JPH11504409A - 発電プラント - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 圧縮装置（９６；２６９）から空気の供給を受け、排出ガスによってタービン（１５０）を駆動するディーゼル式自由ピストン装置備えた発電ユニット。自由ピストン装置は、シリンダ（１２）と、シリンダ内で互いに反対の位相で移動自在であり、間に燃焼室（５４；２５４）を画定する２つのピストン（２４，２６）を有する。２つのピストンの互いに遠い側の端部ピストンセクションは、端部室（５６，５８）を画定する。電子装置（１６０）は、各端部室（５６，５８）内の空気の圧力を制御する。各ピストンの中央ピストンセクション（４８，５０）は、対応するシリンダセクション（４０，４２）と協同して、該自由ピストン装置の入口マニホールド（８０）及び混合室（１４８）に圧縮空気を供給するピストンポンプ室（６８，７０）を形成する。自由ピストン装置からの排出ガスと前記圧縮空気は、該混合室内で混合された後、タービン（１５０）へ送られる。電子装置（１６０；３６０）は、又、圧縮室（６８，７０）内の空気の圧力を圧縮装置、弁、圧力センサー等を介して制御する。

Description

【発明の詳細な説明】 発電プラント技術分野 本発明は、ディーゼル式自由ピストン装置と、圧縮装置と、タービンと、電子 装置とを備えた発電ユニットに関する。この自由ピストン装置は、シリンダと、 該シリンダ内で互いに反対の位相で移動自在の２つのピストンを有し、該２つの ピストンの互いに近接する側の第１端ピストンセクションは、それらの間に該シ リンダと協同して燃焼室を画定し、該２つのピストンの互いに遠い側の第２端ピ ストンセクションは、それぞれ該シリンダと協同して端部室を画定し、圧縮装置 は、入口マニホールドを通して自由ピストン装置へ空気を供給し、自由ピストン 装置は、その排出ガスをタービンへ供給する。上記電子装置は、２つのピストン の移動を制御するために上記端部室内の空気の圧力を制御するように構成されて いる。技術背景 本出願人のノルウエー特許願第９５０９１６号には、圧縮装置がターボ圧縮機 で構成され、空気パージ工程中自由ピストン装置の燃焼室へ供給される空気の圧 力が圧縮装置の空気供給圧力と実質的に同じになるように構成された上記タイプ の発電ユニットが開示されている。圧縮装置を作動するためのエネルギーは、例 えば、上記タービンによって駆動される発電機からの電力で作動され る電気モータから得ることができる。発明の開示 本発明の目的は、極めて高い熱効率を有するが、タービンへ供給される排出ガ スの温度を比較的低くすることができる上記タイプの発電ユニットを提供するこ とである。図面の簡単な説明 本発明の上記及びその他の目的並びに特徴、及びそれらを達成する態様は、以 下に添付図を参照して述べる本発明の実施形態の説明から一層明かになろう。 図１は、本発明による発電ユニットの第１実施形態のための配管図であり、発 電ユニットの自由ピストン装置を断面図で示す。 図２は、本発明による発電ユニットの第２実施形態の、図１と同様の図であり 、発電ユニットの構成機器は省略されている。 図３は、図２と同様の図であるが、図２に示された自由ピストン装置の変型例 を示す。発明を実施するための最良の形態 図１を参照すると、シリンダ１２を備えた自由ピストン装置即ちガス発生器１ ０が示されている。シリンダ１２は、その中央に位置する第１シリンダセクショ ン即ち中央シリンダセクション１４と、両端に位置する第２シリンダセクション 即ち端部シリンダセクション１６，１８から成る。シリンダ１２内には、左ピス トン２４と右 ピストン２６が摺動自在に装着されている。左ピストン２４は、中央シリンダセ クション１４に対応した直径の第１端ピストンセクション２８と、第２端ピスト ンセクション３２を有する。同様に、右ピストン２６は、中央シリンダセクショ ン１４に対応した直径の第１端ピストンセクション３０と、第２端ピストンセク ション３４を有する。 各端部シリンダセクション１６，１８は、それぞれ、シリンダの最端部に位置 する第１端シリンダセクション３６，３８と、該第１端シリンダセクション３６ ，３８と中央シリンダセクション１４との間に位置し、シリンダセクション１４ ，３６，３８より直径が大きい第２端シリンダセクション４０，４２を有する。 従って、各第２端シリンダセクション４０，４２と、中央シリンダセクション１ ４及び第１端シリンダセクション３６，３８との間には、それぞれ、外側半径方 向シリンダ壁６０，６４及び内側半径方向シリンダ壁６２，６６が画定される。 同様にして、各第２端ピストンセクション３２，３４は、互いに遠くに離隔し た側の端部に位置する最外端ピストンセクション４４，４６と、第１端ピストン セクション２８，３０と第２端ピストンセクション３２，３４の間に位置する中 間ピストンセクション４８，５０を有する。 中央シリンダセクション１４は、左右ピストン２４， ２６の第１端ピストンセクション２８，３０と協同して動作シリンダ即ち燃焼室 ５４を画定する。又、内側半径方向シリンダ壁６２，６６は、それぞれ、第２端 シリンダセクション４０，４２及び中間ピストンセクション４８，５０と協同し て左右に第１ピストンポンプ室即ち圧縮室６８，７０を画定する。更に、外側半 径方向シリンダ壁６０，６４は、それぞれ、第２端シリンダセクション４０，４ ２及び中間ピストンセクション４８，５０と協同して左右に第２ピストンポンプ 室即ち圧縮室７２，７４を画定する。 中央シリンダセクション１４の左端近くに、燃焼室５４に連通するように配置 された入口マニホールド又は入口ポート（吸入ポート）８０が設けられ、中央シ リンダセクション１４の右端近くに、同じく燃焼室５４に連通するように配置さ れた出口マニホールド又は出口ポート即ち排出ガスポート８２が設けられている 。 各最外端ピストンセクション４４，４６の外端面に軸線方向延長ロッド８４， ８６が固定され、密封部材８８，９０を貫通して外部に突出している。密封部材 ８８，９０は、それぞれ、対応する第１端シリンダセクション３６，３８の端壁 ９２，９４に付設されている。 例えばターボ圧縮機の形とすることができる圧縮機９６が、圧縮空気を管９８ を通して第１圧縮室６８，７０に供給するように配置されている。第１圧縮室６ ８，７０は、管１００を介して中間冷却器１０２の入口に接続 され、中間冷却器１０２の出口は、管１０４を介して第２圧縮室７２，７４に接 続されている。中間冷却器１０２への冷却剤の送入及び送出は、管１０６，１０ ８を介して行うことができる。管９８にも冷却器又は中間冷却器９９を接続する ことができる。 第２圧縮室７２，７４は、管１１０を介して入口マニホールド８０に接続され ている。この管１１０は、逆止弁である第１弁１１４を介して空気貯留器即ち圧 力容器１１２に接続されている。空気貯留器１１２からは、２本の管１１６，１ １８がそれぞれ第２弁１２０及び第３弁１２２へ延長し、弁１２０及び１２２は 、それぞれ、管１２４，１２６を介してシリンダ１２の端部室又は緩衝室５６， ５８に接続されている。 管１２４，１２６からは、それぞれ、第４弁１３２及び第５弁１３４を有する 分岐管１２８，１３０が延長している。 管１１８から第６弁１３８へ分岐管１３６が延長しており、第６弁１３８は管 １４０を介して燃焼室５４の中央部分に接続されている。管１４０から第７弁１ ４２が分岐している。 燃焼室５４へ燃料を供給するための管１４４は、第８弁（燃料弁）１４５によ って開閉することができる。 第４、第５及び第７弁１３２，１３４，１４２は、それらに接続されている管 を周囲大気に連通させることができる。 出口マニホールド８２から混合容器又は混合室１４８へ管１４６が延長してお り、混合容器１４８の出口は、例えば船舶の推進プロペラ又は発電機等（図示せ ず）を駆動するためのタービン１５０の入口に接続されている。 第２圧縮室７２，７４から延長している管１１０は、混合室１４８につながる 延長部分１５４を有している。延長部分１５４には、第８制御弁１７０を設ける ことができる。 各ロッド８４，８６は、対応するピストン２４，２６内の通路（図示せず）に 連通する軸線方向の貫通内孔（図示せず）を有しており、ロッド８４，８６の内 孔の外端は、それぞれ、冷却剤容器１５４，１５６に接続されている。自由ピス トン装置１０の作動中、ピストン２４，２６を冷却するために、冷却剤容器１５ ４，１５６からロッド８４，８６及びピストン２４，２６内の通路を通して冷却 剤を導入することができる。 特定のゲートの開放が設定されたときこの発電ユニットのためのプロセスコン ピュータ又は制御ユニットとして機能する電子装置１６０が、室５４，５６，６ ８，７０，７２，７４、空気貯留器１１２及び混合容器１４８の幾つか、又はす べての内部圧力、及び、それらの室、中間冷却器及び混合容器内の温度を設定す るための多数のセンサー（図示せず）と、各ピストン２４，２６の位置を設定す るためのセンサーのような、発電ユニットの 作動をモニターするための他のセンサーに電線１６２を介して接続されている。 各ピストン２４，２６の位置を設定するためのセンサーは、ロッド８４，８６に 関連して配置することができる。 更に、電子装置１６０は、上述した第１弁１１４〜第７弁１４２の各々に接続 されている。それらの弁は、磁気弁であってもよく、あるいは超高速電気モータ によって作動されるタイプのであってもよく、電子装置１６０からの制御により 全開位置と全閉位置だけでなく、それらの間の中間位置へも変位させることがで きる。 この発電ユニットの作動は、以下の通りである。 自由ピストン装置１０は、プロセスコンピュータ１６０に始動命令を与えるこ とによって自動的に始動させることができるが、自由ピストン装置１０の始動は 、圧力容器１１２に圧縮空気が充填されていると仮定して、２通りの方法で行う ことができる。 第１の始動方法では、左右のピストン２４と２６を互いに近接する位置にもた らし、第２弁１２０、第３弁１２２及び第７弁１４２を開放し、第４弁１３２、 第５弁１３４及び第６弁１３８を閉じたままにする。それによって、燃焼室５４ 内の空気を第７弁１４２を通して大気へ放出させ、一方、空気貯留器１１２から の圧縮空気によりピストン２４と２６を互いに接近する方向に変位させる。この 時点では、端部室又は緩衝室５６，５８内の圧力は低く、空気貯留器１１２内の 空気圧より低い。 次いで、第２弁１２０、第３弁１２２及び第７弁１４２を閉鎖し、第４弁１３ ２、第５弁１３４及び第６弁１３８（始動弁）を開放して端部室５６，５８内の 空気を圧縮させながらピストン２４と２６を互いに離れる方向に移動させる。ピ ストン２４，２６が出口マニホールド８２を開放すると、燃焼室５４内の圧力が 急激に降下し、それと同時に始動弁１３８が閉鎖される。それによって、ピスト ン２４と２６が、端部室５６，５８内の圧縮空気により互いに接近する方向に急 激に移動され、その結果、燃焼室５４内の空気が圧縮される。 第８弁（燃料弁）１４５が開放されると、燃料が燃焼室５４内へ噴射され、端 部室５６，５８内の空気を再び圧縮させながらピストン２４と２６を互いに離れ る方向に移動させる。次いで、ピストン２４と２６は、を互いに接近する方向に 移動され、自由ピストン装置１０はその作動を継続する。 第２の始動方法では、左右のピストン２４と２６が互いに引き離された後、第 ２弁１２０及び第３弁１２２を開放したまま、第４弁１３２、第５弁１３４、第 ６弁１３８及び第７弁１４２を閉鎖し、それによって、燃焼室５４内の圧力を大 気の圧力にまで低下させる。それによって、ピストン２４と２６が 強制的に互 いに接近する方向に変位され、燃焼室５４内の空気を圧縮し、その時点で燃料を 燃焼室５４内へ噴射して着火させる。 次いで、第２弁１２０及び第３弁１２２を閉鎖し、第 ４弁１３２及び第５弁１３４を開放することによって端部室５６，５８内の圧力 を適当な値にまで低下させた後、第４弁１３２及び第５弁１３４を閉鎖する。端 部室５６，５８内の空気が圧縮されることにより、燃焼室５４から排出ガスが放 出されて燃焼室５４内に新しい空気が導入された後、再度ピストン２４と２６が 互いに接近する方向に移動され、かくして、モータ即ち自由ピストン装置１０の 作動が自動的に継続される。 この発電ユニットの前のサイクル作動中に、空気貯留器１１２に適当な圧力で 空気を充填しておくことができる。あるいは別法として、この空気貯留器１１２ に標準的な始動用空気圧縮機から周知の態様で空気を充填してもよい。この空気 充填方法は、新しい発電ユニットを最初に始動させるとき、あるいは、発電ユニ ットをオーバーホールした後始動させるときの通常の方法である。 自由ピストン装置１０が始動された後、空気が圧縮機９６から管９８を通して 第１圧縮室６８，７０内へ流入し、ピストン２４と２６が互いに接近する方向に 移動されるたびに更に圧縮される。この空気は、ピストン２４，２６がストロー クされるたびに中間冷却器１０２の空気吸入口に向けて押し出される。圧縮機９ ６への空気の逆流は逆止弁９９によって防止される。 空気は、中間冷却器１０２内で冷却された後、第２圧縮室７２，７４内へ圧入 され、そこから空気の一部はマニホールド８０へ通され、残りの空気は混合容器 １４８ へ通される。 混合容器１４８において第２圧縮室７２，７４からの空気は、自由ピストン装 置１０からの極めて高温の排出ガスと混合され、それによって、タービンへ導入 されるガスの温度をタービンが耐え得る温度にまで低下させる。本発明の自由ピ ストン装置１０によれば、この空気−ガス混合物は、その圧力及び温度が高くさ れるので、高いエネルギー含量を付与される。この空気−ガス混合物の圧力及び 温度の上昇は、本発明の自由ピストン装置１０におけるほぼ直接的な温度−圧力 変換によって達成され、それによって、温度−圧力変換を極めて効率的なものと する。 この発電ユニットの作動中、プロセスコンピュータ１６０が、各弁を個別に制 御する。端部室５６，５８内の圧力は、第２弁１２０、第３弁１２２、第４弁１ ３２、及び第５弁１３４によって調節することができる。端部室５６，５８への 空気の導入及び端部室からの空気の排出は、該端部室内の圧力が最も低いときに 行うことが好ましい。各弁の個別制御により、各ピストン２４，２６も、例えば 入口ポート８０及び出口ポート８２の開閉のための所望のタイミングを設定する ために、個別に制御することができる。圧力センサー、温度センサー及びピスト ン位置センサーからのインパルスは、ゲート開放のための操作機構からのインパ ルスと一緒に、プロセスコンピュータ１６０へ供給され、プロセスコンピュータ １ ６０のアルゴリズムが、それらのインパルスに基づいて発電ユニットの作動を制 御する。 上述した発電ユニットにおいては、燃焼室５４の圧縮比を制御することができ 、それによって、着火を確実に達成するのに十分に高い圧力を常時維持すること ができる。更に、吸入ポート８０及び排気ポート８２の開閉のためのピストン２ ４，２６のタイミングは、例えば、端部室５６と５８の相対圧力を変更すること によっても、調節することができる。それは、現在市販されている迅速作動弁の 電子制御によって行うことができる。ピストン２４，２６は掃去用空気の圧縮を 行うセクションを有しているので、常時十分な量の掃去用空気が確保されている 。 ロッド８４，８６の上述した構成の１つの利点は、従来の装置ではそのような ロッドのための密封部材はシリンダ１２内に囲包されているので外部からアクセ スできないに対して、本発明の構成では密封部材８８，９０にシリンダ１２の外 部からアクセスできることである。更に、必要ならば、ピストン２４，２６をシ リンダ１２の外部からロッド８４，８６によって機械的に移動させることもでき る。 又、本発明の装置においては、その高圧シリンダ即ち第１シリンダセクション １４にシリンダの外部から自由にアクセスすることができる。それによって、燃 料噴射ノズル、始動弁１３８、各センサー等に容易にアクセス することができ、従って、装置のメンテナンスを容易に実施することができる。 図２は、図１に示された自由ピストン装置即ちガス発生器から第２圧縮室（７ ２，７４）を省除して簡略化された第２実施形態を示す。この第２実施形態の構 成部品のうち図１に示された第１実施形態のものと同様な部品は、同じ参照番号 に２００を加えて示されている。 図２の実施形態の自由ピストン装置即ちガス発生器２１０は、シリンダ２１２ を備えている。シリンダ２１２は、その中央に位置する第１シリンダセクション 即ち中央シリンダセクション２１４と、両端に位置する第２シリンダセクション 即ち端部シリンダセクション２１６，２１８から成る。シリンダ２１２内には、 左ピストン２２４と右ピストン２２６が摺動自在に装着されている。左ピストン ２２４は、中央シリンダセクション２１４に対応した直径の第１端ピストンセク ション２２８と、第２端ピストンセクション２３２を有する。同様に、右ピスト ン２２６は、中央シリンダセクション２１４に対応した直径の第１端ピストンセ クション２３０と、第２端ピストンセクション２３４を有する。 各端部シリンダセクション２１６，２１８は、それぞれ、シリンダの最端部に 位置する第１端シリンダセクション２３６，２３８と、該第１端シリンダセクシ ョン２３６，２３８と中央シリンダセクション２１４との間に位置し、中央シリ ンダセクション２１４より直径が大き い第２端シリンダセクション２４０，２４２を有する。従って、各第２端シリン ダセクション２４０，２４２と、中央シリンダセクション２１４との間には、そ れぞれ、半径方向シリンダ壁６２，６６が画定される。 同様にして、各第２端ピストンセクション２３２，２３４は、互いに遠くに離 隔した側の端部に位置する最外端ピストンセクション２４４，２４６と、第１端 ピストンセクション２２８，２３０と第２端ピストンセクション２３２，２３４ の間に位置する中間ピストンセクション２４８，２５０を有する。 中央シリンダセクション２１４は、左右ピストン２２４，２２６の第１端ピス トンセクション２２８，２３０と協同して動作シリンダ即ち燃焼室２５４を画定 する。 第１端シリンダセクション２３６，２３８は、それぞれ、２４４，２４６と協 同して端部ポンプ室即ち緩衝室２５６，２５８を画定する。 更に、半径方向シリンダ壁２６２，２６６は、それぞれ、第２端シリンダセク ション２４０，２４２及び中間ピストンセクション２４８，２５０と協同して左 右にピストンポンプ室即ち圧縮室２６８，２７０を画定する。 このように、この実施形態では、第２圧縮室が設けられていないので、中間冷 却器も設けられていない。この点を除いては、この発電ユニットは、図１に示さ れたも のと実質的に同様であるが、図２には、タービンや混合容器又は混合室のような 構成機器は示されていない。混合室へは、自由ピストン装置２１０からの排出ガ スと、圧縮室２６８，２７０からの圧縮空気が供給される。 図３は、図２に示されたものと類似した自由ピストン装置即ちガス発生器の第 ３実施形態を示す。この第３実施形態では、圧縮室３６８，３７０からの空気が 、ケーシング又はフード４０４によって囲われた中央シリンダセクションの周り に形成された環状の緩衝室４０２へ逆止弁３９９，４００を介して供給されると いう点で第２実施形態と異なる。この実施形態では、環状緩衝室４０２は、入口 マニホールドをも構成する。環状緩衝室４０２内の空気の一部は、入口ポートを 通して動作シリンダ即ち燃焼室へ送られ、この環状緩衝室即ち入口マニホールド ４０２内の空気の残部は、混合室３４８へ送られる。この空気は、中央シリンダ セクションをその排出ガスポート及び出口マニホールド３８２と共に冷却する。 中央シリンダセクション即ち燃焼室及びその関連部品の冷却は、該燃焼室を圧 縮機９６からの圧縮空気でパージすることによって実施してもよいが、発電ユニ ットの部分負荷での運転中や、遷移段階等においては、環状緩衝室４０２内の空 気を上述したように分割することによって中央シリンダセクション（燃焼室）を 冷却するのが特に有利である。 管９８には、圧縮機９６からの圧縮空気を冷却するた めの冷却器を接続することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ディーゼル式自由ピストン装置と、圧縮装置（９６；２６９）と、ター ビン（１５０）と、電子装置（１６０；３６０）とを備えた発電ユニットであっ て、 前記自由ピストン装置は、シリンダ（１２；２１２）と、該シリンダ内で互い に反対の位相で移動自在の２つのピストン（２４，２６；２２４，２２６）を有 し、該２つのピストンの互いに近接する側の第１端ピストンセクションは、それ らの間に該シリンダ（１２；２１２）と協同して燃焼室（５４；２５４）を画定 し、該２つのピストンの互いに遠い側の第２端ピストンセクションは、それぞれ 該シリンダと協同して端部室（５６，５８；２５６，２５８）を画定し、前記圧 縮装置（９６；２６９）は、入口マニホールド（８０；４０２）を通して前記自 由ピストン装置へ空気を供給し、該自由ピストン装置は、排出ガスを前記タービ ン（１５０）へ供給し、前記電子装置は、前記２つのピストンの移動を制御する ために前記各端部室内の空気の圧力を制御するように構成されており、 前記タービン（１５０）は、混合室（１４８；３４８）を介して前記自由ピス トン装置に連通しており、前記入口マニホールド（８０；４０２）を弁（１７０ ，１１４，１２０，１２２）を介して前記各端部室（５６，５８；２５６，２５ ８）に接続するパイプ（１５２，１１０）が設けられ、前記各端部室（５６，５ ８；２５６， ２５８）を弁（１３２，１３４）を介して大気に連通させるパイプ（１２８，１ ３０）が設けられており、前記電子装置（１６０；３６０）は、前記混合室（１ ４８；３４８）への空気の流れ、及び、前記各端部室（５６，５８；２５６，２ ５８）への、及び該各端部室からの空気の流れを前記弁（１７０，１１４，１２ ０，１２２、１３２，１３４）を介して制御するように構成されていることを特 徴とする発電ユニット。