JP5232766B2 - 船舶の機関制御システム - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1(特開2007−1339号公報)には、主機と電気推進との複合推進システムを有する船舶の排熱回収設備において、主機の排熱により高圧蒸気と低圧蒸気とを生成し、船舶の電気推進用の電力を発電するタービンに高圧蒸気と低圧蒸気とを分割して導入する構成が開示されている。
図7に示すように、主機制御装置66では、センサによりプロペラ回転数を検出するとともに、船舶が所望の船速となるような目標値であるプロペラ回転数指令値を算出し、プロペラ回転数指令値からプロペラ回転数検出値を減算して制御偏差を求め、制御偏差に基づいて制御器によりPID制御演算を行い、燃料噴射量を導出して主機の燃料噴射装置を制御していた。
しかし、過給機に導入される排ガスとは別に、内燃機関の排ガスをガスタービンに送り込む構成とすると、発電機の急激な負荷変動により過給機のタービン側に送られる排ガスの流量が変動し、内燃機関の掃気圧が変動してしまうことがある。これにより、内燃機関の掃気圧に対して適切な燃料噴射量を確保できずに、エンジン出力が不安定になってしまい、船舶の速度や加速度が不安定に変動してしまうおそれがある。
なお、プロペラ回転数検出値は、プロペラに設置したセンサにより検出してもよいし、内燃機関の回転数から算出してもよい。
このように、ガスタービンの発電量指令値と内燃機関の負荷と燃料噴射量の補正値との相関関係を表すマップを用いることにより、簡単に補正値を導出することが可能となる。なお、ガスタービンの発電量指令値と内燃機関の負荷と燃料噴射量の補正値との相関関係は、実験的に求めてもよいし、シミュレーションにより求めてもよい。
このように、ガスタービンの発電量指令値と内燃機関の負荷と燃料噴射量の補正値との関係式を用いることにより、内燃機関制御手段に予め設定しておくデータ量を小さくすることができる。
また、内燃機関制御手段が、プロペラの回転数指令値とプロペラ回転数検出値との偏差に基づき導出される基本燃料噴射量に対して、ガスタービンの発電量指令値と内燃機関の負荷とに基づいて導出された補正値を加算して実際の燃料噴射量を導出する構成としたため、発電機の急激な負荷変動により過給機のタービン側に送られる排ガス量が変動し、内燃機関の掃気圧が変動した場合であっても、掃気圧に対して適切な燃料噴射量を確保でき、エンジン出力が不安定に変動することを防止できる。したがって、船舶の速度や加速度を安定的に制御することが可能である。
主機設備1は、主に、内燃機関である主機2と、主機2に連結されたプロペラ3と、主機2の吸気系統に配設されたターボチャージャ(過給機)5と、主機2を冷却する主機冷却器8と、吸気を冷却する吸気冷却器9とを備える。
主機冷却器8は、主機2のジャケットに冷却水を流して主機2を冷却する。
吸気冷却器9は、主機冷却器8から排出された冷却水を用いて、圧縮機6から主機2に送給される吸気を冷却する。
蒸気タービン15は、排ガスエコノマイザ11で生成された過熱蒸気が導入され、この蒸気により回転駆動する。
パワータービン21は、排ガスにより駆動する大型のガスタービンであり、蒸気タービン15に軸を介して連結され、蒸気タービン15とともに発電機16を駆動する。パワータービン21と蒸気タービン15の間には減速機22、クラッチ23が介装されている。なお、蒸気タービン15とパワータービン21とのそれぞれの電力配分は、主機2のエンジン負荷に応じて決定されるようにしてもよい。
主機2から排出された他の排ガスは、第2の排ガスライン33を通ってパワータービン21に導入された後、排ガスライン36を通って排ガスエコノマイザ11に導入される。なお、主機2から排出される排ガスの大部分は、第1の排ガスライン32に排出される。
排ガスライン36を通る排ガスは、排ガス流量調整弁44で排ガスエコノマイザ11に導入される排ガス流量が調整されるとともに、バイパス量調整弁45により調整された排ガス流量がバイパスライン37を通り、排ガスエコノマイザ11を迂回して排出される。排ガスのバイパス量は、排ガスエコノマイザ11の能力、排ガスエコノマイザ11で生成する蒸気量等に基づいて設定される。
蒸気タービン15に導入される蒸気流量は、ガバナ47で制御される蒸気流量調整弁46により調整される。
蒸気タービン15から排出された蒸気は、コンデンサ18で復水されてドレンタンク19に貯留され、船内蒸気利用設備48から回収された水とともに、主機冷却器8、吸気冷却器9を通って排ガスエコノマイザ11に戻される。
バイパスライン35の分岐点より上流側の第2の排ガスライン33には、パワータービン21側への排ガスの送給を遮断可能な遮断弁41が設けられている。分岐点より下流側の第2の排ガスライン33には、パワータービン21に導入される排ガス流量を調整する排ガス流量調整弁42が設けられている。バイパスライン35には排ガスのバイパス量を調整するバイパス量調整弁43が設けられている。
PMS55は、ST発電量指令値および発電機回転数に基づいてガバナ47を制御し、蒸気タービン15に導入される蒸気流量を調整するとともに、パワータービン発電量指令値(以下、PT発電量指令値と称する)および発電機回転数に基づいて排ガス流量調整弁42を制御し、パワータービン21に導入される排ガス流量を調整する。なお、発電機16の負荷とエンジン負荷状態に応じて予めパワータービン21と蒸気タービン15の発電比率が設定されており、この発電比率に基づいてST発電量指令値及びPT発電量指令値が設定されるようになっている。さらに、発電機16の発電需要が0になったとき、または排ガス熱量が低減して蒸気タービン15のみで発電を行なうとき、遮断弁41を閉に制御してパワータービン21に導入される排ガスを遮断する。
主機制御装置50は、プロペラ3に配置したセンサによりプロペラ回転数を検出するとともに(S1)、プロペラ3の回転数の目標値であるプロペラ回転数指令値を算出する(S2)。そして、フィードバック制御部51で、プロペラ回転数指令値からプロペラ回転数検出値を減算して制御偏差を求め(S3)、制御偏差をもとに制御器51aでPID制御演算し、主機2の基本燃料噴射量を導出する(S4)。なお、プロペラ回転数検出値は、プロペラに設置したセンサにより検出してもよいし、内燃機関の回転数から算出してもよい。
さらに、フィードフォワード制御部53にて、フィードバック制御部51で導出された基本燃料噴射量に補正値演算部52で導出された補正値を加算し、実際に制御される燃料噴射量を導出する(S8)。そして、導出された燃料噴射量に基づいて主機2の燃料噴射ポンプを制御する。
また、主機制御装置50が、プロペラの回転数指令値とプロペラ回転数検出値との偏差に基づき導出される基本燃料噴射量に対して、ガスタービンの発電量指令値と内燃機関の負荷とに基づいて導出された補正値を加算して実際の燃料噴射量を導出する構成としたため、発電機16の急激な負荷変動によりターボチャージャ5のタービン7に送られる排ガス量が変動し、主機2の掃気圧が変動した場合であっても、掃気圧に対して適切な燃料噴射量を確保でき、エンジン出力が不安定に変動することを防止できる。したがって、船舶の速度や加速度を安定的に制御することが可能である。
さらに、パワータービン21の発電量指令値と主機2のエンジン負荷と燃料噴射量の補正値との相関関係を表すマップを用いることにより、簡単に補正値を導出することが可能となる。
図5の変形例では、補正値演算部52で、主機2のエンジン負荷とPT発電量指令値とから燃料噴射量の補正値を導出する際に、マップではなく、PT発電量指令値と主機2のエンジン負荷と燃料噴射量補正値との最適な相関関係を示す関係式に基づいて、燃料噴射量補正値を導出するようになっている。
Q=E(L+KP×P)
ここで、Q:燃料噴射量補正値、L:主機のエンジン負荷、P:PT発電量指令値、KP:係数またはテーブル関数、E(L):熱力学に準じた関数(圧力、エンジン形状、効率などがパラメータになる)である。
このように、パワータービン21の発電量指令値と主機2のエンジン負荷と燃料噴射量補正値との関係式を用いることにより、主機制御装置50に予め設定しておくデータ量を小さくすることができる。
なお、上記した実施形態においては、主機制御装置50とPMS55とを別に設けた例を示しているが、それぞれの装置に含まれる機能を有していれば、その分割形態は限定されず、また同一の制御装置であってもよい。
2 主機(内燃機関)
3 プロペラ
5 ターボチャージャ(過給機)
11 排ガスエコノマイザ
15 蒸気タービン
16 発電機
21 パワータービン(ガスタービン)
32 第1の排ガスライン
33 第2の排ガスライン
35 バイパスライン
41 遮断弁
42 排ガス流量調整弁
43 バイパス量調整弁
46 蒸気流量調整弁
47 ガバナ
50 主機制御装置
51 フィードバック制御部
52 補正値演算部
53 フィードフォワード制御部
55 PMS
Claims (4)
- プロペラを駆動する内燃機関の吸気系統に過給機の圧縮側が配置され、前記内燃機関から排出された一部の排ガスが前記過給機のタービン側に導入される内燃機関設備と、前記過給機のタービン側を通過した排ガスを用いて蒸気生成手段で蒸気を生成し、前記蒸気を蒸気タービンに導入して該蒸気タービンに連結した発電機を駆動する排熱回収設備とを搭載した船舶の機関制御システムにおいて、
前記排熱回収設備は、前記蒸気タービンに軸を介して連結され前記内燃機関から排出された他の排ガスが導入されるガスタービンを含み、
前記プロペラの回転数の目標値であるプロペラ回転数指令値と、前記プロペラから検出されたプロペラ回転数検出値との偏差に基づいて前記内燃機関の基本燃料噴射量を導出するフィードバック制御部と、
前記ガスタービンの発電量指令値と、前記内燃機関の負荷とから前記内燃機関の燃料噴射量の補正値を導出する補正値演算部と、
前記基本燃料噴射量に前記補正値を加算して実際の燃料噴射量を導出するフィードフォワード制御部とを有する内燃機関制御手段を備えたことを特徴とする船舶の機関制御システム。 - 前記排熱回収設備は、前記内燃機関から排出された他の排ガスを前記ガスタービンに送るライン上に設けられ、前記ガスタービンに導入される排ガス流量を調整する排ガス流量調整弁と、前記内燃機関から排出された他の排ガスを分岐し、この分岐した排ガスを前記蒸気生成手段に送るバイパスラインと、前記バイパスライン上に設けられたバイパス量調整弁とを含むことを特徴とする請求項1に記載の船舶の機関制御システム。
- 前記補正値演算部には、前記ガスタービンの発電量指令値と前記内燃機関の負荷と前記燃料噴射量の補正値との相関関係を表すマップが予め設定されており、前記マップに基づいて前記補正値を導出することを特徴とする請求項1または2に記載の船舶の機関制御システム。
- 前記補正値演算部には、前記ガスタービンの発電量指令値と前記内燃機関の負荷と前記燃料噴射量の補正値との関係式が予め設定されており、前記関係式に基づいて前記補正値を導出することを特徴とする請求項1または2に記載の船舶の機関制御システム。
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