三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012) 新製品・新技術特集

技 術 論 文35

排ガスで発電する大型舶用ハイブリッド過給機の実用化
Application of Large Marine Hybrid Turbocharger
for Electric Power Generation by Exhaust Gas from Main Engine

小 野 嘉 久 *1

白 石 啓 一 *2

Yoshihisa Ono

Keiichi Shiraishi

山 下 幸 生 *3
Yukio Yamashita舶用ハイブリッド過給機は，発電機を過給機のロータ軸に直結し，本来のディーゼル機関用過給装置としての機能のほかに，船内で消費する電力を供給する．発電機は，ディーゼル機関の排ガスで駆動される過給機の軸動力の一部で駆動される．したがって，排ガスを利用した排熱回収装置のひとつであり，省エネ効果が期待できる．このためには，高速回転が可能で高効率，小型，大出力の発電機が必要であった．筆者らは，日本郵船(株)，（株）ＭＴＩ，ユニバーサル造船(株)と共同で，大型船用ディーゼル機関用ハイブリッド過給機 MET83MAG を開発し，ケープサイズのばら積み船に搭載し世界で初めて実用化したので，これを紹介する．

|1. はじめに
一般に，排ガスタービン過給機は同軸に単段のタービンとコンプレッサで構成されており，ディーゼル機関の排ガスをタービンに導き，その動力で同軸上のコンプレッサを駆動して燃焼用空気を機関に圧送する装置である．近年の舶用ディーゼル機関用過給機の高効率化によって，ディーゼル機関の排ガスの一部を発電などに利用しても十分な空気を機関に送れるようになった．そこで排ガスの 10％前後をパワータービンに導いて発電機を駆動する排熱回収システムが実用化されている．ハイブリッド過給機も，排ガスエネルギーで得られた過給機タービンの回転出力の一部で発電機を駆動する点で排熱回収システムの一つと言える．過給機に直結した発電機で電力を回収するシステムは三井造船(株)が 2009 年に大型過給機で開発している(1)．
当社が開発した舶用ハイブリッド過給機は，発電機を過給機本体に内蔵しているため，必要な設置スペースが従来の過給機と同等であり，ディーゼル機関側は大きな改造を必要としない．また，双方向の周波数変換装置を適用することにより発電・電動機として作動可能である．これを実現するため，筆者らは，発電機の小型化と，過給機の発電機収納構造設計を実施した.その後，機関とのマッチング試験（組合せ試験），本船での海上試運転を経て本船での運用が開始された. 本論文は，このディーゼル機関との組合せ時の発電に対する機関性能への影響確認結果，海上公試結果について紹介する．

|2. ハイブリッド過給機の優位性
発電機を内蔵した当社ハイブリッド過給機は，従来の排ガスパワータービンと同様に過給機入口の排ガスのエネルギーで発電するものであるが，パワータービンに比較して次のメリットがある．
(1) 過給機の外形寸法の増加はわずかで，排ガスの配管・弁制御が不要であるため，搭載に当たっての機関の改造も少なく，レトロフィットは比較的容易である．
*1 原動機事業本部舶用機械・エンジン事業部舶用機械部*3 技術統括本部長崎研究所 技術士（電気電子部門）*2 原動機事業本部舶用機械・エンジン事業部舶用機械部課長

三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012)36(2) 配管途中での熱損失，圧力損失がなく，さらに，過給機のタービンで熱回収するので高効率である．
(3) 発電機を電動機として運転することで過給機を加勢できる．
発電機本体から出力される三相交流の電圧，周波数は過給機の回転数に依存するのでそのままでは船内での電力として用いることはできない．したがって，発電機が発生する交流電力は一旦直流電力に変換された後，インバータで船内電力系統に適した電圧と周波数に変換されるが，本システムでは IGBT によるアクティブ整流によるコンバータ，インバータを採用している．これら両者は双方向変換器なので，船内から電力を供給することで発電機を電動機として機能させ，過給機を加速することができる．２サイクル低速ディーゼル機関において，機関の低負荷運転時には過給機だけでは十分な燃焼空気を機関に供給できないため，電動補助ブロワで空気送入を加勢している．このハイブリッド過給機の電動機能を用いると補助ブロワの代用となり，さらに，空気は高効率の過給機コンプレッサで圧縮されるので必要な電力も補助ブロワより小さくできる可能性がある．

|3. ハイブリッド過給機の構造
図１に初号機となった MET83MAG ハイブリッド過給機の断面図を示す．発電機は，サイレンサ内に収まるように小型化している．このために発電機冷却構造の設計が課題であった．冷却水と冷却空気，潤滑油を外部から供給する通路を発電機ハウジングに内蔵し小型化した．発電機軸
受には，過給機で十分信頼性を確認している MET53MA 型の滑り軸受をそのまま採用した．発電機のシール構造は，シール空気とラビリンスシールによって潤滑油が入力軸側及びステータ側に漏れないようにしている．
このハイブリッド過給機からの発電電力は，通常航海中の船内電力需要のすべてを賄う．したがって，DC-AC インバータは，出力電力の周波数と電圧を一定に保つだけでなく，船内の電源として適切な力率と，必要な短絡電流供給能力を有する．図２に，周波数変換装置（AC-DC コンバータ，DC-AC インバータ）の外観写真を示す．

図１ MET83MAG ハイブリッド過給機断面図

図２ 周波数変換装置外観|4. ハイブリッド過給機 初号機試験結果
4.1 単独試験結果
初号機となる MET83MAG ハイブリッド過給機（初号機はモータリング機能なし）は 2008 年度初めに開発に着手．その後 2010 年５月に当社での単独試験を実施し，その性能を確認した（2）．この単独試験においては，過給機の性能だけではなく，発電機の性能に関する試験（負荷特性試
験，ガバナ特性試験，温度上昇試験など）を実施し，発電機の特性に関して確認した．この単独試験時の負荷遮断試験結果を図３，負荷投入試験結果を図４，温度上昇試験結果を図５に示す．図３，４に示すように，負荷遮断並びに投入時の瞬時周波数変動は船級規則に定められている±10％以内でありかつ５秒以内に定格周波数±１％以内に復帰している．また，温度上昇試験においても周囲温度（気温）35℃において各部の温度は設計値内であることを確認した．

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図３ 負荷遮断試験結果（単独運転時）

図４ 負荷投入試験結果（単独運転時）

図５ 温度上昇試験結果（560kW 発電時）（単独運転時）4.2 機関とのマッチング試験結果
当社での単独試験終了後，MET83MAG ハイブリッド過給機は機関メーカで低速ディーゼル機
関 7S65ME-C 型に搭載され，2010 年 12 月に機関とのマッチング試験を実施した．このときの主機関に搭載した写真を図６に，過給機性能試験結果を図７に示す．本試験では主機関負荷 60％以上で発電を開始し，主機関負荷 75％以上で単独運転（船内電力需要を本ハイブリッド過給機で供給）が可能か確認試験を実施した．図７に示すとおり，主機関負荷 75％以上で要求過給効率を満足した上で所定の発電量を確保できることを確認した．コンプレッサマップにおける機関作動点を図８示す．発電有り無しの場合によるコンプレッサマップにおける機関作動点の影響を確認し，十分なサージマージンを確保していることを確認した．
また，発電機負荷の過渡的変化が過給機運転へ及ぼす影響を確認するため，発電機の急負荷投入，負荷遮断試験を実施した．その試験結果を図９に示す．負荷投入並びに負荷遮断ともに約 30 秒で過給機回転が一定となり，サージングが発生しないことを確認した．

4.3 海上試運転結果
2011 年４月に本 MET83MAG を搭載した船の海上試運転がユニバーサル造船で実施された．
海上試運転では，ハイブリッド過給機とディーゼル発電機との並列運転，主機関負荷 75％負荷以上でのハイブリッド過給機発電機の単独運転を実施し，船内電力をすべてハイブリッド過給機で供給したとき，船内電力負荷が急変動しても安定して電力を供給し続けることを確認した．
現在，この MET83MAG ハイブリッド過給機を搭載したばら積み船(図１０,船名：SHIN KOHO）は就航し，福神汽船（株)協力のもと，日本郵船(株)が実用運転状況を確認中である．

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図６ 日立造船(株)7S65ME-C 機関とのマッチング試験時搭載写真

図７ 機関とのマッチング性能試験結果

図８ コンプレッサマップにおける機関作動点

図９ 機関搭載時における負荷遮断，投入試験結果

図１０ 実機搭載船写真|5. まとめ
当社は日本郵船(株)，（株）ＭＴＩ，ユニバーサル造船(株)と共同で開発し，ハイブリッド過給機
MET83MAG 初号機を世界で初めて実用化した．ハイブリッド過給機は，機関排ガスの余剰エネルギーを電力で回収するだけでなく，これまで機関の出力に応じて従属的に作動していた従来の過給機と異なり，発電量を制御することで過給機の回転，すなわち機関に送る燃焼空気の流量が制御可能になる．これにより，省エネルギーや環境規制対応へのさまざまな応用が可能であるので今回の初号機の実用運転状況を確認しながら，ほかのサイズの過給機へ展開する足がかりとしていきたい．最後に，本ハイブリッド過給機の開発にあたり，貴重な意見と技術指導を提供して頂いた福神汽船㈱，日立造船(株)，大洋電機(株)，Calnetix Inc.の各社に謝意を表します．
本研究開発は国土交通省の「船舶からの CO2 削減技術開発支援事業」の補助対象事業として，また一般財団法人日本海事協会の「国際海運における温室効果ガス削減技術に関する研究開発」の共同研究テーマとして採択されています．

参考文献(1) 近藤守男ほか，中型及び大型エンジン用ターボチャージャー直結型発電システムの開発，三井造船技報 No.199 (2010-2)(2) 白石ほか，排ガスで発電する大型舶用ハイブリッド過給機の開発，三菱重工技報 Vol.47 No.3 (2010)