JP2007255363A - 動力システム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの排熱を有効利用して、高いエネルギ効率で発電機等を駆動するための蒸気タービンの軸出力を得ることができる動力システムを提供する。
【解決手段】エンジン２０から排出されたエンジン排ガスＥが流通する排ガス流路２１に、蒸気発生器１から蒸気タービン２へ供給される蒸気Ｓをエンジン排ガスＥとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器４１を備えると共に、排ガス流路２１の蒸気過熱用熱交換器４１の下流側に、エンジン２０から蒸気発生器１に供給されるエンジン冷却水Ｗをエンジン排ガスＥとの熱交換により加熱する冷却水加熱用熱交換器４２、及び、復水器３から蒸気発生器１に供給される溶液をエンジン排ガスＥとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器４３の少なくとも一方を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、作動流体の溶液を加熱して当該作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を、前記作動流体が循環する動力サイクル回路を備え、
エンジンから排出されたエンジン冷却水を、前記蒸気発生器の熱源として供給するように構成された動力システムに関する。

エンジンの排熱を効率良く回収して、発電機等を駆動するための軸出力を得るための動力システムとして、蒸気発生器において、上記エンジンの排熱により作動流体の溶液を加熱して作動流体の蒸気を発生し、その蒸気が流通する蒸気流路に配置された蒸気タービンにおいて、その蒸気により得た軸出力により発電機等を駆動するものが知られている。（例えば、特許文献１を参照。）。

上記動力システムとしては、上記蒸気発生器及び上記蒸気タービンに加えて、蒸気タービンから排出された蒸気を冷却して溶液に復水させる復水器と、復水器から供給された溶液を蒸気発生器に供給する供給ポンプとを備えてランキンサイクルを実現するものがある。
そして、かかるランキンサイクルで使用される作動流体として、アンモニア等の低沸点媒体と水等の高沸点媒体とを混合してなる水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を用いたものが知られている（例えば、特許文献２〜４を参照。）。

上記のような動力システムにおいて、エンジンから排出されたエンジン冷却水を、前記蒸気発生器の熱源として供給するように構成する場合があり、更に、エンジンから排出されたエンジン排ガスが流通する排ガス流路に、そのエンジンから蒸気発生器へ供給されるエンジン冷却水をエンジン排ガスとの熱交換により一層高温に加熱する冷却水加熱用熱交換器を設けて、エンジンの排熱の回収効率の向上を図る場合がある。

特開２００３−２５４０１１号公報 特開２００３−１６１１１５号公報 特開２００１−２４８４０９号公報 特開２００５−１７１８９１号公報

しかしながら、排ガス流路に冷却水加熱用熱交換器を設けて、エンジン排ガスとの熱交換により加熱したエンジン冷却水を蒸気発生器に供給する場合には、その冷却水加熱用熱交換器において、非常に高温のエンジン排ガスの熱を比較的低温のエンジン冷却水の熱として回収することになるので、大きなエクセルギー損失が発生することになる。

また、排ガス流路を流通するエンジン排ガスが保有する熱のうち、エンジン冷却水よりも低温の熱については、そのまま回収されずに排出されてしまうことになり、排熱ロスが発生することになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エンジンの排熱を有効利用して、高いエネルギ効率で発電機等を駆動するための蒸気タービンの軸出力を得ることができる動力システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る動力システムは、作動流体の溶液を加熱して当該作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を、前記作動流体が循環する動力サイクル回路を備え、
エンジンから排出されたエンジン冷却水を、前記蒸気発生器の熱源として供給するように構成された動力システムであって、その第１特徴構成は、前記エンジンから排出されたエンジン排ガスが流通する排ガス流路に、前記蒸気発生器から前記蒸気タービンへ供給される蒸気を前記エンジン排ガスとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器を備えると共に、
前記排ガス流路の前記蒸気過熱用熱交換器の下流側に、前記エンジンから前記蒸気発生器に供給されるエンジン冷却水を前記エンジン排ガスとの熱交換により加熱する冷却水加熱用熱交換器を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記排ガス流路における上流側に、上記蒸気過熱用熱交換器を設けることにより、エンジンから排出された直後の高温のエンジン排ガスの熱を、上記蒸気過熱用熱交換器において当該エンジン排ガスよりは低温であるが、上記冷却水加熱用熱交換器で加熱される前のエンジン冷却水よりは高温である蒸気を過熱する形態で回収することができるので、エクセルギー損失を低減することができる。そして、その過熱された過熱蒸気が蒸気タービンに供給されることで、上記高温のエンジン排ガスの熱が、蒸気タービンの軸出力に変換されるので、エネルギ効率を向上することができる。

更に、上記排ガス流路における上記蒸気過熱用熱交換器よりも下流側に、上記冷却水加熱用熱交換器を設けることにより、上記蒸気過熱用熱交換器で温度低下したエンジン排ガスの熱を、上記冷却水加熱用熱交換器において当該エンジン排ガスよりは低温であるエンジン冷却水をより高温に加熱する形態で回収することができるので、排熱ロスを低減することができる。そして、エンジンから排出されたエンジン冷却水が、上記冷却水加熱用熱交換器でより高温に加熱された後に、蒸気発生器に熱源として供給されることで、エンジン冷却水を加熱しないで蒸気発生器に供給する場合と比較して、蒸気発生器における蒸気発生量が増加して蒸気タービンの軸出力が増加するので、エネルギ効率を向上することができる。

従って、排ガス流路に上記蒸気過熱用熱交換器と上記冷却水加熱用熱交換器とを上流側から順に配置することで、エンジン排ガスの熱を高温部分から低温部分にかけて充分に回収して、エンジンの排熱を有効利用することができ、高いエネルギ効率で発電機等を駆動するための蒸気タービンの軸出力を得ることができる動力システムを実現することができる。

本発明に係る動力システムの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、前記排ガス流路の前記冷却水加熱用熱交換器の下流側に、前記復水器から前記蒸気発生器に供給される溶液を前記エンジン排ガスとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記排ガス流路における上記冷却水加熱用熱交換器よりも下流側に、上記溶液予熱用熱交換器を設けることにより、上記冷却水加熱用熱交換器から排出された後の低温のエンジン排ガスの熱を、上記溶液予熱用熱交換器において当該エンジン排ガス更にはエンジン冷却水よりは低温である溶液を予熱する形態で回収することができるので、排熱ロスを低減することができる。そして、その予熱された溶液が、蒸気発生器で蒸気となって蒸気タービンに供給されることで、上記低温のエンジン排ガスの熱が、蒸気タービンの軸出力に変換されるので、一層エネルギ効率を向上することができる。

本発明に係る動力システムの第３特徴構成は、前記エンジンから排出されたエンジン排ガスが流通する排ガス流路に、前記蒸気発生器から前記蒸気タービンへ供給される蒸気を前記エンジン排ガスとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器を備えると共に、
前記排ガス流路の前記蒸気過熱用熱交換器の下流側に、前記復水器から前記蒸気発生器に供給される溶液を前記エンジン排ガスとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器を備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記排ガス流路における上流側に、上記蒸気過熱用熱交換器を設けることにより、上述した第１特徴構成と同様に、上記蒸気過熱用熱交換器において過熱された過熱蒸気が蒸気タービンに供給されることで、上記高温のエンジン排ガスの熱が、蒸気タービンの軸出力に変換されることになるので、高いエネルギ効率を実現することができる。

更に、上記排ガス流路における上記蒸気過熱用熱交換器よりも下流側に、上記溶液予熱用熱交換器を設けることにより、上記蒸気加熱用熱交換器で温度低下したエンジン排ガスの熱を、上記溶液予熱用熱交換器において当該エンジン排ガス更にはエンジン冷却水よりは低温である溶液を予熱する形態で回収することができるので、排熱ロスを低減することができる。そして、その予熱された溶液が、蒸気発生器で蒸気となって蒸気タービンに供給されることで、上記低温のエンジン排ガスの熱が、蒸気タービンの軸出力に変換されるので、一層エネルギ効率を向上することができる。

従って、排ガス流路に上記蒸気過熱用熱交換器と上記溶液予熱用熱交換器とを上流側から順に配置することで、エンジン排ガスの熱を高温部分から低温部分にかけて充分に回収して、エンジンの排熱を有効利用することができ、高いエネルギ効率で発電機等を駆動するための蒸気タービンの軸出力を得ることができる動力システムを実現することができる。

本発明に係る動力システムの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、前記エンジンから排出されたエンジン冷却水を前記蒸気発生器に直接供給するように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記溶液予熱用熱交換によりエンジン排ガスの低温部分の熱を回収できることから、その溶液よりも高温であるエンジンから排出された直後のエンジン冷却水については、エンジン排ガスの熱を回収することなく直接蒸気発生器の熱源として供給することができ、エンジン冷却水をエンジン排ガスとの熱交換により加熱するための冷却水加熱用熱交換の設置コストを節約することができる。

本発明に係る動力システムの第５特徴構成は、上記第１乃至第４の何れかの特徴構成に加えて、前記作動流体が、アンモニアと水とを混合してなる水−アンモニア系の作動流体である点にある。

上記第５特徴構成によれば、作動流体として水−アンモニア系の作動流体を利用する動作サイクル回路において、エンジン排ガスの熱を、高温部分から低温部分にかけて、その作動流体に含まれるアンモニアの蒸気や水により適切に回収し、エンジンの排熱を有効利用することができる。
また、水とアンモニアの混合割合を、蒸気タービンの規模に応じて適切に選択することによって、蒸気タービンの効率を引き出すのに最適な蒸気圧力を選択することができる。即ち、蒸気圧力、つまり蒸気発生器における蒸気圧力は、アンモニア濃度によって変化する。

本発明に係る動力システムの実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１〜３に示す動力システムは、高温排熱としてのエンジン２０から排出されるエンジン排ガスＥの排熱を高温排熱とし、エンジン２０を冷却するエンジン冷却水Ｗの排熱を低温排熱として、これらエンジン排ガスＥとエンジン冷却水Ｗとから効率良く排熱回収して、蒸気タービン２により軸動力を出力するランキンサイクルを利用するように構成されている。

そして、この動力システムは、作動流体の溶液Ｌを、作動流体を加熱して作動流体の蒸気Ｓを発生する蒸気発生器１、蒸気発生器１から蒸気流路１１を通じて供給された蒸気Ｓにより駆動する蒸気タービン２、蒸気タービン２から排出され蒸気排出路１２を通じて供給された蒸気Ｓを冷却水との熱交換により冷却して溶液Ｌに復水させる復水器３と、復水器３から供給された溶液Ｌを、流路１５を通じて蒸気発生器１に供給する供給ポンプ１６との順に、この作動流体を循環させる動力サイクル回路１０を備えて構成されている。

尚、上記作動流体としては、低沸点媒体としてのアンモニアと、当該アンモニアを吸収可能な高沸点媒体としての水との水−アンモニア系等の非共沸混合媒体を用いられているが、水又はアンモニアなどの一種の作動流体を用いることもできる。

また、上記エンジン２０の出力軸に対しては、当該出力軸により駆動して発電するエンジン用発電機３１が設けられており、一方、上記蒸気タービン２の出力軸に対しても、当該出力軸により駆動して発電する蒸気タービン用発電機３２が設けられている。
そして、エンジン駆動用発電機３０が発生した発電電力、及び、蒸気タービン用発電機３２が発生した発電電力は、適宜、商用電力系統に連系するべく商用電力周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電力として、電気機器などの交流負荷に供給することができる。

動力サイクル回路１０において、蒸気発生器１には、エンジン２０から排出されたエンジン冷却水Ｗが通流する加熱管１ａが配設され、その加熱管１ａ内に、エンジン１から排出された比較的高温のエンジン冷却水Ｗが通流することにより、そのエンジン冷却水Ｗとの熱交換により溶液Ｌが加熱されて蒸気Ｓが発生する。即ち、エンジン２から排出されたエンジン冷却水Ｗが、蒸気発生器１の熱源として供給されている。

また、エンジン冷却水Ｗは、循環ポンプ２３の作動により循環流路２２を通じてエンジン２０と当該加熱管１ａとの間で循環しており、更に、蒸気発生器１の加熱管１ａを通流した後のエンジン冷却水Ｗは、ラジエタ２４において空冷された後に再びエンジン２０に供給される。

動力サイクル回路１０において、復水器３には、例えば、クーリングタワー等で空冷された冷却水が冷熱源として通流する冷却管３ａが配設され、その冷却管３ａ内に、冷却水が通流することにより、蒸気Ｓ及び溶液Ｌと冷却水との間の熱交換が行われ、蒸気Ｓが凝縮して溶液Ｌに混合されるときに生じる凝縮潜熱及び混合熱が冷却水により奪われる。

以上の構成が、本動力システムの基本構成であるが、この動力システムは、エンジン２０の排熱を有効利用して、高いエネルギ効率で発電機３２を駆動するための蒸気タービン２の軸出力を得ることができる動力システムとして構成されており、その実施形態である第１（図１）、第２（図２）、及び、第３（図３）の実施形態について、以下に説明を加える。

〔第１実施形態〕
図１に示す第１実施形態の動力システムでは、エンジン２０から排出されたエンジン排ガスＥが流通する排ガス流路２１の上流側には、蒸気流路１１を通じて蒸気発生器１から蒸気タービン２へ供給される蒸気Ｓをエンジン排ガスＥとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器４１が設けられている。
更に、その排ガス流路２１の上記蒸気過熱用熱交換器４１の下流側には、エンジン２０から蒸気発生器１に供給されるエンジン冷却水Ｗをエンジン排ガスＥとの熱交換により加熱する冷却水加熱用熱交換器４２が設けられている。

即ち、蒸気発生器１においてエンジン冷却水Ｗにより加熱されて蒸発した蒸気Ｓ１は、エンジン２０から排出された直後のエンジン排ガスＥよりも低温であるが、循環流路２２においてエンジン２０から排出された直後のエンジン冷却水Ｗよりも高温である。
よって、エンジン２０から排出された直後の高温のエンジン排ガスＥの比較的高温部分の熱は、上記蒸気過熱用熱交換器４１において、エンジン冷却水Ｗよりも高温の蒸気Ｓ１を過熱する形態で回収されるので、エクセルギー損失が低減されている。
そして、その過熱された過熱蒸気Ｓ２が回収したエンジン排ガスＥの高温部分の熱は、その過熱蒸気Ｓ２が蒸気タービン２に供給されることで、発電機３２を駆動するための蒸気タービン２の軸出力に変換されて、エネルギ効率が向上されている。

一方、循環流路２２においてエンジン２０から排出された直後のエンジン冷却水Ｗは、排ガス流路２１において上記蒸気過熱用熱交換器４１で高温部分の熱が回収され温度低下したエンジン排ガスＥよりも低温である。
よって、上記蒸気過熱用熱交換器４１で温度低下したエンジン排ガスＥの比較的熱は、エンジン２０から蒸気発生器１に供給されるエンジン冷却水Ｗをより高温に加熱する形態で回収されるので、エンジン排ガスＥの排出による排熱ロスが低減されている。
そして、エンジン２０から排出されたエンジン冷却水Ｗは、上記冷却水加熱用熱交換器４２でより高温に加熱された後に、蒸気発生器１の加熱管１ａに熱源として供給されることで、エンジン冷却水Ｗを加熱しないで蒸気発生器１に供給する場合と比較して、蒸気発生器１における蒸気発生量が増加し、蒸気タービン２の軸出力が増加する分、エネルギ効率が向上されている。

〔第２実施形態〕
図２に示す第２実施形態の動力システムでは、上記第１実施形態と同様に、エンジン２０から排出されたエンジン排ガスＥが流通する排ガス流路２１の上流側には、蒸気過熱用熱交換器４１が設けられており、更に、排ガス流路２１の上記蒸気過熱用熱交換器４１の下流側には、冷却水加熱用熱交換器４２が設けられており、この構成によりエネルギ効率が向上されている。

更に、その排ガス流路２１の上記冷却水加熱用交換器４２の下流側には、流路１５を通じて復水器３から蒸気発生器１に供給される溶液Ｌをエンジン排ガスＥとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器４３が設けられている。

即ち、流路１５を通じて復水器３から蒸気発生器１に供給される溶液Ｌは、上記冷却水加熱用熱交換器４２で低温部分の熱が回収され温度低下したエンジン排ガスＥよりも低温である。
よって、上記冷却水加熱用熱交換器４２から排出された後の低温のエンジン排ガスＥの熱は、上記溶液予熱用熱交換器４３において蒸気発生器１に供給される溶液Ｌを予熱する形態で回収されるので、エンジン排ガスＥの排出による排熱ロスが低減されている。
そして、その予熱された溶液Ｌが、蒸気発生器１で蒸気となって蒸気タービン２に供給されることで、上記低温のエンジン排ガスＥの熱が、発電機３２を駆動するための蒸気タービン２の軸出力に変換されて、エネルギ効率が一層向上されている。

〔第３実施形態〕
図３に示す第３実施形態の動力システムでは、エンジン２０から排出されたエンジン排ガスＥが流通する排ガス流路２１の上流側には、上記第１実施形態と同様に、蒸気過熱用熱交換器４１が設けられており、更に、その排ガス流路２１の上記蒸気過熱用熱交換器４１の下流側には、上記第２実施形態と同様に、流路１５を通じて復水器３から蒸気発生器１に供給される溶液Ｌをエンジン排ガスＥとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器４３が設けられている。

即ち、上記蒸気過熱用熱交換器４１において、エンジン２０から排出された直後の高温のエンジン排ガスＥの比較的高温部分の熱が、低いエクセルギー損失でエンジン冷却水Ｗよりも高温の蒸気Ｓ１を過熱する形態で回収され、その加熱蒸気Ｓ２が蒸気タービン２に供給されることで、発電機３２を駆動するための蒸気タービン２の軸出力に変換されて、エネルギ効率が向上されている。
更に、上記溶液予熱用熱交換器４３において、記蒸気過熱用熱交換器４１で高温部分の熱が回収され温度低下したエンジン排ガスＥの熱が、蒸気発生器１に供給される溶液Ｌを予熱する形態で回収されて、排熱ロスが低減され、その予熱された溶液Ｌが蒸気となって蒸気タービン２に供給されることで、発電機３２を駆動するための蒸気タービン２の軸出力に変換されて、エネルギ効率が一層向上されている。

更に、この第３実施形態の動力システムは、図２に示す上記第２実施形態の動力システムに対して、冷却水加熱用熱交換器４２が省略されて、当該冷却水加熱用熱交換４２の設置コストが節約されている。

本発明に係る動力システムは、エンジンの排熱を有効利用して、高いエネルギ効率で発電機等を駆動するための蒸気タービンの軸出力を得ることができる動力システムとして有効に利用可能である。

第１実施形態の動力システムの概略構成図 第２実施形態の動力システムの概略構成図 第３実施形態の動力システムの概略構成図

符号の説明

１：蒸気発生器
２：蒸気タービン
３：復水器
１０：動力サイクル回路
１６：供給ポンプ
２０：エンジン
２１：排ガス流路
４１：蒸気過熱用熱交換器
４２：冷却水加熱用熱交換器
４３：溶液予熱用熱交換器

Claims (5)

1. 作動流体の溶液を加熱して当該作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を、前記作動流体が循環する動力サイクル回路を備え、
   エンジンから排出されたエンジン冷却水を、前記蒸気発生器の熱源として供給するように構成された動力システムであって、
   前記エンジンから排出されたエンジン排ガスが流通する排ガス流路に、前記蒸気発生器から前記蒸気タービンへ供給される蒸気を前記エンジン排ガスとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器を備えると共に、
   前記排ガス流路の前記蒸気過熱用熱交換器の下流側に、前記エンジンから前記蒸気発生器に供給されるエンジン冷却水を前記エンジン排ガスとの熱交換により加熱する冷却水加熱用熱交換器を備えた動力システム。
2. 前記排ガス流路の前記冷却水加熱用熱交換器の下流側に、前記復水器から前記蒸気発生器に供給される溶液を前記エンジン排ガスとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器を備えた請求項１に記載の動力システム。
3. 作動流体の溶液を加熱して当該作動流体の蒸気を発生する蒸気発生器と、前記蒸気発生器から供給された前記蒸気により駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンから排出された前記蒸気を冷却して前記溶液に復水させる復水器と、前記復水器から供給された前記溶液を前記蒸気発生器に供給する供給ポンプとの順に夫々を、前記作動流体が循環する動力サイクル回路を備え、
   エンジンから排出されたエンジン冷却水を、前記蒸気発生器の熱源として供給するように構成された動力システムであって、
   前記エンジンから排出されたエンジン排ガスが流通する排ガス流路に、前記蒸気発生器から前記蒸気タービンへ供給される蒸気を前記エンジン排ガスとの熱交換により過熱する蒸気過熱用熱交換器を備えると共に、
   前記排ガス流路の前記蒸気過熱用熱交換器の下流側に、前記復水器から前記蒸気発生器に供給される溶液を前記エンジン排ガスとの熱交換により予熱する溶液予熱用熱交換器を備えた動力システム。
4. 前記エンジンから排出されたエンジン冷却水を前記蒸気発生器に直接供給するように構成されている請求項３に記載の動力システム。
5. 前記作動流体が、アンモニアと水とを混合してなる水−アンモニア系の作動流体である請求項１〜４の何れか一項に記載の動力システム。

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