KR20130117885A - 배열 회수 발전 장치 - Google Patents

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요시히로 이치키
노리히로 후쿠다
아츠시 후지이
히로타카 히가시모리
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

소형화 및 저비용화한 장치 구성으로 온도가 상이한 열 매체로부터 열을 회수할 수 있는 배열 회수 발전 장치를 제공한다. 작동 매체의 유기 매체 경로 (23) 에 병렬로 설치되고, 각각 온도가 상이한 열 매체에 의해 작동 매체를 증발시키는 복수의 제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 와, 단일의 래디얼 터빈 휠로 구성되고, 각각 축선 방향에서 상이한 위치로부터 도입되는 제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 로부터의 각 작동 매체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환시키는 파워 터빈 (17) 과, 파워 터빈 (17) 의 회전 동력에 의해 발전하는 발전기 (19) 와, 파워 터빈 (17) 을 통과한 작동 매체를 응축시키는 응축기 (21) 를 구비하고 있다.

Description

배열 회수 발전 장치{EXHAUST-HEAT RECOVERY POWER GENERATION DEVICE}
본 발명은, 배열 회수 발전 장치에 관한 것이다.
배열 회수 발전 장치는, 각종 산업용 플랜트, 선박이나 차량용 동력원 등으로부터 배출되는 배기 가스, 온배수 등 또는 지열·OTEC 등으로부터 회수한 열에너지를 사용하여 발전하는 것이다 (특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
배열 회수 발전 장치에서는, 일반적으로, 열원의 열에 의해 가열 증발된 작동 매체를 터빈에 도입하고, 작동 매체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환하여 발전하고 있다. 터빈으로는, 래디얼 터빈이 널리 사용되고 있다.
래디얼 터빈에서는, 작동 매체의 압력에 대해 최적의 조건으로 설계되므로, 압력이 상이한 복수의 작동 매체가 제공되는 경우, 예를 들어, 특허문헌 1 에 개시되는 바와 같이, 복수의 터빈 및 발전기, 즉, 각각의 1 개의 압력의 작동 매체에 대해 1 개의 터빈 및 발전기가 사용되고 있다.
또는, 발전기는 1 대이고, 복수의 터빈이 축 접속되어 있는 구조도 사용된다. 이것은, 동일 압력의 작동 매체를 사용하고 있는 것인데, 예를 들어, 특허문헌 2 에 개시되는 구조로 된다.
일본 공개특허공보 평01-285607호 일본 공개특허공보 평08-218816호
그런데, 특허문헌 1 에 개시되는 바와 같이 복수의 터빈을 사용하는 것은, 장치가 대형화되며, 그것에 따라 제조 비용이 증가하게 된다. 특히, 설치 스페이스가 한정되는 선박에서는 사용이 제약된다.
특허문헌 2 에 개시되는 바와 같이 동일 축에 복수의 터빈 휠을 형성하는 경우, 터빈 부품 점수가 많아, 구조가 복잡해지고 제조 비용이 증가하게 된다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여, 소형화 및 저비용화한 장치 구성으로 온도가 상이한 열 매체로부터 열을 회수할 수 있는 배열 회수 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명의 일 양태는, 작동 매체의 순환 경로에 병렬로 설치되고, 각각 온도가 상이한 열 매체에 의해 상기 작동 매체를 증발시키는 복수의 증발기와, 단일 터빈 휠로 구성되고, 각각 축선 방향에서 상이한 위치로부터 도입되는 상기 각 증발기로부터의 상기 각 작동 매체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환시키는 래디얼 터빈과, 그 래디얼 터빈의 회전 동력에 의해 발전하는 발전기와, 상기 래디얼 터빈을 통과한 상기 작동 매체를 응축시키는 응축기를 구비하고 있는 배열 회수 발전 장치이다.
본 양태에서는, 복수의 증발기가 작동 매체의 순환 경로에 병렬로 설치되고, 각 증발기에서는 작동 매체가 온도가 상이한 열 매체에 의해 증발되고 있기 때문에, 각 증발기에서는, 온도 및 압력이 상이한 가스상의 작동 매체가 생성된다. 이들 압력이 상이한 작동 매체는, 래디얼 터빈의 터빈 휠에 있어서의 각각 축선 방향에서 상이한 위치, 즉, 공급되는 작동 매체의 압력이 터빈 휠을 흐르는 출구를 향하여 순차 저하되는 압력에 일치하는 위치에 도입된다. 이들 축선 방향에서 상이한 위치로부터 도입된 작동 매체는, 순차 혼합됨과 함께 순차 압력이 저감되면서 터빈 휠로부터 유출되어, 터빈 휠에 회전 동력을 발생시킨다. 발전기는, 터빈 휠, 바꾸어 말하면, 래디얼 터빈의 회전 동력에 의해 발전을 실시한다. 래디얼 터빈을 통과한 작동 매체는, 응축기에 의해 응축되고, 순환 경로를 통과하여 각 증발기로 보내진다.
이와 같이, 온도가 상이한 열 매체에 의해 압력이 상이한 작동 매체를 발생시켜, 그들 작동 매체를 단일 터빈 휠에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있으므로, 장치 전체의 소형화를 도모할 수 있으며, 제조 비용을 저감시킬 수 있음과 함께 온도가 상이한 열 매체로부터 유효하게 열을 회수할 수 있다.
본 양태에서는, 상기 터빈 휠은, 외주단에 주(主)입구를 갖고, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주(主)통로를 구비함과 함께 그 주통로의 슈라우드면에 적어도 1 개의 슈라우드측 입구를 구비하고 있도록 해도 된다.
주입구에는, 가장 압력이 높은 작동 매체가 공급된다. 주입구로부터 도입된 작동 매체는, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주통로를 통과하여 순차 압력이 저감되면서 터빈 휠로부터 토출된다. 슈라우드면에 형성된 슈라우드측 입구에 공급되는 작동 유체는, 주입구로부터 도입되어 주통로를 통과하는 작동 매체와 혼합된다.
슈라우드측 입구에 공급되는 작동 유체는, 주입구로부터 도입되어, 주통로를 통과하여 순차 압력이 저감되는 작동 유체의 압력과 거의 일치하는 크기의 압력, 즉, 주입구에 공급되는 작동 매체보다 저압력으로 된다. 축선 방향에서 주입구로부터 이격할수록 저압력으로 된다. 증발기로 생성되는 작동 매체의 압력에 따라, 슈라우드측 입구의 설치 위치가 설정된다.
본 양태에서는, 상기 터빈 휠은, 외주단에 주입구를 갖고, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주통로를 구비함과 함께 그 주통로의 허브면에서 분기되어 상기 주통로의 배면측을 향하여 연장되는 종(從)통로의 외주단에 상기 주입구와 상이한 반경 방향 위치로 된 허브측 입구를 구비하고 있도록 해도 된다.
주입구로부터 도입된 작동 매체는, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주통로를 통과하여 순차 압력이 저감되면서 터빈 휠로부터 토출된다. 주통로의 허브면에서 분기되어 주통로의 배면측을 향하여 연장되는 종통로의 외주단에 주입구와 상이한 반경 방향 위치로 된 허브측 입구에 공급되는 작동 유체는, 종통로를 통과하여 주입구로부터 도입되어 주통로를 통과하는 작동 매체와 혼합된다. 허브측 입구로부터 도입되는 작동 매체는, 혼합 부분에 있어서의 압력이, 주입구로부터 도입되어 주통로를 통과하여 순차 압력이 저감되는 작동 유체의 압력과 거의 일치하는 크기의 압력으로 된다. 허브측 입구와 주입구의 반경 방향 위치에 따라 외주측에 위치하는 쪽에 고압력의 작동 유체가 공급된다.
슈라우드측 입구와 조합함으로써, 다수의 압력이 상이한 작동 매체를 취급할 수 있다.
본 양태에서는, 상기 열 매체로서 내연 기관 본체를 냉각시키는 엔진 냉각수와, 그 내연 기관의 과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수가 사용되도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 배기 가스보다 온도 레벨이 낮아 유효 이용되지 않았던 엔진 냉각수 (예를 들어 80 ∼ 90 ℃) 및 과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수 (예를 들어 130 ∼ 140 ℃) 로부터 열량을 회수할 수 있다.
본 양태에서는, 상기 열 매체로서 내연 기관 본체를 냉각시키는 엔진 냉각수와, 그 내연 기관의 과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수를 그 내연 기관의 배기 가스에 의해 가열한 증기가 사용되도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 엔진 냉각수 및 공기 냉각수에 더하여 내연 기관의 배기 가스로부터도 열 회수할 수 있으므로, 유효한 배열 회수를 실시할 수 있다.
과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수를 내연 기관의 배기 가스에 의해 가열한 증기는, 비교적 고온이기 때문에, 증발기에서 고압의 작동 매체를 얻을 수 있어, 래디얼 터빈의 출력을 크게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 온도가 상이한 열 매체에 의해 압력이 상이한 작동 매체를 발생시켜, 그들 작동 매체를 단일 터빈 휠에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있으므로, 장치 전체의 소형화를 도모할 수 있으며, 제조 비용을 저감시킬 수 있음과 함께 온도가 상이한 열 매체로부터 유효하게 열을 회수할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 터빈을 나타내는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 파워 터빈의 또 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 6 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈을 나타내는 단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 10 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 11 은 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
도 12 는 본 발명의 제 3 실시형태에 관련된 파워 터빈의 다른 실시양태를 나타내는 단면도이다.
이하에, 본 발명에 관련된 실시형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
[제 1 실시형태]
이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치 (1) 에 대해 도 1 및 도 2 에 기초하여 설명한다.
본 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치 (1) 는, 선박의 추진용 주기로서의 디젤 엔진 (내연 기관) (3) 의 배열 회수용으로서 설치된 구성을 예로 하고 있다.
도 1 은, 본 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치 (1) 를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 2 는, 배열 회수 발전 장치 (1) 의 파워 터빈 (17) 을 나타내는 단면도이다.
배열 회수 발전 장치 (1) 에는, 디젤 엔진 (3) 의 실린더 블록 등을 냉각시키는 실린더 재킷 내를 흐르는 재킷 냉각수 (열 매체, 엔진 냉각수) 로부터 열 회수하는 제 1 배열 회수기 (증발기) (5) 와, 디젤 엔진 (3) 의 과급기 (7) 로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과하는 공기 냉각수 (열 매체) 로부터 열 회수하는 제 2 배열 회수기 (증발기) (11) 와, 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과하는 공기 냉각수가 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 에서 가열된 증기 (열 매체) 로부터 열 회수하는 제 3 배열 회수기 (증발기) (15) 와, 제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 에서 열 회수되고, 증발된 유기 매체 (작동 매체) 의 에너지를 회전 동력으로 변환시키는 파워 터빈 (래디얼 터빈) (17) 과, 파워 터빈 (17) 의 회전 동력에 의해 전력을 생성하는 발전기 (19) 와, 파워 터빈 (17) 으로부터의 유기 매체를 응축시키는 응축기 (21) 와, 이들 기기를 연결하여 유기 매체가 순환되는 유기 매체 경로 (순환 경로) (23) 와, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하여 유기 매체를 순환시키는 유기 매체용 펌프 (24) 가 구비되어 있다.
배열 회수 발전 장치 (1) 는, 유기 랜킨 사이클 (Organic Rankin Cycle) 을 구성하고 있다.
유기 매체 경로 (23) 는, 유기 매체용 펌프 (24) 와 파워 터빈 (17) 사이에서, 제 1 배열 회수기 (5) 를 통과하는 경로, 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과하는 경로 및 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하는 경로가 병렬로 되도록 되어 있다. 바꾸어 말하면, 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하는 경로로부터 제 1 배열 회수기 (5) 를 통과하는 경로 및 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과하는 경로가 분기되고, 파워 터빈 (17) 에서 합류하도록 되어 있다.
유기 매체 경로 (23) 를 흐르는 유기 매체로는, 예를 들어, 이소펜탄, 부탄, 프로판 등의 저분자 탄화수소나 냉매로서 사용되는 R134a, R245fa 등을 사용할 수 있다. 유기 매체는, 회수하는 복수의 열 매체의 온도 분포에 따라 최적인 것이 선정된다.
실린더 재킷 내를 흐르는 재킷 냉각수는, 재킷 냉각수 펌프 (25) 에 의해, 재킷 냉각수 순환 유로 (27) 내를 순환한다. 이 재킷 냉각수 순환 유로 (27) 는 실린더 재킷, 온도 조정용 삼방 밸브 (29), 재킷 냉각수 펌프 (25) 라는 순서로 재킷 냉각수가 흐르도록 형성되어 있다. 재킷으로부터 나온 재킷 냉각수는, 예를 들어 80 ∼ 90 ℃ 의 수온이다.
재킷 냉각수 순환 유로 (27) 에는, 제 1 배열 회수기 (5) 를 경유하는 바이패스 유로 (31) 가 형성되어 있다. 이 바이패스 유로 (31) 를 흐르는 유량은, 바이패스 유량 조절 밸브 (33) 에 의해 조정한다. 이로써, 제 1 배열 회수기 (5) 를 흐르는 재킷 냉각수의 유량을 조정할 수 있게 되어 있다.
온도 조정용 삼방 밸브 (29) 는, 실린더 재킷으로부터 유출되는 재킷 냉각수가 원하는 출구 온도가 되도록 동작한다. 구체적으로는, 재킷 냉각수가 실린더 재킷으로부터 유출되는 출구 온도가 설정치보다 높은 경우에는, 도시하지 않은 센트럴 냉각기로부터 유입되는 약 36 ℃ 정도의 맑은 물을 재킷 냉각수 순환 유로 (27) 에 많이 흐르게 하도록 동작한다.
제 2 공기 냉각기 (35) 는, 과급기 (7) 로부터 토출된 압축 공기의 흐름에 대해, 제 1 공기 냉각기 (9) 의 하류측에 설치되어 있다. 따라서, 제 1 공기 냉각기 (9) 쪽이, 제 2 공기 냉각기 (35) 보다 온도 레벨이 높아지도록 설치되어 있다.
제 2 공기 냉각기 (35) 에서 압축 공기를 냉각시킨 맑은 물은, 다시 센트럴 냉각기로 반송된다.
과급기 (7) 에서 압축된 압축 공기는, 예를 들어, 150 ∼ 160 ℃ 이고, 제 1 공기 냉각기 (9) 및 제 2 공기 냉각기 (35) 를 통과하여 디젤 엔진 (3) 에 공급되고, 도시되지 않은 연료 공급계로부터 공급된 연료와 혼합되어 연소된다. 연소에 수반되는 배기 가스는, 과급기 (7) 의 작동에 사용된 후, 배기 가스 경로 (37) 를 통과하여 굴뚝 (39) 으로부터 외부로 배출된다. 과급기 (7) 를 나온 배기 가스의 온도는 예를 들어, 220 ℃ 정도이다.
배기 가스 경로 (37) 에는, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 와, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 의 상류측에 배치된 제 1 배기 가스 이코노마이저 (41) 가 설치되어 있다. 배기 가스 경로 (37) 는, 배기 가스가, 제 1 배기 가스 이코노마이저 (41) 및 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 를 통과하거나, 양자 중 어느 일방을 통과하거나, 또는 양자를 통과하지 않는 것 중 어느 것을 선택할 수 있도록 구성되어 있다.
제 1 배기 가스 이코노마이저 (41) 에는, 증기 드럼 (43) 과의 사이에 순환 경로 (45) 가 형성되어 있다. 증기 드럼 (43) 내의 물을 보일러 드럼수 순환 펌프 (47) 에 의해 제 1 배기 가스 이코노마이저 (41) 로 보내고, 배기 가스의 열 회수에 의해 증기를 발생시키고 있다. 발생한 증기는, 선박의 보조 장치로 보내진 후, 예를 들어, 70 ℃ 정도의 물로서 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아온다.
대기압 드레인 탱크 (49) 의 물은, 급수 펌프 (51) 에 의해 증기 드럼 (43) 에 급수된다. 이 때, 증기 드럼 레벨 제어 밸브 (53) 에 의해 증기 드럼 (43) 내의 수위가 조정된다.
대기압 드레인 탱크 (49) 의 물은, 급수 펌프 (55) 에 의해 급수 경로 (57) 를 통과하고, 제 1 공기 냉각기 (9) 및 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과한 후, 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아오도록 순환된다.
급수 경로 (57) 에는, 제 1 공기 냉각기 (9) 와 제 2 배열 회수기 (11) 사이에 위치하는 분기점 (A) 에서 분기된 분기 경로 (59) 가 접속되어 있다. 분기 경로 (59) 는, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 및 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하여 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아오도록 구성되어 있다. 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과한 공기 냉각수는, 분기 경로 (59) 를 통과하여 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 에 공급되고, 배기 가스에 의해 고온·고압의 증기로 되어 제 3 배열 회수기 (15) 에 공급된다.
파워 터빈 (17) 에는, 케이싱 (61) 과, 케이싱 (61) 에 회전 가능하게 지지된 회전축 (63) 과, 회전축 (13) 의 외주에 장착된 래디얼 터빈 휠 (터빈 휠) (65) 이 구비되어 있다.
래디얼 터빈 휠 (65) 의 외주단에는, 회전축 (63) 에 거의 평행한 주입구 (67) 가 형성되어 있다.
주입구 (67) 의 외주측에는, 스크롤상의 공간인 주(主)유입로 (69) 가 형성되어 있다. 주유입로 (69) 에는, 제 3 배열 회수기 (15) 로부터 공급되는 유기 매체가 도입되는 주(主)도입로 (71) 가 접속되어 있다. 주유입로 (69) 와 주입구 (67) 사이는, 둘레 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐 (73) 이 형성되어 있는 접속로에 의해 접속되어 있다.
래디얼 터빈 휠 (65) 에는, 주입구 (67) 로부터 터빈 휠 출구 (75) 를 향하여 흐름이 유출되도록 반경 방향으로부터 축 방향을 향하여 만곡함과 함께 날개 높이가 순차 높아지는 주통로 (77) 가 형성되어 있다.
주통로 (77) 의 슈라우드면에는, 주입구 (67) 에 대해 반경 방향 및 축 방향으로 이격한 위치에 슈라우드측 종(從)입구 (슈라우드측 입구) (79) 가 형성되어 있다.
슈라우드측 종입구 (79) 의 외주측에는, 스크롤상의 공간인 슈라우드측 종유입로 (81) 가 형성되어 있다. 슈라우드측 종유입로 (81) 에는, 제 2 배열 회수기 (11) 로부터 공급되는 유기 매체가 도입되는 슈라우드측 종도입로 (83) 가 접속되어 있다. 슈라우드측 종유입로 (81) 와 슈라우드측 종입구 (79) 사이는, 둘레 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐 (85) 이 형성되어 있는 접속로에 의해 접속되어 있다.
주통로 (77) 의 허브면에는, 배면측을 향하여 연장되는 종통로 (87) 가 구비되어 있다. 주통로 (77) 와 종통로 (87) 는, 점선으로 나타내는 주통로 (77) 의 허브면의 가상선인 합류부에서 흐름이 합류되도록 구성되어 있다. 바꿔 말하면, 종통로 (87) 는, 주통로 (77) 로부터 분기되고, 주통로 (77) 의 배면측을 향하여 연장되도록 형성되어 있다.
종통로 (87) 의 배면측의 외주단에는, 주입구 (27) 와 상이한 반경 위치에 전체 둘레에 걸친 허브측 종입구 (허브측 입구) (89) 가 형성되어 있다.
허브측 종입구 (89) 의 외주측에는, 일정한 단면 (斷面) 형상을 한 공간인 허브측 종유입로 (91) 가 형성되어 있다. 허브측 종유입로 (91) 에는, 제 1 배열 회수기 (5) 로부터 공급되는 유기 매체가 도입되는 허브측 종도입로 (93) 가 접속되어 있다. 허브측 종유입로 (91) 와 허브측 종입구 (89) 사이는, 둘레 방향으로 간격을 두고 배치된 복수의 날개로 구성되는 노즐 (95) 이 형성되어 있는 접속로에 의해 접속되어 있다.
주입구 (67), 슈라우드측 종입구 (79) 및 허브측 종입구 (89) 의 반경 방향 위치는, 주입구 (67) 가 가장 외주측에 위치하고, 허브측 종입구 (89) 가 가장 내주측에 위치시키고 있다.
슈라우드측 종입구 (79) 의 반경 방향 위치는, 슈라우드측 종입구 (79) 로부터 도입되는 유기 매체의 압력이, 주입구 (67) 로부터 도입되고, 주통로 (77) 를 통과하여 순차 압력이 저감되는 작동 유체의 압력과 거의 일치하는 크기가 되도록 설정된다.
슈라우드측 종입구 (79) 는, 스페이스에 여유가 있으면 축선 방향으로 복수 형성되도록 해도 된다.
허브측 종입구 (89) 의 반경 방향 위치는, 허브측 종입구 (89) 로부터 도입되는 유기 매체의 압력이 종통로 (87) 를 통과하여 순차 저감된 합류부에 있어서의 유기 매체의 압력이, 주입구 (67) 로부터 도입되고, 주통로 (77) 를 통과하여 순차 압력이 저감되는 작동 유체의 합류부에 있어서의 압력과 거의 일치하는 크기가 되도록 설정된다.
따라서, 허브측 종입구 (89) 의 반경 방향 위치를 주입구 (67) 의 반경 방향 위치보다 외주측에 위치시키고, 허브측 종입구 (89) 에 주입구 (67) 에 도입하는 유기 매체보다 고압의 유기 매체를 공급하도록 해도 된다.
다음으로, 상기 구성의 배열 회수 발전 장치 (1) 의 동작에 대해 설명한다.
유기 매체용 펌프 (24) 를 작동시키면, 응축기 (21) 에서 해수에 의해 응축된, 예를 들어, 35 ℃ 정도의 유기 매체는, 유기 매체 경로 (23) 를 순환한다. 이 때, 유기 매체의 일부는, 제 1 배열 회수기 (5) 를 통과하여 파워 터빈 (17) 의 허브측 종도입로 (93) 에, 다른 일부는, 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과하여 파워 터빈 (17) 의 슈라우드측 종도입로 (83) 에, 나머지는, 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하여 파워 터빈 (17) 의 주도입로 (71) 에 공급된다.
재킷 냉각수 펌프 (25) 에 의해 실린더 재킷으로 유도된 재킷 냉각수는, 실린더 재킷에서 실린더 블록 등을 냉각시킴으로써, 예를 들어, 80 ∼ 90 ℃ 로 승온된다. 이 재킷 냉각수는 바이패스 유로 (31) 를 경유하여 제 1 배열 회수기 (5) 를 통과하므로, 재킷 냉각수와 유기 매체 사이에서 열 교환이 실시되고, 유기 매체는 재킷 냉각수에 의해, 예를 들어, 64 ℃ 정도로 승온되어 증발된다. 바꾸어 말하면, 재킷 냉각수의 현열 (顯熱) 이 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체에 회수된다.
디젤 엔진 (3) 의 과급기 (7) 에 의해 압축된 압축 공기는, 제 1 공기 냉각기 (9) 및 제 2 공기 냉각기 (35) 를 통과하여 디젤 엔진 (3) 에 공급된다. 이 때, 제 1 공기 냉각기 (9) 에는, 급수 펌프 (55) 에 의해 대기압 드레인 탱크 (49) 의, 예를 들어, 70 ℃ 정도의 물이 급수 경로 (57) 를 통하여 통과하고 있기 때문에, 예를 들어, 150 ∼ 160 ℃ 가 되는 압축 공기는, 이 물과 열 교환되고, 예를 들어, 80 ℃ 정도로 냉각된다. 한편, 급수 경로 (57) 를 통과하는 물은, 압축 공기에 의해 가열되고, 예를 들어, 140 ℃ 정도로 승온된다. 바꾸어 말하면, 압축 공기의 현열이 급수 경로 (57) 를 통과하는 물로 회수된다.
급수 경로 (57) 를 통과하는 물은, 제 1 공기 냉각기 (9) 에서 승온된 후, 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과하므로, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체와의 사이에서 열 교환이 실시되고, 유기 매체는, 예를 들어, 100 ℃ 정도로 승온되어 증발된다. 따라서, 급수 경로 (57) 를 통과하는 물을 통하여, 압축 공기의 현열이 유기 매체 경로 (23) 의 유기 매체에 회수되게 된다.
제 1 공기 냉각기 (9) 에서 승온된 급수 경로 (57) 를 통과하는 온수의 일부는, 분기점 (A) 에 있어서 분기되어 분기 경로 (59) 를 통과하여 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 를 통과한다.
제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 에는, 제 1 배기 가스 이코노마이저 (41) 에 의해 열 회수된, 예를 들어, 210 ℃ 정도의 배기 가스가 도입되고 있으므로, 분기 경로 (59) 를 통과하는 온수는, 배기 가스와 열 교환되고, 예를 들어, 190 ∼ 200 ℃ 로 승온되어 증기로 된다. 바꾸어 말하면, 배기 가스의 현열이 분기 경로 (59) 를 통과하는 온수로 회수된다.
이 온수는, 분기 경로 (59) 를 경유하여 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하므로, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체와의 사이에서 열 교환이 실시되고, 유기 매체는, 예를 들어, 120 ∼ 130 ℃ 정도로 승온되어 증발된다. 따라서, 분기 경로 (59) 를 통과하는 온수를 통하여, 압축 공기 및 배기 가스의 현열이 유기 매체 경로 (23) 의 유기 매체에 회수되게 된다.
이와 같이, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체는, 제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 에서 독립적으로 증발된다. 이 때, 유기 매체의 압력은, 제 3 배열 회수기 (15) 에서 생성된 것이 가장 높고, 제 2 배열 회수기 (11), 제 1 배열 회수기 (5) 의 순서로 낮아진다.
제 3 배열 회수기 (15) 에서 증발된 비교적 고압의 유기 매체는, 주도입로 (71) 를 통과하여 주유입로 (69) 에 유입된다. 주유입로 (69) 에 유입된 유기 매체는, 주유입로 (69) 및 노즐 (73) 에 의해 유량, 유속이 조정되고, 주입구 (67) 로부터 주통로 (77) 에 공급된다. 주통로 (77) 를 통과하는 유기 매체는, 래디얼 터빈 휠 (65) 의 출구까지 연속적으로 압력이 저하되면서 흐르고, 래디얼 터빈 휠 (65) 및 회전축 (63) 에 회전 동력을 발생시킨다.
제 2 배열 회수기 (11) 에서 증발된 비교적 중압 (中壓) 의 유기 매체는, 슈라우드측 종도입로 (83) 를 통과하여 슈라우드측 종유입로 (81) 에 유입된다. 슈라우드측 종유입로 (81) 에 유입된 유기 매체는, 슈라우드측 종유입로 (81) 및 노즐 (85) 에 의해 유량, 유속이 조정되고, 슈라우드측 종입구 (79) 로부터 래디얼 터빈 휠 (65) 에 공급되어, 주입구 (67) 로부터 공급된 유기 매체와 혼합된다.
이 때, 이 슈라우드측 종입구 (79) 로부터 래디얼 터빈 휠 (65) 내에 공급되는 유기 매체의 압력은, 주통로 (77) 를 흐르는 출구를 향하여 순차, 바꿔 말하면 연속적으로 저하되는 유기 매체의 슈라우드측 종입구 (79) 위치에 있어서의 압력에 일치하도록 되어 있다.
제 1 배열 회수기 (5) 에서 증발된 비교적 저압의 유기 매체는, 허브측 종도입로 (93) 를 통과하여 허브측 종유입로 (91) 에 유입된다. 허브측 종유입로 (91) 에 유입된 유기 매체는, 노즐 (95) 에 의해 유량, 유속이 조정되고, 허브측 종입구 (89) 로부터 래디얼 터빈 휠 (65) 의 종통로 (87) 에 공급된다. 이 유기 매체는, 종통로 (87) 를 통과함에 따라 감압되어, 합류부에서 주통로 (77) 를 흐르는 유기 매체와 합류된다.
이 때, 허브측 종입구 (89) 에 공급되는 유기 매체의 압력은, 합류부에서의 주통로 (77) 를 흐르는 유기 매체의 압력과 거의 일치하도록 설정되어 있다.
이와 같이, 제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 로부터의 압력이 상이한 유기 매체를, 각각 래디얼 터빈 휠 (65) 의 주입구 (67), 슈라우드측 종입구 (79) 및 허브측 종입구 (89) 에 공급함으로써, 단일의 래디얼 터빈 휠 (65) 에 의해 회전 동력으로서 취출할 수 있다.
이로써, 본 실시형태에 관련된 파워 터빈 (17) 은, 복수의 터빈 또는 복수의 래디얼 터빈 휠을 구비하는 터빈에 비해 부품 점수를 저감시킬 수 있어, 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 이 때문에, 배열 회수 장치 (1) 의 소형화를 도모할 수 있고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
제 1 배열 회수기 (5), 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 에서, 유기 매체는, 재킷 냉각수, 과급기 (7) 에서 압축된 압축 공기 및 연소 배기 가스로부터 열 회수하므로, 디젤 엔진 (3) 의 배열을 유효하게 회수할 수 있다.
파워 터빈 (17) 에서 작업을 종료한 유기 매체는, 응축기 (21) 로 유도되어 해수 등의 냉각수에 의해 냉각됨으로써 응축되어 액화된다.
상기한 각 온도는, 일례를 나타낸 것으로서, 각각의 유체의 유량, 디젤 엔진 (3) 의 운전 상황 등 여러 가지의 상황에 따라 변화되는 것이다.
본 실시형태에서는, 슈라우드측 종유입로 (81) 가 스크롤상으로 되어 있는데, 도 3 에 나타내는 바와 같이 일정한 단면 형상을 한 공간인 콜렉터로 해도 된다. 이것은, 주유입로 (69) 도 동일하다. 이렇게 하면, 제조 비용을 보다 저감시킬 수 있다.
주도입로 (71), 슈라우드측 종도입로 (83) 및 허브측 종도입로 (93) 의 장착 위치는, 파워 터빈 (17) 의 설치 위치에 맞추어 설정해도 된다. 예를 들어, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 슈라우드측 종도입로 (83) 를 하부에 위치하도록 설정해도 된다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해 도 5 를 사용하여 설명한다. 본 실시형태는, 제 1 실시형태에 비하여 제 2 배열 회수기 (11) 및 제 3 배열 회수기 (15) 의 열원이 상이하기 때문에, 이 상이한 점에 대해 주로 설명한다. 따라서, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
도 5 는, 본 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치 (1) 를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
본 실시형태에서는, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 는 설치되어 있지 않다.
급수 경로 (57) 는, 대기압 드레인 탱크 (49) 의 물이, 제 2 공기 냉각기 (35) 를 통과하여 제 2 배열 회수기 (11) 에 공급되고, 그 후에는, 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아오도록 구성되어 있다.
급수 경로 (57) 에는, 제 2 공기 냉각기 (35) 와 제 2 배열 회수기 (11) 사이에 위치하는 분기점 (B) 에서 분기된 분기 경로 (97) 가 접속되어 있다. 분기 경로 (97) 는, 제 1 공기 냉각기 (9) 및 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하여 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아오도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 본 실시형태에 관련된 배열 회수 장치 (1) 는, 배열 회수를 제외하고 제 1 실시형태와 마찬가지로 동작하므로, 중복되는 부분의 설명은 생략한다.
본 실시형태에서는, 디젤 엔진 (3) 의 과급기 (7) 에 의해 압축된, 예를 들어, 150 ∼ 160 ℃ 가 되는 압축 공기는, 제 1 공기 냉각기 (9) 에서 후술하는 열 교환을 실시하여 저온으로 된 상태에서 제 2 공기 냉각기 (35) 에 도입된다. 이 때, 제 2 공기 냉각기 (35) 에는, 급수 펌프 (55) 에 의해 대기압 드레인 탱크 (49) 의 물이 급수 경로 (57) 를 통하여 통과하고 있기 때문에, 압축 공기는, 이 물과 열 교환되어 냉각된다. 한편, 급수 경로 (57) 를 통과하는 물은, 압축 공기에 의해 가열되어 승온된다. 바꾸어 말하면, 압축 공기의 현열이 급수 경로 (57) 를 통과하는 물로 회수된다.
급수 경로 (57) 를 통과하는 물은, 제 2 공기 냉각기 (35) 에서 승온된 후, 제 2 배열 회수기 (11) 를 통과하므로, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체와의 사이에서 열 교환이 실시되고, 유기 매체는 승온되어 증발된다. 따라서, 급수 경로 (57) 를 통과하는 물을 통하여, 압축 공기의 현열이 유기 매체 경로 (23) 의 유기 매체에 회수되게 된다.
제 2 공기 냉각기 (35) 에서 승온된 급수 경로 (57) 를 통과하는 온수의 일부는, 분기점 (B) 에 있어서 분기되어 분기 경로 (97) 를 통과하여 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과한다.
제 1 공기 냉각기 (9) 에는, 제 2 공기 냉각기 (35) 보다 온도가 높은 압축 공기가 도입되고 있으므로, 분기 경로 (97) 를 통과하는 온수는, 온도가 높은 압축 공기와 열 교환되어 승온된다. 바꾸어 말하면, 압축 공기의 현열이 분기 경로 (97) 를 통과하는 온수로 회수된다.
분기 경로 (97) 가 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과할 때, 유기 매체 경로 (23) 를 통과하는 유기 매체와의 사이에 열 교환이 실시되고, 유기 매체는 승온되어 증발된다. 따라서, 분기 경로 (97) 를 통과하는 온수를 통하여, 압축 공기가 유기 매체 경로 (23) 의 유기 매체에 회수되게 된다.
[제 3 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 대해 도 6 및 도 7 을 사용하여 설명한다. 본 실시형태는, 제 1 실시형태에 대해 제 2 배열 회수기 (11) 가 구비되어 있지 않은 점에서 상이하기 때문에, 이 상이한 점에 대해 주로 설명한다. 따라서, 제 1 실시형태와 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
도 6 은, 본 실시형태에 관련된 배열 회수 발전 장치 (1) 를 개략적으로 나타내는 블록도이다. 도 7 은, 배열 회수 발전 장치 (1) 의 파워 터빈 (17) 을 나타내는 단면도이다.
본 실시형태에서는, 제 2 배열 회수기 (11) 가 사용되고 있지 않기 때문에, 제 2 배열 회수기 (11) 및 이것에 관련하는 부재를 생략할 수 있는 만큼, 배열 회수 발전 장치 (1) 를 보다 소형화할 수 있다.
파워 터빈 (17) 은, 제 1 실시형태의 것에 비하여, 제 2 배열 회수기 (11) 로부터의 작동 유체를 취급하는 슈라우드측 종입구 (79), 슈라우드측 종유입로 (81), 슈라우드측 종도입로 (83) 및 노즐 (85) 이 생략되어 있는 구성으로 되어 있다.
따라서, 파워 터빈 (17) 의 구조를 간소화할 수 있어, 소형화할 수 있음과 함께, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.
배열 회수 발전 장치 (1) 에 사용되는 파워 터빈 (17) 은, 도 7 에 나타나는 구조에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 주유입로 (69) 및 주도입로 (71) 와 슈라우드측 종유입로 (91) 및 슈라우드측 종도입로 (93) 가 전체 둘레에 걸쳐 일체적으로 구성됨과 함께 주유입로 (69) 와 슈라우드측 종유입로 (91) 가 연통하도록 구성되어 있다. 그리고, 주유입로 (69) 와 슈라우드측 종유입로 (91) 가 칸막이판 (100) 으로 나뉘어져 고압측에서는, 노즐 (73), 주입구 (67) 및 주통로 (77), 저압측에서는, 노즐 (95), 허브측 종입구 (89) 및 종통로 (87) 가 각각 구성되도록 해도 된다.
이로써, 회전축 (63) 은, 길이를 짧게 할 수 있고, 축 진동을 감소시킬 수 있다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 스크롤을 형성하는 슈라우드측 종유입로 (91) 및 슈라우드측 종도입로 (93) 가 축 방향으로 편평하게 되어 있어도 된다.
이와 같이 하면, 케이싱 (61) 의 개방시에, 케이싱 (61) 이 슈라우드측 종유입로 (91) 및 슈라우드측 종도입로 (93) 에 간섭하지 않게 할 수 있다. 이로써, 케이싱 (61) 의 분해를 용이하게 실시할 수 있다.
도 10 에 나타내는 바와 같이, 회전축 (63) 에 있어서의 파워 터빈 (17) 의 장착 위치에 대한 반대측 단부에, 다른 독립적인 부가 파워 터빈 (18) 을 구비하도록 해도 된다.
부가 파워 터빈 (18) 은, 파워 터빈 (17) 과는 매체가 흐르는 유로가 독립되어 있기 때문에, 파워 터빈 (17) 과는 다른 매체로 구동할 수도 있고, 동일한 매체로 구동할 수도 있다. 예를 들어, 부가 파워 터빈 (18) 에 파워 터빈 (17) 에 공급되는 유기 매체보다 고압의 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 로부터의 증기를 직접 도입할 수 있다. 이로써, 디젤 엔진 (3) 의 배열을 더욱 유효하게 회수할 수 있다. 파워 터빈 (18) 의 배기를, 별도 형성된 저압의 파워 터빈에 도입할 수도 있다.
도 10 에서는, 파워 터빈 (17) 은 도 8 에 나타낸 구조의 것으로 하고 있지만, 이것에 한정되는 것이 아니며, 부가 파워 터빈 (18) 은, 본 실시형태에서 설명한 파워 터빈 (17) 을 포함하는 적절한 구조를 한 파워 터빈 (17) 과 조합할 수 있다.
도 11 에 나타내는 파워 터빈 (17) 은, 회전축 (63) 이 자기 베어링 (110, 111) 에 의해 지지되도록 구성되어 있다.
이와 같이 회전축 (63) 이 자기 베어링 (110, 111) 에 의해 지지되면, 윤활유를 공급하지 않아도 되기 때문에, 유기 매체 중에 윤활유가 비산되는 것을 방지할 수 있다.
도 12 에 나타내는 바와 같이, 파워 터빈 (17) 은, 슈라우드측 종입구 (79), 슈라우드측 종유입로 (81), 슈라우드측 종도입로 (83) 및 노즐 (85) 을 구비하고, 허브측 종입구 (89), 슈라우드측 종유입로 (91), 슈라우드측 종도입로 (93) 및 노즐 (95) 을 생략하도록 하고, 제 1 배열 회수기 (5) 로부터의 유기 매체를 슈라우드측 종입구 (79) 로부터 주통로 (77) 에 도입하도록 해도 된다.
이와 같이 하면, 종통로 (87) 를 형성하지 않아도 되기 때문에, 파워 터빈 (17) 을 보다 소형화할 수 있다.
급수 경로 (57) 는, 대기압 드레인 탱크 (49) 의 물이 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과한 후, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 및 제 3 배열 회수기 (15) 를 통과하여 대기압 드레인 탱크 (49) 로 되돌아오도록 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 본 실시형태에 관련된 배열 회수 장치 (1) 는, 제 2 배열 회수기 (11) 가 없는 점 및 그것에 수반되는 배열 회수를 제외하고 제 1 실시형태 와 마찬가지로 동작하므로, 중복되는 부분의 설명은 생략한다.
급수 경로 (57) 를 통과하는 물은, 제 1 공기 냉각기 (9) 를 통과할 때에, 압축 공기에 의해 승온되고, 이어서, 제 2 배기 가스 이코노마이저 (13) 를 통과할 때에, 배기 가스에 가열되어 제 3 배열 회수기 (15) 에 공급된다. 제 3 배열 회수기 (15) 에서, 유기 매체는 급수 경로 (57) 를 통과하는 열매 (熱媒) 에 의해 가열되어 승온된다.
따라서, 급수 경로 (57) 를 통과하는 물을 통하여, 압축 공기 및 배기 가스의 현열이 유기 매체 경로 (23) 의 유기 매체에 회수되게 된다.
본 발명은 이상 설명한 각 실시형태에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형을 실시해도 된다.
예를 들어, 상기 서술한 각 실시형태의 배열 회수 발전 장치 (1) 는, 선박 에 대한 적용을 예로서 설명했지만, 발전 등에 사용되는 육용 (陸用) 내연 기관에 적용할 수도 있고, 각종 산업용 플랜트의 배열, 지열·OTEC 등을 사용한 발전 등에 적용할 수도 있다.
1 : 배열 회수 발전 장치
3 : 디젤 엔진
5 : 제 1 배열 회수기
7 : 과급기
11 : 제 2 배열 회수기
15 : 제 3 배열 회수기
17 : 파워 터빈
19 : 발전기
21 : 응축기
23 : 유기 매체 경로
65 : 래디얼 터빈 휠
67 : 주입구
77 : 주통로
79 : 슈라우드측 종입구
87 : 종통로
89 : 허브측 종입구

Claims (5)

  1. 작동 매체의 순환 경로에 병렬로 설치되고, 각각 온도가 상이한 열 매체에 의해 상기 작동 매체를 증발시키는 복수의 증발기와,
    단일 터빈 휠로 구성되고, 각각 축선 방향에서 상이한 위치로부터 도입되는 상기 각 증발기로부터의 상기 각 작동 매체의 선회 에너지를 회전 동력으로 변환시키는 래디얼 터빈과,
    그 래디얼 터빈의 회전 동력에 의해 발전하는 발전기와,
    상기 래디얼 터빈을 통과한 상기 작동 매체를 응축시키는 응축기를 구비하고 있는 배열 회수 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈 휠은, 외주단에 주입구를 갖고, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주통로를 구비함과 함께 그 주통로의 슈라우드면에 적어도 1 개의 슈라우드측 입구를 구비하고 있는 배열 회수 발전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈 휠은, 외주단에 주입구를 갖고, 반경 방향에서 축 방향으로 만곡하면서 순차적으로 날개 높이가 높아지는 주통로를 구비함과 함께 그 주통로의 허브면에서 분기되어 상기 주통로의 배면측을 향하여 연장되는 종통로의 외주단에 상기 주입구와 상이한 반경 방향 위치로 된 허브측 입구를 구비하고 있는 배열 회수 발전 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 매체로서 내연 기관 본체를 냉각시키는 엔진 냉각수와, 그 내연 기관의 과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수가 사용되는 배열 회수 발전 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 매체로서 내연 기관 본체를 냉각시키는 엔진 냉각수와, 그 내연 기관의 과급기로부터 토출되는 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각수를 그 내연 기관의 배기 가스에 의해 가열한 증기가 사용되는 배열 회수 발전 장치.
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