JP5374465B2 - 発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法に関するものである。

ディーゼル機関の排熱回収装置として、ディーゼル機関の排ガスによって蒸気を発生させる排ガスエコノマイザが知られている。
また、下記特許文献１に示すように、ディーゼル機関の過給機を通過する前の高エネルギーを持った有効排ガスの一部を抽気し、排ガスエコノマイザの上流側で過給機を通過した排ガスと混合させる抽ガスバイパス管が用いられるシステムが知られている。同文献に記載されたシステムは、排ガスエコノマイザ用の排ガス昇温設備とされており、排ガスエコノマイザの汽水分離器の出口蒸気圧力が所定の圧力となるように、抽ガスバイパス管のコントロール弁を制御するようになっている。

一方、さらに排熱回収による効果を上げるために、排ガスエコノマイザによって過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気によって蒸気タービンを駆動することで発電を行わせるシステムも検討されている。

特開昭６１−２３２３１９号公報（図１及び図３）

しかし、特許文献１に記載されたシステムは、排ガスエコノマイザにて飽和蒸気を生成するものであり、同文献には明記されていないが、周囲設備のユーティリティ蒸気としての利用や、ディーゼル機関の燃料となる重油を加熱するための熱源として用いることを目的としているものと理解できる。したがって、排ガスエコノマイザにて過熱蒸気を生成し、蒸気タービンによる発電を行う際にどのように抽ガスバイパス弁を制御するべきかという知見が一切ない。

また、特許文献１のシステムは、排ガス昇温設備とされており、汽水分離器の出口蒸気圧力を一定の圧力に制御することを目的としている。
しかし、排ガスエコノマイザにて生成された過熱蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電するシステムでは、発電した電力を供給する系統の電力需要に応じて必要とされる過熱蒸気量が変動する。すなわち、特許文献１のように蒸気圧力を一定に制御するのでは、変化する系統の需要電力に対応することができない。

例えば、発電時には排ガスエコノマイザにて生成する蒸気量および蒸気温度を増加させるために排ガスバイパス弁を全開とし、非発電時には蒸気量および蒸気温度を増加させる必要がないので抽ガスバイパス弁を全閉とする制御が考えられる。しかし、抽ガスバイパス弁が全開とされた場合に、蒸気タービンによって発電した電力量が系統の需要電力を上回った場合、排ガスエコノマイザにて生成した蒸気の圧力が上昇して余剰の蒸気が発生することになる。この場合、圧力の過上昇を避けるため、蒸気タービンをバイパスさせるように蒸気ダンプ弁を開いて余剰蒸気を復水器側へとダンプする（捨てる）必要が生じる。これでは、排ガスエコノマイザにて排熱回収した蒸気を捨てることになるので、エネルギーの有効活用とはならない。また、過給機の上流側から排ガスを必要以上に抽気すると、過給機の仕事を減少させることになり、結果として、過給機からの圧縮空気量が低下し、ディーゼル機関の燃費が悪化することになる。

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、系統の需要電力の変動に対して高い応答性を有するとともに、ディーゼル機関の燃費を最適化させることができる発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる発電プラント設備は、ディーゼル機関と、該ディーゼル機関からの排ガスによって駆動され、該ディーゼル機関へと供給する燃焼用空気を圧縮する過給機と、前記ディーゼル機関からの排ガスの一部が前記過給機をバイパスするように設けられた抽ガスバイパス経路と、該抽ガスバイパス経路に設けられ、排ガスのバイパス量を調整する抽ガスバイパス弁と、前記過給機または前記過給機および前記抽ガスバイパス経路を通過した排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、該蒸気発生装置にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンから得た駆動力によって発電し、系統へと発電した電力を供給する発電機と、前記蒸気発生装置から前記蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力に応じて、前記抽ガスバイパス弁の開度を調整する制御部と、を備え、前記制御部は前記ディーゼル機関がある一定の負荷に達すると抽ガスバイパス弁を全閉状態から全開状態にするとともに、その後は過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とする。

蒸気発生装置から蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力は、蒸気タービンの蒸気消費量に依存するフローティング圧力とされる。一方、蒸気タービンの蒸気消費量は、蒸気タービンによって発電する発電機の発電量、すなわち系統の需要電力に依存する。したがって、蒸気発生装置から蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力は、系統の需要電力に依存することになる。そこで、本発明は、過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を調整することとし、抽ガスバイパス経路によって過給機をバイパスする排ガス量を系統の需要電力に応じて調整することとした。これにより、系統の需要電力に応じた過熱蒸気を蒸気発生装置にて生成することができるので、過剰に過熱蒸気を生成することを回避できる。したがって、無駄な抽ガスバイパスを行うことがないので、ディーゼル機関の燃費を最適化させることができる。
また、本発明は、抽ガスバイパス弁の開度調整の指標として、蒸気発生装置の飽和蒸気ではなく過熱蒸気の圧力を用い、蒸気タービンへと供給される直近の蒸気圧力を用いることとしたので、系統の需要電力に対する応答性を高めることができる。

さらに、本発明の発電プラント設備では、前記制御部は、前記過熱蒸気の圧力が第一所定値から増加傾向にある場合は前記抽ガスバイパス弁の開度を閉方向へと調整し、前記過熱蒸気の圧力が第二所定値から減少傾向にある場合は前記抽ガスバイパス弁の開度を開方向へと調整することを特徴とする。

系統の需要電力が相対的に小さい場合は、蒸気タービンの蒸気消費量が小さくなり、蒸気発生装置にて生成される過熱蒸気が余剰傾向となる。この場合には、過熱蒸気の圧力は増加傾向にあるので、余剰蒸気を減少させるべく抽ガスバイパス弁の開度を閉方向へと調整する。
一方、系統の需要電力が相対的に大きい場合は、蒸気タービンの蒸気消費量が大きくなり、蒸気発生装置にて生成される過熱蒸気が不足傾向となる。この場合には、過熱蒸気の圧力は減少傾向にあるので、過熱蒸気を増加させるべく抽ガスバイパス弁の開度を開方向へと調整する。

さらに、本発明の発電プラント設備では、前記制御部は、前記抽ガスバイパス弁を全閉とし、かつ前記過熱蒸気の圧力が第三所定値を超えた場合には、前記蒸気タービンをバイパスして復水器側へと過熱蒸気を流すように蒸気ダンプ弁を開とすることを特徴とする。

抽ガスバイパス弁を全閉としても、系統の需要電力が極めて小さい場合には、余剰蒸気が増えて過熱蒸気の圧力が過剰に上昇する恐れがある。このような場合には、蒸気タービンをバイパスして復水器側へと過熱蒸気を流すように蒸気ダンプ弁を開とすることとした。これにより、蒸気の過剰な圧力上昇を回避して、各種機器の保護を図ることができる。

さらに、本発明の発電プラント設備では、前記ディーゼル機関は、船舶の推進用のプロペラを駆動するディーゼル主機とされ、前記発電機は、船内系統へと電力を供給することを特徴とする。

船舶が外洋にて定速航行する場合、ディーゼル主機の出力は略一定とされる。しかし、船内系統にて消費される電力は船内需要に応じて変動する。本発明では、抽ガスバイパス弁の開度を過熱蒸気の圧力に応じて調整することとしているので、このようにディーゼル主機の出力が略一定とされた上で船内系統の需要電力が変動する場合であっても、適切な蒸気発生量とすることができ、ディーゼル主機の燃費を最適化することができる。

また、本発明の船舶は、上述の発電プラント設備を備えたことを特徴とする。

上述の発電プラント設備を備えているので、燃費の良い船舶を提供することができる。

また、本発明の発電プラント設備の運転方法は、ディーゼル機関と、該ディーゼル機関からの排ガスによって駆動され、該ディーゼル機関へと供給する燃焼用空気を圧縮する過給機と、前記ディーゼル機関からの排ガスの一部が前記過給機をバイパスするように設けられた抽ガスバイパス経路と、該抽ガスバイパス経路に設けられ、排ガスのバイパス量を調整する抽ガスバイパス弁と、前記過給機または前記過給機および前記抽ガスバイパス経路を通過した排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、該蒸気発生装置にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンから得た駆動力によって発電し、系統へと発電した電力を供給する発電機と、を備えた発電プラント設備の運転方法において、前記蒸気発生装置から前記蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力に応じて、前記抽ガスバイパス弁の開度を調整し、かつ、前記ディーゼル機関がある一定の負荷に達すると抽ガスバイパス弁を全閉状態から全開状態にするとともに、その後は過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とする。

蒸気発生装置から蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力は、蒸気タービンの蒸気消費量に依存するフローティング圧力とされる。一方、蒸気タービンの蒸気消費量は、蒸気タービンによって発電する発電機の発電量、すなわち系統の需要電力に依存する。したがって、蒸気発生装置から蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力は、系統の需要電力に依存することになる。そこで、本発明は、過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を調整することとし、抽ガスバイパス経路によって過給機をバイパスする排ガス量を系統の需要電力に応じて調整することとした。これにより、系統の需要電力に応じた過熱蒸気を蒸気発生装置にて生成することができるので、過剰に過熱蒸気を生成することを回避できる。したがって、無駄な抽ガスバイパスを行うことがないので、ディーゼル機関の燃費を最適化させることができる。
また、本発明は、抽ガスバイパス弁の開度調整の指標として、蒸気発生装置の飽和蒸気ではなく過熱蒸気の圧力を用い、蒸気タービンへと供給される直近の蒸気圧力を用いることとしたので、系統の需要電力に対する応答性を高めることができる。

過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を調整することとし、無駄な抽ガスバイパスを行うことがないので、ディーゼル機関の燃費を最適化させることができる。
また、抽ガスバイパス弁の開度調整の指標として過熱蒸気の圧力を用いることとしたので、系統の需要電力に対する応答性を高めることができる。

本発明の発電プラント設備を示した概略構成図である。 図１の抽ガスバイパス弁の動作を示したグラフである。

以下に、本発明の発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されているように、船舶に設置された発電プラント設備は、ディーゼル主機（ディーゼル機関）１と、ディーゼル主機１が排出する高温の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（蒸気発生装置）３と、排ガスエコノマイザ３にて発生した蒸気によって駆動される蒸気タービン５と、蒸気タービン５によって駆動される発電機７とを備えている。

ディーゼル主機１は、船舶推進用のプロペラ１１を駆動する。ディーゼル主機１へ供給される圧縮空気は、ディーゼル主機１の排ガスによって駆動される過給器２から導かれる。
過給器２は、同軸上に設けられたタービン１４と圧縮機１５とを有している。タービン１４は、ディーゼル主機１から排出された排ガスによって回転駆動されるようになっている。タービン１４が駆動されると、同軸上に設けられた圧縮機１５が回転して空気を圧縮する。
タービン１４の下流側は、排ガス管１２によって後述する排ガスエコノマイザ３に接続されている。

ディーゼル主機１の排ガスの一部が抽ガスされて過給機２をバイパスするように、抽ガスバイパス管（抽ガスバイパス系統）８が設けられている。抽ガスバイパス管８は、その上流端が過給機２のタービン１４の上流側に接続され、その下流端が過給機２のタービン１４の下流側の排ガス管１２に接続されている。抽ガスバイパス管８には、抽ガスバイパス弁９が設けられている。抽ガスバイパス弁９は、制御部１０によってその開度が制御されるようになっている。具体的には、排ガスエコノマイザ３から蒸気タービン５へと供給される過熱蒸気の圧力を検出する圧力センサ１６の出力値に応じて抽ガスバイパス弁９の開度が制御される。

排ガスエコノマイザ３は、その煙道内に過熱器１７と蒸発器１８とを有している。過熱器１７と蒸発器１８とは、排ガスエコノマイザ３内を下から上（排ガス流れの上流側から下流側）に向かって順番に平行に据え付けられた伝熱管とされている。排ガスエコノマイザ３の煙道内には、高温の排ガスが流れ、その下流側に接続された煙突（図示せず）を経て大気に放出される。過熱器１７には、汽水分離器２０の上部から飽和蒸気が導かれる。蒸発器１８には、汽水分離器２０の下部から水が導かれる。
汽水分離器２０内は、水と蒸気が上下にそれぞれ分離して収容されている。汽水分離器２０には、復水器２２から復水ポンプ２３を介して水が供給される。汽水分離器２０内の水は、ボイラ水循環ポンプ２５によって蒸発器１８に導かれる。汽水分離器２０には、蒸発器１８からの水分を含んだ湿り蒸気が導かれ水と蒸気とに分離される。分離された飽和蒸気は、過熱器１７に導かれ過熱蒸気とされる。過熱器１７にて生成された過熱蒸気は、過熱蒸気供給管２６を介して蒸気タービン５へと導かれる。この過熱蒸気供給管２６には、上述した圧力センサ１６が設けられる。なお、過熱蒸気圧力を検出する圧力センサ１６の設置位置は、排ガスエコノマイザ３にて生成された過熱蒸気の圧力を検出できる位置であれば良い。

蒸気タービン５の上流側には、開閉弁とされた蒸気止め弁２７が設けられている。蒸気タービン５を運用する場合には、蒸気止め弁２７が全開とされ、蒸気タービン５を運用しない場合には蒸気止め弁２７が全閉とされる。
蒸気タービン５は、蒸気止め弁２７を介して導かれた過熱蒸気によって回転駆動され、この回転出力が発電機７へと伝達される。
蒸気タービン５にて仕事を終えた蒸気は、復水器２２へと導かれ、凝縮液化される。液化された復水は、復水ポンプ２３によって汽水分離器２０へと導かれる。
復水器２２と、排ガスエコノマイザ３の過熱器１７出口との間には、蒸気タービン５をバイパスするように設けられた蒸気ダンプ経路２９が設けられている。この蒸気ダンプ経路２９には蒸気ダンプ弁３０が設けられており、圧力センサ１６にて得られた過熱蒸気圧力が所定値以上になった場合に全開となり、過熱蒸気圧力が所定値未満の場合には全閉となるように制御される。

発電機７は、蒸気タービン５から伝達された回転出力によって駆動されて発電する。発電機７の電気出力は、出力電線３２及び遮断機３３を介して船内電力系統３４へと導かれる。

次に、上述した発電プラント設備の運転方法について説明する。
ディーゼル主機１が運転を開始すると、過給機２にて圧縮された圧縮空気がディーゼル主機１へと供給され、図示しない燃料とともに筒内にて燃焼が行われる。ディーゼル主機１にて燃焼が行われた後の排ガスは、過給機２のタービン１４を経て排ガス管１２を通り排ガスエコノマイザ３へと導かれる。排ガスは、排ガスエコマイザ３内を通過する際に過熱器１７及び蒸発器１８と熱交換をする。蒸発器１８内の水は、排ガスと熱交換することによって湿り蒸気となる。この湿り蒸気は、汽水分離器２０に導かれて水分が分離された後、排ガスエコノマイザ３の過熱器１７に導かれる。過熱器１７内の蒸気は、排ガスと熱交換することによって過熱蒸気となる。
過熱蒸気は、過熱蒸気供給管２６に導かれる。過熱蒸気供給管２６に導かれた過熱蒸気は、蒸気止め弁２７を経て蒸気タービン５に供給される。蒸気タービン５は、導かれた蒸気によって回転駆動され、この回転出力が発電機７へと伝達される。発電機７では、蒸気タービン５から得られた回転出力によって発電し、その発電出力を出力電線３２及び遮断機３３を介して船内電力系統３４へと供給する。

次に、図２を用いて、抽ガスバイパス弁９の動作について説明する。
ディーゼル主機１の運転開始時は、ディーゼル主機１が所定の負荷に達しておらずディーゼル主機１から排出される排ガスが蒸気タービン５による発電を行う圧力に達していないので、抽ガスバイパス弁９は全閉の状態である。その後ディーゼル主機１がある一定の負荷に達すると抽ガスバイパス弁９を全開状態にする。
抽ガスバイパス弁９が開くと、過給機２を通過する前の高エネルギーを持った排ガスの一部が抽気され、抽ガスバイパス管８を通り排ガスエコノマイザ３の上流側で過給機２を通過した排ガスと混合される。これにより、排ガスエコノマイザ３にて発生する蒸気量および蒸気温度を増加させることができる。
図２に示すように、圧力センサ１６にて得られる排ガスエコノマイザ３の過熱蒸気圧力が第一所定値Ｐ１以上第二所定値Ｐ２以下の間で、抽ガスバイパス弁９の開度制御を制御部１０によって行う。
また、過熱蒸気圧力が第二所定値Ｐ２を超えた場合には、抽ガスバイパスによるアシストを行わなくても十分であるとし、抽ガスバイパス弁９を全閉とする。
さらに、過熱蒸気圧力が第二所定値Ｐ２を超えて第三所定値Ｐ３になると、ダンプ弁開セット圧力となり、蒸気ダンプ弁３０が全開とされる。これにより、排ガスエコノマイザ３からの過熱蒸気の一部を復水器２２へと流し、過熱蒸気圧力の過上昇を防止する。

本実施形態の発電プラント設備では、過熱蒸気圧力は、排ガスエコノマイザ３の蒸気発生量と蒸気タービン５の蒸気消費量とのバランスによって決定されるフローティング圧力となっている。そこで、制御部１０は、過熱蒸気圧力に応じて排ガスバイパス弁９の開度を以下のように調整する。
船内系統３４の需要電力が相対的に減少すると、蒸気タービン５の蒸気消費量が小さくなり、排ガスエコノマイザ３にて生成される過熱蒸気が余剰傾向となる。すなわち、船内系統３４の需要電力が相対的に減少した場合には、抽ガスバイパス弁９の開度を減少させて排ガスエコノマイザ３の蒸気発生量を抑制した方が好ましい。そこで、過熱蒸気圧力が増加傾向になると、抽ガスバイパス弁９の開度を閉方向となるように漸次減少させる。
一方、船内系統３４の需要電力が相対的に増加すると、蒸気タービン５の蒸気消費量が大きくなり、排ガスエコノマイザ３にて生成される過熱蒸気が不足傾向となる。すなわち、船内系統３４の需要電力が相対的に増加した場合には、抽ガスバイパス弁９の開度を増加させて排ガスエコノマイザ３の蒸気発生量を増大させた方が好ましい。そこで、過熱蒸気圧力が減少傾向になると、抽ガスバイパス弁９の開度を開方向となるように漸次増大させる。

以上の通り、本実施形態の発電プラント設備およびこれを備えた船舶ならびに発電プラント設備の運転方法によれば、以下の効果を奏する。
排ガスエコノマイザ３からの過熱蒸気圧力に応じて抽ガスバイパス弁９の開度を調整することとし、抽ガスバイパス管８によって過給機２をバイパスする排ガス量を船内系統３４の需要電力に応じて調整することとした。これにより、船内系統３４の需要電力に応じた過熱蒸気を排ガスエコノマイザ３にて生成することができるので、過剰に過熱蒸気を生成することを回避できる。したがって、無駄な抽ガスバイパスを行うことがないので、ディーゼル主機１の燃費を最適化させることができる。

また、抽ガスバイパス弁９の開度調整の指標として、汽水分離器２０出口の飽和蒸気ではなく過熱器１７を通過した後の過熱蒸気の圧力を用い、蒸気タービン５へと供給される直近の蒸気圧力を用いることとしたので、船内系統３４の需要電力に対する応答性を高めることができる。

なお、本実施形態では、発電プラント設備は、船舶に設置されていることを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、陸上に設置された発電プラント設備であっても良い。

１ ディーゼル主機（ディーゼル機関）
２ 過給機
３ 排ガスエコノマイザ（蒸気発生装置）
５ 蒸気タービン
７ 発電機
８ 抽ガスバイパス管（抽ガスバイパス系統）
９ 抽ガスバイパス弁
１０ 制御部
１６ 圧力センサ
３０ 蒸気ダンプ弁
３４ 船内系統

Claims (6)

1. ディーゼル機関と、
   該ディーゼル機関からの排ガスによって駆動され、該ディーゼル機関へと供給する燃焼用空気を圧縮する過給機と、
   前記ディーゼル機関からの排ガスの一部が前記過給機をバイパスするように設けられた抽ガスバイパス経路と、
   該抽ガスバイパス経路に設けられ、排ガスのバイパス量を調整する抽ガスバイパス弁と、
   前記過給機または前記過給機および前記抽ガスバイパス経路を通過した排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、
   該蒸気発生装置にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   該蒸気タービンから得た駆動力によって発電し、系統へと発電した電力を供給する発電機と、
   前記蒸気発生装置から前記蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力に応じて、前記抽ガスバイパス弁の開度を調整する制御部と、を備え、
   前記制御部は前記ディーゼル機関がある一定の負荷に達すると抽ガスバイパス弁を全閉状態から全開状態にするとともに、その後は過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とする発電プラント設備。
2. 前記制御部は、前記過熱蒸気の圧力が第一所定値から増加傾向にある場合は前記抽ガスバイパス弁の開度を閉方向へと調整し、前記過熱蒸気の圧力が第二所定値から減少傾向にある場合は前記抽ガスバイパス弁の開度を開方向へと調整することを特徴とする請求項１に記載の発電プラント設備。
3. 前記制御部は、前記抽ガスバイパス弁を全閉とし、かつ前記過熱蒸気の圧力が第三所定値を超えた場合には、前記蒸気タービンをバイパスして復水器側へと過熱蒸気を流すように蒸気ダンプ弁を開とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電プラント設備。
4. 前記ディーゼル機関は、船舶の推進用のプロペラを駆動するディーゼル主機とされ、
   前記発電機は、船内系統へと電力を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電プラント設備。
5. 請求項４に記載された発電プラント設備を備えたことを特徴とする船舶。
6. ディーゼル機関と、
   該ディーゼル機関からの排ガスによって駆動され、該ディーゼル機関へと供給する燃焼用空気を圧縮する過給機と、
   前記ディーゼル機関からの排ガスの一部が前記過給機をバイパスするように設けられた抽ガスバイパス経路と、
   該抽ガスバイパス経路に設けられ、排ガスのバイパス量を調整する抽ガスバイパス弁と、
   前記過給機または前記過給機および前記抽ガスバイパス経路を通過した排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、
   該蒸気発生装置にて生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
   該蒸気タービンから得た駆動力によって発電し、系統へと発電した電力を供給する発電機と、
   を備えた発電プラント設備の運転方法において、
   前記蒸気発生装置から前記蒸気タービンへと供給される過熱蒸気の圧力に応じて、前記抽ガスバイパス弁の開度を調整し、かつ、
   前記ディーゼル機関がある一定の負荷に達すると抽ガスバイパス弁を全閉状態から全開状態にするとともに、その後は過熱蒸気の圧力に応じて抽ガスバイパス弁の開度を制御することを特徴とする発電プラント設備の運転方法。

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