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JP6868022B2 - How to generate electricity using a combined cycle - Google Patents
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Description

本発明は、複合サイクルを使用して電力を生成するための方法及びシステム、特に有機ランキンサイクルが第2の電力システムとして使用される複合サイクルに関する。 The present invention relates to methods and systems for generating electric power using a composite cycle, in particular a composite cycle in which the organic Rankine cycle is used as a second power system.

ガスタービン等の発電所は、燃料を燃焼させることによって電力を生産する。電力は、電気の形状で通常生産される。このことは、第1の(電力)システムとして通常称される。 Power plants such as gas turbines produce electricity by burning fuel. Electric power is usually produced in the form of electricity. This is commonly referred to as the first (power) system.

発電所の効率を高めるために、第1のシステムによって生産された熱排煙から追加の電力を生成するための廃熱回収システム(第2の(電力)システム)を追加することが既知である。第1の及び第2のシステムの組み合わせは、複合サイクルと通常称される。 It is known to add a waste heat recovery system (second (power) system) to generate additional power from the heat exhaust produced by the first system to increase the efficiency of the power plant. .. The combination of the first and second systems is commonly referred to as a composite cycle.

多くの場合、第1のシステムがブレイトンサイクルで動作するガスタービンであり、第2のシステムが、有機ランキンサイクル(ORC)等のランキンサイクルである。 In many cases, the first system is a gas turbine operating in the Brayton cycle and the second system is a Rankine cycle such as the Organic Rankine cycle (ORC).

ランキンサイクルには作動流体として水/蒸気を使用することが既知である。しかしながら、水の使用は、腐食リスクを伴い、腐食防止対策を必要とする。 It is known that the Rankine cycle uses water / steam as the working fluid. However, the use of water carries the risk of corrosion and requires anti-corrosion measures.

ガスタービンによって生産された排煙は、450℃超、例えば450℃〜650℃の範囲内の温度を典型的に有し得る。 The flue gas produced by the gas turbine can typically have temperatures above 450 ° C, for example in the range of 450 ° C to 650 ° C.

市販の有機ランキンサイクルは、250℃〜300℃の範囲の温度の熱源を伴う状況用に典型的に制作される。より高い温度において、市販の有機ランキンサイクルの作動流体の安定性及び操作性が問題となる。したがって、市販の有機ランキンサイクルは、作動流体とタービン排煙との間の直接の熱交換を避けるために、中間熱油ループを必要とする。このことは、その効率を減少させ、コストを増加させ、最終的にその投資収益を減少させる。 Commercially available organic Rankine cycles are typically made for situations involving heat sources with temperatures ranging from 250 ° C to 300 ° C. At higher temperatures, the stability and operability of the working fluids of commercially available organic Rankine cycles becomes a problem. Therefore, commercially available Organic Rankine cycles require an intermediate hot oil loop to avoid direct heat exchange between the working fluid and turbine flue gas. This reduces its efficiency, increases its costs, and ultimately reduces its return on investment.

US2013/0133868は、有機ランキンサイクルを使用する電力を生成のためのシステムを説明する。多くの可能性のあるORC流体が記載されており、該ORC流体は、ペンタン、プロパン、シクロヘキサン、シクロペンタン、ブタン、フッ化炭化水素、アセトン等のケトン、またはトルエンもしくはチオフェン等の芳香族化合物を含む。 US2013 / 0133868 describes a system for generating electricity using the Organic Rankine cycle. Many possible ORC fluids have been described, which include ketones such as pentane, propane, cyclohexane, cyclopentane, butane, fluorinated hydrocarbons, acetone, or aromatic compounds such as toluene or thiophene. Including.

US2005/188697は、多フッ素化エーテル及び多フッ素化ケトン、ならびにそれらの混合物を含むランキンサイクル中の有機作動流体の使用を説明する。 US2005 / 188697 describes the use of organic working fluids in the Rankine cycle containing polyfluorinated ethers and polyfluorinated ketones, as well as mixtures thereof.

EP1764487は、エネルギ回収用有機ランキンサイクルにおける使用のため、特に最大およそ200℃、好ましくは最大およそ180℃の温度を有する熱源の利用のための有機作動流体の使用を開示する。 EP1764487 discloses the use of organic working fluids for use in organic Rankine cycles for energy recovery, especially for the use of heat sources having temperatures of up to about 200 ° C., preferably up to about 180 ° C.

US2011/0100009は、発電システムにおいて有機ランキンサイクル(ORC)流体を使用する熱交換を含むシステム及び方法を記載する。システムは、熱排煙を誘導する排気筒内に装着されるように構成された熱交換器を含む。熱交換器は、第1の流体の液体流を受容し、第1の流体の蒸気流を生成するように構成される。熱交換器は、二重管を含むように構成され、第1の流体が二重管の内壁内に配設され、第2の流体が二重管の内壁と外壁との間に配設される。二重管は、作動流体を高温の排煙への直接的曝露から遮蔽するために使用され、作動流体の温度を300℃より下に維持するようにさせる。 US2011 / 0100009 describes a system and method involving heat exchange using an organic Rankine cycle (ORC) fluid in a power generation system. The system includes a heat exchanger configured to be mounted within an exhaust stack that induces heat exhaust. The heat exchanger is configured to receive the liquid flow of the first fluid and generate the vapor flow of the first fluid. The heat exchanger is configured to include a double tubing, with a first fluid disposed within the inner wall of the double tubing and a second fluid disposed between the inner and outer walls of the double tubing. To. Double tubing is used to shield the working fluid from direct exposure to hot flue gas, allowing the temperature of the working fluid to be maintained below 300 ° C.

廃熱回収の他の実施例は、US2013/0152576、WO2013/103447、及びEP2532845によって提供される。 Other examples of waste heat recovery are provided by US2013 / 0125576, WO2013 / 103447, and EP2532845.

先行技術に関連付けられた欠点のうちの少なくとも1つを克服することが目的である。 The goal is to overcome at least one of the shortcomings associated with the prior art.

したがって複合サイクルを使用して電力を生成する方法が提供され、本方法は、
燃料が一次電力及び450℃超の排煙温度の排煙流を生成するために燃焼される第1の電力システムを動作させることと、
排煙流に含まれる熱から二次電力を生成するための第2の電力システムを動作させることと、を含み、第2の電力システムが廃熱回収熱交換器を備え、
本方法は、
廃熱回収熱交換器を通して排煙流を通過させることと、
排煙流から熱を受容するために廃熱回収熱交換器を通して加圧された廃熱回収流体を通過させ、それによって350℃〜500℃の範囲内の温度を有する加圧された蒸気の廃熱回収流体を得ることと、をさらに含み、
廃熱回収流体がフッ素化ケトンからなる。
Therefore, a method of generating electric power using a composite cycle is provided, and this method
To operate a first power system in which fuel is burned to generate primary power and flue gas with a flue gas temperature above 450 ° C.
The second power system is equipped with a waste heat recovery heat exchanger, including operating a second power system for generating secondary power from the heat contained in the flue gas stream.
This method
Passing the flue gas through the waste heat recovery heat exchanger
Waste heat recovery to receive heat from the flue gas Waste heat recovery fluid is passed through a waste heat recovery fluid, thereby waste of pressurized steam having a temperature in the range of 350 ° C to 500 ° C. Further including obtaining a heat recovery fluid,
The waste heat recovery fluid consists of fluorinated ketones.

電力を生成するためのシステムがさらに提供され、本システムは、
一次電力及び450℃超の排煙温度の排煙流を生成するために燃料を燃焼するように構成された燃料燃焼ステージを備えている第1の電力システムと、
排煙流に含まれる熱から二次電力を生成するように構成された第2の電力システムであって、第2の電力システムが廃熱回収熱交換器及び廃熱回収流体を備えている、第2の電力システムと、を備え、
廃熱回収熱交換器が、排煙流の少なくとも一部を受容し、搬送するように構成された第1の流体経路、及び廃熱回収流体を受容し、搬送するように構成された第2の流体経路を備え、
第1の流体経路及び第2の流体経路が、熱交換壁によって分離されており、
熱交換壁が、450℃〜650℃の範囲内の排煙温度の排煙流にさらされるのに好適であり、熱交換壁が、350℃〜500℃の範囲内の温度の廃熱回収流体にさらされるのに好適であり、
第2の電力システムに含まれる作動流体が、フッ素化ケトンからなる。
Further systems for generating electricity are provided, this system
A first power system with a fuel combustion stage configured to burn fuel to generate primary power and flue gas with a flue gas temperature above 450 ° C.
A second power system configured to generate secondary power from the heat contained in the flue gas stream, the second power system comprising a waste heat recovery heat exchanger and a waste heat recovery fluid. With a second power system,
A waste heat recovery heat exchanger is configured to receive and transport at least a portion of the flue gas stream, a first fluid path configured to receive and transport, and a second fluid path to receive and transport waste heat recovery fluid. With a fluid path of
The first fluid path and the second fluid path are separated by a heat exchange wall.
The heat exchange wall is suitable for being exposed to a flue gas stream having a flue gas temperature in the range of 450 ° C. to 650 ° C., and the heat exchange wall is a waste heat recovery fluid having a temperature in the range of 350 ° C. to 500 ° C. Suitable for exposure to
The working fluid contained in the second power system consists of fluorinated ketones.

廃熱回収流体は、最大500℃の温度まで温度安定している。温度安定という用語は、分子が温度の影響をうけて分解しないということを示すために使用される。 The waste heat recovery fluid is temperature-stable up to a temperature of 500 ° C. The term temperature stabilization is used to indicate that a molecule does not decompose under the influence of temperature.

廃熱回収流体は、フッ素化ケトンから実質的になり、好ましくは4〜6個の炭素原子を伴うフッ素化ケトンからなり、そのうち4〜6個がフッ素化炭素原子である。 The waste heat recovery fluid is substantially composed of fluorinated ketones, preferably composed of fluorinated ketones with 4 to 6 carbon atoms, of which 4 to 6 are fluorinated carbon atoms.

最も好ましくは、廃熱回収流体は、実質的にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンからなる。好ましくは、廃熱回収流体は、90モル%超のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オン、好ましくは95モル%超のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オン、より好ましくは98モル%超のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オン、及び最も好ましくは100モル%のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンを含む。 Most preferably, the waste heat recovery fluid is substantially composed of dodecafluoro-2-methylpentane-3-one. Preferably, the waste heat recovery fluid is greater than 90 mol% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, preferably greater than 95 mol% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, more preferably 98 mol. It contains more than% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, and most preferably 100 mol% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one.

廃熱回収流体は、本質的に純ドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンであってもよく、当業者は純という用語が、事実上到達可能な純度レベル、例えば99モル%超の純度、を示すために使用されるということを理解するであろう。例えば、純ドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンから本質的になる廃熱回収流体は、99モル%超の純度で3Mから得られてもよい。 The waste heat recovery fluid may be essentially pure dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, and those skilled in the art will appreciate the term pure, which is virtually reachable purity levels, eg, greater than 99 mol% purity. You will understand that it is used to indicate. For example, a waste heat recovery fluid essentially consisting of pure dodecafluoro-2-methylpentane-3-one may be obtained from 3M with a purity greater than 99 mol%.

フッ素化ケトン、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンは、例えばランキンサイクルにおいて、450℃を上回る温度にさらされることができるため、廃熱回収流体として使用されることに有利となることができる。 Fluorinated ketones, especially dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, can be exposed to temperatures above 450 ° C., for example in the Rankine cycle, which is advantageous for use as a waste heat recovery fluid. Can be done.

このように、中間熱油ループ等の中間作動流体は、省略されることができ、排煙と作動流体との間の直接の熱交換が可能となる。このことはコストを減少させ、サイクルの効率を高める。 As described above, the intermediate working fluid such as the intermediate hot oil loop can be omitted, and direct heat exchange between the flue gas and the working fluid becomes possible. This reduces costs and increases cycle efficiency.

代替的に、フッ素化ケトン、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンはまた、中間ループにおいて使用されてもよい。 Alternatively, fluorinated ketones, in particular dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, may also be used in the middle loop.

直接の熱交換という用語は、熱の交換が中間の流体またはサイクル無しで行われるということを示すために本文章中で使用される。直接の熱交換という用語は、熱を交換する流体が混合される、または直接の熱交換器内で行われる際に接触させる(つまり熱を交換するための流体が混合される)ということを示すために使用されるのではない。 The term direct heat exchange is used throughout this text to indicate that heat exchange takes place without an intermediate fluid or cycle. The term direct heat exchange indicates that fluids that exchange heat are mixed or brought into contact (ie, the fluids for exchanging heat are mixed) as they occur in the direct heat exchanger. Not used for.

廃熱回収流体と排煙流との間の熱交換は、熱がそこを通して伝達される熱交換壁によって流体が分離され続けている、間接熱交換器によって典型的に行われる。 Heat exchange between the waste heat recovery fluid and the flue gas stream is typically carried out by an indirect heat exchanger, where the fluid continues to be separated by a heat exchange wall through which heat is transferred.

上記で定義されるような、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンからなる廃熱回収流体は、比較的高温、すなわち350〜500℃の範囲で、安定していることが見出された。このことは、流体循環の縮小を防止する。 Waste heat recovery fluids, especially consisting of dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, as defined above, have been found to be stable at relatively high temperatures, ie in the range of 350-500 ° C. It was. This prevents the fluid circulation from shrinking.

また、上記の見出された廃熱交換流体は、比較的効果的な方法で、すなわち、示された温度範囲において(水使用時の6〜9%と比較して)排煙流から9〜11%の効率で、電力(機械的作用)を生産することも見出された。 Also, the waste heat exchange fluids found above are in a relatively effective manner, i.e. 9 to 9-from the flue gas stream (compared to 6-9% when using water) in the indicated temperature range. It has also been found to produce electricity (mechanical action) with an efficiency of 11%.

さらに、提案された廃熱回収流体は、全金属及び硬質重合体に対して非腐食性である。 In addition, the proposed waste heat recovery fluid is non-corrosive to all metals and hard polymers.

廃熱回収流体の地球温暖化係数(GWP)は、オゾン破壊係数に起因して、クロロフルオロカーボン(CFC、またフレオン(Freon)として知られる)等の既知の廃熱回収流体と比較して低い。 The global warming potential (GWP) of waste heat recovery fluids is lower than that of known waste heat recovery fluids such as chlorofluorocarbons (CFC, also known as Freon) due to the ozone depletion potential.

本発明のさらなる利点及び詳細は、下記の実施形態の詳細な説明の利益を伴い、及び添付の図面を参照して明らかとなるであろう。 Further advantages and details of the present invention will be apparent with the benefit of the detailed description of the embodiments below and with reference to the accompanying drawings.

実施形態に従ってシステムを模式的に示す。The system is schematically shown according to an embodiment. 代替的な実施形態に従ってシステムを模式的に示す。The system is schematically shown according to an alternative embodiment.

本発明は種々の改造及び代替的な形態を受け入れる余地がある一方で、その特定の実施形態が図中に実施例として示され、本明細書で詳細に説明されるであろう。図及びその詳細な説明は、開示された特定の形態に本発明を限定するように意図するものではなく、反対に、本発明は添付の請求項によって定義される範囲内にある全ての改造、同等物、及び代替物を対象にする。 While the present invention has room for accepting various modifications and alternative embodiments, specific embodiments thereof are shown as examples in the drawings and will be described in detail herein. The figures and their detailed description are not intended to limit the invention to the particular embodiments disclosed, and conversely, the invention is made of all modifications within the scope of the appended claims. Target equivalents and alternatives.

さらに、本発明は特定の実施形態の用語で説明されるはずであるが、本発明の特定の実施形態の種々の要素が、本明細書において開示された全ての実施形態に適用可能であろうということが理解されるであろう。 Further, although the invention should be described in terms of a particular embodiment, various elements of the particular embodiment of the invention may be applicable to all embodiments disclosed herein. It will be understood that.

実施形態に従って、方法及びシステムが提供され、第1及び第2の電力システムが動作し、第2の電力システムは第1の電力システムの排煙流の熱によって給電される。第2の電力システムは廃熱回収熱交換器を備え、それを通して加圧された廃熱回収流体が循環され、廃熱回収流体がフッ素化ケトン、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンを含む。 According to embodiments, methods and systems are provided, the first and second power systems operate, and the second power system is powered by the heat of the flue gas stream of the first power system. The second power system is equipped with a waste heat recovery heat exchanger through which the pressurized waste heat recovery fluid is circulated and the waste heat recovery fluid is fluorinated ketones, especially dodecafluoro-2-methylpentane-3-one. including.

実施形態に従って、第1の電力システムは、ブレイトンサイクルで動作するガスタービンを備える。そのような第1の電力システムによって生産された排煙流は、450℃超、典型的に450℃〜650℃の範囲内の温度を典型的に有する。 According to an embodiment, the first power system comprises a gas turbine operating in the Brayton cycle. The flue gas stream produced by such a first power system typically has a temperature above 450 ° C., typically in the range of 450 ° C. to 650 ° C.

実施形態に従って、第2の電力システムを動作させることは、熱機関サイクル、特にランキンサイクルを通して作動流体を循環させることを含む。ランキンサイクルは、熱を電力に変換する効率的な方法である。 In accordance with embodiments, operating the second power system involves circulating the working fluid through a heat engine cycle, particularly the Rankine cycle. The Rankine cycle is an efficient way to convert heat into electricity.

廃熱回収流体は、中間伝熱サイクルの一部として廃熱回収熱交換器を通して循環されてもよい。この実施形態は、図2を参照して下記でより詳細に説明されるであろう。 The waste heat recovery fluid may be circulated through the waste heat recovery heat exchanger as part of an intermediate heat transfer cycle. This embodiment will be described in more detail below with reference to FIG.

実施形態に従って、熱機関サイクルを通して循環された作動流体は、廃熱回収流体である。かかる実施形態において、廃熱回収熱交換器は、熱機関サイクルの一部である。上記の見出された廃熱回収流体は、450℃超の排煙温度の排煙流にさらされる廃熱回収熱交換器を通して循環されるのに好適である。 According to the embodiment, the working fluid circulated through the heat engine cycle is a waste heat recovery fluid. In such an embodiment, the waste heat recovery heat exchanger is part of the heat engine cycle. The waste heat recovery fluid found above is suitable for circulation through a waste heat recovery heat exchanger exposed to a flue gas stream having a flue gas temperature above 450 ° C.

実施形態に従って、廃熱回収熱交換器から得られるような加圧された蒸気の廃熱回収流体は、350℃〜500℃の範囲内、好ましくは450℃〜500℃の範囲内の温度を有する。廃熱回収流体は、最大400℃〜500℃の範囲内の温度まで安定しているため、有機ランキンサイクルで使用されることに有利となることができる。 According to the embodiment, the waste heat recovery fluid of the pressurized steam as obtained from the waste heat recovery heat exchanger has a temperature in the range of 350 ° C. to 500 ° C., preferably in the range of 450 ° C. to 500 ° C. .. Since the waste heat recovery fluid is stable up to a temperature in the range of 400 ° C. to 500 ° C., it can be advantageous for use in the organic Rankine cycle.

実施形態において、熱機関サイクルはコンデンサを備え、廃熱回収流体は周囲冷却流に凝集され、周囲冷却流が周囲空気流または周囲(海)水流である。作動流体は、コンデンサ内で15℃〜80℃の範囲内の温度まで冷却されてもよい。 In embodiments, the heat engine cycle comprises a condenser, the waste heat recovery fluid is aggregated into an ambient cooling stream, and the ambient cooling stream is an ambient air stream or an ambient (sea) water stream. The working fluid may be cooled in the capacitor to a temperature in the range of 15 ° C to 80 ° C.

廃熱回収流体は、サイクル内で使用されることができ、320℃超、さらに400℃超または450℃超の温度差を経験する。このことは廃熱回収流体を周囲に対して冷却すること、及び廃熱回収流体を450℃超の温度を有する排煙流に対して加熱することを可能にする。 The waste heat recovery fluid can be used within a cycle and experiences temperature differences above 320 ° C and even above 400 ° C or above 450 ° C. This makes it possible to cool the waste heat recovery fluid to the surroundings and to heat the waste heat recovery fluid to a flue gas stream having a temperature above 450 ° C.

実施形態において、第2の電力システムを動作させることは、ランキンサイクル等の熱機関を通して作動流体として廃熱回収流体を循環させることを含む。ランキンサイクルは、同時に実行される、以下のステップを含む。 In the embodiment, operating the second power system involves circulating a waste heat recovery fluid as a working fluid through a heat engine such as the Rankine cycle. The Rankine cycle includes the following steps, which are performed simultaneously.

1)排煙流から熱を受容するために廃熱回収熱交換器を通して加圧された廃熱回収流体を通過させ、それによって加圧された蒸気の廃熱回収流体を得ること。加圧された蒸気の廃熱回収流体は、350℃〜500℃の範囲内の温度及び40バール超、例えば50バールの圧力を有してもよい。 1) Pass the waste heat recovery fluid pressurized through the waste heat recovery heat exchanger to receive heat from the flue gas stream, thereby obtaining the waste heat recovery fluid of the pressurized steam. The waste heat recovery fluid of the pressurized steam may have a temperature in the range of 350 ° C. to 500 ° C. and a pressure of more than 40 bar, for example 50 bar.

2)加圧された蒸気の廃熱回収流体を(ターボ)膨張機上で膨張させ、それによって二次電力及び膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体を得ること。膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体は、3バール未満の圧力、例えば1バール、及び50℃〜150℃の温度、例えば100℃を有してもよい。 2) Expand the pressurized steam waste heat recovery fluid on a (turbo) expander, thereby obtaining secondary power and the expanded lower pressure steam waste heat recovery fluid. The expanded lower pressure steam waste heat recovery fluid may have a pressure of less than 3 bar, such as 1 bar, and a temperature of 50 ° C. to 150 ° C., such as 100 ° C.

3)液体廃熱回収流体を得るためにコンデンサを通して膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体を通過させること。液体廃熱回収流体は、3バール未満の圧力、例えば1バール、及び15℃〜100℃の温度、例えば50℃を有してもよい。 3) Pass the waste heat recovery fluid of lower pressure vapor expanded through a capacitor to obtain the liquid waste heat recovery fluid. The liquid waste heat recovery fluid may have a pressure of less than 3 bar, such as 1 bar, and a temperature of 15 ° C to 100 ° C, such as 50 ° C.

4)加圧された液体廃熱回収流体を得るためにポンプを通して液体廃熱回収流体を通過させること。加圧された液体廃熱回収流体は、40バール超の圧力、例えば50バール、及び15℃〜100℃の範囲内の温度を有してもよい。 4) Pass the liquid waste heat recovery fluid through a pump to obtain a pressurized liquid waste heat recovery fluid. The pressurized liquid waste heat recovery fluid may have a pressure above 40 bar, such as 50 bar, and a temperature in the range of 15 ° C to 100 ° C.

図1は、発電のためのシステムを模式的に示す。システムは、第1の電力システム1及び第2の電力システム2を備える。 FIG. 1 schematically shows a system for power generation. The system includes a first power system 1 and a second power system 2.

第1の電力システム1は、ここでガスタービンとして模式的に描写された燃料燃焼ステージを含む。ガスタービンは、圧縮機11、燃料チャンバ12、及びタービン13を備える。タービン13は、圧縮機11を駆動し、余剰電力が、一次電力を生成するために発電機等の発生機15に結合されるドライブシャフト14に使用される。 The first power system 1 includes a fuel combustion stage schematically described herein as a gas turbine. The gas turbine includes a compressor 11, a fuel chamber 12, and a turbine 13. The turbine 13 drives the compressor 11 and the surplus power is used for a drive shaft 14 that is coupled to a generator 15 such as a generator to generate primary power.

排煙流16は、450℃超の排煙温度で排気装置17を介してタービン13を出る。 The flue gas stream 16 exits the turbine 13 via the exhaust device 17 at a flue gas temperature of more than 450 ° C.

図1は、例示的な一次電力システムの模式図を示し、多くの変形が当業者にとって既知であることが理解されるであろう。 FIG. 1 shows a schematic diagram of an exemplary primary power system, and it will be appreciated that many variants are known to those of skill in the art.

図1は、第2の電力システム2をさらに模式的に示す。第2の電力システム2は、排煙流16の熱から二次電力を生成するように構成される。そうするために、第2の電力システム2は、廃熱回収熱交換器21を備える。図1に示される実施形態において、廃熱回収熱交換器21は、排気装置17内に位置決めされる。 FIG. 1 further schematically shows the second power system 2. The second electric power system 2 is configured to generate secondary electric power from the heat of the flue gas stream 16. To do so, the second power system 2 includes a waste heat recovery heat exchanger 21. In the embodiment shown in FIG. 1, the waste heat recovery heat exchanger 21 is positioned in the exhaust device 17.

廃熱回収熱交換器17は、排煙流16のうちの少なくとも一部を受容し搬送するように構成された第1の流体経路を備える。廃熱回収熱交換器17は、廃熱回収流体を受容し搬送するように構成された第2の流体経路を備える。廃熱回収熱交換器17は、プレート熱交換器を含む、任意の好適な種類であってもよい。 The waste heat recovery heat exchanger 17 includes a first fluid path configured to receive and transport at least a portion of the flue gas stream 16. The waste heat recovery heat exchanger 17 includes a second fluid path configured to receive and transport the waste heat recovery fluid. The waste heat recovery heat exchanger 17 may be of any suitable type, including a plate heat exchanger.

図1に示された実施例に従って、廃熱回収熱交換器17は、シェルアンドチューブ式熱交換器であり、第1の流体経路がシェル側にあり、第2の流体経路がチューブ側にある。 According to the embodiment shown in FIG. 1, the waste heat recovery heat exchanger 17 is a shell-and-tube heat exchanger with a first fluid path on the shell side and a second fluid path on the tube side. ..

第1及び第2の流体経路は、熱交換壁、例えば、シェルアンドチューブ式熱交換器のチューブを形成する壁によって分離される。 The first and second fluid paths are separated by a heat exchange wall, eg, a wall forming the tube of a shell-and-tube heat exchanger.

図1は、単一のチューブを示すが、2つ以上のチューブが存在し、各チューブが熱交換壁を形成していることが理解されるであろう。 Although FIG. 1 shows a single tube, it will be appreciated that there are two or more tubes, each of which forms a heat exchange wall.

好ましくは、任意の種類の廃熱回収熱交換器21に関して、熱交換壁は、単一層壁である。熱交換器は、内部冷却設備、中間分離層、二重壁、及び同様のものを備えない。 Preferably, for any type of waste heat recovery heat exchanger 21, the heat exchange wall is a single layer wall. The heat exchanger is not equipped with internal cooling equipment, intermediate separation layers, double walls, and the like.

本明細書で説明され、図1に示されたシステムは、第2の電力システム2によって備えられたサイクル(21、22、23、24、25、26、27、28)内の作動流体を含み、作動流体がフッ素化ケトン、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンからなる。 The system described herein and shown in FIG. 1 includes working fluids within a cycle (21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28) provided by the second power system 2. The working fluid consists of fluorinated ketones, especially dodecafluoro-2-methylpentane-3-one.

第2の電力システムは、廃熱回収熱交換器21、(ターボ)膨張機23、コンデンサ25、及び導管22、24、26、28によって互いに流体連通している、ポンプ27を備える。かかるサイクルは、ランキンサイクルとして既知である。 The second power system includes a waste heat recovery heat exchanger 21, a (turbo) expander 23, a condenser 25, and a pump 27 that is fluid-connected to each other by conduits 22, 24, 26, 28. Such a cycle is known as the Rankine cycle.

熱回収熱交換器21の出口は、第1の導管22を介して膨張機23の入口と流体連通し、膨張機23の出口は、第2の導管24を介してコンデンサ25の入口と流体連通し、コンデンサ25の出口は、第3の導管26を介してポンプ27の入口と流体連通し、ポンプの出口は、第4の導管28を介して廃熱回収熱交換器21の入口と流体連通する。 The outlet of the heat recovery heat exchanger 21 communicates fluid with the inlet of the expander 23 via the first conduit 22, and the outlet of the expander 23 communicates fluidly with the inlet of the condenser 25 via the second conduit 24. The outlet of the condenser 25 communicates with the inlet of the pump 27 via the third conduit 26, and the outlet of the pump communicates with the inlet of the waste heat recovery heat exchanger 21 via the fourth conduit 28. To do.

コンデンサ25は、周囲冷却流61を受容するための周囲入口及び暖められた周囲冷却流62を排出するための周囲出口を備える。 The condenser 25 includes a peripheral inlet for receiving the ambient cooling stream 61 and a peripheral outlet for discharging the warmed ambient cooling stream 62.

使用中、第1の電力システム1は一次電力及び排煙流16を生成し、一方で第2の電力システム2は上記で説明されたランキンサイクルを通して作動流体として廃熱回収流体を循環させる。膨張機23は、二次電力を生成するために発電機等の二次発生器30に結合されるドライブシャフト29を駆動する。 During use, the first power system 1 produces the primary power and the flue gas flow 16, while the second power system 2 circulates the waste heat recovery fluid as the working fluid through the Rankine cycle described above. The expander 23 drives a drive shaft 29 coupled to a secondary generator 30 such as a generator to generate secondary power.

図2は、代替的な実施形態を模式的に示し、廃熱回収流体は熱機関において作動流体として使用されず、廃熱回収熱交換器21から異なる流体が水/蒸気等の作動流体として循環される熱機関に、熱を伝達するために中間ループ3において使用される。第2の電力システム2は、熱機関及び中間ループ3を備える。 FIG. 2 schematically illustrates an alternative embodiment, in which the waste heat recovery fluid is not used as a working fluid in a heat engine, and a different fluid circulates from the waste heat recovery heat exchanger 21 as a working fluid such as water / steam. Used in intermediate loop 3 to transfer heat to the heat engine. The second power system 2 includes a heat engine and an intermediate loop 3.

この実施形態に従って、第2の電力システム2を動作させることは、中間ループ3を通して廃熱回収流体(フッ素化ケトン、特にドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンからなる)を循環させること、及びランキンサイクル等の熱機関を通して作動流体を循環させることを含み、熱機関は、熱源熱交換器42及びヒートシンク熱交換器25を備え、本方法が、
廃熱回収熱交換器21を通して排煙流を通過させること、
排煙流から熱を受容するために廃熱回収熱交換器21を通して加圧された廃熱回収流体を通過させ、それによって350℃〜500℃の範囲内の温度を有する加圧された蒸気の廃熱回収流体を得ること、
熱源熱交換器42を通して廃熱回収流体を通過させること、
廃熱回収流体から熱を受容することによって加熱された作動流体を得るために、熱源熱交換器42を通して作動流体を通過させること、とを含む。
To operate the second power system 2 according to this embodiment is to circulate the waste heat recovery fluid (consisting of fluorinated ketones, especially dodecafluoro-2-methylpentane-3-one) through the intermediate loop 3. The heat engine comprises a heat source heat exchanger 42 and a heat sink heat exchanger 25, which comprises circulating the working fluid through a heat engine such as the Rankine cycle.
Passing the flue gas through the waste heat recovery heat exchanger 21
For pressurized steam having a temperature in the range of 350 ° C. to 500 ° C. through a waste heat recovery fluid pressurized through a waste heat recovery heat exchanger 21 to receive heat from the flue gas stream. Obtaining waste heat recovery fluid,
Passing the waste heat recovery fluid through the heat source heat exchanger 42,
This includes passing the working fluid through a heat source heat exchanger 42 to obtain a working fluid heated by receiving heat from the waste heat recovery fluid.

図1及び2における同じ参照数値は、同様の構成部品を言及するために使用される。 The same reference values in FIGS. 1 and 2 are used to refer to similar components.

図2は、廃熱回収流体が循環される中間ループ3を示す。中間ループ3は、廃熱回収熱交換器21、コンデンサ42(熱機関の熱源熱交換器である)、ならびに中間ループ導管41、43、及び45によって接続されているポンプ44を備える。 FIG. 2 shows an intermediate loop 3 in which the waste heat recovery fluid is circulated. The intermediate loop 3 includes a waste heat recovery heat exchanger 21, a condenser 42 (a heat source heat exchanger for a heat engine), and a pump 44 connected by intermediate loop conduits 41, 43, and 45.

熱回収熱交換器21の出口は、第1の中間ループ導管41を介してコンデンサ42の入口と流体連通し、コンデンサ25の出口は、第2の中間ループ導管26を介してポンプ44の入口と流体連通し、ポンプ44の出口は、中間ループ第3の導管45を介して廃熱回収熱交換器21の入口と流体連通する。 The outlet of the heat recovery heat exchanger 21 communicates with the inlet of the condenser 42 via the first intermediate loop conduit 41, and the outlet of the condenser 25 communicates with the inlet of the pump 44 via the second intermediate loop conduit 26. Fluid communication, the outlet of the pump 44 communicates with the inlet of the waste heat recovery heat exchanger 21 via the third conduit 45 of the intermediate loop.

使用中、第1の電力システム1は一次電力及び排煙流16を生成し、一方で第2の電力システム2は上記で説明された排煙流16から熱機関のコンデンサ(熱源熱交換器42である)を介して熱機関に熱を伝達する中間ループ3を通して廃熱回収流体を循環させる。熱機関において、作動流体は循環され、二次電力を生成するために発電機等の二次発生器30に結合されるドライブシャフト29を駆動する膨張機23を駆動する。 During use, the first power system 1 produces the primary power and the flue gas 16, while the second power system 2 is from the flue gas 16 described above to the heat engine condenser (heat source heat exchanger 42). The waste heat recovery fluid is circulated through the intermediate loop 3 that transfers heat to the heat engine via). In a heat engine, the working fluid is circulated and drives an expander 23 that drives a drive shaft 29 coupled to a secondary generator 30 such as a generator to generate secondary power.

シミュレーション結果
シミュレーション実験を、UniSim Designソフトウエアを使用して実行する。シミュレーションにおいて、図1に示されるような実施形態を、100モル%のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンを含む廃熱回収流体を伴いシミュレートし、廃熱回収流体が100モル%の水を含む同様の実施形態と比較する。下記のパラメータを使用する。

Figure 0006868022
Simulation Results Simulation experiments are performed using UniSim Design software. In the simulation, an embodiment as shown in FIG. 1 was simulated with a waste heat recovery fluid containing 100 mol% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one, with 100 mol% waste heat recovery fluid. Compare with a similar embodiment involving water. Use the following parameters.
Figure 0006868022

第2の電力システムの効率ηWHRは、生成されたネット電力の排気ガスで利用可能な熱の総量に対する比として計算される:
ηWHR=m(WTE−Wポンプ)/(m排気 排気(Tin 排気−T周囲)、
式中
は、作動流体としての廃熱回収流体の質量流量であり、
TEは、ターボ膨張機23によって行われる作業であり、
ポンプは、ポンプ27によって行われる作業であり、
排気は、排煙流16の質量流量であり、
排気は、排煙流16の熱容量であり、
in 排気は、排煙流16の温度であり、
周囲は、周囲温度である。
The efficiency of the second power system, η WHR, is calculated as the ratio of the net power generated to the total amount of heat available in the exhaust gas:
η WHR = m f (W TE -W pump) / (m exhaust C P exhaust (T in the exhaust -T ambient),
In the formula, m f is the mass flow rate of the waste heat recovery fluid as the working fluid.
WTE is the work performed by the turbo expander 23.
The W pump is the work performed by the pump 27.
The m exhaust is the mass flow rate of the flue gas stream 16.
C P exhaust is the heat capacity of the Haikemuriryu 16,
T in the exhaust gas, the temperature of the Haikemuriryu 16,
The circumference of T is the ambient temperature.

上記のパラメータは、上記の表から取られるか、またはシミュレーションの結果としてもたらされるかのどちらかである。 The above parameters are either taken from the table above or are the result of a simulation.

シミュレーションは、100モル%の水の効率が7.50%であることが見出され、一方で100モル%のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンの効率が10.68%であることが見出されることを示す。このためドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オンを使用することが、42%の効率の増加という結果をもたらす。 Simulations have found that the efficiency of 100 mol% water is 7.50%, while the efficiency of 100 mol% dodecafluoro-2-methylpentane-3-one is 10.68%. Indicates that is found. Therefore, the use of dodecafluoro-2-methylpentane-3-one results in a 42% increase in efficiency.

当業者は、多くの改造が本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを容易に理解するであろう。 Those skilled in the art will readily appreciate that many modifications can be made without departing from the scope of the invention.

Claims (15)

複合サイクルを使用して電力を生成する方法であって、
燃料が一次電力及び450℃超の排煙温度の排煙流を生成するために燃焼される第1の電力システムを動作させることと、
前記排煙流に含まれる前記熱から二次電力を生成するための第2の電力システムを動作させることと、を含み、前記第2の電力システムが廃熱回収熱交換器を備え、
前記方法は、
前記廃熱回収熱交換器を通して前記排煙流を通過させることと、
前記排煙流から熱を受容するために、加圧された廃熱回収流体を前記廃熱回収熱交換器を通して通過させ、それによって400℃〜500℃の範囲内の温度を有する加圧された蒸気の廃熱回収流体を得ることと、をさらに含み、
前記廃熱回収流体がフッ素化ケトンからなる、方法。
It is a method of generating electric power using a combined cycle.
To operate a first power system in which fuel is burned to generate primary power and flue gas with a flue gas temperature above 450 ° C.
The second power system comprises operating a second power system for generating secondary power from the heat contained in the smoke exhaust stream, the second power system comprising a waste heat recovery heat exchanger.
The method is
Passing the flue gas through the waste heat recovery heat exchanger
In order to receive heat from the flue gas, a pressurized waste heat recovery fluid was passed through the waste heat recovery heat exchanger, thereby being pressurized with a temperature in the range of 400 ° C to 500 ° C. Further including obtaining a waste heat recovery fluid for steam,
A method in which the waste heat recovery fluid is composed of fluorinated ketones.
前記廃熱回収流体が、90モル%超のドデカフルオロ−2−メチルペンタン−3−オン含む、請求項1に記載の方法。 The waste heat recovery fluid comprises a dodecafluoro-2-methylpentan-3-one of 90 mole percent The method of claim 1. 前記第2の電力システムを動作させることが、熱機関サイクルを通して作動流体を循環させることを含む、請求項1または2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein operating the second power system comprises circulating a working fluid through a heat engine cycle. 前記熱機関サイクルが、ランキンサイクルである、請求項3に記載の方法。 The method of claim 3, wherein the heat engine cycle is the Rankine cycle. 前記熱機関サイクルを通して循環された前記作動流体が、前記廃熱回収流体である、請求項3または4に記載の方法。 The method according to claim 3 or 4, wherein the working fluid circulated through the heat engine cycle is the waste heat recovery fluid. 前記加圧された蒸気の廃熱回収流体が450℃〜500℃の範囲内の温度を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 The waste heat recovery fluid pressurized steam has a temperature in the range of 450 ° C. to 500 ° C., the method according to any one of claims 1 to 5. 前記熱機関サイクルが、前記廃熱回収流体が、周囲冷却流に凝集されるコンデンサを備え、前記周囲冷却流が周囲空気流または周囲(海)水流である、請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法。 Any one of claims 3-5 , wherein the heat engine cycle comprises a capacitor in which the waste heat recovery fluid is aggregated into an ambient cooling stream, wherein the ambient cooling stream is an ambient air stream or an ambient (sea) water stream. The method described in the section. 前記作動流体が、ンデンサにおいて15℃〜80℃の範囲内の温度まで冷却される、請求項3〜5のいずれか1項に記載の方法。 The working fluid is cooled to a temperature in the range of 15 ° C. to 80 ° C. in capacitor, the method according to any one of claims 3-5. 前記第2の電力システムを動作させることが、
前記排煙流から熱を受容するために前記廃熱回収熱交換器を通して前記加圧された廃熱回収流体を通過させ、それによって400℃〜500℃の範囲内の温度を有する加圧された蒸気の廃熱回収流体を得ることと、
前記加圧された蒸気の廃熱回収流体を膨張機上で膨張させ、それによって前記二次電力及び膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体を得ることと、
記膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体をコンデンサを通して通過させて液体廃熱回収流体を得ることと、
記液体廃熱回収流体をポンプを通して通過させて前記加圧された廃熱回収流体を得ることと、を同時に行うことによる、ランキンサイクル等の熱機関を通して、前記廃熱回収流体を作動流体として循環させることを含み、
前記膨張されたより低圧の蒸気の廃熱回収流体が3バール(0.3MPa)未満の圧力を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
Operating the second power system
The pressurized waste heat recovery fluid was passed through the waste heat recovery heat exchanger to receive heat from the flue gas stream, thereby being pressurized with a temperature in the range of 400 ° C to 500 ° C. Obtaining a waste heat recovery fluid for steam
The waste heat recovery fluid of the pressurized steam is expanded on an expander, thereby obtaining the waste heat recovery fluid of the secondary power and the expanded lower pressure steam.
And Rukoto waste heat recovery fluid pressure vapor from being pre-Symbol expanded by passing through the condenser to obtain a liquid waste heat recovery fluid,
Due to performing the Rukoto obtain the pressurized waste heat recovery fluid is passed through the pre-Symbol liquid waste heat recovery fluid through the pump, at the same time, through a heat engine such as a Rankine cycle, a working fluid to the waste heat recovery fluid only it contains a circulating as,
The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the waste heat recovery fluid of the expanded lower pressure steam has a pressure of less than 3 bar (0.3 MPa).
前記第2の電力システムを動作させることが、前記二次電力を生成するために、ランキンサイクル等の熱機関を通して作動流体を循環させることを含み、前記熱機関が熱源熱交換器及びヒートシンク熱交換器を備え、
前記方法が、
前記熱源熱交換器を通して前記廃熱回収流体を通過させることと、
前記廃熱回収流体から熱を受容することによって加熱された作動流体を得るために、前記熱源熱交換器を通して前記作動流体を通過させることと、を含む、請求項1〜のいずれか1項に記載の方法。
Operating the second power system involves circulating the working fluid through a heat engine such as the Rankine cycle to generate the secondary power, which heat exchanges heat source heat exchangers and heat sinks. Equipped with a vessel
The above method
Passing the waste heat recovery fluid through the heat source heat exchanger
Any one of claims 1-8 , comprising passing the working fluid through the heat source heat exchanger to obtain a working fluid heated by receiving heat from the waste heat recovery fluid. The method described in.
請求項1〜10に記載の方法のうちのいずれか1つにおける、フッ素化ケトンの使用。 Use of a fluorinated ketone in any one of the methods according to claims 1-10. 電力を生成するためのシステムであって、前記システムが、
一次電力及び450℃超の排煙温度の排煙流を生成するために燃料を燃焼するように構成された燃料燃焼ステージを備えている第1の電力システムと、
前記排煙流に含まれる前記熱から二次電力を生成するように構成された第2の電力システムであって、前記第2の電力システムが廃熱回収熱交換器及び廃熱回収流体を備えている、第2の電力システムと、を備え、
前記廃熱回収熱交換器が、前記排煙流の少なくとも一部を受容し、搬送するように構成された第1の流体経路及び前記廃熱回収流体を受容し、搬送するように構成された第2の流体経路を備え、
前記第1の流体経路及び第2の流体経路が、熱交換壁によって分離されており、
前記熱交換壁が、450℃〜650℃の範囲内の排煙温度の前記排煙流にさらされ、かつ400℃〜500℃の範囲内の温度の前記廃熱回収流体にさらされるように構成されており、
前記第2の電力システムに含まれる前記廃熱回収流体が、フッ素化ケトンからなる、システム。
A system for generating electric power, which is
A first power system with a fuel combustion stage configured to burn fuel to generate primary power and flue gas with a flue gas temperature above 450 ° C.
A second electric power system configured to generate secondary electric power from the heat contained in the flue gas stream, wherein the second electric power system includes a waste heat recovery heat exchanger and a waste heat recovery fluid. With a second power system,
The waste heat recovery heat exchanger is configured to receive and transport a first fluid path configured to receive and transport at least a portion of the flue gas stream and the waste heat recovery fluid. With a second fluid path,
The first fluid path and the second fluid path are separated by a heat exchange wall.
As the heat exchange wall is exposed to the exhaust plume of flue gas temperature in the range of 450 ° C. to 650 ° C., and exposed to the waste heat recovery fluid temperature within the range of 400 ° C. to 500 ° C. is configured you is,
A system in which the waste heat recovery fluid contained in the second electric power system is composed of a fluorinated ketone.
前記熱交換壁が、単一層壁である、請求項12に記載のシステム。 12. The system of claim 12, wherein the heat exchange wall is a single layer wall. 前記システムが、前記廃熱回収熱交換器、膨張機、コンデンサ、及びポンプを備えている、ランキンサイクル等の熱機関をさらに備え、前記コンデンサが前記廃熱回収流体を周囲冷却流に凝集させるように構成されている、請求項12または13に記載のシステム。 The system further comprises a heat engine such as the Rankine cycle, which comprises the waste heat recovery heat exchanger, expander, condenser, and pump so that the condenser aggregates the waste heat recovery fluid into an ambient cooling stream. The system according to claim 12 or 13, which is configured in. 前記膨張機が、前記400℃〜500℃の範囲内の温度の廃熱回収流体を膨張させて、それによって前記二次電力及び3バール(0.3MPa)未満の圧力を有する膨張された廃熱回収流体を得るように構成されている、請求項14に記載のシステム。The expander expands the waste heat recovery fluid at a temperature in the range of 400 ° C. to 500 ° C., thereby expanding the waste heat having the secondary power and a pressure of less than 3 bar (0.3 MPa). The system according to claim 14, which is configured to obtain a recovered fluid.
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