▶ レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロードの特許一覧
特表2022-542136複数の組み合わされたランキンサイクルを使用して電気エネルギーを生成するための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-09-29
(54)【発明の名称】複数の組み合わされたランキンサイクルを使用して電気エネルギーを生成するための方法
(51)【国際特許分類】
F01K 9/00 20060101AFI20220921BHJP
F01K 23/04 20060101ALI20220921BHJP
F01K 25/10 20060101ALI20220921BHJP
F01K 25/06 20060101ALI20220921BHJP
【ＦＩ】
F01K9/00 A
F01K9/00 D
F01K23/04 Z
F01K25/10 D
F01K25/06
F01K25/10 A
F01K25/10 R
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022505199
(86)(22)【出願日】2020-07-20
(85)【翻訳文提出日】2022-01-25
(86)【国際出願番号】 FR2020051303
(87)【国際公開番号】W WO2021019146
(87)【国際公開日】2021-02-04
(31)【優先権主張番号】1908490
(32)【優先日】2019-07-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】591036572
【氏名又は名称】レール・リキード－ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】レ ボット、パトリック
(72)【発明者】
【氏名】ルドン、エミリアン
【テーマコード（参考）】
3G081
【Ｆターム（参考）】
3G081BA02
3G081BA09
3G081BB05
3G081BB07
3G081BC02
3G081BC16
3G081BD01
(57)【要約】
【解決手段】 本発明は、少なくとも第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルを使用して電気エネルギーを生成するための方法に関し、第１のランキンサイクルは、少なくとも１つの第１の高温流（Ｃ１）に第１の作動流体（Ｗ１）の少なくとも一部を接触させて気化させることと、電気エネルギーを生成するための発電機と協働する第１の膨張部において、第１の作動流体（Ｗ１）を膨張させることと、次いで、少なくとも１つの第１の低温流（Ｆ１）に第１の作動流体（Ｗ１）の少なくとも一部を接触させて凝縮させることと、次いで、第１の作動流体（Ｗ１）の圧力を高めることと、第１のサイクルを閉じることとを含む。第２のランキンサイクルは、少なくとも１つの第２の高温流に第２の作動流体（Ｗ２）の少なくとも一部を接触させて気化させることと、電気エネルギーを生成するための発電機と協働する第２の膨張部において、第２の作動流体（Ｗ２）を第２の低圧Ｐｂ２に膨張させることと、次いで、少なくとも１つの第２の低温流（Ｆ２）に第２の作動流体（Ｗ１）の少なくとも一部を接触させて凝縮させることと、次いで、圧力を高めることと、第２のサイクルを閉じることとを含む。本発明によれば、第２のランキンサイクルの第２の高温流は、第１のランキンサイクルにおいて凝縮された第１の作動流体（Ｗ１）によって少なくとも部分的に形成され、第１の低温流（Ｆ１）は、第２のランキンサイクルからの第２の低温流（Ｆ２）によって形成される。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも１つの第１のランキンサイクル及び１つの第２のランキンサイクルを実行することによって電気エネルギーを生成するための方法であって、前記サイクルが、熱交換関係となるように流体を流すように構成されたいくつかのチャネルを備える少なくとも１つの熱交換装置において実行され、前記第１のランキンサイクルが、ａ）第１の高圧（Ｈｐ１）で第１の作動流体（Ｗ１）を少なくとも１つの第１のチャネル（１）に導入し、前記少なくとも１つの第１のチャネル（１）と熱交換関係にある少なくとも１つの第２のチャネル（２）に流れる少なくとも１つの第１の高温流（Ｃ１）に前記第１の作動流体（Ｗ１）の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｂ）電気エネルギーを生成するために第１の発電機と協働する第１の膨張部において、ステップａ）において少なくとも一部が気化された前記第１の作動流体（Ｗ１）を前記第１のチャネル（１）から送達し、第１の低圧（Ｌｐ１）に膨張させるステップと、
ｃ）ステップｂ）において膨張させた前記第１の作動流体（Ｗ１）を少なくとも１つの第３のチャネル（３）に導入し、前記少なくとも１つの第３のチャネル（３）と熱交換関係にある少なくとも１つの第４のチャネル（４）に流れる少なくとも１つの第１の低温流（Ｆ１）に前記第１の作動流体（Ｗ１）の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｄ）ステップｃ）において少なくとも部分的に凝縮された前記第１の作動流体（Ｗ１）を前記第３のチャネル（３）から送達し、圧力を前記第１の高圧（Ｈｐ１）に上昇させた後、前記第１のチャネル（１）に再導入するステップと
を含み、前記第２のランキンサイクルが、
ｅ）第２の高圧（Ｈｐ２）の第２の作動流体（Ｗ２）を少なくとも１つの第５のチャネル（５）に導入し、少なくとも１つの第２の高温流に前記第２の作動流体（Ｗ２）の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｆ）電気エネルギーを生成するために第２の発電機と協働する第２の膨張部において、ステップｅ）において少なくとも部分的に気化された前記第２の作動流体（Ｗ２）を前記第５のチャネル（５）から送達し、第２の低圧（Ｌｐ２）に膨張させるステップと、
ｇ）ステップｆ）において膨張させた前記第２の作動流体（Ｗ２）を少なくとも１つの第６のチャネル（６）に導入し、少なくとも前記第６のチャネル（６）と熱交換関係にある少なくとも１つの第７のチャネル（７）に流れる少なくとも１つの第２の低温流（Ｆ２）に前記第２の作動流体（Ｗ２）の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｈ）ステップｇ）において少なくとも部分的に凝縮された前記第２の作動流体（Ｗ２）を前記第６のチャネル（６）から送達し、圧力を前記第２の高圧（Ｈｐ２）に上昇させた後に、前記第５のチャネル（５）に再導入するステップと
を含み、
ステップｅ）において、前記第２のランキンサイクルの前記第２の高温流が、ステップｃ）において前記第３のチャネル（３）を流れる前記第１の作動流体（Ｗ１）によって少なくとも部分的に形成され、ステップｃ）において、前記第１の低温流（Ｆ１）が、前記第７のチャネル（７）を出る前記第２の低温流（Ｆ２）によって形成されることを特徴とする、方法。
【請求項2】
前記第２の低温流（Ｆ２）が、－１００℃未満の温度で前記第７のチャネル（７）に導入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
ステップｃ）において、前記第１の作動流体（Ｗ１）が前記第１の低温流（Ｆ１）に対して向流的に流れる、及び／又はステップｇ）において、前記第２の作動流体（Ｗ２）が前記第２の低温流（Ｆ２）に対して向流的に流れることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１のランキンサイクル及び前記第２のランキンサイクルが有機サイクルであり、前記第１の作動流体（Ｗ１）及び前記第２の作動流体（Ｗ２）が第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物をそれぞれ含み、前記第１の炭化水素混合物及び前記第２の炭化水素混合物がそれぞれ、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブテン、及びイソブタンから選択される少なくとも２種の炭化水素を、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びネオンから選択される少なくとも１種の追加の成分の添加を任意選択で伴って含むことが好ましいことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の高温流（Ｃ１）が、好ましくは厳密に０℃より高い温度、より好ましくは１０℃～３０℃の温度の海水から形成され、前記海水が、前記第２のチャネル（２）に導入される前に加熱ステップを場合により経ていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記第１の高圧（Ｈｐ１）が、前記第１の作動流体（Ｗ１）の前記第１の低圧（Ｌｐ１）の２．５～１５倍高い、及び／又は前記第２の高圧（Ｈｐ２）が、前記第２の作動流体（Ｗ２）の前記第２の低圧（Ｌｐ２）の２．５～１５倍高く、好ましくは２．５～１０倍高く、前記第１の高圧（Ｈｐ１）及び／若しくは前記第２の高圧（Ｈｐ２）が１０～４０バールであり、並びに／又は前記第１の低圧（Ｌｐ１）及び／若しくは前記第２の低圧（Ｌｐ２）が１．５～５バールであることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
ステップｄ）において、前記第３のチャネル（３）を出る前記第１の作動流体（Ｗ１）が、前記第１のチャネル（１）に再導入される前に、前記第３のチャネル（３）、前記第４のチャネル（４）、及び／若しくは前記第５のチャネル（５）と熱交換関係にある少なくとも１つの第９のチャネルに導入される、並びに／又はステップｈ）において、前記第６のチャネル（６）を出る前記第２の作動流体（Ｗ２）が、前記第５のチャネル（５）に再導入される前に、前記第６のチャネル（６）及び／若しくは前記第７のチャネル（７）と熱交換関係にある少なくとも１つの第１０のチャネル（１０）に導入されることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記第２の低温流（Ｆ２）が、液化天然ガスなどの液化炭化水素流、又は液化窒素流、液化酸素流、及び液化水素流から選択されることが好ましい極低温液体流であることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記第２の低温流（Ｆ２）が、－１４０℃～－１７０℃の温度で前記第７のチャネル（７）に完全に液化して導入される炭化水素、特に天然ガスの流れであり、前記第１の低温流（Ｆ１）が、５℃～５０℃の温度で完全に気化されて前記少なくとも１つの第４のチャネル（４）を出ることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
ステップｃ）の終了時に、前記第１の作動流体（Ｗ１）が第１の温度（Ｔ１）を有し、ステップｇ）の終了時に、前記第２の作動流体（Ｗ２）が前記第１の温度（Ｔ１）よりも低い第２の温度（Ｔ２）を有し、Ｔ１が－１１０℃～－８０℃であり、Ｔ２が－１２０℃～－１６０℃であることが好ましいことを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記第４のチャネル（４）を出る前記第１の低温流（Ｆ１）が、少なくとも１つの第８のチャネル（８）に導入されて、そこで前記第１の高温流（Ｃ１）及び／又は前記第１の作動流体（Ｗ１）に接触して加熱され、前記第８のチャネル（８）を出る前記第１の低温流（Ｆ１）が、５℃～５０℃の温度で完全に気化されることが好ましいことを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記第１のチャネル、前記第２のチャネル、前記第３のチャネル、前記第４のチャネル、前記第５のチャネル、前記第６のチャネル、前記第７のチャネル、前記第８のチャネル、前記第９のチャネル、及び／又は前記第１０のチャネルが、ろう付けされた平板タイプの少なくとも１つの熱交換器の一部を形成し、前記熱交換器が、前記熱交換器内のチャネルのいくつかの連なりの範囲を定めるように互いに間隔を空けたいくつかの平行平板のスタックを備えることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記第１のチャネル（１）及び前記第２のチャネル（２）が第１の熱交換器（Ｅ１）の一部を形成し、前記第３のチャネル（３）、前記第４のチャネル（４）、前記第５のチャネル（５）、及び／又は前記第９のチャネル（９）が第２熱交換器（Ｅ２）の一部を形成し、前記第６のチャネル（６）、前記第７のチャネル（７）、及び／又は前記第１０のチャネル（１０）が第３の熱交換器（Ｅ３）の一部を形成し、前記第１の熱交換器、前記第２の熱交換器、及び前記第３の熱交換器が物理的に異なるエンティティを形成することを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記第３のチャネル（３）、前記第４のチャネル（４）、前記第５のチャネル（５）、及び／又は前記第９のチャネル（９）と、前記第６のチャネル（６）、前記第７のチャネル（７）、及び／又は前記第１０のチャネル（１０）とが、同じ熱交換器（Ｅ）の一部を形成し、前記第２の低温流（Ｆ２）が、前記熱交換器（Ｅ）の低温端に位置し、前記熱交換器（Ｅ）の最低温度を有する第１の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された前記第１の作動流体（Ｗ１）が、前記熱交換器（Ｅ）の高温端に位置し、前記熱交換器（Ｅ）の最高温度を有する第２の入口から前記低温端と前記高温端との間に位置する前記熱交換器（Ｅ）の第１の中間レベルに配置された第２の出口まで導入され、ステップｆ）において膨張された前記第２の作動流体（Ｗ２）が、前記熱交換器（Ｅ）の前記第１の中間レベルと前記低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して前記熱交換器（Ｅ）に導入されることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
前記第１のチャネル（１）及び前記第２のチャネル（２）と、前記第３のチャネル（３）、前記第４のチャネル（４）、前記第５のチャネル（５）、及び／又は前記第９のチャネル（９）と、前記第６のチャネル（６）、前記第７のチャネル（７）、及び／又は前記第１０のチャネル（１０）とが、同じ熱交換器（Ｅ）の一部を形成し、前記第２の低温流（Ｆ２）が、前記熱交換器（Ｅ）の低温端に位置し、前記熱交換器（Ｅ）の最低温度を有する第１の入口から導入され、前記第１の高温流（Ｃ１）が、前記熱交換器（Ｅ）の高温端に位置し、前記熱交換器（Ｅ）の最高温度を有する第５の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された前記第１の作動流体（Ｗ１）が、前記低温端と前記高温端との間に位置する第３の中間レベルに配置された第２の入口から導入され、前記熱交換器（Ｅ）の前記第３の中間レベルと前記低温端との間に位置する前記熱交換器（Ｅ）の第１の中間レベルに配置された第２の出口を介して前記熱交換器（Ｅ）を出、ステップｆ）において膨張された前記第２の作動流体（Ｗ２）が、前記熱交換器（Ｅ）の前記第１の中間レベルと前記低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して前記熱交換器（Ｅ）に導入されることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記第２の低温流（Ｆ２）が、－１８０℃未満、好ましくは－１８０℃～ー２５３℃の温度で前記第７のチャネル（７）に導入される極低温液体流であることを特徴とする、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記方法が前記第２のランキンサイクルの上流で動作する第３のランキンサイクルを実行し、前記第３のランキンサイクルが、ｉ）前記第２の低温流（Ｆ２）を前記少なくとも１つの第７のチャネルに導入する前に少なくとも１つの第１２のチャネルに導入するステップと、
ｊ）前記第６のチャネル（６）と熱交換関係にある少なくとも１つの第１３のチャネルに第３の高圧（Ｈｐ３）の第３の作動流体（Ｗ３）を導入し、前記第６のチャネル（６）に流れる前記第２の作動流体（Ｗ２）に前記第３の作動流体（Ｗ３）の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｋ）電気エネルギーを生成するために第３の発電機と協働する第３の膨張部において、ステップｊ）から得られた前記第３の作動流体（Ｗ３）を第３の低圧（Ｌｐ３）に膨張させるステップと、
ｌ）前記第１２のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１４のチャネルに前記第３の作動流体（Ｗ３）を導入し、前記第２の低温流（Ｆ２）に前記第３の作動流体（Ｗ３）の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｍ）圧力を第３の高圧（Ｈｐ３）に上げた後、ステップｌ）から得られた前記第３の作動流体（Ｗ３）を前記第１３のチャネルに再導入するステップと
を含むことを特徴とする、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記第１の発電機、前記第２の発電機、及び／又は前記第３の発電機が、全く同一の発電機に統合され、前記第１の膨張部、前記第２の膨張部、及び／又は前記第３の膨張部が、前記発電機が前記第１のランキンサイクル、前記第２のランキンサイクル、及び／又は前記第３のランキンサイクルから同時に電気エネルギーを生成するように前記同一の発電機に結合されることを特徴とする、請求項１～１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
流体を熱交換関係となるように流すように構成されたいくつかのチャネルを備える少なくとも１つの熱交換装置を備える、第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルを実行するための手段を備える電気エネルギー生成設備であって、前記第１のランキンサイクルを実行するための手段が、第１の作動流体（Ｗ１）を流すように構成された少なくとも１つの第１のチャネル（１）と、
第１の高温流（Ｃ１）を流すように構成された少なくとも１つの第２のチャネル（２）であって、前記第２のチャネル（２）が、動作中、前記第１のチャネル（１）に導入された前記第１の作動流体（Ｗ１）が前記第１の高温流（Ｃ１）に接触して少なくとも部分的に気化されるように、前記第１のチャネル（１）と熱交換関係にある、少なくとも１つの第２のチャネル（２）と、
前記第１のチャネル（１）の下流に配置され、前記第１のチャネル（１）を出る前記第１の作動流体（Ｗ１）の圧力を第１の高圧（Ｈｐ１）から第１の低圧（Ｌｐ１）に低下させるように構成された第１の膨張部と、
前記第１の膨張部に結合された第１の発電機と、
前記第１の膨張部の下流に配置され、前記第１の膨張部によって膨張された前記第１の作動流体（Ｗ１）を流すように構成された少なくとも１つの第３のチャネル（３）と、
第１の低温流（Ｆ１）を流すように構成された少なくとも１つの第４のチャネル（４）であって、前記第４のチャネル（４）が、動作中、前記第３のチャネル（３）に導入された少なくとも部分的に気化した前記第１の作動流体（Ｗ１）が前記第１の低温流（Ｆ１）に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第３のチャネル（３）と熱交換関係にある、少なくとも１つの第４のチャネル（４）と、
前記第３のチャネル（３）の下流に配置され、前記第３のチャネル（３）を出る前記第１の作動流体（Ｗ１）の圧力を前記第１の低圧（Ｌｐ１）から前記第１の高圧（Ｈｐ１）に上昇させるように構成された第１の圧力上昇部と
を備え、
前記第２のランキンサイクルを実行するための手段が、
第２の作動流体（Ｗ２）を流すように構成された少なくとも１つの第５のチャネル（５）と、
前記第５のチャネル（１）の下流に配置され、前記第５のチャネル（５）を出る前記第２の作動流体（Ｗ２）の圧力を第２の高圧（Ｈｐ２）から第２の低圧（Ｌｐ２）に低下させるように構成された第２の膨張部と、
前記第２の膨張部に結合された第２の発電機と、
前記第１の膨張部の下流に配置され、前記第２の膨張部によって膨張された前記第１の作動流体（Ｗ１）を流すように構成された少なくとも１つの第６のチャネル（６）と、
前記第２の低温流（Ｆ２）を流すように構成された少なくとも１つの第７のチャネル（７）であって、前記第７のチャネル（７）が、動作中、前記第６のチャネル（６）を流れる前記第２の作動流体（Ｗ２）が前記第２の低温流（Ｆ２）に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第６のチャネル（６）と熱交換関係にある、少なくとも１つの第７のチャネル（７）と、
前記第６のチャネル（６）の下流に配置され、前記第６のチャネル（６）を出る前記第２の作動流体（Ｗ２）の圧力を前記第２の低圧（Ｌｐ２）から前記第２の高圧（Ｈｐ２）に上昇させるように構成された第２の圧力上昇部と、
を備え、
前記第５のチャネル（５）が前記第３のチャネル（３）と熱交換関係で配置されて、前記第２の作動流体（Ｗ２）が前記第３のチャネル（３）に導入された前記第１の作動流体（Ｗ１）に接触して少なくとも部分的に気化されることと、前記第７のチャネル（７）が前記第４のチャネル（４）の上流に配置され、前記第４のチャネル（４）と流体連通して配置されて、前記第４のチャネル（４）に導入された前記第１の低温流（Ｆ１）が、前記第７のチャネル（７）を出る前記第２の低温流（Ｆ２）によって形成されることとを特徴とする、電気エネルギー生成設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、収率の向上を伴う、いくつかのランキンサイクルの組み合わせを使用して電気エネルギーを生成するための方法に関する。液化天然ガスなどの極低温液体の流れが気化されて分配網に分配される場合、この流れをランキンサイクルの低温熱源として使用することができ、本発明による方法は、冷凍容量のアップグレードを伴って上記極低温液体流を確実に再ガス化することができる。
【背景技術】
【0002】
消費地から遠く離れたガス田から到来する天然ガスは、長距離輸送のために特別に適合された船、即ちメタンタンカー上に貯蔵される前に、液化されるのが一般的である。この理由は、液体の形態では天然ガスは所与の質量に対して占める体積が小さく、高圧で貯蔵する必要がないためである。
【0003】
液化天然ガス（ＬＮＧ）は、分配網に供給される前に、分配網に応じて１０～９０バールのオーダーの圧力で再ガス化、換言すれば、再気化されなければならない。この再気化は、ＬＮＧ基地において、通常は周囲温度で、海水、場合により天然ガスで加熱された海水と熱交換することによって行われる。その場合、液化天然ガスの冷凍容量はまったくアップグレードされない。
【0004】
液化天然ガスのフリゴリーから発電し、ひいてはそのエネルギー容量をアップグレードするための様々な方法が存在する。
【0005】
既知の方法の１つには、天然ガスを直接膨張させることに基づくものがある。液化天然ガスが、分配網の圧力を超える圧力まで圧縮され、海水などの高温熱源との熱交換によって気化されて、発電機と連携する膨張タービンで分配網の圧力まで膨張される。
【0006】
他の方法としては、中間流体即ち作動流体を使用する熱力学サイクルに基づくものがある。これらの方法の中にランキンサイクルがあり、ランキンサイクルでは、作動流体が、第１の熱交換器において海水などの高温熱源に接触して圧力下で気化されて、発電機に結合されたタービンで膨張される。次いで、膨張した作動流体は、第２の熱交換器において、サイクルの低温熱源として使用されるＬＮＧに接触して凝縮される。この結果、低圧の液体作動流体がもたらされ、低圧の液体作動流体が圧縮されて高圧で第１の熱交換器に再送達され、これによりサイクルが閉じる。
【0007】
ランキンサイクルは、地熱回収などの用途で作動流体として水を使用して機能し得るが、低温で蒸発する有機流体を使用することにより低温で低温熱源を利用できる。そして、これは、有機ランキンサイクルと呼ばれている。
【0008】
ＯＲＣサイクルは、従来、ＬＮＧを低温熱源として、海水を高温熱源として使用して工業化されているが、エネルギー収率は、気化したＬＮＧ１トン当たり２０ｋＷｈのオーダーのエネルギー収率、即ち０．０１５ｋＷｈ／Ｎｍ３と比較的低い。特に、作動流体としてプロパンを使用する従来のＯＲＣサイクルは、作動可能な温度が低いことによって制限され、プロパンの特性に起因して、高温熱源の温度は常に海水の温度になる。
【0009】
エネルギー収率を高めるために、いくつかの作動流体で動作するいくつかのサイクルを組み合わせることが提案されている。例えば、米国特許出願公開第２０１５／００７５１６４号明細書は、高温熱源が各サイクルの気化熱交換器に直列に供給され、低温熱源が各サイクルの凝縮熱交換器に並列に供給されるいくつかのサイクルの組み合わせを開示している。更に、米国特許出願公開第２００９／０１００８４５号明細書は、ＬＮＧがサイクルの凝縮熱交換器の低温熱源として使用され、同じ作動流体が低温熱源に接触して温度レベルに応じていくつかの圧力レベルで凝縮するいくつかのサイクルの組み合わせを開示している。しかしながら、従来技術による構成は、様々な理由で完全に満足のいくものではない。
【0010】
例えば、米国特許出願公開第２０１５／００７５１６４号明細書は、高温熱源に含まれるカロリーを回収するのに適しているが、高温熱源は、作動流体に熱を与え、これにより、熱回収熱交換器を相次いで通過するにつれて温度が低下する。この解決策は、低温熱源から低温を回収する課題を解決しない。
【0011】
更に、米国特許出願公開第２００９／０１００８４５号明細書は単一の作動流体を使用する。この場合、低温熱源が熱くなるほど、凝縮圧力が高くなる。よって、関連するタービンにおける膨張によって生成される電力は少ない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明の目的は、特に、従来技術と比較して低温の回収が改善され、エネルギー収率が更に向上する電気を生成するための方法を提案することによって、上記の問題の全部又は一部を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
よって、本発明による解決策は、少なくとも１つの第１のランキンサイクル及び１つの第２のランキンサイクルを実行することによって電気エネルギーを生成するための方法であって、前記サイクルが、熱交換関係となるように流体を流すように構成されたいくつかのチャネルを備える少なくとも１つの熱交換装置において実行され、前記第１のランキンサイクルが、
ａ）第１の高圧で第１の作動流体を少なくとも１つの第１のチャネルに導入し、前記少なくとも１つの第１のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第２のチャネルに流れる少なくとも１つの第１の高温流に前記第１の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｂ）電気エネルギーを生成するために第１の発電機と協働する第１の膨張部において、ステップａ）において少なくとも一部が気化された第１の作動流体を第１のチャネルから送達し、第１の低圧に膨張させるステップと、
ｃ）ステップｂ）において膨張させた第１の作動流体を少なくとも１つの第３のチャネルに導入し、前記少なくとも１つの第３のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第４のチャネルに流れる少なくとも１つの第１の低温流に前記第１の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｄ）ステップｃ）において少なくとも部分的に凝縮された前記第１の作動流体を第３のチャネルから送達し、圧力を第１の高圧に上昇させた後、第１のチャネルに再導入するステップと
を含み、第２のランキンサイクルが、
ｅ）第２の高圧の第２の作動流体を少なくとも１つの第５のチャネルに導入し、少なくとも１つの第２の高温流に前記第２の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｆ）電気エネルギーを生成するために第２の発電機と協働する第２の膨張部において、ステップｅ）において少なくとも部分的に気化された第２の作動流体を第５のチャネルから送達し、第２の低圧に膨張させるステップと、
ｇ）ステップｆ）において膨張させた第２の作動流体を少なくとも１つの第６のチャネルに導入し、少なくとも第６のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第７のチャネルに流れる少なくとも１つの第２の低温流に上記第２の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｈ）ステップｇ）において少なくとも部分的に凝縮された上記第２の作動流体を第６のチャネルから送達し、圧力を第２の高圧に上昇させた後に、第５のチャネルに再導入するステップと
を含み、
ステップｅ）において、第２のランキンサイクルの第２の高温流が、ステップｃ）において第３のチャネルを流れる第１の作動流体によって少なくとも部分的に形成され、ステップｃ）において、第１の低温流が、第７のチャネルを出る第２の低温流によって形成されることを特徴とする。
ａ）第１の高圧で第１の作動流体を少なくとも１つの第１のチャネルに導入し、前記少なくとも１つの第１のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第２のチャネルに流れる少なくとも１つの第１の高温流に前記第１の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｂ）電気エネルギーを生成するために第１の発電機と協働する第１の膨張部において、ステップａ）において少なくとも一部が気化された第１の作動流体を第１のチャネルから送達し、第１の低圧に膨張させるステップと、
ｃ）ステップｂ）において膨張させた第１の作動流体を少なくとも１つの第３のチャネルに導入し、前記少なくとも１つの第３のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第４のチャネルに流れる少なくとも１つの第１の低温流に前記第１の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｄ）ステップｃ）において少なくとも部分的に凝縮された前記第１の作動流体を第３のチャネルから送達し、圧力を第１の高圧に上昇させた後、第１のチャネルに再導入するステップと
を含み、第２のランキンサイクルが、
ｅ）第２の高圧の第２の作動流体を少なくとも１つの第５のチャネルに導入し、少なくとも１つの第２の高温流に前記第２の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｆ）電気エネルギーを生成するために第２の発電機と協働する第２の膨張部において、ステップｅ）において少なくとも部分的に気化された第２の作動流体を第５のチャネルから送達し、第２の低圧に膨張させるステップと、
ｇ）ステップｆ）において膨張させた第２の作動流体を少なくとも１つの第６のチャネルに導入し、少なくとも第６のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第７のチャネルに流れる少なくとも１つの第２の低温流に上記第２の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｈ）ステップｇ）において少なくとも部分的に凝縮された上記第２の作動流体を第６のチャネルから送達し、圧力を第２の高圧に上昇させた後に、第５のチャネルに再導入するステップと
を含み、
ステップｅ）において、第２のランキンサイクルの第２の高温流が、ステップｃ）において第３のチャネルを流れる第１の作動流体によって少なくとも部分的に形成され、ステップｃ）において、第１の低温流が、第７のチャネルを出る第２の低温流によって形成されることを特徴とする。
【0014】
場合により、本発明は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含み得る。
－ 第２の低温流は、－１００℃未満の温度で第７のチャネルに導入される。
－ ステップｃ）において、第１の作動流体が第１の低温流に対して向流的に流れる、及び／又はステップｇ）において、第２の作動流体が第２の低温流に対して向流的に流れる。
－ 第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルは有機サイクルであり、第１の作動流体及び第２の作動流体は第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物をそれぞれ含み、第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物はそれぞれ、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブテン、及びイソブタンから選択される少なくとも２種の炭化水素を、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びネオンから選択される少なくとも１種の追加の成分の添加を任意選択で伴って含むことが好ましい。
－ 第１の高温流は、好ましくは厳密に０℃より高い温度、より好ましくは１０℃～３０℃の温度の海水から形成され、海水は、第２のチャネルに導入される前に加熱ステップを場合により経ている。
－ 第１の高圧は、第１の作動流体の第１の低圧の２．５～１５倍高い、及び／又は第２の高圧は、第２の作動流体の第２の低圧の２．５～１５倍高く、第１の高圧及び／若しくは第２の高圧は１０～４０バールである、並びに／又は第１の低圧及び／若しくは第２の低圧は１．５～５バールであることが好ましい。
－ ステップｄ）において、第３のチャネルを出る第１の作動流体は、第１のチャネルに再導入される前に、上記第３のチャネル、上記第４のチャネル、及び／若しくは上記第５のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第９のチャネルに導入される、並びに／又はステップｈ）において、第６のチャネルを出る第２の作動流体は、第５のチャネルに再導入される前に、第６のチャネル及び／若しくは第７のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１０のチャネルに導入される。
－ 第２の低温流は、液化天然ガスなどの液化炭化水素流、又は液化窒素流、液化酸素流、及び液化水素流から選択されることが好ましい極低温液体流である。
－ 第２の低温流は、－１４０℃～－１７０℃の温度で第７のチャネルに完全に液化して導入される炭化水素、特に天然ガスの流れであり、第１の低温流は、５℃～５０℃の温度で完全に気化されて少なくとも１つの第４のチャネルを出る。
－ ステップｃ）の終了時に、第１の作動流体は第１の温度を有し、ステップｇ）の終了時に、第２の作動流体は第１の温度よりも低い第２の温度を有し、Ｔ１は－１１０℃～－８０℃であり、Ｔ２は－１２０℃～－１６０℃であることが好ましい。
－ 第４のチャネルを出る第１の低温流は、少なくとも１つの第８のチャネルに導入されて、そこで第１の高温流及び／又は第１の作動流体に接触して加熱され、第８のチャネルを出る第１の低温流は、５℃～５０℃の温度で完全に気化されることが好ましい。
－ 第１のチャネル、第２のチャネル、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、第６のチャネル、第７のチャネル、第８のチャネル、第９のチャネル、及び／又は第１０のチャネルは、ろう付けされた平板タイプの少なくとも１つの熱交換器の一部を形成し、前記熱交換器は、前記熱交換器内のチャネルのいくつかの連なりの範囲を定めるように互いに間隔を空けたいくつかの平行平板のスタックを備える。
－ 第１のチャネル及び第２のチャネルは第１の熱交換器の一部を形成し、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルは第２の熱交換器の一部を形成し、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルは第３の熱交換器の一部を形成し、上記第１の熱交換器、上記第２の熱交換器、及び上記第３の熱交換器は物理的に異なるエンティティを形成する。
－ 第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルと、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルとは、同じ熱交換器の一部を形成し、第２の低温流は、上記熱交換器の低温端に位置し、熱交換器の最低温度を有する第１の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された第１の作動流体は、上記熱交換器の高温端に位置し、熱交換器の最高温度を有する第２の入口から低温端と高温端との間に位置する熱交換器の第１の中間レベルに配置された第２の出口まで導入され、ステップｆ）において膨張された第２の作動流体は、熱交換器の第１の中間レベルと低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して熱交換器に導入される。
－ 第１のチャネル及び第２のチャネルと、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルと、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルとは、同じ熱交換器の一部を形成し、第２の低温流は、上記熱交換器の低温端に位置し、熱交換器の最低温度を有する第１の入口から導入され、第１の高温流は、上記熱交換器の高温端に位置し、熱交換器の最高温度を有する第５の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された第１の作動流体は、低温端と高温端との間に位置する第３の中間レベルに配置された第２の入口から導入され、熱交換器の第３の中間レベルと低温端との間に位置する熱交換器の第１の中間レベルに配置された第２の出口を介して上記熱交換器を出、ステップｆ）において膨張された第２の作動流体は、熱交換器の第１の中間レベルと低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して熱交換器に導入される。
－ 第２の低温流は、－１８０℃未満、好ましくは－１８０℃～ー２５３℃の温度で第７のチャネルに導入される極低温液体流である。
－ 本方法は、第２のランキンサイクルの上流で動作する第３のランキンサイクルを実行し、第３のランキンサイクルは、
ｉ）第２の低温流を少なくとも１つの第７のチャネルに導入する前に少なくとも１つの第１２のチャネルに導入するステップと、
ｊ）上記第６のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１３のチャネルに第３の高圧の第３の作動流体を導入し、第６のチャネルに流れる第２の作動流体に上記第３の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｋ）電気エネルギーを生成するために第３の発電機と協働する第３の膨張部において、ステップｊ）から得られた第３の作動流体を第３の低圧に膨張させるステップと、
ｌ）第１２のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１４のチャネルに第３の作動流体を導入し、第２の低温流に第３の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｍ）圧力を第３の高圧に上げた後、ステップｌ）から得られた第３の作動流体を第１３のチャネルに再導入するステップと
を含む。
第１の発電機、第２の発電機、及び／又は第３の発電機は、全く同一の発電機に統合され、第１の膨張部、第２の膨張部、及び／又は第３の膨張部が、上記発電機が第１のランキンサイクル、第２のランキンサイクル、及び／又は第３のランキンサイクルから同時に電気エネルギーを生成するようにこの同一の発電機に結合される。
－ 第２の低温流は、－１００℃未満の温度で第７のチャネルに導入される。
－ ステップｃ）において、第１の作動流体が第１の低温流に対して向流的に流れる、及び／又はステップｇ）において、第２の作動流体が第２の低温流に対して向流的に流れる。
－ 第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルは有機サイクルであり、第１の作動流体及び第２の作動流体は第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物をそれぞれ含み、第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物はそれぞれ、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、ブテン、及びイソブタンから選択される少なくとも２種の炭化水素を、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、及びネオンから選択される少なくとも１種の追加の成分の添加を任意選択で伴って含むことが好ましい。
－ 第１の高温流は、好ましくは厳密に０℃より高い温度、より好ましくは１０℃～３０℃の温度の海水から形成され、海水は、第２のチャネルに導入される前に加熱ステップを場合により経ている。
－ 第１の高圧は、第１の作動流体の第１の低圧の２．５～１５倍高い、及び／又は第２の高圧は、第２の作動流体の第２の低圧の２．５～１５倍高く、第１の高圧及び／若しくは第２の高圧は１０～４０バールである、並びに／又は第１の低圧及び／若しくは第２の低圧は１．５～５バールであることが好ましい。
－ ステップｄ）において、第３のチャネルを出る第１の作動流体は、第１のチャネルに再導入される前に、上記第３のチャネル、上記第４のチャネル、及び／若しくは上記第５のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第９のチャネルに導入される、並びに／又はステップｈ）において、第６のチャネルを出る第２の作動流体は、第５のチャネルに再導入される前に、第６のチャネル及び／若しくは第７のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１０のチャネルに導入される。
－ 第２の低温流は、液化天然ガスなどの液化炭化水素流、又は液化窒素流、液化酸素流、及び液化水素流から選択されることが好ましい極低温液体流である。
－ 第２の低温流は、－１４０℃～－１７０℃の温度で第７のチャネルに完全に液化して導入される炭化水素、特に天然ガスの流れであり、第１の低温流は、５℃～５０℃の温度で完全に気化されて少なくとも１つの第４のチャネルを出る。
－ ステップｃ）の終了時に、第１の作動流体は第１の温度を有し、ステップｇ）の終了時に、第２の作動流体は第１の温度よりも低い第２の温度を有し、Ｔ１は－１１０℃～－８０℃であり、Ｔ２は－１２０℃～－１６０℃であることが好ましい。
－ 第４のチャネルを出る第１の低温流は、少なくとも１つの第８のチャネルに導入されて、そこで第１の高温流及び／又は第１の作動流体に接触して加熱され、第８のチャネルを出る第１の低温流は、５℃～５０℃の温度で完全に気化されることが好ましい。
－ 第１のチャネル、第２のチャネル、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、第６のチャネル、第７のチャネル、第８のチャネル、第９のチャネル、及び／又は第１０のチャネルは、ろう付けされた平板タイプの少なくとも１つの熱交換器の一部を形成し、前記熱交換器は、前記熱交換器内のチャネルのいくつかの連なりの範囲を定めるように互いに間隔を空けたいくつかの平行平板のスタックを備える。
－ 第１のチャネル及び第２のチャネルは第１の熱交換器の一部を形成し、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルは第２の熱交換器の一部を形成し、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルは第３の熱交換器の一部を形成し、上記第１の熱交換器、上記第２の熱交換器、及び上記第３の熱交換器は物理的に異なるエンティティを形成する。
－ 第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルと、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルとは、同じ熱交換器の一部を形成し、第２の低温流は、上記熱交換器の低温端に位置し、熱交換器の最低温度を有する第１の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された第１の作動流体は、上記熱交換器の高温端に位置し、熱交換器の最高温度を有する第２の入口から低温端と高温端との間に位置する熱交換器の第１の中間レベルに配置された第２の出口まで導入され、ステップｆ）において膨張された第２の作動流体は、熱交換器の第１の中間レベルと低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して熱交換器に導入される。
－ 第１のチャネル及び第２のチャネルと、第３のチャネル、第４のチャネル、第５のチャネル、及び／又は第９のチャネルと、第６のチャネル、第７のチャネル、及び／又は第１０のチャネルとは、同じ熱交換器の一部を形成し、第２の低温流は、上記熱交換器の低温端に位置し、熱交換器の最低温度を有する第１の入口から導入され、第１の高温流は、上記熱交換器の高温端に位置し、熱交換器の最高温度を有する第５の入口から導入され、ステップｂ）において膨張された第１の作動流体は、低温端と高温端との間に位置する第３の中間レベルに配置された第２の入口から導入され、熱交換器の第３の中間レベルと低温端との間に位置する熱交換器の第１の中間レベルに配置された第２の出口を介して上記熱交換器を出、ステップｆ）において膨張された第２の作動流体は、熱交換器の第１の中間レベルと低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口を介して熱交換器に導入される。
－ 第２の低温流は、－１８０℃未満、好ましくは－１８０℃～ー２５３℃の温度で第７のチャネルに導入される極低温液体流である。
－ 本方法は、第２のランキンサイクルの上流で動作する第３のランキンサイクルを実行し、第３のランキンサイクルは、
ｉ）第２の低温流を少なくとも１つの第７のチャネルに導入する前に少なくとも１つの第１２のチャネルに導入するステップと、
ｊ）上記第６のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１３のチャネルに第３の高圧の第３の作動流体を導入し、第６のチャネルに流れる第２の作動流体に上記第３の作動流体の少なくとも一部を接触させて気化させるステップと、
ｋ）電気エネルギーを生成するために第３の発電機と協働する第３の膨張部において、ステップｊ）から得られた第３の作動流体を第３の低圧に膨張させるステップと、
ｌ）第１２のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１４のチャネルに第３の作動流体を導入し、第２の低温流に第３の作動流体の少なくとも一部を接触させて凝縮させるステップと、
ｍ）圧力を第３の高圧に上げた後、ステップｌ）から得られた第３の作動流体を第１３のチャネルに再導入するステップと
を含む。
第１の発電機、第２の発電機、及び／又は第３の発電機は、全く同一の発電機に統合され、第１の膨張部、第２の膨張部、及び／又は第３の膨張部が、上記発電機が第１のランキンサイクル、第２のランキンサイクル、及び／又は第３のランキンサイクルから同時に電気エネルギーを生成するようにこの同一の発電機に結合される。
【0015】
別の態様によれば、本発明は、流体を熱交換関係となるように流すように構成されたいくつかのチャネルを備える少なくとも１つの熱交換装置を備える、第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルを実行するための手段を備える電気エネルギー生成設備に関し、第１のランキンサイクルを実行するための手段が、
－ 第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第１のチャネルと、
－ 第１の高温流を流すように構成された少なくとも１つの第２のチャネルであって、前記第２のチャネルが、動作中、第１のチャネルに導入された第１の作動流体が第１の高温流に接触して少なくとも部分的に気化されるように、前記第１のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第２のチャネルと、
－ 前記第１のチャネルの下流に配置され、第１のチャネルを出る第１の作動流体の圧力を第１の高圧から第１の低圧に低下させるように構成された第１の膨張部と、
－ 第１の膨張部に結合された第１の発電機と、
－ 第１の膨張部の下流に配置され、第１の膨張部によって膨張された第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第３のチャネルと、
－ 第１の低温流を流すように構成された少なくとも１つの第４のチャネルであって、前記第４のチャネルが、動作中、第３のチャネルに導入された第１の作動流体が第１の低温流に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第３のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第４のチャネルと、
－ 前記第３のチャネルの下流に配置され、第３のチャネルを出る第１の作動流体の圧力を第１の低圧から第１の高圧に上昇させるように構成された第１の圧力上昇部と
を備え、
第２のランキンサイクルを実行するための手段が、
第２の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第５のチャネルと、
－ 前記第５のチャネルの下流に配置され、第５のチャネルを出る第２の作動流体の圧力を第２の高圧から第２の低圧に低下させるように構成された第２の膨張部と、
－ 第２の膨張部に結合された第２の発電機と、
－ 第１の膨張部の下流に配置され、第２の膨張部によって膨張された第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第６のチャネルと、
－ 第２の低温流を流すように構成された少なくとも１つの第７のチャネルであって、前記第７のチャネルが、動作中、第６のチャネルを流れる第２の作動流体が第２の低温流に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第６のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第７のチャネルと、
－ 前記第６のチャネルの下流に配置され、第６のチャネルを出る第２の作動流体の圧力を第２の低圧から第２の高圧に上昇させるように構成された第２の圧力上昇部と、
を備え、
第５のチャネルは第３のチャネルと熱交換関係で配置されて、第２の作動流体が第３のチャネルに導入された第１の作動流体に接触して少なくとも部分的に気化されることと、第７のチャネルが第４のチャネルの上流に配置され、上記第４のチャネルと流体連通して配置されて、第４のチャネルに導入された第１の低温流が、第７のチャネルを出る第２の低温流によって形成されることとを特徴とする。
－ 第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第１のチャネルと、
－ 第１の高温流を流すように構成された少なくとも１つの第２のチャネルであって、前記第２のチャネルが、動作中、第１のチャネルに導入された第１の作動流体が第１の高温流に接触して少なくとも部分的に気化されるように、前記第１のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第２のチャネルと、
－ 前記第１のチャネルの下流に配置され、第１のチャネルを出る第１の作動流体の圧力を第１の高圧から第１の低圧に低下させるように構成された第１の膨張部と、
－ 第１の膨張部に結合された第１の発電機と、
－ 第１の膨張部の下流に配置され、第１の膨張部によって膨張された第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第３のチャネルと、
－ 第１の低温流を流すように構成された少なくとも１つの第４のチャネルであって、前記第４のチャネルが、動作中、第３のチャネルに導入された第１の作動流体が第１の低温流に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第３のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第４のチャネルと、
－ 前記第３のチャネルの下流に配置され、第３のチャネルを出る第１の作動流体の圧力を第１の低圧から第１の高圧に上昇させるように構成された第１の圧力上昇部と
を備え、
第２のランキンサイクルを実行するための手段が、
第２の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第５のチャネルと、
－ 前記第５のチャネルの下流に配置され、第５のチャネルを出る第２の作動流体の圧力を第２の高圧から第２の低圧に低下させるように構成された第２の膨張部と、
－ 第２の膨張部に結合された第２の発電機と、
－ 第１の膨張部の下流に配置され、第２の膨張部によって膨張された第１の作動流体を流すように構成された少なくとも１つの第６のチャネルと、
－ 第２の低温流を流すように構成された少なくとも１つの第７のチャネルであって、前記第７のチャネルが、動作中、第６のチャネルを流れる第２の作動流体が第２の低温流に接触して少なくとも部分的に凝縮されるように、前記第６のチャネルと熱交換関係にある、少なくとも１つの第７のチャネルと、
－ 前記第６のチャネルの下流に配置され、第６のチャネルを出る第２の作動流体の圧力を第２の低圧から第２の高圧に上昇させるように構成された第２の圧力上昇部と、
を備え、
第５のチャネルは第３のチャネルと熱交換関係で配置されて、第２の作動流体が第３のチャネルに導入された第１の作動流体に接触して少なくとも部分的に気化されることと、第７のチャネルが第４のチャネルの上流に配置され、上記第４のチャネルと流体連通して配置されて、第４のチャネルに導入された第１の低温流が、第７のチャネルを出る第２の低温流によって形成されることとを特徴とする。
【0016】
特に、上記設備はまた、上記第３のチャネル、上記第４のチャネル、及び／又は上記第５のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第９のチャネルを備えることができ、上記第９のチャネルは、第３のチャネルを出る第１の作動流体が第１のチャネルに再導入される前に上記少なくとも１つの第９のチャネルに導入されるように構成される。代替的又は追加的に、上記設備は、ステップｈ）において第６のチャネル及び／又は第７のチャネルと熱交換関係にある少なくとも１つの第１０のチャネルを備えることができ、第１０のチャネルは、第６のチャネルを出る第２の作動流体が第５のチャネルに再導入される前に少なくとも１つの第１０のチャネルに導入されるように構成される。
【0017】
「天然ガス」という用語は、少なくともメタンを含む炭化水素を含む任意の組成物を指す。これは、「生の」組成物（任意の処理又はスクラビングの前のもの）、及び硫黄、二酸化炭素、水、水銀、並びに特定の重質炭化水素及び芳香族炭化水素を含むがこれらに限定されない１種又は複数種の化合物の還元及び／又は除去のために部分的、実質的又は完全に処理された任意の組成物を含む。
【0018】
ここで、非限定的な例として与えられるものであり、添付の図を参照して行われる以下の説明によって、本発明はよりよく理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【発明を実施するための形態】
【0020】
図１は、第１のランキンサイクル及び第２のランキンサイクルの組み合わせにおいて、低温流、すなわち低温熱源として使用される炭化水素流Ｆ２、Ｆ１から冷凍エネルギーを回収することによって電気を生成するための方法を概略的に示している。ランキンサイクルは、少なくとも１つの熱交換装置によって実行され、少なくとも１つの熱交換装置は、いくつかの流体を流すのに適したチャネルを備え、上記流体間での直接の又は間接的な熱交換を可能にする任意の装置であり得る。
【0021】
本発明による方法は、２つのランキンサイクルの場合における以下に記載されるものと同じ原理にしたがって組み合わされた２つ以上のランキンサイクルを含み得ることを理解されたい。
【0022】
特に、低温流Ｆ２、Ｆ１は、天然ガスとすることができる。
【0023】
以下に詳述する各実施形態では、本方法の様々な流体が、アルミニウムで作られると都合がよい、プレートフィン型の１つ又は複数のろう付けされた熱交換器を流れる。これらの熱交換器は、低温度差の下で、圧力損失を減らして作動することを可能にするため、上記の液化方法のエネルギー性能を改善する。平板熱交換器はまた、限られた体積で大きな熱交換面を提供する非常にコンパクトな装置を得るという利点を提供する。
【0024】
これらの熱交換器は、長さ及び幅の２次元に延びるプレートのスタックを備え、これにより、チャネルのいくつかの連なりのスタックを構成し、チャネルの一部は発熱流体、この場合はサイクルの作動流体の循環を目的としており、他のチャネルは冷媒流体、この場合は気化される液化天然ガスなどの極低温液体の循環を目的としている。
【0025】
熱交換波板又はフィンなどの熱交換構造体は、一般に、熱交換器のチャネルに配置される。これらの構造体は、熱交換器プレート間に延び、熱交換器の熱交換面を増やすフィンを備える。
【0026】
しかしながら、平板熱交換器、円筒多管式熱交換器、又はケトルアセンブリのコア、すなわち、冷媒流体が気化するシェルに埋め込まれた平板熱交換器又はプレートフィン型熱交換器など、他のタイプの熱交換器を使用することもできることに留意されたい。
【0027】
図１は、第１のランキンサイクルが、第１の熱交換器Ｅ１及び第２の熱交換器Ｅ２によって実行される実施形態を概略的に示している。
【0028】
熱交換器Ｅ１、Ｅ２はそれぞれ、プレートに直交するいわゆるスタッキング方向に間隔を置いて重なり合って平行に配置されたいくつかのプレート（図示せず）のスタックを備えると都合がよい。このようにして、プレートを介して間接熱交換関係に至るプロセス流体のための複数のチャネルが得られる。チャネルは、２つの隣接するプレートの間に形成される。２つの連続するプレートの間の間隔は、各連続するプレートの長さ及び幅に比べて小さくし、それにより熱交換器の各チャネルが、平坦な平行六面体の形状を有することが好ましい。同じ流体の循環を目的としたチャネルは、チャネルの連なりを形成する。各熱交換器は、全体の流れ方向ｚに平行な様々なプロセス流体を導くように構成されたチャネルのいくつかの連なりを備え、１つ連なりのチャネルが、全体又は部分的に、別の連なりのチャネルの全部又は一部と交互に及び／又は隣接して、すなわち別の流体の流れを目指して配置される。
【0029】
プレートの縁部に沿ったチャネルは、一般に、プレート上に固定された横方向及び縦方向の密閉バーによって確実に密閉される。横方向の密閉バーはチャネルを完全には閉鎖せず、流体の導入及び除去のために入口開口部及び出口開口部を残す。これらの入口開口部及び出口開口部は、略半管状の形状のマニホールドによって接合され、同じ連なりのすべてのチャネルで流体が確実に均一に分配及び回収されるようにしている。
【0030】
第１の熱交換器Ｅ１は、第１のランキンサイクルにおける気化器として機能する。図１に示されるように、第１の作動流体Ｗ１が、少なくとも１つの第１のチャネル１において入口１１から出口１２まで流れる。第１の高温流Ｃ１が、入口２１から出口２２まで第１の熱交換器に導入される。第１の作動流体Ｗ１は、第１の高温流Ｃ１との熱交換によって気化される。
【0031】
第１の熱交換器Ｅ１を出た後、気化した第１の作動流体Ｗ１は、膨張した流体によって生成された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する第１の発電機Ｇに結合された第１の膨張部、好ましくはタービンにおいて膨張される。
【0032】
膨張した後、第１の作動流体Ｗ１は、少なくとも１つの第３のチャネル３の入口３１から出口３２まで、第２の熱交換器Ｅ２に導入される。第１の作動流体Ｗ１は、第２の熱交換器Ｅ２の少なくとも１つの第４のチャネル４を入口４１から出口４２に流れる第１の低温流Ｆ１との熱交換関係に至る。第１の作動流体Ｗ１は、第１の低温流Ｆ１を加熱することにより凝縮され、出口３２から出て、ポンプなどの圧力上昇部によって加圧された後、第１の熱交換器Ｅ１に再送達され、これにより第１のサイクルが閉じる。
【0033】
第１の膨張部における膨張の結果として得られる第１の作動流体Ｗ１は、場合により２相状態であり得、第２の熱交換器Ｅ２の上流で液相と気相とに分離しているか否かにかかわらず導入され得ることに留意されたい。
【0034】
「高温流」又は「低温流」という用語は、別の流体との熱交換によって熱源又は冷熱源を提供する１つ又は複数の流体によって形成された流れを指す。
【0035】
加えて、第２の作動流体Ｗ２、好ましくは第１の作動流体Ｗ１の組成とは異なる組成の第２の作動流体Ｗ２が、入口５１を介して出口５２まで第２の熱交換器Ｅ２に導入され、少なくとも１つの第５のチャネル５に流れ、第５のチャネル５において、第２の作動流体Ｗ２は、第２の熱交換器Ｅ２に導入された第１の作動流体Ｗ１との熱交換によって気化されるとともに、上記第１の作動流体Ｗ１は第３のチャネル３において冷却され凝縮される。第２の熱交換器Ｅ２は、第１のサイクルの凝縮器と、第２のサイクルの気化器との両方として機能する。
【0036】
第２の作動流体Ｗ２は、第１のサイクルと同じ原理にしたがって膨張され、場合により２相形態で、前記２相の液体を導入前に相分離したか又は相分離していない状態で、第３の熱交換器Ｅ３に少なくとも１つの第６のチャネル６の入口６１から出口６２まで導入され、少なくとも１つの第６のチャネル６において、少なくとも１つの第７のチャネルを流れる第２の低温流Ｆ２を加熱することによって凝縮される。第３の熱交換器は、第２のサイクルの凝縮器を形成する。出口６２から得られた第２の作動流体Ｗ２は、圧力上昇部によって汲み上げられてチャネル５の入口５１を介して再導入され、これにより第２のサイクルが閉じる。第１の熱交換器Ｅ１及び第２の熱交換器Ｅ２について上で説明した構造的特徴は、全体的又は部分的に第３の熱交換器Ｅ３に適用可能である。
【0037】
本発明によれば、第１のランキンサイクルの第１の低温流Ｆ１は、第２のランキンサイクルから得られた第２の低温流Ｆ２によって形成され、すなわち、同じ低温流が、直列に各サイクルに供給され、各サイクルにおいて、この低温流は、第２の作動流体Ｗ２及び第１の作動流体Ｗ１に接触して、つまりこれらの作動流体との熱交換によって、少なくとも部分的に気化され、徐々に加熱される。そのため、第１の低温流Ｆ１は場合により２相流であり得る。
【0038】
加えて、第２の熱交換器の第３のチャネル３に導入された第１の作動流体Ｗ１は、第２のランキンサイクルの高温流の少なくとも一部、好ましくは全部を形成するために使用される。よって、第２のサイクルの高温熱源は、第１のサイクルの作動流体の冷却及び凝縮によって少なくとも部分的に提供される。
【0039】
このような配置は、少なくとも１つの第７のチャネル７における低温流Ｆ２の入口温度と少なくとも１つの第４のチャネルの出口における低温流Ｆ１の温度との間の温度勾配全体にわたって、低温のより効率的な回収を確実にすることにより、低温流を再ガス化することを可能にする。具体的には、低温流からのフリゴリーの回収は、第４のチャネル４及び第７のチャネル７の温度レベルが異なる部分で個別に実行される。次いで、第１の作動流体及び第２の作動流体のそれぞれの特性を、これらの温度レベルに適した沸騰温度を有するように最適に適合させることができる。このことは、特に、加熱される低温流Ｆ２の特性、特にその圧力、温度、組成などに応じて作動流体の温度、圧力、及び／又は組成を調整することによって、本方法のエネルギー収率を高めるための非常に広い自由度を与える。
【0040】
第２の低温流Ｆ２は、第２の作動流体Ｗ２との熱交換によって、第２のランキンサイクル（チャネル７）において全体的若しくは部分的に気化され得る、及び／又は加熱され得ることに留意されたい。第１の低温流Ｆ１は、第１の作動流体Ｗ１との熱交換によって、第１のランキンサイクルにおいて全体的若しくは部分的に気化及び／又は加熱されてもよい（チャネル４）。
【0041】
４２において第４のチャネル４から出る第１の低温流Ｆ１は、第１の熱交換器Ｅ１の少なくとも１つの第８のチャネル８に導入されて、そこで引き続き、第１の高温流Ｃ１に接触して加熱されると都合がよい。このことは、第２の熱交換器Ｅ２の出口４２において得られた温度が低すぎ、特に天然ガス分配網の場合に、分配網を構成する材料と適合しない場合に有利である。
【0042】
採用された構成に応じて、出口４２又は８２から回収された低温流Ｆ１は、流体分配網、特に天然ガスなどの炭化水素の分配のための分配網の少なくとも１つのパイプに供給される。
【0043】
図２は、第１の熱交換器Ｅ１とは物理的に異なる第４の熱交換器Ｅ１’において第１の低温流Ｆ１が加熱され続ける実施形態の変形形態を表している。第４の熱交換器Ｅ１’は、第１の低温流Ｆ１を循環させるためのチャネル８と、高温流Ｃ１とは異なる追加的な第１の高温流Ｃ１’を導入するための追加的なチャネル２’とを備える。この構成により、熱交換器Ｅ１及びＥ１’に、２つの流体のみが循環する「円筒多管式」熱交換器などのより単純な技術を使用することができるという利点がもたらされる。このような変形形態は、他の実施形態、特に図４に示す実施形態に適用可能であることに留意されたい。
【0044】
凝縮チャネル３、６の入口及び出口は、第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２が、ステップｃ）及びｇ）の間、第１の低温流Ｆ１及び第２の低温流Ｆ２に対してそれぞれ向流的に流れるように配置されることが好ましい。加熱チャネル４、７、１、及び５の入口及び出口は、第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２が、ステップａ）及びｅ）の間に、それぞれ第１の低温流Ｆ１及び第２の低温流Ｆ２に対して並流的に流れるように配置されることが好ましい。サイクルの高温流は、各サイクルにおいて気化された作動流体に対して向流的に流れることが好ましい。
【0045】
これらの流体の流れの方向付けにより、第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２の出口温度を最大化することができ、よって、膨張中にタービンによって供給される電力を最大化することができる。
【0046】
図３は、特に、チャネル３から凝縮されて出る第１の作動流体Ｗ１が第２の熱交換器Ｅ２に再導入されて、そこで、チャネル１に再導入される前に、入口９１と出口９２との間の少なくとも１つの第９のチャネル９を循環する有利な実施形態を表している。この構成は、第１の作動流体Ｗ１が作動流体の出口温度を更に上げるという利点を提供するため、第１の作動流体Ｗ１が純物質ではなく、いくつかの成分の混合物である場合に優先される。
【0047】
同じ原理に従い、同じ利点のために、チャネル６から凝縮されて出る第２の作動流体Ｗ２もまた、第５のチャネル５に再導入される前に、第３の熱交換器の少なくとも１つの第１０のチャネル１０に再導入され得る。
【0048】
凝縮した第１の作動流体及び第２の作動流体の一方又は両方が、このような再導入の対象となり得る。上述のように、凝縮した流体を関連する熱交換器に再導入することにより、それらを加熱することができ、高温端における出口温度を最大化して、膨張する際に発電することができる。作動流体ごとに再導入が行われると都合がよく、そうすることにより本方法は更にエネルギー的に有利になる。
【0049】
図１～図４は、互いに物理的に異なるエンティティを形成する熱交換器における、つまり、それぞれがプレート及びチャネルの少なくとも１つの異なるスタックを形成するプレートフィン型熱交換器の場合のランキンサイクルが実行される構成を示している。別個の熱交換器を備えた本実施形態は、特に、円筒多管式熱交換器、フィンチューブ式熱交換器、又はコアインケトル式熱交換器など、平板又はプレートフィン型交換器以外のタイプの熱交換器内にチャネルが形成される場合に実施され得る。
【0050】
熱交換器が管式熱交換器である場合、チャネルは、管内、管の周囲、及び管の間の空間によって形成され得ることに留意されたい。
【0051】
本発明に関連して、同じ交換器内に流体チャネルのいくつかを配置することも可能である。このことは、特にろう付けプレートタイプの熱交換器で想定されてよく、いくつかの組み合わされたランキンサイクルを実行する設備の複雑さ及び製造コストを削減することができる。
【0052】
よって、図５は、第２の熱交換器Ｅ２と第３の交換機Ｅ３とが同じ共同熱交換器Ｅを形成する実施形態を表している。この場合、第２の低温流Ｆ２は、熱交換器Ｅの低温端に位置する第１の入口７１から流れる、つまり、流体、この場合は第２の低温流Ｆ２が熱交換器Ｅのすべての温度の中で最低温度で導入される熱交換器への入口から流れる。第２の低温流Ｆ２は、熱交換器Ｅの第１の出口４２を介して出、チャネル４は、チャネル７と熱交換器Ｅの同じプレートの間に形成され、チャネル７に連続して配置される。
【0053】
チャネル３、５、６はまた、又は熱交換器Ｅにおける凝縮後に作動流体が再循環する場合にはチャネル９、１０も、同じ熱交換器Ｅ内に形成される。
【0054】
具体的には、同じ流体が直列に流れるある連なりのチャネルと別の連なりのチャネルとを考えると、前記連なりの各チャネルは、他の連なりの対応するチャネルの延長部を形成し、したがって２つの同じプレートの間に形成された熱交換器Ｅの全く同一のチャネルを形成する。よって、例えば図５において、チャネル４及びチャネル７は、熱交換器Ｅの２つの同じプレートの間に範囲を定められ、入口７１から出口４２に延びる、熱交換器Ｅの全く同一のチャネルを形成する。異なる流体が流れるある連なりのチャネル及び別の連なりのチャネルを考えると、これらのチャネルは、隣接又は非隣接して同じスタック内に重ねられる。
【0055】
第１の作動流体Ｗ１は、熱交換器Ｅの高温端に位置し、熱交換器Ｅのすべての温度の中で最高温度を有する第２の入口３１を介して膨張後に導入されることが好ましい。第１の作動流体Ｗ１は、流れ方向ｚにおいて熱交換器Ｅの低温端と高温端との間に位置する第１の中間レベルに配置された第２の出口３２まで第３のチャネル３を流れる。図５に示すように、出口３２において回収された第１の作動流体Ｗ１は、ポンプされた後、第１の熱交換器Ｅ１の入口１１に供給される前に、熱交換器Ｅのチャネル９に再導入され得る、又は直接入口１１（図示せず）に供給され得る。
【0056】
第２の作動流体Ｗ２は、膨張後、場合により２相流体として、また場合により気相と液相とが分離された状態で、流れ方向ｚにおいて第１の中間レベルと熱交換器Ｅの低温端との間位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口６１を介して、熱交換器Ｅに導入されることが好ましい。第２の作動流体Ｗ２は、チャネル６において凝縮された後に出口６２において回収され、ポンプされた後、図５に示すように、第５のチャネル５に供給される前に、熱交換器Ｅの低温端に位置する入口１０１を介してチャネル１０に再導入され得る。チャネル５は、チャネル１０に連続して配置される。第２の流体Ｗ２はまた、熱交換器Ｅ（図示せず）の中間レベルに位置するチャネル５の入口に直接供給され得る。
【0057】
図６は、第１の熱交換器Ｅ１、第２の熱交換器Ｅ２、及び第３の交換機Ｅ３が同じ共同熱交換器Ｅを形成する実施形態を表している。この場合、第１の高温流Ｃ１は、熱交換器Ｅの高温端に位置する第４の入口２１から導入される。第１の作動流体Ｗ１は、膨張された後、場合により２相形態で、低温端と高温端との間に位置する第３の中間レベルに配置された第２の入口３１を介して導入され、第３の中間レベルと熱交換器Ｅの低温端との間に位置する第１の中間レベルに配置された第２の出口３２を介して上記熱交換器Ｅを出ることが好ましい。第２の作動流体Ｗ２は、膨張された後、場合により２相形態で、流れ方向ｚにおいて第１の中間レベルと熱交換器Ｅの低温端との間に位置する第２の中間レベルに配置された第３の入口６１を介して導入される。
【0058】
図６に示すように、出口３２において液体形態で回収された第１の作動流体Ｗ１は、ポンプされた後、チャネル１に供給される前に、入口９１を介してチャネル９に再導入され得る。チャネル１は、チャネル９に連続して配置される。第１の流体Ｗ１はまた、熱交換器Ｅ（図示せず）の中間レベルに位置するチャネル１の入口に直接供給され得る。
【0059】
液体形態で出口６２において回収された第２の作動流体Ｗ２は、ポンプされた後、図６に示すように、第５のチャネル５に供給される前に、熱交換器Ｅの低温端に位置する入口１０１を介してチャネル１０に再導入され得る。チャネル５は、チャネル１０に連続して配置される。第２の流体Ｗ２はまた、熱交換器Ｅ（図示せず）の中間レベルに位置するチャネル５の入口に直接供給され得る。
【0060】
熱交換器の低温端と高温端との間にある中間レベルにおける入口及び出口のこれらの構成により、様々な流体の入口温度及び出口温度の上昇する順序を、熱交換器Ｅの低温端から高温端まで考慮することが可能になる。
【0061】
図７及び図８は、第１の膨張部と第２の膨張部との両方に結合された同じ発電機が使用される実施形態を示している。よって、第１の発電機と第２の発電機とが統合される。これにより、発電機が１つ省略され、設備が簡素化される。この構成が可能であるのは、２つの発電サイクルが略同時の動作モードであるためである。
【0062】
本発明に関連して、第２の低温流Ｆ２は、液化天然ガスなどの液化炭化水素の流れ、又は液化窒素流、液化酸素流、若しくは液化水素流などの極低温液体の流れであり得る。
【0063】
少なくとも１つの第７のチャネル７への第２の低温流Ｆ２の導入の温度は、－１００℃未満であることが好ましい。
【0064】
低温流Ｆ２、Ｆ１は、炭化水素、特に天然ガスの流れから形成され、好ましくは、モル分率で少なくとも６０％、好ましくは少なくとも８０％のメタン（ＣＨ４）を含むと都合がよい。天然ガスは、任意選択で、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（ｎＣ４Ｈ１０）、若しくはイソブタン（ｉＣ４Ｈ１０）、又は窒素を、好ましくは０～１０％（モル％）の含有量で含み得る。本発明の方法により、天然ガスを分配網に注入する前に必要な再ガス化が行われると同時に、液化天然ガスのフリゴリーがアップグレードされる。
【0065】
別の性質の低温流が本発明による方法に供給されて使用前に再気化されると都合がよい場合がある。特に、液体酸素、液体窒素、又は液体水素が使用され得る。このような液体の気化は、生産プラントが停止した際にガス供給の継続性を確保することができ、液体ストックの蓄積に費やされるエネルギーの一部を節約することができる。
【0066】
これらの成分の気化温度は天然ガスの気化温度よりもはるかに低いため、上述の説明のうちの１つに沿って、３つ以上のランキンサイクルを使用すると都合がよい場合がある。
【0067】
特定の実施形態によれば、本発明による方法は、３つのランキンサイクルを実行し、第３のランキンサイクルは、第２のランキンサイクルの上流で実行される。より正確には、図１に示されていない図１の構成に関連して、第２の低温流Ｆ２は、第３の熱交換器Ｅ３の上流に配置された第５の熱交換器Ｅ５に導入される。第３の作動流体Ｗ３は、第３の高圧Ｈｐ３で第３の熱交換器Ｅ３の少なくとも１つの追加的なチャネルに導入され、第３の熱交換器Ｅ３の少なくとも１つの第６のチャネル６を流れる第２の作動流体Ｗ２に接触して少なくとも部分的に気化される。よって、第２の作動流体Ｗ２は、第３のランキンサイクルにおける第３の高温流として機能する。
【0068】
追加的なチャネルを出る第３の作動流体Ｗ３は、少なくとも１つの他の発電機に任意選択で組み合わされた、電気エネルギーを生成するための第３の発電機と協働する第３の膨張部において第３の低圧Ｌｐ３に膨張される。膨張された第３の作動流体Ｗ３は、第４の熱交換器に導入され、第３の作動流体Ｗ３との熱交換によって少なくとも部分的に加熱及び／又は気化される第３の低温流Ｆ３に接触して少なくとも部分的に凝縮される。このように凝縮された第３の作動流体Ｗ３は、第４の熱交換器を出て、圧力を第３の高圧Ｈｐ３に上げた後、第３の熱交換器Ｅ３に再導入される。
【0069】
この実施形態は、再気化される低温流が非常に低い温度、すなわち－１７０℃未満又は更には－２００℃未満であり得る温度の極低温液体である場合に特に有利である。
【0070】
具体的には、本方法によって再気化される低温流と周囲温度との間の温度差が大きいほど、分配網内での分配に必要な温度に到達するために、組み合わされたランキンサイクルの数を増やすことがより有利になる。
【0071】
よって、所与の初期温度を有する極低温液体の低温流の場合、上記低温流は、第３のランキンサイクルにおいて凝縮する第３の作動流体に接触し、次に第２のランキンサイクルにおいて凝縮する第２の作動流体に接触し、次に第１のランキンサイクルおいて凝縮する第１の作動流体Ｗ１に接触して加熱される。
【0072】
例えば、例えば液体水素流の場合のように、初期温度が約－２５０℃の極低温液体を再気化させる場合、流れは、第３の熱力学的サイクルで約－２５０℃から－１７０℃に加熱されると都合がよく、サイクルの低温熱源として機能する極低温液体流を温めることにより、気化した流れの単位あたりの発電量を更に増やすことができる。その後、第２のランキンサイクルにおいて約－１７０℃から約－９０℃に加熱した後、第１のランキンサイクルにおいて約－９０℃から－５０℃に加熱するという、前述の状況に戻る。
【0073】
第３のランキンサイクルは有機サイクルではないことが好ましく、第３の作動流体Ｗ３は有機成分を含まないことが好ましい。
【0074】
当然のことながら、３サイクル以上を有する本実施形態は、本特許出願に記載された図１による実施形態以外の構成に適用可能である。特に、また気化される低温流がＬＮＧである場合、第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２は、有機流体、すなわち、炭化水素などの１種又は複数種の有機成分を含む流体であることが好ましい。
【0075】
本発明による方法のランキンサイクルは有機サイクルではないことも考えられる。
【0076】
ＬＮＧの沸点よりも低い沸点を有する成分を有する気化される極低温液体では、最低温度で作動するサイクルの作動流体は、有機成分の全部又は一部の代わりに水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、又はネオンなどの１種又は複数種の成分を含み得る。よって、有機成分を含まない作動流体での作動を想定することが可能である。
【0077】
第１の可能な形態によれば、異なる性質の純物質を使用して、第１の作動流体Ｗ１及び／又は第２の作動流体Ｗ２を形成し得る。特に、第２の作動流体Ｗ２としてエチレンを使用し、第１の作動流体Ｗ１としてエタンを使用し得る。この選択は、ろう付けされたアルミニウム製熱交換器及び膨張タービンコンポーネントの良好な機械的強度と両立するＬＮＧの気化によってカバーされる温度範囲に飽和蒸気圧を有するこれらの成分の物理的特性によって説明される。よって、ＯＲＣサイクルにおいてこのようなコンポーネントを使用することにより、コンパクトで効率的なシステムを設計することができる。
【0078】
本発明に関連して、異なる組成の作動流体が様々なランキンサイクルで優先的に使用されるが、同じ組成の作動流体を使用することは依然として考えられると理解されたく、この場合、これらの作動流体の動作圧力の適切な調整が行われる。このことは、サイクルの低温流と高温流との間の温度差が比較的小さい場合、例えば、第２の低温流が非常に高圧の液化ガスであり、第１の高温流が十分に低い温度の海水である場合に可能である。
【0079】
別の可能な形態によれば、第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物をそれぞれ含み、第１の炭化水素混合物及び第２の炭化水素混合物がそれぞれ、好ましくは、メタン、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロパン、エタン、プロピレン、ブテン、ブタン及びイソブタンから選択される少なくとも２種の炭化水素を含む混合作動流体が使用され得る。
【0080】
第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２は、有機成分に加えて、又は有機成分の代わりに、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びネオンから選択される少なくとも１種の追加の成分を任意選択で含んでもよく、このことは、気化される極低温液体が、メタンの沸点よりも低い沸点を有する場合に特に当てはまる。
【0081】
混合作動流体を使用することにより、熱交換器の長さに応じて各ポイントにおける低温流と作動流体との間の温度差を減らすことにより、低温流体と高温流体との間の熱交換の不可逆性に関連するエネルギー損失を減らすことができる。各流体の組成、膨張前後の圧力、及び／又は温度は、可能な限り最良のエネルギー回収を確実にするように適合させることができる。
【0082】
作動流体が混合される場合、すなわち混合物である場合、作動流体は極めて低い温度で液体熱交換器を出て、次いで、凝縮された流体を関係する熱交換器に再導入して加熱し、高温端部における出口温度を最大化し、タービンでの膨張中に電気を生成すると都合がよいことに留意されたい。
【0083】
特に、第１の炭化水素混合物の成分のモル分率（％）での割合は、次のとおり（モル％）であり得る。
メタン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
プロパン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
エチレン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
イソブタン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
メタン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
プロパン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
エチレン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
イソブタン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
【0084】
第２の炭化水素混合物の成分のモル分率（％）での割合は、次のとおりであり得る。
メタン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
プロパン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
エチレン：２０％～７０％、好ましくは３０％～６０％
メタン：２０％～６０％、好ましくは３０％～５０％
プロパン：０％～２０％、好ましくは０％～１０％
エチレン：２０％～７０％、好ましくは３０％～６０％
【0085】
好ましくは、第１の高温流Ｃ１、及び適切な場合は更なる高温流Ｃ１’は、熱交換器への入口温度が好ましくは１０℃～３０℃の海水から形成される。
【0086】
第２の低温流Ｆ２は、－１４０℃～－１７０℃の温度で入口７１において完全に液化されて導入される炭化水素流であることが好ましい。
【0087】
第２の低温流Ｆ２が酸素、窒素、又は水素などの別の性質の液体流によって形成される場合、入口７１における流体の温度は、貯蔵圧力における平衡温度のオーダーであることが好ましい。
【0088】
第１の低温流Ｆ１は、第３の熱交換器Ｅ３の出口７２において－８５℃～－１０５℃の温度、第２の熱交換器Ｅ２又は熱交換器Ｅの出口４２において－１０℃～－２０℃の温度、及び／又は第１の熱交換器Ｅ３又は熱交換器Ｅの出口８２において５℃～２５℃の温度を有して、この温度で分配網に導入されることが好ましい。第１の低温流Ｆ１は、出口８２、又は出口４２を介して完全に気化されて出ることが好ましい。
【0089】
第２の低温流及び第１の低温流は、それらの低温流が流れるチャネル７、４、８で１０～１００バールの圧力を有することが好ましい。
【0090】
第１の作動流体Ｗ１は、第３のチャネル３において凝縮された後、第１の温度Ｔ１を有することが好ましい。第２の作動流体Ｗ２は、第６のチャネル６において凝縮された後、Ｔ１よりも低い第２の温度Ｔ２を有する。Ｔ１は－１１０℃～－８０℃であり、Ｔ２は－１２０℃～－１６０℃であることが好ましい。
【0091】
第１の作動流体Ｗ１は、５℃～２５℃の温度で第１のチャネル１から気化されて出る、及び／又は第２の作動流体Ｗ２は、０℃～－３０℃の温度で第５のチャネル５から気化されて出ることが好ましい。
【0092】
第１の作動流体Ｗ１及び第２の作動流体Ｗ２は、第１及び第２の「低」圧Ｌｐ１、Ｌｐ２で第３のチャネル３及び第６のチャネル６をそれぞれ出て、第１及び第２の「高」圧Ｈｐ１、Ｈｐ２で第１のチャネル１及び第５のチャネル５にそれぞれ入ることが好ましく、ここでＨｐ１＞Ｌｐ１及びＨｐ２＞Ｌｐ２である。
【0093】
第１及び／若しくは第２の高圧Ｈｐ１、Ｈｐ２は１０～４０バールであり、好ましくは３０バール未満、更に好ましくは２０バール未満であり、並びに／又は第１及び／若しくは第２の低圧Ｌｐ１、Ｌｐ２は１～５バールである。
【0094】
また好ましくは、第１の高圧Ｈｐ１は、第１の低圧Ｌｐ１の２．５～１５倍高い、及び／又は第２の高圧Ｈｐ２は、第２の低圧Ｌｐ２の２．５～１５倍、好ましくは２．５～１０倍高い。これらの圧力値及び比により、本方法を流体のエンタルピー曲線に適合させ、平衡温度を最適に調整することができる。作動圧力が高いほど、回収されるエネルギー量は多くなる。少なくとも２．５倍であることにより、十分に有益な量のエネルギーの回収が可能になる。実際には、圧力は膨張部の容量によって制限される。
【0095】
本発明による方法の有効性を実証するために、従来技術による単一のランキンサイクル（シミュレーションＮｏ．１）及び本発明の実施形態による各ランキンサイクルの組み合わせ（シミュレーションＮｏ．２及びＮｏ．３）で得られるエネルギー収率を計算するシミュレーションを実施した。特に、サイクルの組み合わせで使用される作動流体の性質の影響を評価した。低温流は、９０．５％のメタン、７．３％のエタン、１．５％のプロパン、０．２％のブタン、０．３％のイソブタン、及び０．２％の窒素（ｍｏｌ％）を含むＬＮＧとした。シミュレーションＮｏ．２では、使用した熱交換器構成は図１によるものとし、シミュレーションＮｏ．３では、使用した熱交換器構成は図３によるものとした。
【0096】
シミュレーションＮｏ．１（従来技術）：
唯一の作動流体をプロパンとした。作動流体Ｗ１の圧力は、気化熱交換器の入口においては７．５バールであり、凝縮熱交換器の出口３２においては１．５バールであった。高温流は、気化熱交換器の入口において圧力５バール、温度２３℃の海水とした。
唯一の作動流体をプロパンとした。作動流体Ｗ１の圧力は、気化熱交換器の入口においては７．５バールであり、凝縮熱交換器の出口３２においては１．５バールであった。高温流は、気化熱交換器の入口において圧力５バール、温度２３℃の海水とした。
【0097】
シミュレーションＮｏ．２（本発明）：
第１の作動流体Ｗ１をエタンとした。第２の作動流体Ｗ２をエチレンとした。第１の作動流体Ｗ１の圧力は、入口１１においては２７バールであり、出口３２においては５．８バールであった。第２の作動流体Ｗ２の圧力は、入口５１においては８．１バールであり、出口６２においては２．１バールであった。天然ガスの圧力は、入口７１においては９０バールであり、出口８２においては８９バールであった。高温流Ｃ１は、チャネル２の入口及び出口において圧力５バールの海水であった。様々なチャネルの入口又は出口における計算された流体温度を表１に示す。
第１の作動流体Ｗ１をエタンとした。第２の作動流体Ｗ２をエチレンとした。第１の作動流体Ｗ１の圧力は、入口１１においては２７バールであり、出口３２においては５．８バールであった。第２の作動流体Ｗ２の圧力は、入口５１においては８．１バールであり、出口６２においては２．１バールであった。天然ガスの圧力は、入口７１においては９０バールであり、出口８２においては８９バールであった。高温流Ｃ１は、チャネル２の入口及び出口において圧力５バールの海水であった。様々なチャネルの入口又は出口における計算された流体温度を表１に示す。
【0098】
【表1】
【0099】
シミュレーションＮｏ．３（本発明）：
第１の作動流体Ｗ１は、４６％のエチレン、３８％のプロパン、８％のメタン、及び８％のイソブタン（ｍｏｌ％）を含む炭化水素混合物とした。第２の作動流体は、５５．４％のエチレン、４１％のメタン、及び３．６％のプロパン（ｍｏｌ％）を含む炭化水素混合物とした。第１の作動流体Ｗ１の圧力は、入口９１においては１２バールであり、出口３２においては４．２バールであった。第２の作動流体Ｗ２の圧力は、入口１０１においては１６．７バールであり、出口６２においては１．７バールであった。天然ガスの圧力は、入口７１においては９０バールであり、出口８２においては８９．５バールであった。高温流Ｃ１は、チャネル２の入口及び出口において圧力５バールの海水とした。様々なチャネルの入口又は出口における計算された流体温度を表２に示す。
第１の作動流体Ｗ１は、４６％のエチレン、３８％のプロパン、８％のメタン、及び８％のイソブタン（ｍｏｌ％）を含む炭化水素混合物とした。第２の作動流体は、５５．４％のエチレン、４１％のメタン、及び３．６％のプロパン（ｍｏｌ％）を含む炭化水素混合物とした。第１の作動流体Ｗ１の圧力は、入口９１においては１２バールであり、出口３２においては４．２バールであった。第２の作動流体Ｗ２の圧力は、入口１０１においては１６．７バールであり、出口６２においては１．７バールであった。天然ガスの圧力は、入口７１においては９０バールであり、出口８２においては８９．５バールであった。高温流Ｃ１は、チャネル２の入口及び出口において圧力５バールの海水とした。様々なチャネルの入口又は出口における計算された流体温度を表２に示す。
【0100】
【表2】
【0101】
シミュレーションＮｏ．１では、得られたエネルギー収率は０．０１６ｋＷｈ／Ｎｍ３であった。
【0102】
シミュレーションＮｏ．２では、第２のランキンサイクルのエネルギー収率は０．００４５ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、第１のランキンサイクルのエネルギー収率は０．０１３４ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、つまり全体の収率は０．０１７９ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、シミュレーションＮｏ．１に対して１２％のオーダーのゲインを表すものであった。
【0103】
シミュレーションＮｏ．３では、第２のランキンサイクルのエネルギー収率は０．０１２ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、第１のランキンサイクルのエネルギー収率は０．０２１ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、つまり全体の収率は０．０３３ｋＷｈ／Ｎｍ３であり、シミュレーションＮｏ．１に対して約１０６％のゲインを表すものであった。
【0104】
第１の作動流体及び第２の作動流体Ｗ２を混合して使用することにより、液化天然ガスと作動流体との間の熱交換図が改善されるおかげで、本方法の性能が大幅に向上する。上述のような熱交換チャネルへの作動流体の再導入の概要は、本方法のエネルギー効率の向上にも貢献する。
【0105】
図９は、一方は（（ａ）における）シミュレーションＮｏ．２による純粋な作動流体とのサイクルの組み合わせから得られ、他方は（（ｂ）における）シミュレーションＮｏ．３による混合作動流体のサイクルの組み合わせから得られた、交換された熱（「熱流量」）－温度（ΔＨ－Ｔ）熱交換図即ちエンタルピー曲線の比較を示している。例示された図は、処理されるＬＮＧの流量が３０００Ｎｍ３／ｈ（つまり、工業用ユニットの約１／１００スケール）の場合について得られたものである。曲線Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、ＬＮＧを含むプロセスにおいて加熱及び／又は気化されるすべての冷媒流体（曲線Ａ及びＣ）並びに第１及び第２の作動流体を含むプロセスで冷却及び／又は凝縮されるすべての熱発生流体（曲線Ｂ及びＤ）について交換される熱量の変化を温度の関数として、２つのシミュレートされた構成のそれぞれについて示している。成分の混合物で構成される作動流体を使用することにより平均温度差が大幅に減少することが図９（ｂ）から分かり、これは、このサイクルの効率が高いことを説明している。
【0106】
当然のことながら、本発明は、本特許出願に記載及び図示された特定の例に限定されるものではない。当業者の想到し得る範囲内の他の変形形態又は実施形態もまた、本発明の範囲から逸脱することなく想定され得る。例えば、熱交換器からの流体の注入及び抽出の他の構成、流体の他の流れの方向付け、又は他のタイプの流体などが想定され得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】