KR20050075689A - Engine system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료의 자기 점화 장치를 구비한 왕복 피스톤 내연 엔진, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 열을 증기로 전환시키는 장치를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 엔진 시스템에서는 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 터빈 사이의 배기 가스 라인에 제1 배기 가스 보일러가 배치되고, 모든 터빈의 하류의 배기 가스 라인에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로써 최대한 고압 및 고온을 갖는 증기를 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to an engine system comprising a reciprocating piston internal combustion engine with a self-ignition device for fuel, an exhaust gas turbocharger, and a device for converting exhaust gas heat to steam, wherein the engine system according to the invention is a high pressure exhaust system. The first exhaust gas boiler is arranged in the exhaust gas line between the turbine of the multistage supercharger group in which gas is propelled and the turbine in which low pressure exhaust gas is propelled, and the second exhaust gas boiler is arranged in the exhaust gas line downstream of all turbines. By doing so, it is possible to obtain steam having a high pressure and a high temperature as much as possible.
Description
본 발명은 연료의 자기 점화 장치를 구비한 왕복 피스톤 내연 엔진, 배기 가스 터보 과급기, 및 배기 가스 열을 증기로 전환시키는 장치를 포함하는 엔진 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an engine system comprising a reciprocating piston internal combustion engine with a self-ignition device for fuel, an exhaust gas turbocharger, and a device for converting exhaust gas heat to steam.
그러한 유형의 대형 왕복 피스톤 내연 엔진을 구비한 시스템은 선박과 고정 시설인 발전소에 사용된다. 그 경우, 배기 가스 열을 전환시키는 장치에 의해, 예컨대 증기 터빈을 구동시키는데 사용되거나 가열 목적으로 사용되거나 공정 증기로서 사용되는 증기가 생성된다.Systems with large reciprocating piston internal combustion engines of that type are used in ships and stationary installations. In that case, an apparatus for converting the exhaust gas heat produces, for example, steam which is used to drive a steam turbine, for heating purposes or as process steam.
그로부터 출발된 본 발명의 목적은 다단으로 과급되는 왕복 피스톤 내연 엔진에 적합한 증기를 가능한 한 고압 및 고온으로 공급하는 엔진 시스템을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an engine system for supplying steam suitable for high pressure and high temperature suitable for a multistage reciprocating piston internal combustion engine.
그러한 목적은 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 터빈 사이의 배기 가스 라인에 제1 배기 가스 보일러가 배치되고, 모든 터빈의 하류의 배기 가스 라인에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로써 달성된다.The object is that a first exhaust gas boiler is arranged in the exhaust gas line between the turbine of the multistage supercharger group in which the high pressure exhaust gas is propelled and the turbine in which the low pressure exhaust gas is propelled, and the second exhaust gas line downstream of all turbines. This is achieved by having an exhaust gas boiler arranged.
본 발명의 바람직한 실시 양태에서는 제1 보일러가 2단 과급기 군의 고압 터빈과 저압 터빈 사이에 배치되고, 제2 보일러가 저압 터빈의 하류에 배치된다.In a preferred embodiment of the invention, the first boiler is arranged between the high pressure turbine and the low pressure turbine of the two stage supercharger group, and the second boiler is arranged downstream of the low pressure turbine.
제2 배기 가스 보일러의 출구는 제1 배기 가스 보일러의 입구에 접속되는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 배기 가스 온도를 상승시킴이 없이 왕복 피스톤 내연 엔진의 하류에서 배기 가스 열의 2단 이용이 이루어질 수 있게 된다. 배기 가스의 열로써 증기 터빈용 증기를 생성해야 할 경우에는 제1 배기 가스 보일러가 과열기로서 작용하게 된다.The outlet of the second exhaust gas boiler is preferably connected to the inlet of the first exhaust gas boiler. Thus, two stages of exhaust gas heat can be made downstream of the reciprocating piston internal combustion engine without raising the exhaust gas temperature. If it is necessary to produce steam for the steam turbine as the heat of the exhaust gas, the first exhaust gas boiler acts as a superheater.
나머지 종속 청구항들에는 각각의 적용 사안 및 작동 상태에 대해 왕복 피스톤 내연 엔진의 출력과 증기의 압력 및 온도 사이의 최적화를 가능하게 하는 개별적으로 조치되거나 조합되어 조치되는 개별 방안들이 기재되어 있다.The remaining dependent claims describe individual measures which are taken individually or in combination to enable an optimization between the pressure and temperature of the steam and the output of the reciprocating piston internal combustion engine for each application and operating condition.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하면서 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 왕복 피스톤 내연 엔진이 도면 부호 1로 지시되어 있는데, 그 하류에는 2단 과급기 군이 접속된다. 그러한 왕복 피스톤 내연 엔진(1) 중에서 도면 부호 2로 지시된 배기 가스 라인의 섹션은 터빈(3)으로 인도되고, 그 터빈(3)은 축(4)을 경유하여 압축기(5)를 구동시킨다. 터빈(3)과 압축기(5)는 과급기 군의 고압 단을 형성한다. 터빈(3)으로부터 배기 가스 라인의 추가의 섹션(6)이 제1 배기 가스 보일러(7)로 인도된다. 그러한 배기 가스 보일러(7)를 통해 나오는 배기 가스는 이어서 배기 가스 라인의 섹션(8)을 경유하여 터빈(9)에 도달되는데, 그 터빈(9)은 축(10)에 의해 압축기(11)와 커플링된다. 터빈(9)과 압축기(11)는 과급기 군의 저압 단을 형성한다. 배기 가스는 터빈(9)으로부터 배기 가스 라인의 섹션(12)을 경유하여 제1 배기 가스 보일러(13)에 도달된다. 제2 배기 가스 보일러의 출구는 라인(18)을 경유하여 제1 배기 가스 보일러(7)의 입구에 접속된다. 여기서, 제2 배기 가스 보일러(7)의 출구에 부설된 라인(19)으로부터 추가의 사용처, 예컨대 가열 시스템으로 인도되는 라인(25)이 분기된다. 그 라인(25)은 물론 라인(19)도 역시 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 스톱 밸브(26 또는 27)를 구비한다. 그 경우, 라인(25)은 배기 가스 보일러(13)로부터 직접 나올 수도 있다.In Fig. 1, a reciprocating piston internal combustion engine is indicated by reference numeral 1 , which is connected to a two-stage supercharger group downstream. In such a reciprocating piston internal combustion engine 1, the section of the exhaust gas line indicated by reference numeral 2 is led to a turbine 3, which drives the compressor 5 via the shaft 4. The turbine 3 and the compressor 5 form a high pressure stage of the supercharger group. An additional section 6 of the exhaust gas line from the turbine 3 is led to the first exhaust gas boiler 7. The exhaust gas coming out of such an exhaust gas boiler 7 then reaches the turbine 9 via a section 8 of the exhaust gas line, which is connected to the compressor 11 by means of a shaft 10. Coupled. The turbine 9 and the compressor 11 form a low pressure stage of the supercharger group. The exhaust gas reaches the first exhaust gas boiler 13 from the turbine 9 via the section 12 of the exhaust gas line. The outlet of the second exhaust gas boiler is connected to the inlet of the first exhaust gas boiler 7 via line 18. Here, a line 25 is diverted from the line 19 laid at the outlet of the second exhaust gas boiler 7 to a further place of use, for example a heating system. The line 25 as well as the line 19 have stop valves 26 or 27 which can also be set at different passage flow rates. In that case, the line 25 may come directly from the exhaust gas boiler 13.
시스템의 작동 시에는 2개의 터빈(3, 9)에 압력 강하의 분배와 유사하게 온도 하강의 분배도 이루어지게 된다. 2개의 터빈 사이의 온도는 터빈(3)의 상류에서의 온도와 터빈(9)의 하류에서의 온도 사이에 있다. 배기 가스 보일러(7)는 2개의 터빈 사이에 배치되기 때문에, 상대적으로 높은 증기 온도가 얻어질 수 있다. 배기 가스 보일러(7, 13)에 의해 생성되는 증기가 증기 터빈 과정에 사용된다면, 그것은 증기 터빈의 효율이 상대적으로 높다는 것을 의미한다.During operation of the system, a distribution of temperature drop is also made, similar to the distribution of pressure drop across the two turbines 3, 9. The temperature between the two turbines is between the temperature upstream of the turbine 3 and the temperature downstream of the turbine 9. Since the exhaust gas boiler 7 is arranged between two turbines, a relatively high steam temperature can be obtained. If the steam produced by the exhaust gas boilers 7, 13 is used in the steam turbine process, it means that the efficiency of the steam turbine is relatively high.
배기 가스 보일러(7, 13)의 치수는 통과되는 체적류에 의해 결정된다. 터빈(3, 9) 사이에서는 배기 가스가 아직 완전히 감압되지 않기 때문에, 배기 가스 보일러(7)를 통한 체적류는 터빈(9)의 하류에서보다 더 작다. 그로 인해, 배기 가스 보일러(7)의 치수가 작게 선택될 수 있게 된다.The dimensions of the exhaust gas boilers 7, 13 are determined by the volumetric flow passed through. Since the exhaust gas is not yet fully depressurized between the turbines 3, 9, the volume flow through the exhaust gas boiler 7 is smaller than in the downstream of the turbine 9. Thereby, the dimension of the exhaust gas boiler 7 can be selected small.
과급 공기는 압축기(11) 및 연이은 열 교환기(14)를 통해 흐르는데, 열 교환기(14)에서는 과급 공기가 냉각된다. 과급 공기는 열 교환기(14)로부터 고압 배기 가스 과급기의 압축기(5)에 도달되고, 그로부터 추가의 열 교환기(15)를 통해 왕복 피스톤 내연 엔진(1)으로 인도된다.The charge air flows through the compressor 11 and the subsequent heat exchanger 14, where the charge air is cooled. The charge air reaches from the heat exchanger 14 to the compressor 5 of the high pressure exhaust gas supercharger, from which it is directed to the reciprocating piston internal combustion engine 1 via an additional heat exchanger 15.
왕복 피스톤 내연 엔진(1)의 부하가 바뀔 경우에는 터빈(3, 9) 사이에 배치된 배기 가스보일러(7)가 축열기로서 작용한다는 문제점이 생긴다, 그로 인해, 터빈(9)에 대한 배기 가스 에너지 공급이 부하 변경에 뒤지는 결과가 초래된다. 그를 피하기 위해, 배기 가스 보일러(7)는 바이패스 라인(16)에 의해 우회될 수 있다. 바이패스 라인(16)은 섹션(6)으로부터 출발하여 섹션(8)으로 연통된다. 바이패스 라인(16)은 상이한 통과 흐름량으로 세팅되는 것이 바람직한 스톱 밸브(17)를 수납하고 있다. 섹션(6)에서는 바이패스 라인(16)의 분기점과 제1 배기 가스 보일러(7) 사이에 추가의 스톱 밸브(18)가 배치된다. 스톱 밸브(17)가 통과 흐름량 제어를 위해 설계된 것일 경우, 스톱 밸브(18)도 역시 동일하게 형성된다. 2개의 스톱 밸브(17, 18)는 도면에 도시되지는 않았지만 스톱 밸브(17)의 개방에 의해 그와 동시에 스톱 밸브(18)의 폐쇄가 이뤄지도록 적절하게 커플링될 수 있다. 스톱 밸브(17, 18)를 시의적절하게 작동시킴으로써, 배기 가스가 고정된 작동 시에 배기 가스 보일러(7)를 통해 인도되거나 부하 변경 시에 배기 가스 보일러를 지나쳐 인도될 수 있게 된다.When the load of the reciprocating piston internal combustion engine 1 is changed, there arises a problem that the exhaust gas boiler 7 disposed between the turbines 3 and 9 acts as a heat accumulator, and therefore, the exhaust gas to the turbine 9. The result is that the energy supply lags behind the load change. To avoid that, the exhaust gas boiler 7 can be bypassed by the bypass line 16. Bypass line 16 is communicated from section 6 to section 8. Bypass line 16 houses a stop valve 17 that is preferably set to a different amount of passage flow. In section 6 an additional stop valve 18 is arranged between the branch point of the bypass line 16 and the first exhaust gas boiler 7. If the stop valve 17 is designed for passage flow rate control, the stop valve 18 is also formed in the same way. The two stop valves 17, 18 can be suitably coupled such that the closure of the stop valve 18 is achieved at the same time by opening the stop valve 17, although not shown in the figure. By timely operating the stop valves 17, 18, the exhaust gas can be delivered through the exhaust gas boiler 7 in fixed operation or beyond the exhaust gas boiler in case of load changes.
배기 가스 보일러(7)에 의해 배기 가스 에너지를 인출하는 결과, 왕복 피스톤 내연 엔진의 과급 압력이 하강된다. 그것은 일정한 한계 내에서 허용될 수 있다. 그러나, 과급 압력 강하가 지나치게 클 경우에는 문제점이 생길 수 있다. 그럴 경우, 터빈(3, 9) 중 하나 이상이 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있는 라인 장치를 구비할 수 있다.As a result of extracting the exhaust gas energy by the exhaust gas boiler 7, the supercharge pressure of the reciprocating piston internal combustion engine is lowered. It can be allowed within certain limits. However, problems can arise if the boost pressure drop is too large. If so, one or more of the turbines 3, 9 may be provided with a line device that can be set to different passage flow rates.
다른 대안은 왕복 피스톤 내연 엔진이 제어 작동 시간의 가변적 세팅을 위한 장치를 구비하도록 함으로써 주어진다. 그것은 예컨대 4행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에 흡기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적으로 되도록 함으로써 이루어지게 된다. 2행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에는 배기 밸브의 제어 작동 시간이 가변적으로 세팅될 수 있도록 형성될 수 있다. 4행정 왕복 피스톤 내연 엔진에서 흡기 밸브를 나중에 폐쇄시키거나 2행정 왕복 피스톤 내연 엔진의 경우에 배기 밸브를 조기에 폐쇄시킴으로써, 증기 생성이 많을 경우에 과급 압력 강하의 영향이 저지될 수 있게 된다.Another alternative is given by having the reciprocating piston internal combustion engine with a device for variable setting of the control operating time. This is achieved, for example, by varying the control operating time of the intake valve in the case of a four-stroke reciprocating piston internal combustion engine. In the case of a two-stroke reciprocating piston internal combustion engine, the control operation time of the exhaust valve can be configured to be variably set. By closing the intake valve later in a four-stroke reciprocating piston internal combustion engine or in the case of a two-stroke reciprocating piston internal combustion engine early closing, the influence of the boost pressure drop can be prevented in the case of high steam generation.
도 2에는 다른 실시 양태가 도시되어 있다. 여기서, 도 1에 따른 시스템과 일치하는 부분에는 동일한 도면 부호가 부여된다. 도 1에 따른 배치에 추가하여, 각각의 터빈(3, 9)과 병렬로 바이패스 라인(20 또는 21)이 마련된다. 각각의 바이패스 라인(20, 21)은 스톱 밸브(22 또는 23)를 수납하고 있다. 그러한 스톱 밸브(22, 23)도 역시 상이한 통과 흐름량으로 세팅될 수 있다. 도시된 실시예에서는 바이패스 라인(20, 21)이 바이패스 라인(16)에 접속되어 양자의 터빈(3, 9)을 우회하는 바이패스가 이뤄질 수 있게 된다. 그러나, 단 하나의 바이패스 라인(20 또는 21)만을 마련하는 것도 가능하다.2 shows another embodiment. Here, the same reference numerals are given to parts corresponding to the system according to FIG. 1. In addition to the arrangement according to FIG. 1, bypass lines 20 or 21 are provided in parallel with the respective turbines 3, 9. Each bypass line 20, 21 houses a stop valve 22 or 23. Such stop valves 22 and 23 can also be set to different passage flow rates. In the illustrated embodiment, bypass lines 20 and 21 are connected to bypass line 16 to allow bypass to bypass both turbines 3 and 9. However, it is also possible to provide only one bypass line 20 or 21.
바이패스 라인(20, 21)은 세팅될 수 있는 라인 장치를 구비하거나 밸브 제어 작동 시간이 가변적인 터빈에 대한 대안이다. 배기 가스 보일러(7)에 의해 배기 가스로부터 열이 인출되는데, 스톱 밸브(18)가 개방되고 스톱 밸브(17)가 폐쇄되면, 과급 압력이 낮아진다. 그 경우, 스톱 밸브(22, 23)는 폐쇄된다. 배기 가스 보일러(7)가 스톱 밸브(18)의 폐쇄와 스톱 밸브(17)의 개방에 의해 차단되면, 더 이상 배기 가스 보일러에 의해 배기 가스로부터 열이 인출되지 않는다. 그것을 보상하기 위해, 스톱 밸브(22, 23)를 개방시킬 수 있다. 그럼으로써, 터빈(3, 9)이 필요한 과급 압력을 유지시키는 정도로만 배기 가스를 받게 된다. 그 경우, 스톱 밸브(27)도 역시 폐쇄시키는 것이 바람직하다.Bypass lines 20 and 21 are alternatives to turbines with line devices that can be set or with variable valve control operating times. Heat is withdrawn from the exhaust gas by the exhaust gas boiler 7, but when the stop valve 18 is opened and the stop valve 17 is closed, the supercharge pressure is lowered. In that case, the stop valves 22 and 23 are closed. When the exhaust gas boiler 7 is interrupted by the closing of the stop valve 18 and the opening of the stop valve 17, heat is no longer drawn from the exhaust gas by the exhaust gas boiler. To compensate for this, the stop valves 22 and 23 can be opened. Thereby, the exhaust gas is received only to the extent that the turbines 3 and 9 maintain the necessary boost pressure. In that case, it is also preferable to close the stop valve 27 as well.
본 발명에 따른 엔진 시스템에서는 고압의 배기 가스가 추진되는 다단 과급기 군의 터빈과 저압의 배기 가스가 추진되는 제1 배기 가스 보일러의 터빈 사이의 배기 가스 라인 및 모든 터빈의 하류에 제2 배기 가스 보일러가 배치되도록 함으로써 다단으로 과급되는 왕복 피스톤 내연 엔진에 적합한 증기를 최대한 고압 및 고온으로 공급할 수 있게 된다.In the engine system according to the present invention, a second exhaust gas boiler downstream of all turbines and an exhaust gas line between a turbine of a multistage supercharger group to which high pressure exhaust gas is propelled and a turbine of a first exhaust gas boiler to which low pressure exhaust gas is propelled. By arranging the gas, it is possible to supply the steam suitable for the multistage reciprocating piston internal combustion engine at high pressure and high temperature.
도 1 및 도 2는 본 발명의 2개의 실시예를 각각 개략적으로 나타낸 도면.1 and 2 schematically show two embodiments of the present invention, respectively.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
2, 6, 8, 12 : 배기 가스 라인2, 6, 8, 12: exhaust gas line
3, 9 : 터빈3, 9: turbine
7, 13 : 배기 가스 보일러7, 13: exhaust gas boiler
16, 20, 21 : 바이패스 라인16, 20, 21: bypass line
18, 19, 25 : 라인18, 19, 25: line
17, 18, 22, 23, 26, 27 : 스톱 밸브17, 18, 22, 23, 26, 27: stop valve
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