CN103109047B - 发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发电设备，其相对于系统需求电力的改变具有高的响应性，并且能够使柴油机的燃料消耗率最优化。所述发电设备具备：柴油机主机（1）；增压器（2）；抽气旁通管（8），以使来自柴油机主机（1）的废气的一部分绕过增压器（2）的方式设置；抽气旁通阀（9），设置于抽气旁通管（8），调节废气的旁通量；废气节能器（3），从废气回收废热而产生蒸汽；蒸汽轮机（5），由在废气节能器（3）中产生的蒸汽驱动；发电机（7），通过从蒸汽轮机（5）中得到的驱动力进行发电，并向船内系统（34）供给发电的电力；及控制部（10），根据从废气节能器（3）向蒸汽轮机（5）供给的过热蒸汽的压力，来调节抽气旁通阀（9）的开度。

Description

发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法
技术领域
本发明涉及发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法。
背景技术
作为柴油机的废热回收装置，公知有通过柴油机的废气来产生蒸汽的废气节能器。
而且，如下述专利文件1中所述，公知有使用抽气旁通管的系统，该抽气旁通管抽出通过柴油机的增压器之前的具有高能量的有效废气的一部分，并使其在废气节能器的上游侧与通过了增压器的废气混合。在该文件中记载的系统为废气节能器用的废气升温设备，以废气节能器的汽水分离器的出口蒸汽压力成为规定的压力的方式，来控制抽气旁通管的控制阀。
另一方面，为了进一步提高废热回收的效果，也研究了如下系统：通过废气节能器来产生过热蒸汽，通过由该过热蒸汽驱动蒸汽轮机来进行发电。
专利文件1：日本特开昭61-232319号公报（图1及图3）
发明内容
但是，专利文件1中记载的系统是在废气节能器中产生饱和蒸汽的系统，虽然在该文件中没有明确记载，但能够理解为其目的在于作为周围设备的有益蒸汽的利用、或使用作为用于对作为柴油机的燃料的重油进行加热的热源。因此，对于当在废气节能器中产生过热蒸汽而进行基于蒸汽轮机的发电时应该如何控制抽气旁通阀，并没有任何见解。
而且，专利文件1的系统为废气升温设备，其目的在于将汽水分离器的出口蒸汽压力控制为恒定的压力。
但是，在通过在废气节能器中产生的过热蒸汽来驱动蒸汽轮机进行发电的系统中，根据供给发电的电力的系统的电力需求而改变所需要的过热蒸汽量。即，如专利文件1那样通过将蒸汽压力控制为恒定，不能与变化的系统的需求电力相对应。
例如，可考虑如下控制：在发电时，为了使在废气节能器中产生的蒸汽量及蒸汽温度增加，将抽气旁通阀完全打开；在不发电时，由于不需要使蒸汽量及蒸汽温度增加而将抽气旁通阀完全关闭。但是，在将抽气旁通阀完全打开的情况下，在通过蒸汽轮机发电的电力量超过了系统的需求电力时，在废气节能器中产生的蒸汽的压力上升而产生剩余的蒸汽。这种情况下，为了避免压力的过度上升，需要以绕过蒸汽轮机的方式打开蒸汽放泄阀，将剩余蒸汽向冷凝器侧放泄（舍弃）。这样，由于舍弃在废气节能器中废热回收的蒸汽，因而无法进行能量的有效利用。而且，若从增压器的上游侧抽出所需量以上的废气，则使增压器的做功减少，其结果为，来自增压器的压缩空气量降低，柴油机的燃料消耗率恶化。
本发明鉴于这样的情况而作出，提供一种发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法，其中，该发电设备相对于系统的需求电力的改变而具有高的响应性，并且能够使柴油机的燃料消耗率最优化。
为了解决上述课题，本发明的发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法采用以下手段。
本发明的第一方式所涉及的发电设备其特征在于，具备：柴油机；增压器，由来自所述柴油机的废气驱动，压缩向所述柴油机供给的燃烧用空气；抽气旁通路径，以使来自所述柴油机的废气的一部分绕过所述增压器的方式设置；抽气旁通阀，设置于所述抽气旁通路径，调节废气的旁通量；蒸汽产生装置，从通过了所述增压器或所述增压器及所述抽气旁通路径的废气回收废热而产生蒸汽；蒸汽轮机，由在所述蒸汽产生装置中产生的蒸汽驱动；发电机，利用从所述蒸汽轮机得到的驱动力进行发电，并向系统供给发电的电力；及控制部，根据从所述蒸汽产生装置向所述蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力，来调节所述抽气旁通阀的开度。
从蒸汽产生装置向蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力为依赖于蒸汽轮机的蒸汽消耗量的浮动压力。另一方面，蒸汽轮机的蒸汽消耗量依赖于通过蒸汽轮机进行发电的发电机的发电量，即系统的需求电力。因此，从蒸汽产生装置向蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力依赖于系统的需求电力。因此，在本发明中，根据过热蒸汽的压力来调节抽气旁通阀的开度，根据系统的需求电力通过抽气旁通路径来调节绕过增压器的废气量。由此，能够在蒸汽产生装置中产生对应于系统的需求电力的过热蒸汽，因而能够避免过剩地产生过热蒸汽。因此，不必进行无益的抽气旁通，因而能够使柴油机的燃料消耗率最优化。
而且，在本发明中，作为抽气旁通阀的开度调节的指标，不是使用蒸汽产生装置的饱和蒸汽的压力而是使用过热蒸汽的压力，并使用向蒸汽轮机供给的最近的蒸汽压力，因此能够提高相对于系统的需求电力的响应性。
在上述本发明的第一方式所涉及的发电设备中，也可以是如下结构：所述控制部在所述过热蒸汽的压力有从第一规定值增加的倾向的情况下，将所述抽气旁通阀的开度向闭方向调节，在所述过热蒸汽的压力有从第二规定值减少的倾向的情况下，将所述抽气旁通阀的开度向开方向调节。
在系统的需求电力相对小的情况下，蒸汽轮机的蒸汽消耗量变小，在蒸汽产生装置中产生的过热蒸汽有剩余的倾向。在这种情况下，由于过热蒸汽的压力处于增加倾向，因此为了减少剩余蒸汽而将抽气旁通阀的开度向闭方向调节。
另一方面，在系统的需求电力相对大的情况下，蒸汽轮机的蒸汽消耗量变大，在蒸汽产生装置中产生的过热蒸汽有不足的倾向。在这种情况下，由于过热蒸汽的压力处于减少倾向，因此为了增加过热蒸汽而将抽气旁通阀的开度向开方向调节。
在上述本发明的第一方式所涉及的发电设备中，也可以是如下结构：所述控制部在使所述抽气旁通阀完全关闭且所述过热蒸汽的压力超过第三规定值的情况下，打开蒸汽放泄阀以使过热蒸汽绕过所述蒸汽轮机而流向冷凝器侧。
即使完全关闭抽气旁通阀，在系统的需求电力极小的情况下，也有可能使剩余蒸汽增加而过热蒸汽的压力过剩地上升。在这种情况下，打开蒸汽放泄阀以使过热蒸汽绕过蒸汽轮机而流向冷凝器侧。由此，能够避免蒸汽的过剩的压力上升，实现各种机器的保护。
在上述本发明的第一方式所涉及的发电设备中，也可以是如下结构：所述柴油机为驱动船舶推进用的推进器的柴油机主机，所述发电机向船内系统供给电力。
在船舶以恒定速度航行于远洋的情况下，柴油机主机的输出大致恒定。但是，由船内系统所消耗的电力根据船内需求而改变。在本发明中，由于根据过热蒸汽的压力来调节抽气旁通阀的开度，这样即使在柴油机主机的输出大致恒定的基础上船内系统的需求电力发生改变的情况下，也能够保持合适的蒸汽产生量，使柴油机主机的燃料消耗率最优化。
本发明的第二方式为具备上述发电设备的船舶。
由于具备上述发电设备，因此能够提供燃料消耗率良好的船舶。
本发明的第三方式所涉及的发电设备的运转方法中，所述发电设备具备：柴油机；增压器，由来自所述柴油机的废气驱动，压缩向所述柴油机供给的燃烧用空气；抽气旁通路径，以使来自所述柴油机的废气的一部分绕过所述增压器的方式设置；抽气旁通阀，设置于所述抽气旁通路径，调节废气的旁通量；蒸汽产生装置，从通过了所述增压器或所述增压器及所述抽气旁通路径的废气回收废热而产生蒸汽；蒸汽轮机，由在所述蒸汽产生装置中产生的蒸汽驱动；及发电机，利用从所述蒸汽轮机得到的驱动力进行发电，并向系统供给发电的电力；所述发电设备的运转方法的特征在于，根据从所述蒸汽产生装置向所述蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力，来调节所述抽气旁通阀的开度。
从蒸汽产生装置向蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力为依赖于蒸汽轮机的蒸汽消耗量的浮动压力。另一方面，蒸汽轮机的蒸汽消耗量依赖于通过蒸汽轮机进行发电的发电机的发电量，即系统的需求电力。因此，从蒸汽产生装置向蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力依赖于系统的需求电力。因此，本发明根据过热蒸汽的压力来调节抽气旁通阀的开度，根据系统的需求电力通过抽气旁通路径来调节绕过增压器的废气量。由此，由于能够在蒸汽产生装置中产生对应于系统的需求电力的过热蒸汽，因而能够避免过剩地产生过热蒸汽。因此，不必进行无益的抽气旁通，因此能够使柴油机的燃料消耗率最优化。
而且，本发明中，作为抽气旁通阀的开度调节的指标，不是使用蒸汽产生装置的饱和蒸汽的压力而是使用过热蒸汽的压力，并使用向蒸汽轮机供给的最近的蒸汽压力，因此能够提高相对于系统的需求电力的响应性。
发明效果
根据过热蒸汽的压力来调节抽气旁通阀的开度，不必进行无益的抽气旁通，因此能够使柴油机的燃料消耗率最优化。
而且，使用过热蒸汽的压力来作为抽气旁通阀的开度调节的指标，因而能够提高相对于系统的需求电力的响应性。
附图说明
图1是表示本发明的发电设备的概略结构图。
图2是表示图1的抽气旁通阀的动作的坐标图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法所涉及的一实施方式进行说明。
如图1所示，设置于船舶的发电设备具备：柴油机主机（柴油机）1；废气节能器（蒸汽产生装置）3，通过柴油机主机1排出的高温废气而产生蒸汽；蒸汽轮机5，由在废气节能器3中产生的蒸汽驱动；及发电机7，由蒸汽轮机5驱动。
柴油机主机1驱动船舶推进用的推进器11。向柴油机主机1供给的压缩空气从由柴油机主机1的废气驱动的增压器2导入。
增压器2具有设置于同轴上的涡轮14和压缩机15。涡轮14由从柴油机主机1排出的废气驱动旋转。在涡轮14被驱动时，设置于同轴上的压缩机15进行旋转并压缩空气。
涡轮14的下游侧通过废气管12与后述的废气节能器3连接。
设有抽气旁通管（抽气旁通路径）8，以抽出柴油机主机1的废气的一部分进而使其绕过增压器2。抽气旁通管的上游端与增压器2的涡轮14的上游侧连接，其下游端与增压器2的涡轮14的下游侧的废气管12连接。在抽气旁通管8上设有抽气旁通阀9。抽气旁通阀9通过控制部10控制其开度。具体而言，根据压力传感器16的输出值来控制抽气旁通阀9的开度，其中，该压力传感器16检测从废气节能器3向蒸汽轮机5供给的过热蒸汽的压力。
废气节能器3在其烟道内具有过热器17和蒸发器18。过热器17和蒸发器18是自下朝上（从废气流向的上游侧到下游侧）依次平行地安置于废气节能器3内的导热管。在废气节能器3的烟道内，高温废气流过，经过与其下游侧连接的烟囱（未图示）而向大气放出。从汽水分离器20的上部向过热器17导入饱和蒸汽。从汽水分离器20的下部向蒸发器18导入水。
在汽水分离器20内，分别将水和蒸汽上下分离地收容。从冷凝器22经由冷凝泵23向汽水分离器20供给水。汽水分离器20内的水被锅炉水循环泵25导入至蒸发器18。在汽水分离器20中，来自蒸发器18的含有水分的潮湿蒸汽被导入，被分离成水和蒸汽。被分离后的饱和蒸汽被导入至过热器17中，成为过热蒸汽。在过热器17中产生的过热蒸汽经由过热蒸汽供给管26被导入至蒸汽轮机5。在该过热蒸汽供给管26上设置有上述的压力传感器16。另外，检测过热蒸汽压力的压力传感器16的设置位置为能够检测出在废气节能器3中产生的过热蒸汽的压力的位置即可。
在蒸汽轮机5的上游侧设置有作为开闭阀的蒸汽截止阀27。在运用蒸汽轮机5的情况下，将蒸汽截止阀27完全打开，在不运用蒸汽轮机5的情况下，将蒸汽截止阀27完全关闭。
蒸汽轮机5由经由蒸汽截止阀27导入的过热蒸汽驱动旋转，该旋转输出被传送至发电机7。
在蒸汽轮机5中结束做功的蒸汽被导入至冷凝器22而凝结液化。液化的冷凝水通过冷凝泵23被导入至汽水分离器20中。
在冷凝器22和废气节能器3的过热器17出口之间设置有蒸汽放泄路径29，该蒸汽放泄路径29以绕过蒸汽轮机5的方式设置。在该蒸汽放泄路径29上设置有蒸汽放泄阀30，并被控制成如下方式：在压力传感器16中得到的过热蒸汽压力为规定值以上的情况下，蒸汽放泄阀30完全打开，在过热蒸汽压力小于规定值的情况下，蒸汽放泄阀30完全关闭。
发电机7由从蒸汽轮机5传送的旋转输出驱动而进行发电。发电机7的电气输出经由输出电线32及断路器33被导入至船内电力系统34。
其次，对上述的发电设备的运转方法进行说明。
在柴油机主机1开始运转时，在增压器2中被压缩的压缩空气被供给至柴油机主机1中，和未图示的燃料一起在缸内燃烧。在柴油机主机1中燃烧之后的废气经过增压器2的涡轮14并通过废气管12被导入至废气节能器3中。废气在通过废气节能器3内时与过热器17及蒸发器18进行热交换。蒸发器18内的水通过与废气进行热交换而成为潮湿蒸汽。该潮湿蒸汽被导入至汽水分离器20中，在水分被分离之后，被导入至废气节能器3的过热器17中。过热器17内的蒸汽通过与废气进行热交换而成为过热蒸汽。
过热蒸汽被导入至过热蒸汽供给管26中。被导入至过热蒸汽供给管26中的过热蒸汽经过蒸汽截止阀27被供给至蒸汽轮机5。蒸汽轮机5由被导入的蒸汽驱动旋转，该旋转输出被传送至发电机7。在发电机7中，通过从蒸汽轮机5得到的旋转输出而进行发电，并将该发电输出经由输出电线32及断路器33供给至船内电力系统34。
接着，使用图2，对抽气旁通阀9的动作进行说明。
在柴油机主机1的运转开始时，由于柴油机主机1未达到规定的负荷，从柴油机主机1排出的废气未达到蒸汽轮机5进行发电的压力，因而抽气旁通阀9处于完全关闭的状态。之后在柴油机主机1达到某一定的负荷时，使抽气旁通阀9处于完全打开状态。
在抽气旁通阀9打开时，抽出通过增压器2之前的具有高能量的废气的一部分，通过抽气旁通管8，在废气节能器3的上游侧使该废气的一部分与通过了增压器2的废气混合。由此，能够使在废气节能器3中产生的蒸汽量及蒸汽温度增加。
如图2所示，在压力传感器16中得到的废气节能器3的过热蒸汽压力为第一规定值P1以上且第二规定值P2以下之间，通过控制部10进行抽气旁通阀9的开度控制。
而且，在过热蒸汽压力超过了第二规定值P2的情况下，即使不进行基于抽气旁通的辅助也已足够，因而使抽气旁通阀9完全关闭。
而且，在过热蒸汽压力超过第二规定值P2而成为第三规定值P3时，成为放泄阀打开设置压力，蒸汽放泄阀30完全打开。由此，使来自废气节能器3的过热蒸汽的一部分流向冷凝器22，防止过热蒸汽压力的过度上升。
在本实施方式的发电设备中，过热蒸汽压力成为由废气节能器3的蒸汽产生量和蒸汽轮机5的蒸汽消耗量的平衡决定的浮动压力。因此，控制部10根据过热蒸汽压力以如下方式调节抽气旁通阀9的开度。
在船内系统34的需求电力相对减少时，蒸汽轮机5的蒸汽消耗量变小，在废气节能器3中产生的过热蒸汽有剩余倾向。即，在船内系统34的需求电力相对减少的情况下，优选减少抽气旁通阀9的开度而抑制废气节能器3的蒸汽产生量。因此，在过热蒸汽压力有增加倾向时，以使抽气旁通阀9的开度成为闭方向的方式使过热蒸汽压力逐渐减少。
另一方面，在船内系统34的需求电力相对增加时，蒸汽轮机5的蒸汽消耗量变大，在废气节能器3中产生的过热蒸汽有不足倾向。即，在船内系统34的需求电力相对增加的情况下，优选增加抽气旁通阀9的开度而增大废气节能器3的蒸汽产生量。因此，在过热蒸汽压力有减少倾向时，以抽气旁通阀9的开度成为开方向的方式使过热蒸汽压力逐渐增大。
如上所述，根据本实施方式的发电设备、具备该设备的船舶及发电设备的运转方法，可得到以下效果。
根据来自废气节能器3的过热蒸汽压力来调节抽气旁通阀9的开度，根据船内系统34的需求电力通过抽气旁通管8来调节绕过增压器2的废气量。由此，能够在废气节能器3中产生对应于船内系统34的需求电力的过热蒸汽，因而能够避免过剩地产生过热蒸汽。因此，不必进行无益的抽气旁通，因而能够使柴油机主机1的燃料消耗率最优化。
而且，作为抽气旁通阀9的开度调节的指标，使用通过了过热器17之后的过热蒸汽的压力而不是汽水分离器20出口的饱和蒸汽的压力，并使用向蒸汽轮机5供给的最近的蒸汽压力，因而能够提高相对于船内系统34的需求电力的响应性。
另外，在本实施方式中，对发电设备设置于船舶的例子进行了说明，但本发明并不限于此，也能够是设置于陆地上的发电设备。
标号说明
1    柴油机主机（柴油机）
2    增压器
3    废气节能器（蒸汽产生装置）
5    蒸汽轮机
7    发电机
8    抽气旁通管（抽气旁通路径）
9    抽气旁通阀
10   控制部
16   压力传感器
30   蒸汽放泄阀
34   船内系统

Claims (6)

1.一种发电设备，其特征在于，具备：
柴油机；
增压器，由来自所述柴油机的废气驱动，压缩向所述柴油机供给的燃烧用空气；
抽气旁通路径，以使来自所述柴油机的废气的一部分绕过所述增压器的方式设置；
抽气旁通阀，设置于所述抽气旁通路径，调节废气的旁通量；
蒸汽产生装置，从通过了所述增压器或所述增压器及所述抽气旁通路径的废气回收废热而产生蒸汽；
蒸汽轮机，由在所述蒸汽产生装置中产生的蒸汽驱动；
发电机，利用从所述蒸汽轮机得到的驱动力进行发电，并向系统供给发电的电力；及
控制部，根据从所述蒸汽产生装置向所述蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力，来调节所述抽气旁通阀的开度，
所述控制部在所述柴油机达到某一定的负荷时，使抽气旁通阀从完全关闭的状态变为完全打开的状态，并且之后根据过热蒸汽的压力来控制抽气旁通阀的开度。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，
所述控制部在所述过热蒸汽的压力有从第一规定值增加的倾向的情况下，将所述抽气旁通阀的开度向闭方向调节，在所述过热蒸汽的压力有从第二规定值减少的倾向的情况下，将所述抽气旁通阀的开度向开方向调节。
3.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于，
所述控制部在使所述抽气旁通阀完全关闭且所述过热蒸汽的压力超过第三规定值的情况下，打开蒸汽放泄阀以使过热蒸汽绕过所述蒸汽轮机而流向冷凝器侧。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的发电设备，其特征在于，
所述柴油机为驱动船舶推进用的推进器的柴油机主机，
所述发电机向船内系统供给电力。
5.一种船舶，具备权利要求4所述的发电设备。
6.一种发电设备的运转方法，所述发电设备具备：
柴油机；
增压器，由来自所述柴油机的废气驱动，压缩向所述柴油机供给的燃烧用空气；
抽气旁通路径，以使来自所述柴油机的废气的一部分绕过所述增压器的方式设置；
抽气旁通阀，设置于所述抽气旁通路径，调节废气的旁通量；
蒸汽产生装置，从通过了所述增压器或所述增压器及所述抽气旁通路径的废气回收废热而产生蒸汽；
蒸汽轮机，由在所述蒸汽产生装置中产生的蒸汽驱动；及
发电机，利用从所述蒸汽轮机得到的驱动力进行发电，并向系统供给发电的电力，
所述发电设备的运转方法的特征在于，
根据从所述蒸汽产生装置向所述蒸汽轮机供给的过热蒸汽的压力，来调节所述抽气旁通阀的开度，
在所述柴油机达到某一定的负荷时，使抽气旁通阀从完全关闭的状态变为完全打开的状态，并且之后根据过热蒸汽的压力来控制抽气旁通阀的开度。
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