JP4274619B2 - 排熱回収システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コジェネレーションシステムなどに用いるために、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンから発生する排熱を回収して電力や動力を取り出したり冷凍作用を行わせたりするように構成した排熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシステムとしては、従来一般に、エンジンから発生する排気ガスとの熱交換により水蒸気を発生させ、この発生蒸気で蒸気タービンを駆動して動力や電力を得るように構成されている。
ところが、排気ガスのエネルギーしか利用できず、しかも、利用できるのが排気ガスの高温部になるため、近年のような排気ガスの温度が低い高効率エンジンでは、利用できる熱量が減少して熱回収効率が非常に悪いという問題があった。 また、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱を利用して吸収式冷凍機を駆動し、蒸発器で冷水を発生させ、その冷水を冷房に利用するものもあるが、空調負荷が低いときには冷水の需要が少なく、低温排熱を充分利用できないという問題があった。
【０００３】
上述のような問題を解消するものとして、特開平８−２４６８１７号公報に開示されるものがあった。
この従来の公報例によれば、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱により水とそれよりも沸点が低いアンモニアから成る２成分系混合流体を加熱して再生器で蒸気を発生させ、更に、エンジンからの排気ガスの高温排熱により２成分系混合流体を加熱して高温蒸気発生装置で蒸気を発生させ、高温蒸気発生装置で発生した蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンを駆動するとともに、再生器で発生した蒸気を吸収式冷凍機の熱源に利用するように構成されている。
これにより、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱とエンジンからの排気ガスの高温排熱の両方を十分に利用できるようにしている。
また、吸収式冷凍機の凝縮器で凝縮液化された低沸点成分の濃度が高い溶液を高温蒸気発生装置に供給し、低温域から有効に蒸気を発生できるようにし、空調負荷が低いときでも、余った低沸点成分の濃度が高い溶液を熱回収に利用できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の公報例の場合、２成分系混合流体を使用することにより、低温から蒸気を発生するとともに、その蒸発過程で温度が変化し、ピンチポイントでの排気ガスの温度を低くできて熱回収量を増大できる利点があるが、水の場合に比べて、蒸発器での単位入熱当たりの蒸気タービン出力が小さく（すなわち、水を使うと低温で高圧蒸気を発生させることは無理であるが、高温熱源を利用して発生させることができるならば、蒸発器での入熱単位量当たりに対するタービン出力は水の方が大きい。）、排気ガスの高温部を充分利用できない問題があり、未だ改善の余地があった。
【０００５】
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、請求項１に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、復水器の温度を充分低くできるようにすることを目的とし、また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、再生器での加熱温度を高めて、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大できるようにすることを目的とし、そして、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止することを目的する。
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、再生器での加熱温度を高めて、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大できるようにすることを目的とし、また、請求項５に係る発明の排熱回収システムは、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止することを目的とし、また、請求項６に係る発明の排熱回収システムは、使用する２成分系混合流体を合理的に選択して、構成を簡単にできるようにすることを目的とし、また、請求項７に係る発明の排熱回収システムは、簡単な構成の付加により、アンモニア臭の発生を防止することを目的とし、そして、請求項８に係る発明の排熱回収システムは、復水器で得られる冷水を利用してガスエンジンの出力および効率を向上することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)
とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記蒸発器 (22) に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管 (30) を接続し、前記冷媒配管 (30) を冷却用として復水器 (10) に導入するように構成する。
【０００７】
２成分系混合流体としては、アンモニア−水系の混合流体、メタノール−水系の混合流体等が使用できる。この２成分系混合流体は低温排熱時の排熱を熱源とする低温蒸気発生装置で混合流体から低沸点成分が分離されればよく、主成分以外に若干の第三成分を含んでいてもよい（以下、同じである）。
また、上記導入構成としては、蒸発器から復水器側に流すようにポンプを冷媒配管に設けるものでも冷媒の気液相変化による自然循環に頼るものでも良い。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記第３の循環配管 (15)の前記低温蒸気発生装置(6) と前記低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と前記再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続するように構成する。
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記高温排熱配管(4) に、前記高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と前記低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えて構成する。
【０００９】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１に記載の排熱回収システムにおいて、第３の循環配管の低温蒸気発生装置と低温側蒸気タービンとの中間箇所と再生器とを分岐配管を介して接続して構成する。
【００１０】
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２または請求項４のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、高温排熱配管に、高温蒸気発生装置と並列にバイパス配管を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、高温蒸気発生装置に流す状態と低温蒸気発生装置に流す状態とに切り換える切り換え手段を備えて構成する。
【００１１】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、２成分系混合流体として、冷媒と、蒸発しない吸収剤とから成るものを使用する。
【００１２】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、２成分系混合流体が水−アンモニア系混合流体であり、低温側蒸気タービンの軸受部にアンモニア水の漏洩を防止する水封装置を付設するとともに、高温排熱配管の高温蒸気発生装置よりも上流側箇所と水封装置とを配管を介して接続し、軸受部からの漏水分を水封装置から導入するように構成する。
【００１３】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、高温排熱源をガスエンジンで構成し、第１の循環配管の復水器と高温蒸気発生装置との間に熱交換器を設け、空気または燃料ガスと空気の混合物を熱交換器に通して冷却した後にガスエンジンに供給するように構成する。
【００１４】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、蒸発器に溜まった冷媒を、冷媒配管により復水器に直接導入し、復水器内の水を直接的に冷却することができる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給して再生器での加熱温度を高め、再生器から吸収器に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器で得られる冷水量を増加することができる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、通常時には高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置から低温蒸気発生装置へと供給し、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、例えば、高温排熱源が複数台のエンジンで構成され、その一部のエンジンが停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温蒸気発生装置にのみ供給し、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収することができる。
【００１７】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給して再生器での加熱温度を高め、再生器から吸収器に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器で得られる冷水量を増加することができる。
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、通常時には高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置から低温蒸気発生装置へと供給し、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、例えば、高温排熱源が複数台のエンジンで構成され、その一部のエンジンが停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温蒸気発生装置にのみ供給し、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、２成分系混合流体の吸収剤が蒸発せず、冷媒と吸収剤との分離のための精溜塔を不要にできる。
【００１９】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、低温側蒸気タービンの軸受部から漏れたアンモニア水を高温排熱配管に送って蒸発させることができる。
【００２０】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、復水器で得られる冷水を利用して、ガスエンジンに供給される燃料ガスを冷却することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図であり、ガスエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００２２】
高温排熱源としてのガスエンジン１の排気管に排ガス供給管４が接続され、その排ガス供給管４が、水蒸気を発生させる高温蒸気発生装置５に接続され、ガスエンジン１からの燃焼排ガスを供給するように構成されている。
また、排ガス供給管４には、高温蒸気発生装置５の下流側に直列に、アンモニア−水系の２成分系混合流体の蒸気を発生させる低温蒸気発生装置６が接続されている。図中７は、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置を示している。
【００２３】
高温蒸気発生装置５には第１の循環配管８が接続され、この第１の循環配管８に、水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン９と、この高温側蒸気タービン９を経た後の水蒸気を水に戻す復水器１０と第１のポンプ１１とがその順に直列接続されている。なお、高温側蒸気タービン９を多段とし、高温蒸気発生装置５を復圧タービンとして、タービン中間段より、低圧蒸気を注入し、蒸気タービンサイクルとしての効率向上を図っても良い。
【００２４】
ガスエンジン１の低温排熱源としてのエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、第２のポンプ１２を介装した第２の循環配管１３が接続され、この第２の循環配管１３に、吸収式冷凍機を構成する再生器１４が設けられている。
【００２５】
低温蒸気発生装置６には第３の循環配管１５が接続され、この第３の循環配管１５に、２成分系混合流体の蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン１６と、再生器１４で蒸発した２成分系混合流体を液化する吸収器１７と第３のポンプ１８とがその順に直列接続されている。
【００２６】
第３の循環配管１５の吸収器１７と第３のポンプ１８との間と、再生器１４とが、第４のポンプ１９を介装した戻し配管２０を介して接続され、液化した２成分系混合流体を再生器１４に戻すように構成されている。第３の循環配管１５の低温側蒸気タービン１６と吸収器１７との間と、戻し配管２０とが熱交換器３２によって伝熱可能に構成され、再生器１４に戻す液化した２成分系混合流体を、低温側蒸気タービン１６から吸収器１７に流す２成分系混合流体によって加熱するようになっている。
【００２７】
再生器１４に凝縮器２１が接続されるとともに凝縮器２１に蒸発器２２が接続され、更に、蒸発器２２と吸収器１７とが接続され、かつ、第３の循環配管１５の吸収器１７と第３のポンプ１８との間に設けられた混合器２３と凝縮器２１とが分岐配管２４を介して接続され、エンジン冷却によって発生する温水（例えば、第２の循環配管１３内の圧力を高圧系に構成するなどにより、温度80〜 150℃のものが得られる）を再生器１４に供給し、その排熱により２成分系混合流体中のアンモニアを蒸発させ、そのアンモニア濃度の高い蒸気（アンモニア濃度99.8％) を凝縮器２１に供給して液化した後、蒸発器２２に供給して蒸発させるに伴い、その気化熱により冷水を取り出すように吸収式冷凍機が構成されている。取り出された冷水は、冷房や冷凍用などの熱源に利用できるようになっている。冷房の不要な時期には、凝縮器２１のアンモニア濃度の高い液を分岐配管２４によって低温蒸気発生装置６に送り込み、低温蒸気発生装置６における排熱回収量を増大させることができる。
【００２８】
高温側蒸気タービン９と低温側蒸気タービン１６の出力軸２５は同軸で構成され、その出力軸２５に発電機２６が設けられている。
出力軸２５は、図２の要部の拡大断面図に示すように、両蒸気タービン９，１６の固定ケーシング９ａ，１６ａに、メカニカルシール（図示せず）を備えた軸受部２７，２７を介して回転自在に支持されている。
【００２９】
両固定ケーシング９ａ，１６ａにわたって水封装置２８が設けられ、高温側蒸気タービン９の軸受部２７から漏洩した水分と低温側蒸気タービン１６から漏洩したアンモニア水が外部に漏洩することを防止するように構成されている。
【００３０】
水封装置２８と排ガス供給管４のガスエンジン１と脱硝装置７との間の箇所とが配管２９を介して接続され、水封装置２８に回収されるアンモニア水を排ガス供給管４に供給して蒸発させるとともに脱硝処理し、アンモニア臭が外部に発散することを防止できるように構成されている。
【００３１】
蒸発器２２に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管３０が接続され、その冷媒配管３０が復水器１０内に導入され、蒸発器２２内の冷媒液（高濃度のアンモニア水）を冷媒配管３０内で復水器１０内に流下させ、復水器１０内の水を冷却し、それに伴って蒸発した冷媒ガスを蒸発器２２内に戻すように、すなわち、冷媒を自然循環させて復水器１０内の水を直接冷却できるように構成されている。蒸発器２２が復水器１０よりも低い位置に設けられる場合には冷媒配管３０にポンプを設けて強制的に循環するように構成すれば良い。
【００３２】
また、第３の循環配管１５の低温蒸気発生装置６と低温側蒸気タービン１６との中間箇所と再生器１４とが分岐配管３１を介して接続され、低温蒸気発生装置６で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器１４に直接供給して再生器１４での加熱温度を高め、再生器１４から吸収器１７に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器２２で得られる冷水量を増加できるように構成されている。
【００３３】
図３は、本発明に係る排熱回収システムの第２実施例の要部を示す概略構成図であり、高温排熱源が２台のガスエンジン１ａ，１ｂで構成され、両ガスエンジン１ａ，１ｂからの排ガス供給管４ａ，４ｂが合流されて１本の排ガス供給管４に接続されている。
【００３４】
排ガス供給管４に、高温蒸気発生装置５と並列にバイパス配管３３が接続されるとともに、排ガス供給管４のバイパス配管３３との分岐箇所と高温蒸気発生装置５との間、および、バイパス配管３３に第１および第２の開閉弁３４，３５が設けられている。
【００３５】
上記構成により、２台のガスエンジン１ａ，１ｂが運転されている通常時には第１の開閉弁３４を開いて第２の開閉弁３５を閉じ、高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置５から低温蒸気発生装置６へと供給し、高温側蒸気タービン９（図１参照）および低温側蒸気タービン１６（図１参照）の両者から電力や動力を回収できるようになっている。
【００３６】
そして、メンテナンス等により２台のガスエンジン１ａ，１ｂのうちの一方が停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、第１の開閉弁３４を閉じて第２の開閉弁３５を開き、高温排熱源からの排熱を低温蒸気発生装置６にのみ供給し、低温側蒸気タービン１６（図１参照）だけを駆動して電力や動力を回収することができるようになっている。
【００３７】
上述した高温排熱源からの排熱を、高温蒸気発生装置５に流す状態と低温蒸気発生装置６に流す状態とに切り換えるための第１および第２の開閉弁３４，３５をして切り換え手段と称する。この切り換え手段としては、三方弁で構成しても良い。
【００３８】
図４は、本発明に係る排熱回収システムの第３実施例の要部を示す概略構成図であり、再生器１４から吸収器１７への配管４１と、吸収器１７から再生器１４へのポンプ付き配管４２との間に熱交換器４３が介装されている。
【００３９】
吸収器１７への冷却水配管４４が、吸収器１７から凝縮器２１にわたって延設され、吸収器１７での吸収熱と凝縮器２１での凝縮熱とを回収して温水を取り出し、その温水を暖房等に利用するように構成されている。
【００４０】
再生器１４にエンジン冷却後の高温ジャケット水を供給する第２の循環配管１３内の圧力が高圧に設定され、 125℃の高温ジャケット水を再生器１４に供給できるように構成されている。
【００４１】
これにより、図５のデューリング線図に示すように、再生器１４において、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが0.3334で（Ａで示す）、その温度が120℃となる。
【００４２】
吸収器１７では、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが0.4262で（Ｂで示す）、その温度が42℃となり、そして、凝縮器２１での２成分系混合流体の温度が45℃となり、冷却水配管４４を通じて45℃の温水を取り出すことができる。
【００４３】
また、蒸発器２２では、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが 0.998で（Ｃで示す）、その温度は−５℃であり、この蒸発器２２から冷水を取り出すことができる。
【００４４】
上記第３実施例において、温水を取り出すのに、吸収器１７または凝縮器２１のいずれか一方からのみ熱を回収するものでも良い。
また、再生器１４に供給するエンジン冷却後の高温ジャケット水の温度としては、第２の循環配管１３内の温度設定により、潤滑油の劣化を防止するために 150℃以下に、また、温水取り出し用の冷却水配管４４の温度を確保するために 100℃以上に設定するのが好ましい。そして、吸収器１７および凝縮器２１での温度としては、40℃以上に設定するのが好ましい。
【００４５】
図６は、本発明に係る排熱回収システムの第４実施例の要部を示す概略構成図であり、高温側蒸気タービン９および低温側蒸気タービン１６それぞれに個別に高周波発電機９ａ，１６ａが取り付けられている。
【００４６】
両高周波発電機９ａ，１６ａで発電された交流電力がコンバータ９ｂ，１６ｂにより直流に変換され、その直流電流と、ダイオード４６によって直流化された商用電源４７からの直流電流とが合流され、合流後にインバータ４８により交流に戻され、例えば、60Hzなどの所定周波数の交流電力を取り出せるように構成されている。
【００４７】
上記構成により、ガスエンジン１からの高温排気ガスとジャケット冷却水を有効利用し、その排熱を電力として回収し、不足分を商用電力で補い、低コストで電力を得ることができるようになっている。
【００４８】
図７は、本発明に係る排熱回収システムの第５実施例の要部を示す概略構成図であり、エンジン燃焼室５１に、排ガスタービン５２によって駆動されるターボコンプレッサー５３と混合器５４およびフィルター５５を介装した燃料ガス供給管５６が接続されている。
【００４９】
燃料ガス供給管５６のエンジン燃焼室５１とターボコンプレッサー５３との間に熱交換器５７が設けられ、この熱交換器５７に、復水器１０から高温蒸気発生装置５に至る第１の循環配管８が導入されている。
【００５０】
上記構成により、復水器１０からの冷水（温度８℃）を利用してエンジン燃焼室５１に供給される空気または燃料ガスと空気の混合物を冷却し、その体積効率を向上させることによって、エンジン出力および効率を向上できるようになっている。同時に高温側蒸気タービン９を駆動するシステム側から見れば、高温蒸気発生装置５に送られる水が給水加熱されることとなり、タービン系全体としての効率向上に繋がる。
【００５１】
図８は、本発明に係る排熱回収システムの第６実施例を示す概略構成図であり、冷媒−吸収剤系である二成分系混合流体として、吸収剤が蒸発しないアンモニア−硝酸リチウム溶液を用いている。
これにより、再生器１４から凝縮器２１への蒸気取り出し配管６１に精溜塔を設けずに済むようにして構成の簡略化を図っている。
そして、凝縮器２１と低温蒸気発生装置６とが、ポンプ６２を介装したポンプ配管６３を介して接続され、凝縮器２１から低温側蒸気タービン１６に、タービン作動媒体としてアンモニア溶液のみを供給するように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００５２】
図９は、本発明に係る排熱回収システムの第７実施例を示す概略構成図であり、低温側蒸気タービン１６と吸収器１７とを接続する配管７１の途中箇所に貯湯槽７２が介装され、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気との熱交換により、給湯用の湯を得るように構成されている。
すなわち、給湯用の湯としては、50〜55℃程度の温度で有れば十分である。これに対して、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気は、アンモニアまたはアンモニア−水系であるために、その温度が60〜70℃程度である。このことに着目し、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気の熱を有効に活用できるように構成している。
【００５３】
吸収器１７から再生器１４への戻し配管２０と、再生器１４から吸収器１７への還り配管７３とが熱交換器７４に通されるように構成され、再生器１４に戻す液化した２成分系混合流体を加熱できるように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００５４】
図１０は、本発明に係る排熱回収システムの第８実施例を示す概略構成図であり、クーリングタワー８１からの冷却水の冷却用配管８２が、吸収器１７から凝縮器２１にわたって循環接続されている。
【００５５】
冷却用配管８２は、クーリングタワー８１から吸収器１７にわたる、ポンプ８３を介装した第１の冷却用配管８２ａと、吸収器１７から凝縮器２１にわたる第２の冷却用配管８２ｂと、凝縮器２１からクーリングタワー８１にわたる第３の冷却用配管８２ｃとから構成されている。
【００５６】
第１の冷却用配管８２ａに、流路切換弁８４を介して分岐冷却用配管８５が接続され、この分岐冷却用配管８５が、蒸発器２２から復水器１０を経て第３の冷却用配管８２ｃに接続されている。
【００５７】
冷媒配管３０に開閉弁８６が設けられ、更に、第３の冷却用配管８２ｃと、第１の冷却用配管８２ａの流路切換弁８４よりも下流側箇所とがポンプ付き配管８７を介して接続されるとともに、そのポンプ付き配管８７に、暖房装置８８の暖房用コイル８９が介装されている。
【００５８】
上記構成により、冬期において、開閉弁８６を閉じるとともに、蒸発器２２側に冷却水を流すように流路切換弁８４を切り換え、クーリングタワー８１からの冷却水を蒸発器２２→復水器１０→クーリングタワー８１と流すとともに凝縮器２１を経た冷却水を暖房用コイル８９に供給し、復水器１０をクーリングタワー８１からの冷却水によって冷却するとともに、凝縮器２１を経た冷却水によって暖房を行えるようになっている。
【００５９】
すなわち、復水器１０をクーリングタワー８１からの冷却水によって冷却することにより、吸収器１７に供給する冷却水の温度を自由に設定できるようにし、凝縮器２１を経た冷却水として、暖房を十分に行える40℃以上の温度の冷却水を得られるようにしている。
【００６０】
また、分岐冷却用配管８５の復水器１０よりも下流側箇所に、過給機９０の給気管９１との熱交換部９２が介装されて過給機９０のアフタークーラーに構成され、復水器１０から高温側蒸気タービン９に供給される水の温度のいかんにかかわらず、アフタークーラーでの冷却温度を必要な温度に調整できるように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００６１】
次に、第１実施例の排熱回収システムを用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。
【００６２】
ガスエンジン１としては、空気比が2.10の1000kw希薄ガスエンジンを用い、燃料ガスとして１３Ａガスを256Nm3/h（発熱量9930kcal/Nm3、出力2956kw）供給するように設定した。
【００６３】
そして、ジャケット冷却水の熱量を678kw 、温度を90℃に設定し、排気ガスの温度は 416.5℃とした。高温側蒸気タービン９および低温側蒸気タービン１６それぞれの飽和圧力は、いずれも50kg/cm2である。
【００６４】
また、吸収式冷凍機における蒸発器２２の温度は４℃、再生器１４の温度は85℃、吸収器１７および凝縮器２１の温度はいずれも35℃であった。また、高温蒸気発生装置５側の復水器１０の温度は８℃で、ピンチポイント温度差は25℃であった。
それらの結果、高温側蒸気タービン９の出力が126kw、低温側蒸気タービン１６の出力が55kwで、合計出力は 181kwであった。
【００６５】
上記結果と、前述従来例で説明した高温排気ガスのみによって蒸気タービンを駆動する場合、および、２成分系混合流体を用いた公報例の場合と比較すると、前者に対しては約35％、後者に対しては約17％出力を向上できることが判った。 また、排熱回収の面でも、冷房専用モードで、２成分系混合流体を用いた公報例の場合に比べて10％以上回収量を増大できた。
【００６６】
上記実施例において、低温側蒸気タービン１６の能力としては、高温側蒸気タービン９の能力の１／２〜１に設定するのが好ましい。
【００６７】
上述実施例のガスエンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のガスエンジンを用いることができる。また、本発明としては、燃料電池を併用してその高温排熱や低温排熱をも回収するように構成した排熱回収システムにも好適に適用できる。
【００６８】
また、上記実施例では、ガスエンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、ガスエンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、蒸発器に溜まった冷媒を復水器に直接導入するから、例えば、中間に熱交換器を介在させて間接的に冷却する場合に比べて、復水器内の水温をより低下でき、高温側蒸気タービンの圧力比を大きくすることができるから、高温側蒸気タービンの出力を一層向上できるようになった。
【００７０】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給することにより蒸発器で得られる冷水量を増加するから、例えば、低温排熱源からの排熱を流す第２の循環配管に対して熱交換器を設けて、高温排熱源からの排熱と間接的に熱交換させる場合に比べ、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大でき、例えば、冷房負荷が増大したときなど、冷熱エネルギーの需要量が増大したときにも良好に対応でき、実用面で優れる。
【００７１】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、通常時には、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、一方、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収するから、例えば、高温排熱源で得られる排熱量が減少して高温蒸気発生装置で蒸発する水蒸気量が減少し、充分な出力が得られないまま高温側蒸気タービンを駆動するといったロスを無くすことができ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止できるようになった。
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムによれば、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給することにより蒸発器で得られる冷水量を増加するから、例えば、低温排熱源からの排熱を流す第２の循環配管に対して熱交換器を設けて、高温排熱源からの排熱と間接的に熱交換させる場合に比べ、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大でき、例えば、冷房負荷が増大したときなど、冷熱エネルギーの需要量が増大したときにも良好に対応でき、実用面で優れる。
【００７２】
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムによれば、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、通常時には、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、一方、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収するから、例えば、高温排熱源で得られる排熱量が減少して高温蒸気発生装置で蒸発する水蒸気量が減少し、充分な出力が得られないまま高温側蒸気タービンを駆動するといったロスを無くすことができ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止できるようになった。
【００７３】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムによれば、蒸発しない吸収剤を使用するという合理的な構成を採用することにより、冷媒と吸収剤との分離のための精溜塔を不要にできるから、システム構成を簡単にできてイニシャルコストを低減できるようになった。
【００７４】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムによれば、水封装置と配管を設けるだけでありながら、低温側蒸気タービンの軸受部から漏れたアンモニア水を高温排熱配管に送って蒸発させるから、簡単な構成の付加によりアンモニア臭の外部への発散を防止できて環境衛生面で優れる。同時に又、ガスエンジンのＮＯｘを取り去ることができる。
【００７５】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムによれば、復水器で得られる冷水を利用して、ガスエンジンに供給される空気または燃料ガスと空気の混合物を冷却するから、体積効率の高いエンジンを設計でき、エンジン出力および効率を向上できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】 水封装置を示す要部の拡大断面図である。
【図３】 本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図である。
【図４】 本発明に係る排熱回収システムの第３実施例を示す概略構成図である。
【図５】 デューリング線図である。
【図６】 本発明に係る排熱回収システムの第４実施例を示す概略構成図である。
【図７】 本発明に係る排熱回収システムの第５実施例を示す概略構成図である。
【図８】 本発明に係る排熱回収システムの第６実施例を示す概略構成図である。
【図９】 本発明に係る排熱回収システムの第７実施例を示す概略構成図である。
【図１０】 本発明に係る排熱回収システムの第８実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
４…高温排熱配管としての排ガス供給管
５…高温蒸気発生装置
６…低温蒸気発生装置
８…第１の循環配管
９…高温側蒸気タービン
１０…復水器
１３…第２の循環配管
１４…再生器
１５…第３の循環配管
１６…低温側蒸気タービン
１７…吸収器
２１…凝縮器
２２…蒸発器
２５…出力軸
２７…軸受部
２８…水封装置
２９…配管
３０…冷媒配管
３１…分岐配管
３３…バイパス配管
３４…切り換え手段を構成する第１の開閉弁
３５…切り換え手段を構成する第２の開閉弁
５７…熱交換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、コジェネレーションシステムなどに用いるために、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンから発生する排熱を回収して電力や動力を取り出したり冷凍作用を行わせたりするように構成した排熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシステムとしては、従来一般に、エンジンから発生する排気ガスとの熱交換により水蒸気を発生させ、この発生蒸気で蒸気タービンを駆動して動力や電力を得るように構成されている。
ところが、排気ガスのエネルギーしか利用できず、しかも、利用できるのが排気ガスの高温部になるため、近年のような排気ガスの温度が低い高効率エンジンでは、利用できる熱量が減少して熱回収効率が非常に悪いという問題があった。 また、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱を利用して吸収式冷凍機を駆動し、蒸発器で冷水を発生させ、その冷水を冷房に利用するものもあるが、空調負荷が低いときには冷水の需要が少なく、低温排熱を充分利用できないという問題があった。
【０００３】
上述のような問題を解消するものとして、特開平８−２４６８１７号公報に開示されるものがあった。
この従来の公報例によれば、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱により水とそれよりも沸点が低いアンモニアから成る２成分系混合流体を加熱して再生器で蒸気を発生させ、更に、エンジンからの排気ガスの高温排熱により２成分系混合流体を加熱して高温蒸気発生装置で蒸気を発生させ、高温蒸気発生装置で発生した蒸気を蒸気タービンに供給して蒸気タービンを駆動するとともに、再生器で発生した蒸気を吸収式冷凍機の熱源に利用するように構成されている。
これにより、エンジン冷却用のジャケット水の低温排熱とエンジンからの排気ガスの高温排熱の両方を十分に利用できるようにしている。
また、吸収式冷凍機の凝縮器で凝縮液化された低沸点成分の濃度が高い溶液を高温蒸気発生装置に供給し、低温域から有効に蒸気を発生できるようにし、空調負荷が低いときでも、余った低沸点成分の濃度が高い溶液を熱回収に利用できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の公報例の場合、２成分系混合流体を使用することにより、低温から蒸気を発生するとともに、その蒸発過程で温度が変化し、ピンチポイントでの排気ガスの温度を低くできて熱回収量を増大できる利点があるが、水の場合に比べて、蒸発器での単位入熱当たりの蒸気タービン出力が小さく（すなわち、水を使うと低温で高圧蒸気を発生させることは無理であるが、高温熱源を利用して発生させることができるならば、蒸発器での入熱単位量当たりに対するタービン出力は水の方が大きい。）、排気ガスの高温部を充分利用できない問題があり、未だ改善の余地があった。
【０００５】
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、請求項１に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、復水器の温度を充分低くできるようにすることを目的とし、また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、再生器での加熱温度を高めて、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大できるようにすることを目的とし、そして、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収するとともに蒸気タービン出力を大きくできるようにし、かつ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止することを目的する。
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、再生器での加熱温度を高めて、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大できるようにすることを目的とし、また、請求項５に係る発明の排熱回収システムは、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止することを目的とし、また、請求項６に係る発明の排熱回収システムは、使用する２成分系混合流体を合理的に選択して、構成を簡単にできるようにすることを目的とし、また、請求項７に係る発明の排熱回収システムは、簡単な構成の付加により、アンモニア臭の発生を防止することを目的とし、そして、請求項８に係る発明の排熱回収システムは、復水器で得られる冷水を利用してガスエンジンの出力および効率を向上することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)
とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記蒸発器 (22) に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管 (30) を接続し、前記冷媒配管 (30) を冷却用として復水器 (10) に導入するように構成する。
【０００７】
２成分系混合流体としては、アンモニア−水系の混合流体、メタノール−水系の混合流体等が使用できる。この２成分系混合流体は低温排熱時の排熱を熱源とする低温蒸気発生装置で混合流体から低沸点成分が分離されればよく、主成分以外に若干の第三成分を含んでいてもよい（以下、同じである）。
また、上記導入構成としては、蒸発器から復水器側に流すようにポンプを冷媒配管に設けるものでも冷媒の気液相変化による自然循環に頼るものでも良い。
【０００８】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記第３の循環配管 (15)の前記低温蒸気発生装置(6) と前記低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と前記再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続するように構成する。
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記高温排熱配管(4) に、前記高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と前記低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えて構成する。
【０００９】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１に記載の排熱回収システムにおいて、第３の循環配管の低温蒸気発生装置と低温側蒸気タービンとの中間箇所と再生器とを分岐配管を介して接続して構成する。
【００１０】
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２または請求項４のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、高温排熱配管に、高温蒸気発生装置と並列にバイパス配管を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、高温蒸気発生装置に流す状態と低温蒸気発生装置に流す状態とに切り換える切り換え手段を備えて構成する。
【００１１】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、２成分系混合流体として、冷媒と、蒸発しない吸収剤とから成るものを使用する。
【００１２】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、２成分系混合流体が水−アンモニア系混合流体であり、低温側蒸気タービンの軸受部にアンモニア水の漏洩を防止する水封装置を付設するとともに、高温排熱配管の高温蒸気発生装置よりも上流側箇所と水封装置とを配管を介して接続し、軸受部からの漏水分を水封装置から導入するように構成する。
【００１３】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、高温排熱源をガスエンジンで構成し、第１の循環配管の復水器と高温蒸気発生装置との間に熱交換器を設け、空気または燃料ガスと空気の混合物を熱交換器に通して冷却した後にガスエンジンに供給するように構成する。
【００１４】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、蒸発器に溜まった冷媒を、冷媒配管により復水器に直接導入し、復水器内の水を直接的に冷却することができる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給して再生器での加熱温度を高め、再生器から吸収器に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器で得られる冷水量を増加することができる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、高温排熱源からの排熱により高温蒸気発生装置で水蒸気を発生させ、その高温蒸気発生装置で発生した水蒸気を高温側蒸気タービンに供給して高温側蒸気タービンを駆動し、電力や動力を取り出すことができる。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱により低温蒸気発生装置で２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その低温蒸気発生装置で発生した２成分系混合流体の蒸気を低温側蒸気タービンに供給して低温側蒸気タービンを駆動し、低温域から有効に蒸気を発生させて、電力や動力を取り出すことができる。
そのうえ、通常時には高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置から低温蒸気発生装置へと供給し、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、例えば、高温排熱源が複数台のエンジンで構成され、その一部のエンジンが停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温蒸気発生装置にのみ供給し、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収することができる。
【００１７】
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給して再生器での加熱温度を高め、再生器から吸収器に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器で得られる冷水量を増加することができる。
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、通常時には高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置から低温蒸気発生装置へと供給し、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、例えば、高温排熱源が複数台のエンジンで構成され、その一部のエンジンが停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温蒸気発生装置にのみ供給し、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収することができる。
【００１８】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、２成分系混合流体の吸収剤が蒸発せず、冷媒と吸収剤との分離のための精溜塔を不要にできる。
【００１９】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、低温側蒸気タービンの軸受部から漏れたアンモニア水を高温排熱配管に送って蒸発させることができる。
【００２０】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、復水器で得られる冷水を利用して、ガスエンジンに供給される燃料ガスを冷却することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図であり、ガスエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００２２】
高温排熱源としてのガスエンジン１の排気管に排ガス供給管４が接続され、その排ガス供給管４が、水蒸気を発生させる高温蒸気発生装置５に接続され、ガスエンジン１からの燃焼排ガスを供給するように構成されている。
また、排ガス供給管４には、高温蒸気発生装置５の下流側に直列に、アンモニア−水系の２成分系混合流体の蒸気を発生させる低温蒸気発生装置６が接続されている。図中７は、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置を示している。
【００２３】
高温蒸気発生装置５には第１の循環配管８が接続され、この第１の循環配管８に、水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン９と、この高温側蒸気タービン９を経た後の水蒸気を水に戻す復水器１０と第１のポンプ１１とがその順に直列接続されている。なお、高温側蒸気タービン９を多段とし、高温蒸気発生装置５を復圧タービンとして、タービン中間段より、低圧蒸気を注入し、蒸気タービンサイクルとしての効率向上を図っても良い。
【００２４】
ガスエンジン１の低温排熱源としてのエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、第２のポンプ１２を介装した第２の循環配管１３が接続され、この第２の循環配管１３に、吸収式冷凍機を構成する再生器１４が設けられている。
【００２５】
低温蒸気発生装置６には第３の循環配管１５が接続され、この第３の循環配管１５に、２成分系混合流体の蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン１６と、再生器１４で蒸発した２成分系混合流体を液化する吸収器１７と第３のポンプ１８とがその順に直列接続されている。
【００２６】
第３の循環配管１５の吸収器１７と第３のポンプ１８との間と、再生器１４とが、第４のポンプ１９を介装した戻し配管２０を介して接続され、液化した２成分系混合流体を再生器１４に戻すように構成されている。第３の循環配管１５の低温側蒸気タービン１６と吸収器１７との間と、戻し配管２０とが熱交換器３２によって伝熱可能に構成され、再生器１４に戻す液化した２成分系混合流体を、低温側蒸気タービン１６から吸収器１７に流す２成分系混合流体によって加熱するようになっている。
【００２７】
再生器１４に凝縮器２１が接続されるとともに凝縮器２１に蒸発器２２が接続され、更に、蒸発器２２と吸収器１７とが接続され、かつ、第３の循環配管１５の吸収器１７と第３のポンプ１８との間に設けられた混合器２３と凝縮器２１とが分岐配管２４を介して接続され、エンジン冷却によって発生する温水（例えば、第２の循環配管１３内の圧力を高圧系に構成するなどにより、温度80〜 150℃のものが得られる）を再生器１４に供給し、その排熱により２成分系混合流体中のアンモニアを蒸発させ、そのアンモニア濃度の高い蒸気（アンモニア濃度99.8％) を凝縮器２１に供給して液化した後、蒸発器２２に供給して蒸発させるに伴い、その気化熱により冷水を取り出すように吸収式冷凍機が構成されている。取り出された冷水は、冷房や冷凍用などの熱源に利用できるようになっている。冷房の不要な時期には、凝縮器２１のアンモニア濃度の高い液を分岐配管２４によって低温蒸気発生装置６に送り込み、低温蒸気発生装置６における排熱回収量を増大させることができる。
【００２８】
高温側蒸気タービン９と低温側蒸気タービン１６の出力軸２５は同軸で構成され、その出力軸２５に発電機２６が設けられている。
出力軸２５は、図２の要部の拡大断面図に示すように、両蒸気タービン９，１６の固定ケーシング９ａ，１６ａに、メカニカルシール（図示せず）を備えた軸受部２７，２７を介して回転自在に支持されている。
【００２９】
両固定ケーシング９ａ，１６ａにわたって水封装置２８が設けられ、高温側蒸気タービン９の軸受部２７から漏洩した水分と低温側蒸気タービン１６から漏洩したアンモニア水が外部に漏洩することを防止するように構成されている。
【００３０】
水封装置２８と排ガス供給管４のガスエンジン１と脱硝装置７との間の箇所とが配管２９を介して接続され、水封装置２８に回収されるアンモニア水を排ガス供給管４に供給して蒸発させるとともに脱硝処理し、アンモニア臭が外部に発散することを防止できるように構成されている。
【００３１】
蒸発器２２に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管３０が接続され、その冷媒配管３０が復水器１０内に導入され、蒸発器２２内の冷媒液（高濃度のアンモニア水）を冷媒配管３０内で復水器１０内に流下させ、復水器１０内の水を冷却し、それに伴って蒸発した冷媒ガスを蒸発器２２内に戻すように、すなわち、冷媒を自然循環させて復水器１０内の水を直接冷却できるように構成されている。蒸発器２２が復水器１０よりも低い位置に設けられる場合には冷媒配管３０にポンプを設けて強制的に循環するように構成すれば良い。
【００３２】
また、第３の循環配管１５の低温蒸気発生装置６と低温側蒸気タービン１６との中間箇所と再生器１４とが分岐配管３１を介して接続され、低温蒸気発生装置６で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器１４に直接供給して再生器１４での加熱温度を高め、再生器１４から吸収器１７に供給する２成分系混合流体の蒸気の量を増加して蒸発器２２で得られる冷水量を増加できるように構成されている。
【００３３】
図３は、本発明に係る排熱回収システムの第２実施例の要部を示す概略構成図であり、高温排熱源が２台のガスエンジン１ａ，１ｂで構成され、両ガスエンジン１ａ，１ｂからの排ガス供給管４ａ，４ｂが合流されて１本の排ガス供給管４に接続されている。
【００３４】
排ガス供給管４に、高温蒸気発生装置５と並列にバイパス配管３３が接続されるとともに、排ガス供給管４のバイパス配管３３との分岐箇所と高温蒸気発生装置５との間、および、バイパス配管３３に第１および第２の開閉弁３４，３５が設けられている。
【００３５】
上記構成により、２台のガスエンジン１ａ，１ｂが運転されている通常時には第１の開閉弁３４を開いて第２の開閉弁３５を閉じ、高温排熱源からの排熱を高温蒸気発生装置５から低温蒸気発生装置６へと供給し、高温側蒸気タービン９（図１参照）および低温側蒸気タービン１６（図１参照）の両者から電力や動力を回収できるようになっている。
【００３６】
そして、メンテナンス等により２台のガスエンジン１ａ，１ｂのうちの一方が停止されるなど、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、第１の開閉弁３４を閉じて第２の開閉弁３５を開き、高温排熱源からの排熱を低温蒸気発生装置６にのみ供給し、低温側蒸気タービン１６（図１参照）だけを駆動して電力や動力を回収することができるようになっている。
【００３７】
上述した高温排熱源からの排熱を、高温蒸気発生装置５に流す状態と低温蒸気発生装置６に流す状態とに切り換えるための第１および第２の開閉弁３４，３５をして切り換え手段と称する。この切り換え手段としては、三方弁で構成しても良い。
【００３８】
図４は、本発明に係る排熱回収システムの第３実施例の要部を示す概略構成図であり、再生器１４から吸収器１７への配管４１と、吸収器１７から再生器１４へのポンプ付き配管４２との間に熱交換器４３が介装されている。
【００３９】
吸収器１７への冷却水配管４４が、吸収器１７から凝縮器２１にわたって延設され、吸収器１７での吸収熱と凝縮器２１での凝縮熱とを回収して温水を取り出し、その温水を暖房等に利用するように構成されている。
【００４０】
再生器１４にエンジン冷却後の高温ジャケット水を供給する第２の循環配管１３内の圧力が高圧に設定され、 125℃の高温ジャケット水を再生器１４に供給できるように構成されている。
【００４１】
これにより、図５のデューリング線図に示すように、再生器１４において、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが0.3334で（Ａで示す）、その温度が120℃となる。
【００４２】
吸収器１７では、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが0.4262で（Ｂで示す）、その温度が42℃となり、そして、凝縮器２１での２成分系混合流体の温度が45℃となり、冷却水配管４４を通じて45℃の温水を取り出すことができる。
【００４３】
また、蒸発器２２では、２成分系混合流体のアンモニア濃度ξが 0.998で（Ｃで示す）、その温度は−５℃であり、この蒸発器２２から冷水を取り出すことができる。
【００４４】
上記第３実施例において、温水を取り出すのに、吸収器１７または凝縮器２１のいずれか一方からのみ熱を回収するものでも良い。
また、再生器１４に供給するエンジン冷却後の高温ジャケット水の温度としては、第２の循環配管１３内の温度設定により、潤滑油の劣化を防止するために 150℃以下に、また、温水取り出し用の冷却水配管４４の温度を確保するために 100℃以上に設定するのが好ましい。そして、吸収器１７および凝縮器２１での温度としては、40℃以上に設定するのが好ましい。
【００４５】
図６は、本発明に係る排熱回収システムの第４実施例の要部を示す概略構成図であり、高温側蒸気タービン９および低温側蒸気タービン１６それぞれに個別に高周波発電機９ａ，１６ａが取り付けられている。
【００４６】
両高周波発電機９ａ，１６ａで発電された交流電力がコンバータ９ｂ，１６ｂにより直流に変換され、その直流電流と、ダイオード４６によって直流化された商用電源４７からの直流電流とが合流され、合流後にインバータ４８により交流に戻され、例えば、60Hzなどの所定周波数の交流電力を取り出せるように構成されている。
【００４７】
上記構成により、ガスエンジン１からの高温排気ガスとジャケット冷却水を有効利用し、その排熱を電力として回収し、不足分を商用電力で補い、低コストで電力を得ることができるようになっている。
【００４８】
図７は、本発明に係る排熱回収システムの第５実施例の要部を示す概略構成図であり、エンジン燃焼室５１に、排ガスタービン５２によって駆動されるターボコンプレッサー５３と混合器５４およびフィルター５５を介装した燃料ガス供給管５６が接続されている。
【００４９】
燃料ガス供給管５６のエンジン燃焼室５１とターボコンプレッサー５３との間に熱交換器５７が設けられ、この熱交換器５７に、復水器１０から高温蒸気発生装置５に至る第１の循環配管８が導入されている。
【００５０】
上記構成により、復水器１０からの冷水（温度８℃）を利用してエンジン燃焼室５１に供給される空気または燃料ガスと空気の混合物を冷却し、その体積効率を向上させることによって、エンジン出力および効率を向上できるようになっている。同時に高温側蒸気タービン９を駆動するシステム側から見れば、高温蒸気発生装置５に送られる水が給水加熱されることとなり、タービン系全体としての効率向上に繋がる。
【００５１】
図８は、本発明に係る排熱回収システムの第６実施例を示す概略構成図であり、冷媒−吸収剤系である二成分系混合流体として、吸収剤が蒸発しないアンモニア−硝酸リチウム溶液を用いている。
これにより、再生器１４から凝縮器２１への蒸気取り出し配管６１に精溜塔を設けずに済むようにして構成の簡略化を図っている。
そして、凝縮器２１と低温蒸気発生装置６とが、ポンプ６２を介装したポンプ配管６３を介して接続され、凝縮器２１から低温側蒸気タービン１６に、タービン作動媒体としてアンモニア溶液のみを供給するように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００５２】
図９は、本発明に係る排熱回収システムの第７実施例を示す概略構成図であり、低温側蒸気タービン１６と吸収器１７とを接続する配管７１の途中箇所に貯湯槽７２が介装され、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気との熱交換により、給湯用の湯を得るように構成されている。
すなわち、給湯用の湯としては、50〜55℃程度の温度で有れば十分である。これに対して、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気は、アンモニアまたはアンモニア−水系であるために、その温度が60〜70℃程度である。このことに着目し、低温側蒸気タービン１６から排出される蒸気の熱を有効に活用できるように構成している。
【００５３】
吸収器１７から再生器１４への戻し配管２０と、再生器１４から吸収器１７への還り配管７３とが熱交換器７４に通されるように構成され、再生器１４に戻す液化した２成分系混合流体を加熱できるように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００５４】
図１０は、本発明に係る排熱回収システムの第８実施例を示す概略構成図であり、クーリングタワー８１からの冷却水の冷却用配管８２が、吸収器１７から凝縮器２１にわたって循環接続されている。
【００５５】
冷却用配管８２は、クーリングタワー８１から吸収器１７にわたる、ポンプ８３を介装した第１の冷却用配管８２ａと、吸収器１７から凝縮器２１にわたる第２の冷却用配管８２ｂと、凝縮器２１からクーリングタワー８１にわたる第３の冷却用配管８２ｃとから構成されている。
【００５６】
第１の冷却用配管８２ａに、流路切換弁８４を介して分岐冷却用配管８５が接続され、この分岐冷却用配管８５が、蒸発器２２から復水器１０を経て第３の冷却用配管８２ｃに接続されている。
【００５７】
冷媒配管３０に開閉弁８６が設けられ、更に、第３の冷却用配管８２ｃと、第１の冷却用配管８２ａの流路切換弁８４よりも下流側箇所とがポンプ付き配管８７を介して接続されるとともに、そのポンプ付き配管８７に、暖房装置８８の暖房用コイル８９が介装されている。
【００５８】
上記構成により、冬期において、開閉弁８６を閉じるとともに、蒸発器２２側に冷却水を流すように流路切換弁８４を切り換え、クーリングタワー８１からの冷却水を蒸発器２２→復水器１０→クーリングタワー８１と流すとともに凝縮器２１を経た冷却水を暖房用コイル８９に供給し、復水器１０をクーリングタワー８１からの冷却水によって冷却するとともに、凝縮器２１を経た冷却水によって暖房を行えるようになっている。
【００５９】
すなわち、復水器１０をクーリングタワー８１からの冷却水によって冷却することにより、吸収器１７に供給する冷却水の温度を自由に設定できるようにし、凝縮器２１を経た冷却水として、暖房を十分に行える40℃以上の温度の冷却水を得られるようにしている。
【００６０】
また、分岐冷却用配管８５の復水器１０よりも下流側箇所に、過給機９０の給気管９１との熱交換部９２が介装されて過給機９０のアフタークーラーに構成され、復水器１０から高温側蒸気タービン９に供給される水の温度のいかんにかかわらず、アフタークーラーでの冷却温度を必要な温度に調整できるように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付してその説明は省略する。
【００６１】
次に、第１実施例の排熱回収システムを用いて行ったコンピュータシミュレーションの結果について説明する。
【００６２】
ガスエンジン１としては、空気比が2.10の1000kw希薄ガスエンジンを用い、燃料ガスとして１３Ａガスを256Nm3/h（発熱量9930kcal/Nm3、出力2956kw）供給するように設定した。
【００６３】
そして、ジャケット冷却水の熱量を678kw 、温度を90℃に設定し、排気ガスの温度は 416.5℃とした。高温側蒸気タービン９および低温側蒸気タービン１６それぞれの飽和圧力は、いずれも50kg/cm2である。
【００６４】
また、吸収式冷凍機における蒸発器２２の温度は４℃、再生器１４の温度は85℃、吸収器１７および凝縮器２１の温度はいずれも35℃であった。また、高温蒸気発生装置５側の復水器１０の温度は８℃で、ピンチポイント温度差は25℃であった。
それらの結果、高温側蒸気タービン９の出力が126kw、低温側蒸気タービン１６の出力が55kwで、合計出力は 181kwであった。
【００６５】
上記結果と、前述従来例で説明した高温排気ガスのみによって蒸気タービンを駆動する場合、および、２成分系混合流体を用いた公報例の場合と比較すると、前者に対しては約35％、後者に対しては約17％出力を向上できることが判った。 また、排熱回収の面でも、冷房専用モードで、２成分系混合流体を用いた公報例の場合に比べて10％以上回収量を増大できた。
【００６６】
上記実施例において、低温側蒸気タービン１６の能力としては、高温側蒸気タービン９の能力の１／２〜１に設定するのが好ましい。
【００６７】
上述実施例のガスエンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のガスエンジンを用いることができる。また、本発明としては、燃料電池を併用してその高温排熱や低温排熱をも回収するように構成した排熱回収システムにも好適に適用できる。
【００６８】
また、上記実施例では、ガスエンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、ガスエンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、蒸発器に溜まった冷媒を復水器に直接導入するから、例えば、中間に熱交換器を介在させて間接的に冷却する場合に比べて、復水器内の水温をより低下でき、高温側蒸気タービンの圧力比を大きくすることができるから、高温側蒸気タービンの出力を一層向上できるようになった。
【００７０】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給することにより蒸発器で得られる冷水量を増加するから、例えば、低温排熱源からの排熱を流す第２の循環配管に対して熱交換器を設けて、高温排熱源からの排熱と間接的に熱交換させる場合に比べ、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大でき、例えば、冷房負荷が増大したときなど、冷熱エネルギーの需要量が増大したときにも良好に対応でき、実用面で優れる。
【００７１】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムによれば、高温排熱源からの排熱の高温部により発生させた水蒸気で高温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気とする利点を生かし、単位重量当たりのタービン出力を向上できるようになった。
また、高温排熱源から高温蒸気発生装置を通過させた後の排熱、すなわち、高温排熱源からの低温部により発生させた２成分系混合流体の蒸気で低温側蒸気タービンを駆動するから、タービン駆動源を水蒸気よりも低温で蒸発可能な２成分系混合流体とする利点を生かし、低温域から有効に蒸気を発生させることができ、排熱回収量を大幅に増大できるようになった。
そのうえ、高温排熱源からの排熱エネルギーの低温部と低温排熱源からの排熱エネルギーとを、低温側蒸気タービンの駆動と吸収式冷凍機の熱源とに有効に利用するから、全体として、低温排熱源および高温排熱源のいずれからの排熱をも効率良く回収できるようになった。
しかも、通常時には、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、一方、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収するから、例えば、高温排熱源で得られる排熱量が減少して高温蒸気発生装置で蒸発する水蒸気量が減少し、充分な出力が得られないまま高温側蒸気タービンを駆動するといったロスを無くすことができ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止できるようになった。
また、請求項４に係る発明の排熱回収システムによれば、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、低温蒸気発生装置で発生させた２成分系混合流体の蒸気を再生器に直接供給することにより蒸発器で得られる冷水量を増加するから、例えば、低温排熱源からの排熱を流す第２の循環配管に対して熱交換器を設けて、高温排熱源からの排熱と間接的に熱交換させる場合に比べ、吸収式冷凍機から取り出せる冷熱エネルギー量を増大でき、例えば、冷房負荷が増大したときなど、冷熱エネルギーの需要量が増大したときにも良好に対応でき、実用面で優れる。
【００７２】
また、請求項５に係る発明の排熱回収システムによれば、請求項１、２、４に係る発明の排熱回収システムにおいて、通常時には、高温側蒸気タービンおよび低温側蒸気タービンの両者から電力や動力を回収し、一方、高温排熱源で得られる排熱量が減少した場合には、低温側蒸気タービンだけを駆動して電力や動力を回収するから、例えば、高温排熱源で得られる排熱量が減少して高温蒸気発生装置で蒸発する水蒸気量が減少し、充分な出力が得られないまま高温側蒸気タービンを駆動するといったロスを無くすことができ、高温排熱源での排熱発生量の変動に起因する蒸気タービン出力の低下を防止できるようになった。
【００７３】
また、請求項６に係る発明の排熱回収システムによれば、蒸発しない吸収剤を使用するという合理的な構成を採用することにより、冷媒と吸収剤との分離のための精溜塔を不要にできるから、システム構成を簡単にできてイニシャルコストを低減できるようになった。
【００７４】
また、請求項７に係る発明の排熱回収システムによれば、水封装置と配管を設けるだけでありながら、低温側蒸気タービンの軸受部から漏れたアンモニア水を高温排熱配管に送って蒸発させるから、簡単な構成の付加によりアンモニア臭の外部への発散を防止できて環境衛生面で優れる。同時に又、ガスエンジンのＮＯｘを取り去ることができる。
【００７５】
また、請求項８に係る発明の排熱回収システムによれば、復水器で得られる冷水を利用して、ガスエンジンに供給される空気または燃料ガスと空気の混合物を冷却するから、体積効率の高いエンジンを設計でき、エンジン出力および効率を向上できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】 水封装置を示す要部の拡大断面図である。
【図３】 本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図である。
【図４】 本発明に係る排熱回収システムの第３実施例を示す概略構成図である。
【図５】 デューリング線図である。
【図６】 本発明に係る排熱回収システムの第４実施例を示す概略構成図である。
【図７】 本発明に係る排熱回収システムの第５実施例を示す概略構成図である。
【図８】 本発明に係る排熱回収システムの第６実施例を示す概略構成図である。
【図９】 本発明に係る排熱回収システムの第７実施例を示す概略構成図である。
【図１０】 本発明に係る排熱回収システムの第８実施例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…ガスエンジン
４…高温排熱配管としての排ガス供給管
５…高温蒸気発生装置
６…低温蒸気発生装置
８…第１の循環配管
９…高温側蒸気タービン
１０…復水器
１３…第２の循環配管
１４…再生器
１５…第３の循環配管
１６…低温側蒸気タービン
１７…吸収器
２１…凝縮器
２２…蒸発器
２５…出力軸
２７…軸受部
２８…水封装置
２９…配管
３０…冷媒配管
３１…分岐配管
３３…バイパス配管
３４…切り換え手段を構成する第１の開閉弁
３５…切り換え手段を構成する第２の開閉弁
５７…熱交換器
Claims (8)
150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記蒸発器(22)に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管(30)を接続し、前記冷媒配管(30)を冷却用として復水器(10)に導入したことを特徴とする排熱回収システム。
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記蒸発器(22)に、その内部の冷媒を取り出して戻す冷媒配管(30)を接続し、前記冷媒配管(30)を冷却用として復水器(10)に導入したことを特徴とする排熱回収システム。
150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記第３の循環配管 (15)の前記低温蒸気発生装置(6) と前記低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と前記再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続したことを特徴とする排熱回収システム。
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記第３の循環配管 (15)の前記低温蒸気発生装置(6) と前記低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と前記再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続したことを特徴とする排熱回収システム。
150℃よりも低い温度の排熱を発生する低温排熱源と、
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)
とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記高温排熱配管(4) に、前記高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と前記低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えたことを特徴とする排熱回収システム。
150℃よりも高い温度の排熱を発生する高温排熱源とを設け、
前記高温排熱源からの排熱を取り出す高温排熱配管(4) に、水蒸気を発生する高温蒸気発生装置(5) と、水の沸点よりも低く、かつ、前記低温排熱源からの排熱によって蒸発可能な２成分系混合流体の蒸気を発生する低温蒸気発生装置(6)
とをその順に直列接続し、
前記高温蒸気発生装置(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記高温蒸気発生装置(5) で発生した水蒸気によって駆動する高温側蒸気タービン(9) と、前記高温側蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記低温排熱源からの排熱を熱源とするように前記低温排熱源に第２の循環配管(13)を介して再生器(14)を接続し、前記再生器(14)に吸収器(17)と凝縮器(21)と蒸発器(22)とを接続して吸収式冷凍機を構成し、
前記低温蒸気発生装置(6) に第３の循環配管(15)を接続するとともに、前記第３の循環配管(15)に、前記低温蒸気発生装置(6) で発生した低温蒸気によって駆動する低温側蒸気タービン(16)と、前記吸収器(17)とをその順に直列接続し、かつ、前記高温排熱配管(4) に、前記高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と前記低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えたことを特徴とする排熱回収システム。
請求項１に記載の排熱回収システムにおいて、
第３の循環配管 (15)の低温蒸気発生装置(6) と低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続してある排熱回収システム。
第３の循環配管 (15)の低温蒸気発生装置(6) と低温側蒸気タービン(16)との中間箇所と再生器(14)とを分岐配管(31)を介して接続してある排熱回収システム。
請求項１、請求項２または請求項４のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、
高温排熱配管(4) に、高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えた排熱回収システム。
高温排熱配管(4) に、高温蒸気発生装置(5) と並列にバイパス配管(33)を接続するとともに、高温排熱源からの排熱を、前記高温蒸気発生装置(5) に流す状態と低温蒸気発生装置(6) に流す状態とに切り換える切り換え手段(34,35) を備えた排熱回収システム。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、
２成分系混合流体が、冷媒と、蒸発しない吸収剤とから成るものである排熱回収システム。
２成分系混合流体が、冷媒と、蒸発しない吸収剤とから成るものである排熱回収システム。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、
２成分系混合流体が水−アンモニア系混合流体であり、
低温側蒸気タービン(16)の軸受部(27)にアンモニア水の漏洩を防止する水封装置(28)を付設するとともに、高温排熱配管(4) の高温蒸気発生装置(5) よりも上流側箇所と前記水封装置(28)とを配管(29)を介して接続し、前記軸受部(27)からの漏水分を前記水封装置(28)から導入するものである排熱回収システム。
２成分系混合流体が水−アンモニア系混合流体であり、
低温側蒸気タービン(16)の軸受部(27)にアンモニア水の漏洩を防止する水封装置(28)を付設するとともに、高温排熱配管(4) の高温蒸気発生装置(5) よりも上流側箇所と前記水封装置(28)とを配管(29)を介して接続し、前記軸受部(27)からの漏水分を前記水封装置(28)から導入するものである排熱回収システム。
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６または請求項７のいずれかに記載の排熱回収システムにおいて、
高温排熱源がガスエンジン(1) であり、第１の循環配管(8) の復水器(10)と高温蒸気発生装置(5) との間に熱交換器(57)を設け、空気または燃料ガスと空気の混合物を前記熱交換器(57)に通して冷却した後に前記ガスエンジン(1) に供給するように構成してある排熱回収システム。
高温排熱源がガスエンジン(1) であり、第１の循環配管(8) の復水器(10)と高温蒸気発生装置(5) との間に熱交換器(57)を設け、空気または燃料ガスと空気の混合物を前記熱交換器(57)に通して冷却した後に前記ガスエンジン(1) に供給するように構成してある排熱回収システム。
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