JP4375908B2 - 排熱回収システム - Google Patents
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Description
【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す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、この水蒸気で水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、水蒸気を発生させた後の排ガスの温度が 200℃以上もあるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。また、同様に、エンジンからのエンジン冷却後のジャケット冷却水も、その温度が85℃以上あるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。
【0003】
このような問題を解消するものとして、本出願人は、特開平11−350920号公報に開示されるものを提案した。
この公報例のものによれば、図3の従来例の概略構成図に示すように、エンジン01を冷却した後のジャケット冷却水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02で2成分系混合流体のアンモニア蒸気を発生させ、その再生器02で発生した蒸気を吸収冷凍機の作動熱源に利用するように構成している。
【0004】
また、エンジン01からの排気ガスの高温排熱により高温蒸気発生装置03で水蒸気を発生させ、その水蒸気で水蒸気タービン04を駆動するとともに、水蒸気タービン04を経た水蒸気を復水器05に戻すように構成している。
更に、吸収冷凍機の凝縮器06からの低温蒸気成分と吸収器07からの2成分系混合流体との混合液を、熱交換器08により、高温蒸気発生装置03を経た排ガスで加熱し、2成分系混合流体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン09を駆動し、水蒸気タービン04および蒸気タービン09を同軸にして発電機010を駆動するように構成している。
【0005】
そして、吸収冷凍機の蒸発器011において、冷凍用媒体取り出し配管012を介して7〜8℃以下の低温の冷凍用媒体などの冷熱を取り出すようにしている。更に、蒸発器011と復水器05とを冷却水配管013を介して接続し、7〜8℃以下の低温の2成分系混合流体の低温蒸気成分で復水器05を冷却し、水蒸気を水に戻すように構成している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報例の場合、冷熱と動力とを同時に取り出すには都合が良いが、このような構成を動力のみを取り出すのに適用しようとすると、システム構成が高価になって適用しづらい問題があった。
【0007】
すなわち、吸収冷凍機の再生器02において、アンモニアと水とを精度良く分離するための精留器が必要であり、そのような精留器や蒸発器011などの設備に起因して高価になる。また、凝縮器06で凝縮させた2成分系混合流体の低温蒸気成分を蒸発器011を通じ、冷却水配管013を介して復水器05に供給するようにしているが、この配管構成もコスト高の要因になっている。
【0008】
更に、復水器05において、7〜8℃程度まで冷却すると、水蒸気ランキンサイクルを構成する水の場合、復水器05での真空度が必要以上に高くなり、その真空度を維持するためのシール構造や真空ポンプとして高性能のものが必要になって、高価になる。そのうえ、真空度が高い低圧部分では、タービン効率が悪くて動力の取り出しに有効ではない。
【0009】
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、安価な構成で動力を取り出して、排熱を有効に回収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、排熱の回収効率をより高めることが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、低温蒸気タービンの断熱効率をより高めることができるようにすることを目的する。
【0010】
【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、エンジン(1) からの排ガスを取り出す排ガス配管(4) に、排ガスの熱によって水蒸気を発生する水蒸気ボイラ(5) を介装し、前記水蒸気ボイラ(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、前記水蒸気ボイラ(5) で発生した水蒸気によって駆動する水蒸気タービン(9) と、前記水蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す第1の復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管(13)に、ジャケット冷却水の熱によって、水よりも低温で蒸発を開始する2成分系混合流体の気液混合蒸気を発生する蒸気発生装置(14)を介装し、前記蒸気発生装置(14)に第2の循環配管(16)を接続するとともに、前記第2の循環配管(16)に、2成分系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離する分留器(17)と、前記分留器(17)で分離された低温蒸気成分によって駆動する低温蒸気タービン(18)と、前記低温蒸気タービン(18)を経た後の低温蒸気成分を水に戻す第2の復水器(19)とをその順に直列接続し、かつ、前記分留器(17)と前記第2の復水器(19)とを、前記分留器(17)で分離された2成分系混合流体の液成分を前記第2の復水器(19)に戻す第1の配管(20)を介して接続し、
前記水蒸気タービン(9) および前記低温蒸気タービン(18)に駆動装置(22)を連動連結し、
前記排ガス配管(4) の前記水蒸気ボイラ(5) の下流側に、前記水蒸気ボイラ(5) を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ(23)を介装し、前記低温蒸気ボイラ(23)に、前記第2の復水器(19)と前記分留器(17)とを接続する第2の配管(24)を伝熱可能に設けて構成する。
【0011】
水よりも低温で蒸発を開始する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、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を熱源とする蒸気発生装置(14)で、混合流体から低温蒸発成分の蒸気を、すなわち、低温蒸気成分を発生できればよく、主成分以外に若干の第三成分を含んでいてもよい。
【0012】
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、請求項1に係る発明の排熱回収システムにおいて、第2の循環配管(16)の第2の復水器(19)と蒸気発生装置(14)との間の箇所と、第1の配管(20)とにわたり、前記第2の復水器(19)に戻される液成分の熱を前記蒸気発生装置(14)に供給される2成分系混合流体に付与する予熱用熱交換器(25)を設けて構成する。
【0013】
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、請求項1または請求項2に記載の排熱回収システムにおいて、第2の配管(24)の低温蒸気ボイラ(23)と分留器(17)との間の箇所と、第2の循環配管(16)の前記分留器(17)と低温蒸気タービン(18)との間の箇所とにわたり、前記分留器(17)から前記低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を加熱する過熱用熱交換器(31)を設けて構成する。
【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、エンジン(1) からの排ガスの高温部分の熱を利用して水蒸気ボイラ(5) で水蒸気を発生させ、その水蒸気によって水蒸気タービン(9) を駆動して駆動装置(22)を駆動し、例えば、電力や動力などを取り出すことができる。
また、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水の熱を利用して蒸気発生装置(14)で2成分系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、その2成分系混合流体の気液混合蒸気を分留器(17)に供給して低温蒸気成分を取り出し、更に、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後のエンジン(1) からの排ガス、換言すれば、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱を利用して低温蒸気ボイラ(23)で第2の復水器(19)からの2成分系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、その気液混合蒸気をも分留器(17)に供給して気液混合蒸気から低温蒸気成分を取り出し、それらの合流させた低温蒸気成分により低温蒸気タービン(18)を駆動して駆動装置(22)を駆動し、例えば、電力や動力などを取り出すことができる。
【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、分留器(17)から第2の復水器(19)に戻される液成分の熱を利用して蒸気発生装置(14)に供給される2成分系混合流体を加熱することができる。
【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、低温蒸気ボイラ(23)から分留器(17)に供給される気液混合蒸気の熱を利用して、分留器(17)から低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を過熱用熱交換器(31)で加熱し、低温蒸気タービン(18)に過熱蒸気を供給することができる。
【0017】
【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、過給機TCを備えたエンジン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。
【0018】
過給機TCに排ガス配管4が接続され、その排ガス配管4に水蒸気ボイラ5が介装され、エンジン1から取り出される排ガスの熱によって水蒸気を発生するように構成されている。図中6は、NOx成分を除去する脱硝装置を示している。
【0019】
水蒸気ボイラ5に第1のポンプ7を介装した第1の循環配管8を接続するとともに、第1の循環配管8に、水蒸気タービン9と第1の復水器10とをその順に直列接続して水蒸気のランキンサイクルが構成されている。
これにより、水蒸気ボイラ5で発生した水蒸気によって水蒸気タービン9を駆動するとともに、水蒸気タービン9を経た後の水蒸気を第1の復水器10で水に戻すようになっている。
【0020】
過給機TCからエンジン1に燃焼用空気を供給する給気管11に第1および第2のインタークーラーC1,C2が設けられ、その第1のインタークーラーC1に、第1の循環配管8の水蒸気タービン9と第1の復水器10との中間箇所が導入され、第1の復水器10から水蒸気タービン9に供給される水の冷熱を燃焼用空気の冷却に利用するように構成されている。また、第2のインタークーラーCには冷却水供給管26が導入され、第1のインタークーラーC1で所望の冷却が行えないときに不足分の冷却を行うようになっている。
【0021】
第2のポンプ12を介装した、エンジン1からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管13に、蒸気発生装置14を介装し、その蒸気発生装置14に、第3のポンプ15を介装した第2の循環配管16を接続するとともに、第2の循環配管16に、分留器17と低温蒸気タービン18と第2の復水器19とをその順に直列接続して、水よりも低温で蒸発を開始する2成分系混合流体としてのアンモニア−水系混合流体による動力回収サイクルが構成されている。
【0022】
これにより、ジャケット冷却水の熱によって、蒸気発生装置14でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、分留器17でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離し、低温蒸気成分によって低温蒸気タービン18を駆動するとともに、低温蒸気タービン18を経た後の低温蒸気成分を第2の復水器19で水に戻すようになっている。
【0023】
分留器17と第2の復水器19とが第1の配管20を介して接続され、分留器17で分離されたアンモニア−水系混合流体の液成分を第2の復水器19に戻すようになっている。
【0024】
水蒸気タービン9および低温蒸気タービン18が同一の動力取出軸21に設けられ、その動力取出軸21に駆動装置としての発電機22が連動連結されている。駆動装置としては、発電機22に限らず、ポンプや圧縮機や各種の機械装置が適用できる。また、水蒸気タービン9および低温蒸気タービン18それぞれに個別に動力取出軸を設け、その動力取出軸それぞれに個別に駆動装置を連動連結するようにしても良い。
【0025】
排ガス配管4の水蒸気ボイラ5の下流側に、水蒸気ボイラ5を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ23が介装され、その低温蒸気ボイラ23に、第2の循環配管16の第3のポンプ15の下流箇所と分留器17とを接続する第2の配管24が伝熱可能に接続され、水蒸気ボイラ5を経た後の排ガスからの排熱(約 200℃)によってアンモニア−水系混合流体の高温の気液混合蒸気を発生させ、分留器17に供給するようになっている。
【0026】
この構成により、分留器17に、ジャケット冷却水の熱により蒸気発生装置14で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気と、水蒸気ボイラ5を経た後の排ガスからの排熱(約 200℃)により低温蒸気ボイラ23で発生させたアンモニア−水系混合流体の高温の気液混合蒸気とを混合し、低温蒸気タービン18に高温の蒸気を供給して断熱効率を向上し、出力を増加できるようになっている。
【0027】
第2の循環配管16の第2の復水器19と蒸気発生装置14との間の箇所と、第1の配管20とにわたって予熱用熱交換器25が設けられ、第2の復水器19に戻される液成分の熱を蒸気発生装置14に供給されるアンモニア−水系混合流体に付与し、排熱回収効率を向上できるように構成されている。
【0028】
第1および第2の復水器10,19、ならびに、クーラーCそれぞれには、クーリングタワーからの冷却水供給管26が導入されている。
【0029】
次に、上記第1実施例の排熱回収システムのシミュレーションの結果について説明する。
出力 6,000kwで効率40%、空気比 1.7のエンジン1を用い、低温蒸気ボイラ23への入口での排ガス温度が 200℃、ジャケット冷却水から蒸気発生装置14への入熱がエンジン1の入力エネルギーの20%であるとした。また、低温蒸気タービン18の断熱効率が80%、発電機22の発電効率が90%であるとした。
【0030】
上記の結果、低温蒸気タービン18(水蒸気タービン9を除く)で得られる発電量は、エンジン1の入力エネルギーの約 2.5%であった。これは、本出願人が先に提案した排熱回収システム(特願2000−397350号)に比べて 0.5%向上できることが明らかであった。
先に提案した排熱回収システムは、低温蒸気ボイラ(熱交換器)23で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気を分留器に供給して低温蒸気成分を分離した後、凝縮器で液化し、その低温蒸気成分の液を予熱用熱交換器29の上流側に供給し、蒸気発生装置14で発生する蒸気量を増大させるように構成したものである。この提案例の場合、低温蒸気ボイラ(熱交換器)23で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気が高温であるにもかかわらず、それを凝縮器で冷却する分だけ、回収する熱エネルギー量が減少したものと推定される。
【0031】
図2は、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り、第1実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第2の配管24の低温蒸気ボイラ23と分留器17との間の箇所と、第2の循環配管16の分留器17と低温蒸気タービン18との間の箇所とにわたって過熱用熱交換器31が設けられ、分留器17から低温蒸気タービン18に供給する低温蒸気成分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、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【0032】
この第2実施例によれば、低温蒸気タービン18に供給する蒸気を過熱蒸気とすることができ、低温蒸気タービン18の断熱効率を一層向上できて出力を一層増加できる。
【0033】
上述エンジン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。
【0034】
また、上記実施例では、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、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。
【0035】
特許請求の範囲、課題を解決するための手段、作用および効果それぞれにおいて、内容をわかりやすくするために参照用として図番を付したが、そのことに制約されるものではない。
【0036】
【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、エンジン(1) からの排ガスの高温部分の熱により発生させた水蒸気で水蒸気タービン(9) を駆動して駆動装置(22)を駆動し、電力や動力を取り出すから、エンジン(1) からの排熱を有効に回収できる。
また、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水の熱により蒸気発生装置(14)で発生させた2成分系混合流体の気液混合蒸気と、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後の、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱を利用して、低温蒸気ボイラ(23)で発生させた2成分系混合流体の気液混合蒸気とにより低温蒸気タービン(18)を駆動して駆動装置(22)を駆動し、電力や動力を取り出すから、従来のような高価な精留器や蒸発器などを用いずに、安価な構成で動力を取り出して、エンジン(1) からの排熱を有効に回収できる。
しかも、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後の、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱は、低温部分といっても約 200℃程度はあり、ジャケット冷却水の熱で発生させる2成分系混合流体の気液混合蒸気よりも高温で、それらを合流して分留器(17)で取り出される蒸気を高温にでき、低温蒸気タービン(18)に高温の蒸気を供給して断熱効率を高くでき、その出力を増加できる。
【0037】
また、請求項2に係る発明の排熱回収システムによれば、分留器(17)から第2の復水器(19)に戻される液成分の熱を、蒸気発生装置(14)に供給される2成分系混合流体の加熱に利用するから、排熱の回収効率をより高めることができる。
【0038】
また、請求項3に係る発明の排熱回収システムによれば、低温蒸気ボイラ(23)から分留器(17)に供給される気液混合蒸気の熱を利用して、低温蒸気タービン(18)に過熱蒸気を供給するから、低温蒸気タービン(18)の断熱効率を一層良好に高くできて、その出力を一層増加できる。
【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】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3】従来例の排熱回収システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
1…エンジン
4…排ガス配管
5…水蒸気ボイラ
8…第1の循環配管
9…水蒸気タービン
10…第1の復水器
13…冷却水配管
14…蒸気発生装置
16…第2の循環配管
17…分留器
18…低温蒸気タービン
19…第2の復水器
20…第1の配管
21…動力取出軸
22…駆動装置としての発電機
23…低温蒸気ボイラ
24…第2の配管
25…予熱用熱交換器
31…過熱用熱交換器
Claims (3)
- エンジン(1) からの排ガスを取り出す排ガス配管(4) に、排ガスの熱によって水蒸気を発生する水蒸気ボイラ(5) を介装し、前記水蒸気ボイラ(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、前記水蒸気ボイラ(5) で発生した水蒸気によって駆動する水蒸気タービン(9) と、前記水蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す第1の復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管(13)に、ジャケット冷却水の熱によって、水よりも低温で蒸発を開始する2成分系混合流体の気液混合蒸気を発生する蒸気発生装置(14)を介装し、前記蒸気発生装置(14)に第2の循環配管(16)を接続するとともに、前記第2の循環配管(16)に、2成分系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離する分留器(17)と、前記分留器(17)で分離された低温蒸気成分によって駆動する低温蒸気タービン(18)と、前記低温蒸気タービン(18)を経た後の低温蒸気成分を水に戻す第2の復水器(19)とをその順に直列接続し、かつ、前記分留器(17)と前記第2の復水器(19)とを、前記分留器(17)で分離された2成分系混合流体の液成分を前記第2の復水器(19)に戻す第1の配管(20)を介して接続し、
前記水蒸気タービン(9) および前記低温蒸気タービン(18)に駆動装置(22)を連動連結し、
前記排ガス配管(4) の前記水蒸気ボイラ(5) の下流側に、前記水蒸気ボイラ(5) を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ(23)を介装し、前記低温蒸気ボイラ(23)に、前記第2の復水器(19)と前記分留器(17)とを接続する第2の配管(24)を伝熱可能に設けてある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2の循環配管(16)の第2の復水器(19)と蒸気発生装置(14)との間の箇所と、第1の配管(20)とにわたり、前記第2の復水器(19)に戻される液成分の熱を前記蒸気発生装置(14)に供給される2成分系混合流体に付与する予熱用熱交換器(25)を設けてある排熱回収システム。 - 請求項1または2に記載の排熱回収システムにおいて、
第2の配管(24)の低温蒸気ボイラ(23)と分留器(17)との間の箇所と、第2の循環配管(16)の前記分留器(17)と低温蒸気タービン(18)との間の箇所とにわたり、前記分留器(17)から前記低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を加熱する過熱用熱交換器(31)を設けてある排熱回収システム。
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