JP2017180406A - 排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンの起動時間を短縮可能とした排熱回収装置を提供する。
【解決手段】主蒸気を生成する排ガスエコノマイザ１０と、排ガスエコノマイザ１０から主蒸気が導かれる汽水分離器２０と、主蒸気によって駆動される蒸気タービン３０と、汽水分離器２０から蒸気タービン３０へ流入する前記主蒸気の流量を調整するガバナ弁３５と、汽水分離器２０に接続される蒸気ダンプ弁６０と、汽水分離器２０の主蒸気の圧力である第１圧力を検出する圧力センサ２７と、圧力センサ２７が出力する主蒸気の圧力が設定圧力以上となる場合に開状態とするよう蒸気ダンプ弁６０を制御する制御部９０とを備え、制御部９０が、第１圧力以上かつ第１圧力に一定圧力を加算した第２圧力以下となるように第１圧力に応じて変動する設定圧力を設定する排熱回収装置３００を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収装置の制御方法に関するものである。

従来、ディーゼル機関の排ガスによって主蒸気を発生させる排ガスエコノマイザと、排ガスエコノマイザから主蒸気が導かれる汽水分離器と、主蒸気によって駆動される蒸気タービンとを備えた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に開示される排熱回収装置は、汽水分離器に接続される蒸気ダンプ弁を備える。蒸気ダンプ弁は、圧力センサにて得られた主蒸気の圧力が所定値以上となった場合に全開となる。これにより、汽水分離器内の主蒸気の圧力が所定値以上となって汽水分離器等に不具合が発生することが防止される。

特許第５３７４４６５号公報

例えば、特許文献１に開示されるような排熱回収装置において、蒸気タービンは、汽水分離器から主蒸気の供給が開始されることにより起動する。この場合、汽水分離器から蒸気タービンへ導かれる主蒸気の流量を調整する調整弁の開度を急激に増大させると、主蒸気の圧力が急激に低下する一方で汽水分離器内の水の温度が高い状態に維持されたままとなる。これにより、汽水分離器内の水の圧力がその水の温度における飽和蒸気圧を下回り、キャビテーション（液体中に泡の発生と消滅が起こる物理現象）が発生する。キャビテーションが発生すると、汽水分離器の水を排ガスエコノマイザへ送るポンプの吸入口に生じる気泡によりポンプの吐出圧力が低下するとともにポンプに腐食等の不具合が発生してしまう。

キャビテーションの発生を防止するためには、主蒸気の流量を調整する調整弁の開度の単位時間あたりの増加量を一定量以下に制限し、汽水分離器の主蒸気の単位時間あたりの圧力変動を抑制することが有効である。これにより、汽水分離器内の水の圧力を、その水の温度における飽和蒸気圧を下回らないように維持することができる。

しかしながら、調整弁の開度の単位時間あたりの増加量を制限すると、蒸気タービンの起動時間（調整弁の開度が全閉から全開に至る時間）が長くなってしまう。特に、蒸気ダンプ弁が開状態となる設定圧力をディーゼル機関の出力によらずに一定値に設定する場合、蒸気タービンの起動時間が長くなってしまう。これは、蒸気タービンの通常運転中に蒸気ダンプ弁が開状態となって蒸気が無駄とならないようにするため、蒸気ダンプ弁の設定圧力が比較的高く設定されるからである。蒸気ダンプ弁の設定圧力が高く、それに伴って汽水分離器内の主蒸気の圧力が高く維持されている場合、蒸気タービンの起動時間が長くなってしまう。

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、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように調整弁の開度を制御する場合であっても、蒸気タービンの起動時間を短縮可能とした排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収装置の制御方法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、本発明の排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収装置の制御方法は以下の手段を採用する。
本発明の一態様の排熱回収装置は、内燃機関から排出された排ガスから熱回収することによって生成された主蒸気が導かれる汽水分離器と、前記汽水分離器から導かれる前記主蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記汽水分離器から前記蒸気タービンへ流入する前記主蒸気の流量を調整する調整弁と、前記汽水分離器に接続される蒸気ダンプ弁と、前記汽水分離器の前記主蒸気の圧力である第１圧力を出力する出力部と、前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力以上となる場合に開状態とし、前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力未満となる場合に閉状態とするよう前記蒸気ダンプ弁を制御する制御部とを備え、前記制御部が、前記第１圧力以上かつ該第１圧力に一定圧力を加算した第２圧力以下となるように前記第１圧力に応じて変動する前記設定圧力を設定する。

本発明の一態様の排熱回収装置によれば、汽水分離器の主蒸気の圧力は、出力部が出力する第１圧力と同じかそれよりも一定圧力が加算された第２圧力以下の範囲に維持される。汽水分離器の主蒸気の圧力は内燃機関の出力によって変動するが、制御部が主蒸気の圧力に応じて蒸気ダンプ弁の設定圧力を適切に設定する。そのため、汽水分離器の主蒸気の圧力は、内燃機関の出力に応じた適切な範囲内に維持される。これにより、蒸気ダンプ弁の設定圧力を内燃機関の出力によらずに一定値に設定する場合に比べ、内燃機関の出力に対して汽水分離器内の主蒸気の圧力が高く維持されることが防止される。よって、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように調整弁の開度を制御する場合であっても、蒸気タービンの起動時間の短縮が可能となる。

本発明の一態様の排熱回収装置においては、前記制御部が、前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように前記ガバナ弁の開度を制御するものであってもよい。
このようにすることで、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるため、汽水分離器内の水の圧力がその水の温度における飽和蒸気圧を下回らないように維持され、キャビテーションの発生が抑制される。

本発明の一態様の排熱回収装置において、前記出力部は、前記主蒸気の圧力を検出する圧力センサであってもよい。
このようにすることで、圧力センサで検出した主蒸気の圧力に応じて蒸気ダンプ弁の設定圧力を適切に設定することができる。

本発明の一態様の排熱回収装置において、前記出力部は、前記内燃機関の出力と該出力に応じて変動する設計蒸気圧力との対応関係を示すテーブル情報に基づいて、前記内燃機関の出力に対応する前記設計蒸気圧力を前記第１圧力として出力するものであってもよい。
このようにすることで、例えば、蒸気タービンの停止時等の主蒸気の圧力を直接的に検出することができない場合であっても、予め作成したテーブル情報を参照して現在の内燃機関の出力に対応する設計蒸気圧力を適切に設定することができる。

また、本発明の一態様の内燃機関システムは、内燃機関と、上述の排熱回収装置とを備えている。
上述の排熱回収装置を備えているので、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように調整弁の開度を制御する場合であっても、蒸気タービンの起動時間を短縮可能な内燃機関システムを提供することができる。

また、本発明の船舶は、上述の内燃機関システムを備えている。
上述の内燃機関システムを備えているので、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように調整弁の開度を制御する場合であっても、蒸気タービンの起動時間を短縮可能な船舶を提供することができる。

また、本発明の一態様の排熱回収装置の制御方法は、内燃機関から排出された排ガスから熱回収することにより生成される主蒸気によって駆動される蒸気タービンを備える排熱回収装置の制御方法であって、汽水分離器に導かれる前記主蒸気の圧力である第１圧力を出力する出力工程と、前記出力工程が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力以上となる場合に開状態とし、前記出力工程が検出する前記主蒸気の圧力が設定圧力未満となる場合に閉状態とするよう前記汽水分離器に接続される蒸気ダンプ弁を制御する制御工程とを備え、前記制御工程が、前記第１圧力以上かつ該第１圧力に一定圧力を加算した第２圧力以下となるように前記第１圧力に応じて変動する前記設定圧力を設定する。

本発明によれば、汽水分離器の主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように調整弁の開度を制御する場合であっても、蒸気タービンの起動時間を短縮可能とした排熱回収装置、内燃機関システムおよび船舶、並びに排熱回収装置の制御方法を提供することができる。

内燃機関システムの一実施形態を示した概略構成図である。 ディーゼル主機出力に対するガバナ弁および蒸気ダンプ弁の開度を示す図である。 図１に示す制御部が実行する蒸気ダンプ弁の設定圧力の設定処理を示すフローチャートである。 蒸気タービンの運転中にディーゼル主機出力に対して設定される蒸気ダンプ弁の設定圧力を示す図である。 蒸気タービンの停止中にディーゼル主機出力に対して設定される蒸気ダンプ弁の設定圧力を示す図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す船舶に設置されたディーゼル機関システム（内燃機関システム）は、ディーゼル主機（内燃機関）１００と、ディーゼル主機１００の排ガスによって駆動される過給機２００と、ディーゼル主機１００から排出される熱を回収して発電する排熱回収装置３００とを備える。

ディーゼル主機１００は、船舶推進用のプロペラ１１０を駆動する。ディーゼル主機１００へ供給される圧縮空気は、ディーゼル主機１００の排ガスによって駆動される過給機２００から導かれる。
過給機２００は、同軸上に設けられたタービン２１０と圧縮機２２０とを有する。タービン２１０は、ディーゼル主機１００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。タービン２１０が駆動されると、同軸上に設けられた圧縮機２２０が回転して空気を圧縮する。
タービン２１０の下流側は、排ガス管Ｌ１によって後述する排ガスエコノマイザ１０に接続されている。

排熱回収装置３００は、排ガスエコノマイザ１０と、汽水分離器２０と、ボイラ水循環ポンプ２５と、圧力センサ（出力部）２７と、蒸気タービン３０と、ガバナ弁（調整弁）３５と、発電機４０と、復水器５０と、復水ポンプ５５と、蒸気ダンプ弁６０と、船内雑用蒸気調整弁７０と、遮断機８０と、制御部９０とを備える。

排ガスエコノマイザ１０は、ディーゼル主機１００から排出された排ガスから熱回収することによって蒸気タービン３０を駆動する主蒸気となる過熱蒸気を生成する装置である。排ガスエコノマイザ１０は、その煙道内に過熱器１１と蒸発器１２とを有している。過熱器１１および蒸発器１２は、排ガスエコノマイザ１０内を下から上（排ガス流れの上流側から下流側）に向かって順番に平行に据え付けられた伝熱管により構成されている。排ガスエコノマイザ１０の煙道内には、高温の排ガスが流れ、その下流側に接続された煙突（図示略）を経て大気に放出される。過熱器１１には、汽水分離器２０の上部から飽和蒸気が導かれる。蒸発器１２には、汽水分離器２０の下部からボイラ水循環ポンプ２５により水が導かれる。

汽水分離器２０は、蒸発器１２から導かれる水分を含む湿り蒸気を、蒸気と水とに分離する装置である。汽水分離器２０内は、水と蒸気が上下にそれぞれ分離して収容されている。汽水分離器２０には、復水器５０から復水ポンプ５５を介して水が供給される。汽水分離器２０内の水は、ボイラ水循環ポンプ２５によって蒸発器１２に導かれる。汽水分離器２０には、蒸発器１２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、過熱器１１に導かれ過熱蒸気とされる。過熱器１１にて生成された過熱蒸気は、過熱蒸気供給管Ｌ２を介して蒸気タービン３０へと導かれる。

圧力センサ２７は、過熱蒸気供給管Ｌ２に設けられており、過熱蒸気供給管Ｌ２内の過熱蒸気の圧力を検出する。図１に示す圧力センサ２７は、過熱器１１から導かれる過熱蒸気の圧力を検出するものであるが、過熱蒸気の圧力は汽水分離器２０内の蒸気の圧力と略同等である。そのため、圧力センサ２７は、汽水分離器２０内の蒸気の圧力（第１圧力）を出力するものである。
なお、過熱蒸気圧力を検出する圧力センサ２７の設置位置は、排ガスエコノマイザ１０にて生成された過熱蒸気の圧力を検出できる位置であれば良い。

蒸気タービン３０の上流側には、ガバナ弁３５が設けられ、その上流側に更に主塞止弁（図示略）が設けられている。蒸気タービン３０を運転する場合には、主塞止弁が開状態とされ、蒸気タービン３０を運転しない場合には主塞止弁が閉状態とされる。
ガバナ弁３５は、蒸気タービン３０を運転する場合に、汽水分離器２０から蒸気タービン３０へ流入する過熱蒸気の流量を調整する装置である。ガバナ弁３５の開度は、制御部９０により制御される。

蒸気タービン３０は、ガバナ弁３５を介して導かれた過熱蒸気によって回転駆動される装置である。蒸気タービン３０の回転軸（図示略）に与えられた回転出力は、回転軸に連結された発電機４０に伝達される。
発電機４０は、蒸気タービン３０から伝達された回転出力によって駆動されて発電する。発電機４０の電気出力は、出力電線４１及び遮断機８０を介して船内電力系統４００へと導かれる。遮断機８０が出力電線４１と船内電力系統４００とを接続する供給状態（オン状態）と、遮断機８０が出力電線４１と船内電力系統４００との接続を遮断する供給停止状態（オフ状態）とは、制御部９０によって切り替えられる。制御部９０は、発電機４０が発生する電力の周波数が船内電力系統４００の系統周波数に到達した場合に、遮断機８０をオフ状態からオン状態に切り替える。

復水器５０は、蒸気タービン３０にて仕事を終えた蒸気と蒸気ダンプ弁６０から導かれる蒸気とを凝縮して液化する装置である。復水器５０により液化された復水は、復水ポンプ５５によって汽水分離器２０へと導かれる。

蒸気ダンプ弁６０は、蒸気配管Ｌ３を介して汽水分離器２０の上部に接続されている。蒸気ダンプ弁６０は、制御部９０により、汽水分離器２０内の蒸気の圧力（第１圧力）が設定圧力以上となる場合に開状態となり、汽水分離器２０内の蒸気の圧力が設定圧力未満となる場合に閉状態となるように制御される。蒸気ダンプ弁６０の設定圧力は、制御部９０により設定される。蒸気ダンプ弁６０は、蒸気配管Ｌ３内の蒸気すなわち汽水分離器２０の蒸気の圧力が設定圧力未満となるように過剰な蒸気を復水器５０へ導く。

船内雑用蒸気調整弁７０は、蒸気配管Ｌ３を介して汽水分離器２０の上部に接続されている。船内雑用蒸気調整弁７０は、汽水分離器２０内の蒸気を抽気して船内舶用蒸気として供給する。船内雑用蒸気調整弁７０の開度は、制御部９０により制御される。

制御部９０は、排熱回収装置３００の各部を制御する装置である。制御部９０には、圧力センサ２７が出力する圧力信号が伝達される。また、制御部９０は、ガバナ弁３５と蒸気ダンプ弁６０と船内雑用蒸気調整弁７０とに制御信号を伝達し、これらの弁の開度を制御する。
制御部９０は、蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓを設定し、圧力センサ２７が出力する過熱蒸気の圧力が設定圧力Ｐｓ以上となる場合に開状態とし、圧力センサ２７が出力する過熱蒸気の圧力が設定圧力Ｐｓ未満となる場合に閉状態とするよう蒸気ダンプ弁６０を制御する。制御部９０による蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓの設定方法については、後述する。

なお、制御部９０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

次に、上述した内燃機関システムの制御方法について説明する。
ディーゼル主機１００が運転を開始すると、過給機２００にて圧縮された圧縮空気がディーゼル主機１００へと供給され、図示しない燃料とともに筒内にて燃焼が行われる。ディーゼル主機１００にて燃焼が行われた後の排ガスは、過給機２００のタービン２１０を経て排ガス管Ｌ１を通り排ガスエコノマイザ１０へと導かれる。排ガスは、排ガスエコノマイザ１０内を通過する際に過熱器１１及び蒸発器１２と熱交換をする。蒸発器１２に導かれた水は、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、汽水分離器２０に導かれて水分が分離された後、排ガスエコノマイザ１０の過熱器１１に導かれる。過熱器１１に導かれた蒸気は、排ガスと熱交換することによって過熱蒸気となる。

過熱器１１により生成された過熱蒸気は、過熱蒸気供給管Ｌ２に導かれる。過熱蒸気供給管Ｌ２に導かれた過熱蒸気は、主塞止弁（図示略）およびガバナ弁３５を経て蒸気タービン３０に供給される。蒸気タービン３０は、導かれた蒸気によって回転駆動され、この回転出力が発電機４０へと伝達される。発電機４０では、蒸気タービン３０から得られた回転出力によって発電し、その発電出力を出力電線４１及び遮断機８０を介して船内電力系統４００へと供給する。

次に、制御部９０によるガバナ弁３５および蒸気ダンプ弁６０の開度制御について説明する。
制御部９０は、ディーゼル主機１００が運転を開始して汽水分離器２０内の蒸気の圧力が蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓに到達すると、汽水分離器２０の蒸気の圧力を設定圧力Ｐｓ未満とするために蒸気ダンプ弁６０を開状態とする。
図２に示すように、制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力（最大出力を１００％とした場合の出力の割合）が４０％に至るまでは、蒸気ダンプ弁６０の開度を全開状態となる１００％に維持する。これは、ディーゼル主機１００の出力が３０％未満である場合にガバナ弁３５が閉状態となって汽水分離器２０から蒸気タービン３０へ蒸気が導かれず、汽水分離器２０の蒸気の圧力が蒸気ダンプ弁６０の設定圧力に到達しているためである。

一方、制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力が４０％を超えると、ディーゼル主機１００の出力の増加に応じて蒸気ダンプ弁６０の開度を漸次減少させる。制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力が４５％以上となる領域では、蒸気ダンプ弁６０の開度を全閉状態となる０％に維持する。

なお、図２に示す例は、蒸気タービン３０の急停止等が発生しない通常の運転状態における蒸気ダンプ弁６０の開度を示したものである。蒸気タービン３０の急停止等が発生し、汽水分離器２０の蒸気の圧力が急上昇する場合には、ディーゼル主機１００の出力が４５％以上となる領域であっても蒸気ダンプ弁６０が開状態となる。
制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力が所定出力（図２に示す例では３０％）に到達すると、ガバナ弁３５の開度を全閉状態の０％から徐々に増加させる。

ここで、制御部９０は、１分間（単位時間）あたりの開度の増加量を一定量以下に制限するようにガバナ弁３５を制御する。これは、汽水分離器２０の蒸気の単位時間あたりの圧力低下を一定量以下に制限して、キャビテーションの発生を防止するためである。このように、本実施形態の制御部９０は、圧力センサ２７が出力する蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるようにガバナ弁３５の開度を制御するものである。
なお、汽水分離器２０の蒸気の１分間（単位時間）あたりの圧力低下量の上限値は、例えば、０．１ｋｇ／ｃｍ^２とするのが好ましい。

図２に示すように、制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力が増加するのに応じて、１分間（単位時間）あたりの開度の増加量を一定量以下に維持しながらガバナ弁３５の開度を漸次増加させる。図２に示す例で、制御部９０は、ディーゼル主機１００の出力が５５％を超える場合に、全開状態である１００％の開度となるようにガバナ弁３５の開度を制御する。

ディーゼル主機１００の出力が５５％を超える場合に、ガバナ弁３５を全開としているのは、ガバナ弁３５の開度を１００％未満とする場合に発生する絞り損失（スロットルロス）を無くすためである。一般に、絞り損失（スロットルロス）を無くすためにガバナ弁３５を全開して運転することを、変圧運転と呼ぶ。変圧運転においては、ディーゼル主機１００の出力が一定出力（例えば、５５％）を超える場合にディーゼル主機１００の出力に応じて蒸気タービン３０へ流入する過熱蒸気の圧力が変化する。

次に、図３のフローチャートおよび図４，図５を参照して、図１に示す制御部９０が実行する蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓの設定処理を説明する。
ステップＳ３０１において、制御部９０は、発電機４０が発生する電力の周波数が船内電力系統４００の系統周波数に到達し、遮断機８０をオフ状態からオン状態に切り替えたかどうかを判定する。制御部９０は、遮断機８０がオン状態であると判断した場合（ステップＳ３０１でＹＥＳ）、ステップＳ３０２に処理を進める。遮断機８０がオン状態となる場合には、ガバナ弁３５が開状態となって蒸気タービン３０の起動が開始されている。

ステップＳ３０２において、制御部９０は、蒸気ダンプ弁６０が全閉状態かどうかを判定する。制御部９０は、蒸気ダンプ弁６０が全閉状態であると判断した場合（ステップＳ３０２でＹＥＳ）、ステップＳ３０３に処理を進める。蒸気ダンプ弁６０が全閉状態である場合には、ガバナ弁３５が開状態となって汽水分離器２０の蒸気の圧力が蒸気ダンプ弁６０の設定圧力未満となっている。

ステップＳ３０３において、制御部９０は、遮断機８０がオン状態であり、かつ蒸気ダンプ弁６０が全閉状態であることから、蒸気タービン３０が運転中であると判断する。制御部９０は、運転モードにより蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓを設定する。

ステップＳ３０４において、制御部９０は、遮断機８０がオフ状態であるか、あるいは蒸気ダンプ弁６０が開状態であることから、蒸気タービン３０が停止中であると判断する。制御部９０は、停止モードにより蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓを設定する。
なお、制御部９０は、蒸気タービン３０が緊急停止して遮断機８０がオン状態からオフ状態に切り替えられた場合には、ステップＳ３０１でＮＯと判定して運転モードを停止モードに切り替える。すなわち、制御部９０は、図５に示す設定圧力Ｐｓ２と実蒸気圧力Ｐａにより蒸気ダンプ弁６０の開閉状態を制御するモードを、図４に示す設定圧力Ｐｓ１と設計蒸気圧力Ｐｄにより蒸気ダンプ弁６０の開閉状態を制御するモードへ切り替える。

以下、制御部９０が設定圧力Ｐｓを設定する運転モードおよび停止モードについて説明する。
まず始めに、図４を参照して停止モードについて説明する。
図４に実線で示す圧力（以下、設定圧力Ｐｓ１という。）は、制御部９０が停止モードにおいて設定する蒸気ダンプ弁６０の設定圧力である。図４に一点鎖線で示す圧力（以下、設計蒸気圧力Ｐｄという。）は、ディーゼル主機１００の出力と出力に応じて変動する設計蒸気圧力Ｐｄとの対応関係を示すテーブル情報から得られる圧力の一例である。図４に二点鎖線で示す圧力（以下、設定圧力Ｐｒｅｆという。）は、蒸気ダンプ弁６０の設定圧力の比較例である。図４に示す比較例は、蒸気ダンプ弁６０が開状態となる設定圧力をディーゼル主機１００の出力によらずに一定値に設定する例である。

なお、設定圧力Ｐｒｅｆは、ディーゼル主機１００の出力が１００％となる場合の設計蒸気圧力Ｐｄよりも更に十分に高い圧力値Ｐ３となっている。これは、排熱回収装置３００が通常運転する場合の設計蒸気圧力Ｐｄよりも十分に高い圧力値Ｐ３に設定圧力Ｐｒｅｆを設定することにより、排熱回収装置３００の通常運転中に蒸気が蒸気ダンプ弁６０から流出しないようにするためである。これは、排熱回収装置３００に異常（蒸気圧力の急上昇）が発生しない限りは、蒸気を無駄にしないという設計思想に基づくものである。この従来の設計思想は、汽水分離器から導かれる蒸気を復水器等へ導かず、蒸気の全量を舶用雑用蒸気等として利用するという思想である。

ここで、設計蒸気圧力Ｐｄは、ディーゼル主機１００の出力と出力に応じて変動する設計蒸気圧力Ｐｄとの対応関係を示すテーブル情報から得られる圧力である。このテーブル情報は、一定の環境条件において予め測定したディーゼル主機１００の出力とその出力に対して得られる汽水分離器２０の蒸気の圧力との関係を対応付ける情報である。テーブル情報は、制御部９０の記憶部（図示略）に予め記憶されている。

図４に示すように、制御部９０が蒸気タービン３０の停止中に蒸気ダンプ弁６０に設定する設定圧力Ｐｓ１は、設計蒸気圧力（第１圧力）Ｐｄに一定圧力Ｐｃを加算した圧力（第２圧力）となっている。図４に示す例では、ディーゼル主機１００の出力の値にかかわらず、常に設計蒸気圧力Ｐｄに一定圧力Ｐｃを加算した圧力を設定圧力Ｐｓ１としている。

ここで、制御部９０が設定圧力Ｐｒｅｆを設定する場合と、設定圧力Ｐｓ１を設定する場合との差異について説明する。ここでは、一例として、ディーゼル主機１００の出力が５５％に到達したことに応じて蒸気タービン３０を起動する場合について説明する。

制御部９０が設定圧力Ｐｒｅｆを設定する場合、ディーゼル主機１００の出力が５５％に到達してからガバナ弁３５を全閉状態から開け始めるが、この時点における汽水分離器２０の蒸気の圧力は圧力値Ｐ３となっている。したがって、キャビテーションの発生を防止するために汽水分離器２０の蒸気の１分間（単位時間）あたりの圧力低下量をＰｄｉｆ［ｋｇ／ｃｍ^２］とした場合、ガバナ弁３５を全閉状態から全開状態に切り替えるのに要する時間は、（Ｐ３−Ｐ１）／Ｐｄｉｆ［分］となる。ここで、Ｐ１は、ディーゼル主機１００の出力が５５％である場合の設計蒸気圧力Ｐｄの圧力値である。

一方、制御部９０が設定圧力Ｐｓ１を設定する場合、ディーゼル主機１００の出力が５５％に到達してからガバナ弁３５を全閉状態から開け始めるが、この時点における汽水分離器２０の蒸気の圧力は圧力値Ｐ２となっている。これは、図５に示すように、ディーゼル主機１００の出力が５５％である場合の設定圧力Ｐｓ１が圧力値Ｐ２となっているためである。
したがって、キャビテーションの発生を防止するために汽水分離器２０の蒸気の１分間（単位時間）あたりの圧力低下量をＰｄｉｆ［ｋｇ／ｃｍ^２］とした場合、ガバナ弁３５を全閉状態から全開状態に切り替えるのに要する時間は、（Ｐ２−Ｐ１）／Ｐｄｉｆ［分］となる。

このように、制御部９０が設定圧力Ｐｒｅｆを設定する場合にガバナ弁３５を全閉状態から全開状態に切り替えるのに要する時間が（Ｐ３−Ｐ１）／Ｐｄｉｆ［分］である。一方で、制御部９０が設定圧力Ｐｓ１を設定する場合にガバナ弁３５を全閉状態から全開状態に切り替えるのに要する時間が（Ｐ２−Ｐ１）／Ｐｄｉｆ［分］である。よって、制御部９０が設定圧力Ｐｓ１を設定する場合の方が、ガバナ弁３５を全閉状態から全開状態に切り替えるのに要する時間が、（Ｐ３−Ｐ２）／Ｐｄｉｆ［分］だけ短縮される。

また、図４に示す例では、ディーゼル主機１００の出力の値にかかわらず、常に設計蒸気圧力Ｐｄに一定圧力Ｐｃを加算した圧力を設定圧力Ｐｓ１とするものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、設計蒸気圧力Ｐｄの値そのものを設定圧力Ｐｓ１として設定してもよい。

また例えば、設計蒸気圧力Ｐｄに加算する圧力をディーゼル主機１００の出力の値に応じて異ならせるようにしてもよい。この場合、設計蒸気圧力Ｐｄに加算する圧力は、０以上かつ一定圧力Ｐｃ以下の範囲とする。つまり、制御部９０は、設計蒸気圧力Ｐｄ以上かつ設計蒸気圧力Ｐｄに一定圧力Ｐｃを加算した圧力以下となるように、設計蒸気圧力Ｐｄに応じて変動する設定圧力Ｐｓ１を設定するようにしてもよい。
なお、一定圧力Ｐｃを０よりも大きい適切な値に設定することにより、設計蒸気圧力Ｐｄの値と設定圧力Ｐｓ１の値とが一致または近接することによりハンチング現象（蒸気ダンプ弁６０が開閉を繰り返すことによる振動現象）が発生する不具合を抑制することができる。

次、図５を参照して運転モードについて説明する。
制御部９０が設定する運転モードは、蒸気タービン３０の運転中に蒸気ダンプ弁６０に設定圧力Ｐｓを設定するモードである。
図５に実線で示す圧力（以下、設定圧力Ｐｓ２という。）は、制御部９０が運転モードにおいて設定する蒸気ダンプ弁６０の設定圧力である。図５に一点鎖線で示す圧力（以下、実蒸気圧力Ｐａという。）は、圧力センサ２７から制御部９０に出力される圧力の一例である。図５に二点鎖線で示す圧力（以下、設定圧力Ｐｒｅｆという。）は、蒸気ダンプ弁６０の設定圧力の比較例である。図５に示す比較例は、図４に示す比較例と同様である。

なお、設定圧力Ｐｒｅｆは、ディーゼル主機１００の出力が１００％となる場合の実蒸気圧力Ｐａよりも更に十分に高い圧力値Ｐ３となっている。これは、排熱回収装置３００が通常運転する場合の実蒸気圧力Ｐａよりも十分に高い圧力値Ｐ３に設定圧力Ｐｒｅｆを設定することにより、排熱回収装置３００の通常運転中に蒸気が蒸気ダンプ弁６０から流出しないようにするためである。これは、排熱回収装置３００に異常（蒸気圧力の急上昇）が発生しない限りは、蒸気を無駄にしないという設計思想に基づくものである。

図５に示すように、制御部９０が蒸気タービン３０の運転中に蒸気ダンプ弁６０に設定する設定圧力Ｐｓ２は、実蒸気圧力（第１圧力）Ｐａに一定圧力Ｐｃを加算した圧力（第２圧力）となっている。図５に示す例では、ディーゼル主機１００の出力の値にかかわらず、常に実蒸気圧力Ｐａに一定圧力Ｐｃを加算した圧力を設定圧力Ｐｓ２としている。

なお、以上において、制御部９０は、実蒸気圧力Ｐａに一定圧力Ｐｃを加算した圧力を設定圧力Ｐｓ２として設定するものとした。ここで制御部９０は、設定圧力Ｐｓ２を少なくとも一定時間内は更新しないものとする。これは、設定圧力Ｐｓ２を実時間で更新することにより、実蒸気圧力Ｐａの急上昇に伴って設定圧力Ｐｓ２が急上昇し、蒸気ダンプ弁６０による過剰蒸気の排出がなされない不具合を避けるためである。

また、図５に示す例では、ディーゼル主機１００の出力の値にかかわらず、常に実蒸気圧力Ｐａに一定圧力Ｐｃを加算した圧力を設定圧力Ｐｓ２とするものとしたが、他の態様であってもよい。
例えば、実蒸気圧力Ｐａの値そのものを設定圧力Ｐｓ２として設定してもよい。

また例えば、実蒸気圧力Ｐａに加算する圧力をディーゼル主機１００の出力の値に応じて異ならせるようにしてもよい。この場合、実蒸気圧力Ｐａに加算する圧力は、０以上かつ一定圧力Ｐｃ以下の範囲とする。つまり、制御部９０は、実蒸気圧力Ｐａ以上かつ実蒸気圧力Ｐａに一定圧力Ｐｃを加算した圧力以下となるように、実蒸気圧力Ｐａに応じて変動する設定圧力Ｐｓ２を設定するようにしてもよい。
なお、一定圧力Ｐｃを０よりも大きい適切な値に設定することにより、実蒸気圧力Ｐａの値と設定圧力Ｐｓ２の値とが一致または近接することによりハンチング現象（蒸気ダンプ弁６０が開閉を繰り返すことによる振動現象）が発生する不具合を抑制することができる。

なお、図４および図５で説明した圧力値Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の値は、例えば、Ｐ１＝５．５［ｋｇ／ｃｍ^２］，Ｐ２＝７．０［ｋｇ／ｃｍ^２］，Ｐ３＝１３．０［ｋｇ／ｃｍ^２］である。また、一定圧力Ｐｃの値として、２．５［ｋｇ／ｃｍ^２］以下の範囲の任意の値（例えば、１．５［ｋｇ／ｃｍ^２］）を採用することができる。なお、１．５［ｋｇ／ｃｍ^２］の値は、ハンチング現象が発生する不具合を確実に抑制することが可能な値の一例である。

以上説明した本実施形態が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の排熱回収装置３００によれば、汽水分離器２０の蒸気（主蒸気）の圧力は、制御部９０がテーブル情報から取得する設計蒸気圧力Ｐｄあるいは圧力センサ２７が出力する実蒸気圧力Ｐａと同じかそれよりも一定圧力Ｐｃが加算された圧力（第２圧力）以下の範囲に維持される。汽水分離器２０の蒸気の圧力はディーゼル主機１００の出力によって変動するが、制御部９０が汽水分離器２０の蒸気の圧力に応じて蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓ１，Ｐｓ２を適切に設定する。そのため、汽水分離器２０の蒸気の圧力は、ディーゼル主機１００の出力に応じた適切な範囲内に維持される。これにより、蒸気ダンプ弁６０の設定圧力Ｐｓ１，Ｐｓ２をディーゼル主機１００の出力によらずに一定値に設定する場合に比べ、ディーゼル主機１００の出力に対して汽水分離器２０内の蒸気の圧力が高く維持されることが防止される。よって、汽水分離器２０の蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるようにガバナ弁３５の開度を制御する場合であっても、蒸気タービン３０の起動時間の短縮が可能となる。

本実施形態の排熱回収装置３００においては、制御部９０が、汽水分離器２０の蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるようにガバナ弁３５の開度を制御する。
このようにすることで、汽水分離器２０の蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるため、汽水分離器２０内の水の圧力がその水の温度における飽和蒸気圧を下回らないように維持され、キャビテーションの発生が抑制される。

また、本実施形態の内燃機関システムは、ディーゼル主機１００と、上述の排熱回収装置３００とを備えている。
上述の排熱回収装置３００を備えているので、汽水分離器２０の蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるようにガバナ弁３５の開度を制御する場合であっても、蒸気タービン３０の起動時間を短縮可能な内燃機関システムを提供することができる。

また、本実施形態の船舶は、上述の内燃機関システムを備えている。
上述の内燃機関システムを備えているので、汽水分離器２０の蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるようにガバナ弁３５の開度を制御する場合であっても、蒸気タービン３０の起動時間を短縮可能な船舶を提供することができる。

１０ 排ガスエコノマイザ
２０ 汽水分離器
２５ ボイラ水循環ポンプ
２７ 圧力センサ（出力部）
３０ 蒸気タービン
３５ ガバナ弁（調整弁）
４０ 発電機
５０ 復水器
５５ 復水ポンプ
６０ 蒸気ダンプ弁
７０ 船内雑用蒸気調整弁
８０ 遮断機
９０ 制御部
１００ ディーゼル主機（内燃機関）
２００ 過給機
３００ 排熱回収装置
４００ 船内電力系統
Ｌ１ 排ガス管
Ｌ２ 過熱蒸気供給管
Ｌ３ 蒸気配管
Ｐａ 実蒸気圧力
Ｐｄ 設計蒸気圧力
Ｐｓ１，Ｐｓ２ 設定圧力

Claims (7)

1. 内燃機関から排出された排ガスから熱回収することによって生成された主蒸気が導かれる汽水分離器と、
   前記汽水分離器から導かれる前記主蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   前記汽水分離器から前記蒸気タービンへ流入する前記主蒸気の流量を調整する調整弁と、
   前記汽水分離器に接続される蒸気ダンプ弁と、
   前記汽水分離器の前記主蒸気の圧力である第１圧力を出力する出力部と、
   前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力以上となる場合に開状態とし、前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力未満となる場合に閉状態とするよう前記蒸気ダンプ弁を制御する制御部とを備え、
   前記制御部が、前記第１圧力以上かつ該第１圧力に一定圧力を加算した第２圧力以下となるように前記第１圧力に応じて変動する前記設定圧力を設定する排熱回収装置。
2. 前記制御部が、前記出力部が出力する前記主蒸気の圧力の単位時間あたりの変動が所定圧力以下となるように前記調整弁の開度を制御する請求項１に記載の排熱回収装置（。
3. 前記出力部は、前記主蒸気の圧力を検出する圧力センサである請求項１または請求項２に記載の排熱回収装置。
4. 前記出力部は、前記内燃機関の出力と該出力に応じて変動する設計蒸気圧力との対応関係を示すテーブル情報に基づいて、前記内燃機関の出力に対応する前記設計蒸気圧力を前記第１圧力として出力する請求項１または請求項２に記載の排熱回収装置。
5. 前記内燃機関と、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載された排熱回収装置と、を備える内燃機関システム。
6. 請求項５に記載された内燃機関システムを備えている船舶。
7. 内燃機関から排出された排ガスから熱回収することにより生成される主蒸気によって駆動される蒸気タービンを備える排熱回収装置の制御方法であって、
   汽水分離器に導かれる前記主蒸気の圧力である第１圧力を出力する出力工程と、
   前記出力工程が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力以上となる場合に開状態とし、前記出力工程が出力する前記主蒸気の圧力が設定圧力未満となる場合に閉状態とするよう前記汽水分離器に接続される蒸気ダンプ弁を制御する制御工程とを備え、
   前記制御工程が、前記第１圧力以上かつ該第１圧力に一定圧力を加算した第２圧力以下となるように前記第１圧力に応じて変動する前記設定圧力を設定する排熱回収装置の制御方法。

Images