JP5571151B2

JP5571151B2 - 船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法

Info

Publication number: JP5571151B2
Application number: JP2012247324A
Authority: JP
Inventors: 芳弘市来
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: KR20150038714A; EP2886442B1; CN104684801A; WO2014073243A1; CN104684801B; JP2014094667A; KR20170053740A; EP2886442A4; KR20160036076A; EP2886442A1

Description

本発明は、船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法に関するものである。

従来から、メインエンジン（主機）の排ガスによってガスタービンを駆動させたり、排ガスによってエコノマイザで蒸気を発生させて蒸気タービンを駆動させることで発電して船内の要求電力量を補う船舶が開発されていた。

また、特許文献１，２には、発電した船内の余剰電力量を得てメインエンジンを加勢する軸発電機モータに関する技術が開示されている。

特に、特許文献１には、船内要求電力量およびメインエンジンの負荷に基づいて、ガスタービンに供給されるメインエンジンからの排ガスの流量を制御するガス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するガスタービン制御部と、軸発電機モータ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る船舶が開示されている。

特開２０１１−１１６１５２号公報特開２０１０−２２２００１号公報

特許文献１に記載の船舶は、船内要求電力量に基づいてガス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、船内の余剰電力量を可及的に減じることができ、また、船内電力が急激に減少して比較的大きな余剰電力量が発生した場合に、軸発電機モータによる軸の加勢を行うと共に、目標のプロペラ回転数となるように軸発電機モータの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減じて、燃費を向上させることができる。

しかしながら、特許文献１に記載の船舶では、ガスタービン用制御弁の開度をフィードフォワード制御し、余剰電力量が発生した場合に軸発電機モータによる軸の加勢を行うと共にメインエンジンの燃料噴射量を減じる、というようにその制御が複雑である。また、特許文献１は、船内要求電力量と軸発電機モータの容量の大小については特に言及していない。

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、簡易な制御によって船舶のエネルギー効率をより高めることができる、船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法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、本発明の船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法は以下の手段を採用する。

すなわち、本発明の第一態様に係る船舶推進装置は、過給機が設けられ、船舶の推進用プロペラを駆動させるメインエンジンと、前記メインエンジンの排ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンによって駆動されるタービン発電機と、前記船舶の推進を加勢する加勢モータと、を備える船舶推進装置であって、前記タービン発電機による発電電力量と前記船舶機器の要求電力量との差分である余剰電力量によって前記加勢モータを駆動し、前記加勢モータの消費電力量が予め設定した電力量に達し、かつ該消費電力量と前記要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させる。

本構成の船舶推進装置は、過給機が設けられ、船舶の推進用プロペラを駆動させるメインエンジンと、メインエンジンの排ガスによって駆動されるガスタービンと、ガスタービンによって駆動されるタービン発電機と、船舶の推進を加勢する加勢モータと、を備える。

船舶推進装置は、船舶機器への電力の供給を最優先とし、余剰電力量によって加勢モータを駆動させる。このため、余剰電力量の全てが加勢モータによって消費されることとなるが、船舶機器の消費電力が減少し、余剰電力量が加勢モータの最大消費電力量を超えると、タービン発電機の発電電力量は消費されることなく余ることとなる。

そこで、加勢モータの消費電力量が予め設定した電力量に達し、かつ該消費電力量と船内要求電力量との合計を発電電力量が超える場合に、ガスタービンへの排ガスの抽気量が減少される。予め設定した電力量は、例えば加勢モータの最大消費電力量である。

ガスタービンへの排ガスの抽気量が減少されることにより、船舶機器及び加勢モータにも用いられない余剰な発電電力の発生を防止でき、メインエンジンの排ガスがより多く過給機へ送気されるので、メインエンジンの燃費を向上させることができる。また、船内要求電力量が小さい船舶に対して、加勢モータとして、最大消費電力量の小さいモータを用いることで、余剰電力を加勢モータに利用し、余剰電力を加勢モータで吸収できる。加勢モータが余剰電力を吸収しても、さらに余剰電力が発生する場合には、ガスタービンへの排気量を減少させ、メインエンジンの掃気圧向上のみを制御することにより、運転制御を容易に行うことができる。

さらに、本制御は、船舶で消費される合計電力量と発電電力量とを比較し、ガスタービンへの排ガスの抽気量を制御するので、簡易な制御である。

従って、本構成は、簡易な制御によって船舶のエネルギー効率をより高めることができる。

上記第一態様では、前記加勢モータの最大消費電力量と前記船内要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記合計と前記発電電力量とが等しくなるように、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させることが好ましい。

本構成によれば、加勢モータの最大消費電力量と船舶機器の船内要求電力量との合計がタービン発電機の発電電力量と等しくすることによって、発電電力量に余剰が発生しないので、船舶のエネルギー効率をより高めることができる。

また、本発明の第二態様に係る船舶は、上記記載の船舶推進装置を備える。

また、本発明の第三態様に係る船舶推進方法は、メインエンジンの駆動によって推進用プロペラを駆動させる工程と、前記メインエンジンの排ガスによってガスタービンを駆動し発電を行う工程と、船舶の推進を加勢する工程と、からなる船舶推進方法であって、発電電力量と船内要求電力量との差分である余剰電力量によって前記船舶の推進を加勢し、加勢による消費電力量が予め設定した電力量に達し、かつ該消費電力量と前記船内要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させる。

本発明によれば、簡易な制御によって船舶のエネルギー効率をより高めることができる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係る船舶推進装置の構成図である。本発明の実施形態に係るガスタービン制御弁の弁開度制御装置の電気的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態に係るタービン発電機による発電電力量とその消費状態の一例を示す図である。

以下に、本発明に係る船舶推進装置、船舶、及び船舶推進方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、船舶１に設けられた船舶推進装置１０の概略構成を示している。

船舶推進装置１０は、メインエンジン１２、ガスタービン１４、蒸気発生装置１６、蒸気タービン１８、及びタービン発電機２０を備える。

メインエンジン１２は、ディーゼル機関であり、過給機２２と排ガスマニホールド管２４が設けられる。メインエンジン１２は、推進軸２６の一端に直結され、この推進軸２６を回転駆動させる。推進軸２６の他端には、船舶１の推進用プロペラ２９が固定されている。

過給機２２は、同軸上に設けられたタービン２２Ａと圧縮機２２Ｂとを備える。タービン２２Ａは、メインエンジン１２から排出された排ガスが排ガスマニホールド管２４を介して導かれ回転駆動される。タービン２２Ａが駆動されると、同軸上に設けられた圧縮機２２Ｂが回転し空気を圧縮する。圧縮された空気は、メインエンジン１２へ供給される。

排ガスマニホールド管２４とタービン２２Ａとの間からは、排ガス分岐管２５が分岐され、ガスタービン１４に接続される。一方、タービン２２Ａの排ガス出口側は、蒸気発生装置１６に接続される。

ガスタービン１４は、タービン１４Ａと軸１４Ｂと備える。タービン１４Ａは、メインエンジン１２から排気される高温の排ガスによって回転駆動され、タービン１４Ａに接続される軸１４Ｂを回転させる。タービン１４Ａの排ガス出口側は、過給機２２が備えるタービン２２Ａの排ガス出口側と合流し、蒸気発生装置１６に接続される。

また、排ガス分岐管２５には、ガスタービン主塞止弁２７とガスタービン制御弁２８とが設けられる。ガスタービン主塞止弁２７は、メインエンジン１２からガスタービン１４に供給される排ガスの断絶を行うものであり、開閉を除く制御が不要であり、通常は全開となっている。ガスタービン制御弁２８は、排ガスのガスタービン１４への抽気量を制御するものであり、メインエンジン１２の掃気圧が必要以上に低下しない限り全開とされる。

さらに、排ガス分岐管２５とタービン１４Ａの排ガス出口側とは、排ガスバイパス弁３０を備えるバイパス管３２によってバイパスされる。ガスタービン制御弁２８が全開とされても、掃気圧に余裕がある場合は、排ガスバイパス弁３０が開かれる。その結果、後述する蒸気発生装置１６における水の蒸発量が増し、蒸気タービン１８による発電力量が増加する。

蒸気発生装置１６は、排ガスエコノマイザ３４と汽水分離器３６とを備える。

排ガスエコノマイザ３４は、その煙道内に過熱器３４Ａと蒸発器３４Ｂとを備える。過熱器３４Ａと蒸発器３４Ｂとは、排ガスエコノマイザ３４内を下から上に向かって順番に平行に据え付けられている。排ガスエコノマイザ３４の煙道内には、高温の排ガスが流れ、煙突（図示せず）を経て大気に放出される。過熱器３４Ａには、汽水分離器３６の上部から蒸気が導かれる。蒸発器３４Ｂには、汽水分離器３６の下部から水が導かれる。

汽水分離器３６内は、下部に水が上部には蒸気が分離して溜められる。汽水分離器３６内の水は、ボイラ水循環ポンプ３８によって排ガスエコノマイザ３４内の蒸発器３４Ｂに導かれる。汽水分離器３６には、排ガスエコノマイザ３４の蒸発器３４Ｂからの水分を含んだ蒸気が導かれ水と蒸気とに分離される。分離された蒸気は、排ガスエコノマイザ３４内の過熱器３４Ａに導かれる。

蒸気タービン１８は、タービン１８Ａと軸１８Ｂとを備える。タービン１８Ａは、蒸気発生装置１６から供給される蒸気によって回転駆動され、タービン１８Ａに接続される軸１８Ｂを回転させる。排ガスエコノマイザ３４と蒸気タービン１８との間には蒸気タービン制御弁４０が設けられ、蒸気タービン制御弁４０は、蒸気タービン１８へ供給される蒸気の圧力が一定となるように制御する。

タービン発電機２０は、ガスタービン１４が備える軸１４Ｂ及び蒸気タービン１８が備える軸１８Ｂと同軸状に設置され、ガスタービン１４及び蒸気タービン１８によって駆動されて発電する。タービン発電機２０による発電電力は、電力線４２を介して船内系統へと接続され、各種船舶機器４４や加勢モータ４６へ供給され、船舶機器４４や加勢モータ４６の駆動に用いられる。
なお、本実施形態では、ガスタービン１４と蒸気タービン１８が同軸状に設置される構成としたが、これに限られず、ガスタービン１４と蒸気タービン１８が並列に接続され、各々の駆動により発電する構成としてもよい。

加勢モータ４６は、メインエンジン１２と推進用プロペラ２９との間に設けられ、メインエンジン１２を加勢する。なお、加勢モータ４６の消費電力量は、電力量検知部４９によって検知される。

なお、船舶機器４４及び加勢モータ４６に電力を供給する電力線４２には、電力の供給を停止させるための遮断機４８が適宜備えられる。

さらに、本実施形態の船舶１は、図示しない発電用ディーゼルエンジンを補機発電機として備えており、これらの発電電力も電力線４２を介して船内系統へと接続される。

なお、各船舶機器４４で必要とする電力（以下、「船内要求電力量」という。）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（パワーマネージメントシステム：以下、「ＰＭＳ」という。）にて演算される。

ここで、船舶１が例えば冷凍コンテナを積載する大型コンテナ船の場合は、船舶機器４４の消費電力量が大きいため、タービン発電機２０による発電電力量を全て消費できる。しかしながら、油タンカーやバルクキャリアのような船舶機器４４の消費電力量が大きくない船舶１では、例え加勢モータ４６を備えていてもタービン発電機２０による発電電力量を全て消費できない場合がある。

そこで、本実施形態に係る船舶推進装置１０は、タービン発電機２０による発電電力量と船舶機器４４の船内要求電力量との差分である余剰電力量によって加勢モータ４６を駆動させる。そして、船舶推進装置１０は、加勢モータ４６の消費電力量が予め設定した電力量（以下、「設定電力量」という。）に達し、かつ該消費電力量と船内要求電力量との合計（以下、「合計電力量」という。）を発電電力量が超えた場合に、ガスタービン１４への排ガスの抽気量を減少させる。なお、設定電力量は、例えば加勢モータ４６で消費可能な最大の電力量（以下、「最大消費電力量」という。）であるが、これに限らず、最大消費電力量よりも低い電力量としてもよい。

また、船内要求電力量が小さい船舶１に対して、加勢モータ４６として、最大消費電力量の小さい加勢モータを用いることで、余剰電力を加勢モータ４６に利用し、余剰電力を加勢モータ４６で吸収できる。加勢モータ４６が余剰電力を吸収しても、さらに余剰電力が発生する場合には、ガスタービン１４への排気量を減少させ、メインエンジン１２の掃気圧向上のみを制御することにより、運転制御を容易に行うことができる。

図２は、本実施形態に係るガスタービン制御弁２８の弁開度制御装置５０の電気的構成を示すブロック図である。なお、弁開度制御装置５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成される。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。

弁開度制御装置５０は、合計部５２、比較部５４、及び弁開度演算部５６を備え、ガスタービン制御弁２８の弁開度を制御する。

合計部５２は、電力量検知部４９で検知された加勢モータ４６の消費電力量と船舶機器４４の船内要求電力量との和である合計電力量を算出し、比較部５４へ出力する。なお、加勢モータ４６は、消費電力量が設定電力量を超えないように制御される。また、船舶機器４４の船内要求電力量はＰＭＳから出力される。

比較部５４は、入力された合計電力量とタービン発電機２０の発電電力量とを比較し、比較結果を弁開度演算部５６へ出力する。

弁開度演算部５６は、比較部５４による比較結果に基づいて弁開度指令値を演算し、ガスタービン制御弁２８へ出力する。

合計電力量が発電電力量を超えることを比較結果が示している場合、弁開度演算部５６は、ガスタービン制御弁２８を全開にする弁開度指令値を出力する。

一方、加勢モータ４６の消費電力量が設定電力量に達し、かつ合計電力量を発電電力量が超えることを比較結果が示している場合、弁開度演算部５６は、ガスタービン制御弁２８を閉じる方向に弁開度指令値を出力する。この場合、弁開度演算部５６は、例えば、発電電力量と合計電力量との差分に基づいてＰＩ制御により弁開度指令値を算出してもよいし、発電電力量と合計電力量との差分と弁開度との関係を示したテーブル情報を予め記憶し、該テーブル情報に基づいて差分に応じた弁開度指令値を算出してもよい。

なお、弁開度演算部５６は、合計電力量と発電電力量とが等しくなる弁開度指令値を算出することが好ましい。

図３は、タービン発電機２０による発電電力量とその消費状態の一例を示す図である。

図３に示されるように、時間ｔ１にタービン発電機２０による発電が開始され、時間ｔ２までは、タービン発電機２０による発電電力量が船内要求電力量に比べて少ないため、発電用ディーゼルエンジンも発電している。なお、時間ｔ２においてメインエンジン１２の負荷である定格負荷は、６０％であり、時間と共に定格負荷が上昇する。なお、定格負荷は、機関負荷（軸出力）から軸発電機（Shaft Generator Motor：SGM）出力を減じた値である。

定格負荷の上昇と共にタービン発電機２０の発電電力量は増加するため、発電電力量と船内要求電力量との差が余剰電力量となり、余剰電力量は全て加勢モータ４６へ供給される。図３の例では、定格負荷が６０％となった時間ｔ２において余剰電力が発生し、加勢モータ４６によるメインエンジン１２の加勢が開始される。
このように、船舶推進装置１０は、船舶機器４４への電力の供給を最優先とし、余剰電力によって加勢モータ４６を駆動させる。
なお、メインエンジン１２のプロペラ回転数は一定となるように制御されるため、加勢モータ４６により推進用プロペラ２９の実回転数が設定回転数よりも上昇する場合は、メインエンジン１２の燃料弁を絞りプロペラ回転数を設定回転数となるように制御させる。

そして、図３の例では、船内要求電力量は一定であるため、定格負荷が上昇すると共に余剰電力量が増加する。時間ｔ３、すなわち定格負荷が８５％に達すると、余剰電力量が加勢モータ４６の設定電力量で設定された最大消費電力量に達し、加勢モータ４６は最大消費電力量でメインエンジン１２を加勢することとなる。
よって、船内要求電力量に対し定格負荷が６０〜８５％の間は加勢モータ４６で余剰電力の吸収を行うといった運転が可能となり、効率良く運転するための加勢モータ４６の起動させるタイミングが定まるため、加勢モータ４６の起動制御を容易とすることができる。
加勢モータ４６の最大消費電力量としては、例えばタービン発電機２０の最大発電電力量が１４００ＫＷに対し最大船内要求電力量が７００ＫＷとした場合、この差分である７００ＫＷとすることができる。また、最大消費電力量がより小さい加勢モータ４６を用いるか、設定電力量を最大消費電力量よりも小さく設定することによって、加勢モータ４６の最大消費電力量を更に抑えることも可能である。

そして、これ以上定格負荷が上昇すると、余剰電力量が加勢モータ４６の最大消費電力量を超える、すなわち、発電電力量が合計電力量を超える。この場合、弁開度制御装置５０によってガスタービン制御弁２８の弁開度が閉じる方向へ制御されるので、ガスタービン１４への排ガスの抽気量が減少され、定格負荷がさらに上昇（時間ｔ３の定格負荷８５％から定格負荷１００％まで）してもタービン発電機２０の発電電力量と合計電力量とが等しくなる。

一方、時間ｔ４以降のように定格負荷が１００％で船内要求電力量が減少すると、加勢モータ４６の最大消費電力量が一定であるため、発電電力量と合計電力量とを等しくするために、さらにガスタービン制御弁２８の弁開度が閉じる方向に制御されて発電電力量が減少する。

このように、発電電力量が合計電力量を超えた場合に、ガスタービン１４への排ガスの抽気量が減少されることにより、船舶機器４４及び加勢モータ４６にも用いられない余剰な発電電力の発生を防止でき、メインエンジン１２の排ガスがより多くメインエンジン１２に設けられた過給機２２へ送気されるので、メインエンジン１２の燃費を向上させることができる。

また、船内要求電力量が小さい船舶１に対して、加勢モータ４６として、最大消費電力量の小さいモータを用いることで、加勢モータ４６で利用される余剰電力をより小さくできる。

また、本実施形態に係る制御は、船舶１で消費される合計電力量と発電電力量とを比較し、ガスタービン１４への排ガスの抽気量を制御するので、簡易な制御である。

さらに、本実施形態では加勢モータ４６の消費電力量と船舶機器４４の要求電力量との合計をタービン発電機２０の発電電力量と等しくすることによって、発電電力量に余剰を発生させないので、船舶１のエネルギー効率をより高めることができる。

以上説明したように、本第１実施形態に係る船舶推進装置１０は、タービン発電機２０による発電電力量と船舶機器４４の要求電力量との差分である余剰電力量によって加勢モータ４６を駆動し、加勢モータ４６の消費電力量と船舶機器４４の要求電力量との合計を発電電力量が超える場合に、ガスタービン１４への排ガスの抽気量を減少させる。

従って、本実施形態に係る船舶推進装置１０は、簡易な制御によって船舶１のエネルギー効率をより高めることができる。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１船舶
１０船舶推進装置
１２メインエンジン
１４ガスタービン
１８蒸気タービン
２０タービン発電機
２２過給機
２９推進用プロペラ
４４船舶機器
４６加勢モータ

Claims

過給機が設けられ、船舶の推進用プロペラを駆動させるメインエンジンと、
前記メインエンジンの排ガスによって駆動されるガスタービンと、
前記ガスタービンによって駆動されるタービン発電機と、
前記船舶の推進を加勢する加勢モータと、
を備える船舶推進装置であって、
前記タービン発電機による発電電力量と前記船舶機器の要求電力量との差分である余剰電力量によって前記加勢モータを駆動し、前記加勢モータの消費電力量が予め設定した電力量に達し、かつ該消費電力量と前記要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させる船舶推進装置。
前記加勢モータの消費電力量と前記要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記合計と前記発電電力量とが等しくなるように、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させる請求項１記載の船舶推進装置。
請求項１又は請求項２に記載の船舶推進装置を備える船舶。
メインエンジンの駆動によって推進用プロペラを駆動させる工程と、
前記メインエンジンの排ガスによってガスタービンを駆動し発電を行う工程と、
船舶の推進を加勢する工程と、
からなる船舶推進方法であって、
発電電力量と船内要求電力量との差分である余剰電力量によって前記船舶の推進を加勢し、加勢による消費電力量が予め設定した電力量に達し、かつ該消費電力量と前記船内要求電力量との合計を前記発電電力量が超える場合に、前記ガスタービンへの排ガスの抽気量を減少させる船舶推進方法。