JP2015232294A - 排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、排ガスエコノマイザで熱回収する温度よりも低い排熱温度でも熱回収し、さらに有効に排熱エネルギーを回収しようとする試みがなされている。例えば、特許文献1では、ディーゼルエンジンのジャケットを冷却するジャケット冷却水から、水よりも低沸点である有機流体によって排熱を回収する有機ランキンサイクル(ORC;Organic Rankin Cycle)が開示されている。
また、特許文献2には、内燃機関の排ガスから熱回収して駆動される水蒸気タービンと、ジャケット冷却水からペンタン等の低沸点媒体によって熱回収して駆動される蒸気タービンとをコンバインドさせて発電させる構成が開示されている。
さらに、近年では、船舶の航行における燃料費削減の観点から、減速運航が主流となっているので、さらに排ガスエコノマイザにて生成できる蒸気量が不足するという事情がある。
すなわち、本発明にかかる排熱回収装置は、内燃機関本体から排出された排ガスから熱回収することによって主蒸気を生成する排ガスエコノマイザと、主に該排ガスエコノマイザから導かれた前記主蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記排ガスエコノマイザにて熱回収する温度よりも低温とされた低温熱源から熱回収することによって有機媒体の蒸気を生成する有機流体熱交換器と、前記有機流体熱交換器で生成された前記有機流体の蒸気によって駆動される有機流体タービンと、前記蒸気タービン及び前記有機流体タービンのうち少なくも一つからの出力によって発電する発電機と、燃料の燃焼熱によって補助蒸気を生成する補助ボイラとを備え、前記有機流体タービンは、前記蒸気タービンの速度調整に従属した速度で運転され、前記排ガスエコノマイザで生成された前記主蒸気の圧力が閾値以下となった場合に、前記補助ボイラで生成された前記補助蒸気が前記蒸気タービンに供給されることを特徴とする。
一方、内燃機関の負荷が小さくなると排ガスエコノマイザにて生成される主蒸気が減少し、蒸気タービンに供給される蒸気圧力が減少する。そして、排ガスエコノマイザで生成される主蒸気の圧力が閾値以下となった場合、本発明では、補助ボイラで生成された補助蒸気を蒸気タービンに供給し、蒸気タービンの運転を継続することとした。これにより、蒸気タービンの停止を回避することができるので、蒸気タービンに従属して動作する有機流体タービンの運転も継続することになり、内燃機関が低負荷であっても有機流体タービンによる発電が可能となる。したがって、ディーゼル発電機を起動させる必要がなくなるので、ディーゼル発電機を運転するための燃料費を節約することができ、また場合によってはディーゼル発電機を設置せずにイニシャルコストを低減することができる。なお、本発明では補助ボイラの運転に燃料を用いることになるが、この補助ボイラの燃料費はディーゼル発電機で消費する燃料費に比べればはるかに安いので、十分にコストメリットがある。
なお、補助ボイラから補助蒸気を供給するタイミングを決める閾値としては、蒸気タービンが排ガスエコノマイザから供給される主蒸気によって単独運転できる最小圧力を基準に定められる。
排ガスエコノマイザで生成される主蒸気の圧力としては、好ましくは、排ガスエコノマイザを構成する汽水分離器のドラム圧力が用いられる。
低温熱源としては、例えば80℃〜90℃とされたエンジン冷却水が挙げられる。
蒸気タービン及び有機流体タービンは共通の発電機に接続されるが、蒸気タービンと有機流体タービンとは共通の回転軸で接続されてもよいし、それぞれ別の回転軸を備え、ギアを介して発電機に接続されてもよい。要するに、蒸気タービンの速度に依存するように、減速機や発電機の回転軸を介して有機流体タービンの回転軸が蒸気タービンの回転軸に接続されていればよい。
図1に示されているように、船舶に設置されたディーゼル機関システム1は、ディーゼル主機(内燃機関)3と、ディーゼル主機3から排出される熱を回収する排熱回収装置4とを備えている。
排気タービン17は、ディーゼル主機3から排出された排ガスによって回転駆動されるようになっている。排気タービン17が駆動されると、同軸上に設けられたコンプレッサ19が回転して空気を圧縮する。コンプレッサ19によって圧縮された空気は、空気冷却器20にて冷却された後に、ディーゼル主機3の掃気トランク(図示せず)へと導かれる。
排気タービン17の下流側は、排ガス管21を介して排ガスエコノマイザ5に接続されている。
高圧汽水分離器33には、高圧汽水分離器33内のドラム圧力を検出する圧力センサ26が設けられている。圧力センサ26の検出出力は、制御部へと送信される。
高圧汽水分離器33の気相部と過熱器27との間には、高圧蒸気抽気弁44を介して過熱器27へ向かう飽和蒸気を抽気して取り出す高圧蒸気抽気配管43が設けられている。高圧蒸気抽気配管43を介して取り出された高圧蒸気は、船内雑用蒸気として用いられる。
また、高圧汽水分離器33の気相部と過熱器27との間には、過熱器27へ向かう飽和蒸気を取り出して復水器34へと導く高圧蒸気ダンプ配管36が設けられている。高圧蒸気ダンプ配管36には、制御部によって制御される高圧ダンプ弁38が設けられている。高圧ダンプ弁38が開くことによって、蒸気タービン7に供給するには過剰とされる蒸気が蒸気タービン7をバイパスして復水器34へと廃棄される。高圧ダンプ弁38が開くタイミングは、上述した圧力センサ26によって得られるドラム圧力が所定の閾値を超えた場合とされる。
さらに、本実施形態では、補助ボイラ47のバーナ45によって生成された補助蒸気を蒸気タービン7へと導くことができるようになっている。蒸気タービン7へ補助蒸気を導く際のバーナ45の点火タイミングは、高圧汽水分離器33に設けられた圧力センサ26の出力に基づいて制御部によって決定される。
低圧汽水分離器35には、第2蒸発器31からの水分を含んだ湿り蒸気が導かれ水と蒸気とに分離される。分離された飽和蒸気は、低圧蒸気供給管53を介して蒸気タービン7の中間段へと導かれる。
また、低圧蒸気供給管53には、蒸気タービン7の中間段へ向かう飽和蒸気を取り出して復水器34へと導く低圧蒸気ダンプ配管57が設けられている。低圧蒸気ダンプ配管57には、制御部によって制御される低圧ダンプ弁59が設けられている。この低圧蒸気ダンプ配管59によって、蒸気タービン7の中間段に供給するには過剰とされる蒸気が蒸気タービン7をバイパスして復水器34へと廃棄される。
蒸気タービン7にて仕事を終えた蒸気は、復水器34へと導かれ、海水や清水によって冷却されて凝縮液化される。液化された復水は、復水ポンプ71によって大気圧ドレンタンク73へと導かれ、気液が分離される。大気圧ドレンタンク73にて脱気された水が給水ポンプ76によって空気冷却器20へと導かれる。空気冷却器20では、給水ポンプ76によって導かれた水によって、過給機15のコンプレッサ19にて圧縮されて温度上昇した圧縮空気が冷却される。
このように、有機流体経路77は、有機流体熱交換器75、有機流体タービン9、凝縮器81及び有機流体ポンプ79とともに有機ランキンサイクル(ORC;Organic Rankine Cycle)を構成する。
ディーゼル主機3が運転を開始すると、過給機15にて圧縮された圧縮空気が空気冷却器20で冷却された後にディーゼル主機3へと供給される。ディーゼル主機3の筒内では、供給された圧縮空気と燃料油とによって燃焼が行われる。燃料油は、補助ボイラ47によって生成された蒸気によって燃料油加熱装置にて粘度調整されたものが用いられる。
第1蒸発器27内の水は、排ガスと熱交換することによって湿り蒸気となる。この湿り蒸気は、高圧汽水分離器33に導かれて水分が分離された後、過熱器27に導かれる。過熱器27内の蒸気は、排ガスと熱交換することによって過熱蒸気となる。このように生成された過熱蒸気は、過熱蒸気供給管41を通り、蒸気止め弁61及び速度調整弁63を経て蒸気タービン7に供給される。
ディーゼル機関3の負荷が減少すると、排ガスエネルギーが減少するので、排ガスエコノマイザ5にて生成される高圧蒸気の圧力が減少する。この高圧蒸気の圧力は、高圧汽水分離器33に設けた圧力センサ26によって検出され、制御部へと送られる。制御部では、圧力センサ26から得られた圧力が閾値以下となった場合、補助ボイラ47のバーナ45に点火指令を送信し、バーナ45を点火させる。なお、バーナ45の点火を行う圧力の閾値は、蒸気タービン7が排ガスエコノマイザ5から供給される蒸気によって単独で運転できる最小圧力を基準に定められる。
同図において、横軸はディーゼル主機出力(%)、縦軸は電力(kW)を示す。ディーゼル主機出力100%はディーゼル主機の定格出力を意味し、Q(kW)は船内需要電力を意味する。
補助ボイラ47で生成された蒸気を蒸気タービン7に供給し、蒸気タービン7の運転を継続することとした。これにより、ディーゼル主機3の負荷が低下しても蒸気タービン7の停止を回避することができるので、蒸気タービンに従属して動作する有機流体タービン9の運転も継続することになり、有機流体タービン9による発電が可能となる。したがって、ディーゼル発電機を起動させる必要がなくなるので、ディーゼル発電機を運転するための燃料費を節約することができ、また場合によってはディーゼル発電機を設置せずにイニシャルコストを低減することができる。
また、低温熱源としてジャケット冷却水を一例として説明したが、排ガスエコノマイザで熱回収する温度よりも低く、さらには100℃以下の温度の低温熱源であっても、有機流体によって熱回収して有機流体タービンが運転できるのであれば、ジャケット冷却水以外の低温熱源を利用することもできる。
3 ディーゼル主機(内燃機関)
4 排熱回収装置
5 排ガスエコノマイザ
7 蒸気タービン
9 有機流体タービン
11 発電機
15 過給機
20 空気冷却器
26 圧力センサ
27 過熱器
29 第1蒸発器
31 第2蒸発器
33 高圧汽水分離器
35 低圧汽水分離器
45 バーナ
47 補助ボイラ
63 速度調整弁
75 有機流体熱交換器(低温熱源)
77 有機流体経路
79 有機流体ポンプ
80 有機流体入口弁
81 凝縮器
90 船内電力系統
Claims (5)
- 内燃機関本体から排出された排ガスから熱回収することによって主蒸気を生成する排ガスエコノマイザと、
主に該排ガスエコノマイザから導かれた前記主蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記排ガスエコノマイザにて熱回収する温度よりも低温とされた低温熱源から熱回収することによって有機媒体の蒸気を生成する有機流体熱交換器と、
前記有機流体熱交換器で生成された前記有機流体の蒸気によって駆動される有機流体タービンと、
前記蒸気タービン及び前記有機流体タービンのうち少なくも一つからの出力によって発電する発電機と、
燃料の燃焼熱によって補助蒸気を生成する補助ボイラと、
を備え、
前記有機流体タービンは、前記蒸気タービンの速度調整に従属した速度で運転され、
前記排ガスエコノマイザで生成された前記主蒸気の圧力が閾値以下となった場合に、前記補助ボイラで生成された前記補助蒸気が前記蒸気タービンに供給されることを特徴とする排熱回収装置。 - 前記補助ボイラは、前記内燃機関に供給される燃料油を加熱する蒸気を生成する燃料加熱用ボイラとされていることを特徴とする請求項1に記載の排熱回収装置。
- 内燃機関本体と、
請求項1又は2に記載された排熱回収装置と、
を備えていることを特徴とする内燃機関システム。 - 請求項3に記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする船舶。
- 内燃機関本体から排出された排ガスから熱回収することによって主蒸気を生成する主蒸気生成工程と、
該主蒸気生成工程で得られた主蒸気によって蒸気タービンを駆動する蒸気タービン駆動工程と、
前記主蒸気生成工程にて熱回収する温度よりも低温とされた低温熱源から熱回収することによって有機流体の蒸気を生成する有機流体蒸気生成工程と、
該有機流体蒸気生成工程で得られた前記有機流体の蒸気によって有機流体タービンを駆動する有機流体タービン駆動工程と、
前記蒸気タービン駆動工程及び前記有機流体タービン駆動工程の少なくとも一つの工程で得られた出力によって発電を行う発電工程と、
燃料の燃焼熱によって補助蒸気を生成する補助蒸気生成工程と、
を有し、
前記有機流体タービンを、前記蒸気タービンの速度調整に従属した速度で運転し、
前記主蒸気生成工程で生成される主蒸気の圧力が閾値以下となった場合に、前記補助蒸気生成工程で生成された前記補助蒸気を前記蒸気タービンに供給することを特徴とする排熱回収方法。
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