JP2016050527A

JP2016050527A - 低温排熱回収システム

Info

Publication number: JP2016050527A
Application number: JP2014176258A
Authority: JP
Inventors: 浩一難波; Koichi Nanba; 五朗佐山; Goro Sayama; 和男新開; Kazuo Shinkai; 兼久今井; Kanehisa Imai
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-04-11

Abstract

【課題】有機媒体を熱交換器で蒸発させることなく液相の状態で、二相流タービンを用いることで設備のコンパクト化を図る低温排熱回収システムを提供すること。
【解決手段】本発明の低温廃熱回収システムは、エンジンの排気ガスを利用して加圧掃気をエンジンに供給する過給機１と、該過給機１から出て、エンジンに供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する廃熱回収用熱交換器２と、廃熱回収用熱交換器２によって熱回収した有機媒体を、二相流変換ノズル４により、気相、液相の二相流に変換させた後に、二相流タービン５、凝縮器６を経由し、媒体ポンプ８を介し、廃熱回収用熱交換器２に戻す廃熱有機媒体回収経路３よりなり、媒体ポンプ８では、加圧し二相流変換ノズル４まで、作動媒体を液相状態で循環させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温排熱回収システムに関し、より詳しくは、ＶＰＣ（ＶａｒｉａｂｌｅＰｈａｓｅＣｙｃｌｅ）バイナリ一発電装置として使用可能な低温排熱回収システムに関する。

低温排熱回収システムとしては、低沸点媒体を気化させてタービンを駆動するＯＲＣ（ＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ）発電システムが代表的なシステムであり、船舶への適用も報告されている。このＯＲＣ発電システム例としては、例えば特許文献１の技術が開示されている。
特許文献１の技術では、内燃機関の冷却水や、過給機等の熱源を用い、有機媒体を蒸発させ、パワータービンによって電力として回収する技術が記載されている。

特開２０１１−２３１６３６号公報

Ｐ. Ｂｏｙｌｅ，ｅｔａｌ.：ＶａｒｉａｂｌｅＰｈａｓｅＣｙｃｌｅ，日本ガスタービン学会誌，４１，６（２０１３−１１），ｐ．４６１

従来のＯＲＣ発電システムは、有機媒体を飽和又は過熱蒸気にするため、予熱器、蒸発器、過熱器といった複数の熱交換器が必要になる。
また、ＯＲＣ発電システムではピンチポイント温度差により媒体の熱交換器出口温度が制限される。即ち、図７に、１２１ ℃の熱源熱水で、媒体としてＲ１３４ａを用いた場合のＯＲＣ発電システムの出力試算例を示す（非特許文献１）。この図より明らかなように、熱源熱水の出口温度が低くなるにつれて、出力が小さくなっている。
また、ＯＲＣ発電システムでは、高速回転タービン及び減速機の設置が必要で、導入時及びメンテナンスコストが高くなる。
そこで、本発明の課題は、有機媒体を熱交換器で蒸発させることなく液相の状態で、二相流タービンを用いることで設備のコンパクト化を図る低温排熱回収システムを提供することにある。
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、エンジンの排気ガスを利用して加圧掃気をエンジンに供給する過給機と、該過給機から出て、前記エンジンに供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する廃熱回収用熱交換器と、前記廃熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、二相流変換ノズルにより、気相、液相の二相流に変換させた後に、二相流タービン、凝縮器を経由し、媒体ポンプを介し、前記廃熱回収用熱交換器に戻す廃熱有機媒体回収経路よりなり、前記媒体ポンプでは、加圧し二相流変換ノズルまで、作動媒体を液相状態で循環させることを特徴とする低温廃熱回収システムによって解決される。

本発明によれば、有機媒体を液相の状態で循環させ、二相流タービンの直前で二相流に変換し用いることで、過給機の加圧掃気を冷却する一液の一つの熱交換器を用いることで、設備のコンパクト化を図る低温排熱回収システムを提供することができる。

本発明の低温排熱回収システムの基本構成を示す回路説明図本発明に用いる二相流変換ノズルの一例を示す説明図本発明に用いる二相流タービンの一例を示す説明図本発明に用いる二相流タービンロータの羽根部分に二相流が当たった状態を示す拡大断面説明図本発明のタービン羽根における速度三角形を示す説明図本発明の起動時のトレンドチャージを示す説明図本発明とＯＲＣ発電システムとの性能比較例を示す説明図

以下に、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明の低温排熱回収システムの基本構成を説明する図である。
図示しないエンジンの排気ガスを利用して加圧掃気をエンジンに供給する過給機１と、該過給機１から出て、前記エンジンに供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する廃熱回収用熱交換器２と、前記廃熱回収用熱交換器２を出た、有機媒体は、廃熱有機媒体回収経路３を流れ、二相流変換ノズル４により、気相、液相の二相流に変換させた後に、二相流タービン５、凝縮器６を経由し、有機媒体は、媒体タンク７に一時保管される。そして、媒体ポンプ８を介し、前記廃熱回収用熱交換器２に戻す廃熱有機媒体回収経路３を形成している。ここで、廃熱有機媒体回収経路３を流れる作動媒体は、前記媒体ポンプ８により加圧し、二相流変換ノズル４まで、作動媒体を液相状態で循環させる構成となっている。
以下、これらを詳述する。

＜廃熱回収用熱交換器２＞
廃熱回収用熱交換器２は、エンジンに使用する過給機１から出て、前記エンジンに供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収するものであり、一般に用いられている過給機排出空気用インタークーラーと、構造的には変わらないが、冷却側の媒体圧力が通常の冷却水圧力より高いため、漏洩が起きないように構造的な配慮がなされている。
前記廃熱回収用熱交換器２は、例えば、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるＲ２４５ｆａ、Ｒ１３４ａなどの低沸点の有機媒体を利用し、熱回収を行う。

なお、図１に於いて、廃熱回収用熱交換器２を出た加圧掃気は、冷却水等を用いて、掃気冷却用熱交換器２０により更に冷却されてエンジンへ供給される。
前記廃熱回収用熱交換器２を出た有機媒体は、液相のままで、二相流変換ノズル４、及び二相流タービン５に供給される。

＜二相流変換ノズル４＞
二相流変換ノズル４は、例えば図２に示すように、後述する二相流タービン５に内蔵されており、一部が気化し、気相、液相の混合した二相流ＬＧを生成する。そして、この二相流ＬＧを二相流変換ノズル４の先端から高速で排出する。

この時、二相流変換ノズル４内部では、ノズル先端に向かうに従って、ガスのせん断応力が液相を微小液滴に分割し、ガスの運動量を液滴に伝達する。気相と液相のち密な連成により微小液摘を十分に加速し、二相流ノズル４の先端出口でガス流速と液滴の流速をそろえることができる。ノズルからの二相流の流速は、エロージョン限界速度に比べて十分低くすることが望ましい。
ここで、作動媒体が有する熱エネルギーを有効に運動エネルギーに変換するためには、液滴を可能な限り均一微細化することが望ましい。

表面張力の大きい有機媒体を扱う場合は、フローデバイダー４２をノズル上流に設置し、この部分で一部膨張、気化し、更に後段の絞り部４１で膨張、気化を促進させることが好ましい。

なお、二相流変換ノズル４は、有機媒体を気相、液相の混合した二相流ＬＧを生成できるものであれば良く上述の構成の他、ノズル内部に多数の突出孔を形成する等の構成としても良い。

また、二相流変換ノズル４の先端は、二相流タービン５のタービン羽根５１に向かって所定の向きに配置される。

＜二相流タービン５及び発電機５０＞
図３は、二相流タービン５のタービンロータ５２の１例を示す斜視図であり、例えば、いわゆるドラバルタービンと称される単段軸流衝動タービンを用いることができる。タービンロータ５２は、車板５３を発電機５０に直接結合し、タービンロータ５２の回転によって発電を行う。発電機５０は、例えば三相誘導発電機等適宜発電機を用いることができる。

なお、前記タービンロータ５２の軸貫通部に、二重のメカニカルシールを使用して、有機媒体の外部への、漏出を防止している。したがって、二相流タービン５には一般の蒸気タービンに装備されている主蒸気止め弁や蒸気加減弁はなく、代わりに、二相流タービン５の上流にタービン遮断弁３２ａ、及びプロセス弁としてのタービン調節弁３２ｂを配置している。また、タービン遮断弁３２ａの上流側にバイパス調節弁３２ｃが設けてあり、有機媒体を始動時に、二相流タービン５をバイパスさせる必要から設けた回路である。

図４は、タービン羽根５１に、二相流が当たった状態を示す説明図で、気相、液相の混合した二相流ＬＧは、タービン羽根５１の間から、タービン羽根５１の片面から吹き付けると、気相とならなかった液滴は、タービン羽根５１に当たり、遠心力によって羽根の腹面に層を作って流れ、タービン羽根５１の反対面から、ガス流Ｇと、液流Ｌとして排出する。この時、液滴と気相の運動エネルギーによってタービン羽根５１を移動させる。

図５は、タービン羽根における速度三角形を示す説明図を表す。
二相流変換ノズル４内で得られた速度エネルギーが、タービン羽根のピッチｂ、弦長ｄの羽根群に与えられる。図５（ａ）において、二相流変換ノズルの固定角度αは１５〜２０°に取り付けられ、二相流変換ノズルからの二相流はＣ_１の流入速度となり、図５（ｂ）のように羽根をＵの周速で回転させる。羽根に作用する周方向の力は、Ｗｋｇの流体について
F＝(W/g)・(C₁cosα−C₂cosδ) ・・・・・・(１)
となることから、ロータの効率は次式となる。
η_R＝(F・U)/(W・C₁ ²/2g)
＝U・(C₁cosα−C₂cosδ)/(C₁ ²/2) ・・・・・・(２)
ここで、羽根の摩擦損失係数をｙとして
1−y＝η_f ²＝Cr₂ ²/Cr₁ ²であらわせば、式（２）は次式になる。
η_R＝(2U/C₁ ²)・(C₁cosα−U)・(1＋η_fcosγ/cosβ) ・・・・・・（３）
なお、二相流の場合の流入速度C₁は式（４）で与えられる。
C₁＝(M_l・V_l＋M_g・V_g)/(M_l＋M_g)・・・・・・（４）
ここに、Ｍ_ｌ、Ｖ_ｌ及びＭ_ｇ、Ｖ_ｇは、二相流の液体及びガスの質量流量及び流速を示す。ノズルは熱源の能力に応じて複数本設置される。二相流変換ノズル本数をＮとして、タービンの羽根中心半径をＲとすれば、得られるトルクは式（５）で表される。
T＝F・R・N ・・・・・・（５）

＜凝縮器６及び媒体タンク７＞
二相流タービン５を出た気相、液相の有機媒体は、凝縮器６に送られ、冷却されて全て液相になり、媒体タンク７に送られ貯蔵される。
なお、凝縮器６は、公知の凝縮器のものを用いることができ、船舶用に使用する場合には、海水を使用することができる。

図１の一点鎖線で示した凝縮器６の冷却回路は、海水を用いた１例を示しており、海水をフィルター６０ａ、遮断弁６０ｂを介し、海水ポンプ６０ｃに接続し、逆止弁６０ｄ、遮断弁６０ｅ、遮断弁６０ｆを介し、凝縮器６に接続し、流量調節遮断弁６０ｇを介し海面に返す構成となっている。
凝縮器６は、図１に１例を示しているが、この例に限るものでは無い。

＜媒体ポンプ８＞
媒体タンク７に貯蔵された有機媒体は、媒体ポンプ８により廃熱回収用熱交換器２に送られる。
本発明では、廃熱回収用熱交換器２で作動媒体を加熱するが、蒸発すること無く、二相流変換ノズル４まで、液相状態で循環させる。このため有機媒体を加圧液状態とする必要がある為、媒体ポンプ８は、ブーストポンプ８０と循環ポンプ８１で構成されるブースト形式を本発明では採用しているが、他の公知手段を用いても良い。この構成により、廃熱有機媒体回収経路３の圧力を高めている。

ここで、廃熱有機媒体回収経路３の圧力は、例えば有機媒体の温度とその有機媒体の物性に基づいて、気化する圧力よりも、若干高い圧力に設定しているので、有機媒体は気化することはない。

なお、廃熱有機媒体回収経路３中、３０は流量計、３１ａ、３１ｂ、３３ａ，３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ｂはそれぞれ遮断弁、３４ｃはストレーナー、３５ａは逆止弁、３６は安全弁である。

図１中、真空ポンプ９につながる点線の回路は、二相流タービン５、及び廃熱有機媒体回収経路３に接続しており、有機媒体として使用する例えばＲ１３４ａ等を廃熱有機媒体回収経路３に投入する際に、配管内の残存空気を排気するためのもので、９ａ〜９ｆの遮断弁は通常低温排熱回収システムを運転時には遮断して用いる。

本発明は上述のように構成し以下の手順で運転が行われる。
＜システム起動＞
凝縮器用冷却海水ポンプ起動後に、システムを起動する。
次いで、図示しない制御盤のタッチパネルで低温排熱回収システムを起動する。
ブーストポンプ８０に引き続き、循環ポンプ８１が自動起動し、タービン遮断弁３２ａを閉じ、バイパス調節弁３２ｃを開いて、有機媒体をバイパスするタービンバイパス運転を開始する。

循環ポンプは、エンジン負荷に応じて廃熱回収用熱交換器２内で蒸発が起きない熱媒体圧力を保持するように、ＶＦＤ（ＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｒｉｖｅｒ）により回転数制御される。起動時は、有機媒体の温度が低いため循環ポンプ８１の回転数はゼロとなり、有機媒体の循環はブーストポンフ８０によって行われる。

＜エンジン起動＞
加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する廃熱回収用熱交換器２を通過する空気量と温度は、エンジン負荷に応じて上昇し、それに伴って有機媒体の温度も上昇する。性能試験ではエンジン負荷６０％で媒体温度が８０℃程度になり、所定の有機媒体流量、及び圧力を維持するために循環ポンプ８１の回転数が徐々に増加する。

＜タービン起動＞
タービンは有機媒体温度が９０℃以上であることを起動条件として、起動が行われ、起動信号によりタービン遮断弁３２ａが全開し、バイパス調節弁３２ｃからタービン調節弁３２ｂへ媒体ラインの切り替えが行われる。タービン発電機５０は、例えば三相誘導発電機を用いた場合、定格回転数（３６００ｒｐｍ）に達すると、図示しない発電機用遮断器が閉じて発電を開始する。
図６に、この起動時のトレンドチャートの例を示す。

＜通常運転＞
低温排熱回収システムは、廃熱エネルギーを最大限回収する思想で設計しているため、タービン調節弁３２ｂは圧力損失を抑えるために全開で使用することとし、有機媒体の流量及び圧力の調節は循環ポンプ８１の回転数制御により行われる。低温廃熱回収システムの試験運転に於いて、エンジン負荷が１００％に達した後は、例えば入熱量１８１４ｋＷに対し１５４．８ｋＷの発電端出力を確認した。

＜タービン停止＞
タービンの通常停止は、タービン調節弁３２ｂからバイパス調節弁３２ｃへの流量切り替えが徐々に行われ、低温排熱回収システムはタービンバイパス運転モードに移行する。発電出力がゼロになると発電機用遮断器が開き、同時にタービン遮断弁が閉じる。
次いで、エンジンが停止し、低温排熱回収システムが停止し、最後に冷却海水ポンプが停止する。

本発明は、上述のように、有機媒体を液相状態で低温排熱回収システムに使用することで、機器構成をシンプルに構成できる。また、図７で明らかなように、熱源熱水の出口温度が低くなった場合にでも大きな出力が得られる。
そして、７０℃から２５０℃程度の中低温熱エネルギーを利用した低温排熱回収システム技術を利用して、舶用主機関の掃気冷却器からの廃熱を利用して、低温排熱回収システムのバイナリ一発電装置に適することができる。

１：過給機
２：廃熱回収用熱交換器
２０：掃気冷却用熱交換器
３：廃熱有機媒体回収経路
３２ａ：タービン遮断弁
３２ｂ：タービン調節弁
３３ｃ：バイパス調節弁
４：二相流変換ノズル
５：二相流タービン
５０：発電機
５１：タービン羽根
５２：タービンロータ
５３：車板
６：凝縮器
７：媒体タンク
８：媒体ポンプ
８０：ブーストポンプ
８１：循環ポンプ
９：真空ポンプ

Claims

エンジンの排気ガスを利用して加圧掃気をエンジンに供給する過給機と、
該過給機から出て、前記エンジンに供給する加圧掃気を有機媒体により冷却し熱回収する廃熱回収用熱交換器と、
前記廃熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、二相流変換ノズルにより、気相、液相の二相流に変換させた後に、二相流タービン、凝縮器を経由し、媒体ポンプを介し、前記廃熱回収用熱交換器に戻す廃熱有機媒体回収経路よりなり、
前記媒体ポンプでは、加圧し二相流変換ノズルまで、作動媒体を液相状態で循環させることを特徴とする低温廃熱回収システム。