特開 2024-12136 可変速再構成型ポンプ／タービンクラスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024012136

(43)【公開日】2024-01-25

(54)【発明の名称】可変速再構成型ポンプ／タービンクラスタ

(51)【国際特許分類】

   F04B 23/04 20060101AFI20240118BHJP

【ＦＩ】

F04B23/04

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023112239

(22)【出願日】2023-07-07

(31)【優先権主張番号】17/863,591

(32)【優先日】2022-07-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】523224589

【氏名又は名称】フローサーブ・プライベート リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＦＬＯＷＳＥＲＶＥ ＰＴＥ．ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス・ドリース

(72)【発明者】

【氏名】マーク・オサリバン

(72)【発明者】

【氏名】スコット・シー．・ジャッジ

(72)【発明者】

【氏名】グレゴリー・モリソン

【テーマコード（参考）】

3H071

【Ｆターム（参考）】

3H071AA01

3H071BB01

3H071BB03

3H071BB11

3H071CC11

3H071DD11

(57)【要約】      （修正有）

【課題】非常に広い使用条件（「ＣＯＳ」）範囲にわたって最適なエネルギ効率で動作する「水力回転装置」（「ＨＲＭ」）システムを提供する。
【解決手段】ＨＲＭは、プロセス流体が流入口から流出口まで流れる流路を構成および変更するために、コントローラによって作動されうる１または複数のバルブによって相互接続される。ＨＲＭのどれを流路に含めるのか、ＨＲＭの間の相互接続、および、ＨＲＭの動作速度をアクティブに選択することより、コントローラは、ＣＯＳが非常に広い範囲にわたって変動した時に、ＨＲＭクラスタが最適効率で動作し続けることを保証する。ＨＲＭは、互いに同一であってもよいし、設計が異なっていてもよい。ＨＲＭシステムは、グリーンエネルギの蓄積および回収のために実装されうる。コントローラは、さらに、クラスタおよび／または関連するプロセスの健全性を監視できる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

プロセスのプロセス流体を制御するよう構成されている水力回転装置（ＨＲＭ）システムであって、前記プロセス流体は、広く変化する使用条件（ＣＯＳ）を有し、前記ＨＲＭシステムは、
コントローラと、
可変動作速度を有する複数のＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタであって、前記ＨＲＭの各々は、ポンプ、タービン、または、ハイブリッドポンプ／タービンであり、前記ＨＲＭの前記動作速度は、前記コントローラによって制御され、
ＨＲＭ配管システムと、前記ＨＲＭは、前記プロセス流体が前記ＨＲＭ配管システムの流入口から前記ＨＲＭ配管システムの流出口まで流れることのできる流路を形成するために、前記ＨＲＭ配管システムによって相互接続され、
前記ＨＲＭ配管システムに含まれる複数のバルブと、前記コントローラは、前記流路に含められる前記ＨＲＭの選択と、前記選択された前記ＨＲＭが前記流路に含められる配列とを制御するために、前記バルブを作動させることが可能であり、
前記コントローラと協働する非一時的な媒体とを備え、前記非一時的な媒体は、命令を含み、前記命令は、前記コントローラによって実行された時、前記コントローラに、
前記プロセスの状態および前記プロセス流体の前記ＣＯＳの少なくとも一方に関する情報を受け取らせ、
前記情報に従って、前記プロセスの少なくとも１つの要件を連続的に満たしつつ、前記流路内の前記ＨＲＭが前記プロセス流体の前記広く変化するＣＯＳにわたって実質的に最適水力効率点で動作することを保証するように、前記ＨＲＭの前記動作速度と、前記流路内の前記ＨＲＭの前記選択および配列とを制御させる、ＨＲＭシステム。

【請求項2】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記複数のＨＲＭの中の全ての前記ＨＲＭが、互いに同一である、ＨＲＭシステム。

【請求項3】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記複数のＨＲＭは、ポンプおよびタービンを含み、前記複数のＨＲＭの中の前記ポンプはすべて、互いに同一であり、前記複数のＨＲＭの中の前記タービンはすべて、互いに同一である、ＨＲＭシステム。

【請求項4】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記コントローラは、前記流路内の前記ＨＲＭのペアの相互接続が、並列相互接続と直列相互接続との間で変更されるように、前記流路の前記構成を変更することができる、ＨＲＭシステム。

【請求項5】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記コントローラは、前記クラスタ内の前記ＨＲＭの内の４つの相互接続が、完全並列相互接続、直列並列相互接続、および、完全直列相互接続の間で変更されるように、前記流路の前記構成を変更することができる、ＨＲＭシステム。

【請求項6】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記プロセスは、エネルギ生成プロセスであり、前記ＨＲＭシステムは、前記プロセスが低エネルギ需要である時に前記プロセスの余剰エネルギ出力を蓄積し、前記プロセスが高エネルギ需要である時に前記蓄積済みのエネルギを回収して前記回収したエネルギを前記プロセスへ供給するよう構成されている、ＨＲＭシステム。

【請求項7】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記クラスタは、液体および気体の混合物であるプロセス流体への効率的な動作に向けて構成されている少なくとも１つのＨＲＭを備える、ＨＲＭシステム。

【請求項8】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記クラスタは、固体と混ざった液体であるプロセス流体への効率的な動作に向けて構成されている少なくとも１つのＨＲＭを備える、ＨＲＭシステム。

【請求項9】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記クラスタは、第１動作特性を有する第１ポンプと、前記第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２ポンプと、を備える、ＨＲＭシステム。

【請求項10】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記クラスタは、第１動作特性を有する第１タービンと、前記第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２タービンと、を備える、ＨＲＭシステム。

【請求項11】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記クラスタは、第１動作特性を有する第１ハイブリッドポンプ／タービンと、前記第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２ハイブリッドポンプ／タービンと、を備える、ＨＲＭシステム。

【請求項12】

請求項１に記載のＨＲＭシステムであって、前記コントローラによって受信される前記情報は、前記クラスタ内のＨＲＭの動作の健全性に関する情報を含み、前記命令は、前記コントローラによって実行された時、さらに、前記コントローラに前記ＨＲＭの故障までの時間を予測させる、ＨＲＭシステム。

【請求項13】

プロセスのプロセス流体を効率的に制御する方法であって、前記プロセス流体は、広く変化する使用条件（ＣＯＳ）を有し、前記方法は、
コントローラを提供し、
可変動作速度を有する複数のＨＲＭを提供し、前記ＨＲＭの各々は、ポンプ、タービン、または、ハイブリッドポンプ／タービンであり、
ＨＲＭクラスタを形成するためにＨＲＭ配管システムを介して前記ＨＲＭを相互接続し、前記ＨＲＭ配管システムは、複数のバルブを備え、
前記プロセス流体が前記ＨＲＭ配管システムの流入口から前記ＨＲＭ配管システムの流出口まで流れることのできる流路を構成するために、前記コントローラによって前記バルブを制御し、前記流路は、ＨＲＭ配列内に配列される前記クラスタの前記ＨＲＭの選択を含み、
前記プロセス流体を前記流路に流動させ、
前記プロセスの状態および前記プロセス流体の前記ＣＯＳの少なくとも一方に関する情報を前記コントローラによって受信し、
前記情報に従って、前記プロセスの少なくとも１つの要件を連続的に満たしつつ、前記流路内の前記ＨＲＭが前記プロセス流体の前記広く変化するＣＯＳにわたって実質的に最適水力効率点で動作することを保証するように、前記ＨＲＭの前記動作速度と、前記流路内の前記ＨＲＭの前記選択および配列とを前記コントローラによって制御すること、
を備える、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ポンプおよびタービンに関し、より具体的には、幅広い範囲の使用条件にわたって高い効率を維持することを求められるポンプおよびタービンに関する。

【背景技術】

【0002】

図１を参照すると、ポンプ１０２、タービン、および、ポンプ－タービンの組みあわせは、本明細書では一般に「水力回転機械」すなわち「ＨＲＭ」と呼ばれ、従来、固定回転速度で作動され、その回転速度は、駆動モータのタイプによっておよび／または電力供給網１００から引き出される電力１１０の周波数によって決定される。ＨＲＭは、それが作動されうる使用条件（「ＣＯＳ」）の範囲が比較的広いが、最適効率は、典型的には、ＣＯＳがＨＲＭの「最高効率点」すなわちＢＥＰにぴったり合った時にのみ実現され、ＢＥＰは、典型的には、条件の中でも特に、特定の範囲の流量、体積流量、流入口および流出口の圧力、流入口および流出口の温度、ならびに、時に、気体分率および固体／液体分率に関して規定される。

【0003】

プロセス１０８によって要求されるＣＯＳが、ＨＲＭのＢＥＰからあまりに逸脱している場合、ＨＲＭは、はるかに低い水力効率で動作する。また、ＨＲＭは、時々、軸受荷重および振動レベルなど結果として生じる力に起因して、ＣＯＳがＢＥＰから離れている時に摩耗の増大および動作寿命の短縮にさらされうる。さらに、かかる固定速度ＨＲＭの水圧出力１１２を制御する唯一の方法は、例えば、流量センサ１０６（さらなるエネルギ損失を招く）の測定値によって制御される、スロットルバルブ１０４を利用することである。

【0004】

より広いＣＯＳ範囲にわたってＨＲＭの効率を維持するための１つのアプローチは、可変速度で駆動されることができるＨＲＭを実装することである。可変速ＨＲＭの動作速度を変化させることにより、ＨＲＭのＢＥＰは、変化するＣＯＳと近いままであるようにシフトされることができ、それによって、ＨＲＭが適用されるプロセスの全体効率が最適化される。しかしながら、このアプローチは、非常に広いＣＯＳ範囲にわたって効率的な動作を必要とする一部の応用例にとってはまだ不十分でありうる。

【0005】

グリーンエネルギの蓄積および回収のための技術は、特に広いＣＯＳ範囲にわたるＨＲＭの動作を必要としうる。ＨＲＭは、典型的には、エネルギの蓄積（ポンピングモード）およびエネルギの回収（タービンモード）の両方のために、これらの技術で用いられる。例えば、低エネルギ需要時に低い所のリザーバから高い所のリザーバへ水をくみ上げるために、余剰エネルギを利用可能であり、その後、高エネルギ需要時に高い所のリザーバから低い所のリザーバへ水が流れることを許容された時に、タービンが、エネルギを回収するために利用されうる。

【0006】

同様に、ＨＲＭは、余剰エネルギを利用可能な時に、貯蔵コンテナ内のガスを加圧および／または液化するために利用されることができ、その後、貯蔵されたガスは、タービンを動作させるために利用できるように、高エネルギ需要時に気化および／または膨張することを許容されうる。例えば、エネルギは、貯蔵タンク内で二酸化炭素を超臨界液体状態に圧縮することによって蓄積されることができ、その後、二酸化炭素を気化させて、結果として得られるガスをタービンに通すことで、蓄えられたエネルギが回収される。

【0007】

別の例として、ＨＲＭは、蓄熱媒体を加熱または冷却することによってエネルギを蓄積するヒートポンプサイクルを駆動するために利用可能である。それぞれの場合において、別個のポンプおよびタービンを実装することが可能であり、もしくは、デュアルモードポンプ／タービンＨＲＭを用いて、エネルギ蓄積システムのエネルギ蓄積サイクルおよびエネルギ回収サイクルの両方の要件を満たすこともできる。

【0008】

かかるシステムにおけるエネルギ蓄積およびその後のエネルギ回収の全サイクルは、「ラウンドトリップ」と呼ばれ、ラウンドトリップの効率は、「ラウンドトリップ効率」すなわち「ＲＴＥ」と呼ばれている。ＲＴＥは、エネルギ蓄積プロセスによって回収できるエネルギを、同じエネルギを蓄積するのに必要とされたエネルギで割った割合として定義されている。例えば、１００ＭＷＨを用いてエネルギを蓄積し、蓄積されたエネルギから利用可能なエネルギとして８０ＭＷｈを回収できる場合、ＲＴＥは、８０ＭＷｈ／１００ＭＷｈ×１００％＝８０％である。ＲＴＥの最適化は、広いＣＯＳ範囲にわたるＨＲＭの動作を必要とするグリーンエネルギシステムなど、任意の所与のエネルギ蓄積／回収プロセスの経済性にとって極めて重要である。

【0009】

したがって、非常に広いＣＯＳ範囲にわたって最適な水力エネルギ効率を提供できるＨＲＭソリューションが求められている。

【発明の概要】

【0010】

本発明は、非常に広い使用条件（「ＣＯＳ」）範囲にわたって最適な水力エネルギ効率を提供できる「水力回転機械」（「ＨＲＭ」）システムである。エネルギ蓄積の実施形態において、本発明は、エネルギの蓄積および回収の最大ラウンドトリップ効率（「ＲＴＥ」）を提供する。

【0011】

本発明は、ＨＲＭコントローラによって独立制御される動作速度を有する複数の（すなわち、「クラスタ」の）可変速ＨＲＭを備える。クラスタ内のＨＲＭは、流入口と、流出口と、クラスタ内のＨＲＭの内の１または複数を介して流入口から流出口へプロセス流体が流れる流路を構成するためにＨＲＭコントローラによって作動されうる１または複数のバルブとを備えているＨＲＭ配管システムによって、互いに相互接続されている。流路に含めるＨＲＭ、ＨＲＭの間の相互接続、および、ＨＲＭの動作速度をアクティブに選択することより、ＨＲＭコントローラは、ＣＯＳが非常に広い範囲にわたって変動した時に、ＨＲＭクラスタが最適効率で動作し続けることを保証できる。

【0012】

以下は、２つの同一の可変速ポンプを備えている仮定のＨＲＭクラスタに向けた非常に簡単な例であり、ＨＲＭクラスタは、貯蔵コンテナ内にガスを圧縮することによって、グリーンエネルギ源の過剰な容量に由来するエネルギを蓄積するために用いられる。この例において、ポンプの各々の動作速度は、ポンプを通した体積流量が３０～５０立方フィート／分（ｃｆｍ）であり、出力圧力が入力圧力よりも０～４０ｐｓｉ高い時に、最適効率を維持するように、変更されうる。プロセスが始まると、ＨＲＭコントローラは、３０～５０ｃｆｍで貯蔵コンテナにガスを送るために一方のポンプを迂回して他方のポンプの速度を調整するか、もしくは、６０～１００ｃｆｍの流量で貯蔵コンテナにガスを送るために２つのポンプを並列に接続するオプションを有する。これら２つのオプションの間の選択は、例えば、グリーンエネルギシステムから現在利用可能な余剰エネルギの量に依存しうる。

【0013】

貯蔵コンテナ内の圧力が４０ｐｓｉに到達すると、ＨＲＭコントローラは、ポンプを直列構成へ再構成し、ポンプが各々、ポンプあたり２０ｐｓｉの圧力差で３０～５０ｃｆｍで効率的にポンピングするように動作速度を調整する。貯蔵コンテナ内の圧力が４０ｐｓｉを超え続けると、２つのポンプの動作速度が、最適エネルギ効率を維持するために変更される。この直列構成において、ポンプの動作速度を制御することにより、ＨＲＭクラスタの最適水力効率が、ポンプあたり４０ｐｓｉの最大値（すなわち、合計８０ｐｓｉ）に維持されうる。

【0014】

このアプローチは、必要に応じて、３以上のポンプのクラスタに拡張可能である。例えば、上述のように４つの同一ポンプを含むクラスタが、４０ｐｓｉまでのコンテナ圧力に対して完全に並列に、４０から８０ｐｓｉに対しては直列／並列配列に、そして、８０から１６０ｐｓｉに対してはすべて直列になるように、ＨＲＭコントローラによって構成されてもよく、ここで、ＨＲＭの動作速度は、ポンプの各々がこの範囲全体にわたってＢＥＰでまたはその付近で動作するように、必要に応じて調整される。同じように、このアプローチは、ポンプ、タービン、および／または、ハイブリッドポンプ／タービンＨＲＭ（「ハイブリッド」ＨＲＭ）の任意の組みあわせを含むクラスタに拡張可能である。

【0015】

いくつかの実施形態において、クラスタは、１タイプのみのＨＲＭ、例えば、流体のポンピングにのみ利用されるクラスタのための１タイプのポンプ、タービン発電エネルギの生成にのみ利用されるクラスタのための１タイプのみのタービン、もしくは、流体のポンピングおよびタービン発電エネルギの生成の両方に利用されるクラスタのための１タイプのみのハイブリッドＨＲＭ、を含む。同様の実施形態において、クラスタは、限定された範囲のＨＲＭタイプ（複数の同一のポンプおよび複数の同一のタービンなど）を含む。

【0016】

クラスタに含まれる異なるタイプのＨＲＭのタイプ数を制限すれば、クラスタ内の故障ユニットを素早く交換することを可能にするために必要な「予備の」ＨＲＭの在庫が比較的少なくて済むので、クラスタのサポートおよびメンテナンスを単純化することができ、コストが削減される。また、このアプローチは、在庫からクラスタへさらなるＨＲＭを単に追加すると共に、対応する拡張をＨＲＭ配管システムおよびコントローラに施すことで、必要に応じてクラスタを容易に拡張することを可能にし、それにより、クラスタをプロセスの要件の変更へ容易に適合させることを可能にする。

【0017】

他の実施形態は、異なるＢＥＰを有する複数の異なるタイプのポンプ、タービン、および／または、ハイブリッドＨＲＭと、異なる気体分率および／または固体／液体比を許容しうるＨＲＭと、を備えているＨＲＭクラスタを含む。このアプローチは、クラスタが広い範囲のＣＯＳにわたって最適なエネルギ効率を維持することを可能にするために必要とされるＨＲＭの数を削減しうる。例えば、プロセス流体は、通常は液体であるが、時に気体および／または固体も含む場合に、ＨＲＭクラスタは、純粋な液体をポンピングするために最適化された少なくとも１つのポンプと、液体と混ざった気体および／または固体を含むハイブリッド流体をポンピングするために最適化された別のポンプと、を備えてもよい。

【0018】

本発明によると、ＨＲＭコントローラは、１または複数の情報源から受信した情報に基づいて、ＨＲＭの動作速度および相互接続を調整する。情報は、例えば、グリーンエネルギ源（ソーラーパネルまたは風力タービンなど）の任意の所与の時点でのエネルギ状態、すなわち、どれだけの余剰エネルギが蓄積に利用可能であるのか、または、どれだけの以前に蓄積されたエネルギが現在必要とされているのか、を含みうる。情報は、さらに、クラスタ内でポンプによって消費されおよび／またはタービンによって生成されるエネルギに関する検知情報と、特に、圧力、体積流量、質量流量、測地流体レベル、静的および動的流体レベル、静的および動的流体エネルギ、流体温度、流体密度、流体相（気相、液化相、超臨界相、固化相）、流体に存在する固体および／または懸濁液の量、気体分率、ならびに／もしくは、固体／液体比など、様々なプロセス流体パラメータと、を含みうる。

【0019】

ＨＲＭコントローラは、クラスタ内のどのＨＲＭを流路に含めるべきか、それらをどのように相互接続すべきか、および、ＨＲＭの各々をどの速度で動作させるべきか、を決定するために、これらの入力にプロセス依存アルゴリズムを適用し、それにより、使用条件が広い範囲にわたって変化した時に流路内のＨＲＭの各々が「最高効率点」（ＢＥＰ）でまたはその付近で動作し続けることを保証する。

【0020】

実施形態において、ＨＲＭコントローラは、さらに、例えば、ベアリング温度、ノイズレベル、振動、摩耗率、および、構成要素の歪みを監視することによって、クラスタ内のＨＲＭの健全性を監視する。それにより、ＨＲＭコントローラは、ＨＲＭの故障が近く、修理または交換すべきであることを予測できる。同様に、様々な実施形態において、ＨＲＭコントローラは、ＨＲＭクラスタが関連するプロセス全体の健全性を監視し、例えば、プロセス内の様々な点で圧力、温度、および／または、流量の監視することによって、リークおよびその他の問題を検出する。

【0021】

本発明の１つの一般的な態様は、プロセスのプロセス流体を制御するよう構成されている水力回転装置（ＨＲＭ）システムであり、プロセス流体は、広く変化する使用条件（ＣＯＳ）を有する。ＨＲＭシステムは、コントローラと、可変動作速度を有する複数のＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタであって、ＨＲＭの各々は、ポンプ、タービン、または、ハイブリッドポンプ／タービンであり、ＨＲＭの動作速度は、コントローラによって制御される、ＨＲＭクラスタと、ＨＲＭ配管システムであって、ＨＲＭは、プロセス流体がＨＲＭ配管システムの流入口からＨＲＭ配管システムの流出口まで流れることのできる流路を形成するために、ＨＲＭ配管システムによって相互接続される、ＨＲＭ配管システムと、ＨＲＭ配管システムに含まれる複数のバルブであって、コントローラは、流路に含められるＨＲＭの選択と、選択されたＨＲＭが流路に含められる配列とを制御するために、バルブを作動させることができる、複数のバルブと、コントローラと協働する非一時的な媒体と、を備える。

【0022】

非一時的な媒体は、命令を含み、命令は、コントローラによって実行された時、コントローラに、プロセスの状態およびプロセス流体のＣＯＳの少なくとも一方に関する情報を受け取らせ、その情報に従って、プロセスの少なくとも１つの要件を連続的に満たしつつ、流路内のＨＲＭがプロセス流体の広く変化するＣＯＳにわたって実質的に最適水力効率点で動作することを保証するように、ＨＲＭの動作速度と、流路内のＨＲＭの選択および配列とを制御させる。

【0023】

複数の実施形態において、複数のＨＲＭの中のＨＲＭすべてが、互いに同一である。

【0024】

上述の実施形態において、複数のＨＲＭは、ポンプおよびタービンを含んでもよく、複数のＨＲＭの中のポンプはすべて、互いに同一であり、複数のＨＲＭの中のタービンはすべて、互いに同一である。

【0025】

上述の実施形態のいずれかにおいて、コントローラは、流路内のＨＲＭのペアの相互接続が、並列相互接続と直列相互接続との間で変更されるように、流路の構成を変更することができてもよい。

【0026】

上述の実施形態のいずれかにおいて、コントローラは、クラスタ内のＨＲＭの内の４つの相互接続が、完全並列相互接続、直列並列相互接続、および、完全直列相互接続の間で変更されるように、流路の構成を変更することができてもよい。

【0027】

上述の実施形態のいずれかにおいて、プロセスは、エネルギ生成プロセスであってよく、ＨＲＭシステムは、プロセスが低エネルギ需要である時にプロセスの余剰エネルギ出力を蓄積し、プロセスが高エネルギ需要である時に蓄積済みのエネルギを回収して回収したエネルギをプロセスへ供給するよう構成されていてもよい。

【0028】

上述の実施形態のいずれかにおいて、クラスタは、液体および気体の混合物であるプロセス流体への効率的な動作に向けて構成されている少なくとも１つのＨＲＭを備えてもよい。

【0029】

上述の実施形態のいずれかにおいて、クラスタは、固体と混ざった液体であるプロセス流体への効率的な動作に向けて構成されている少なくとも１つのＨＲＭを備えてもよい。

【0030】

上述の実施形態のいずれかにおいて、クラスタは、第１動作特性を有する第１ポンプと、第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２ポンプと、を備えてもよい。

【0031】

上述の実施形態のいずれかにおいて、クラスタは、第１動作特性を有する第１タービンと、第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２タービンと、を備える。

【0032】

上述の実施形態のいずれかにおいて、クラスタは、第１動作特性を有する第１ハイブリッドポンプ／タービンと、第１動作特性とは異なる第２動作特性を有する第２ハイブリッドポンプ／タービンと、を備えてもよい。

【0033】

上述の実施形態のいずれかにおいて、コントローラによって受信される情報は、クラスタ内のＨＲＭの動作の健全性に関する情報を含んでもよく、命令は、コントローラによって実行された時、さらに、コントローラにＨＲＭの故障までの時間を予測させる。

【0034】

本発明の第２の一般的な態様は、プロセスのプロセス流体を効率的に制御する方法であり、プロセス流体は、広く変化する使用条件（ＣＯＳ）を有する。方法は、コントローラを提供し、可変動作速度を有する複数のＨＲＭを提供し、ＨＲＭの各々は、ポンプ、タービン、または、ハイブリッドポンプ／タービンであり、ＨＲＭクラスタを形成するためにＨＲＭ配管システムを介してＨＲＭを相互接続し、ＨＲＭ配管システムは、複数のバルブを備え、プロセス流体がＨＲＭ配管システムの流入口からＨＲＭ配管システムの流出口まで流れることのできる流路を構成するために、コントローラによってバルブを制御し、流路は、ＨＲＭ配列内に配列されるクラスタのＨＲＭの選択を含み、プロセス流体を流路に流動させ、プロセスの状態およびプロセス流体のＣＯＳの少なくとも一方に関する情報をコントローラによって受信し、その情報に従って、プロセスの少なくとも１つの要件を連続的に満たしつつ、流路内のＨＲＭがプロセス流体の広く変化するＣＯＳにわたって実質的に最適水力効率点で動作することを保証するように、ＨＲＭの動作速度と、流路内のＨＲＭの選択および配列とをコントローラによって制御すること、を備える。

【0035】

本明細書に記載の特徴および利点は、包括的ではなく、特に、図面、明細書、および、特許請求の範囲を考慮すれば、多くのさらなる特徴および利点が当業者にとって明らかになる。さらに、本明細書で用いられている用語は、主に読みやすさおよび指導的な目的で選択されたものであり、本発明の主題の範囲を限定しないことに注意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】従来技術の一例においてＨＲＭによるプロセス流体の制御を示す図。

【0037】

【図2】ＨＲＭクラスタが、グリーンエネルギシステムを支援して、エネルギを蓄積した後に回収する本発明の一実施形態を示す図。

【0038】

【図3A】本発明の一実施形態に従って、ＨＲＭ配管システムによって並列に接続された２つのＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタを示す図。

【0039】

【図3B】ＨＲＭ配管システムによって直列に接続された２つのＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタを示す図。

【0040】

【図4A】本発明の一実施形態に従って、ＨＲＭ配管システムによって並列に接続された４つのＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタを示すブロック図。

【0041】

【図4B】流路がクラスタを通る様子を示す図４Ａのクラスタの簡略なブロック図。

【0042】

【図4C】本発明の一実施形態に従って、ＨＲＭ配管システムによって直列－並列配列に接続された４つのＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタを示すブロック図。

【0043】

【図4D】流路がクラスタを通る様子を示す図４Ｃのクラスタの簡略なブロック図。

【0044】

【図4E】本発明の一実施形態に従って、ＨＲＭ配管システムによって直列に接続された４つのＨＲＭを備えているＨＲＭクラスタを示すブロック図。

【0045】

【図4F】流路がクラスタを通る様子を示す図４Ｅのクラスタの簡略なブロック図。

【0046】

【図5】コントローラと、ＨＲＭクラスタ、プロセス、および、グリーンエネルギシステムとの間の情報のやり取りを示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0047】

本発明は、非常に広い使用条件（「ＣＯＳ」）範囲にわたって高いエネルギ効率を提供できる「水力回転機械」（「ＨＲＭ」）システムである。エネルギ蓄積の実施形態において、本発明は、エネルギの蓄積および回収の最大ラウンドトリップ効率（「ＲＴＥ」）を提供する。

【0048】

図２および図３Ａを参照すると、本発明は、ＨＲＭコントローラ２００によって独立制御２０６される動作速度を有する複数の（すなわち、「クラスタ」２１２の）可変速ＨＲＭ１０２、２０２を備える。クラスタ２１２内のＨＲＭ１０２、２０２は、流入口３００と、流出口３０２と、クラスタ２１２内のＨＲＭ１０２、２０２の内の１または複数を介して流入口３００から流出口３０２へプロセス流体が流れる流路３０６を構成するためにＨＲＭコントローラ２００によって作動されうる１または複数のバルブ１０４とを備えているＨＲＭ配管システム２０４によって、互いに相互接続されている。ＨＲＭ１０２、２０２のどれを流路３０６に含めるのか、ＨＲＭの間の相互接続、および、ＨＲＭの動作速度をアクティブに選択することより、ＨＲＭコントローラ２００は、ＣＯＳが非常に広い範囲にわたって変動した時に、ＨＲＭクラスタ２１２が最適効率で動作し続けることを保証できる。

【0049】

図３Ａ～図３Ｂは、２つの同一の可変速ポンプ１０２ａ、１０２ｂを備えている仮定のＨＲＭクラスタ２１２の非常に簡単な例を示しており、ここで、ＨＲＭクラスタ２１２は、ポンプで水を貯蔵コンプレッサに送り込むことで、貯蔵コンテナ（図示せず）内に含まれるガスを圧縮することによって、グリーンエネルギ源の過剰な容量に由来するエネルギを蓄積するために用いられる。この仮定の例において、ポンプ１０２ａ、１０２ｂの各々の動作速度は、ポンプ１０２ａ、１０２ｂを通した体積流量が３０～５０立方フィート／分（ｃｆｍ）であり、出力圧力が入力圧力よりも０～４０ｐｓｉ高い時に、最適水力効率を維持するように、変更されうる。プロセスが始まると、ＨＲＭコントローラ２００は、３０～５０ｃｆｍで貯蔵コンテナにガスを送るために、一方のポンプ１０２ｂを迂回して他方のポンプ１０２ａの速度を調整するオプションを有する。図３Ａは、他の可能性を示しており、その場合、６０～１００ｃｆｍの流量で貯蔵コンテナにガスを送るために、バルブ１０４によって２つのポンプ１０２ａ、１０２ｂを並列構成で相互接続させる。これら２つのオプションの間の選択は、例えば、グリーンエネルギシステムから現在利用可能な余剰エネルギの量に依存しうる。

【0050】

図３Ｂを参照すると、貯蔵コンテナ内の圧力が４０ｐｓｉに到達すると、ＨＲＭコントローラは、バルブ１０４によってポンプ１０２ａ、１０２ｂを直列構成へ再構成させ、ポンプが各々、ポンプあたり２０ｐｓｉの圧力差で３０～５０ｃｆｍでポンピングするように動作速度を調整する。貯蔵コンテナ内の圧力が４０ｐｓｉを超え続けると、２つのポンプ１０２ａ、１０２ｂの動作速度が、最適エネルギ効率を維持するために変更される。図３Ｂの直列構成において、ポンプの動作速度を制御することにより、ＨＲＭクラスタ２１２の最適効率が、ポンプあたり４０ｐｓｉの最大値（すなわち、合計８０ｐｓｉ）に維持されうる。

【0051】

このアプローチは、必要に応じて、さらに広いＣＯＳ範囲を網羅するために、３以上のポンプのクラスタに拡張可能である。例えば、図４Ａ～図４Ｂを参照すると、上述したように４つの同一ポンプ１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ（集合的に、１０２）を含むクラスタ２１２が、図４Ａによって示すように、４０ｐｓｉまでのコンテナ圧力に対して完全に並列になるよう、ＨＲＭコントローラ２００によって構成されてもよい。この構成のための流路は、図４Ｂによって示されている。圧力差が４０から８０ｐｓｉまで変化すると、コントローラ２００は、図４Ｃに示すように、ＨＲＭ配管システム内のバルブ１０４によってポンプ１０２を直列／並列配列へ再構成させることができる。この構成のための流路２０４は、図４Ｄに示されている。圧力差が８０ｐｓｉを超えると、コントローラ２００は、ポンプ２００がすべて直列になるようにポンプ２００を構成することができ、それにより、クラスタ２１２が８０から１６０ｐｓｉまでの圧力差に対する最適効率で動作し続けることを可能にする。この簡単な例によると、ポンプの動作速度およびポンプ間の相互接続の両方を変更することにより、コントローラ２００は、ポンプの各々がこの範囲全体にわたってＢＥＰでまたはその付近で動作し続けることを保証できる。同じように、このアプローチは、ポンプ、タービン、および／または、ハイブリッドポンプ／タービンＨＲＭ（「ハイブリッド」ＨＲＭ）の任意の組みあわせを含むクラスタに拡張可能である。

【0052】

いくつかの実施形態において、クラスタ２１２は、１タイプのみのＨＲＭ、例えば、流体のポンピングにのみ利用されるクラスタのための１タイプのポンプ１０２、タービン発電エネルギの生成にのみ利用されるクラスタのための１タイプのみのタービン２０２、もしくは、流体のポンピングおよびタービン発電エネルギの生成の両方に利用されるクラスタのための１タイプのみのハイブリッドＨＲＭ、を含む。同様の実施形態において、クラスタ２１２は、限定された範囲のＨＲＭタイプ（複数の同一のポンプ１０２および複数の同一のタービン２０２など）を含む。

【0053】

クラスタ２１２に含まれる異なるタイプのＨＲＭのタイプ数を制限すれば、クラスタ２１２内の故障ユニットを素早く交換することを可能にするために必要な「予備の」ＨＲＭの在庫が比較的少なくて済むので、クラスタ２１２のサポートおよびメンテナンスを単純化することができ、コストが削減される。また、このモジュールアプローチは、ＨＲＭ配管システム２０４およびコントローラ２００の適切な拡張と共に、在庫からクラスタ２１２へさらなるＨＲＭを単に追加することで、必要に応じてクラスタ２１２を容易に拡張することを可能にし、それにより、クラスタ２１２をプロセスの要件の変更へ容易に適合させることを可能にする。

【0054】

他の実施形態は、異なるＢＥＰを有する複数の異なるタイプのポンプ１０２、タービン２０２、および／または、ハイブリッドＨＲＭと、異なる気体分率および／または固体／液体比を許容しうるＨＲＭと、を備えているクラスタを含む。このアプローチは、クラスタ２１２が広い範囲のＣＯＳにわたって最適なエネルギ効率を維持することを可能にするために必要とされるＨＲＭの数を削減しうる。例えば、プロセス流体は、通常は液体であるが、時に気体および／または固体も含む場合に、ＨＲＭクラスタ２１２は、純粋な液体をポンピングするために最適化された少なくとも１つのポンプ１０２と、液体と混ざった気体および／または固体を含むハイブリッド流体をポンピングするために最適化された別のポンプ１０２と、を備えてもよい。

【0055】

図５を参照すると、ＨＲＭコントローラ２００は、１または複数の情報源から受信した情報に基づいて、ＨＲＭの動作速度および相互接続を調整する。情報は、例えば、グリーンエネルギ源（ソーラーパネルまたは風力タービン５００など）の任意の所与の時点でのエネルギ状態、すなわち、どれだけの余剰エネルギが蓄積に利用可能であるのか、または、どれだけの以前に蓄積されたエネルギが現在必要とされているのか、を含みうる。情報は、さらに、クラスタ２１２内でポンプ１０２によって消費２１４されおよび／またはタービン２０２によって生成２１０されるエネルギに関する検知情報と、特に、圧力、流量、質量流量、測地流体レベル、静的および動的流体レベル、静的および動的流体エネルギ、流体温度、流体密度、流体相（気相、液化相、超臨界相、固化相）、プロセス流体に存在する固体および／または懸濁液の量、気体分率、ならびに／もしくは、固体／液体比など、プロセス１０８の状態に関する情報と、を含みうる。

【0056】

ＨＲＭコントローラは、クラスタ２１２内のどのＨＲＭを流路に含めるべきか、それらをどのように相互接続すべきか、および、ＨＲＭの各々をどの速度で動作させるべきか、を決定するために、この情報にプロセス依存アルゴリズムを適用し、それにより、流路内のＨＲＭの各々が「最高効率点」（ＢＥＰ）でまたはその付近で動作することを保証する。

【0057】

実施形態において、ＨＲＭコントローラ２００は、さらに、例えば、ベアリング温度、ノイズレベル、振動、摩耗率、および、構成要素の歪みを監視することによって、クラスタ２１２内のＨＲＭの健全性を監視２０８する。それにより、ＨＲＭコントローラは、ＨＲＭの故障が近く、修理または交換すべきであることを予測できる。同様に、様々な実施形態において、ＨＲＭコントローラ２００は、ＨＲＭクラスタ２００が関連するプロセス１０８全体の健全性を監視２０８し、例えば、プロセス内の様々な点で圧力、温度、および／または、流量の監視することによって、リークおよびその他の問題を検出する。

【0058】

本発明の実施形態に関するこれまでの記載は、図解および説明を目的としたものである。この提出物のあらゆるページ、および、そのすべての内容は、特徴付けられ、識別され、または、番号付けられても、本願の中での形態または配置に関わりなく、すべての目的に対して本願の実質的部分であると見なされる。本願は、包括的であることも、開示されている正確な形態に本発明を限定することも意図されていない。多くの変形例および変更例が、本開示に照らして可能である。

【0059】

本願は限られた数の形態で示されているが、本発明の範囲は、これらの形態だけに限定されず、様々な変更および変形が可能である。本明細書で提示されている開示は、本発明の範囲内にある特徴のすべての可能な組みあわせを明示的に開示していない。様々な実施形態について本明細書で開示されている特徴は、一般に、交換可能であり、本発明の範囲から逸脱することなく自己矛盾しない任意の組みあわせに組みあわせられることができる。特に、以下の請求項に提示されている限定は、従属請求項が互いに論理的に矛盾しない限り、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数および任意の順序でそれらに対応する従属請求項と組み合わせられることができる。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図5】

【外国語明細書】