JP7178159B2 - エネルギー回収装置の制御方法 - Google Patents
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Description
この3次規制の対応のため、ディーゼル主機関の脱硝装置として排ガス再循環装置(Exhaust Gas Recirculation:以下、EGR)が採用される場合がある。
しかし、EGRを備えた船舶は、3次規制が適用されない海域(非規制海域)において、余剰排ガスが大量に発生し、エネルギー効率が低下する。
そこで、排ガスエネルギーを回収する手段として、例えば特許文献1が開示されている。
(1)過給機の排ガス全量がパワータービン発電機に流入するため、パワータービン発電機が大型化する。
(2)過給機により排ガスが減圧されているため、パワータービン発電機による発電出力が小さい。
(3)過給機の排ガス全量がパワータービン発電機に流入するため、パワータービン発電機を単独で停止できない。
(4)パワータービン発電機により過給機の背圧が高くなり、過給機の性能が低下する。
前記過給ラインに設けられ前記排気マニホールドから排出される排ガスのエネルギーにより吸気を圧縮し前記エンジンの掃気マニホールドに供給する過給機と、
前記発電ラインに設けられ、前記排気マニホールドから排出される排ガスのエネルギーにより発電するパワータービン発電機と、
前記発電ラインに設けられ、前記排気マニホールドから前記パワータービン発電機に供給する排ガスの流量を制御する発電制御弁と、
前記排気ラインに設けられ前記排気マニホールドから排ガスを外部に排気する排気弁と、
前記発電制御弁及び前記排気弁を制御する制御装置と、を備える、エネルギー回収装置の制御方法であって、
前記制御装置に掃気マニホールド内の掃気圧の適正範囲内の下限圧とリリーフ圧を記憶し、
前記エンジンの運転中に、前記掃気圧を検出して、前記下限圧及び前記リリーフ圧と比較し、
前記掃気圧が下限圧未満のときに、前記発電制御弁及び前記排気弁を全閉し、
前記掃気圧が下限圧以上のときに、前記発電制御弁を開いて前記パワータービン発電機の発電出力を制御し、
前記掃気圧がリリーフ圧以上のときに、前記発電制御弁を開いて前記パワータービン発電機の前記発電出力を制御し、かつ前記排気弁を開いて前記排気マニホールドを減圧し、
前記パワータービン発電機が過電流により遮断されたときに、前記排気弁の全開と前記発電制御弁の全閉を同時に実施し、かつ軸ブレーキにより前記パワータービン発電機のタービンの回転を制動する、エネルギー回収装置の制御方法が提供される。
従って、過給機の排ガスは、パワータービン発電機を経由せずに直接外部に排気されるので、過給機の背圧が上昇せず、過給機の性能低下を防止できる。
この図において、エネルギー回収装置100は、過給ライン10、発電ライン12、排気ライン14、過給機20、パワータービン発電機30、及び制御装置50を備える。
エンジン1は、船舶の主機関であり、この例ではディーゼル機関である。以下、エンジン1を単に「主機関」と呼ぶ。
エンジン1の負荷データは、制御装置50にリアルタイムに入力される。負荷データとして、例えば軸出力、燃料投入量インデックス、掃気圧、過給機回転数、もしくはこれらの数値の複数により演算した数値が用いられる。
過給機20には、その回転数、入口圧力、及び入口温度を検出するセンサ(図示せず)が設けられ、それらの検出データは制御装置50にリアルタイムに入力される。
排ガス入口管10aは、排気マニホールドM1とタービン20aの入口を連通する。排ガス出口管10bは、タービン20aの出口と外部の排ガス放出部(例えばスタック等)を連通する。吸気入口管10cはコンプレッサ20bの入口と外部の吸気取込部(例えばエアフィルタ)を連通する。吸気出口管10dは、コンプレッサ20bの出口とエンジン1の掃気マニホールドM2を連通する。
発電ライン12は、排ガス供給管12aと排ガス排出管12bを有する。
この構成により、パワータービン発電機30(PTG)は、排気マニホールドM1から排出される排ガスのエネルギーにより発電する。
この例で、PTGは、さらにパワータービン30aの回転を制動する軸ブレーキ30dを備える。
排気弁V2が、排気ライン14に設けられ排気マニホールドM1から排ガスを外部に排気する。排気弁V2は、遠隔制御可能な流量調節弁であることが好ましいが、遠隔制御可能な開閉弁(例えばバタフライ弁)であってもよい。
制御装置50は、掃気マニホールド内の掃気圧の適正範囲内の下限圧PLとリリーフ圧PHを記憶し、以下の制御を実施する。
(A)掃気圧が下限圧PL未満のときに、発電制御弁V1及び排気弁V2を全閉する。
(B)掃気圧が下限圧PL以上のときに、発電制御弁V1を開いてPTGの発電出力を制御する。
(C)掃気圧がリリーフ圧PH以上のときに排気弁V2を開いて排気マニホールドM1を減圧する。
排ガス再循環ライン16は、排ガス入口管16aと排ガス出口管16bを有する。排ガス入口管16aと排ガス出口管16bには入口流量制御弁V3と出口流量制御弁V4がそれぞれ設けられ、そこを流れる排ガスの流量を制御する。
この構成により、排気マニホールドM1から排ガスを取り出し、これをEGRで処理し、掃気マニホールドM2に戻すことにより燃焼空気の酸素濃度を下げて、NOx生成を削減することができる。
そのため、規制海域ではEGRを使用し、非規制海域ではEGRを停止して運用することで、3次規制を満たしかつ船舶のエネルギー効率を高めることができる。
クリーン運転モードでは、排ガス中のNOx濃度が第1閾値以下になるように排ガス再循環装置40(EGR)を運転する。第1閾値は、例えば3次規制に適合するように設定する。クリーン運転モードは、好ましくは、3次規制が適用される規制海域で使用する。
発電運転モードでは、EGRによる排ガスの循環量を低減し、余剰の排ガスをPTGに供給して発電する。発電運転モードは、好ましくは、非規制海域で使用する。なお、発電運転モードにおいて、EGRを完全に停止してもよい。
入口流量制御弁V3と出口流量制御弁V4は、クリーン運転モード及び発電運転モードにおいて、その開度が制御される。
この図において、本発明の制御方法は、上述したエネルギー回収装置100を用い、S1~S5の各ステップ(工程)を有する。ステップS1~S5は、エンジン1の運転中、繰り返し実施する。
なお、排気弁V2が流量調節弁である場合、掃気圧がリリーフ圧PH以上のときに、エンジン1の負荷、掃気圧、過給機20の回転数、入口圧力、入口温度のいずれかもしくは複数が所定の設定値以下にならないように、排気弁V2の開度を調整するのがよい。
すなわち、クリーン運転モードにおいても、余剰排ガスが発生する限り、発電制御弁V1を開いてPTG30で発電する。これにより、発電した電力は、船内で有効利用することができる。
図3(A)は、主機関負荷率と排ガス量との関係図である。排ガス量は、主機関負荷率の上昇にほぼ比例して増加する。主機関の常用域は、例えば図に斜線で示す75~85%である。
排ガス温度は、一般的には低負荷から中負荷において上昇し、中負荷域では過給機効率の上昇とともに一定となり、高負荷域では、過給機20をバイパスすることから飛躍的に上昇する。
しかし、常用域を超える負荷で主機関を運転する頻度は一般的に低く、むしろ減速航海により常用域より低い40~70%程度の負荷で運転されることが多い。そのため、先行文献1のように主機関の100%負荷に合わせて設定したPTGでは、使用頻度の高い部分負荷において、PTGの効率が大幅に低下する。
しかし、過給機のサイズを大きくすると、2次規制モードでは逆に過給機は大きすぎることになる。つまり、2次規制モードでは選定した過給機に対して排ガスエネルギーが過剰となる。
図4(A)は、本発明における主機関負荷率とPT出力との関係図である。本発明では、PTGの定格出力を主機関の常用域より低い負荷に合わせて設定する。この設定により、以下の効果が得られる。
(1)主機の部分負荷運転において、PTGの効率を上昇させることができる。
(2)PTGの定格が下がるため、PTGのコストを下げることができる。
(3)並列運転が必要なディーゼル発電機の容量の適正化が図れる。
一般的には、主機の負荷が上昇するにつれて、余剰排ガス量も増大する。
常用負荷域より下の負荷域においては、掃気圧が下限圧PL以上のときに、発電制御弁V1が開いてPTGの発電出力を制御する。また主機の掃気圧が適正範囲(下限と上限の間)となるように、発電制御弁V1の開度を調整する。
一般的には、主機の負荷が上昇するにつれて、掃気圧は上昇していくので、発電制御弁V1の開度も上昇する。
一方、掃気圧が所定のリリーフ圧PH以上のときに、排気弁V2が開いて排気マニホールドM1を減圧する。このため、常用域より下の負荷では、掃気圧はリリーフ圧PH未満であり排気弁V2は全閉している。
特に、EGRを備える場合、2次規制モードで排ガスエネルギーが大量に余ることが予想され、本発明ではこのエネルギーを有効に利用できる。
(1)2次規制モードの選択時、かつ主機の負荷、掃気圧、過給機20の回転数、入口圧力、又は入口温度のいずれかもしくは複数の条件がそろったとき、PTGスタート可能とする。
(2)PTGがスタートすると、発電制御弁V1が開くと共に、排気弁V2は全閉する。このとき、引き続き主機の負荷、掃気圧、過給機20の回転数、入口圧力、又は入口温度のいずれかもしくは複数を監視し、所定の設定値以下にならないように、発電制御弁V1の開度を調整するのがよい。
また、望ましくは、バルブの動作順は、先に発電制御弁V1を開とし、その開信号を受けて、排気弁V2を全閉する。
(3)PTGを停止させる場合、排気弁V2を開くとともに、発電制御弁V1を全閉する。望ましくは、バルブの動作順は、先に排気弁V2を開とし、その開信号を受けて、発電制御弁V1を閉とする。通常のトリップ動作はこの制御を行う。
(4)PTGがACBトリップした場合、排気弁V2を開くと共に、発電制御弁V1を閉じる。この時、望ましくは排気弁V2と発電制御弁V1は同時に高速で動作する。また、軸ブレーキ30dを装備している場合には、PTGトリップと同時に軸ブレーキ30dが作動してパワータービン30aの過回転を防止する。
なお、発電制御弁V1が全閉したときに、軸ブレーキ30dの作動を解除して、軸ブレーキ30dの過負荷を防止するのがよい。
従って、過給機20の排ガスは、パワータービン発電機30を経由せずに直接外部に排気されるので、過給機20の背圧が上昇せず、過給機20の性能低下を防止できる。
PH リリーフ圧、V1 発電制御弁、V2 排気弁、
1 エンジン(主機関)、2 圧力検出器、
10 過給ライン、10a 排ガス入口管、10b 排ガス出口管、
10c 吸気入口管、10d 吸気出口管、12 発電ライン、
12a 排ガス供給管、12b 排ガス排出管、14 排気ライン、
16 排ガス再循環ライン、16a 排ガス入口管、16b 排ガス出口管、
20 過給機、20a タービン、20b コンプレッサ、
30 パワータービン発電機(PTG)、30a パワータービン、
30b 減速機、30c 発電機、30d 軸ブレーキ、
40 排ガス再循環装置、50 制御装置、100 エネルギー回収装置
Claims (4)
- エンジンの排気マニホールドにそれぞれ独立して連結された過給ライン、発電ライン、及び排気ラインと、
前記過給ラインに設けられ前記排気マニホールドから排出される排ガスのエネルギーにより吸気を圧縮し前記エンジンの掃気マニホールドに供給する過給機と、
前記発電ラインに設けられ、前記排気マニホールドから排出される排ガスのエネルギーにより発電するパワータービン発電機と、
前記発電ラインに設けられ、前記排気マニホールドから前記パワータービン発電機に供給する排ガスの流量を制御する発電制御弁と、
前記排気ラインに設けられ前記排気マニホールドから排ガスを外部に排気する排気弁と、
前記発電制御弁及び前記排気弁を制御する制御装置と、を備える、エネルギー回収装置の制御方法であって、
前記制御装置に掃気マニホールド内の掃気圧の適正範囲内の下限圧とリリーフ圧を記憶し、
前記エンジンの運転中に、前記掃気圧を検出して、前記下限圧及び前記リリーフ圧と比較し、
前記掃気圧が下限圧未満のときに、前記発電制御弁及び前記排気弁を全閉し、
前記掃気圧が下限圧以上のときに、前記発電制御弁を開いて前記パワータービン発電機の発電出力を制御し、
前記掃気圧がリリーフ圧以上のときに、前記発電制御弁を開いて前記パワータービン発電機の前記発電出力を制御し、かつ前記排気弁を開いて前記排気マニホールドを減圧し、
前記パワータービン発電機が過電流により遮断されたときに、前記排気弁の全開と前記発電制御弁の全閉を同時に実施し、かつ軸ブレーキにより前記パワータービン発電機のタービンの回転を制動する、エネルギー回収装置の制御方法。 - 前記エンジンの負荷、前記掃気圧、前記過給機の回転数、入口圧力、又は入口温度のいずれかもしくは複数が所定の設定値以上のときに、前記パワータービン発電機を始動可能と判断する、請求項1に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
- 前記パワータービン発電機の停止時に、前記排気弁を開き、次いで前記発電制御弁を閉じる、請求項1に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
- 前記掃気圧が前記リリーフ圧以上のときに、前記エンジンの負荷、前記掃気圧、前記過給機の回転数、入口圧力、入口温度のいずれかもしくは複数が所定の設定値以下にならないように、前記排気弁の開度を調整する、請求項1に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
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