熱入力は、異なる供給源から来てもよい。

ｄ）他の実施形態
一実施形態では、初期の第３のシステム作動媒体温度は、６０、７０、８０、９０、１００、１１０または１２０℃以上の温度である。この場合、典型的には排ガスからの第１の熱流は、作動媒体、典型的には水を凝縮させることによる凝縮エンタルピーを供給してもよい。スチームタービンの動作点は、例えば、蒸気が１１０℃および１．５バールを上回る圧力で凝縮するように設定してもよい。

一実施形態では、例えば製紙業界で利用可能なような、第１の低温熱力学サイクルで使用される５５〜７５℃の低温の第３の作動流体の流れは、第１の高温熱力学サイクルで使用される高温の第２のシステム作動流体Ｗ２の第２の流れと接触または熱交換され、この高温の流れは、すなわち、第１の低温熱力学サイクルへの熱入力の温度を例えば７５℃〜９５℃に上昇させるために、排ガスによって動力供給されるスチームタービンの下流の凝縮液である。ある意味では、第３のシステム作動媒体Ｗ３の流れは、スチームタービンの下流におけるスチームの凝縮のための非常に効率的な冷却源として機能する。

一実施形態では、使用されるスチームタービンは、軸流タイプまたはラジアルタイプである。軸流タービンは、約１３重量％までの液滴を許容する。ラジアルタービンの場合、軸流タービンよりも実地経験は少ないが、１０％までの液体含量が許容可能と考えられる。

金属産業に関連する一実施形態では、鋼の熱間圧延からの廃熱、または金属、例えば鉄の生産中に生成される高温の鉱物からの廃熱が抽出され、その廃熱は第１の熱源ＨＳ１になる。

上記の実施形態は、本発明の目的を達成するための、すなわち燃焼プロセスを含む様々なプロセスからの廃熱を効率的に利用し、前記廃熱を有用なエネルギー、好ましくは電気に変換するための有用な装置および温度／圧力／媒体の組み合わせの単なる例に過ぎないことを理解されたい。

本発明の好ましい実施形態の蒸気の説明は、例示的かつ説明的な目的のために提供される。包括的であること、または記載された変形形態に本発明を限定することを意図するものではない。多くの改変および変形が当業者には容易に明らかである。

Claims (12)

1. 発熱ユニット（１）からの廃熱を電気エネルギー（Ｅ）に変換するよう構成された第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第１の閉ループシステム（Ｓ１）に熱入力を生成するよう構成された熱回収システムであって、前記熱回収システムは、
   前記発熱ユニット（１）の排ガスシステムで生成された排ガスによって生成された少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）の熱を電気エネルギー（Ｅ）の第１のバッチ（Ｅ１）に変換するように構成された第２の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第２の閉ループシステム（Ｓ２）を含み、前記第２の閉ループシステム（Ｓ２）は、
   循環する第２のシステム作動媒体（Ｗ２）と、
   前記少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）からの熱の前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）への伝達によって、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）が蒸発して蒸気になるよう構成された第１の熱交換器（２）と、
   前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を膨張させて、電気エネルギーの前記第１のバッチ（Ｅ１）として抽出されるエネルギーを生成するように構成されたタービン（３）と、
   前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）が通過して、凝縮し、液体になるよう構成された第２の熱交換器（４）と、を含み、
   前記熱回収システムは、前記第２の熱交換器（４）内を循環するように構成された循環する第３のシステム作動媒体（Ｗ３）を含む第３の閉ループシステム（Ｓ３）をさらに含み、
   前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）は液相であり、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）は前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）における循環中に相を変化させるようには構成されておらず、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）は前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の凝縮媒体として作用するように構成されており、前記蒸発した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の凝縮エンタルピーが前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）に伝達されてその温度を上昇させる、熱回収システムにおいて、
   前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）は、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）からの熱が前記第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステム（Ｓ１）への熱入力として使用されるように構成され、前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）は、前記第２の熱交換器（４）を通る前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）の循環および／または加圧を制御するための第２の装置（１１、１４）として定義される装置を含み、前記第２の閉ループシステム（Ｓ２）は、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の循環および／または加圧を制御するための第１の制御装置（８、１２）をさらに含み、前記第１の制御装置（８、１２）は、前記タービン（３）直後の前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の圧力を、大気圧を上回るように制御するよう構成されることを特徴とする、熱回収システム。
2. 前記第１の制御装置（８、１２）が、前記タービン（３）直後の前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の圧力を、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の前記凝縮温度に対応する圧力を上回る圧力に制御するように構成される、請求項１に記載の熱回収システム。
3. 循環および／または加圧を制御するための前記第１の装置（８、１２）が、バルブ（８）およびポンプ（１２）の少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の熱回収システム。
4. 前記発熱ユニット（１）によって生成された第２の熱流（ＨＳ２）からの熱が前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）への初期熱入力として使用されるように構成されるよう、前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）は構成され、前記少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）の温度（Ｔ１）が前記第２の熱流（ＨＳ２）の温度（Ｔ２）よりも高い、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱回収システム。
5. 前記第２の閉ループシステム（Ｓ２）が、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を膨張させ、かつ電気エネルギーの前記第１のバッチ（Ｅ１）の少なくとも一部（Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃ）として抽出されるエネルギーを生成するように構成された少なくとも２つの並列タービン（３ａ、３ｂ、３ｃ）を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱回収システム。
6. 循環および／または加圧を制御するための前記第２の装置（１１、１４）が、バルブ（１４）およびポンプ（１２）の少なくとも１つを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱回収システム。
7. 発熱ユニット（１）からの熱を電気エネルギー（Ｅ）に変換するよう構成された第１の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される第１の閉ループシステム（Ｓ１）への熱入力として熱回収システムを使用する方法であって、前記発熱ユニット（１）が、少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）を生成するように構成され、前記熱回収システムが、
   第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を含む第２の閉ループシステム（Ｓ２）であって、前記少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）における熱を前記電気エネルギー（Ｅ）の第１のバッチ（Ｅ１）に変換するように構成された第２の閉ループ熱力学ランキンサイクルシステムとして構成される、第２の閉ループシステム（Ｓ２）と、
   循環する第３のシステム作動媒体（Ｗ３）を含む第３の閉ループシステム（Ｓ３）と、を含み、
   前記方法が、
   前記少なくとも１つの第１の熱流（ＨＳ１）からの熱を前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）に伝達することによって、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を蒸発させて蒸気にするステップと、
   前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を膨張させて電気エネルギーの第１のバッチ（Ｅ１）を抽出するステップと、
   前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）を凝縮させて前記蒸気よりも低い熱エンタルピーを有する液体にするステップと、
   前記蒸発させた第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の凝縮熱エンタルピーを、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）に伝達するステップと、
   前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）からの熱を、前記第１の閉ループシステム（Ｓ１）への熱入力として使用するステップであって、前記第１の閉ループシステム（Ｓ１）が前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）からの熱を前記電気エネルギーの第２のバッチに変換しているステップと、を含む方法において、前記方法が、
   前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）における前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）の循環および／または加圧を制御するステップであって、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）の循環が、膨張した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の温度と、凝縮した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の温度との間の所定の温度差を維持するために、前記膨張した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の温度と前記凝縮した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の温度との間の測定された温度差に基づいて制御され、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）は液相であり、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）が前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）における循環中に相を変化させるようには構成されていないステップを特徴とする、方法。
8. 前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の循環および／または加圧を制御するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記膨張ステップにおいて膨張されるときに、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の圧力が、前記第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の凝縮温度に対応するように制御される、請求項８に記載の方法。
10. 前記膨張した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の圧力が、大気圧を上回るように制御される、請求項８または９に記載の方法。
11. 前記発熱ユニット（１）によって生成された第２の熱流（ＨＳ２）からの熱を、前記第３の閉ループシステム（Ｓ３）への初期熱入力として使用するステップをさらに含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）の圧力が前記膨張した第２のシステム作動媒体（Ｗ２）の圧力を上回るよう、前記第３のシステム作動媒体（Ｗ３）の加圧が制御される、請求項７から１１のいずれか一項に記載の方法。

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