JP2003013707A

JP2003013707A - 発電設備における排気ガス利用装置

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Publication number: JP2003013707A
Application number: JP2001237104A
Authority: JP
Inventors: Minoru Morita; 稔守田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-15

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】中温燃焼排気ガスのみならず低温排熱分につい
ても組み合わせて利用することで、熱利用効率の高い排
気ガス利用装置を得る。【解決手段】中温燃焼排気ガスは、ボイラ２の過熱部２
Ｃに送り中圧過熱蒸気を発生させ、このボイラ２での発
生蒸気を経路１１により中圧タービン３に送り、これを
駆動し、そのタービン排気を経路１２を介してボイラ２
の過熱部２Ｃに送る。冷却外套１Ｂを含む冷却装置によ
り水冷することにより発生するの冷却後の低圧蒸気を、
経路１３を通して導き、中圧タービン３からのタービン
排気と合わせてボイラ２の過熱部２Ｃに送る。この過熱
部２Ｃからの低圧過熱蒸気により、経路１４を通して低
圧タービン４を駆動し、発電機５を駆動し、そのタービ
ン排気は復水器１６に導き、そこからの凝縮水を返送路
１８を介してボイラ２の予熱部２Ａに中圧供給ポンプ１
７により供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関利用のの
発電設備における排気ガス利用装置に関する。

【０００２】排熱利用の発電法でディーゼルおよびガス
エンジンの発電等で生じる低温（６０−１６０℃）熱
源、すなわち往復動エンジンの冷却熱と中温（２００−
６００℃）の内燃機関燃焼排ガスとを熱源として効率よ
く発電し更に発電の排熱で空調設備の熱源に利用する方
法で前記の主要機器装置に付属して利用する。

【０００３】

【従来の技術】ディーゼルエンジンおよびガスエンジン
発電機の発電では、中温の（内燃機関からの燃焼排気ガ
ス温度：２００〜６００℃排熱のみを利用して、ボイラ
で蒸気を発生させタービンによる発電を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この種の発電
では、全排熱の約１／２程度の利用なので効率が高いも
のではない。

【０００５】また、低温の排熱、内燃機関のシリンダの
排熱は温度が低すぎることまた規模が小さいこと等で電
気への転換が行われておらず、せいぜい、直接空調用の
熱源に使っている程度である。

【０００６】したがって、本発明の課題は、内燃機関に
よる発電設備において、中温燃焼排気ガスのみならず低
温排熱分についても組み合わせて利用することで、排気
ガスのもっている熱を最大限に利用して、総体として熱
利用効率の高い排気ガス利用装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決して本発
明は次記のとおりである。

【０００８】＜請求項１項記載の発明＞液冷機関を有す
る内燃機関を備えた発電設備において、ボイラと、発電
機と連結された中圧タービン及び低圧タービンと、低圧
タービンに付設の復水器と、復水器からの凝縮水を前記
ボイラに供給するポンプとを備え、前記内燃機関より発
生する中温燃焼排気ガスをボイラに送り中圧過熱蒸気を
発生させ、このボイラでの発生蒸気により前記中圧ター
ビンを駆動し、そのタービン排気を前記冷却装置からの
冷却後の低圧蒸気と合わせて前記ボイラの過熱部に送
り、この過熱部からの低圧過熱蒸気により前記低圧ター
ビンを駆動し、そのタービン排気は前記復水器を経て前
記ポンプによりボイラに返送する構成としたことを特徴
とする発電設備における排気ガス利用装置。

【００９】（作用）ディーゼルエンジン、ガスエンジン
などの内燃機関より発生する中温燃焼排気ガスを利用し
て発電することは公知である。しかるに、本発明におい
ては、中温燃焼排気ガスをボイラの過熱部に送り中圧過
熱蒸気を発生させ、このボイラでの発生蒸気により中圧
タービンを駆動し、そのタービン排気を内燃機関に付属
する冷却装置からの冷却後の低圧蒸気と合わせて前記ボ
イラの過熱部に送り、この過熱部からの低圧過熱蒸気に
より低圧タービンを駆動し、そのタービン排気は前記復
水器を経て前記ポンプによりボイラに返送する構成とし
た。したがって、中温燃焼排気ガスと冷却装置からの冷
却後の低圧蒸気とが持っている両者の排熱を利用するこ
とができ、しかも、冷却後の低圧蒸気をボイラの過熱部
を通すので、十分に高い効率をもって発電が可能であ
る。

【００１０】＜請求項２記載の発明＞中圧タービンの排
気と低圧過熱蒸気とを合わせて低圧タービンを駆動し発
電することを特徴とする請求項１の内燃機関発電設備に
おける排気ガス利用装置。

【００１１】（作用）液冷装置からの蒸気を排熱ボイラ
の中に設置した低圧蒸気過熱器で過熱し、これを中圧タ
ービンの排気と合わせて低圧タービンに送る。コジェネ
では最終の排気を熱源にすることが多いため復水器の
温度を高くして全量空調に使う場合がありこのときの
発電量の低下を補うために低圧蒸気を過熱して有効エン
タルピー差を大きくして発電量を増加させる。凝縮温度
を高く取れるので吸収式ヒートポンプの熱源温度を上げ
ることができコジェネの効率を高めることができる。

【００１２】＜請求項３の発明＞中圧タービンの排気と
低圧飽和蒸気とを合わせて低圧タービン駆動し発電する
ことを特徴とする請求項１の機関発電設備における排気
ガス利用装置。

【００１３】（作用）冷却装置からの低圧飽和蒸気を、
中温排ガスからの過熱蒸気で発電した中圧タービンの排
気と合わせて低圧タービンに供給しで発電をするの
で、低圧過熱器が不必要になる。小型プラントでは発電
効率を落としても構成機器と操作の簡便さが要求され
る。それに適合する装置を提供できる。

【００１４】＜請求項４の発明＞ボイラーの操作圧力を
冷却装置の蒸気圧力と同一とし両者よりの発生蒸気を
合わせて過熱部に通し低圧過熱蒸気を得て、低圧タービ
ンを駆動し発電することを特徴とする請求項１の内燃機
関発電設備における排気ガス利用装置。

【００１５】（作用）発生する蒸気を低圧としたため、
中圧ボイラが不要となるが、。ボイラーが低圧なので大
きくなる。その反面、過熱器、循環ポンプ、予熱器等は
すべて一基でよい。操作が簡便で設備費の安い動力
回収設備を提供できる。中型（１０００−２０００ＫＷ
程度）内燃機関用に適している

【００１６】＜請求項５項記載の発明＞低圧タービン群
の一基を抽気タービンとし、抽氣を他の熱源に利用し、
残部を発電に用いる請求項１、２，３、または４記載の
発電設備における排気ガス利用装置。

【００１７】（作用）複数の中圧タービンと複数の低圧
タービンにより構成されているので抽氣圧力の応じて、
温度８０−１４０℃の範囲内で、抽気して直接暖房やヒ
ートポンプの駆動熱源に利用し冷熱を発生させ、残りの
排気は復水器に導き発電を行うことでヒートポンプの駆
動熱源の変化に対応できシステムを構築できる。

【００１８】＜請求項６項記載の発明＞メインギアの回
転により作動する発電機と、前記メインギアに噛合する
ピニヨンを中間に有する軸の両端部に、同軸心のインペ
ラーを有して設けられた２段の中圧タービンと、前記メ
インギアの周方向他の位置において噛合するピニヨンを
中間に有する軸の両端部に、同軸心のインペラーを有し
て設けられた２段の低圧タービンとを備え、前記中圧タ
ービンおよび低圧タービンの駆動により前記発電機を作
動させ、中圧過熱蒸気を前記中圧タービンの各段に順次
導入し、その最終排気と低圧蒸気とを合わせた後に過熱
部に送り、その後前記各低圧タービンの各段に順次送る
構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電設
備における排気ガス利用装置。

【００１９】（作用）ディーゼルエンジン、ガスエンジ
ンなどの発電に汎用の内燃機関の出力は１０００〜４０
００ｋｗであり、発電機の出力は８０〜６００ｋｗであ
り、この場合におけるタービンとしては通常は衝撃式の
ものが用いられているが、ふく流タービンを用い、請求
項５の形態で使用することにより効率の高い運転が可能
となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照しながらさらに詳説する。

【００２１】＜第１実施の形態＞図１は、内燃機関１と
してのガスエンジンによる発電の形態を示したもので、
予熱部２Ａ，蒸発部２Ｂ，過熱部２Ｃを備えるボイラ２
と、発電機５と連結された中圧タービン３及び低圧ター
ビン４と、低圧タービン４に付設の復水器１６と、復水
器１６からの凝縮水をボイラ２に返送路１８を介して供
給する水中圧供給ポンプ１７とを備える。

【００２２】ガスエンジンでは、燃焼室１Ａに燃料Ｆと
空気Ａとが吹き込まれ、ピストンを駆動させて機械動力
を得る。燃料Ｆと空気Ａとの混合爆発に伴う中温燃焼排
気ガスは、ボイラ２の過熱部２Ｃに送り中圧過熱蒸気を
発生させ、このボイラ２での発生蒸気を経路１１により
中圧タービン３に送り、これを駆動し、そのタービン排
気を経路１２を介してボイラ２の過熱部２Ｃに送る。

【００２３】このとき、ガスエンジン１のピストンの、
冷却外套１Ｂを含む冷却装置により水冷することにより
発生するの冷却後の低圧蒸気を、経路１３を通して導
き、中圧タービン３からのタービン排気と合わせてボイ
ラ２の過熱部２Ｃに送る。この過熱部２Ｃからの低圧過
熱蒸気により、経路１４を通して低圧タービン４を駆動
し、発電機５を駆動し、そのタービン排気は復水器１６
に導き、そこからの凝縮水を返送路１８を介してボイラ
２の予熱部２Ａに中圧供給ポンプ１７により供給する。

【００２４】また、復水器１６からの凝縮水に一部は、
返送路２０を介して冷却外套１Ｂに低圧供給ポンプ１９
により供給する。

【００２５】＜第２実施の形態＞本発明は、内燃機関の
排熱からの蒸気の利用の方法が異なり、以下それを示
す。

【００２６】この詳細例を図２に示す。機器の基本構成
は請求項１と同じであるが、ボイラーの過熱部に低圧蒸
気用過熱手段を設け１３を通じ冷却装置からの蒸気を通
して低圧過熱蒸気を得て、１２からの中圧タービンの排
気と合わさり低圧タービン４に導き発電を行い、排蒸気
は１５より復水器１６に導き凝縮水を得てこれを再循環
する。

【００２７】＜第３実施の形態＞この詳細例を図３に示
す。機器の基本構成は請求項１と同じであるが、ボイラ
ーには低圧蒸気の過熱手段はなく、冷却装置からの飽和
蒸気は過熱されることなく、１３を通じて中圧タービン
の排気１２と合わさり、それを低圧タービン４に導き、
発電を行い、その排蒸気は１５より復水器１６に導き凝
縮水を得てこれを再循環する。

【００２８】＜第４実施の形態＞この詳細例を図４に示
す。機器の基本構成は請求項１と同じであるが、ドラム
２５を設け排熱ボイラーの蒸気と冷却装置の蒸気の氣液
分離操作を共用し、低圧蒸気を発生させ、これをボイラ
ー過熱部２Ｃに導き、低圧タービン４−１と４−２に供
給する。排気の処理は第４実施と同じである。

【００２９】＜第５実施の形態＞第１実施の形態での適
用として示した図５に示す第５実施の形態において、低
圧タービン４を抽気タービンとし、途中の抽気分を抽気
コンデンサー２３に送り、その熱を他の熱源に利用する
ことができる。たとえば、冷暖房やプロセス工業に必要
な温水や冷熱を得るための駆動熱源として利用すること
ができる。たとえば、操作温度（凝縮温度）を８０℃及
び６５℃の二段の操作温度とし、８０℃は冷熱発生、６
５℃は温水製造と空調用とすることができる。また、最
終タービンの排気は凝縮温度４５℃として発電専用とす
ることができる。抽気量は冷熱や電力の需要に応じて選
定するのが望ましい。

【００３０】＜第６実施の形態＞タービンとしては、図
６〜図８に示すものを好適に使用することができる。す
なわち、メインギア５０の回転により作動する発電機５
１と、前記メインギア５０に噛合するピニヨン６０を中
間に有する軸の両端部に、同軸心のインペラー６１を有
して設けられた２段の中圧タービン６２，６３と、前記
メインギア５０の周方向他の位置において噛合するピニ
ヨン７０を中間に有する軸の両端部に、同軸心のインペ
ラー（図示せず）を有して設けられた２段の低圧タービ
ン７２，７３とを備える。実施の形態では、さらに、続
く低圧タービン７４，７５を備える。これらのタービン
６２，６３、７２，７３、及び７４，７５の駆動により
発電機５１が作動する。

【００３１】ここに、図８に示すように、たとえば中圧
タービン６２，６３を例に採れば、第１段の中圧タービ
ン６２に蒸気を送り、その排蒸気を続く第２段の中圧タ
ービン６３に蒸気を送りつつ、駆動するものである。

【００３２】かくして、前述のように、中圧過熱蒸気を
中圧タービン６２，６３に順次導入し、その最終排気、
実施の形態では中圧タービン６３の排気と低圧蒸気とを
合わせた後に過熱部に送り、その後，各低圧タービン７
２，７３、及び７４，７５の各段に順次送る構成とした
ものである。

【００３３】図６の形態は、図５に示した第５の実施の
形態に沿って説明してあるが、他の実施の形態にもその
まま適用できることは明らかである。また、中圧タービ
ン及び又は低圧タービンの機数は、単数のほか複数とす
ることができる。

【００３４】

【実施例】（実施例１）請求項１の方式（中圧再熱・低
圧過熱）により燃料１３Ａの都市ガスで３０４５ｋｗ
のガスエンジン二基を運転し、電力を回収した。すなわ
ち温度４００℃の３１３００ｋｇ／ｈの燃焼排気ガスと
シリンダ冷却から圧力０．４ＭＰａの飽和蒸気５５４０
ｋｇ／ｈの排熱を利用した。排ガスを中圧過熱部面積１
５０ｍ^２、混合過熱部面積１８０ｍ^２、蒸発部４００ｍ
^２の、２基の予熱部３００ｍ^２を持ったボイラに入れ、
圧力１．０ＭＰａ、３００℃の過熱蒸気２０００ｋｇ／
ｈｒを得て発電機に繋がるふく流タービンに入れ発電し
タービン排気はシリンダー冷却装置よりの低圧蒸気と合
流し、ボイラの低圧過熱部に供給され、温度２５０℃と
して低圧タービンに供給し凝縮温度４０℃で発電を行い
１０５２ｋＷの発電量を得た。これはガス発電機の発電
量６０９０ｋＷ（発電機出力効率３５％）に比較してそ
の出力効率は４１．０％であり、従来法に比較して効率
よく電力を回収できた。

【００３５】（実施例２）請求項２の方式（低圧・中圧
単独過熱）により排ガスと蒸気は実施例１と同様とし、
排ガスを中圧過熱部面積１５０ｍ^２、低圧過熱部面積１
８０ｍ^２、蒸発部４１５ｍ^２の、予熱部４９０ｍ^２×２
基を持ったボイラに入れ、圧力１．０ＭＰａ、３００
℃の過熱蒸気３０００ｋｇ／ｈを得て発電機に繋がるふ
く流タービンに入れ発電しタービン排気はシリンダー
冷却装置よりの０．３Ｍｐａの蒸気５３００ｋｇ／ｈ
を低圧過熱部で１８５℃にし、中圧過熱蒸気と混合して
低圧タービンに供給し最終排気力を０．３Ｍｐとし９４
５ｋＷの発電をして６５℃の復水器に入れ、６０℃、１
６ＭＪ／ｈの温水を得て暖房に利用した。

【００３６】（実施例３）実施例１のガスエンジン発電
装置を用い、請求項３の方式（中圧過熱・低圧無過熱）
により電力を回収した。すなわち中圧１．０Ｍｐａで２
９００ｋｇ／ｈ、３００℃の過熱蒸気を得てこれを中
圧タービンに供給し排気圧力０．２ＭＰａとし、一方シ
リンダー排熱冷却装置よりの低圧蒸気５７００ｋｇ／ｈ
を混合し８７００ｋｇ／ｈの蒸気を得て低圧タービンに
供給し排気圧力０．８ＭＰａとし凝縮温度８９℃とし吸
収式ヒートポンプの駆動熱源として７℃の冷熱１２ＭＪ
／ｈと６５０ｋＷの電力を得た。

【００３７】（実施例４）実施例１のガスエンジン発
電装置を用い、請求項４の方式（低圧蒸発低圧過熱）に
より電力を回収した。すなわち低圧過熱部面積２００
ｍ^２、蒸発部３８０ｍ^２の、予熱部６５０ｍ^２を用い
て、発電排気とシリンダーよりの排熱で圧力の０．４Ｍ
ｐａの低圧蒸気を８０３０ｋｇ／ｈ得てそれを過熱し
て２５０℃としタービンに供給し０．０１Ｍｐａで
凝縮させ発電量９５０ｋＷを得た。

【００３８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、中温燃
焼排気ガスのみならず低温排熱分についても組み合わせ
て利用し、かつ低圧域での抽氣が可能となるので、排気
ガスのもっている熱を最大限に利用し、合わせて最終凝
縮蒸気の有効利用ができ、総体として熱利用効率の高い
排気ガス利用装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施の形態のフローシートである。

【図２】第２実施の形態のフローシートである。

【図３】第３実施の形態のフローシートである。

【図４】第４実施の形態のフローシートである。

【図５】第５実施の形態のフローシートである。

【図６】使用するタービン構成の説明図である。

【図７】使用するタービン構成の概要斜視図である。

【図８】ふく流タービン構成の説明図である。

【符号の説明】

１…内燃機関、１Ａ…燃焼質、１Ｂ…冷却外套、２…ボ
イラ、２Ａ…予熱部、２Ｂ…蒸発部、２Ｃ…過熱部、３
…中圧タービン、４…低圧タービン、５…発電機、１６
…復水器、１７…水中圧供給ポンプ、１８…返送路、１
９…低圧供給ポンプ、２３…抽気コンデンサー、２５−
ドラム、５０…メインギア、５１…発電機、６０…ピニ
ヨン、６１…インペラー、６２，６３…中圧タービン、
７２，７３，７４，７５…低圧タービン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却装置を有する内燃機関を備えた発電設
備において、ボイラと、発電機と連結された中圧タービ
ン及び低圧タービンと、低圧タービンに付設の復水器
と、復水器からの凝縮水を前記ボイラに供給するポンプ
とを備え、前記内燃機関より発生する中温燃焼排気ガス
をボイラに送り中圧過熱蒸気を発生させ、このボイラで
の発生蒸気により前記中圧タービンを駆動し、そのター
ビン排気を前記冷却装置からの冷却後の低圧蒸気と合わ
せて前記ボイラの過熱部に送り、この過熱部からの低圧
過熱蒸気により前記低圧タービンを駆動し、そのタービ
ン排気は前記復水器を経て前記ポンプによりボイラに返
送する構成としたことを特徴とする発電設備における排
気ガス利用装置。
【請求項２】中圧タービンの排気と低圧過熱蒸気とを合
わせて低圧タービンを駆動し発電することを特徴とする
請求項１の発電設備における排気ガス利用装置。
【請求項３】中圧タービンの排気と低圧飽和蒸気とを合
わせて低圧タービンを駆動し発電することを特徴とする
請求項１の発電設備における排気ガス利用装置。
【請求項４】ボイラーの蒸気と冷却装置の蒸気を同一圧
力とし両者よりの発生蒸気を合わせて過熱部に通し、低
圧過熱蒸気を得て低圧タービンを駆動し発電することを
特徴とする請求項１の発電設備における排気ガス利用装
置。
【請求項５】低圧タービン群の一基を抽気タービンと
し、途中の抽気分により他の熱源に利用するようにした
請求項１、２，３、または４記載の発電設備における排
気ガス利用装置。
【請求項６】メインギアの回転により作動する発電機
と、前記メインギアに噛合するピニヨンを中間に有する
軸の両端部に、同軸心のインペラーを有して設けられた
２段の中圧タービンと、前記メインギアの周方向他の位
置において噛合するピニヨンを中間に有する軸の両端部
に、同軸心のインペラーを有して設けられた２段の低圧
タービンとを備え、前記中圧タービンおよび低圧タービ
ンの駆動により前記発電機を作動させ、中圧過熱蒸気を
前記中圧タービンの各段に順次導入し、その最終排気と
低圧蒸気とを合わせた後に過熱部に送り、その後前記各
低圧タービンの各段に順次送る構成とした請求項１〜４
のいずれか１項に記載の発電設備における排気ガス利用
装置。