JP4335068B2

JP4335068B2 - 排熱回収装置

Info

Publication number: JP4335068B2
Application number: JP2004141264A
Authority: JP
Inventors: 泰右小野
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005320938A

Description

本発明は、エンジン等の内燃機関の排熱を回収し、発電等に利用する排熱回収装置に関する。

近年、ディーゼルエンジンやガスエンジン等の内燃機関が排出する排気の熱を利用して温水もしくは蒸気を生成し、熱エネルギーとして利用することでエネルギー効率や経済性、環境保全性等を向上させるコージェネレーションシステムが普及している。

このようなコージェネレーションシステムの一つとして、例えば、特許文献１には、エンジンと、エンジンの出力で駆動される主発電機と、エンジンの排気が供給されるタービンを有した過給機と、タービンを経た排気が供給され且つこの排気との熱交換により蒸気を生成するボイラと、を備えた発電設備が開示されている。

この技術では、ボイラにより生成した蒸気を利用して蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンの出力によって副発電機を駆動したり、蒸気を給湯器等の熱媒利用機器に供給することによって、エンジンの排熱を有効に利用している。

特開平１０−８９０１７号公報

上記特許文献１の技術では、エンジンの排熱により生成した蒸気を副発電機の発電に利用することによって、主発電機の発電量を補うことが可能であり、それなりに有用であるが、蒸気タービンや副発電機を備えることによって、装置全体の大型化、複雑化を避けることができず、設備導入時の初期コストも非常に大きくなるという問題があった。また、ボイラによる蒸気の生成は、過給機を経た後の比較的温度の低い排気で行うため、高温の蒸気を生成することができず、蒸気タービンの回収効率もさほど良くなかった。

一方、システムの熱効率を考慮した場合、ボイラで生成した蒸気は、蒸気タービンの駆動に利用するよりも、給湯や冷暖房等のための熱エネルギーとして利用する方が好ましい。

しかし、この場合、熱エネルギーの需要が少ないときに、余剰の蒸気を生じてしまうという問題がある。これは、ボイラにより生成される蒸気は、実際の熱エネルギーの需要と関係なく、主発電機の発電負荷に応じて発生するためである。このような余剰蒸気は、廃棄せざるを得ないため、エネルギーの回収効率を悪化させる原因となっていた。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、内燃機関の排熱を利用して生成した蒸気を無駄にすることなく利用して、内燃機関の出力を高め、主発電機による発電量を増大したり、内燃機関の給排気効率を高めたりすることができる、排熱回収装置及び排熱回収方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、内燃機関と、内燃機関の出力で駆動される主発電機と、内燃機関の排気が排気通路を介して供給されるタービンを有した過給機と、タービンを経た排気が供給され且つこの排気により蒸気を生成する熱交換器と、を備えている排熱回収装置において、熱交換器で生成した蒸気を流通させる蒸気通路を備え、この蒸気通路を、過給機よりも上流側で内燃機関の排気通路に接続し、第２タービンと、第２タービンの出力で駆動される第２発電機とを備え、過給機よりも上流側且つ蒸気通路の接続位置よりも下流側で内燃機関の排気通路を分岐するとともに、分岐した排気通路の一方から過給機のタービンに混合気を供給し、他方から第２タービンに混合気を供給し、他方の排気通路に、第２タービンへの混合気の供給量を調整する調量弁を設けていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、熱交換器への給水を、内燃機関冷却後の冷却水と熱交換することで加熱することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の排熱回収装置において、内燃機関の排気を燃焼する燃焼装置を、過給機よりも上流側で内燃機関の排気通路に備えていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、蒸気と排気との混合によりガスの流量を増大することで、過給機のタービンと、第２発電機用の第２タービンとの双方に混合気を供給することができ、第２タービンの出力で第２発電機を駆動することで、発電量を増大させることができる。また、調量弁を調整することで、混合気の量に応じて、過給機の性能を落とすことなく余剰の混合気だけを第２タービンに供給することができる。

請求項２記載の発明によれば、熱交換器への給水を、内燃機関冷却後の冷却水と熱交換することで加熱することにより、好適にエンジン冷却水の排熱を回収でき、エネルギー効率を向上することができる。

請求項３記載の発明によれば、燃焼装置により排気を高温化することで、過給機を効率よく運転でき、排気を再燃焼させることで、排気に含まれる有害成分等を燃焼除去することができる。

〔参考例１〕
図１は、排熱回収装置１の参考例１の概略を示す全体構成図である。排熱回収装置１は、内燃機関２と、内燃機関２の出力により駆動される主発電機３と、内燃機関２に圧縮空気を供給する過給機４と、内燃機関２の排気を利用して蒸気を発生させる熱交換器５等を有している。

内燃機関２として、本実施形態では、ディーゼルエンジンやガスエンジン等のレシプロエンジンが用いられている。主発電機３は、エンジン２の出力軸６に接続されている。

過給機４は、タービン７と圧縮機８とを有し、両者７，８は軸９を介して連動連結されている。タービン７は、エンジン２の排気通路１０に配置され、エンジン２の排気により回転し、圧縮機８を駆動する。圧縮機８は、吸気通路１１から空気を吸引して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、冷却機１２にて冷却され、エンジン２の燃焼室に供給される。

本実施形態の過給機４は、タービン７に供給される排気の流量に応じて、排気の入り口通路面積を変化させることができる、可変容量型のものが用いられている。

熱交換器５は、排熱回収ボイラにより構成されており、過給機４よりも下流側で、エンジン２の排気通路１０に配置されている。したがって、この熱交換器５には、タービン７を経た排気が供給される。熱交換器５を経た排気は、排気通路１０を介して外部（大気）に放出されるようにしてもよいし、他の排気タービン等の装置に供給されるようにしてもよい。

熱交換器５は、給水通路１４を介して供給された水とエンジン２の排気との熱交換によって蒸気を生成する。熱交換器５には第１蒸気通路１６と第２蒸気通路１５とが接続され、第２蒸気通路１５を流れる蒸気は、給湯装置、冷暖房装置等の熱媒利用機器１７に送られ、熱エネルギーとして利用されるようになっている。

なお、熱媒利用機器１７に代えて、又は加えて、蒸気によって駆動される蒸気タービンを設け、この蒸気タービンにより他の発電機や機械等を駆動することも可能である。しかし、熱媒利用機器１７によって蒸気を熱エネルギーとしてそのまま利用するほうが、熱効率の観点から好適である。

第１蒸気通路１６の下流側端部は、過給機４より上流側で、エンジン２の排気通路１０に接続されている。したがって、熱交換器５で生成された蒸気は、第１蒸気通路１６を介して排気通路１０に流入され、エンジン２の排気と混合される。

第１蒸気通路１６、第２蒸気通路１５には、それぞれ蒸気の流量を調整する第１調量弁１９、第２調量弁１８が設けられている。

エンジン２の清水クーラー２２には、第２給水通路２０から冷却機１２を経た冷却水が供給され、該冷却水は、清水クーラー２２を通過することにより熱交換がされて温水となった後に、排水通路２３を介して排出される。排出された温水は、給湯装置３４等に供給され、熱エネルギーとして利用されるようになっている。

また、排水通路２３は、熱交換器５への給水通路１４として途中で分岐され、熱交換器５には温水が供給されるようになっている。

給水通路１４には、第３の調量弁２５が設けられ、排水通路２３の分岐部分よりも下流側には第４の調量弁２４が設けられており、この第３、第４調量弁２５，２４によって熱交換器５や給湯装置３４等に供給される温水の量が調整されるようになっている。

以上の構成を具備した本実施形態の排熱回収装置の動作の流れを説明すると、以下のようになる。まず、エンジン２を運転すると、出力軸６を介して主発電機３が駆動され、発電が行われる。エンジン２の排気は、排気通路１０を流れて過給機４のタービン７を経た後に熱交換器５に供給される。

一方、第２給水通路２０から冷却機１２、清水クーラー２２を経た温水は、排水通路２３から給湯装置３４に供給されるとともに、排水通路２３から分岐した給水通路１４を通って熱交換器５に供給され、熱交換器５において排気と温水との熱交換により蒸気が生成される。

このように、エンジン２の冷却した後の温水を利用することで、蒸気を生成するための熱エネルギーが少なく済み、より多くの蒸気をすぐに生成することができるようになっている。

熱交換器５にて生成された蒸気は、第２蒸気通路１５から熱媒利用機器１７に供給され、また、第１蒸気通路１６から排気通路１０に流入される。

したがって、排気通路１０に流入された蒸気は排気と混合され、この混合気がタービン７に供給されることによって、タービン７が回転し、圧縮機４が駆動される。圧縮機４の駆動により生成された圧縮空気が冷却機１２を経た後にエンジン２の燃焼室に供給される。

このように、過給機４のタービン７に対して排気と蒸気との混合気を供給することにより、排気だけを供給する場合に比べてタービン７へのガス流量が増加し、タービン仕事が増大する。これにより、エンジン２に対する過給圧も増大し、エンジン２の出力が高められ、主発電機３の発電量が増大するようになっている。

第１蒸気通路１６、第２蒸気通路１５には、それぞれ第１調量弁１９、第２調量弁１８が設けられているため、第２調量弁１８により熱媒利用機器１７の熱需要に応じて蒸気の供給量を調整することができ、第１調量弁１９により、電力需要相当のエンジン負荷に応じて排気通路１０への流入量を調整することができるようになっている。

したがって、熱媒利用機器１７での熱需要が少ない場合は、生成した蒸気のほとんどを第１蒸気通路１６を介して排気に混合することで、エンジン２の出力向上や燃料消費率の改善を図ることができ、逆に、熱需要が多い場合は、生成した蒸気のほとんどを第２蒸気通路１５を介して熱媒利用機器１７に供給することができる。これにより、蒸気を無駄にすることなく利用でき、エネルギー効率を向上することができる。

なお、第１調量弁１９と第２調量弁１８とは、一方の流量を多くしたときに他方の流量を少なくするように連動させてもよい。

また、過給機４として、可変容量型過給機を用いているため、混合気の流量に応じてタービン７への入り口通路面積を変化させて、適切な過給機４の性能を得ることができ、エンジン２の性能を維持することが可能となっている。

つまり、熱需要が多く、生成した蒸気のほとんどを熱媒利用機器１７に使用する場合は、過給機４のタービン７に流入する混合気の流量が少なくなるので、タービン７に流入する通路面積を小さくすることで、少ない流量でも過給圧、過給空気流量とも適切な性能を得ることができ、逆に、熱需要が少ない場合には、タービン７に流入する混合気の流量が多くなるので、タービン７の通路面積を大きくすることで適切な過給機４の性能を得ることができるのである。

ところで、以上の説明では、過給機４のタービン７に排気と蒸気の混合気を供給することによってエンジン２の出力を高めた場合を説明したが、エンジン２の出力を高めずに従来（タービン７に排気のみ供給する場合）と同様に設定することもできる。

この場合、タービン７へのガス流量が増える分だけ、所定の圧力比を維持しつつタービン７の膨張比を従来よりも小さく設計できるようになり、エンジン２の給排気仕事を増大させて燃料消費率を改善させることができるようになる。

〔第１の実施形態〕
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る排熱回収装置１の概略を示す全体構成図である。本実施形態では、エンジン２の出力にて駆動される主発電機３に加えて補助発電機（第２発電機）２６を備えている。この第２発電機２６はターボ発電機であり、第２タービン２７に駆動軸２８を介して連動連結されている。

エンジン２の排気通路１０は、過給機４の上流側で２つに分岐されており、分岐した排気通路（第２排気通路）２９に第２タービン２７が配置されている。したがって、エンジン２の排気と蒸気との混合気は、過給機４のタービン７と第２タービン２７との双方に供給され、各タービン７、２７が同時に駆動される。第２発電機２６は、第２タービン２７の出力によって駆動される。第２排気通路２９は、第２タービン２７を経たあと、過給機４側の排気通路１０に合流されている。

第２排気通路２９には、第５調量弁３３が設けられており、この第５調量弁３３により第２タービン２７への混合気の供給量を調整することができる。したがって、熱交換器５により生成される蒸気が多く、蒸気と排気との混合気の量が過給機４で必要とする量を超えた場合には、その超えた分だけを第５調量弁３３を介して第２タービン２７に供給することができる。これにより、エンジン２の性能を維持したまま、第２発電機２６により発電量を増大することが可能となっている。

また、本実施形態では、第１実施形態の排熱回収装置１（図１）に対して、第２タービン２７及び第２発電機２６を付加的に設け、排気通路１０に対して第２排気通路２９を接続するだけで構成することが可能となっている。

〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施の形態に係る排熱回収装置１の概略を示す全体構成図である。本実施形態は、エンジン２の排気を燃焼する燃焼装置３０を、過給機４の上流側で、エンジン２の排気通路１０に設けたものであり、その他の構成は、第２の実施形態と同様である。

本実施形態の場合、燃焼装置３０に燃料を投入し、排気通路１０を流れる排気を燃焼装置３０によって燃焼させることで、排気の熱エネルギーを増大することができる。また、主発電機３における電力需要相当のエンジン負荷に応じたエンジン２の排気の熱エネルギー以上に、熱媒利用機器１７における熱需要が必要な場合等には、燃焼装置３０に対する燃料を調整することによって、電力需要と熱需要との要求バランスに柔軟に対応することができる。また、燃焼装置３０により排気を高温化することで、過給機４を効率よく運転できる。

燃焼装置３０によってエンジン２の排気を再燃焼させることで、排気中に含まれる粒子状物質やＣＯ、ＨＣなどの未燃成分も燃焼除去でき、さらに、燃料過剰な燃焼を行わせることで、その還元雰囲気場においてＮＯｘの還元除去が可能となる。燃料過剰燃焼と空気過剰燃焼で構成される２段燃焼を採用した場合には、より効果的にＮＯｘ、粒子状物質、ＣＯ、ＨＣを除去できるようになる。

〔参考例２〕
図４は、排熱回収装置１の参考例２の概略を示す全体構成図である。過給機４のタービン７に駆動軸３１を介して補助発電機（第３発電機）３２を連動連結し、過給機４のタービン７の出力で第３発電機３２を駆動するようになっている。その他の構成は、第１の実施形態で示した排熱回収装置１と同様である。

過給機４のタービン７には、排気と蒸気との混合気が供給されるため、排気のみが供給される場合に比べて、タービン仕事が増大する。したがって、このタービン７の余剰動力を用いて第３発電機３２を駆動し、発電量を増加させることができるようになっている。

本発明は、上記各実施形態に限ることなく適宜設計変更可能である。例えば、上記各実施形態では、熱交換器５によって生成した蒸気が、過給機４と熱媒利用機器１７とに供給されるようになっているが、熱媒利用機器１７を省略して、過給機４のみに蒸気が供給されるようにしてもよい。

本発明は、工場、ビル、家屋等において、エンジンの排熱エネルギーを回収しつつ効率よく発電等を行う排熱回収装置として、有効に利用できる。

排熱回収装置の参考例１の概略を示す全体構成図である。本発明の第１実施形態に係る排熱回収装置１の概略を示す全体構成図である。本発明の第２実施形態に係る排熱回収装置１の概略を示す全体構成図である。排熱回収装置の参考例２の概略を示す全体構成図である。

符号の説明

１排熱回収装置
２内燃機関
３主発電機
４過給機
５熱交換器
７タービン
１０排気通路
１６第２蒸気通路
２６第２発電機
２７第２タービン
２９第２排気通路
３０燃焼装置
３２第３発電機

Claims

内燃機関(2)と、内燃機関(2)の出力で駆動される主発電機(3)と、内燃機関(2)の排気が排気通路(10)を介して供給されるタービン(7)を有した過給機(4)と、タービン(7)を経た排気が供給され且つこの排気により蒸気を生成する熱交換器(5)と、を備えている排熱回収装置において、
熱交換器(5)で生成した蒸気を流通させる蒸気通路(16)を備え、この蒸気通路(16)を、過給機(4)よりも上流側で内燃機関(2)の排気通路(10)に接続し、
第２タービン(27)と、第２タービン(27)の出力で駆動される第２発電機(26)とを備え、過給機(4)よりも上流側且つ蒸気通路(16)の接続位置よりも下流側で内燃機関(2)の排気通路(10)を分岐するとともに、分岐した排気通路(10)の一方から過給機(4)のタービン(7)に混合気を供給し、他方から第２タービン(27)に混合気を供給し、
他方の排気通路(29)に、第２タービン(27)への混合気の供給量を調整する調量弁(33)を設けていることを特徴とする排熱回収装置。
請求項１に記載の排熱回収装置において、
熱交換器(5)への給水を、内燃機関冷却後の冷却水と熱交換することで加熱することを特徴とする排熱回収装置。
請求項１又は２に記載の排熱回収装置において、
内燃機関(2)の排気を燃焼する燃焼装置(30)を、過給機(4)よりも上流側で内燃機関(2)の排気通路(10)に備えている排熱回収装置。