ランキンサイクル動力回収装置
【課題】ランキンサイクル動力回収装置において、蒸気熱量が変化しても、蒸気を無駄にせず、ランキンサイクル効率を略一定に保てるようにすることを目的としている。
【解決手段】複数の容積形膨張機5-1等と、各容積形膨張機用の複数の蒸気開閉弁15-1等と、蒸気発生器3により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段30と、前記容積形膨張機5-1等の運転台数を認識する認識手段と、前記容積形膨張機の運転台数を増減制御する制御装置31と、を備えている。前記蒸気圧力検出手段30により検出した蒸気圧力と、前記認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する設定圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は前記膨張機運転台数を増加させ、下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように制御する。
【解決手段】複数の容積形膨張機5-1等と、各容積形膨張機用の複数の蒸気開閉弁15-1等と、蒸気発生器3により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段30と、前記容積形膨張機5-1等の運転台数を認識する認識手段と、前記容積形膨張機の運転台数を増減制御する制御装置31と、を備えている。前記蒸気圧力検出手段30により検出した蒸気圧力と、前記認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する設定圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は前記膨張機運転台数を増加させ、下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置に関する。
【背景技術】
【0002】
蒸気により駆動する膨張機を備えたランキンサイクル動力回収装置は、発電装置又は空気圧縮機等に利用されており、膨張機としては、一般に蒸気タービンが用いられている(特許文献1)。蒸気タービンを備えていると、出力が100MWレベルの発電装置のように大形の動力回収装置には適しているが、内燃機関の排気熱等を利用するような小出力の装置として用いる場合には、タービン効率が低下するため、ランキンサイクル効率が低くなり、不向きである。
【0003】
これとは別に、図9に示すように、スクロール形膨張機等の容積形膨張機206を備えたランキンサイクル動力回収装置があり、前記蒸気タービンを備えている装置に比べ、小出力でも効率良く作動する。図9の装置を説明すると、内燃機関201の排気装置202に蒸気発生器203が接続され、該蒸気発生器203の蒸気出口203bに絞り弁205を介して容積形膨張機206の蒸気入口206aが接続されている。容積形膨張機206の蒸気出口206bは凝縮器210の入口210aに接続され、凝縮器210の出口210bは復水ポンプ211を介して蒸気発生器203の蒸気入口203aに接続されている。蒸気発生器203の蒸気出口203bと容積形膨張機206の蒸気出口206bとの間にはバイパス通路215が設けられ、該バイパス通路215にはバイパス弁216が配置されると共に、別の蒸気使用機器218が接続されている。容積形膨張機206の動力取出部217には、負荷部として、たとえば空気圧縮機218が連結されると共に、回転速度検出装置219が設けられており、検出された回転速度を制御装置220に入力し、回転速度に応じて絞り弁205の開度を制御するようになっている。
【特許文献1】特許第3166033号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
容積形膨張機の一般的な特徴を簡単に説明すると、蒸気入口と蒸気出口の容積比が決まっているので、蒸気の吸入行程終了後と排出開始直前の圧力の比は決まる。従って容積形膨張機の蒸気出口圧力が一定で、蒸気入口圧力が低下すると、蒸気圧力は、容積形膨張機内部で、一旦、蒸気出口圧力以下に下がってから、排出開始時に出口圧力に戻る。いわゆる過膨張の状態になって不必要な仕事が必要になる。従って、図11のグラフに示すように、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力が設計圧(点C)より低下すると、容積形膨張機の有効効率比は低下する。図11は、回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の設計点外性能を示すグラフであり、縦軸は有効効率比、横軸は容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力、点Cは前述のように設計点である。容積形膨張機に蒸気が供給され始めた後、蒸気圧力が作動開始圧力P1に達すると、有効効率比が0から正の値に変化し、蒸気圧力の上昇により有効効率比は1.0近くまで急激に立ち上がり、その後、緩やかに1に近づき、設計点Cに達する。そして、蒸気入口の蒸気圧力が設計点Cから低下すると、前述のように、有効効率比は低下する。
【0005】
また、容積形膨張機は、一回転当たりに吸入される蒸気の体積が一定であるため、容積形膨張機の蒸気入口の体積流量は回転速度にほぼ比例する。回転速度が一定の場合には、膨張機入口圧力に拘わらず入口体積流量は一定になる。しかし、蒸気発生器に一個の容積形膨張機が接続されている場合には、図12のように、排気熱量等が減少して蒸気熱量が少なくなれば、回転速度を下げない限り、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧は低下する。図12は、回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示すグラフであり、縦軸は蒸気圧及び蒸気出口体積流量、横軸は蒸気熱量である。
【0006】
図9の従来例は、絞り弁205の開度を調節することにより、膨張機206に供給する蒸気圧力を調節しており、蒸気圧力が膨張機206の適正蒸気圧力範囲の上限値を越えれば、余剰の蒸気は、バイパス弁216を介してバイパスされ、あるいは捨てられるようになっており、排気熱を有効に回収しているとは言えない。また、他の蒸気使用機器218での蒸気使用量が増加し、膨張機206の入口圧力が低下した場合には、図13のように、理論仕事量の低下と膨張機有効効率の低下により、ランキンサイクル効率が急激に下がり、動力回収が困難になる。つまり蒸気発生器203よる蒸気の発生量と消費量とにずれがある場合には、効率良く動力回収できない。そのため、蒸気発生器203による発生蒸気量が膨張機206の能力に比べて圧倒的に大きくて、他の蒸気使用機器218と併用される場合に適用されることが殆どである。
【0007】
[発明の目的]
本発明は、蒸気発生器により発生する蒸気熱量(蒸気量)が増減しても、ランキンサイクル効率を低下させることなく、無駄なく動力回収できるランキンサイクル動力回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本願請求項1記載の発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、前記膨張機として、前記蒸気発生器に並列に接続される複数の容積形膨張機を備え、前記各容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記蒸気発生器により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、前記容積形膨張機の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、前記各蒸気開閉弁を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置を備え、該制御装置は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁の開閉を制御する。
【0009】
上記構成によると、熱源となる内燃機関等の熱量が変動し、蒸気発生器による蒸気発生量が変動しても、蒸気発生量の変動に応じて膨張機運転台数を増減することにより、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力を略一定に保つことができる。特に、容積形膨張機の他に蒸気使用機器が蒸気発生器に接続されている場合、該他の蒸気使用機器の蒸気使用量が変動しても、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力は略一定に保たれる。それにより、ランキンサイクルの理論効率も当初の計画値付近に保つことができ、回転速度が拘束される負荷部に電力等を供給する場合に最適である。また、容積形膨張機の有効効率の低下を抑制するので、実際のランキンサイクル効率、すなわち、理論回収動力×膨張機有効効率(=回収動力)/入熱量を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力/入熱量を高い値に保つことができるので、排気熱等を効率良く動力に変化できるのである。
【0010】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結している。
【0011】
上記構成によると、ワンウエイクラッチを介して容積形膨張機側から内燃機関の出力部へ動力伝達するので、容積形膨張機が内燃機関に対して正の仕事をする時のみつながり、0または負の仕事しか出来ない時は、内燃機関側から容積形膨張機側が駆動されることはない。従って内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。すなわち、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができ、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0012】
請求項3記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結している。
【0013】
上記構成によると、容積形膨張機の回転速度が、所定の値に達すればクラッチを入れて負荷をかけるので、内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。これも内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0014】
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けている。
【0015】
上記構成によると、内燃機関の回転速度が変わっても、容積形膨張機の回転速度が一定になるように変速機構により変速比を変えるので、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関等に適している。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続している。
【0017】
上記構成は、部分負荷運転もあるような舶用補機関等の発電装置に適用すると、効果的である。
【0018】
請求項6記載の発明は、請求項5記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御する。
【0019】
上記構成によると、一つの内燃機関の排気熱と冷却水の廃熱とを有効に利用できると共に、内燃機関の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも効率良く電力回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
[第1の実施の形態]
図1〜図3は、本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第1の実施の形態であり、これらの図面に基づいて前記第1の実施の形態を説明する。
【0021】
図1はランキンサイクル動力回収装置の配管略図であり、ランキンサイクル動力回収装置は、単一の内燃機関1と、該内燃機関1の排気装置2に接続された単一の蒸気発生器3と、複数台、たとえば6台の容積形膨張機(スクロール形膨張機等)5-1、5-2、…5-6、と、1個の凝縮器7と、1個の復水ポンプ8等と、を備え、各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の動力取出部には誘導発電機9-1、9-2、…9-6がそれぞれ連結され、各誘導発電機9-1、9-2、…9-6は、それぞれ電気スイッチ10-1、10-2、…10-6を介して共通の負荷部11、たとえば工場用電力等の商用系統電力ラインに電気的に接続されている。なお、前記6台の容積形膨張機5-1、5-2、…5-6、6台の誘導発電機9-1、9-2、…9-6、並びに6個の電気スイッチ10-1、10-2、…10-6は、図面の簡略化のため、3台及び3個ずつ図示しており、残り3台及び3個は省略している。
【0022】
蒸気発生器3の蒸気出口3bに接続された蒸気通路13は、6本の膨張機用の分岐通路13aと、一本の安全弁用の分岐通路13bと、一本の他の蒸気使用機器18用の分岐通路13cとに分岐しており、各膨張機用の分岐通路13aは蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6を介して各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の蒸気入口にそれぞれ接続され、安全弁用の分岐通路13bは蒸気開閉弁16を介して安全弁17に接続され、他の蒸気使用機器18用の分岐通路13cは他の蒸気使用機器18に接続されている。
【0023】
各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6及び安全弁17の蒸気出口に接続された蒸気通路20a、20bは、1本の蒸気通路20に集合して凝縮器7の蒸気入口に接続され、凝縮器7の出口は復水ポンプ8の入口に接続され、復水ポンプ8の出口は蒸気発生器3の蒸気入口3aに接続されている。
【0024】
各誘導発電機9-1、9-2、…9-6は、周知のように、同期回転速度Nsに対する実回転速度(容積形膨張機の動力取出部の回転速度)Nの変化によって、発電機、電動機及び制動機のいずれかの機能を発揮するように構成されており、具体的には、すべりS=(Ns−N)/Nsの値によって、いずれの機器として機能する。たとえば、実回転速度Nが同期回転速度Nsより高く、すべりS<0の場合は、発電機として機能し、実回転速度Nが同期回転速度Nsより低く、0<すべりS<1の場合は、電動機として機能し、さらに、実回転速度Nが同期回転速度Nsより低く、1<すべりSの場合は制動機として機能する。
【0025】
本実施の形態では、誘導発電機9-1、9-2、…9-6を、発電機として利用するため、すべりSが−0.03〜(−0.05)(すべり率が−3〜−5%)程度となるように回転速度を拘束している。たとえば、60ヘルツの条件下で、同期回転速度Nsが1800rpmとすると、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の実回転速度Nは、1854rpm〜1890pm程度の回転速度に拘束されるように構成される。
【0026】
(制御系)
蒸気発生器3の蒸気出口3bに接続された蒸気通路13には、前記蒸気発生器3により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段30が配置され、該蒸気圧力検出手段30は制御装置31に電気的に接続され、検出した蒸気圧力を制御装置31に入力するようになっている。
【0027】
前記制御装置31には、前記各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6及び16が電気的に接続されており、制御装置31からの開閉指令信号により、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6及び16の開閉を制御するようになっている。また、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6は、膨張機運転台数認識手段としての役目を果たすために、各々の開閉状態を制御装置31に入力するようになっており、制御装置31は、開状態の膨張機用の蒸気開閉弁15-1等の数をカウントすることにより、容積形膨張機運転台数を認識する。なお、膨張機運転台数認識手段として、上記のように開状態の蒸気開閉弁の数をカウントする方法の他に、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の動力取出部が回転しているか否かを検出し、回転している場合には運転状態であると認識する方法を採用することも可能である。
【0028】
(制御内容)
制御装置31内の記憶部には、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数毎に、予め設定された適正蒸気圧力範囲が記憶されており、制御装置31内の演算部により、前記蒸気圧力検出手段30により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数を一台増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は容積形膨張機の運転台数を一台減らすように、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6の開閉を制御するようにプログラムされている。すなわち、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は、閉状態の蒸気開閉弁を新たに一個開き、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は、開状態の蒸気開閉弁を一個閉じるように、指令信号を出す。
【0029】
図2は、図1のランキンサイクル動力回収装置における蒸気熱量(蒸気量)と、検出された蒸気圧力及び膨張機運転台数との関係をグラフ化したものである。グラフX1は蒸気発生器3の蒸気出口3bの蒸気圧力の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。グラフX2は膨張機運転台数の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。
【0030】
PH1とPL1は、膨張機運転台数が1台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH2とPL2は、膨張機運転台数が2台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH3とPL3は、膨張機運転台数が3台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH4とPL4は、膨張機運転台数が4台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH5とPL5は、膨張機運転台数が5台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH6とPL6は、膨張機運転台数が6台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値である。すなわち、PH1とPL1の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH2とPL2の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が2台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH3とPL3の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が3台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH4とPL4の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH5とPL5の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH6とPL6の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲である。
【0031】
該実施の形態では、各蒸気圧上限値PH1、PH2、PH3、PH4、PH5、PH6は略同じ値に設定されており、一方、蒸気圧下限値は、PL1<PL2<PL3<PL4<PL5<PL6となるように設定されている。また、各蒸気圧下限値PL2、PL3、PL4、PL5、PL6は、膨張機運転台数を1台増加した時点で低下した各蒸気圧力値PD2、PD3、PD4、PD5、PD6より、少し低い値に設定されている。たとえば、膨張機運転台数を追加した各時点での蒸気熱量(蒸気量)QH1、QH2、QH3、QH4、QH5、QH6、に対して、5%程度少ない蒸気熱量に対応する膨張機入口圧力に、蒸気下限値PL2、PL3、PL4、PL5、PL6を設定している。具体例を挙げて説明すると、運転台数が1台から2台に増加する時の蒸気熱量(蒸気量)をQH1とすると、該蒸気熱量QH1よりも略5%少ない熱量QL2に対応する蒸気圧力PL2を、膨張機運転台数を2台から1台へ減少させる下限値としている。他の下限値PL3、PL4、PL5、PL6もPL2と同様に設定される。ただし、1台から0台に減少する下限値PL1については、図示のように蒸気圧力0に設定しているが、図11の運転開始圧力値P1を下限値PL1に設定することも可能である。
【0032】
また、図1において、6個の蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6は、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の増加に伴い、蒸気開閉弁15-1から上記順序で開き、また、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の減少に伴い、上記とは逆の順序で閉じるように設定されている。さらに、安全弁17の蒸気開閉弁16は、第6の容積形膨張機9-6の蒸気開閉弁15-6が開いた後、図2において、蒸気圧力が膨張機運転台数6台の蒸気圧上限値PH6に達した時点で、開くように設定されている。
【0033】
(作動)
(1)まず、図1により、ランキンサイクル動力回収装置の基本的な作動を説明する。復水ポンプ8から単一の蒸気発生器3内に供給される凝縮水は、蒸気発生器3内において、内燃機関1の排気装置2に排出された排気ガスの熱により加熱され、蒸発し、蒸気出口3bから蒸気通路13に排出される。
【0034】
(2)6個の膨張機用蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6のうち、たとえば、n個の膨張機用蒸気開閉弁15-1、…15-nが開いているとすると、蒸気通路13内の蒸気は、それら開いている膨張機用蒸気開閉弁15-1,…15−nを通って対応する膨張機5−1、…5-nにそれぞれ供給され、各容積形膨張機5-1、…5-n内で膨張することにより、動力取出軸を回転させ、それにより、対応する誘導発電機9-1、…9-nを駆動し、発電する。発電された電力は、電気スイッチ10−1、…,10−nを介して共通負荷部11に供給される。
【0035】
(3)運転中、各膨張機5-1、…5-n内で膨張した蒸気は、各分岐通路20aを介して一つの蒸気通路20に集められ、凝縮器7に供給される。該凝縮器7内で冷却され、凝縮した凝縮水は、再び復水ポンプ8に送られる。
【0036】
(制御)
(1)ランキンサイクル動力回収装置を運転中、内燃機関1の排気装置2に排出される排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器18の蒸気消費量の変動により、容積形膨張機5-1、…5-nで使用できる蒸気熱量、すなわち単一の蒸気発生器3により発生する蒸気熱量(蒸気量)は変動する。このような蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の変動等に伴い、蒸気出口3bにおける蒸気圧力も変動するが、この蒸気圧力の変動を蒸気圧力検出手段30で検出し、制御装置31に入力する。
【0037】
一方、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6からは、それらの開閉状態が制御装置31に入力され、それにより、膨張機運転台数nが認識されている。
【0038】
(2)制御装置31内では、演算部により、予め記憶された膨張機運転台数nに対応する適正蒸気圧範囲(PHn〜PLn)と、検出された蒸気圧力とを比較し、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の上限値PHnを越える場合は、(n+1)個目の蒸気開閉弁15-(n+1)に開弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁15-(n+1)を開き、それにより膨張機運転台数を1台追加(n+1)する。反対に、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の下限値PLnを下回る場合は、n個目の蒸気開閉弁15-nに閉弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁15-n)を閉じ、それにより膨張機運転台数を1台減少させ、(n−1)台とする。なお、膨張機運転台数がnからn+1に増加した時点では、図2に示すように蒸気圧力はPDnまで急激に下降するが、蒸気圧下限値PHLnまでは下降しないように前記蒸気圧下限値PLnを設定しているので、膨張機運転台数が増加した直後に膨張機運転台数が減少する事態は避けることができる。
【0039】
(3)また、6台の容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の全部が作動中、検出された蒸気圧が膨張機運転台数6台に対応する適正蒸気圧力範囲の上限値PH6を越える場合は、安全弁17に接続された蒸気開閉弁16を開き、余分な蒸気を凝縮器7へバイパスする。
【0040】
(実施の形態の効果)
内燃機関1の排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器18の蒸気の消費量の変動により、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量(蒸気量)が変動しても、蒸気熱量に応じて、膨張機運転台数を増減するので、各容積形膨張機に供給される蒸気の蒸気圧を概ね一定に保つことができる。それにより、図3に示すように、ランキンサイクルの理論効率も計画値付近に保つことができ、また膨張機の有効効率もあまり低下しないので、実際のランキンサイクル効率(理論回収動力×膨張機有効効率(=回収動力)/入熱量)を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力/入熱量は高い値に保つことができ、熱を効率良く動力に変換できる。
【0041】
[第2の実施の形態]
図4は本発明の第2の実施の形態であり、ディーゼル機関、ガスエンジン、ガスタービン等の内燃機関1の排気ガスの熱から、機械動力を内燃機関1の出力軸44に戻す構成であり、前記図1と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0042】
図4において、内燃機関1の原動軸(クランク軸等)は、減速機43を介して出力軸44に連結されており、該出力軸44は、一定の回転速度で回転することが要求される負荷部(たとえば送風ファン等)45に連結されている。前記出力軸44には回転速度検出手段47が設けられ、該回転速度検出手段47は内燃機関1の燃料調量装置46に接続され、出力軸44の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。
【0043】
前記出力軸44に補助動力を付与するために、各容積形膨張機5-1、…、5-6の動力取出部には、ワンウエイクラッチ40-1、…40-6がそれぞれ連結され、各ワンウエイクラッチ40-1、…40-6は、チェーン又はベルト等を利用した巻掛式動力伝達機構41を介して減速機43の出力軸44に連結されている。前記ワンウエイクラッチ40-1、…40-6は、出力軸44に対して正の仕事をするときのみ、膨張機側から減速機43の出力軸44側へ動力を伝達し、反対に、減速機43の出力軸44に対して膨張機側からの動力が0または負の仕事しか出来ないときは、減速機43の出力軸44側から膨張機側へは動力が伝達されないように構成されている。
【0044】
また、蒸気発生器3には、復水ポンプ8から供給された水の量を検出する液面検出装置49が装着されており、該液面検出装置49により検出した液面データを制御装置31に入力するようになっている。制御装置31は、検出した液面データに基づき、所定の液面を保つように、復水ポンプ8に作動指令を出し、復水ポンプ8による吐出量を制御する。
【0045】
なお、各容積形膨張機5-1、…5-6の運転に関し、各容積形膨張機5-1、…5-6が、変速機43の出力軸44に対して正の仕事をする状態になるまでは、対応する蒸気開閉弁15-1、…15-6は開かないようになっている。
【0046】
本実施の形態によると、内燃機関1によって定められた出力軸44の回転速度と供給される蒸気圧に見合った出力(機械動力)が回収でき、また、内燃機関1の排気熱量が減少してもそれに見合った量の蒸気量が蒸気通路13及び分岐通路13a内を安定的に流れ、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができる。なお、本実施の形態は、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0047】
[第3の実施の形態]
図5は第3の実施の形態であり、前記図4の第2の実施の形態のワンウエイクラッチに代えて、電磁クラッチ51-1、…51-6を、対応する容積形膨張機5−1、…5−6の動力取出部にそれぞれ連結した構造であり、各電磁クラッチ51-1、…51-6は制御装置31に電気的に接続されている。また、前記図4と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0048】
各容積形膨張機5−1、…5−6の動力取出部には回転速度検出手段52-1、…52-6がそれぞれ設けられ、検出した各容積形膨張機5−1、…5−6の回転速度を制御装置31に入力するようになっている。
【0049】
制御装置31は、回転速度検出手段52-1、…52-6により検出した回転速度が、所定の回転速度、たとえば減速機43の出力軸44に正の仕事を行うことができる回転速度に達した時に、対応する電磁クラッチ51-1等を接続し、変速機43の出力軸44に巻掛動力伝達機構41を介して動力を伝達する。
【0050】
この実施の形態の構造も、前記第2の実施の形態と同様、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適する。
【0051】
[第4の実施の形態]
図6は第4の実施の形態であり、前記図4の第2の実施の形態の構成に加え、動力伝達機構41の被駆動部と内燃機関1の減速機43の出力軸44との間に、ベルト式等の無段変速機60を配置すると共に、動力伝達機構41に回転速度検出手段61を設けている。該回転速度検出手段61及び無段変速機60は、制御装置31に電気的に接続されている。前記図4と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0052】
各回転速度検出手段47、61により、内燃機関1の出力軸44の回転速度と動力伝達機構41の駆動部側の回転速度とを検出し、制御装置31により、両回転速度を比較し、動力伝達機構41の回転速度が、内燃機関の1の出力軸44の回転速度と一致又は少し大きくなる速度まで変速するように、無段変速機60の変速比を変更する。
【0053】
すなわち、内燃機関1の出力軸44の回転速度が変化した場合でも、無段変速機60の変速比を変更することにより、容積形膨張機5-1、…5-6の回転速度を変えることなく、動力を効率良く回収できるようになっている。
【0054】
該実施の形態は、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関に適している。すなわち、負荷部45としてプロペラを備え、船舶の航行速度を変更するために、プロペラ45の回転速度を変更しても、内燃機関1の排気熱を効率良く回収できるのである。
【0055】
[第5の実施の形態]
図7は第5の実施の形態であり、各容積形膨張機5-1…5-6の動力を、電気出力として回収する構成である。内燃機関1は同期発電機70に連結されており、該同期発電機70はスイッチ71を介して電力供給ライン72に電気的に接続されている。同期発電機70には、該同期発電機70の回転速度を検出するための回転速度検出装置73が設けられ、該回転速度検出手段73は内燃機関1の燃料調量装置46に接続され、同期発電機70の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。各容積形膨張機5-1、…5-6の動力取出部には誘電発電機9-1、…9-6がそれぞれ連結され、各誘電発電機9-1、…9-6はそれぞれスイッチ10-1、…10-6を介して電力供給ライン72に接続されている。各誘電発電機9-1、…9-6には、回転速度検出手段75-1、…75-6がそれぞれ設けられ、検出した発電機回転速度を制御装置31に入力するようになっている。その他の構造は、図1の第1の実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付してある。
【0056】
同期発電機70は、一定の周波数を得るために、前述のように同期発電機70に設けられた回転速度検出手段73から得られた回転速度と燃料調量装置46とにより、負荷に応じて燃料量を調整し、一定回転速度で内燃機関1を運転する。
【0057】
必要な発電量の増減に伴い、内燃機関1の排気装置2に排出される排気ガスの温度が上下し、蒸気発生器3内で発生する蒸気量は増減する。このような蒸気量の増減に対し、前記第1の実施の形態で説明した作用と同様に、蒸気開閉弁15-1、…15-6の開く個数を増減し、膨張機運転台数を増減する。たとえば、蒸気量が増加して、蒸気開閉弁5-1、…5-6のうち、新たに一個の蒸気開閉弁15-(n+1)を開いた時に、新たに追加される膨張機5-(n+1)に連結された誘導発電機9-(n+1)の回転速度を、回転速度検出手段75-(n+1)により検出し、同期速度付近まで上昇した時に、電気スイッチ10-(n+1)を入れるように制御する。反対に、蒸気量が減少して、蒸気開閉弁5-1、…5-6のうち、一個の蒸気開閉弁15-nを閉じた時には、対応するスイッチ10-nを切断する。
【0058】
この実施の形態は、部分負荷運転もあるような、舶用補機関などの発電装置に適している。
【0059】
[第6の実施の形態]
図8は第6の実施の形態であり、前記図7の第5の実施の形態のように、内燃機関1の排気熱から電気出力を回収する高圧系のランキンサイクルシステムを備えると共に、内燃機関1の冷却水の廃熱から電気出力を回収する低圧系のランキンサイクルシステムを備えている。前記図7と同じ部品には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【0060】
内燃機関1の冷却水を利用した低圧系のランキンサイクルシステムは、前記排気熱を利用した高圧系と同様に、たとえば6台の容積形膨張機85-1、…85-6と、各容積形膨張機用の6個の蒸気開閉弁86-1、…86-6と、1個の凝縮器87と、1個の復水ポンプ88と、を備え、各容積形膨張機85-1、…85-6の動力取出部には誘導発電機89-1、…89-6がそれぞれ連結され、各誘導発電機89-1、…89-6は、それぞれ電気スイッチ90-1、…90-6を介して共通の電力供給ライン72に電気的に接続されている。また、前記各容積形膨張機85-1、…85-6と並列に、安全弁91及び安全弁用蒸気開閉弁92が備えられ、制御機器として、各誘導発電機89-1、…89-6にはそれぞれ回転速度検出手段93-1、…93-6が設けられている。
【0061】
低圧系の蒸気発生器として、内燃機関1の冷却が必要な機関部分(シリンダ等)81より上部に、蒸発タンク(蒸気発生器)82が設けられ、機関内部で発生した蒸気を蒸発タンク82内に導くようにしてある。蒸発タンク82は蒸気通路84を介して前記各蒸気開閉弁86-1、…86-6、91に接続されている。また、蒸発タンク82には液面検出装置83が取り付けられており、該液面検出装置83からの液面信号により、復水ポンプ88の流量を制御するようになっている。
【0062】
低圧系の複数の蒸気開閉弁86-1、…86-6、92の開閉制御は、内燃機関1の排気熱を利用した高圧系の膨張機5-1、5-2、…5-6の制御と同じである。
【0063】
該実施の形態によると、単一の内燃機関1を備えたランキンサイクル動力回収システムにおいて、内燃機関1の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも、効率良く電力回収ができる。
【0064】
[その他の実施の形態]
(1)前記図1の第1の実施の形態では、図2に示すように、各膨張機運転台数に対応する蒸気圧上限値PH1、PH2、PH3、PH4、PH5、PH6を、略等しい値に設定しているが、PH1<PH2<PH3<PH4<PH5<PH6の関係に設定することも可能である。すなわち、PH1からPH6にいくに従い、蒸気上限値が少しずつ高くなるように設定することも可能である。
【0065】
(2)前記各実施の形態は、容積形膨張機で利用した蒸気を凝縮し、再度利用する蒸気循環型であるが、本発明は、凝縮器を利用せずに、容積形膨張機で利用した蒸気は廃棄し、蒸気発生器へ新たな蒸気を供給する開放型にも適用可能である。
【0066】
(2)図8及び図9の第5及び第6の実施の形態では、蒸気発生器3及び蒸発タンク83により発生した蒸気の全てを容積形膨張機5-1、5-2、…5-6にて使用する構成であるが、その他の蒸気使用機器と並列に使う場合にも適用できる。その場合は、電力変換効率の高い熱電可変システムとなる。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第1の実施の形態を示す配管略図である。
【図2】蒸気熱量の変化に対する蒸気圧力及び膨張機運転台数の変化を示す図である。
【図3】複数の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。
【図4】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第2の実施の形態を示す配管略図である。
【図5】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第3の実施の形態を示す配管略図である。
【図6】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第4の実施の形態を示す配管略図である。
【図7】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第5の実施の形態を示す配管略図である。
【図8】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第6の実施の形態を示す配管略図である。
【図9】従来例の配管略図である。
【図10】別の従来例の配管略図である。
【図11】容積形膨張機の一般的な設計点外性能を示す図である。
【図12】回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示す図である。
【図13】単一の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。
【符号の説明】
【0068】
1 内燃機関
2 排気装置
3 蒸気発生器
7 凝縮器
8 復水ポンプ
5-1、5-2、…5-6 容積形膨張機
9-1、9-2、…9-6 誘導発電機
10-1、10-2、…10-6 スイッチ
15-1、15-2、…15-6 蒸気開閉弁
30 蒸気圧検出手段
31 制御装置
82 低圧系の蒸発タンク(低圧系蒸気発生器)
85-1、…85-6 低圧系の容積形膨張機
86-1、…86-6 低圧系の蒸気開閉弁
87 低圧系の凝縮器
88 低圧系の復水ポンプ
89-1、89-2、…89-6 低圧系の誘導発電機
90-1、90-2、…90-6 低圧系のスイッチ
【技術分野】
【0001】
本発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置に関する。
【背景技術】
【0002】
蒸気により駆動する膨張機を備えたランキンサイクル動力回収装置は、発電装置又は空気圧縮機等に利用されており、膨張機としては、一般に蒸気タービンが用いられている(特許文献1)。蒸気タービンを備えていると、出力が100MWレベルの発電装置のように大形の動力回収装置には適しているが、内燃機関の排気熱等を利用するような小出力の装置として用いる場合には、タービン効率が低下するため、ランキンサイクル効率が低くなり、不向きである。
【0003】
これとは別に、図9に示すように、スクロール形膨張機等の容積形膨張機206を備えたランキンサイクル動力回収装置があり、前記蒸気タービンを備えている装置に比べ、小出力でも効率良く作動する。図9の装置を説明すると、内燃機関201の排気装置202に蒸気発生器203が接続され、該蒸気発生器203の蒸気出口203bに絞り弁205を介して容積形膨張機206の蒸気入口206aが接続されている。容積形膨張機206の蒸気出口206bは凝縮器210の入口210aに接続され、凝縮器210の出口210bは復水ポンプ211を介して蒸気発生器203の蒸気入口203aに接続されている。蒸気発生器203の蒸気出口203bと容積形膨張機206の蒸気出口206bとの間にはバイパス通路215が設けられ、該バイパス通路215にはバイパス弁216が配置されると共に、別の蒸気使用機器218が接続されている。容積形膨張機206の動力取出部217には、負荷部として、たとえば空気圧縮機218が連結されると共に、回転速度検出装置219が設けられており、検出された回転速度を制御装置220に入力し、回転速度に応じて絞り弁205の開度を制御するようになっている。
【特許文献1】特許第3166033号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
容積形膨張機の一般的な特徴を簡単に説明すると、蒸気入口と蒸気出口の容積比が決まっているので、蒸気の吸入行程終了後と排出開始直前の圧力の比は決まる。従って容積形膨張機の蒸気出口圧力が一定で、蒸気入口圧力が低下すると、蒸気圧力は、容積形膨張機内部で、一旦、蒸気出口圧力以下に下がってから、排出開始時に出口圧力に戻る。いわゆる過膨張の状態になって不必要な仕事が必要になる。従って、図11のグラフに示すように、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力が設計圧(点C)より低下すると、容積形膨張機の有効効率比は低下する。図11は、回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の設計点外性能を示すグラフであり、縦軸は有効効率比、横軸は容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧力、点Cは前述のように設計点である。容積形膨張機に蒸気が供給され始めた後、蒸気圧力が作動開始圧力P1に達すると、有効効率比が0から正の値に変化し、蒸気圧力の上昇により有効効率比は1.0近くまで急激に立ち上がり、その後、緩やかに1に近づき、設計点Cに達する。そして、蒸気入口の蒸気圧力が設計点Cから低下すると、前述のように、有効効率比は低下する。
【0005】
また、容積形膨張機は、一回転当たりに吸入される蒸気の体積が一定であるため、容積形膨張機の蒸気入口の体積流量は回転速度にほぼ比例する。回転速度が一定の場合には、膨張機入口圧力に拘わらず入口体積流量は一定になる。しかし、蒸気発生器に一個の容積形膨張機が接続されている場合には、図12のように、排気熱量等が減少して蒸気熱量が少なくなれば、回転速度を下げない限り、容積形膨張機の蒸気入口の蒸気圧は低下する。図12は、回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示すグラフであり、縦軸は蒸気圧及び蒸気出口体積流量、横軸は蒸気熱量である。
【0006】
図9の従来例は、絞り弁205の開度を調節することにより、膨張機206に供給する蒸気圧力を調節しており、蒸気圧力が膨張機206の適正蒸気圧力範囲の上限値を越えれば、余剰の蒸気は、バイパス弁216を介してバイパスされ、あるいは捨てられるようになっており、排気熱を有効に回収しているとは言えない。また、他の蒸気使用機器218での蒸気使用量が増加し、膨張機206の入口圧力が低下した場合には、図13のように、理論仕事量の低下と膨張機有効効率の低下により、ランキンサイクル効率が急激に下がり、動力回収が困難になる。つまり蒸気発生器203よる蒸気の発生量と消費量とにずれがある場合には、効率良く動力回収できない。そのため、蒸気発生器203による発生蒸気量が膨張機206の能力に比べて圧倒的に大きくて、他の蒸気使用機器218と併用される場合に適用されることが殆どである。
【0007】
[発明の目的]
本発明は、蒸気発生器により発生する蒸気熱量(蒸気量)が増減しても、ランキンサイクル効率を低下させることなく、無駄なく動力回収できるランキンサイクル動力回収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、本願請求項1記載の発明は、一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、前記膨張機として、前記蒸気発生器に並列に接続される複数の容積形膨張機を備え、前記各容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記蒸気発生器により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、前記容積形膨張機の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、前記各蒸気開閉弁を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置を備え、該制御装置は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁の開閉を制御する。
【0009】
上記構成によると、熱源となる内燃機関等の熱量が変動し、蒸気発生器による蒸気発生量が変動しても、蒸気発生量の変動に応じて膨張機運転台数を増減することにより、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力を略一定に保つことができる。特に、容積形膨張機の他に蒸気使用機器が蒸気発生器に接続されている場合、該他の蒸気使用機器の蒸気使用量が変動しても、容積形膨張機に供給される蒸気の圧力は略一定に保たれる。それにより、ランキンサイクルの理論効率も当初の計画値付近に保つことができ、回転速度が拘束される負荷部に電力等を供給する場合に最適である。また、容積形膨張機の有効効率の低下を抑制するので、実際のランキンサイクル効率、すなわち、理論回収動力×膨張機有効効率(=回収動力)/入熱量を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力/入熱量を高い値に保つことができるので、排気熱等を効率良く動力に変化できるのである。
【0010】
請求項2記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結している。
【0011】
上記構成によると、ワンウエイクラッチを介して容積形膨張機側から内燃機関の出力部へ動力伝達するので、容積形膨張機が内燃機関に対して正の仕事をする時のみつながり、0または負の仕事しか出来ない時は、内燃機関側から容積形膨張機側が駆動されることはない。従って内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。すなわち、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができ、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0012】
請求項3記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結している。
【0013】
上記構成によると、容積形膨張機の回転速度が、所定の値に達すればクラッチを入れて負荷をかけるので、内燃機関によって定められた回転速度と供給される蒸気の圧力に見合った出力が回収できる。これも内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0014】
請求項4記載の発明は、請求項2又は3記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けている。
【0015】
上記構成によると、内燃機関の回転速度が変わっても、容積形膨張機の回転速度が一定になるように変速機構により変速比を変えるので、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関等に適している。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続している。
【0017】
上記構成は、部分負荷運転もあるような舶用補機関等の発電装置に適用すると、効果的である。
【0018】
請求項6記載の発明は、請求項5記載のランキンサイクル動力回収装置において、前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御する。
【0019】
上記構成によると、一つの内燃機関の排気熱と冷却水の廃熱とを有効に利用できると共に、内燃機関の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも効率良く電力回収することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0020】
[第1の実施の形態]
図1〜図3は、本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第1の実施の形態であり、これらの図面に基づいて前記第1の実施の形態を説明する。
【0021】
図1はランキンサイクル動力回収装置の配管略図であり、ランキンサイクル動力回収装置は、単一の内燃機関1と、該内燃機関1の排気装置2に接続された単一の蒸気発生器3と、複数台、たとえば6台の容積形膨張機(スクロール形膨張機等)5-1、5-2、…5-6、と、1個の凝縮器7と、1個の復水ポンプ8等と、を備え、各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の動力取出部には誘導発電機9-1、9-2、…9-6がそれぞれ連結され、各誘導発電機9-1、9-2、…9-6は、それぞれ電気スイッチ10-1、10-2、…10-6を介して共通の負荷部11、たとえば工場用電力等の商用系統電力ラインに電気的に接続されている。なお、前記6台の容積形膨張機5-1、5-2、…5-6、6台の誘導発電機9-1、9-2、…9-6、並びに6個の電気スイッチ10-1、10-2、…10-6は、図面の簡略化のため、3台及び3個ずつ図示しており、残り3台及び3個は省略している。
【0022】
蒸気発生器3の蒸気出口3bに接続された蒸気通路13は、6本の膨張機用の分岐通路13aと、一本の安全弁用の分岐通路13bと、一本の他の蒸気使用機器18用の分岐通路13cとに分岐しており、各膨張機用の分岐通路13aは蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6を介して各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の蒸気入口にそれぞれ接続され、安全弁用の分岐通路13bは蒸気開閉弁16を介して安全弁17に接続され、他の蒸気使用機器18用の分岐通路13cは他の蒸気使用機器18に接続されている。
【0023】
各容積形膨張機5-1、5-2、…5-6及び安全弁17の蒸気出口に接続された蒸気通路20a、20bは、1本の蒸気通路20に集合して凝縮器7の蒸気入口に接続され、凝縮器7の出口は復水ポンプ8の入口に接続され、復水ポンプ8の出口は蒸気発生器3の蒸気入口3aに接続されている。
【0024】
各誘導発電機9-1、9-2、…9-6は、周知のように、同期回転速度Nsに対する実回転速度(容積形膨張機の動力取出部の回転速度)Nの変化によって、発電機、電動機及び制動機のいずれかの機能を発揮するように構成されており、具体的には、すべりS=(Ns−N)/Nsの値によって、いずれの機器として機能する。たとえば、実回転速度Nが同期回転速度Nsより高く、すべりS<0の場合は、発電機として機能し、実回転速度Nが同期回転速度Nsより低く、0<すべりS<1の場合は、電動機として機能し、さらに、実回転速度Nが同期回転速度Nsより低く、1<すべりSの場合は制動機として機能する。
【0025】
本実施の形態では、誘導発電機9-1、9-2、…9-6を、発電機として利用するため、すべりSが−0.03〜(−0.05)(すべり率が−3〜−5%)程度となるように回転速度を拘束している。たとえば、60ヘルツの条件下で、同期回転速度Nsが1800rpmとすると、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の実回転速度Nは、1854rpm〜1890pm程度の回転速度に拘束されるように構成される。
【0026】
(制御系)
蒸気発生器3の蒸気出口3bに接続された蒸気通路13には、前記蒸気発生器3により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段30が配置され、該蒸気圧力検出手段30は制御装置31に電気的に接続され、検出した蒸気圧力を制御装置31に入力するようになっている。
【0027】
前記制御装置31には、前記各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6及び16が電気的に接続されており、制御装置31からの開閉指令信号により、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6及び16の開閉を制御するようになっている。また、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6は、膨張機運転台数認識手段としての役目を果たすために、各々の開閉状態を制御装置31に入力するようになっており、制御装置31は、開状態の膨張機用の蒸気開閉弁15-1等の数をカウントすることにより、容積形膨張機運転台数を認識する。なお、膨張機運転台数認識手段として、上記のように開状態の蒸気開閉弁の数をカウントする方法の他に、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の動力取出部が回転しているか否かを検出し、回転している場合には運転状態であると認識する方法を採用することも可能である。
【0028】
(制御内容)
制御装置31内の記憶部には、容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数毎に、予め設定された適正蒸気圧力範囲が記憶されており、制御装置31内の演算部により、前記蒸気圧力検出手段30により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の運転台数を一台増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は容積形膨張機の運転台数を一台減らすように、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6の開閉を制御するようにプログラムされている。すなわち、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は、閉状態の蒸気開閉弁を新たに一個開き、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は、開状態の蒸気開閉弁を一個閉じるように、指令信号を出す。
【0029】
図2は、図1のランキンサイクル動力回収装置における蒸気熱量(蒸気量)と、検出された蒸気圧力及び膨張機運転台数との関係をグラフ化したものである。グラフX1は蒸気発生器3の蒸気出口3bの蒸気圧力の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。グラフX2は膨張機運転台数の変化を示しており、実線は圧力上昇時の変化、破線は圧力下降時の変化である。
【0030】
PH1とPL1は、膨張機運転台数が1台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH2とPL2は、膨張機運転台数が2台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH3とPL3は、膨張機運転台数が3台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH4とPL4は、膨張機運転台数が4台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH5とPL5は、膨張機運転台数が5台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値、PH6とPL6は、膨張機運転台数が6台の時の蒸気圧上限値と蒸気圧下限値である。すなわち、PH1とPL1の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH2とPL2の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が2台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH3とPL3の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が3台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH4とPL4の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH5とPL5の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲であり、PH6とPL6の間の圧力範囲が、膨張機運転台数が1台の時の適正蒸気圧力範囲である。
【0031】
該実施の形態では、各蒸気圧上限値PH1、PH2、PH3、PH4、PH5、PH6は略同じ値に設定されており、一方、蒸気圧下限値は、PL1<PL2<PL3<PL4<PL5<PL6となるように設定されている。また、各蒸気圧下限値PL2、PL3、PL4、PL5、PL6は、膨張機運転台数を1台増加した時点で低下した各蒸気圧力値PD2、PD3、PD4、PD5、PD6より、少し低い値に設定されている。たとえば、膨張機運転台数を追加した各時点での蒸気熱量(蒸気量)QH1、QH2、QH3、QH4、QH5、QH6、に対して、5%程度少ない蒸気熱量に対応する膨張機入口圧力に、蒸気下限値PL2、PL3、PL4、PL5、PL6を設定している。具体例を挙げて説明すると、運転台数が1台から2台に増加する時の蒸気熱量(蒸気量)をQH1とすると、該蒸気熱量QH1よりも略5%少ない熱量QL2に対応する蒸気圧力PL2を、膨張機運転台数を2台から1台へ減少させる下限値としている。他の下限値PL3、PL4、PL5、PL6もPL2と同様に設定される。ただし、1台から0台に減少する下限値PL1については、図示のように蒸気圧力0に設定しているが、図11の運転開始圧力値P1を下限値PL1に設定することも可能である。
【0032】
また、図1において、6個の蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6は、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の増加に伴い、蒸気開閉弁15-1から上記順序で開き、また、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の減少に伴い、上記とは逆の順序で閉じるように設定されている。さらに、安全弁17の蒸気開閉弁16は、第6の容積形膨張機9-6の蒸気開閉弁15-6が開いた後、図2において、蒸気圧力が膨張機運転台数6台の蒸気圧上限値PH6に達した時点で、開くように設定されている。
【0033】
(作動)
(1)まず、図1により、ランキンサイクル動力回収装置の基本的な作動を説明する。復水ポンプ8から単一の蒸気発生器3内に供給される凝縮水は、蒸気発生器3内において、内燃機関1の排気装置2に排出された排気ガスの熱により加熱され、蒸発し、蒸気出口3bから蒸気通路13に排出される。
【0034】
(2)6個の膨張機用蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6のうち、たとえば、n個の膨張機用蒸気開閉弁15-1、…15-nが開いているとすると、蒸気通路13内の蒸気は、それら開いている膨張機用蒸気開閉弁15-1,…15−nを通って対応する膨張機5−1、…5-nにそれぞれ供給され、各容積形膨張機5-1、…5-n内で膨張することにより、動力取出軸を回転させ、それにより、対応する誘導発電機9-1、…9-nを駆動し、発電する。発電された電力は、電気スイッチ10−1、…,10−nを介して共通負荷部11に供給される。
【0035】
(3)運転中、各膨張機5-1、…5-n内で膨張した蒸気は、各分岐通路20aを介して一つの蒸気通路20に集められ、凝縮器7に供給される。該凝縮器7内で冷却され、凝縮した凝縮水は、再び復水ポンプ8に送られる。
【0036】
(制御)
(1)ランキンサイクル動力回収装置を運転中、内燃機関1の排気装置2に排出される排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器18の蒸気消費量の変動により、容積形膨張機5-1、…5-nで使用できる蒸気熱量、すなわち単一の蒸気発生器3により発生する蒸気熱量(蒸気量)は変動する。このような蒸気発生器3で発生する蒸気熱量の変動等に伴い、蒸気出口3bにおける蒸気圧力も変動するが、この蒸気圧力の変動を蒸気圧力検出手段30で検出し、制御装置31に入力する。
【0037】
一方、各蒸気開閉弁15-1、15-2、…15-6からは、それらの開閉状態が制御装置31に入力され、それにより、膨張機運転台数nが認識されている。
【0038】
(2)制御装置31内では、演算部により、予め記憶された膨張機運転台数nに対応する適正蒸気圧範囲(PHn〜PLn)と、検出された蒸気圧力とを比較し、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の上限値PHnを越える場合は、(n+1)個目の蒸気開閉弁15-(n+1)に開弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁15-(n+1)を開き、それにより膨張機運転台数を1台追加(n+1)する。反対に、検出された蒸気圧が適正蒸気圧範囲の下限値PLnを下回る場合は、n個目の蒸気開閉弁15-nに閉弁の指令信号を送り、該蒸気開閉弁15-n)を閉じ、それにより膨張機運転台数を1台減少させ、(n−1)台とする。なお、膨張機運転台数がnからn+1に増加した時点では、図2に示すように蒸気圧力はPDnまで急激に下降するが、蒸気圧下限値PHLnまでは下降しないように前記蒸気圧下限値PLnを設定しているので、膨張機運転台数が増加した直後に膨張機運転台数が減少する事態は避けることができる。
【0039】
(3)また、6台の容積形膨張機5-1、5-2、…5-6の全部が作動中、検出された蒸気圧が膨張機運転台数6台に対応する適正蒸気圧力範囲の上限値PH6を越える場合は、安全弁17に接続された蒸気開閉弁16を開き、余分な蒸気を凝縮器7へバイパスする。
【0040】
(実施の形態の効果)
内燃機関1の排気ガスの熱量の変動や、他の蒸気使用機器18の蒸気の消費量の変動により、蒸気発生器3で発生する蒸気熱量(蒸気量)が変動しても、蒸気熱量に応じて、膨張機運転台数を増減するので、各容積形膨張機に供給される蒸気の蒸気圧を概ね一定に保つことができる。それにより、図3に示すように、ランキンサイクルの理論効率も計画値付近に保つことができ、また膨張機の有効効率もあまり低下しないので、実際のランキンサイクル効率(理論回収動力×膨張機有効効率(=回収動力)/入熱量)を高く保つことができる。つまり、ランキンサイクル動力回収装置で使用できる蒸気量が変動しても、回収動力/入熱量は高い値に保つことができ、熱を効率良く動力に変換できる。
【0041】
[第2の実施の形態]
図4は本発明の第2の実施の形態であり、ディーゼル機関、ガスエンジン、ガスタービン等の内燃機関1の排気ガスの熱から、機械動力を内燃機関1の出力軸44に戻す構成であり、前記図1と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0042】
図4において、内燃機関1の原動軸(クランク軸等)は、減速機43を介して出力軸44に連結されており、該出力軸44は、一定の回転速度で回転することが要求される負荷部(たとえば送風ファン等)45に連結されている。前記出力軸44には回転速度検出手段47が設けられ、該回転速度検出手段47は内燃機関1の燃料調量装置46に接続され、出力軸44の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。
【0043】
前記出力軸44に補助動力を付与するために、各容積形膨張機5-1、…、5-6の動力取出部には、ワンウエイクラッチ40-1、…40-6がそれぞれ連結され、各ワンウエイクラッチ40-1、…40-6は、チェーン又はベルト等を利用した巻掛式動力伝達機構41を介して減速機43の出力軸44に連結されている。前記ワンウエイクラッチ40-1、…40-6は、出力軸44に対して正の仕事をするときのみ、膨張機側から減速機43の出力軸44側へ動力を伝達し、反対に、減速機43の出力軸44に対して膨張機側からの動力が0または負の仕事しか出来ないときは、減速機43の出力軸44側から膨張機側へは動力が伝達されないように構成されている。
【0044】
また、蒸気発生器3には、復水ポンプ8から供給された水の量を検出する液面検出装置49が装着されており、該液面検出装置49により検出した液面データを制御装置31に入力するようになっている。制御装置31は、検出した液面データに基づき、所定の液面を保つように、復水ポンプ8に作動指令を出し、復水ポンプ8による吐出量を制御する。
【0045】
なお、各容積形膨張機5-1、…5-6の運転に関し、各容積形膨張機5-1、…5-6が、変速機43の出力軸44に対して正の仕事をする状態になるまでは、対応する蒸気開閉弁15-1、…15-6は開かないようになっている。
【0046】
本実施の形態によると、内燃機関1によって定められた出力軸44の回転速度と供給される蒸気圧に見合った出力(機械動力)が回収でき、また、内燃機関1の排気熱量が減少してもそれに見合った量の蒸気量が蒸気通路13及び分岐通路13a内を安定的に流れ、内燃機関の広い負荷範囲において効率よく動力回収ができる。なお、本実施の形態は、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適している。
【0047】
[第3の実施の形態]
図5は第3の実施の形態であり、前記図4の第2の実施の形態のワンウエイクラッチに代えて、電磁クラッチ51-1、…51-6を、対応する容積形膨張機5−1、…5−6の動力取出部にそれぞれ連結した構造であり、各電磁クラッチ51-1、…51-6は制御装置31に電気的に接続されている。また、前記図4と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0048】
各容積形膨張機5−1、…5−6の動力取出部には回転速度検出手段52-1、…52-6がそれぞれ設けられ、検出した各容積形膨張機5−1、…5−6の回転速度を制御装置31に入力するようになっている。
【0049】
制御装置31は、回転速度検出手段52-1、…52-6により検出した回転速度が、所定の回転速度、たとえば減速機43の出力軸44に正の仕事を行うことができる回転速度に達した時に、対応する電磁クラッチ51-1等を接続し、変速機43の出力軸44に巻掛動力伝達機構41を介して動力を伝達する。
【0050】
この実施の形態の構造も、前記第2の実施の形態と同様、内燃機関が一定回転の機械負荷や発電機負荷を駆動している場合に適する。
【0051】
[第4の実施の形態]
図6は第4の実施の形態であり、前記図4の第2の実施の形態の構成に加え、動力伝達機構41の被駆動部と内燃機関1の減速機43の出力軸44との間に、ベルト式等の無段変速機60を配置すると共に、動力伝達機構41に回転速度検出手段61を設けている。該回転速度検出手段61及び無段変速機60は、制御装置31に電気的に接続されている。前記図4と同じ部品及び部材には、同じ符号(番号)を付し、詳しい説明は省略する。
【0052】
各回転速度検出手段47、61により、内燃機関1の出力軸44の回転速度と動力伝達機構41の駆動部側の回転速度とを検出し、制御装置31により、両回転速度を比較し、動力伝達機構41の回転速度が、内燃機関の1の出力軸44の回転速度と一致又は少し大きくなる速度まで変速するように、無段変速機60の変速比を変更する。
【0053】
すなわち、内燃機関1の出力軸44の回転速度が変化した場合でも、無段変速機60の変速比を変更することにより、容積形膨張機5-1、…5-6の回転速度を変えることなく、動力を効率良く回収できるようになっている。
【0054】
該実施の形態は、船舶推進用のプロペラ等を駆動する舶用主機関に適している。すなわち、負荷部45としてプロペラを備え、船舶の航行速度を変更するために、プロペラ45の回転速度を変更しても、内燃機関1の排気熱を効率良く回収できるのである。
【0055】
[第5の実施の形態]
図7は第5の実施の形態であり、各容積形膨張機5-1…5-6の動力を、電気出力として回収する構成である。内燃機関1は同期発電機70に連結されており、該同期発電機70はスイッチ71を介して電力供給ライン72に電気的に接続されている。同期発電機70には、該同期発電機70の回転速度を検出するための回転速度検出装置73が設けられ、該回転速度検出手段73は内燃機関1の燃料調量装置46に接続され、同期発電機70の回転速度が略一定値となるように燃料を調量する。各容積形膨張機5-1、…5-6の動力取出部には誘電発電機9-1、…9-6がそれぞれ連結され、各誘電発電機9-1、…9-6はそれぞれスイッチ10-1、…10-6を介して電力供給ライン72に接続されている。各誘電発電機9-1、…9-6には、回転速度検出手段75-1、…75-6がそれぞれ設けられ、検出した発電機回転速度を制御装置31に入力するようになっている。その他の構造は、図1の第1の実施の形態と同じであり、同じ部品には同じ符号を付してある。
【0056】
同期発電機70は、一定の周波数を得るために、前述のように同期発電機70に設けられた回転速度検出手段73から得られた回転速度と燃料調量装置46とにより、負荷に応じて燃料量を調整し、一定回転速度で内燃機関1を運転する。
【0057】
必要な発電量の増減に伴い、内燃機関1の排気装置2に排出される排気ガスの温度が上下し、蒸気発生器3内で発生する蒸気量は増減する。このような蒸気量の増減に対し、前記第1の実施の形態で説明した作用と同様に、蒸気開閉弁15-1、…15-6の開く個数を増減し、膨張機運転台数を増減する。たとえば、蒸気量が増加して、蒸気開閉弁5-1、…5-6のうち、新たに一個の蒸気開閉弁15-(n+1)を開いた時に、新たに追加される膨張機5-(n+1)に連結された誘導発電機9-(n+1)の回転速度を、回転速度検出手段75-(n+1)により検出し、同期速度付近まで上昇した時に、電気スイッチ10-(n+1)を入れるように制御する。反対に、蒸気量が減少して、蒸気開閉弁5-1、…5-6のうち、一個の蒸気開閉弁15-nを閉じた時には、対応するスイッチ10-nを切断する。
【0058】
この実施の形態は、部分負荷運転もあるような、舶用補機関などの発電装置に適している。
【0059】
[第6の実施の形態]
図8は第6の実施の形態であり、前記図7の第5の実施の形態のように、内燃機関1の排気熱から電気出力を回収する高圧系のランキンサイクルシステムを備えると共に、内燃機関1の冷却水の廃熱から電気出力を回収する低圧系のランキンサイクルシステムを備えている。前記図7と同じ部品には同じ符号を付し、詳しい説明は省略する。
【0060】
内燃機関1の冷却水を利用した低圧系のランキンサイクルシステムは、前記排気熱を利用した高圧系と同様に、たとえば6台の容積形膨張機85-1、…85-6と、各容積形膨張機用の6個の蒸気開閉弁86-1、…86-6と、1個の凝縮器87と、1個の復水ポンプ88と、を備え、各容積形膨張機85-1、…85-6の動力取出部には誘導発電機89-1、…89-6がそれぞれ連結され、各誘導発電機89-1、…89-6は、それぞれ電気スイッチ90-1、…90-6を介して共通の電力供給ライン72に電気的に接続されている。また、前記各容積形膨張機85-1、…85-6と並列に、安全弁91及び安全弁用蒸気開閉弁92が備えられ、制御機器として、各誘導発電機89-1、…89-6にはそれぞれ回転速度検出手段93-1、…93-6が設けられている。
【0061】
低圧系の蒸気発生器として、内燃機関1の冷却が必要な機関部分(シリンダ等)81より上部に、蒸発タンク(蒸気発生器)82が設けられ、機関内部で発生した蒸気を蒸発タンク82内に導くようにしてある。蒸発タンク82は蒸気通路84を介して前記各蒸気開閉弁86-1、…86-6、91に接続されている。また、蒸発タンク82には液面検出装置83が取り付けられており、該液面検出装置83からの液面信号により、復水ポンプ88の流量を制御するようになっている。
【0062】
低圧系の複数の蒸気開閉弁86-1、…86-6、92の開閉制御は、内燃機関1の排気熱を利用した高圧系の膨張機5-1、5-2、…5-6の制御と同じである。
【0063】
該実施の形態によると、単一の内燃機関1を備えたランキンサイクル動力回収システムにおいて、内燃機関1の負荷変動に応じて、排気熱を利用した高圧系のランキンサイクルシステムからも、冷却水の廃熱を利用した低圧系のランキンサイクルシステムからも、効率良く電力回収ができる。
【0064】
[その他の実施の形態]
(1)前記図1の第1の実施の形態では、図2に示すように、各膨張機運転台数に対応する蒸気圧上限値PH1、PH2、PH3、PH4、PH5、PH6を、略等しい値に設定しているが、PH1<PH2<PH3<PH4<PH5<PH6の関係に設定することも可能である。すなわち、PH1からPH6にいくに従い、蒸気上限値が少しずつ高くなるように設定することも可能である。
【0065】
(2)前記各実施の形態は、容積形膨張機で利用した蒸気を凝縮し、再度利用する蒸気循環型であるが、本発明は、凝縮器を利用せずに、容積形膨張機で利用した蒸気は廃棄し、蒸気発生器へ新たな蒸気を供給する開放型にも適用可能である。
【0066】
(2)図8及び図9の第5及び第6の実施の形態では、蒸気発生器3及び蒸発タンク83により発生した蒸気の全てを容積形膨張機5-1、5-2、…5-6にて使用する構成であるが、その他の蒸気使用機器と並列に使う場合にも適用できる。その場合は、電力変換効率の高い熱電可変システムとなる。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第1の実施の形態を示す配管略図である。
【図2】蒸気熱量の変化に対する蒸気圧力及び膨張機運転台数の変化を示す図である。
【図3】複数の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。
【図4】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第2の実施の形態を示す配管略図である。
【図5】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第3の実施の形態を示す配管略図である。
【図6】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第4の実施の形態を示す配管略図である。
【図7】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第5の実施の形態を示す配管略図である。
【図8】本発明によるランキンサイクル動力回収装置の第6の実施の形態を示す配管略図である。
【図9】従来例の配管略図である。
【図10】別の従来例の配管略図である。
【図11】容積形膨張機の一般的な設計点外性能を示す図である。
【図12】回転速度が一定の条件において、1台の容積形膨張機の蒸気熱量の変化に対する蒸気圧及び蒸気出口圧力の変化を示す図である。
【図13】単一の膨張機を備えたランキンサイクル動力回収システムにおける蒸気熱量の変化に対するランキンサイクル効率の変化を示しており、理論効率と膨張機有効効率を考慮したランキンサイクル効率とを比較した図である。
【符号の説明】
【0068】
1 内燃機関
2 排気装置
3 蒸気発生器
7 凝縮器
8 復水ポンプ
5-1、5-2、…5-6 容積形膨張機
9-1、9-2、…9-6 誘導発電機
10-1、10-2、…10-6 スイッチ
15-1、15-2、…15-6 蒸気開閉弁
30 蒸気圧検出手段
31 制御装置
82 低圧系の蒸発タンク(低圧系蒸気発生器)
85-1、…85-6 低圧系の容積形膨張機
86-1、…86-6 低圧系の蒸気開閉弁
87 低圧系の凝縮器
88 低圧系の復水ポンプ
89-1、89-2、…89-6 低圧系の誘導発電機
90-1、90-2、…90-6 低圧系のスイッチ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、
前記膨張機として、前記蒸気発生器に並列に接続される複数の容積形膨張機を備え、
前記各容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁をそれぞれ備え、
前記蒸気発生器により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、
前記容積形膨張機の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、
前記各蒸気開閉弁を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁の開閉を制御することを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項2】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項3】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項4】
請求項2又は3記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けていることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項5】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、
前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、
前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項6】
請求項5記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、
前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、
前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、
前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、
前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、
前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、
前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御することを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項1】
一つの蒸気発生器に対し、蒸気により駆動する複数の膨張機を接続し、該各膨張機の出力を、回転数が拘束される共通の負荷部に利用するランキンサイクル動力回収装置において、
前記膨張機として、前記蒸気発生器に並列に接続される複数の容積形膨張機を備え、
前記各容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に蒸気開閉弁をそれぞれ備え、
前記蒸気発生器により発生する蒸気の圧力を検出する蒸気圧力検出手段を備え、
前記容積形膨張機の運転台数を認識する膨張機運転台数認識手段を備え、
前記各蒸気開閉弁を開閉することにより膨張機運転台数を制御する制御装置を備え、
該制御装置は、膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記膨張機運転台数認識手段によって認識された膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は膨張機運転台数を減らすように、前記蒸気開閉弁の開閉を制御することを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項2】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、前記各容積形膨張機側から前記内燃機関側へのみ動力伝達可能なワンウエイクラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項3】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部とを、電磁クラッチ及び動力伝達機構により連結していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項4】
請求項2又は3記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記内燃機関の出力部と前記各容積形膨張機の動力取出部との間に、動力伝達機構及び電磁クラッチ又はワンウエイクラッチに加え、変速機構を設けていることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項5】
請求項1記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記蒸気発生器の熱源として内燃機関の排気熱を前記蒸気発生器内に導入し、
前記各容積形膨張機の動力取出部に誘導発電機をそれぞれ連結し、
前記共通の負荷部として、前記内燃機関に発電装置を連結し、
前記各誘導発電機を前記発電装置に電気的に接続していることを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【請求項6】
請求項5記載のランキンサイクル動力回収装置において、
前記内燃機関として水冷式内燃機関を備え、
前記内燃機関に、冷却水を蒸発させる低圧系蒸気発生器を備え、
前記低圧系蒸気発生器に並列に接続される複数の低圧系容積形膨張機を備え、
前記各低圧系容積形膨張機の蒸気入口の蒸気上流側に低圧系蒸気開閉弁をそれぞれ備え、
前記内燃機関の内部で発生した冷却水の蒸気の圧力を検出する低圧系蒸気圧力検出手段を備え、
前記低圧系容積形膨張機の運転台数を認識する低圧系膨張機運転台数認識手段を備え、
前記制御装置は、低圧系膨張機運転台数毎に適正蒸気圧力範囲が予め記憶されており、前記低圧系蒸気圧力検出手段により検出した蒸気圧力と、前記低圧系膨張機運転台数認識手段によって認識された低圧系膨張機運転台数に対応する前記適正蒸気圧力範囲とを比較し、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の上限値を超えた場合は低圧系膨張機運転台数を増加させ、前記検出蒸気圧力が前記適正蒸気圧力範囲の下限値を下回った場合は低圧系膨張機運転台数を減らすように、前記各低圧系蒸気開閉弁を制御することを特徴とするランキンサイクル動力回収装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【公開番号】特開2008−175108(P2008−175108A)
【公開日】平成20年7月31日(2008.7.31)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−8061(P2007−8061)
【出願日】平成19年1月17日(2007.1.17)
【出願人】(000006781)ヤンマー株式会社 (3,810)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年7月31日(2008.7.31)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年1月17日(2007.1.17)
【出願人】(000006781)ヤンマー株式会社 (3,810)
【Fターム(参考)】
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