JP2007001339A - 船舶の推進装置における内燃機関廃熱回収プラント - Google Patents

Abstract

【課題】 推進システムの総合的なエネルギー効率を向上させ得る内燃機関廃熱回収プラントを提供することを目的とする。
【解決手段】 主機９と電気推進との複合推進システム３を有する船舶１の内燃機関廃熱回収プラントにおいて、発電機２１を駆動する発電機駆動用タービン１９と、過熱蒸気を生成するボイラ１７と、主機９の排ガスから熱量を回収して高圧蒸気を生成する高圧蒸気生成手段２３および低圧蒸気を生成する低圧蒸気生成手段２５と、過熱蒸気を発電機駆動用タービン１９の入口に導入させる過熱蒸気供給ライン６７と、高圧蒸気を発電機駆動用タービン１９の上段側混気段に導入させる高圧蒸気ライン６９と、低圧蒸気を発電機駆動用タービン１９の下段側混気段に導入させる低圧蒸気ライン７１と、高圧蒸気量および低圧蒸気量が増減すると過熱蒸気ライン６７の供給量を反対に減増させるように制御する制御部と、が備えられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関をプロペラに直結した主機と電気推進装置とを複合した推進システムを有する船舶の内燃機関廃熱回収プラントおよびこれを用いた船舶に関するものである。

近年、ディーゼル主機を備えた大型船では、大出力化や操縦性向上や冗長性確保のため、予備あるいは補助推進手段として電気推進を併せ持つものが用いられている。
従来、この電気推進のための電力は、例えば特許文献１に示されるように、ディーゼル主機の軸発電あるいは別途設けられた複数のディーゼル発電機によって供給されている。

特表２００４−５３０５８８号公報（段落［００２０］〜［００３８］，及び図１〜図２）

しかしながら、特許文献１に示されるものは、ディーゼルエンジンによって駆動される補助発電機によって発電されるものであり、主機よりの排ガスを利用することを考慮していない。一般的には主機の排ガスには動力として利用可能な熱が含まれており、これを利用することは総合的なエネルギー効率の向上において重要である。

本発明は、上記問題点に鑑み、推進システムの総合的なエネルギー効率を向上させ得る船舶の内燃機関廃熱回収プラントおよびこれを用いた船舶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、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる船舶の内燃機関廃熱回収プラントは、内燃機関による主機と電気推進とを複合した推進システムを有する船舶において、前記電気推進用の電力を供給する発電機を駆動し、中間部分に複数の混気段を有する発電機駆動用タービンと、過熱蒸気を生成するボイラと、前記内燃機関の排ガスから熱量を回収して高圧蒸気を生成する高圧蒸気生成手段と、該高圧蒸気生成手段の下流側で、前記内燃機関の排ガスから熱量を回収して低圧蒸気を生成する低圧蒸気生成手段と、前記ボイラが生成した過熱蒸気を前記発電機駆動用タービンの入口に導入させる過熱蒸気供給ラインと、前記高圧蒸気生成手段が生成した高圧蒸気を前記発電機駆動用タービンの上段側混気段に導入させる高圧蒸気ラインと、低圧蒸気生成手段が生成した低圧蒸気を前記発電機駆動用タービンの下段側混気段に導入させる低圧蒸気ラインと、前記高圧蒸気ラインおよび前記低圧蒸気ラインの蒸気量が増減すると前記過熱蒸気ラインの供給量を反対に減増させるように調節する制御手段と、が備えられていることを特徴とする。

このように、電気推進用の電力を供給する発電機を駆動する発電機駆動用タービンは、ボイラで生成された過熱蒸気に加えて、それぞれ内燃機関の排ガスを熱源として生成された高圧蒸気および低圧蒸気によっても駆動されているので、内燃機関（主機）から廃棄される熱量を十分に活用することとなり、推進システムのエネルギー効率を向上させることができる。
また、制御手段は、高圧蒸気ラインおよび低圧蒸気ラインの蒸気量が増減すると過熱蒸気ラインの過熱蒸気供給量を反対に減増させるように調節するので、高圧蒸気および低圧蒸気は発電機駆動用タービンで優先して利用されることになる。これにより、内燃機関の排ガスから熱量を回収して生成される高圧蒸気および低圧蒸気は、内燃機関の稼動状況等に対応して蒸気量が増減しても発電機駆動用タービンによって有効に活用されるので、推進システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。
なお、高圧蒸気生成手段および低圧蒸気生成手段には、適宜手段によって給水されることになるが、ボイラへの給水ラインを用いるのが好適である。このようにすると給水のための設備が重複しないので、推進システムの構造が簡略化でき、安価に製造できる。

また、本発明にかかる船舶の内燃機関廃熱回収プラントでは、前記高圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路に設置された高圧蒸発器と、給水されるとともに高圧蒸気を分離する高圧気水分離器と、前記高圧蒸発器および前記高圧気水分離器を連結して流体を循環させる高圧循環ラインと、を備え、前記低圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路における前記高圧蒸発器の下流側に設置された低圧蒸発器と、給水されるとともに低圧蒸気を分離する低圧気水分離器と、前記低圧蒸発器および前記低圧気水分離器を連結して流体を循環させる低圧循環ラインと、を備え、少なくとも前記低圧気水分離器はボイラへの給水ラインに設置されていることを特徴とする。

このように、少なくとも低圧気水分離器はボイラへの給水ラインに設置されているので、ボイラへの給水中から気体分を分離することができる。また、ボイラへの給水を加熱することができる。このため、低圧気水分離器ボイラの給水ラインに設置される気水分離機能を備えた給水加熱器を省略することができる。

また、本発明にかかる船舶の内燃機関廃熱回収プラントでは、前記高圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路に設置された高圧蒸発器と、給水されるとともに高圧蒸気を分離する高圧気水分離器と、前記高圧蒸発器および前記高圧気水分離器を連結して流体を循環させる高圧循環ラインと、を備え、前記低圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路における前記高圧蒸発器の下流側に設置された低圧蒸発器と、給水されるとともに低圧蒸気を分離する低圧気水分離器と、前記低圧蒸発器および前記低圧気水分離器を連結して流体を循環させる低圧循環ラインと、を備え、前記高圧気水分離器は前記ボイラの蒸気ドラムとしていることを特徴とする。

このように、高圧気水分離器はボイラの蒸気ドラムとしているので、別途高圧気水分離器を設ける必要がなくなり、その分製造コストを低減させることができる。

また、本発明にかかる船舶の内燃機関廃熱回収プラントでは、前記ボイラには、主煙道から分岐し、水管の一部を通過しないバイパス煙道と、該バイパス煙道に設置された過熱器と、前記主煙道および前記バイパス煙道を通過する燃焼ガスの比率を調節する流路調節手段と、が備えられていることを特徴とする。

バイパス煙道を通過する燃焼ガスは、水管の一部を通過しないので、主煙道を通過した燃焼ガスと比べて高温を維持している。過熱器を通る蒸気は、この比較的高温の燃焼ガスによって効率的に過熱蒸気とされ、発電機駆動用タービンへ送られる。
高圧蒸気および低圧蒸気の蒸気量が変動すると、所要の過熱蒸気量が変動する。この変動に応じて過熱器を通過する単位時間当たりの蒸気量が変化して、過熱蒸気温度が変化することになる。この場合、流路調節手段によって、バイパス煙道を通過する燃焼ガスの量を調節し、過熱器を通過する蒸気への過熱量を調節することができるので、過熱蒸気温度を簡単に調節（所定温度に維持）することができる。

また、本発明にかかる船舶の内燃機関廃熱回収プラントでは、前記内燃機関の燃料油供給ラインには、固形分を含む液体燃料から該固形分を分離する分離手段が備えられ、該分離手段によって前記液体燃料から分離された廃油分が前記ボイラの液体燃料供給ラインへ供給されるように構成されていることを特徴とする。

このように、内燃機関の燃料油供給ラインに備えられた分離手段によって分離された廃油分は、ボイラの液体燃料供給ラインへ供給され、内燃機関に比べて燃料性状に大きく左右されないボイラにて燃料として利用されるので、燃料のエネルギーを有効に活用することができる。
また、燃料油清浄度向上のために廃油率を上げても全体の燃費に与える影響は小さいので、分離手段における清浄化程度を向上させることができる。このため、内燃機関へ清浄な燃料油を供給することで、内燃機関の耐久性を向上させ、寿命を長くすることができる。
なお、一般に舶用内燃機関用の液体燃料としては、ディーゼル油、重油、残渣油等が用いられる。これらには、固形分（スラッジ）等の不純物が含まれており、特に、石油精製プロセスにおける残渣から生成される重油、残渣油ではスラッジが多く含まれている。

本発明にかかる船舶は、請求項１から請求項５のいずれかに記載された内燃機関廃熱回収プラントを備えたことを特徴とする。
このように、内燃機関から廃棄される熱量を十分に活用する内燃機関廃熱回収プラントを用いているので、推進システムのエネルギー効率を向上させることができる。

本発明によれば、電気推進用の電力を供給する発電機を駆動する発電機駆動用タービンは、ボイラで生成された過熱蒸気に加えて、それぞれ内燃機関の排ガスを熱源として生成された高圧蒸気および低圧蒸気によっても駆動されているので、内燃機関から廃棄される熱量を十分に活用することとなり、推進システムのエネルギー効率を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態にかかる船舶１について、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、推進システム３の全体概略構成を示すブロック図である。図１において、各部材を接続する実線は蒸気、給水用の管路を示し、破線は検出信号、制御信号等の信号線を示し、一点鎖線は電力ラインを示している。
船舶１の後部下部には、推進手段として主プロペラ５およびポッド推進器７が備えられている。
主プロペラ５は、プロペラ軸を介して連結された主機９によって回転駆動されるように構成されている。主機９は、例えば、熱効率のよい２ストロークディーゼルエンジン（内燃機関）が用いられている。
ポッド推進器７には、舵の下部に取り付けられたポッド本体１１と、ポッド本体１１の前部に取り付けられたポッドプロペラ１３と、ポッド本体１１の内部にポッドプロペラ１３を駆動するポッドモータ１５とが備えられている。

推進システム３には、主プロペラ５と、主機９と、ポッド推進器７と、ボイラ１７と、発電機駆動用タービン１９と、発電機２１と、高圧蒸気生成手段２３と、低圧蒸気生成手段２５と、が備えられている。
ボイラ１７は、例えば、自然循環式水管ボイラが用いられている。ボイラ１７には、略箱形形状をした火炉２４と、火炉２４の上部に設けられた燃焼装置２６と、蒸発管群２７と、蒸発管群２７の上方に設けられた蒸気ドラム２９と、蒸発管群２７の下方に設けられた水ドラム３１と、主煙道３３と、バイパス煙道３５とが備えられている。
主煙道３３は、燃焼ガスが火炉２４の出口部から蒸発管群２７の略下半分を通り、Ｕターンして蒸発管群２７の略上半分を通り上方へ向かうように形成されている。

バイパス煙道３５は、主煙道３３における蒸発管群２７の略上半分へ向かう位置の上流側で主煙道３３から分岐され、上方へ向かうように形成されている。バイパス煙道３５を通る燃焼ガスは、蒸発管群２７の略上半分を通らないので、そこで吸熱されない分だけ主煙道のものよりも高温を維持している。
主煙道３３とバイパス煙道３５とは、上方において合流されている。この合流位置には、煙道ダンパ（流路調節手段）３７が設けられている。煙道ダンパ３７は、一端が主煙道３３とバイパス煙道３５との下側会合部に揺動可能に取り付けられ、揺動することによって各煙道の流路断面積を調節するように構成されている。
バイパス煙道３５の煙道ダンパ３７下流側には、熱交換コア３９が装着されている。熱交換コア３９には、上流側から過熱器４１と、節炭器４３とが備えられている。

発電機駆動用タービン１９は、多段式であり、中間位置Ｍ，Ｌに蒸気を導入できる混気段が備えられている。なお、位置Ｍは、位置Ｌよりも上段側に位置している。
発電機２１は、発電機駆動用タービン１９の回転軸に接続され、発電機駆動用タービン１９によって駆動されて電力を生成するものである。

高圧蒸気生成手段２３には、高圧蒸発器４５と、蒸気と水とを分離する高圧気水分離器４７と、高圧蒸発器４５および高圧気水分離器４７を接続して流体を循環させる高圧循環ライン４９と、高圧循環ライン４９に配設され流体を循環させる高圧循環ポンプ５１とが備えられている。
高圧蒸発器４５は、主機９の排ガス通路５３に設置された高圧コア４４の内部に位置され、主機９の排ガスと熱交換を行なえるように構成されている。
本実施形態では、高圧気水分離器４７は、独立して設けられているが、高圧気水分離器として蒸気ドラム２９を用いてもよい。
排ガス通路５３には、高圧蒸発器４５の下流側の分岐位置Ｓで分岐された排ガスバイパス５５が設けられている。この分岐位置Ｓには、排ガスダンパ５６が設けられている。排ガスダンパ５６は、排ガスの流路を排ガスバイパス５５と排ガス通路５３とのいずれかに振り分けるものである。

低圧蒸気生成手段２５には、低圧蒸発器５７と、蒸気と水とを分離する低圧気水分離器５９と、低圧蒸発器５７および低圧気水分離器５９を接続して流体を循環させる低圧循環ライン６１と、低圧循環ライン６１に配設され流体を循環させる低圧循環ポンプ６３とが備えられている。
低圧蒸発器５７は、主機９の排ガス通路５３における分岐位置Ｓの下流側に設置された低圧コア４６の内部に位置され、主機９の排ガスと熱交換を行なえるように構成されている。
なお、高圧蒸発器４５および低圧蒸発器５７は高圧コア４４と低圧コア４６とに分離して配置されているが、同じコアに配置するようにしてもよい。

蒸気ドラム２９には、高圧の飽和蒸気を船内に供給するボイラ圧蒸気ライン６５が接続されている。ボイラ圧蒸気ライン６５の上流側には、過熱器４１を通り発電機駆動用タービン１９の入口に接続された過熱蒸気ライン６７が接続されている。
高圧気水分離器４７で生成された高圧蒸気を発電機駆動用タービン１９へ導入させるために、高圧蒸気ライン６９が高圧気水分離器４７と発電機駆動用タービン１９の位置Ｍとを接続するように設けられている。
低圧気水分離器５９で生成された低圧蒸気を発電機駆動用タービン１９へ導入させるために、低圧蒸気ライン７１が低圧気水分離器５９と発電機駆動用タービン１９の位置Ｌとを接続するように設けられている。

ボイラ圧蒸気ライン６５における過熱蒸気ライン６７の分岐点よりも下流側の位置Ｘにおいて、大気圧復水器７３と接続されるボイラ圧蒸気復水ライン７５が分岐されている。
また、位置Ｘにおいて、低圧気水分離器５９と接続される蒸気補給ライン７７が分岐されている。
低圧蒸気ライン７１の下流側の位置Ｙにおいて、大気圧復水器７３と接続される低圧復水ライン７９が分岐されている。
また、低圧蒸気ライン７１の上流側の位置Ｚにおいて、低圧の飽和蒸気を船内に供給する低圧蒸気供給ライン８１が分岐されている。
蒸気補給ライン７７の中間部である位置Ｖと高圧蒸気ライン６９の中間部とを接続する連通ライン８３が設けられている。

発電機駆動用タービン１９の出口蒸気は、吸引復水器８５に導入され、復水される。
ボイラ１７の給水ライン８７は、吸引復水器８５および大気圧復水器７３と低圧気水分離器５９とを接続し、かつ、節炭器４３を経由して低圧気水分離器５９と蒸気ドラム２９を接続するように形成されている。
各復水器から低圧気水分離器５９へ復水を供給するために、給水ライン８７の大気圧復水器７３側には大気圧復水ポンプ８９が、吸引復水器８５側には吸引復水ポンプ９１が備えられている。
給水ライン８７における低圧気水分離器５９の下流側には、低圧気水分離器５９から蒸気ドラム２９へ給水する給水ポンプ９３が備えられている。

次に、推進システム３の動作を制御する制御手段について図３も参照して説明する。
図３は、推進システム３に用いられる蒸気弁の制御フローを示すブロック図である。図３では、左側に長い矢印で示されているように上に位置するほど圧力が高くなっている。図３は、連通関係を圧力の関係に着目して整理したものであり、具体的な位置関係は図１に示されている。
ボイラ圧蒸気復水ライン７５には、ボイラ圧ダンプ弁９７が備えられている。ボイラ圧ダンプ弁９７は、電子調整弁であり、ボイラ圧制御器１０１によって上流側のボイラ圧蒸気復水ライン７５の圧力を計測するボイラ圧圧力計９９の計測値に対応して、圧力が高くなれば開度が大きくなるように調節される。

蒸気補給ライン７７には、位置Ｖを挟んで位置Ｘ側に高圧蒸気供給弁１０３が、低圧気水分離器５９側に低圧蒸気供給弁１０５が備えられている。
低圧復水ライン７９には、低圧ダンプ弁１０７が備えられている。
低圧蒸気供給弁１０５および低圧ダンプ弁１０７はともに電子調整弁であり、低圧制御器１０９によって低圧蒸気供給ライン８１の圧力を計測する低圧圧力計１１１の計測値に対応して開度が調節されるように構成されている。
低圧制御器１０９は、図４に示されるような低圧蒸気供給ライン８１の圧力と開度との関係をあらわす関数Ｆ１を有し、これによって低圧蒸気供給弁１０５および低圧ダンプ弁１０７の開度を調整するように構成されている。

すなわち、低圧ダンプ弁１０７の開度Ｋ１は、圧力Ｐ１までは最低開度で、圧力Ｐ１を超えて上昇すると比例的に開度が大きくなり、圧力Ｐ２に至り最高開度となり、以後は圧力が上昇しても最高開度が維持される。
一方、低圧蒸気供給弁１０５の開度Ｋ２は、圧力Ｐ３までは最高開度で、圧力Ｐ３を超えて上昇すると比例的に開度が小さくなり、圧力Ｐ４に至り最低開度となり、以後は圧力が上昇しても最低開度が維持される。
この関数Ｆ１は、例示したものであり、状況の変化に対応して変更されるものであるが、傾向としては、低圧圧力計１１１の計測値が大きくなると、低圧蒸気供給弁１０５は閉じる方向に、一方低圧ダンプ弁１０７は開ける方向に動作させられることになる。
高圧蒸気供給弁１０３は電子調整弁であり、高圧制御器１１３によって位置Ｖ側の蒸気補給ライン７７の圧力を計測する高圧圧力計１１５の計測値が所定値を超えると開かれるように構成されている。

過熱蒸気ライン６７の発電機駆動用タービン１９側には、主蒸気弁１１７が備えられている。主蒸気弁１１７は、電子調整弁であり、ガバナ１１９によって開度が調整される。ガバナ１１９には、図示しない運転制御装置から所要動力を示す指示指令Ｄが入力され、この指示指令Ｄに対応して開度が設定される。
一方、ガバナ１１９には、高圧蒸気供給弁１０３および低圧ダンプ弁１０７の開度情報が入力されている。これらの情報によって指示指令Ｄは、高圧蒸気供給弁１０３の開度が大きいほど指示指令Ｄよる主蒸気弁１１７の開度を開く方向へ、一方低圧ダンプ弁１０７の開度が大きいほど指示指令Ｄよる主蒸気弁１１７の開度を閉じる方向へ補正される。

高圧蒸気ライン６９の発電機駆動用タービン１９側には、高圧逆止弁１２１と高圧開閉弁１２３とが備えられている。
低圧蒸気ライン７１の発電機駆動用タービン１９と位置Ｙとの間には、低圧逆止弁１２５と低圧開閉弁１２７とが備えられている。
高圧逆止弁１２１および低圧逆止弁１２５は、それぞれ蒸気が発電機駆動用タービン１９から高圧蒸気ライン６９あるいは低圧蒸気ライン７１へ逆流するのを防止する。
高圧開閉弁１２３および低圧開閉弁１２７は、それぞれ高圧蒸気ライン６９あるいは低圧蒸気ライン７１を開閉するものである。

過熱蒸気ライン６７には、過熱蒸気の温度を測定する過熱温度計１２９が備えられている。過熱温度制御器１３１は、過熱温度計１２９の測定値に応じて煙道ダンパ３７の位置を調節する。
すなわち、過熱温度計１２９によって計測された過熱蒸気温度が所定値よりも低ければ、過熱温度制御器１３１は煙道ダンパ３７を主煙道３３側に位置させ、主煙道３３を狭め、バイパス煙道３５を拡げる。これにより、バイパス煙道３５を通過する燃焼ガス量は増加し、過熱器４１で飽和蒸気に与える熱量が増加するので、過熱温度を高くする。
反対に、過熱蒸気温度が所定値よりも高い場合には、過熱温度制御器１３１は煙道ダンパ１３１をバイパス煙道３５側に倒し、バイパス煙道３７を通過する燃焼ガス量を減少させる。

次に、燃料供給系統１３３について図２により説明する。
燃料供給系統１３３には、貯蔵タンク１３５と、主機９に燃料油、例えば残渣油を供給する燃料油供給ライン１３７と、ボイラ１７に液体燃料、例えば残渣油を供給する液体燃料供給ライン１３９とが備えられている。
燃料油供給ライン１３７には、貯蔵タンク１３５から第一供給ポンプ１４１によって送られた残渣油を一時的に貯留してスラッジ等の重量物を沈殿分離させるエンジン澄みタンク１４３と、残渣油から残余の重量物を分離する遠心分離機（分離手段）１４５と、遠心分離機１４５からの残渣油を貯留するサービスタンク１４７と、エンジン澄みタンク１４３から遠心分離機１４５を経由してサービスタンク１４７へ残渣油を送る第二供給ポンプ１４９と、サービスタンク１４７からの残渣油からスラッジ分を含む凝縮物を除去するファインメッシュフィルター（分離手段）１５１と、サービスタンク１４７の残渣油をファインメッシュフィルター１５１へ供給する第三供給ポンプ１５３と、ファインメッシュフィルター１５１を通過した残渣油を主機９に供給する第四供給ポンプ１５５とが備えられている。

また、燃料供給ライン１３７には、遠心分離機１４５で分離されたスラッジ等の重量物を粉砕して微粒化する微粒化装置１５７が備えられている。微粒化装置１５７で微粒化した油分を含む微粒は液体燃料供給ライン１３９へ供給されるように構成されている。
さらに、ファインメッシュフィルター１５１で分離された残余のスラッジ分を含む凝縮物も液体燃料供給ライン１３９へ供給されるように構成されている。
液体燃料供給ライン１３９には、貯蔵タンク１３５から第一供給ポンプ１４１によって送られた残渣油を一時的に貯留してスラッジ等の重量物を沈殿分離させるボイラ澄みタンク１５９と、ボイラ澄みタンク１５７の残渣油、微粒化装置１５７からの微粒およびファインメッシュフィルター１５１からの分離物を混合してボイラ１７の燃焼装置２６へ供給する第五供給ポンプ１６１とが備えられている。

以上説明した本実施形態にかかる船舶１の推進システムの動作について説明する。
船舶１は、主として主機９で駆動される主プロペラ５の回転によって推進力が発生され、航走させられる。
主プロペラ５による推進力では不足した場合あるいは船舶１の姿勢を調整する場合等において、ポッドモータ１５で駆動されるポッドプロペラ１３が回転され、これによって推進力の不足がカバーされ、あるいは船舶１の姿勢が調整（操舵を含む）される。
したがって、主プロペラ５とポッドプロペラ１３とは、同時に駆動されることもあり、あるいは個々に駆動されることもある。例えば、港内におけるように低速で、操縦性を求められるところではポッドプロペラ１３が単独で作動されることがある。

次に、例えば、船舶１が洋上を航走し、主プロペラ５およびポッドプロペラ１３が共に駆動されている場合について、推進システム３の動作について説明する。
主機９は、燃料供給ライン１３７によって供給された燃料油が燃焼されることで動力を発生させられ、プロペラ軸を介して主プロペラ５を回転駆動する。
このとき、燃料油が燃焼された後の排ガスは、排ガス通路５３を通って船外に排出されるので、燃料の持つ熱量の相当部分が廃棄されていることになる。２ストロークディーゼルエンジンの熱効率（燃料の持つ熱量の内、動力として利用される割合）は４０％程度と高いが、それでも熱量の半分以上は排ガスあるいは冷却水等として廃棄されている。
一方、ポッドモータ１５は、発電機２１から供給される電力によって駆動され、ポッドプロペラ１３を回転駆動する。この時の電力を含めて、発電機２１に要求される電力量は大型船舶の場合５〜６０００ｋＷになる。

発電機２１で電力に変換される回転動力を発生する発電機駆動用タービン１９の運転について説明する。
ボイラ１７においては、燃焼装置２６は液体燃料供給ライン１３９から供給された燃料を燃焼して火炉２４内に燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスは、火炉２４から主煙道３３へと略水平に流れ、蒸発管群２７の下半分を流れる水と熱交換を行う。
その後、燃焼ガスは上方へと流れ方向が変更され、バイパス煙道３５を通りそのまま上昇するものと、蒸発管群の上半分と熱交換して主煙道３３を流れるものとに分離され、下流側で再度合流し、船外へ排出される。

この時、液体燃料供給ライン１３９から供給される燃料には、燃料供給ライン１３７で分離された廃油分が含まれている。これは、ボイラ１７の燃焼装置２６がスラッジ分の含有を比較的多く許容できるからである。
このように、主機９へ燃料を送る燃料供給ライン１３７から分離された廃油分がボイラ１９の燃料として利用できるので、燃料のエネルギーを有効に活用することができる。
また、燃料供給ライン１３７での廃油分を多くしても推進システム３としての廃油率は増加しないので、遠心分離機１４５およびファインメッシュフィルター１５１における清浄度を向上させ、主機９に清浄な燃料を供給することができる。これにより、主機９では磨耗等の問題が減少し寿命を向上させることができる。また、残渣油のような安価な燃料を有効に活用することができる。

給水ポンプ９３によって給水ライン８７を通り供給される水は、節炭器４３で加熱され蒸気ドラム２９へ導入される。蒸気ドラム２９に供給された水は、蒸発管群２７を通り水ドラム３１へ下降する間に燃焼ガスから加熱され高圧の飽和蒸気（ボイラ圧蒸気）とされる。このボイラ圧蒸気は蒸気ドラム２９に集められ、ボイラ圧蒸気ライン６５から船内の必要箇所に熱源として供給される。この蒸気は船内で利用された後、図示しないラインを通り大気圧復水器７３に戻される。
ボイラ圧蒸気ライン６５で供給されるボイラ圧蒸気の一部は、過熱器４１に供給される。過熱器４１で過熱された過熱蒸気は、過熱蒸気ライン６７を通って発電機駆動用タービン１９の入口に導入される。

高圧気水分離器４７には、給水ライン８７から水が供給されている。この水が高圧循環ポンプ５１によって高圧循環ライン４９を通って高圧蒸発器４５に送られ、高圧コア４４を通過する排ガスから熱量を回収して高圧の飽和蒸気（高圧蒸気）とされる。高圧蒸気は高圧循環ライン４９を通って高圧気水分離器４７に戻り、水と分離されその上部に貯留される。
この高圧蒸気は、高圧蒸気ライン６９を通って発電機駆動用タービン１９の中間位置Ｍにおける混気段に導入される。

低圧気水分離器５９には、給水ライン８７によって水が供給されている。この水が低圧循環ポンプ６３によって低圧循環ライン６１を通って低圧蒸発器５７に送られ、低圧コア４６を通過する排ガスから熱量を回収して低圧の飽和蒸気（低圧蒸気）とされる。低圧蒸気は低圧循環ライン６１を通って低圧気水分離器５９に戻り、水と分離されその上部に貯留される。
この低圧蒸気は、低圧蒸気ライン７１を通って発電機駆動用タービン１９の中間位置Ｌにおける混気段に導入される。
また、低圧蒸気は、低圧蒸気供給ライン８１から船内の必要箇所に熱源として供給される。この蒸気は船内で利用された後、図示しないラインを通り大気圧復水器７３に戻される。

高圧コア４４および低圧コア４６における高圧蒸発器４５および低圧蒸発器５７による熱回収は飽和蒸気で行なわれているので、高圧蒸発器４５および低圧蒸発器５７内の圧力、言い換えると高圧蒸気生成手段２３および低圧蒸気生成手段２５内の圧力を調整することで蒸気量を調整することができる。
すなわち、低圧蒸発器５７内の圧力を増加させると低圧蒸気量が減少し、圧力を減少させると低圧蒸気量が増加する。また、高圧蒸発器４５内の圧力を増加させると高圧蒸気量は減少するが、低圧蒸気量は増加する。高圧蒸発器４５内の圧力を減少させると高圧蒸気量は増加するが、低圧蒸気量は減少する。

低圧蒸発器５７内の圧力を減少させるほど、排ガスからの熱回収量は増加するが、それにつれて排ガスの温度は低下する。排ガスの温度が低下すると、排ガスに含まれる酸性分の凝縮が進み、それによる腐食が促されることとなるので、低圧蒸発器５７内の圧力はあまり低くない一定圧に維持させておくのが好適である。
低圧ダンプ弁１０７を開けると低圧蒸気ライン７１の低圧蒸気が大気圧復水器７３に排出されるので、低圧蒸気生成手段２５内の圧力が低下する。一方、低圧蒸気供給弁１０５を開けると高圧蒸気ライン６９の高圧蒸気が連通ライン８３を経由して低圧気水分離器５９に流入するので、高圧蒸気生成手段２３内の圧力が減少し、低圧蒸気生成手段２５内の圧力が増加する。
低圧蒸気供給弁１０５および低圧ダンプ弁１０７の開度を適宜調整することによって高圧蒸発器４５および低圧蒸発器５７内の圧力調整を行なうことができる。

発電機駆動用タービン１９では、導入された過熱蒸気、高圧蒸気および低圧蒸気の膨張による動エネルギーが回転動力に変換され、この回転動力によって発電機２１は回転駆動され電力を発生する。
発電機２１で発生された電力はポッドモータ１５に送られ、ポッドモータ１５を駆動し、ポッドプロペラ１３を回転させる。
また、発電機２１で発生された電力は船内の所要箇所に送電される。

発電機駆動用タービン１９を駆動した蒸気は、吸引復水器８５に回収され、凝縮され水に戻される。
吸引復水器８５の水は吸引復水ポンプ９１によって、大気圧復水器７３の水は大気圧復水ポンプ８９によって、給水ライン８７を経由して低圧気水分離器５９へ送られる。
そして、この水は低圧気水分離器５９で、主機９の排ガスから回収された熱によって暖められるとともに、含有された気体分が分離される。すなわち、低圧気水分離器５９はボイラ１７の給水ラインに通常設けられるディアレータの機能を果たしている。
気体分が分離され、予備加熱された水が給水ポンプ９３によって蒸気ドラム２９へ送られる。
このように、低圧気水分離器５９が気体分を分離し、予備加熱するので、給水ライン８７に別途ディアレータを備える必要がなく、その分安価に製造することができる。

このように、ポッドプロペラ１３を回転させるポッドモータ１５へ電力を供給する発電機２１を駆動する発電機駆動用タービン１９は、ボイラ１７で生成された過熱蒸気に加えて、それぞれ主機９の排ガスを熱源として生成された高圧蒸気および低圧蒸気によっても駆動されているので、主機９から廃棄される熱量を十分に活用することとなり、推進システム３のエネルギー効率を向上させることができる。

次に、過熱蒸気ライン６７、高圧蒸気ライン６９および低圧蒸気ライン７１の蒸気量調整について説明する。
主機９の排ガスは主機９の運転状況に対応して量および温度が変動する。これ変動に対応して、排ガスから熱量を回収して生成される高圧蒸気および低圧蒸気の蒸気量が変動する。
発電機駆動用タービン１９では、最大の動力を発揮した場合、各段において動力変換に用いられる蒸気量に制限がある。言い換えると、この時の出口の蒸気量は略一定である。すなわち、例えば、過熱蒸気が多い場合には、高圧蒸気および低圧蒸気は少ししか導入されないことになる。反対に、高圧蒸気および低圧蒸気を多く導入されるようにすると、過熱蒸気量を減少させることができる。

例えば、高圧蒸気生成手段２３で生成される高圧蒸気の生成量が増加した場合、高圧蒸気ライン６９に送られる蒸気量が増加する。ところが、発電機駆動用タービン１９に導入される高圧蒸気量には制限があるので、高圧蒸気ライン６９に滞留する高圧蒸気量が増加することになる。
高圧蒸気ライン６９に滞留する高圧蒸気が増加すると、高圧蒸気ライン６９、連通ライン８３および蒸気補給ライン７７内の圧力が増加する。
この圧力を高圧圧力計１１５が計測しているが、圧力の増加に対しては何も処置しない。高圧蒸気ライン６９内の圧力が増加すると低圧蒸気との圧力差が大きくなるので、低圧蒸気供給弁１０５を通して低圧気水分離器５９に流入する高圧蒸気量が増加する。
これによって、高圧蒸気ライン６９内の蒸気量が減少し、圧力も減少する。
これに伴い、低圧蒸気生成手段２３における低圧蒸気の生成量が増加するが、この場合には後述する低圧蒸気ライン７１の圧力調整を行なうことになる。

そして、高圧蒸気ライン６９内の圧力が所定値よりも低下した場合、これは高圧蒸気が不足していることを示す。この場合、高圧制御器１１３は高圧蒸気供給弁１０３を開き、ボイラ圧蒸気ライン６５のボイラ圧蒸気を高圧蒸気ライン６９に供給するようにする。
高圧蒸気供給弁１０３が開かれると、その信号がガバナ１１９に送られる。ガバナ１１９では、この信号に基づいて指示指令Ｄを主蒸気弁１１７の開度が増加するように補正する。この補正された指示指令Ｄに基づいて主蒸気弁１１７の開度は開かれる。
主蒸気弁１１７の開度が開かれると、中間位置Ｍ，Ｌから導入できる蒸気量が減少するので、高圧蒸気ライン６９から発電機駆動用タービン１９へ導入される高圧蒸気量が減少する。
これにより、高圧蒸気ライン６９に滞留する高圧蒸気量が増加して高圧蒸気ライン６９内の圧力が増加する。高圧蒸気ライン６９内の圧力が増加すると、高圧蒸気供給弁１０３は閉じられる。
なお、高圧蒸気供給弁１０３が開かれる所定圧力値は、排ガス温度によって変動するが、少なくとも発電機駆動用タービン１９の全ての運転範囲で、位置Ｍにおける混気段の計画圧力よりも高くなるように設定されている。

次に、低圧蒸気について説明する。
高圧蒸気の流入量増加あるいは排ガス量の増加等の要因で低圧蒸気生成手段２５において生成される低圧蒸気量が増加した場合、低圧蒸気ライン７１に送られる蒸気量が増加する。ところが、発電機駆動用タービン１９に導入される低圧蒸気量には制限があるので、低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気量が増加することになる。
低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気が増加すると、低圧蒸気ライン７１およびこれと連通された低圧蒸気供給ライン８１内の圧力が増加する。
この圧力を低圧圧力計１１１が計測しており、圧力が増加すると、低圧制御器１０９は図４に示されるように低圧ダンプ弁１０７の開度を増加させ、低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気を大気圧復水器７３へ送るようにする。
これによって、低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気量が減少するので、低圧蒸気ライン７１内の圧力が低下する。低圧蒸気ライン７１内の圧力が低下すると、低圧ダンプ弁１０７の開度は絞られることになる。

低圧気水分離器５９には、低圧蒸気供給弁１０５を経由して高圧蒸気が供給されている。この高圧蒸気は低圧蒸気生成手段２５における蒸気源であり加熱源となるもので、これが多いと生成される低圧蒸気が多くなるため、いくら低圧ダンプ弁１０７を開いても低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気が減少せずに低圧蒸気ライン７１の圧力が増加する場合がある。
この場合には、低圧制御器１０９は図４に示されるように低圧蒸気供給弁１０５の開度を絞り、低圧気水分離器５９への高圧蒸気の流入量を絞り、低圧蒸気の生成量を抑えるようにする。
そして、低圧蒸気ライン７１内の圧力が低下すると、高圧蒸気との圧力差が大きくなるので、低圧蒸気供給弁１０５から低圧気水分離器へ流入する高圧蒸気量が増加する。これにより、低圧蒸気の生成量が増加して低圧蒸気ライン７１内の圧力を増加させる。
このようにして、低圧蒸気ライン７１の圧力調整が行われている。

一方、低圧ダンプ弁１０７の開度が増加すると、その信号がガバナ１１９に送られる。ガバナ１１９では、この信号に基づいて指示指令Ｄを主蒸気弁１１７の開度が減少するように補正する。この補正された指示指令Ｄに基づいて主蒸気弁１１７は絞られる。
主蒸気弁１１７が絞られると、中間位置Ｍ，Ｌから導入できる蒸気量が増加するので、低圧蒸気ライン７１から発電機駆動用タービン１９へ導入される低圧蒸気量が増加する。
これにより、低圧蒸気ライン７１に滞留する低圧蒸気量が減少して低圧蒸気ライン７１内の圧力が減少する。低圧蒸気ライン７１内の圧力が低下すると、低圧ダンプ弁１０７の開度は絞られ、作業しないままの低圧蒸気が大気圧復水器７３に多く排出されなくなる。

このように、本実施形態では高圧蒸気ライン６９および低圧蒸気ライン７１の蒸気量が増減すると過熱蒸気ライン６７の過熱蒸気供給量を反対に減増させるように調節するので、高圧蒸気および低圧蒸気は発電機駆動用タービン１９で優先して利用されることになる。
これにより、主機９の排ガスから熱量を回収して生成される高圧蒸気および低圧蒸気は、主機９の稼動状況等に対応して蒸気量が増減しても発電機駆動用タービン１９によって有効に活用されるので、推進システムのエネルギー効率を一層向上させることができる。

また、発電機駆動用タービン１９に供給される過熱蒸気量は、高圧蒸気量および低圧蒸気量の変動に応じて変動する。このため、過熱器４１を通過する単位時間当たりの蒸気量が変動するので、一定の燃焼ガスが通過する場合には、過熱蒸気温度が変動することになる。
本実施形態では、過熱温度制御器１３１が、過熱温度計１２９によって計測された過熱蒸気温度に応じて煙道ダンパ３７の位置を調整し、バイパス煙道３５を通過する燃焼ガス量を調整している。このため、過熱蒸気ライン６７の過熱蒸気流量が変動しても、過熱蒸気温度を所定範囲に収まるようにすることができる。

港内等で、低速航行でかつ操縦性を求められる場合には、ポッド推進器７のみが稼動される時がある。この場合には、主機９が停止されているので、排ガスが存在しない。このため、高圧蒸気および低圧蒸気で生成されないので、高圧開閉弁１２３および低圧開閉弁１２７を閉じておく。発電機駆動用タービン１９は、ボイラで生成された過熱蒸気によって駆動されることになる。

船舶１としてＬＮＧ船に適用した場合、ボイラ１７の燃焼装置２６は、油・ガス混焼型とし、燃焼装置２６に天然ガスを供給するガス供給ライン１６３を接続するようにする。このようにすると、余剰なボイルオフガスをボイラ１７の燃料として活用できるので、例えば、処理できずにそれらを廃棄することがなくなる。
このため、例えば、ボイルオフガスの再液化装置を備える場合、液化装置不稼動時におけるボイルオフガスの有効な処理手段となる上、液化装置自体の定格液化容量についても一時的なボイルオフガス量の増大を考慮することなく、恒常的に発生するボイルオフガス量にあわせて決定することができるので、初期投資、液化効率面で経済的である。
また、高圧蒸気および低圧蒸気による蒸気タービン装置を再液化装置の、例えば冷媒循環サイクルの駆動装置として活用することができる。

本実施形態では、ディーゼルエンジンの主機９と電気推進のポッド推進器７とを複合した推進システム３を備えた船舶１であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５に例示されるような推進システムを備える船舶に適用できる。
図５（ａ）は、インライン方式の推進システムで、電気モータ４が主機９の軸の延長部に駆動できるように取り付けられている。
図５（ｂ）は、ＰＴＯ（Ｐｏｗｅｒ Ｔａｋｅ Ｏｆｆ）方式の推進システムで、電気モータ４は、ギア６を介して主機９の軸を駆動するように構成されている。
図５（ｃ）は、モータ４で駆動されるスラスタ８が備えられているものである。
図５（ｄ）は、ＣＲＰ（Ｃｏｎｔｒａ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ）方式の推進システムである。これは、主機９のプロペラ軸の外側に同軸線中心の補助プロペラ軸を設け、それに補助プロペラ１０を主プロペラ５と対向するように取り付け、ギア６を介して電気モータ４が補助プロペラ１０を主プロペラ５とは反対方向に回転させるものである。
図５（ｅ）は、軸発電機式の推進システムで、主機９と主プロペラ５とを結ぶ軸に電気モータ４を設けているものである。

本発明の一実施形態にかかる推進システムの全体概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる燃料供給系統の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態にかかる推進システムに用いられる蒸気弁の制御フローを示すブロック図である。 低圧ダンプ弁および高圧ダンプ弁の圧力と開度との関係を示すグラフである。 本発明の適用される推進システムを例示したブロック図である。

符号の説明

１ 船舶
３ 推進システム
７ ポッド推進器
９ 主機
１７ ボイラ
１９ 発電機駆動用タービン
２１ 発電機
２３ 高圧蒸気生成手段
２５ 低圧蒸気生成手段
２９ 蒸気ドラム
３３ 主煙道
３５ バイパス煙道
３７ 煙道ダンパ
４５ 高圧蒸発器
４７ 高圧気水分離器
４９ 高圧循環ライン
５３ 排ガス通路
５７ 低圧蒸発器
５９ 低圧気水分離器
６１ 低圧循環ライン
６７ 過熱蒸気供給ライン
６９ 高圧蒸気ライン
７１ 低圧蒸気ライン
８７ 給水ライン
１０３ 高圧蒸気供給弁
１０５ 低圧蒸気供給弁
１０７ 低圧ダンプ弁
１１７ 主蒸気弁
１１９ ガバナ
１３７ 燃料油供給ライン
１３９ 液体燃料供給ライン
１４５ 遠心分離装置
１５１ ファインメッシュフィルター

Claims (6)

1. 内燃機関による主機と電気推進とを複合した推進システムを有する船舶の内燃機関廃熱回収プラントにおいて、
   前記電気推進用の電力を供給する発電機を駆動し、中間部分に複数の混気段を有する発電機駆動用タービンと、
   飽和蒸気および過熱蒸気を生成するボイラと、
   前記内燃機関の排ガスから熱量を回収して高圧蒸気を生成する高圧蒸気生成手段と、
   該高圧蒸気生成手段の下流側で、前記内燃機関の排ガスから熱量を回収して低圧蒸気を生成する低圧蒸気生成手段と、
   前記ボイラが生成した過熱蒸気を前記発電機駆動用タービンの入口に導入させる過熱蒸気供給ラインと、
   前記高圧蒸気生成手段が生成した高圧蒸気を前記発電機駆動用タービンの上段側混気段に導入させる高圧蒸気ラインと、
   低圧蒸気生成手段が生成した低圧蒸気を前記発電機駆動用タービンの下段側混気段に導入させる低圧蒸気ラインと、
   前記高圧蒸気ラインおよび前記低圧蒸気ラインの蒸気量が増減すると前記過熱蒸気ラインの供給量を反対に減増させるように調節する制御手段と、
   が備えられていることを特徴とする船舶の内燃機関廃熱回収プラント。
2. 前記高圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路に設置された高圧蒸発器と、給水されるとともに高圧蒸気を分離する高圧気水分離器と、前記高圧蒸発器および前記高圧気水分離器を連結して流体を循環させる高圧循環ラインと、を備え、
   前記低圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路における前記高圧蒸発器の下流側に設置された低圧蒸発器と、給水されるとともに低圧蒸気を分離する低圧気水分離器と、前記低圧蒸発器および前記低圧気水分離器を連結して流体を循環させる低圧循環ラインと、を備え、
   前記低圧気水分離器はボイラへの給水ラインに設置されていることを特徴とする請求項１に記載の船舶の内燃機関廃熱回収プラント。
3. 前記高圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路に設置された高圧蒸発器と、給水されるとともに高圧蒸気を分離する高圧気水分離器と、前記高圧蒸発器および前記高圧気水分離器を連結して流体を循環させる高圧循環ラインと、を備え、
   前記低圧蒸気生成手段は、内燃機関の排ガス通路における前記高圧蒸発器の下流側に設置された低圧蒸発器と、給水されるとともに低圧蒸気を分離する低圧気水分離器と、前記低圧蒸発器および前記低圧気水分離器を連結して流体を循環させる低圧循環ラインと、を備え、
   前記高圧気水分離器は前記ボイラの蒸気ドラムとしていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶の内燃機関廃熱回収プラント。
4. 前記ボイラには、主煙道から分岐し、水管の一部を通過しないバイパス煙道と、該バイパス煙道に設置された過熱器と、前記主煙道および前記バイパス煙道を通過する燃焼ガスの比率を調節する流路調節手段と、が備えられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載された船舶の内燃機関廃熱回収プラント。
5. 前記内燃機関の燃料油供給ラインには、固形分を含む液体燃料から該固形分を分離する分離手段が備えられ、
   該分離手段によって前記液体燃料から分離された廃油分が前記ボイラの液体燃料供給ラインへ供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載された船舶の内燃機関廃熱回収プラント。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された内燃機関廃熱回収プラントを備えたことを特徴とする船舶。
   

Images