(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＮＧが有する超低温の冷熱を回収して冷熱源とし、別の高温の熱源と組み合わせたバイナリーサイクルを組み立てたバイナリー発電システムを提供する。【解決手段】作動流体として代替フロン等を採用し、これをＬＮＧの超低温を活用して、マイナス数１０℃の低温且つ真空領域の低圧まで冷却と液化を行い、ポンプ２によって昇圧した後に海水と主機関連の高温熱源によって気化・加熱して過熱ガスにし、タービン１４を駆動して、直結の発電機１５を回転させて電力を取り出す。真空領域となる凝縮器２１では作動流体を周囲に充満した２重構造として空気の侵入を防ぐ。低温の作動流体は予め海水によって昇温して、加熱ガス中の水分や硫黄酸化物の凝縮と生成を防いでいる。ＬＮＧ液は加圧した後にバイナリーシステムの作動流体の冷却源となると同時に、主機関連の熱源で気化・昇温し過熱ガスとしてタービン４２を回し同様に発電を行う。【選択図】図３
2016008042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化天然ガス（以下ＬＮＧと称する）を燃料とする船舶（以下ＬＮＧ燃料船と称する）、或いはＬＮＧを貨物として輸送する船舶（以下ＬＮＧ輸送船と称する）において、ＬＮＧタンクから船体の推進エンジン（以下主機と称する）へ送られるＬＮＧの超低温液体、或いは超低温蒸気を直接に用いて、或いは凍結温度の低いブラインを介して間接的に作動流体の冷媒ガス（以下作動流体と称する）を冷却液化したのちにポンプで昇圧し、該作動流体液を船舶の主機からの高温の排気ガス（以下排気ガスと称する）、同じく主機からの高温の掃気空気（以下掃気と称する）、或いは主機の高温の冷却水（以下冷却水と称する）等を用いて、蒸発させ、さらに過熱して得られる高温高圧の作動流体のガスによってタービンを回し発電するバイナリー発電システム。
【請求項２】
ＬＮＧ燃料船の燃料ＬＮＧをポンプで昇圧した後の超低温ＬＮＧを直接に用いて、或いは凍結温度の低いブラインを介して間接的にバイナリー発電システムのタービンの吐出ガスを冷却液化し、さらにこのＬＮＧを排気ガス、掃気、或いは冷却水を用いて過熱して得られる高温高圧のＬＮＧガスによってタービンを回し発電すると同時に、一方のバイナリー発電システムで冷却液化された作動流体をポンプで昇圧し、該作動流体を排気ガス、掃気、或いは冷却水を用いて、蒸発させ、さらに過熱して得られる高温高圧の作動流体ガスによってタービンを回し発電するＬＮＧガスの発電システムと組み合わせたバイナリー発電システム。
【請求項３】
作動流体を冷却液化する凝縮器は冷却の過程で生じる真空圧力に耐える強度を持ち、２重構造の空間を有し、内槽の外面には断熱を施工し、内外槽からなる空間には別置きの作動流体液タンクとガス供給管と圧力調整弁で繋がれて、常時大気圧より若干の正圧に維持された冷媒ガスを充満することによって、凝縮器内の真空圧力のために起こり得る不凝縮ガスである空気の侵入を防止して、万一漏えいがある場合でも同じ作動流体ガスのみを吸入する構造を持つ請求項１および請求項２に記載のバイナリー発電システム。
【請求項４】
凝縮器で液化し、更に過冷却した作動流体を液相ポンプによって蒸発器に移送する場合に確実にポンプの吸入側圧力が作動流体の蒸発圧力よりも正圧側になるようにＮＰＳＨ（正味の正側吸入圧力）を確保するために一定以上の液位を維持制御し、または液位によってポンプの回転数を制御する。ポンプは凝縮器内或いは凝縮器に繋がる作動流体液タンク内に設置した没液型の自己液潤滑方式（サブマージド型）とした請求項１および請求項２記載のバイナリー発電システム。
【請求項５】
排気ガス或いは掃気を高温熱源として使う場合に蒸発器および過熱器表面で排気ガス、或いは掃気中に含まれる水分の凝縮・凍結による伝熱効率の低下を防ぐために、およびＬＮＧ輸送船の場合凝縮した水滴中への排気ガス中に含まれる硫黄酸化物の溶解による強酸液による蒸発器および過熱器の腐食を防止するために、蒸発器および過熱器の表面温度が水分の露点を下回らないように維持する、ＬＮＧ輸送船及びＬＮＧ燃料船の作動流体液の過熱器、及びＬＮＧ燃料船のＬＮＧの過熱器の上流側に海水による気化器および加熱器を設けて作動流体のガス、及びＬＮＧの気化ガスを常温まで昇温する請求項１および請求項２記載のバイナリー発電システム。
【請求項６】
凝縮器内部の作動流体の温度を検知する温度検知センサーを持ち、作動流体温度が凍結温度以下に低下する場合にはＬＮＧ流量調節弁でＬＮＧ流量を絞ることで作動流体の凍結を防止する請求項１および請求項２記載のバイナリー発電システム。
【請求項７】
高温源となる排気ガス、掃気および冷却水が過剰な場合、余剰の高温源を熱源とし、海水を冷却源として、両方の熱源温度に適合した別系統のフロン等の作動流体を用いて余剰の熱源を有効に利用したタンデム型の独立したバイナリー発電システムを持つ請求項１および請求項２記載のバイナリー発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ＬＮＧの冷熱と主機の高温源を両熱源とする船舶のバイナリー発電システムに関する。
【背景技術】図面を用いる。【０００２】  本申請は船舶におけるＬＮＧの冷熱を回収して冷却源とし、船舶が有する主機からの排気ガスや、掃気或いは冷却水を加熱源とし、一方作動流体としてオゾン層破壊や、地球温暖化影響の少ない媒体を用いて、省エネルギーと地球環境適合性に優れた発電システム技術を開示したものである。【０００３】  従来の船舶のＬＮＧ燃料系統では主機への燃料供給として必要な常温のＬＮＧガスを得るために、ＬＮＧを水蒸気、海水、或いは空気によって気化と昇温を行っており、そのための機器として蒸発器とヒーターが設けられているがその際に得られた冷熱は、上述の加熱媒体を介して大気に無駄に捨てられている。すなわち冷熱の回収はなされていない。【０００４】  船舶の燃料系統でＬＮＧ液の加圧・蒸発・過熱によってタービンを駆動する発電システム系統でＬＮＧの蒸発・過熱の過程に、もう一方のバイナリー発電システムの作動流体の冷却・凝縮の過程を一つの熱交換器によって両媒体を直接に熱交換させることによって、或いは間に凍結温度が低いブラインを介して熱交換させることによって、ＬＮＧとバイナリー発電システムの作動流体相互の冷却と加熱の熱源を効率よく活用するＬＮＧのランキンサイクルとフロン等のバイナリーサイクルとの直列作動によって出力を取り出すシステムはなされていない。【０００５】  従来のバイナリー発電システムの冷却源としては水や空気を用いることがなされており、作動流体を直接に超低温の液化ガスと熱交換して、或いは間に凍結温度が低いブラインを介して熱交換して、マイナス数十℃まで冷却するシステムはない。或いは作動流体の冷却手段として水などの中間媒体を介して行う場合には、マイナス数十℃まで冷却するシステムは成立しない。即ち作動流体や中間熱媒の凍結温度領域にまで作動範囲を延ばしたシステムはない。【０００６】  従来の作動流体の凝縮器の凝縮温度はせいぜい１０℃−３０℃の範囲にあるために作動流体の凝縮圧力は大気圧よりも高い圧力に維持されており、不凝縮ガスである空気が凝縮器の中に侵入する恐れはない。即ち従来のシステムでは次の３項目の配慮がなされていない、▲１▼凝縮器の圧力が大気圧以下の真空圧力になり、周囲からの空気漏えいの恐れがあること、▲２▼作動流体の昇圧ポンプの吸引圧力低下によるポンプのガス吸引の恐れがあること、▲３▼マイナス数十℃の凝縮温度に対応した凝縮器の構造配慮。【０００７】  作動流体の気化および過熱の過程で加熱媒体である主機の排気ガスや掃気が冷却されて、中に含まれている水分が凝縮し、さらには凝固して熱交換機の外面に付着し伝熱効率を悪化させ、更には硫黄酸化物ＳＯｘ成分の凝縮水への溶解で熱交換器壁面の腐食を引き起こすことによる熱交換能率の阻害への配慮はなされていない。【０００８】  一般に船舶のバイナリーシステムにおいて排気ガスや掃気或いは冷却水を加熱源とし、ＬＮＧを冷却源として両熱源を相互に平衡する当量を消費した後には冷却源のＬＮＧは全量消費されるが、加熱源には余裕があり残余が生じる。この残余分を加熱源とし、海水等を冷却源として用いた新たな系統としてバイナリーシステムを設けた２重直列型のバイナリー発電システムは見られない。【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２２１９６１（Ｐ２００９−２２１９６１Ａ）号公報
【特許文献２】特開平１１−１４８４２８号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００１０】  今般海事関連の国際機関ＩＭＯによって、地球環境の保全並びに航海海域の大気汚染防止のために、船種を問わない全ての船舶に対して主機の燃料燃焼時の排ガス中の含有成分からみて、排ガスの規制を受ける海域が拡大しつつあり、結果として広範囲な海域で燃料として地球環境負荷の小さいＬＮＧを燃料とすることが義務付けられる。かかるＬＮＧ燃料船の急増といった海洋輸送環境の変化に対応して、現在ＬＮＧを主機の燃料ガスに変換する際に大気に放出している超低温ＬＮＧの冷熱を有効に利用した省エネルギーで、且つ地球環境対応船舶の意義は大きい。【０００１１】  米国を中心としたシェールガスの生産が開始されて、潤沢な天然ガスの供給を受けて天然ガスの経済的優位性が確立されつつある。一方において各国のクリーンエネルギー源の希求姿勢の高まりと相俟って、ＬＮＧの海上輸送量増加とＬＮＧ輸送船の建造隻数増加が世界的に顕著になりつつある。これに伴いＬＮＧ輸送船においては、従来は大気に捨てていたタンクからのＬＮＧの自然蒸発蒸気の冷熱を回収して、それを別な形でエネルギー生産に転換出切れば船舶の省エネルギー、創エネルギーおよび地球環境貢献の観点から有意義なことである。【０００１２】  船舶における省エネルギー化は運航採算の改善のためには不可欠の要求事項であり、その一つの方向が主機を筆頭にして現在設置している諸機器類のエネルギー効率を改善することであり、造船業界では熾烈な開発競争が行われている。しかるにもう一方の考え方があり、それは新たな化石エネルギー等のエネルギー資源を消費することなく現存する機器が持っている或いは放出している熱エネルギーを有効に活用して新たな動力を取り出す、即ち創エネルギーの考え方である。【０００１３】  船舶の有する熱エネルギーを視点にして見ると既存のものとして最大は主機から放出される種々のレベルのものが存在する。一方船舶の推進エネルギー源として既述の通りＬＮＧが台頭してきた。またＬＮＧ輸送船の船舶数も大きくなりつつある。両者に共通することは今までにない超低温の冷熱源が新たに船舶内に加わったということである。すなわち、近年になって船舶には主機を中心とした既存の高温の熱源と、ＬＮＧによる新たな超低温の冷熱源が併存するようになってきた。熱エネルギーの視点で見ると高温熱源と低温熱源の存在はその間にランキンサイクル（蒸気駆動の原動機サイクル）を組み立てれば仕事がなされそこから、動力をひいては電力を取り出すことが可能である。【０００１４】  しかしながら高温側の熱源は主機で燃焼後の排気ガス、掃気或いは冷却水が中心であり、温度レベルが高くはない。またＬＮＧを冷却源とした場合、超低温との熱交換を行うこととなる。このために両熱源間でランキンサイクルを構成する場合の作動流体としては、それらの温度に適合したものであること、と同時に地球環境の視点からオゾン層破壊のない且つ温暖化係数も小さいものとする必要がある。また超低温の冷却源を使う条件から従来の水は不適格である。そこで選ばれるのが冷凍サイクルで使用される冷媒であるが、地球環境を考えるとオゾン層破壊のない且つ温暖化係数も小さいものとする必要があり、両者を満足するものとして代替フロンが選択��れる。【０００１５】  冷却源が超低温のＬＮＧであるために、回収冷熱によって冷却された作動流体の温度はマイナス数１０℃となり、圧力は負圧の真空となる。両者に適合した熱交換器の構造、機器の材料選定、周囲からのガスの漏えい対策、ポンプの円滑な液吸入と液吐出機能と回転軸受部の潤滑手段および作動流体の凍結対策に対して従来にない手段を講じる必要がある。【０００１６】  一般に船舶の場合、冷熱源となるＬＮＧの冷熱量と、熱源となる主機の排気ガス量、掃気量および冷却水量等の熱源量の大きさは高温熱源の方が大きく、冷熱源のＬＮＧ量と平衡する当量の熱源を消費した後には余剰の熱源が残る。これをそのまま捨てることになれば有効エネルギーを無駄にしていることになる。余剰分の熱源と海水を冷却源とする別系統のバイナリー発電システムを構成し、直列に繋げばより多くの出力を取り出すことが可能である。【０００１７】  ＬＮＧ燃料船の場合ＬＮタンクからくみ出される高圧のＬＮＧ液は現在では気化・昇温後にそのまま主機に送られている。ＬＮＧ液の昇圧度合いを大きくし、さらに気化・昇温・過熱すれば主機で必要とされるガス圧力との差圧分は仕事として取り出すことが可能である。さらにＬＮＧ液の気化・昇温にバイナリーシステムの作動流体の冷却と凝縮時に放出される熱を用いればＬＮＧ液とバイナリーシステムの作動流体の２つのシステムを熱的に相互に有効利用することが可能である。【０００１８】  マイナス温度の低温作動流体の気化・昇温の熱源に排気ガスや掃気を利用する場合に、これらガス内に含まれる水分および硫黄酸化物は低温の熱交換器内で凝縮さらには凝固が生じる可能性がある。これらは熱交換効率の悪化を招き、更には排気ガス中の硫黄酸化物溶液による熱交換器の管材の腐食を引き起こす。これの対策が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００１９】  以上の課題を解決するために、請求項目１にかかわる発明では、発電の形態としてランキンサイクルの一形態であるバイナリー発電システムとする。高熱源として主機からの排気ガス、掃気、或いは冷却水を用い、冷熱源としてＬＮＧ及び海水を用いて作動流体を循環させる閉ループを構成する。作動流体の冷却系統としては先ずタービンからの吐出ガスを海水で冷却した後に、再生器で更に冷却した後、超低温であるＬＮＧを用いて凝縮器内で冷却・凝縮して、凝縮液をポンプによって昇圧し循環する。ポンプ吐出後の作動流体液は再生器でタービン吐出ガスと熱交換した後に海水で加熱し、更に排気ガス、掃気或いは冷却水で昇温して過熱ガスとしてタービンに送り、タービンでの膨張仕事によって直結した発電機を回して発電を行う。バイナリー発電システムの作動流体として上記の高熱源温度および冷熱源の温度に適合し、同時に地球環境への影響の小さい物質を対象とする。即ち高温での熱分解を起こさないこと、低温での凍結を起こさないこと、オゾン層破壊がないこと、温暖化影響が小さいことであり、具体的には代替フロン系となる。【０００２０】  請求項目２にかかわる発明では、ＬＮＧ燃料船の場合ＬＮＧ液を一旦ポンプで昇圧して、更に凝縮器内でバイナリー発電システムの作動流体を冷却しながら気化し、過熱器で加熱・過熱した後にタービンに通し仕事をさせて発電を行い、あと主機の燃料として供給する。このときバイナリー発電システムの作動流体はＬＮＧ液の気化・加熱の過程で生じる潜熱および顕熱による冷熱によって冷却・凝縮される。即ちＬＮＧ液本体の冷熱活用によるバイナリー発電を行い、同時にＬＮＧ液は気化後に得られる高圧ガスによって発電を行い、この両システムを併存させ、同時運転して発電出力の増強を図る。【０００２１】  請求項目３にかかわる発明では、ＬＮＧを作動流体の凝縮器における冷却源とした場合にマイナス数１０℃の低温となり、圧力は負圧の真空となる。かかる状態においては凝縮器周囲の空気が凝縮器の内部へ漏えいした場合、空気が不凝縮気体であるために飽和圧力が上がり、凝縮温度がより低くなるために、同じ温度では作動流体の凝縮が不可能となる。よって本発明では凝縮器を中間に空間を有する２重構造とし、内側タンクの外面には断熱を施し、内部の空間には別置きの作動流体液タンクから圧力調整弁を経由してパイプで繋いだ作動流体のガスを供給し、該空間を若干の正圧にして維持する。この圧力調整弁は凝縮器の２重構造空間の圧力に応じて自動的に開閉する。【０００２２】  請求項目４にかかわる発明では、凝縮器に液だまり部を設け、或いは凝縮器に繋がる作動流体液タンクを設けて、ポンプ本体は作動流体の液中に没したサブマージド型とし、回転軸の潤滑は作動流体液自体によって行う自己潤滑型とする。液位の深さに応じてポンプの吐出量を制御するか、或いは一定の液位以上での運転として常時正のＮＰＳＨを維持する。【０００２３】  請求項目５にかかわる発明では、作動流体或いはＬＮＧの気化器、および過熱器の熱源に用いる排気ガスや掃気中の水分の凝縮並びに凝固、更に凝縮水による硫黄酸化物溶液の生成を防止するために、作動流体或いはＬＮＧの過熱器の上流側に海水による気化��或いは加熱器を設け作動流体或いはＬＮＧ温度を常温まで昇温しておく。これにより水分の凝縮・凝固および硫黄酸化物溶液の生成を防止する。【０００２４】  請求項目６にかかわる発明では、ＬＮＧで冷却する凝縮器内の作動流体の温度を検知し、該温度が作動流体の凝固温度以下に下がる場合にはＬＮＧの流量を絞る自動流量調整弁を設ける。絞った分のＬＮＧはバイパス回路に流れてＬＮＧの全量の昇温は後流に設けた蒸気ヒーター等の別手段によって行う。【０００２５】  請求項目７にかかわる発明では、余剰の高熱源を有効に利用するために、主たるバイナリー発電システムの後流に余剰の高熱源と海水を両熱源とする従なる独立したバイナリー発電システムを設置する。
【発明の効果】
【０００２６】  請求項目１にかかわる発明では、熱源として潤沢に得られる主機関連の熱源を用いたこと、冷熱源として超低温のＬＮＧを用いたこと、および低沸点の作動流体を選定したことで、凝縮温度を従来の水に比べて数１０℃低温にすることが出来て、凝縮温度によって決まるタービンの吐出圧を低くすることが可能となり、タービンでの熱落差、および圧力差を大きくとることが可能となって、タービン出力を大きくできる。作動流体としての選定を的確に行うことで高熱源及び冷熱源の温度での分解や凍結なしにシステム内での循環が可能となり、円滑な運転を行う。同時に作動流体によるオゾン層破壊をなくし、同時に温暖化に関する地球環境への悪影響を小さく抑えられる。【０００２７】  請求項目２にかかわる発明では、ＬＮＧ燃料船の燃料であるＬＮＧ本体を作動流体としてランキンサイクルを構成して、ＬＮＧ液の気化後の高温・高圧蒸気を有効に利用してタービンを駆動し、タービンに直結した発電機によって発電を行う。更にＬＮＧ液の気化と昇温の過程で生じる冷熱は別系統のバイナリー発電システムでの作動流体の冷却と液化に利用することでバイナリー発電システムでの発電がおこなわれる。かくしてＬＮＧによる発電系統とバイナリー発電系統の両系統が互いに熱源の有効な相互利用と共有化によって繋がり、発電出力の増加がなされる。【０００２８】  請求項目３にかかわる発明では、凝縮器内部が低温且つ真空状態となるが、凝縮器に漏えいが生じた場合においても作動流体と同じガスの侵入のみで、不凝縮ガスである空気の侵入はないために、凝縮機能を損なわれることがない。２重構造の内側壁の外面に施工された断熱によって２重構造の内部空間は常温に保持されるために、空間に存在するガスが液化することもない。空間は一定の圧力に維持されるように圧力調整弁によって外部の作動流体タンクから自動的にガスが供給される。【０００２９】  請求項目４にかかわる発明では、ＬＮＧで冷却されて液化した作動流体はマイナス数１０℃の低温であり、通常の潤滑油は機能をなさない。そこで作動流体のポンプは作動流体液中に没したサブマージド型とし、回転軸の潤滑は作動流体自体によって行われる自己潤滑型として、円滑な回転機能が維持される。一方凝縮器内の液位制御を行うことで作動流体の液位に応じてポンプの回転数が自動的の制御されることによって、ポンプの吸入圧力が常時ＮＰＳＨ（正味の正側吸入圧力）に維持されるためにポンプはガスを吸入することなく正常に作動する。【０００３０】  請求項目５にかかわる発明では、低温の作動流体やＬＮＧが、熱交換器を介して水分や硫黄酸化物を含む排気ガスや掃気に触れる前に、海水によって常温まで昇温されるために、熱交換器において排気ガスや掃気中の水分の凝縮と凝固、或いはその結果生じる硫黄酸化物溶液の生成がなされることがなく、機器の閉塞や腐食を避けることができて本発明システムの長期にわたる円滑な作動が可能となる。【０００３１】  請求項目６にかかわる発明では、バイナリー発電システムに流す冷却源である超低温のＬＮＧの流量を絞ることによって凝縮器内での作動流体の凍結を防ぎ、同時に絞られた分のＬＮＧは別系統の加熱手段によって昇温されることで、本船の主機燃料系統の正常作動を維持する。【０００３２】  請求項目７にかかわる発明では、通常高熱源はＬＮＧ系統の冷熱源に対して余剰に存在する、この余剰の高熱源を活用して海水を冷熱源とする従来型のバイナリー発電システムを、ＬＮＧを冷却源とする主たるバイナリー発電システムに直列に繋いで構成し、船舶全体としての熱源の有効利用による出力増加と創エネルギーを図る。
【発明を実施するための形態】
【０００３３】  以下、本発明の実施形態を、図１〜図６に基づいて説明する。
作動流体としては、代替フロン系のＨＦＣ１３４ａを対象例として述べる。その他の冷媒を用いた場合についても同様である。
【０００３４】  図１は、ＬＮＧ燃料船およびＬＮＧ輸送船での主機のＬＮＧ燃料系統を示す。図１ＡはＬＮＧ燃料船の燃料系統を、図１ＢはＬＮＧ輸送船の燃料系統をそれぞれ示す。いずれもＬＮＧはＬＮＧタンクから出た後に水蒸気を加熱源とする蒸発器および加熱器で常温の過熱蒸気まで昇温され、そのまま主機に供給されている。即ちＬＮＧの冷熱回収および利用はなされていない。同様に主機からの排気ガス、掃気および冷却水については１００℃〜２００℃レベルの熱媒については利用されずに廃棄されている。
【０００３５】  図２は、本実施形態によるＬＮＧ輸送船での発電システムの作動流体による閉回路を構成した系統を示す。先ず高熱源については主機の排ガス、掃気ガス或いは冷却水を利用して作動流体を加熱して過熱ガスを作りタービンを回し、作動流体の凝縮はＬＮＧタンクからの超低温の蒸発蒸気を用いて行う。作動流体の気化および冷却には海水も利用して大幅な省エネルギー化を図っている。真空になる凝縮器の外部には２重構造内に作動流体のガスを充満させて空気侵入を阻止する。
【０００３６】  図３は、本実施形態によるＬＮＧ燃料船での発電システムにおける作動流体による閉回路を構成した系統を示す。高温源については図２のＬＮＧ輸送船の場合と同じである。冷熱源についてはＬＮＧタンクから汲み出したＬＮＧ液体の潜熱及び顕熱の全冷熱を利用する。海水利用による作動流体の冷却方式並びに真空凝縮器の機構については図２と同じである。冷熱を回収した後のＬＮＧ蒸気は海水、排気ガス、或いは冷却水等の高温源を用いて得られる過熱蒸気によってランキンサイクルを構成し、タービンを駆動して発電する。
【０００３７】  図４は、本実施形態によるＨＦＣ−１３４ａを作動流体とした場合の３種類のサイクルを縦軸に圧力ｐ−横軸にエンタルピーｈを取った線図上に実線、鎖線および点線で表したもので、作動流体は閉回路となるシステム内で実線の場合によって示すように矢印方向に循環して機能する。
【０００３８】  図５は、本実施形態によるＨＦＣ−１３４ａを作動流体とした場合の２種類のサイクルを縦軸に温度Ｔ−横軸にエントロピーｓを取った線図上に表したものである。図４とは縦軸と横軸として表す物理量の指標が異なるのみで本質的には同じものである。
【０００３９】  図６は、本実施形態によるＬＮＧ燃料船のＬＮＧを作動流体とするランキンサイクルの流れを縦軸に圧力ｐ−横軸にエンタルピーｈを取った線図上に表したもので、作動流体は開回路となるシステム内で実線上を矢印方向に流れて機能し、最終的には主機燃料として利用される。
【０００４０】  図１によって従来のＬＮＧ燃料船およびＬＮＧ輸送船でのＬＮＧの燃料系統を説明する。
図１Ａは、従来のＬＮＧ燃料船での燃料系統を示し、ＬＮＧはタンク０１から直接ポンプで汲み出されて液体のまま供給管０２を経てＬＮＧ蒸発器０３に流れ、ここで高温の水蒸気０４によって加熱され、更に気化されて、ＬＮＧヒーター０５に入り、ここで再度水蒸気０４によって加熱され、常温ガス０６として主機に供給される。すなわちＬＮＧの気化及び低温ガスが有する潜熱および顕熱の全冷熱は有効に利用されずに大気に捨てられている。またＬＮＧの全冷熱を奪うための新たな高温水蒸気が必要になる。
図１Ｂは、従来のＬＮＧ輸送船の燃料系統を示し、ＬＮＧはタンク０１から蒸発した低温蒸気として供給されて供給管０７を経てＬＮＧヒーター０５に入り、ここで高温水蒸気０４によって常温まで加熱され、常温ガス０６として主機に供給される。すなわちここでも超低温のＬＮＧの冷熱の利用はなく、蒸気の昇温に高温水蒸気が消費されている。一方の主機から放出される諸高温の熱源は１００〜２００℃以下のものは利用されることなく廃棄されている。
【０００４１】  図２によって本実施形態によるＬＮＧ輸送船の場合のＬＮＧの冷熱回収系統、即ちバイナリー発電システムの作動流体の凝縮系統について説明する。冷熱源であるＬＮＧはＬＮＧタンク３０から蒸発蒸気として取り出され、圧縮機３１ｂによって昇圧後、ガス供給管３２ｂを通って凝縮器２１に導かれる。凝縮器２１内で低温のＬＮＧ蒸発蒸気は管壁を介して作動流体を冷却することによって作動流体を所定の凝縮温度で液化し、凝縮器の底部に作動流体液１として貯蔵される。凝縮器の温度が作動流体の凍結温度以下に低下する場合には温度調整器３３によって検知してガスバイパス弁３４ｂを開けて低温のＬＮＧ蒸発蒸気は凝縮器２１をバイパスしてそのままガス加熱器３５へ送られる。凝縮器２１およびガスバイパス弁３４ｂを出たＬＮＧガスはガス加熱器３５によって常温まで昇温されて主機３６へと導かれる。
【０００４２】  以下図２および図３では共通機能を持つ機器については同じ番号を付して共通した説明を行う。
先ず図２および図３によってＬＮＧ輸送船およびＬＮＧ燃料船に共通する本実施形態による凝縮器からの作動流体のポンプによる昇圧と送り出しについて説明する。
作動流体は凝縮器２１から液位制御器２８と流量制御弁２９によってポンプ２の正常な作動に必要なＮＰＳＨ（正味の正側吸入圧力）が得られるように液位を維持してポンプ２によって昇圧されて汲み出されて、高圧作動流体３として再生器４へ導かれる。ポンプ２は回転軸の潤滑に作動流体自身が用いられる自己潤滑型とし、作動流体中に没液型とする。
【０００４３】  図２および図３によってＬＮＧ輸送船およびＬＮＧ燃料船に共通する本実施形態による作動流体の再生機能について説明する。タービン１４の吐出ガス１６はガス冷却器１８内で海水ライン１７によって常温まで冷却された後に、再生器４に運ばれて低温の高圧作動流体３と熱交換されて更に冷却されて低温ガス２０として凝縮器２１に導かれた後に凝縮される。一方の高圧作動流体３は再生器４内で昇温される。このように再生器４では２つの流体間の相互の熱交換を行うことで全体の熱効率を上げる機能を持つ。
【０００４４】  図２および図３によってＬＮＧ輸送船およびＬＮＧ燃料船に共通する本実施形態による作動流体の気化と加熱の機能について説明する。再生器４を出た作動流体は気化器５に入り、海水供給６によって潜熱を与えられて気化する。与える海水の流量は作動流体を流す管の表面における海水の凍結を防止する観点から決められる。気化後の作動流体は同じく海水供給８による加熱器７に入り、ここで常温まで昇温されて常温ガス９となる。気化器５と加熱器７は一つの機器として纏めることも可能であり、その場合は海水によって作動流体の気化と常温までの昇温が一つの機器の中で行われる。
【０００４５】  図２および図３によってＬＮＧ輸送船およびＬＮＧ燃料船に共通する本実施形態による作動流体の過熱の機能について説明する。常温ガス９は過熱器１０に入り、排気ガス、掃気或いは冷却水の加熱源供給１１によって過熱領域まで昇温されて過熱ガス１２となる。
【０００４６】  図２および図３によってＬＮＧ輸送船およびＬＮＧ燃料船に共通する本実施形態による作動流体による仕事取り出しについて説明する。過熱ガス１２はガス圧力調整弁１３を経てタービン１４に入りガスの膨張行程によって回転仕事をなし、同軸にある発電機１５を回しその出力は外部に電力として取り出される。タービン内で仕事をした作動流体は減圧と降温されて吐出ガス１６としてガス冷却器１８へ流れ、ここで海水供給１７によって更に冷却されて常温ガス１９として再生器４に導かれる。
【０００４７】  図３によって本実施形態によるＬＮＧ燃料船の場合のＬＮＧの冷熱回収系統、即ちバイナリー発電システムの作動流体の凝縮系統について説明する。冷熱源であるＬＮＧはＬＮＧタンク３０からＬＮＧポンプ３１ａによって昇圧されて汲み出されてＬＮＧ供給管３２ａを通って凝縮器２１に導かれる。凝縮器２１内で低温のＬＮＧ蒸発蒸気は管壁を介して作動流体を冷却することによって作動流体を所定の凝縮温度で液化し、凝縮器の底部に作動流体液１として貯蔵される。凝縮器の温度が作動流体の凍結温度以下に低下する場合には温度調整器３３によって検知してＬＮＧバイパス弁３４ａを開けてＬＮＧ液は凝縮器２１をバイパスしてそのまま気化加熱器３７へ送られる。
【０００４８】  図３によって本実施形態によるＬＮＧ燃料船の場合のＬＮＧガスによるタービン発電システムについて説明する。凝縮器２１内で管壁を介して作動流体を冷却・液化する過程で気化・昇温したＬＮＧガス、或いはＬＮＧバイパス弁３４ａを通ったＬＮＧ液は気化加熱器３７で海水供給３８によって気化され、更に常温まで昇温されて過熱器３９へと導かれる。過熱器３９の過熱源供給４０の熱媒としては排気ガス、掃気或いは冷却水が用いられる。高圧の過熱ガスはガス圧力調整弁４１を経てＬＮＧタービン４２に導かれてガスの膨張行程によって回転仕事をなし、同軸にある発電機４３を回しその出力を外部に電力として取り出される。タービン内で仕事をしたＬＮＧガスは主機に必要な圧力まで減圧されて、必要に応じて蒸気等によるＬＮＧ加熱器４４によって昇温されて主機４５へと導かれる。
【０００４９】  図４によって本発明によるＬＮＧの冷熱をブラインを介して間接的に作動流体に伝達する場合のＬＮＧとブラインの流れを説明する。先ずＬＮＧ液或いはＬＮＧ蒸気４６はブライン／ＬＮＧ熱交換器４７に流れて、ここでＬＮＧの有する潜熱および顕熱をブラインに伝達して、ブラインを冷却する。ＬＮＧ本体はブラインから熱をもらい気化し、更には昇温して更に加熱器へと導かれる。冷却された低温ブラインはブラインポンプ４８によって凝縮器２１へと流れ、凝縮器内で作動流体の冷却と液化を行った後もとの熱交換器４７へと戻り循環する。凝縮器内での作動流体の凍結防止に対する機能はＬＮＧによる直接冷却の場合と同じである。
【０００５０】  図５によって本発明による作動流体のサイクル内の流れと、それぞれの機器内での効果について説明する。図５は作動流体の一例をＨＦＣ−１３４ａとした場合の圧力ｐを縦軸にとりエンタルピーｈを横軸にとって、両者の関係を定量的に示したｐ−ｈ線図であり、同図内に本発明によって形成される作動流体の閉回路のサイクル内の流れを３種類のケースについて例示する。それぞれの線は次表に示す緒元を持っている。
実線の場合で作動流体の機能を示すと、右回りに先ずＬＮＧ等による冷却と液化から始まり、次にポンプによる加圧、更に海水、排気ガス、掃気等による気化と加熱・過熱、最後にタービン仕事と発電となって最終的に電力が外部に取り出される。それぞれの過程での熱的な変化量及び仕事量は同過程でのエンタルピーの変化量で表される。
2016008042.tif 000003
【０００５１】  図６は作動流体の一例をＨＦＣ−１３４ａとした場合の温度Ｔを縦軸にとりエントロピーｓを横軸にとって、両者の関係を定量的に示したＴ−ｓ線図であり、同図内に本発明による作動流体のサイクル内の流れを２種類のケースについて示す。図５および図６は表示の物理量の指標が異なるのみで、内容は同じものである。設計者の好みと慣例によってどちらを使うかが決まる。同図におけるそれぞれの線は次表に示す緒元を有する。
2016008042.tif 000004
【０００５２】  図７はＬＮＧ燃料船の場合にポンプ昇圧による高圧のＬＮＧ液をバイナリー作動流体の冷却と凝縮に用いた後、排気ガス等による加熱で過熱ガスとしてタービンを駆動し、発電を行って、あと主機の方へと流す開回路のサイクル例をメタンガスのｐ−ｈ線図上に実線で表したものである。本図に示した場合の緒元を次表に示す。
2016008042.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【０００５３】
【図１】現状のＬＮＧ燃料船とＬＮＧ輸送船のＬＮＧ燃料系統を表し、いずれもＬＮＧの冷熱回収はなされずにＬＮＧは外部の高温水蒸気による気化と加熱によって常温のガスになって主機に流されていることを示す。
【図２】本実施形態によるＬＮＧ輸送船のＬＮＧの冷熱回収による冷却機能を用いた閉回路のバイナリー発電の系統を示す。
【図３】本実施形態によるＬＮＧ燃料船のＬＮＧの冷熱回収による冷却機能を用いた閉回路のバイナリー発電の系統、および冷熱を回収された後のＬＮＧ自体による開回路のランキンサイクルの発電系統と主機への燃料供給を示す。
【図４】本実施形態によるＬＮＧの冷熱をブラインを介して間接的に作動流体に伝達する場合のＬＮＧとブラインの流れを示す。
【図５】本実施形態によるＬＮＧ燃料船とＬＮＧ輸送船に共通した例として３種類のバイナリー発電サイクルの作動流体の圧力ｐとエンタルピーｈの変化をｐ−ｈ線図上に示す。
【図６】本実施形態によるＬＮＧ燃料船とＬＮＧ輸送船に共通した例として２種類のバイナリー発電サイクルの作動流体の温度Ｔとエントロピーｓの変化をＴ−ｓ線図上に示す。
【図７】本実施形態によるＬＮＧ燃料船のＬＮＧ本体による開回路のランキンサイクルによる発電サイクルの例としてＬＮＧガスの圧力ｐとエンタルピーｈの変化をｐ−ｈ線図上に示す。
【符号の説明】
【０００５４】Ａ：現状のＬＮＧ燃料船の燃料供給系統
Ｂ：現状のＬＮＧ輸送船の燃料供給系統
０１：ＬＮＧタンク
０２：ＬＮＧ液供給
０３：ＬＮＧ蒸発器
０４：加熱用水蒸気
０５：ＬＮＧヒーター
０６：ＬＮＧ常温ガス
１：作動流体液
２：ポンプ
３：高圧作動流体
４：再生器
５：気化器
６：海水供給
７：加熱器
８：海水供給
９：常温ガス
１０：過熱器
１１：加熱源供給
１２：過熱ガス
１３：ガス圧力調整弁
１４：タービン
１５：発電機
１６：吐出ガス
１７：海水供給
１８：ガス冷却器
１９：常温ガス
２０：低温ガス
２１：凝縮器
２２：断熱
２３：二重構造
２４：作動流体タンク
２５：圧力調整器
２６：圧力調整弁
２７：ガス供給管
２８：液位調整器
２９：流量制御弁
３０：ＬＮＧタンク
３１ａ：ＬＮＧポンプ
３１ｂ：圧縮機
３２ａ：ＬＮＧ供給管
３２ｂ：ガス供給管
３３：温度調整器
３４ａ：ＬＮＧバイパス弁
３４ｂ：ガスバイパス弁
３４ｃ：ＬＮＧ液或いはＬＮＧガスバイパス弁
３５：ガス加熱器
３６：主機へ
３７：気化加熱器
３８：海水供給
３９：過熱器
４０：過熱源供給
４１：ガス圧力調整弁
４２：ＬＮＧタービン
４３：発電機
４４：ＬＮＧ加熱器
４５：主機へ
４６：ＬＮＧ液或いはＬＮＧガス
４７：ブライン／ＬＮＧ熱交換器
４８：ブラインポンプ
４９：ブラインライン
【図１】
2016008042.tif 000006
【図２】
2016008042.tif 000007
【図３】
2016008042.tif 000008
【図４】
2016008042.tif 000009
【図５】
2016008042.tif 000010
【図６】
2016008042.tif 000011
【図７】
2016008042.tif 000012