JP2015081569A - 排熱回収システム、船舶及び排熱回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】有機ランキンサイクルシステムの採用の困難性を低減し、有機ランキンサイクルシステムの採用を比較的容易にすることが可能な排熱回収システム、船舶及び排熱回収方法を提供することを目的とする。
【解決手段】排熱回収システム１は、ディーゼルエンジン３と、ディーゼルエンジン３から排出される排ガスと熱交換して蒸気を生成する排ガスエコノマイザ１１と、排ガスエコノマイザ１１に水を供給し、かつ、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気が供給される高圧蒸気ドラム１８と、低沸点媒体が蒸発器４６を流通してタービン４８を駆動するＯＲＣシステム１３と、低沸点媒体と高圧蒸気ドラム１８から供給された加熱用熱水が熱交換をさせたのち、前記加熱用熱水の温度が低下した加熱用水を高圧蒸気ドラム１８に戻す加熱用水循環系統とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱回収システム、船舶及び排熱回収方法に関するものである。

船舶には、排熱回収システムが設置される場合があり、排熱回収システムは、ディーゼルエンジン等のメインエンジンと、パワータービン（ガスタービン）と、蒸気タービンと、排ガスエコノマイザなどから構成される。パワータービンと蒸気タービンは、メインエンジンから排出される排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動し、パワータービンと蒸気タービンに接続された発電機によって発電が行われる。

下記の特許文献１では、エンジン廃熱回収発電ターボシステムの発明であって、低沸点媒体が、排気ガスとの間、高温側のジャケット冷却水との間、又は、ターボチャージャの出口空気との間で熱交換を行うことが開示されている。特許文献２では、排熱回収発電装置の発明であって、有機流体が、エンジン冷却水及び空気冷却器と熱交換する排熱回収媒体との間で熱交換を行うことが開示されている。

特開２０１１−１０６３０２号公報 特開２０１１−２３１６３６号公報

船舶による運輸では、燃料消費を低減するため、メインエンジンを定格運転させるのではなく、速度を落とした減速運転によって巡航が行われることがある。これにより、燃料代を大幅に減少することができる。

一方、一般に船舶に搭載された排熱回収システムは、メインエンジン負荷が例えば９０％の高負荷域で設計されている。パワータービンは、メインエンジンからの排ガスを駆動源としており、例えばメインエンジン負荷が約５０％以上となったとき、排ガスが導入されて、運転可能となる。

しかし、減速運転による巡航では、メインエンジン負荷が５０％以下の状態でメインエンジンを運転させている。そのため、メインエンジンから排出される排ガスの排ガス温度が低く流量も少ないため、排ガスから熱エネルギを回収する排ガスエコノマイザにおける蒸気の蒸発量も少ない。したがって、減速運転時、排熱回収システムにおいて、パワータービンが駆動してないだけでなく、蒸気タービンの駆動による発電量も少ない、又は蒸気タービンの運転が不可能となり、発電が行われない状況にあった。

また、船舶の燃料所費の低減のために低温側温度領域での熱回収システムとして、低沸点媒体を用いて排熱を利用する有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）発電システムを追加することが考えられる。しかし、ＯＲＣシステム用の排ガスエコノマイザを新たに設置するとした場合、船舶では設置のためのスペースを確保しづらく、ＯＲＣシステムの採用が困難であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、船舶への有機ランキンサイクルシステムの採用の困難性を低減し、有機ランキンサイクルシステムの採用を比較的容易にすることが可能な排熱回収システム、船舶及び排熱回収方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排熱回収システム、船舶及び排熱回収方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る排熱回収システムは、エンジン部と、前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して加熱用熱水及び蒸気を生成する熱交換部と、前記熱交換部に水を供給し、かつ、前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記蒸気が供給される蒸気ドラムと、低沸点媒体が蒸発器を流通してタービンを駆動する有機ランキンサイクルシステムと、前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給された前記加熱用熱水とを熱交換させたのち、前記加熱用熱水の温度が低下した加熱用水を前記水として前記蒸気ドラムに戻す加熱用熱水循環系統とを備える。

この構成によれば、蒸気ドラム内の加熱用熱水が有機ランキンサイクルシステムの蒸発器へ供給されて、蒸発器にて加熱用熱水と低沸点媒体が熱交換し、有機ランキンサイクルシステムで低沸点媒体によってタービンが駆動される。したがって、比較的簡単に有機ランキンサイクルシステムの蒸発器で熱交換される加熱用熱水を確保できることから、有機ランキンサイクルシステム用の排ガスエコノマイザを新たに設置する必要がない。その結果、船舶では設置スペースを確保しづらいことによる、有機ランキンサイクルシステムの採用の困難性が低減され、ＯＲＣシステムの採用が比較的容易になる。
また、有機ランキンサイクルシステムでは、比較的低温な排ガスエネルギーからでもエネルギーを回収して発電が可能であるから、エンジン部が低負荷運転時であって、熱交換部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンによる発電の出力が低下するような場合でも、有機ランキンサイクルシステムにて発電が可能となり、エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明に係る排熱回収システムは、エンジン部と、前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して熱水及び第１蒸気を生成する熱交換部と、前記熱交換部に水を供給し、かつ、前記熱交換部で生成された前記熱水及び前記第１蒸気が供給される蒸気ドラムと、低沸点媒体が蒸発器を流通してタービンを駆動する有機ランキンサイクルシステムと、前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給された第２蒸気とを熱交換させたのち、前記第２蒸気の温度が低下し凝縮した凝縮水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻す蒸気循環系統と、を備える。

この構成によれば、蒸気ドラム内の第２蒸気が有機ランキンサイクルシステムの蒸発器へ供給されて、蒸発器にて第２蒸気と低沸点媒体が熱交換し、有機ランキンサイクルシステムで低沸点媒体によってタービンが駆動される。したがって、比較的簡単に有機ランキンサイクルシステムの蒸発器で熱交換される第２蒸気を確保できることから、有機ランキンサイクルシステム用の排ガスエコノマイザを新たに設置する必要がない。その結果、船舶では設置スペースを確保しづらいことによる、有機ランキンサイクルシステムの採用の困難性が低減され、ＯＲＣシステムの採用が比較的容易になる。
また、有機ランキンサイクルシステムでは、比較的低温な排ガスエネルギーからでもエネルギーを回収して発電が可能であるから、エンジン部が低負荷運転時であって、熱交換部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンの出力が低下するような場合でも、有機ランキンサイクルシステムにて発電が可能となり、エネルギーの有効利用を図ることができる。

上記発明において、前記蒸気ドラムに接続されるダンプ弁と、前記ダンプ弁の開動作に基づいて、前記有機ランキンサイクルシステムの蒸発器への前記蒸気ドラム内の前記加熱用熱水又は前記第２蒸気の供給を開始させる制御部とを更に備えてもよい。

この構成によれば、ダンプ弁が開動作にあるとき、有機ランキンサイクルシステムの蒸発器への蒸気ドラム内の加熱用熱又は第２蒸気の供給が開始される。これにより、例えば、蒸気タービンの出力低下時等において、蒸気ドラム内の圧力が上昇しているときに、加熱用熱水循環系統の加熱用熱水又は蒸気循環系統の第２蒸気が循環を開始して、有機ランキンサイクルシステムにて熱回収が行われる。したがって、ダンプ弁から蒸気をダンプしてエネルギーを排気することなく熱回収を行える。またエンジン部の低負荷時にも有機ランキンサイクルシステムで発電が可能となり、エネルギーの有効利用を図ることができる。

本発明に係る船舶は、上記の排熱回収システムを備える。

本発明に係る排熱回収方法は、エンジン部から排出される排ガスとの熱交換が行われる熱交換部に蒸気ドラムから水を供給するステップと、前記熱交換部にて加熱用熱水及び蒸気を生成するステップと、前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記蒸気を前記蒸気ドラムに供給するステップと、有機ランキンサイクルシステムにて低沸点媒体を蒸発器へ流通させてタービンを駆動するステップと、前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給した前記加熱用熱水が熱交換をするステップと、前記蒸発器で前記加熱用熱水の温度が低下した加熱用水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻すステップとを備える。

本発明に係る排熱回収方法は、エンジン部から排出される排ガスとの熱交換が行われる熱交換部に蒸気ドラムから水を供給するステップと、前記熱交換部にて加熱用熱水及び第１蒸気を生成するステップと、前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記第１蒸気を蒸気ドラムに供給するステップと、有機ランキンサイクルシステムにて低沸点媒体を蒸発器へ流通させてタービンを駆動するステップと、前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給した第２蒸気が熱交換をするステップと、前記蒸発器で前記第２蒸気の温度が低下し凝縮した凝縮水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻すステップとを備える。

本発明によれば、有機ランキンサイクルシステムの採用の困難性を低減し、有機ランキンサイクルシステムの採用を比較的容易にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る排熱回収システムを示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る排熱回収システムを示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る排熱回収システムのパワータービン及び蒸気タービンの出力とディーゼルエンジン負荷の関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る排熱回収システム１の概略構成が示されている。本実施形態では、メインエンジンとして船舶推進用のディーゼルエンジン３を用いている。排熱回収システム１は、船舶に搭載される。
排熱回収システム１は、船舶推進用のディーゼルエンジン３と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５と、排気ターボ過給機５の上流側から抽気されたディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動されるパワータービン（ガスタービン）７と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１と、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン９と、有機ランキンサイクルシステム１３（以下「ＯＲＣシステム１３」という。）などを備えている。

ディーゼルエンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的又は間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部（図示せず。）の排気ポートは、排ガス集合管としての排気マニホールド（図示せず。）に接続され、排気マニホールドは、第１排気管Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続される。また、排気マニホールドは、第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排ガスの一部が、排気ターボ過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給される。

一方、各シリンダ部の給気ポートは給気マニホールド（図示せず。）に接続されており、給気マニホールドは、給気管Ｋ１を介して排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器１９が設置されている。
排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとから構成されている。

パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールドから抽気された排ガスによって回転駆動される。また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動される。
この排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが導入される。排ガスエコノマイザ１１における熱交換部２１は、排ガスの熱によって蒸発管２３を介して供給された蒸気を再度加熱し、過熱蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて復水器１０に導かれる。

パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて発電機２５を駆動する。蒸気タービン９の回転軸は、図示しない減速機及びカップリングを介して発電機２５に接続される。また、パワータービン７の回転軸は図示しない減速機及びクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。クラッチ３１としては、所定の回転数にて軸と軸を接続したり離したりするクラッチが用いられ、例えばSSS（Synchro-Self-Shifting）クラッチが好適に用いられる。なお、パワータービン７と蒸気タービン９が直列に結合されるのではなく、パワータービン７と蒸気タービン９が並列に回転が結合されていてもよく、またパワータービン７と蒸気タービン９のそれぞれに発電機が接続されてもよい。

また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入する排ガスのガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。また、排ガスバイパス管Ｌ５が、第２排気管Ｌ２から分岐して設けられ、第４排気管Ｌ４と合流する。排ガスバイパス管Ｌ５には、排ガスバイパス量調整弁３４が設置される。排ガスバイパス量調整弁３４は、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように制御される。ここで、最低許容掃気圧とは、エンジン負荷に応じて予め設定された必要最低の掃気圧であり、ディーゼルエンジン３の燃料燃焼のために必要とされる掃気圧である。具体的には、ディーゼルエンジン３の掃気圧が常にモニタリングされるようにして、エンジン負荷に応じて予め設定された最低許容掃気圧を確保できるように、排ガスバイパス量調整弁３４が制御される。減速運転時において、排ガスバイパス量調整弁３４を開くように調整することによって、パワータービン７を経由せずに、排ガスエコノマイザ１１へ排出される排ガス量が増える。その結果、排ガスエコノマイザ１１における蒸気の蒸発量を増加させて、低負荷運転において蒸気タービン９の起動開始を早めることができる。また、低負荷運転において発電機２５による発電量を増やすことが可能になる。

さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。上述した排ガス量調整弁３３、排ガスバイパス量調整弁３４及び蒸気量調整弁３７は、制御装置４３によって、その開度が制御される。
以上のように発電機２５は、船舶推進用のディーゼルエンジン３の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。

排ガスエコノマイザ１１は、過熱器１２、高圧蒸発器１４、低圧蒸発器１６等が内部に配置されている。過熱器１２は、高圧蒸気ドラム１８から高圧蒸気が供給され、高圧蒸気を過熱する。そして、過熱器１２は、蒸気タービン９の最上段に過熱した高圧蒸気を供給する。

高圧蒸発器１４は、高圧缶水循環ポンプ２０によって、高圧蒸気ドラム１８内の液相（水）部分から水が供給され、供給された水を蒸発させて加熱用熱水及び高圧蒸気を生成する。高圧蒸発器１４は、生成した加熱用熱水及び高圧蒸気を高圧蒸気ドラム１８に供給する。

低圧蒸発器１６は、低圧缶水循環ポンプ２２によって、低圧蒸気ドラム２４から水が供給され、供給された水を蒸発させて低圧蒸気を生成する。そして、低圧蒸発器１６は、生成した低圧蒸気を低圧蒸気ドラム２４に供給する。

高圧蒸気ドラム１８は、例えば船舶の燃料油加熱装置２６に接続され、高圧蒸気の一部は、高圧蒸気ドラム１８から燃料油加熱装置２６に供給される。燃料油加熱装置２６で利用された蒸気は大気圧ドレンタンク２８に回収される。燃料油加熱装置２６は、船舶の燃料油のうち、粘性が高い状態のものを加熱して燃料油の粘度を低下させて、ディーゼルエンジン３への供給を容易にする。

低圧蒸気ドラム２４は、蒸気タービン９の中間段や船内各部３０に接続され、低圧蒸気は、低圧蒸気ドラム２４から蒸気タービン９の中間段や船内各部３０に供給される。船内各部３０に供給された低圧蒸気は、雑用蒸気として利用され、利用された低圧蒸気は、大気圧ドレンタンク２８に回収される。

高圧蒸気ドラム１８及び低圧蒸気ドラム２４は、それぞれ高圧ダンプ弁３２及び低圧ダンプ弁２７を備え、高圧ダンプ弁３２及び低圧ダンプ弁２７は、ドラム内圧が所定圧以上になったとき、蒸気を外部に逃がす。高圧ダンプ弁３２及び低圧ダンプ弁２７を通過した蒸気は、復水器１０へ供給される。

復水器１０に回収された蒸気は、例えば海水によって冷却されて水となり、復水器１０内の水は、復水ポンプ３６によって大気圧ドレンタンク２８へ供給される。大気圧ドレンタンク２８内の水は、給水ポンプ３８によって、ディーゼルエンジンジャケット冷却器４０や空気冷却器１９を通過して加熱されながら、高圧蒸気ドラム１８と低圧蒸気ドラム２４それぞれへ供給される。高圧蒸気ドラム１８と低圧蒸気ドラム２４に供給される水は、流量調整弁４２，４４によって供給される水量が調整される。

高圧蒸気循環系統において、高圧蒸気ドラム１８の内部の液相部分の低温度領域にある水は、高圧缶水循環ポンプ２０によって、高圧蒸気ドラム１８から排ガスエコノマイザ１１の高圧蒸発器１４に供給されて、排ガスと熱交換した後、加熱用熱水及び高圧蒸気となり、高圧蒸気ドラム１８に戻り、高圧蒸気ドラム１８内で気水分離が行われる。そして、高圧蒸気ドラム１８内の高圧蒸気は、高圧蒸気ドラム１８から排ガスエコノマイザ１１の過熱器１２や燃料油加熱装置２６に供給される。排ガスエコノマイザ１１の過熱器１２に供給された高圧蒸気は、過熱蒸気となり、蒸気タービン９の最上段に供給されて蒸気タービン９を駆動する。発電機２５は、蒸気タービン９の駆動力によって発電する。仕事を終えた蒸気は、復水器１０で冷却されて水となり、復水ポンプ３６及び給水ポンプ３８によって、高圧蒸気ドラム１８又は低圧蒸気ドラム２４に戻される。また、燃料油加熱装置２６に供給された高圧蒸気は、大気圧ドレンタンク２８に回収された後、給水ポンプ３８によって、高圧蒸気ドラム１８又は低圧蒸気ドラム２４に戻される。

なお、高圧蒸気循環系統の高圧蒸気の循環量は、蒸発管の流速を確保し、蒸発管内で水が急速に蒸気化しない安全上の配慮から、高圧蒸気の定格蒸発量の１０倍程度の循環量を確保することが好ましい。

低圧蒸気循環系統において、低圧蒸気ドラム２４の水は、低圧缶水循環ポンプ２２によって、低圧蒸気ドラム２４から排ガスエコノマイザ１１の低圧蒸発器１６に供給されて、排ガスと熱交換した後、低圧蒸気となり、低圧蒸気ドラム２４に戻る。そして、低圧蒸気は、低圧蒸気ドラム２４から船内各部３０や蒸気タービン９の中間段に供給される。船内各部３０に供給された低圧蒸気は、大気圧ドレンタンク２８に回収された後、給水ポンプ３８によって、高圧蒸気ドラム１８又は低圧蒸気ドラム２４に戻される。蒸気タービン９に供給された低圧蒸気は、蒸気タービン９を駆動する。仕事を終えた蒸気は、復水器１０で冷却されて水となり、復水ポンプ３６及び給水ポンプ３８によって、高圧蒸気ドラム１８又は低圧蒸気ドラム２４に戻される。

ＯＲＣシステム１３は、例えば蒸発器４６と、タービン４８と、発電機５０と、コンデンサ５２と、循環ポンプ５４などからなる。低沸点媒体は、蒸発器４６で加熱されて蒸気となり、生成された蒸気はタービン４８に供給されてタービン４８を駆動する。発電機５０は、タービン４８の駆動力によって発電する。タービン４８を通過した低沸点媒体は、コンデンサ５２で回収され、海水によって冷却され液体となる。液体の低沸点媒体は、循環ポンプ５４によって蒸発器４６に供給される。低沸点媒体は、例えば、イソペンタン、ブタン、プロパン等の低分子炭化水素や冷媒として用いられるＲ１３４ａ，Ｒ２４５ｆａ等である。

高圧蒸気ドラム１８内部の液相部分の高温度領域の熱水は、熱水循環ポンプ５６によって加圧され、ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６には、高圧蒸気ドラム１８から液相状態にある加熱用の熱水である加熱用熱水が供給される。蒸発器４６では、加熱用熱水と低沸点媒体が熱交換する。蒸発器４６を通過した加熱用熱水は圧力が低下するとともに冷却されて、加熱用水として高圧蒸気ドラム１８に供給される。すなわち、加熱用水循環系統において、加熱用熱水は、熱水循環ポンプ５６によって、高圧蒸気ドラム１８からＯＲＣシステム１３の蒸発器４６に供給されて、低沸点媒体と熱交換した後、加熱用水となり高圧蒸気ドラム１８に戻る。

なお、加熱用水循環系統は、ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６の入口上流部と蒸発器４６の出口下流部を結ぶバイパス管Ｂ１が設けられる。ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６にて熱交換を行わない場合は、開閉弁５８を閉状態としバイパス開閉弁６０を開状態として、加熱用熱水は、蒸発器４６を通過しないで、加熱用水循環系統を循環する。ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６にて熱交換を行う場合は、開閉弁５８を開状態としバイパス開閉弁６０を閉状態として、加熱用熱水は、蒸発器４６を通過しながら、加熱用水となり加熱用水循環系統を循環する。なお、開閉弁５８の開度を調整して加熱用水循環系統を流れる加熱用熱水の流量を変化させ、これと熱交換する低沸点媒体の流量を循環ポンプ５４で調整したり、低沸点媒体の温度を調整してもよい。

制御装置４３における高圧ダンプ弁３２の開閉の検知、又は、高圧ダンプ弁３２の制御信号に基づいて、高圧ダンプ弁３２が開状態にあるとき又は開閉を短期間に繰り返すとき、制御装置４３は熱水循環ポンプ５６を起動する。これにより、蒸気タービン９の出力の低下によって、高圧蒸気ドラム１８内の圧力が上昇していることが検知される。その結果、蒸気タービン９の出力低下時に、加熱用水循環系統の加熱用熱水が循環を開始して、ＯＲＣシステム１３にて熱回収が行われる。したがって、ディーゼルエンジン３の低負荷時にもＯＲＣシステム１３で発電が可能となり、エネルギーの有効利用を図ることができる。

ＯＲＣシステム１３は、蒸気タービン９の出力が低下している状態で駆動することが望ましい。したがって、上述したとおり、高圧ダンプ弁３２の開閉をトリガーにして加熱用水循環系統の加熱用熱水の循環を開始させる方法が考えられるが、加熱用水循環系統の加熱用熱水の循環開始のトリガーは他の方法を用いてもよい。
これにより、高圧ダンプ弁３２から蒸気をダンプしてエネルギーを排気することなく、ＯＲＣシステム１３により熱回収を行える。

本実施形態によれば、ＯＲＣシステム１３への加熱用熱水供給専用のポンプである熱水循環ポンプ５６によって、加熱用熱水をＯＲＣシステム１３へ供給できる。

以上、蒸気タービン９の出力が低下している状態でＯＲＣシステム１３を駆動する構成及び作用を中心に説明したが、以下では、図３を参照して、ＯＲＣシステム１３を駆動する前の蒸気タービン９の出力が低下していない状態を含めて、排ガスバイパス量の調整及びパワータービン７又は蒸気タービン９の運転について説明する。

パワータービン７を起動するためには、パワータービン７を蒸気タービン９の回転数まで上昇させなければならない。また、パワータービン７は、運転時、最少負荷をとる必要がある。パワータービン７による出力を開始するには、多くの排ガス量が必要であり、ディーゼルエンジン３負荷（メインエンジン負荷）がある程度高いことが必要である。

したがって、パワータービン７の回転数が蒸気タービン９の回転数以上となる状態で、排ガス量調整弁３３を開けて、排ガスをパワータービン７へ供給することによって、パワータービン７による出力を開始できる。
例えば、図３に示すように、ディーゼルエンジン３負荷が５０％を超えるような運転がされており、パワータービン７の回転数が、蒸気タービン９の回転数まで上昇する場合に、パワータービン７を起動する。なお、以下では、パワータービン７に起動を開始させるディーゼルエンジン３負荷が、５０％の場合について説明するが、本発明は、この例に限られず、例えば４５％など、５０％よりも低い場合も適用できる。

ディーゼルエンジン３負荷が５０％よりも低い状態から、ディーゼルエンジン３負荷が５０％に到達したとき、排ガス量調整弁３３を開けることによって、パワータービン７は、運転を開始する。そして、図３に示すように、ディーゼルエンジン３負荷の上昇にかかわらず、パワータービン７の出力は一定になるように、パワータービン７に供給される排ガス量は一定に保たれ、それ以外の排ガス量は排気ターボ過給機５のタービン部５ａへ送られる。ここで、パワータービン７に供給される排ガス量は、制御の簡易化のために一定量でも良いし、全体のエネルギーバランスから最適とするために、制御装置４３により所定流量に調整される。
なお、ディーゼルエンジン３の排気利用の安定性を図るために、ディーゼルエンジン３負荷が５０％以上では、排ガスバイパス量調整弁３４は閉状態に維持される。

ディーゼルエンジン３負荷が５０％以上では、排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガス、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが導入される。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、蒸気タービン９に導入されて、蒸気タービン９を駆動する。

一方、ディーゼルエンジン３負荷が高い状態からディーゼルエンジン３負荷が５０％未満となるとき、制御装置４３からの指令によって排ガス量調整弁３３が閉じられて、パワータービン７への排ガスの供給が停止される。その結果、図３に示すように、パワータービン７による出力は０（ゼロ）となる。また、制御装置４３からの指令によって排ガスバイパス量調整弁３４が開く。
そして、ディーゼルエンジン３負荷が５０％未満であるとき、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように、制御装置４３によって、排ガスバイパス量調整弁３４の開度が調整される。

その結果、排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、排ガスバイパス量調整弁３４が設けられた排ガスバイパス管Ｌ５を介して排出される排ガスとが導入される。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は、蒸気タービン９に導入されて、蒸気タービン９を駆動することがある。

したがって、排ガスバイパス量調整弁３４を開き、排ガスエコノマイザ１１における蒸気の蒸発量を増加させることによって、低負荷運転においても蒸気タービン９を駆動することができる。

例えば、ディーゼルエンジン３負荷が２５％よりも低い状態から、ディーゼルエンジン３負荷が２５％以上となったとき、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように、制御装置４３によって、排ガスバイパス量調整弁３４が開き始める。これによって、ディーゼルエンジン３の掃気圧力を最低許容掃気圧よりも低下させることなく、かつ、排ガスエコノマイザ１１に排ガスを導入できる。その結果、ディーゼルエンジン３負荷が２５％以上５０％未満では低負荷運転でも、蒸気タービン９を駆動させて、発電を行うことができる。

ディーゼルエンジン３負荷が２５％以上５０％未満では、運転時、ディーゼルエンジン３の掃気圧が常にモニタリングされるようにして、ディーゼルエンジン３負荷に応じて予め設定された最低許容掃気圧を確保できるように、排ガスバイパス量調整弁３４が制御される。すなわち、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂの出口の空気圧力に余裕があるか否かが判断される。そして、コンプレッサ部５ｂの出口の空気圧力の余裕度に応じて、排ガスバイパス量調整弁３４の開度が調整される。

一方、ディーゼルエンジン３負荷が２５％よりも高い状態から、ディーゼルエンジン３負荷が２５％未満となったとき、排ガスバイパス量調整弁３４が閉じられる。その結果、ディーゼルエンジン３の掃気圧力は、最低許容掃気圧よりも高くなるように維持される。

従来、低負荷運転時で、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた弁を利用する場合、開度を調整することなく、開又は閉を切り替えていただけであった。例えば、図３に示すように、ディーゼルエンジン３で最低許容掃気圧を確保するためには、ディーゼルエンジン３負荷が例えば約３５％となったときに初めて、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた弁を開にすることができた。

これに対して本実施形態では、排ガスバイパス管Ｌ５に設けられた排ガスバイパス量調整弁３４は、開度を調整することができる。そして、排ガスバイパス量調整弁３４は、ディーゼルエンジン３の掃気圧力が最低許容掃気圧を維持するように制御される。したがって、ディーゼルエンジン３負荷が例えば約２５％であっても、排ガスバイパス管Ｌ５を介して排ガスを排ガスエコノマイザ１１へ排出できる。その結果、従来よりもディーゼルエンジン３負荷が低い状態で、蒸気タービン９を駆動させることができる。ディーゼルエンジン３負荷がゼロ又はゼロに近い状態から増加する場合は、蒸気タービン９の起動開始を従来よりも早めることができ、低負荷運転における蒸気タービン９による発電量を増加させることができる（図３の縦線網掛け部分“ＳＴ拡大領域”参照）。

以上、説明したとおり、従来は減速運航時、排ガス温度が低かったため蒸気タービン９を駆動して発電機２５による発電をすることができなかったところ、排気マニホールドから抽気された高温の排ガスを排ガスエコノマイザ１１に導くことができる。そして、排気マニホールドから抽気される排ガス量は、排ガスバイパス量調整弁３４によって制御されることから、ディーゼルエンジン３の掃気圧力を最低許容掃気圧よりも高く維持できる。また、従来よりも、減速運航時における排ガスエコノマイザ１１での蒸気の蒸発量を著しく増加させることができることから、ディーゼルエンジン３負荷が２５％から５０％の間で減速運転においても蒸気タービン９による発電能力を高められる。

また、ディーゼルエンジン３負荷が例えば約５０％以上であるとき、排ガス量調整弁３３を開けて、排ガスバイパス量調整弁３４を閉じる。したがって、ディーゼルエンジン３からの排気ガスの抽気利用の安定性を図ることができる。

さらに本実施形態では、ディーゼルエンジン３負荷が例えば２５％以下であって、蒸気タービン９の出力が確保しづらい状態であっても、加熱用水循環系統の加熱用熱水の循環を開始させて、ＯＲＣシステム１３にて熱回収を行うことができる。その結果、図３の格子状網掛け部分に示すように、ディーゼルエンジン３負荷が例えば２０％から２５％の範囲でもＯＲＣシステム１３で発電が可能となり、ディーゼルエンジン３の排ガスエネルギーの有効利用を図ることができる。
このとき、比較的簡単にＯＲＣシステム１３の蒸発器へ供給される加熱用熱水を確保できることから、ＯＲＣシステム１３用の排ガスエコノマイザを新たに設置する必要がなく、ＯＲＣシステム１３を設けることが比較的容易になる。

なお、図１に示す例では、排ガスバイパス管Ｌ５は、第３排気管Ｌ３に接続されて、パワータービン７を経由しない排ガスは、排ガスバイパス管Ｌ５と第３排気管Ｌ３を通過して、排ガスエコノマイザ１１に供給される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、排ガスバイパス管Ｌ５が第４排気管Ｌ４に接続されてもよい。

［第２実施形態］
上述した第１実施形態では、高圧蒸気ドラム１８からＯＲＣシステム１３へ加熱用熱水を供給する場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。第２実施形態に係る排熱回収システム２では、高圧蒸気ドラム１８からＯＲＣシステム１３へ蒸気を供給する。図２には、本発明の第２実施形態に係る排熱回収システム２の概略構成が示されている。

以下では、第１実施形態と重複する構成について説明を省略する。
ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６には、高圧蒸気ドラム１８から蒸気（第２蒸気）が供給される。高圧蒸気循環系統において、高圧蒸気ドラム１８の内部の液相部分の低温度領域にある水は、高圧缶水循環ポンプ２０によって、高圧蒸気ドラム１８から排ガスエコノマイザ１１の高圧蒸発器１４に供給されて、排ガスと熱交換した後、熱水及び高圧蒸気（第１蒸気）となり、高圧蒸気ドラム１８に戻り、高圧蒸気ドラム１８内で気水分離が行われる。そして、高圧蒸気ドラム１８内の高圧蒸気（第２蒸気）は蒸発器４６に供給され、蒸発器４６では高圧蒸気（第２蒸気）と低沸点媒体が熱交換する。蒸発器４６を通過した高圧蒸気は冷却されて凝縮水となり、熱水ドレンポンプ６２によって、凝縮水が高圧蒸気ドラム１８に戻される。すなわち、ＯＲＣ用蒸気循環系統において、高圧蒸気は、高圧蒸気ドラム１８からＯＲＣシステム１３の蒸発器４６に供給されて、低沸点媒体と熱交換した後、熱水ドレンポンプ６２によって、高圧蒸気の凝縮水が高圧蒸気ドラム１８に戻る。
ここで第２実施形態における蒸発器４６は、高圧蒸気が凝縮水へと相変化を伴って伝熱されることから、熱伝達率が高くなり、第１実施形態での蒸発器４６に比べて伝熱面積が小さくても良く小型化が可能となるので好ましい。
また第２実施形態における熱水ドレンポンプ６２は、第１実施形態での加熱用熱水を流動させる熱水循環ポンプ５６に比べて流量が少なく、小型化が可能となるので好ましい。

なお、ＯＲＣ用蒸気循環系統は、第１実施形態の加熱用熱水循環系統とは異なり、ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６の入口上流部と高圧ダンプ弁３２の入口部を結ぶバイパス管Ｂ１が設けられる。ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６にて熱交換を行わない場合は、開閉弁５８を閉状態としバイパス開閉弁６０を開状態として、高圧蒸気は、蒸発器４６を通過しないで、高圧ダンプ弁３２から復水器へ供給され、凝縮水として復水器から高圧蒸気ドラム１８へと戻る。ＯＲＣシステム１３の蒸発器４６にて熱交換を行う場合は、開閉弁５８を開状態としバイパス開閉弁６０を閉状態として、高圧蒸気は、蒸発器４６を通過しながら、ＯＲＣ用蒸気循環系統を循環する。なお、開閉弁５８の開度を調整してＯＲＣ用蒸気循環系統を流れる高圧蒸気の流量を変化させ、これと熱交換する低沸点媒体の流量を循環ポンプ５４で調整したり、低沸点媒体の温度を調整してもよい。

また、本実施形態では、低圧蒸気ドラム２４から船内各部３０へ低圧蒸気を供給する系統と、高圧蒸気ドラム１８から燃料油加熱装置２６へ高圧蒸気を供給する系統とを結ぶバイパス管Ｂ２が設けられる。そして、高圧蒸気ドラム１８と燃料油加熱装置２６を結ぶ高圧蒸気管に開閉弁６６が設けられる。

これにより、ＯＲＣ用蒸気循環系統を用いてＯＲＣシステム１３へ蒸気を供給することによって、燃料油加熱装置２６へ供給する蒸気量が不足する場合、バイパス管Ｂ２の開閉弁６４を開状態とし、高圧蒸気管の開閉弁６６を閉状態とすることによって、低圧蒸気ドラム２４から燃料油加熱装置２６へ低圧蒸気を供給する。その結果、蒸気循環系統を用いてＯＲＣシステム１３へ蒸気を供給しながら、船内雑用蒸気３０の供給量とのバランスをとりつつ、燃料油加熱装置２６への必要蒸気量を確保することもできる。

以上、本発明の第１及び第２実施形態によれば、ＯＲＣシステム１３がない蒸気タービン９及びパワータービン７のみの構成からでは不可能であったディーゼルエンジン３の低負荷時の発電が、ＯＲＣシステム１３によって可能となる。また、本実施形態によれば、比較的簡単にＯＲＣシステム１３の蒸発器へ供給される加熱用熱水又は蒸気を確保できることから、ＯＲＣシステム１３用の排ガスエコノマイザを新たに設置する必要がない。その結果、船舶では設置スペースを確保しづらいことによる、ＯＲＣシステム１３の採用の困難性が低減され、ＯＲＣシステム１３の採用が比較的容易になる。

なお、上記実施形態では、高圧蒸気ドラム１８からの高圧蒸気が、燃料油加熱装置２６へ供給される場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、高圧蒸気ドラム１８からの高圧蒸気は、燃料油加熱装置２６以外の船内に設置された高圧蒸気消費機器へ供給されるとしてもよい。

１，２ 排熱回収システム
３ ディーゼルエンジン（エンジン部）
７ パワータービン（ガスタービン）
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ（熱交換部）
１３ ＯＲＣシステム（有機ランキンサイクルシステム）
１８ 高圧蒸気ドラム（蒸気ドラム）
３２ 高圧ダンプ弁（ダンプ弁）
４３ 制御装置（制御部）
４６ 蒸発器
４８ タービン
５０ 発電機

Claims (6)

1. エンジン部と、
   前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して加熱用熱水及び蒸気を生成する熱交換部と、
   前記熱交換部に水を供給し、かつ、前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記蒸気が供給される蒸気ドラムと、
   低沸点媒体が蒸発器を流通してタービンを駆動する有機ランキンサイクルシステムと、
   前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給された前記加熱用熱水とを熱交換させたのち、前記加熱用熱水の温度が低下した加熱用水を前記水として前記蒸気ドラムに戻す加熱用熱水循環系統と、
   を備える排熱回収システム。
2. エンジン部と、
   前記エンジン部から排出される排ガスと熱交換して熱水及び第１蒸気を生成する熱交換部と、
   前記熱交換部に水を供給し、かつ、前記熱交換部で生成された前記熱水及び前記第１蒸気が供給される蒸気ドラムと、
   低沸点媒体が蒸発器を流通してタービンを駆動する有機ランキンサイクルシステムと、
   前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給された第２蒸気とを熱交換させたのち、前記第２蒸気の温度が低下し凝縮した凝縮水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻す蒸気循環系統と、
   を備える排熱回収システム。
3. 前記蒸気ドラムに接続されるダンプ弁と、
   前記ダンプ弁の開動作に基づいて、前記有機ランキンサイクルシステムの蒸発器への前記蒸気ドラム内の前記加熱用熱水又は前記第２蒸気の供給を開始させる制御部と、
   を更に備える請求項１又は２に記載の排熱回収システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の排熱回収システムを備える船舶。
5. エンジン部から排出される排ガスとの熱交換が行われる熱交換部に蒸気ドラムから水を供給するステップと、
   前記熱交換部にて加熱用熱水及び蒸気を生成するステップと、
   前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記蒸気を前記蒸気ドラムに供給するステップと、
   有機ランキンサイクルシステムにて低沸点媒体を蒸発器へ流通させてタービンを駆動するステップと、
   前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給した前記加熱用熱水が熱交換をするステップと、
   前記蒸発器で前記加熱用熱水の温度が低下した加熱用水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻すステップと、
   を備える排熱回収方法。
6. エンジン部から排出される排ガスとの熱交換が行われる熱交換部に蒸気ドラムから水を供給するステップと、
   前記熱交換部にて加熱用熱水及び第１蒸気を生成するステップと、
   前記熱交換部で生成された前記加熱用熱水及び前記第１蒸気を蒸気ドラムに供給するステップと、
   有機ランキンサイクルシステムにて低沸点媒体を蒸発器へ流通させてタービンを駆動するステップと、
   前記蒸発器で、前記低沸点媒体と前記蒸気ドラムから供給した第２蒸気が熱交換をするステップと、
   前記蒸発器で前記第２蒸気の温度が低下し凝縮した凝縮水を前記水として前記蒸気ドラムへ戻すステップと、
   を備える排熱回収方法。

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