JP3587630B2 - 発電設備および動力設備 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率でエネルギーを回収する(コージェネレーションコンパウンドエンジンシステム)ための発電設備および動力に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、地球規模ではエネルギー資源の有効利用とCO2 排出削減による地球環境保護が提唱され、省エネルギー開発が進められている。一方我が国では原子力発電を始め、大型発電施設も立地難であるため、都市近郊の中規模発電施設が要望され、また発電事業の自由化がそれに拍車をかけている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明のうち請求項1記載の発明は、より高効率発電を行える発電設備および動力を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の請求項1記載の発電設備は、複数の燃焼室を有し,主発電機を駆動する複数基のエンジンを備えた発電設備において、各エンジンからそれぞれ過給機を介して排出される排ガスを合流させる排ガス集合管と、この排ガス集合管から供給される排ガスにより第1副発電機を駆動して発電する出力ガスタービンと、この出力ガスタービンから排出された排ガスにより蒸気を発生させる第1排熱ボイラと、この第1排熱ボイラで発生された蒸気により第2副発電機を駆動して発電する蒸気タービンとを具備したものである。
【0005】
上記構成によれば、複数基のエンジンから過給機を介して排出される排ガスを合流させて出力タービンを駆動することにより排ガスのエネルギーを回収して発電した後、さらにその排ガスを第1排熱ボイラに導入し、第1排熱ボイラで得られた蒸気により、蒸気タービンを駆動して発電するので、エンジンの駆動により発生する排ガスの熱および動力エネルギーを高効率で回収することができ、省エネルギー化を推進できて高効率発電を実現することができる。
【0008】
さらに請求項2記載の発明は、複数の燃焼室を有し,主発電機を駆動する複数基のエンジンを備えた発電設備において、各エンジンと過給機の間にそれぞれ配置されて排ガスにより第1副発電機を駆動し発電する複数の出力ガスタービンと、この出力ガスタービンから過給機を介して排出された排ガスにより蒸気を加熱する第1排熱ボイラと、この第1排熱ボイラにより発生された蒸気により第2副発電機を駆動して発電する蒸気タービンとを具備したものである。
【0009】
上記構成によれば、請求項1の発明と同様の効果を奏することができ、省エネルギーを推進できて高効率発電を実現することができる。
【0010】
また請求項3記載の発明は、上記請求項1または2のいずれかに記載の発電設備において、エンジンおよび出力ガスタービンならびに蒸気タービンの少なくとも一つの出力軸と作業機械の入力軸とを連動連結することにより、燃料および排ガスのエネルギーを動力として回収するものである。
【0011】
上記構成によれば、ポンプなどの動力エネルギーを、エンジンまたは/およびタービンから直接取り出すことにより、エネルギー変換によるロスを無くして有効にエネルギーを利用することができる。
【0012】
さらに請求項4記載の発明は、請求項1乃至3のいずれかに記載の発電設備において、第1排熱ボイラから排出される排ガスの熱を回収する第2排熱ボイラを配置し、この第2排熱ボイラから得られた熱媒を熱媒利用機器に供給するように構成したものである。
【0013】
上記構成によれば、排ガスの排熱をさらに利用して、施設内外で冷暖房機器や給湯機器、厨房機器の熱源として利用することにより、熱回収効率をより向上させることができる。
【0014】
また請求項5記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発電設備において、エンジンのラジエータ、および過給機から燃焼室に供給される圧縮空気を冷却する空気冷却器、ならびに第1排熱ボイラの下流側の煙道に配置された第3排熱ボイラを配置し、蒸気タービンから排出された蒸気の復水器から前記第1排熱ボイラに送られる供給水を、前記ラジエータおよび空気冷却器ならびに第3排熱ボイラの少なくとも1つの排熱により予熱するように構成したものである。
【0015】
上記構成によれば、エンジン自体から発生される熱や過給機による空気圧縮により生じた熱を効果的に回収して、第1排熱ボイラへの給水の予熱に利用することができ、熱回収をより充実させることができる。
【0016】
さらに請求項6記載の発明は、請求項1乃至5記載の発電設備において、エンジンのラジエータ、および過給機から燃焼室に供給される圧縮空気を冷却する燃焼空気冷却器の少なくとも1つに熱回収手段を設け、この熱回収手段で得られた熱を熱媒を介して熱媒利用機器に使用するように構成したものである。
【0017】
上記構成によれば、エンジン自体から発生される熱や過給機により圧縮空気に生じた熱を効果的に回収して、施設内外の熱源として利用することにより、熱回収効率をより向上させることができる。
【0020】
さらに請求項9記載の動力設備は、複数の燃焼室を有して第1作業機械を駆動する複数基のエンジンと各エンジンから過給機を介して排出される排ガスを合流させる排ガス集合管と、この排ガス集合管から供給される排ガスにより第2作業機械を駆動して発電する出力ガスタービンと、この出力ガスタービンから排出された排ガスにより蒸気を発生させる第1排熱ボイラと、この第1排熱ボイラで発生された蒸気により第3作業機械を駆動する蒸気タービンとを具備し、燃料または排ガスのエネルギーを動力として回収するものである。
【0021】
上記構成によれば、燃料と排ガスの熱を、直接動力として取り出すことにより、より効率良く熱回収を行うことができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る発電設備の第1の実施の形態を図1,図2に基づいて説明する。
【0023】
図1に示すように、1は複数たとえば12本の燃焼室2を有する12気筒のディーゼルエンジンで、特にセラミックエンジンなどのように断熱燃焼室を採用したエンジンで、さらに低空燃比燃焼方式を採用したエンジンは、排ガス温度が高くなってタービン動力の回収が大きく有利である。このエンジン1が複数基が設置され、各エンジン1の出力軸には主発電機3が連結されており、各エンジン1により主発電機3が駆動されて発電される。エンジン1の各燃焼室2には、排気ターボ過給機4により加圧された後、空気冷却器22により冷却された圧縮空気を供給する給気管6が接続されている。また各燃焼室2から排ガスを排出する排気管7は、排気ターボ過給機4に接続され、過給機4には各エンジン1の過給機4からの排ガスを合流させる排気集合管8がそれぞれ接続されている。
【0024】
この排気集合管8の出口には、追い焚きバーナー9aを備えた追い焚き燃焼装置9が介在された排ガス供給管10を介して出力ガスタービン11に接続され、過給機4から集められた排ガスを、必要に応じてさらに加熱し出力ガスタービン11に送り込むように構成されている。この出力ガスタービン11の出力軸は、第1副発電機12に連結されて排ガスのエネルギーを回収して発電するように構成される。
【0025】
前記出力ガスタービン11から排出された排ガスの煙道13には、上流側から順に、第1排熱ボイラ14、第2排熱ボイラ15および第3排熱ボイラ16がそれぞれ介在されている。
【0026】
前記第1排熱ボイラ14には、必要に応じて起動される追い焚きバーナー(追い焚き燃焼装置)14aが設けられており、排ガスにより発生された蒸気を送り出す蒸気供給管15aが蒸気タービン17に接続され、蒸気タービン17により第2副発電機18が駆動される。
【0027】
なお、ここではエンジン1およびタービン11,17の動力をすべて発電機3,12,13に導入して発電のみに使用したが、たとえば上水場や下水場などポンプやコンプレッサーなど複数の作業機械を駆動する場合に、エンジン1およびタービン11,17の一部動力を直接作業機械に連結して駆動し、これにより電力への変換ロスを除いて有効にエネルギーを利用することができる。また、図5に示すように、エンジン1および各タービン11,17の出力軸に全ての発電機3,12,21に替えて第1〜第3作業機械41〜43を直接連結することもできる。
【0028】
蒸気タービン17から蒸気を排出する蒸気配管19aは復水器20に接続され、復水器20から給水管19bにより給水ポンプ19を介して第1排熱ボイラ14に接続される。また仮想線で示すように、給水ポンプ19から給水配管19b介してエンジン1の冷却用ラジエータ21および過給機4で加圧された燃焼空気を冷却する燃焼空気冷却器22の伝熱管の一方または両方に接続された後、さらに第3排熱ボイラ16から第1排熱ボイラ14に接続される。またここで第3排熱ボイラ16の温度が低い場合には、第3排熱ボイラ16をバイパス管16aによりバイパスしてもよい。したがって、復水器20で取り出された水は、第3排熱ボイラ16やラジエータ21、燃焼空気冷却器22のうち、少なくとも1つに導入された後、ついで第1排熱ボイラ14に導入されて蒸発される。
【0029】
また第2排熱ボイラ15は、さらに排ガスの排熱を回収するもので、たとえば熱媒体である水蒸気や水を加熱して施設内や施設外の熱媒利用機器である冷暖房機器23や給湯機器、厨房機器に供給して排熱を利用したり、水を加熱して施設内の給湯に利用することができる。
【0030】
図2は、上記構成において、ディーゼルエンジンおよびタービンの動力に対する燃料消費率または熱効率を、ディーゼルエンジンの正味平均有効圧に対し、燃焼最高圧力をパラメータにして理論的に可能な条件を導入した場合のコンピュータによる解析結果を示す。
【0031】
すなわち、aは従来の機関単独の熱効率を示す。またbはセラミックエンジンなどのように断熱燃焼室を採用するとともに、低空燃比(空気過剰率1.5)として機関効率および排気エネルギーを高めた例を示す。またcは、bにおいて排気出力ガスタービン11または31(第3の実施の形態に示す)で動力回収した改善例を示す。さらにb′およびc′は、bまたはcに蒸気タービン17を付加した本発明を示す。
【0032】
図2によれば、出力ガスタービン11および蒸気タービン16の1方または両方を付加して動力回収した発電設備の熱効率は、断熱・低空燃比燃焼機関を含む機関単独に比較して充分に向上させることができる。またエンジン単体で熱効率の低い4サイクル(中速)ディーゼルエンジン1は素通り空気が少ないため、排気温度が高くかつ過給に要する動力が少なくてすみ、システムとしての熱効率が高くなることが分かる。
【0033】
図3は図1の変形例で、各エンジン1ごとに過給機1の排ガス出口にそれぞれ出力ガスタービン31を設けた第2の実施の形態を示し、第1の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0034】
また、図4は図3の変形例で、出力ガスタービン31をエンジン1と過給機4の間の排気管7に設けた第3の実施の形態を示し、第1の実施の形態と同様の効果を奏することができる。
【0035】
【発明の効果】
以上に述べたごとく本発明の請求項1記載の発明によれば、複数基のエンジンから過給機を介して排出される排ガスを合流させて出力タービンを駆動することにより排ガスのエネルギーを回収して発電した後、さらにその排ガスを第1排熱ボイラに導入し、第1排熱ボイラで得られた蒸気により、蒸気タービンを駆動して発電するので、エンジンの駆動により発生する排ガスの熱および動力エネルギーを高効率で回収することができ、特別の装置を開発する必要もなく従来からある装置を組み合わせて安価に製造することができ、省エネルギー化を推進できて高効率発電を実現することができる。
【0037】
さらに請求項2記載の発明によれば、請求項1の発明と同様の効果を奏することができ、省エネルギー化を推進できて高効率発電を実現することができる。
【0038】
また請求項3記載の発明によれば、ポンプなどの動力エネルギーをエンジンまたは/およびタービンから直接取り出すことにより、エネルギー変換によるロスを無くして有効にエネルギーを使用することができる。
【0039】
さらに請求項4記載の発明によれば、排ガスの排熱をさらに利用して、施設内外で冷暖房機器や給湯機器、厨房機器の熱源として利用することにより、熱回収効率をより向上させることができる。
【0040】
また請求項5記載の発明によれば、エンジン自体から発生される熱や過給機による空気圧縮により生じた熱を効果的に回収して、第1排熱ボイラへの給水の予熱に利用することができ、熱回収をより充実させることができる。
【0041】
さらに請求項6記載の発明によれば、エンジン自体から発生される熱や過給機による圧縮空気に生じた熱を効果的に回収して、施設内外の熱源として利用することにより、熱回収効率をより向上させることができる。
【0043】
さらに請求項7記載の動力設備によれば、燃料と排ガスの熱を、直接動力として取り出すことにより、より効率良く熱回収を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る第1の発電設備の実施の形態を示す全体構成図である。
【図2】同図におけるディーゼルエンジンおよびタービンの動力に対する燃料消費率または熱効率を示す解析結果のグラフである。
【図3】本発明に係る第2の発電設備の実施の形態を示す全体構成図である。
【図4】本発明に係る第3の発電設備の実施の形態を示す全体構成図である。
【図5】本発明に係る動力設備の実施の形態を示す全体構成図である。
【符号の説明】
1 エンジン
2 燃焼室
3 主発電機
4 排気ターボ過給機
8 排気集合管
9 追い焚き燃焼装置
11,31 出力ガスタービン
12 第1副発電機
13 煙道
14 第1排熱ボイラ
15 第2排熱ボイラ
16 第3排熱ボイラ
17 蒸気タービン
18 第2副発電機
20 復水器
21 ラジエータ
22 空気冷却器
23 冷暖房機器
41〜43 動力機械
Claims (7)
- 複数の燃焼室を有し,主発電機を駆動する複数基のエンジンを備えた発電設備において、
各エンジンからそれぞれ過給機を介して排出される排ガスを合流させる排ガス集合管と、
この排ガス集合管から供給される排ガスにより第1副発電機を駆動して発電する出力ガスタービンと、
この出力ガスタービンから排出された排ガスにより蒸気を発生させる第1排熱ボイラと、
この第1排熱ボイラで発生された蒸気により第2副発電機を駆動して発電する蒸気タービンとを具備した
ことを特徴とする発電設備。 - 複数の燃焼室を有し,主発電機を駆動する複数基のエンジンを備えた発電設備において、
各エンジンと過給機の間にそれぞれ配置されて排ガスにより第1副発電機を駆動し発電する複数の出力ガスタービンと、
この出力ガスタービンから過給機を介して排出された排ガスにより蒸気を発生させる第1排熱ボイラと、
この第1排熱ボイラにより発生された蒸気により第2副発電機を駆動して発電する蒸気タービンとを具備した
ことを特徴とする発電設備。 - エンジンおよび出力ガスタービンならびに蒸気タービンのうち少なくとも1つで全てを除く出力軸と、作業機械の入力軸とを連動連結することにより、燃料または排ガスのエネルギーを動力として回収する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の発電設備。 - 第1排熱ボイラから排出される排ガスの熱を回収する第2排熱ボイラを配置し、
この第2排熱ボイラから得られた熱媒を熱媒利用機器に供給するように構成した
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の発電設備。 - エンジンのラジエータ、および過給機から燃焼室に供給される圧縮空気を冷却する空気冷却器、ならびに第1排熱ボイラの下流側の煙道に配置された第3排熱ボイラを配置し、
蒸気タービンから排出された蒸気の復水器から前記第1排熱ボイラに送られる供給水を、前記ラジエータおよび空気冷却器ならびに第3排熱ボイラの少なくとも1つの排熱により予熱するように構成した
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の発電設備。 - エンジンのラジエータおよび過給機から燃焼室に供給される圧縮空気を冷却する空気冷却器ならびに第1排熱ボイラの下流側の煙道に配置された第3排熱ボイラの少なくとも1つで回収された熱を、伝熱媒体を介して熱媒利用機器に使用するように構成した
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の発電設備。 - 複数の燃焼室を有して第1作業機械を駆動する複数基のエンジンと各エンジンからそれぞれ過給機を介して排出される排ガスを合流させる排ガス集合管と、
この排ガス集合管から供給される排ガスにより第2作業機械を駆動して発電する出力ガスタービンと、
この出力ガスタービンから排出された排ガスにより蒸気を発生させる第1排熱ボイラと、
この第1排熱ボイラで発生された蒸気により第3作業機械を駆動する蒸気タービンとを具備し、
燃料または排ガスのエネルギーを動力として回収する
ことを特徴とする動力設備。
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