JP2023093168A - 船舶用発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】船舶において発生するエネルギーを有効活用することが可能な船舶用発電システムを提供すること。【解決手段】ボイラや排ガスエコノマイザ等の蒸気生成部３０を備える船舶に用いられる船舶用発電システム１であって、蒸気生成部３０により生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う蒸気エキスパンダ発電機５０と、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気Ｓ４を熱源流体として発電を行う蒸気バイナリ発電機６０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、船舶用発電システムに関する。

従来、船舶用発電システムが知られている。例えば、特許文献１には、空気を用いて給水を予熱する空気冷却器と、排気ガスを用いて予熱された水を蒸気化する廃熱ボイラと、を有する船舶用発電システムが開示されている。

特開昭５５－２５５９０号公報

特許文献１の船舶用発電システムにおいては、廃熱ボイラで生成された蒸気により蒸気タービンを回転させて発電を行うことができる。しかしながら、引用文献１の船舶用発電システムは、船舶において発生するエネルギーを十分に有効活用しているとはいえない。

本発明は、船舶において発生するエネルギーを有効活用することが可能な船舶用発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、蒸気生成部（例えば、蒸気生成部３０）を備える船舶に用いられる船舶用発電システム（例えば、船舶用発電システム１）であって、前記蒸気生成部により生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う蒸気エキスパンダ発電機（例えば、蒸気エキスパンダ発電機５０）と、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気（例えば、蒸気Ｓ４）を熱源流体として発電を行う蒸気バイナリ発電機（例えば、蒸気バイナリ発電機６０）と、を備える、船舶用発電システムに関する。

また、前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気と作動媒体（例えば、作動媒体Ｒ２）との間の熱交換により作動媒体を加熱する蒸発器（例えば、蒸発器６１）を有することが好ましい。

また、前記蒸気生成部は、液化燃料ガスのボイルオフガスを燃料として蒸気（例えば、蒸気Ｓ２）を生成するボイラ（例えば、ボイラ３２）を含み、前記蒸気エキスパンダ発電機は、前記ボイラで生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気（例えば、蒸気Ｓ４）を熱源流体として発電を行うことが好ましい。

また、前記蒸気生成部は、船舶の内燃機関（例えば、内燃機関１１）からの排ガス（例えば、排ガスＥ１）を用いて蒸気（例えば、蒸気Ｓ１）を生成する排ガスエコノマイザ（例えば、排ガスエコノマイザ３１）を含む、前記蒸気エキスパンダ発電機は、前記排ガスエコノマイザで生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気（例えば、蒸気Ｓ４）を熱源流体として発電を行うことが好ましい。

本発明によれば、船舶において発生するエネルギーを有効活用することが可能な船舶用発電システムを提供することができる。

本発明の実施形態の船舶用発電システムを示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る船舶用発電システム１について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

図１は、本実施形態の船舶用発電システム１を備える船舶Ｓを示す概略図である。本実施形態の船舶用発電システム１は、蒸気生成部３０を有する船舶Ｓに用いられる発電システム１である。ここで、本実施形態の発電システム１を備える船舶Ｓは、内燃機関１１と、過給機１２と、インタークーラ１３と、燃料タンク２０と、高圧ポンプ２１と、気化器２２と、圧縮機２５と、発電機２６と、蒸気生成部３０と、スチームヘッダ３３と、バイナリ発電機４０と、を備える。

内燃機関１１は、例えば、船舶を推進させるための動力を得るための主機である。本実施形態の内燃機関１１は、不図示の主機ボックス内にシリンダが保持され、そのシリンダにピストンが進退可能に嵌め込まれている周知のディーゼルエンジンである。内燃機関１１は、空気ラインＬＡ１から送りこまれる過給空気Ａ１（圧縮空気Ａ１）をシリンダ内に吸い込んでピストンで圧縮し、高圧状態となった空気に燃料を噴射して爆発燃焼させることによりピストンを駆動して回転動力を得る。内燃機関１１を稼働させると、排ガスＥ１が発生する。排ガスＥ１は、内燃機関１１に接続された排ガスラインＬＥ１を通じて排出される。

本実施形態の内燃機関１１は、燃料として液化燃料ガスを用いている。液化燃料ガスは、後述の燃料タンク２０から燃料ラインＬＦ１を通じて供給される。液化燃料ガスとしては、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）や、液化石油ガス（ＬＰＧ）や、アンモニア等が用いられてもよい。本実施形態においては、ＬＮＧが用いられている。

過給機１２は、排気タービン式のターボチャージャーであり、内燃機関１１に過給空気Ａ１を送り込む。過給機１２は、内燃機関１１から排出される排ガスＥ１の流れにより回転する排気タービンの回転力により空気Ａ１を取り込み、空気Ａ１を圧縮する。圧縮された過給空気Ａ１は、空気ラインＬＡ１を通じて、内燃機関１１に送り込まれる。

インタークーラ１３は、内燃機関１１に送り込まれる過給空気Ａ１を冷却する。インタークーラは、水冷式であってもよいし、空冷式であってもよい。水冷式の場合は、冷却液として海水を用いてもよい。本実施形態においては、過給機１２から供給される過給空気Ａ１は、後述の第１蒸発器４１Ａで冷却された後、インタークーラ１３に供給され、さらに冷却される。

燃料タンク２０は、内燃機関１１に供給する液化燃料ガスを貯留するタンクである。液化燃料ガスは、液体の状態で燃料タンク２０に貯留されている。本実施形態においては、液化燃料ガスとしてＬＮＧが燃料タンク２０に貯留されている。

高圧ポンプ２１は、燃料タンク２０に貯留されているＬＮＧを、液体の状態のまま昇圧し、気化器２２に供給する。

気化器２２は、燃料タンク２０から供給されたＬＮＧを気化する。気化器２２は、ＬＮＧを加熱するためのヒータを備える。気化器２２は、ＬＮＧをヒータにより加熱し、気化させる。なお、ヒータとしては、温水ヒータや蒸気ヒータを用いることができる。気化器２２によって気化したＬＮＧは、燃料ラインＬＦ１を通じて、内燃機関１１に供給される。

ここで、燃料タンク２０内で液体の状態である液化燃料ガスは、外部からの自然入熱により燃料タンク２０内で気化する。これにより、燃料タンク２０内において、ボイルオフガス（boil off gas, ＢＯＧ）が発生する。ＢＯＧが発生すると燃料タンク２０の内部圧力が上昇する。よって、燃料タンク２０を保護するために、ＢＯＧは処理される必要がある。このＢＯＧは、単に焼却処理されるのではなく、船舶で発生したエネルギーとして有効活用されることが好ましい。ＢＯＧは、第１ＢＯＧラインＬＢ１を通じて、圧縮機２５に供給される。

圧縮機２５は、燃料タンク２０から供給されたＢＯＧを圧縮して昇圧する。

発電機２６は、圧縮機２５により圧縮されたＢＯＧを用いて発電を行う。発電機２６は、例えばガス焚きエンジン駆動の発電機であってもよく、供給されたＢＯＧを燃焼して得られた動力を用いて電力を生成する。発電機２６によって生成された電力は、電力を必要とする船内負荷に供給される。

蒸気生成部３０は、排ガスエコノマイザ３１と、ボイラ３２と、を含む。

排ガスエコノマイザ３１は、排ガスを利用して蒸気を発生する蒸気発生器である。排ガスエコノマイザ３１は、内燃機関１１からの排ガスＥ１の熱を回収して蒸気Ｓ１を生成する。より詳細には、排ガスエコノマイザ３１は、排ガスラインＬＥ１を通じて供給された排ガスＥ１と水との間で熱交換を行うことにより、蒸気Ｓ１を生成する。排ガスエコノマイザ３１で熱交換された後の温度が低下した排ガスＥ１が、後述のバイナリ発電機４０の第２蒸発器４１Ｂに供給される。

ボイラ３２は、液化燃料ガスとしてのＬＮＧのＢＯＧを燃料として蒸気Ｓ２を生成する機器であり、例えば船舶用水管ボイラが使用される。燃料タンク２０で発生したＢＯＧは、第２ＢＯＧラインＬＢ２を通じて、ボイラ３２に供給される。

第２ＢＯＧラインＬＢ２は、圧縮機により圧縮されていないＢＯＧがボイラ３２に供給されるフリーフローラインである。すなわち、第２ＢＯＧラインＬＢ２は、ＢＯＧの発生により上昇した燃料タンク２０内の圧力を逃がすためのラインであり、このラインがボイラ３２に繋がっている。ボイラ３２は、第２ＢＯＧラインＬＢ２を通じて供給されたＢＯＧを燃焼し、蒸気Ｓ２を生成する。これにより、船舶において発生するエネルギーとしてのＢＯＧを有効活用することができる。

なお、発電機２６による発電量が十分である状況などにおいては、余剰ＢＯＧがボイラ３２に供給されてもよい。例えば、第１ＢＯＧラインＬＢ１に設けられたバルブ２７により、圧縮機２５により圧縮されたＢＯＧの供給先が制御され、ＢＯＧの全部または一部がボイラ３２に供給されてもよい。これにより、ボイラ３２は、より多くの蒸気Ｓ２を生成することができる。このように、必要な電力量と必要な蒸気量に応じて、船舶において発生するエネルギーとしてのＢＯＧを適切に分配して有効に活用することができる。

スチームヘッダ３３は、蒸気ラインＬＳ１を介して排ガスエコノマイザ３１と連結されている。また、スチームヘッダ３３は、蒸気ラインＬＳ２を介してボイラ３２と連結されている。スチームヘッダ３３内において、排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気Ｓ１と、ボイラ３２で生成された蒸気Ｓ２とが集合する。例えば、蒸気Ｓ１および蒸気Ｓ２がスチームヘッダ３３内で集合し、これらの蒸気の集合蒸気である蒸気Ｓ３が、後述の蒸気エキスパンダ発電機５０等に供給される。

バイナリ発電機４０は、循環する作動媒体Ｒ１を介して熱エネルギーを回収し、作動媒体Ｒ１の膨張を利用して発電を行う発電機である。より詳細には、本実施形態のバイナリ発電機４０は、低沸点の高分子有機作動媒体である作動媒体Ｒ１を、熱源流体により加熱して蒸発させてその蒸気によりタービンを回転させて発電を行う、オーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）方式の発電機である。ＯＲＣにおいては、作動媒体Ｒ１の蒸発と凝縮を繰り返す。

バイナリ発電機４０は、熱源流体を用いて作動媒体Ｒ１を加熱して気化する蒸発器４１と、蒸発器４１により加熱され気化された作動媒体Ｒ１を動力源として動力を生成する膨張器４２と、膨張器４２からの作動媒体Ｒ１を冷却し凝縮する凝縮器４３と、凝縮器４３からの作動媒体Ｒ１を蒸発器４１に送り込む循環ポンプ４４と、蒸発器４１、膨張器４２、凝縮器４３、および循環ポンプ４４を流通する作動媒体Ｒ１が循環する作動媒体ラインＬＲ１と、を備える。ここで、膨張器４２には発電機４５が接続されている。発電機４５は、膨張器４２の回転に伴って電力を生成する。

蒸発器４１は、第１蒸発器４１Ａおよび第２蒸発器４１Ｂを備える。

第１蒸発器４１Ａは、過給機１２からの過給空気Ａ１と作動媒体Ｒ１との間の熱交換により作動媒体Ｒ１を加熱する。過給空気Ａ１は、空気ラインＬＡ１を通じて第１蒸発器４１Ａに供給される。

第２蒸発器４１Ｂは、内燃機関１１からの排ガスＥ１と作動媒体Ｒ１との間の熱交換により作動媒体Ｒ１を加熱する。第２蒸発器４１Ｂは、排ガスエコノマイザ３１で熱交換された後の温度が低下した排ガスＥ１を利用して、作動媒体Ｒ１を加熱する。

膨張器４２は、第１蒸発器４１Ａ、第２蒸発器４１Ｂにより加熱され気化された作動媒体Ｒ１を動力源として動力を生成する。本実施形態の膨張器４２はスクリュ式の膨張器である。加熱され気化された高圧の作動媒体Ｒ１によりスクリュロータが回転し、これに伴って発電機４５が電力を生成する。なお、膨張器４２はスクリュ式に限らない。例えば、スクロール式やタービン式であってもよい。

凝縮器４３は、膨張器４２からの低圧の作動媒体Ｒ１を冷却し凝縮する。凝縮器４３は、冷却液ラインＬＷ１を通じて送られてくる冷却液Ｗ１と、作動媒体Ｒ１との熱交換を行い、作動媒体Ｒ１を冷却する。冷却液Ｗ１としては、例えば海水や船内の冷却水が用いられてもよい。後者の場合、海水によって真水を冷却する不図示の冷却器を用いてもよい。

循環ポンプ４４は、凝縮器４３からの作動媒体Ｒ１を蒸発器４１に送り込む。

なお、作動媒体ラインＬＲ１を循環する作動媒体Ｒ１としては、水よりも沸点が低い高分子有機化合物が用いられる。作動媒体Ｒ１は、例えばＨＦＣ－２４５ｆａ（化学名：１，１，１，３，３－ペンタフルオロプロパン、１気圧における沸点：１５．３℃）等のフロン系媒体であってもよい。また、イソペンタン（１気圧における沸点：２７．８℃）や、ペンタン（１気圧における沸点：３６．１℃）等のノンフロン系媒体用いてもよい。更に、高分子有機化合物に替えて、２５％アンモニア水（１気圧における沸点：３８℃）等の自然媒体を用いてもよい。

本実施形態におけるバイナリ発電機４０のＯＲＣは、例えば、膨張器４２の入口の飽和蒸気圧力を２ＭＰａとし、冷却水Ｗ１として２５～３０℃程度の海水を用いた場合に、凝縮器４３の出口の飽和蒸気圧力が０．２～０．３ＭＰａとなる設計である。作動媒体Ｒ１にＨＦＣ－２４５ｆａを用いた場合、凝縮器４３の出口温度は、概ね３０～４０℃の範囲となる。

なお、作動媒体Ｒ１との間で熱交換を行う熱源流体としての各流体の供給流量は、不図示のバルブ等の流量調整機構を制御することにより調整されてもよい。例えば、蒸発器４１や凝縮器４３の出口に作動媒体Ｒ１の温度や圧力を検出するセンサを設け、センサの検出結果に基づき、熱源流体の流量が調整されてもよい。

次に、本実施形態の発電システム１について説明する。発電システム１は、蒸気生成部３０により生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う蒸気エキスパンダ発電機５０と、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気を熱源流体として発電を行う蒸気バイナリ発電機６０と、を有する。

蒸気エキスパンダ発電機５０は、蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う発電機である。蒸気エキスパンダ発電機５０は、例えばツインスクリュ式の膨張機構を有していてもよい。この場合、蒸気エキスパンダ発電機５０の給気ポートに流入した蒸気の給気圧力と、蒸気エキスパンダ発電機５０の排気ポート側の排気圧力との差圧により、蒸気エキスパンダ発電機５０を構成する不図示のロータケーシング内に配置された一対のスクリュロータが回転する。この回転動力が発電機軸に伝達されて、電力が生成される。

この蒸気エキスパンダ発電機５０は、基本的には蒸気Ｓ３からの熱エネルギーの回収はせずに、蒸気Ｓ３の圧力エネルギーの回収を行って電力を生成する。よって、蒸気エキスパンダ発電機５０から排出される蒸気Ｓ４は、蒸気エキスパンダ発電機５０に流入した蒸気Ｓ３よりも圧力が低下し、低下後の圧力に応じた飽和蒸気温度となっている。蒸気エキスパンダ発電機５０の吸気ポートに流入した蒸気Ｓ３は、減圧された蒸気Ｓ４となって、蒸気エキスパンダ発電機５０の排気ポートから排出され、蒸気バイナリ発電機６０に供給される。このように、蒸気エキスパンダ発電機５０は減圧装置としての機能も有する。

蒸気エキスパンダ発電機５０は、例えば排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気Ｓ１や、ボイラ３２で生成された蒸気Ｓ２を利用して発電を行う。ただし、使用する蒸気はこれに限らない。

蒸気バイナリ発電機６０は、循環する作動媒体Ｒ２を介して熱源流体としての蒸気から熱エネルギーを回収し、作動媒体Ｒ２の膨張に基づき発電を行うバイナリ発電機である。より詳細には、本実施系形態の蒸気バイナリ発電機６０は、低沸点の高分子有機作動媒体である作動媒体Ｒ２を、熱源流体としての蒸気により加熱して気化させて、気化により生じた作動媒体Ｒ２の蒸気によりスクリュロータを回転させて発電を行う、オーガニックランキンサイクル（ＯＲＣ）方式の発電機である。本実施形態の蒸気バイナリ発電機６０は、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の減圧された蒸気Ｓ４を熱源流体として発電を行う。

蒸気バイナリ発電機６０は、蒸気Ｓ４を用いて作動媒体Ｒ２を加熱して気化する蒸発器６１と、蒸発器６１により加熱され気化された作動媒体Ｒ２を動力源として動力を生成する膨張器６２と、膨張器６２からの作動媒体Ｒ２を冷却し凝縮する凝縮器６３と、凝縮器６３からの作動媒体Ｒ２を蒸発器６１に送り込む循環ポンプ６４と、蒸発器６１、膨張器６２、凝縮器６３、および循環ポンプ６４を流通する作動媒体Ｒ２が循環する作動媒体ラインＬＲ２と、を備える。ここで、膨張器６２には発電機６５が接続されている。発電機６５は、膨張器６２の回転に伴って電力を生成する。

蒸発器６１は、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の減圧された蒸気Ｓ４と作動媒体Ｒ２との間の熱交換により作動媒体Ｒ２を加熱する。蒸気Ｓ４は、蒸気ラインＬＳ４を通じて蒸発器６１に供給される。

膨張器６２は、蒸発器６１により加熱され気化された作動媒体Ｒ２を動力源として動力を生成する。本実施形態の膨張器６２はスクリュ式の膨張器である。加熱され気化された高圧の作動媒体Ｒ２によりスクリュロータが回転し、これに伴って発電機６５が電力を生成する。なお、膨張器６２はスクリュ式に限らない。例えば、スクロール式やタービン式であってもよい。

凝縮器６３は、膨張器６２からの低圧の作動媒体Ｒ２を冷却し凝縮する。凝縮器６３は、冷却液ラインＬＷ２を通じて送られてくる冷却液Ｗ２と、作動媒体Ｒ２との熱交換を行い、作動媒体Ｒ２を冷却する。冷却液Ｗ２としては、例えば海水や船内の冷却水が用いられてもよい。本実施形態においては、海水によって冷却液Ｗ２を冷却する冷却器７１が設けられており、この冷却器７１が、凝縮器６３との間で冷却液Ｗ２を循環させている。

循環ポンプ６４は、凝縮器６３からの作動媒体Ｒ２を蒸発器６１に送り込む。

なお、作動媒体ラインＬＲ２を循環する作動媒体Ｒ２としては、水よりも沸点が低い高分子有機作動媒体が用いられる。作動媒体Ｒ２は、例えばＨＦＣ－２４５ｆａ等のフロン系媒体であってもよい。ただし、作動媒体Ｒ２はこれに限らない。例えば、イソペンタン、ペンタン、または２５％アンモニア水であってもよい。

なお、作動媒体Ｒ２との間で熱交換を行う蒸気Ｓ４および冷却液Ｗ２の供給流量は、不図示のバルブ等の流量調整機構を制御することにより調整されてもよい。例えば、蒸発器６１や凝縮器６３の出口に作動媒体Ｒ２の温度や圧力を検出するセンサを設け、センサの検出結果に基づき、これらの流体の流量が調整されてもよい。

蒸気エキスパンダ発電機５０および蒸気バイナリ発電機６０には、スチームヘッダ３３を介して、蒸気生成部３０により生成された蒸気が供給される。

ここで、蒸気エキスパンダ発電機５０は、動力を得るための蒸気として、排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気Ｓ１を用いてもよいし、ボイラ３２で生成された蒸気Ｓ２を用いてもよい。また、本実施形態に示されるように、蒸気Ｓ１および蒸気Ｓ２を含む蒸気Ｓ３が用いられてもよい。

なお、蒸気エキスパンダ発電機５０で用いられる蒸気はこれに限らず、船舶で生成された蒸気であればよい。例えば、蒸気エキスパンダ発電機５０で用いられる蒸気は、不図示の補助ボイラにより生成された蒸気であってもよい。補助ボイラの燃料は、ガス燃料であってもよいし、油燃料であってもよい。

なお、排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気Ｓ１やボイラ３２で生成された蒸気Ｓ２は、一部が蒸気ラインＬＳ３Ｃを通じて蒸気エキスパンダ発電機５０に供給され、一部が蒸気ラインＬＳ３Ｂを通じて船舶における蒸気の需要先Ｄ（燃料油や潤滑油の加温、空調加温等）に供給されてもよい。各供給先への蒸気の供給量は、供給量調整手段としてのバルブ３６、バルブ３５等により調整される。

なお、蒸気ラインは、蒸気エキスパンダ発電機５０を介さずに蒸気バイナリ発電機６０に蒸気を供給するための蒸気ラインＬＳ３Ｄを備えていてもよい。この場合は、蒸気ラインＬＳ３Ｄには、減圧弁３７が設けられている。

本実施形態の発電システム１は、各種の制御を行うための制御部１００を備える。制御部１００は、船舶において発生するエネルギーを有効活用できるよう、本実施形態の発電システム１や、内燃機関１１等を制御する。制御部１００は、例えば、各部に取り付けられているセンサの検出結果に基づき、各ラインに設けられているバルブ等を制御してもよい。

次に、各ラインを流通する各流体の流れを説明する。

まず、液化燃料ガスとしてのＬＮＧの流れについて説明する。燃料ラインＬＦ１を流通するＬＮＧは、燃料タンク２０から供給され、高圧ポンプ２１、気化器２２、内燃機関１１の順に流れる。燃料ラインＬＦ１は、燃料タンク２０、高圧ポンプ２１、気化器２２および内燃機関１１を繋ぐラインである。

燃料タンク２０に貯留されているＬＮＧは、高圧ポンプ２１によって昇圧され、気化器２２に供給される。気化器２２によって気化したＬＮＧは、内燃機関１１に供給される。

次に、空気Ａ１の流れについて説明する。空気ラインＬＡ１を流通する空気Ａ１は、過給機１２によって圧縮され、第１蒸発器４１Ａ、インタークーラ１３、内燃機関１１の順に流れる。空気ラインＬＡ１は、過給機１２、第１蒸発器４１Ａ、インタークーラ１３、および内燃機関１１を繋ぐラインである。

過給機１２に取り込まれた空気Ａ１は圧縮され、過給空気Ａ１として第１蒸発器４１Ａに供給される。圧縮され高温となった過給空気Ａ１は、第１蒸発器４１Ａにおいて作動媒体Ｒ１との間で熱交換を行い、作動媒体Ｒ１を加熱する。熱交換を行うことにより温度が低下した過給空気Ａ１は、インタークーラ１３において、さらに所定の温度まで冷却され、内燃機関１１に送り込まれる。

なお、第１蒸発器４１Ａに流入する過給空気Ａ１の温度は、例えば５０℃以上２５０℃以下であってもよく、内燃機関１１に送り込まれる過給空気Ａ１の温度は、例えば４０℃以上５０℃以下であってもよい。第１蒸発器４１Ａに流入する過給空気Ａ１の温度は、例えば１５０℃程度であってもよい。

なお、過給空気Ａ１が高温のまま内燃機関１１に供給されると、内燃機関１１の熱負荷が増大する。また、充填空気量が減少し、出力も減少する。よって、過給空気Ａ１は冷却される必要がある。本実施形態においては、過給機１２によって圧縮された過給空気Ａ１の圧縮熱を、すぐにインタークーラ１３で廃熱することはせずに、まずは第１蒸発器４１Ａの熱源流体として用いている。このように、過給空気Ａ１の圧縮熱を第１蒸発器４１Ａにより排熱回収することにより、船舶で発生したエネルギーを有効利用することができる。

次に、排ガスＥ１の流れについて説明する。排ガスラインＬＥ１を流通する排ガスＥ１は、内燃機関１１から排出され、過給機１２の駆動源である排気タービン、排ガスエコノマイザ３１、第２蒸発器４１Ｂの順に流れる。排ガスラインＬＥ１は、内燃機関１１、過給機１２、排ガスエコノマイザ３１、および第２蒸発器４１Ｂを繋ぐラインである。

内燃機関１１から排出された排ガスＥ１は、過給機１２において排気タービンを駆動する。排ガスＥ１は、排気タービンの駆動力として用いられることにより排気圧力が回収された状態で、排ガスエコノマイザ３１に供給される。排ガスＥ１は、排ガスエコノマイザ３１において水との間で熱交換を行い、蒸気Ｓ１を生成する。排ガスエコノマイザ３１で熱交換を行うことにより温度が低下した排ガスＥ１は、第２蒸発器４１Ｂに供給される。排ガスＥ１は、作動媒体Ｒ１との間で熱交換を行い、作動媒体Ｒ１を加熱する。第２蒸発器４１Ｂで熱交換を行うことによりさらに温度が低下した排ガスＥ１は、第２蒸発器４１Ｂから排出される。

なお、排ガスエコノマイザ３１に流入する排ガスＥ１の温度は、例えば１８０℃以上４００℃以下であってもよく、第２蒸発器４１Ｂに流入する排ガスＥ１の温度は、例えば１５０℃以上３００℃以下であってもよい。第２蒸発器４１Ｂに流入する排ガスＥ１の温度は、例えば１７０℃程度であってもよい。

内燃機関１１を稼働させると排ガスＥ１が発生する。本実施形態に示されるように、排ガスＥ１の排気圧力を過給機１２の駆動で回収しつつ、排ガスＥ１の排熱を排ガスエコノマイザ３１で一次回収し、さらに第２蒸発器４１Ｂで二次回収することにより、船舶において発生するエネルギーを効率的に有効活用することができる。

次に、ＢＯＧの流れについて説明する。第１ＢＯＧラインＬＢ１を流通するＢＯＧは、燃料タンク２０から排出され、圧縮機２５を介して、発電機２６およびボイラ３２に供給される。第２ＢＯＧラインＬＢ２を流通するＢＯＧは、燃料タンク２０からボイラ３２に直接供給される。第１ＢＯＧラインＬＢ１は、燃料タンク２０と圧縮機２５を繋ぎ、そこから分岐して発電機２６およびボイラ３２に繋がるラインである。第２ＢＯＧラインＬＢ２は、燃料タンク２０とボイラ３２とを直接繋ぐラインである。

第１ＢＯＧラインＬＢ１を流れるＢＯＧは、圧縮機２５により、発電機２６が要求する圧力になるまで加圧され、発電機２６に供給される。ＢＯＧは、発電機２６において燃焼され、これにより電力が生成される。

第１ＢＯＧラインＬＢ１を流れるＢＯＧは、バルブ２７が制御されることにより、ボイラ３２にも供給される。また、燃料タンク２０で発生したＢＯＧは、第２ＢＯＧラインＬＢ２を通じて、ボイラ３２に供給される。ＢＯＧは、ボイラにおいて燃焼され、これにより蒸気Ｓ２が生成される。

次に、蒸気Ｓ１、蒸気Ｓ２、蒸気Ｓ３、蒸気Ｓ４の流れについて説明する。

排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気Ｓ１は、蒸気ラインＬＳ１を通じてスチームヘッダ３３に供給される。ボイラ３２で生成された蒸気Ｓ２は、蒸気ラインＬＳ２を通じてスチームヘッダ３３に供給される。スチームヘッダに集合した蒸気Ｓ１および蒸気Ｓ２は、蒸気Ｓ３として、蒸気ラインＬＳ３Ｃを通じて蒸気エキスパンダ発電機５０に供給される。また、蒸気Ｓ３は、蒸気ラインＬＳ３Ｂを通じて船舶における蒸気の需要先Ｄに供給される。各供給先への蒸気Ｓ３の供給量は、供給量調整手段としてのバルブ３６、バルブ３５等により調整される。

蒸気Ｓ３は、蒸気エキスパンダ発電機５０で圧力が回収され、減圧された蒸気Ｓ４として、蒸気ラインＬＳ４を通じて蒸気バイナリ発電機６０に供給される。

なお、蒸気エキスパンダ発電機５０による発電が不要である場合などにおいて、蒸気Ｓ３は、蒸気ラインＬＳ３Ｄを通じて、蒸気バイナリ発電機６０に供給されてもよい。この場合は、蒸気Ｓ３は減圧弁３７により減圧されて、減圧された蒸気Ｓ４として、蒸気バイナリ発電機６０に供給される。

なお、蒸気バイナリ発電機６０の蒸発器６１に流入する蒸気Ｓ４の圧力Ｐ４は、蒸気エキスパンダ発電機５０に流入する蒸気Ｓ３の圧力Ｐ３より低い。例えば、圧力Ｐ３は０．４ＭＰａ以上０．９５ＭＰａ以下であり、圧力Ｐ４は０．１ＭＰａ以上０．３５ＭＰａ以下である。なお、蒸気バイナリ発電機６０の蒸発器６１に流入する蒸気Ｓ４の温度Ｔ４は、蒸気エキスパンダ発電機５０に流入する蒸気Ｓ３の温度Ｔ３より低い。例えば、温度Ｔ３は１５２℃以上１８２℃以下であり、温度Ｔ４は１００℃以上１４８℃以下である。ただし、蒸気バイナリ発電機６０を通過することによる蒸気の温度の低下は限定的であり、この蒸気の熱エネルギーは、蒸気バイナリ発電機６０で十分活用することができる。

次に、バイナリ発電機４０の作動媒体Ｒ１の流れについて説明する。作動媒体Ｒ１は、蒸発器４１と、膨張器４２と、凝縮器４３と、循環ポンプ４４と、を繋ぐ作動媒体ラインＬＲ１を循環する。

作動媒体Ｒ１は、蒸発器４１において加熱されて気化する。気化した高圧の作動媒体Ｒ１は、膨張器４２のスクリュロータを回転させて発電機４５を駆動する。膨張器４２のタービンを通過した低圧の作動媒体Ｒ１は、凝縮器４３で冷却されて凝縮する。凝縮された作動媒体Ｒ１は、循環ポンプ４４によって蒸発器４１に再度送り込まれる。このように、作動媒体Ｒ１は、作動媒体ラインＬＲ１を循環しながら蒸発と凝縮を繰り返す。

本実施形態においては、上述のとおり、蒸発器４１は、第１蒸発器４１Ａと、第２蒸発器４１Ｂと、を有する。よって、作動媒体Ｒ１は、第１蒸発器４１Ａ、第２蒸発器４１Ｂの順に流れる。作動媒体Ｒ１は、第１蒸発器４１Ａにおいて、過給空気Ａ１との間で熱交換が行われ、その温度が上昇する。作動媒体Ｒ１は、第２蒸発器４１Ｂにおいて、排ガスＥ１との間で熱交換が行われ、その温度がさらに上昇する。このように、複数の蒸発器を備えることにより、船舶で発生する複数の異なる熱源流体をエネルギーとして有効利用し、作動媒体Ｒ１を段階的に加熱することができる。

なお、第２蒸発器４１Ｂから流出する作動媒体Ｒ１の温度は、例えば１２０℃程度であってもよく、凝縮器４３から流出する作動媒体Ｒ１の温度は、例えば４０℃程度であってもよい。

次に、蒸気バイナリ発電機６０の作動媒体Ｒ２の流れについて説明する。作動媒体Ｒ２は、蒸発器６１と、膨張器６２と、凝縮器６３と、循環ポンプ６４と、を繋ぐ作動媒体ラインＬＲ２を循環する。

作動媒体Ｒ２は、蒸発器６１において蒸気Ｓ４により加熱されて気化する。気化した高圧の作動媒体Ｒ２は、膨張器６２のスクリュロータを駆動して電力を生成する。膨張器６２のスクリュロータを通過した低圧の作動媒体Ｒ２は、凝縮器６３で冷却されて凝縮する。凝縮された作動媒体Ｒ２は、循環ポンプ６４によって蒸発器６１に再度送り込まれる。このように、作動媒体Ｒ２は、作動媒体ラインＬＲ２を循環しながら蒸発と凝縮を繰り返す。

＜変形例＞
需要先Ｄで利用後の蒸気Ｓ３には、未利用の熱エネルギーが残存していることが多いことから、この熱エネルギーを有効活用することが望ましい。具体的には、需要先Ｄで利用後の蒸気Ｓ３を集合させて、バイナリ発電機（バイナリ発電機４０または蒸気バイナリ発電機６０）の熱源流体として再利用する。バイナリ発電機４０で蒸気Ｓ３を再利用する場合、作動媒体Ｒ１が循環するＯＲＣに第３蒸発器を追加する。第３蒸発器は、例えば第２蒸発器４１Ｂと膨張器４２の間に接続される。また、蒸気バイナリ発電機６０で蒸気Ｓ３を再利用する場合、第２作動媒体が循環するＯＲＣに第２蒸発器を追加する。第２蒸発器は、例えば蒸発器６１と膨張器６２の間に接続される。熱源流体として利用後の蒸気Ｓ３は、復水器にて海水で冷却することにより、凝縮ドレンとして回収する。この凝縮ドレンは、排ガスエコノマイザ３１やボイラ３２の給水として再利用することができる。

以上説明した本実施形態の船舶用発電システム１によれば、以下のような効果が奏される。

（１）本実施形態の船舶用発電システム１は、蒸気生成部３０を備える船舶に用いられる船舶用発電システム１であって、蒸気生成部３０により生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う蒸気エキスパンダ発電機５０と、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気を熱源流体として発電を行う蒸気バイナリ発電機６０と、を備える。これにより、船舶において発生するエネルギーを有効活用することが可能な船舶用発電システム１を提供することができる。

このように、蒸気エキスパンダ発電機５０と蒸気バイナリ発電機６０を用いた蒸気カスケード方式の発電を行うことにより、船舶において発生する蒸気を有効活用することができる。蒸気バイナリ発電機６０において、作動媒体Ｒ２との間で熱交換を行う蒸気は、低い圧力の蒸気でもよい。一方、蒸気エキスパンダ発電機５０で用いられる蒸気は、中圧以上の圧力であることが求められる。よって、蒸気エキスパンダ発電機５０が、船舶において生成された中圧以上の圧力の蒸気を用いて発電を行い、その後、蒸気バイナリ発電機６０が、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用された後の減圧された蒸気を用いて発電を行うことにより、船舶において生成された蒸気を有効活用し、効率的な発電を行うことができる。

（２）本実施形態の蒸気バイナリ発電機６０は、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気Ｓ４と作動媒体Ｒ２との間の熱交換により作動媒体Ｒ２を加熱する蒸発器６１を有する。これにより、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用された後の蒸気Ｓ４と、蒸気バイナリ発電機６０を循環する作動媒体Ｒ２との間の熱交換が適切に行われる。

（３）本実施形態の蒸気生成部３０は、液化燃料ガスのボイルオフガスを燃料として蒸気Ｓ２を生成するボイラ３２を含み、蒸気エキスパンダ発電機５０は、ボイラ３２で生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、蒸気バイナリ発電機６０は、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気Ｓ４を熱源流体として発電を行う。このように、内燃機関１１で用いられる液化燃料ガスのボイルオフガスを燃料とするボイラ３２により生成された蒸気Ｓ２を用いて、蒸気エキスパンダ発電機５０による発電および蒸気バイナリ発電機６０による発電が行われるため、船舶において発生するエネルギーがより有効に活用される。

（４）本実施形態の蒸気生成部３０は、船舶の内燃機関１１からの排ガスＥ１を用いて蒸気Ｓ１を生成する排ガスエコノマイザ３１を含み、蒸気エキスパンダ発電機５０は、排ガスエコノマイザ３１で生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、蒸気バイナリ発電機６０は、蒸気エキスパンダ発電機５０で使用後の蒸気Ｓ４を熱源流体として発電を行う。このように内燃機関１１からの排ガスＥ１を利用する排ガスエコノマイザ３１により生成された蒸気Ｓ１を用いて、蒸気エキスパンダ発電機５０による発電および蒸気バイナリ発電機６０による発電が行われるため、船舶において発生するエネルギーがより有効に活用される。

以上、本発明の船舶用発電システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

Ｓ 船舶
１ 船舶用発電システム
１１ 内燃機関（主機）
１２ 過給機
１３ インタークーラ
２０ 燃料タンク
３０ 蒸気生成部
３１ 排ガスエコノマイザ
３２ ボイラ
４０ バイナリ発電機
５０ 蒸気エキスパンダ発電機
６０ 蒸気バイナリ発電機
６１ 蒸発器
６２ 膨張器
６３ 凝縮器
６４ 循環ポンプ
６５ 発電機
Ｒ１、Ｒ２ 冷媒
Ａ１ 空気、過給空気（圧縮空気）
Ｅ１ 排ガス
ＬＮＧ 液化天然ガス
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 蒸気

Claims (4)

1. 蒸気生成部を備える船舶に用いられる船舶用発電システムであって、
   前記蒸気生成部により生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行う蒸気エキスパンダ発電機と、
   前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気を熱源流体として発電を行う蒸気バイナリ発電機と、を備える、船舶用発電システム。
2. 前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気と作動媒体との間の熱交換により作動媒体を加熱する蒸発器を有する、請求項１に記載の船舶用発電システム。
3. 前記蒸気生成部は、液化燃料ガスのボイルオフガスを燃料として蒸気を生成するボイラを含み、
   前記蒸気エキスパンダ発電機は、前記ボイラで生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、
   前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気を熱源流体として発電を行う、請求項１または請求項２に記載の船舶用発電システム。
4. 前記蒸気生成部は、船舶の内燃機関からの排ガスを用いて蒸気を生成する排ガスエコノマイザを含み、
   前記蒸気エキスパンダ発電機は、前記排ガスエコノマイザで生成された蒸気の膨張を回転力に変換して発電を行い、
   前記蒸気バイナリ発電機は、前記蒸気エキスパンダ発電機で使用後の蒸気を熱源流体として発電を行う、請求項１または請求項２に記載の船舶用発電システム。

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