ＯＲＣ熱回収ボイラー用の不活性ガスパージシステム
【課題】熱回収ボイラー用に不活性ガスパージシステムを利用する廃熱回収システムを提供すること。
【解決手段】１つの実施形態において、システムは、エンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）を通って流入する排気ガス（３８）を配向するよう構成された廃熱回収位置と、流入排気ガス（３８）をバイパスダクト（４６）に配向して内部容積（６０）内に配置された熱回収ボイラー（４０）をバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステム（６６）を含む。本システムはまた、不活性ガスを内部容積（６０）内に注入して該内部容積（６０）から残留排気ガス（３８）を移動させるように構成された不活性ガスパージシステム（７２）を含む。
【解決手段】１つの実施形態において、システムは、エンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）を通って流入する排気ガス（３８）を配向するよう構成された廃熱回収位置と、流入排気ガス（３８）をバイパスダクト（４６）に配向して内部容積（６０）内に配置された熱回収ボイラー（４０）をバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステム（６６）を含む。本システムはまた、不活性ガスを内部容積（６０）内に注入して該内部容積（６０）から残留排気ガス（３８）を移動させるように構成された不活性ガスパージシステム（７２）を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ボイラーを利用した廃熱回収システムに関し、より具体的には、熱回収ボイラー用の不活性ガスパージシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱回収システムは、商工業用プロセス及び運転によりほぼ５００℃を下回る温度の熱など、低温熱を回収するのに利用することができる。例えば、廃熱回収システムは、ガスタービンにより生成された高温排出ガスからの低温熱を回収するのに利用することができる。有機作動流体を循環させることにより有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を実施する廃熱回収システムは、有機作動流体の相変化エンタルピーが比較的低いことに起因して低温熱を回収する際に特に効率的にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，１７４，７１６号公報
【発明の概要】
【０００４】
１つの実施形態において、システムは、エンジンの排気セクションの内部容積を通って流入する排気ガスを配向するよう構成された廃熱回収位置と、流入排気ガスをバイパスダクトに配向して内部容積内に配置された熱回収ボイラーをバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステムを含む。本システムはまた、不活性ガスを内部容積内に注入して内部容積から残留排気ガスを移動させるように構成された不活性ガスパージシステムを含む。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、エンジンの排気セクション内で排気ガスから直接熱を吸収し、有機作動流体を内部で加熱するよう構成された熱回収ボイラーと、有機作動流体を膨張するよう構成された膨張器と、膨張した有機作動流体を凝縮するよう構成された凝縮器と、凝縮された有機作動流体を熱回収ボイラーに配向するよう構成されたポンプと、熱回収ボイラーからの有機作動流体の漏出を検出するよう構成されたセンサと、漏出の検出に応答して、不活性ガスを排気ガスに注入するよう構成された不活性ガスパージシステムとを含む。
【０００６】
第３の実施形態において、方法は、熱回収ボイラーからエンジンの排気セクションの内部容積への有機作動流体の漏出を検出する段階と、漏出の検出に応答して、バルブをバイパス位置に設定し排気セクションの内部容積をバイパスするよう流入する排気ガスを配向させる段階と、漏出の検出に応答して、不活性ガスを内部容積に注入し、残留排気ガスを内部容積から移動させる段階と、を含む。
【０００７】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】廃熱回収システム内で不活性ガスパージシステムを利用できる発電システムの１つの実施形態の概略流れ図。
【図２】不活性ガスパージシステムの１つの実施形態を描いた、図１の廃熱回収システムの概略流れ図。
【図３】バイパスモードで作動している、図２の廃熱回収システムの概略流れ図。
【図４】熱回収ボイラーから排気ガスをパージする方法の１つの実施形態を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１０】
本発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、数詞がないことは、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１１】
本開示は、熱回収ボイラー用に不活性ガスパージシステムを利用する廃熱回収システムに関する。廃熱回収システムは、炭化水素流体又は冷媒など、有機作動流体を用いた有利ランキンサイクル（ＯＲＣ）を実装することによって、ガスタービンなどのシステムから低温熱を回収することができる。オイルなどの中間流体を通じて有機作動流体に熱を伝達するのではなく、本システムは、ガスタービンの排気ガスから作動流体に直接熱を伝達する「直接式」熱回収ボイラーを利用することができる。幾つかの実施形態によれば、作動流体を循環する熱回収ボイラーは、ガスタービンの排気セクション内の排気ガスの経路に直接配置することができる。排気ガスと廃熱回収システムとの間で熱を伝達するために２次ループを用いるのではなく、排気ガスの経路内に直接熱回収ボイラーを配置することによって、廃熱回収システムの全体効率を高めると同時に、資本コスト及び／又は運用コストを低減することができる。
【００１２】
熱回収ボイラーの漏出が生じた場合にガスタービン排気セクション及び廃熱回収システムを保護するために、発電システムは、熱回収ボイラー用にパージシステムを利用することができる。幾つかの実施形態によれば、パージシステムは、熱回収ボイラーの漏出を検出したときに有効にすることができる。パージシステムは、排気ガスが熱回収ボイラーをバイパスするように排気ガスの流れを再配向することができる。更に、パージシステムは、不活性ガスを排気ガスダクトに注入し、残留排気ガスを排気ダクトからパージすることができる。不活性ガスはまた、熱回収ボイラーを冷却して何らかの漏出流体を希釈し、これにより排気ダクト内の火炎を消失及び／又は抑制することができる。
【００１３】
図１は、熱回収ボイラーパージシステムを利用できる発電システム１０の１つの実施形態を描いている。発電システム１０は、廃熱を発生するガスタービンエンジン１２のようなエンジンを含み、該廃熱は、廃熱回収システム１６により回収することができる。理解できるように、限定を意図するものではないが、廃熱を生成するエンジンの１つの実施例としてガスタービンエンジン１２が提供される。他の実施形態では、本明細書で説明される廃熱回収システムは、廃熱を発生する他のタイプのエンジンから熱を回収するのに利用することができる。例えば、他の実施形態では、廃熱回収システム１６は、往復式エンジン、又は廃熱を生成する他の好適なエンジンから熱を回収することができる。
【００１４】
図１に示すように、ガスタービンエンジン１２は、燃料（例えば、液体又はガス燃料）を燃焼させて第１の負荷１４を駆動する。発電システム１０はまた、ガスタービンから低温熱を回収して第２の負荷１８を駆動する廃熱回収システム１６を含む。幾つかの実施形態によれば、第１及び第２の負荷１４及び１８は、電力を発生するための発電機とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、発電システム１０により駆動される負荷のタイプは様々とすることができる。
【００１５】
ガスタービンエンジン１２は、吸気セクション２０、圧縮機２２、燃焼器セクション２４、タービン２６、及び排気セクション２８を含む。タービン２６は、シャフト３０を介して圧縮機２２に結合される。空気３２は、吸気セクション２０を通ってガスタービンエンジン１２に入り、圧縮機２２に流入することができ、ここで空気が加圧されて、燃焼器セクション２４に加圧空気３４を提供することができる。燃焼器セクション２４内では、加圧空気３４は、燃料の燃焼を向上させる燃空比で燃料と混合し、燃焼ガス３６を生成することができる。幾つかの実施形態によれば、燃焼器セクション２４は、シャフト３０の周りを環状に配置された複数の燃焼器を含むことができる。
【００１６】
燃焼器セクション２４から、高温燃焼ガス３６は、タービン２６を通って流れ、圧縮機２２を駆動し、及び／又はシャフト３０を介して第１の負荷１４を駆動することができる。例えば、燃焼ガス３６は、タービン２６内のタービンロータブレードに駆動力を加え、シャフト３０を回転させることができる。タービン２６を通って流れた後、高温燃焼ガスは、ガスタービンエンジン１２から排気ガス３８として流出し、該排気ガスは、排気セクション２８を通って流れ、ガスタービンエンジン１２から流出する。
【００１７】
排気ガス３８が排気セクション２８を通って流れると、排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を通って流れることができ、該熱回収ボイラーは、排気ガス３８から熱を吸収し、冷却された排気ガス４２を生成することができる。熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の流路に直接位置付けられ、該排気ガス３８が熱回収ボイラー４０を通って流れる作動流体に熱を直接伝達できるようにする。次いで、冷却された排気ガス４２は、排気セクション２８から流出し、配管４３を通ってスタック４４に配向することができ、ここでガスを大気に放出することができる。
【００１８】
図２に関して更に説明するように、排気セクション２８はまた、熱回収ボイラー４０を通過させることなく、排気ガス３８を排気セクション２８に流出させることを可能にするバイパスダクト４６を含むことができる。熱回収ボイラー４０からの可燃性有機作動流体を排気ガス３８に曝す可能性がある漏出を該熱回収ボイラー４０が生じた場合、バイパスダクト４６を利用して、排気ガス３８を排気セクション２８から除去することができる。バイパスモードが有効にされたときに、バイパスダクト４６を介して排気ガス３８を配向し、熱回収ボイラー４０をバイパスしたバイパス排気ガス４８として排気セクション２８から流出させることができる。図示のように、バイパス排気ガス４８及び冷却排気ガス４２の両方が同じスタック４４に配向することができる。しかしながら、バイパス排気ガス４８及び冷却排気ガス４２は、別個のスタックに配向されてもよい。
【００１９】
排気ガス３８が排気セクション２８の排気ガス経路内に配置された熱回収ボイラー４０を通って流れるときに、高温排出ガス３８は、作動流体ループ５０内で熱回収ボイラー４０を通って流れる作動流体に熱を伝達することができる。幾つかの実施形態によれば、熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の経路において直接的に作動流体ループ５０内で作動流体を循環させることを可能にするフィン及び管型熱交換器とすることができる。その結果、排気ガス３８は、オイルループなどの中間ループを介した熱伝達ではなく、廃熱回収システム１６内で循環する作動流体に直接熱を伝達することができる。
【００２０】
幾つかの実施形態によれば、廃熱回収システム１６は、作動流体ループ５０内で誘起作動流体を循環させ、排気ガス３８から排熱を回収することができる。炭化水素流体及び冷媒などの何れかの好適な有機作動流体を利用することができる。有機作動流体を利用することは、該有機作動流体の相変化エンタルピーが比較的低いことに起因して廃熱回収ループ５０に特に好適とすることができる。幾つかの実施形態によれば、有機作動流体は、水よりも高い蒸気圧及び低い臨界温度を有する高分子量の有機流体とすることができる。
【００２１】
作動流体が熱回収ボイラー４０を通って流れるときに、作動流体は、排気ガス３８から熱を吸収し、流体の全て又は相当な部分を液相から蒸気相に変化させるようにすることができる。次いで、加熱された作動流体は膨張器・発電機セット５２に流れることができ、ここで作動流体が膨張され、第２の負荷１８を駆動することができる。例えば、膨張器・発電機セット５２は、発電機に結合され、加熱作動流体の膨張により電気を生成することができる膨張器を含むことができる。膨張器・発電機セット５２から、作動流体は凝縮器５４に流れることができ、ここで作動流体を凝縮することができる。幾つかの実施形態によれば、凝縮器５４は、空冷式熱交換器とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、あらゆるタイプの凝縮器を利用することができる。
【００２２】
次いで、凝縮された作動流体はポンプ５８に流れることができ、ポンプ５８は、作動流体を熱回収ボイラー４０に戻してここでプロセスを再度始めることができる。他の実施形態では、バルブ、温度及び／又は圧力センサもしくはトランスデューサ、受信器、及び同様のものなどの追加機器を廃熱回収システム１６に含めることができる。例えば、幾つかの実施形態において、復熱装置又は予熱器を熱回収ボイラー４０から上流側に含め、作動流体が熱回収ボイラー４０に入る前に予熱することができる。更に、廃熱回収システム１６は、新規の発電システム１０の一部として導入することができ、及び／又は既存の発電システム１０に後付けすることができる。例えば、幾つかの実施形態において、熱回収ボイラー４０を排気セクション２８内に配置した熱回収ボイラー４０を既存のガスタービン１２に後付けすることができる。
【００２３】
図１に示すように、熱回収ボイラー４０は、高温排気ガス３８の流路において直接排気セクション２８内に位置付けられる。排気ガスから廃熱回収システム１６に熱が直接的に伝達されることにより、中間ループを用いて排気ガスから廃熱回収システムに熱を間接的に伝達するシステムと比べると、廃熱回収システム１６の全体効率を向上させることができる。更に、２次ループが排除されることで、資本コスト及び／又は運用コストを低減することができる。しかしながら、有機作動流体が潜在的に可燃性であるため、システムの停止中、及び／又は作動流体が熱回収ボイラー４０から排気セクション２８に漏出可能になる場合がある熱回収ボイラー４０の漏出が生じたときに、排気ガス３８を排気セクション２８から取り除くことが望ましい場合がある。これに応じて、図２及び３は、排気セクション２８からの排気ガス３８を除去及び／又は希釈するのに利用できる不活性ガスパージシステムを描いている。
【００２４】
図２に示すように、排気ガス３８は、矢印６１で全体的に示されるように、開口５８を通過し、排気セクション２８の内部容積６０に流入することができる。熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の流路の内部容積６０内に位置付けることができる。熱回収ボイラー４０は、作動流体を循環させるフィン付き管体６２を含む。幾つかの実施形態によれば、フィン付き管体６２は、内部容積６０を通る排気ガス３８の流れにほぼ垂直に配置され、排気ガス３８からフィン付き管体６２内で循環する作動流体に熱を良好に伝達可能にすることができる。
【００２５】
排気ガス３８が熱回収ボイラー４０を通って流れた後、冷却排気ガス４２は、排気セクション２８から出て、入口６３を通ってスタック４４に流入することができる。上記で検討したように、フィン付き管体６２内で循環する作動流体は潜在的に可燃性であるため、フィン付き管体６２で漏出が生じたときには排気ガス３８を内部容積６０から取り除くことが望ましい場合がある。これに応じて、漏出発生時には、排気ガス３８を開口５８を通って内部容積６０に配向するのではなく、図３の矢印６５で全体的に示されるように、排気ガス３８は、開口６４を通ってバイパスダクト４６に流すように配向することができる。
【００２６】
バイパスダクト４６を通る排気ガス３８の流れを再配向するために、１つ又はそれ以上のバルブ６６のシステムを利用することができ、これらのバルブは、図２に示す廃熱回収位置と、図３に示すバイパス位置との間で切り替えることができる。バルブ６６は、一方の位置で流れを可能にし、他方の位置で流れを制限する２つの位置間で切り替えることが可能なあらゆるタイプの流れ配向、切り替え、及び／又は流量調整装置を含むことができる。幾つかの実施形態によれば、バルブ６６は、バッフル又はダンパーを含むことができるが、他の実施形態では、あらゆる好適なタイプのバルブを利用することができる。
【００２７】
廃熱回収位置では、バルブ６６は、図２に示すように、内部容積６０を通って排気ガス３８を配向するよう位置付けることができる。バイパス位置において、バルブ６６は、図３に示すように、バイパスダクトを通って排気ガス３８を配向するよう位置付けることができる。バルブ６６は図２及び３では単一バッフルとして示されているが、他の実施形態では、２つ又はそれ以上のバッフル及び／又はダンパーのシステムを利用して、内部容積６０とバイパスダクト４６との間で排気ガスの流れを切り替えることができる。
【００２８】
図２に示す廃熱回収モードでは、バルブ６６は、開口６４を覆って位置付けられて、排気ガス３８が開口５８を通って内部容積６０に流入可能にし、ここで排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を流れることができる。フラップ６９は、入口６３内で開放され、排気ガスが内部容積６０から入口６３を通じてスタック４４内に流入できるようにすることができる。更に、フラップ７１は、バイパスダクト４６内で閉鎖され、スタック４４からバイパスダクト４６への排気ガスの流れを妨げることができる。フラップ６９及び７１は、配管４３内、又はスタック入口６３及び６７内、或いはバイパスダクト４６及び排気セクション２８内に位置付けることができる。更に、幾つかの実施形態において、フラップ６９及び７１は省略することもできる。
【００２９】
図３に示すようなバイパスモードが有効にされるとバルブ６６は、開口５８を覆って位置付けられて、排気ガス３８が開口６４を通ってバイパスダクト６４に流入可能することができる。これに応じて、バイパスモードでは、排気ガス３８は、バイパスダクト６４を通り、入口６７を介してスタック４４内に流入することにより、熱回収ボイラー４０をバイパスすることができる。バイパスモードでは、フラップ７１が開放され、排気ガスがバイパスダクト６４から入口６７を介してスタック４４に流入できるようにすることができる。更に、フラップ６９は閉鎖され、スタック４４から入口６３を通って内部容積６０への排気ガスの流れを妨げることができる。
【００３０】
バイパスダクト４６は、熱回収ボイラー４０のフィン付き管体６２において漏出が検出されたときに利用することができる。これに応じて、１つ又はそれ以上のセンサ６８を利用して、フィン付き管体６２における漏出を検出することができる。例えば、作動流体が炭化水素流体である実施形態において、センサ６８は、内部容積６０から出る排気ガス中の炭化水素のレベルを測定することができる。炭化水素の増大レベルは、フィン付き管体６２内での漏出を示すことができる。別の実施例において、センサ６８は、紫外光を測定することなど、熱回収ボイラー４０内又はその周辺での火炎の存在を検出するよう設計することができる。火炎の存在は、フィン付き管体６２内での漏出を示すことができる。更に別の実施例において、複数の炭化水素センサ、複数の火炎検出センサ、又はこれらの組み合わせなどの複数のセンサ６８を利用することができる。更に、他の実施形態において、センサ６８は、排気ガス３８の組成を示す他のパラメータを測定するよう設計することができる。幾つかの実施形態によれば、センサ６８は、スタック４４への入口６３内に配置することができる。しかしながら、他の実施形態では、センサ６８は、内部容積６０内に位置付けてもよい。
【００３１】
センサ６８は、コントローラ７０に通信可能に結合することができ、該コントローラ７０を用いて、バルブ６６の位置を変えることができる。例えば、コントローラ７０は、フィン付き管体６２内に漏出が存在することを示すセンサ６８からの炭化水素レベルなどの入力を受けることができる。入力の受け取りに応じて、コントローラ７０は、バルブ６６に制御信号を送信し、図３に示すようにバルブを移動させて開口５８を閉鎖し、これにより排気ガス３８を開口６４に通してバイパスダクト４６に配向することができる。幾つかの実施形態によれば、コントローラ７０は、構成部品のなかでも特に、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインタフェースを含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、コントローラ７０によって電気的に制御されるのではなく、バルブ６６は、機械的及び／又は手動的に制御することができる。例えば、幾つかの実施形態において、コントローラ７０は、開口５８を閉鎖するために、例えばオペレータによってバルブ６６を移動させたことを示す、アラームのような出力を生成することができる。
【００３２】
コントローラ７０はまた、不活性ガス注入システム７２の動作を管理することができ、該システムを用いて、バルブ６６がバイパス位置に移動した後に、残留排気ガス３８を内部容積６０からパージすることができる。不活性ガス注入システム７２は、１つ又はそれ以上の高圧ガスシリンダのような、不活性ガスを不活性ガス注入システム７２に供給する不活性ガス供給源７４を含むことができる。本明細書で使用される用語「不活性ガス」は、主として、排気ガス中の酸素を希釈及び／又は移動させることによって、燃焼の抑制、爆発の阻止、又は火炎の消失に好適な何らかのガス又はガスの混合物を指すものとする。幾つかの実施形態によれば、不活性ガスは、窒素及び／又は二酸化炭素を含むことができる。
【００３３】
配管７６を用いて、不活性ガス供給源７４から内部容積６０に不活性ガスを配向することができる。バルブ７８は、タンク７４から内部容積６０への不活性ガスの流れを調節するため配管７６内に含めることができる。例えば、バルブ７８は、システムが廃熱回収モードで作動しているときに閉鎖され、不活性ガスが内部容積６０に流入するのを阻止することができ、システムがバイパスモードで作動しているときには、開放されて不活性ガスが内部容積６０に流入可能にすることができる。更に、幾つかの実施形態において、バルブ７８を利用して、内部容積６０に流入する不活性ガスの流量を増減することができる。１つのバルブ７８だけが図２及び３において示されているが、他の実施形態では、複数のバルブ７８のシステムを配管７６内に含めることができる。
【００３４】
コントローラ７０は、バルブ７８を通って不活性ガス注入システム７２の作動を管理することができる。幾つかの実施形態によれば、コントローラ７０は、漏出の検出に応答してバルブ７８を開放し、不活性ガスを内部容積６０に流入可能にすることができる。不活性ガスは、１つ又はそれ以上のノズル７９を通って内部容積に流入することができ、該ノズルは、不活性ガスを配管７６から内部容積６０内に注入することができる。幾つかの実施形態によれば、ノズル７９は、不活性ガスを比較的高い流量で内部容積６０に注入可能にすることができる。更に、ノズル７９は、内部容積６０の上部、下部、及び／又は側部に沿って、並びに排気ガス入口区域の周りに配置することができる。
【００３５】
不活性ガスが内部容積６０に入ると、不活性ガスは内部容積６０内の残留排気ガス３８を移動させ、該残留排気ガスが内部容積６０から流出して入口６３を通ってスタック４４に流入するようになる。従って、バイパスモードが有効にされると、フラップ６９は、一定の時間期間の間開放されたままになり、残留排気ガスが入口６３を通って内部容積６０から流出可能にすることができる。残留排気ガスが内部容積６０から流出した後、フラップ６９は、図３に示すように閉鎖され、スタック４４から入口６３を通って内部容積６０に流れる排気ガスの流れを阻止することができる。不活性ガスはまた、フィン付き管体６２及び内部容積６０を冷却し、これにより内部容積６０内の圧力及び温度を下げることができる。更に、不活性ガスは、内部容積６０内で酸素及び炭化水素蒸気を希釈し、これにより内部容積６０内に存在する何らかの火炎を消失させ、及び／又は排気セクション２８内の火炎及び／又は爆発を阻止することができる。
【００３６】
バルブ７８が開き、不活性ガスが内部容積６０に流入可能になった後、コントローラ７０は、熱回収ボイラー４０を通って作動流体を循環させるポンプ５８の作動を停止することができる。ポンプ５８が停止すると、作動流体は熱回収ボイラー４０から蒸発し、作動流体ループ５０内で収集することができる。これに応じて、追加の作動流体が熱回収ボイラー４０を通って内部容積６０に漏出するのを阻止することができる。
【００３７】
図３は、システムが排気ガス３８をバイパスダクト４６に通して配向するバイパスモードにあるときの排出セクションを描いている。図３に示すように、バルブ６６は、開口５８を覆って位置付けられて開口５８を閉鎖し、排気ガス３８が開口６４を通ってバイパスダクト４６に流入可能にする。これに応じて、流入する排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を収容する内部容積６０にではなく、バイパスダクト４６に配向されることになる。図２に示すように、単一のバルブ６６を移動させて開口５８を閉鎖し、開口６４を通って流すことを可能にすることができる。しかしながら、他の実施形態では、とりわけ、複数のバッフル又はダンパーなどの複数のバルブ６６のシステムを利用して、排気ガスが内部容積６０に流入する廃熱回収モードと、排気ガスがバイパスダクト４６に流入するバイパスモードとの間でシステムを切り換えることができる。
【００３８】
図４は、排気ガス３８の内部容積６０をパージするのに用いることができる方法８２を示すフローチャートである。方法８２は、熱回収ボイラー４０の漏出を検出する段階（ブロック８４）から始めることができる。例えば、図２に示すように、センサ６８は、炭化水素のレベルの増大及び／又は火炎の存在を検出することができる。センサ６８は、炭化水素のレベルを示す信号をコントローラ７０（図２）に提供することができる。次いで、コントローラ７０は、該レベルを予め定められた閾値又は変化率と比較して、漏出が存在するかどうかを判定することができる。他の実施形態では、センサ６８は、漏出が存在するかどうかを判定することができ、漏出を示す制御入力をコントローラ７０に提供することができる。
【００３９】
漏出の検出に応答して、コントローラ７０は、バルブをバイパス位置に設定することができる（ブロック８６）。例えば、図３に示すように、コントローラ７０は、バルブを切り換えて開口５８を閉鎖し、排気ガス３８を開口５４に通してバイパスダクト４６に配向することができる。別の実施形態では、２つ又はそれ以上のバッフルを用いることができ、これらの実施形態では、コントローラ７０は、１つのバッフルを移動させて開口５８を閉鎖することができ、別のバッフルを移動させて開口６４を開放させることができる。
【００４０】
バルブ６６をバイパス位置に設定した後、コントローラ７０は、パージガスを内部容積６０に注入することができる（ブロック８８）。例えば、コントローラ７０は、例えば、コントローラ７０は、バルブ７８を開放し、不活性ガスがノズル７９を通って内部容積６０に流入できるようにすることによって、不活性ガスパージシステムを起動することができる。次いで、不活性ガスは、残留排気ガス３８を内部容積６０から入口６３を通じてスタック４４に移動させることによって、残留排気ガス３８を内部容積６０からパージすることができる。図２に関して上述したように、不活性ガスはまた、内部容積６０内の温度を低下させ、これにより内部容積６０内に存在する可能性があるあらゆる火炎の発生を低減及び／又は消失させることができる。コントローラ７０はまた、熱回収ボイラー４０を通って作動流体を循環させるポンプ５６（図１）の作動を停止させる（ブロック９０）ことができる。ポンプを停止させることにより、更なる作動流体が熱回収ボイラー４０を通じて内部容積６０に流入するのを阻止することができる。
【００４１】
内部容積６０が排気ガス３８をパージした後、熱回収ボイラー４０内の何らかの漏出を修復する補修を行うことができる。例えば、フィン付き管体６２を補修又は交換することができる。補修が完了した後、図２に示すように、バルブ６６を廃熱回収位置にリセットすることができ、これにより流入排気ガス３８が再び内部容積６０に入ることが可能になる。
【００４２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４３】
１０：システム
１２：ガスタービンエンジン
１４：第１の負荷
１６：廃熱回収システム
１８：第２の負荷
２０：空気吸入セクション
２２：圧縮機
２４：燃焼器セクション
２６：タービン
２８：排気セクション
３０：シャフト
３２：空気
３４：加圧空気
３６：燃焼ガス
３８：排気ガス
４０：熱回収ボイラー
４２：冷却排気ガス
４３：配管
４４：スタック
４６：バイパスダクト
４８：バイパス 排気ガス
５０：作動流体ループ
５２：膨張器・発電機セット
５４：凝縮器
５６：ポンプ
５８：開口
６０：内部容積
６１：矢印
６２：フィン付き管体
６３：入口
６４：開口
６５：矢印
６６：バルブ
６７：入口
６８：センサ
６９：フラップ
７０：コントローラ
７２：入口ガス抽注入／パージシステム
７４：不活性ガス供給源
７６：パイプ
７８：バルブ
７９：ノズル
８０：噴射器
８２：方法
８４：ブロック
８６：ブロック
８８：ブロック
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ボイラーを利用した廃熱回収システムに関し、より具体的には、熱回収ボイラー用の不活性ガスパージシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
廃熱回収システムは、商工業用プロセス及び運転によりほぼ５００℃を下回る温度の熱など、低温熱を回収するのに利用することができる。例えば、廃熱回収システムは、ガスタービンにより生成された高温排出ガスからの低温熱を回収するのに利用することができる。有機作動流体を循環させることにより有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）を実施する廃熱回収システムは、有機作動流体の相変化エンタルピーが比較的低いことに起因して低温熱を回収する際に特に効率的にすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，１７４，７１６号公報
【発明の概要】
【０００４】
１つの実施形態において、システムは、エンジンの排気セクションの内部容積を通って流入する排気ガスを配向するよう構成された廃熱回収位置と、流入排気ガスをバイパスダクトに配向して内部容積内に配置された熱回収ボイラーをバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステムを含む。本システムはまた、不活性ガスを内部容積内に注入して内部容積から残留排気ガスを移動させるように構成された不活性ガスパージシステムを含む。
【０００５】
第２の実施形態において、システムは、エンジンの排気セクション内で排気ガスから直接熱を吸収し、有機作動流体を内部で加熱するよう構成された熱回収ボイラーと、有機作動流体を膨張するよう構成された膨張器と、膨張した有機作動流体を凝縮するよう構成された凝縮器と、凝縮された有機作動流体を熱回収ボイラーに配向するよう構成されたポンプと、熱回収ボイラーからの有機作動流体の漏出を検出するよう構成されたセンサと、漏出の検出に応答して、不活性ガスを排気ガスに注入するよう構成された不活性ガスパージシステムとを含む。
【０００６】
第３の実施形態において、方法は、熱回収ボイラーからエンジンの排気セクションの内部容積への有機作動流体の漏出を検出する段階と、漏出の検出に応答して、バルブをバイパス位置に設定し排気セクションの内部容積をバイパスするよう流入する排気ガスを配向させる段階と、漏出の検出に応答して、不活性ガスを内部容積に注入し、残留排気ガスを内部容積から移動させる段階と、を含む。
【０００７】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むと、より良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】廃熱回収システム内で不活性ガスパージシステムを利用できる発電システムの１つの実施形態の概略流れ図。
【図２】不活性ガスパージシステムの１つの実施形態を描いた、図１の廃熱回収システムの概略流れ図。
【図３】バイパスモードで作動している、図２の廃熱回収システムの概略流れ図。
【図４】熱回収ボイラーから排気ガスをパージする方法の１つの実施形態を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態を以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１０】
本発明の種々の実施形態の要素を導入するときに、数詞がないことは、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。
【００１１】
本開示は、熱回収ボイラー用に不活性ガスパージシステムを利用する廃熱回収システムに関する。廃熱回収システムは、炭化水素流体又は冷媒など、有機作動流体を用いた有利ランキンサイクル（ＯＲＣ）を実装することによって、ガスタービンなどのシステムから低温熱を回収することができる。オイルなどの中間流体を通じて有機作動流体に熱を伝達するのではなく、本システムは、ガスタービンの排気ガスから作動流体に直接熱を伝達する「直接式」熱回収ボイラーを利用することができる。幾つかの実施形態によれば、作動流体を循環する熱回収ボイラーは、ガスタービンの排気セクション内の排気ガスの経路に直接配置することができる。排気ガスと廃熱回収システムとの間で熱を伝達するために２次ループを用いるのではなく、排気ガスの経路内に直接熱回収ボイラーを配置することによって、廃熱回収システムの全体効率を高めると同時に、資本コスト及び／又は運用コストを低減することができる。
【００１２】
熱回収ボイラーの漏出が生じた場合にガスタービン排気セクション及び廃熱回収システムを保護するために、発電システムは、熱回収ボイラー用にパージシステムを利用することができる。幾つかの実施形態によれば、パージシステムは、熱回収ボイラーの漏出を検出したときに有効にすることができる。パージシステムは、排気ガスが熱回収ボイラーをバイパスするように排気ガスの流れを再配向することができる。更に、パージシステムは、不活性ガスを排気ガスダクトに注入し、残留排気ガスを排気ダクトからパージすることができる。不活性ガスはまた、熱回収ボイラーを冷却して何らかの漏出流体を希釈し、これにより排気ダクト内の火炎を消失及び／又は抑制することができる。
【００１３】
図１は、熱回収ボイラーパージシステムを利用できる発電システム１０の１つの実施形態を描いている。発電システム１０は、廃熱を発生するガスタービンエンジン１２のようなエンジンを含み、該廃熱は、廃熱回収システム１６により回収することができる。理解できるように、限定を意図するものではないが、廃熱を生成するエンジンの１つの実施例としてガスタービンエンジン１２が提供される。他の実施形態では、本明細書で説明される廃熱回収システムは、廃熱を発生する他のタイプのエンジンから熱を回収するのに利用することができる。例えば、他の実施形態では、廃熱回収システム１６は、往復式エンジン、又は廃熱を生成する他の好適なエンジンから熱を回収することができる。
【００１４】
図１に示すように、ガスタービンエンジン１２は、燃料（例えば、液体又はガス燃料）を燃焼させて第１の負荷１４を駆動する。発電システム１０はまた、ガスタービンから低温熱を回収して第２の負荷１８を駆動する廃熱回収システム１６を含む。幾つかの実施形態によれば、第１及び第２の負荷１４及び１８は、電力を発生するための発電機とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、発電システム１０により駆動される負荷のタイプは様々とすることができる。
【００１５】
ガスタービンエンジン１２は、吸気セクション２０、圧縮機２２、燃焼器セクション２４、タービン２６、及び排気セクション２８を含む。タービン２６は、シャフト３０を介して圧縮機２２に結合される。空気３２は、吸気セクション２０を通ってガスタービンエンジン１２に入り、圧縮機２２に流入することができ、ここで空気が加圧されて、燃焼器セクション２４に加圧空気３４を提供することができる。燃焼器セクション２４内では、加圧空気３４は、燃料の燃焼を向上させる燃空比で燃料と混合し、燃焼ガス３６を生成することができる。幾つかの実施形態によれば、燃焼器セクション２４は、シャフト３０の周りを環状に配置された複数の燃焼器を含むことができる。
【００１６】
燃焼器セクション２４から、高温燃焼ガス３６は、タービン２６を通って流れ、圧縮機２２を駆動し、及び／又はシャフト３０を介して第１の負荷１４を駆動することができる。例えば、燃焼ガス３６は、タービン２６内のタービンロータブレードに駆動力を加え、シャフト３０を回転させることができる。タービン２６を通って流れた後、高温燃焼ガスは、ガスタービンエンジン１２から排気ガス３８として流出し、該排気ガスは、排気セクション２８を通って流れ、ガスタービンエンジン１２から流出する。
【００１７】
排気ガス３８が排気セクション２８を通って流れると、排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を通って流れることができ、該熱回収ボイラーは、排気ガス３８から熱を吸収し、冷却された排気ガス４２を生成することができる。熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の流路に直接位置付けられ、該排気ガス３８が熱回収ボイラー４０を通って流れる作動流体に熱を直接伝達できるようにする。次いで、冷却された排気ガス４２は、排気セクション２８から流出し、配管４３を通ってスタック４４に配向することができ、ここでガスを大気に放出することができる。
【００１８】
図２に関して更に説明するように、排気セクション２８はまた、熱回収ボイラー４０を通過させることなく、排気ガス３８を排気セクション２８に流出させることを可能にするバイパスダクト４６を含むことができる。熱回収ボイラー４０からの可燃性有機作動流体を排気ガス３８に曝す可能性がある漏出を該熱回収ボイラー４０が生じた場合、バイパスダクト４６を利用して、排気ガス３８を排気セクション２８から除去することができる。バイパスモードが有効にされたときに、バイパスダクト４６を介して排気ガス３８を配向し、熱回収ボイラー４０をバイパスしたバイパス排気ガス４８として排気セクション２８から流出させることができる。図示のように、バイパス排気ガス４８及び冷却排気ガス４２の両方が同じスタック４４に配向することができる。しかしながら、バイパス排気ガス４８及び冷却排気ガス４２は、別個のスタックに配向されてもよい。
【００１９】
排気ガス３８が排気セクション２８の排気ガス経路内に配置された熱回収ボイラー４０を通って流れるときに、高温排出ガス３８は、作動流体ループ５０内で熱回収ボイラー４０を通って流れる作動流体に熱を伝達することができる。幾つかの実施形態によれば、熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の経路において直接的に作動流体ループ５０内で作動流体を循環させることを可能にするフィン及び管型熱交換器とすることができる。その結果、排気ガス３８は、オイルループなどの中間ループを介した熱伝達ではなく、廃熱回収システム１６内で循環する作動流体に直接熱を伝達することができる。
【００２０】
幾つかの実施形態によれば、廃熱回収システム１６は、作動流体ループ５０内で誘起作動流体を循環させ、排気ガス３８から排熱を回収することができる。炭化水素流体及び冷媒などの何れかの好適な有機作動流体を利用することができる。有機作動流体を利用することは、該有機作動流体の相変化エンタルピーが比較的低いことに起因して廃熱回収ループ５０に特に好適とすることができる。幾つかの実施形態によれば、有機作動流体は、水よりも高い蒸気圧及び低い臨界温度を有する高分子量の有機流体とすることができる。
【００２１】
作動流体が熱回収ボイラー４０を通って流れるときに、作動流体は、排気ガス３８から熱を吸収し、流体の全て又は相当な部分を液相から蒸気相に変化させるようにすることができる。次いで、加熱された作動流体は膨張器・発電機セット５２に流れることができ、ここで作動流体が膨張され、第２の負荷１８を駆動することができる。例えば、膨張器・発電機セット５２は、発電機に結合され、加熱作動流体の膨張により電気を生成することができる膨張器を含むことができる。膨張器・発電機セット５２から、作動流体は凝縮器５４に流れることができ、ここで作動流体を凝縮することができる。幾つかの実施形態によれば、凝縮器５４は、空冷式熱交換器とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、あらゆるタイプの凝縮器を利用することができる。
【００２２】
次いで、凝縮された作動流体はポンプ５８に流れることができ、ポンプ５８は、作動流体を熱回収ボイラー４０に戻してここでプロセスを再度始めることができる。他の実施形態では、バルブ、温度及び／又は圧力センサもしくはトランスデューサ、受信器、及び同様のものなどの追加機器を廃熱回収システム１６に含めることができる。例えば、幾つかの実施形態において、復熱装置又は予熱器を熱回収ボイラー４０から上流側に含め、作動流体が熱回収ボイラー４０に入る前に予熱することができる。更に、廃熱回収システム１６は、新規の発電システム１０の一部として導入することができ、及び／又は既存の発電システム１０に後付けすることができる。例えば、幾つかの実施形態において、熱回収ボイラー４０を排気セクション２８内に配置した熱回収ボイラー４０を既存のガスタービン１２に後付けすることができる。
【００２３】
図１に示すように、熱回収ボイラー４０は、高温排気ガス３８の流路において直接排気セクション２８内に位置付けられる。排気ガスから廃熱回収システム１６に熱が直接的に伝達されることにより、中間ループを用いて排気ガスから廃熱回収システムに熱を間接的に伝達するシステムと比べると、廃熱回収システム１６の全体効率を向上させることができる。更に、２次ループが排除されることで、資本コスト及び／又は運用コストを低減することができる。しかしながら、有機作動流体が潜在的に可燃性であるため、システムの停止中、及び／又は作動流体が熱回収ボイラー４０から排気セクション２８に漏出可能になる場合がある熱回収ボイラー４０の漏出が生じたときに、排気ガス３８を排気セクション２８から取り除くことが望ましい場合がある。これに応じて、図２及び３は、排気セクション２８からの排気ガス３８を除去及び／又は希釈するのに利用できる不活性ガスパージシステムを描いている。
【００２４】
図２に示すように、排気ガス３８は、矢印６１で全体的に示されるように、開口５８を通過し、排気セクション２８の内部容積６０に流入することができる。熱回収ボイラー４０は、排気ガス３８の流路の内部容積６０内に位置付けることができる。熱回収ボイラー４０は、作動流体を循環させるフィン付き管体６２を含む。幾つかの実施形態によれば、フィン付き管体６２は、内部容積６０を通る排気ガス３８の流れにほぼ垂直に配置され、排気ガス３８からフィン付き管体６２内で循環する作動流体に熱を良好に伝達可能にすることができる。
【００２５】
排気ガス３８が熱回収ボイラー４０を通って流れた後、冷却排気ガス４２は、排気セクション２８から出て、入口６３を通ってスタック４４に流入することができる。上記で検討したように、フィン付き管体６２内で循環する作動流体は潜在的に可燃性であるため、フィン付き管体６２で漏出が生じたときには排気ガス３８を内部容積６０から取り除くことが望ましい場合がある。これに応じて、漏出発生時には、排気ガス３８を開口５８を通って内部容積６０に配向するのではなく、図３の矢印６５で全体的に示されるように、排気ガス３８は、開口６４を通ってバイパスダクト４６に流すように配向することができる。
【００２６】
バイパスダクト４６を通る排気ガス３８の流れを再配向するために、１つ又はそれ以上のバルブ６６のシステムを利用することができ、これらのバルブは、図２に示す廃熱回収位置と、図３に示すバイパス位置との間で切り替えることができる。バルブ６６は、一方の位置で流れを可能にし、他方の位置で流れを制限する２つの位置間で切り替えることが可能なあらゆるタイプの流れ配向、切り替え、及び／又は流量調整装置を含むことができる。幾つかの実施形態によれば、バルブ６６は、バッフル又はダンパーを含むことができるが、他の実施形態では、あらゆる好適なタイプのバルブを利用することができる。
【００２７】
廃熱回収位置では、バルブ６６は、図２に示すように、内部容積６０を通って排気ガス３８を配向するよう位置付けることができる。バイパス位置において、バルブ６６は、図３に示すように、バイパスダクトを通って排気ガス３８を配向するよう位置付けることができる。バルブ６６は図２及び３では単一バッフルとして示されているが、他の実施形態では、２つ又はそれ以上のバッフル及び／又はダンパーのシステムを利用して、内部容積６０とバイパスダクト４６との間で排気ガスの流れを切り替えることができる。
【００２８】
図２に示す廃熱回収モードでは、バルブ６６は、開口６４を覆って位置付けられて、排気ガス３８が開口５８を通って内部容積６０に流入可能にし、ここで排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を流れることができる。フラップ６９は、入口６３内で開放され、排気ガスが内部容積６０から入口６３を通じてスタック４４内に流入できるようにすることができる。更に、フラップ７１は、バイパスダクト４６内で閉鎖され、スタック４４からバイパスダクト４６への排気ガスの流れを妨げることができる。フラップ６９及び７１は、配管４３内、又はスタック入口６３及び６７内、或いはバイパスダクト４６及び排気セクション２８内に位置付けることができる。更に、幾つかの実施形態において、フラップ６９及び７１は省略することもできる。
【００２９】
図３に示すようなバイパスモードが有効にされるとバルブ６６は、開口５８を覆って位置付けられて、排気ガス３８が開口６４を通ってバイパスダクト６４に流入可能することができる。これに応じて、バイパスモードでは、排気ガス３８は、バイパスダクト６４を通り、入口６７を介してスタック４４内に流入することにより、熱回収ボイラー４０をバイパスすることができる。バイパスモードでは、フラップ７１が開放され、排気ガスがバイパスダクト６４から入口６７を介してスタック４４に流入できるようにすることができる。更に、フラップ６９は閉鎖され、スタック４４から入口６３を通って内部容積６０への排気ガスの流れを妨げることができる。
【００３０】
バイパスダクト４６は、熱回収ボイラー４０のフィン付き管体６２において漏出が検出されたときに利用することができる。これに応じて、１つ又はそれ以上のセンサ６８を利用して、フィン付き管体６２における漏出を検出することができる。例えば、作動流体が炭化水素流体である実施形態において、センサ６８は、内部容積６０から出る排気ガス中の炭化水素のレベルを測定することができる。炭化水素の増大レベルは、フィン付き管体６２内での漏出を示すことができる。別の実施例において、センサ６８は、紫外光を測定することなど、熱回収ボイラー４０内又はその周辺での火炎の存在を検出するよう設計することができる。火炎の存在は、フィン付き管体６２内での漏出を示すことができる。更に別の実施例において、複数の炭化水素センサ、複数の火炎検出センサ、又はこれらの組み合わせなどの複数のセンサ６８を利用することができる。更に、他の実施形態において、センサ６８は、排気ガス３８の組成を示す他のパラメータを測定するよう設計することができる。幾つかの実施形態によれば、センサ６８は、スタック４４への入口６３内に配置することができる。しかしながら、他の実施形態では、センサ６８は、内部容積６０内に位置付けてもよい。
【００３１】
センサ６８は、コントローラ７０に通信可能に結合することができ、該コントローラ７０を用いて、バルブ６６の位置を変えることができる。例えば、コントローラ７０は、フィン付き管体６２内に漏出が存在することを示すセンサ６８からの炭化水素レベルなどの入力を受けることができる。入力の受け取りに応じて、コントローラ７０は、バルブ６６に制御信号を送信し、図３に示すようにバルブを移動させて開口５８を閉鎖し、これにより排気ガス３８を開口６４に通してバイパスダクト４６に配向することができる。幾つかの実施形態によれば、コントローラ７０は、構成部品のなかでも特に、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインタフェースを含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、コントローラ７０によって電気的に制御されるのではなく、バルブ６６は、機械的及び／又は手動的に制御することができる。例えば、幾つかの実施形態において、コントローラ７０は、開口５８を閉鎖するために、例えばオペレータによってバルブ６６を移動させたことを示す、アラームのような出力を生成することができる。
【００３２】
コントローラ７０はまた、不活性ガス注入システム７２の動作を管理することができ、該システムを用いて、バルブ６６がバイパス位置に移動した後に、残留排気ガス３８を内部容積６０からパージすることができる。不活性ガス注入システム７２は、１つ又はそれ以上の高圧ガスシリンダのような、不活性ガスを不活性ガス注入システム７２に供給する不活性ガス供給源７４を含むことができる。本明細書で使用される用語「不活性ガス」は、主として、排気ガス中の酸素を希釈及び／又は移動させることによって、燃焼の抑制、爆発の阻止、又は火炎の消失に好適な何らかのガス又はガスの混合物を指すものとする。幾つかの実施形態によれば、不活性ガスは、窒素及び／又は二酸化炭素を含むことができる。
【００３３】
配管７６を用いて、不活性ガス供給源７４から内部容積６０に不活性ガスを配向することができる。バルブ７８は、タンク７４から内部容積６０への不活性ガスの流れを調節するため配管７６内に含めることができる。例えば、バルブ７８は、システムが廃熱回収モードで作動しているときに閉鎖され、不活性ガスが内部容積６０に流入するのを阻止することができ、システムがバイパスモードで作動しているときには、開放されて不活性ガスが内部容積６０に流入可能にすることができる。更に、幾つかの実施形態において、バルブ７８を利用して、内部容積６０に流入する不活性ガスの流量を増減することができる。１つのバルブ７８だけが図２及び３において示されているが、他の実施形態では、複数のバルブ７８のシステムを配管７６内に含めることができる。
【００３４】
コントローラ７０は、バルブ７８を通って不活性ガス注入システム７２の作動を管理することができる。幾つかの実施形態によれば、コントローラ７０は、漏出の検出に応答してバルブ７８を開放し、不活性ガスを内部容積６０に流入可能にすることができる。不活性ガスは、１つ又はそれ以上のノズル７９を通って内部容積に流入することができ、該ノズルは、不活性ガスを配管７６から内部容積６０内に注入することができる。幾つかの実施形態によれば、ノズル７９は、不活性ガスを比較的高い流量で内部容積６０に注入可能にすることができる。更に、ノズル７９は、内部容積６０の上部、下部、及び／又は側部に沿って、並びに排気ガス入口区域の周りに配置することができる。
【００３５】
不活性ガスが内部容積６０に入ると、不活性ガスは内部容積６０内の残留排気ガス３８を移動させ、該残留排気ガスが内部容積６０から流出して入口６３を通ってスタック４４に流入するようになる。従って、バイパスモードが有効にされると、フラップ６９は、一定の時間期間の間開放されたままになり、残留排気ガスが入口６３を通って内部容積６０から流出可能にすることができる。残留排気ガスが内部容積６０から流出した後、フラップ６９は、図３に示すように閉鎖され、スタック４４から入口６３を通って内部容積６０に流れる排気ガスの流れを阻止することができる。不活性ガスはまた、フィン付き管体６２及び内部容積６０を冷却し、これにより内部容積６０内の圧力及び温度を下げることができる。更に、不活性ガスは、内部容積６０内で酸素及び炭化水素蒸気を希釈し、これにより内部容積６０内に存在する何らかの火炎を消失させ、及び／又は排気セクション２８内の火炎及び／又は爆発を阻止することができる。
【００３６】
バルブ７８が開き、不活性ガスが内部容積６０に流入可能になった後、コントローラ７０は、熱回収ボイラー４０を通って作動流体を循環させるポンプ５８の作動を停止することができる。ポンプ５８が停止すると、作動流体は熱回収ボイラー４０から蒸発し、作動流体ループ５０内で収集することができる。これに応じて、追加の作動流体が熱回収ボイラー４０を通って内部容積６０に漏出するのを阻止することができる。
【００３７】
図３は、システムが排気ガス３８をバイパスダクト４６に通して配向するバイパスモードにあるときの排出セクションを描いている。図３に示すように、バルブ６６は、開口５８を覆って位置付けられて開口５８を閉鎖し、排気ガス３８が開口６４を通ってバイパスダクト４６に流入可能にする。これに応じて、流入する排気ガス３８は、熱回収ボイラー４０を収容する内部容積６０にではなく、バイパスダクト４６に配向されることになる。図２に示すように、単一のバルブ６６を移動させて開口５８を閉鎖し、開口６４を通って流すことを可能にすることができる。しかしながら、他の実施形態では、とりわけ、複数のバッフル又はダンパーなどの複数のバルブ６６のシステムを利用して、排気ガスが内部容積６０に流入する廃熱回収モードと、排気ガスがバイパスダクト４６に流入するバイパスモードとの間でシステムを切り換えることができる。
【００３８】
図４は、排気ガス３８の内部容積６０をパージするのに用いることができる方法８２を示すフローチャートである。方法８２は、熱回収ボイラー４０の漏出を検出する段階（ブロック８４）から始めることができる。例えば、図２に示すように、センサ６８は、炭化水素のレベルの増大及び／又は火炎の存在を検出することができる。センサ６８は、炭化水素のレベルを示す信号をコントローラ７０（図２）に提供することができる。次いで、コントローラ７０は、該レベルを予め定められた閾値又は変化率と比較して、漏出が存在するかどうかを判定することができる。他の実施形態では、センサ６８は、漏出が存在するかどうかを判定することができ、漏出を示す制御入力をコントローラ７０に提供することができる。
【００３９】
漏出の検出に応答して、コントローラ７０は、バルブをバイパス位置に設定することができる（ブロック８６）。例えば、図３に示すように、コントローラ７０は、バルブを切り換えて開口５８を閉鎖し、排気ガス３８を開口５４に通してバイパスダクト４６に配向することができる。別の実施形態では、２つ又はそれ以上のバッフルを用いることができ、これらの実施形態では、コントローラ７０は、１つのバッフルを移動させて開口５８を閉鎖することができ、別のバッフルを移動させて開口６４を開放させることができる。
【００４０】
バルブ６６をバイパス位置に設定した後、コントローラ７０は、パージガスを内部容積６０に注入することができる（ブロック８８）。例えば、コントローラ７０は、例えば、コントローラ７０は、バルブ７８を開放し、不活性ガスがノズル７９を通って内部容積６０に流入できるようにすることによって、不活性ガスパージシステムを起動することができる。次いで、不活性ガスは、残留排気ガス３８を内部容積６０から入口６３を通じてスタック４４に移動させることによって、残留排気ガス３８を内部容積６０からパージすることができる。図２に関して上述したように、不活性ガスはまた、内部容積６０内の温度を低下させ、これにより内部容積６０内に存在する可能性があるあらゆる火炎の発生を低減及び／又は消失させることができる。コントローラ７０はまた、熱回収ボイラー４０を通って作動流体を循環させるポンプ５６（図１）の作動を停止させる（ブロック９０）ことができる。ポンプを停止させることにより、更なる作動流体が熱回収ボイラー４０を通じて内部容積６０に流入するのを阻止することができる。
【００４１】
内部容積６０が排気ガス３８をパージした後、熱回収ボイラー４０内の何らかの漏出を修復する補修を行うことができる。例えば、フィン付き管体６２を補修又は交換することができる。補修が完了した後、図２に示すように、バルブ６６を廃熱回収位置にリセットすることができ、これにより流入排気ガス３８が再び内部容積６０に入ることが可能になる。
【００４２】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４３】
１０：システム
１２：ガスタービンエンジン
１４：第１の負荷
１６：廃熱回収システム
１８：第２の負荷
２０：空気吸入セクション
２２：圧縮機
２４：燃焼器セクション
２６：タービン
２８：排気セクション
３０：シャフト
３２：空気
３４：加圧空気
３６：燃焼ガス
３８：排気ガス
４０：熱回収ボイラー
４２：冷却排気ガス
４３：配管
４４：スタック
４６：バイパスダクト
４８：バイパス 排気ガス
５０：作動流体ループ
５２：膨張器・発電機セット
５４：凝縮器
５６：ポンプ
５８：開口
６０：内部容積
６１：矢印
６２：フィン付き管体
６３：入口
６４：開口
６５：矢印
６６：バルブ
６７：入口
６８：センサ
６９：フラップ
７０：コントローラ
７２：入口ガス抽注入／パージシステム
７４：不活性ガス供給源
７６：パイプ
７８：バルブ
７９：ノズル
８０：噴射器
８２：方法
８４：ブロック
８６：ブロック
８８：ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）を通って流入する排気ガス（３８）を配向するよう構成された廃熱回収位置と、前記流入排気ガス（３８）をバイパスダクト（４６）に配向して前記内部容積（６０）内に配置された熱回収ボイラー（４０）をバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステム（６６）と、
不活性ガスを前記内部容積（６０）内に注入して前記内部容積（６０）から残留排気ガス（３８）を移動させるように構成された不活性ガスパージシステム（７２）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記不活性ガスパージシステム（７２）が、不活性ガス供給源（７４）から前記内部容積（６０）への不活性ガスの流れを選択的に有効及び無効にするよう構成された不活性ガスバルブシステム（７８）を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記不活性ガスパージシステム（７２）が、前記内部容積（６０）内に装着されて前記不活性ガスを前記内部容積（６０）内に注入するよう構成された流れノズル（７９）を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱回収ボイラー（４０）内の漏出の検出に応答して、前記バルブシステム（６６）をバイパス位置に移動させ、前記不活性ガスパージシステム（７２）を起動するよう構成されたコントローラ（７０）を備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記熱回収ボイラー（４０）内の漏出を検出するために、前記内部容積（６０）内のある量の有機作動流体を検出するよう構成されたセンサ（６８）を備える、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱回収ボイラー（４０）が、廃熱回収システム（１６）から有機作動流体を循環させるように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
熱回収ボイラー（４０）からエンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）への有機作動流体の漏出を検出する段階と、
前記漏出の検出に応答して、バルブ（６０）をバイパス位置に設定し、前記排気セクション（２８）の内部容積（６０）をバイパスするよう流入する排気ガス（３８）を配向させる段階と、
前記漏出の検出に応答して、不活性ガスを前記内部容積（６０）に注入し、残留排気ガス（３８）を前記内部容積（６０）から移動させる段階と、
を含む方法（８２）。
【請求項８】
前記漏出の検出段階が、前記内部容積（６０）から出る炭化水素のレベルの増大を検出する段階を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記バルブ（６０）をバイパス位置に設定する段階が、前記バルブ（６０）を移動させてバイパスダクト（４６）に対する入口（６４）を開放し、前記内部容積（６０）に対する入口（５８）を閉鎖する段階を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記漏出の検出に応答して、前記有機作動流体を熱回収ボイラー（４０）に通して循環させるポンプを停止させる段階（９０）を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項１】
エンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）を通って流入する排気ガス（３８）を配向するよう構成された廃熱回収位置と、前記流入排気ガス（３８）をバイパスダクト（４６）に配向して前記内部容積（６０）内に配置された熱回収ボイラー（４０）をバイパスするよう構成されたバイパス位置との間で切り替え可能なバルブシステム（６６）と、
不活性ガスを前記内部容積（６０）内に注入して前記内部容積（６０）から残留排気ガス（３８）を移動させるように構成された不活性ガスパージシステム（７２）と、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記不活性ガスパージシステム（７２）が、不活性ガス供給源（７４）から前記内部容積（６０）への不活性ガスの流れを選択的に有効及び無効にするよう構成された不活性ガスバルブシステム（７８）を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記不活性ガスパージシステム（７２）が、前記内部容積（６０）内に装着されて前記不活性ガスを前記内部容積（６０）内に注入するよう構成された流れノズル（７９）を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記熱回収ボイラー（４０）内の漏出の検出に応答して、前記バルブシステム（６６）をバイパス位置に移動させ、前記不活性ガスパージシステム（７２）を起動するよう構成されたコントローラ（７０）を備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記熱回収ボイラー（４０）内の漏出を検出するために、前記内部容積（６０）内のある量の有機作動流体を検出するよう構成されたセンサ（６８）を備える、
請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記熱回収ボイラー（４０）が、廃熱回収システム（１６）から有機作動流体を循環させるように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
熱回収ボイラー（４０）からエンジン（１２）の排気セクション（２８）の内部容積（６０）への有機作動流体の漏出を検出する段階と、
前記漏出の検出に応答して、バルブ（６０）をバイパス位置に設定し、前記排気セクション（２８）の内部容積（６０）をバイパスするよう流入する排気ガス（３８）を配向させる段階と、
前記漏出の検出に応答して、不活性ガスを前記内部容積（６０）に注入し、残留排気ガス（３８）を前記内部容積（６０）から移動させる段階と、
を含む方法（８２）。
【請求項８】
前記漏出の検出段階が、前記内部容積（６０）から出る炭化水素のレベルの増大を検出する段階を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記バルブ（６０）をバイパス位置に設定する段階が、前記バルブ（６０）を移動させてバイパスダクト（４６）に対する入口（６４）を開放し、前記内部容積（６０）に対する入口（５８）を閉鎖する段階を含む、
請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記漏出の検出に応答して、前記有機作動流体を熱回収ボイラー（４０）に通して循環させるポンプを停止させる段階（９０）を含む、
請求項７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１３４１０（Ｐ２０１２−１３４１０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１３１９（Ｐ２０１１−１４１３１９）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
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