JP5255144B2 - 船舶の制御方法および船舶 - Google Patents

Description

本発明は、船舶推進用のメインエンジンの排熱を回収して発電する発電機と、メインエンを加勢する加勢モータを備えた排熱回収型船舶推進装置を備えた船舶の制御方法および船舶に関するものである。

従来、船舶用排熱回収システムとして、メインエンジンの排ガスを利用して生成した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電する排熱回収型船舶推進装置が知られている。また、メインエンジンによって駆動されて発電し、船内の余剰電力を得てメインエンジンを加勢する軸発電機モータが知られている。これらを備えたシステムは、船舶の省エネ化技術として提案されており、例えば下記特許文献１に開示されている。この特許文献１には、メインエンジンの排ガスを利用して蒸気タービンを駆動して発電し、発電した電力を軸発電機モータにて利用する発明が開示されている。

特開２００７−１３３９号公報（図１及び図５（ｅ）参照）

しかし、蒸気タービン等によって発電された発電電力が船内要求電力に対して過剰となって余剰電力が生じることがある。このような事象は、船内負荷が急減した場合（例えば船内の冷凍コンテナに供給する電力を止めた場合）に発生する。このように余剰電力が発生した場合、船内要求電力と発電電力とのアンバランスによって電力周波数の変動が大きくなる可能性がある。

また、メインエンジンの排ガスによって駆動されて発電するパワータービン（ガスタービン）を設けたシステムについても同様に、船内要求電力と発電電力とのアンバランスによって電力周波数の変動が大きくなる可能性がある。

このように、蒸気タービンやパワータービンを備えた排熱回収システムでは、一般に、船内要求電力に基づく発電指令値と現在の発電量とを用いたフィードバック制御によって、蒸気タービンに供給される蒸気量やパワータービンに供給される排ガス量が制御されるので、応答遅れが無視できないものとなっている。したがって、電力周波数の変動を抑えるために船内要求電力に対する応答性を高めることが要求される。

一方、軸発電機モータは、船内の余剰電力によってモータとして駆動されるため、この軸発電機モータによる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。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、船内余剰電力を可及的に少なくするとともに、船速変動を抑制することができる船舶の制御方法および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、本発明の船舶の制御方法および船舶は以下の手段を採用する。
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。

また、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。

また、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。

また、本発明の船舶は、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。

また、本発明の船舶は、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。

また、本発明の船舶は、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。

船内要求電力に基づいてパワータービン用制御弁の開度をフィードフォワード制御するので、船内要求電力に対するパワータービンの応答性が向上する。したがって、船内の余剰電力を可及的に減じることができる。
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。

本発明によれば、船内要求電力に基づいてパワー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パワー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。

本発明の排熱回収型船舶推進装置の概略構成図である。 船内要求電力およびメインエンジン負荷割合に対して蒸気タービン、パワータービン、軸発電機モータおよび発電用ディーゼルエンジンの負荷分担を示したグラフ図である。 メインエンジン負荷割合ごとに、パワータービン出力目標値と排ガス量調整弁開度（制御弁Ｂ開度）との関係を示したグラフである。 パワータービンの排ガス量調整弁の開度制御を実現する制御ブロック図である。 パワータービンの排ガス量調整弁の開度制御を示したフローチャートである。 船舶のメインエンジンに対する燃料噴射量制御を実現する制御ブロック図である。 （ａ）は軸発電機モータ出力と相当メインエンジン出力（機関出力）との関係を示したグラフであり、（ｂ）はメインエンジン出力（機関出力）、メインエンジン回転数（機関回転数）及び燃料噴射量指令との関係を示したグラフである。 電力余剰状態の判定を行う制御ブロック図である。 図６に対して電子制御エンジンの場合を示した制御ブロック図である。 図９に対して船速を直接制御する場合を示した制御ブロック図である。

以下に、本発明に係る排熱回収型船舶推進装置およびこれを備えた船舶の一実施形態について、図面を参照して説明する。
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。

メインエンジン２２は、例えば低速２サイクルディーゼル機関とされている。メインエンジン２２の出力軸３２には軸発電機モータ３５が接続されており、この軸発電機モータ３５にはプロペラ軸３３を介してスクリュープロペラ３０が取り付けられている。
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。

排気タービン過給機２１のタービン部２１ａの下流側には、排ガスエコノマイザが設けられている。この排ガスエコノマイザには、排気タービン過給機２１からの排ガスだけでなく、パワータービン２３からの排ガスも導入されるようになっている。排ガスエコノマイザの熱交換部では、導入された排ガスの熱によって給水管（図示せず）から供給された水が加熱・蒸発されて過熱蒸気が発生する。熱交換部で生成された過熱蒸気は主蒸気として蒸気タービン２６に導入され、また、この蒸気タービン２６で仕事を終えた蒸気は復水器２９に導かれて水に戻される。復水器２９にて復水された水は、空気冷却器３１やメインエンジン２２の壁部を冷却して温められた後、排ガスエコノマイザへ再び供給される。

パワータービン２３は、メインエンジン２２の排気マニホールドから抽気された排ガスによって回転駆動されるようになっており、また、蒸気タービン２６は、排ガスエコノマイザによって生成された蒸気が供給されて回転駆動されるようになっている。
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。

パワータービン２３の排ガス流れ上流側には、パワータービン２３に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁（パワータービン用制御弁）Ｂと、非常時にパワータービン２３への排ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁Ａとが設けられている。また、排ガス量調整弁Ｂへの排ガス流れをバイパスするためのバイパス弁Ｃが設けられている。

蒸気タービン２６の蒸気流れ上流側には、蒸気タービン２６に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁（蒸気タービン用制御弁）Ｅと、非常時に蒸気タービン２６への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁Ｄとが設けられている。また、蒸気量調整弁Ｅへの蒸気流れをバイパスするためのバイパス弁Ｆが設けられている。
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。

以上のようにタービン発電機２８は、メインエンジン２２の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを回収して動力として駆動されるようになっている。
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。

発電を行う蒸気タービン２６、パワータービン２３、軸発電機モータ３５、及び３台の発電用ディーゼルエンジンＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３の負荷分担は、船内要求電力およびメインエンジン２２の負荷に基づいて、図２のように決定される。
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小さい場合は、蒸気タービン（ＳＴ）やパワータービン（ＰＴ）を動作させるのに十分な排気エネルギーが得られないため、３台の発電用ディーゼルエンジンＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３のみによって船内要求電力を満たすように運転される。各発電用ディーゼルエンジンＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３は、船内要求電力の増加に伴い、第１発電用ディーゼルエンジンＤＧ１、第２発電用ディーゼルエンジンＤＧ２、第３発電用ディーゼルエンジンＤＧ３の順に立ち上げていく。

メインエンジン負荷割合が所定値以上になると、蒸気タービン（ＳＴ）が起動可能な蒸気量を得ることができる排ガス熱量が得られるので、先ず蒸気タービン（ＳＴ）を起動する。メインエンジン負荷割合が上昇するにつれて、軸発電機モータ（ＳＧＭ）を起動し、そしてパワータービン（ＰＴ）を起動する。
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。

同図に示されているように、メインエンジン負荷割合が通常航海時の場合で、平均船内要求電力の場合には、蒸気タービン（ＳＴ）２６、パワータービン（ＰＴ）２３、及び軸発電機モータ（ＳＧＭ）３５によって発電が行われ、発電用ディーゼルエンジンＤＧ１，ＤＧ２，ＤＧ３では発電を必要としないことが分かる。また、蒸気タービン（ＳＴ）及びパワータービン（ＰＴ）は、エンジン負荷割合に応じた出力可能電力を出力するようにして優先的に発電することとし、軸発電機モータ（ＳＧＭ）については、エンジン負荷割合に応じた出力可能電力の所定割合のみを発電させて出力を抑えることとしている。このように、軸発電機モータ（ＳＧＭ）よりも蒸気タービン（ＳＴ）及びパワータービン（ＰＴ）を優先することにより、メインエンジン２２の排熱回収を最大限行うこととしている。

［パワータービンの制御］
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４には、パワータービン２３の制御を行う制御ブロック図が示されている。この制御ブロック図に基づいて、図５のフローチャートに従ってパワータービン２３の開度指令が以下のように行われる。
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。

次いで、ステップＳ３では、発電出力指令計算器２により、パワータービン出力目標値を算出する。パワータービン出力目標値は、メインエンジン負荷割合および船内要求電力に応じて、図２に示したマップから得られる。船内要求電力は、上述の通り船内系統から得られる電流値および電圧値から演算される。

ステップＳ４でパワータービン実出力値を計測し、ステップＳ５でパワータービン出力目標値とパワータービン実出力値との差が減算器３によって計算される。そして、ステップＳ６では、減算器３によって得られた制御偏差を基にＰＩＤ制御器４でＰＩＤ制御演算を行い、フィードバック制御量（操作量）Ｏ１を導出する。

ステップＳ７では、パワータービン目標回転数とパワータービン実回転数との回転数偏差に基づいて、開度換算器でフィードバック制御量（操作量）Ｏ２を演算する。
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。

そして、ステップＳ９で、フィードバック制御量Ｏ２とフィードフォワード制御量Ｏ３との和が加算器６で行われ、この出力結果とフィードバック制御量Ｏ１との和が加算器７で行われ、最終的に排ガス量調整弁Ｂの開度指令値が決定される。
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。

このように、船内要求電力に基づいて排ガス量制御弁Ｂの開度をフィードフォワード制御するので、船内要求電力に対するパワータービン２３の応答性を向上させることができ、結果として船内の余剰電力を可及的に減じることができる。

［蒸気タービンの制御］
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。

このように、船内要求電力に基づいて蒸気量調整弁Ｅの開度をフィードフォワード制御するので、船内要求電力に対する蒸気タービン２６の応答性を向上させることができ、結として船内の余剰電力を可及的に減じることができる。

以上の通り、本実施形態では、パワータービン２３の排ガス量調整弁Ｂの開度制御と蒸気タービン２６の蒸気量調整弁Ｅの開度制御は、それぞれ独立して行われる。
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。

［軸発電機モータの制御］
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。

図６には、船舶の燃料噴射量制御ロジックを示す制御ブロック図が示されている。同図において、船舶の操縦者が要求するプロペラ回転速度によりプロペラ回転数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は制御器４１で燃料噴射量に換算され、燃料噴射指令を与える。

一方、船内要求電力の急減により発生する余剰電力量を検知し、電力余剰状態であると判定されると（後述する図８参照）、マップＡ（後述する図７参照）による軸発電機モータ３５の出力に相当するメインエンジン出力を、図６に示す機関出力演算器４５で演算する。そして、燃料噴射量演算器４６にて、マップＢ（後述する図７参照）を用いてメインエンジン回転数およびメインエンジン出力に相当する燃料噴射量（換算燃料噴射量）をフィードフォワード制御量として演算する。この余剰電力によって求められる燃料噴射量のフィードフォワード制御量を減算器４７へ伝送し、制御器４１の燃料噴射指令から差し引く。減算器４７からの補正後の燃料噴射指令をメインエンジン２２へ与える。このように、フィードフォワード制御を加えることにより最終的にメインエンジン２２に供給すべき燃料噴射量を制御する。

次いで、軸発電機モータ３５からのアシストトルクを加算し、航行負荷（例えば、船体抵抗）を減算した後の回転数を、回転数計算器４３にてエンジン軸のセンサ出力に基づいて回転数計算を行う。その出力結果であるプロペラ実出力値をフィードバックしてプロペラ回転数指令値との差分が減算器４４にて演算される。

上述した燃料噴射量のフィードフォワード制御量は、機関出力演算器４５と、燃料噴射量演算器４６にて、予め作成された図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すマップＡ及びマップＢをそれぞれ用いて演算される。図７（ａ）のマップＡは、軸発電機モータ３５のモータ出力に相当する機関出力を演算することができるマップであり、２次元マップで示される。また、図７（ｂ）のマップＢは、メインエンジン回転数およびメインエンジン出力に相当する燃料噴射量（換算燃料噴射量）を演算することができるマップであり、３次元マップで示される。
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。

図６に示したフィードフォワード制御を開始する電力余剰状態についての判定は、図８に示す電力余剰状態判定手段で判定される。
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。

なお、図６ではメインエンジン２２として、燃料噴射を機械的に制御する機械制御エンジンを用いているが、図９に示すように電子制御エンジンにも好適に用いられる。この場合、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を入れ込むことができる。このように、エンジンが電子制御エンジンの場合、予め機関のガバナである制御器４１に余剰電力演算結果の燃料噴射情報を直接入力することができ、１つの制御信号をアクチュエータに送るだけで良いためシステムをより簡単に構成することができる。

さらに、図１０に示すように、図９を用いて説明した電子制御エンジンに加えて、船舶の操縦者が要求する船速となるように直接制御することとしてもよい。
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。

以上の通り、本実施形態によれば、船内要求電力に基づいてパワータービン用制御弁Ｂおよび蒸気タービン用制御弁Ｅの開度をフィードフォワード制御することとしたので、船内余剰電力を可及的に少なくすることができる。
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。

なお、本実施形態では、パワータービン２３及び蒸気タービン２６の夫々について船内要求電力に基づくフィードフォワード制御を行うこととしたが、本発明はこれに限定されず、パワータービン２３及び蒸気タービン２６のいずれか一方に本発明のフィードフォワード制御を用いることとしても良い。

１ 排熱回収型船舶推進装置
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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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