JP2015113084A - 舶用蒸気システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術の舶用蒸気システムに比べて、低船速で主機関が低負荷状態における、水蒸気の需要量を削減する効果を奏することができ、船内で不足する水蒸気の量を補うための燃料焚きボイラの運転の機会を低減して、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減できる舶用蒸気システム及びその制御方法を提供する。【解決手段】主機関２の排気ガスＧの廃熱を回収して水蒸気Ｓを発生する廃熱回収熱交換器１１と、燃料を焚いて水蒸気Ｓを補充する燃料焚きボイラ１２と、水蒸気Ｓを消費する船内補機器３を備えた舶用蒸気システム１０において、燃料焚きボイラ１２で燃焼する燃料Ｆの量を、主機関２の運転条件に応じて増減またはＯＮ／ＯＦＦするバーナー作動制御を行うと共に、船内補機器３の作動状態を主機関２の運転条件に応じて変化させる制御をして、船内補機器３で消費する水蒸気Ｓの量を増減する補機器制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、主機の運転状態が低負荷運転状態であるときの蒸気需要を削減することで、ボイラの運転の機会を低減できて、燃料消費量を低減できる舶用蒸気システム及びその制御方法に関する。

一般の船舶では、燃料にＣ重油を用いており、航行時は、エコノマイザー等で主機関の廃熱を回収して発生した蒸気を燃料タンクの加熱用配管に導いて、粘度の高いＣ重油を加熱して粘度を低くしてから燃料ラインに供給している。

そして、船舶の低速航行の主機関の出力が低い場合や、停泊時の主機関が停止している場合には、主機関の廃熱が少なくなるため、この廃熱から生成される蒸気だけでは、蒸気の需要を賄いきれなくなるため、燃料焚きボイラに備えたバーナーに重油を供給して重油の燃焼によって生じる熱で水蒸気を発生させて、蒸気不足を補っている。

これに関連して、例えば、船舶において客室の暖房や積荷の保温、加熱等を行う場合のように、種々の熱負荷部に熱供給させるためのシステムで、主機の排ガスを回収する廃熱回収装置と熱媒ボイラを備えて、廃熱回収装置のみによって熱負荷部の必要熱量を賄い得なくなると熱媒ボイラを運転し、また船舶が停泊中で廃熱回収装置による熱回収を行い得ないときは熱媒ボイラのみによって熱供給を行う熱供給システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

従来技術においては、設計上、主機関の廃熱に多少ゆとりがあったので、多少の船速の低下に伴う主機関の負荷の低下に対しても、バーナー燃焼による水蒸気の発生が不要で、十分に対応できた。

しかしながら、最近の船舶では、省エネルギーへの対応や大気汚染防止規制への対応によって、主機関の熱効率が最大限になるように設計されるようになってきたため、主機関の排気ガスの温度が低下する傾向にあり、回収できる廃熱の量が少なくなってきている。この廃熱のゆとりがない状態では、水蒸気の不足を回避するために、発生している水蒸気の圧力（蒸気圧）が予め設定された供給設定圧（例えば、０．６ＭＰａゲージ圧＝６ｂａｒ≒６ａｔｍ程度）を保つように制御され、例えば、供給設定圧（例えば、０．４ＭＰａゲージ圧＝４ｂａｒ≒４ａｔｍ程度）より低くなると、ＯＮ／ＯＦＦ制御でバーナー燃焼を開始して水蒸気を発生する。そのために、主機関の運転状態に関係なく、燃料を水蒸気の実際の需要量を考慮せずに、最初に設定された通り投入することになり、投入した燃料の分だけ燃料消費量が増加するので、この燃料消費が経済的な運航の妨げとなるという問題がある。

特に、最近の船舶の運航では、航行に必要な主機関の出力は、船速の概ね３乗に比例して大きくなるので、経済性を優先して燃料費を節約する省エネルギー運航をする場合には、設計速度よりも低い速度で運航することが一般的であるので、この際に水蒸気の需要を補うための追加燃料が少なければ、さらに、経済運航に貢献できることになるので、水蒸気発生に伴う燃料消費量の減少が望まれている。

それにも関わらず、従来の舶用蒸気システムでは、不足する水蒸気を補充するための舶用ボイラのバーナー作動の開始指令は、供給用水蒸気の蒸気圧が、予め設定された固定の蒸気圧設定値になったときに発令されるようになっており、水蒸気を使用する側の燃料油清浄機などの補機器の運転状態は、主機関の負荷状態によらず一定の運転状態を保持し、一定の蒸気量を消費する定常運転状態に固定されていた。

特開昭６３−３２２２４号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、従来技術の舶用蒸気システムに比べて低船速で主機関が低負荷状態における、蒸気需要を削減する効果と、船内不足蒸気を補うためのボイラの運転機会を低減でき、燃料消費量を低減できる舶用蒸気システム及びその制御方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明の舶用蒸気システムは、主機関の排気ガスの廃熱を回収して水蒸気を発生する廃熱回収熱交換器と、燃料を焚いて水蒸気を補充する燃料焚きボイラと、水蒸気を消費する船内補機器を備えた舶用蒸気システムにおいて、前記燃料焚きボイラで燃焼する燃料の量を、前記主機関の運転条件に応じて増減またはＯＮ／ＯＦＦするバーナー作動制御を行う蒸気制御装置を備えて構成される。

この構成により、通常の計画速度での航行で主機関が中負荷又は高負荷運転状態にあるときは、燃料焚きボイラで燃料を焚くことなく廃熱回収熱交換器で十分な水蒸気の供給量を確保できる。また、低速での航行や停泊などで主機関が低負荷運転状態や機関停止状態にあるときは、主機関で消費される燃料に必要十分な水蒸気の需要量に低減することができるので、燃料焚きボイラにおけるバーナーの運転機会を低減することができ、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減することができる。

上記の舶用蒸気システムにおいて、前記蒸気制御装置が、前記船内補機器の作動状態を前記主機関の運転条件に応じて変化させる制御をして、前記船内補機器で消費する水蒸気の量を増減する補機器制御を行うように構成されると、低速での航行や停泊などで主機関が低負荷運転状態や機関停止状態にあるときは、油清浄機や給水ポンプ等の船内補機器における水蒸気の需要量を低減することができるので、船内で不足する水蒸気の量を補うために行われる、燃料焚きボイラにおけるバーナーの運転機会を低減することができ、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減することができる。

上記の舶用蒸気システムにおいて、前記蒸気制御装置が、前記主機関の運転条件を前記主機関の負荷又は前記主機関の入口燃料温度又は前記主機関に供給される燃料の粘度として制御を行うように構成されると、主機関で使用する燃料量、又は、主機関の使用燃料の入口燃料温度量、又は、主機関に供給される燃料の粘度に応じて、水蒸気の供給量を変化させることができるので、水蒸気の供給量を主機関の使用燃料量、又は、入口燃料温度、又は、燃料の粘度に合わせて変化でき、余剰に水蒸気を発生させることなく、効率よく水蒸気を発生することができ、燃料焚きボイラにおける水蒸気発生用の燃料の消費量を必要最小限の燃料消費量にすることができる。

なお、水蒸気の供給量を同じままにして主機関の使用燃料量を増加すると、燃料を適温に加熱できなくなり、入口燃料温度が下がり、燃料の粘度が高くなり、燃料の流動性が悪くなるという相互間の関係があるので、主機関の使用燃料量、又は、入口燃料温度、又は、燃料の粘度のいずれで制御しても、主機関に供給する燃料の粘度を適切な範囲に維持することができる。

上記の舶用蒸気システムにおいて、前記蒸気制御装置が、前記主機関の運転条件に応じて、水蒸気の供給設定圧を変化させると共に、水蒸気の供給圧が前記供給設定圧以下になったときに、燃料焚きボイラで燃料を燃焼させるバーナー作動制御を行うように構成されると、供給設定圧の変更という比較的簡単な制御で、水蒸気発生用の燃料焚きボイラにおける燃料の消費量を必要最小限の燃料消費量にすることができる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の舶用蒸気システムの制御方法は、主機関の排気ガスの廃熱を回収して蒸気を発生する廃熱回収熱交換器と、燃料を焚いて水蒸気を補充する燃料焚きボイラと、水蒸気を消費する船内補機器を備えた舶用蒸気システムの制御方法において、前記燃料焚きボイラで燃焼する燃料の量を、前記主機関の運転条件に応じて増減またはＯＮ／ＯＦＦするバーナー作動制御を行うと共に、前記船内補機器の作動状態を前記主機関の運転条件に応じて変化させる制御をして、前記船内補機器で消費する水蒸気の量を増減する補機器制御を行うことを特徴とする方法である。

この方法によれば、通常の計画速度での航行で主機関が中負荷又は高負荷運転状態にあるときは、燃料焚きボイラで燃料を焚くことなく廃熱回収熱交換器で十分な水蒸気の供給量を確保でき、また、低速での航行や停泊などで主機関が低負荷運転状態や機関停止状態にあるときは、油清浄機や給水ポンプ等の船内補機器における水蒸気の需要量を低減することができるので、船内で不足する水蒸気の量を補うために行われる、燃料焚きボイラにおけるバーナーの運転機会を低減することができ、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減することができる。

本発明に係る、舶用蒸気システム及びその制御方法によれば、従来技術の舶用蒸気システムに比べて、低船速で主機関が低負荷状態における、水蒸気の需要量を削減する効果を奏することができ、船内で不足する水蒸気の量を補うための燃料焚きボイラの運転の機会を低減して、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減できる。

本発明の実施の形態の舶用蒸気システムの構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態の舶用蒸気システムの制御方法における入力と出力の関係を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の舶用蒸気システムとその制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、船内補機器として燃料油清浄機を例示して説明するが、潤滑油清浄機や給水ポンプも従来技術では主機関の運転状態に関係なく一定状態の運転を維持しているので、本発明の船内補機器に含めて扱うことができる。

この舶用蒸気システム１０を搭載する船舶は、主機関２と燃料油清浄機３等の船内補機器と燃料タンク４とを備え、燃料タンク４の重油燃料（燃料）Ｆを水蒸気Ｓで加熱して流動性を高めてから第１燃料配管７で燃料油清浄機３に送る。なお、この移送には燃料移送用ポンプ（図示しない）が使用される。

この燃料油清浄機３は、一般に船舶で使用されるＣ重油が、水分や固形分等の不純物を多く含んでいるので、このＣ重油を主機関２で安全に使用できるように、浄化処理する装置であり、この燃料油清浄機３では、送られてきたＣ重油の重油燃料Ｆを更に水蒸気Ｓにより加熱して流動性を高めた後、しばらく静置して重力により水分や固形分を沈降させる。その後、この大まかに浄化された重油燃料Ｆを遠心分離機の遠心力で水分や固形分を分離して、最後にフィルタでスラッジ成分等を取り除いている。

この純度の高い重油燃料Ｆを第２燃料配管８で燃料油清浄機３からディーゼルエンジン等で構成される主機関２に送り、シリンダ内で燃焼させて、動力を発生させている。この主機関２で発生した動力は、船舶の推進器や発電機等の補機を動かすために使用される。

この重油燃料Ｆを燃料タンク４から主機関２に送り出すときに、常温では重油燃料Ｆの粘度が高く流動性が悪いので、燃料配管７、８の内部を通過させるのが難しい。そのため、水蒸気Ｓを燃料タンク４内の燃料加熱配管１４に供給して重油燃料Ｆを加熱して粘度を低くして流動性を高めてから第１燃料配管７に送り出している。

この水蒸気Ｓは、廃熱回収熱交換器１１において、主機関２で発生し、排気通路５から廃熱回収熱交換器１１に流入する排気ガスＧの廃熱を回収して発生しており、主機関２の低負荷運転や主機関２の運転停止などにより排気ガスＧの廃熱のみで発生する水蒸気Ｓが不足すると、コンポジットタイプの場合には、廃熱回収熱交換器１１の内部に設けた燃料焚きボイラ（重油焚きボイラ）１２で、燃料油清浄機３から第３燃料配管９経由で送られてきた重油燃料Ｆを焚いて水蒸気Ｓを発生させている。また、コンポジットタイプでない場合には、廃熱回収熱交換器１１とは別に設けた燃料焚きボイラ（重油焚きボイラ）１２で重油燃料Ｆを焚いて水蒸気Ｓを発生させている。なお、廃熱回収熱交換器１１から流出する排気ガスＧは排気通路６から必要に応じて排気ガス浄化装置（図示しない）を通過して浄化された後に、煙突（図示しない）を経由して大気中に排出される。

本発明においては、舶用蒸気システム１０は、排気ガスＧの廃熱を回収して水蒸気Ｓを発生する廃熱回収熱交換器１１と、重油燃料Ｆを燃焼して水蒸気Ｓを補充する燃料焚きボイラ１２と、水蒸気Ｓを燃料タンク４内の燃料加熱配管１４と、燃料油清浄機３における蒸気加熱部３ａとを有して構成される。

さらに、舶用蒸気システム１０は、廃熱回収熱交換器１１と燃料加熱配管１４の間を接続する第１蒸気配管１３と第１蒸気戻り配管１５と、廃熱回収熱交換器１１と蒸気加熱部３ａの間を接続する第２蒸気配管１７と第２蒸気戻り配管１８と、第１蒸気戻り配管１５に配設された第１蒸気制御弁１６と、第２蒸気戻り配管１８に配設された第２蒸気制御弁１９と、これらに加えて、これらの装置や機器を制御する蒸気制御装置２１を備えて構成される。

そして、この蒸気制御装置２１は、通常は主機関２の制御を含めた全体的な制御を行う全体制御装置２０に組み込まれて構成され、ここでは、主機関２の負荷Ｑ又は主機関２の入口燃料温度Ｔｉｎ又は主機関２に供給される重油燃料Ｆの粘度に応じて、燃料焚きボイラ１２の重油燃料Ｆを増減又はＯＮ／ＯＦＦして、燃焼を制御するバーナー作動制御を行うように構成される。

この制御によれば、図２に示すように、主機関２に供給される燃料量とその粘度に注目して、負荷Ｑ、又は、使用燃料の入口燃料温度Ｔｉｎ、使用燃料の粘度μ等の主機関２の運転条件に応じて、燃料焚きボイラ１２で発生させる水蒸気Ｓの供給量Ｖｓを変化させることができるので、主機関２で必要とする負荷Ｑに対応して決まる燃料噴射量ｑ、又は、入口燃料温度センサ２３で検出される入口燃料温度Ｔｉｎ、又は、粘度センサ２４で検出される重油燃料Ｆの粘度μに対応させて、水蒸気Ｓの供給量Ｖｓを十分な燃料噴射量ｑの重油燃料Ｆを適正な粘度に維持するのに必要かつ十分な量にして供給することができる。

この粘度センサ２４に関しては、燃料タンク４における重油燃料Ｆの粘度μは、ポンピングできる程度、言い換えれば燃料供給ポンプ（図示しない）で供給可能な粘度μｃであればよく、重油燃料Ｆの温度では燃料の性状によるがおよそ１０００ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）相当となる３０℃〜３５℃程度であればよいが、燃料油清浄機３から主機関２に入る、燃料噴射で使用する重油燃料Ｆの粘度はもっと低く流動性が高いものである必要があり、重油燃料Ｆをおよそ１０ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）〜１５ｍｍ²／ｓ（ｃＳｔ）相当となる１３０℃〜１４０℃程度の温度にして噴射可能な粘度μｊにする必要がある。この入口の重油燃料Ｆの粘度μの管理を、主機関２の入口近傍に配置した粘度センサ（ＦＯビスコントローラ）２４で検出される粘度が１０センチストーク〜１５センチストーク程度の燃料噴射に適切な粘度μｊになるように、主機関２に入る重油燃料Ｆを加熱する水蒸気の量を調整するが、この粘度センサ２４の検出値を燃料炊きボイラ１２のバーナー作動制御に用いる。

上記の構成によれば、過剰な水蒸気Ｓの発生を回避しながら、効率よく水蒸気Ｓを発生することができる。従って、燃料焚きボイラ１２における蒸気発生用の重油燃料Ｆの消費量を必要最小限の燃料消費量にすることができる。

また、蒸気制御装置２１が、廃熱回収熱交換器１１又は燃料焚きボイラ１２の出口に設けられた蒸気圧センサ２２で計測される水蒸気Ｓの供給圧Ｐｓが予め設定された供給設定圧Ｐｓｃ以下になったときに、燃料焚きボイラ１２で重油燃料Ｆを燃焼させるバーナー作動制御を行うように構成されると共に、この水蒸気Ｓの供給設定圧Ｐｓｃを、主機関２の運転条件に応じて変化させる。

この方法では、主機関２の運転状態が、中負荷運転状態又は高負荷運転状態にあるときは、水蒸気Ｓの供給設定圧Ｐｓｃを、例えば、０．５ＭＰａ（＝５ｂａｒ≒５ａｔｍ）の第１供給設定圧Ｐｓｃ１とし、低負荷運転状態にあるときは、水蒸気の供給設定圧Ｐｓｃを、第１供給設定圧Ｐｓｃ１よりも低い、例えば、０．３ＭＰａ（＝３ｂａｒ≒３ａｔｍ）の第２供給設定圧Ｐｓｃ２とする。

この主機関２の運転状態が、低負荷運転状態にあるか否かは、主機関２の運転指令における負荷Ｑが予め設定した低負荷判定用負荷Ｑｌｃ以下か否かで判定したり、主機関２の運転指令における燃料噴射量ｑが予め設定した低負荷判定用燃料噴射量ｑｌｃ以下か否かで判定したりすることができる。

この制御方法によれば、供給設定圧Ｐｓｃの変更という比較的簡単な制御で、燃料焚きボイラ１２における蒸気発生用の重油燃料Ｆの消費量を必要最小限の燃料消費量にすることができる。

更に、蒸気制御装置２１においては、燃料油清浄機３の作動状態を、主機関２の運転条件に応じて制御する補機器制御を行うように構成される。つまり、主機関２の運転条件に応じて、燃料焚きボイラ１２の重油燃料Ｆの燃焼を制御するバーナー作動制御に加えて、燃料油清浄機３の作動状態を、主機関２の運転条件に応じて制御する。

この補機器制御では、重油燃料Ｆを浄化処理するために、水蒸気Ｓを用いて遠心分離清浄効果が高い温度、例えば１００℃程度に加熱するが、従来技術では、主機関２の運転条件に関係なく、設計速度で航行する時の主機関２で消費される以上の重油燃料Ｆを浄化する連続最大量を維持するような一定の運転条件で運転されており、主機関２の低負荷運転では余剰の清浄化された燃料を戻している。

本発明では、この燃料油清浄機３の運転を、主機関２の運転条件に応じて変化させて、清浄化され、かつ、燃料油清浄機３の内部で戻されていた重油燃料Ｆの量を連続最大量から減少させることにより、燃料油清浄機３で消費される水蒸気Ｓの量を減少する。これにより、燃料焚きボイラ１２で発生させる水蒸気Ｓの量を減少して、燃料焚きボイラ１２における蒸気発生用の重油燃料Ｆの消費量を必要最小限の燃料消費量にする。

また、同様に潤滑油清浄機の運転能力を低下させたり、供給ポンプの供給量を低下させたりする。これらの船内補機器を主機関２の運転に必要かつ十分な能力の運転に低下させることにより、これらの船内補機器で消費する水蒸気Ｓの量を低減でき、この低減により、燃料焚きボイラ１２における重油燃料Ｆの消費量を更に減少できる。

上記の構成の舶用蒸気システム１０及びその制御方法によれば、従来技術の舶用蒸気システムに比べて低船速で主機関２が低負荷状態における、燃料油清浄機３や潤滑油清浄機や給水ポンプ等の船内補機器の水蒸気Ｓの需要を削減することができ、船内の不足蒸気を補うための燃料焚きボイラ１２におけるバーナーの運転機会を低減することができるので、燃料消費量を低減することができる。さらに、清浄機は一般に電動機駆動であるので運転停止する間は電力削減にもつながる。

本発明の、舶用蒸気システム及びその制御方法によれば、従来技術の舶用蒸気システムに比べて、低船速で主機関が低負荷状態における、水蒸気の需要量を削減する効果を奏することができ、船内で不足する水蒸気の量を補うための燃料焚きボイラの運転の機会を低減して、これにより、燃料焚きボイラにおける燃料消費量を低減できるので、数多くの船舶に利用できる。

２ 主機関
３ 燃料油清浄機（船内補機器）
４ 燃料タンク
５，６ 排気通路
７ 第１燃料配管
８ 第２燃料配管
９ 第３燃料配管
１０ 舶用蒸気システム
１１ 廃熱回収熱交換器（排ガスエコノマイザ）
１２ 燃料焚きボイラ
１３ 第１蒸気配管
１４ 燃料加熱配管
１５ 第１蒸気戻り配管
１６ 第１蒸気制御弁
１７ 第２蒸気配管
１８ 第２蒸気戻り配管
１９ 第２蒸気制御弁
２０ 全体制御装置
２１ 蒸気制御装置
２２ 蒸気圧センサ
２３ 入口燃料温度センサ
２４ 粘度センサ
Ｐｓ 水蒸気の供給圧
Ｐｓｃ 供給設定圧
Ｐｓｃ１ 第１供給設定圧
Ｐｓｃ２ 第２供給設定圧
Ｑ 主機関の負荷
Ｑｌｃ 低負荷判定用負荷
ｑ 主機関の燃料噴射量
ｑｌｃ 低負荷判定用燃料噴射量
Ｔｉｎ 主機関の入口燃料温度
Ｖｓ 水蒸気の供給量
μ 燃料の粘度
μｃ 供給可能な粘度
μｊ 噴射可能な粘度

Claims (5)

1. 主機関の排気ガスの廃熱を回収して水蒸気を発生する廃熱回収熱交換器と、燃料を焚いて水蒸気を補充する燃料焚きボイラと、水蒸気を消費する船内補機器を備えた舶用蒸気システムにおいて、前記燃料焚きボイラで燃焼する燃料の量を、前記主機関の運転条件に応じて増減またはＯＮ／ＯＦＦするバーナー作動制御を行う蒸気制御装置を備えたことを特徴とする舶用蒸気システム。
2. 前記蒸気制御装置が、前記船内補機器の作動状態を前記主機関の運転条件に応じて変化させる制御をして、前記船内補機器で消費する水蒸気の量を増減する補機器制御を行うように構成されることを特徴とする請求項１に記載の舶用蒸気システム。
3. 前記蒸気制御装置が、前記主機関の運転条件を前記主機関の負荷又は前記主機関の入口燃料温度又は前記主機関に供給される燃料の粘度として制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の舶用蒸気システム。
4. 前記蒸気制御装置が、前記主機関の運転条件に応じて、水蒸気の供給設定圧を変化させると共に、水蒸気の供給圧が前記供給設定圧以下になったときに、燃料焚きボイラで燃料を燃焼させるバーナー作動制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の舶用蒸気システム。
5. 主機関の排気ガスの廃熱を回収して水蒸気を発生する廃熱回収熱交換器と、燃料を焚いて水蒸気を補充する燃料焚きボイラと、水蒸気を消費する船内補機器を備えた舶用蒸気システムの制御方法において、前記燃料焚きボイラで燃焼する燃料の量を、前記主機関の運転条件に応じて増減またはＯＮ／ＯＦＦするバーナー作動制御を行うと共に、前記船内補機器の作動状態を前記主機関の運転条件に応じて変化させる制御をして、前記船内補機器で消費する水蒸気の量を増減する補機器制御を行うことを特徴とする舶用蒸気システムの制御方法。

Images