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特開2025-16726発電システムおよび発電方法の熱管理のための制御スキーム
(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】P2025016726
(43)【公開日】2025-02-04
(54)【発明の名称】発電システムおよび発電方法の熱管理のための制御スキーム
(51)【国際特許分類】
F02C 3/34 20060101AFI20250128BHJP
【ＦＩ】
F02C3/34
【審査請求】有
【請求項の数】42
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024194146
(22)【出願日】2024-11-06
(62)【分割の表示】P 2022523729の分割
【原出願日】2020-10-22
(31)【優先権主張番号】62/924,525
(32)【優先日】2019-10-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】312000387
【氏名又は名称】８ リバーズ キャピタル，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(72)【発明者】
【氏名】フォレスト，ブロック アラン
(72)【発明者】
【氏名】ルー，シージア
(72)【発明者】
【氏名】フェトヴェト，ジェレミー エロン
(72)【発明者】
【氏名】ラファティ，ナビッド
(57)【要約】 （修正有）
【課題】本発明は、発電所を制御し、場合によっては、１つ以上の生成物ストリームをその最終用途に提供するためのシステムおよび方法に関する。
【解決手段】発電所の制御は、具体的には、そこを通る複数のストリームで動作する熱交換ユニット（ＨＥＵ）の熱プロファイルを調整するのに有効な１つ以上の機能を実行することを含み得る。これは、複数のストリームの１つ以上の流れを、ＨＥＵ内の中間温度範囲において、ＨＥＵの第１の端部と第２の端部との間に配置される点で、複数のストリームの１つ以上に流れを追加するか、またはそれから流れを取り出すことによって変更する、制御機能を実装することを含み得る。
【選択図】図１
【解決手段】発電所の制御は、具体的には、そこを通る複数のストリームで動作する熱交換ユニット（ＨＥＵ）の熱プロファイルを調整するのに有効な１つ以上の機能を実行することを含み得る。これは、複数のストリームの１つ以上の流れを、ＨＥＵ内の中間温度範囲において、ＨＥＵの第１の端部と第２の端部との間に配置される点で、複数のストリームの１つ以上に流れを追加するか、またはそれから流れを取り出すことによって変更する、制御機能を実装することを含み得る。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力および１つ以上の最終製品のコジェネレーションのためのシステムであって、前記システムは、
少なくとも燃焼器、タービン、熱交換器、および分離ユニットを含む発電ユニットであって、前記発電ユニットは、燃料ストリームおよび酸化剤を受領し、電力および実質的に純粋な二酸化炭素を出力するように構成される、発電ユニットと、
原料を受領し、合成ガス生成物を提供するように構成される合成ガス生成ユニットであって、前記合成ガス生成物の少なくとも一部は、前記発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効である、合成ガス生成ユニットと、
前記発電ユニットにおける酸化剤としての使用のための酸素を提供するように構成され、窒素を提供するように構成される空気分離ユニットと、
アンモニア合成ユニットおよび尿素合成ユニットの一方または両方と、
を備える、システム。
少なくとも燃焼器、タービン、熱交換器、および分離ユニットを含む発電ユニットであって、前記発電ユニットは、燃料ストリームおよび酸化剤を受領し、電力および実質的に純粋な二酸化炭素を出力するように構成される、発電ユニットと、
原料を受領し、合成ガス生成物を提供するように構成される合成ガス生成ユニットであって、前記合成ガス生成物の少なくとも一部は、前記発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効である、合成ガス生成ユニットと、
前記発電ユニットにおける酸化剤としての使用のための酸素を提供するように構成され、窒素を提供するように構成される空気分離ユニットと、
アンモニア合成ユニットおよび尿素合成ユニットの一方または両方と、
を備える、システム。
【請求項2】
前記アンモニア合成ユニットが存在し、前記空気分離ユニットから窒素を受領するように構成され、水素源から水素を受領するように構成され、アンモニアを出力するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記水素源は、前記合成ガス生成ユニットから前記合成ガス生成物の少なくとも一部を受領し、水素ストリーム、および前記発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効な水素減少合成ガスストリームを提供するように構成される、水素分離ユニットである、請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記尿素合成ユニットが存在し、窒素源から窒素を受領するように構成され、発電サイクルから二酸化炭素を受領するように構成され、尿素ストリームを出力するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記窒素源は、前記アンモニア合成ユニットである、請求項４に記載のシステム。
【請求項6】
発電方法であって、
複数のストリームを熱交換ユニット（ＨＥＵ）に通過させることであって、前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端、および第２の動作温度を有する第２のＨＥＵ端を画定し、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリームが冷却され、前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームが加熱されるような、前記少なくとも１つの第１のストリームおよび前記少なくとも１つの第２のストリームを備え、前記少なくとも１つの第１のストリームの温度は、前記少なくとも１つの第２のストリームの温度よりも高いことと、
迂回される前記ＨＥＵの一部を通る少なくとも第１のストリームの質量流量が減少させられるように、前記少なくとも１つの第１のストリームの一部を前記ＨＥＵの一部から迂回するようにさせる制御機能を実装することであって、前記制御機能は、制御部によって受領されかつ発電所の動作条件を定める信号に応答して実装され、前記信号は、
前記発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方を備えることと、
を備える、発電方法。
複数のストリームを熱交換ユニット（ＨＥＵ）に通過させることであって、前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端、および第２の動作温度を有する第２のＨＥＵ端を画定し、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリームが冷却され、前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームが加熱されるような、前記少なくとも１つの第１のストリームおよび前記少なくとも１つの第２のストリームを備え、前記少なくとも１つの第１のストリームの温度は、前記少なくとも１つの第２のストリームの温度よりも高いことと、
迂回される前記ＨＥＵの一部を通る少なくとも第１のストリームの質量流量が減少させられるように、前記少なくとも１つの第１のストリームの一部を前記ＨＥＵの一部から迂回するようにさせる制御機能を実装することであって、前記制御機能は、制御部によって受領されかつ発電所の動作条件を定める信号に応答して実装され、前記信号は、
前記発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方を備えることと、
を備える、発電方法。
【請求項7】
前記少なくとも１つの第１のストリームは、タービンからの加熱タービン排気ストリームを含む、請求項６に記載の発電方法。
【請求項8】
前記少なくとも１つの第２のストリームは、前記ＨＥＵ内で加熱されているリサイクルストリームであり、前記少なくとも１つの第１のストリームは、前記ＨＥＵ内で冷却されている排気ストリームであり、前記リサイクルストリームの一部は、前記ＨＥＵの一部を通過する排気ストリームの質量流量が増加させられるように前記排気ストリームへ通過させられる、請求項６に記載の発電方法。
【請求項9】
前記少なくとも１つの第２のストリームは、前記ＨＥＵ内で加熱されている酸化剤ストリームであり、前記少なくとも１つの第１のストリームは、前記ＨＥＵ内で冷却されている排気ストリームであり、前記酸化剤ストリームの一部は、前記ＨＥＵの一部を通過する排気ストリームの質量流量が増加させられるように前記排気ストリームへ通過させられる、請求項６に記載の発電方法。
【請求項10】
前記発電方法は、前記ＨＥＵを通過する複数のストリームのうちの１つ以上に熱を追加することをさらに備え、前記熱は、前記ＨＥＵ内の中間温度範囲において、前記第１のＨＥＵ端と前記第２のＨＥＵ端との間に配置される点で追加され、前記熱は、前記ＨＥＵから独立して動作させられるヒーターを使用して追加される、請求項６に記載の発電方法。
【請求項11】
前記ヒーターは燃焼ヒーターである、請求項１０に記載の発電方法。
【請求項12】
前記熱は、前記ＨＥＵを通過するタービン排気ストリームに追加され、前記燃焼ヒーターからの排気ストリームは、前記タービン排気ストリームに直接追加される、請求項１１に記載の発電方法。
【請求項13】
発電方法であって、
複数のストリームを熱交換ユニット（ＨＥＵ）に通過させることであって、前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端、および第２の動作温度を有する第２のＨＥＵ端を画定し、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリームが冷却され、前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームが加熱されるような、前記少なくとも１つの第１のストリームおよび前記少なくとも１つの第２のストリームを備えることと、
前記ＨＥＵを通過する複数のストリームのうちの１つ以上の質量流量を変更する制御機能を実装することであって、前記制御機能は、
前記ＨＥＵの一部を通過しつつ前記少なくとも１つの第２のストリームの質量流量が増加させられるように、前記少なくとも１つの第１のストリームの一部を前記少なくとも１つの第２のストリームへ通過させられるようにさせるか、または
前記ＨＥＵの一部を通過しつつ前記少なくとも１つの第１のストリームの質量流量が増加させられるように、前記少なくとも１つの第２のストリームの一部を前記少なくとも１つの第１のストリームへ通過させられるようにさせる
のに有効であることと、
を備える、発電方法。
複数のストリームを熱交換ユニット（ＨＥＵ）に通過させることであって、前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端、および第２の動作温度を有する第２のＨＥＵ端を画定し、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリームが冷却され、前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームが加熱されるような、前記少なくとも１つの第１のストリームおよび前記少なくとも１つの第２のストリームを備えることと、
前記ＨＥＵを通過する複数のストリームのうちの１つ以上の質量流量を変更する制御機能を実装することであって、前記制御機能は、
前記ＨＥＵの一部を通過しつつ前記少なくとも１つの第２のストリームの質量流量が増加させられるように、前記少なくとも１つの第１のストリームの一部を前記少なくとも１つの第２のストリームへ通過させられるようにさせるか、または
前記ＨＥＵの一部を通過しつつ前記少なくとも１つの第１のストリームの質量流量が増加させられるように、前記少なくとも１つの第２のストリームの一部を前記少なくとも１つの第１のストリームへ通過させられるようにさせる
のに有効であることと、
を備える、発電方法。
【請求項14】
前記少なくとも１つの第２のストリームは、前記ＨＥＵ内で加熱されているリサイクルストリームであり、前記少なくとも１つの第１のストリームは、前記ＨＥＵ内で冷却されている排気ストリームであり、前記リサイクルストリームの一部は、前記ＨＥＵの一部を通過する排気ストリームの質量流量が増加させられるように前記排気ストリームへ通過させられる、請求項１３に記載の発電方法。
【請求項15】
前記少なくとも１つの第２のストリームは、前記ＨＥＵ内で加熱されている酸化剤ストリームであり、前記少なくとも１つの第１のストリームは、前記ＨＥＵ内で冷却されている排気ストリームであり、前記酸化剤ストリームの一部は、前記ＨＥＵの一部を通過する排気ストリームの質量流量が増加させられるように前記排気ストリームへ通過させられる、請求項１３に記載の発電方法。
【請求項16】
前記制御機能は、制御部によって受領される以下の信号：
発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方に応答して実行される、請求項１５に記載の発電方法。
発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方に応答して実行される、請求項１５に記載の発電方法。
【請求項17】
発電方法であって、
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームの少なくとも一部を前記ＨＥＵに通過させることと、
制御機能を実装することであって、前記制御機能によって、前記リサイクルストリームを形成するように処理されるタービン排気ストリームの総質量流量を減少させることなく、前記タービン排気ストリームの質量流量が前記ＨＥＵの一部を通じて減少させられるように、前記ＨＥＵを通過するタービン排気流のバイパス部分が、前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の位置で前記ＨＥＵを出て、前記ＨＥＵの第２の端部の下流で前記タービン排気ストリームに再合流することと、
を備える、発電方法。
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームの少なくとも一部を前記ＨＥＵに通過させることと、
制御機能を実装することであって、前記制御機能によって、前記リサイクルストリームを形成するように処理されるタービン排気ストリームの総質量流量を減少させることなく、前記タービン排気ストリームの質量流量が前記ＨＥＵの一部を通じて減少させられるように、前記ＨＥＵを通過するタービン排気流のバイパス部分が、前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の位置で前記ＨＥＵを出て、前記ＨＥＵの第２の端部の下流で前記タービン排気ストリームに再合流することと、
を備える、発電方法。
【請求項18】
前記タービン排気ストリームを処理することは、分離器、コンプレッサ、およびポンプのうちの１つ以上を通じて処理することを備える、請求項１７に記載の発電方法。
【請求項19】
前記ＨＥＵの第１の端部を通過する圧縮されたストリームの少なくとも一部は、前記リサイクルストリームを備える、請求項１７に記載の発電方法。
【請求項20】
前記制御機能は、制御部によって受領される以下の信号：
発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方に応答する、請求項１７に記載の発電方法。
発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、および
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号
の一方または両方に応答する、請求項１７に記載の発電方法。
【請求項21】
前記タービン排気ストリームのバイパス部分を、前記タービン排気ストリームのバイパス部分から１つ以上のさらなるストリームに熱を伝達するのに有効なバイパス熱交換器を通じて処理されるようにさせることをさらに備える、請求項１７に記載の発電方法。
【請求項22】
前記制御機能は、前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の位置で前記ＨＥＵを出るタービン排気ストリームのバイパス部分の質量流量を修正するように弁を開くかまたは閉じるようにさせることを含む、請求項１７に記載の発電方法。
【請求項23】
前記弁は、前記ＨＥＵと流体連通するバイパスライン内に配置される、請求項２２に記載の発電方法。
【請求項24】
発電方法であって、
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
制御機能を実装することであって、前記制御機能によって、前記ＨＥＵを通過するタービン排気流の一部が、前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の位置で前記ＨＥＵを出て、再循環コンプレッサ内で圧縮され、かつ前記タービン排気ストリームの一部が前記ＨＥＵを出るところより下流にある前記ＨＥＵの一部で前記ＨＥＵ内に戻るように導入されることと、
を備える、発電方法。
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
制御機能を実装することであって、前記制御機能によって、前記ＨＥＵを通過するタービン排気流の一部が、前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の位置で前記ＨＥＵを出て、再循環コンプレッサ内で圧縮され、かつ前記タービン排気ストリームの一部が前記ＨＥＵを出るところより下流にある前記ＨＥＵの一部で前記ＨＥＵ内に戻るように導入されることと、
を備える、発電方法。
【請求項25】
前記再循環コンプレッサからの実質的に一定の排出圧を維持しつつ前記再循環コンプレッサを通る流量を減少させるのに有効な制御機能を実装することをさらに備える、請求項２４に記載の発電方法。
【請求項26】
前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の閾値以内であることを示す信号に応答して、前記再循環コンプレッサの入口案内翼（ＩＧＶ）を閉じるのに有効な制御機能を実装することをさらに備える、請求項２４に記載の発電方法。
【請求項27】
リサイクルストリームが前記ＨＥＵ内で加熱されるように、前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームを前記ＨＥＵに通過させること、および
酸化剤ストリームが前記ＨＥＵ内で加熱されるように、前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記酸化剤ストリームを前記ＨＥＵに通過させること
の一方または両方をさらに備える、請求項２４に記載の発電方法。
酸化剤ストリームが前記ＨＥＵ内で加熱されるように、前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記酸化剤ストリームを前記ＨＥＵに通過させること
の一方または両方をさらに備える、請求項２４に記載の発電方法。
【請求項28】
発電方法であって、
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方を前記ＨＥＵに通過させることと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の１つ以上の位置での前記タービン排気ストリームへの流体の追加によって、前記ＨＥＵの一部を通るタービン排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効な制御機能を実装することと、
を備える、発電方法。
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方を前記ＨＥＵに通過させることと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の１つ以上の位置での前記タービン排気ストリームへの流体の追加によって、前記ＨＥＵの一部を通るタービン排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効な制御機能を実装することと、
を備える、発電方法。
【請求項29】
前記制御機能は、前記リサイクルストリームの一部を前記タービン排気ストリームへ通過させられるようにさせるのに有効である、請求項２８に記載の発電方法。
【請求項30】
前記制御機能は、前記酸化剤ストリームの一部を前記タービン排気ストリームへ通過させられるようにさせるのに有効である、請求項２８に記載の発電方法。
【請求項31】
以下の条件：
前記制御機能を実装することが、それにより発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号に応答すること、および
前記制御機能を実装することが、前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号に応答すること
の一方または両方が満たされる、請求項２８に記載の発電方法。
前記制御機能を実装することが、それにより発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号に応答すること、および
前記制御機能を実装することが、前記ＨＥＵ内の温度が前記ＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号に応答すること
の一方または両方が満たされる、請求項２８に記載の発電方法。
【請求項32】
前記制御機能は、前記ＨＥＵ内のタービン排気ストリームへ通過するストリームの質量流量を修正するように１つ以上の弁を開くかまたは閉じるようにさせることを含む、請求項２８に記載の発電方法。
【請求項33】
発電方法であって、
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方を前記ＨＥＵに通過させることと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の１つ以上の位置での前記タービン排気ストリーム、前記リサイクルストリーム、および前記酸化剤ストリームのうちの１つ以上への質量流量を追加するか、またはそこから質量流量を取り出すことによって、前記ＨＥＵの一部を通過するタービン排気ストリーム、リサイクルストリーム、および酸化剤ストリームのうちの１つ以上の質量流量を変更する制御機能を実装することと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の前記ＨＥＵ内の場所で熱を提供するように配列されるヒーターを使用して前記ＨＥＵに熱を追加することと、
を備える、発電方法。
電力を発生させてタービン排気ストリームを形成するために、加熱、加圧されたストリームをタービン内で膨張させることと、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）のより高い動作温度を有する第１の端部から、前記ＨＥＵのより低い動作温度を有する第２の端部に向かって、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させることと、
リサイクルストリームを形成するために、前記ＨＥＵより下流で前記タービン排気ストリームを処理することと、
前記ＨＥＵの第１の端部に向かって前記リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方を前記ＨＥＵに通過させることと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の１つ以上の位置での前記タービン排気ストリーム、前記リサイクルストリーム、および前記酸化剤ストリームのうちの１つ以上への質量流量を追加するか、またはそこから質量流量を取り出すことによって、前記ＨＥＵの一部を通過するタービン排気ストリーム、リサイクルストリーム、および酸化剤ストリームのうちの１つ以上の質量流量を変更する制御機能を実装することと、
前記ＨＥＵの第１の端部と前記ＨＥＵの第２の端部との間の前記ＨＥＵ内の場所で熱を提供するように配列されるヒーターを使用して前記ＨＥＵに熱を追加することと、
を備える、発電方法。
【請求項34】
前記ヒーターは電気ヒーターである、請求項３３に記載の発電方法。
【請求項35】
前記ヒーターは太陽ヒーターまたは原子力ヒーターである、請求項３３に記載の発電方法。
【請求項36】
前記ヒーターは、前記タービン排気ストリームを前記ＨＥＵに通過させるライン上に配列される酸素燃焼バーナーである、請求項３３に記載の発電方法。
【請求項37】
前記酸素燃焼バーナーは、前記酸素燃焼バーナーからの排出物が前記タービン排気ストリームと混合して前記タービン排気ストリームの温度を増加させるように配列される、請求項３６に記載の発電方法。
【請求項38】
以下の条件：
前記ヒーターが、前記リサイクルストリームを通過させるライン上に配列されること、および
前記ヒーターが、前記酸化剤ストリームを通過させるライン上に配列されること
の一方または両方が満たされる、請求項３３に記載の発電方法。
前記ヒーターが、前記リサイクルストリームを通過させるライン上に配列されること、および
前記ヒーターが、前記酸化剤ストリームを通過させるライン上に配列されること
の一方または両方が満たされる、請求項３３に記載の発電方法。
【請求項39】
発電所であって、
タービンと、
発電機と、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）と、
１つ以上のコンプレッサまたはポンプと、
制御ユニットと、
を備える、発電所であり、
前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端との間を通過する複数のストリーム間の熱交換のために構成され、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリーム、および前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームを備え、
前記ＨＥＵは、タービン排気ストリームとリサイクルストリームとの間に置かれるか、またはタービン排気ストリームと酸化剤ストリームとの間に置かれる再循環ラインおよび再循環弁を含み、
前記制御ユニットは、前記発電所の動作条件を定める信号を受領し、それに基づいて、
前記ＨＥＵの一部の周りで前記複数のストリームのうちの１つ以上の一部を逸らすこと、および
前記再循環ラインおよび前記再循環弁を、前記少なくとも１つの第１のストリームのうちの１つと前記少なくとも１つの第２のストリームのうちの１つとの間で流体の流動を実施するようにさせること
の一方または両方を行うのに有効な１つ以上の信号を出力するように構成される、発電所。
タービンと、
発電機と、
熱交換ユニット（ＨＥＵ）と、
１つ以上のコンプレッサまたはポンプと、
制御ユニットと、
を備える、発電所であり、
前記ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端との間を通過する複数のストリーム間の熱交換のために構成され、前記第１の動作温度は前記第２の動作温度よりも高く、前記複数のストリームは、前記第１のＨＥＵ端から前記第２のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第１のストリーム、および前記第２のＨＥＵ端から前記第１のＨＥＵ端に向かって通過する少なくとも１つの第２のストリームを備え、
前記ＨＥＵは、タービン排気ストリームとリサイクルストリームとの間に置かれるか、またはタービン排気ストリームと酸化剤ストリームとの間に置かれる再循環ラインおよび再循環弁を含み、
前記制御ユニットは、前記発電所の動作条件を定める信号を受領し、それに基づいて、
前記ＨＥＵの一部の周りで前記複数のストリームのうちの１つ以上の一部を逸らすこと、および
前記再循環ラインおよび前記再循環弁を、前記少なくとも１つの第１のストリームのうちの１つと前記少なくとも１つの第２のストリームのうちの１つとの間で流体の流動を実施するようにさせること
の一方または両方を行うのに有効な１つ以上の信号を出力するように構成される、発電所。
【請求項40】
バイパスライン、バイパス弁、および前記バイパスラインとともに動作可能なバイパス熱交換器をさらに備える、請求項３９に記載の発電所。
【請求項41】
前記発電所は、前記ＨＥＵとは独立した動作のために構成されるヒーターをさらに備え、前記ヒーターは、前記第１のＨＥＵ端と前記第２のＨＥＵ端との間に配置される点での前記タービンからの排気ストリームへの熱の追加のために構成される、請求項３９に記載の発電所。
【請求項42】
前記ヒーターは燃焼ヒーターである、請求項４１に記載の発電所。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、制御システムおよび制御方法、より具体的には、発電システムおよび発電方法に組込むことができる制御システムおよび制御方法に関する。制御システムおよび制御方法は、特に、発電システムに出入りする熱流の管理のために実装され得る。
【背景技術】
【0002】
化石燃料を燃焼して発電するためのシステムおよび方法が多く知られている。代替の発電手段が絶えず追求されているが、化石燃料、特に石炭および天然ガス（残油生成物などの廃棄炭化水素も含む）のコスト要因および利用可能性により、そのような燃料を燃焼させるように構成されるシステムは、継続して必要とされている。したがって、炭素を完全に回収することを伴う高効率な発電を可能にするシステムおよび方法への要求が高まっている。
【0003】
炭素を完全に回収することを伴う、化石燃料の燃焼による発電を提供する能力は、価値のある商品としての二酸化炭素の大量生産の可能性を提供する。化合物は、いくつか例を挙げると、例えば、金属工業（例えば、鋳型の硬度を向上させるため）、製造および建設（例えば、ＭＩＧ／ＭＡＧ溶接におけるシールドガスとして）、化学製造（例えば、メタノールおよび尿素の生産の原料として）、油田管理（例えば、石油生産技術の向上のため）、ならびに飲食産業（例えば、炭酸化、冷媒としての使用、コーヒーのカフェイン除去、揮発性香味料および香料濃縮物の分離および精製、ならびにエチレンオキシドとの混合物での低温滅菌のため）で使用される。実際の用途に応じて、工業利用への二酸化炭素入力は、しばしば、周囲条件を超えて加圧および／または加熱されなければならない。
【0004】
上記のような用途（および他の用途）のための清浄なＣＯ２の提供は、典型的には、工業用ガス混合物からのＣＯ２の分離を含み、その混合物はしばしば、ＣＯ、Ｈ２、硫黄などのさらなる化合物を含有する。これはもちろん、一連の精製プロセスを必要とする。精製要件、ならびに所望の圧力および／または温度でＣＯ２を提供する必要性は、高い資本コストならびに大量のエネルギー消費をもたらす専用の圧縮、浄化、ならびに加熱装置の調達を必要とし得る。
【0005】
上記に加えて、発電プロセスは、典型的には、大量の熱エネルギーの利用および生産のために構成される。この熱エネルギーは、発電に直接利用され得るか、またはさらなる用途に利用可能であり得る。したがって、二酸化炭素などの様々な生成物の流れおよび熱伝達のモードが効率的に得られ、かつ／またはさらなる使用のために輸送され得るような、発電プロセスを制御するための手段が必要である。
【発明の概要】
【0006】
１つ以上の実施形態では、本開示は、発電システムの１つ以上の態様の制御に有用なシステムおよび方法を提供することができる。制御システムは、具体的には、発電システムにおける１つ以上の流れのストリームの圧力、温度、流量、およびストリーム組成の１つ以上の制御を提供することができる。制御システムは、発電システムの最適効率を提供することができる。制御システムは、さらに、システムのスタートアップ、システムのシャットダウン、システムにおける入力ストリーム（単数または複数）の変更、システムにおける出力ストリーム（単数または複数）の変更、システムに関する緊急時の動作対応、および発電システムの動作に関する類似事項などの、発電システムの態様の制御を提供することができる。いくつかの実施形態では、制御システムを、特に、発電システムおよび発電方法に出入りする熱流の管理を提供するように適合および構成することができる。例えば、熱流は、伝熱流体、および／または異なるシステム内の専用ストリームに対する熱交換器を通る発電システム内の専用ストリームの通路によって具現化され得る。
【0007】
本開示は、より具体的には、実際の使用時にＣＯ２の圧縮および／または加熱を必要とせずにＣＯ２を様々な有益な最終用途に利用することができるような、発電サイクルからのＣＯ２の輸送に関し得る。その開示内容が参照により本明細書に組込まれる、Ａｌｌａｍらによる米国特許第８，５９６，０７５号は、酸素－燃料燃焼がリサイクルＣＯ２ストリームを利用して行われ、ＣＯ２の少なくとも一部を比較的純粋なストリームとして回収することができる、高効率な発電サイクルについて記載する。燃焼ガスおよびリサイクルＣＯ２を様々な圧力および温度で提供することができるサイクルの性質のため、そのようなシステムおよび方法は、輸送のために有益な幅広い圧力および／または温度範囲にわたって実質的に純粋なＣＯ２を取り出すように本開示に従って構成され得る。
【0008】
１つ以上の実施形態では、本開示は、したがって、ＣＯ２を作動流体として利用する発電サイクルから生じるＣＯ２を最終製品として得ることができ、材料のさらなる下流での使用に直接供給することができる、システムおよび方法を提供する。例えば、本開示のシステムおよび方法は、下流の吸熱工業プロセスに使用するための様々な温度および圧力の化学原料および／または伝熱流体としてのＣＯ２の輸送を可能にし得る。
【0009】
いくつかの実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、低品位熱を外部プロセスに提供することができるという点で有益である。これは、例示的実施形態において、燃焼由来のＣＯ２を熱媒体として有効に使用することによって達成され得る。さらに、本開示は、ＣＯ２が由来する発電システムの高温ガスコンプレッサ（「ＨＧＣ」）による流量の変更とともに前述の低品位熱の輸送によるプラントターンダウン（すなわち、タービンの安定性および操作性）の管理を提供する。したがって、ＣＯ２作動流体を利用する発電サイクルに頼ることによって、発電サイクル自体とは別に燃焼を行う必要性を部分的または完全に排除することが可能である。したがって、最大温度は、高温ガスコンプレッサがもはや損失を補う（すなわち、熱交換器プロファイルを維持する）ことができなくなる前に、発電サイクルで利用される復熱式熱交換器列から得ることができる合計の熱の質および量によって制限され得る。このように、本開示のシステムおよび方法は、回収カラムからＣＯ２を取り去るのに使用される水蒸気を発生させるのを支援するためにＣＯ２圧縮熱が回収されるシステムなどの、他の可能な工業ＣＯ２源に対する明らかな利点を提供することができる。そのようなあまり望ましくない代替では、熱回収プロセスは、直接的な発電活動から独立した付加的なものであり、したがって、本開示のシステムおよび方法の利点の多くを提供することができない。したがって、既知のシステムおよび方法は、超臨界ＣＯ２発電サイクルから得られる燃焼由来のＣＯ２の使用を含まず、同様に、ＣＯ２を可搬ヒートシンクとして使用することによる化学プロセスへの外部熱エネルギーの供給を企図しない。
【0010】
１つ以上の実施形態では、本開示は、ＣＯ２ストリームをその最終用途に提供するための方法を提供することができる。例えば、そのような方法は、燃料を燃焼させてＣＯ２を含む燃焼ストリームを形成することと、電力を発生させることと、燃焼ストリームから１つ以上の混入物を除去して実質的に純粋なＣＯ２ストリームを提供することと、温度および圧力の一方または両方が周囲より高い実質的に純粋なＣＯ２ストリームを輸送することとを含むことができる。具体的には、輸送されるＣＯ２は、約２ｂａｒ以上、約５ｂａｒ以上、約１０ｂａｒ以上、約２５ｂａｒ以上、約５０ｂａｒ以上、または約１００ｂａｒ以上の圧力であり得る（前述の輸送圧力は、ＣＯ２を圧縮するのに必要な装置およびＣＯ２を運ぶのに使用される装置に固有の圧力限界と一致する上限を有する）。いくつかの実施形態では、圧力は、約２ｂａｒ～約５００ｂａｒ、約１０ｂａｒ～約４９０ｂａｒ、約２５ｂａｒ～約４８０ｂａｒ、約５０ｂａｒ～約４７５ｂａｒ、約７５ｂａｒ～約４５０ｂａｒ、または約１００ｂａｒ～約４００ｂａｒであり得る。輸送されるＣＯ２は、約３５℃以上、約４０℃以上、約５０℃以上、約７５℃以上、または約１００℃以上の温度であり得る（前述の輸送温度は、ＣＯ２を取り扱うのに必要な装置に固有の温度限界と一致する上限を有する）。いくつかの実施形態では、温度は、約３５℃～約５００℃、約４０℃～約４５０℃、約５０℃～約４００℃、または約６０℃～約３５０℃であり得る。
【0011】
１つ以上の実施形態では、本開示は、発電所での使用に適した制御システムに関し得る。例えば、発電所は、実質的に純粋な酸素で、燃焼器において、約１２ＭＰａ以上の圧力で、循環ＣＯ２ストリームを加えて、燃料を燃やし、燃焼生成物と循環ＣＯ２との複合ストリームを生成するプラントであり得る。いくつかの実施形態では、発電は、さらに、任意の数または順序で組み合わせることができる以下の点の１つ以上を特徴とすることができる。
【0012】
複合ストリームは、少なくとも１０ｂａｒの吐出圧で、発電タービンを通過し得る。タービン排気は、エコノマイザ熱交換器で冷却されて、循環ＣＯ２ストリームを予熱し得る。タービン排気は、周囲温度付近までさらに冷却され得、復水は除去され得る。ＣＯ２ガスストリームは、ガスコンプレッサを使用してタービン吸込圧またはその付近まで圧縮され、続いて、濃ＣＯ２ポンプにより、循環ＣＯ２ストリームを形成し得る。燃焼器で生成された正味のＣＯ２は、タービン吸込圧からタービン排出圧までの間の圧力で除去され得る。タービン排気と、エコノマイザ熱交換器を出る循環ＣＯ２ストリームとの間の温度差を約５０℃以下に減少させるために、外部供給源からの熱を導入して、循環ＣＯ２ストリームの一部を２００℃～４００℃の範囲の温度に予熱し得る。燃料流量は、タービンから所要電力出力を提供するよう制御され得る。タービン排出温度は、ＣＯ２ポンプの速度によって制御され得る。ＣＯ２コンプレッサの吐出圧は、圧縮ＣＯ２流をコンプレッサの吸込口にリサイクルさせることによって制御され得る。燃料ガス燃焼から生成され、システムから除去された正味のＣＯ２の流量は、ＣＯ２コンプレッサの吸込圧を制御するために使用され得る。エコノマイザ熱交換器に入るタービン排気の温度と、エコノマイザ熱交換器を出る循環ＣＯ２ストリームの温度と間の差は、追加される熱源により加熱される循環ＣＯ２ストリームの一部の流量を制御することによって、５０℃以下に制御され得る。システムから除去された、正味の液体水の流量および燃料由来の不純物は、液体水分離器の水準で制御され得る。酸素流量は、燃料ガス流量に対する酸素の比率を維持するよう制御され得、それにより、タービン吸込流における過剰酸素が所定量となり、燃料ガスの完全燃焼および燃料ガスの成分の完全酸化を保証することができる。ＣＯ２コンプレッサの吸込圧の酸素ストリームは、ＣＯ２コンプレッサの吸込口からの多量のＣＯ２と混合されて、約１５％～約４０％（モル濃度）の酸素組成を有する酸化剤ストリームを生成し得、これにより、燃焼器における断熱火炎温度を下げることができる。燃料ガスに対する所要の酸素比をもたらすのに必要な酸化剤流は、酸化剤ポンプの速度によって制御され得る。酸化剤コンプレッサの吐出圧は、コンプレッサの吸込口に圧縮酸化剤流をリサイクルさせることによって制御され得る。酸化剤コンプレッサの吸込圧は、酸化剤ストリームを形成する酸素と混合された希釈剤ＣＯ２の流量によって制御され得る。酸化剤ストリームにおけるＣＯ２に対する酸素の比率は、酸素の流れによって制御され得る。酸素は、少なくともタービン吸込圧と同じ高さの圧力で発電システムに送達され得、約１５％～約４０％（モル濃度）の範囲の酸素組成を有する酸化剤ストリームが望まれ得る。燃料ガスに対する酸素比は、酸素流によって制御され得る。酸化剤流におけるＣＯ２に対する酸素比は、ＣＯ２コンプレッサの吐出から得られた希釈剤ＣＯ２の流れによって制御され得る。
【0013】
１つ以上の実施形態では、本開示は、発電システムの少なくとも１つの部品の自動制御のために構成することができる組込み型制御システムを含む発電システムを提供することができる。具体的には、制御システムは、発電システムの計測パラメータに関する入力を受領するように構成され、自動制御の対象となる発電システムの少なくとも１つの部品への出力を提供するように構成される少なくとも１つの制御部ユニットを含み得る。
【0014】
発電システムおよび組込み型制御システムを、さらに、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関して定義することができる。組込み型制御システムは、発電システムの１つ以上の発電部品が生産する電力に関する入力を受領するように構成される電力制御部を含み得る。電力制御部は、発電システムのヒーター部品による熱生産を増減させるヒーター部品への出力を提供する要件と、発電システムに入れる燃料の加減を可能にする燃料弁への出力を提供する要件との一方または両方を満たすように構成され得る。組込み型制御システムは、燃料流量に関する入力および酸化剤流量に関する入力の一方または両方を受領するように構成される燃料／酸化剤比制御部を含み得る。燃料／酸化剤比制御部は、発電システムに入れる燃料の加減を可能にする燃料弁への出力を提供する要件と、発電システムに入れる酸化剤の加減を可能にする酸化剤弁への出力を提供する要件との一方または両方を満たすように構成され得る。組込み型制御システムは、発電システムにあるタービンの排気ストリームの温度に関する入力を受領し、タービンより上流のポンプを出るストリームの流量を増減させるポンプへの出力を提供するように構成されるポンプ制御部を含み得る。組込み型制御システムは、発電システムにあるポンプより上流の流体における吸引圧に関する入力を受領し、ポンプより上流に配置されるスピルバック弁への出力を提供するように構成されるポンプ吸引圧制御部を含み得る。ポンプ吸引圧制御部は、スピルバック弁からさらに上流にある点にスピルバックする流体を加減させる要件と、ポンプより上流で発電システムから除去される流体を加減させる要件との一方または両方を満たすように構成される。組込み型制御システムは、発電システムにあるタービンの排気ストリームの圧力に関する入力を受領し、流体排出弁への出力を提供し、排気ストリームから流体を出すことを可能にし、場合によっては流体吸込弁への出力を提供し、排気ストリームへ流体を入れることを可能にするように構成される圧力調節制御部を含み得る。組込み型制御システムは、発電システムの分離器にある水の量に関する入力を受領し、分離器からの水の除去を可能または不可としかつ分離器にある水の量を所定値内に維持する水除去弁への出力を提供するように構成される水分離器制御部を含み得る。組込み型制御システムは、発電システムにおける、燃料の質量流量および酸化剤の質量流量の一方または両方に関する入力を受領し、燃料と酸化剤との質量流量比を算出するように構成される酸化剤ポンプ制御部を含み得る。酸化剤ポンプ制御部は、発電システムにおける燃料と酸化剤との質量流量比に影響を与えるようポンプの電力を変更する酸化剤ポンプへの出力を提供するように構成され得る。組込み型制御システムは、酸化剤コンプレッサより下流の酸化剤ストリームの圧力に関する入力を受領し、コンプレッサを迂回する酸化剤を加減させる酸化剤バイパス弁への出力を提供するように構成される酸化剤圧力制御部を含み得る。組込み型制御システムは、酸化剤コンプレッサより上流の酸化剤ストリームの圧力に関する入力を受領し、酸化剤コンプレッサより上流の酸化剤ストリームに加えられる発電システムからのリサイクル流体を加減させるリサイクル流体弁への出力を提供するように構成される酸化剤圧力制御部を含み得る。具体的には、リサイクル流体は、実質的に純粋なＣＯ２ストリームであり得る。組込み型制御システムは、酸化剤の質量流量および酸化剤希釈剤ストリームの質量流量の一方または両方に関する入力を受領し、酸化剤と酸化剤希釈剤との質量流量比を算出するように構成される希釈制御部を含み得る。希釈制御部は、酸化剤希釈剤に対する酸化剤の質量流量比を所定の範囲内とするよう、発電システムに入る酸化剤の加減を可能にする酸化剤エントリー弁への出力を提供するように構成され得る。組込み型制御システムは、発電システムにあるコンプレッサより上流の流体の吸引圧に関する入力を受領し、コンプレッサより下流に配置され、コンプレッサより上流にある点にスピルバックする流体を加減させるスピルバック弁への出力を提供するように構成されるコンプレッサ吸引圧制御部を含み得る。組込み型制御システムは、ポンプより上流の吸引圧に関する入力を受領し、ポンプ速度を上下させるポンプへの出力を提供するように構成されるポンプ速度制御部を含み得る。組込み型制御システムは、発電システムにある高圧リサイクルストリームの側方流のための算出された質量流量要件に関する入力を受領し、側方流における高圧リサイクルストリームの量を増減させる側方流弁への出力を提供するように構成される側方流加熱制御部を含み得る。
【0015】
発電システムは、タービンと、タービンより下流にあり、タービンと流体連通するコンプレッサと、コンプレッサより下流にあり、コンプレッサと流体連通するポンプと、ポンプより下流に配置され、ポンプと流体連通し、タービンより上流に配置され、タービンと流体連通するヒーターとを備え得る。場合によっては、発電システムは、復熱式熱交換器を含み得る。
【0016】
１つ以上の実施形態では、本開示は、発電システムの自動制御のための方法を提供することができる。具体的には、方法は、タービンと、タービンより下流にあり、タービンと流体連通するコンプレッサと、コンプレッサより下流にあり、コンプレッサと流体連通するポンプと、ポンプより下流に配置され、ポンプと流体連通し、タービンより上流に配置され、タービンと流体連通するヒーターとを含む複数の部品を備える発電システムを動作させることを含み得る。さらに、発電システムを動作させることは、発電システムに組込まれる１つ以上の制御部を使用して、発電システムの計測パラメータに関する入力を受領し、発電システムの複数の部品の少なくとも１つを自動で制御する出力を提供することを含み得る。
【0017】
さらなる実施形態では、方法は、任意の数および順序で組み合わせることができる以下のステップの１つ以上を含むことができる。出力は、予めプログラミングされ、電子化された制御アルゴリズムに基づき得る。動作させることは、制御部を使用して、発電システムが生産する電力に関する入力を受領し、ヒーターによる熱生産を増減させるヒーターへの出力を提供する動きと、発電システムに入れる燃料の加減を可能にする発電システムの燃料弁への出力を提供する動きとの一方または両方を指示することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、燃料流量に関する入力および酸化剤流量に関する入力の一方または両方を受領し、発電システムに入れる燃料の加減を可能にする発電システムの燃料弁への出力を提供する動きと、発電システムに入れる酸化剤の加減を可能にする発電システムの酸化剤弁への出力を提供する動きとの一方または両方を指示することを含み得る。動作させる方法は、制御部を使用して、タービンの排気ストリームの温度に関する入力を受領し、ポンプを出るストリームの流量を増減させるタービンより上流のポンプへの出力を提供することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、ポンプより上流の流体における吸引圧に関する入力を受領し、ポンプより上流に配置されるスピルバック弁への出力を提供することを含み得る。具体的には、制御部がスピルバック弁からさらに上流にある点にスピルバックする流体を加減させる要件と、制御部がポンプより上流で発電システムから除去される流体を加減させる要件との一方または両方を満たすことができる。動作させることは、制御部を使用して、タービンの排気ストリームの圧力に関する入力を受領し、流体排出弁への出力を提供し、排気ストリームから流体を出すことを可能にし、場合によっては流体吸込弁への出力を提供し、排気ストリームへ流体を入れることを可能にすることを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、発電システムに含まれる分離器にある水の量に関する入力を受領し、分離器からの水の除去を可能または不可としかつ分離器にある水の量を所定値内に維持する水除去弁への出力を提供することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、発電システムに導入される、燃料の質量流量および酸化剤の質量流量の一方または両方に関する入力を受領し、燃料と酸化剤との質量流量比を算出することを含み得る。具体的には、制御部は、発電システムにおける燃料と酸化剤との質量流量比に影響を与えるようポンプの電力を変更する酸化剤ポンプへの出力を提供することができる。動作させることは、制御部を使用して、酸化剤コンプレッサより下流の酸化剤ストリームの圧力に関する入力を受領し、コンプレッサを迂回する酸化剤を加減させる酸化剤バイパス弁への出力を提供することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、酸化剤コンプレッサより上流の酸化剤ストリームの圧力に関する入力を受領し、酸化剤コンプレッサより上流の酸化剤ストリームに加えられるリサイクル流体を加減させるリサイクル流体弁への出力を提供することを含み得る。具体的には、リサイクル流体は、実質的に純粋なＣＯ２ストリームであり得る。動作させることは、制御部を使用して、酸化剤の質量流量および酸化剤希釈剤ストリームの質量流量の一方または両方に関する入力を受領し、酸化剤と酸化剤希釈剤との質量流量比を算出することを含み得る。具体的には、制御部は、酸化剤希釈剤に対する酸化剤の質量流量比を所定の範囲内とするよう、発電システムに入る酸化剤の加減を可能にする酸化剤エントリー弁への出力を提供するように構成され得る。動作させることは、制御部を使用して、コンプレッサより上流の流体の吸引圧に関する入力を受領し、コンプレッサより下流に配置され、コンプレッサより上流にある点にスピルバックする流体を加減させるスピルバック弁への出力を提供することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、ポンプより上流の吸引圧に関する入力を受領し、ポンプ速度を上下させるポンプへの出力を提供することを含み得る。動作させることは、制御部を使用して、高圧リサイクルストリームの側方流のための算出された質量流量要件に関する入力を受領し、側方流における高圧リサイクルストリームの量を増減させる側方流弁への出力を提供することを含み得る。
【0018】
いくつかの実施形態では、発電所の制御のための方法は、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端との間を通る複数のストリームで動作する熱交換ユニット（ＨＥＵ）の熱プロファイルを調整することを含み、前述の調整することは、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間を通る複数のストリームの１つ以上の質量流量を、ＨＥＵ内の中間温度範囲において、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間に配置される点で、複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出すことによって変更する、制御機能を実装することを含む。そのような方法は、さらに、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関して定義され得る。
【0019】
調整することは、ＨＥＵを通る加熱ストリームの一部を、バイパスラインを通してＨＥＵの一部から迂回させることを含み得、その結果、前述の調整することは、迂回されるＨＥＵの一部を通る加熱ストリームの質量流量を減少させるのに有効である。
【0020】
ＨＥＵを通る加熱ストリームは、タービンからの加熱タービン排気ストリームであり得、加熱タービン排気ストリームは、第１のＨＥＵ端から第２のＨＥＵ端に通って冷却タービン排気ストリームを提供し、冷却タービン排気ストリームは、分離器、コンプレッサ、およびポンプの１つ以上を通ってさらに処理され得る。
【0021】
制御機能は、制御部によって受領される以下の信号：発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、およびＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号の一方または両方に応答して、ＨＥＵを通る加熱ストリームの一部を、バイパスラインを通してＨＥＵの一部から迂回させることを含み得る。
【0022】
制御機能は、バイパスラインに配置された弁を開放することを含み得る。
【0023】
バイパスラインを通る加熱ストリームの一部は、第２のＨＥＵ端より下流かつ分離器、コンプレッサ、およびポンプの１つ以上より上流で、冷却タービン排気ストリームと再合流し得る。
【0024】
方法は、バイパスラインを通る加熱ストリームの一部を、バイパスラインの加熱ストリームの一部から１つ以上のさらなるストリームに熱を伝達するのに有効なバイパス熱交換器に通して処理することをさらに含み得る。
【0025】
調整することは、以下：ＨＥＵで加熱されているリサイクルストリームの一部をＨＥＵで冷却されている排気ストリームに通し、その結果、前述の調整することが、ＨＥＵの一部を通る排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効であること、およびＨＥＵで加熱されている酸化剤ストリームの一部をＨＥＵで冷却されている排気ストリームに通し、その結果、前述の調整することが、ＨＥＵの一部を通る排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効であることの一方または両方を含み得る。
【0026】
制御機能は、リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームのそれぞれの一部を、以下：発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号、ＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号の一方または両方に応答して、排気ストリームに通すことを含み得る。
【0027】
発電所は、ＨＥＵを通る加熱タービン排気ストリームの一部を取り出し、取り出された加熱タービン排気ストリームの一部を圧縮し、圧縮された加熱タービン排気ストリームの一部をＨＥＵの下流部分で再合流させるために構成される再循環コンプレッサを含み得る。
【0028】
制御機能は、ＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号に応答して、再循環コンプレッサの入口案内翼（ＩＧＶ）を閉鎖することを含み得る。
【0029】
方法は、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間を通る複数のストリームの１つ以上に熱を追加することをさらに含み得、熱は、ＨＥＵ内の中間温度範囲において、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間に配置される点で追加され、熱は、ＨＥＵから独立して動作するヒーターを使用して追加される。
【0030】
ヒーターは、燃焼ヒーターであり得る。
【0031】
熱は、ＨＥＵを通るタービン排気ストリームに追加され得、燃焼ヒーターからの排気ストリームは、タービン排気ストリームに直接追加される。
【0032】
さらなる実施形態では、本開示は、具体的には発電所に関し得る。例えば、発電所は、タービンと、発電機と、熱交換ユニット（ＨＥＵ）と、１つ以上のコンプレッサまたはポンプと、制御ユニットとを備え得、ＨＥＵは、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端との間を通る複数のストリーム間の熱交換のために構成され、ＨＥＵは、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間に配置される点で、複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出し、その結果、複数のストリームの１つ以上を通る流体の一部が、ＨＥＵの残りの部分を通る通路から逸れるように構成される１つ以上の部品を含み、制御ユニットは、発電所の動作条件を定める信号を受領し、それに基づいて、複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出すように構成される１つ以上の部品を制御するのに有効な信号を出力するように構成される。そのような電力プラントは、さらに、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関して定義され得る。
【0033】
ＨＥＵは、タービンを出る少なくとも１つのタービン排気ストリームと、リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方との間の熱交換のために構成され得る。
【0034】
複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出すように構成される１つ以上の部品は、ＨＥＵの一部の周りでタービン排気ストリームの一部を逸らすように構成されるバイパスラインおよびバイパス弁を含み得る。
【0035】
発電所は、バイパスラインとともに動作可能であり、そこを通って逸れたタービン排気ストリームの一部から１つ以上のさらなるストリームに熱を伝達するように構成される、バイパス熱交換器をさらに含み得る。
【0036】
複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出すように構成される１つ以上の部品は、タービン排気ストリームとリサイクルストリームとの間に置かれた再循環ラインおよび再循環弁を含み得る。
【0037】
複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出すように構成される１つ以上の部品は、タービン排気ストリームと酸化剤ストリームとの間に置かれた再循環ラインおよび再循環弁を含み得る。
【0038】
発電所は、ＨＥＵから独立した動作のために構成されるヒーターをさらに含み得、ヒーターは、第１のＨＥＵ端と第２のＨＥＵ端との間に配置される点での、タービン排気ストリームへの熱の追加のために構成される。
【0039】
ヒーターは、燃焼ヒーターであり得る。
【0040】
さらなる実施形態では、本開示は、電力および１つ以上の最終製品のコジェネレーションのためのシステムを提供し得る。そのようなシステムは、少なくとも燃焼器、タービン、熱交換器、および分離ユニットを含む発電ユニットであって、燃料ストリームおよび酸化剤を受領し、電力および実質的に純粋な二酸化炭素を出力するように構成される、発電ユニットと、原料を受領し、合成ガス生成物であって、その少なくとも一部が、発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効である、合成ガス生成物を提供するように構成される、合成ガス生成ユニットと、発電ユニットにおける酸化剤として使用するための酸素を提供するように構成され、窒素を提供するように構成される、空気分離ユニットと、アンモニア合成ユニットおよび尿素合成ユニットの一方または両方とを備え得る。さらなる実施形態では、そのようなシステムは、任意の数および順序で組み合わせることができる以下の記述の１つ以上に関して定義され得る。
【0041】
アンモニア合成ユニットが存在し得、空気分離ユニットから窒素を受領するように構成され、水素源から水素を受領するように構成され、アンモニアを出力するように構成され得る。
【0042】
水素源は、合成ガス生成ユニットから合成ガス生成物の少なくとも一部を受領し、水素ストリーム、および発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効な水素減少合成ガスストリームを提供するように構成される、水素分離ユニットであり得る。
【0043】
尿素合成ユニットが存在し得、窒素源から窒素を受領するように構成され、発電サイクルから二酸化炭素を受領するように構成され、尿素ストリームを出力するように構成され得る。
【0044】
窒素源は、アンモニア合成ユニットであり得る。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本開示の例示的実施形態に係る発電システムおよび発電方法の図表である。
【図2】本開示の別の例示的実施形態に係る発電システムおよび発電方法の図表である。
【図3】本開示のさらなる例示的実施形態に係る発電システムおよび発電方法の図表である。
【図4】本開示のさらなる例示的実施形態に係る発電システムおよび発電方法の図表である。
【図5】本開示のさらに別の例示的実施形態に係る発電システムおよび発電方法の図表である。
【図6】本開示の例示的実施形態に係る、輸送に適した１つ以上の製品の形成に関連して電力を生産することができるプロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0046】
次に、本開示の様々な態様について、本開示の全てではなく一部の実装が示される添付の図面を参照しながら、以下でより詳細に記載する。実際、本開示の様々な実装は、多くの異なる形態で表されてよく、本明細書に明記される実装に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの例示的実装は、本開示を徹底的かつ完全なものとし、当業者に本開示の範囲を十分に伝えるために提供される。本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈で特段他の意味が明示されていない限り、複数形を含む。
【0047】
１つ以上の実施形態では、本開示は、発電の制御のためのシステムおよび方法を提供する。制御システムおよび制御方法は、多種多様な発電システムに対して利用され得る。例えば、制御システムおよび制御方法は、加圧流体の膨張のためのタービンを利用する発電システムおよび発電方法に利用され得、具体的には、タービン排出温度は、実質的に一定または狭い所定の温度範囲内（例えば、±２０℃、±１５℃、±１０℃、もしくは±５℃）に保持される。いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、タービン吸込圧を制御する機構がタービン自体から実質的に切り離され得るという点で定義され得る。例示的実施形態では、これは、タービンにシャフトで接続されてもされなくてもよい主加圧機の下流のコンプレッサまたはポンプの形態であり得る。他の例示的実施形態では、タービンは、発電機に接続されてよく、単一の独立駆動の加圧デバイスは、作動流体とともに作動することができる。そのような実施形態では、コンプレッサとポンプとの間の制御点は、本明細書に記載されるように実質的に排除され得る。
【0048】
本明細書に記載されるような制御システムを実装することができる発電システムおよび発電方法の例は、Ｐａｌｍｅｒらによる米国特許第９，０６８，７４３号、Ａｌｌａｍらによる米国特許第９，０６２，６０８号、Ｐａｌｍｅｒらによる米国特許第８，９８６，００２号、Ａｌｌａｍらによる米国特許第８，９５９，８８７号、Ｐａｌｍｅｒらによる米国特許第８，８６９，８８９号、Ａｌｌａｍらによる米国特許第８，７７６，５３２号、およびＡｌｌａｍらによる米国特許第８，５９６，０７５号に開示され、それらの開示内容は参照により本明細書に組込まれる。非限定的な例として、ここで記載されるような制御システムが利用されてよい発電システムは、燃焼器において、ＣＯ２循環流体の存在下でＯ２を用いて燃料を燃焼させるために構成され得、好ましくは、ＣＯ２は、少なくとも約１２ＭＰａの圧力および少なくとも約４００℃の温度で導入されて、ＣＯ２を含む燃焼生成物ストリームを提供し、好ましくは、燃焼生成物ストリームは、少なくとも約８００℃の温度である。そのような発電システムは、さらに、任意の数および／または順序で組み合わされてよい以下の１つ以上を特徴とすることができる：
燃焼生成物ストリームは、約１ＭＰａ以上の吐出圧でタービンを渡って膨張して、電力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン吐出ストリームを提供し得、
タービン吐出ストリームは、熱交換器ユニットを通過して、冷却吐出ストリームを提供し得、
冷却タービン吐出ストリームは、ＣＯ２以外の１つ以上の二次成分を除去するよう処理されて、精製吐出ストリームを提供し得、
精製吐出ストリームは、圧縮されて超臨界ＣＯ２循環流体ストリームを提供し得、
超臨界ＣＯ２循環流体ストリームは、冷却されて高密度ＣＯ２循環流体（好ましくは、密度が、少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３である）を提供し得、
高密度ＣＯ２循環流体は、燃焼器への入力に適した圧力にポンプで圧送され得、
加圧ＣＯ２循環流体は、熱交換器ユニットを通過することにより、タービン吐出ストリームから回収される熱を使用して加熱され得、
加圧ＣＯ２循環流体の全てまたは一部は、タービン吐出ストリームから取り出したものではない熱でさらに加熱され得（好ましくは、さらなる加熱は、熱交換器の通過前、通過中、または通過後の１つ以上で提供され）、かつ／または
加熱された加圧ＣＯ２循環流体は、燃焼器にリサイクルされ得る（好ましくは、燃焼器に入る加熱された加圧ＣＯ２循環流体の温度は、タービン吐出ストリームの温度よりも最大約５０℃低い）。
燃焼生成物ストリームは、約１ＭＰａ以上の吐出圧でタービンを渡って膨張して、電力を発生させ、ＣＯ２を含むタービン吐出ストリームを提供し得、
タービン吐出ストリームは、熱交換器ユニットを通過して、冷却吐出ストリームを提供し得、
冷却タービン吐出ストリームは、ＣＯ２以外の１つ以上の二次成分を除去するよう処理されて、精製吐出ストリームを提供し得、
精製吐出ストリームは、圧縮されて超臨界ＣＯ２循環流体ストリームを提供し得、
超臨界ＣＯ２循環流体ストリームは、冷却されて高密度ＣＯ２循環流体（好ましくは、密度が、少なくとも約２００ｋｇ／ｍ３である）を提供し得、
高密度ＣＯ２循環流体は、燃焼器への入力に適した圧力にポンプで圧送され得、
加圧ＣＯ２循環流体は、熱交換器ユニットを通過することにより、タービン吐出ストリームから回収される熱を使用して加熱され得、
加圧ＣＯ２循環流体の全てまたは一部は、タービン吐出ストリームから取り出したものではない熱でさらに加熱され得（好ましくは、さらなる加熱は、熱交換器の通過前、通過中、または通過後の１つ以上で提供され）、かつ／または
加熱された加圧ＣＯ２循環流体は、燃焼器にリサイクルされ得る（好ましくは、燃焼器に入る加熱された加圧ＣＯ２循環流体の温度は、タービン吐出ストリームの温度よりも最大約５０℃低い）。
【0049】
本開示の制御システムは、具体的には、所望の性能および安全性を提供するために精密な制御を必要とするパラメータなどの、複数のストリームに関する複数のパラメータの精密な制御を提供する必要性により、上記で例示したような発電方法に関して有用であり得る。例えば、１つ以上の実施形態では、本制御システムは、本明細書に別途記載される機能のいずれか１つ以上に関して有用であり得る。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるような制御システムおよび制御方法は、具体的には、その開示内容が参照により本明細書に組込まれる、Ｆｅｔｖｅｄｔらによる米国特許第１０，１０３，７３７号に記載されるようないずれか１つ以上の要素および／または特徴を含み得る。
【0050】
１つ以上の実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、図１～図５に示されるシステムなどに関連する熱プロファイル調節に関し得る。そのようなシステムは、概して、１つ以上の制御入力１０１を受領し、制御ユニット１００に、１つ以上の制御出力１０２を介して実装される１つ以上の制御機能を実行する信号を有効に送るように構成される、少なくとも１つの制御ユニット１００を含み得る。制御入力１０１は、温度、圧力、流量、電力出力などの計測可能な特性に関し得、ここで記載されるシステムは、所望の出力を提供するように構成される１つ以上のセンサまたは他の計測部品を含み得る。制御出力１０２は、１つ以上の弁の開閉、１つ以上のストリームの流量を修正するための圧縮圧力もしくはポンプ速度の変更、または類似の動作変数の変更などの、システムの動作の変化を引き起こすのに有効であり得る。この目的に向けて、有用な制御システムを、様々な電力サイクル構成における電力出力および／またはタービン排気温度を制御するように適合または構成することができる。熱交換器５０における実質的に一定のタービン排出温度を維持することは、熱循環に関連する応力を減少させることができるが、完全には排除しない。本開示は、したがって、そのような欠点に対処するさらなる制御機能を提供することができる。例えば、タービン１０における電力需要が減少すると、出力圧力および質量流量の対応する減少が、ポンプ２０で生じ得る。これは、熱交換器の熱プロファイルに変化をもたらし得る。
【0051】
例示的実施形態では、本開示は、システムにおける変動する電力需要に関係なくシステム効率を維持し、代替または追加として、熱交換ユニットの１つ以上の部分の中の温度が（最大動作温度に関連し得る）所定の閾値温度を超えるのを防止するのに有効な１つ以上の制御機能を提供することができる。例えば、タービンでの全電力出力に適合する条件用に設計および最適化された主復熱式熱交換器は、電力需要が減少するにつれて次第に過剰になり得る。これは、熱交換器表面積が、タービン排気および高圧作動流体（超臨界二酸化炭素など）リサイクルストリームにおける比較的大きい質量流量用に指定されることになるためである。これは同様に、酸化剤流にも当てはまる場合がある。高圧作動流体リサイクル側における圧力の低下はまた、リサイクル流体（含まれる場合は酸化剤流も）のより低い比熱をもたらし得る。これらの変化は、平均熱交換器温度の上昇として累積的に現れる場合がある。そのような懸念に少なくとも部分的に対処するために、いくつかの実施形態では、熱交換器５０は、直列の複数の熱交換器として構成され得、ユニット間の界面温度は、タービンでの電力需要が減少すると上昇し得る。そのような温度の揺れは、熱応力を生み出し得るが、より重要なことに、故障モードももたらす場合がある。
【0052】
いくつかの実施形態では、熱交換器５０を、できるだけコスト効率が高くなるように構築することが望ましい場合がある。そのような手法は、熱交換器５０の温度範囲全体を通して異なる材料の使用をもたらし得る。全ての材料は、好ましくは、全タービン電力出力でのポンプ２０の最大排出圧（最高の性能に対する最小限の損失）を定格とするが、最低コストの解決策（最も安い材料および最低の累積質量）を促進する手段として、異なる温度に材料を設計することが必要であろう。したがって、生じ得る熱交換器平均温度の変化を考慮して設計限界エクスカーションを防止するために、プラント制御が、熱交換器５０の中間温度に影響を与えるのに有効な１つ以上の機能を含むことが好ましい場合がある。これは、本明細書で論じられるような様々な方法で達成され得る。より具体的には、制御機能は、熱交換ユニット（ＨＥＵ）の１つ以上の部分が最大動作温度を超えるのを防止するのに有効であり得る。したがって、１つ以上の制御が、ＨＥＵ（またはＨＥＵの１つ以上の特定の部分）の中の温度が最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号を出力するために実装され得る。そのような閾値は、例えば、製造者により定められるような最大動作温度より２０％未満、１０％未満、または５％未満低い場合がある。具体的には、高温信号を出力するための閾値は、最大動作温度の２０％～１％以内、１５％～１％以内、１０％～１％以内、２０％～２％以内、１５％～２％以内、１５％～５％以内、１０％～２％以内、または１０％～５％以内の範囲であり得る。
【0053】
したがって、本開示は、発電所の制御のための方法に関し得る。具体的には、図１～図５は、様々な実施形態に係る発電所の概略フロー図表を示し、本方法は、前述の図に関連して記載されかつ／または前述の図に明示される要素および／または機能の任意の組み合わせを組込むように実装され得る。いくつかの実施形態では、制御方法は、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端５０’と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端５０’’との間を通る複数のストリームで動作する熱交換ユニット（ＨＥＵ）５０の熱プロファイルを調整することを含み得る。より具体的には、調整するステップは、第１のＨＥＵ端５０’と第２のＨＥＵ端５０’’との間を通る複数のストリームの１つ以上の質量流量または体積流量を、複数のストリームの１つ以上に流体（例えば、質量流量もしくは体積流量）を追加するか、またはそれから流体（例えば、質量流量もしくは体積流量）を取り出すことによって変更する、制御機能を実装することを含み得る。１つ以上のストリームへの流体のこの追加または取り出しは、ＨＥＵ内の中間温度範囲で行われ得る。これは、追加または取り出しが、具体的には、第１のＨＥＵ端５０’と第２のＨＥＵ端５０’’との間に配置される点で行われ得ることを意味する。言い換えれば、これは、第２のＨＥＵ端より上流かつ第１のＨＥＵ端より下流で起こり得る。これは、例えば、ＨＥＵ ５０のほぼ中間点、または第１のＨＥＵ端からの距離の５～４５％、１０～４０％、もしくは２０～３５％以内にある点、または第１のＨＥＵ端からの距離の５～４５％、１０～４０％、もしくは２０～３５％以内にある点であり得る。したがって、流体の追加または取り出しは、第１の端部（すなわち、「高温」端）により近いＨＥＵの部分、または第２の端部（すなわち、「低温」端）により近いＨＥＵの部分で行われ得る。これらの点のいずれかが、本明細書では、ＨＥＵの「中間」位置と呼ばれ得る。いくつかの実施形態では、ＨＥＵは、単一の組込み型ユニットであり得る。他の実施形態では、ＨＥＵは、流体連通する複数のＨＥＵ部分の組み合わせであり得る。したがって、ＨＥＵの中間位置は、２つの別個のＨＥＵ部分の間の位置であり得る。
【0054】
１つ以上の実施形態では、図１に示されるように、１つ以上のタービン排気バイパスラインが、熱交換器５０の保護のために利用され得る。概して、図１では、燃料は、燃料源１２からライン１３を通り、必要に応じて燃料コンプレッサ１４で圧縮され、燃焼器１５燃焼される。酸化剤は、例えば、空気分離ユニット、酸素膜、または他の酸化剤源であり得る酸化剤源２５からライン２２を通る。酸化剤は、燃焼器１５に直接通されてよいが、示されるように、酸化剤は、ミキサ／ユニオン２７でリサイクルされたＣＯ２と混合された後、ポンプ４０で圧縮され、ライン２９で熱交換器５０を通り、燃焼器１５に向かうことができる。燃焼器において、燃料は、リサイクルされたＣＯ２の存在下で酸化剤を用いて燃焼されて、ライン１６で排気ストリームを形成し、排気ストリームは次いで、タービン１０で膨張されて、発電機１７で電力（例えば、電気）を発生させる。タービン排気は次いで、ライン１８でタービン１０を出る。
【0055】
すでに述べたようなバイパスを達成するために、ライン１８のタービン排気ストリームは、熱交換器５０を通り、タービン排気ストリームの一部は、ライン１で、中間温度で、熱交換器５０を出る。図１に示されるように、熱交換器５０は、２つの別々の熱交換器部分５０ａおよび５０ｂとして示されているが、破線は、別々の熱交換器部分が、異なる条件の複数の部分（例えば、２つ以上、３つ以上、またはさらに多くの部分）とともに動作する単一のＨＥＵとして接続され得ることを示す。弁５を、タービン排気ストリームの流れの一部がＨＥＵを出て、後に、熱交換器７０より上流、および／または分離器３５より上流、および／またはコンプレッサ３０より上流、および／またはポンプ２０より上流の点で、主タービン排気流に再合流し得るように、制御部によって必要に応じて開放することができる。したがって、ＨＥＵの熱プロファイルは、タービン排気ストリーム（すなわち、加熱ストリーム）の一部を、バイパスラインを通してＨＥＵの一部から迂回させることによって、有効に調整され得る。熱交換器５０の中間点でライン１８からタービン排気ガスの一部を除去することは、ライン１のタービン排気ストリームを得る熱交換器での温度未満で伝達される総熱エネルギーを減少させる正味の効果を与える。これは、熱交換器７０における負荷の増加を犠牲にして、熱交換器の残りの部分（例えば、熱交換部分５０ｂで利用可能な熱）に平均温度の低下をもたらす。
【0056】
必要に応じて、バイパスライン１を通して除去されたタービン排気ストリーム中の熱はまた、熱交換器５０にライン３９を通して提供されるリサイクルされたＣＯ２およびライン２９を通して提供される酸化剤以外の流体を加熱するのに使用されてもよい。この目的に向けて、バイパス熱交換器６０は、図示された電力サイクルの外部の任意のプロセスに熱エネルギーを提供する熱源として、ライン１のバイパスストリームを使用することができる。バイパス熱交換器６０は、単に、熱交換器ネットワーク５０の専用部分であってよいことに留意すべきである（例えば、バイパス熱交換器６０は、熱交換器５０と一体であり得、ライン１のストリームのみが熱の除去のためにそこを通るように動作し得る）。
【0057】
この方式で実装される制御機能は、したがって、制御部１００によって受領される１つ以上の信号に応答して、ＨＥＵを通る加熱ストリームの一部を、バイパスライン１を通してＨＥＵの一部から迂回させることができる。例えば、制御部１００によって受領される入力信号は、ＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号であり得る。例えば、温度出力１０１は、ＨＥＵ内の１つ以上のチェック点の１つ以上の温度センサから生成され得る。熱交換器５０内の温度チェック点は、制御部動作弁５へのフィードバックを提供するように構成され得る。したがって、制御部１００は、弁４または発電所のさらなる部品に信号１０２ａを出力して、所与の条件に適切なようにバイパスライン１を通る流体を加減させ得る。熱交換器５０内の中間温度が最大設計限界に近づくと、弁５の制御を提供する制御部は、弁５に開放するように信号を送ることになる。これは、バイパス熱交換器６０を通り、その後、熱交換器７０に移る、ライン１のストリームの流れを促すことになる。動作条件（例えば、電力需要）が、熱交換器５０内の中間温度が設計限界未満であるようなものの場合、弁５は、熱交換器５０の残り（例えば、熱交換部分５０ｂ）を通る流れを付勢するために、閉鎖されたままであり得る（または、すでに開放されている場合は閉鎖され得る）。これは、電力サイクルの熱回収を改善する利益を有する。任意の数のバイパスが、交換器列の様々な部分におけるより限定された温度制御を提供する手段として、熱交換器５０に並列に組込まれてよい。弁５および／または任意の他の温度制御弁のための制御部は、実際に、それにより電力サイクル内での熱回収が最小化される、電力サイクルが準最適に動作するような方法で動作し得る。このシナリオは、無炭素熱エネルギーの使用が、タービン１０での発電より熱交換器６０で多く使用される場合に起こり得る。
【0058】
さらなる実施形態では、バイパスライン１の制御は、タービン１０および発電機１７からの電力出力に基づいて達成され得る。例えば、発電所の発電機１７からの発電を変更するタービン１０の動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号１０１ｂは、制御部１００によって受領され得る。それに応答して、制御部１００は、ライン１を通る流体を加減させる出力１０２ｂを提供することができる。
【0059】
発電サイクルは、その他の点では、ライン１８のタービン排気が、排気ストリームが周囲温度付近まで冷却される熱交換器７０へのライン１９に通る前に、ミキサ／ユニオン２１などでライン１のバイパスストリームと合流することができるという点で連続的であり得る。排気ストリームは、次いで、３４を通って、分離器３５に入り、実質的に純粋なＣＯ２ストリームがライン３６に提供される。ＣＯ２ストリームは、次いでコンプレッサ３０で圧縮され、必要に応じて熱交換器８０で冷却され、次いでポンプ２０で所望の圧力範囲に圧送され、ライン３９を通って燃焼器１５にリサイクルされて戻る。必要に応じて、ライン３９のＣＯ２ストリームの一部は、上記で言及されたように、酸化剤との混合のために、ライン３８に分岐し、ミキサ／ユニオン２７に通ることができる。同様に、ライン３９のＣＯ２の一部は、分離され、輸送またはＥＯＲなどの他の最終用途のためにライン３７を通ってよい。分離器３５からの水は、排水ライン３３を通ってシステムから出ることができる。
【0060】
熱交換器温度制御のさらなる手段はまた、上記バイパススキームに加えて、１つ以上の制御機能を組込んでもよい。図２は、したがって、さらなる例示的実施形態を示し、図中、図１に関連してすでに記載された要素は実質的に変化していない。図２では、発電システムは、ポンプ２０およびポンプ４０から熱交換器５０を通る流れの一方または両方の少なくとも一部の再循環を提供するように構成され得る。例えば、弁６は、ライン３９で熱交換器５０を通るリサイクルＣＯ２ストリームの少なくとも一部の再循環に利用され得、その結果、リサイクルＣＯ２ストリームの前述の部分は、ライン１８のタービン排気ストリームに通る。同様に、弁７は、ライン２９で熱交換器５０を通る酸化剤ストリームの少なくとも一部の再循環に利用され得、その結果、酸化剤ストリームの前述の部分は、ライン１８のタービン排気ストリームに通る。
【0061】
ＨＥＵの熱プロファイルを調整することは、したがって、以下：ＨＥＵで加熱されているリサイクルストリームの一部をＨＥＵで冷却されている排気ストリームに通し、その結果、前述の調整が、ＨＥＵの一部を通る排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効であることと、ＨＥＵで加熱されている酸化剤ストリームの一部をＨＥＵで冷却されている排気ストリームに通し、その結果、前述の調整が、ＨＥＵの一部を通る排気ストリームの質量流量を増加させるのに有効であることとの一方または両方を含み得る。より具体的には、タービン１０の所望の出力が増加すると、燃焼器１５へのポンプ２０および／またはポンプ４０の吐出流量は、必要に応じて同様に増加するように制御され得る。ポンプが固定速度ユニットとして動作している場合、熱交換器５０におけるそれぞれの再循環ラインの適切な弁（例えば、ライン３９ａの弁６またはライン２９ａの弁７）は、閉鎖し始めるであろう。これは、燃焼器１５（および最終的にはタービン１０）により多くの質量流量を送達するだけでなく、熱交換器５０によって燃焼器１５に提供される熱エネルギーの量も増加させることになる。別の方法として、タービン１５の電力出力が減少すると、弁６および弁７は、必要に応じて開放され得る。これは、熱交換器５０の下半分（例えば、熱交換部分５０ｂ）を通る流量を人工的に増加させ、タービン排気温度を急冷し、熱交換器温度プロファイルを管理するのにさらに役立つ。
【0062】
制御機能は、したがって、リサイクルストリームの一部および酸化剤ストリームの一部の一方または両方を、以下の入力：発電所からの発電を変更するタービンの動作変化を引き起こすのに有効な電力需要の変化を示す信号（図１の信号１０１ｂを参照）と、ＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号（図１の信号１０１ａを参照）との一方または両方に応答して、排気ストリームに通すことを含み得る。出力信号１０２ｃおよび１０２ｄは、したがって、弁６および弁７を通る流体の通過をそれぞれ制御するために生成され得る。信号１０１ａおよび１０１ｂは、例示的実施形態として示されているが、同様の信号が、本システムの様々な部品から受領されてよいことが理解される。例えば、入力信号は、ポンプ２０、ポンプ４０、コンプレッサ３０、コンプレッサ３１、ＩＧＶ ３２、分離器３５、コンプレッサ１４のいずれか、および本明細書に記載されるラインのいずれかから、制御部によって受領され得る。したがって、信号は、システム内のある点での圧力、システム内のある点での流量、システム内のある点での温度、システム内のある点での化合物のモル濃度、または本明細書に別途記載されるような制御機能の実装に有用であり得る任意の類似のパラメータを対象とする情報に関し得る。例えば、好適な入力信号としては、以下のいずれか１つ以上が挙げられ得る：電力需要信号、（例えば、合成ガス流が所定の閾値量を超えることを示す）ガス化装置出力信号、（例えば、水素流が所定の閾値量を超えることを示す）水素需要信号、（例えば、生成された合成ガスの１つ以上の成分の推定または実測モル分率が所定の閾値を超えることを示すことができる）ガス化装置からの合成ガス化学信号、電力サイクルに送られている合成ガスストリーム（バイパスからの混合ストリームおよび水素減少合成ガスストリーム）の合成ガス化学を定める信号、原料変更信号、ＡＳＵ動作信号、窒素利用可能性信号、混合燃料ウォッベ指数信号など。同様に、出力信号は、本明細書に別途記載されるような制御機能を実装するために、システムの上記で例示した部品のいずれか１つ以上を制御するように送られ得る。
【0063】
最大出力（例えば、全負荷での動作）を有するようにタービン１０を動作させることが望ましい場合がある実施形態では、熱交換器バイパスライン１は、再循環ライン（２９ａ、３９ａ）を最小限で使用する熱交換器５０を通してほぼ瞬時に提供されているポンプ２０および／またはポンプ４０の最大流量と併せて、熱交換器５０における温度変化率を制限するために使用され得る。
【0064】
１つ以上の実施形態では、本開示に係る電力サイクルは、１つ以上の再圧縮システムを利用するように動作することができ、そのようなシステムを、同様に、再圧縮サイクルを通る流れを管理して、熱交換器５０における中間温度管理を達成するように制御することができる。再圧縮システムは、リサイクル流体を加圧するだけでなく、リサイクル温度最適化の手段として、電力サイクルの主復熱式熱交換器（例えば、熱交換器５０）に低品位熱も提供する。図３は、熱交換器５０の内部から生じる再圧縮システムを含む直接燃焼式ｓＣＯ２サイクルを示す。再循環コンプレッサ３１は、したがって、ＨＥＵ ５０を通る加熱タービン排気ストリームの一部を取り出し、取り出された加熱タービン排気ストリームの一部を圧縮し、圧縮された加熱タービン排気ストリームの一部をＨＥＵの下流部分で再合流させるために構成され得る。示されるように、タービン排気ストリームの一部は、ＨＥＵ部分５０ａとＨＥＵ部分５０ｂとの間で取り出され、ＨＥＵ部分５０ｂに再合流する。
【0065】
上に記載されたように、そのようなシステムからの電力需要の減少は、より高い平均熱交換器温度を生じることになる。これは、一定の排出圧が維持される場合、その吸引温度を（したがって、その排出温度も）上昇させることによって、再圧縮ライン３でコンプレッサ３１に影響を与える。コンプレッサ３１のエネルギー消費も、そのような実施形態では増加すると予想される。いくつかの実施形態では、この傾向は、ライン３の排出ストリームの実質的に一定の排出温度を維持しながら、コンプレッサ３１を通る流量を能動的に減少させることによって有効に覆され得る。コンプレッサ３１の制御部は、ライン３の１つ以上のチェック点を能動的に監視して、コンプレッサ３１の入口案内翼（ＩＧＶ）３２の場所にフィードバックを提供することによって、ライン３のストリームが最適化された所望温度を超えないことを保証することができる。この方式では、制御機能は、ＨＥＵの中の温度がＨＥＵの最大動作温度の所定の閾値以内であることを示す信号（例えば、図１の信号１０１ａを参照）に応答して、再循環コンプレッサ３１の入口案内翼（ＩＧＶ）３２を閉鎖することを含み得る。そのような出力信号は、図３に、信号１０２ｅとして示されている。
【0066】
伝統的な制御の下では、ＩＧＶは、サージに対する安全マージンを維持しながら、電力消費を制限するのに使用される。ＩＧＶは、様々な制御部によって吐出圧を制御するのに使用されてよい。しかしながら、特定の状況では、ＩＧＶは、手動制御され、リサイクルラインの流れを増加させるために開放されてよい。そのような場合、システムのインベントリは増加するであろう。これは、負荷の変更または下流のポンプの作動を先取りするために行われてよい。本開示のような温度最適化により具体的に関連して、最適化された温度に近づくと、コンプレッサ３１のＩＧＶは、ユニットを通る排気流を減少させるために閉鎖され得る。流れの減少、およびそれに続く熱交換器５０への低品位熱の追加は、平均熱交換器温度が低下するカスケード効果を生み出し得る。最終的に、コンプレッサ３１における流れの減少および吸引温度の低下のフィードバックは、チェック点における要件を満たす動作モードに収束するであろう。これはまた、熱交換器５０で得ることができるリサイクル温度レベルを最大化するために必要とされる、コンプレッサ３１における最低エネルギー消費をもたらすことになる。コンプレッサ３１のＩＧＶを閉鎖する場合、コンプレッサ３０のＩＧＶを開放して、流れの増加した量の加圧を可能にする必要があり得る。あるいは、熱回収が熱交換器６０で生じる場合、コンプレッサ３１の吸引温度は低下し得、ライン３の温度チェック点もそうなり得る。これは、実際は、コンプレッサ３１のＩＧＶを開放させて、より多くの熱を発生させることになる。反対に、コンプレッサ３１における増加した流れを考慮するために、コンプレッサ３０のＩＧＶを閉鎖する必要がある。全てのシナリオにおいて、ＩＧＶは、再循環ラインおよびクーラーで置き換えられ得る。
【0067】
さらなる実施形態では、熱交換器ネットワーク５０に熱を提供する別の方法を、図４に示されるように行うことができる。具体的には、さらなる熱源（ヒーター９０）を、熱交換器５０に中間温度で設けることができる。ヒーター９０は、直接または間接的に熱を提供することによって動作し得る。熱の供給源も様々であり得、例えば、電気資源、太陽資源、原子力資源、または燃料燃焼資源に由来するものであってよい。ヒーター９０はまた、熱交換器５０内のストリームのいずれか１つに位置し得る。一実施形態では、ヒーター９０は、タービン１０の排気流の酸素燃焼ダクトバーナーである。燃焼燃料排出物は、タービン排気流と自由に混合され、温度上昇に寄与する。熱エネルギーのこの追加は、いくつかの目的を果たし得る。例えば、示されるように、ヒーター９０は、バイパスライン１、再循環ライン２９ａおよび３９ａ、ならびに再圧縮ライン３の下流に位置し、それらは全て上に記載されている。この状況では、タービン１０の周りのサイクルのバランスが実質的に閉ループ方式で動作しながら、プラントは、本質的に予熱され得る。弁６および／または弁７に関連するバイパスラインは、それらの供給源の流れの一部または全てを逸らし得る。設計流量は、トリップシナリオ時のタービン１０の過速度保護に適応するように構成され得る。さらなる実施形態では、ヒーター９０を使用して、熱交換器ネットワーク５０の温度プロファイルが最小限に影響を受ける程度まで、熱交換器６０に追加の熱エネルギーを提供し得る。そのような実施形態では、ライン１は、熱交換器ネットワーク５０内のヒーター９０の下流でタービン排気流ライン１８から分岐するように再構成され得る。さらに別の実施形態では、ヒーター９０から提供される熱は、コンプレッサ３１のＩＧＶの閉鎖を刺激するのに使用され得る。タービン１０における電力出力変化、または熱交換器５０の熱交換器プロファイルの変化なしで、プラントからの正味の電力は、典型的には比較的高い動作効率を有するように構成されるコンプレッサ３０へ優先的に逸らされているリサイクル作動流体の加圧により、増加すると予想される。
【0068】
熱交換器５０のプロファイルに影響を与えるタービン排気温度に加えて、ライン２９および／または３９を通って熱交換器５０に入るストリームの温度は、同様に、低温エネルギーシンクとして機能するため、熱交換器プロファイルに影響を与えることになる。熱交換器５０が全電力出力に最適化されている実施形態では、リサイクル流体がポンプ２０を出て熱交換器５０に入る時に有する想定温度が存在する。サイクルが電力出力の減少を経験する場合、熱交換器５０に入るリサイクル流体の温度は、より低い圧力のためにポンプ２０で必要とされる仕事が減少することを考慮すれば、低下することになる。これは、平均熱交換器温度を低下させる効果がある。そのような効果は、熱交換器５０の中間温度チェック点の設計限界を超えないようにし得るが、タービン電力出力が変化すると、熱循環を増加させる。この現象は、ほぼ一定の排出温度を維持するために、ポンプ２０で行われる仕事を増加させることによって軽減され得る。ポンプ２０の排出口のライン３９におけるリサイクルＣＯ２ストリームの温度チェック点を使用して、ポンプ２０と関連して作動する制御部にフィードバックを提供することができる。制御部を使用して、コンプレッサ３０の排出口における設定値圧力にバイアスをかけることができる。タービンにおける負荷需要が減少するか、または熱交換器８０における冷却温度が低下する場合、コンプレッサ３０における設定値圧力も同様に低下することになる（逆の動作も同様に生じる）。ポンプ２０においてほぼ一定の排出温度を維持することが望ましいが、これは、全てのシナリオで実現可能ではない場合がある。ポンプ２０の吸引圧は、好ましくは、作動流体に関する温度－圧力相関曲線よりも低下することを許可されていない。曲線は、ポンプ２０での使用に適合する最小比重を満たす単一相の作動流体をもたらす熱交換器８０で必要とされる温度と圧力との一致を示す。コンプレッサ３０の排出圧のさらなる低下が実現可能でない場合、熱交換器８０の冷却負荷を、ポンプ２０の排出口における所望の設定値温度が達成されるまで減らすことができる。冷却負荷の変動は、温度－圧力相関曲線の最低要件が満たされるまで、冷却負荷とコンプレッサ３０の排出圧とのバランスを繰り返し取ることを促進し得る。上記スキームは、任意の数の直列のコンプレッサおよびポンプに適合することに留意すべきである。さらに、冷却水温度の変更は、負荷の変更と同等の効果を提供することができ、同様の方法で処理され得る。
【0069】
上記の温度制御スキームに加えて、熱交換器５０の温度も、ポンプ２０および／またはポンプ４０がオフの場合に、調整され得る。これは、例えば、クーラー８０および／もしくはクーラー７０、または（例えば、コンプレッサ８０が、中間冷却を有する多段コンプレッサとして構成される場合）コンプレッサ３０内のインタークーラーを通る冷却水の調節によって達成され得る。上記と同じ温度調節を提供するために、熱交換器５０の低温端に過剰の低品位熱を提供することが好ましい場合がある。さらに、前述の熱交換器の温度調節はまた、下流のポンプ２０および／またはポンプ４０が提供する仕事が、主復熱式熱交換器の仕事を提供することもできる吐出条件をもたらす程度まで、それらの吸込温度に影響を与えるために使用され得る。これは、同等の条件を実現可能な方法でもたらすことができる吸込圧の低下の代替として行われ得る。様々なポンプの吸込圧が、一定の圧力に維持され得る一方で、温度は、対応する排出圧を考慮して熱交換器のバランスを取るのに必要な適切な排出温度を提供するように調整され得る。
【0070】
本明細書に記載される様々な温度制御スキームは、独立して、または本明細書に記載されるさらなる制御スキームの１つ以上との任意の組み合わせで、使用され得る。複数の温度制御スキームが同時に使用される場合、それらの活動に、本明細書に記載されるような方法で優先順位をつけることができる。具体的には、ライン１によるタービン排気バイパスを通る流量が、タービン電力出力の全てのレベルで最小化されることが好まれ得る。これは、バイパスライン１を通って移動する流れに含まれる熱エネルギーが、電力サイクルを駆動する熱源に由来し得るためである。タービン排気とリサイクル流体との間の最大伝熱量を保つことは、最高電力サイクル効率を容易にする。あるいは、ヒーター９０の使用は、この効果を打ち消し、熱交換器６０での熱回収を可能にし、単にプラント資源のバランスを電力サイクルと共有することができる。その後、ポンプ２０の排出温度を、その最適値に制御することができる。最後に、再圧縮システム（例えば、ライン３およびコンプレッサ３１）を通る流量は、ライン３のチェック点における温度がその所望の最適値に近づく程度まで最小化または最大化され得る。
【0071】
さらなる実施形態では、熱管理は、電力サイクルタービン配置に関する１つ以上の制御機能を介して提供され得る。図５に見られるように、多段タービンまたは直列で動作するタービン部分は、主燃焼器１５に加えて１つ以上の介在熱源を有するように構成され得る。図５では、２つのタービン１０ａおよび１０ｂが１つの介在熱源９０とともに示されるが、２つ以上、３つ以上、またはさらなるタービンまたはタービン部分が、１つ以上、２つ以上、またはさらに多くの介在熱源とともに使用されてよい。具体的には、示されるように、ライン１６の燃焼器排気は、発電機１７ａに動力を供給する第１のタービン１０ａに通り、ライン１８ａに第１のタービン排気を提供し、これは介在ヒーター９０を通る。ライン１８ｂで介在ヒーター９０を出る加熱ストリームは、発電機１７ｂに動力を供給する第２のタービン（または最終タービン）１０ｂに通り、ライン１８ｃに第２のタービン（または最終タービン）排気を提供し、これは、本明細書に別途記載されるような熱交換器５０に通る。
【0072】
介在ヒーター９０に提供される熱は、任意の供給源（例えば、水蒸気、太陽、燃焼）に由来し得る。ある実施形態では、図５に示されるように、ヒーター９０は、燃焼ヒーターであってよい。したがって、燃料源１２からの燃料が、ライン１３０を通ってヒーター９０に提供されてよく、酸化剤源２５からの酸化剤が、ライン２２０を通ってヒーター９０に提供されてよい。
【0073】
本明細書に記載される主制御論理と同様に、ポンプ２０での流れの制御は、実質的な定常状態条件および過渡条件下で、熱交換器５０への吸込温度を制御するのに使用され得る。タービンアレイにおける負荷出力（例えば、アレイに存在する任意のタービンを出るか、または、より具体的には、アレイの最終タービンを出る）の変更は、燃焼器１０から介在ヒーター９０に、流れをより多くまたはより少なく逸らすことによって達成され得る。ライン３７に存在する弁８は、タービン１０ｂからの一定の排出圧を維持するのに使用され得、燃焼器１５と介在ヒーター９０との間の燃料の移動は、結果として生じるそれぞれのユニットの吸込温度を変更し得、したがって、タービン１０ａおよびタービン１０ｂに入るストリームの圧力も変更し得る。続いて、タービン１０ａおよびタービン１０ｂがそれぞれ行う相対仕事も、所与のシステム燃料入力に応じて変化し得る。タービン１０ａおよびタービン１０ｂの厳密な動作条件は、ユニットの効率に重大な影響を与え得る。そのようなシステム構成では、固定燃料流は、膨張機の動作特性をそれらの固有の性能曲線を考慮して変更することより、正味の電力出力の様々な変更をもたらし得る。この効果に関連して、ポンプ２０によって提供されるシステム全体の流量が、熱交換器５０内への一定の温度の維持に従って変化し得ることもある。電力サイクルへの燃料流は一定に保持され得るが、電力出力の減少が望まれる場合、熱交換器５０を通る排気流量は、ヒーター６０での熱回収を続けるように人工的に操作され得る。
【0074】
図１～図５から明らかなように、本開示は、発電所を制御するための方法だけでなく、電力プラント自体の構成にも関し得る。発電所は、示された図に関連して記載されるか、または本明細書に別途記載されるような部品の任意の組み合わせを含み得る。例えば、発電所は、少なくとも、タービン１０と、発電機１７と、熱交換ユニット（ＨＥＵ）５０と、１つ以上のコンプレッサ３０またはポンプ２０と、制御ユニット１００とを備え得る。加えて、ＨＥＵ ５０は、特に、第１の動作温度を有する第１のＨＥＵ端５０’と、第２のより低い動作温度を有する第２のＨＥＵ端５０’’との間を通る複数のストリーム間の熱交換のために構成され得る。ストリームとしては、例えば、タービン排気ストリーム１８、（実質的に純粋な二酸化炭素を含み得る）リサイクルストリーム３９、および（実質的に純粋な酸素を含み得るか、空気を含み得るか、または酸素と二酸化炭素との混合物を含み得る）酸化剤ストリーム２９が挙げられ得る。
【0075】
加えて、ＨＥＵは、第１のＨＥＵ端５０’と第２のＨＥＵ端５０’’との間に配置される点で、複数のストリームの１つ以上に質量流量を追加するか、またはそれから質量流量を取り出し、その結果、複数のストリームの１つ以上を通る流体の一部が、ＨＥＵの残りの部分を通る通路から逸れるように構成される１つ以上の部品を含み得る。例えば、図１を参照すると、タービン排気ストリーム１８の一部は、バイパスライン１を通って逸れ、したがって、ＨＥＵ部分５０ｂを通る通路から逸れる。上記に加えて、制御ユニットは、発電所の動作条件を定める信号１０１を受領し、それに基づいて、複数のストリームの１つ以上に流れ（例えば、質量流量もしくは体積流量）を追加するか、またはそれから流れを取り出すように構成される１つ以上の部品を制御するのに有効な信号１０２を出力するように構成され得る。いくつかの実施形態では、ＨＥＵ ５０は、タービンを出る少なくとも１つのタービン排気ストリームと、リサイクルストリームおよび酸化剤ストリームの一方または両方との間の熱交換のために構成され得る。さらに、複数のストリームの１つ以上に流れを追加するか、またはそれから流れを取り出すように構成される１つ以上の部品は、ＨＥＵの一部の周りでタービン排気ストリームの一部を逸らすように構成されるバイパスライン１およびバイパス弁５を含み得る。そのような構成では、プラントは、バイパスライン１とともに動作可能であり、そこを通って逸れたタービン排気ストリームの一部から１つ以上のさらなるストリーム２に熱を伝達するように構成される、バイパス熱交換器６０も含み得る。
【0076】
いくつかの実施形態では、複数のストリームの１つ以上に流れを追加するか、またはそれから流れを取り出すように構成される１つ以上の部品は、タービン排気ストリーム１８とリサイクルストリーム３９との間に置かれた再循環ライン３９ａおよび再循環弁６を含み得る。同様に、複数のストリームの１つ以上に流れを追加するか、またはそれから流れを取り出すように構成される１つ以上の部品は、タービン排気ストリーム１８と酸化剤ストリーム２９との間に置かれた再循環ライン２９ａおよび再循環弁７を含み得る。
【0077】
さらなる実施形態では、発電所は、ＨＥＵ ５０から独立した動作のために構成されるヒーター９０を含み得る。そのような独立した動作は、単に、ヒーター９０によって提供される熱が、ＨＥＵ ５０における熱交換を提供するのに使用される任意の加熱ストリーム以外の供給源に由来することを意味し得る。例えば、ヒーター９０は、第１のＨＥＵ端５０’と第２のＨＥＵ端５０’’との間に配置される点での、タービン排気ストリーム１８への熱の追加のために構成され得る。上ですでに述べたように、ヒーター９０は、例えば、燃焼ヒーターであり得る。さらなる構成および部品が、上ですでに論じられたような、図１～図５に関連して示されるさらなる部品に基づいて特定され得る。
【0078】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるような電力サイクル制御は、液化天然ガス（ＬＮＧ）再ガス化端と組み合わされる。例えば、その開示内容が参照により本明細書に組込まれる、Ａｌｌａｍらによる米国特許第９，５２３，３１２号を参照されたい。そのような実施形態では、燃料流量および温度調節のためのその関連送風機は、電力需要に加えて再ガス化需要を調整するように調節され得る。
【0079】
いくつかの実施形態では、本システムおよび方法は、タービンがそのシールを通して漏出し得る出来事を調整するように適合または構成され得る。そのような場合、コンプレッサが、シール漏出物を再圧縮し、それをストリームとコンプレッサとの間のサイクルに戻すために追加され得る。そのような場合、同じコンプレッサが、外部タンクまたはパイプラインからシステムを充填するスタートアップにも使用され得る。そのような場合、コンプレッサの吐出は、システムの低い圧力を調節する制御部を用いて制御され得る。コンプレッサの吸引は、タービングランドシールにおいて陽圧または陰圧のいずれかを生じるように制御され得る。陽圧から陰圧への変化は、大気混入由来の化学を調整するために、動作全体を通して変化し得る。
【0080】
上記のような燃焼サイクルの定常状態動作中、燃焼由来の生成物は、入ってくる燃料および酸化剤との物質収支を維持するために、サイクルから連続的に除去されなければならない（例えば、ライン３７を通したＣＯ２の除去および／またはライン３３を通した水の除去）。結果として生じるＨ２ＯおよびＣＯ２は、排水および／または放出されなければならないが、気相ＣＯ２が下流のプロセスで使用される場合、それは最高でタービン吸込圧の圧力で吐出され得る。最初に排水ステップを行う必要がある。残留ＳＯｘ／ＮＯｘは、その場で（例えば、分離器３５で）除去され得る。ＣＯ２は、次いで、発電サイクルに存在する作動流体ターボ機械を使用して、所望の圧力に圧縮および／または圧送され得る。さらに、ＣＯ２ストリームは、Ｏ２およびＡｒなどの微量混入物がさらに除去される浄化プロセスを受ける場合がある。この時点で、ストリームを、下流での使用のために輸送することができる。
【0081】
ＣＯ２を下流のプロセスでの使用の前に昇温する必要がある場合、発電サイクルの主復熱式熱交換器列で、タービン排気流路に対して向流式に加熱するのが望ましいことがある。輸送流が熱交換器アレイで加熱されると、タービンに入るリサイクルＣＯ２は、温度が低下することになる。この変化を防止するために、高温ガスコンプレッサを通る流量を、ユニットの入口案内翼（「ＩＧＶ」）を開放することによって増加させることができる。これは、熱交換器列への低品位熱の増加を提供する目的を果たすことになる。それはまた、主ＣＯ２コンプレッサを通るＣＯ２の総流量も減少させることになる。これは、新しい条件に適応するために、このユニットのＩＧＶを閉鎖させることになる。タービンにおける全体的な総電力出力は、吸込条件が以前と同じままであることを考慮すれば、変化しないであろう。リサイクルＣＯ２温度が維持されていることを考慮すれば、設備への燃料入力の変化もないであろう。むしろ、高温ガスコンプレッサが、加圧デバイスとして主ＣＯ２コンプレッサより低効率で動作することを考慮すれば、プラントの正味の電力出力は減少することになる。基本的な効果は、燃料が電気に変換され、次いで、吐出ＣＯ２ストリームの熱エネルギーとして輸送されることである。全ての燃焼および加圧活動は、電力サイクルの装置および制御能力によって固有に管理される。下流のプロセスへの熱の質および量は、復熱式熱交換器列によって加熱される輸送ＣＯ２の量、および高温ガスコンプレッサによって処理されるＣＯ２の総流量により、変動し得る。
【0082】
いくつかの実施形態では、本開示のシステムおよび方法は、発電サイクルの高温ガスコンプレッサが、サイクルの輸送ＣＯ２を原料および／または伝熱流体として利用する外部の工業プロセスのための熱源としても機能しながら、復熱式熱交換器の最適化のために低品位熱を提供することを可能にする。高温ガスコンプレッサは、下流の工業プロセスに熱を提供しながら、タービンへの吸込条件（したがって、全体的な性能）は変化しないような方法で管理される。したがって、タービンの熱循環は生じない。発電サイクルの正味の電力出力は、しかしながら、外部の工業プロセスのために発生させた熱が、高温ガスコンプレッサの寄生負荷を増加させることを考慮すれば、減少する（すなわち、電気を熱エネルギーに有効に逆変換する）。これは、発電サイクルのために生成される、１ＭＷｈｒ当たりに発生するＣＯ２を変動させる影響を与える（ＣＯ２需要対電力需要の差に柔軟に対処することを可能にする）。下流の工業プロセスへの利益は、専用の熱発生（例えば、天然ガスバーナーなど）および熱回収装置（蒸気ボイラー、チューブアンドシェル式交換器、給水ポンプなど）の必要性が排除されることである。同様に、下流のプロセスは、燃焼を介した熱エネルギーの発生が、発電サイクルのタービンで起こるため、排出物プロファイルなしで動作することができる。加えて、他の化学プロセスと異なり、発電サイクルで発生したＣＯ２は、その燃焼および下流のＤｅＳＮＯｘプロセスにより、追加の装置および溶媒なしで精製される。ＣＨ４、ＣＯ、Ｈ２、Ｃ２Ｈ６などの残留気体燃料は、燃焼によりＣＯ２から除去され、水蒸気、ＮＯｘ、および／またはＳＯｘは、下流の直接接触式クーラーで除去される。
【0083】
本開示に従って利用可能な制御機能は、ここで記載される発電システムおよび発電方法が、エネルギーに加えて、様々な最終製品を生産するために利用されることを可能にする。ＣＯ２発生、圧縮、および加熱プロセスを、発電サイクル内に完全に含めることができ、したがって、下流の工業プロセスが存在しない場合でも、電力サイクルにかねてから必要な装置を活用することが可能である。下流のプロセスへの熱入力のための天然ガスの燃焼は、オフピーク電力価格を活用してもよい。これは、発電サイクルが、電力、ＣＯ２、および熱を提供するトリジェネレーションプラントとして機能することを可能にし得る。
【0084】
いくつかの実施形態では、尿素合成が、電力サイクルと特に組み合わされてよく、これは、アンモニア源を必要とし得る。必要なアンモニア（ＮＨ３）は、基礎となる発電サイクルの副産物であり得るか、または（例えば、外部のアンモニアプラントから）商品として購入され得る。ＮＨ３が商品として購入される実施形態では、尿素合成のためのＣＯ２を輸送する、本開示に係る発電サイクルが行われて、電力および尿素の同時生産のための方法を提供することができる。具体的には、ＣＯ２を、本明細書に別途記載されるような燃焼プロセスで形成することができる（例えば、ライン３７から生成物として得られるか、ライン３９のいくつかの点から上昇した温度で得られるか、またはポンプ２０より上流においてより低い温度で得られる）。有利には、燃焼の高品位熱を、燃焼器排気またはタービン排気ストリームから（例えば、熱交換器５０からの点で）、低温リサイクルＣＯ２の要求燃焼吸込温度への向流加熱によって回収することができる。これは、具体的には、ポンプ２０を出る加圧ストリームであり得る。コンプレッサ（例えば、コンプレッサ３１）のＩＧＶ ３２を開放して、コンプレッサの吸込口でのＣＯ２流量を増加させ、したがって、下流の尿素合成プロセスのためにコンプレッサから発生させる低品位熱（例えば、約１５０～３００℃の温度）を増加させることができる。コンプレッサの吸込口でのＣＯ２流量を、下流の尿素合成に必要な追加の低品位熱の量によって決定することができる。その一方で、主コンプレッサ３０のＩＧＶを閉鎖して、そこに入るＣＯ２を対応して調整することができる。主熱交換器５０の排出口における全ＣＯ２を、液体水除去および（存在する場合は）ＳＯｘ／ＮＯｘ除去のために分離器３５に送ることができる。ＣＯ２を、（例えば、コンプレッサ３０およびポンプ２０で）要求圧力に圧縮および圧送することができ、ＣＯ２の一部を、約１４０～１７５ｂａｒの圧力で、主ＣＯ２ストリームから分離することができる。分離されたＣＯ２を、主熱交換器５０に導いて約１９０℃に加熱することができ、次いで、約１４０～１７５ｂａｒおよび約１９０℃の、ＣＯ２のこの部分を、下流の尿素生成ユニットに送ることができる。ＣＯ２のこの部分の最終温度、圧力、および流量を、尿素合成プロセスにより決定することができる。必要とされ得る低品位熱を、コンプレッサ３１または類似ユニットから発生させることができる。残りの要求ＣＯ２を、燃焼吸込圧に圧送し、主熱交換器５０においてタービン排気ストリームで燃焼吸込温度に加熱し、燃焼器１５に導くことができる。主熱交換器プロファイルは、この手法により維持される。
【0085】
さらなる実施形態では、尿素合成のためのＣＯ２を輸送する、本開示に係る発電サイクルを、発電サイクルで同時に発生するアンモニアを利用して行うことができる。そのような実施形態では、好適な原料を、好適な合成ガス生成ユニットで（例えば、ガス化装置または水蒸気メタン改質（「ＳＭＲ」）ユニットに送って粗合成ガスを作り出すことによって）、処理することができる。粗合成ガスを、アンモニア合成のために水素を粗合成ガスから分離することができる好適な分離ユニット（例えば、膜分離ユニット）によって処理することができる。水素希薄合成ガスを、本明細書に別途記載されるように、発電のために発電サイクルの燃焼器およびタービンに送ることができ、水素（またはその一部）を、アンモニア合成ユニットに送ることができる。タービン排気（ＣＯ２ストリーム）を、高品位熱の回収のために主熱交換器に導くことができる。ＣＯ２の一部を、尿素合成のための低品位熱の発生のためにコンプレッサに導くことができる。熱交換器を出る全ＣＯ２ストリームを、次いで、ＳＯｘ／ＮＯｘ除去のためにＤｅＳＮＯｘユニットに導くことができる。分離器３５の代わりとして、または分離器３５に加えて使用することができるこのユニットでは、原料中の全ての硫黄化合物は、ＣＯ２ストリームから除去される。したがって、酸性ガス除去システムまたは燃料ガス脱硫システムは、このポリジェネレーションシステムでは排除される。ＤｅＳＮＯｘユニットを出るＣＯ２は、周囲温度および約３０ｂａｒであり、液体水およびＳＯｘ／ＮＯｘを含まない。（発電サイクルの一体部分であり得る）空気分離ユニットからの窒素、および膜分離器からの水素は、アンモニア合成ユニットに送られる。アンモニア合成の動作条件は、約２００～２５０ｂａｒの圧力、および約４００～５００℃の温度であり得る。アンモニア合成プロセスの熱源は、タービン排気、高温ガス圧縮、またはシステム内の他の熱源に由来し得る。アンモニア合成ユニットから生成されるアンモニアは、化学製品として販売され得るか、または尿素を合成するために、ＤｅＳＮＯｘプロセスからの清浄なＣＯ２とともに尿素合成ユニットに送られ得る。アンモニアおよび尿素の一方または両方の生成は、図６に示され得る。
【0086】
さらなる実施形態では、本明細書に記載されるような発電サイクルを、ケロジェンの乾留などのプロセスと組み合わせることができる。ケロジェンは、現在は、開発鉱山材料を収集し、炉に入れることによって乾留される。本開示に係るプロセスは、採掘を完全に回避することができ、現在は使用不可能な深くの埋蔵量の採取および使用の選択肢を提供することができる。例示的実施形態では、加圧および加熱された（例えば、油の生産では約５０～１５０℃の温度に、またはガスの生産では約１５０～２００℃の温度に加熱する）ＣＯ２を、ビチューメンを含有する地下のケロジェン埋蔵物に注入することができる。加熱ＣＯ２は、ビチューメンを形成する堆積岩構造の中を通って移動し、油および／またはガスのいずれかの形態の、より軽質の炭化水素の形成をもたらす。ＣＯ２の圧力は、より軽質の炭化水素を収集のための表面に押し付ける。
【0087】
さらなる実施形態では、電力サイクルは、炭素の回収、利用、および塩水帯水層への貯留に関連して利用され得る。例えば、（例えば、ライン３７からの）加圧ＣＯ２を、要求される貯留圧力で塩水貯留場所に送達することができる。地下に注入する前に、ストリームを、発電サイクルを利用する本明細書に記載されるシステムおよび方法によって、貯留層の水露点超の温度に予熱することができる。塩水帯水層に接触すると、液体量の一部は、気化する。水蒸気（脱塩水）と注入されたＣＯ２流の一部との混合物は、隣接するリリーフ井を通って流れ、地上における水の採取およびＣＯ２の再利用を可能にする。脱塩を行うことに加えて、貯留層は減圧され、さらなるＣＯ２の貯留を可能にする。
【0088】
本明細書に記載されるようないくつかの実施形態では、ＣＯ２ストリームは、酸素を除去するために処理されて、炭化水素回収におけるＣＯ２利用能力を改善することができる。例示的実施形態では、１つ以上の高温ガスコンプレッサのＩＧＶを開放し、その結果、流れの増加が提供されて、プラント輸送流と同等のＣＯ２ストリームを、最高約２５０℃の温度に加熱することができる（この温度は、いくつかの実施形態では、コンプレッサの設計に応じて、より高くなり得る）。プラント輸送流は、所望の圧力で主熱交換器５０を通して提供され、コンプレッサ流で加熱され得るか、またはコンプレッサからその吐出時に直接導かれ得る。加熱されたＣＯ２輸送流は、次いで、メタン、天然ガス、またはＨ２が導入されるミキサに供給され得る。加熱された混合ストリームを、次いで、熱エネルギーが、ＣＯ２中の残留Ｏ２含有量を用いた燃料含有量の酸化を触媒する触媒燃焼器を通して処理することができる。結果として生じるストリームは、実質的にＯ２を含まず、増加した残留燃料含有量、ＣＯ２含有量、および／またはＨ２Ｏ含有量を含む。ストリームは、次いで冷却され、水分含有量の全てまたは一部が除去される。上記から分かるように、本開示は、特に、電力および１つ以上の最終製品のコジェネレーションのためのシステムおよび方法を提供することができる。例示的実施形態では、図６を特に参照すると、システムは、少なくとも燃焼器、タービン、熱交換器、および分離ユニットを含む発電ユニットであって、燃料ストリームおよび酸化剤を受領し、電力および実質的に純粋な二酸化炭素を出力するように構成される、発電ユニットと、原料を受領し、合成ガス生成物であって、その少なくとも一部が、発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効である、合成ガス生成物を提供するように構成される、合成ガス生成ユニットと、発電ユニットにおける酸化剤として使用するための酸素を提供するように構成され、窒素を提供するように構成される、空気分離ユニットと、アンモニア合成ユニットおよび尿素合成ユニットの一方または両方とを含み得る。
【0089】
ある実施形態では、アンモニア合成ユニットが特に存在し得る。そのような場合、アンモニア合成ユニットが、空気分離ユニットから窒素を受領するように構成され、水素源から水素を受領するように構成され、アンモニアを出力するように構成されるのが望ましいことがある。関連実施形態では、水素源は、合成ガス生成ユニットから合成ガス生成物の少なくとも一部を受領し、水素ストリーム、および発電ユニットにおける燃料ストリームの少なくとも一部としての使用に有効な水素減少合成ガスストリームを提供するように構成される、水素分離ユニットであり得る。
【0090】
いくつかの実施形態では、尿素合成ユニットが特に存在し得る。そのような場合、尿素合成ユニットが、窒素源から窒素を受領するように構成され、発電サイクルから二酸化炭素を受領するように構成され、尿素ストリームを出力するように構成されるのが望ましいことがある。関連実施形態では、窒素源は、具体的には、アンモニア合成ユニットであり得る。
【0091】
図６にさらに見られるように、システムおよび方法は、合成ガスの一部を、水素分離から迂回させて電力サイクルに直接進ませることができる、任意選択のバイパスおよび制御の使用を組込むことができる。これは、より多くの動作の自由度、ならびにガス化装置、電力サイクル、および水素生成の部分的な分離を可能にする。１つ以上の実施形態では、バイパスラインは、制御部（例えば、図１～図５の制御部１００）によって受領され得る様々な入力信号に基づいて制御され得る。例えば、好適な入力信号としては、以下のいずれか１つ以上が挙げられ得る：電力需要信号、（例えば、合成ガス流が所定の閾値量を超えることを示す）ガス化装置出力信号、（例えば、水素流が所定の閾値量を超えることを示す）水素需要信号、（例えば、生成された合成ガスの１つ以上の成分の推定または実測モル分率が所定の閾値を超えることを示すことができる）ガス化装置からの合成ガス化学信号、電力サイクルに送られている合成ガスストリーム（バイパスからの混合ストリームおよび水素減少合成ガスストリーム）の合成ガス化学を定める信号、原料変更信号、ＡＳＵ動作信号、窒素利用可能性信号、混合燃料ウォッベ指数信号など。１つ以上のこれらの入力信号に基づいて、図６に定められる動作ユニットの１つ以上は、動作可能に調整されて、所望の最終製品および／または所望の電力出力を提供し得る。同様に、そのような信号は、個々のユニット（例えば、発電、合成ガス生成、水素生成、アンモニア生成、空気生成物の生成、および尿素生成）のいずれか１つ以上のプロセス効率を修正するのに使用され得る。同様に、そのような信号は、設備全体の経済的な出力を調整するのに使用され得る。
【0092】
当業者であれば、前述の説明および付随する図面に示される教示の利益を有して本発明に関連する、本発明の多くの変更形態および他の実施形態を思いつくであろう。それゆえ、本発明は、開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、変更形態および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されていることを理解されたい。本明細書において特定の用語が用いられているが、それらは単に一般的かつ記述的な意味で使用されており、限定を目的としていない。本明細書における「約」および「実質的に」という語句の使用は、「約」特定の値または「実質的に」特定の値である値が、具体的には、厳密な量±５％、±４％、±３％、±２％、または±１％であり得るような関連度を示すことができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】