JP5155980B2 - ターボコンパウンドシステムおよびその運転方法 - Google Patents
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Description
すなわち、本発明にかかるターボコンパウンドシステムは、エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動される複数の排気タービン過給機と、これら排気タービン過給機の上流側から抽気された排気ガスによって駆動されるパワータービンと、前記エンジン本体の排気ガスを用いた排気ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により電力を発生させる発電機と、前記排気タービン過給機、前記パワータービン及び前記蒸気タービンの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記エンジン本体の機関負荷が所定値以下である場合に、前記排気タービン過給機のうちの少なくとも1台を停止させることにより掃気圧力を上昇させるとともに、需要電力がターボコンパウンドシステムの可能な最大発電出力よりも小さいときには、前記エンジン本体から抽気する排気ガス流量を減少させて前記パワータービンの出力を減少させることによっても掃気圧力を上昇させるターボコンパウンドシステムであって、前記制御部は、需要電力が減少した場合に、前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力を減少させることを特徴とする。
さらに、船内需要電力がターボコンパウンドシステムの可能な最大発電出力よりも小さいときには、エンジン本体から抽気する排ガス量を減少させてパワータービンの出力を減少させるので、抽気する排ガス量を減少させることによって排気タービン過給機へと流れる排ガス量を増大させることで、掃気圧力を上昇させることができる。これにより、エンジン本体が低負荷であっても、掃気圧力を上昇させてエンジン本体の効率を向上させることができる。
また、上記のようにパワータービンの出力を減少させても、排ガスボイラによって熱回収する蒸気タービンによって発電できるので、必要な発電出力を確保することができる。
また、需要電力が減少した場合であっても、蒸気タービンの出力と需要電力との差分を補うようにパワータービンの出力を減少させて、蒸気タービンよりもパワータービンを優先的に出力減少させるので、蒸気タービンの出力を過剰に減少させることを可及的に減らすことができる。これにより、蒸気タービンの出力を過剰に減少させることにより排ガスボイラで生成した蒸気が余剰となり、外部(例えばコンデンサ)へ放出することを回避でき、エンジン本体からの排熱を無駄なく有効に回収することができる。
さらに、本発明のターボコンパウンドシステムの運転方法は、エンジン発電機の駆動により電力を生成する工程を有し、前記需要電力量が前記パワータービン、前記蒸気タービンおよび前記エンジン発電機の駆動により生成可能な最大電力量よりも小さいときには、前記パワータービン出力減少工程を行うことを特徴とする。
さらに、船内需要電力がターボコンパウンドシステムの可能な最大発電出力よりも小さいときには、エンジン本体から抽気する排ガス量を減少させてパワータービンの出力を減少させるので、抽気する排ガス量を減少させることによって排気タービン過給機へと流れる排ガス量を増大させることで、掃気圧力を上昇させることができる。これにより、エンジン本体が低負荷であっても、掃気圧力を上昇させてエンジン本体の効率を向上させることができる。
また、上記のようにパワータービンの出力を減少させても、排ガスボイラによって熱回収する蒸気タービンによって発電できるので、必要な発電出力を確保することができる。
エンジン本体の機関負荷が所定値以下の低負荷領域にある場合に、排気タービン過給機のうちの少なくとも1台を停止させ、さらにエンジン本体から抽気する排ガス量を減少させてパワータービンの出力を減少させることとしたので、掃気圧力を上昇させた上でパワータービンの作動領域を大きくすることができ、省エネルギー性を向上させるだけでなく、エンジン本体の効率をも向上させることができる。
図1に示すように、本実施形態に係る舶用ディーゼル機関1は、ディーゼルエンジン本体(例えば、低速2サイクルディーゼル機関)2と、第1排気タービン過給機(主排気タービン過給機)3と、第2排気タービン過給機(副排気タービン過給機)4と、パワータービン5と、蒸気タービン10と、これらパワータービン5及び蒸気タービン10に対して接続されたタービン発電機25とを備えている。
ケーシングには、一端部をタービン部3a側に突出させ、他端部をコンプレッサ部3bに突出させた回転軸3cが挿通されている。回転軸3cの一端部は、タービン部3aを構成するタービン・ロータ(図示せず)のタービン・ディスク(図示せず)に取り付けられており、回転軸3cの他端部は、コンプレッサ部3bを構成するコンプレッサ羽根車(図示せず)のハブ(図示せず)に取り付けられている。
また、第1排気管L1の途中には、図示しない制御器によって開閉される第1バルブV1が接続されている。また、コンプレッサ3bの出口側には、図示しない制御器によって開閉される第3バルブV3が接続されている。
ケーシングには、一端部をタービン部4a側に突出させ、他端部をコンプレッサ部4bに突出させた回転軸4cが挿通されている。回転軸4cの一端部は、タービン部4aを構成するタービン・ロータ(図示せず)のタービン・ディスク(図示せず)に取り付けられており、回転軸4cの他端部は、コンプレッサ部4bを構成するコンプレッサ羽根車(図示せず)のハブ(図示せず)に取り付けられている。
この排ガスエコノマイザ11には、第1過給機3のタービン部3aおよび第2過給機4のタービン部4aからの排ガスが第6排気管L6を介して導入される。さらに、排ガスエコノマイザ11には、パワータービン5の出口側から第7排気管L7を介して排出される排ガスが導入される。排ガスエコノマイザ11の熱交換部21では、導入された排ガスの熱によって給水管23から供給された水が加熱・蒸発されて蒸気が発生する。熱交換部21で生成された蒸気は第1蒸気管J1を介して蒸気タービン10に導入され、また、この蒸気タービン10で仕事を終えた蒸気は第2蒸気管J2によって排出されて図示しないコンデンサ(復水器)に導かれる。
上述の排ガス量調整弁33および蒸気量調整弁37は、図2を用いて説明するタービン発電機制御装置43によって、その開度が制御される。
以上のようにタービン発電機25は、エンジン本体2の排ガス(燃焼ガス)の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっている。
なお、図2に示したタービン発電機制御装置43は、第1過給機3及び第2過給機4を制御する船内制御装置の一部を構成する。
タービン発電機制御装置43には、タービン発電機25の出力電力を検出する電力センサ45からの信号が入力され、タービン発電機25の回転速度として蒸気タービン10の回転軸29の回転速度を検出する回転センサ49からの信号が入力されている。また、タービン発電機制御装置43には、ディーゼルエンジン発電機60からの出力信号と、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ51からの信号とが入力されている。
図3の横軸は、船内需要電力の定格100%に対する百分率を示している。また、縦軸方向には、下からパワータービン(PT)5,蒸気タービン(ST)10,第1ディーゼルエンジン発電機(DG1)60、第2ディーゼルエンジン発電機(DG2)60が並べられており、それぞれの欄の縦方向は出力を意味する。なお、以下説明する出力制御は一例であり、本実施形態ではパワータービン5、蒸気タービン10、ディーゼルエンジン発電機60の出力がほぼ同等の能力を有する構成を想定しているが、設定出力が異なるシステムにおいては、船内需要電力の制御基準を適宜変更し、負荷分担の最適化を図ることになる。
船内需要電力が25〜50%の場合、船内需要電力の増大に応じて蒸気タービン10及びパワータービン5の出力が漸次増大され、或いは、船内需要電力の減少に応じて蒸気タービン10及びパワータービン5の出力が漸次減少されるようになっている。この場合、パワータービン5の出力は、船内需要電力と蒸気タービン10の出力との差分を補うように増大ないし減少するようになっており、余剰蒸気の生成およびダンプ(コンデンサへの放出)を廃止している。また、船内需要電力を補うように、第1ディーゼルエンジン発電機60が最小出力で立ち上がる。
船内需要電力が50〜75%の場合、蒸気タービン10及びパワータービン5は定格出力を一定に出力する。船内需要電力の増大に応じて第1ディーゼルエンジン発電機60の出力が漸次増大され、或いは、船内需要電力の減少に応じて第1ディーゼルエンジン発電機60の出力が漸次減少されるようになっている。
船内需要電力が75〜100%の場合、蒸気タービン10及びパワータービン5並びに第1ディーゼルエンジン発電機60は定格出力を一定に出力する。船内需要電力の増大に応じて第2ディーゼルエンジン発電機60の出力が漸次増大され、或いは、船内需要電力の減少に応じて第2ディーゼルエンジン発電機60の出力が漸次減少されるようになっている。
図4の横軸はエンジン本体2の機関負荷を示し、縦軸は掃気圧力を示す。
同図に示されているように、エンジン本体2の機関負荷が所定値A以下の低負荷領域の場合には、第2過給機4のみを単独運転するように第1過給機3を停止させる。そして、エンジン本体2の機関負荷が所定値Aよりも高い場合には、第1過給機3と第2過給機4とを並列運転させる。すなわち、機関負荷が所定値以下の場合には、制御器によって第1バルブV1および第3バルブV3が閉塞されて、第1過給機3が作動(運転)しないようになっており、機関負荷が所定値Aよりも高い場合には、制御器によって第1バルブV1および第3バルブV3が開放されて、第1過給機3が通常運転するようになっている。なお、第1バルブV1および第3バルブV3の開閉は、機関負荷に応じて制御器が自動的に行っている。
これに対して、本実施形態のように機関負荷に応じて過給機の運転台数の切替えを行うシーケンシャル過給方式のターボコンパウンドシステムの掃気圧力の変化が実線L1にて示されている。同図に示されているように、低負荷領域では、第1過給機3を停止させるので、その分だけ第2過給機4に流入する排ガス流量が増加して、第2過給機4からエンジン本体2へと供給される掃気圧力が上昇する。したがって、パワータービン5が起動可能となり排熱回収可能となる最低掃気圧力Pmimを満たす最小機関負荷が、通常のターボコンパウンドシステムを示す破線L0上のB点から、本実施形態のシーケンシャル過給方式ターボコンパウンドシステムを示す実線L1上のC点へと低負荷側に移動し、パワータービン5の運転可能領域が拡大する。なお、パワータービン5が起動可能となり排熱回収可能となる最低掃気圧力は、パワータービン5が安定的に動作する圧力から得られ、例えば、クラッチ31(図1参照)が嵌脱する回転数を基準として求められる。
エンジン本体2の機関負荷が所定値A以下の低負荷領域にある場合には、第1過給機3を停止させるので、その分だけ第2過給機4に流入する排ガス流量が増加して、第2過給機4からエンジン本体2へと供給される掃気圧力が上昇することとなる。これにより、エンジン本体2の低負荷領域でも、パワータービン5が起動可能となり排熱回収可能となる最低掃気圧力Pminが得られるので、エンジン本体2からの排熱エネルギーを動力(発電量)として有効に回収することができ、さらなる省エネルギー化を図ることができる。
また、本実施形態では、舶用のターボコンパウンドシステムについて説明したが、陸上用のターボコンパウンドシステムとしても用いることができる。
2 エンジン本体
3 第1過給機(排気タービン過給機)
4 第2過給機(排気タービン過給機)
5 パワータービン
10 蒸気タービン
11 排ガスエコノマイザ(排ガスボイラ)
25 タービン発電機
Claims (3)
- エンジン本体から導かれた排気ガスによって駆動される複数の排気タービン過給機と、
これら排気タービン過給機の上流側から抽気された排気ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記エンジン本体の排気ガスを用いた排気ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により電力を発生させる発電機と、
前記排気タービン過給機、前記パワータービン及び前記蒸気タービンの動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記エンジン本体の機関負荷が所定値以下である場合に、前記排気タービン過給機のうちの少なくとも1台を停止させることにより掃気圧力を上昇させるとともに、需要電力がターボコンパウンドシステムの可能な最大発電出力よりも小さいときには、前記エンジン本体から抽気する排気ガス流量を減少させて前記パワータービンの出力を減少させることによっても掃気圧力を上昇させるターボコンパウンドシステムであって、
前記制御部は、需要電力が減少した場合に、前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力を減少させることを特徴とするターボコンパウンドシステム。 - エンジン本体から排出された排気ガスによって複数の排気タービン過給機を駆動する工程と、
前記複数の排気タービン過給機の上流側から抽気された排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
前記エンジン本体から排出された排気ガスを用いて蒸気を生成する工程と、
該排気ガスボイラで生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、
前記パワータービン、及び前記蒸気タービンの駆動により電力を生成する工程と、
前記エンジン本体の機関負荷が所定値以下である場合に、前記排気タービン過給機のうちの少なくとも1台を停止させることにより掃気圧力を上昇させる工程と、
需要電力量が前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により生成可能な最大電力量よりも小さいときには、前記パワータービンに流入する排気ガス流量を減少させて前記パワータービンの出力を減少させることにより掃気圧力を上昇させるパワータービン出力減少工程と、
需要電力が減少した場合に、前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力を減少させる工程と、
を有することを特徴とするターボコンパウンドシステムの運転方法。 - エンジン発電機の駆動により電力を生成する工程を有し、
前記需要電力量が前記パワータービン、前記蒸気タービンおよび前記エンジン発電機の駆動により生成可能な最大電力量よりも小さいときには、前記パワータービン出力減少工程を行うことを特徴とする請求項2に記載のターボコンパウンドシステムの運転方法。
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