三菱重工技報 Vol.49 No.1 (2012) 新製品・新技術特集

技 術 論 文30

舶用ディーゼル主機関の超省エネ排熱回収装置の実用化
Application of Super Waste Heat Recovery System for Marine Diesel Engine

市 来 芳 弘 *1

白 石 啓 一 *2

Yoshihiro Ichiki

Keiichi Shiraishi

金 星 隆 之 *3

小 野 嘉 久 *3

Takayuki Kanaboshi

Yoshihisa Ono

船舶の環境規制強化や燃費向上の市場ニーズ増大へのソリューションとして舶用ディーゼル主機関の超省エネ排熱回収装置を開発した．従来型の排熱回収システムであるディーゼル主機
関排ガスを利用した排ガスエコノマイザ＋蒸気タービン発電システムでは，過給機の駆動にエンジンからの排ガス全てを使っていた．今回開発したのは，一部の排ガスを抽気して駆動するパワータービン（ガスタービン）を備え，自動嵌脱クラッチで連結された蒸気タービンとともに発電機を駆動する我が国初の複合型舶用エネルギー回収システムである．従来型回収システムと比較して発電量が約２～３倍へ大きく増加し，船舶機関プラント効率を大きく向上（相対値８～10％）させることができ，船舶の CO2 削減に寄与できる．このシステムは，欧州某船主向けコンテナ船 38 隻（大宇造船工業(株)建造 7450 個積船：16 隻及び現代重工業(株)建造 4500 個積船：22 隻）に搭載される．2011 年３月，１隻目の海上試運転が行われたあと，船主に引き渡され，現在 16 隻が就航している．

|1. はじめにディーゼル主機関の排熱回収装置として排ガスエコノマイザを介して蒸気タービン駆動発電機で船内電力を賄うことは船舶では既に適用されてきた技術であった．新型超省エネ排熱回収装
置は，既存の排ガスエコノマイザを介して駆動する蒸気タービン発電機に加えて，ディーゼル主機関からの高温排ガスの一部を過給機上流より抽気してパワータービン（ガスタービン）を駆動するもので，パワータービンと自動嵌脱装置を介して連結される蒸気タービンとで発電機を駆動する複合型発電装置である．本装置の機器構成として，パワータービンは，自動嵌脱装置であるワンウェイクラッチで蒸気タービンと連結されている．まず蒸気タービンにて負荷を取った後，パワータービンを起動，パワータービンの回転数が所定の回転数に到達した際，ワンウェイクラッチにより自動的に蒸気タービンに嵌合され，パワータービンの回転トルクは蒸気タービンを通じて発電機を駆動する．このような蒸気タービン及びパワータービンの並列運転状況下において，船内電力需要が排熱回収発電装置のフル発電出力を下回った場合，排ガス熱から得られる蒸気を優先的に使用して蒸気タービンで発電し，不足電力分をパワータービンにて補う．初号機搭載船は 2011年３月海上試運転が行われ，現在，既に 16 隻が就航している．ここに海上試運転及び就航実績について紹介する．

|2. 超省エネ排熱回収発電装置の概要
2.1 主要目
表１に 7450 個積みコンテナ船に搭載されたディーゼル主機関及び超省エネ排熱回収装置の*1 原動機事業本部舶用機械・エンジン事業部舶用機械部主席技師*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*3 原動機事業本部舶用機械・エンジン事業部舶用機械部

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31主要目を示す．なお，超省エネ排熱回収装置は ISO90％条件での運航を最高効率点とし設計されている．
表１ ディーゼル機関及び超省エネ排熱回収装置の主要目
主機出力＆回転数

MCR 45 740kW(38 880kW) x 78 rpm(73.9rpm)*1

蒸気タービン型式

三菱 ATD52CLM

蒸気タービン最大出力

2 500kW

蒸気タービン回転数

8 685rpm

入口蒸気圧力＆温度

0.588MPa(G), 267℃

復水器真空6.0kPa

パワータービン型式

三菱 MPT42

パワータービン最大出力

1 700kW

パワータービン回転数

19 414rpm

発電機最大出力＆回転数

4 000kW, 1 800rpm*1:()内は De-rating された仕様

2.2 蒸気タービン＆パワータービンコンバインドトレインの構造
図１に蒸気タービン及びパワータービンコンバインドトレインの構成図を示す．パワータービンは，蒸気タービン軸端（反発電機側）にワンウェイクラッチを介して連結される．パワータービン回転数は約 20000rpm と高速であり，蒸気タービン回転数の約 8 600rpm まで No.2 減速機にて減速される．パワータービンと No.2 減速機第１段小歯車間はフレキシブルカップリングで連結され，第１段大歯車軸端と蒸気タービン間には自動嵌脱のワンウェイクラッチが装備され，フレキシブルカップリングを介して蒸気タービン軸と連結される．蒸気タービンは船舶用として数多くの納入実績をもつ従来機種を基に新たに開発した高効率の衝動式復水型軸流タービンを採用した．また，パワータービンについても，数多くの納入実績がある三菱 MET 過給機のガスタービン技術を取り入れたものとなっている．

図１ 蒸気タービン＆パワータービン構成図|3. 超省エネ排熱回収装置のプラント図
図２にプラントダイヤグラムを示す．（単圧式エコノマイザが適用された大宇造船工業（株）建造船向け）給水は復水式温度の 38℃からディーゼル主機関ジャケット熱水により約 75℃に，さらに過給機コンプレッサ出口空気温度にて過熱され，約 135℃で排ガスエコノマイザ汽水分離器へ供給される．一方，ディーゼル主機関の排ガスマニホールドから最大 13％抽ガスしパワータービンを駆動する．また，ディーゼル主機関の高負荷運転時，パワータービントリップなどにより急激に掃気圧力が上昇しないよう抽ガスラインにバイパス弁を設けている．本装置の運転方法として，排ガスエネルギーが小さいディーゼル主機関負荷 30％までは，排ガスは排ガスエコノマイザをバイパスし煙突より大気へ放出される．これはディーゼル主機関低負荷時は排ガス状態が悪く，排ガスエコノマイザチューブへのスーツ付着を回避するためである．

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図２ プラントダイヤグラム|4. 機関室に於ける超省エネ排熱回収装置
図３に機関室に据付けられた蒸気タービン及びパワータービンコンバインドユニットを示す．蒸気タービンとパワータービンは共通台板上に据付けられている．両タービン軸は高速回転体同士の連結となることから，工場出荷時，細心の注意を払ってアライメント作業を行っている．また，潤滑油システムなどの必要補器はすべてユニット上に設置されており，造船所の据付け作業の手間をなくすような設計となっている．蒸気タービンフロアー下には復水器，真空ポンプなどの補器が設置されている．図４に主機排気ガスマニホールドからパワータービンへ導く抽ガス管を示す．
抽ガス管は主機隣室のパワータービンへ配管されている．
図５にパワータービンガス主塞止弁及びガス制御弁を示す．パワータービンは軸流式で軸方向からガスが流入されパワータービンで仕事したガスはパワータービン上部より排出され過給機ガス出口管に連結され排ガスエコノマイザへ導かれる．

図３ 機関室の超省エネ排熱回収装置

図４ 主機排気マニホールドからのガス抽気

図５ パワータービンガス制御弁|5. 海上試運転に於ける超省エネ排熱回収装置の性能試験結果
海上試運転は 2011 年３月に実施された．ここでは，7 450 個積船の海上試運転結果を紹介する．海上試運転での船内電力はおおむね 1 500kW であり，本装置の性能確認試験を行うために5000kW のロードバンクを搭載し試運転に臨んだ．
各試験結果の結果を以下に記す．
(1) 性能試験
図６に各主機負荷での蒸気タービン及びパワータービンの発生電力を示す．初期計画性能に対しそれぞれの発生電力はおおむね２～３％上回る発生電力となった．本試験にはロードバンクを用い，ディーゼル発電機との並列運転状態で本装置の性能を計測している．

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図６ 主機関各負荷に対する発電量(2) 蒸気タービン及びパワータービン発停試験
蒸気タービンは主機負荷 35％負荷より起動可能であることを確認した．パワータービンは主機負荷 45％より起動可能であることを確認した．一方，主機負荷を下げていき本装置の運転可能域を確認した．パワータービンは主機負荷 45％，蒸気タービンは 35％まで運転可能であることを確認した．昨今のコンテナ船運航においては減速運転も行われている．本試験結果を基に，更なる主機低負荷運転域においても本装置が運転できるよう，実船で検証中である．
(3) 全負荷遮断試験
最大負荷 3000kW より全負荷遮断試験を行った．パワータービンはガス主塞止弁が瞬時に閉じること，蒸気タービンは過速度トリップせず，無負荷同期速度にてスタンバイ状態に保たれることを確認した．
(4) 負荷投入試験
蒸気タービン及びパワータービンの単独運転中に船内最大ポンプ(200kW)を瞬時起動投入
し，系統の周波数が低下しないことを確認した．

|6. 海上試運転での各試験結果及び機能に対する紹介
超省エネ排熱回収装置の運転状態及びその機能に対して CRT 画面を用いて以下説明する．

6.1 プラント運転状況(オーバービュー)
図７に主機負荷 90％に於けるプラント運転状態を示す．全てのディーゼル発電機は停止しており，船内必要電力は本排熱回収装置の単独運転で賄っている状態である．
CRT 画面に基づき超省エネ排熱回収装置の運転状態を以下説明する．
(1) パワータービンはクラッチが“ENGAGE”状態でありコンバインド運転を示す．
(2) 右上表に蒸気タービン及びパワータービンそれぞれの発電可能電力と実際の発電量を示す．発電可能電力は主機負荷に応じて空気吸込温度，冷却水温度などをパラメータとして計算され，この値は PMS にも出力されている．
(3) LOAD SHARING MODE は，“OPTIMUM”を示している．LOAD SHARING は二つのMODE があり“OPTIMUM”MODE においては，蒸気タービンはエコマイザ圧力が一定となるよう最大負荷をとり，かつ，船内必要電力に対して不足する分をパワータービンが補うという制御を行う．軸発(SGM)が装備されていない本船では，排熱回収による過剰発電は許されない．

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図７ 主機負荷 90％に於けるプラント運転状態

6.2 排熱回収量最大化のための掃気圧力モニタリング
図８に主機掃気圧力モニタリングのＣＲＴ画面を示す．主機は常に掃気圧力を監視モニタリングしており，パワータービンへのガス制御弁が全開してもなおかつ，掃気圧力に余裕がある場合は，ガスバイパス弁を開とし，高温のガスをエコノマイザへ導き，さらに蒸発量を増すことで蒸気タービン発電量の増加が可能となる．
一方，主機低負荷運転時，可能な限り蒸気タービンを，起動・運転させたい場合においても，ガスバイパス弁を開けエコノマイザ蒸発量を増すことで，蒸気タービンを起動運転できるようになっている．

図８ 主機掃気圧力モニタリング|7. まとめ
本超省エネ排熱回収装置搭載船の海上試運転は，2011 年３月より開始され，既に 16 隻が就航している．海上試運転では船主及び関係者多数が立ち会われる中，初期計画を上回る好結果を得ることができた．2013 年には 38 隻全船就航となるが，同欧州某船主殿からは引き続き世界最大コンテナ船プロジェクト向け 20 隻に対し同装置採用の決定がなされている．
昨今，二酸化炭素の削減は，全世界的に COP15 などを通じて義務付けられており，特に船舶から排出される二酸化炭素量は地球環境に及ぼす影響として大きなものである．
本装置の開発により従来比較で約 10％の二酸化炭素量を低減可能であり，省エネの観点から，また環境問題の一ソリューションとして採用ニーズが高まることが期待される．
最後に，本装置の実用化に当たり，貴重なご意見と技術指導を提供していただいた欧州某船
主，韓国建造造船所の大宇造船工業(株)及び現代重工業(株)各社に謝意を表する．