JP2019094802A - Exhaust heat recovery system of marine engine, and control method of exhaust heat recovery system of marine engine - Google Patents

Exhaust heat recovery system of marine engine, and control method of exhaust heat recovery system of marine engine Download PDF

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康之 辻
Yasuyuki Tsuji
辻  康之
浩一 早船
Koichi Hayafune
浩一 早船
剛 伊澤
Takeshi Izawa
剛 伊澤
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Abstract

To provide an exhaust heat recovery system for a marine engine, and its control method capable of suppressing fuel costs and COemission by suppressing fluctuation of a pressure of an evaporated gas supplied to an expander, and minimizing a heat charging amount from the external, in the exhaust heat recovery system of the marine engine converting heat energy of an exhaust gas of the marine engine including a supercharger into mechanical energy by the expander.SOLUTION: A flow rate of a working medium S supplied to an expander 25 is adjusted and controlled to cope with fluctuation of a demand amount of mechanical energy converted by the expander 25, and a flow rate of an exhaust gas Gb bypassing an exhaust turbine 12t of a marine engine 10 is adjusted and controlled on the basis of a valve opening β of a first steam flow rate control valve 27 for adjusting the flow rate of the working medium S supplied to the expander 25 or the demand amount to mechanical energy, to adjust a temperature Teg of an exhaust gas G supplied to an evaporator 23.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、船舶及び浮体構造物等の排熱利用における舶用機関の排熱回収システム、及び、舶用機関の排熱回収システムの制御方法に関する。   The present invention relates to an exhaust heat recovery system of a marine engine in utilizing exhaust heat of a ship, a floating body structure or the like, and a control method of the exhaust heat recovery system of the marine engine.

海運に利用している船舶及び浮体式海洋石油・ガス生産貯蔵積出設備(FPSO)などの浮体構造物では舶用機関からの排熱を水蒸気発生に利用して、この水蒸気により蒸気タービンを駆動して発電するなど、舶用機関の排熱の利用は進んでいる。   In ships and floating structures such as floating marine oil and gas production and storage facilities (FPSO) used for shipping, exhaust heat from marine engines is used to generate steam, and the steam drives the steam turbine with this steam. Utilization of waste heat from marine engines is progressing, including power generation.

これに関連して、汽水分離器からの水を、ディーゼル主機の排ガスの熱を利用して、蒸発器と過熱器を有する排ガスエコノマイザで水蒸気にして、この水蒸気を汽水分離器経由で蒸気タービンに導いて、この蒸気タービンで発電機を駆動し、蒸気タービンを出た水蒸気を復水器で水に戻して、復水ポンプで汽水分離器に戻す排熱回収システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Related to this, the water from the steam separator is converted to steam by the exhaust gas economizer having an evaporator and a superheater using the heat of the exhaust gas from the diesel engine, and this steam is transferred to the steam turbine via the steam separator An exhaust heat recovery system has been proposed in which the generator is driven by the steam turbine, the steam exiting the steam turbine is returned to water by the condenser, and returned to the steam separator by the condensate pump (for example, Patent Document 1).

この排熱回収システムでは、蒸気タービンに供給する蒸気の流量をガバナ弁で調整し、蒸気の圧力が運転モードにより設定される設定圧力になるように、蒸気タービンをバイパスするバイパス通路に設けた蒸気ダンプ弁の弁開度で調整している。また、ディーゼル主機の出力の変動に対しては、設定圧力の変更により対応している。また、ガバナ弁の開度は、汽水分離器の蒸気の圧力の単位時間当たりの変動が所定圧力以下となるように制御されている。   In this exhaust heat recovery system, the flow rate of the steam supplied to the steam turbine is adjusted by the governor valve, and the steam provided in the bypass passage bypassing the steam turbine so that the pressure of the steam becomes the set pressure set by the operation mode. Adjustment is made by the valve opening of the dump valve. In addition, changes in the output of the diesel engine are handled by changing the set pressure. Further, the opening degree of the governor valve is controlled such that the fluctuation of the pressure of the steam of the steam water separator per unit time becomes equal to or less than a predetermined pressure.

また、低圧汽水分離器内の水位を給水制御弁で調整すると共に、蒸気入口制御弁で調整することで、ディーゼル機関の負荷変化に伴う排気ガスの温度の昇降によって生じる過給機による発電量の増減に応じて、蒸気タービンによる発電量を制御する内燃機関システムが提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Also, by adjusting the water level in the low pressure steam water separator with the feed water control valve and adjusting it with the steam inlet control valve, the amount of power generation by the turbocharger caused by the rise and fall of the exhaust gas temperature accompanying the load change of the diesel engine An internal combustion engine system has been proposed which controls the amount of power generation by a steam turbine according to the increase or decrease (see, for example, Patent Document 2).

一方、船舶の推進用の主機関に利用されている排ガス駆動のターボ過給機では、コンプレッサの効率改善が進み、通常の運用では排ガスの全量をタービン駆動に供せずとも、所望の圧縮空気を生成できる状況になっている。この例として、排ガス浄化の要請から、排ガスの一部を抽気して過給機をバイパスさせるバイパス弁の開度で、脱硝触媒の排ガスの入口温度を制御する脱硝触媒付内燃機関の制御方法が提案されている(例えば、特許文献3参照)。   On the other hand, in exhaust gas driven turbochargers used in main engines for ship propulsion, compressor efficiency has been improved, and in normal operation the desired compressed air is obtained without using the entire exhaust gas for turbine drive. It is possible to generate As an example of this method, there is a control method of an internal combustion engine with a NOx removal catalyst that controls the inlet temperature of the NOx removal catalyst exhaust gas by the opening degree of a bypass valve that extracts part of the exhaust gas and bypasses the turbocharger. It is proposed (for example, refer patent document 3).

なお、上記の内燃機関システムにおいても、排気バイパス弁を開とすることにより、排気マニホールドからの排気ガスの一部を過給機へと供給させずに排ガスエコノマイザ側へとバイパスする構成が開示されているが、この排気バイパス弁の制御についての記載はない。   Also in the above internal combustion engine system, a configuration is disclosed in which by opening the exhaust bypass valve, part of exhaust gas from the exhaust manifold is bypassed to the exhaust gas economizer side without being supplied to the turbocharger. However, there is no description about the control of this exhaust bypass valve.

特開2017−180406号公報JP, 2017-180406, A 特開2014−84853号公報JP, 2014-84853, A 特開2013−139733号公報JP, 2013-139733, A

上記のように、排気ガスの一部を、タービンを経ずバイパスさせ、排気ガスの温度を操作できる環境が整ってきたが、一般的には、内燃機関の排熱により排熱ボイラで発生する水蒸気で蒸気タービンを駆動して発電等をする排熱回収システムでは、水蒸気の発生は、排気ガスの熱と補助バーナによる燃料の燃焼熱により行い、水蒸気の圧力の調整は、主に補助バーナによる燃焼熱の増減で行う圧力制御が行われている。しかしながら、この補助バーナを排熱ボイラの圧力制御に用いる場合には、重油等の燃料が消費されるので、燃費の悪化に加えて、CO排出量の増加という問題がある。 As described above, a part of the exhaust gas has been bypassed without passing through the turbine, and the environment where the temperature of the exhaust gas can be controlled has been established, but in general, it is generated in the exhaust heat boiler due to the exhaust heat of the internal combustion engine In an exhaust heat recovery system that drives a steam turbine with steam to generate electricity, etc., steam is generated by the heat of the exhaust gas and the combustion heat of fuel by the auxiliary burner, and the pressure of the steam is mainly adjusted by the auxiliary burner Pressure control is performed by increasing and decreasing the heat of combustion. However, when this auxiliary burner is used for pressure control of a waste heat boiler, fuel such as heavy oil is consumed, so there is a problem that CO 2 emissions increase in addition to the deterioration of fuel efficiency.

また、内燃機関の排気ガスを利用する排熱回収システムでは、発電に対する電力デマンド(需要電力量)より急変する蒸気デマンド(需要蒸気量)に対して、一定の圧力の蒸気を供給することが要求されるが、蒸気の圧力の変動が大きく対応が難しいという問題がある。さらに、船舶においては、舵の操作や船舶の増減速の操船の影響や気象・波浪・海流の影響などの外乱を受けて、舶用機関、特に舶用推進機関(主機関)の負荷が大きく変化し、排気ガスの量と温度も変化するため、更に蒸気の圧力の変動が増大されるという舶用機関特有の問題もある。   In addition, in an exhaust heat recovery system that uses exhaust gas from an internal combustion engine, it is required to supply steam at a constant pressure to a steam demand (demand steam volume) that changes more rapidly than the power demand (power demand) for power generation. However, there is a problem that the pressure fluctuation of the steam is large and it is difficult to cope with it. Furthermore, in ships, the load on marine engines, particularly marine propulsion engines (main engines), changes significantly due to disturbances such as rudder operation and the effects of ship maneuvering such as ship acceleration and deceleration, and the effects of weather, waves, and ocean currents. Because the amount and temperature of exhaust gases also change, there is also a problem unique to marine engines that the pressure fluctuation of the steam is further increased.

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱エネルギーを作動媒体を介して膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムにおいて、膨張器に供給する蒸発気体の圧力の変動を抑制するとともに、外部からの熱の投入量を最小にして、燃費とCO排出量を抑制できる、舶用機関の排熱回収システム、及び、舶用機関の排熱回収システムの制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is a marine engine for converting thermal energy of exhaust gas from a marine engine equipped with a turbocharger into mechanical energy by an expander through a working medium. In the exhaust heat recovery system of the present invention, exhaust heat of marine engines can be suppressed by suppressing fluctuations in the pressure of evaporated gas supplied to the expander and minimizing the amount of heat input from the outside, thereby reducing fuel consumption and CO 2 emissions. It is an object of the present invention to provide a recovery system and a control method of an exhaust heat recovery system of a marine engine.

上記のような目的を達成するための本発明の舶用機関の排熱回収システムは、過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱量を利用して、復水器、ポンプ、蒸発器、膨張器を順に循環する作動媒体を前記蒸発器で加熱して、排気ガスの熱エネルギーを前記膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記舶用機関の前記過給機の排気タービンが配設されている排気通路に前記排気タービンを迂回し、かつ、排気ガス流量制御弁が配設されているバイパス流路を設けて、前記バイパス流路が前記排気通路に合流する合流点より下流側の前記排気通路に、合流した後の排気ガスの温度を計測する排気ガス温度センサを設けると共に、気相の前記作動媒体を前記蒸発器から前記膨張器に移動するための流路に、気相の前記作動媒体の流量を調整する蒸気流量制御弁と、気相の前記作動媒体の蒸気圧を計測する蒸気圧センサを設けて構成され、当該舶用機関の排熱回収システムを制御する制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度の計測値を入力して、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御するように構成されている。   The exhaust heat recovery system for a marine engine according to the present invention for achieving the above objects comprises a condenser, a pump, an evaporator, and an expansion using the heat quantity of exhaust gas from a marine engine equipped with a turbocharger. In an exhaust heat recovery system for a marine engine, wherein the working medium circulating in the tank is heated by the evaporator and the thermal energy of the exhaust gas is converted into mechanical energy by the expander, the exhaust gas from the turbocharger of the marine engine The exhaust passage in which the turbine is disposed is detoured around the exhaust turbine, and a bypass passage in which an exhaust gas flow control valve is disposed is provided, and a junction where the bypass passage joins the exhaust passage An exhaust gas temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas after merging is provided in the exhaust passage further downstream, and a flow path for moving the working medium in the vapor phase from the evaporator to the expander , In the gas phase The control device controls the exhaust heat recovery system of the marine engine, comprising a steam flow control valve for adjusting the flow rate of the working medium and a steam pressure sensor for measuring the steam pressure of the working medium in the gas phase. Input the measured value of the valve flow of the steam flow control valve or the demand for mechanical energy converted by the expander and the temperature of the exhaust gas after merging detected by the exhaust gas temperature sensor, and the exhaust It is comprised so that the valve-opening degree of a gas flow control valve may be controlled.

この構成により、機械エネルギーに対する需要量に対応させるための、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張器で必要とされる気相の作動媒体の流量の制御(蒸気流量制御弁の弁開度の制御)と、舶用機関から蒸発器に供給される排気ガスの温度の制御(排気ガス流量制御弁の弁開度の制御)とを関連付けた状態で、舶用機関の排熱回収システムの制御を行うことができるようになる。   With this configuration, control of the flow rate of the gas phase working medium required by the expander for converting thermal energy into mechanical energy to control the demand for mechanical energy (control of the opening degree of the steam flow control valve Control of the exhaust heat recovery system of the marine engine in a state where the control of the temperature of the exhaust gas supplied from the marine engine to the evaporator (control of the valve opening degree of the exhaust gas flow control valve) is associated Will be able to

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器変換される機械エネルギーに対する需要量を用いて設定される排気ガスの目標温度に、前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度の計測値がなるように制御するように構成されていると、合流後の排気ガスの温度の制御のための目標温度という具体的な物理量を介して、熱エネルギーから機械エネルギーに変換される膨張器で必要とされる気相の作動媒体の流量制御と、蒸発器に供給される舶用機関からの排気ガスの温度調整を関連付けることができ、比較的単純なアルゴリズムで、舶用機関の排熱回収システムの制御を効率よく行うことができるようになる。   In the exhaust heat recovery system for a marine engine as described above, the controller sets the target temperature of the exhaust gas, which is set using a valve opening degree of the steam flow control valve or a demand for mechanical energy converted into the expander. If the measurement value of the temperature of the exhaust gas after merging detected by the exhaust gas temperature sensor is configured to be controlled, the target temperature for controlling the temperature of the exhaust gas after merging is a specific target temperature To control the flow rate control of the gas-phase working medium required by the expander, which converts thermal energy into mechanical energy, and the temperature control of the exhaust gas from the marine engine supplied to the evaporator through various physical quantities It is possible to control the exhaust heat recovery system of a marine engine efficiently by using a relatively simple algorithm.

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、蒸気圧指令値と、前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値とを用いて前記目標温度を設定するように構成されていると、目標温度を、蒸気流量制御弁の弁開度または膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量というパラメータだけでなく、気相の作動媒体の蒸気圧というパラメータも用いて、舶用機関の排熱回収システムの制御をより効率よく行うことができるようになる。   In the exhaust heat recovery system for a marine engine as described above, the controller is configured to determine a valve opening degree of the steam flow control valve or a demand amount for mechanical energy converted by the expander, a steam pressure command value, and the steam pressure sensor If the target temperature is set using the measured value of the vapor pressure detected by the target, the target temperature, the demand for mechanical energy converted by the degree of opening of the steam flow control valve or the expander Not only the parameter of quantity but also the parameter of vapor pressure of the gas phase working medium can be used to control the exhaust heat recovery system of the marine engine more efficiently.

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量に関してのフィードフォワード制御による第1出力値と、蒸気圧指令値と前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値を入力とするフィードバック制御による第2出力値を用いて、前記目標温度を設定するように構成されていると、このフィードフォワード制御とフィードバック制御の制御により、舶用機関の排熱回収システムにおける蒸気圧の変化に関する遅い反応と、排気ガス温度に関する早い反応の両方に対して、適度な応答速度を維持しながら、機械エネルギーに対する需要量の変化に対応できるように舶用機関の排熱回収システムを制御できるようになる。   In the above exhaust heat recovery system of a marine engine, the control device is a first output value by feedforward control with respect to a valve opening degree of the steam flow control valve or a demand for mechanical energy converted by the expander. This feedforward is configured when the target temperature is set using a second output value by feedback control using the steam pressure command value and the measured value of the steam pressure detected by the steam pressure sensor as an input. Control and control of feedback control, the demand for mechanical energy while maintaining a moderate response speed for both the slow response to changes in steam pressure in the exhaust heat recovery system of a marine engine and the fast response to exhaust gas temperature It will be possible to control the exhaust heat recovery system of the marine engine so that it can respond to the change in quantity.

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記制御装置が、前記フィードバック制御において、PID制御を行うと共に、前記蒸気圧指令値と前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値との差分に対する比例制御部分が、前記差分に前記差分の前回値を差し引く操作を入れて構成されていると、速度型PID制御の効果を発揮できるようになる。   In the exhaust heat recovery system for a marine engine described above, the control device performs PID control in the feedback control, and for the difference between the steam pressure command value and the measured value of the steam pressure detected by the steam pressure sensor. If the proportional control part is configured to include an operation of subtracting the previous value of the difference in the difference, the effect of the velocity type PID control can be exhibited.

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記制御装置が、前記目標温度を設定する第1制御部と、前記目標温度と前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度との差分に基づき、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御する第2制御部を有して構成されていると、第2制御部においては、目標温度と排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度との差分に基づき、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御するという比較的単純な制御を使用することができるようになり、改めて、第2制御部を設計する必要が無くなり、市販の制御器を使用できるようになる。   In the exhaust heat recovery system for a marine engine described above, the control device sets a first control unit that sets the target temperature, and the target temperature and the temperature of the exhaust gas after merging detected by the exhaust gas temperature sensor. When the second control unit is configured to control the opening degree of the exhaust gas flow control valve based on the difference, in the second control unit, the merging detected by the target temperature and the exhaust gas temperature sensor It becomes possible to use a relatively simple control of controlling the opening degree of the exhaust gas flow control valve based on the difference with the temperature of the exhaust gas later, and the second control unit is designed again. The need is eliminated and commercially available controllers can be used.

上記の舶用機関の排熱回収システムにおいて、前記作動媒体が水であり、前記ポンプが給水ポンプであり、前記蒸発器が水を加熱・蒸発させる熱交換器であって、かつ、水蒸気と飽和水を分離する汽水分離ドラムを備えており、前記膨張器が発電機に連結された蒸気タービンであると、船舶でよく使用されている、排熱ボイラと蒸気タービンを組み合わせた排熱回収の発電システムとなる。   In the exhaust heat recovery system of the above marine engine, the working medium is water, the pump is a feed pump, and the evaporator is a heat exchanger for heating and evaporating water, and steam and saturated water And a steam turbine connected to a generator, the expander being a steam turbine connected to a generator, a waste heat recovery power generation system combining a waste heat boiler and a steam turbine, which is often used on ships It becomes.

上記のような目的を達成するための本発明の舶用機関の排熱回収システムの制御方法は、過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱量を利用して、復水器、ポンプ、蒸発器、膨張器を順に循環する作動媒体を前記蒸発器で加熱して、排気ガスの熱エネルギーを前記膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムの制御方法において、前記舶用機関の前記過給機の排気タービンを通過した排気ガスの流量と前記排気タービンを迂回する排気ガスの流量を、前記排気タービンを迂回するバイパス流路に配設されている排気ガス流量制御弁で制御することで、前記蒸発器に供給する排気ガスの温度を調整し、前記膨張器に供給される気相の前記作動媒体の流量を、前記蒸発器から前記膨張器に気相の前記作動媒体を移動するための流路に配設されている蒸気流量制御弁で制御することで、前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量の変動に対応すると共に、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、前記排気タービンを通過した排気ガスと前記バイパス流路を通過した排気ガスの合流後に排気ガス温度センサで検出される排気ガスの温度の計測値を使用して、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御することを特徴とする方法である。   The control method of the exhaust heat recovery system for a marine engine according to the present invention for achieving the above objects comprises: collecting a condenser, a pump, evaporation using heat quantity of exhaust gas from a marine engine equipped with a supercharger In the control method of an exhaust heat recovery system of a marine engine, a working medium which sequentially circulates through an expander and an expander is heated by the evaporator and heat energy of exhaust gas is converted into mechanical energy by the expander. The flow rate of the exhaust gas passing through the exhaust turbine of the turbocharger and the flow rate of the exhaust gas bypassing the exhaust turbine are controlled by an exhaust gas flow control valve disposed in a bypass flow passage bypassing the exhaust turbine Thus, the temperature of the exhaust gas supplied to the evaporator is adjusted, and the flow rate of the working medium in the gas phase supplied to the expander moves the working medium in the gas phase from the evaporator to the expander. To do By controlling with the steam flow control valve disposed in the flow path, the fluctuation of the demand for the mechanical energy converted by the expander is coped with, and the opening degree of the steam flow control valve or the expander Using the measured value of the demand for the mechanical energy converted by the exhaust gas temperature detected by the exhaust gas temperature sensor after the merging of the exhaust gas passing through the exhaust turbine and the exhaust gas passing through the bypass flow passage And controlling the opening degree of the exhaust gas flow control valve.

この制御方法により、機械エネルギーに対する需要量に対応させるための、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張器で必要とされる気相の作動媒体の流量の制御と、舶用機関から蒸発器に供給される排気ガスの温度の制御とを関連付けた状態で、舶用機関の排熱回収システムの制御を行うことができるようになる。   This control method controls the flow rate of the gas phase working medium required by the expander, which converts thermal energy into mechanical energy, and supplies it to the evaporator from the marine engine, in order to meet the demand for mechanical energy. The exhaust heat recovery system of the marine engine can be controlled in association with the control of the exhaust gas temperature.

本発明の舶用機関の排熱回収システム、及び、舶用機関の排熱回収システムの制御方法によれば、過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱エネルギーを作動媒体を介して膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムにおいて、膨張器に供給する蒸発気体の圧力の変動を抑制するとともに、外部からの熱の投入量を最小にして、燃費とCO排出量を抑制できる。 According to the exhaust heat recovery system of the marine engine and the control method of the exhaust heat recovery system of the marine engine of the present invention, the thermal energy of the exhaust gas from the marine engine equipped with the supercharger is expanded by the expander via the working medium. In a marine engine exhaust heat recovery system that converts it into mechanical energy, while suppressing fluctuations in the pressure of the evaporative gas supplied to the expander, minimizing the amount of external heat input and suppressing fuel consumption and CO 2 emissions it can.

本発明に係る実施の形態の舶用機関の排熱回収システムの構成を示す図である。It is a figure showing the composition of the exhaust heat recovery system of the marine engine of an embodiment concerning the present invention. 本発明に係る実施の形態の舶用機関の排熱回収システムの第1制御部(上位コントローラ)の構成を示す図である。It is a figure showing the composition of the 1st control part (upper rank controller) of the exhaust heat recovery system of the marine engine of an embodiment concerning the present invention. 本発明に係る実施の形態の舶用機関の排熱回収システムの第2制御部(下位コントローラ)の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the 2nd control part (lower order controller) of the exhaust heat recovery system of the marine engine of embodiment which concerns on this invention.

以下、本発明に係る実施の形態の舶用機関の排熱回収システム、及び、舶用機関の排熱回収システムの制御方法を、図面を参照しながら説明する。ここでは、舶用機関の例として、プロペラを回転する主機関を、排熱回収部の例として排熱ボイラによる発電システム(単純ランキンサイクル)を例として説明する。従って、この排熱回収部の作動媒体は水及び水蒸気となり、膨張器は発電機に連結された蒸気タービンとなる。 Hereinafter, an exhaust heat recovery system of a marine engine and a control method of an exhaust heat recovery system of a marine engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a main engine that rotates a propeller will be described as an example of a marine engine, and a power generation system (simple Rankine cycle) using an exhaust heat boiler as an example of an exhaust heat recovery unit. Therefore, the working medium of this exhaust heat recovery unit is water and steam, and the expander is a steam turbine connected to the generator.

しかしながら、本発明は、必ずしも、舶用機関は主機関に限定されず、排熱回収部も排熱ボイラによる発電システムに限定されず、ランキンサイクルも単純ランキンサイクルに限定されない。   However, according to the present invention, the marine engine is not necessarily limited to the main engine, the exhaust heat recovery unit is not limited to the power generation system using the exhaust heat boiler, and the Rankine cycle is also not limited to the simple Rankine cycle.

図1に示すように、本発明に係る実施の形態の舶用機関の排熱回収システム1は、主機関(舶用機関)10と排熱ボイラによる発電システムを有する排熱回収部20を備えて、船体の内部の後側の機関室に配置されている。また、この舶用機関の排熱回収システム1を制御するために、第1制御部(上位コントローラ:C1)41と第2制御部(下位コントローラ:C2)42を有する制御装置40を有している。   As shown in FIG. 1, the waste heat recovery system 1 for a marine engine according to an embodiment of the present invention comprises a main engine (marine engine) 10 and a waste heat recovery unit 20 having a power generation system with a waste heat boiler. It is located in the rear engine room inside the hull. Moreover, in order to control the exhaust heat recovery system 1 of this marine engine, it has the control apparatus 40 which has 1st control part (upper level controller: C1) 41 and 2nd control part (lower level controller: C2) 42. .

プロペラ2を駆動する主機関10は、低速ディーゼルエンジンで構成されることが多く、この主機関10では、シリンダ13内を摺動するピストン14で駆動される出力軸(クランク軸)15が、プロペラ軸16に直結され、船外にあるプロペラ2を回転している。そして、このプロペラ2の後側には舵3が設けられている。このプロペラ軸16には、回転数センサ(N)16aが設けられている。この回転数センサ16aで検出される回転数計測値Nmsを基に、主機関10のエンジン回転数Neを変化させることにより、プロペラ回転数Npを制御し、プロペラ2で発生する推進力を制御している。   The main engine 10 for driving the propeller 2 is often constituted by a low speed diesel engine. In this main engine 10, the output shaft (crankshaft) 15 driven by the piston 14 sliding in the cylinder 13 is a propeller It is directly connected to the shaft 16 and rotates the propeller 2 located overboard. A rudder 3 is provided on the rear side of the propeller 2. The propeller shaft 16 is provided with a rotational speed sensor (N) 16 a. By changing the engine rotation speed Ne of the main engine 10 based on the rotation speed measurement value Nms detected by the rotation speed sensor 16a, the propeller rotation speed Np is controlled, and the propulsive force generated by the propeller 2 is controlled. ing.

次に、この主機関10の構成について説明する。図1の左側に示すように、この主機関10では、空気Aが、吸気通路11に設けられた過給機12のコンプレッサ12cで加圧され、更に吸気通路11に設置された図示しない空気冷却器により冷やされて、過給された空気Aとなり、シリンダ13内へ導入される。このシリンダ13内に燃料Fを噴射して燃焼させることにより、ピストン14をシリンダ13内で摺動させて出力軸15を回転させて、プロペラ2を回転させるための駆動力を得ている。   Next, the configuration of the main engine 10 will be described. As shown on the left side of FIG. 1, in the main engine 10, air A is pressurized by the compressor 12 c of the supercharger 12 provided in the intake passage 11, and further, air cooling (not shown) installed in the intake passage 11 The mixture is cooled by the vessel to form supercharged air A, which is introduced into the cylinder 13. By injecting fuel F into the cylinder 13 and burning it, the piston 14 is slid in the cylinder 13 to rotate the output shaft 15 to obtain a driving force for rotating the propeller 2.

一方、シリンダ13から排出される排気ガス(燃焼ガス)Gは、排気通路17に設けられた排気レシーバ18へ一旦導入され、さらに排気レシーバ18から出て過給機12の排気タービン12tを回転駆動してから、排熱回収部20のエコノマイザや排ガスボイラ等と呼ばれる排熱ボイラ(蒸発器)23で熱交換した後、図示しないサイレンサーから大気中に排出される。   On the other hand, the exhaust gas (combustion gas) G discharged from the cylinder 13 is temporarily introduced into the exhaust receiver 18 provided in the exhaust passage 17 and further exits the exhaust receiver 18 to rotationally drive the exhaust turbine 12t of the turbocharger 12 Thereafter, heat is exchanged by an exhaust heat boiler (evaporator) 23 called an economizer or an exhaust gas boiler or the like of the exhaust heat recovery unit 20, and the heat is discharged to the atmosphere from a silencer (not shown).

また、排気ガスGの温度を調整するために、バイパス流路19が設けられ、このバイパス流路19には排気ガス流量制御弁19vが設けられている。さらに、このバイパス流路19が排気通路17に合流する合流部17aよりも下流側の排気通路17に排気ガス温度センサ17bが配設されている。この排気ガス温度センサ17bで検出される合流後の排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmに基づいて、排気ガス流量制御弁19vで排気ガスGbの流量調整を制御して、合流後の排気ガスGの温度Tegを調整する。   Further, in order to adjust the temperature of the exhaust gas G, a bypass flow passage 19 is provided, and an exhaust gas flow control valve 19 v is provided in the bypass flow passage 19. Further, an exhaust gas temperature sensor 17 b is disposed in the exhaust passage 17 on the downstream side of a junction 17 a where the bypass passage 19 joins the exhaust passage 17. Based on the measured value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G after merging detected by the exhaust gas temperature sensor 17b, the exhaust gas flow control valve 19v controls the flow rate adjustment of the exhaust gas Gb, and the exhaust gas after merging Adjust the temperature Teg of G.

つまり、この排気ガス流量制御弁19vを閉弁すると、排気ガスGの全量Gが過給機12の排気タービン12tを通過して、等エントロピ過程による膨張をして、排気ガスGの温度Tegは低下する。一方、排気ガス流量制御弁19vを開弁すると、一部の排気ガスGaが過給機12の排気タービン12tを通過して、等エントロピ過程による膨張をして、排気ガスGaの温度Tgaは低下し、残りの排気ガスGbが、バイパス流路19により、排気レシーバ18から過給機12の排気タービン12tを経ずに排気通路17に排出される。この過給機12の排気タービン12tを駆動しない一部の排気ガスGbは、等エンタルピ過程による膨張をして、排気ガスGbの温度Tgbは上昇する。   That is, when the exhaust gas flow control valve 19v is closed, the total amount G of the exhaust gas G passes through the exhaust turbine 12t of the turbocharger 12 and is expanded by the isentropic process, and the temperature Teg of the exhaust gas G is descend. On the other hand, when the exhaust gas flow control valve 19v is opened, a part of the exhaust gas Ga passes through the exhaust turbine 12t of the turbocharger 12 and is expanded by an isentropic process, and the temperature Tga of the exhaust gas Ga decreases The remaining exhaust gas Gb is discharged from the exhaust receiver 18 to the exhaust passage 17 without passing through the exhaust turbine 12 t of the turbocharger 12 by the bypass flow passage 19. A part of the exhaust gas Gb that does not drive the exhaust turbine 12t of the turbocharger 12 is expanded by an isenthalpy process, and the temperature Tgb of the exhaust gas Gb rises.

そのため、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを変化させることで、一部の排気ガスGaと残りの排気ガスGbの割合を変更できるので、合流部17aより下流における排気ガスGの温度Tegを調整することができる。この排気ガスGの温度Tegは、排熱回収部20の排熱ボイラ23に流入する排気ガスGの温度であり、その計測値Tegmは排気ガス温度センサ17bで検出することができる。   Therefore, by changing the valve opening degree α of the exhaust gas flow rate control valve 19v, the ratio of a part of the exhaust gas Ga to the remaining exhaust gas Gb can be changed, so the temperature Teg of the exhaust gas G downstream of the junction 17a Can be adjusted. The temperature Teg of the exhaust gas G is the temperature of the exhaust gas G flowing into the exhaust heat boiler 23 of the exhaust heat recovery unit 20, and the measurement value Tegm can be detected by the exhaust gas temperature sensor 17b.

次に、排熱回収部20の構成について説明する。図1の右側に示すように、この排熱回収部20は、単純ランキンサイクルであり、復水器(凝縮器)21、給水ポンプ22、排熱ボイラ(蒸発器)23、汽水分離ドラム(汽水分離器)24、蒸気タービン(膨張器)25、発電機26、及び、第1蒸気流量制御弁(蒸気流量制御弁)27、蒸気圧センサ28、第2蒸気流量制御弁29と、これらを接続する配管(流路)31〜34、蒸気バイパス流路35を有して構成されている。   Next, the configuration of the exhaust heat recovery unit 20 will be described. As shown on the right side of FIG. 1, the exhaust heat recovery unit 20 is a simple Rankine cycle, and a condenser (condenser) 21, a feed water pump 22, a waste heat boiler (evaporator) 23, a brackish water separation drum Separator) 24, steam turbine (expander) 25, generator 26, first steam flow control valve (steam flow control valve) 27, steam pressure sensor 28, second steam flow control valve 29, and these are connected It has piping (flow path) 31-34 and the steam bypass flow path 35 which are configured.

この構成において、復水器21の水(液相の作動媒体)Wは配管31で給水ポンプ22により昇圧され、この昇圧された水Wは、配管32を経由して、排熱ボイラ23に入る。この排熱ボイラ23においては、復水器21から給水された水Wは、排熱ボイラ23の内部の第1熱交換流路23aで加熱され、汽水分離器24に入る。そして、汽水分離器24からの飽和水Wは、排熱ボイラ23の内部の第2熱交換流路23bで排気ガスGにより加熱されて、水蒸気(気相の作動媒体)Sにされて、汽水分離ドラム24に戻る。なお、この汽水分離ドラム24では、水面の高さを検出するレベルセンサ(L)24aが設けられており、このレベルセンサ24aで検出される水面レベルの計測値に基づいて、図示しない制御系により給水ポンプ22を操作して、汽水分離ドラム24内の水位が制御されている。   In this configuration, the water (liquid-phase working medium) W of the condenser 21 is pressurized by the feed water pump 22 by the pipe 31, and the pressurized water W enters the exhaust heat boiler 23 through the pipe 32. . In the waste heat boiler 23, the water W supplied from the condenser 21 is heated by the first heat exchange flow passage 23 a inside the waste heat boiler 23 and enters the steam separator 24. Then, the saturated water W from the steam separator 24 is heated by the exhaust gas G in the second heat exchange flow passage 23b inside the waste heat boiler 23, and is converted to steam (working gas in the gas phase) S to Return to the separation drum 24. The brackish water separation drum 24 is provided with a level sensor (L) 24a for detecting the height of the water surface, and a control system not shown based on the measurement value of the water surface level detected by the level sensor 24a. The water level in the brackish water separation drum 24 is controlled by operating the water supply pump 22.

そして、この汽水分離ドラム24で水分を除去された水蒸気Sは、配管(流路)33に設けられた第1蒸気流量制御弁27により流量を調整されて、配管33経由で蒸気タービン25に供給され、この蒸気タービン25を駆動する。この蒸気タービン25は発電機26を駆動して発電する。この蒸気タービン25の排気側は配管34で復水器21に接続され、蒸気タービン25を駆動した後の水蒸気Sは、配管34を経由して復水器21に入り、この復水器21に入った水蒸気Sは、海水Ws等の冷却媒体により、冷却されて凝縮して水Wになる。このようにして、復水器21から出た水Wは復水器21に戻り、排熱回収部20の循環流路を循環する。   The steam S whose water content has been removed by the steam separation drum 24 is adjusted in flow rate by the first steam flow control valve 27 provided in the pipe (flow path) 33 and supplied to the steam turbine 25 via the pipe 33. And drive this steam turbine 25. The steam turbine 25 drives a generator 26 to generate electric power. The exhaust side of the steam turbine 25 is connected to the condenser 21 by a pipe 34, and the steam S after driving the steam turbine 25 enters the condenser 21 via the pipe 34, and is input to the condenser 21. The steam S contained therein is cooled by a cooling medium such as seawater Ws and condensed to become water W. In this way, the water W coming out of the condenser 21 returns to the condenser 21 and circulates in the circulation flow path of the exhaust heat recovery unit 20.

また、蒸気タービン25の入口側においては、第1蒸気流量制御弁27よりも上流側で、蒸気圧センサ28よりも下流側の配管33から分岐して、復水器21に合流する蒸気バイパス流路35が設けられている。この蒸気バイパス流路35には、第2蒸気流量制御弁29が設けられている。これにより、汽水分離ドラム24からの水蒸気Sを蒸気タービン25を通さずに、復水器21に入れることができる。   Further, on the inlet side of the steam turbine 25, a steam bypass flow branched from the pipe 33 downstream of the steam pressure sensor 28 on the upstream side of the first steam flow control valve 27 and joining the condenser 21. A passage 35 is provided. The steam bypass flow path 35 is provided with a second steam flow control valve 29. Thereby, the steam S from the steam separation drum 24 can be introduced into the condenser 21 without passing through the steam turbine 25.

この第1蒸気流量制御弁27の弁開度βは、電力制御器のガバナ(調速機)25c若しくは図示しない制御装置若しくは制御装置40で操作されて、蒸気タービン25の回転数Nsが一定になるように制御される。また、配管33に配設された蒸気圧センサ28で水蒸気Sの蒸気圧Psの計測値Psmを検出している。この蒸気圧センサ28で検出される蒸気圧Psの計測値Psmの調整は、第2蒸気流量制御弁29の弁開度γの調整により、水蒸気Sの一部を蒸気バイパス流路35に流すことで行われる。なお、第2蒸気流量制御弁29の制御によって、図示しない制御装置により、水蒸気Sの蒸気圧Psの過度の上昇を防止し、機器の保護に必要となった場合に、蒸気を短時間で捨てることができる。   The valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 is operated by the governor (speed governor) 25c of the power controller or the controller or controller 40 (not shown) so that the rotational speed Ns of the steam turbine 25 becomes constant. To be controlled. Further, the measured value Psm of the vapor pressure Ps of the water vapor S is detected by the vapor pressure sensor 28 disposed in the pipe 33. The adjustment of the measured value Psm of the vapor pressure Ps detected by the vapor pressure sensor 28 is such that part of the steam S flows to the vapor bypass flow path 35 by adjusting the valve opening degree γ of the second vapor flow control valve 29. It takes place in Note that the control of the second steam flow control valve 29 prevents an excessive rise of the steam pressure Ps of the steam S by a control device (not shown), and discards the steam in a short time when it becomes necessary to protect the equipment. be able to.

そして、電力デマンドが増加すると、発電機26から取り出す電気量が多くなるため発電機26のトルクが増加する。これにより、発電機26の回転数Ngが低下するため、ガバナ(調速機)25cにより、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βが大きくなるように制御される。一方、電力デマンドが減少すると、発電機26から取り出す電気量が少なくなるため発電機26のトルクが減少する。これにより、発電機26の回転数Ngが上昇するため、ガバナ(調速機)25cにより、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βが小さくなるように制御される。これらの制御により、蒸気タービン25の回転数Ns、及び、発電機26の回転数Ngが予め設定された所定の回転数(発電される交流電力の周波数に関係)Ncを維持することができる。   Then, when the power demand increases, the amount of electricity extracted from the generator 26 increases, and thus the torque of the generator 26 increases. As a result, the rotational speed Ng of the generator 26 is reduced, so the governor (speed governor) 25 c controls the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 to be large. On the other hand, when the power demand decreases, the amount of electricity extracted from the generator 26 decreases, so the torque of the generator 26 decreases. As a result, the rotation speed Ng of the generator 26 is increased, so the governor (speed governor) 25 c controls the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 to be small. By these controls, it is possible to maintain the predetermined number of revolutions Nc (related to the frequency of generated alternating current power) in which the number of revolutions Ns of the steam turbine 25 and the number of revolutions Ng of the generator 26 are preset.

この排熱ボイラ23による発電システムを有する舶用機関の排熱回収システム1では、蒸気タービン25に供給する水蒸気Sの蒸気圧Psに関して、次のような4つの状況が発生する。第1の状況は、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αが同じであっても、主機関10の運転状態の影響を受けるため排気ガスGの温度Tegは必ずしも同じ温度にはならないということである。つまり、主機関10においては、推進力の変化や、波浪や風や潮流などの外乱により、主機関10の運転状態が変化し、排気通路17側の冷えた排気ガスGaの温度も、バイパス流路19側の熱い排気ガスGbの温度も変動し易く、その上、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αと排気ガスGの温度Tegの間においては、1対1の対応が無いことである。   In the exhaust heat recovery system 1 of a marine engine having a power generation system using the exhaust heat boiler 23, the following four situations occur with respect to the steam pressure Ps of the steam S supplied to the steam turbine 25. The first situation is that even if the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is the same, the temperature Teg of the exhaust gas G does not necessarily become the same temperature because it is affected by the operating state of the main engine 10 It is. That is, in the main engine 10, the operating state of the main engine 10 changes due to a change in thrust, disturbance such as waves, wind or tidal current, and the temperature of the cooled exhaust gas Ga on the exhaust passage 17 side also The temperature of the hot exhaust gas Gb on the passage 19 side also tends to fluctuate, and moreover, there is no one-to-one correspondence between the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v and the temperature Teg of the exhaust gas G. is there.

第2の状況は、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの影響が主機関10の運転に大きな影響を及ぼすことである。つまり、主機関10は、ターボ過給機12の排気タービン12tにより過給されているため、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの影響を受けて排気タービン12tの駆動力が変動し、コンプレッサ12cによる過給が変動する。そのため、主機関10の運転状態が変動し、排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tegが変動する。例えば、排気ガス流量制御弁19vを開けると、過給が弱まり掃気圧(エンジンの供給空気の圧力)も低下する。これにより、主機関10の出力が低下するので、これに対応するために、燃料Fの供給量が増加し、排気ガスGの温度は上昇する。その結果、排気ガスGの温度Tegが変動することになる。   The second situation is that the influence of the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v has a great influence on the operation of the main engine 10. That is, since the main engine 10 is supercharged by the exhaust turbine 12t of the turbocharger 12, the driving force of the exhaust turbine 12t fluctuates under the influence of the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v, The supercharging by the compressor 12c fluctuates. Therefore, the operating state of the main engine 10 fluctuates, and the temperature Teg of the exhaust gas G discharged to the exhaust passage 17 fluctuates. For example, when the exhaust gas flow control valve 19v is opened, the supercharging weakens and the scavenging pressure (pressure of air supplied to the engine) also decreases. As a result, the output of the main engine 10 is reduced, and to cope with this, the amount of fuel F supplied is increased, and the temperature of the exhaust gas G is increased. As a result, the temperature Teg of the exhaust gas G fluctuates.

また、第3の状況は、排熱ボイラ23の設計方針のために、水蒸気Sの流量の変化に対して蒸気圧Psの応答が鈍感になるように排熱ボイラが設計されていることである。つまり、船舶においては、主機関10の熱源が排熱ボイラ23の熱源とは別の用途、例えば、船舶の推進力に利用されるため、排熱ボイラ23への入熱量が変動し易い状況にある。そのため、排熱ボイラ23の設計方針では、舶用機関の排熱回収システム1を安定して運用するため、排熱ボイラ23は水蒸気Sの発生量に対し飽和水量Wを多くして、排気ガスGからの入熱の変動に対して、出口側の水蒸気Sの蒸気圧Psが鈍感になるようにしている。   The third situation is that the waste heat boiler is designed so that the response of the steam pressure Ps becomes insensitive to the change of the flow rate of the steam S due to the design principle of the waste heat boiler 23 . That is, in a ship, since the heat source of the main engine 10 is used for applications other than the heat source of the exhaust heat boiler 23, for example, propulsion of the ship, the heat input to the exhaust heat boiler 23 tends to fluctuate. is there. Therefore, in the design policy of the exhaust heat boiler 23, in order to operate the exhaust heat recovery system 1 of the marine engine stably, the exhaust heat boiler 23 increases the saturated water amount W with respect to the generation amount of the steam S, and the exhaust gas G The steam pressure Ps of the steam S on the outlet side is made insensitive to fluctuations in the heat input from the engine.

第4の状況は、船舶における電力デマンドは電動機(図示しない)の起動や停止などにより大きくまた急激に変動するので、発電機を駆動する蒸気タービン25の必要駆動力に関係する蒸気デマンドも大きくまた急激に変化することである。   In the fourth situation, since the power demand on the ship fluctuates largely and rapidly due to the start and stop of the motor (not shown), the steam demand related to the required driving force of the steam turbine 25 that drives the generator is also large and It is to change rapidly.

これらの第1〜第4の状況に対して、ここでは、次の第1〜第3の対策を取る。第1の対策としては、主機関10への外乱が蒸気圧Psへ及ぶ前に、排気ガス温度センサで検出した排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを用いて、第2制御部42で、この排気ガスGの温度Tegの変動を抑制し、排熱回収部20への影響の伝播をブロックする。   Here, the following first to third measures are taken for these first to fourth situations. As a first measure, before the disturbance to the main engine 10 reaches the vapor pressure Ps, the second control unit 42 uses the measured value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G detected by the exhaust gas temperature sensor, The fluctuation of the temperature Teg of the exhaust gas G is suppressed, and the propagation of the influence to the exhaust heat recovery unit 20 is blocked.

第2の対策として、排気ガス流量制御弁19vの操作により、短期的に合流後の排気ガスGの温度Tegを制御する。つまり、過給機12の入出力の変動により、排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tgが変化することの影響が、その後の合流後の排気ガスGの温度Tegに現れるが、この第2制御部42における排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御で、この遅れて現れる影響を少なくする。   As a second measure, the temperature Teg of the exhaust gas G after merging is controlled in a short time by the operation of the exhaust gas flow control valve 19v. That is, the influence of the change in the temperature Tg of the exhaust gas G discharged to the exhaust passage 17 due to the fluctuation of the input / output of the turbocharger 12 appears in the temperature Teg of the exhaust gas G after the merging. The control of the valve opening degree α of the exhaust gas flow rate control valve 19v in the second control unit 42 reduces the influence that appears late.

さらに、第3の対策として、排熱ボイラ23が、もともと水蒸気Sの流量の変動が、直ちに蒸気圧Psの変動となって現れにくく設計されていることに起因する応答遅れに対して、第1制御部41にフィードフォワード部を設けて、これにより、良好な制御性を実現する。   Furthermore, as a third measure, the waste heat boiler 23 is designed to reduce the response delay due to the fact that the variation of the flow rate of the steam S does not readily appear as the variation of the steam pressure Ps. A feedforward unit is provided in the control unit 41, thereby achieving good controllability.

次に、制御装置40について説明する。この制御装置40は上位コントローラと呼ばれる第1制御部41と、下位コントローラと呼ばれる第2制御部42とを有して構成されている。第1制御部41では、図2に例示するように、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βと、蒸気圧指令値Pstと蒸気圧センサ28で検出される蒸気圧Psの計測値Psmを入力して、合流後の排気ガスGの温度Tegの目標温度Tegtを出力する。この蒸気圧指令値Pstでは、操作卓43等で設定され、この設定値が蒸気圧指令値Pstとして第1制御部41に入力される。   Next, the control device 40 will be described. The control device 40 is configured to have a first control unit 41 called an upper controller and a second control unit 42 called a lower controller. In the first control unit 41, as illustrated in FIG. 2, the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27, the steam pressure command value Pst, and the measured value Psm of the steam pressure Ps detected by the steam pressure sensor 28 To output the target temperature Tegt of the temperature Teg of the exhaust gas G after the merging. The steam pressure command value Pst is set by the console 43 or the like, and the set value is input to the first control unit 41 as the steam pressure command value Pst.

言い換えると、第1制御部41では、蒸気圧Psの計測値Psmとその目標値である蒸気圧指令値Pstとの偏差eで排気ガスGの温度Tegの制御の目標値である目標温度Tegtを算出して設定する。   In other words, in the first control unit 41, the target temperature Tegt, which is the target value for controlling the temperature Teg of the exhaust gas G, is the deviation e between the measured value Psm of the vapor pressure Ps and the vapor pressure command value Pst that is the target value. Calculate and set.

図2の制御回路では、その左上側の第1制御回路41aにおいて、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βをT秒前の時間の弁開度βと比較して、その増加分(または減少分)dsの大きさが、予め設定された限界値X未満(−X<ds<X)では、出力値do=0とし、増加分(または減少分)dsの大きさが、予め設定された限界値X以上(ds≦−X、または、X≦ds)では、出力値do=dsとする。この出力値doに係数Kxを乗じて制御用の第1出力値doaにして、加算器41cに出力する。この第1制御回路41aは、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの変化量に対する不感帯を有するフィードフォワード制御回路となる。   In the control circuit of FIG. 2, in the first control circuit 41a on the upper left side, the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 is compared with the valve opening degree β of the time T seconds ago, If the magnitude of ds is less than the preset limit value X (−X <ds <X), the output value do is set to 0, and the magnitude of the increase (or decrement) ds is preset The output value do is equal to ds when the threshold value X is equal to or higher than the threshold X (ds ≦ −X or X ≦ ds). The output value do is multiplied by the coefficient Kx to obtain a first output value doa for control, which is output to the adder 41c. The first control circuit 41 a is a feedforward control circuit having a dead zone with respect to the amount of change of the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27.

つまり、この第1制御回路41aは、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの変化量が一定の値Xを超えた時に排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを操作するためのフィードフォワードの演算をする演算ルートとなる。   That is, the first control circuit 41a operates the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v when the amount of change in the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 exceeds a predetermined value X. It becomes the operation route which calculates feed forward.

なお、T秒は、予め実験的に求められた設定値としたり、あるいは、この制御の結果を見ながら人為的に調整される設定値、あるいは、この制御の結果を見ながら自動的に調整される学習による設定値としたりすることができる。   T seconds is a set value obtained experimentally beforehand, or a set value artificially adjusted while observing the result of this control, or automatically adjusted while observing the result of this control. Can be set by learning.

また、図2の制御回路の左下側の第2制御回路41bにおいて、蒸気圧指令値Pstと、蒸気圧センサ28で検出される蒸気圧Psの計測値Psmを入力して、PID制御により、制御用の第2出力値dobを出力する。このPID制御では、偏差e(=Pst−Psm)に対して速度型PID制御を用いている。この第2制御回路41bでは上段が積分制御(I制御)に、中段が比例制御(P制御)、下段が微分制御(D制御)となっている。そして、この中段に示すように、速度に関係する前回値との差分を比例制御(P制御)部分に入れている。   Further, in the second control circuit 41b on the lower left side of the control circuit of FIG. 2, the vapor pressure command value Pst and the measured value Psm of the vapor pressure Ps detected by the vapor pressure sensor 28 are input and controlled by PID control. Output the second output value dob for In this PID control, velocity type PID control is used for the deviation e (= Pst−Psm). In the second control circuit 41b, the upper stage is integral control (I control), the middle stage is proportional control (P control), and the lower stage is differential control (D control). Then, as shown in this middle stage, the difference from the previous value related to the speed is put in the proportional control (P control) portion.

そして、加算器41cにより、制御用の第1出力値doaと制御用の第2出力値dobを足し算して、制御用の第3出力値docにして、右側の制御回路41dに出力する。この第3制御回路41dでは、制御用の第3出力値docに対して、通常の速度型の制御、即ち、第3出力値docに、前回の操作量を加えて新たな操作量とし、制御用の第4出力値dodを出力する制御を行う。この制御用の第4出力値dodが目標温度Tegtとなる。   Then, the adder 41c adds up the control first output value doa and the control second output value dob to obtain a control third output value doc, which is output to the right control circuit 41d. In the third control circuit 41d, normal speed type control is performed on the third output value doc for control, that is, the previous operation amount is added to the third output value doc to obtain a new operation amount, Control to output a fourth output value dod for The fourth output value dod for control becomes the target temperature Tegt.

まとめると、第2制御回路41bでは、積分制御の部分では、偏差eに「Δt/Ti」を掛け算し、比例制御の部分では差分(前回値を今回の値から引き算する)に「Kp」を掛け算し、微分制御の部分では二階微分に「T」を掛け算し、それらを加えて第3制御回路41dの部分で積分している。この結果、偏差eに対して、積分成分は第3制御回路41dで積分すると共に、比例成分は差分して第3制御回路41dで積分するので、微分を積分する形となるので相殺され、微分成分は二階微分を積分して一階微分の値となる。なお「f」は二階の不完全微分を求める関数である。 In summary, in the second control circuit 41b, in the integral control portion, the deviation e is multiplied by "Δt / Ti", and in the proportional control portion, "Kp" is subtracted from the difference (subtracting the previous value from the current value). In the differential control portion, the second derivative is multiplied by “T D ”, and these are added and integrated in the third control circuit 41 d. As a result, with respect to the deviation e, the integral component is integrated in the third control circuit 41d and the proportional component is differenced and integrated in the third control circuit 41d. The component integrates the second derivative to become the value of the first derivative. Here, "f" is a function for obtaining a second-order incomplete derivative.

なお、このPID制御で使用する係数Ti,係数Kp、係数Tは、実験等により予め設定される値、又は、適宜調整により設定される値であるが、予め実験などにより、その設定範囲を求めておき、その中の設定値に設定した上で、制御の結果を見ながら人為的に調整される設定値、あるいは、制御の結果を見ながら自動的に調整される学習による設定値としたりすることができる。 The coefficient Ti, the coefficient Kp, and the coefficient T D used in the PID control are values set in advance by experiments or the like, or values set by adjustment as appropriate. It is determined and set to the set value in it, and then it is set by artificial adjustment while looking at the control result, or by set value by learning automatically adjusted by looking at the control result. can do.

また、この第3制御回路41dに、リセットワインドアップ機能や、マニュアル操作から自動操作への切り替え時のバンプレス機能を追加して設けることがより好ましい。このリセットワインドアップ機能とその構成、バンプレス機能とその構成は一般的に使用されているものでよいので周知技術を使用できる。   Further, it is more preferable to add a reset windup function and a bumpless function at the time of switching from the manual operation to the automatic operation to the third control circuit 41d. Since this reset windup function and its configuration, and the bumpless function and its configuration may be generally used, known techniques can be used.

なお、リセットワインドアップ機能は、操作量となる制御用の第4出力値dodが上下限値を超えた場合に上下限値に引き戻し、偏差が反転した時に即応答できるようにするため、ある限界を超えた場合に超えた方向への積分動作を停止する機能である。   Note that the reset windup function pulls back to the upper and lower limit values when the fourth control value dod for control, which is the manipulated variable, exceeds the upper and lower limit values, and enables immediate response when the deviation is reversed. Is a function to stop the integration operation in the direction beyond.

また、バンプレス機能は、自動モードと手動モード切替時やPID制御で用いる係数が変化した場合に、制御用の第4出力値dodの急変によるステップ変化を防止し、制御用の第4出力値dodがバンプせずに円滑に切り替わるようにする機能である。   In addition, the bumpless function prevents a step change due to sudden change of the fourth output value dod for control when the coefficient used in automatic mode and manual mode switching or in PID control changes, and the fourth output value for control It is a function to make dod switch smoothly without bumping.

なお、図2では、フィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせを用いているが、入力値β、Pst、Psmに対する出力値dodをデータベース化して制御用テーブルを予め設定して記憶しておき、入力値β、Pst、Psmに応じて制御用テーブルを参照して、出力値dodを算出して出力してもよい。   Although a combination of feedforward control and feedback control is used in FIG. 2, the output values dod for the input values β, Pst, and Psm are converted into a database, and a control table is set and stored in advance. The output value dod may be calculated and output with reference to the control table according to β, Pst, and Psm.

そして、第2制御部42は、第1制御部41から出力される制御用の第4出力値dodを目標温度Tegtとして入力し、また、排気ガス温度センサ17bで検出される合流後の排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを入力して、この排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmが目標温度Tegtになるように、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御量αcを出力し、この制御量αcで、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを制御する。言い換えると、第1制御部41で設定した目標温度Tegtを入力して、第2制御部42で、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを制御して、合流後の排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを目標温度Tegtにする。   Then, the second control unit 42 inputs, as the target temperature Tegt, the fourth control value dod for control output from the first control unit 41, and the exhaust gas after merging detected by the exhaust gas temperature sensor 17b. The control value αc of the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is output so that the measurement value Tegm of the temperature Teg of G is input and the measurement value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G becomes the target temperature Tegt. The valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is controlled by the control amount αc. In other words, the target temperature Tegt set by the first control unit 41 is input, and the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is controlled by the second control unit 42, so that the temperature of the exhaust gas G after merging The measured value Tegm of Teg is made the target temperature Tegt.

つまり、排気ガスGをバイパス流路19にバイパスさせた場合は、先ず、排気ガスGのバイパス量の増減による合流後の排気ガスGの温度Tegの変化があり、やや遅れて、流入する排気ガスGの流量変化に起因する過給機12の状態変化により、シリンダ13から排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tgと流量の変化が生じる。この過給機12の状態変化の影響を、この排気ガス温度センサ17bで合流後の排気ガスGの温度Tegを検出して、この計測値Tegmを第2制御部42に入力して、この第2制御部42における合流後の排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを目標温度Tegtにする温度調整をすることにより、蒸気圧Psの変動を抑制することができるようになる。   That is, when the exhaust gas G is bypassed to the bypass flow path 19, first, there is a change in the temperature Teg of the exhaust gas G after merging due to the increase or decrease of the bypass amount of the exhaust gas G. The change in the state of the turbocharger 12 caused by the change in the flow rate of G causes a change in the temperature Tg and the flow rate of the exhaust gas G discharged from the cylinder 13 to the exhaust passage 17. The temperature Teg of the exhaust gas G after the merging is detected by the exhaust gas temperature sensor 17b, and the measured value Tegm is input to the second control unit 42. By adjusting the measurement value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G after merging in the control unit 42 to the target temperature Tegt, it is possible to suppress the fluctuation of the vapor pressure Ps.

この第2制御部42は、図3に例示するように、PID制御のフィードバック制御を用いることができるが、温度調整が可能な制御であれば、PID制御に限らず、用いることができる。しかし、PID制御は一般的に使用されている広く普及した良い方法であり、また、PID制御で用いられている制御用の各係数の調整も容易に現場で調整可能であるので、PID制御を用いることがより好ましい。なお、図3の「f」は一階の不完全微分を求める関数である。   As illustrated in FIG. 3, the second control unit 42 can use feedback control of PID control. However, the second control unit 42 can use not only PID control but any control capable of temperature adjustment. However, PID control is a widely used good method that is generally used, and since adjustment of each control coefficient used in PID control can be easily adjusted in the field, PID control It is more preferable to use. In addition, "f" of FIG. 3 is a function which calculates | requires the 1st-order imperfect differential.

次に、第1制御部41と第2制御部42の制御について説明する。この第1制御部41の制御と第2制御部42の制御は、第1制御部41から第2制御部42に目標温度Tegtの信号が適宜伝達され、個別の制御器で同時進行で並行して行われるが、目標温度Tegtの信号のやり取りに支障が無ければ、両方の制御を同期させることは必須ではなく、同期させていない場合も、周知の方法で目標温度Tegtの信号のやり取りをすることができる。   Next, control of the first control unit 41 and the second control unit 42 will be described. In the control of the first control unit 41 and the control of the second control unit 42, a signal of the target temperature Tegt is appropriately transmitted from the first control unit 41 to the second control unit 42, and individual controllers simultaneously proceed in parallel. However, it is not essential to synchronize the two controls if there is no problem in the signal exchange of the target temperature Tegt, and even if they are not synchronized, the signal exchange of the target temperature Tegt is performed in a known manner be able to.

この舶用機関の排熱回収システム1では、電力デマンドの変化により発電機26の回転数Ngが変化したり、主機関10の運転状態の変化等によりシリンダ13から排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tgが変化して、発電機26の回転数Ngが変化したりすると、ガバナ25cにより、蒸気タービン25に供給される水蒸気Sの流量を調整する第1蒸気流量制御弁27の弁開度βが発電機26の回転数Ngを戻して所定の回転数Ncを維持するように制御される。   In the exhaust heat recovery system 1 of this marine engine, exhaust gas discharged from the cylinder 13 to the exhaust passage 17 due to changes in the rotational speed Ng of the generator 26 due to changes in the power demand, changes in the operating state of the main engine 10, etc. When the temperature Tg of G changes and the rotation speed Ng of the generator 26 changes, the governor 25 c opens the first steam flow control valve 27 for adjusting the flow rate of the steam S supplied to the steam turbine 25. The degree β is controlled to return the rotational speed Ng of the generator 26 to maintain a predetermined rotational speed Nc.

この制御による結果としての第1蒸気流量制御弁27の弁開度βと、蒸気圧センサ28で検出される蒸気圧Psの計測値Psmと蒸気圧指令値Pstとが第1制御部41に入力される。この第1制御部41で、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを調整するための目標温度Tegtが算出及び設定され、第1制御部41から第2制御部42に出力される。第2制御部42においては、目標温度Tegtと排気ガス温度センサ17bで検出される合流後の排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを入力にして、排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmが目標温度Tegtになるように、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αを制御する。   The valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 as a result of this control, the measured value Psm of the vapor pressure Ps detected by the vapor pressure sensor 28 and the vapor pressure command value Pst are input to the first control unit 41 Be done. In the first control unit 41, a target temperature Tegt for adjusting the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is calculated and set, and is output from the first control unit 41 to the second control unit 42. In the second control unit 42, the target temperature Tegt and the measured value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G after merging detected by the exhaust gas temperature sensor 17b are input, and the measured value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G is The valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is controlled so that the target temperature Tegt is achieved.

言い換えれば、舶用機関の排熱回収システム1においては、排熱ボイラ23への排気ガスGからの伝熱量による蒸気圧Psの変化(やや複雑で遅い応答)に加え、排気ガスGに対する排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御による排熱ボイラ23への排気ガスGからの伝熱量の変化(シンプルで速い応答)と、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御の影響による過給機12の運転状態の変化と主機関10の運転状態の変化に対応して、シリンダ13から排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tgと流量の変化に起因した排熱ボイラ23への排気ガスGからの伝熱量が変化(やや複雑で遅い応答)する等、複数の変化が組み合わさっており複雑になっている。この複雑さに対して、この第1制御部41と第2制御部42の制御で、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの制御と、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御とを分離して、別々に制御することで、制御を単純化しているので、それぞれの制御でPID制御を利用できるという大きなメリットがある。   In other words, in the exhaust heat recovery system 1 of the marine engine, the exhaust gas flow rate with respect to the exhaust gas G in addition to the change (slightly complicated and slow response) of the steam pressure Ps due to the heat transfer amount from the exhaust gas G to the exhaust heat boiler 23 Change in the amount of heat transfer from the exhaust gas G to the exhaust heat boiler 23 (simple and fast response) by controlling the valve opening degree α of the control valve 19v and the influence of control of the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v The exhaust heat boiler 23 caused by the change in the temperature Tg and the flow rate of the exhaust gas G discharged from the cylinder 13 to the exhaust passage 17 in response to the change in the operating state of the turbocharger 12 and the change in the operating state of the main engine 10 A plurality of changes are combined and complicated, for example, the amount of heat transfer from the exhaust gas G changes (slightly complicated and slow response). With respect to this complexity, control of the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 and control of the exhaust gas flow control valve 19v by control of the first control unit 41 and the second control unit 42 Since the control is simplified by separating the control from the control of (1) and (2) separately, there is a great advantage that PID control can be used in each control.

また、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βは、電力デマンドと密接な関係があるので、つまり、「電力デマンド増減→発電機トルク増減→発電機回転数の減少又は増加→第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの減少又は増加」の関係があるので、第1制御部41における制御で、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの代わりに、電力デマンドを用いることもできる。第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの代わりに電力デマンドを利用する方法では、「電力デマンド増減→発電機トルク増減→発電機回転数の減少又は増加→第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの減少又は増加」における各部の遅れを排除することができる。   Further, since the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 has a close relationship with the power demand, that is, “power demand increase / decrease → generator torque increase / decrease → generator rotation speed decrease or increase → first steam Since there is a relationship “reduction or increase of the valve opening degree β of the flow control valve 27”, power demand is used instead of the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 in the control of the first control unit 41. You can also. In the method of using the electric power demand instead of the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27, “Power demand increase / decrease → Generator torque increase / decrease → Generator rotation number decrease or increase → First steam flow control valve 27 It is possible to eliminate the delay of each part in the “decrease or increase of the valve opening degree β”.

例えば、電力デマンドの急増(例えば電動機(図示しない)の起動)で電力(具体的には電流)が急増すると、このため発電機26の駆動トルク(蒸気タービン25の負荷トルク)が急増する。この蒸気タービン25はガバナ25cにより回転数一定(交流周波数を一定に保つ)の制御が適用されており、発電機26のトルク急増で回転数Ngが微減し、これを補うため蒸気流量を急増させるため、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βを迅速に大きくする。これにより、排熱ボイラ23では蒸気流量の急増で圧力低下が起り、これを補うために伝熱量を増加させる必要が生じる。   For example, when the power (specifically, the current) increases rapidly due to a rapid increase in power demand (for example, start of a motor (not shown)), the drive torque of the generator 26 (load torque of the steam turbine 25) increases rapidly. In this steam turbine 25, control of constant rotation speed (keeping AC frequency constant) is applied by the governor 25c, and the rotation speed Ng is slightly decreased by rapid increase of the torque of the generator 26, and steam flow is increased rapidly to compensate for this. Of the first steam flow control valve 27 is increased rapidly. As a result, in the waste heat boiler 23, a pressure drop occurs due to the rapid increase of the steam flow rate, and the heat transfer amount needs to be increased to compensate for this.

これらの状況に対して、排熱ボイラ23より引き抜かれる蒸気流量に基づいて、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御をフィードフォワード制御を含む第1制御部41の出力である目標温度Tegtを使用して第2制御部42で操作して、蒸気圧Psを制御する。   Under these circumstances, the target temperature which is the output of the first control unit 41 including feedforward control for controlling the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v based on the steam flow rate withdrawn from the exhaust heat boiler 23 The second control unit 42 operates using Tegt to control the vapor pressure Ps.

上記の構成と制御によれば、主機関10の排熱ボイラ23の蒸気圧Psの変動を一定以下に抑制するために、排熱ボイラ23の入口側の排気ガス温度センサ17bにより、排気ガス流量制御弁19vを第2制御部42で操作して、排熱ボイラ23に供給される排気ガスGの温度Tegの計測値Tegmを、目標温度Tegtと一致するように制御するので、これにより、主機関10の運転状況や外乱の影響、及び、排気ガス流量制御弁19vを操作することにより、シリンダ13から排気通路17に排出される排気ガスGの温度Tgが変動する影響が、排熱ボイラ23から蒸気タービン25に供給される水蒸気Sの蒸気圧Psへ及ぶのを防止し、効果的な制御をすることが可能となる。   According to the above configuration and control, the exhaust gas flow rate by the exhaust gas temperature sensor 17b on the inlet side of the exhaust heat boiler 23 in order to suppress the fluctuation of the steam pressure Ps of the exhaust heat boiler 23 of the main engine 10 below a certain level. The control valve 19v is operated by the second control unit 42 to control the measurement value Tegm of the temperature Teg of the exhaust gas G supplied to the exhaust heat boiler 23 to coincide with the target temperature Tegt. The operating condition of the engine 10 and the influence of disturbance, and the effect that the temperature Tg of the exhaust gas G discharged from the cylinder 13 to the exhaust passage 17 fluctuates by operating the exhaust gas flow rate control valve 19 v Therefore, it is possible to prevent the steam pressure Ss supplied to the steam turbine 25 from reaching the steam pressure Ps, and to perform effective control.

そして、第1制御部41において、蒸気利用量から直接、合流後の排気ガスGの温度Tegを変化させるフィードフォワード制御を適用しているので、排熱ボイラ23からの水蒸気Sの蒸気圧Psの変動を抑制するため、排熱ボイラ23は蒸気発生量に対して飽和水量が多く、飽和水の持っている熱量により、圧力低下が緩和されるため、伝熱量変化から蒸気圧Psの変化への時間遅れは大きいが、これに対応できる制御となる。   Then, in the first control unit 41, feedforward control is applied in which the temperature Teg of the exhaust gas G after merging is directly changed from the amount of steam utilization, so that the steam pressure Ps of the steam S from the waste heat boiler 23 In order to suppress the fluctuation, the waste heat boiler 23 has a large amount of saturated water relative to the amount of steam generation, and the amount of heat possessed by the saturated water alleviates the pressure drop. Although the time delay is large, it becomes control that can cope with this.

これにより、排熱ボイラ23に供給される排気ガスGの温度Tegの制御を蒸気タービン25の制御に関連付けずに、単純に、目標の蒸気圧Pstと排熱ボイラ23の蒸気圧Psの計測値Psmの偏差eから第1蒸気流量制御弁27の弁開度βを操作する単純なフィードバック制御方法では、十分な性能を得られなかった次のような要因を解決できた。   As a result, the target steam pressure Pst and the measured value of the steam pressure Ps of the waste heat boiler 23 are simply measured without relating the control of the temperature Teg of the exhaust gas G supplied to the waste heat boiler 23 to the control of the steam turbine 25. In the simple feedback control method of operating the valve opening degree β of the first steam flow control valve 27 from the deviation e of Psm, the following factors that could not obtain sufficient performance could be solved.

つまり、排気ガス流量制御弁19vの操作による、排熱ボイラ23に供給する排気ガスGの温度Tegの調整において、排気ガス流量制御弁19vの操作に対する排気ガスGの温度Tegの応答には、バイパス量による直接的な早い応答(変動)と、主機関10の運転状態を介したやや緩やかな応答(変動)があり、両方共にその応答は複雑で遅い。このためこの両方への対応は困難であり、結果として排気ガス流量制御弁19vを機動的に利用せず、ほぼ一定開度で運用するか、大きな変動による装置劣化を許容するかの何れかとなっていた。   That is, in the adjustment of the temperature Teg of the exhaust gas G supplied to the exhaust heat boiler 23 by the operation of the exhaust gas flow control valve 19v, the response of the temperature Teg of the exhaust gas G to the operation of the exhaust gas flow control valve 19v is bypassed. There is a direct quick response (variation) due to the quantity and a rather gradual response (variation) via the operating state of the main engine 10, both of which are complex and slow. For this reason, it is difficult to cope with both of the above, and as a result, it becomes either to operate at a substantially constant opening without using the exhaust gas flow rate control valve 19v flexibly, or to allow the device deterioration due to large fluctuations. It was

このような要因に対して、直接的な早い応答に対応できれば、やや穏やかな応答にも対応できることになり、これらの対応により、排熱ボイラ23への入熱の変動を一定の範囲内に抑制できると考えた。そして、排熱ボイラ23から蒸気タービン25への水蒸気Sの流量の変化により、蒸気圧Psが変動するが、排熱ボイラ23では蒸気圧Psの変化が現れるのが遅れるので、この遅れに対して、第1制御部41のフィードフォワード制御部による制御を行うことで対応し、この蒸気圧Psの応答の遅れの影響を少なくすることができた。   If it is possible to respond to such factors directly, it is possible to respond to a somewhat gentle response, and by these responses, the fluctuation of the heat input to the waste heat boiler 23 is suppressed within a certain range. I thought I could. Then, although the steam pressure Ps fluctuates due to the change of the flow rate of the steam S from the waste heat boiler 23 to the steam turbine 25, the waste heat boiler 23 lags in the change of the steam pressure Ps. It respond | corresponds by performing control by the feedforward control part of the 1st control part 41, and was able to reduce the influence of the delay of the response of this vapor pressure Ps.

従って、上記の構成と制御の舶用機関の排熱回収システム1、及び、舶用機関の排熱回収システムの制御方法によれば、排気ガス流量制御弁19vの弁開度αの制御に、第1蒸気流量制御弁27の弁開度βの影響を組み入れることができ、舶用機関の排熱回収システム1において、内燃機関の排気ガスGの熱により、水などの作動媒体Wを排熱ボイラ(蒸発器)23で蒸発させて、蒸気タービン(膨張器)25に入れる水蒸気Sの蒸気圧Psの変動を抑制するとともに、排気ガスGの熱の他に補助バーナ23c等の外部からの熱の投入量を最小にして、燃費とCO排出量を抑制することができる。 Therefore, according to the exhaust heat recovery system 1 of the marine engine and the control method of the exhaust heat recovery system of the marine engine, the first control of the valve opening degree α of the exhaust gas flow control valve 19v is performed. The effect of the valve opening degree β of the steam flow control valve 27 can be incorporated, and in the exhaust heat recovery system 1 of a marine engine, the working medium W such as water is removed by the heat of exhaust gas G of the internal combustion engine Of the steam S to be evaporated into the steam turbine (expander) 25 and to suppress fluctuations in the steam pressure Ps of the steam S introduced into the steam turbine 25. In addition to the heat of the exhaust gas G, the amount of external heat input such as the auxiliary burner 23c etc. Fuel consumption and CO 2 emissions can be reduced.

つまり、過給機12を備える主機関10からの排気ガスGの熱量を利用して、復水器21、給水ポンプ22、排熱ボイラ(蒸発器)23、蒸気タービン(膨張器)25を順に循環する水(作動媒体)Wを排熱ボイラ23で加熱して、排気ガスGの熱エネルギーを蒸気タービン25で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システム1において、蒸気タービン25に供給する水蒸気Sの蒸気圧Psの変動を抑制するとともに、排気ガスGの熱の他に補助バーナ23c等の外部からの熱の投入量を最小にして、燃費とCO排出量を抑制できる。 That is, using the heat quantity of the exhaust gas G from the main engine 10 equipped with the turbocharger 12, the condenser 21, the feed water pump 22, the exhaust heat boiler (evaporator) 23, and the steam turbine (expander) 25 are sequentially In the waste heat recovery system 1 of a marine engine that heats circulating water (working medium) W by the exhaust heat boiler 23 and converts the thermal energy of the exhaust gas G into mechanical energy by the steam turbine 25, the system is supplied to the steam turbine 25. Besides suppressing the fluctuation of the vapor pressure Ps of the steam S, it is possible to minimize the amount of heat input from the outside such as the auxiliary burner 23c besides the heat of the exhaust gas G, and to suppress the fuel consumption and the CO 2 emission.

1 舶用機関の排熱回収システム
2 プロペラ
3 舵
10 主機関(舶用機関)
11 吸気通路
12 過給機
12c コンプレッサ
12t 排気タービン
13 シリンダ
14 ピストン
15 出力軸(クランク軸)
16 プロペラ軸
16a 回転数センサ(N)
17 排気通路
17a 合流部
17b 排気ガス温度センサ
18 排気レシーバ
19 バイパス流路
19v 排気ガス流量制御弁
20 排熱回収部
21 復水器(凝縮器)
22 給水ポンプ
23 排熱ボイラ(蒸発器)
23a 第1熱交換流路
23b 第2熱交換流路
23c 補助バーナ
24 汽水分離ドラム(汽水分離器)
24a レベルセンサ
25 蒸気タービン(膨張器)
25c ガバナ(調速機)
26 発電機
27 第1蒸気流量制御弁
28 蒸気圧センサ
29 第2蒸気流量制御弁
31〜34 配管(流路)
35 蒸気バイパス流路
40 制御装置
41 第1制御部(上位コントローラ:C1)
42 第2制御部(下位コントローラ:C2)
43 操作卓
A 空気
F 燃料
G 排気ガス
Ga 一部の排気ガス
Gb 残りの排気ガス
Pst 蒸気圧指令値
Psm 蒸気圧センサで検出される蒸気圧
S 水蒸気
Teg 合流後の排気ガスの温度
Tegm 排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度
Tegt 目標温度
W 水(作動媒体)
Ws 海水(冷却媒体)
α 排気ガス流量制御弁の弁開度
β 第1蒸気流量制御弁の弁開度
γ 第2蒸気流量制御弁の弁開度
1 Exhaust Heat Recovery System for Marine Engine 2 Propeller 3 Rudder 10 Main Engine (Marine Engine)
11 intake passage 12 supercharger 12c compressor 12t exhaust turbine 13 cylinder 14 piston 15 output shaft (crankshaft)
16 Propeller shaft 16a Speed sensor (N)
17 exhaust passage 17a joining portion 17b exhaust gas temperature sensor 18 exhaust receiver 19 bypass flow passage 19v exhaust gas flow control valve 20 exhaust heat recovery unit 21 condenser (condenser)
22 Water feed pump 23 Exhaust heat boiler (evaporator)
23a 1st heat exchange flow path 23b 2nd heat exchange flow path 23c auxiliary burner 24 steam separation drum (water steam separator)
24a Level sensor 25 Steam turbine (expander)
25c governor (speed governor)
26 Generator 27 First steam flow control valve 28 Steam pressure sensor 29 Second steam flow control valve 31 to 34 Piping (flow path)
35 steam bypass flow path 40 control device 41 first control unit (upper controller: C1)
42 Second control unit (lower controller: C2)
43 Control console A Air F Fuel G Exhaust gas Ga Partial exhaust gas Gb Residual exhaust gas Pst Steam pressure command value Psm Steam pressure S detected by a steam pressure sensor Temperature of exhaust gas after merging with steam Teg Temperature of exhaust gas Tegm Exhaust gas temperature Exhaust gas temperature after merging detected by sensor Tegt Target temperature W Water (working medium)
Ws seawater (cooling medium)
α Exhaust gas flow rate control valve opening degree β First steam flow control valve opening degree γ Second steam flow control valve opening degree

Claims (8)

過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱量を利用して、復水器、ポンプ、蒸発器、膨張器を順に循環する作動媒体を前記蒸発器で加熱して、排気ガスの熱エネルギーを前記膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムにおいて、
前記舶用機関の前記過給機の排気タービンが配設されている排気通路に前記排気タービンを迂回し、かつ、排気ガス流量制御弁が配設されているバイパス流路を設けて、
前記バイパス流路が前記排気通路に合流する合流部より下流側の前記排気通路に、合流した後の排気ガスの温度を計測する排気ガス温度センサを設けると共に、気相の前記作動媒体を前記蒸発器から前記膨張器に移動するための流路に、気相の前記作動媒体の流量を調整する蒸気流量制御弁と、気相の前記作動媒体の蒸気圧を計測する蒸気圧センサを設けて構成され、
当該舶用機関の排熱回収システムを制御する制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度の計測値を入力して、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御するように構成されていることを特徴とする舶用機関の排熱回収システム。
Using the heat of exhaust gas from a marine engine equipped with a supercharger, the evaporator heats a working medium, which circulates through a condenser, a pump, an evaporator, and an expander in this order, to produce heat energy of the exhaust gas. In the exhaust heat recovery system of a marine engine that converts into mechanical energy by the expander,
In the exhaust passage where the exhaust turbine of the supercharger of the marine engine is disposed, a bypass passage is provided which bypasses the exhaust turbine and in which an exhaust gas flow control valve is disposed;
An exhaust gas temperature sensor for measuring the temperature of the exhaust gas after joining is provided in the exhaust passage downstream of the junction where the bypass passage joins the exhaust passage, and the evaporation medium of the gas phase is evaporated In the flow path for moving from the pressure vessel to the expander, a steam flow control valve for adjusting the flow rate of the working medium in the gas phase, and a steam pressure sensor for measuring the steam pressure of the working medium in the gas phase are provided And
The controller for controlling the exhaust heat recovery system of the marine engine concerned, the valve opening degree of the steam flow control valve or the demand for mechanical energy converted by the expander, and after merging detected by the exhaust gas temperature sensor The exhaust heat recovery system of a marine engine according to claim 1, wherein the exhaust gas flow control valve is controlled to be open by inputting a measured value of the exhaust gas temperature.
前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量を用いて設定される排気ガスの目標温度に、前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度の計測値がなるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The merging is detected by the exhaust gas temperature sensor at a target temperature of the exhaust gas set using the valve opening degree of the steam flow control valve or the demand for mechanical energy converted by the expander. The exhaust heat recovery system for a marine engine according to claim 1, wherein the exhaust heat recovery system is configured to be controlled so that the measured value of the temperature of the exhaust gas later becomes. 前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、蒸気圧指令値と、前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値とを用いて前記目標温度を設定するように構成されていることを特徴とする請求項2に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The controller determines the valve opening degree of the steam flow control valve or the demand amount for mechanical energy converted by the expander, the steam pressure command value, and the measured value of the steam pressure detected by the steam pressure sensor. The exhaust heat recovery system for a marine engine according to claim 2, wherein the target temperature is set using the engine. 前記制御装置が、前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量に関してのフィードフォワード制御による第1出力値と、蒸気圧指令値と前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値を入力とするフィードバック制御による第2出力値を用いて前記目標温度を設定するように構成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The control device detects a first output value by feedforward control with respect to a valve opening degree of the steam flow control valve or a demand for mechanical energy converted by the expander, a steam pressure command value, and the steam pressure sensor The exhaust of the marine engine according to claim 2 or 3, wherein the target temperature is set using a second output value by feedback control using the measured value of the vapor pressure as an input. Heat recovery system. 前記制御装置が、前記フィードバック制御において、PID制御を行うと共に、前記蒸気圧指令値と前記蒸気圧センサで検出される蒸気圧の計測値との差分に対する比例制御部分が、前記差分に前記差分の前回値を差し引く操作を入れて構成されていることを特徴とする請求項4に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The control device performs PID control in the feedback control, and a proportional control portion for the difference between the steam pressure command value and the measured value of the steam pressure detected by the steam pressure sensor is the difference between the difference and the difference. The exhaust heat recovery system for a marine engine according to claim 4, wherein the previous value is subtracted. 前記制御装置が、前記目標温度を設定する第1制御部と、前記目標温度と前記排気ガス温度センサで検出される合流後の排気ガスの温度との差分に基づき、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御する第2制御部を有して構成されていることを特徴とする請求項2〜5のいずれか1項に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The exhaust gas flow control valve based on a first control unit that sets the target temperature, and a difference between the target temperature and the temperature of the exhaust gas after merging detected by the exhaust gas temperature sensor. The exhaust heat recovery system for a marine engine according to any one of claims 2 to 5, characterized by comprising a second control unit that controls the degree of opening of the valve. 前記作動媒体が水であり、前記ポンプが給水ポンプであり、前記蒸発器が水を加熱・蒸発させる熱交換器であって、かつ、前記蒸発器が水蒸気と飽和水を分離する汽水分離ドラムを備えており、前記膨張器が発電機に連結された蒸気タービンであることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の舶用機関の排熱回収システム。   The working medium is water, the pump is a feed water pump, the evaporator is a heat exchanger for heating and evaporating water, and the evaporator is a steam water separating drum for separating water vapor and saturated water. The exhaust heat recovery system for a marine engine according to any one of claims 1 to 6, wherein the expander is a steam turbine connected to a generator. 過給機を備える舶用機関からの排気ガスの熱量を利用して、復水器、ポンプ、蒸発器、膨張器を順に循環する作動媒体を前記蒸発器で加熱して、排気ガスの熱エネルギーを前記膨張器で機械エネルギーに変換する舶用機関の排熱回収システムの制御方法において、
前記舶用機関の前記過給機の排気タービンを通過した排気ガスの流量と前記排気タービンを迂回する排気ガスの流量を、前記排気タービンを迂回するバイパス流路に配設されている排気ガス流量制御弁で制御することで、前記蒸発器に供給する排気ガスの温度を調整し、
前記膨張器に供給される気相の前記作動媒体の流量を、前記蒸発器から前記膨張器に気相の前記作動媒体を移動するための流路に配設されている蒸気流量制御弁で制御することで、前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量の変動に対応すると共に、
前記蒸気流量制御弁の弁開度または前記膨張器で変換される機械エネルギーに対する需要量と、前記排気タービンを通過した排気ガスと前記バイパス流路を通過した排気ガスの合流後に排気ガス温度センサで検出される排気ガスの温度の計測値を使用して、前記排気ガス流量制御弁の弁開度を制御することを特徴とする舶用機関の排熱回収システムの制御方法。
Using the heat of exhaust gas from a marine engine equipped with a supercharger, the evaporator heats a working medium, which circulates through a condenser, a pump, an evaporator, and an expander in this order, to produce heat energy of the exhaust gas. In the control method of an exhaust heat recovery system of a marine engine, wherein the expander converts mechanical energy into mechanical energy,
The flow rate of exhaust gas passing through the exhaust turbine of the supercharger of the marine engine and the flow rate of exhaust gas bypassing the exhaust turbine are controlled by an exhaust gas flow rate disposed in a bypass passage bypassing the exhaust turbine By controlling with the valve, the temperature of the exhaust gas supplied to the evaporator is adjusted;
The flow rate of the gas phase working medium supplied to the expander is controlled by a steam flow control valve disposed in a flow path for moving the gas phase working medium from the evaporator to the expander To cope with fluctuations in demand for mechanical energy converted by the expander, and
With the exhaust gas temperature sensor after the merging of the opening of the steam flow control valve or the demand for mechanical energy converted by the expander, the exhaust gas passing through the exhaust turbine and the exhaust gas passing through the bypass flow path A control method of an exhaust heat recovery system for a marine engine, comprising controlling a valve opening degree of the exhaust gas flow control valve using a measured value of a detected exhaust gas temperature.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115210455A (en) * 2020-03-10 2022-10-18 阿法拉伐股份有限公司 Boiler and method of operating a boiler
CN115210455B (en) * 2020-03-10 2024-01-30 阿法拉伐股份有限公司 Boiler and method of operating a boiler
CN114962055A (en) * 2022-05-26 2022-08-30 一汽解放汽车有限公司 ORC waste heat recovery system, control method, device, equipment and storage medium

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