JP2012082750A - 排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造により、内燃機関の排ガスから無駄なく排熱を回収して発電効率を高めることのできる排熱回収発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る排熱回収発電装置１は、内燃機関の排ガスと熱交換する過熱器７（第１の熱交換器）と、過熱器７にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン８（第１の蒸気タービン）と、蒸気タービン８に駆動される発電機１２（第１の発電機）とを有する発電システムＡ（第１の発電システム）と、蒸気タービン８を駆動し終えた蒸気と熱交換する蒸発器１７（第２の熱交換器）と、蒸発器１７にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン１８（第２の蒸気タービン）と、蒸気タービン１８に駆動される発電機１９（第２の発電機）とを有する発電システムＢ（第２の発電システム）を備えてなる。例えば発電システムＡの作動流体は水、発電システムＢの作動流体はＲ２４５ｆａである。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排熱を回収して発電する排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶に関するものである。

従来より、内燃機関の排ガス等の排熱を回収して発電する技術が種々提案されている。下記特許文献１には、海洋用発電装置からの排熱を熱源とする有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）によって発電する排熱回収発電装置が開示されている。この排熱回収発電装置では、例えば船舶のエンジンから排出される排ガスの熱により、水よりも沸点の低い代替フロン（例えばＲ２４５ｆａ）のような有機流体を加圧した状態で加熱して沸騰させ、その蒸気によってタービンを駆動し、発電を行うように構成されている。このように、水よりも沸点の低い有機流体をタービン駆動用の作動流体とすることにより、１５０℃以下の、比較的温度の低い排熱まで回収して発電エネルギに供することができるため、排熱回収発電装置の効率を向上させることができる。

特表２００８−５２２０８１号公報

しかしながら、Ｒ２４５ｆａ等の代替フロンは、凡そ２５０℃以上の高温になると熱分解してしまう虞があり、熱分解した場合には分解生成物として人体および環境に有害なフッ化水素酸（ＨＦ）およびハロゲン化カルボニル等が発生するため、このような代替フロンをタービン駆動用の作動流体とする有機ランキンサイクル方式の排熱回収発電装置によって２５０℃以上の排熱を回収することは困難であった。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される２５０℃以上といった温度レベルの高い排ガスの熱を回収するためには、この高温な排ガスと熱交換する熱交換器（過熱器）により水を沸騰させて蒸気を生成し、蒸気タービンによって発電機を駆動する排熱回収方法を採ればよいが、そうすると蒸気タービンの出口における蒸気温度が凡そ１５０℃以上あり、この熱が外部に捨てられてしまうため、充分に効率的ではなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、簡素な構造により、内燃機関の排ガスから無駄なく排熱を回収して発電効率を高めることのできる排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶は以下の手段を採用する。
即ち、本発明に係る排熱回収発電装置は、内燃機関の排ガスと熱交換する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器にて生成された蒸気によって駆動される第１の蒸気タービンと、該第１の蒸気タービンに駆動される第１の発電機とを有する第１の発電システムと、前記第１の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気と熱交換する第２の熱交換器と、該第２の熱交換器にて生成された蒸気によって駆動される第２の蒸気タービンと、該第２の蒸気タービンに駆動される第２の発電機とを有する第２の発電システムとを備えてなることを特徴とする。

上記構成において、第１の発電システムを循環する作動流体は水でよい。上記構成とした場合、内燃機関から排出される比較的高温な排ガスの熱が、第１の熱交換器と熱交換することにより、作動流体である水を過熱して高エネルギな水蒸気を生成し、この水蒸気によって第１の蒸気タービンが駆動され、さらに第１の発電機が駆動されて発電がなされる。そして、第１の蒸気タービンを駆動し終えた水蒸気は、第２の発電システムにおいて第２の熱交換器と熱交換することにより、第２の蒸気タービンを駆動する作動流体の蒸気を生成し、この蒸気によって第２の蒸気タービンが駆動され、さらに第２の発電機が駆動されて発電がなされる。

第１の蒸気タービンを駆動する水蒸気の温度は、第１の蒸気タービンの入口においては内燃機関の排ガス温度とほぼ同等の高い温度レベルにあるが、第１の蒸気タービンの出口においては膨張後のため熱エネルギを失っており、２５０℃以下に低下している。しかし、第２の発電システムにおいて第２の蒸気タービンを駆動する作動流体を適宜選択すれば、これを第１の蒸気タービン駆動後の温度低下した水蒸気と熱交換させても蒸気を生成することができ、この蒸気により第２の蒸気タービンと第２の発電機を駆動してさらなる発電を行うことができる。このように、第１の蒸気タービンを駆動し終えた水蒸気の熱が外部に捨てられることなく有効に利用されるため、内燃機関の排ガスの排熱を無駄なく回収して排熱回収発電装置の発電効率を高めることができる。なお、内燃機関としては、典型的には舶用ディーゼルエンジンが挙げられる。ただし、舶用に限らず、例えば陸上の発電所に用いられる内燃機関であっても良い。

また、本発明に係る排熱回収発電装置は、前記第２の発電システムが、前記第１の発電システムにおける作動流体よりも沸点の低い有機流体を沸騰させて生成した蒸気により前記第２の蒸気タービンを駆動するように構成された有機ランキンサイクル発電システムであることを特徴とする。

上記構成において、有機流体は、第２の熱交換器にて蒸発して蒸気となり、第２の蒸気タービンに送られてこれを駆動しながら膨張した後、復水器等で凝縮され、ポンプ等で再び第２の熱交換器に送られるサイクル、即ち有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｒａｎｋｉｎｅ Ｃｙｃｌｅ）を行う。本構成によれば第１の発電システムにおいて第１の蒸気タービンを駆動する作動流体の沸点よりも、第２の発電システムにおいて第２の蒸気タービンを駆動する有機流体の沸点の方が低いため、前述したように第１の蒸気タービンを駆動し終えて熱エネルギが低下した蒸気であっても、第２の発電システムの有機流体を第２の熱交換器で充分に沸騰させて蒸気を生成することができ、これにより第２の蒸気タービンと第２の発電機を駆動し、排ガスの熱を無駄なく回収して高い発電効率とすることができる。

また、本発明に係る排熱回収発電装置は、前記第１の発電システムが、前記第１の熱交換器と前記第１の蒸気タービンと前記第１の発電機の他に、循環ポンプと復水器とを備えたランキンサイクル発電システムであることを特徴とする。本構成によれば、第１の蒸気タービンを駆動した後の蒸気が外部に排出されることなく再循環されるため、熱効率を高く保って高い発電効率を得ることができる。

さらに、本発明に係る排熱回収発電装置は、前記第１の発電システムにおける前記復水器が、前記第２の発電システムにおける前記第２の熱交換器であることを特徴とする。本構成において、第１の発電システムにおける第１の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気は、その復水器である第２の熱交換器に流れ、ここで第２の発電システムを流れる作動流体と熱交換することにより冷やされて凝縮し、液化する。一方、第２の発電システムを流れる作動流体は、第２の熱交換器において第１の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気と熱交換することにより加熱されて蒸発し、蒸気となって第２の蒸気タービンを駆動する。

このように、第１の発電システムにおける復水器が、第２の発電システムにおける第２の熱交換器を兼ねており、この復水器において、第１の発電システムの作動流体の凝縮と、第２の発電システムの作動流体の蒸発とが同時に行われるため、復水器と第２の熱交換器とをそれぞれ個別に設けたり、復水器の冷却のために海水を取り込んだりする必要がなく、このため排熱回収発電装置の構成を非常に簡素にすることができる。

また、本発明に係る排熱回収発電装置は、前記第１の発電システムが、前記第１の熱交換器を通過した後の前記排ガスの熱により、前記第１の熱交換器に流入する前の作動流体を予熱する第１の予熱手段を有することを特徴とする。
本構成によれば、第１の発電システムにおける作動流体が、第１の予熱手段において排ガスの熱により予熱されてから第１の熱交換器に流れるため、素早く熱エネルギの高い蒸気になることができる。しかも、排ガスは第１の熱交換器を通過してから第１の予熱手段を通過するため、第１の熱交換器を通過する排ガスの温度は高いままである。これにより、作動流体を良好に過熱して排熱回収発電装置の熱効率を向上させることができる。

さらに、本発明に係る排熱回収発電装置は、前記第２の発電システムが、前記第２の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気の熱により、前記第２の熱交換器に流入する前の作動流体を予熱する第２の予熱手段を有することを特徴とする。
本構成によれば、第２の発電システムにおける作動流体が、第２の予熱手段においてタービン駆動後の蒸気の熱により予熱されてから第２の熱交換器に流れるため、素早く熱エネルギの高い蒸気になることができる。しかも、この予熱にはタービン駆動後の蒸気の熱が利用されるため、排熱量を低減させて排熱回収発電装置の熱効率を向上させることができる。

そして、本発明に係る船舶は、上記のいずれかの排熱回収発電装置を備えていることを特徴とする。このため、有効に排熱回収できる省エネルギ性の高い船舶を提供することができる。

以上のように、本発明に係る排熱回収発電装置およびこれを備えた船舶は、内燃機関の排ガスと熱交換して発生させた蒸気により第１の蒸気タービンと第１の発電機を駆動する第１の発電システムと、上記第１の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気と熱交換して発生させた蒸気により第２の蒸気タービンと第２の発電機を駆動する第２の発電システムとを備えているため、簡素な構造により、内燃機関の排ガスから無駄なく排熱を回収して発電効率を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかる排熱回収発電装置を概略的に示した図である。

以下、本発明に係る排熱回収発電装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１には、本発明の実施形態にかかる排熱回収発電装置が概略的に示されている。この排熱回収発電装置１は、例えば船舶に適用されるものであり、船舶の主機であるディーゼルエンジン等の内燃機関の排熱を回収して発電を行い、船体の電源や他の動力源を賄うためのものである。この排熱回収発電装置１は、発電システムＡ（第１の発電システム）と、発電システムＢ（第２の発電システム）とを備えて構成されている。

発電システムＡは、循環ポンプ５と、蒸気ドラム６と、過熱器７（第１の熱交換器）と、蒸気タービン８（第１の蒸気タービン）と、復水器９とが上記の順番で閉ループ状に接続されたランキンサイクル発電システムであり、ここを循環する作動流体は水およびその蒸気である。なお、蒸気ドラム６には蒸発器１１（第１の予熱手段）が接続されており、蒸気ドラム６の内部では温水と蒸気が分離された状態で貯留され、温水は蒸気ドラム６の下部（液相部）から出て蒸発器１１を経て蒸気になり、再び蒸気ドラム６の上部（気相部）に戻されるようになっている。また、蒸気タービン８には発電機１２（第１の発電機）が付設され、蒸気タービン８がこれを駆動する。

内燃機関の排ガスは、過熱器７と蒸発器１１を順に通過して、過熱器７の内部を流れる蒸気および蒸発器１１の内部を流れる温水とそれぞれ熱交換し、ここで排ガスに残留している熱エネルギが回収される。排ガスの高熱により、過熱器７の内部では蒸気が過熱されて５００〜６００℃程度の乾き蒸気となり、蒸気タービン８に送られる。排ガスは過熱器７と熱交換することにより熱回収されて温度が低下するが、まだ熱エネルギを持っているため、過熱器７の次に蒸発器１１を通過することにより、その温度レベルは低いものの、蒸気ドラム６から蒸発器１１に流れてきた温水を予熱して蒸発させることができる。

この発電システムＡにおいて、循環ポンプ５から吐出されるのは蒸気を含んだ温水であり、この温水は蒸気ドラム６において気液分離され、蒸気ドラム６の下部に貯留された温水が上述したように蒸発器１１において排ガスと熱交換することにより蒸発してその蒸気が蒸気ドラム６の上部に戻され、ここで循環ポンプ５から送給されてきた温水に含まれる蒸気と合流する。そして、この蒸気は蒸気ドラム６の頂部から出て過熱器７に送られ、再び高温な排ガスと熱交換することにより過熱されて高温かつ高エネルギな乾き蒸気となり、蒸気タービン８を駆動する。蒸気タービン８は発電機１２を駆動し、発電機１２にて電力が得られる。この電力は、図示しない電力線を介して船内電気系統へと供給される。

蒸気タービン８を駆動する蒸気の温度は、蒸気タービン８の入口においては内燃機関の排ガス温度とほぼ同等の高い温度レベル（５００〜６００℃程度）にあるが、蒸気タービン８の出口においては膨張後のため熱エネルギを失っており、温度が２５０℃以下に低下している。このように温度低下した蒸気は復水器９に流れ、ここで後述するように発電システムＢを循環する温度の低い作動流体と熱交換することにより更に温度降下して凝縮し、多少の蒸気を含んだ温水となる。この温水は循環ポンプ５に吸入されて再び発電システムＡを循環し、以下、上記のサイクルが繰り返される。このように、発電システムＡによって排ガスに残留している熱エネルギの大部分が回収されて第１の発電が行われる。

一方、発電システムＢは、循環ポンプ１５と、予熱器１６（第２の予熱手段）と、蒸発器１７（第２の熱交換器）と、蒸気タービン１８（第２の蒸気タービン）と、蒸気タービン１８に駆動される発電機１９（第２の発電機）と、復水器２０とを備えて閉ループ状に構成された有機ランキンサイクル発電システムであり、その作動流体としては、発電システムＡにおける作動流体である水よりも沸点の低い有機流体、例えば８０℃前後で沸騰する加圧されたＲ２４５ｆａ等の代替フロンが用いられ、このＲ２４５ｆａを沸騰させて生成した蒸気により蒸気タービン１８を駆動するように構成されている。なお、有機流体としては、Ｒ２４５ｆａに限らず、Ｒ１３４ａや、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素を用いることができる。

蒸発器１７としては、発電システムＡにおける復水器９が兼用されている。つまり、この蒸発器１７（復水器９）では、発電システムＡの蒸気タービン８を駆動し終えた２５０℃以下の水蒸気が、発電システムＢの作動流体であるＲ２４５ｆａと熱交換を行う。これにより、発電システムＡの水蒸気は凝縮して主に温水となり、発電システムＢのＲ２４５ｆａは蒸発して蒸気となる。もちろん、蒸発器１７の内部で発電システムＡの蒸気と発電システムＢのＲ２４５ｆａが相互に混合することはない。

蒸発器１７では、Ｒ２４５ｆａが２５０℃以上に加熱されることがないため、Ｒ２４５ｆａが熱分解を起こす懸念はない。しかも、加圧されたＲ２４５ｆａの沸点は水よりも低い８０℃程度であるため、充分にエネルギを持った蒸気になることができる。

予熱器１６は、蒸気タービン１８の出口側に接続され、その下流側に復水器２０と循環ポンプ１５が順次接続され、循環ポンプ１５から吐出されたＲ２４５ｆａが再び予熱器１６を経て蒸発器１７に流れる。なお、復水器２０は船外の海水によって冷却されるようになっている。

この発電システムＢにおいて、循環ポンプ１５から吐出された液相状のＲ２４５ｆａは、まず予熱器１６において、蒸気タービン１８を駆動し終えたＲ２４５ｆａの蒸気の熱により予熱され、次に蒸発器１７（復水器９）に流れる。蒸発器１７では、先述のように発電システムＡの蒸気タービン８を駆動し終えた比較的高温な蒸気と熱交換することにより、加圧されたＲ２４５ｆａの温度が沸点である８０℃前後の温度を超えて気化し、ここで生成されたＲ２４５ｆａの蒸気が蒸気タービン１８に送給されてこれを駆動する。蒸気タービン１８は発電機１９を駆動し、発電機１９にて電力が得られる。この電力も、先述の発電機１２にて得られた電力と同様に、図示しない電力線を介して船内電気系統へと供給される。

蒸気タービン１８を駆動し終えたＲ２４５ｆａの蒸気は予熱器１６に流れ、ここで蒸発器１７に流入する前の液相状のＲ２４５ｆａと熱交換して液相状のＲ２４５ｆａを予熱し、次に復水器２０において海水により冷却されて液相状に凝縮してから循環ポンプ１５に吸入されて再び発電システムＢを循環し、以下、上記のサイクルが繰り返される。このように、発電システムＢでは、発電システムＡにおいて蒸気タービン８を駆動し終えた２５０℃以下の蒸気の熱エネルギが更に回収されて第２の発電に供される。

以上のように構成された排熱回収発電装置１によれば、以下の作用効果が得られる。
この排熱回収発電装置１では、発電システムＡにより内燃機関の排ガスから熱エネルギが回収されて高温な水蒸気が生成され、この水蒸気によって蒸気タービン８および発電機１２が駆動されて発電がなされ、蒸気タービン８を駆動し終えた水蒸気の熱エネルギが外部に捨てられることなく発電システムＢによって更に回収され、その熱エネルギによってＲ２４５ｆａの蒸気が生成されて蒸気タービン１８および発電機１９が駆動されて発電がなされる。このように、内燃機関の排ガスから二段階に分けて無駄なく排熱が回収され、この回収した熱エネルギによって発電が行われるため、船体に積載された燃料を消費して発電する比率を小さくすることができ、省エネルギ化に多大な貢献を果たすことができる。

また、発電システムＢが、加圧されたＲ２４５ｆａを沸騰させて生成した蒸気により蒸気タービン１８を駆動するように構成されており、加圧されたＲ２４５ｆａの沸点は８０℃程度と、発電システムＡの作動流体である水の沸点（１００℃）よりも低いため、発電システムＡの蒸気タービン８を駆動し終えて熱エネルギが低下した水蒸気であっても、発電システムＢのＲ２４５ｆａを蒸発器１７で充分に沸騰させて蒸気を生成することができ、これにより蒸気タービン１８と発電機１９を確実に駆動し、排ガスの熱を無駄なく回収して高い発電効率を得ることができる。

さらに、発電システムＡが、循環ポンプ５と、蒸気ドラム６と、過熱器７と、蒸気タービン８と、復水器９とが順に閉ループ状に接続されたランキンサイクル発電システムであるため、蒸気タービン８を駆動した後の蒸気が外部に排出されることなく再循環され、これにより熱効率を高く保って高い発電効率を得ることができる。

また、発電システムＡにおける復水器９が、発電システムＢにおける蒸発器１７として兼用されており、この復水器９（蒸発器１７）において、発電システムＡの作動流体（水）の凝縮と、発電システムＢの作動流体（Ｒ２４５ｆａ）の蒸発とが同時に行われるため、例えば復水器９と蒸発器１７をそれぞれ個別に設けたり、復水器９の冷却のために海水を取り込んだりする必要がなく、この点で排熱回収発電装置１の構成を非常に簡素にすることができる。

また、発電システムＡには、過熱器７を通過した後の排ガスの熱により、過熱器７に流入する前の作動流体を予熱する蒸発器１１が設けられており、発電システムＡの作動流体である水が、蒸発器１１において排ガスの熱により予熱されてから過熱器７に流れる構成であるため、素早く熱エネルギの高い水蒸気になることができる。しかも、排ガスは過熱器７を通過してから蒸発器１１を通過するため、過熱器７を通過する排ガスの温度は高いままであり、これによって熱エネルギの高い過熱蒸気を生成して排熱回収発電装置１の熱効率を向上させることができる。

さらに、発電システムＢが、蒸気タービン１８を駆動し終えた蒸気の熱により、蒸発器１７（復水器９）に流入する前のＲ２４５ｆａを予熱する予熱器１６を有しており、発電システムＢおける作動流体であるＲ２４５ｆａが、予熱器１６において、蒸気タービン１８駆動後の蒸気の熱により予熱されてから蒸発器１７に流れるため、蒸発器１７において素早く熱エネルギの高い蒸気になることができる。しかも、この予熱には蒸気タービン１８駆動後の蒸気の熱が利用されるため、排熱量を低減させて排熱回収発電装置１の熱効率を向上させることができる。

なお、本実施形態の排熱回収発電装置１は、船舶への適用を例として説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば陸上の発電所に用いられる内燃機関や、陸上を走行する車両等にも適用することもできる。

１ 排熱回収発電装置
５，１５ 循環ポンプ
６ 蒸気ドラム
７ 過熱器（第１の熱交換器）
８ 蒸気タービン（第１の蒸気タービン）
９ 復水器
１１ 蒸発器（第１の予熱手段）
１２ 発電機（第１の発電機）
１６ 予熱器（第２の予熱手段）
１７ 蒸発器（第２の熱交換器）
１８ 蒸気タービン（第２の蒸気タービン）
１９ 発電機（第２の発電機）
Ａ 発電システム（第１の発電システム）
Ｂ 発電システム（第２の発電システム）

Claims (7)

1. 内燃機関の排ガスと熱交換する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器にて生成された蒸気によって駆動される第１の蒸気タービンと、該第１の蒸気タービンに駆動される第１の発電機とを有する第１の発電システムと、
   前記第１の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気と熱交換する第２の熱交換器と、該第２の熱交換器にて生成された蒸気によって駆動される第２の蒸気タービンと、該第２の蒸気タービンに駆動される第２の発電機とを有する第２の発電システムと、
   を備えてなることを特徴とする排熱回収発電装置。
2. 前記第２の発電システムは、前記第１の発電システムにおける作動流体よりも沸点の低い有機流体を沸騰させて生成した蒸気により前記第２の蒸気タービンを駆動するように構成された有機ランキンサイクル発電システムであることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収発電装置。
3. 前記第１の発電システムは、前記第１の熱交換器と前記第１の蒸気タービンと前記第１の発電機の他に、循環ポンプと復水器とを備えたランキンサイクル発電システムであることを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収発電装置。
4. 前記復水器は、前記第２の熱交換器であることを特徴とする請求項３に記載の排熱回収発電装置。
5. 前記第１の発電システムは、前記第１の熱交換器を通過した後の前記排ガスの熱により、前記第１の熱交換器に流入する前の作動流体を予熱する第１の予熱手段を有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の排熱回収発電装置。
6. 前記第２の発電システムは、前記第２の蒸気タービンを駆動し終えた蒸気の熱により、前記第２の熱交換器に流入する前の作動流体を予熱する第２の予熱手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の排熱回収発電装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の排熱回収発電装置を備えていることを特徴とする船舶。

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