JP5255144B2 - 船舶の制御方法および船舶 - Google Patents
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Description
本発明の船舶の制御方法は、メインエンジンを駆動する工程と、船内の余剰電力を用いたモータ運転によって前記メインエンジンを加勢する工程と、前記メインエンジンの排ガスによってパワータービンを駆動させることで発電を行う工程と、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電を行う工程と、を備えた船舶の制御方法において、船内需要電力に対しての余剰電力を可及的に抑えるように前記パワータービン及び前記蒸気タービンの電力量を制御する工程と、前記モータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する工程と、を備えることを特徴とする。
船内の余剰電力を用いたモータ運転時の出力に相当するメインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、メインエンジンに供給される燃料噴射量から減算するので、余剰電力によってメインエンジンを加勢しても、プロペラ回転数の変動を抑えることができる。
船内余剰電力を低減して電力周波数変動を抑制し、所望の一定速度にて航行できる船舶を提供することができる。
また、船内要求電力に基づいて蒸気タービン用制御弁の開度をフィードフォワード制御して船内要求電力に対する蒸気タービンの応答性を向上させることができるので、船内余剰電力を可及的に減じることができる。
また、船内の余剰電力を用いたモータ運転時の出力に相当するメインエンジンの燃料噴射量(換算燃料噴射量)を用いて燃料噴射量を補正するので、余剰電力によってメインエンジンを加勢する場合でも船速変動を抑えることができる。
図1には、船舶に設けられた排熱回収型船舶推進装置の概略構成が示されている。
排熱回収型船舶推進装置1は、船舶を推進させるメインエンジン22と、メインエンジン22に供給する空気を圧縮する排気タービン過給機21と、パワータービン(ガスタービン)23と、蒸気タービン26と、これらパワータービン23及び蒸気タービン26に対して接続されたタービン発電機28とを備えている。これらメインエンジン22,パワータービン23,蒸気タービン26及びタービン発電機28は、図示しない制御部によってその動作が制御される。
また、メインエンジン22には、シリンダライナ(図示せず)、シリンダカバー(図示せず)等からなる複数のシリンダが設けられており、各シリンダ内には、クランク軸と連結されたピストン(図示せず)が配置されている。さらに、各シリンダの排気ポート(図示せず)は、排気マニホールド(図示せず)と接続されており、排気マニホールドは、排気タービン過給機21のタービン部21aの入口側と接続されるとともに、パワータービン23の入口側と接続されている。一方、各シリンダの給気ポート(図示せず)は、給気マニホールド(図示せず)と接続されており、給気マニホールドは、インタークーラとされた空気冷却器31を介して排気タービン過給機21のコンプレッサ部21bと接続されている。
軸発電機モータ35は、船内の余剰電力を得てメインエンジン22を加勢するモータ運転を行う一方で、メインエンジン22によって駆動されて発電する発電運転を行うことが可能となっている。軸発電機モータ35の動作は、図示しない制御部によって制御される。
パワータービン23と蒸気タービン26とは直列に結合されてタービン発電機28を駆動するようになっている。蒸気タービン26の出力軸は減速機27およびカップリング(図示せず)を介してタービン発電機28に接続され、また、パワータービン23の出力軸は減速機24およびクラッチ25を介して蒸気タービン26の入力軸と連結されている。クラッチ25としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばSSS(Synchro-Self-Shifting)クラッチが好適に用いられる。
上述の排ガス量調整弁Bおよび蒸気量調整弁Eは、後述するようにそれぞれの開度が制御部によって制御される。
タービン発電機28にて発電された電力は、図示しない電力線を介して船内系統へと接続されている。また、軸発電機モータ35によって発電された電力も、図示しない電力線を介して船内系統へと接続されている。さらに、本実施形態の船舶は、発電用ディーゼルエンジンDG1,DG2,DG3(図示せず)を補機発電機として3台備えており、これらの発電電力も、図示しない電力線を介して船内系統へと接続されている。
船内要求電力は、船内系統に接続された電流計および電圧計から得た電流値および電圧値から図示しない制御部にて演算するようになっている。
図2において、横軸はメインエンジン22の負荷割合(%)を示し、縦軸は船内要求電力(kW)を示す。なお、縦軸および横軸の数値は、船舶の種類、大きさ等によって適宜決定される。同図に示した例は、コンテナ船の場合を示しており、冷凍コンテナへ給電しない場合(without Ref Container)の船内要求電力と、全ての冷凍コンテナへ給電する場合(with Max Ref Container)の船内要求電力が示されている。
メインエンジン負荷割合が上昇するにつれて蒸気タービン(ST)、軸発電機モータ(SGM)、パワータービン(PT)が順次起動するにしたがい、発電用ディーゼルエンジンについては、第3発電用ディーゼルエンジンDG3,第2発電用ディーゼルエンジンDG2,第1発電用ディーゼルエンジンDG1の順に負荷分担を下げていく。
次に、パワータービン23の制御について説明する。
パワータービン23の排ガス量調整弁Bの開度は、図3に示すように、パワータービン出力目標値に対して、メインエンジン負荷割合ごとに予め決定されている。同図では、メインエンジン負荷割合50%、60%及び100%に対する排ガス量調整弁Bの開度マップが示されている。このようなマップは、数値計算若しくは実測によって予め得られており、制御部のメモリに格納されている。また、マップによる演算に代えて、換算係数を用いた数式モデルにより逐次計算しても良い。
図5のステップS1で開始されると、ステップS2で、メインエンジン負荷割合毎に所望のパワータービン出力が得られる排ガス量調整弁(制御弁B)の開度マップ(図3参照)を数値計算若しくは実測にて予め得ておく。
ステップS8では、図3に示したマップから、開度計算器5で得られたパワータービン出力目標値およびメインエンジン負荷割合を用いて、排ガス量調整弁Bの開度を得て、フィードフォワード制御量(操作量)O3を求める。
以上のステップS3〜S9の演算を所定の制御周期によって繰り返し行うことにより、船内要求電力の変動に対応したパワータービン23の制御を行う。
次に、蒸気タービンの制御について説明する。
蒸気タービン26の蒸気量調整弁Eの開度は、上述したパワータービン23の排ガス量調整弁Bと同様にフィードフォワード制御を用いて行われる。
すなわち、メインエンジン負荷割合毎に蒸気タービン出力目標値に対する蒸気量調整弁Eの開度を図3と同じ要領で予め得ておき、制御部のメモリに格納しておく。
そして、図4に示した制御ブロック図のように、メインエンジン負荷割合と船内要求電力から図2のマップに従い、発電出力指令計算器2にて蒸気タービン出力目標値を得る。この蒸気タービン出力目標値と、蒸気タービン実出力値との差を減算器3によって演算し、PID制御器4によってフィードバック制御量(操作量)O1を演算する。
また、開度計算器5によって、メインエンジン負荷割合および蒸気タービン出力目標値に基づいて、蒸気タービンに関する図3のマップから蒸気量調整弁Eの開度のフィードフォワード制御量(操作量)O3を得る。このフィードフォワード制御量O3と、蒸気タービン目標回転数と蒸気タービン実回転数との回転数偏差に基づいて開度換算器にて得られたフィードバック制御量O2とを加算器6で加算するとともに、この出力結果とフィードバック制御量O1との和を加算器7で演算する。このようにして、蒸気量調整弁Eの開度が決定される。以上の開度計算を所定の制御周期によって繰り返し行うことにより、船内要求電力の変動に対応した蒸気タービン26の制御を行う。
ただし、一般的に蒸気系の応答は遅いため、蒸気タービン制御をマスタ、パワータービンをスレーブとして動作させ、パワータービンの指令を作成するようにしてもよい。具体的には、図4の発電出力指令計算器2にてパワータービン目標出力を演算する際に、蒸気タービン負荷を加味する。これにより、パワータービン側で蒸気タービン側の負荷を監視しながら排ガス量調整弁Bの開度をコントロールし、余剰電力の変動がパワータービンのほうにつられないように制御弁の開度指令を行うことができる。
次に、軸発電機モータ35の制御について説明する。
図1に示した排熱回収型船舶推進装置1は、パワータービン23や蒸気タービン26の船内要求電力に対する応答性を向上させたため、余剰電力を可及的に抑えることができるようになっている。しかし、想定以上に船内要求電力が急激に減少してしまい、比較的大きな余剰電力が発生したときは、余剰電力によって駆動される軸発電機モータ35からのアシストトルクが外乱となり、一定速度で航行しようとする船舶が急加速してしまう。そこで、本実施形態では、以下に示す制御を行う。
このように、軸発電機モータ35のモータ出力を直接検知することから、図7(a),(b)に示したマップA及びマップBにより、燃料噴射量のフィードフォワード制御量を演算することができる。なお、マップによる演算に代えて、換算係数を用いた数式モデルにより逐次計算しても良い。
電力余剰状態判定手段は、まず船内要求電力演算51で船内系統の電圧と電流値とから船内要求電力が演算される。この船内要求電力演算は、図4を用いて説明したパワータービン23及び蒸気タービン26の制御の際に用いる船内要求電力演算と同様である。
一方、排熱回収システムを搭載した船舶では、タービン発電機28、軸発電機モータ35および発電用ディーゼルエンジンの合計が電力供給である。よって、これらの出力の合計から、船内要求電力を減算することにより余剰電力を求めることができる。そして、電力余剰状態判定で、求めた余剰電力と予め定めた閾値とを比較し、余剰電力が閾値を越えたときに電力余剰状態と判定し、上述した図6に示す制御を開始する。
以上の通り、余剰電力を検知して電力余剰状態であると判定された場合に目標のプロペラ回転数となるように、軸発電機モータ35のモータ運転時の出力に相当するメインエンジンの燃料噴射量をフィードフォワード制御量として用いてエンジンの燃料噴射量を制御することにより、船内要求電力が急減した場合でも船速の変動を抑制することができる。
図10に示すように、船舶の操縦者が要するプロペラ回転速度及び船速により指令が与えられると、その目標とする要求されたプロペラ回転数及び船速は制御器41で燃料噴射量に換算され、メインエンジン22へ燃料噴射量の指令を与える。メインエンジン22は、電子制御エンジンであるため、制御器41に燃料噴射量の換算情報やGPSなどで検知された船速を入れ込むことができる。これにより、回転数、船速計算器48にて回転数だけでなく船速の目標値を得ることができるので、船舶の操縦者が要求する船速となるように船速を直接制御することが可能となる。
さらに、急激な船内要求電力の減少によって想定以上の船内余剰電力が生じた場合であっても、軸発電機モータ35のモータ運転時の出力に相当するメインエンジン22の燃料噴射量(換算燃料噴射量)を用いて燃料噴射量を補正するので、船速変動を抑制することができる。
21 排気タービン過給機
22 メインエンジン
23 パワータービン
26 蒸気タービン
28 タービン発電機
35 軸発電機モータ
B 排ガス量調整弁(パワータービン用制御弁)
E 蒸気量調整弁(蒸気タービン用制御弁)
Claims (6)
- メインエンジンを駆動する工程と、
船内の余剰電力を用いたモータ運転によって前記メインエンジンを加勢する工程と、
前記メインエンジンの排ガスによってパワータービンを駆動させることで発電を行う工程と、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電を行う工程と、
を備えた船舶の制御方法において、
船内需要電力に対しての余剰電力を可及的に抑えるように前記パワータービン及び前記蒸気タービンの電力量を制御する工程と、
前記モータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する工程と、
を備えることを特徴とする船舶の制御方法。 - メインエンジンを駆動する工程と、
船内の余剰電力を用いたモータ運転によって前記メインエンジンを加勢する工程と、
前記メインエンジンの排ガスによってパワータービンを駆動させることで発電を行う工程と、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電を行う工程と、
を備えた船舶の制御方法において、
船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記パワータービンに供給される前記メインエンジンからの排ガスの流量を制御し、かつ/又は、船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する工程と、
前記モータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する工程と、
を備えることを特徴とする船舶の制御方法。 - メインエンジンを駆動する工程と、
船内の余剰電力を用いたモータ運転によって前記メインエンジンを加勢する工程と、
前記メインエンジンの排ガスによってパワータービンを駆動させることで発電を行う工程と、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させることで発電を行う工程と、
を備えた船舶の制御方法において、
船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記パワータービンに供給される前記メインエンジンからの排ガスの流量を制御するパワータービン用制御弁の開度をフィードフォワード開度として演算し、該パワータービン用制御弁に対して該フィードフォワード開度を出力し、かつ/又は、船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気タービン用制御弁の開度をフィードフォワード開度として演算し、該パワータービン用制御弁に対して該フィードフォワード開度を出力する工程と、
前記モータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する工程と、
を備えることを特徴とする船舶の制御方法。 - 推進用プロペラを駆動するメインエンジンと、
該メインエンジンの排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービン及び前記蒸気タービンによって駆動されるタービン発電機と、
を備えた船舶において、
船内需要電力に対しての余剰電力を可及的に抑えるように前記パワータービン及び前記蒸気タービンの電力量を制御する制御部と、
船内の余剰電力を用いて前記メインエンジンを加勢するモータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する燃料噴射料制御部と、
を備えることを特徴とする船舶。 - 推進用プロペラを駆動するメインエンジンと、
該メインエンジンの排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービン及び前記蒸気タービンによって駆動されるタービン発電機と、
を備えた船舶において、
船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記パワータービンに供給される前記メインエンジンからの排ガスの流量を制御し、かつ/又は、船内需要電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気タービン制御部と、
船内の余剰電力を用いて前記メインエンジンを加勢するモータ運転による出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算することで燃料噴射量を制御する燃料噴射料制御部と、
を備えることを特徴とする船舶。 - 推進用プロペラを駆動するメインエンジンと、
該メインエンジンの排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービン及び前記蒸気タービンによって駆動されるタービン発電機と、
を備えた排熱回収型船舶推進装置において、
船内要求電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記パワータービンに供給される前記メインエンジンからの排ガスの流量を制御するパワータービン用制御弁の開度をフィードフォワード開度として演算し、該パワータービン用制御弁に対して該フィードフォワード開度を出力するパワータービン制御部、及び/又は、船内要求電力および前記メインエンジンの負荷に基づいて、前記蒸気タービンに供給される蒸気の流量を制御する蒸気タービン用制御弁の開度をフィードフォワード開度として演算し、該蒸気タービン用制御弁に対して該フィードフォワード開度を出力する蒸気タービン制御部と、
船内の余剰電力を用いて前記メインエンジンを加勢するモータ運転時の出力に相当する前記メインエンジンの燃料噴射量を換算燃料噴射量として演算し、前記メインエンジンに供給される燃料噴射量から該換算燃料噴射量を減算する燃料噴射量制御部と、
を備えていることを特徴とする船舶。
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