(57)【要約】【課題】  コストが安価で、熱回収効率の高い排熱回収システムを提供すること。【解決手段】  内燃機関２からの排気ガスの熱を利用して水蒸気ボイラ２６で発生させた水蒸気によって水蒸気タービン８を駆動する水蒸気タービン系１０と、水蒸気ボイラ２６を通った後の排気ガスの熱を利用して第１蒸気発生器４０で発生させた循環媒体の蒸気及び内燃機関２を冷却したジャケット水の熱を利用して第２蒸気発生器４２で発生させた循環媒体の蒸気によって蒸気タービン１２を駆動する蒸気タービン系１４と、水蒸気タービン８と蒸気タービン１２によって駆動される駆動装置１６と、を具備する排熱回収システム。蒸気タービン系１２を循環する循環媒体として、９０℃の温度において蒸発圧力が１０ｂａｒ以下でかつこの蒸発圧力をこの媒体の３６℃の凝縮圧力で除した値が５．０以下である特性を有する低沸点媒体が用いられ、ペンタンであるのが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と、前記内燃機関からの排気ガスが流れる排気ガス流路と、前記内燃機関を冷却した後のジャケット水が流れるジャケット水流路と、水蒸気を利用して水蒸気タービンを回転駆動するための水蒸気タービン系と、蒸気を利用して蒸気タービンを回転駆動するための蒸気タービン系と、前記水蒸気タービン及び前記蒸気タービンによって駆動される駆動装置と、を具備する排熱回収システムであって、
前記水蒸気タービン系は、前記水蒸気タービンを通して水蒸気を循環させるための第１循環流路と、前記第１循環流路の前記水蒸気タービンより上流側に配設された水蒸気ボイラと、前記第１循環流路の前記水蒸気タービンより下流側に配設された復水器と、を備えており、
前記蒸気タービン系は、前記蒸気タービンを通して循環媒体の蒸気を循環させるための第２循環流路と、前記第２循環流路の前記蒸気タービンより下流側に配設された復液器と、を備えており、
前記復液器から前記蒸気タービンまでの間の前記第２循環流路の一部は、第１分岐流路と第２分岐流路に分岐され、前記第１分岐流路に第１蒸気発生器が配設され、前記第２分岐流路に第２蒸気発生器が配設されており、
前記水蒸気ボイラは、前記排気ガス流路を流れる排気ガスの熱を利用して水蒸気を発生させ、前記水蒸気タービンは前記水蒸気ボイラによって発生した水蒸気によって回転駆動され、
前記第１蒸気発生器は、前記水蒸気ボイラを通った後の前記排気ガス流路を流れる排気ガスの熱を利用して前記循環媒体の蒸気を発生させ、また前記第２蒸気発生器は、前記ジャケット水流路を流れるジャケット水の熱を利用して前記循環媒体蒸気を発生させ、前記蒸気タービンは、前記第１蒸気発生器及び前記第２蒸気発生器によって発生した蒸気によって回転駆動され、
前記循環媒体は、９０℃の温度において蒸発圧力が１０ｂａｒ以下でかつこの蒸発圧力をこの媒体の３６℃の凝縮圧力で除した値が５．０以下である特性を有する低沸点媒体であることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項２】
前記低沸点媒体が、ペンタンであることを特徴とする請求項１に記載の排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関からの排気ガスの熱などを回収して電力又は動力を得るための排熱回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、コージェネレーションシステムなどに用いるために、ディーゼルエンジン、ガスエンジンなどの内燃機関から発生する排気ガスの熱などを利用して蒸気を発生させ、その蒸気によってタービンを駆動して電力や動力を得る排熱回収システムが知られている。このようなシステムでは、排気ガスの熱を利用して発生させた水蒸気を利用するのみであるので、水蒸気を発生させた後の排気ガスの温度が２００℃以上にもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。また、内燃機関の冷却後のジャケット水も、その水温が８５℃以上にもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。
【０００３】
上述した問題を解消するために、水蒸気を発生させた後の排気ガスの熱及び内燃機関の冷却後のジャケット水の熱を回収するようにしたシステムが提案されている（例えば、特許文献１）。この公知の排熱回収システムでは、例えば、内燃機関からの熱を利用して電力や動力を得るための水蒸気タービン系及び蒸気タービン系が設けられ、水蒸気タービン系では循環媒体として水（水蒸気）が用いられ、蒸気タービン系では循環媒体として水−アンモニアの非共沸点混合媒体（その蒸気）が用いられている。水蒸気タービン系は、排気ガスの熱を利用して水蒸気を発生させる水蒸気ボイラを備え、水蒸気タービンにて発生された水蒸気によって水蒸気タービンが回転駆動される。また蒸気タービン系は、水蒸気ボイラを通った後の排気ガスの残熱を利用して蒸気を発生させる第１蒸気発生器と、内燃機関を冷却した後のジャケット水の熱を利用して蒸気を発生させる第２蒸気発生器とを備え、第１蒸気発生器と第２蒸気発生器にて発生された混合蒸気によって蒸気タービンが回転駆動される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２２１００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した排熱回収システムは、蒸気タービン系に水−アンモニアの非共沸混合媒体を用いているため、第１蒸気発生器と第２蒸気発生器とからの混合蒸気が気液分離器に送給され、気液分離器にて混合蒸気が分離され、この分離された蒸気で蒸気タービンが回転駆動される。そのために、気液混合蒸気から液体を分離して蒸気を取り出すための気液分離器が必要となり、また気液分離器にて分離した液を復水器に戻す際に液からの熱を回収するための熱交換器が必要となり、システム全体の構造が複雑になるとともに、その製作コストが上昇するという問題が発生する。
【０００６】
また、第２蒸気発生器においてジャケット水と水−アンモニア非共沸混合媒体との熱交換が行われるが、この非共沸混合媒体は蒸発開始温度と蒸発終了温度との間に大きな乖離があるため、蒸気タービンを回転駆動するために必要な圧力条件において１００℃以下の低温熱源でもってこの非共沸混合媒体を完全に蒸発させることは難しい。従って、ジャケット水の熱を効率よく利用することができず、システム全体の効率が低下するという問題が発生する。
【０００７】
更に、コージェネレーションシステム用の内燃機関の出力が数千ｋＷ程度である場合、この内燃機関の排熱を利用するタービンの出力は通常数百ｋＷ程度であり、このような小規模の排熱回収システムでは、タービンの入口圧力が１０ｂａｒ程度でタービンの出口圧力が数ｂａｒ程度のときに最もタービン効率が高くなる。このようなことから、タービンの入口圧力が１０ｂａｒ程度となるような循環媒体を用いるとともに、システム全体の構成を簡単にすることができる熱回収システムの実現が望まれている。
【０００８】
本発明の目的は、システム全体の構成が簡単でその製作コストが安価で、しかも熱回収効率の高い排熱回収システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の排熱回収システムは、内燃機関と、前記内燃機関からの排気ガスが流れる排気ガス流路と、前記内燃機関を冷却した後のジャケット水が流れるジャケット水流路と、水蒸気を利用して水蒸気タービンを回転駆動するための水蒸気タービン系と、蒸気を利用して蒸気タービンを回転駆動するための蒸気タービン系と、前記水蒸気タービン及び前記蒸気タービンによって駆動される駆動装置と、を具備する排熱回収システムであって、
前記水蒸気タービン系は、前記水蒸気タービンを通して水蒸気を循環させるための第１循環流路と、前記第１循環流路の前記水蒸気タービンより上流側に配設された水蒸気ボイラと、前記第１循環流路の前記水蒸気タービンより下流側に配設された復水器と、を備えており、
前記蒸気タービン系は、前記蒸気タービンを通して循環媒体の蒸気を循環させるための第２循環流路と、前記第２循環流路の前記蒸気タービンより下流側に配設された復液器と、を備えており、
前記復液器から前記蒸気タービンまでの間の前記第２循環流路の一部は、第１分岐流路と第２分岐流路に分岐され、前記第１分岐流路に第１蒸気発生器が配設され、前記第２分岐流路に第２蒸気発生器が配設されており、
前記水蒸気ボイラは、前記排気ガス流路を流れる排気ガスの熱を利用して水蒸気を発生させ、前記水蒸気タービンは前記水蒸気ボイラによって発生した水蒸気によって回転駆動され、
前記第１蒸気発生器は、前記水蒸気ボイラを通った後の前記排気ガス流路を流れる排気ガスの熱を利用して前記循環媒体の蒸気を発生させ、また前記第２蒸気発生器は、前記ジャケット水流路を流れるジャケット水の熱を利用して前記循環媒体の蒸気を発生させ、前記蒸気タービンは、前記第１蒸気発生器及び前記第２蒸気発生器によって発生した蒸気によって回転駆動され、
前記循環媒体は、９０℃の温度において蒸発圧力が１０ｂａｒ以下でかつこの蒸発圧力をこの媒体の３６℃の凝縮圧力で除した値が５．０以下である特性を有する低沸点媒体であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の排熱回収システムは、前記低沸点媒体が、ペンタンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の請求項１に記載の排熱回収システムによれば、水蒸気を用いて水蒸気タービンを回転駆動するための水蒸気タービン系と、循環媒体の蒸気を用いて蒸気タービンを回転駆動するための蒸気タービン系とが設けられ、水蒸気タービン系として水（水蒸気）が用いられ、蒸気タービン系の循環媒体として９０℃の温度において蒸発圧力が１０ｂａｒ以下でかつこの蒸発圧力をこの媒体の３６℃の凝縮圧力で除した値が５．０以下である特性を有する低沸点媒体が用いられる。循環媒体としてこのような低沸点媒体を用いるので、蒸気タービン系においては、水蒸気ボイラ系の水蒸気ボイラを通った後の排気ガス（例えば、１２０〜２００℃程度である）の熱を利用して、第１蒸気発生器にて循環媒体を蒸発させることができ、また内燃機関を冷却した後のジャケット水（例えば、８０〜９０℃程度である）の熱を利用して、第２蒸発発生器にて循環媒体を蒸発させることができる。このように第１蒸気発生器及び第２蒸気発生器にて循環媒体を蒸気にすることができるので、水−アンモニアの如き非共沸混合媒体を用いたときのような気液分離器が不要となり、また気液分離器で分離した液体から熱回収を行うための熱交換器も不要となり、これによって、熱回収システム全体の構成を簡単に、またその製作コストを安価にすることができる。また、循環媒体がこのような特性の低沸点媒体であるため、内燃機関からの排気ガスの熱及びジャケット水の熱を効率よく回収することができ、また蒸気タービンを効率よく回転駆動するための蒸発圧力を有する蒸気となって蒸気タービンに供給されるので、効率の高い熱回収システムを構築することができる。このような熱回収システムとしては、例えば、内燃機関として２００００ｋＷ以下のガスエンジン、水蒸気タービンとして３０００ｋＷ以下のもの、また蒸気タービンとして１０００ｋｗ以下のものを組み合わせたシステムに好都合に適用することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に記載の排熱回収システムによれば、蒸気タービン系を循環する低沸点媒体がペンタンであり、ｎ−ペンタン、イソペンタン及びネオペンタンのいずれか、又はこれらの混合物が用いられる。循環媒体（低沸点媒体）としてイソペンタンを用いた場合には、蒸発タービン系の蒸発圧力、換言すると蒸気タービンの入口圧力を５ｂａｒ程度に、また復液器の圧力、換言すると復液器の送給側の圧力を１ｂａｒ程度に選定することができ、蒸気タービンの出力が２００〜６００ｋＷのシステムに好都合に適用でき、そのシステムの効率を一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う排熱回収システムについて説明する。
図１は、本発明に従う排熱回収システムの一例を簡略的に示すシステム図である。図１において、図示の排熱回収システムは、ガスエンジン、ディーゼルエンジンなどから構成される内燃機関２と、内燃機関２からの排気ガスが流れる排気ガス流路４と、内燃機関２を冷却した後のジャケット水が流れるジャケット水流路６と、水蒸気を利用して水蒸気タービン８を回転駆動するための水蒸気タービン系１０と、循環媒体の蒸気を利用して蒸気タービン１２を回転駆動するための蒸気タービン系１４と、水蒸気タービン８及び蒸気タービン１２によって駆動される駆動装置１６と、を具備しており、この駆動装置１６は、例えば発電機、ポンプなどから構成される。内燃機関２には、空気を送給するための吸気流路１８（例えば、吸気管から構成される）が接続されるとともに、上述した排気ガス流路４（例えば、排気管から構成される）が接続され、吸気流路１８を通して空気が内燃機関２に供給され、この内燃機関２で燃焼した燃焼排気ガスが、排気ガス流路４を通して後述するように外部に排出される。この実施形態では、内燃機関２に関連して過給機２０が設けられ、過給機２０の吸気タービン２１が吸気流路１８に配設され、その排気タービン２３が排気ガス流路４に配設されており、排気ガス流路４を流れる排気ガスによって排気タービン２３が所定方向に回動され、これによって、吸気タービン２１が一体的に回動され、この吸気タービンの回動によって、内燃機関２に送給される空気が過給される。
【００１４】
駆動装置１６には回転駆動力を取り出すための動力取出軸２２が設けられ、この動力取出軸２２に水蒸気タービン系１０の水蒸気タービン８及び蒸気タービン系１４の蒸気タービン１２が駆動連結されており、水蒸気タービン８及び蒸気タービン１２が所定方向に回転駆動されると、これらタービン８，１２からの回転駆動力が動力取出軸２２を介して駆動装置１６に伝達され、この駆動装置１６が稼動される。
【００１５】
水蒸気タービン系１０は、水蒸気タービン８を通して水蒸気を循環させるための第１循環流路２４を備えている。この第１循環流路２４には、上述した水蒸気タービン８に加えて、水蒸気ボイラ２６と、復水器２８と、第１循環ポンプ３０が配設されている。水蒸気ボイラ２６は、水蒸気タービン８より上流側に配設され、この水蒸気ボイラ２６の更に上流側に、第１循環ポンプ３０が配設されている。また、排気ガス流路４はこの水蒸気ボイラ２６を通して延び、水蒸気ボイラ２６において、排気ガス流路４を流れる排気ガスと第１循環流路２４を流れる水との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱を利用して水が加熱蒸発され、蒸発した水蒸気が水蒸気タービン８に供給される。内燃機関２から排気ガス流路４を通して流れる排気ガスの温度は例えば５００〜６００℃程度であり、従って、この排気ガスの熱を利用して水を加熱して水蒸気とすることができる。また、復水器２８は水蒸気タービン８の下流側に配設され、水蒸気タービン８を流れた水蒸気は第１循環流路２４を通して復水器２８に戻り、この復水器２８にて水に戻される。
【００１６】
蒸気タービン系１４は、蒸気タービン１２を通して循環媒体の蒸気を循環させるための第２循環流路３２を備えている。循環媒体は低沸点媒体、特に９０℃の温度において蒸発圧力が１０ｂａｒ以下でかつこの蒸発圧力をこの媒体の３６℃の凝縮圧力で除した値が５．０以下である特性を有するものであるのが重要であり、このような低沸点媒体を用いることによって、循環媒体の蒸発圧力を抑えることができるとともに、ジャケット水の熱及び水蒸気ボイラ２６にて熱交換した後の排気ガスの熱を回収することができる。この循環媒体は、ペンタンであるのが好ましく、特に蒸発圧力などの特性からイソペンタンであるのが好ましい。
【００１７】
この第２循環流路３２には、蒸気タービン１２に加えて、復液器３４、第１蒸気発生器４０、第２蒸気発生器４２、混合器４４及び第２循環ポンプ４６が設けられている。混合器４４は蒸気タービン１４の上流側に設けられ、復液器３４は蒸気タービン１２の下流側に設けられている。また、この復液器３４と混合器４４との間の第２循環流路３２の一部（混合器４４側の部位）が二つに分岐され、一方の分岐流路、即ち第１分岐流路３６には第１蒸気発生器４０が配設され、他方の分岐流路、即ち第２分岐流路３８には第２蒸気発生器４２が配設されている。また、第２循環ポンプ４６は、第２循環流路３２における、復液器３４と第１及び第２蒸気発生器４０，４２との間の部位に配設され、復液器３４からの循環媒体を第１分岐流路３６を通して第１蒸気発生器４０に送給するとともに、第２分岐流路３８を通して第２蒸気発生器４２に送給する。
【００１８】
排気ガス流路４の下流側は第１蒸気発生器４０を通して延び、水蒸気ボイラ２６にて熱交換された後の排気ガスが排気ガス流路４及び第１蒸気発生器４０を通して流れ、この第１蒸気発生器４０にて、熱交換後の排気ガスと第１分岐流路３６を流れる循環媒体との間で熱交換が行われ、熱交換により加熱蒸発された循環媒体の蒸気が混合器４４に送給される。水蒸気ボイラ２６にて熱交換した後に排気ガス流路４を流れる排気ガスの温度は、例えば１２０〜２００℃程度であるが、循環媒体として上述した低沸点媒体を用いているので、比較的温度の低い排気ガスであっても、その熱を利用して循環媒体を加熱して蒸発することができる。
【００１９】
内燃機関２からのジャケット水流路６は第２蒸気発生器４２を通して循環しており、このジャケット水流路６に第３循環ポンプ４８が配設され、第３循環ポンプ４８の作用によってジャケット水が循環される。第２蒸気発生器４２においては、ジャケット水流路６を流れるジャケット水（内燃機関２を冷却した後のジャケット水）と第２分岐流路３８を流れる循環媒体との間で熱交換が行われ、熱交換によって加熱蒸発された循環媒体の蒸気が混合器４４に送給される。ジャケット水流路６を流れる内燃機関２冷却後のジャケット水の温度は８０〜９０℃前後であるが、循環媒体として低沸点媒体を用いているので、このジャケット水の熱を利用して蒸発することができる。
【００２０】
第１蒸気発生器４０からの蒸気及び第２蒸気発生器４２からの蒸気は混合器４４にて混合され、この混合器４４で混合された蒸気によって蒸気タービン１２が回転駆動され、蒸気タービン１２を流れた後に復液器３４に戻される。復液器３４では循環媒体の蒸気に凝縮圧力が加えられ、これによって、蒸気から液体に戻る。
【００２１】
このような排熱回収システムは、内燃機関２の出力が例えば２００００ｋＷ以下で、水蒸気タービン８の出力が例えば３０００ｋＷ以下で、蒸気タービン１２の出力が１０００ｋＷ以下であるものに好都合に適用することができ、このような出力のシステムに適用することによって、排熱の回収効率を高めることができるとともに、システムの効率を向上させることができる。
【００２２】
次に、上述した熱回収システムの熱回収を説明すると、内燃機関２からの排気ガスの比較的高温の熱（例えば、５００〜６００℃程度）は、水蒸気タービン系１０にて回収される。即ち、内燃機関２からの排気ガスは排気ガス流路４を通して水蒸気ボイラ２６に送給され、また復水器２８からの水は第１循環ポンプ３０の作用によって第１循環流路２４を通して水蒸気ボイラ２６に送給される。水蒸気ボイラ２６において、内燃機関２からの排気ガスと復水器２８からの水との間で熱交換が行われ、この熱交換によって水蒸気が発生する。発生した水蒸気は水蒸気タービン８に送給され、この水蒸気を利用して水蒸気タービン８が回転駆動され、動力取出軸２２を介して駆動装置が稼働される。
【００２３】
また、内燃機関２からの排ガスの比較的低温の熱（例えば、１２０〜２００℃程度）及び内燃機関２を冷却するためのジャケット水の熱（例えば、８０〜９０℃程度）は、蒸気タービン系１４により回収される。即ち、水蒸気ボイラ２６で熱交換された排気ガスは排気ガス流路４を通して第１蒸気発生器４０に送給され、また内燃機関２からのジャケット水は第３循環ポンプ４８の作用によって第２蒸気発生器４２に送給され、更に復液器３４からの循環液体は第２循環ポンプ４６の作用によって第２循環流路３２の第１分岐流路３６を通して第１蒸気発生器４０に送給されるとともに、その第２分岐流路３８を通して第２蒸気発生器４２に送給される。第１蒸気発生器４０においては、内燃機関２からの排気ガスと復液器３４からの循環媒体との間で熱交換が行われ、この熱交換によって循環媒体の蒸気が生成される。また、第２蒸気発生器４２においては、内燃機関２からのジャケット水と復液器３４からの循環媒体との間で熱交換が行われ、この熱交換によって循環媒体の蒸気が生成される。第１及び第２蒸気発生器４０，４２にて生成された蒸気は混合器４４に送給され、この混合器４４にて混合された後に蒸気タービン１２に送給され、この蒸気を利用して蒸気タービン１２が回転駆動され、動力取出軸２２を介して駆動装置１６が稼働される。
【００２４】
この熱回収システムでは、蒸気タービン系１４の循環媒体として上述した低沸点媒体、好ましくはペンタンを用いるので、蒸気タービン系１４の蒸気圧力（蒸気タービン１２の流入側圧力）を例えば３〜１０ｂａｒ程度（例えば、５ｂａｒ前後）に、また復液器圧力（復液器３４の出力側圧力）を０．５〜４ｂａｒ程度（例えば、１ｂａｒ前後）にすることができ、蒸気タービン１２を効率よく回転駆動することができる。また、このようなシステムでは、従来の熱回収システム（特開２００２−２２１００８号に開示されたもの）に比して、蒸気と液体とを分離するための液分離器及び、液分離器にて分離された液体からの熱を回収するための熱交換器を省略することができ、システム全体の構成を簡単にすることができるとともに、その製作コストを下げることができる。
【００２５】
以上、熱回収システムの一実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能である。
【００２６】
例えば、上述した実施形態では、駆動装置１６、水蒸気タービン８及び蒸気タービン１２の動力取出軸２２を一つの軸部材から構成しているが、これに限らず水蒸気タービン８の動力取出軸と蒸気タービン１２の動力取出軸とを別個独立に設けて駆動装置１６に駆動連結してもよく、又は水蒸気タービン８の動力取出軸と蒸気タービン１２の動力取出軸にそれぞれ別個独立の駆動装置を駆動連結するようにしてもよい。
【００２７】
また、上述した実施形態では、第１蒸気発生器４０からの蒸気と第２蒸気発生器４２からの蒸気を混合器４４で混合しているが、これらの蒸気を蒸気タービン１２に所要の通りに送給することができる場合には、この混合器４４を省略することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に従う排熱回収システムの一例を簡略的に示す簡略図である。
【符号の説明】
【００２９】
２  内燃機関
４  排気ガス流路
６  ジャケット水流路
８  水蒸気タービン
１０  水蒸気タービン系
１２  蒸気タービン
１４  蒸気タービン系
１６  駆動装置
２２  動力取出軸
２４  第１循環流路
２６  水蒸気ボイラ
２８  復水器
３２  第２循環流路
３４  復液器
３６  第１分岐流路
３８  第２分岐流路
４０  第１蒸気発生器
４２  第２蒸気発生器
【図１】
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