JP2015127519A - Exhaust heat recovery device, exhaust heat recovery type vessel propulsion device and exhaust heat recovery method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、排熱回収装置、排熱回収型船舶推進装置および排熱回収方法に関するものである。 The present invention relates to an exhaust heat recovery device, an exhaust heat recovery type ship propulsion device, and an exhaust heat recovery method.
従来、船舶のディーゼルエンジンの排熱を回収して発電を行う排熱回収装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1に開示された排熱回収装置は、ディーゼルエンジンの冷却水を蒸発器に導き、蒸発器で蒸発した作動流体をパワータービンに導く。そして、作動流体によってパワータービンが回転し、それに伴ってパワータービンの回転動力が発電機に伝達される。
2. Description of the Related Art Conventionally, an exhaust heat recovery device that recovers exhaust heat of a diesel engine of a ship and generates electric power is known (for example, see Patent Document 1).
The exhaust heat recovery device disclosed in
特許文献1に開示された排熱回収装置において、ディーゼルエンジンの冷却水は、ディーゼルエンジンから排出された後は他の熱交換器により熱せられることなく排熱回収装置が備える蒸発器に導かれる。
In the exhaust heat recovery apparatus disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示された排熱回収装置においては、排熱回収装置が回収可能な熱量は、蒸発器に導かれる冷却水の温度に依存することとなる。
したがって、船舶の主機関であるディーゼルエンジンの負荷(出力)が低下すると、それに伴って冷却水の温度が低下する。そして、冷却水の温度の低下に伴って、排熱回収装置が回収する熱量が低下してしまい、十分な熱量を回収できなくなってしまう。
However, in the exhaust heat recovery apparatus disclosed in
Therefore, if the load (output) of the diesel engine which is the main engine of a ship falls, the temperature of cooling water will fall in connection with it. And with the fall of the temperature of cooling water, the calorie | heat amount which an exhaust heat recovery apparatus collect | recovers will fall, and it will become impossible to collect | recover sufficient calorie | heat amount.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内燃機関から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱して回収される熱量を維持することが可能な排熱回収装置、排熱回収型船舶推進装置および排熱回収方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and even when the temperature of the cooling water discharged from the internal combustion engine is lowered, the amount of heat recovered by heating the cooling water can be maintained. It is an object of the present invention to provide a possible exhaust heat recovery device, an exhaust heat recovery type ship propulsion device, and an exhaust heat recovery method.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係る排熱回収装置は、内燃機関と、前記内燃機関から排出される排出ガスにより駆動され、空気を圧縮して前記内燃機関に燃焼用空気として供給する過給機と、前記過給機から前記内燃機関に供給される前記燃焼用空気を冷却する空気冷却器と、前記内燃機関を冷却する冷却水を循環させる冷却水流路と、前記冷却水流路を循環する前記冷却水と作動流体の熱交換をする熱交換器と、を備え、前記冷却水流路は、前記空気冷却器を通過させずに前記内燃機関から排出される前記冷却水を前記熱交換器に導く第1流路と、前記空気冷却器を通過させて前記内燃機関から排出される前記冷却水を前記熱交換器に導く第2流路と、をさらに備え、前記第1流路を介して前記熱交換器に導かれる前記冷却水の第1流量と、前記第2流路を介して前記熱交換器に導かれる前記冷却水の第2流量とを調整する第1流量調整弁を備える。
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
An exhaust heat recovery apparatus according to the present invention includes an internal combustion engine, a supercharger that is driven by exhaust gas discharged from the internal combustion engine, compresses air, and supplies the compressed air to the internal combustion engine as combustion air. An air cooler for cooling the combustion air supplied from the machine to the internal combustion engine, a cooling water passage for circulating cooling water for cooling the internal combustion engine, and the cooling water and working fluid circulating through the cooling water passage A heat exchanger for exchanging heat, and the cooling water flow path includes a first flow path for guiding the cooling water discharged from the internal combustion engine to the heat exchanger without passing through the air cooler. A second flow path for guiding the cooling water discharged from the internal combustion engine through the air cooler to the heat exchanger, and is guided to the heat exchanger via the first flow path. The first flow rate of the cooling water to be discharged and the second flow path It comprises a first flow regulating valve for adjusting the second flow rate of the cooling water is led to the heat exchanger.
本発明に係る排熱回収装置によれば、第1流路に導かれる冷却水は空気冷却器によって加熱されることなく熱交換器に導かれ、第2流路に導かれる冷却水は空気冷却器によって加熱されてから熱交換器に導かれる。第1流路に導かれる冷却水の第1流量を減少させ、第2流路に導かれる冷却水の第2流量を増加させることにより熱交換器に導かれる冷却水の温度が上昇する。したがって、内燃機関から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても、第1流量と第2流量とを第1流量調整弁により適切に調整することにより、熱交換器に導かれる冷却水の温度が適切な温度に調整される。
このようにすることで、内燃機関から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱して回収される熱量を維持することが可能な排熱回収装置を提供することができる。
According to the exhaust heat recovery apparatus of the present invention, the cooling water led to the first flow path is led to the heat exchanger without being heated by the air cooler, and the cooling water led to the second flow path is air-cooled. After being heated by the vessel, it is led to the heat exchanger. The temperature of the cooling water guided to the heat exchanger rises by decreasing the first flow rate of the cooling water guided to the first flow path and increasing the second flow rate of the cooling water guided to the second flow path. Therefore, even when the temperature of the cooling water discharged from the internal combustion engine decreases, the cooling led to the heat exchanger is appropriately adjusted by adjusting the first flow rate and the second flow rate by the first flow rate adjustment valve. The water temperature is adjusted to an appropriate temperature.
Thus, it is possible to provide an exhaust heat recovery device capable of maintaining the amount of heat recovered by heating the cooling water even when the temperature of the cooling water discharged from the internal combustion engine is lowered. Can do.
本発明の第1態様の排熱回収装置は、前記第1流量調整弁の下流側に設けられ、該第1流量調整弁から前記熱交換器に導かれる前記冷却水の温度を検出する温度検出部を備え、前記第1流量調整弁は、前記温度検出部が検出する前記冷却水の温度が所定温度以上となるように前記第1流量と前記第2流量とを調整する。
このようにすることで、第1流量調整弁は、第1流量調整弁の下流側から発電システムの熱交換器に導かれる冷却水の温度が所定温度以上となるように調整し、回収される熱量を維持することができる。
The exhaust heat recovery apparatus according to the first aspect of the present invention is provided with a downstream side of the first flow rate adjustment valve, and detects the temperature of the cooling water led from the first flow rate adjustment valve to the heat exchanger. And the first flow rate adjustment valve adjusts the first flow rate and the second flow rate so that the temperature of the cooling water detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature.
By doing in this way, the 1st flow control valve adjusts so that the temperature of the cooling water led from the downstream of the 1st flow control valve to the heat exchanger of a power generation system may become more than predetermined temperature, and is collected. The amount of heat can be maintained.
本発明の第1態様の排熱回収装置においては、前記過給機から排出される前記排出ガスの熱を回収する排熱回収システムと、前記排熱回収システムにより回収された熱と前記熱交換器に導かれる前記冷却水との熱交換を行う補助熱交換器とを備える構成にしてもよい。
このようにすることで、内燃機関から排出される冷却水の温度が低く、空気冷却器による加熱では冷却水の温度を十分に維持できない場合であっても、排熱回収システムにより回収される排出ガスを熱源とする補助熱交換器により冷却水の温度を維持することが可能となる。
In the exhaust heat recovery apparatus according to the first aspect of the present invention, the exhaust heat recovery system recovers the heat of the exhaust gas discharged from the supercharger, and the heat recovered by the exhaust heat recovery system and the heat exchange You may make it a structure provided with the auxiliary heat exchanger which performs heat exchange with the said cooling water guide | induced to a container.
By doing so, even if the temperature of the cooling water discharged from the internal combustion engine is low and the temperature of the cooling water cannot be sufficiently maintained by heating with the air cooler, the exhaust recovered by the exhaust heat recovery system The temperature of the cooling water can be maintained by the auxiliary heat exchanger using gas as a heat source.
上記構成においては、前記補助熱交換器に導かれる前記循環水の流量を調整する第2流量調整弁を備え、前記第2流量調整弁は、前記温度検出部が検出する前記冷却水の温度が所定温度以上となるように前記循環水の流量を調整するようにしてもよい。
このようにすることで、補助熱交換器に導かれる循環水の流量を冷却水の温度が所定温度以上となるように適切に調整することができる。
In the above configuration, a second flow rate adjustment valve that adjusts a flow rate of the circulating water led to the auxiliary heat exchanger is provided, and the second flow rate adjustment valve has a temperature of the cooling water detected by the temperature detection unit. You may make it adjust the flow volume of the said circulating water so that it may become more than predetermined temperature.
By doing in this way, the flow volume of the circulating water guide | induced to an auxiliary heat exchanger can be adjusted appropriately so that the temperature of cooling water may become more than predetermined temperature.
本発明に係る排熱回収型船舶推進装置は、前記内燃機関が、船舶の推進力を発生させる主機関であり、上述したいずれかに記載の排熱回収装置を備える。
このようにすることで、内燃機関から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱して回収される熱量を維持することが可能な排熱回収型船舶推進装置を提供することができる。
In the exhaust heat recovery type ship propulsion apparatus according to the present invention, the internal combustion engine is a main engine that generates a propulsion force of the ship, and includes the exhaust heat recovery apparatus described above.
By doing in this way, even if the temperature of the cooling water discharged | emitted from an internal combustion engine falls, the waste-heat recovery-type ship propulsion apparatus which can maintain the calorie | heat amount recovered by heating a cooling water is provided. Can be provided.
本発明に係る排熱回収方法は、排出ガスを排出する工程と、前記排出ガスにより空気を圧縮して燃焼用空気を生成する工程と、前記燃焼用空気を冷却水により冷却する工程と、前記冷却水を作動流体と熱交換させる工程と、前記燃焼用空気を冷却する前記冷却水の流量と、前記燃焼用空気を冷却させずに通過させる前記冷却水の流量とを調整する工程を備える。 The exhaust heat recovery method according to the present invention includes a step of discharging exhaust gas, a step of compressing air with the exhaust gas to generate combustion air, a step of cooling the combustion air with cooling water, A step of exchanging heat between the cooling water and the working fluid, and a step of adjusting a flow rate of the cooling water that cools the combustion air and a flow rate of the cooling water that passes the combustion air without cooling.
本発明に係る排熱回収方法によれば、燃焼用空気を冷却する冷却水の流量を多くし、燃焼用空気を冷却させずに通過させる冷却水の流量を少なくすることにより作動流体と熱交換される冷却水の温度が上昇する。したがって、冷却水の温度が低下する場合であっても、燃焼用空気を冷却する冷却水の流量と燃焼用空気を冷却させずに通過させる冷却水の流量とを適切に調整することにより、作動流体と熱交換される冷却水の温度が適切な温度に調整される。
このようにすることで、冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱して回収される熱量を維持することが可能な排熱回収方法を提供することができる。
According to the exhaust heat recovery method according to the present invention, the flow rate of the cooling water for cooling the combustion air is increased, and the flow rate of the cooling water that is allowed to pass without cooling the combustion air is reduced to exchange heat with the working fluid. The temperature of the cooling water to be increased. Therefore, even when the temperature of the cooling water is lowered, the operation is performed by appropriately adjusting the flow rate of the cooling water that cools the combustion air and the flow rate of the cooling water that passes without cooling the combustion air. The temperature of the cooling water heat exchanged with the fluid is adjusted to an appropriate temperature.
By doing in this way, even if it is a case where the temperature of cooling water falls, the exhaust heat recovery method which can maintain the calorie | heat amount recovered by heating cooling water can be provided.
本発明によれば、内燃機関から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱して回収される熱量を維持することが可能な排熱回収装置、排熱回収型船舶推進装置および排熱回収方法を提供することができる。 According to the present invention, even if the temperature of the cooling water discharged from the internal combustion engine is lowered, the exhaust heat recovery device and the exhaust heat recovery type capable of maintaining the amount of heat recovered by heating the cooling water A ship propulsion apparatus and a waste heat recovery method can be provided.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置1について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置1(排熱回収装置)は、ディーゼルエンジン(内燃機関)3と、ターボチャージャ(過給機)4と、空気冷却器5と、冷却水流路7と、三方弁(第1流量調整弁)8と、ORCシステム(発電システム)2と、排熱回収システム10とを備える。
[First Embodiment]
Hereinafter, an exhaust heat recovery type
As shown in FIG. 1, an exhaust heat recovery type ship propulsion device 1 (exhaust heat recovery device) according to this embodiment includes a diesel engine (internal combustion engine) 3, a turbocharger (supercharger) 4, and an air cooler. 5, a cooling
本実施形態の排熱回収型船舶推進装置1は、船舶の推進力を発生させる主機関(主機)であるディーゼルエンジン3の冷却水の排熱を、熱交換によってORCシステム2の有機流体(作動流体)に伝達し、有機流体によって発電を行う装置である。本実施形態の排熱回収型船舶推進装置1は、ディーゼルエンジン3の冷却水の排熱を発電に利用することで、排熱を有効に回収して再利用することを可能にする。
以下、本実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置1の各部について図面を参照して説明する。
The exhaust heat recovery type
Hereinafter, each part of the exhaust heat recovery type
ディーゼルエンジン3は、船舶の推進力を発生させる主機関(主機)であり、燃料油および燃料ガスの少なくともいずれか一方を主燃料として掃気空気とともに燃焼させる内燃機関である。
ターボチャージャ4は、ディーゼルエンジン3が主燃料を燃焼させることにより排出される排出ガスにより駆動されるタービン4aと、タービンの回転動力によって外気を圧縮する圧縮機4bとを備える。ターボチャージャ4により圧縮された外気は、燃焼用の掃気空気としてディーゼルエンジン3に供給される。
The
The
空気冷却器5は、ターボチャージャ4の圧縮機4bからディーゼルエンジン3に供給される掃気空気を冷却する装置である。空気冷却器5の入口における掃気空気の温度は、図3に実線で一例を示すように、主機負荷(主機であるディーゼルエンジン3の負荷)に応じて約50℃〜約200℃の範囲となる。空気冷却器5により掃気空気を冷却することにより、空気冷却器5の出口における掃気空気の温度は、主機負荷にかかわらず約40℃に維持される。このように、掃気空気の温度を低くすることにより、ディーゼルエンジン3に供給される掃気空気の単位体積あたりの重量を増加させることができる。
The
空気冷却器5は、燃焼用空気の流通方向の上流側に配置される第1空気冷却部5aと、その下流側に配置される第2空気冷却部5bとを備えている。第1空気冷却部5aは、冷却水流路7から供給されるディーゼルエンジン3の冷却水と圧縮機4bから供給される掃気空気との熱交換を行うことで、掃気空気を冷却する。第2空気冷却部5bは、セントラル冷却器(不図示)により海水にて冷却された清水と第1空気冷却部5aにより冷却された掃気空気との熱交換を行うことで、掃気空気を更に冷却する。
The
冷却水流路7は、図1に示すように、流路71,流路72,流路73,流路74,流路75,流路76,流路77の順に冷却水を循環させる流路である。冷却水流路7は、流路73と流路74とが接続される分岐点Dに接続される流路78を更に備えている。
流路74(第1流路)は、空気冷却器5を通過させずにディーゼルエンジン3から排出される冷却水をORCシステム2の蒸発器21に導く流路である。流路78(第2流路)は、空気冷却器5を通過させてディーゼルエンジン3から排出される冷却水をORCシステム2の蒸発器21に導く流路である。
As shown in FIG. 1, the cooling
The flow path 74 (first flow path) is a flow path that guides cooling water discharged from the
三方弁8は、流路74(第1流路)を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)と、流路78(第2流路)を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)とを調整する弁である。三方弁8は、流路74から流路75に流入する冷却水の流量を0とし、流路73を流通する冷却水の全量を流路78から流路75に流入させることができる。また、三方弁8は、流路78から流路75に流入する冷却水の流量を0とし、流路73を流通する冷却水の全量を流路74から流路75に流入させることができる。
The three-
ORCシステム(Organic Rankine Cycle System)2は、冷却水流路7を循環する冷却水と有機流体の熱交換をする蒸発器21を有し、蒸発器21により冷却水と熱交換した有機流体により発電を行うシステムである。ORCシステム2は、ディーゼルエンジン3の燃焼により発生する熱が伝達される冷却水を熱源として利用することにより、ディーゼルエンジン3の排熱を有効に回収することができる。
The ORC system (Organic Rankine Cycle System) 2 has an
ORCシステム2は、有機流体を循環させる有機流体流路20を備えている。有機流体経路を流れる有機流体としては、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や、冷媒として用いられるR134a、R245fa等を用いることができる。ORCシステム2は、蒸発器21と、パワータービン22と、エコノマイザ23と、凝縮器24と、循環ポンプ25とを備えており、これらは図1に示すように有機流体流路20によって接続されている。
The ORC system 2 includes an organic
ORCシステム2において、蒸発器21は、流路75を流通する冷却水と有機流体との熱交換を行って有機流体を蒸発させる。蒸発器21で蒸発した有機流体は、有機流体流路20によってパワータービン22に導かれる。パワータービン22は、気相の有機流体によって回転動力が与えられて回転する。パワータービン22の出力軸には減速機26を介して発電機27が接続されている。したがって、パワータービン22の回転動力によって発電機27による発電が行われる。
In the ORC system 2, the
パワータービン22に回転動力を与えた気相の有機流体は凝縮器24に導かれ、海水によって冷却されることにより気相の有機流体が凝縮して液相の有機流体となる。液相の有機流体は、循環ポンプ25によってエコノマイザ23に導かれる。エコノマイザ23は、循環ポンプ25から導かれる液相の有機流体とパワータービン22から排出された気相の有機流体との熱交換を行い、液相の有機流体を加熱してから蒸発器21に導く。このように、ORCシステム2の有機流体は、蒸発器21,パワータービン22,凝縮器24,循環ポンプ25,エコノマイザ23の順に、有機流体流路20内を循環する。
The vapor-phase organic fluid that gives rotational power to the
次に、冷却水流路7を循環する冷却水の流量の調整機構について説明する。
排熱回収型船舶推進装置1は、図1に示す制御部9を備えている。制御部9が流量調整弁81,82,83,三方弁84,8,87の開度を調整することにより、冷却水流路7を循環する冷却水の流量の調整が行われる。
Next, a mechanism for adjusting the flow rate of the cooling water circulating through the cooling
The exhaust heat recovery type
流量調整弁81,82,83は、流路71から排出されるディーゼルエンジン3の冷却水の一定量を造水装置(不図示)に導くように冷却粋の流量を調整する弁である。ここで、造水装置は、バイパス流路91を介して導かれたディーゼルエンジン3の冷却水の排熱を利用して、船外から取り入れられた海水を加熱し、加熱された海水を蒸発させて清水を造り出す蒸発式(フラッシュ式)の造水装置である。常に一定量の清水を造り出すことを可能とするために、造水装置には、一定量(例えば、流路71を流通する140t/hの流量の内の70t/hの流量)の冷却水が導かれる。
The flow
造水装置に導かれた冷却水は、海水を蒸発させるのに利用された後にバイパス流路92を介して流路72に導かれる。このように、ディーゼルエンジン3の冷却水の排熱のうちの一定量は、造水装置の熱源として利用される。一方、ディーゼルエンジン3の冷却水の排熱のうちの他の一定量(造水装置に導かれない冷却水の流量)は、流量調整弁81を介して流路72に導かれる。
The cooling water led to the fresh water generator is used to evaporate the seawater and then led to the
三方弁84は、流路72に導かれた冷却水のうち一部の流量を流路73に導き、他の一部の流量を三方弁87および循環ポンプ88が設けられる流路77に導く弁である。三方弁84は、流路72に導かれる冷却水の全量を流路73に導くことや、流路72に導かれる冷却水の全量を流路77に導くことができる。
制御部9は、流路73上に設けられる流量計85によって流路73を流通する冷却水の流量を検知し、三方弁84の開度を調整する。
The three-
The
流路73に導かれた冷却水は、分岐点Dにおいて、流路74と流路78とに分岐する。流路74および流路78それぞれの下流端は、三方弁8に接続されている。三方弁8は、制御部9の指示に応じて、流路73を流通する冷却水のうち、流路74(第1流路)を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)と、流路78(第2流路)を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)との比率を調整する。
The cooling water guided to the
三方弁8の下流側の流路75には温度センサ86(温度検出部)が設けられており、流路74および流路78から流入する冷却水が混合した状態で、冷却水の温度を検出する。制御部9は、後述するように、温度センサ86が検出する温度が所定温度以上となるように、三方弁8を制御する。
A temperature sensor 86 (temperature detection unit) is provided in the
所定温度以上となるように調整された冷却水は、ORCシステム2の蒸発器21を通過した後、流路76に導かれる。流路76の下流端は三方弁87に接続されている。三方弁87は、流路76を流通する冷却水を流路77に設けられた循環ポンプ88に導くものである。三方弁87は、制御部9の指示に応じて、流路76からセントラル冷却器を介して流路77に導かれる冷却水の流量と、セントラル冷却器を介さずに流路77に導かれる冷却水の流量とを調整することが可能となっている。
The cooling water adjusted to be equal to or higher than the predetermined temperature passes through the
循環ポンプ88は、冷却水流路7内で冷却水が循環するように冷却水に流速を与える装置である。循環ポンプ88に導かれた冷却水は、流路77から再びディーゼルエンジン3に導かれ、ディーゼルエンジン3の冷却水として用いられる。
The
次に、ディーゼルエンジン3から排出され、ターボチャージャ4の動力として用いられた排ガス(燃焼ガス)の排熱を回収して利用する排熱回収システム10について説明する。
排熱回収システム10は、コンポジットボイラ101を備えている。
Next, an exhaust
The exhaust
コンポジットボイラ101は、ターボチャージャ4から流路102を介して高温の排ガスが導かれる。コンポジットボイラ101に送り込まれた水は、排ガスとの熱交換によって蒸発し、発生した蒸気はヒータ103に送出され、各種の機器(油加熱器、タンク加熱器等)の熱源として用いられる。ヒータ103にて熱源として用いられた蒸気は、大気圧ドレンタンク104に回収される。
In the
大気圧ドレンタンク104内の水は、給水ポンプ105によって送出され、コンポジットボイラ101に導かれる。大気圧ドレンタンク104に回収されたコンポジットボイラ101内の水の水位は、図示しないフロートスイッチによって、一定の水位を保つように調整される。
このように、排熱回収システム10は、ターボチャージャ4の動力として用いられた排ガス(燃焼ガス)の排熱を回収して蒸気を発生させ、各種の機器(油加熱器、タンク加熱器等)の熱源として用いることができる。
The water in the atmospheric
As described above, the exhaust
次に、図2を参照して、制御部9が三方弁8を調整することにより行われる冷却水の温度調整動作について説明する。図2に示す各工程は、制御部9が記憶部(不図示)から制御プラグラムを読み出して実行することにより行われる。
図2の説明にあたっては、図3および図4を参照する。図3は、主機負荷に対する掃気空気温度を示すグラフであり、実線が空気冷却器5の入口における掃気空気温度を示し、鎖線が空気冷却器5の出口における掃気空気温度を示す。図4は、主機負荷に対する熱量を示すグラフであり、実線がターボチャージャ4から排出される掃気空気が備える熱量を示し、鎖線がディーゼルエンジン3から排出される冷却水が備える熱量を示す。
Next, with reference to FIG. 2, the temperature adjustment operation of the cooling water performed by the
2 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a graph showing the scavenging air temperature with respect to the main engine load, the solid line indicates the scavenging air temperature at the inlet of the
ステップS201で、制御部9は、主機(ディーゼルエンジン3)の負荷が所定負荷より低いかを判定し、所定負荷より低い場合にはステップS202に処理を進め、そうでなければステップS204に処理を進める。
ここで、所定負荷より低い場合とは、例えば、主機負荷が60%となる場合をいう。主機負荷が100%となる場合、その出力は例えば13000kW(回転数102.6rpm)となる。図4に一例を示すように、主機負荷が60%となる場合、ディーゼルエンジン3から排出される冷却水の熱量はQ2kW(約1400kW)となる。前述したように、冷却水の熱量に含まれる一定熱量(約600kW)は、造水装置の熱源として消費される。図4に示すように、(Q2−Q1)に相当する熱量が造水装置用熱量として消費される。従って、ORCシステム2の熱源として利用可能な熱量は、主機負荷が60%の場合、Q1kW(約800kW)となる。
In step S201, the
Here, the case where the load is lower than the predetermined load means, for example, a case where the main machine load is 60%. When the main machine load is 100%, the output is, for example, 13000 kW (rotation speed: 102.6 rpm). As shown in FIG. 4, when the main engine load is 60%, the amount of heat of the cooling water discharged from the
ORCシステム2の熱源として利用可能な熱量が800kWを下回る場合、ORCシステム2に供給される冷水の温度が85℃を下回り、ORCシステム2が所望の発電電力(約100kW)を発生させることができなくなる。そこで、主機の負荷が所定負荷より低い場合、制御部9は、以下に説明するように三方弁8を調整して、ORCシステム2に供給される冷却水の温度を上昇させる。
図3および図4に示すように、主機負荷が60%以下となる場合であっても、掃気空気の温度および熱量は十分であるので(例えば、主機負荷50%では、約130℃で約1200kW)、掃気空気を熱源とすることにより、冷却水の温度を上昇させることができる。
When the amount of heat available as a heat source for the ORC system 2 is less than 800 kW, the temperature of the chilled water supplied to the ORC system 2 is lower than 85 ° C., and the ORC system 2 can generate the desired generated power (about 100 kW). Disappear. Therefore, when the load on the main engine is lower than the predetermined load, the
As shown in FIG. 3 and FIG. 4, even if the main engine load is 60% or less, the temperature and the amount of heat of the scavenging air are sufficient (for example, at about 130 ° C. and about 1200 kW at the main engine load of 50%). ) By using scavenging air as a heat source, the temperature of the cooling water can be increased.
ステップS202(温度検出工程)で、制御部9は、温度センサ86の検出値を参照し、流路75を流通する冷却水の温度が所定温度(例えば、85℃)より低いかどうかを判定する。冷却水の温度が所定温度より低いと判定される場合は、冷水の温度を上昇させる必要があるので、ステップS203に処理を進める。冷却水の温度が所定温度より低いと判定されない場合、冷却水の温度が十分な温度となっていることから、ステップS204に処理を進める。
In step S202 (temperature detection step), the
ステップS203で、制御部9は、三方弁8を調整することにより、流路74を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)を減少させ、流路78を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)を増加させる。流量の調整量は、予め固定された流量を調整してもよいし、温度センサ86の検出値と所定温度(例えば、85℃)との差分に基づいて流量を調整してもよい。
制御部9は、ステップS203の後に再びステップS201に処理を戻すので、冷却水の温度が所定温度以上となるまで、ステップS201、ステップS202およびステップS203の処理が繰り返される。
In step S <b> 203, the
Since the
冷却水の温度が所定温度以上となり、さらにステップS201で主機の負荷が所定負荷以上となったことが判定された場合、制御部9は、ステップS204に処理を進める。
ステップS204で、制御部9は、主機であるディーゼルエンジン3の負荷が所定負荷以上となり、ORCシステム2に供給される冷却水の温度が所定温度以上となることから、流路74を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)を100%とし、流路78を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)を0%とする。第2流量を0%とすることにより、空気冷却器5による冷却水の加熱が行われないようにする。
When it is determined in step S201 that the temperature of the cooling water is equal to or higher than the predetermined temperature and the load on the main engine is equal to or higher than the predetermined load, the
In step S204, the
以上の図2にて説明したように、制御部9は、主機であるディーゼルエンジン3の負荷が所定負荷より低くなってORCシステム2に供給される冷却水の温度が所定温度以上とならない場合、三方弁8を調整して冷却水の温度を上昇させる。これにより、ディーゼルエンジン3の負荷が低く、ディーゼルエンジン3から排出される冷却水の温度が低くなる場合であっても、ORCシステム2に供給される冷却水の温度を所定温度以上に維持することができる。
As described above with reference to FIG. 2, the
以上説明した本実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置1(排熱回収発電装置)によれば、流路74(第1流路)に導かれる冷却水は空気冷却器5によって加熱されることなく蒸発器21(熱交換器)に導かれ、流路78(第2流路)に導かれる冷却水は空気冷却器5によって加熱されてから蒸発器21に導かれる。流路74に導かれる冷却水の流量(第1流量)を減少させ、流路78に導かれる冷却水の流量(第2流量)を増加することにより蒸発器21に導かれる冷却水の温度が上昇する。したがって、ディーゼルエンジン3(内燃機関)から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても、流路74に導かれる冷却水の流量と流路78に導かれる冷却水の流量とを三方弁8(第1流量調整弁)により適切に調整することにより、蒸発器21に導かれる冷却水の温度が適切な温度に調整される。
このようにすることで、ディーゼルエンジン3から排出される冷却水の温度が低下する場合であっても冷却水を加熱してORCシステム2(発電システム)が回収する熱量(発電量)を維持することが可能な排熱回収型船舶推進装置1を提供することができる。
The operation and effect of the exhaust heat recovery type ship propulsion device according to the present embodiment described above will be described.
According to the exhaust heat recovery type ship propulsion apparatus 1 (exhaust heat recovery power generation apparatus) according to the present embodiment, the cooling water guided to the flow path 74 (first flow path) is evaporated without being heated by the
By doing in this way, even if it is a case where the temperature of the cooling water discharged | emitted from the
本実施形態の排熱回収型船舶推進装置1は、三方弁8の下流側に設けられ、三方弁8から蒸発器21に導かれる冷却水の温度を検出する温度センサ86(温度検出部)を備え、三方弁8は、温度センサ86が検出する冷却水の温度が所定温度以上となるように流路74に導かれる冷却水の流量と流路78に導かれる冷却水の流量とを調整する。
このようにすることで、三方弁8は、三方弁8の下流側からORCシステム2の蒸発器21に導かれる冷却水の温度が所定温度以上となるように調整し、ORCシステム2が回収する熱量(発電量)を維持することができる。
The exhaust heat recovery type
By doing in this way, the three-
本実施形態の排熱回収型船舶推進装置1は、ORCシステム2が、蒸発器21により蒸発した有機流体(作動流体)により駆動されるパワータービン22と、パワータービン22の回転に応じて電力を発生する発電機27とを有する。
このようにすることで、ディーゼルエンジン3から排出される冷却水の排熱を有機流体に伝達して蒸発させ、蒸発した有機流体によって発電を行うことができる。
In the exhaust heat recovery type
By doing in this way, the exhaust heat of the cooling water discharged | emitted from the
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置200について、図面を参照して説明する。
第2実施形態は第1実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第1実施形態と同様であるものとする。以下では、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、それらの説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, an exhaust heat recovery type
The second embodiment is a modification of the first embodiment, and is the same as the first embodiment unless otherwise described below. Below, the same code | symbol is attached | subjected about the structure same as 1st Embodiment, and those description is abbreviate | omitted.
第1実施形態の排熱回収型船舶推進装置200は、コンポジットボイラ101が発生させる蒸気をヒータ103のみで用いるものであった。それに対して、第2実施形態の排熱回収型船舶推進装置200は、コンポジットボイラ101により発生する蒸気をヒータ103と、ヒータ203(補助熱交換器)の双方で用いるものである。ヒータ203に供給される蒸気は、冷却水流路7の流路78を流通する冷却水を加熱する熱源として用いられる。
The exhaust heat recovery type
以下、冷却水流路7の流路78を流通する冷却水を加熱する機構について説明する。
図5に示すように、コンポジットボイラ101内の蒸気は、ヒータ103およびヒータ203の双方に供給可能となっている。制御部9は、制御弁202の開度を調整することにより、ヒータ103およびヒータ203のそれぞれに供給される蒸気量を調整する。
Hereinafter, a mechanism for heating the cooling water flowing through the
As shown in FIG. 5, the steam in the
ヒータ203は、その内部に制御弁202から供給される蒸気が流通するものであり、蒸気と流路78を流通する冷却水との間で熱交換を行うことにより、冷却水を加熱する。ヒータ203を通過して冷却水を加熱する熱源として用いられた蒸気は、大気圧ドレンタンク104に回収される。
このように、制御部9は、コンポジットボイラ101内の蒸気をヒータ203に供給するとともに、供給される蒸気量を制御弁202により調整することにより、冷却水流路7の流路78を流通する冷却水を適温まで加熱する。
The
In this way, the
次に、図6を参照して、制御部9が三方弁8,制御弁202を調整することにより行われる冷却水の温度調整動作について説明する。図6に示す各工程は、制御部9が記憶部(不図示)から制御プラグラムを読み出して実行することにより行われる。
図6の説明にあたっては、図7および図8を参照する。図7は、主機負荷に対する主機排ガス温度(ディーゼルエンジン3から排出される燃焼ガスの温度)を示す。図8は、主機負荷に対するコンポジットボイラ101における蒸気発生量を示すグラフである。
Next, with reference to FIG. 6, the temperature adjustment operation of the cooling water performed by the
6 will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows the main engine exhaust gas temperature (temperature of the combustion gas discharged from the diesel engine 3) with respect to the main engine load. FIG. 8 is a graph showing the amount of steam generated in the
ステップS601で、制御部9は、主機(ディーゼルエンジン3)の負荷が所定負荷より低いかを判定し、所定負荷より低い場合にはステップS602に処理を進め、そうでなければステップS606に処理を進める。
ここで、所定負荷より低い場合とは、例えば、主機負荷が60%となる場合をいう。第1実施形態で図4を参照して説明したように、ORCシステム2の熱源として利用可能な熱量は、主機負荷が60%の場合、Q1kW(約800kW)となる。
In step S601, the
Here, the case where the load is lower than the predetermined load means, for example, a case where the main machine load is 60%. As described with reference to FIG. 4 in the first embodiment, the amount of heat available as the heat source of the ORC system 2 is Q1 kW (about 800 kW) when the main engine load is 60%.
ORCシステム2の熱源として利用可能な熱量が800kWを下回る場合、ORCシステム2に供給される冷水の温度が85℃を下回り、ORCシステム2が所望の発電電力(約100kW)を発生させることができなくなる。そこで、主機の負荷が所定負荷より低い場合、制御部9は、以下に説明するように三方弁8,制御弁202を調整して、ORCシステム2に供給される冷却水の温度を上昇させる。
When the amount of heat available as a heat source for the ORC system 2 is less than 800 kW, the temperature of the chilled water supplied to the ORC system 2 is lower than 85 ° C., and the ORC system 2 can generate a desired generated power (about 100 kW). Disappear. Therefore, when the load on the main engine is lower than the predetermined load, the
第1実施形態の図3および図4に示すように、主機負荷が60%以下となる場合であっても、掃気空気の温度および熱量は十分であるので(例えば、主機負荷50%では、約130℃で約1200kW)、掃気空気を熱源とすることにより、冷却水の温度を上昇させることができる。また、本実施形態の図7および図8に示すように、約60%から約35%に至るまで主機負荷が低くなるにつれて、主機であるディーゼルエンジン3から排出される排出ガスの温度は上昇する。
As shown in FIG. 3 and FIG. 4 of the first embodiment, even if the main engine load is 60% or less, the temperature and the amount of heat of the scavenging air are sufficient (for example, about 50% main engine load) The temperature of the cooling water can be increased by using scavenging air as a heat source at about 130 kW at 130 ° C. As shown in FIGS. 7 and 8 of the present embodiment, as the main engine load decreases from about 60% to about 35%, the temperature of the exhaust gas discharged from the
これは、燃焼効率を考慮して予め設定した負荷よりも低くなって燃焼効率が悪化し、その結果として多くの熱量を持った排出ガスが排出されるからである。そして、排出ガスの熱量の増加に伴って、図8に示すように、約60%から約35%に至るまで主機負荷が低くなるにつれて、コンポジットボイラ101が発生する蒸気発生量が増加する。以下に説明するように制御弁202を調整して、コンポジットボイラ101が発生する蒸気を冷却水の熱源として用い、ORCシステム2に供給される冷却水の温度を上昇させる。
This is because the combustion efficiency is deteriorated by lowering the load set in advance in consideration of the combustion efficiency, and as a result, exhaust gas having a large amount of heat is discharged. As the heat amount of the exhaust gas increases, as shown in FIG. 8, the steam generation amount generated by the
ステップS602で、制御部9は、温度センサ86の検出値を参照し、流路75を流通する冷却水の温度が所定温度(例えば、85℃)より低いかどうかを判定する。冷却水の温度が所定温度より低いと判定される場合は、冷水の温度を上昇させる必要があるので、ステップS603に処理を進める。冷却水の温度が所定温度より低いと判定されない場合、冷却水の温度が十分な温度となっていることから、ステップS606に処理を進める。
In step S602, the
ステップS603で、制御部9は、流路78を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)が、流路73を流通する冷却水に対する流量の比率が100%未満であるかを判定し、100%未満であればステップS604によりを進め、そうでなければステップS605に処理を進める。
ステップS603で制御部がNOと判定する場合とは、流路73を流通する冷却水の全量が空気冷却器5を経由して流路78を流通する場合をいう。この場合、流路78を流通する冷却水の流量をこれ以上増加させることができない。
In step S <b> 603, the
The case where the control unit determines NO in step S <b> 603 refers to the case where the entire amount of cooling water flowing through the
ステップS604で、制御部9は、三方弁8を調整することにより、流路74を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)を減少させ、流路78を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)を増加させる。流量の調整量は、予め固定された流量を調整してもよいし、温度センサ86の検出値と所定温度(例えば、85℃)との差分に基づいて流量を調整してもよい。
制御部9は、ステップS604の後に再びステップS601に処理を進めるので、冷却水の温度が所定温度以上となるまで、ステップS601からステップS604の処理が繰り返される。
In step S <b> 604, the
Since the
ステップS605で、制御部9は、空気冷却器5を熱源として冷却水を更に加熱することができないことから、蒸発ドラム101aからヒータ203に供給される蒸気の流量(第3流量)を増加させるように、制御弁202を調整する。蒸気の流量の調整量は、予め固定された流量を調整してもよいし、温度センサ86の検出値と所定温度(例えば、85℃)との差分に基づいて流量を調整してもよい。
制御部9は、ステップS605の後に再びステップS601に処理を進めるので、冷却水の温度が所定温度以上となるまで、ステップS601からステップS603およびステップS605の処理が繰り返される。
In step S605, the
Since the
冷却水の温度が所定温度以上となり、さらにステップS601で主機の負荷が所定負荷以上となったことが判定された場合、制御部9は、ステップS606に処理を進める。
ステップS604で、制御部9は、主機であるディーゼルエンジン3の負荷が所定負荷以上となり、ORCシステム2に供給される冷却水の温度が所定温度以上となることから、流路74を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第1流量)を100%とし、流路78を介して蒸発器21に導かれる冷却水の流量(第2流量)を0%とする。第2流量を0%とすることにより、空気冷却器5による冷却水の加熱が行われないようにする。また、制御部9は、蒸発ドラム101aからヒータ203に供給される蒸気の流量(第3流量)を0%とすることにより、ヒータ203による冷却水の加熱が行われないようにする。
When it is determined in step S601 that the temperature of the cooling water is equal to or higher than the predetermined temperature and the load on the main engine is equal to or higher than the predetermined load, the
In step S604, the
以上の図6にて説明したように、制御部9は、主機であるディーゼルエンジン3の負荷が所定負荷より低くなってORCシステム2に供給される冷却水の温度が所定温度以上とならない場合、三方弁3を調整して冷却水の温度を上昇させる。更に、三方弁3を調整しても冷却水の温度を上昇させることができなくなる場合、制御弁107および制御弁202を調整して冷却水の温度を上昇させる。これにより、ディーゼルエンジン3の負荷が低く、ディーゼルエンジン3から排出される冷却水の温度が低くなる場合であっても、ORCシステム2に供給される冷却水の温度を所定温度以上に維持することができる。
As described above with reference to FIG. 6, the
以上説明した本実施形態に係る排熱回収型船舶推進装置が奏する作用及び効果について説明する。
本実施形態の排熱回収型船舶推進装置200は、第1実施形態の排熱回収型船舶推進装置1に対して、ターボチャージャ4から排出される排出ガスを熱源として蒸気を発生させるコンポジットボイラ101と、コンポジットボイラ101が発生させる蒸気と蒸発器21に導かれる冷却水との熱交換を行うヒータ203(補助熱交換器)とを備える。
このようにすることで、ディーゼルエンジン3(内燃機関)から排出される冷却水の温度が低く、空気冷却器5による加熱では冷却水の温度を十分に維持できない場合であっても、ヒータ203により冷却水の温度を維持することが可能となる。
The operation and effect of the exhaust heat recovery type ship propulsion device according to the present embodiment described above will be described.
The exhaust heat recovery type
By doing in this way, even if the temperature of the cooling water discharged from the diesel engine 3 (internal combustion engine) is low and the temperature of the cooling water cannot be sufficiently maintained by heating with the
1,200 排熱回収型船舶推進装置(排熱回収装置)
2 ORCシステム(発電システム)
3 ディーゼルエンジン(内燃機関)
4 ターボチャージャ(過給機)
4a タービン
4b 圧縮機
5 空気冷却器
5a 第1空気冷却部
5b 第2空気冷却部
7 冷却水流路
8 三方弁(第1流量調整弁)
9 制御部
10 排熱回収システム
21 蒸発器(熱交換器)
22 パワータービン(タービン)
27 発電機
74 流路(第1流路)
78 流路(第2流路)
86 温度センサ(温度検出部)
101 コンポジットボイラ
202 制御弁
D 分岐点
1,200 Waste heat recovery type ship propulsion device (exhaust heat recovery device)
2 ORC system (power generation system)
3 Diesel engine (internal combustion engine)
4 Turbocharger (supercharger)
9
22 Power turbine (turbine)
27
78 channel (second channel)
86 Temperature sensor (temperature detector)
101
Claims (7)
前記内燃機関から排出される排出ガスにより駆動され、空気を圧縮して前記内燃機関に燃焼用空気として供給する過給機と、
前記過給機から前記内燃機関に供給される前記燃焼用空気を冷却する空気冷却器と、
前記内燃機関を冷却する冷却水を循環させる冷却水流路と、
前記冷却水流路を循環する前記冷却水と作動流体の熱交換をする熱交換器と、を備え、
前記冷却水流路は、
前記空気冷却器を通過させずに前記内燃機関から排出される前記冷却水を前記熱交換器に導く第1流路と、
前記空気冷却器を通過させて前記内燃機関から排出される前記冷却水を前記熱交換器に導く第2流路と、をさらに備え、
前記第1流路を介して前記熱交換器に導かれる前記冷却水の第1流量と、前記第2流路を介して前記熱交換器に導かれる前記冷却水の第2流量とを調整する第1流量調整弁を備える排熱回収装置。 An internal combustion engine;
A supercharger that is driven by exhaust gas discharged from the internal combustion engine, compresses the air, and supplies the compressed air to the internal combustion engine as combustion air;
An air cooler for cooling the combustion air supplied from the supercharger to the internal combustion engine;
A cooling water passage for circulating cooling water for cooling the internal combustion engine;
A heat exchanger for exchanging heat between the cooling water circulating in the cooling water flow path and a working fluid,
The cooling water flow path is
A first flow path for guiding the cooling water discharged from the internal combustion engine without passing through the air cooler to the heat exchanger;
A second flow path for guiding the cooling water discharged from the internal combustion engine through the air cooler to the heat exchanger,
A first flow rate of the cooling water guided to the heat exchanger via the first flow path and a second flow rate of the cooling water guided to the heat exchanger via the second flow path are adjusted. An exhaust heat recovery apparatus including a first flow rate adjustment valve.
前記第1流量調整弁は、前記温度検出部が検出する前記冷却水の温度が所定温度以上となるように前記第1流量と前記第2流量とを調整する請求項1に記載の排熱回収装置。 A temperature detection unit that is provided on the downstream side of the first flow rate adjustment valve and detects the temperature of the cooling water led from the first flow rate adjustment valve to the heat exchanger;
2. The exhaust heat recovery according to claim 1, wherein the first flow rate adjusting valve adjusts the first flow rate and the second flow rate so that a temperature of the cooling water detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature. apparatus.
前記排熱回収システムにより回収された熱と前記熱交換器に導かれる前記冷却水との熱交換を行う補助熱交換器とを備える請求項2に記載の排熱回収装置。 An exhaust heat recovery system for recovering heat of the exhaust gas that has passed through the supercharger;
The exhaust heat recovery apparatus according to claim 2, further comprising an auxiliary heat exchanger that performs heat exchange between the heat recovered by the exhaust heat recovery system and the cooling water guided to the heat exchanger.
前記第2流量調整弁は、前記温度検出部が検出する前記冷却水の温度が所定温度以上となるように前記蒸気の流量を調整する請求項3に記載の排熱回収装置。 A second flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the steam guided to the auxiliary heat exchanger;
The exhaust heat recovery apparatus according to claim 3, wherein the second flow rate adjustment valve adjusts the flow rate of the steam so that the temperature of the cooling water detected by the temperature detection unit is equal to or higher than a predetermined temperature.
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の排熱回収装置を備えた排熱回収型船舶推進装置。 The internal combustion engine is a main engine that generates a propulsive force of a ship,
An exhaust heat recovery type ship propulsion device comprising the exhaust heat recovery device according to any one of claims 1 to 4.
前記排出ガスにより空気を圧縮して燃焼用空気を生成する工程と、
前記燃焼用空気を冷却水により冷却する工程と、
前記冷却水を作動流体と熱交換させる工程と、
前記燃焼用空気を冷却する前記冷却水の流量と、前記燃焼用空気を冷却させずに通過させる前記冷却水の流量とを調整する工程を備える排熱回収方法。 A process of exhausting exhaust gas;
Compressing air with the exhaust gas to generate combustion air;
Cooling the combustion air with cooling water;
Heat exchange of the cooling water with the working fluid;
An exhaust heat recovery method comprising a step of adjusting a flow rate of the cooling water that cools the combustion air and a flow rate of the cooling water that passes the combustion air without cooling.
前記調整する工程は、前記温度を検出する工程が検出する前記冷却水の温度が所定温度以上となるように前記燃焼用空気を冷却する前記冷却水の流量と前記燃焼用空気を冷却させずに通過させる前記冷却水の流量とを調整する請求項6に記載の排熱回収方法。 Detecting the temperature of the cooling water before exchanging heat with the working fluid,
The adjusting step is performed without cooling the combustion air and the flow rate of the cooling water that cools the combustion air so that the temperature of the cooling water detected by the step of detecting the temperature is equal to or higher than a predetermined temperature. The exhaust heat recovery method according to claim 6, wherein a flow rate of the cooling water to be passed is adjusted.
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