特開 2024-143499 船舶用発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024143499

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】船舶用発電システム

(51)【国際特許分類】

   F01K 23/10 20060101AFI20241003BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20241003BHJP

   F01D 17/00 20060101ALI20241003BHJP

   F01N 5/02 20060101ALI20241003BHJP

   B63H 21/38 20060101ALI20241003BHJP

   B63H 21/14 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

F01K23/10 Q

F01K25/10 P

F01D17/00 C

F01D17/00 B

F01D17/00 P

F01N5/02 A

B63H21/38 A

B63H21/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023056218

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】000175272

【氏名又は名称】三浦工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126000

【弁理士】

【氏名又は名称】岩池 満

(74)【代理人】

【識別番号】100145713

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 竜太

(72)【発明者】

【氏名】真鍋 敦行

(72)【発明者】

【氏名】安部 元

【テーマコード（参考）】

3G071

3G081

【Ｆターム（参考）】

3G071AB01

3G071BA10

3G071FA06

3G071HA05

3G081BA08

3G081BA18

3G081BB04

3G081BC07

3G081BD10

3G081DA03

(57)【要約】

【課題】温度の異なる２種類以上の熱源流体から熱回収を行う船舶用の有機ランキンサイクル発電システムにおいて、熱回収量に応じた発電量を維持する。
【解決手段】船舶用発電システム１であって、作動媒体Ｒを循環させる循環回路ＬＣと、循環ポンプ２２と、過給機６４からの過給空気Ａ２で作動媒体Ｒを加熱する第１加熱器１０と、排ガスエコノマイザ６８からの排ガスＥ２で作動媒体Ｒを加熱する第２加熱器１２と、膨張機１６と、冷却器２０と、発電機１８と、作動媒体Ｒの流量を調節する第１流量調節手段４０と、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２の流量を調節する第２流量調節手段４６と、制御手段３０と、を備え、制御手段３０は、第１加熱器１０から流出直後の作動媒体Ｒの飽和蒸気温度に基づいて第１流量調節手段４０を制御すると共に、冷却器２０から流出直後の作動媒体Ｒの飽和液温度に基づいて第２流量調節手段４６を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船体の推進力を得る内燃機関と、前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に過給空気を供給する過給機と、前記過給機に連結され、前記内燃機関からの排ガスにより回転される排気タービンと、前記排気タービンからの排ガスを用いて蒸気を生成する排ガスエコノマイザと、を備える船舶に用いられる発電システムであって、
水よりも低沸点の作動媒体を循環させる循環回路と、
作動媒体を前記循環回路内に流通させる循環ポンプと、
前記過給機からの過給空気を熱源流体として、前記循環ポンプからの作動媒体を加熱する第１加熱器と、
前記排ガスエコノマイザからの排ガスを熱源流体として、前記第１加熱器で加熱後の作動媒体を加熱する第２加熱器と、
前記第２加熱器で加熱後の作動媒体の膨張エネルギーにより回転される膨張機と、
前記膨張機を通過後の作動媒体を冷却水により冷却する冷却器と、
前記膨張機に連結され、前記膨張機の回転により駆動される発電機と、
前記循環ポンプから供給される作動媒体の流量を調節する第１流量調節手段と、
前記冷却器に流通させる冷却水の流量を調節する第２流量調節手段と、
前記第１加熱器から流出直後の作動媒体の圧力を検知する第１圧力検知手段と、
前記第１加熱器から流出直後の作動媒体の温度を検知する第１温度検知手段と、
前記冷却器から流出直後の作動媒体の圧力を検知する第２圧力検知手段と、
前記冷却器から流出直後の作動媒体の温度を検知する第２温度検知手段と、
発電システムの運転を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
（ｉ）前記第１圧力検知手段の検知圧力における作動媒体の飽和蒸気温度を求め、
（ｉｉ）前記第１温度検知手段の検知温度が前記飽和蒸気温度に応じた第１目標温度になるように、前記第１流量調節手段を制御し、
（ｉｉｉ）前記第２圧力検知手段の検知圧力における作動媒体の飽和液温度を求め、
（ｉｖ）前記第２温度検知手段の検知温度が前記飽和液温度を下回る第２目標温度になるように、前記第２流量調節手段を制御する船舶用発電システム。

【請求項2】

前記冷却器に流通させる冷却水は、セントラル冷却設備に循環させている清水であって、海水との熱交換後の清水の一部を利用するものであり、
前記制御手段は、前記第２目標温度に替えて第３目標温度を設定すると共に、前記第２温度検知手段の検知温度が前記第３目標温度になるように、前記第２流量調節手段を制御し、
前記第３目標温度は、清水の流入温度よりも所定温度差だけ高い温度に設定される、請求項１に記載の船舶用発電システム。

【請求項3】

前記冷却器に流通させる冷却水は、前記船体の位置する海域から汲み上げた海水であり、
前記制御手段は、前記第２目標温度に替えて第４目標温度を設定すると共に、前記第２温度検知手段の検知温度が前記第４目標温度になるように、前記第２流量調節手段を制御し、
前記第４目標温度は、清水の流入温度よりも所定温度差だけ高い温度に設定される、請求項１に記載の船舶用発電システム。

【請求項4】

前記第１流量調節手段は、前記循環ポンプの駆動モータの回転数を制御可能なインバータ装置であり、
前記制御手段は、前記インバータ装置を介して前記駆動モータの回転数を制御することにより、作動媒体の流量を調節する、請求項１～３のいずれかに記載の船舶用発電システム。

【請求項5】

前記第２流量調節手段は、冷却水の流通管路に設けられた送水ポンプであり、
前記制御手段は、前記送水ポンプの駆動モータの回転数を制御することにより、冷却水の流量を調節する、請求項１～３のいずれかに記載の船舶用発電システム。

【請求項6】

前記第２流量調節手段は、冷却水の流通管路に設けられた流量調節弁であり、
前記制御手段は、前記流量調節弁の開度を制御することにより、冷却水の流量を調節する、請求項１～３のいずれかに記載の船舶用発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶用発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、有機ランキンサイクルを利用した船舶用発電システムが知られている。例えば、特許文献１には、船舶のディーゼルエンジン（推進用主機）から排出される排ガスから熱回収する第１排熱回収器１（排ガスエコノマイザ）と、ディーゼルエンジンに設けられた過給機の空気冷却器３から熱回収する第２排熱回収器５と、これら排熱回収器１，５から排熱を受け取る熱媒が循環する熱媒経路７と、熱媒経路７の熱媒から熱を受け取る有機流体経路９と、を備える排熱回収発電装置１０が開示されている。この排熱回収発電装置１０は、有機流体経路９に設けられた単一の蒸発器６０にて、熱媒経路７を流通する熱媒からの入熱で有機流体を蒸発し、有機流体ガスでタービン６２を回転駆動させることにより、発電機６８で発電させる。

【0003】

また、特許文献２には、水より低沸点の作動媒体が循環する循環流路１０に、作動媒体ポンプ１５の吐出側から順に蒸発器１１および過熱器１２が設けられた発電装置が開示されている。この発電装置は、蒸気や温水等の加熱媒体を過熱器１２および蒸発器１１の順に流通させて、作動媒体を蒸発させつつ過熱し、作動媒体ガスでスクリュ膨張機１３を回転駆動させることにより、発電機２０で発電させる。また、発電装置は、過熱器１２の出口側での過熱度が所定の目標値になるように作動媒体ポンプ１５の回転数を制御するポンプ制御手段を備え、蒸発器１１の出口側での作動媒体の温度が飽和温度未満である場合に、過熱度に対する所定の目標値を上げることで、作動媒体の循環流量を低減させる制御を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－１４９３３２号公報

【特許文献2】特開２０１４－４７６３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１のシステムは、圧縮空気および排ガスに含まれる排熱を一旦熱媒に吸収させる構成であるため、熱回収用に少なくとも３つの熱交換器（１，５，６０）と熱媒循環ポンプが必要である。また、熱交換器（１，５）に流入させる圧縮空気や排ガスの流量を調節するために、複数のバルブも必要であることから、据付工事を含む設備費用が高額になりやすい。そこで、特許文献２のシステムのように、熱回収用に２つの熱交換器（１１，１２）を用いて、それぞれに圧縮空気および排ガスを流通させると共に、これらの熱源流体の流量を調節しないように構成することが考えられる。

【0006】

ところで、有機ランキンサイクルでは、連続的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換させるために、膨張仕事をした後の作動媒体を冷却して凝縮させる必要がある。船舶で利用可能な冷却用流体としては、通常、航行中の海域から汲み上げた海水、あるいは船内のセントラル冷却設備に循環させている清水である。なお、この清水は、海水との熱交換によって再冷却されている。

【0007】

熱回収用の熱交換器（作動媒体の加熱器）において、どれだけの排熱を回収できるかは、加熱器に流入させる作動媒体の冷却温度によって影響を受ける。そのため、発電量を維持するためには、放熱用の熱交換器（作動媒体の冷却器）における冷却量を最大化しておくことが望まれる。

【0008】

そこで、本発明は、温度の異なる２種類以上の熱源流体から熱回収を行う船舶用の有機ランキンサイクル発電システムにおいて、熱回収量に応じた発電量を維持することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の船舶用発電システムは、船体の推進力を得る内燃機関と、前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給手段と、前記内燃機関に過給空気を供給する過給機と、前記過給機に連結され、前記内燃機関からの排ガスにより回転される排気タービンと、前記排気タービンからの排ガスを用いて蒸気を生成する排ガスエコノマイザと、を備える船舶に用いられる船舶用発電システムであって、水よりも低沸点の作動媒体を循環させる循環回路と、作動媒体を前記循環回路内に流通させる循環ポンプと、前記過給機からの過給空気を熱源流体として、前記循環ポンプからの作動媒体を加熱する第１加熱器と、前記排ガスエコノマイザからの排ガスを熱源流体として、前記第１加熱器で加熱後の作動媒体を加熱する第２加熱器と、前記第２加熱器で加熱後の作動媒体の膨張エネルギーにより回転される膨張機と、前記膨張機を通過後の作動媒体を冷却水により冷却する冷却器と、前記膨張機に連結され、前記膨張機の回転により駆動される発電機と、前記循環ポンプから供給される作動媒体の流量を調節する第１流量調節手段と、前記冷却器に流通させる冷却水の流量を調節する第２流量調節手段と、前記第１加熱器から流出直後の作動媒体の圧力を検知する第１圧力検知手段と、前記第１加熱器から流出直後の作動媒体の温度を検知する第１温度検知手段と、前記冷却器から流出直後の作動媒体の圧力を検知する第２圧力検知手段と、前記冷却器から流出直後の作動媒体の温度を検知する第２温度検知手段と、発電システムの運転を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、（ｉ）前記第１圧力検知手段の検知圧力における作動媒体の飽和蒸気温度（沸点）を求め、（ｉｉ）前記第１温度検知手段の検知温度が前記飽和蒸気温度に応じた第１目標温度になるように、前記第１流量調節手段を制御し、（ｉｉｉ）前記第２圧力検知手段の検知圧力における作動媒体の飽和液温度（凝縮点）を求め、（ｉｖ）前記第２温度検知手段の検知温度が前記飽和液温度を下回る第２目標温度になるように、前記第２流量調節手段を制御する。

【発明の効果】

【0010】

本発明よれば、温度の異なる２種類以上の熱源流体から熱回収を行う船舶用の有機ランキンサイクル発電システムにおいて、熱回収量に応じた発電量を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態の船舶用発電システムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は、本発明の実施形態１の船舶用発電システム１の概略を示す図である。本実施形態の船舶用発電システム１は、船舶１００の排熱を用いて、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）により発電するシステムであり、内燃機関６０の稼働に伴う過給空気および排ガスを熱源流体として利用する。なお、ＯＲＣ発電システムは、熱源流体系統と作動媒体系統の２つの熱サイクルを利用して発電することから、バイナリー発電システムともいわれる。

【0013】

１．船舶の主機および補機の構成
本実施形態の船舶１００は、例えばＬＮＧ（液化天然ガス）の運搬船であって、船体の推進力を得る内燃機関６０と、内燃機関６０に燃料Ｆ１，Ｆ２を供給する燃料供給手段６２と、内燃機関６０に過給空気Ａ２を供給する過給機６４と、過給機６４に連結され、内燃機関６０からの排ガスＥ１により回転される排気タービン６６と、排気タービン６６からの排ガスＥ２を用いて蒸気Ｓを生成する排ガスエコノマイザ６８と、を備える。

【0014】

内燃機関６０は、主機と呼ばれる２サイクルのディーゼルエンジンであり、ベンチュリーミキサー７２と、排気チャンバー７４と、を備えている。また、内燃機関６０は、燃料種として重油に加えて積載貨物であるＬＮＧの一部も利用可能となっており、燃料供給手段６２は、ＬＮＧタンクおよび気化器を有する第１燃料供給手段６２Ａと、重油タンクおよび予熱器を有する第２燃料供給手段６２Ｂと、から構成されている。第１燃料供給手段６２Ａは、第１燃料ラインＬＦ１を介してベンチュリーミキサー７２の吸入部と接続されている。第２燃料供給手段６２Ｂは、第２燃料ラインＬＦ２を介してベンチュリーミキサー７２の吸入部と接続されている。なお、図中では、ＬＮＧを符号Ｆ１、重油を符号Ｆ２で表示している。

【0015】

内燃機関６０は、船舶１００の航行状況等に応じて、３つの燃焼モードの切り替えが行われる。具体的には、第１の燃焼モードは、ガス燃料Ｆ１であるＬＮＧを単一供給するＬＮＧ専焼モードである。第２の燃焼モードは、油燃料Ｆ２である重油およびガス燃料Ｆ１であるＬＮＧを同時供給するＬＮＧ・重油混焼モードである。第３の燃焼モードは、油燃料Ｆ２である重油を単一供給する重油専焼モードである。

【0016】

過給機６４は、排気タービン６６の作動により、船外からの空気Ａ１を吸入すると共に、この空気Ａ１を圧縮して過給空気Ａ２を生成する機器である。過給機６４の吸入部は、吸気ラインＬＡ３を介して図示しないエアフィルタと接続されている。過給機６４の吐出部は、第１送気ラインＬＡ１を介してインタークーラー７０の高温側流路の入口部と接続されている。

【0017】

インタークーラー７０は、冷却水Ｗ１との熱交換によって過給空気Ａ２に含まれる圧縮熱を除去する熱交換器である。インタークーラー７０の高温側流路の出口部は、第２送気ラインＬＡ２を介してベンチュリーミキサー７２の入口部と接続されている。また、インタークーラー７０の低温側流路には、航行中の海域から汲み上げた海水、あるいは船内のセントラル冷却設備に循環させている清水を、冷却水Ｗ１として流入出させるための第１冷却水ラインＬＷ１が接続されている。

【0018】

ベンチュリーミキサー７２は、過給空気Ａ２を駆動流体として、空気流のベンチュリー効果を利用して燃料Ｆ１，Ｆ２の吸入を行い、混合気を生成する機器である。生成された混合気は、内燃機関６０の燃焼室に供給される。排気チャンバー７４は、燃焼室から連続的に流出する燃焼ガスの運動エネルギーを利用して混合気の充填効率を高める機器である。内燃機関６０の稼働中、排気チャンバー７４に流入した燃焼ガスは、チャンバー内で膨張しながら排ガスＥ１として排出される。排気チャンバー７４の出口部は、第１排ガスラインＬＥ１を介して排気タービン６６の入口部と接続されている。

【0019】

排気タービン６６は、排気チャンバー７４から排出される排ガスＥ１の熱エネルギーの一部を回収し、過給機６４を駆動させる機器である。排気タービン６６の内部では、排ガスＥ１の膨張エネルギーが運動エネルギーに変換され、羽根車の回転軸を駆動させる。羽根車の回転軸は、カップリング等で連結された過給機６４の回転軸を従動させる。排気タービン６６の出口部は、第２排ガスラインＬＥ２を介して排ガスエコノマイザ６８のシェル入口部と接続されている。

【0020】

本実施形態の排ガスエコノマイザ６８は、排気タービン６６を通過した排ガスＥ２の持つ熱エネルギーを利用する蒸気発生装置の一種であり、図示しない気水分離ドラムと共に排ガスボイラを構成している。排ガスエコノマイザ６８は、排ガスＥ２が流通するシェルの内部に多数の蒸気管（伝熱管）が配置されている。各蒸気管の一側は、給水Ｗ３を分配するための給水ヘッダ（管寄せ）と連結され、各蒸気管の他側は、蒸気Ｓを集合するための蒸気ヘッダ（管寄せ）と連結されている。給水ヘッダには、気水分離ドラム内部の貯留水を給水Ｗ３として導くための給水ラインＬＷ３が接続されている。一方、蒸気ヘッダには、発生した蒸気Ｓを再び気水分離ドラムに戻すための蒸気ラインＬＳが接続されている。気水分離ドラムで分離後の蒸気Ｓは、重油の予熱等に利用される。排ガスエコノマイザ６８のシェル出口部は、第３排ガスラインＬＥ３を介して船舶１００の煙突と接続されており、熱回収後の排ガスＥ３は、煙突から船外に放出される。

【0021】

２．船舶用発電システムの構成
本実施形態の船舶用発電システム１は、循環ポンプ２２、第１加熱器１０、第２加熱器１２、膨張機１６、および冷却器２０を含む。これらの機器は、上述の順に作動媒体Ｒの循環回路ＬＣにより環状に接続されている。この循環回路ＬＣは、船内で水平方向および鉛直方向に広範囲にわたって敷設されるため、作動媒体Ｒの輸送管路ということもできる。また、船舶用発電システム１は、システムの運転を制御する制御手段３０を備える。

【0022】

循環回路ＬＣを循環する作動媒体Ｒとして、水よりも沸点が低い高分子有機化合物が用いられる。作動媒体Ｒは、例えばＨＦＣ－２４５ｆａ（化学名：１，１，１，３，３－ペンタフルオロプロパン、１気圧における沸点：１５．３℃）等のフロン系媒体である。また、イソペンタン（１気圧における沸点：２７．８℃）や、ペンタン（１気圧における沸点：３６．１℃）等のノンフロン系媒体用いてもよい。なお、作動媒体Ｒには、高分子有機化合物よりも高沸点の潤滑油が混合されている。

【0023】

循環ポンプ２２は、潤滑油を含む作動媒体Ｒを循環回路ＬＣ内に流通させるための機器であり、第１流量調節手段４０により駆動される。本実施形態において、第１流量調節手段４０は、循環ポンプ２２の駆動モータの回転数を制御可能なインバータ装置である。駆動モータは、インバータ装置の可変電圧可変周波数制御機能を利用して回転数が調整される。

【0024】

第１加熱器１０は、循環ポンプ２２から送出された作動媒体Ｒ（媒体液Ｒ_Ｌ）を加熱する熱交換器である。第１加熱器１０の高温側流路は、第１送気ラインＬＡ１の途中に接続されており、過給機６４からの過給空気Ａ２を熱源流体として、低温側流路を流通する作動媒体Ｒを加熱する。後述するように、第１加熱器１０は、循環ポンプ２２から供給される作動媒体Ｒの流量が調節されることにより蒸発器として作動する。すなわち、第１加熱器１０の低温側流路の入口部から流入した媒体液は、過給空気Ａ２からの入熱によって飽和蒸気（湿り蒸気）となり、出口部から流出するまでに過熱蒸気となる。

【0025】

第２加熱器１２は、第１加熱器１０により加熱された後の作動媒体Ｒ（媒体ガスＲ_Ｇ）を加熱する熱交換器である。第２加熱器１２の高温側流路は、第３排ガスラインＬＥ３の途中に接続されており、排ガスエコノマイザ６８からの排ガスＥ３を熱源流体として、低温側流路を流通する作動媒体Ｒを加熱する。後述するように、第２加熱器１２は、循環ポンプ２２から供給される作動媒体Ｒの流量が調節されることにより過熱器として作動する。すなわち、第２加熱器１２の低温側流路の入口部から流入した過熱蒸気は、排ガスＥ３からの入熱によってさらに過熱され、出口部から流出するまでにより高温の過熱蒸気となる。

【0026】

膨張機１６は、過熱状態にある作動媒体Ｒ（媒体ガスＲ_Ｇ）の膨張エネルギーを運動エネルギーに変換し、回転軸を駆動させる機器である。膨張機１６の本体は、例えばツインスクリュ式の膨張機構を有する。スクリュロータの回転軸は、カップリング等で連結された発電機１８の回転軸を従動させる。本実施形態の膨張機１６は、給油式であり、作動媒体Ｒを膨張空間に供給する第１供給口と、潤滑油の一部を膨張空間に供給する第２供給口と、潤滑油の残部を軸受部に供給する第３供給口と、膨張空間を通過した作動媒体Ｒを排出する第１排出口と、膨張空間を通過した潤滑油を排出する第２排出口と、軸受部を通過した潤滑油を排出する第３排出口と、を有している（それぞれ図示せず）。

【0027】

膨張機１６の上流側の循環回路ＬＣには、油分離器１４が設けられている。油分離器１４は、第２加熱器１２から送給される作動媒体Ｒから潤滑油を分離する機器である。油分離器１４へは、上流側から過熱蒸気と潤滑油が混相流の状態で流入する一方で、油分離器１４からは、下流側へ向けて過熱蒸気と潤滑油が別個に流出する。油分離器１４には、潤滑油のみを取り出す給油ラインＬＯが接続されている。分離後の過熱蒸気は、循環回路ＬＣを流通しながら第１供給口から膨張空間に供給される。分離後の潤滑油は、給油ラインＬＯを通じて第２供給口から膨張空間に供給されると共に、第３供給口から軸受部に供給される。第１排出口から排出される膨張蒸気と、第２，第３排出口から排出される潤滑油は、膨張機１６の出口部に設けられた混合室にて再混合される。

【0028】

冷却器２０は、膨張機１６で温度降下し、かつ体積増加した作動媒体Ｒ（媒体ガスＲ_Ｇ）を凝縮させる熱交換器である。冷却器２０の高温側流路は、循環回路ＬＣの途中に接続されており、冷却水Ｗ２を冷却用流体として作動媒体Ｒを冷却する。冷却器２０の低温側流路には、航行中の海域から汲み上げた海水、あるいは船内のセントラル冷却設備に循環させている清水を、冷却水Ｗ２として流入出させるための第２冷却水ラインＬＷ２が接続されている。

【0029】

第２冷却水ラインＬＷ２は、冷却水Ｗ２の流通管路であって、流入側に第２流量調節手段４６としての送水ポンプ２４が設けられている。この送水ポンプ２４は、駆動モータの回転数を制御可能なインバータ装置と接続されており、駆動モータは、インバータ装置の可変電圧可変周波数制御機能を利用して回転数が調整される。

【0030】

発電機１８は、膨張機１６と連結されており、膨張空間内で作動媒体Ｒが膨張してスクリュロータが回転されることにより駆動される。本実施形態の発電機１８は、例えば永久磁石同期発電機である。この永久磁石同期発電機は、スクリュロータの一方に接続された回転軸を有しており、この回転軸がスクリュロータの回転に伴って回転することにより電力を発生させる。

【0031】

第１加熱器１０の低温側流路の出口部付近には、第１圧力検知手段４２および第１温度検知手段４４が設けられている。第１圧力検知手段４２は、第１加熱器１０から流出直後の作動媒体Ｒの圧力を検知するセンサである。第１温度検知手段４４は、第１加熱器１０から流出直後の作動媒体Ｒの温度を検知するセンサである。第１圧力検知手段４２および第１温度検知手段４４の各検知信号は、後述する制御手段３０に入力される。

【0032】

冷却器２０の高温側流路の出口部付近には、第２圧力検知手段４７および第２温度検知手段４８が設けられている。第２圧力検知手段４７は、冷却器２０から流出直後の作動媒体Ｒの圧力を検知するセンサである。第２温度検知手段４８は、冷却器２０から流出直後の作動媒体Ｒの温度を検知するセンサである。

【0033】

制御手段３０は、循環流量制御部３１、冷却水流量制御部３２、負荷率情報取得部３３、および燃料種情報取得部３４を備える。循環流量制御部３１は、第１加熱器１０が蒸発器として作動し、かつ第２加熱器１２が過熱器として作動するように、第１流量調節手段４０（インバータ装置）を制御する。冷却水流量制御部３２は、第２流量調節手段４６（送水ポンプ２４）を制御する。負荷率情報取得部３３は、内燃機関６０の負荷率に関する情報を取得する。負荷率は、例えばディーゼルエンジンの最大回転数を１００％として特定される。燃料種情報取得部３４は、内燃機関６０に供給される燃料種に関する情報を取得する。具体的には、燃料種情報取得部３４は、内燃機関６０の燃焼モード情報（ＬＮＧ専焼モード、ＬＮＧ・重油混焼モード、重油専焼モード）を利用して燃料種を特定する。

【0034】

ここで、熱回収および発電の仕組みについて説明する。作動媒体Ｒは、循環ポンプ２２が駆動されることにより昇圧され、循環回路ＬＣを図１に示す矢印の方向に流れる。作動媒体Ｒは、第１加熱器１０および第２加熱器１２において、上述した熱源流体（過給空気Ａ２，排ガスＥ３）からの熱回収により加熱されて過熱蒸気となる。高温・高圧の過熱蒸気となった作動媒体Ｒ_Ｇは、膨張機１６のスクリュロータを回転させて発電機１８を駆動する。スクリュロータを通過後に低温・低圧の膨張蒸気となった作動媒体Ｒ_Ｇは、冷却器２０で冷却されて凝縮液となる。凝縮液となった作動媒体Ｒ_Ｌは、循環ポンプ２２によって第１加熱器１０および第２加熱器１２に再度送り込まれる。このように、作動媒体Ｒが循環回路ＬＣを循環しながら状態変化を繰り返すことで、熱エネルギーを電気エネルギーに変換させることが可能になる。

【0035】

３．作動媒体の循環流量制御
循環流量制御部３１は、循環ポンプ２２の駆動中、第１加熱器１０が蒸発器として作動し、かつ第２加熱器１２が過熱器として作動するように第１流量調節手段４０を制御する。具体的には、まず循環流量制御部３１は、第１圧力検知手段４２の検知圧力を取得し、この検知圧力における作動媒体Ｒの飽和蒸気温度（沸点）を求める。制御手段３０のメモリには、作動媒体Ｒの圧力に対する飽和蒸気温度が関係式またはテーブルの形式にて記憶されており、循環流量制御部３１は、これを使用して飽和蒸気温度を特定する。

【0036】

次に、循環流量制御部３１は、飽和蒸気温度を上回る第１目標過熱度を設定する。すなわち、特定された飽和蒸気温度に所定の設定温度差（例えば、５℃）を加算して、この値を第１目標温度とする。そして、循環流量制御部３１は、第１温度検知手段４４の検知温度が設定された第１目標温度になるように、インバータ装置を介して循環ポンプ２２の駆動モータを制御する。これにより、第１加熱器１０からは、作動媒体Ｒが常に過熱蒸気の状態で流出することになる。なお、飽和蒸気温度に加算する所定の設定温度差は、第１加熱器１０と第２加熱器１２を接続する作動媒体Ｒの輸送管路の長さ等を考慮して決定するのが望ましい。

【0037】

循環流量制御部３１は、インバータ装置に対し、例えばＰＩＤアルゴリズムを用いて駆動モータに出力する駆動周波数を指示する。具体的には、第１温度検知手段４４の検知温度（測定値：ＰＶ）と第１目標温度（目標値：ＳＶ）の偏差がゼロになるように、駆動周波数（操作量：ＭＶ）を演算し、これをインバータ装置に指示信号として出力する。そして、インバータ装置は、入力された指示信号に対応した駆動周波数にて駆動モータを制御する。これにより、循環ポンプ２２の回転数が調整される。

【0038】

第１加熱器１０における過給空気Ａ２からの入熱量が小さい場合、作動媒体Ｒの蒸発および過熱が進行しにくいので、第１圧力検知手段４２の検知圧力が小さくなる。そのため、飽和蒸気温度が小さくなり、第１目標温度は相対的に低い値が設定される。この結果、作動媒体Ｒの循環流量を減少させるように循環ポンプ２２の回転数が調整され、小さい入熱量に対して作動媒体Ｒの適度な過熱が促進される。

【0039】

一方、第１加熱器１０における過給空気Ａ２からの入熱量が大きい場合、作動媒体Ｒの蒸発および過熱が進行しやすいので、第１圧力検知手段４２の検知圧力が大きくなる。そのため、飽和蒸気温度が大きくなり、第１目標温度は相対的に高い値が設定される。この結果、作動媒体Ｒの循環流量を増加させるように循環ポンプ２２の回転数が調整され、大きい入熱量に対して作動媒体Ｒの過度な過熱が抑制される。

【0040】

４．冷却水の流量制御
冷却水流量制御部３２は、循環ポンプ２２の駆動中、冷却器２０の放熱量を最大化するように第２流量調節手段４６（送水ポンプ２４）を制御する。具体的には、まず冷却水流量制御部３２は、第２圧力検知手段４７の検知圧力を取得し、この検知圧力における作動媒体Ｒの飽和液温度（凝縮点）を求める。制御手段３０のメモリには、作動媒体Ｒの圧力に対する飽和蒸液温度が関係式またはテーブルの形式にて記憶されており、冷却水流量制御部３２は、これを使用して飽和液温度を特定する。

【0041】

次に、冷却水流量制御部３２は、飽和液温度を下回る第２目標温度を設定する。すなわち、特定された飽和液温度から所定の設定温度差（例えば、１～２℃）を減算して、この値を第２目標温度とする。そして、冷却水流量制御部３２は、第２温度検知手段４８の検知温度が設定された第２目標温度になるように、インバータ装置を介して送水ポンプ２４の駆動モータを制御する。これにより、冷却器２０からは、作動媒体Ｒが効果的に液化・降温された状態で流出することになる。なお、飽和液温度から減算する所定の設定温度差は、冷却水Ｗ２の流入温度等を考慮して決定するのが望ましい。

【0042】

冷却水流量制御部３２は、インバータ装置に対し、例えばＰＩＤアルゴリズムを用いて駆動モータに出力する駆動周波数を指示する。具体的には、第２温度検知手段４８の検知温度（測定値：ＰＶ）と第２目標温度（目標値：ＳＶ）の偏差がゼロになるように、駆動周波数（操作量：ＭＶ）を演算し、これをインバータ装置に指示信号として出力する。そして、インバータ装置は、入力された指示信号に対応した駆動周波数にて駆動モータを制御する。これにより、送水ポンプ２４の回転数が調整される。

【0043】

＜変形例１＞
上述した作動媒体の循環流量制御に替えて、次の制御を実行するように構成することもできる。

【0044】

循環流量制御部３１は、循環ポンプ２２の駆動中、第１加熱器１０が予熱器として作動し、かつ第２加熱器１２が蒸発器として作動するように第１流量調節手段４０を制御する。具体的には、まず循環流量制御部３１は、第１圧力検知手段４２の検知圧力を取得し、この検知圧力における作動媒体Ｒの飽和蒸気温度（沸点）を求める。

【0045】

次に、循環流量制御部３１は、飽和蒸気温度を下回る第１目標温度を設定する。すなわち、特定された飽和蒸気温度に所定の設定温度差（例えば、１～５℃）を減算して、この値を第１目標温度とする。そして、循環流量制御部３１は、第１温度検知手段４４の検知温度が設定された第１目標温度になるように、インバータ装置を介して循環ポンプ２２の駆動モータを制御する。これにより、第１加熱器１０からは、作動媒体Ｒが常に液相の状態で流出することになる。

【0046】

飽和蒸気温度から減算する所定の設定温度差は、負荷率情報取得部３３により取得される内燃機関６０の負荷率の情報に基づいて選択するのが好ましい。具体的には、内燃機関６０が低負荷率になるほど排ガスＥ１～Ｅ３の温度は下降するので、より小さい設定温度差を選択してより上位の目標温度を設定する（すなわち、目標温度を飽和蒸気温度に近付ける）。逆に、内燃機関６０が高負荷率になるほど排ガスＥ１～Ｅ３の温度は上昇するので、より大きい設定温度差を選択してより下位の目標温度を設定する（すなわち、目標温度を飽和蒸気温度から遠ざける）。

【0047】

より上位の目標温度を設定した場合、作動媒体Ｒの循環流量を減少させるように循環ポンプ２２の回転数が制御される。これにより、内燃機関６０が低負荷率であり、過給空気Ａ２および排ガスＥ３に含まれる排熱量が少ないときでも、第１加熱器１０での予熱量を増やし、かつ第２加熱器１２での加熱量が十分に確保される。また、より下位の目標温度を設定した場合、作動媒体Ｒの循環流量を増加させるように循環ポンプ２２の回転数が制御される。これにより、内燃機関６０が高負荷率であり、過給空気Ａ２および排ガスＥ３に含まれる排熱量が多いときには、第１加熱器１０での予熱量を減らし、かつ第２加熱器１２での加熱量が適度に確保される。

【0048】

＜変形例２＞
上述した冷却水の流量制御に替えて、次の制御を実行するように構成することもできる。

【0049】

冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２として、セントラル冷却設備に循環させている清水を利用する場合、海水との熱交換後の清水の一部が冷却水Ｗ２として利用される。循環回路ＬＣに対しては、作動媒体Ｒが高圧充填されていることから、冷却器２０から流出する作動媒体Ｒの飽和液温度よりも、清水の流入温度の方が十分に低いこともあり得る。

【0050】

冷却水流量制御部３２は、作動媒体Ｒの飽和液温度と清水の流入温度を比較し、流入温度が飽和液温度を所定温度（例えば、１０℃）以上下回っている場合、第２目標温度に替えて、清水の流入温度よりも所定温度差（例えば、５℃）だけ高い第３目標温度を設定する。そして、第２温度検知手段４８の検知温度が第３目標温度になるように、第２流量調節手段４６を制御する。これにより、作動媒体Ｒを効率よく凝縮させ、より低温の作動媒体Ｒを第１加熱器１０に送り込むことが可能になる。

【0051】

＜変形例３＞
上述した冷却水の流量制御に替えて、次の制御を実行するように構成することもできる。

【0052】

冷却器２０に耐食処理が施されている場合、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２として、船体の位置する海域から汲み上げた海水を利用することもできる。循環回路ＬＣに対しては、作動媒体Ｒが高圧充填されていることから、冷却器２０から流出する作動媒体Ｒの飽和液温度よりも、海水の流入温度の方が十分に低いこともあり得る。

【0053】

冷却水流量制御部３２は、作動媒体Ｒの飽和液温度と海水の流入温度を比較し、流入温度が飽和液温度を所定温度（例えば、１０℃）以上下回っている場合、第２目標温度に替えて、海水の流入温度よりも所定温度差（例えば、５℃）だけ高い第４目標温度を設定する。そして、第２温度検知手段４８の検知温度が第４目標温度になるように、第２流量調節手段４６を制御する。これにより、作動媒体Ｒを効率よく凝縮させ、より低温の作動媒体Ｒを第１加熱器１０に送り込むことが可能になる。

【0054】

＜変形例４＞
上述した送水ポンプ２４に替えて、流量調節弁を第２流量調節手段４６として用いることもできる。具体的には、冷却水Ｗ２の流通管路である第２冷却水ラインＬＷ２において、送水ポンプ２４と冷却器２０の間に開度を制御可能な流量調節弁（例えば、電動二方弁）を設ける。そして、冷却水流量制御部３２は、第２温度検知手段４８の検知温度が第２目標温度になるように、流量調節弁を制御する。この制御において、第２目標温度に替えて、第３目標温度または第４目標温度が用いられてもよい。

【0055】

冷却水流量制御部３２は、流量調節弁に対し、例えばＰＩＤアルゴリズムを用いて開度（モータ回転角度）を指示する。具体的には、第２温度検知手段４８の検知温度（測定値：ＰＶ）と目標温度（目標値：ＳＶ）の偏差がゼロになるように、開度（操作量：ＭＶ）を演算し、これを流量調節弁に指示信号として出力する。これにより、冷却器２０に流入すする冷却水Ｗ２の流量が調整される。

【0056】

以上説明した実施形態の船舶用発電システムによれば、以下の効果を奏する。

【0057】

（１）船体の推進力を得る内燃機関６０と、内燃機関６０に燃料Ｆ１，Ｆ２を供給する燃料供給手段６２と、内燃機関６０に過給空気Ａ２を供給する過給機６４と、過給機６４に連結され、内燃機関６０からの排ガスＥ１により回転される排気タービン６６と、排気タービン６６からの排ガスＥ２を用いて蒸気Ｓを生成する排ガスエコノマイザ６８と、を備える船舶１００に用いられる発電システム１であって、水よりも低沸点の作動媒体Ｒを循環させる循環回路ＬＣと、作動媒体Ｒを循環回路ＬＣ内に流通させる循環ポンプ２２と、過給機６４からの過給空気Ａ２を熱源流体として、循環ポンプ２２からの作動媒体Ｒを加熱する第１加熱器１０と、排ガスエコノマイザ６８からの排ガスＥ３を熱源流体として、第１加熱器１０で加熱後の作動媒体Ｒを加熱する第２加熱器１２と、第２加熱器１２で加熱後の作動媒体Ｒの膨張エネルギーにより回転される膨張機１６と、膨張機１６を通過後の作動媒体Ｒを冷却水Ｗ２により冷却する冷却器２０と、膨張機１６に連結され、膨張機１６の回転により駆動される発電機１８と、循環ポンプ２２から供給される作動媒体Ｒの流量を調節する第１流量調節手段４０と、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２の流量を調節する第２流量調節手段４６と、第１加熱器１０から流出直後の作動媒体Ｒの圧力を検知する第１圧力検知手段４２と、第１加熱器１０から流出直後の作動媒体Ｒの温度を検知する第１温度検知手段４４と、冷却器２０から流出直後の作動媒体Ｒの圧力を検知する第２圧力検知手段４７と、冷却器２０から流出直後の作動媒体の温度を検知する第２温度検知手段４８と、発電システムの運転を制御する制御手段３０と、を備え、制御手段３０は、（ｉ）第１圧力検知手段４２の検知圧力における作動媒体Ｒの飽和蒸気温度を求め、（ｉｉ）第１温度検知手段４４の検知温度が飽和蒸気温度に応じた第１目標温度になるように、第１流量調節手段４０を制御し、（ｉｉｉ）第２圧力検知手段４７の検知圧力における作動媒体Ｒの飽和液温度を求め、（ｉｖ）第２温度検知手段４８の検知温度が飽和液温度を下回る第２目標温度になるように、第２流量調節手段４６を制御する。

【0058】

第１加熱器１０から流出する作動媒体Ｒの温度が飽和蒸気温度を上回る第１目標温度（過熱度）になるように、作動媒体Ｒの流量を調節することにより、第１加熱器１０を蒸発器として作動させる一方、第２加熱器１２を過熱器として作動させることが可能になる。あるいは、第１加熱器１０から流出する作動媒体Ｒの温度が飽和蒸気温度を下回る第１目標温度になるように、作動媒体Ｒの流量を調節することにより、第１加熱器１０を予熱器として作動させる一方、第２加熱器１２を蒸発器として作動させることが可能になる。

【0059】

内燃機関６０の負荷が増えると、第１加熱器１０および第２加熱器１２での熱回収量が増えるので、第２加熱器１２から送出される過熱蒸気の過熱度が上昇し、膨張機１６の仕事量が増えて発電量が増加する。また、熱回収量が増えるのに伴って、作動媒体Ｒの流量が増える側に循環ポンプ２２の回転数が制御される。循環ポンプ２２の回転数を増やすと消費電力が増える一方で、蒸気圧力が上昇することにより膨張機１６の仕事量が増加することから、発電電力の上昇分で消費電力の増加分が補填される。

【0060】

循環ポンプ２２の回転数を増やした場合、冷却器２０に還流する膨張蒸気の流量も増えることになるが、放熱が不十分で湿り蒸気の状態のまま作動媒体Ｒが冷却器２０から流出すると、熱回収量の低下によって膨張機１６の仕事量が減ってしまう。そこで、冷却器２０から流出する作動媒体Ｒの温度が飽和液温度に応じて設定された第２目標温度を下回るように、冷却水Ｗ２の流量を増加させることにより、より多くの冷却水Ｗ２を流して作動膨張蒸気の凝縮を促進させる。その結果、内燃機関６０の負荷に応じた発電量が維持される。

【0061】

（２）上記（１）の船舶用発電システム１において、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２は、セントラル冷却設備に循環させている清水であって、海水との熱交換後の清水の一部を利用するものであり、制御手段３０は、第２目標温度に替えて第３目標温度を設定すると共に、第２温度検知手段４８の検知温度が第３目標温度になるように、第２流量調節手段４６を制御し、第３目標温度は、清水の流入温度よりも所定温度差だけ高い温度に設定される。

【0062】

セントラル冷却設備の一次冷却水として海水が使用されるが、海水温度（海面水温）は大気の運動、海流、日照、季節などの様々な要因によって分布がある。そのため、海水との熱交換後の清水の温度も若干の変動幅（例えば、海水温度に対して＋４～５℃）を持つ場合がある。清水の流入温度に対して所要のピンチ温度差分だけ高い温度（例えば、＋５℃）に設定された第３目標温度にて第２流量調節手段４６を制御することにより、船舶の運航中に実現可能な最大の熱回収量を得ることができる。

【0063】

（３）上記（１）の船舶用発電システム１において、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２は、船体の位置する海域から汲み上げた海水であり、制御手段３０は、第２目標温度に替えて第４目標温度を設定すると共に、第２温度検知手段４８の検知温度が第４目標温度になるように、第２流量調節手段４６を制御し、第４目標温度は、清水の流入温度よりも所定温度差だけ高い温度に設定される。

【0064】

冷却水として海水が使用されるが、海水温度（海面水温）は大気の運動、海流、日照、季節などの様々な要因によって分布がある。海水の流入温度に対して所要のピンチ温度差分だけ高い温度（例えば＋５℃）に設定された第３目標温度にて第２流量調節手段４６を制御することにより、船舶の運航中に実現可能な最大の熱回収量を得ることができる。

【0065】

（４）上記（１）から（３）の船舶用発電システム１において、第１流量調節手段４０は、循環ポンプ２２の駆動モータの回転数を制御可能なインバータ装置であり、制御手段３０は、インバータ装置を介して駆動モータの回転数を制御することにより、作動媒体Ｒの流量を調節する。

【0066】

インバータ装置の可変電圧可変周波数制御機能を利用して、循環ポンプ２２の駆動モータの回転数を制御することで、作動媒体の流量を柔軟にかつ精緻に調節することができる。

【0067】

（５）上記（１）から（３）の船舶用発電システム１において、第２流量調節手段４６は、冷却水Ｗ２の流通管路に設けられた送水ポンプ２４であり、制御手段３０は、送水ポンプ２４の駆動モータの回転数を制御することにより、冷却水Ｗ２の流量を調節する。

【0068】

送水ポンプ２４のモータ回転数を制御することで、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２の流量を柔軟にかつ精緻に調節することができる。

【0069】

（６）上記（１）から（３）の船舶用発電システム１において、第２流量調節手段４６は、冷却水Ｗ２の流通管路に設けられた流量調節弁であり、制御手段３０は、流量調節弁の開度を制御することにより、冷却水Ｗ２の流量を調節する。

【0070】

流量調節弁の開度を制御することで、冷却器２０に流通させる冷却水Ｗ２の流量を柔軟にかつ精緻に調節することができる。

【符号の説明】

【0071】

１ 船舶用発電システム
１０ 第１加熱器
１２ 第２加熱器
１６ 膨張機
１８ 発電機
２０ 冷却器
２２ 循環ポンプ
３０ 制御手段
４０ 第１流量調節手段
４６ 第２流量調節手段
６４ 過給機
６８ 排ガスエコノマイザ
Ａ２ 過給空気
Ｅ２ 排ガス
Ｗ２ 冷却水
Ｒ 作動媒体
ＬＣ 循環回路

【図1】