JP2016008042A - Binary power generation system for lng ship - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LNGの冷熱と主機の高温源を両熱源とする船舶のバイナリー発電システムに関する。 The present invention relates to a binary power generation system for a ship that uses both cold heat of LNG and a high-temperature source of a main engine as both heat sources.
図面を用いる。Use drawings.
本申請は船舶におけるLNGの冷熱を回収して冷却源とし、船舶が有する主機からの排気ガスや、掃気或いは冷却水を加熱源とし、一方作動流体としてオゾン層破壊や、地球温暖化影響の少ない媒体を用いて、省エネルギーと地球環境適合性に優れた発電システム技術を開示したものである。 This application collects the cold heat of LNG in the ship as a cooling source, uses exhaust gas from the main engine of the ship, scavenging or cooling water as the heating source, while working fluid has less impact on ozone layer destruction and global warming It uses a medium to disclose power generation system technology that is excellent in energy saving and global environmental compatibility.
従来の船舶のLNG燃料系統では主機への燃料供給として必要な常温のLNGガスを得るために、LNGを水蒸気、海水、或いは空気によって気化と昇温を行っており、そのための機器として蒸発器とヒーターが設けられているがその際に得られた冷熱は、上述の加熱媒体を介して大気に無駄に捨てられている。すなわち冷熱の回収はなされていない。 In a conventional ship LNG fuel system, LNG is vaporized and heated by steam, seawater, or air in order to obtain LNG gas at room temperature necessary for fuel supply to the main engine. Although the heater is provided, the cold heat obtained at that time is wasted to the atmosphere via the above-described heating medium. That is, no cold energy is recovered.
船舶の燃料系統でLNG液の加圧・蒸発・過熱によってタービンを駆動する発電システム系統でLNGの蒸発・過熱の過程に、もう一方のバイナリー発電システムの作動流体の冷却・凝縮の過程を一つの熱交換器によって両媒体を直接に熱交換させることによって、或いは間に凍結温度が低いブラインを介して熱交換させることによって、LNGとバイナリー発電システムの作動流体相互の冷却と加熱の熱源を効率よく活用するLNGのランキンサイクルとフロン等のバイナリーサイクルとの直列作動によって出力を取り出すシステムはなされていない。 In the power generation system that drives the turbine by pressurizing, evaporating, and overheating the LNG liquid in the ship's fuel system, the process of cooling and condensing the working fluid of the other binary power generation system is combined with the process of evaporating and overheating the LNG. Heat exchange between the working fluids of the LNG and the binary power generation system can be efficiently performed by exchanging both media directly with a heat exchanger, or by exchanging heat through a brine having a low freezing temperature. There is no system for extracting output by serial operation of the LNG Rankine cycle to be used and a binary cycle such as Freon.
従来のバイナリー発電システムの冷却源としては水や空気を用いることがなされており、作動流体を直接に超低温の液化ガスと熱交換して、或いは間に凍結温度が低いブラインを介して熱交換して、マイナス数十℃まで冷却するシステムはない。或いは作動流体の冷却手段として水などの中間媒体を介して行う場合には、マイナス数十℃まで冷却するシステムは成立しない。即ち作動流体や中間熱媒の凍結温度領域にまで作動範囲を延ばしたシステムはない。 Water or air is used as a cooling source for conventional binary power generation systems, and the working fluid is directly heat-exchanged with ultra-low-temperature liquefied gas, or heat is exchanged via a brine having a low freezing temperature. Therefore, there is no system that cools to minus tens of degrees Celsius. Alternatively, when the working fluid is cooled through an intermediate medium such as water, a system for cooling to minus several tens of degrees Celsius cannot be established. In other words, there is no system that extends the operating range to the freezing temperature range of the working fluid or the intermediate heating medium.
従来の作動流体の凝縮器の凝縮温度はせいぜい10℃−30℃の範囲にあるために作動流体の凝縮圧力は大気圧よりも高い圧力に維持されており、不凝縮ガスである空気が凝縮器の中に侵入する恐れはない。即ち従来のシステムでは次の3項目の配慮がなされていない、▲1▼凝縮器の圧力が大気圧以下の真空圧力になり、周囲からの空気漏えいの恐れがあること、▲2▼作動流体の昇圧ポンプの吸引圧力低下によるポンプのガス吸引の恐れがあること、▲3▼マイナス数十℃の凝縮温度に対応した凝縮器の構造配慮。 Since the condensing temperature of the conventional working fluid condenser is at most in the range of 10 ° C. to 30 ° C., the condensing pressure of the working fluid is maintained at a pressure higher than the atmospheric pressure. There is no fear of intrusion. That is, in the conventional system, the following three items are not taken into consideration: (1) The pressure of the condenser becomes a vacuum pressure below the atmospheric pressure, and there is a risk of air leakage from the surroundings; (2) The working fluid There is a risk of pump gas suction due to a decrease in the suction pressure of the booster pump. (3) Consideration of the structure of the condenser corresponding to the condensation temperature of minus tens of degrees Celsius.
作動流体の気化および過熱の過程で加熱媒体である主機の排気ガスや掃気が冷却されて、中に含まれている水分が凝縮し、さらには凝固して熱交換機の外面に付着し伝熱効率を悪化させ、更には硫黄酸化物SOx成分の凝縮水への溶解で熱交換器壁面の腐食を引き起こすことによる熱交換能率の阻害への配慮はなされていない。 During the process of vaporization and overheating of the working fluid, the exhaust gas and scavenging of the main engine, which is the heating medium, is cooled, the moisture contained in it is condensed, and further solidified to adhere to the outer surface of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency. No consideration has been given to the deterioration of the heat exchange efficiency due to the deterioration and further the corrosion of the wall surface of the heat exchanger caused by the dissolution of the sulfur oxide SOx component in the condensed water.
一般に船舶のバイナリーシステムにおいて排気ガスや掃気或いは冷却水を加熱源とし、LNGを冷却源として両熱源を相互に平衡する当量を消費した後には冷却源のLNGは全量消費されるが、加熱源には余裕があり残余が生じる。この残余分を加熱源とし、海水等を冷却源として用いた新たな系統としてバイナリーシステムを設けた2重直列型のバイナリー発電システムは見られない。 Generally, in a binary system of a ship, exhaust gas, scavenging, or cooling water is used as a heating source, and after LNG is used as a cooling source, the LNG as a cooling source is consumed in its entirety after consumption of the equivalent amount of both heat sources. There is a margin and a residue is generated. A double series binary power generation system in which a binary system is provided as a new system using the remainder as a heating source and seawater or the like as a cooling source is not seen.
今般海事関連の国際機関IMOによって、地球環境の保全並びに航海海域の大気汚染防止のために、船種を問わない全ての船舶に対して主機の燃料燃焼時の排ガス中の含有成分からみて、排ガスの規制を受ける海域が拡大しつつあり、結果として広範囲な海域で燃料として地球環境負荷の小さいLNGを燃料とすることが義務付けられる。かかるLNG燃料船の急増といった海洋輸送環境の変化に対応して、現在LNGを主機の燃料ガスに変換する際に大気に放出している超低温LNGの冷熱を有効に利用した省エネルギーで、且つ地球環境対応船舶の意義は大きい。 In order to preserve the global environment and prevent air pollution in the sea area by the international organization related to maritime affairs, the IMO emissions from the components contained in the exhaust gas during fuel combustion of the main engine for all ships of any ship type As a result, it is obliged to use LNG with a low global environmental load as fuel in a wide range of sea areas. Responding to changes in the marine transportation environment such as the rapid increase in the number of LNG fueled ships, it is possible to save energy by effectively using the cold heat of the ultra-low temperature LNG released into the atmosphere when converting LNG into fuel gas for the main engine. The significance of the corresponding ship is great.
米国を中心としたシェールガスの生産が開始されて、潤沢な天然ガスの供給を受けて天然ガスの経済的優位性が確立されつつある。一方において各国のクリーンエネルギー源の希求姿勢の高まりと相俟って、LNGの海上輸送量増加とLNG輸送船の建造隻数増加が世界的に顕著になりつつある。これに伴いLNG輸送船においては、従来は大気に捨てていたタンクからのLNGの自然蒸発蒸気の冷熱を回収して、それを別な形でエネルギー生産に転換出切れば船舶の省エネルギー、創エネルギーおよび地球環境貢献の観点から有意義なことである。 Production of shale gas, mainly in the United States, has been started, and the natural superiority of natural gas is being established by receiving abundant supply of natural gas. On the other hand, coupled with the increasing demand for clean energy sources in each country, an increase in the amount of LNG transported by the sea and the number of LNG transporters built are becoming prominent worldwide. In connection with this, LNG transport ships can recover the cold heat of LNG's natural vapor from tanks that had previously been thrown away into the atmosphere, and convert it into energy production in another form. It is also meaningful from the viewpoint of contributing to the global environment.
船舶における省エネルギー化は運航採算の改善のためには不可欠の要求事項であり、その一つの方向が主機を筆頭にして現在設置している諸機器類のエネルギー効率を改善することであり、造船業界では熾烈な開発競争が行われている。しかるにもう一方の考え方があり、それは新たな化石エネルギー等のエネルギー資源を消費することなく現存する機器が持っている或いは放出している熱エネルギーを有効に活用して新たな動力を取り出す、即ち創エネルギーの考え方である。 Energy conservation in ships is an indispensable requirement for improving operational profitability, and one direction is to improve the energy efficiency of the equipment currently installed, with the main engine at the top, and the shipbuilding industry There is a fierce development competition. However, there is another way of thinking, which is to create new power by effectively utilizing the thermal energy that existing equipment has or releases without consuming new energy resources such as fossil energy. It is an idea of energy.
船舶の有する熱エネルギーを視点にして見ると既存のものとして最大は主機から放出される種々のレベルのものが存在する。一方船舶の推進エネルギー源として既述の通りLNGが台頭してきた。またLNG輸送船の船舶数も大きくなりつつある。両者に共通することは今までにない超低温の冷熱源が新たに船舶内に加わったということである。すなわち、近年になって船舶には主機を中心とした既存の高温の熱源と、LNGによる新たな超低温の冷熱源が併存するようになってきた。熱エネルギーの視点で見ると高温熱源と低温熱源の存在はその間にランキンサイクル(蒸気駆動の原動機サイクル)を組み立てれば仕事がなされそこから、動力をひいては電力を取り出すことが可能である。 From the viewpoint of the thermal energy of a ship, there are various existing ones that are released from the main engine. On the other hand, LNG has emerged as a propulsion energy source for ships as described above. The number of LNG transport ships is also increasing. What is common to both is that an unprecedented ultra-low temperature cold heat source has been added to the ship. That is, in recent years, existing high-temperature heat sources centering on the main engine and new ultra-low temperature cold heat sources by LNG have come to coexist on ships. From the viewpoint of thermal energy, the existence of the high-temperature heat source and the low-temperature heat source can be worked by assembling a Rankine cycle (steam-driven prime mover cycle) between them, and from there, it is possible to extract power and power.
しかしながら高温側の熱源は主機で燃焼後の排気ガス、掃気或いは冷却水が中心であり、温度レベルが高くはない。またLNGを冷却源とした場合、超低温との熱交換を行うこととなる。このために両熱源間でランキンサイクルを構成する場合の作動流体としては、それらの温度に適合したものであること、と同時に地球環境の視点からオゾン層破壊のない且つ温暖化係数も小さいものとする必要がある。また超低温の冷却源を使う条件から従来の水は不適格である。そこで選ばれるのが冷凍サイクルで使用される冷媒であるが、地球環境を考えるとオゾン層破壊のない且つ温暖化係数も小さいものとする必要があり、両者を満足するものとして代替フロンが選択される。 However, the heat source on the high temperature side is mainly the exhaust gas after combustion, scavenging or cooling water in the main engine, and the temperature level is not high. When LNG is used as a cooling source, heat exchange with ultra-low temperature is performed. For this reason, the working fluid when the Rankine cycle is configured between the two heat sources must be suitable for those temperatures, and at the same time, there is no ozone layer destruction and a low global warming potential from the viewpoint of the global environment. There is a need to. Also, conventional water is not suitable due to the condition of using a cryogenic cooling source. Therefore, the refrigerant used in the refrigeration cycle is selected, but considering the global environment, there is no need to destroy the ozone layer and the global warming potential should be small. The
冷却源が超低温のLNGであるために、回収冷熱によって冷却された作動流体の温度はマイナス数10℃となり、圧力は負圧の真空となる。両者に適合した熱交換器の構造、機器の材料選定、周囲からのガスの漏えい対策、ポンプの円滑な液吸入と液吐出機能と回転軸受部の潤滑手段および作動流体の凍結対策に対して従来にない手段を講じる必要がある。 Since the cooling source is an ultra-low temperature LNG, the temperature of the working fluid cooled by the recovered cold heat is minus several tens of degrees Celsius, and the pressure is a negative vacuum. Conventional heat exchanger structure suitable for both, selection of equipment materials, measures against gas leakage from the surroundings, smooth liquid suction and discharge function of the pump, lubrication means of the rotary bearing and freezing of the working fluid It is necessary to take measures that are not present.
一般に船舶の場合、冷熱源となるLNGの冷熱量と、熱源となる主機の排気ガス量、掃気量および冷却水量等の熱源量の大きさは高温熱源の方が大きく、冷熱源のLNG量と平衡する当量の熱源を消費した後には余剰の熱源が残る。これをそのまま捨てることになれば有効エネルギーを無駄にしていることになる。余剰分の熱源と海水を冷却源とする別系統のバイナリー発電システムを構成し、直列に繋げばより多くの出力を取り出すことが可能である。 In general, in the case of a ship, the amount of heat of the LNG serving as a cold heat source and the amount of the heat source such as the amount of exhaust gas, the amount of scavenging and the amount of cooling water of the main engine serving as the heat source are larger for the high temperature heat source, and the amount of LNG of the cold heat source After consuming an equivalent amount of heat source, an excess heat source remains. If this is thrown away, the effective energy is wasted. By configuring a separate binary power generation system that uses a surplus heat source and seawater as a cooling source and connecting them in series, it is possible to extract more output.
LNG燃料船の場合LNタンクからくみ出される高圧のLNG液は現在では気化・昇温後にそのまま主機に送られている。LNG液の昇圧度合いを大きくし、さらに気化・昇温・過熱すれば主機で必要とされるガス圧力との差圧分は仕事として取り出すことが可能である。さらにLNG液の気化・昇温にバイナリーシステムの作動流体の冷却と凝縮時に放出される熱を用いればLNG液とバイナリーシステムの作動流体の2つのシステムを熱的に相互に有効利用することが可能である。 In the case of an LNG fuel ship, the high-pressure LNG liquid pumped from the LNG tank is currently sent to the main engine as it is after vaporization and temperature rise. If the degree of pressure increase of the LNG liquid is increased and further vaporization, temperature rise and overheating, the differential pressure from the gas pressure required in the main engine can be taken out as work. Furthermore, if the heat released during the cooling and condensation of the binary system working fluid is used to vaporize and raise the temperature of the LNG liquid, the two systems of the LNG liquid and the binary system working fluid can be used thermally and effectively. It is.
マイナス温度の低温作動流体の気化・昇温の熱源に排気ガスや掃気を利用する場合に、これらガス内に含まれる水分および硫黄酸化物は低温の熱交換器内で凝縮さらには凝固が生じる可能性がある。これらは熱交換効率の悪化を招き、更には排気ガス中の硫黄酸化物溶液による熱交換器の管材の腐食を引き起こす。これの対策が必要である。 When exhaust gas or scavenging gas is used as a heat source for vaporizing and raising the temperature of a low-temperature low-temperature working fluid, moisture and sulfur oxide contained in these gases can condense and solidify in a low-temperature heat exchanger. There is sex. These cause deterioration of the heat exchange efficiency, and further cause corrosion of the heat exchanger tube by the sulfur oxide solution in the exhaust gas. It is necessary to take measures against this.
以上の課題を解決するために、請求項目1にかかわる発明では、発電の形態としてランキンサイクルの一形態であるバイナリー発電システムとする。高熱源として主機からの排気ガス、掃気、或いは冷却水を用い、冷熱源としてLNG及び海水を用いて作動流体を循環させる閉ループを構成する。作動流体の冷却系統としては先ずタービンからの吐出ガスを海水で冷却した後に、再生器で更に冷却した後、超低温であるLNGを用いて凝縮器内で冷却・凝縮して、凝縮液をポンプによって昇圧し循環する。ポンプ吐出後の作動流体液は再生器でタービン吐出ガスと熱交換した後に海水で加熱し、更に排気ガス、掃気或いは冷却水で昇温して過熱ガスとしてタービンに送り、タービンでの膨張仕事によって直結した発電機を回して発電を行う。バイナリー発電システムの作動流体として上記の高熱源温度および冷熱源の温度に適合し、同時に地球環境への影響の小さい物質を対象とする。即ち高温での熱分解を起こさないこと、低温での凍結を起こさないこと、オゾン層破壊がないこと、温暖化影響が小さいことであり、具体的には代替フロン系となる。 In order to solve the above problems, in the invention according to
請求項目2にかかわる発明では、LNG燃料船の場合LNG液を一旦ポンプで昇圧して、更に凝縮器内でバイナリー発電システムの作動流体を冷却しながら気化し、過熱器で加熱・過熱した後にタービンに通し仕事をさせて発電を行い、あと主機の燃料として供給する。このときバイナリー発電システムの作動流体はLNG液の気化・加熱の過程で生じる潜熱および顕熱による冷熱によって冷却・凝縮される。即ちLNG液本体の冷熱活用によるバイナリー発電を行い、同時にLNG液は気化後に得られる高圧ガスによって発電を行い、この両システムを併存させ、同時運転して発電出力の増強を図る。 In the invention according to
請求項目3にかかわる発明では、LNGを作動流体の凝縮器における冷却源とした場合にマイナス数10℃の低温となり、圧力は負圧の真空となる。かかる状態においては凝縮器周囲の空気が凝縮器の内部へ漏えいした場合、空気が不凝縮気体であるために飽和圧力が上がり、凝縮温度がより低くなるために、同じ温度では作動流体の凝縮が不可能となる。よって本発明では凝縮器を中間に空間を有する2重構造とし、内側タンクの外面には断熱を施し、内部の空間には別置きの作動流体液タンクから圧力調整弁を経由してパイプで繋いだ作動流体のガスを供給し、該空間を若干の正圧にして維持する。この圧力調整弁は凝縮器の2重構造空間の圧力に応じて自動的に開閉する。 In the invention according to claim 3, when LNG is used as a cooling source in the condenser of the working fluid, the temperature is a low temperature of minus several tens of degrees Celsius, and the pressure is a negative vacuum. In this state, when the air around the condenser leaks into the condenser, the saturation pressure rises because the air is a non-condensable gas, and the condensation temperature becomes lower. It becomes impossible. Therefore, in the present invention, the condenser has a double structure having a space in the middle, the outer surface of the inner tank is insulated, and the inner space is connected by a pipe from a separate working fluid liquid tank via a pressure regulating valve. The working fluid gas is supplied to maintain the space at a slight positive pressure. This pressure regulating valve automatically opens and closes according to the pressure in the double structure space of the condenser.
請求項目4にかかわる発明では、凝縮器に液だまり部を設け、或いは凝縮器に繋がる作動流体液タンクを設けて、ポンプ本体は作動流体の液中に没したサブマージド型とし、回転軸の潤滑は作動流体液自体によって行う自己潤滑型とする。液位の深さに応じてポンプの吐出量を制御するか、或いは一定の液位以上での運転として常時正のNPSHを維持する。 In the invention according to
請求項目5にかかわる発明では、作動流体或いはLNGの気化器、および過熱器の熱源に用いる排気ガスや掃気中の水分の凝縮並びに凝固、更に凝縮水による硫黄酸化物溶液の生成を防止するために、作動流体或いはLNGの過熱器の上流側に海水による気化器或いは加熱器を設け作動流体或いはLNG温度を常温まで昇温しておく。これにより水分の凝縮・凝固および硫黄酸化物溶液の生成を防止する。 In the invention according to
請求項目6にかかわる発明では、LNGで冷却する凝縮器内の作動流体の温度を検知し、該温度が作動流体の凝固温度以下に下がる場合にはLNGの流量を絞る自動流量調整弁を設ける。絞った分のLNGはバイパス回路に流れてLNGの全量の昇温は後流に設けた蒸気ヒーター等の別手段によって行う。 In the invention according to claim 6, there is provided an automatic flow rate adjusting valve for detecting the temperature of the working fluid in the condenser cooled by LNG and reducing the flow rate of LNG when the temperature falls below the solidification temperature of the working fluid. The reduced amount of LNG flows into the bypass circuit, and the temperature of the entire amount of LNG is raised by another means such as a steam heater provided in the downstream.
請求項目7にかかわる発明では、余剰の高熱源を有効に利用するために、主たるバイナリー発電システムの後流に余剰の高熱源と海水を両熱源とする従なる独立したバイナリー発電システムを設置する。 In the invention according to claim 7, in order to effectively use the surplus high heat source, a subordinate independent binary power generation system using the surplus high heat source and seawater as both heat sources is installed downstream of the main binary power generation system.
請求項目1にかかわる発明では、熱源として潤沢に得られる主機関連の熱源を用いたこと、冷熱源として超低温のLNGを用いたこと、および低沸点の作動流体を選定したことで、凝縮温度を従来の水に比べて数10℃低温にすることが出来て、凝縮温度によって決まるタービンの吐出圧を低くすることが可能となり、タービンでの熱落差、および圧力差を大きくとることが可能となって、タービン出力を大きくできる。作動流体としての選定を的確に行うことで高熱源及び冷熱源の温度での分解や凍結なしにシステム内での循環が可能となり、円滑な運転を行う。同時に作動流体によるオゾン層破壊をなくし、同時に温暖化に関する地球環境への悪影響を小さく抑えられる。 In the invention according to
請求項目2にかかわる発明では、LNG燃料船の燃料であるLNG本体を作動流体としてランキンサイクルを構成して、LNG液の気化後の高温・高圧蒸気を有効に利用してタービンを駆動し、タービンに直結した発電機によって発電を行う。更にLNG液の気化と昇温の過程で生じる冷熱は別系統のバイナリー発電システムでの作動流体の冷却と液化に利用することでバイナリー発電システムでの発電がおこなわれる。かくしてLNGによる発電系統とバイナリー発電系統の両系統が互いに熱源の有効な相互利用と共有化によって繋がり、発電出力の増加がなされる。 In the invention according to
請求項目3にかかわる発明では、凝縮器内部が低温且つ真空状態となるが、凝縮器に漏えいが生じた場合においても作動流体と同じガスの侵入のみで、不凝縮ガスである空気の侵入はないために、凝縮機能を損なわれることがない。2重構造の内側壁の外面に施工された断熱によって2重構造の内部空間は常温に保持されるために、空間に存在するガスが液化することもない。空間は一定の圧力に維持されるように圧力調整弁によって外部の作動流体タンクから自動的にガスが供給される。 In the invention according to claim 3, the inside of the condenser is in a low temperature and vacuum state, but even when leakage occurs in the condenser, only the same gas as the working fluid enters, and there is no invasion of air which is a non-condensable gas. Therefore, the condensation function is not impaired. Since the internal space of the double structure is kept at room temperature by heat insulation applied to the outer surface of the inner wall of the double structure, the gas existing in the space is not liquefied. Gas is automatically supplied from an external working fluid tank by a pressure regulating valve so that the space is maintained at a constant pressure.
請求項目4にかかわる発明では、LNGで冷却されて液化した作動流体はマイナス数10℃の低温であり、通常の潤滑油は機能をなさない。そこで作動流体のポンプは作動流体液中に没したサブマージド型とし、回転軸の潤滑は作動流体自体によって行われる自己潤滑型として、円滑な回転機能が維持される。一方凝縮器内の液位制御を行うことで作動流体の液位に応じてポンプの回転数が自動的の制御されることによって、ポンプの吸入圧力が常時NPSH(正味の正側吸入圧力)に維持されるためにポンプはガスを吸入することなく正常に作動する。 In the invention according to
請求項目5にかかわる発明では、低温の作動流体やLNGが、熱交換器を介して水分や硫黄酸化物を含む排気ガスや掃気に触れる前に、海水によって常温まで昇温されるために、熱交換器において排気ガスや掃気中の水分の凝縮と凝固、或いはその結果生じる硫黄酸化物溶液の生成がなされることがなく、機器の閉塞や腐食を避けることができて本発明システムの長期にわたる円滑な作動が可能となる。 In the invention according to
請求項目6にかかわる発明では、バイナリー発電システムに流す冷却源である超低温のLNGの流量を絞ることによって凝縮器内での作動流体の凍結を防ぎ、同時に絞られた分のLNGは別系統の加熱手段によって昇温されることで、本船の主機燃料系統の正常作動を維持する。 In the invention according to claim 6, the flow rate of the ultra-low temperature LNG that is a cooling source flowing to the binary power generation system is reduced to prevent freezing of the working fluid in the condenser, and the reduced amount of LNG is heated separately. Maintaining normal operation of the main engine fuel system of the ship by raising the temperature by means.
請求項目7にかかわる発明では、通常高熱源はLNG系統の冷熱源に対して余剰に存在する、この余剰の高熱源を活用して海水を冷熱源とする従来型のバイナリー発電システムを、LNGを冷却源とする主たるバイナリー発電システムに直列に繋いで構成し、船舶全体としての熱源の有効利用による出力増加と創エネルギーを図る。 In the invention according to claim 7, the conventional high-temperature heat source exists in excess of the LNG system cold heat source, and the conventional binary power generation system using seawater as the cold heat source by utilizing the surplus high heat source is replaced with LNG. It is configured by connecting in series with the main binary power generation system as a cooling source, aiming to increase output and create energy by effectively using the heat source as a whole ship.
以下、本発明の実施形態を、図1〜図6に基づいて説明する。
作動流体としては、代替フロン系のHFC134aを対象例として述べる。その他の冷媒を用いた場合についても同様である。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
As a working fluid, an alternative chlorofluorocarbon-based HFC134a will be described as an example. The same applies to the case of using other refrigerants.
図1は、LNG燃料船およびLNG輸送船での主機のLNG燃料系統を示す。図1AはLNG燃料船の燃料系統を、図1BはLNG輸送船の燃料系統をそれぞれ示す。いずれもLNGはLNGタンクから出た後に水蒸気を加熱源とする蒸発器および加熱器で常温の過熱蒸気まで昇温され、そのまま主機に供給されている。即ちLNGの冷熱回収および利用はなされていない。同様に主機からの排気ガス、掃気および冷却水については100℃〜200℃レベルの熱媒については利用されずに廃棄されている。 FIG. 1 shows a main LNG fuel system in an LNG fuel ship and an LNG transport ship. FIG. 1A shows a fuel system of an LNG fuel ship, and FIG. 1B shows a fuel system of an LNG transport ship. In either case, the LNG is heated from the LNG tank to the superheated steam at room temperature with an evaporator and a heater using steam as a heating source, and is supplied to the main machine as it is. That is, LNG cold recovery and utilization are not made. Similarly, the exhaust gas, the scavenging air and the cooling water from the main engine are discarded without being used for the heat medium at the 100 ° C. to 200 ° C. level.
図2は、本実施形態によるLNG輸送船での発電システムの作動流体による閉回路を構成した系統を示す。先ず高熱源については主機の排ガス、掃気ガス或いは冷却水を利用して作動流体を加熱して過熱ガスを作りタービンを回し、作動流体の凝縮はLNGタンクからの超低温の蒸発蒸気を用いて行う。作動流体の気化および冷却には海水も利用して大幅な省エネルギー化を図っている。真空になる凝縮器の外部には2重構造内に作動流体のガスを充満させて空気侵入を阻止する。 FIG. 2 shows a system in which a closed circuit is formed by the working fluid of the power generation system in the LNG transport ship according to the present embodiment. First, as for the high heat source, the working fluid is heated using the exhaust gas, scavenging gas or cooling water of the main engine to produce superheated gas and the turbine is rotated, and the working fluid is condensed using ultra-low temperature vaporized vapor from the LNG tank. For the vaporization and cooling of the working fluid, seawater is also used to save energy. The outside of the condenser to be evacuated is filled with a working fluid gas in the double structure to prevent air from entering.
図3は、本実施形態によるLNG燃料船での発電システムにおける作動流体による閉回路を構成した系統を示す。高温源については図2のLNG輸送船の場合と同じである。冷熱源についてはLNGタンクから汲み出したLNG液体の潜熱及び顕熱の全冷熱を利用する。海水利用による作動流体の冷却方式並びに真空凝縮器の機構については図2と同じである。冷熱を回収した後のLNG蒸気は海水、排気ガス、或いは冷却水等の高温源を用いて得られる過熱蒸気によってランキンサイクルを構成し、タービンを駆動して発電する。 FIG. 3 shows a system in which a closed circuit is formed by a working fluid in the power generation system in the LNG fuel ship according to the present embodiment. The high temperature source is the same as that of the LNG transport ship in FIG. For the cold heat source, the latent heat of the LNG liquid pumped from the LNG tank and the total cold heat of sensible heat are used. The cooling method of the working fluid using seawater and the mechanism of the vacuum condenser are the same as in FIG. The LNG steam after recovering the cold heat forms a Rankine cycle with superheated steam obtained using a high-temperature source such as seawater, exhaust gas, or cooling water, and drives the turbine to generate power.
図4は、本実施形態によるHFC−134aを作動流体とした場合の3種類のサイクルを縦軸に圧力p−横軸にエンタルピーhを取った線図上に実線、鎖線および点線で表したもので、作動流体は閉回路となるシステム内で実線の場合によって示すように矢印方向に循環して機能する。 FIG. 4 shows three types of cycles when the HFC-134a according to the present embodiment is used as a working fluid, represented by a solid line, a chain line, and a dotted line on a diagram in which the vertical axis represents pressure p and the horizontal axis represents enthalpy h. Thus, the working fluid circulates in the direction of the arrow and functions in the closed circuit system as indicated by the solid line.
図5は、本実施形態によるHFC−134aを作動流体とした場合の2種類のサイクルを縦軸に温度T−横軸にエントロピーsを取った線図上に表したものである。図4とは縦軸と横軸として表す物理量の指標が異なるのみで本質的には同じものである。 FIG. 5 shows two types of cycles when the HFC-134a according to the present embodiment is used as a working fluid on a diagram in which the vertical axis indicates temperature T and the horizontal axis indicates entropy s. This is essentially the same as FIG. 4 except that the physical quantity index expressed as the vertical axis and the horizontal axis is different.
図6は、本実施形態によるLNG燃料船のLNGを作動流体とするランキンサイクルの流れを縦軸に圧力p−横軸にエンタルピーhを取った線図上に表したもので、作動流体は開回路となるシステム内で実線上を矢印方向に流れて機能し、最終的には主機燃料として利用される。 FIG. 6 shows the Rankine cycle flow using LNG of the LNG fuel ship according to the present embodiment as a working fluid on a diagram in which the vertical axis represents pressure p and the horizontal axis represents enthalpy h, and the working fluid is opened. It functions by flowing in the direction of the arrow on the solid line in the system that becomes the circuit, and finally used as the main engine fuel.
図1によって従来のLNG燃料船およびLNG輸送船でのLNGの燃料系統を説明する。
図1Aは、従来のLNG燃料船での燃料系統を示し、LNGはタンク01から直接ポンプで汲み出されて液体のまま供給管02を経てLNG蒸発器03に流れ、ここで高温の水蒸気04によって加熱され、更に気化されて、LNGヒーター05に入り、ここで再度水蒸気04によって加熱され、常温ガス06として主機に供給される。すなわちLNGの気化及び低温ガスが有する潜熱および顕熱の全冷熱は有効に利用されずに大気に捨てられている。またLNGの全冷熱を奪うための新たな高温水蒸気が必要になる。
図1Bは、従来のLNG輸送船の燃料系統を示し、LNGはタンク01から蒸発した低温蒸気として供給されて供給管07を経てLNGヒーター05に入り、ここで高温水蒸気04によって常温まで加熱され、常温ガス06として主機に供給される。すなわちここでも超低温のLNGの冷熱の利用はなく、蒸気の昇温に高温水蒸気が消費されている。一方の主機から放出される諸高温の熱源は100〜200℃以下のものは利用されることなく廃棄されている。A conventional LNG fuel ship and an LNG fuel system in an LNG transport ship will be described with reference to FIG.
FIG. 1A shows a fuel system in a conventional LNG fuel ship. LNG is pumped directly from a
FIG. 1B shows a fuel system of a conventional LNG transport ship. LNG is supplied as low-temperature steam evaporated from a
図2によって本実施形態によるLNG輸送船の場合のLNGの冷熱回収系統、即ちバイナリー発電システムの作動流体の凝縮系統について説明する。冷熱源であるLNGはLNGタンク30から蒸発蒸気として取り出され、圧縮機31bによって昇圧後、ガス供給管32bを通って凝縮器21に導かれる。凝縮器21内で低温のLNG蒸発蒸気は管壁を介して作動流体を冷却することによって作動流体を所定の凝縮温度で液化し、凝縮器の底部に作動流体液1として貯蔵される。凝縮器の温度が作動流体の凍結温度以下に低下する場合には温度調整器33によって検知してガスバイパス弁34bを開けて低温のLNG蒸発蒸気は凝縮器21をバイパスしてそのままガス加熱器35へ送られる。凝縮器21およびガスバイパス弁34bを出たLNGガスはガス加熱器35によって常温まで昇温されて主機36へと導かれる。 An LNG cold recovery system in the case of the LNG transport ship according to this embodiment, that is, a working fluid condensing system of the binary power generation system will be described with reference to FIG. LNG, which is a cold heat source, is taken out from the
以下図2および図3では共通機能を持つ機器については同じ番号を付して共通した説明を行う。
先ず図2および図3によってLNG輸送船およびLNG燃料船に共通する本実施形態による凝縮器からの作動流体のポンプによる昇圧と送り出しについて説明する。
作動流体は凝縮器21から液位制御器28と流量制御弁29によってポンプ2の正常な作動に必要なNPSH(正味の正側吸入圧力)が得られるように液位を維持してポンプ2によって昇圧されて汲み出されて、高圧作動流体3として再生器4へ導かれる。ポンプ2は回転軸の潤滑に作動流体自身が用いられる自己潤滑型とし、作動流体中に没液型とする。Hereinafter, in FIG. 2 and FIG. 3, devices having common functions are denoted by the same reference numerals and common description will be given.
First, referring to FIG. 2 and FIG. 3, the pressurization and delivery of the working fluid from the condenser according to the present embodiment common to the LNG transport ship and the LNG fuel ship will be described.
The working fluid is maintained at the liquid level by the
図2および図3によってLNG輸送船およびLNG燃料船に共通する本実施形態による作動流体の再生機能について説明する。タービン14の吐出ガス16はガス冷却器18内で海水ライン17によって常温まで冷却された後に、再生器4に運ばれて低温の高圧作動流体3と熱交換されて更に冷却されて低温ガス20として凝縮器21に導かれた後に凝縮される。一方の高圧作動流体3は再生器4内で昇温される。このように再生器4では2つの流体間の相互の熱交換を行うことで全体の熱効率を上げる機能を持つ。 With reference to FIGS. 2 and 3, the regeneration function of the working fluid according to this embodiment common to the LNG transport ship and the LNG fuel ship will be described. The discharge gas 16 of the
図2および図3によってLNG輸送船およびLNG燃料船に共通する本実施形態による作動流体の気化と加熱の機能について説明する。再生器4を出た作動流体は気化器5に入り、海水供給6によって潜熱を与えられて気化する。与える海水の流量は作動流体を流す管の表面における海水の凍結を防止する観点から決められる。気化後の作動流体は同じく海水供給8による加熱器7に入り、ここで常温まで昇温されて常温ガス9となる。気化器5と加熱器7は一つの機器として纏めることも可能であり、その場合は海水によって作動流体の気化と常温までの昇温が一つの機器の中で行われる。 The function of vaporizing and heating the working fluid according to this embodiment common to the LNG transport ship and the LNG fuel ship will be described with reference to FIGS. The working fluid exiting the
図2および図3によってLNG輸送船およびLNG燃料船に共通する本実施形態による作動流体の過熱の機能について説明する。常温ガス9は過熱器10に入り、排気ガス、掃気或いは冷却水の加熱源供給11によって過熱領域まで昇温されて過熱ガス12となる。 The function of overheating the working fluid according to this embodiment common to the LNG transport ship and the LNG fuel ship will be described with reference to FIGS. The room temperature gas 9 enters the
図2および図3によってLNG輸送船およびLNG燃料船に共通する本実施形態による作動流体による仕事取り出しについて説明する。過熱ガス12はガス圧力調整弁13を経てタービン14に入りガスの膨張行程によって回転仕事をなし、同軸にある発電機15を回しその出力は外部に電力として取り出される。タービン内で仕事をした作動流体は減圧と降温されて吐出ガス16としてガス冷却器18へ流れ、ここで海水供給17によって更に冷却されて常温ガス19として再生器4に導かれる。 The work extraction by the working fluid according to the present embodiment common to the LNG transport ship and the LNG fuel ship will be described with reference to FIGS. The
図3によって本実施形態によるLNG燃料船の場合のLNGの冷熱回収系統、即ちバイナリー発電システムの作動流体の凝縮系統について説明する。冷熱源であるLNGはLNGタンク30からLNGポンプ31aによって昇圧されて汲み出されてLNG供給管32aを通って凝縮器21に導かれる。凝縮器21内で低温のLNG蒸発蒸気は管壁を介して作動流体を冷却することによって作動流体を所定の凝縮温度で液化し、凝縮器の底部に作動流体液1として貯蔵される。凝縮器の温度が作動流体の凍結温度以下に低下する場合には温度調整器33によって検知してLNGバイパス弁34aを開けてLNG液は凝縮器21をバイパスしてそのまま気化加熱器37へ送られる。 An LNG cold recovery system in the case of the LNG fuel ship according to the present embodiment, that is, a working fluid condensing system of the binary power generation system will be described with reference to FIG. LNG, which is a cold heat source, is boosted and pumped from the
図3によって本実施形態によるLNG燃料船の場合のLNGガスによるタービン発電システムについて説明する。凝縮器21内で管壁を介して作動流体を冷却・液化する過程で気化・昇温したLNGガス、或いはLNGバイパス弁34aを通ったLNG液は気化加熱器37で海水供給38によって気化され、更に常温まで昇温されて過熱器39へと導かれる。過熱器39の過熱源供給40の熱媒としては排気ガス、掃気或いは冷却水が用いられる。高圧の過熱ガスはガス圧力調整弁41を経てLNGタービン42に導かれてガスの膨張行程によって回転仕事をなし、同軸にある発電機43を回しその出力を外部に電力として取り出される。タービン内で仕事をしたLNGガスは主機に必要な圧力まで減圧されて、必要に応じて蒸気等によるLNG加熱器44によって昇温されて主機45へと導かれる。 A turbine power generation system using LNG gas in the case of the LNG fuel ship according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The LNG gas vaporized and heated in the process of cooling and liquefying the working fluid through the tube wall in the condenser 21 or the LNG liquid passing through the LNG bypass valve 34a is vaporized by the seawater supply 38 in the vaporization heater 37, Further, the temperature is raised to room temperature and led to the superheater 39. As a heat medium for the
図4によって本発明によるLNGの冷熱をブラインを介して間接的に作動流体に伝達する場合のLNGとブラインの流れを説明する。先ずLNG液或いはLNG蒸気46はブライン/LNG熱交換器47に流れて、ここでLNGの有する潜熱および顕熱をブラインに伝達して、ブラインを冷却する。LNG本体はブラインから熱をもらい気化し、更には昇温して更に加熱器へと導かれる。冷却された低温ブラインはブラインポンプ48によって凝縮器21へと流れ、凝縮器内で作動流体の冷却と液化を行った後もとの熱交換器47へと戻り循環する。凝縮器内での作動流体の凍結防止に対する機能はLNGによる直接冷却の場合と同じである。 FIG. 4 illustrates the flow of LNG and brine when the cold heat of LNG according to the present invention is indirectly transferred to the working fluid via the brine. First, the LNG liquid or the LNG vapor 46 flows to the brine / LNG heat exchanger 47 where the latent heat and sensible heat of the LNG are transferred to the brine to cool the brine. The LNG main body is vaporized by receiving heat from the brine, and further heated to be led to a heater. The cooled low-temperature brine flows to the condenser 21 by the brine pump 48, cools and liquefies the working fluid in the condenser, and then returns to the original heat exchanger 47 for circulation. The function for preventing freezing of the working fluid in the condenser is the same as in the case of direct cooling by LNG.
図5によって本発明による作動流体のサイクル内の流れと、それぞれの機器内での効果について説明する。図5は作動流体の一例をHFC−134aとした場合の圧力pを縦軸にとりエンタルピーhを横軸にとって、両者の関係を定量的に示したp−h線図であり、同図内に本発明によって形成される作動流体の閉回路のサイクル内の流れを3種類のケースについて例示する。それぞれの線は次表に示す緒元を持っている。
実線の場合で作動流体の機能を示すと、右回りに先ずLNG等による冷却と液化から始まり、次にポンプによる加圧、更に海水、排気ガス、掃気等による気化と加熱・過熱、最後にタービン仕事と発電となって最終的に電力が外部に取り出される。それぞれの過程での熱的な変化量及び仕事量は同過程でのエンタルピーの変化量で表される。
The flow in the cycle of the working fluid according to the present invention and the effect in each device will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a ph diagram quantitatively showing the relationship between the pressure p in the case of HFC-134a as an example of the working fluid and the enthalpy h as the horizontal axis. The flow in a closed circuit cycle of working fluid formed by the invention is illustrated for three cases. Each line has the specifications shown in the following table.
In the case of the solid line, the function of the working fluid is shown in the clockwise direction, starting with cooling and liquefaction by LNG first, then by pressurization by pump, further by vaporization and heating / overheating by seawater, exhaust gas, scavenging etc., and finally by turbine It becomes work and power generation, and finally power is taken out. The amount of thermal change and work in each process are represented by the amount of change in enthalpy in the same process.
図6は作動流体の一例をHFC−134aとした場合の温度Tを縦軸にとりエントロピーsを横軸にとって、両者の関係を定量的に示したT−s線図であり、同図内に本発明による作動流体のサイクル内の流れを2種類のケースについて示す。図5および図6は表示の物理量の指標が異なるのみで、内容は同じものである。設計者の好みと慣例によってどちらを使うかが決まる。同図におけるそれぞれの線は次表に示す緒元を有する。
FIG. 6 is a Ts diagram that quantitatively shows the relationship between the temperature T in the case of HFC-134a as an example of the working fluid and the entropy s as the horizontal axis. The flow in the working fluid cycle according to the invention is shown for two cases. FIG. 5 and FIG. 6 are the same except that the displayed physical quantity indicators are different. Which one to use depends on the designer's preference and practice. Each line in the figure has the specifications shown in the following table.
図7はLNG燃料船の場合にポンプ昇圧による高圧のLNG液をバイナリー作動流体の冷却と凝縮に用いた後、排気ガス等による加熱で過熱ガスとしてタービンを駆動し、発電を行って、あと主機の方へと流す開回路のサイクル例をメタンガスのp−h線図上に実線で表したものである。本図に示した場合の緒元を次表に示す。
In the case of an LNG fuel ship, the high pressure LNG liquid generated by boosting the pump is used for cooling and condensing the binary working fluid, and then the turbine is driven as superheated gas by heating with exhaust gas, etc. A cycle example of an open circuit flowing toward the direction of methane gas is represented by a solid line on the ph diagram of methane gas. The following table shows the specifications for the case shown in this figure.
A:現状のLNG燃料船の燃料供給系統
B:現状のLNG輸送船の燃料供給系統
01:LNGタンク
02:LNG液供給
03:LNG蒸発器
04:加熱用水蒸気
05:LNGヒーター
06:LNG常温ガス
1:作動流体液
2:ポンプ
3:高圧作動流体
4:再生器
5:気化器
6:海水供給
7:加熱器
8:海水供給
9:常温ガス
10:過熱器
11:加熱源供給
12:過熱ガス
13:ガス圧力調整弁
14:タービン
15:発電機
16:吐出ガス
17:海水供給
18:ガス冷却器
19:常温ガス
20:低温ガス
21:凝縮器
22:断熱
23:二重構造
24:作動流体タンク
25:圧力調整器
26:圧力調整弁
27:ガス供給管
28:液位調整器
29:流量制御弁
30:LNGタンク
31a:LNGポンプ
31b:圧縮機
32a:LNG供給管
32b:ガス供給管
33:温度調整器
34a:LNGバイパス弁
34b:ガスバイパス弁
34c:LNG液或いはLNGガスバイパス弁
35:ガス加熱器
36:主機へ
37:気化加熱器
38:海水供給
39:過熱器
40:過熱源供給
41:ガス圧力調整弁
42:LNGタービン
43:発電機
44:LNG加熱器
45:主機へ
46:LNG液或いはLNGガス
47:ブライン/LNG熱交換器
48:ブラインポンプ
49:ブラインラインA: Fuel supply system of current LNG fuel ship B: Fuel supply system of current LNG transport ship 01: LNG tank 02: LNG liquid supply 03: LNG evaporator 04: Steam for heating 05: LNG heater 06: LNG room temperature gas 1: Working fluid liquid 2: Pump 3: High pressure working fluid 4: Regenerator 5: Vaporizer 6: Seawater supply 7: Heater 8: Seawater supply 9: Room temperature gas 10: Superheater 11: Heating source supply 12: Superheated gas 13: Gas pressure regulating valve 14: Turbine 15: Generator 16: Discharge gas 17: Seawater supply 18: Gas cooler 19: Normal temperature gas 20: Low temperature gas 21: Condenser 22: Heat insulation 23: Double structure 24: Working fluid Tank 25: Pressure regulator 26: Pressure regulation valve 27: Gas supply pipe 28: Liquid level regulator 29: Flow control valve 30: LNG tank 31a: LNG pump 31b: Compressor 32a: LNG supply pipe 32b: Gas supply pipe 33: Temperature regulator 34a: LNG bypass valve 34b: Gas bypass valve 34c: LNG liquid or LNG gas bypass valve 35: Gas heater 36: To main engine 37: Vaporization heater 38: Seawater supply 39: Superheater 40 : Superheat source supply 41: Gas pressure regulating valve 42: LNG turbine 43: Generator 44: LNG heater 45: To main engine 46: LNG liquid or LNG gas 47: Brine / LNG heat exchanger 48: Brine pump 49: Brine line
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