WO2020170647A1 - エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶 - Google Patents

エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶 Download PDF

Info

Publication number
WO2020170647A1
WO2020170647A1 PCT/JP2020/000699 JP2020000699W WO2020170647A1 WO 2020170647 A1 WO2020170647 A1 WO 2020170647A1 JP 2020000699 W JP2020000699 W JP 2020000699W WO 2020170647 A1 WO2020170647 A1 WO 2020170647A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pressure
exhaust
power generation
exhaust gas
scavenging
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/000699
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
源太 中井
Original Assignee
ジャパン マリンユナイテッド株式会社
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 ジャパン マリンユナイテッド株式会社 filed Critical ジャパン マリンユナイテッド株式会社
Priority to CN202080009433.7A priority Critical patent/CN113286936B/zh
Priority to KR1020217021478A priority patent/KR102553603B1/ko
Publication of WO2020170647A1 publication Critical patent/WO2020170647A1/ja
Priority to PH12021551554A priority patent/PH12021551554A1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K25/00—Auxiliary drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K25/00—Auxiliary drives
    • B60K25/04—Auxiliary drives from static or dynamic pressure or vacuum, developed by the engine
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J3/00—Driving of auxiliaries
    • B63J3/02—Driving of auxiliaries from propulsion power plant
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F02D21/08—Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air the other gas being the exhaust gas of engine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D23/00—Controlling engines characterised by their being supercharged
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
    • F02M26/05—High pressure loops, i.e. wherein recirculated exhaust gas is taken out from the exhaust system upstream of the turbine and reintroduced into the intake system downstream of the compressor
    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an energy recovery device capable of complying with the third NOx regulation, a control method thereof, and a ship equipped with the same.
  • Patent Document 1 is disclosed as a means for recovering exhaust gas energy.
  • the “exhaust gas energy recovery device for engine” of Patent Document 1 includes an exhaust turbine supercharger, a power turbine generator, an exhaust gas recirculation device, and an exhaust pipe.
  • the exhaust pipe exhausts exhaust gas from the exhaust manifold to the outside via the turbine unit of the exhaust turbine supercharger and the power turbine generator.
  • the exhaust gas is exhausted from the exhaust manifold to the outside via the turbine section of the exhaust turbine supercharger (hereinafter, supercharger) and the power turbine generator, and thus flows into the supercharger. All the exhaust gas flows into the power turbine generator. Therefore, there were the following problems. (1) Since the entire amount of exhaust gas from the supercharger flows into the power turbine generator, the power turbine generator becomes large. (2) Since the exhaust gas is decompressed by the supercharger, the power generation output by the power turbine generator is small. (3) Since the total amount of exhaust gas from the supercharger flows into the power turbine generator, the power turbine generator cannot be stopped alone. (4) The back pressure of the supercharger increases due to the power turbine generator, and the performance of the supercharger decreases.
  • an object of the present invention is to provide an energy recovery device capable of preventing performance deterioration of a supercharger and efficiently recovering high-pressure exhaust gas energy with a small power turbine generator, a control method therefor, and a ship equipped with the same. To provide.
  • a supercharging line, a power generation line, and an exhaust line that are independently connected to an exhaust manifold of an engine
  • a supercharger provided in the supercharging line, which compresses intake air by the energy of exhaust gas discharged from the exhaust manifold and supplies the intake air to a scavenging manifold of the engine
  • a power turbine generator that is provided in the power generation line and that generates power by the energy of the exhaust gas discharged from the exhaust manifold
  • a power generation control valve that is provided in the power generation line and controls the flow rate of exhaust gas supplied from the exhaust manifold to the power turbine generator
  • An exhaust valve provided in the exhaust line for exhausting exhaust gas from the exhaust manifold to the outside
  • a control device for controlling the power generation control valve and the exhaust valve, The control device stores a lower limit pressure and a relief pressure within an appropriate range of the scavenging air pressure in the scavenging manifold, (A) when the scavenging pressure is less than the lower limit pressure, fully close the power
  • a method for controlling the energy recovery device comprising: The control device stores a lower limit pressure and a relief pressure within an appropriate range of the scavenging air pressure in the scavenging manifold, During operation of the engine, the scavenging air pressure is detected and compared with the lower limit pressure and the relief pressure, When the scavenging pressure is less than the lower limit pressure, fully close the power generation control valve and the exhaust valve, When the scavenging pressure is equal to or higher than the lower limit pressure, the power generation control valve is opened to control the power generation output of the power turbine generator, When the scavenging pressure is equal to or higher than the relief pressure, the power generation control valve is opened to control the power generation output of the power turbine generator, and the exhaust valve is opened to reduce the pressure of the exhaust manifold.
  • a method is provided.
  • a ship provided with the above energy recovery device is provided.
  • the supercharging line, the power generation line, and the exhaust line are independently connected to the exhaust manifold, the supercharger is installed in the supercharging line, and the power turbine generator is installed in the power generation line. It Therefore, the exhaust gas of the supercharger is directly exhausted to the outside without passing through the power turbine generator, so that the back pressure of the supercharger does not rise and the performance of the supercharger can be prevented from deteriorating.
  • the power turbine generator since the power turbine generator does not use the exhaust gas that has passed through the supercharger, it can be operated independently and stopped independently of the supercharger. Furthermore, since the throughput of the power turbine generator can be set regardless of the amount of exhaust gas flowing into the supercharger, the power turbine generator can be downsized.
  • control device controls the power generation output of the power turbine generator by opening the power generation control valve when the pressure is equal to or higher than the lower limit pressure within the appropriate range of the scavenging air pressure, the high-pressure exhaust gas energy that was conventionally exhausted wasted. It can be collected efficiently.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an energy recovery device according to the present invention. It is the whole flow chart of the control method by this invention.
  • FIG. 4 is a relationship diagram between a main engine load factor and an exhaust gas amount in Prior Art Document 1.
  • FIG. 6 is a relationship diagram between a main engine load factor and an exhaust gas temperature in Prior Art Document 1.
  • FIG. 6 is a relationship diagram between a main engine load factor and a PT output in Prior Art Document 1. It is a relationship diagram of a main engine load factor and PT output of the present invention. It is a relationship diagram of the main engine load factor and the amount of surplus exhaust gas at the time of PTG stop of the present invention.
  • FIG. 4 is a relational diagram of the main engine load factor and the passage flow rates of the power generation control valve and the exhaust valve during PTG operation of the present invention.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of an energy recovery device 100 according to the present invention.
  • the energy recovery device 100 includes a supercharging line 10, a power generation line 12, an exhaust line 14, a supercharger 20, a power turbine generator 30, and a control device 50.
  • the supercharging line 10, the power generation line 12, and the exhaust line 14 are piping lines that are independently connected to the exhaust manifold M1 of the engine 1.
  • the engine 1 is a main engine of a ship, and is a diesel engine in this example. Hereinafter, the engine 1 will be simply referred to as "main engine”.
  • the load data of the engine 1 is input to the control device 50 in real time.
  • the load data for example, a shaft output, a fuel input index, a scavenging air pressure, a supercharger rotation speed, or a numerical value calculated from a plurality of these numerical values is used.
  • the supercharger 20 includes a turbine 20a and a compressor 20b which are provided in the supercharging line 10 and are connected to each other.
  • the turbine 20a is rotated at a high speed by the energy of exhaust gas to rotate the compressor 20b at a high speed, and is supplied from the outside.
  • the intake air is compressed by the compressor 20b.
  • the supercharger 20 is provided with a sensor (not shown) that detects the rotation speed, the inlet pressure, and the inlet temperature, and the detection data thereof are input to the control device 50 in real time.
  • the supercharging line 10 has an exhaust gas inlet pipe 10a, an exhaust gas outlet pipe 10b, an intake inlet pipe 10c, and an intake outlet pipe 10d.
  • the exhaust gas inlet pipe 10a connects the exhaust manifold M1 and the inlet of the turbine 20a.
  • the exhaust gas outlet pipe 10b communicates with the outlet of the turbine 20a and an external exhaust gas discharge portion (for example, a stack).
  • the intake inlet pipe 10c connects the inlet of the compressor 20b to the outside intake portion (for example, an air filter).
  • the intake outlet pipe 10d communicates the outlet of the compressor 20b with the scavenging manifold M2 of the engine 1.
  • the supercharger 20 compresses the intake air with the energy of the exhaust gas discharged from the exhaust manifold M1 and supplies the compressed intake air to the scavenging manifold M2 of the engine 1.
  • the power turbine generator 30 (hereinafter, PTG) is provided in the power generation line 12 and includes a power turbine 30a, a speed reducer 30b, and a generator 30c.
  • the power turbine 30a rotates at high speed due to the energy of the exhaust gas, and this rotation is reduced by the speed reducer 30b to rotationally drive the generator 30c, so that the generator 30c generates electric power.
  • the generator 30c may be a synchronous generator or an induction generator.
  • the power generation line 12 has an exhaust gas supply pipe 12a and an exhaust gas discharge pipe 12b. With this configuration, the power turbine generator 30 (PTG) generates power by the energy of the exhaust gas discharged from the exhaust manifold M1.
  • the PTG further includes a shaft brake 30d that brakes the rotation of the power turbine 30a.
  • a power generation control valve V1 is provided in the power generation line 12 to control the flow rate of exhaust gas supplied from the exhaust manifold M1 to the PTG.
  • the power generation control valve V1 is preferably a flow control valve that can be remotely controlled.
  • the exhaust line 14 connects the exhaust manifold M1 and an external exhaust gas discharge unit (for example, a stack).
  • An exhaust valve V2 is provided in the exhaust line 14 and exhausts exhaust gas from the exhaust manifold M1 to the outside.
  • the exhaust valve V2 is preferably a remotely controllable flow rate control valve, but may be a remotely controllable open/close valve (for example, a butterfly valve).
  • the control device 50 controls the power generation control valve V1 and the exhaust valve V2.
  • the scavenging manifold M2 is provided with a pressure detector 2 that detects the scavenging air pressure, and the detected scavenging air pressure is input to the control device 50.
  • the control device 50 stores the lower limit pressure PL and the relief pressure PH within an appropriate range of the scavenging air pressure in the scavenging manifold, and executes the following control. (A) When the scavenging air pressure is less than the lower limit pressure PL, the power generation control valve V1 and the exhaust valve V2 are fully closed.
  • the energy recovery device 100 further includes an exhaust gas recirculation line 16 and an exhaust gas recirculation device 40.
  • the exhaust gas recirculation line 16 has an exhaust gas inlet pipe 16a and an exhaust gas outlet pipe 16b.
  • the exhaust gas inlet pipe 16a and the exhaust gas outlet pipe 16b are provided with an inlet flow rate control valve V3 and an outlet flow rate control valve V4, respectively, to control the flow rate of the exhaust gas flowing therethrough.
  • the exhaust gas recirculation device 40 (hereinafter, EGR) is installed between the exhaust manifold M1 and the scavenging manifold M2, and has, for example, a sprayer, a cooler, and a blower, and supplies the exhaust gas discharged from the exhaust manifold M1 to the scavenging manifold M2. To do. With this configuration, the exhaust gas is taken out from the exhaust manifold M1, treated with EGR, and returned to the scavenging manifold M2, whereby the oxygen concentration of the combustion air can be lowered and NOx production can be reduced.
  • EGR exhaust gas recirculation device 40
  • the exhaust gas recirculation device 40 In order to comply with the third regulation by the International Maritime Organization, it is essential to install the exhaust gas recirculation device 40 (EGR).
  • EGR exhaust gas recirculation device 40
  • the sea area to which the third regulation is applied (regulated sea area) is limited to the vicinity of the coast of the United States and Canada, for example, and it is not applied to most other sea areas (non-regulated sea area). Therefore, by using the EGR in the regulated sea area and stopping and operating the EGR in the non-regulated sea area, the third regulation can be satisfied and the energy efficiency of the ship can be improved.
  • the control device 50 of the present invention has a clean operation mode and a power generation operation mode.
  • the clean operation mode the exhaust gas recirculation device 40 (EGR) is operated so that the NOx concentration in the exhaust gas becomes equal to or lower than the first threshold value.
  • the first threshold is set so as to comply with the third regulation, for example.
  • the clean operation mode is preferably used in the regulated sea area to which the tertiary regulation is applied.
  • the circulation amount of exhaust gas due to EGR is reduced and surplus exhaust gas is supplied to the PTG to generate power.
  • the power generation mode of operation is preferably used in unregulated waters. Note that the EGR may be completely stopped in the power generation operation mode.
  • the openings of the inlet flow rate control valve V3 and the outlet flow rate control valve V4 are controlled in the clean operation mode and the power generation operation mode.
  • FIG. 2 is an overall flow chart of the control method of the energy recovery device 100 according to the present invention.
  • the control method of the present invention uses the energy recovery device 100 described above and has steps (steps) S1 to S5. Steps S1 to S5 are repeatedly performed while the engine 1 is operating.
  • step S1 the control device 50 stores the lower limit pressure PL and the relief pressure PH within an appropriate range of the scavenging air pressure in the scavenging manifold M2.
  • the appropriate range of the scavenging pressure is appropriately changed according to the operating state of the engine 1. Further, for example, the lower limit pressure PL is set to the lower limit of the appropriate range of the scavenging pressure, and the relief pressure PH is set to a pressure higher than the lower limit pressure PL and lower than the upper limit of the appropriate range.
  • step S2 the scavenging air pressure is detected during the operation of the engine 1 and compared with the lower limit pressure PL and the relief pressure PH.
  • step S3 when the scavenging pressure is less than the lower limit pressure PL, the power generation control valve V1 and the exhaust valve V2 are fully closed. As a result, exhaust gas exhausted from the exhaust manifold M1 to the outside can be eliminated and the entire amount of exhaust gas can be supplied to the scavenging manifold M2.
  • step S4 when the scavenging air pressure is equal to or higher than the lower limit pressure PL, the power generation control valve V1 is opened to control the power generation output of the PTG 30.
  • the power generation control valve V1 is opened to control the power generation output of the PTG 30.
  • step S4 it is determined that the PTG can be started when any one or more of the load of the engine 1, the scavenging air pressure, the rotation speed of the supercharger 20, the inlet pressure, or the inlet temperature is equal to or greater than a predetermined set value.
  • the power generation control valve V1 is opened, and further, any one or more of the load of the engine 1, the scavenging air pressure, the rotation speed of the supercharger 20, the inlet pressure, and the inlet temperature does not fall below a predetermined set value. Thus, it is preferable to adjust the opening degree of the power generation control valve V1.
  • step S5 when the scavenging air pressure is equal to or higher than the relief pressure PH, the power generation control valve V1 is opened to control the power generation output of the PTG 30, and the exhaust valve V2 is opened to reduce the pressure of the exhaust manifold M1. As a result, the scavenging air pressure can be lowered to an appropriate range.
  • the exhaust valve V2 is a flow rate control valve
  • the scavenging air pressure when the scavenging air pressure is equal to or higher than the relief pressure PH, one or more of the load of the engine 1, the scavenging air pressure, the rotation speed of the supercharger 20, the inlet pressure, and the inlet temperature. It is preferable to adjust the opening degree of the exhaust valve V2 so that does not fall below a predetermined set value.
  • the control in steps S1 to S5 described above is preferably performed in both the clean operation mode and the power generation operation mode. That is, even in the clean operation mode, as long as excess exhaust gas is generated, the power generation control valve V1 is opened and the PTG 30 generates power. As a result, the generated power can be effectively used onboard the ship.
  • FIG. 3A to 3C are performance characteristic diagrams of the energy recovery device of the prior art document 1.
  • FIG. 3A is a relationship diagram between the main engine load factor and the exhaust gas amount. The amount of exhaust gas increases almost in proportion to the increase in the load factor of the main engine.
  • the normal use area of the main engine is, for example, 75 to 85% indicated by diagonal lines in the figure.
  • FIG. 3B is a relationship diagram between the main engine load factor and the exhaust gas temperature.
  • the exhaust gas temperature depends on the characteristics of the supercharger 20. That is, since the supercharger efficiency is usually selected to have the maximum value near the normal output, the exhaust gas temperature is not proportional to the main engine load factor.
  • the exhaust gas temperature generally rises from a low load to a medium load, becomes constant in the medium load range as the supercharger efficiency increases, and in the high load range, the supercharger 20 is bypassed, and thus rises dramatically. ..
  • FIG. 3C is a relationship diagram between the main engine load factor and the PT output (output of the power turbine generator 30).
  • the PTG cannot be operated alone, so it must be operated in parallel with the diesel generator. In this case, if the PTG trips (cuts off), the diesel generator operating in parallel needs to generate extra power generated by the PTG. Since it is a diesel generator, the required capacity of the diesel generator is large.
  • the EGR when the EGR is provided, as a characteristic of the EGR, a certain amount of exhaust gas generated from the main engine returns to the intake air side during the operation of the EGR, and thus this exhaust gas amount bypasses the supercharger. Since the work amount of the supercharger is reduced by the amount of the bypass amount, the scavenging air pressure is reduced and the fuel efficiency is deteriorated in the third regulation mode. In order to compensate for this and suppress deterioration of fuel efficiency, it is necessary to increase the size (rated capacity) of the supercharger. However, if the size of the supercharger is increased, the supercharger is too large in the secondary regulation mode. That is, in the secondary regulation mode, the exhaust gas energy becomes excessive with respect to the selected supercharger.
  • FIG. 4A to 4C are characteristic diagrams showing the performance of the energy recovery device 100 of the present invention.
  • FIG. 4A is a relationship diagram between the main engine load factor and the PT output in the present invention.
  • the rated output of the PTG is set according to the load lower than the normal range of the main engine. With this setting, the following effects can be obtained. (1) The PTG efficiency can be increased in the partial load operation of the main engine. (2) Since the rating of PTG is lowered, the cost of PTG can be reduced. (3) The capacity of the diesel generator that requires parallel operation can be optimized.
  • FIG. 4B is a relationship diagram between the main engine load factor and the surplus exhaust gas amount when the PTG is stopped in FIG. 1. Generally, as the load on the main engine increases, the amount of surplus exhaust gas also increases.
  • FIG. 4C is a relationship diagram between the main engine load factor and the passage flow rates of the power generation control valve V1 and the exhaust valve V2 during PTG operation.
  • the power generation control valve V1 opens to control the power generation output of the PTG.
  • the opening degree of the power generation control valve V1 is adjusted so that the scavenging air pressure of the main engine falls within an appropriate range (between the lower limit and the upper limit).
  • the scavenging air pressure rises as the load on the main engine rises, so the opening degree of the power generation control valve V1 also rises.
  • the PTG is set to have a rated output in the vicinity of the normal load range
  • power generation is performed so that no more exhaust gas flows to the PTG.
  • the opening degree of the control valve V1 is adjusted.
  • the exhaust valve V2 is opened and the exhaust manifold M1 is depressurized. Therefore, at a load below the normal range, the scavenging air pressure is less than the relief pressure PH and the exhaust valve V2 is fully closed.
  • the PTG output reaches the rated value, excess gas that cannot be collected by the PTG is generated, and the scavenging pressure rises, so the scavenging pressure becomes equal to or higher than the relief pressure PH, and the exhaust valve V2 opens and exhaust gas is discharged.
  • the gas is exhausted to the outside and the exhaust manifold M1 is depressurized.
  • the EGR it is expected that a large amount of exhaust gas energy will remain in the secondary regulation mode, and this energy can be effectively used in the present invention.
  • the supercharger 20 secures a sufficient scavenging pressure in the third regulation mode, and excessive exhaust gas is generated in the second regulation mode.
  • the power turbine generator 30 (PTG) is also installed. With the PTG, it is possible to recover the energy of the excess exhaust gas that is generated in a large amount when operating in the secondary regulation mode.
  • the main engine in a ship complying with the third regulation, is provided with the supercharger 20, the power turbine generator 30 (PTG), and the exhaust gas recirculation device 40 (EGR).
  • the supercharger 20 secures a sufficient scavenging pressure in an operation mode (third regulation mode) that satisfies the third regulation, and excessive exhaust gas energy is generated in the second NOx regulation (NOx Tier II, hereafter, second regulation). To select. Excessive exhaust gas energy generated in the operation mode satisfying the second regulation (second regulation mode) is recovered by the PTG.
  • the position of the power generation control valve V1 described above is preferably on the starboard side or the stern side of the exhaust manifold M1.
  • the exhaust gas discharge pipe 14b at the PTG outlet is a position where it is easy to return to the main engine exhaust gas pipe.
  • the stern side there is an advantage that it is easy to support the exhaust gas bypass pipe, and on the stern side of the ship, it is easy to secure a place for mounting the PTG.
  • Exhaust valve V2 is controlled to open at high speed when power turbine generator 30 (PTG) trips ACB (low pressure air circuit breaker).
  • control device 50 controls by the control device 50 as follows. (1) When the secondary regulation mode is selected, and when any or a plurality of conditions of the load of the main engine, the scavenging air pressure, the rotation speed of the supercharger 20, the inlet pressure, or the inlet temperature are satisfied, the PTG start is possible. .. (2) When the PTG starts, the power generation control valve V1 opens and the exhaust valve V2 closes completely. At this time, one or more of the load of the main engine, the scavenging air pressure, the rotation speed of the supercharger 20, the inlet pressure, and the inlet temperature are continuously monitored, and the power generation control valve V1 is opened so as not to fall below a predetermined set value. It is good to adjust the degree.
  • the power generation control valve V1 is opened first, and the exhaust valve V2 is fully closed in response to the open signal.
  • the exhaust valve V2 is opened and the power generation control valve V1 is fully closed.
  • the exhaust valve V2 is opened first, and the power generation control valve V1 is closed in response to the open signal. Normal trip operation provides this control.
  • the exhaust valve V2 is opened and the power generation control valve V1 is closed. At this time, desirably, the exhaust valve V2 and the power generation control valve V1 simultaneously operate at high speed.
  • the shaft brake 30d when the shaft brake 30d is equipped, the shaft brake 30d operates at the same time as the PTG trip to prevent over-rotation of the power turbine 30a.
  • the power generation control valve V1 When the power generation control valve V1 is fully closed, it is preferable to release the operation of the shaft brake 30d to prevent overload of the shaft brake 30d.
  • the supercharging line 10, the exhaust line 14, and the power generation line 12 are independently connected to the exhaust manifold M1, and the supercharger 20 is installed in the supercharging line 10.
  • the power turbine generator 30 is installed in the power generation line 12. Therefore, the exhaust gas of the supercharger 20 is directly exhausted to the outside without passing through the power turbine generator 30, so that the back pressure of the supercharger 20 does not rise, and the performance deterioration of the supercharger 20 can be prevented. ..
  • the power turbine generator 30 does not use the exhaust gas that has passed through the supercharger 20, it can be operated independently from the supercharger 20 and can be stopped independently. Furthermore, since the throughput of the power turbine generator 30 can be set regardless of the amount of exhaust gas flowing into the supercharger 20, the power turbine generator 30 can be downsized.
  • control device 50 controls the power generation output of the power turbine generator 30 by opening the power generation control valve V1 when the scavenging air pressure is equal to or higher than the lower limit pressure PL within the proper range, the high pressure wasted exhaustively in the past. The exhaust gas energy can be efficiently recovered.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Auxiliary Drives, Propulsion Controls, And Safety Devices (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

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。パワータービン発電機（３０）は、発電ライン（１２）に設けられ、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。発電制御弁（Ｖ１）が、発電ライン（１２）に設けられ、排気マニホールド（Ｍ１）からパワータービン発電機（３０）に供給する排ガスの流量を制御する。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。制御装置（５０）は、発電制御弁（Ｖ１）及び排気弁（Ｖ２）を制御する。

Description

エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶
　本発明は、ＮＯｘ３次規制に対応可能なエネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶に関する。
　船舶から排出される大気汚染物質に関する国際海事機関による規制は年々厳しくなり、ＮＯｘ３次規制（ＮＯｘ　Ｔｉｅｒ　ＩＩＩ、以下、３次規制）では１次規制値より８０％削減することが義務付けられている。
　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。
　特許文献１の「エンジンの排ガスエネルギー回収装置」は、排気タービン過給機、パワータービン発電機、排ガス再循環装置、及び排気管を備える。排気管は、排気マニホールドから排気タービン過給機のタービン部とパワータービン発電機を経由して排ガスを外部に排気する。
特開２０１４－１５２７６３号公報
　特許文献１の装置では、排ガスが、排気マニホールドから排気タービン過給機（以下、過給機）のタービン部とパワータービン発電機を経由して外部に排気されるので、過給機に流入した排ガスの全量がパワータービン発電機に流入する。そのため、以下の問題があった。
　（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。
　また、過給機にバイパスラインを設けて過剰な排ガスを外部に排気する場合、その分の排ガスエネルギーを回収できない。特に、排ガス再循環装置を停止又はその処理量を減少させた場合に発生する大量の過剰排ガスの排ガスエネルギーが回収できない。
　本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、過給機の性能低下を防止し、小型のパワータービン発電機で高圧の排ガスエネルギーを効率よく回収することができるエネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶を提供することにある。
　本発明によれば、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、
　前記制御装置は、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、
　（Ａ）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、
　（Ｂ）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、
　（Ｃ）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する、エネルギー回収装置が提供される。
　また本発明によれば、上記の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前記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前記発電出力を制御し、
　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する、エネルギー回収装置の制御方法が提供される。
　さらに本発明によれば、上記のエネルギー回収装置を備えた船舶が提供される。
　上記本発明によれば、過給ライン、発電ライン、及び排気ラインが、排気マニホールドにそれぞれ独立して連結され、過給機は過給ラインに設置され、パワータービン発電機は発電ラインに設置される。
　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。
　また、パワータービン発電機は、過給機を通過した排ガスを利用しないので、過給機と別箇に単独で運転でき単独で停止できる。さらに、過給機に流入する排ガス量に関係なくパワータービン発電機の処理量を設定できるので、パワータービン発電機を小型化できる。
　また、制御装置が、掃気圧の適正範囲内の下限圧以上のときに、発電制御弁を開いてパワータービン発電機の発電出力を制御するので、従来無駄に排気されていた高圧の排ガスエネルギーを効率よく回収することができる。
本発明によるエネルギー回収装置の全体構成図である。 本発明による制御方法の全体フロー図である。 先行文献１の主機関負荷率と排ガス量との関係図である。 先行文献１の主機関負荷率と排ガス温度との関係図である。 先行文献１の主機関負荷率とＰＴ出力との関係図である。 本発明の主機関負荷率とＰＴ出力との関係図である。 本発明のＰＴＧ停止時の主機関負荷率と余剰排ガス量の関係図である。 本発明のＰＴＧ運転時の主機関負荷率と発電制御弁及び排気弁の通過流量との関係図である。
　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
　図１は、本発明によるエネルギー回収装置１００の全体構成図である。
　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。
　過給ライン１０、発電ライン１２、及び排気ライン１４は、エンジン１の排気マニホールドＭ１にそれぞれ独立して連結された配管ラインである。
　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は、過給ライン１０に設けられ、互いに連結されたタービン２０ａとコンプレッサ２０ｂを有し、排ガスのエネルギーによりタービン２０ａが高速回転してコンプレッサ２０ｂを高速回転させ、外部から供給される吸気をコンプレッサ２０ｂで圧縮する。
　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。
　過給ライン１０は、排ガス入口管１０ａ、排ガス出口管１０ｂ、吸気入口管１０ｃ、吸気出口管１０ｄを有する。
　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。
　上述した構成により、過給機２０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吸気を圧縮しエンジン１の掃気マニホールドＭ２に供給する。
　パワータービン発電機３０（以下、ＰＴＧ）は、発電ライン１２に設けられ、パワータービン３０ａ、減速機３０ｂ、及び発電機３０ｃを有する。排ガスのエネルギーによりパワータービン３０ａが高速回転し、この回転を減速機３０ｂが減速して発電機３０ｃを回転駆動し、発電機３０ｃが電力を発電する。発電機３０ｃは、同期発電機でも誘導発電機でもよい。
　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。
　図１において、発電制御弁Ｖ１が発電ライン１２に設けられ、排気マニホールドＭ１からＰＴＧに供給する排ガスの流量を制御する。発電制御弁Ｖ１は、遠隔制御可能な流量調節弁であることが好ましい。
　排気ライン１４は、排気マニホールドＭ１と外部の排ガス放出部（例えばスタック等）を連通する。
　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、発電制御弁Ｖ１及び排気弁Ｖ２を制御する。掃気マニホールドＭ２には、掃気圧を検出する圧力検出器２が設けられ、検出した掃気圧は制御装置５０に入力される。
　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。
　図１において、エネルギー回収装置１００は、さらに排ガス再循環ライン１６と排ガス再循環装置４０を備える。
　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。
　排ガス再循環装置４０（以下、ＥＧＲ）は、排気マニホールドＭ１と掃気マニホールドＭ２の間に設置され、例えばスプレイ、クーラ、及びブロアを有し、排気マニホールドＭ１から排出される排ガスを掃気マニホールドＭ２に供給する。
　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。
　国際海事機関による３次規制に適合するためには、排ガス再循環装置４０（ＥＧＲ）の設置が不可欠である。しかし、３次規制が適用される海域（規制海域）は、例えば米国やカナダの沿岸近傍に限定されており、その他のほとんどの海域（非規制海域）では適用されない。
　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。
　本発明の制御装置５０は、このため、クリーン運転モードと発電運転モードを有する。
　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。
　図２は、本発明によるエネルギー回収装置１００の制御方法の全体フロー図である。
　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。
　ステップＳ１では、制御装置５０に、掃気マニホールドＭ２内の掃気圧の適正範囲内の下限圧ＰＬ及びリリーフ圧ＰＨを記憶する。掃気圧の適正範囲は、エンジン１の運転状態に応じて適宜変更する。また、例えば、下限圧ＰＬは掃気圧の適正範囲の下限に、リリーフ圧ＰＨは、下限圧ＰＬよりも高い圧であり、かつ適正範囲の上限より低い圧に設定する。
　ステップＳ２では、エンジン１の運転中に、掃気圧を検出して、下限圧ＰＬ及びリリーフ圧ＰＨと比較する。
　ステップＳ３では、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。これにより、排気マニホールドＭ１から外部に排気される排ガスを無くし、排ガスの全量を掃気マニホールドＭ２に供給することができる。
　ステップＳ４では、掃気圧が下限圧ＰＬ以上のときに、発電制御弁Ｖ１を開いてＰＴＧ３０の発電出力を制御する。これにより、掃気圧を適正範囲に維持しながら、余剰の排ガスエネルギーにより発電することができる。発電した電力は、船内で有効利用することができる。
　なおステップＳ４において、エンジン１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が所定の設定値以上のときに、ＰＴＧを始動可能と判断する。
　またＰＴＧの始動時に、発電制御弁Ｖ１を開き、さらに、エンジン１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が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、ＰＴＧの停止時には、排気弁Ｖ２を開き、次いで発電制御弁Ｖ１を閉じることで、ＰＴＧのオーバーランを防止することができる。
　さらにＰＴＧが過電流により遮断されたときに、排気弁Ｖ２の全開と同時に発電制御弁Ｖ１を全閉し、かつ軸ブレーキ３０ｄによりＰＴＧのパワータービン３０ａの回転を制動する。
　ステップＳ５では、掃気圧がリリーフ圧ＰＨ以上のときに、発電制御弁Ｖ１を開いてＰＴＧ３０の発電出力を制御しながら、かつ排気弁Ｖ２を開いて排気マニホールドＭ１を減圧する。これにより、掃気圧を適正範囲まで下げることができる。
　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。
　上述したステップＳ１～Ｓ５の制御は、好ましくは、クリーン運転モードと発電運転モードの両方で実施する。
　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３Ａ～図３Ｃは、先行文献１のエネルギー回収装置の性能特性図である。
　図３Ａ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。
　図３Ｂは、主機関負荷率と排ガス温度との関係図である。排ガス温度は、過給機２０の特性に依存する。すなわち、通常では過給機効率が常用出力近傍で最大値となるように選定されるため、排ガス温度は主機関負荷率に比例しない。
　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。
　図３Ｃは、主機関負荷率とＰＴ出力（パワータービン発電機３０の出力）との関係図である。
　図３Ａと図３Ｂの特性から、ＰＴ出力は、主機関負荷率が常用域を超えると、図３Ｃに破線の楕円で示すように上昇率が高くなる。ＰＴＧはその特性上、ガス温度が高くなれば出力が増大するので、先行文献１では、ＰＴＧの定格容量を主機関の１００％負荷に合わせて設定する必要がある。
　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。
　また、ＰＴＧの発電機３０ｃに同期発電機ではなく誘導発電機を採用する場合、ＰＴＧは単独で運転できないため、ディーゼル発電機と並列運転させる必要がある。この場合、ＰＴＧがトリップ（遮断）した場合、ＰＴＧが発生していた電力を並列運転しているディーゼル発電機が余分に発電する必要があるため、ＰＴＧの定格が大きい場合には、それに見合ったディーゼル発電機とするため、ディーゼル発電機の必要容量が大きくなる。
　また、ＥＧＲを備える場合、ＥＧＲの特性として、ＥＧＲの運転中は主機関より発生する排ガスが一定量吸入空気側に戻ることから、この排ガス量は、過給機をバイパスする。このバイパス量の分、過給機の仕事量は減少することから、３次規制モードでは掃気圧が低下し燃費が悪化する。これを補い、燃費悪化を抑制するためには、過給機のサイズ（定格容量）を大きくする必要がある。
　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４Ａ～図４Ｃは、本発明のエネルギー回収装置１００の性能を示す特性図である。
　図４Ａ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。
　図４Ｂは、図１においてＰＴＧ停止時の主機関負荷率と余剰排ガス量の関係図である。
　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。
　図４Ｃは、ＰＴＧ運転時の主機関負荷率と発電制御弁Ｖ１及び排気弁Ｖ２の通過流量との関係図である。
　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。
　次に、ＰＴＧは常用負荷域付近において定格出力となるように設定されているので、主機負荷が上昇しＰＴＧの出力が定格出力に到達すると、ＰＴＧにこれ以上の排ガスが流れないように、発電制御弁Ｖ１の開度が調整される。
　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。
　常用域より上の負荷では、ＰＴＧ出力が定格に到達し、ＰＴＧで回収しきれない余剰ガスが発生して掃気圧が高まるので、掃気圧がリリーフ圧ＰＨ以上となり、排気弁Ｖ２が開き排ガスを外部に排気し、排気マニホールドＭ１を減圧する。
　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。
　上述したように、本発明では、３次規制適合のためにＥＧＲを搭載する場合、過給機２０は３次規制モードにおいて十分な掃気圧を確保し、かつ２次規制モードでは余剰排ガスが生じるように選定し、併せてパワータービン発電機３０（ＰＴＧ）を装備する。ＰＴＧにより２次規制モードで運転する場合に大量に発生する余剰排ガスのエネルギーを回収することができる。
　本発明によれば、ＥＧＲを適用する船舶で、過給機のサイズが大きいため２次規制モードで捨てていた余剰な排ガスエネルギーを電力として有効利用でき、これを備えた船舶の総合熱効率を高めることができる。
　上述したように、本発明は、３次規制に対応した船舶において、主機関に、過給機２０、パワータービン発電機３０（ＰＴＧ）、及び、排ガス再循環装置４０（ＥＧＲ）を備える。過給機２０は、３次規制を満たす運転モード（３次規制モード）において十分な掃気圧を確保し、かつＮＯｘ２次規制（ＮＯｘ　Ｔｉｅｒ　ＩＩ、以下、２次規制）では余剰な排ガスエネルギーが生じるように選定する。２次規制を満たす運転モード（２次規制モード）において発生した余剰な排ガスエネルギーをＰＴＧにより回収する。
　上述した発電制御弁Ｖ１の位置は、排気マニホールドＭ１の右舷側、もしくは船尾側とするのがよい。右舷側の場合は、ＰＴＧ出口の排ガス排出管１４ｂが、主機排ガス管に戻りやすい位置である。また、船尾側の場合は、排ガスバイパス管のサポートが取りやすく、また船の船尾側はＰＴＧの搭載場所を確保しやすいといった利点がある。
　排気弁Ｖ２は、パワータービン発電機３０（ＰＴＧ）がＡＣＢトリップ（低圧気中遮断機）したときに、高速で開となるように制御する。
　さらに、望ましくは、ＡＣＢトリップ時、ＰＴＧが過回転となることを防止するため、軸ブレーキ３０ｄを作動させる。
　制御装置５０によるその他の制御は、以下の通りである。
　（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。
　上述した本発明の実施形態によれば、過給ライン１０、排気ライン１４、及び発電ライン１２が、排気マニホールドＭ１にそれぞれ独立して連結され、過給機２０は過給ライン１０に設置され、パワータービン発電機３０は発電ライン１２に設置される。
　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。
　また、パワータービン発電機３０は、過給機２０を通過した排ガスを利用しないので、過給機２０と別箇に単独で運転でき単独で停止できる。さらに、過給機２０に流入する排ガス量に関係なくパワータービン発電機３０の処理量を設定できるので、パワータービン発電機３０を小型化できる。
　また、制御装置５０が、掃気圧が適正範囲内の下限圧ＰＬ以上のときに、発電制御弁Ｖ１を開いてパワータービン発電機３０の発電出力を制御するので、従来無駄に排気されていた高圧の排ガスエネルギーを効率よく回収することができる。
　なお本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。
Ｍ１　排気マニホールド、Ｍ２　掃気マニホールド、ＰＬ　下限圧、
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 (10)

  1. 　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、
    　前記制御装置は、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、
    　（Ａ）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、
    　（Ｂ）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、
    　（Ｃ）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する、エネルギー回収装置。
  2. 　前記排気マニホールドと前記掃気マニホールドの間に設置され、前記排気マニホールドから排出される排ガスを前記掃気マニホールドに供給する排ガス再循環装置を備える、請求項１に記載のエネルギー回収装置。
  3. 　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軸ブレーキを備える、請求項１に記載のエネルギー回収装置。
  4. 　前記制御装置は、排ガス中のＮＯｘ濃度が第１閾値以下になるように前記排ガス再循環装置を運転するクリーン運転モードと、
    　前記排ガス再循環装置による前記排ガスの循環量を低減し、余剰の前記排ガスを前記パワータービン発電機に供給して発電する発電運転モードと、を有する、請求項２に記載のエネルギー回収装置。
  5. 　請求項１に記載の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前記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前記発電出力を制御し、
    　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する、エネルギー回収装置の制御方法。
  6. 　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５に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
  7. 　前記パワータービン発電機の始動時に、前記発電制御弁を開き、
    　さらに、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、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下にならないように、前記発電制御弁の開度を調整する、請求項５に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
  8. 　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５に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
  9. 　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、請求項５に記載のエネルギー回収装置の制御方法。
  10. 　請求項１に記載のエネルギー回収装置を備えた船舶。
     
     
     
PCT/JP2020/000699 2019-02-21 2020-01-10 エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶 WO2020170647A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202080009433.7A CN113286936B (zh) 2019-02-21 2020-01-10 能量回收装置的控制方法
KR1020217021478A KR102553603B1 (ko) 2019-02-21 2020-01-10 에너지 회수 장치와 그 제어 방법 및 그것을 구비한 선박
PH12021551554A PH12021551554A1 (en) 2019-02-21 2021-06-29 Energy recovery device, method for controlling same, and ship provided with same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-029356 2019-02-21
JP2019029356A JP7178159B2 (ja) 2019-02-21 2019-02-21 エネルギー回収装置の制御方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020170647A1 true WO2020170647A1 (ja) 2020-08-27

Family

ID=72143408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/000699 WO2020170647A1 (ja) 2019-02-21 2020-01-10 エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶

Country Status (5)

Country Link
JP (1) JP7178159B2 (ja)
KR (1) KR102553603B1 (ja)
CN (1) CN113286936B (ja)
PH (1) PH12021551554A1 (ja)
WO (1) WO2020170647A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6321313A (ja) * 1986-07-15 1988-01-28 Ube Ind Ltd 内燃機関の排ガスエネルギ回収方法及び装置
JP2007127099A (ja) * 2005-11-07 2007-05-24 Toyota Motor Corp 電動過給機
JP2013224653A (ja) * 2012-04-19 2013-10-31 Man Diesel & Turbo Filial Af Man Diesel & Turbo Se Tyskland クロスヘッド及び排気ガス（燃焼ガス）再循環系を有する大型低速ターボ過給式２サイクル内燃機関
JP2014506651A (ja) * 2011-02-17 2014-03-17 フォイト パテント ゲーエムベーハー 過給される内燃機関とターボコンパウンドシステムとを有するドライブトレイン
JP2014094667A (ja) * 2012-11-09 2014-05-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3510438B2 (ja) 1996-12-10 2004-03-29 日野自動車株式会社 ターボ過給エンジン
JP5249866B2 (ja) * 2009-06-25 2013-07-31 三菱重工業株式会社 エンジン排気エネルギー回収装置
JP5448873B2 (ja) * 2010-01-21 2014-03-19 三菱重工業株式会社 エンジン排気エネルギー回収装置、これを備える船舶、これを備える発電プラント、エンジン排気エネルギー回収装置の制御装置およびエンジン排気エネルギー回収装置の制御方法
JP5701016B2 (ja) * 2010-11-09 2015-04-15 三菱重工業株式会社 エンジン排気ガス浄化装置
JP5449509B2 (ja) 2012-11-12 2014-03-19 三菱重工業株式会社 排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置
JP5563052B2 (ja) * 2012-12-14 2014-07-30 三菱重工業株式会社 排熱回収システム及び排熱回収方法
JP5964260B2 (ja) 2013-02-13 2016-08-03 三菱重工業株式会社 エンジンの排ガスエネルギー回収装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6321313A (ja) * 1986-07-15 1988-01-28 Ube Ind Ltd 内燃機関の排ガスエネルギ回収方法及び装置
JP2007127099A (ja) * 2005-11-07 2007-05-24 Toyota Motor Corp 電動過給機
JP2014506651A (ja) * 2011-02-17 2014-03-17 フォイト パテント ゲーエムベーハー 過給される内燃機関とターボコンパウンドシステムとを有するドライブトレイン
JP2013224653A (ja) * 2012-04-19 2013-10-31 Man Diesel & Turbo Filial Af Man Diesel & Turbo Se Tyskland クロスヘッド及び排気ガス（燃焼ガス）再循環系を有する大型低速ターボ過給式２サイクル内燃機関
JP2014094667A (ja) * 2012-11-09 2014-05-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP7178159B2 (ja) 2022-11-25
CN113286936A (zh) 2021-08-20
PH12021551554A1 (en) 2022-02-28
KR102553603B1 (ko) 2023-07-07
KR20210099118A (ko) 2021-08-11
JP2020133531A (ja) 2020-08-31
CN113286936B (zh) 2023-02-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5155980B2 (ja) ターボコンパウンドシステムおよびその運転方法
JP5571151B2 (ja) 船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法
JP5173776B2 (ja) 排気エネルギー回収装置
EP2932058B1 (en) Turbogenerator system and method
JP2012159079A (ja) 排気ガス再循環を用いた大型ターボチャージャ搭載２ストローク・ディーゼル・エンジン
KR101312793B1 (ko) 터빈 발전기의 제어 방법 및 장치
FR2785641A1 (fr) Procede d'exploitation d'un moteur a combustion interne suralimente et dispositif pour ce procede
JP5908636B1 (ja) 船舶用のエンジンシステム及びその制御方法
CN109113839B (zh) 船用柴油机尾气后处理的旁通装置及使用方法
WO2020170647A1 (ja) エネルギー回収装置とその制御方法及びこれを備えた船舶
JP4530934B2 (ja) 助燃式ターボ過給装置
WO2014091786A1 (ja) 排熱回収システム及び排熱回収方法
KR101697218B1 (ko) 엔진 시스템
JP2010144519A (ja) ディーゼル機関の制御方法およびガバナー装置
JP6302226B2 (ja) エンジンシステム
JP6554159B2 (ja) エンジンシステム
JP6348637B1 (ja) 内燃機関の過給機余剰動力回収装置及び船舶
JP2012071710A (ja) 船舶の運転制御方法及びその船舶
JP5449509B2 (ja) 排気エネルギー回収方法および排気エネルギー回収装置
JP2010169012A (ja) 過給機付き内燃機関の制御装置
EP3724474B1 (en) Internal combustion engine system, comprising an internal combustion engine and an exhaust gas recirculation circuit
JP5786107B1 (ja) エンジンシステム
JPH10306720A (ja) 脱硝装置を具えたエンジンプラント
JPH06105056B2 (ja) ガスタービン用燃料圧縮機

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20759758

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20217021478

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20759758

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1