(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン(1) からの排ガスを取り出す排ガス配管(4) に、排ガスの熱によって水蒸気を発生する水蒸気ボイラ(5) を介装し、前記水蒸気ボイラ(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記水蒸気ボイラ(5) で発生した水蒸気によって駆動する水蒸気タービン(9) と、前記水蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す第１の復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管(13)に、ジャケット冷却水の熱によって、水よりも低温で蒸発を開始する２成分系混合流体の気液混合蒸気を発生する蒸気発生装置(14)を介装し、前記蒸気発生装置(14)に第２の循環配管(16)を接続するとともに、前記第２の循環配管(16)に、２成分系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離する分留器(17)と、前記分留器(17)で分離された低温蒸気成分によって駆動する低温蒸気タービン(18)と、前記低温蒸気タービン(18)を経た後の低温蒸気成分を水に戻す第２の復水器(19)とをその順に直列接続し、かつ、前記分留器(17)と前記第２の復水器(19)とを、前記分留器(17)で分離された２成分系混合流体の液成分を前記第２の復水器(19)に戻す第１の配管(20)を介して接続し、
前記水蒸気タービン(9) および前記低温蒸気タービン(18)に駆動装置(22)を連動連結し、
前記排ガス配管(4) の前記水蒸気ボイラ(5) の下流側に、前記水蒸気ボイラ(5) を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ(23)を介装し、前記低温蒸気ボイラ(23)に、前記第２の復水器(19)と前記分留器(17)とを接続する第２の配管(24)を伝熱可能に設けてあることを特徴とする排熱回収システム。
【請求項２】
請求項１に記載の排熱回収システムにおいて、
第２の循環配管(16)の第２の復水器(19)と蒸気発生装置(14)との間の箇所と、第１の配管(20)とにわたり、前記第２の復水器(19)に戻される液成分の熱を前記蒸気発生装置(14)に供給される２成分系混合流体に付与する予熱用熱交換器(25)を設けてある排熱回収システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の排熱回収システムにおいて、
第２の配管(24)の低温蒸気ボイラ(23)と分留器(17)との間の箇所と、第２の循環配管(16)の前記分留器(17)と低温蒸気タービン(18)との間の箇所とにわたり、前記分留器(17)から前記低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を加熱する過熱用熱交換器(31)を設けてある排熱回収システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コ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、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンから発生する排熱を回収して電力や動力を取り出すように構成した排熱回収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のシステムとしては、従来一般に、エンジンから発生する排気ガスとの熱交換により水蒸気を発生させ、この水蒸気で水蒸気タービンを駆動して動力や電力を得るように構成されている。
ところが、水蒸気を発生させた後の排ガスの温度が 200℃以上もあるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。また、同様に、エンジンからのエンジン冷却後のジャケット冷却水も、その温度が85℃以上あるにもかかわらず、何ら利用されずに捨てられていた。
【０００３】
このような問題を解消するものとして、本出願人は、特開平１１−３５０９２０号公報に開示されるものを提案した。
この公報例のものによれば、図３の従来例の概略構成図に示すように、エンジン０１を冷却した後のジャケット冷却水により水とそれよりも沸点が低いアンモニアから成る２成分系混合流体を加熱して再生器０２で２成分系混合流体のアンモニア蒸気を発生させ、その再生器０２で発生した蒸気を吸収冷凍機の作動熱源に利用するように構成している。
【０００４】
また、エンジン０１からの排気ガスの高温排熱により高温蒸気発生装置０３で水蒸気を発生させ、その水蒸気で水蒸気タービン０４を駆動するとともに、水蒸気タービン０４を経た水蒸気を復水器０５に戻すように構成している。
更に、吸収冷凍機の凝縮器０６からの低温蒸気成分と吸収器０７からの２成分系混合流体との混合液を、熱交換器０８により、高温蒸気発生装置０３を経た排ガスで加熱し、２成分系混合流体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン０９を駆動し、水蒸気タービン０４および蒸気タービン０９を同軸にして発電機０１０を駆動するように構成している。
【０００５】
そして、吸収冷凍機の蒸発器０１１において、冷凍用媒体取り出し配管０１２を介して７〜８℃以下の低温の冷凍用媒体などの冷熱を取り出すようにしている。更に、蒸発器０１１と復水器０５とを冷却水配管０１３を介して接続し、７〜８℃以下の低温の２成分系混合流体の低温蒸気成分で復水器０５を冷却し、水蒸気を水に戻すように構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報例の場合、冷熱と動力とを同時に取り出すには都合が良いが、このような構成を動力のみを取り出すのに適用しようとすると、システム構成が高価になって適用しづらい問題があった。
【０００７】
すなわち、吸収冷凍機の再生器０２において、アンモニアと水とを精度良く分離するための精留器が必要であり、そのような精留器や蒸発器０１１などの設備に起因して高価になる。また、凝縮器０６で凝縮させた２成分系混合流体の低温蒸気成分を蒸発器０１１を通じ、冷却水配管０１３を介して復水器０５に供給するようにしているが、この配管構成もコスト高の要因になっている。
【０００８】
更に、復水器０５において、７〜８℃程度まで冷却すると、水蒸気ランキンサイクルを構成する水の場合、復水器０５での真空度が必要以上に高くなり、その真空度を維持するためのシール構造や真空ポンプとして高性能のものが必要になって、高価になる。そのうえ、真空度が高い低圧部分では、タービン効率が悪くて動力の取り出しに有効ではない。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明の排熱回収システムは、安価な構成で動力を取り出して、排熱を有効に回収できるようにすることを目的とし、また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、排熱の回収効率をより高めることができるようにすることを目的とし、そして、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、低温蒸気タービンの断熱効率をより高めることができるようにすることを目的する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、エンジン(1) からの排ガスを取り出す排ガス配管(4) に、排ガスの熱によって水蒸気を発生する水蒸気ボイラ(5) を介装し、前記水蒸気ボイラ(5) に第１の循環配管(8) を接続するとともに、前記第１の循環配管(8) に、前記水蒸気ボイラ(5) で発生した水蒸気によって駆動する水蒸気タービン(9) と、前記水蒸気タービン(9) を経た後の水蒸気を水に戻す第１の復水器(10)とをその順に直列接続し、
前記エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管(13)に、ジャケット冷却水の熱によって、水よりも低温で蒸発を開始する２成分系混合流体の気液混合蒸気を発生する蒸気発生装置(14)を介装し、前記蒸気発生装置(14)に第２の循環配管(16)を接続するとともに、前記第２の循環配管(16)に、２成分系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離する分留器(17)と、前記分留器(17)で分離された低温蒸気成分によって駆動する低温蒸気タービン(18)と、前記低温蒸気タービン(18)を経た後の低温蒸気成分を水に戻す第２の復水器(19)とをその順に直列接続し、かつ、前記分留器(17)と前記第２の復水器(19)とを、前記分留器(17)で分離された２成分系混合流体の液成分を前記第２の復水器(19)に戻す第１の配管(20)を介して接続し、
前記水蒸気タービン(9) および前記低温蒸気タービン(18)に駆動装置(22)を連動連結し、
前記排ガス配管(4) の前記水蒸気ボイラ(5) の下流側に、前記水蒸気ボイラ(5) を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ(23)を介装し、前記低温蒸気ボイラ(23)に、前記第２の復水器(19)と前記分留器(17)とを接続する第２の配管(24)を伝熱可能に設けて構成する。
【００１１】
水よりも低温で蒸発を開始する２成分系混合流体としては、アンモニア−水系の混合流体、メタノール−水系の混合流体等が使用できる。この２成分系混合流体は、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を熱源とする蒸気発生装置(14)で、混合流体から低温蒸発成分の蒸気を、すなわち、低温蒸気成分を発生できればよく、主成分以外に若干の第三成分を含んでいてもよい。
【００１２】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１に係る発明の排熱回収システムにおいて、第２の循環配管(16)の第２の復水器(19)と蒸気発生装置(14)との間の箇所と、第１の配管(20)とにわたり、前記第２の復水器(19)に戻される液成分の熱を前記蒸気発生装置(14)に供給される２成分系混合流体に付与する予熱用熱交換器(25)を設けて構成する。
【００１３】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムは、上述のような目的を達成するために、請求項１または請求項２に記載の排熱回収システムにおいて、第２の配管(24)の低温蒸気ボイラ(23)と分留器(17)との間の箇所と、第２の循環配管(16)の前記分留器(17)と低温蒸気タービン(18)との間の箇所とにわたり、前記分留器(17)から前記低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を加熱する過熱用熱交換器(31)を設けて構成する。
【００１４】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、エンジン(1) からの排ガスの高温部分の熱を利用して水蒸気ボイラ(5) で水蒸気を発生させ、その水蒸気によって水蒸気タービン(9) を駆動して駆動装置(22)を駆動し、例えば、電力や動力などを取り出すことができる。
また、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水の熱を利用して蒸気発生装置(14)で２成分系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、その２成分系混合流体の気液混合蒸気を分留器(17)に供給して低温蒸気成分を取り出し、更に、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後のエンジン(1) からの排ガス、換言すれば、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱を利用して低温蒸気ボイラ(23)で第２の復水器(19)からの２成分系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、その気液混合蒸気をも分留器(17)に供給して気液混合蒸気から低温蒸気成分を取り出し、それらの合流させた低温蒸気成分により低温蒸気タービン(18)を駆動して駆動装置(22)を駆動し、例えば、電力や動力などを取り出すことができる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、分留器(17)から第２の復水器(19)に戻される液成分の熱を利用して蒸気発生装置(14)に供給される２成分系混合流体を加熱することができる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムの構成によれば、低温蒸気ボイラ(23)から分留器(17)に供給される気液混合蒸気の熱を利用して、分留器(17)から低温蒸気タービン(18)に供給する低温蒸気成分を過熱用熱交換器(31)で加熱し、低温蒸気タービン(18)に過熱蒸気を供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図であり、過給機ＴＣを備えたエンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
【００１８】
過給機ＴＣに排ガス配管４が接続され、その排ガス配管４に水蒸気ボイラ５が介装され、エンジン１から取り出される排ガスの熱によって水蒸気を発生するように構成されている。図中６は、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置を示している。
【００１９】
水蒸気ボイラ５に第１のポンプ７を介装した第１の循環配管８を接続するとともに、第１の循環配管８に、水蒸気タービン９と第１の復水器１０とをその順に直列接続して水蒸気のランキンサイクルが構成されている。
これにより、水蒸気ボイラ５で発生した水蒸気によって水蒸気タービン９を駆動するとともに、水蒸気タービン９を経た後の水蒸気を第１の復水器１０で水に戻すようになっている。
【００２０】
過給機ＴＣからエンジン１に燃焼用空気を供給する給気管１１に第１および第２のインタークーラーＣ１，Ｃ２が設けられ、その第１のインタークーラーＣ１に、第１の循環配管８の水蒸気タービン９と第１の復水器１０との中間箇所が導入され、第１の復水器１０から水蒸気タービン９に供給される水の冷熱を燃焼用空気の冷却に利用するように構成されている。また、第２のインタークーラーＣには冷却水供給管２６が導入され、第１のインタークーラーＣ１で所望の冷却が行えないときに不足分の冷却を行うようになっている。
【００２１】
第２のポンプ１２を介装した、エンジン１からのエンジン冷却後のジャケット冷却水を取り出す冷却水配管１３に、蒸気発生装置１４を介装し、その蒸気発生装置１４に、第３のポンプ１５を介装した第２の循環配管１６を接続するとともに、第２の循環配管１６に、分留器１７と低温蒸気タービン１８と第２の復水器１９とをその順に直列接続して、水よりも低温で蒸発を開始する２成分系混合流体としてのアンモニア−水系混合流体による動力回収サイクルが構成されている。
【００２２】
これにより、ジャケット冷却水の熱によって、蒸気発生装置１４でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気を発生させ、分留器１７でアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気から低温蒸気成分を分離し、低温蒸気成分によって低温蒸気タービン１８を駆動するとともに、低温蒸気タービン１８を経た後の低温蒸気成分を第２の復水器１９で水に戻すようになっている。
【００２３】
分留器１７と第２の復水器１９とが第１の配管２０を介して接続され、分留器１７で分離されたアンモニア−水系混合流体の液成分を第２の復水器１９に戻すようになっている。
【００２４】
水蒸気タービン９および低温蒸気タービン１８が同一の動力取出軸２１に設けられ、その動力取出軸２１に駆動装置としての発電機２２が連動連結されている。駆動装置としては、発電機２２に限らず、ポンプや圧縮機や各種の機械装置が適用できる。また、水蒸気タービン９および低温蒸気タービン１８それぞれに個別に動力取出軸を設け、その動力取出軸それぞれに個別に駆動装置を連動連結するようにしても良い。
【００２５】
排ガス配管４の水蒸気ボイラ５の下流側に、水蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱を取り出す低温蒸気ボイラ２３が介装され、その低温蒸気ボイラ２３に、第２の循環配管１６の第３のポンプ１５の下流箇所と分留器１７とを接続する第２の配管２４が伝熱可能に接続され、水蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱（約 200℃）によってアンモニア−水系混合流体の高温の気液混合蒸気を発生させ、分留器１７に供給するようになっている。
【００２６】
この構成により、分留器１７に、ジャケット冷却水の熱により蒸気発生装置１４で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気と、水蒸気ボイラ５を経た後の排ガスからの排熱（約 200℃）により低温蒸気ボイラ２３で発生させたアンモニア−水系混合流体の高温の気液混合蒸気とを混合し、低温蒸気タービン１８に高温の蒸気を供給して断熱効率を向上し、出力を増加できるようになっている。
【００２７】
第２の循環配管１６の第２の復水器１９と蒸気発生装置１４との間の箇所と、第１の配管２０とにわたって予熱用熱交換器２５が設けられ、第２の復水器１９に戻される液成分の熱を蒸気発生装置１４に供給されるアンモニア−水系混合流体に付与し、排熱回収効率を向上できるように構成されている。
【００２８】
第１および第２の復水器１０，１９、ならびに、クーラーＣそれぞれには、クーリングタワーからの冷却水供給管２６が導入されている。
【００２９】
次に、上記第１実施例の排熱回収システムのシミュレーションの結果について説明する。
出力 6,000kwで効率40％、空気比 1.7のエンジン１を用い、低温蒸気ボイラ２３への入口での排ガス温度が 200℃、ジャケット冷却水から蒸気発生装置１４への入熱がエンジン１の入力エネルギーの20％であるとした。また、低温蒸気タービン１８の断熱効率が80％、発電機２２の発電効率が90％であるとした。
【００３０】
上記の結果、低温蒸気タービン１８（水蒸気タービン９を除く）で得られる発電量は、エンジン１の入力エネルギーの約 2.5％であった。これは、本出願人が先に提案した排熱回収システム（特願２０００−３９７３５０号）に比べて 0.5％向上できることが明らかであった。
先に提案した排熱回収システムは、低温蒸気ボイラ（熱交換器）２３で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気を分留器に供給して低温蒸気成分を分離した後、凝縮器で液化し、その低温蒸気成分の液を予熱用熱交換器２９の上流側に供給し、蒸気発生装置１４で発生する蒸気量を増大させるように構成したものである。この提案例の場合、低温蒸気ボイラ（熱交換器）２３で発生させたアンモニア−水系混合流体の気液混合蒸気が高温であるにもかかわらず、それを凝縮器で冷却する分だけ、回収する熱エネルギー量が減少したものと推定される。
【００３１】
図２は、本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図であり、第１実施例と異なるところは次の通りである。
すなわち、第２の配管２４の低温蒸気ボイラ２３と分留器１７との間の箇所と、第２の循環配管１６の分留器１７と低温蒸気タービン１８との間の箇所とにわたって過熱用熱交換器３１が設けられ、分留器１７から低温蒸気タービン１８に供給する低温蒸気成分を加熱できるように構成されている。他の構成は第１実施例と同じであり、同一図番を付すことにより、その説明は省略する。
【００３２】
この第２実施例によれば、低温蒸気タービン１８に供給する蒸気を過熱蒸気とすることができ、低温蒸気タービン１８の断熱効率を一層向上できて出力を一層増加できる。
【００３３】
上述エンジン１としては、ミラーサイクルガスエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のガスエンジンを用いることができる。
【００３４】
また、上記実施例では、エンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００３５】
特許請求の範囲、課題を解決するための手段、作用および効果それぞれにおいて、内容をわかりやすくするために参照用として図番を付したが、そのことに制約されるものではない。
【００３６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に係る発明の排熱回収システムによれば、エンジン(1) からの排ガスの高温部分の熱により発生させた水蒸気で水蒸気タービン(9) を駆動して駆動装置(22)を駆動し、電力や動力を取り出すから、エンジン(1) からの排熱を有効に回収できる。
また、エンジン(1) からのエンジン冷却後のジャケット冷却水の熱により蒸気発生装置(14)で発生させた２成分系混合流体の気液混合蒸気と、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後の、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱を利用して、低温蒸気ボイラ(23)で発生させた２成分系混合流体の気液混合蒸気とにより低温蒸気タービン(18)を駆動して駆動装置(22)を駆動し、電力や動力を取り出すから、従来のような高価な精留器や蒸発器などを用いずに、安価な構成で動力を取り出して、エンジン(1) からの排熱を有効に回収できる。
しかも、水蒸気ボイラ(5) で熱交換した後の、エンジン(1) からの排ガスの低温部分の熱は、低温部分といっても約 200℃程度はあり、ジャケット冷却水の熱で発生させる２成分系混合流体の気液混合蒸気よりも高温で、それらを合流して分留器(17)で取り出される蒸気を高温にでき、低温蒸気タービン(18)に高温の蒸気を供給して断熱効率を高くでき、その出力を増加できる。
【００３７】
また、請求項２に係る発明の排熱回収システムによれば、分留器(17)から第２の復水器(19)に戻される液成分の熱を、蒸気発生装置(14)に供給される２成分系混合流体の加熱に利用するから、排熱の回収効率をより高めることができる。
【００３８】
また、請求項３に係る発明の排熱回収システムによれば、低温蒸気ボイラ(23)から分留器(17)に供給される気液混合蒸気の熱を利用して、低温蒸気タービン(18)に過熱蒸気を供給するから、低温蒸気タービン(18)の断熱効率を一層良好に高くできて、その出力を一層増加できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱回収システムの第１実施例を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係る排熱回収システムの第２実施例を示す概略構成図である。
【図３】従来例の排熱回収システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１…エンジン
４…排ガス配管
５…水蒸気ボイラ
８…第１の循環配管
９…水蒸気タービン
１０…第１の復水器
１３…冷却水配管
１４…蒸気発生装置
１６…第２の循環配管
１７…分留器
１８…低温蒸気タービン
１９…第２の復水器
２０…第１の配管
２１…動力取出軸
２２…駆動装置としての発電機
２３…低温蒸気ボイラ
２４…第２の配管
２５…予熱用熱交換器
３１…過熱用熱交換器
【図１】
0004375908.tif 000002
【図２】
0004375908.tif 000003
【図３】
0004375908.tif 000004