JP2023093168A - 船舶用発電システム - Google Patents
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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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021208636A JP2023093168A (ja) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 船舶用発電システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021208636A JP2023093168A (ja) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 船舶用発電システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023093168A true JP2023093168A (ja) | 2023-07-04 |
Family
ID=87000979
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021208636A Pending JP2023093168A (ja) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | 船舶用発電システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023093168A (ja) |
-
2021
- 2021-12-22 JP JP2021208636A patent/JP2023093168A/ja active Pending
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