KR101907735B1 - 열 회수형 발전 시스템 - Google Patents

열 회수형 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101907735B1
KR101907735B1 KR1020160032532A KR20160032532A KR101907735B1 KR 101907735 B1 KR101907735 B1 KR 101907735B1 KR 1020160032532 A KR1020160032532 A KR 1020160032532A KR 20160032532 A KR20160032532 A KR 20160032532A KR 101907735 B1 KR101907735 B1 KR 101907735B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
working medium
pressure
heat
evaporator
expansion
Prior art date
Application number
KR1020160032532A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160113976A (ko
Inventor
시게토 아다치
유타카 나루카와
노보루 츠보이
Original Assignee
가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 filed Critical 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Publication of KR20160113976A publication Critical patent/KR20160113976A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101907735B1 publication Critical patent/KR101907735B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/16—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with helical teeth, e.g. chevron-shaped, screw type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F02G5/04—Profiting from waste heat of exhaust gases in combination with other waste heat from combustion engines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

열원으로부터 공급되는 열량이 변동되어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있는 열 회수형 발전 시스템을 제공하는 것이다. 열원의 열에 의해 작동 매체를 가열 기화시키는 증발기(18)와, 증발기(18)에서 기화된 고압의 작동 매체에 의해 구동되는 용적형의 팽창기(11)와, 팽창기(11)에 연결되어 구동되는 발전기(12)와, 팽창기(11)로부터 송출되는 저온 저압의 기상 작동 매체를 냉각시켜 응축하는 응축기(13)와, 응축기(13)에서 응축된 액상 작동 매체를 퍼 올려, 승압하여 증발기(18)에 반송하는 순환 펌프(15)를 갖는다. 팽창기(11)는 작동 매체를 단계적으로 팽창시키는 복수의 팽창부를 구비한다. 그리고, 복수의 팽창부는 설계 단계에 있어서 내부 용적비 Vi가 조정됨으로써, 팽창기(11)의 흡입 압력 또는 토출 압력 중 적어도 한쪽이 변동되는 경우에 변동 범위 내에서 전체 단열 효율이 70퍼센트 이상으로 되도록 구성되어 있다.

Description

열 회수형 발전 시스템{HEAT-COLLECTING-TYPE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은, 열 회수형 발전 시스템에 관한 것이다.
종래, 저온의 폐열을 회수해서 발전을 행하는 발전 시스템으로서 바이너리 발전 시스템이 잘 알려져 있다. 이 발전 시스템은 비점이 낮은 작동 매체를 폐열에 의해 증발 기화시키고, 작동 매체의 기상류에 의해 용적형의 팽창기, 예를 들어, 스크류식 팽창 터빈을 회전 구동하고, 팽창기와 함께 발전기를 회전시켜 발전을 행하는 것이다. 또한, 이와 같은 발전 시스템에서 열 회수되는 열원은, 선박용 엔진에 공급하는 과급 공기, 엔진의 폐열, 화력 발전소, 소각 시설, 공장 등의 폐열 등 다방면에 걸쳐 있다.
이와 같은 발전 시스템은, 폐열 이용 시스템으로서의 이용 가치를 높이기 위해 발전 효율의 향상이 과제로 되어 있다. 이와 같은 과제를 향하여 개발된 예로서, 특허문헌 1에 기재된 것이 알려져 있다.
특허문헌 1에 기재된 것은, 스크류식 팽창 터빈을 구성하는 수형 로터 및 암형 로터의, 스크류의 유효 길이와 외경 D와의 비, 즉 L/D를 길게 하고, 흡입구의 내측 단부를, 상기 수형 로터 및 암형 로터의 고압측 단부 부근의 외주면을 향하여 개구시킨 것이다. 특허문헌 1은, 이와 같은 구성을 취함으로써, 종래와 같이 한정된 면적의 분사구를 거쳐서 작용실에 유입되는 것에 비해 작동 매체의 유입 손실을 적게 하여, 효율의 향상을 도모한 것이다.
일본 특허 공개 평9-88502호 공보
그런데, 종래의 이와 같은 열 회수형 발전 시스템은, 열원으로부터 공급되는 열량이 변동되기 쉬워 발전 효율이 안정되어 있지 않다고 하는 문제가 있었다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 이와 같은 발전 효율의 안정화에는 대응할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 이와 같은 배경을 감안하여 이루어진 것으로서, 열원으로부터 공급되는 열량이 변동되어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있는 열 회수형 발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 열 회수형 발전 시스템은, 열원의 열에 의해 작동 매체를 가열 기화시키는 증발기와, 상기 증발기에서 기화된 고압의 기상 작동 매체에 의해 구동되는 용적형의 팽창기와, 상기 팽창기에 연결되어 구동되는 발전기와, 상기 팽창기로부터 송출되는 저온 저압의 기상 작동 매체를 냉각시켜 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 액상 작동 매체를 퍼 올려, 승압하여 상기 증발기에 반송하는 순환 펌프를 갖고, 상기 팽창기는, 작동 매체를 단계적으로 팽창시키는 복수의 팽창부를 구비하고, 상기 복수의 팽창부는, 설계 단계에 있어서 내부 용적비가 조정됨으로써, 상기 팽창기의 흡입 압력 또는 토출 압력 중 적어도 한쪽이 변동되는 경우에 변동 범위 내에서 전체 단열 효율이 70퍼센트 이상이 되도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 열 회수형 발전 시스템에 의하면, 팽창기가 기상 작동 매체를 단계적으로 팽창시키는 복수의 팽창부를 구비하고 있으므로, 팽창기의 전체 단열 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 팽창기는 설계 단계에 있어서 각 단의 팽창부의 내부 용적비를 조정함으로써, 흡입 압력 또는 토출 압력의 변동 범위 내에서 전체 단열 효율이 70퍼센트 이상이 되도록 구성하고 있다. 따라서, 본 열 회수형 발전 시스템은, 열원의 열량이 변동되어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있다.
또한, 상기 팽창기는, 각 팽창부에 있어서의 내부 용적비가 대략 동일하게 되도록 조정되어 있는 것이 바람직하다.
여기서 「대략 동일」이란, 기술 상식에서 보아 각 팽창부의 내부 용적비를 동일하게 하도록 의도된 것이라고 판단되는 것에 대해서는, 다소의 차이는 있어도 동일하게 간주하는 취지이다. 따라서, 이와 같은 구성에 의하면, 복수의 팽창부의 공통화가 도모되므로, 설계 및 제조가 용이하게 된다.
또한, 상기 팽창기는, 각 팽창부에 있어서의 팽창 행정 종료 위치를 변경함으로써 내부 용적비를 조정하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면, 토출구의 형상 및 크기를 변경함으로써, 각 팽창부에 있어서의 팽창 행정 종료 위치를 변경할 수 있어, 팽창 행정 종료 시의 용적을 용이하게 조정할 수 있다. 따라서, 이와 같이 토출구의 형상 및 크기를 변경함으로써 용이하게 내부 용적비를 조정할 수 있다.
또한, 복수의 팽창부는 고압측 팽창부와 저압측 팽창부와의 2단에 의해 구성되어 있도록 해도 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 제조 비용을 억제하면서 고효율의 발전 시스템으로 할 수 있다.
또한, 상기 증발기는, 과급기로부터 엔진에 공급되는 과급 공기에 의해 가열하도록 구성되어 있도록 해도 된다.
이와 같은 구성에 의하면, 과급기로부터 엔진에 공급되는 과급 공기의 열량을 이용하여, 선박 내에서 사용되는 전력을 공급할 수 있다.
또한, 상기 흡입 압력의 상기 변동 범위는, 1㎫ 이상 2㎫ 이하의 범위이며, 상기 고압측 팽창부 및 저압측 팽창부의 내부 용적비는, 양쪽 모두 2.6±0.3인 것으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면, 과급기로부터 엔진에 공급되는 과급 공기의 열량 및 이코노마이저로부터의 증기의 열량을 이용하는 경우에 있어서의 압력 변동을 커버할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서, 팽창기의 단열 효율이 저열량 공급 시에 73％, 고열량 공급 시에 75％를 유지할 수 있어, 발열량을 10％ 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 복수의 팽창부는, 각각 스크류식 팽창 터빈이며, 상기 복수의 팽창부와 상기 발전기는, 하나의 하우징 내에 수용되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면, 팽창기에 있어서 팽창하여, 압력, 온도가 저하된 작동 매체에 의해 발전기의 권취선을 냉각시키므로, 발전기의 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 작동 매체나 윤활유가 누설되지 않는 구조로 할 수 있고, 이에 의해 장기의 안정 운전을 행하는 것이 가능하게 된다.
본 발명에 관한 열 회수형 발전 시스템에 의하면, 열원으로부터 공급되는 열량이 변동되어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 전체 구성을 도시하는 배관 계통도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에 있어서의 발전 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 설계 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 설계 시에 사용되는, 팽창기의 압력비, 내부 용적비, 전체 단열 효율의 관계를 나타내는 선도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 팽창기 출입구의 압력 상태를 설명하는 설명도이며, (a)는 1단의 경우의 것이고, (b)는 2단의 경우의 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에 있어서의 팽창기의 압력비, 내부 용적비 및 전체 단열 효율의 설정값을 설명하는 선도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 장치에 있어서의 스크류식 팽창 터빈의 토출구 부근의 부분 확대 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 p-h 선도(모리엘 선도)이다.
실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템을, 이하 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하에 설명하는 예시에 한정되는 것이 아니라, 특허 청구 범위에 의해 나타내어지고, 특허 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템은, 폐열을 이용 가능하게 하기 위한 열원측 유체 회로(1)와, 폐열을 회수하는 작동 매체 회로(10)로 구성되어 있다.
열원측 유체 회로(1)는 선박 추진용의 디젤 엔진(2)의 폐열을 이용 가능하게 하기 위한 것이고, 디젤 엔진(2)에 공급되는 흡기를 압축하기 위한 과급기(3)를 구비함과 함께, 배기 가스를 열원으로서 증기를 생성하는 이코노마이저(4)를 구비하고 있다.
과급기(3)는, 디젤 엔진(2)의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈(5)에 연결되어 있다. 또한, 과급기(3)에서 압축된 압축 공기의 열은, 후술하는 작동 매체 회로(10)의 증발기(18)를 구성하는 제1 증발기(16)에 공급되고, 제1 증발기(16)에 있어서 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체를 가열하도록 구성되어 있다. 이에 의해, 과급기(3)로부터의 압축 공기는, 제1 증발기(16)에서 냉각되어 디젤 엔진(2)에 공급된다.
또한, 이코노마이저(4)는 과급기(3)를 구동하는 터빈(5)을 통과한 후의 배기 가스를 열원으로 하도록 구성되어 있다. 이코노마이저(4)에서 생성된 증기의 열이, 후술하는 작동 매체 회로(10)의 증발기(18)를 구성하는 제2 증발기(17)에 공급되고, 제2 증발기(17)에 있어서 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체를 가열하도록 구성되어 있다. 제2 증발기(17)에서 작동 매체를 가열해서 액화된 물은, 리저버(6)에 저류되고, 펌프(7)에 의해 퍼 올려져 이코노마이저(4)로 되돌려진다. 또한, 증기가 선 내의 수요처에 공급되어 리저버(6) 내의 물이 감소된 경우는, 급수전(도시하지 않음)으로부터 물이 보급된다.
작동 매체 회로(10)는 유기 랭킨 사이클식의 발전 장치, 소위, 바이너리 발전 장치를 형성한다. 작동 매체 회로(10)는 팽창기(11), 발전기(12), 응축기(13), 리저버(14), 순환 펌프(15), 제1 증발기(16), 제2 증발기(17)를 순차 연결해서 밀폐 회로를 형성한 것으로서, 회로 내에 작동 매체가 충전되어 있다. 제1 증발기(16)와 제2 증발기(17)는, 작동 매체 회로(10)에 있어서의 증발기(18)를 구성한다.
작동 매체는 물보다도 저비점의 유기 유체가 이용된다. 유기 유체로서는, R245fa가 사용되고 있다.
팽창기(11)는 증발기(18)에서 가열된 기상 작동 매체를 팽창실에 흡입하고, 흡입한 작동 매체의 압력에 의해, 팽창실의 용적 변화에 따라서 회전력을 얻는 용적형 팽창기로서 스크류식 팽창 터빈이 사용되고 있다. 또한, 팽창기(11)는 흡입한 고압의 기상 작동 매체를 2단계로 팽창시키는 것으로서, 스크류식 팽창 터빈으로 이루어지는 고압측 팽창부(21)와 저압측 팽창부(22)를 구비하고 있다. 용적형의 팽창기(11)는 입구측과 출구측과의 기상 작동 매체의 압력차를 효율적으로 회전력으로 변환할 수 있다. 이로 인해, 종래의 증기 터빈 형식의 팽창기를 사용한 경우에 비교하면, 저압의 기상 작동 매체로부터 효율적으로 회전 동력을 얻을 수 있다.
발전기(12)는 팽창기(11)를 구성하는 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)의 동력이 발전기(12)에 전달되어 전력이 생성되도록, 고압측 팽창부(21), 저압측 팽창부(22) 및 발전기(12)가 동축에 고정된 상태에서 하나의 하우징(30A) 내에 수납되어 있다. 즉, 고압측 팽창부(21), 저압측 팽창부(22) 및 발전기(12)는, 1축 1체 구조로 된 반밀폐 구조의 발전 장치(30)를 형성하고 있다.
팽창기(11)로부터 토출된 기상 작동 매체는, 발전 장치(30)의 하우징(30A) 내에서 발전기(12)를 냉각시킨 후, 발전 장치(30)의 하우징(30A) 내로부터 도출된다.
응축기(13)는 발전 장치(30)로부터 도출된 저온의 기상 작동 매체를 냉각수에 의해 더욱 냉각시켜 응축 액화시키는 것이다. 냉각수로서는 해수가 사용되고 있다.
리저버(14)는 응축기(13)에서 액화된 작동 매체를 일시적으로 저류하는 용기이다. 이 용기로부터 액상 작동 매체만이 취출된다.
순환 펌프(15)는 작동 매체 회로(10) 내에서 작동 매체를 순환시키는 것이다. 이 회로에 있어서는, 리저버(14) 내의 액상 냉매를 퍼 올려, 승압하여 증발기(18)를 구성하는 제1 증발기(16)에 보내도록 작용하고 있다.
증발기(18)는 순환 펌프(15)에 의해 보내져 오는 액상 작동 매체를 과급기(3)의 과급 공기의 열로 가열하고, 이에 의해 과급 공기의 열량을 작동 매체 회로(10)에 도입하는 것이다. 제2 증발기(17)는, 제1 증발기(16)에서 가열된 작동 매체를 다시 이코노마이저(4)에서 생성된 증기를 열원으로 하여 가열하고, 증기의 열량을 작동 매체 회로(10)에 도입하는 것이다. 이와 같이 하여, 증발기(18)에서 가열된 작동 매체는 기상이 되어 팽창기(11)에 보내진다.
다음에, 도 2에 기초하여, 발전 장치(30)의 구조를 보다 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 도 2에 있어서의 좌우 방향을 발전 장치(30)의 좌우 방향으로 하고, 도 2에 있어서의 상하 방향을 발전 장치(30)의 상하 방향으로 하고, 도 2에 있어서의 전방측을 발전 장치(30) 전방향으로 하고, 도 2에 있어서의 배면측을 발전 장치(30)의 후방향으로 한다.
하우징(30A)은 고압측 팽창부(21), 저압측 팽창부(22) 및 발전기(12)를 동축에 고정하여 수납하기 위해, 다섯개로 분할되어 있다. 이 분할된 각 하우징을 좌측으로부터 순서대로 제1 하우징(31), 제2 하우징(32), 제3 하우징(33), 제4 하우징(34), 제5 하우징(35)으로 한다. 또한, 다섯개의 하우징은, 볼트 등의 체결 부재(도시하지 않음)에 의해 연결된 반밀폐 구조로 되어 있다.
제1 하우징(31)은 우측 단부가 개방된 용기이며, 좌측 단부의 벽 중앙부에 기상 작동 매체를 내부에 도입하기 위한 도입구(41)가 설치됨과 함께, 내부에는 유체의 흐름을 안정화시키기 위해 일정한 용적을 구비한 공간부(42)가 형성되어 있다.
제2 하우징(32)은, 고압측 팽창부(21)를 형성하는 스크류식 팽창 터빈의 로터 지지부(43)를 구비하고 있다. 고압측 팽창부(21)를 형성하는 스크류식 팽창 터빈은, 암수 한 쌍의 스크류 로터(21A)로 이루어진다. 로터 지지부(43)는 스크류 로터(21A)를 회전 가능하게 지지한다. 또한, 제2 하우징(32)에 있어서의 상방 부위에는, 제1 하우징(31)의 공간부(42) 내의 기상 작동 유체를 고압측 팽창부(21)의 흡입구(44)에 안내하는 제1 연결로(45)가 형성되어 있다.
제3 하우징(33)은 좌측 단부가 개방된 용기이며, 고압측 팽창부(21)를 형성하는 스크류식 팽창 터빈의 스크류 로터(21A)를 수용하는 제1 수용실(46)이 내부에 형성되어 있다. 또한, 제1 수용실(46)의 좌측 단부가, 제2 하우징(32)의 벽체(32A)에 접촉함으로써 작동 매체를 고압측 팽창부(21)의 팽창실에 유도하는 흡입구(44)가 형성되어 있다. 또한, 제1 수용실(46)의 하방부의 벽체부에는, 고압측 팽창부(21)에서 팽창된 기상 작동 매체를 토출하기 위한 토출구(47)가 형성됨과 함께, 이 토출구(47)로부터 토출된 기상 작동 매체를 제4 하우징(34) 내에 유도하는 제2 연결로(48)가 형성되어 있다. 또한, 우측 단부의 벽체(33A)는, 제4 하우징(34)과의 경계벽을 구성하고 있다.
제4 하우징(34)은 좌측 단부가 개방된 용기이며, 중앙부에는 저압측 팽창부(22)를 형성하는 스크류식 팽창 터빈을 수용하는 제2 수용실(49)이 형성되어 있다. 저압측 팽창부(22)를 형성하는 스크류식 팽창 터빈은, 암수 한 쌍의 스크류 로터(22A)로 이루어진다. 또한, 제2 수용실(49)의 좌측에는 좌측 단부를 개방하는 공간부(50)가 형성되고, 제2 연결로(48)로부터의 기상 작동 매체를 이 공간부(50)에 유도할 수 있도록 구성되어 있다. 그리고, 제2 수용실(49)의 좌측 단부 상방부에는 저압측 팽창부(22)의 흡입구(51)가 형성되어 있다. 흡입구(51)는 기상 작동 매체를 저압측 팽창부(22)의 팽창실에 흡입하기 위한 것이다. 또한, 흡입구(51)와 공간부(50) 사이에, 공간부(50)의 기상 작동 매체를 흡입구(51)에 유도하는 수평 방향의 제3 연결로(52)가 형성되어 있다. 또한, 제2 수용실(49)의 하방부의 벽체부에는, 저압측 팽창부(22)에서 팽창된 기상 작동 매체를 토출시키기 위한 토출구(53)가 형성됨과 함께, 이 토출구(53)로부터 토출된 저온 저압의 기상 작동 매체를 제5 하우징(35) 내에 유도하는 제4 연결로(54)가 형성되어 있다. 또한, 우측 단부의 벽체(34A)는, 제5 하우징(35)과의 경계벽을 구성하고 있다.
고압측 팽창부(21)를 형성하는 팽창 터빈 및 저압측 팽창부(22)를 형성하는 팽창 터빈은, 일반적인 형식의 것으로서, 각각, 암수 한 쌍의 스크류 로터(21A, 22A)가 동일 높이 위치에서 서로 회전축이 평행하게 되도록 배치되어 있다. 도 2에 있어서, 고압측 팽창부(21)를 형성하는 팽창 터빈 및 저압측 팽창부(22)를 형성하는 팽창 터빈은, 각각 전방측에 수형 스크류 로터가 보이도록 배치되어 있다. 그리고, 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)에 있어서는, 스크류 로터(21A, 22A)의 블레이드와 수용실(46, 49)과의 벽면으로 둘러싸인 공간이 팽창실로 되어 있다. 또한, 각 팽창실은 토출구(47, 53)를 향하여 점차 확대하도록 형성되어 있다. 이에 의해 각 수용실(46, 49)에 흡입된 작동 매체가 토출구(47, 53)를 향함에 따라 팽창하고, 스크류 로터(21A, 22A)가 회전한다.
제5 하우징(35)은 좌측 단부가 개방된 용기이며, 내부에는 발전기(12)가 수용되어 있다. 또한, 우측 단부의 벽체(35A)의 중앙부에는, 발전기(12)를 냉각시킨 후의 작동 매체를 발전 장치(30)의 외부에 도출하는 도출구(55)가 형성되어 있다.
발전기(12)는 암수 스크류 로터 중 어느 한쪽의 회전축에 직결되어 있다. 본 실시 형태에 있어서 발전기(12)는, 저압측 팽창부(22)를 구성하는 전방측의 수형 스크류 로터의 회전축에 직결되어 있다. 또한, 저압측 팽창부(22)의 수형 스크류 로터와 고압측 팽창부(21)를 구성하는 전방측의 수형 스크류 로터는, 동일 회전축에 고정되어 있다. 이에 의해 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)로 이루어지는 팽창기(11)의 회전 동력이 발전기(12)에 전달되고, 발전기(12)에 의해 전력이 얻어지도록 되어 있다. 발전기(12)에서 얻어진 전력은, 도시하지 않은 전력선을 통하여 선 내 계통으로 공급되고 있다.
그런데, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템은, 디젤 엔진(2)의 폐열을 이용하기 위해, 디젤 엔진(2)의 배기 가스의 열량을 이용해서 생성되는 과급 공기의 열량을 주로 하고, 이코노마이저(4)에서 생성되는 증기의 열량을 보조 열원으로서 이용하고 있다. 과급 공기의 열량은 디젤 엔진(2)의 운전 부하의 대소 변화에 따라서 증감한다. 또한, 증기의 열량은, 다른 수요처에 있어서의 증기의 소비량에 의해, 본 열 회수형 발전 시스템에서 이용할 수 있는 증기량과 함께 이용할 수 있는 열량이 변동된다. 그러나, 본 열 회수형 발전 시스템은, 이용하는 열원의 열량에 변동이 있어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있도록 팽창기(11)가 설계되어 있다.
다음에, 도 3을 참조하면서 팽창기(11)의 설계 수순을 설명한다.
팽창기(11)에 있어서의 스크류식 팽창 터빈으로 이루어지는 고압측 팽창부(21)와 저압측 팽창부(22)는, 각각의 스크류 로터(21A, 22A)의 공통화가 도모되도록 구성되어 있다. 우선, 스텝 S1에 나타내는 바와 같이, 각각의 스크류식 팽창 터빈의 효율 곡선을 준비한다. 이 효율 곡선은 내부 용적비 Vi마다, 압력비 Ps/Pd에 대한 전체 단열 효율의 변화를 나타낸 특성 선도이다. 여기서, 내부 용적비 Vi는, 흡입 행정 마감 시의 팽창실의 용적과 팽창 행정 종료 시의 팽창실의 용적과의 비를 말한다. 또한, 압력비 Ps/Pd는, 팽창 터빈의 토출 압력 Pd에 대한 팽창 터빈의 흡입 압력 Ps의 비를 말한다. 이와 같은 선도는, 예를 들어, 도 4에 도시하는 바와 같은 것이다.
다음에 스텝 S2에 나타내는 바와 같이, 열원의 열량 변화 및 냉각수의 온도로부터 팽창기(11)의 흡입 압력 Ps와 토출 압력 Pd를 예측해서 설정한다. 이 실시 형태에서 말하면, 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 과급 공기의 열량 및 증기의 열량을 합계한 열량이 최대 예측값으로 되는 고열량 공급 시에는, 팽창기(11)의 흡입 압력 Ps가 2㎫로 되고, 팽창기(11)의 토출 압력 Pd가 0.16㎫로 된다. 따라서, 압력비 Ps/Pd=2.0/0.16=12.5로 예측된다. 또한, 팽창기(11)의 토출 압력 Pd는, 냉각수인 해수의 유량과 온도에 의해 정해지지만, 선 내에 있어서의 이들 값은 그다지 변화가 없다. 따라서, 토출 압력 Pd는 거의 일정하게 유지된다.
한편, 과급 공기의 열량 및 증기의 열량을 합계한 열량이 최소 예측값으로 되는 저열량 공급 시에는, 팽창기(11)의 흡입 압력 Ps가 1㎫로 되고, 팽창기(11)의 토출 압력 Pd가 0.16㎫로 되고, 압력비 Ps/Pd=1.0/0.16=6.26으로 된다고 예측된다.
이를 1단의 스크류식 팽창 터빈에 의해 처리한 경우의 효율을 도 4에 기초하여 조사해 보면, 내부 용적비 Vi를 2.6으로 한 경우는, 도 4에서는 생략되어 있지만 실제로는, 고열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=12.5)의 효율은 55％이며, 저열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=6.26)의 효율은 67％로 된다. 또한, 내부 용적비 Vi를 3.6으로 한 경우는, 고열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=12.5)의 효율은 59％이며, 저열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=6.26)의 효율은 71％로 된다. 또한, 내부 용적비 Vi를 5.0으로 한 경우는, 고열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=12.5)의 효율은 62％이며, 저열량 공급 시(압력비 Ps/Pd=6.26)의 효율은 67％로 된다. 따라서, 1단의 스크류식 팽창 터빈에 의해 처리하는 경우이며, 고열량 공급 시 및 저열량 공급 시 모두 동일 정도의 효율로 하기 위해서는 내부 용적비 Vi를 5.0으로 하는 것이 바람직하지만, 전체적으로는 효율이 낮아져 버린다.
따라서, 팽창기(11)를 단계적으로 팽창시키는 다단식 팽창 터빈으로 변경해서 전체 단열 효율의 향상을 도모한다. 이 경우는, 팽창기(11)를 고압측 팽창부(21)와 저압측 팽창부(22)의 2단계로 팽창시키는 방식으로 하고 있다. 따라서, 도 3의 스텝 S3에 나타내는 바와 같이, 팽창기(11)를 구성하는 고압측 팽창부(21)의 내부 용적비 Vi와 저압측 팽창부(22)의 내부 용적비 Vi를 동일하게 한 경우의, 내부 용적비 Vi와 각 팽창부의 압력비와의 관계를 파악한다. 이와 같이 고압측 팽창부(21)의 내부 용적비 Vi와 저압측 팽창부(22)의 내부 용적비 Vi를 동일하게 하는 것은, 고압측 팽창부(21)의 구성과 저압측 팽창부(22)의 구성과의 공통화를 도모함으로써 이들 설계 및 제조를 용이화하기 때문이다.
또한, 구체적으로는, 전체 단열 효율을 높게 하기 위하여, 내부 용적비 Vi를 2.6으로 설정한다. 이렇게 하면, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 고열량 공급 시에서는, 고압측 팽창부(21)에서 흡입 압력 Ps=2.0으로부터 중간 압력 Pm=0.56까지 감압되고, 저압측 팽창부(22)에서 중간 압력 Pm=0.56으로부터 토출 압력 Pd=0.16까지 감압된다. 또한, 저열량 공급 시에서는, 고압측 팽창부(21)에서 흡입 압력 Ps=1.0으로부터 중간 압력 Pm=0.4까지 감압되고, 저압측 팽창부(22)에서 중간 압력 Pm=0.4로부터 토출 압력 Pd=0.16까지 감압된다.
이와 같이 한 경우, 고열량 공급 시의 압력비는 고압측 팽창부(21)의 압력비 Ps/Pm이 3.57이고, 저압측 팽창부(22)의 압력비 Pm/Pd가 3.5이므로, 거의 동일하게 된다. 또한, 저열량 공급 시의 압력비는 고압측 팽창부(21)의 압력비 Ps/Pm이 2.5이고, 저압측 팽창부(22)의 압력비 Pm/Pd도 2.5이므로, 거의 동일하게 된다.
다음에, 도 3의 스텝 S4에 나타내는 바와 같이, 설정한 내부 용적비 Vi에 있어서의 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)의 전체 단열 효율을 산출함과 함께, 팽창기(11)로서의 전체 단열 효율을 파악하고, 높은 전체 단열 효율로 되는 최적의 내부 용적비 Vi를 결정한다.
따라서, 도 6에 기초하여, 내부 용적비 Vi를 2.6으로 한 경우에 있어서의 전체 단열 효율에 대해서 살펴본다. 우선 고열량 공급 시의 전체 단열 효율에 대해서 보면, 고압측 팽창부(21)의 압력비 Ps/Pm이 3.57이고 저압측 팽창부(22)의 압력비 Pm/Pd가 3.5이므로, 고열량 공급 시의 전체 단열 효율은 고압측 팽창부(21)도 저압측 팽창부(22)도 모두 75％로 된다. 또한, 저열량 공급 시의 전체 단열 효율에 대해서 보면, 고압측 팽창부(21)의 압력비 Ps/Pm 및 저압측 팽창부(22)의 압력비 Pm/Pd가 모두 2.5이므로, 저열량 공급 시의 전체 단열 효율은 고압측 팽창부(21)도 저압측 팽창부(22)도 모두 73％로 된다.
이와 같이 내부 용적비 Vi=2.6의 경우, 고열량 공급 시 및 저열량 공급 시 모두 전체 단열 효율이 높아지고, 팽창기 전체로서의 전체 단열 효율도 73 내지 75％로 높아지므로, 내부 용적비 Vi를 2.6으로 하는 것이 적절한 것을 알 수 있다. 또한, 이와 같이 하면, 발열량이 약 10％ 업하는 것이 판명되었다.
다음에, 용적형 팽창기에 있어서의 내부 용적비 Vi의 조정 방법에 대해서 설명한다. 용적형 팽창기에 있어서 내부 용적비 Vi를 조정하기 위해서는, 팽창 행정 종료의 타이밍을 변경하면 되고, 이에 의해 팽창 행정 종료 시의 팽창실의 용적을 변경해서 내부 용적비를 변경할 수 있다. 또한, 팽창 행정 종료의 타이밍을 변경하기 위해서는, 토출구의 크기 형상을 변경함으로써 행할 수 있다. 따라서, 최적의 내부 용적비 Vi가 설정된 후는, 도 3의 스텝 S5에 나타내는 바와 같이, 최적의 내부 용적비 Vi(이 실시 형태의 경우는 Vi=2.6)가 되도록, 토출구의 크기, 형상을 설정한다.
여기서, 도 7에 기초하여 본 실시 형태에 있어서의 고압측 팽창부(21)의 경우의 토출구의 크기 형상의 설정에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 팽창 행정 종료의 타이밍에 영향이 있는 고압측 팽창부(21)의 토출구(47)의 좌측 단부 위치(47A)를 축 방향으로 변경함으로써, 고압측 팽창부(21)의 팽창 행정 종료의 타이밍을 변경할 수 있고, 이에 의해 고압측 팽창부(21)의 내부 용적비 Vi를 변경할 수 있다. 보다 구체적으로는, 도 7에 있어서 토출구(47)의 좌측 단부 위치(47A)를 우측 방향으로 어긋나게 하면, 토출구(47)가 작아져, 팽창 행정 종료의 타이밍이 느려진다. 이에 의해, 팽창 행정 종료 시의 팽창실의 용적을 작게 하고, 내부 용적비 Vi를 크게 할 수 있다. 반대로, 토출구(47)의 좌측 단부 위치(47A)를 좌측 방향으로 어긋나게 하면, 토출구(47)가 작아져, 팽창 행정 종료의 타이밍이 빨라진다. 이에 의해, 팽창 행정 종료 시의 팽창실의 용적을 크게 하고, 내부 용적비 Vi를 작게 할 수 있다.
이상은, 고압측 팽창부(21)의 내부 용적비 Vi의 설정을 변경하는 경우에 대해서 설명했지만, 저압측 팽창부(22)의 내부 용적비 Vi의 설정을 변경하는 경우도 이에 준해서 행할 수 있다. 이와 같이 본 실시 형태에 있어서의 팽창기(11)에 있어서는, 토출구(47, 53)의 크기와 형상을 변경함으로써 내부 용적비 Vi의 설정을 변경할 수 있다.
다음에, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 열원측 유체 회로(1)에 있어서의 동작을 설명한다.
열원측 유체 회로(1)에서는, 디젤 엔진(2)의 약 170℃ 내지 300℃의 배기 가스에 의해 터빈(5)이 구동되고, 터빈(5)에 연결된 과급기(3)가 구동된다. 디젤 엔진(2)의 배기 가스에 의해 구동되는 과급기(3)로부터의 과급 공기는, 약 150℃ 내지 250℃의 온도이며, 작동 매체 회로(10)의 제1 증발기(16)를 경유해서 디젤 엔진(2)에 공급된다. 이와 같이 하여, 과급 공기는, 제1 증발기(16)에 있어서 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체와 열교환하고, 과급 공기의 열량이 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체에 부여된다.
또한, 과급기(3)의 구동에 제공한 배기 가스는, 터빈(5) 통과 후에 약 150℃ 내지 250℃의 공기로 되어 이코노마이저(4)에 공급되고, 이코노마이저(4)에서 증기의 생성에 제공된 후, 배출된다. 이코노마이저(4)에서 생성된 증기는, 선 내의 수트 블로워 등의 다른 수요처에 보내지지만, 다른 수요처에 있어서의 증기의 사용량이 적을 때는, 그 잉여 증기가 작동 매체 회로(10)의 제2 증발기(17)에 보내진다. 제2 증발기(17)에 있어서, 잉여 증기는 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체와 열교환하고, 잉여 증기의 열량이 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체에 부여된다. 한편, 잉여 증기는, 작동 매체 회로(10)를 순환하는 작동 매체를 가열함으로써 물로 복귀시키고, 리저버(6)에 저류된 후, 펌프(7)에 의해 이코노마이저(4)로 되돌려진다.
다음에, 작동 매체 회로(10)에 있어서의 동작을, 도 8에 도시하는 모리엘 선도를 참조하면서 설명한다. 또한, 도 8의 모리엘 선도에는, 작동 매체의 상태를 나타내는 대표적인 포인트에 부호 A 내지 F를 부여하고 있다. 또한, 작동 매체 회로(10)의 구성을 도시하는 도 1에 있어서도, 이 포인트에 대응하는 위치에 부호 A 내지 F를 부여하고, 그 대응 관계를 이해하기 쉽게 나타내고 있다.
작동 매체 회로(10)에서는, 약 0.5㎫ 내지 2㎫의 액상 작동 매체가 제1 증발기(16)에서 과급 공기의 열에 의해 가열되어 증발 기화한다(E→F). 이에 의해 과급 공기의 열량이 회수된다. 또한, 제1 증발기(16)에서 가열된 액상, 기상 혼합의 작동 매체는, 제2 증발기(17)에 있어서 잉여 증기의 열에 의해 또한 가열된다(F→A). 이에 의해 잉여 증기의 열량이 회수된다.
이와 같이 하여 제1 증발기(16) 및 제2 증발기(17)로 이루어지는 증발기(18)에서 가열된 기상 작동 매체는, 도입구(41)로부터 발전 장치(30)에 도입되고, 도 2에 있어서의 실선 화살표 및 파선 화살표와 같이 흐른다. 발전 장치(30)에 도입된 기상 작동 매체는, 스크류식 팽창 터빈으로 이루어지는 고압측 팽창부(21)에서 단열 팽창하고(A→B), 계속해서 동일하게 스크류식 팽창 터빈으로 이루어지는 저압측 팽창부(22)에서 또한 단열 팽창한다(B→C). B점의 압력은 약 0.5㎫ 내지 1.5㎫이며, C점의 압력은 약 0.1㎫ 내지 0.5㎫로 된다. 그리고, 이들 팽창 터빈에 의해 발생한 회전 동력이 발전기(12)에 전달된다.
고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)에서 팽창하고, 저온의 기상 유체가 된 작동 매체는 발전기(12)를 냉각시키고, 도출구(55)를 통하여 발전 장치(30)로부터 도출된다. 작동 매체에 의한 이 냉각 작용에 의해, 발전기(12)의 발전 효율을 안정화시키는 것이 가능하게 된다.
발전 장치(30)로부터 도출된 기상 작동 매체는, 응축기(13)에 있어서 냉각수로서의 약 20℃ 내지 40℃의 해수에 의해 냉각되어 응축 액화된다(C→D). 그리고, 응축 액화된 작동 매체는 리저버(14)에 일단 저류되고, 액상 작동 매체만이 순환 펌프에 의해 퍼 내어져, 승압되어(D→E) 증발기(18)에 보내진다.
작동 매체 회로(10)에 충전되는 작동 매체는, 상술한 바와 같은 사이클을 형성함으로써, 과급 공기의 열량 및 잉여 증기의 열량을 회수해서 발전을 행한다. 이 경우에 있어서, 팽창기(11)를 구성하는 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)는 스크류식 팽창 터빈으로 이루어짐과 함께, 전술한 바와 같이 전체 단열 효율이 높아지도록 내부 용적비 Vi가 2.6으로 결정됨과 함께, 이 내부 용적비 Vi를 실현하도록 토출구(47, 53)의 형상 및 크기가 설정되어 있다. 이 결과 디젤 엔진(2)의 부하 증감에 의해 과급 공기의 열량이 변동되어도, 또한, 다른 수요처에 있어서의 증기의 소비량의 변동에 의해 이용할 수 있는 잉여 증기의 열량이 변동되어도, 안정된 효율로 발전이 행해진다.
(효과)
이상과 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(1) 본 열 회수형 발전 시스템에 의하면, 팽창기(11)가 작동 매체를 단계적으로 팽창시키는 복수의 팽창부를 구비하고 있으므로, 팽창기(11)의 전체 단열 효율을 향상시킬 수 있다.
(2) 또한, 팽창기(11)는 설계 단계에 있어서 각 단의 팽창부의 내부 용적비 Vi를 조정함으로써, 흡입 압력 Ps의 변동 범위 내에서 전체 단열 효율이 70퍼센트 이상으로 되도록 구성되어 있다. 따라서, 본 열 회수형 발전 시스템은, 열원의 열량이 변동되어도 안정된 발전 효율을 유지할 수 있다.
(3) 또한, 본 열 회수형 발전 시스템에서는, 팽창기(11)를, 고압측 팽창부(21)와 저압측 팽창부(22)와의 2단에 의해 구성하고 있으므로, 제조 비용을 억제하면서 고효율의 발전 시스템으로 할 수 있다.
(4) 또한, 팽창기(11)는, 각 팽창부에 있어서의 내부 용적비 Vi가 동일하게 되도록 조정되어 있으므로, 복수의 팽창부의 공통화를 도모할 수 있다. 따라서, 각 팽창부의 설계 및 제조가 용이하게 된다.
(5) 또한, 팽창기(11)는 용적형의 팽창 터빈을 사용하고 있으므로, 팽창 행정 종료 위치를 변경함으로써, 용이하게 내부 용적비를 조정할 수 있다. 본 실시 형태와 같은 스크류식 팽창 터빈의 경우는, 토출구(47, 53)의 형상 및 크기를 변경함으로써, 각 팽창부에 있어서의 팽창 행정 종료 위치를 변경할 수 있어, 팽창 행정 종료 시의 용적을 용이하게 조정할 수 있다.
(6) 또한, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에서는, 과급기(3)로부터 선박용의 디젤 엔진(2)에 공급되는 과급 공기의 열량과 이코노마이저(4)에서 생성되는 증기의 열량을 회수해서 발전하고 있지만, 이에 의해 선박 내에서 사용되는 전력을 공급할 수 있다.
(7) 또한, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에서는, 디젤 엔진(2)의 부하에 의해 과급기(3)의 열량이 변동됨과 함께, 이코노마이저(4)에서 생성되는 증기의 선 내 수요처에 있어서의 증기의 소비량의 변동에 의해 열 회수에 제공되는 증기의 열량이 변동된다. 이로 인해, 흡입 압력 Ps의 변동 범위는 1㎫ 이상 2㎫ 이하의 범위라고 예측되므로, 고압측 팽창부(21) 및 저압측 팽창부(22)의 내부 용적비는 양쪽 모두 2.6±0.3 정도가 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 과급기(3)로부터 디젤 엔진(2)에 공급되는 과급 공기와 이코노마이저(4)에서 생성되는 증기를 이용하는 경우에 있어서의 압력 변동을 커버할 수 있다. 또한, 이 경우에 있어서, 팽창기(11)의 단열 효율을, 저열량 공급 시에 73％, 고열량 공급 시에 75％로 유지할 수 있다. 그 결과, 발열량을 10％ 향상시킬 수 있다.
(8) 또한, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에 의하면, 복수의 팽창부는 각각 스크류식 팽창 터빈이며, 복수의 팽창부와 발전기(12)는 하나의 하우징(30A) 내에 수용되어 있으므로, 팽창기(11)에 있어서 팽창해서 압력, 온도가 저하된 기상 작동 매체에 의해 발전기(12)의 권취선을 냉각시킬 수 있다. 이에 의해 발전기(12)의 효율을 높게 유지할 수 있다.
(9) 또한, 본 실시 형태에 관한 열 회수형 발전 시스템에 의하면, 복수의 팽창부와 발전기(12)를 1축 1체 구조로 하고, 하나의 하우징(30A)에 수납하는 반밀폐 구조로 하고 있으므로, 작동 매체나 윤활유가 누설되지 않는 구조로 할 수 있어, 이에 의해 장기의 안정 운전을 행하는 것이 가능하게 된다.
[변형예]
상기의 실시 형태에 관한 설명은, 본 발명에 따르는 열 회수형 발전 시스템이 취할 수 있는 형태의 예시이며, 그 형태를 제한하는 것을 의도하지 않는다. 본 발명에 따르는 열 회수형 발전 시스템은, 예를 들어, 이하에 나타내어지는 상기의 실시 형태의 변형예 및 서로 모순되지 않는 적어도 2개의 변형예의 조합된 형태를 취할 수 있다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서는, 설계 수순에 있어서 우선 내부 용적비 Vi마다의 전체 단열 효율과 압력비 Ps/Pd와의 관계를 나타낸 효율 곡선을 준비하고(도 3에 있어서의 스텝 S1), 다음에, 열원인 과급 공기의 열량 변화 및 냉각수의 온도로부터 팽창기(11)의 흡입 압력 Ps와 토출 압력 Pd를 예측해서 설정하는(도 3에 있어서의 스텝 S2) 것으로 했다. 그러나, 이 점에 대해서는, 역순서이어도 지장은 없다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서는, 팽창기(11)로서 스크류식 팽창 터빈으로 이루어지는 것을 사용했지만, 이에 한정되는 것은 아니며 스크롤식 등 다른 용적형의 것을 사용할 수도 있다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서는, 팽창기(11)로서 2단계로 팽창시키는 형식으로 구성하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 팽창기(11)에 있어서의 단수는 제조 비용과의 균형을 고려하여 3단 이상으로 해도 되고, 단수를 많이 함으로써 더욱 전체 단열 효율의 향상을 도모할 수 있다.
각 팽창부의 내부 용적비 Vi의 목표값은, 흡입 압력 및 토출 압력의 변동 범위 내에서 전단 열효율이 70％ 이상으로 된다면, 반드시 2.6일 필요는 없고, 2.6 이상 3.6 이하의 값이 되어도 된다. 또한, 단수에 따라서 내부 용적비 Vi를 적절히 설정하는 것이 필요하게 되지만, 각 팽창부의 설계 및 제조의 용이화를 위해 내부 용적비 Vi를 동일하게 하는 것이 바람직하다. 단, 설계 및 제조의 공정수가 허용되는 경우에는, 팽창부마다 내부 용적비 Vi가 2.6 이상 3.6 이하의 범위 내에서 서로 달라도 된다.
ㆍ또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 다단 팽창 형식으로서 단순히 팽창을 2단계로 나눠서 행하는 사이클로 하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다단 재생 사이클이나, 다단 재열 사이클로 해도 된다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서의 설계 방법은, 선박 추진용의 디젤 엔진의 폐열을 이용하는 것을 예로 들었지만, 다른 엔진의 폐열이나 화력 발전소, 소각 시설, 공장 등의 폐열 등을 회수하는 것으로 해도 된다. 보다 구체적으로는, 공장에 있어서 배출되는 수증기의 열량을 열원으로 하거나, 수증기 이외의 증기나 온수 등을 열원으로 하거나 해도 되고, 열원의 열량이 변동되는 경우에 유효하다.
ㆍ또한, 상기 실시 형태에 있어서는, 이코노마이저(4)에서 생성되는 증기의 열량을 보조적으로 이용하도록 제2 증발기(17)를 형성하고 있었지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이와 같은 보조 열원을 이용하는 제2 증발기를 생략해도 된다. 또한, 제2 증발기(17)의 열원을 디젤 엔진(2)의 배기 가스로 하고, 작동 매체를 디젤 엔진(2)의 배기 가스와 직접 열교환시키도록 해도 된다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서는, 응축기(13)에 사용하는 냉각수가 해수이므로 선 내에 있어서의는 냉각수의 유량이나 온도가 그다지 변하지 않는 것을 사용하고 있었지만, 이용하는 폐열에 따라서는 이용 환경의 차이에 관련해서 다른 냉각원을 사용하도록 해도 된다. 또한, 냉각원도 계절이나 시간에 따라 냉각 성능에 변화가 생기는 것이어도 되고, 이와 같은 경우는 그 변동 폭에 따라서 흡입측의 압력을 설계하면 된다.
ㆍ상기 실시 형태에 있어서는, 작동 매체 회로(10)에 충전되는 작동 매체로서 R245fa를 사용하고 있었지만, 이 대신에 이소펜탄, 부탄, 프로판 등의 저분자탄화수소나, 냉매로서 사용되는 R134a 등을 사용해도 된다.
Pd : 토출 압력
Ps : 흡입 압력
Vi : 내부 용적비
2 : (디젤) 엔진
3 : 과급기
4 : 이코노마이저
11 : 팽창기
12 : 발전기
13 : 응축기
15 : 순환 펌프
16 : 제1 증발기
17 : 제2 증발기
18 : 증발기
21 : 고압측 팽창부
22 : 저압측 팽창부

Claims (9)

  1. 열원의 열에 의해 작동 매체를 가열 기화시키는 증발기와,
    상기 증발기에서 기화된 고압의 기상 작동 매체에 의해 구동되는 용적형의 팽창기로서, 상기 팽창기는 흡입 압력에서 작동 매체를 퍼 올리고 토출 압력에서 작동 매체를 토출하는, 용적형의 팽창기와,
    상기 팽창기에 연결되어 구동되는 발전기와,
    상기 팽창기로부터 송출되는 저온 저압의 기상 작동 매체를 냉각시켜 응축하는 응축기와,
    상기 응축기에서 응축된 액상 작동 매체를 퍼 올려, 승압하여 상기 증발기에 반송하는 순환 펌프를 갖고,
    상기 팽창기는, 작동 매체를 단계적으로 팽창시키는 복수의 팽창부를 구비하고, 상기 팽창부 각각은 흡입 행정과 팽창 행정을 수행하기 위한 팽창실을 갖고,
    상기 복수의 팽창부는, 상기 팽창기의 전체 단열 효율이 압력비의 변동 범위 내에서 70퍼센트 이상으로 되도록 상기 팽창부의 내부 용적비를 설정하도록 구성되고,
    상기 내부 용적비는 상기 흡입 행정의 종료 시의 팽창부의 팽창실의 용적과 상기 팽창 행정의 종료 시의 팽창부의 팽창실의 용적 사이의 비로 정의되며,
    상기 압력비는 팽창기의 토출 압력에 대한 팽창기의 흡입 압력의 비로 정의되는, 열 회수형 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기는, 각 팽창부에 있어서의 내부 용적비가 동일하게 되도록 조정되어 있는, 열 회수형 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 팽창기는, 각 팽창부에 있어서의 팽창 행정 종료 위치를 변경함으로써 내부 용적비를 조정하는, 열 회수형 발전 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 팽창부는, 고압측 팽창부와 저압측 팽창부와의 2단에 의해 구성되어 있는, 열 회수형 발전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 증발기는, 과급기로부터 엔진에 공급되는 과급 공기에 의해 가열하도록 구성되어 있는, 열 회수형 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡입 압력의 상기 변동 범위는, 1㎫ 이상 2㎫ 이하의 범위이며,
    상기 고압측 팽창부 및 저압측 팽창부의 내부 용적비는, 양쪽 모두 2.6±0.3인, 열 회수형 발전 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 팽창부는, 각각 스크류식 팽창 터빈이며,
    상기 복수의 팽창부와 상기 발전기는, 하나의 하우징 내에 수용되어 있는, 열 회수형 발전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 팽창부와 상기 발전기는, 동축 상에 배치된 상태로 하나의 하우징 내에 수용되어 있어, 팽창부의 동력이 발전기에 전달되어 전력이 생성되게 하고, 팽창부로부터 토출된 기상 작동 매체가 하우징 내부의 발전기를 냉각시키게 하는, 열 회수형 발전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 증발기는, 열원이 디젤 엔진에 공급되는 흡기를 압축하기 위한 과급기 및 디젤 엔진의 배기 가스를 사용하여 증기를 생성하는 이코노마이저를 포함하는, 직렬로 연결된 제1 증발기 및 제2 증발기를 포함하고, 상기 제1 증발기는 과급기의 과급 공기의 열로 순환 펌프로부터 보내진 작동 매체를 가열하고, 상기 제2 증발기는 이코노마이저에 의해 생성된 증기를 사용함으로써 제1 증발기에서 가열된 작동 매체를 추가로 가열하는, 열 회수형 발전 시스템.
KR1020160032532A 2015-03-23 2016-03-18 열 회수형 발전 시스템 KR101907735B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015059800A JP6403271B2 (ja) 2015-03-23 2015-03-23 熱回収型発電システム
JPJP-P-2015-059800 2015-03-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160113976A KR20160113976A (ko) 2016-10-04
KR101907735B1 true KR101907735B1 (ko) 2018-12-07

Family

ID=55696851

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160032532A KR101907735B1 (ko) 2015-03-23 2016-03-18 열 회수형 발전 시스템

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9945267B2 (ko)
EP (1) EP3073065A3 (ko)
JP (1) JP6403271B2 (ko)
KR (1) KR101907735B1 (ko)
CN (1) CN105986840B (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2884060B1 (de) * 2013-12-16 2020-04-01 Orcan Energy AG Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb von volumetrischen Expansionsmaschinen
JP2018159375A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 株式会社神戸製鋼所 過給空気冷却ユニット
JP6776190B2 (ja) * 2017-06-26 2020-10-28 株式会社神戸製鋼所 熱エネルギー回収装置及び熱エネルギー回収方法
US10815929B2 (en) * 2017-07-05 2020-10-27 Cummins Inc. Systems and methods for waste heat recovery for internal combustion engines
CN107461221A (zh) * 2017-08-16 2017-12-12 无锡锡压压缩机有限公司 一种大功率柴油机余热回收用两级螺杆膨胀机结构
JP6831318B2 (ja) 2017-11-22 2021-02-17 株式会社神戸製鋼所 熱エネルギー回収システム
KR101963534B1 (ko) * 2018-07-06 2019-07-31 진정홍 O.r.c용 동력발생장치
JP2020045864A (ja) * 2018-09-20 2020-03-26 株式会社神戸製鋼所 膨張機およびバイナリ発電装置
CN111911249A (zh) * 2020-07-27 2020-11-10 北京工业大学 适用于中小型有机朗肯循环系统的单螺杆-透平双级膨胀机

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3747333A (en) * 1971-01-29 1973-07-24 Steam Eng Syst Inc Steam system
US3744245A (en) * 1971-06-21 1973-07-10 D Kelly Closed cycle rotary engine system
JPS58101289A (ja) * 1981-12-11 1983-06-16 Kobe Steel Ltd スクリユ圧縮機
EP0082671B1 (en) * 1981-12-18 1990-03-21 TFC Power Systems Limited Converting thermal energy
JPS626490U (ko) * 1985-06-26 1987-01-16
US5027602A (en) * 1989-08-18 1991-07-02 Atomic Energy Of Canada, Ltd. Heat engine, refrigeration and heat pump cycles approximating the Carnot cycle and apparatus therefor
JPH0988502A (ja) 1995-09-25 1997-03-31 Hisaka Works Ltd スクリュータービン及びそれを用いたバイナリー発電装置
GB2309748B (en) * 1996-01-31 1999-08-04 Univ City Deriving mechanical power by expanding a liquid to its vapour
GB0322507D0 (en) * 2003-09-25 2003-10-29 Univ City Deriving power from low temperature heat source
US7637457B2 (en) * 2004-04-30 2009-12-29 Lawrence Livermore National Security, Llc Rankine-Brayton engine powered solar thermal aircraft
JP2007255327A (ja) * 2006-03-23 2007-10-04 Nippon Soken Inc 膨張機制御装置
EP2014880A1 (en) * 2007-07-09 2009-01-14 Universiteit Gent An improved combined heat power system
JP5355336B2 (ja) * 2009-10-05 2013-11-27 荏原冷熱システム株式会社 スクリュー圧縮機および冷凍機
JP5597589B2 (ja) * 2011-04-19 2014-10-01 株式会社神戸製鋼所 スクリュ膨張機
CN102182528A (zh) * 2011-04-21 2011-09-14 天津大学 双循环两级螺杆膨胀机动力系统
CN104110272A (zh) * 2013-04-16 2014-10-22 袁建华 一种螺杆膨胀机余热发电装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016180322A (ja) 2016-10-13
EP3073065A2 (en) 2016-09-28
EP3073065A3 (en) 2016-12-07
US20160281542A1 (en) 2016-09-29
KR20160113976A (ko) 2016-10-04
JP6403271B2 (ja) 2018-10-10
CN105986840B (zh) 2019-02-15
CN105986840A (zh) 2016-10-05
US9945267B2 (en) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101907735B1 (ko) 열 회수형 발전 시스템
EP3314096B1 (en) Power system and method for producing useful power from heat provided by a heat source
CA2653780C (en) Improved compressor device
EP2492457A1 (en) Gas turbine intercooler with tri-lateral flash cycle
JP6039572B2 (ja) 並行循環熱機関
US9752460B2 (en) Process for controlling a power turbine throttle valve during a supercritical carbon dioxide rankine cycle
US8613195B2 (en) Heat engine and heat to electricity systems and methods with working fluid mass management control
US10066499B2 (en) Turboexpander and driven turbomachine system
US9388712B2 (en) Methods and apparatus for an oxy-fuel based power cycle
US11300010B2 (en) Cooling equipment, combined cycle plant comprising same, and cooling method
US8739537B2 (en) Power generation apparatus
US8997516B2 (en) Apparatus for air conditioning or water production
JP6071271B2 (ja) タービン翼の冷却システム及びガスタービン
US20220403760A1 (en) Plant based upon combined joule-brayton and rankine cycles working with directly coupled reciprocating machines
US11506088B2 (en) Hydro-turbine drive methods and systems for application for various rotary machineries
JP6793616B2 (ja) 圧縮空気貯蔵発電装置及び圧縮空気貯蔵発電方法
US9429069B2 (en) Open brayton bottoming cycle and method of using the same
CN118517676A (zh) 一种基于吸收式热泵与压缩空气储能耦合的火电机组及低温余热利用与灵活运行方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right