CN101351381A - 用于运行船舶的能量系统的方法以及适合此方法的能量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量系统(1)，该能量系统(1)具有至少一台用于产生用于驱动与船用螺旋桨(7)相连接的轴设备(6)的机械能的主机(2)、用于产生用于船用电网(4)的电能的发电机设备(12)、至少一台比所述主机(2)运行更快的、用于产生用于驱动所述发电机设备(12)的机械能的辅机(5)以及用于通过将由所述发电机设备(12)馈入所述电网(4)中的电能的至少一部分转换为用于驱动所述轴设备(6)的机械能的方式或者通过将由所述主机(2)输出给所述轴设备(6)的机械能的至少一部分转换为用于馈入所述电网(4)中的电能的方式在所述电网(4)和轴设备(6)之间建立能流(13)的装置(8)。该能量系统应该在安装尽可能小的机器功率时能够实现在极为不同的要求方面最佳的运行状态。此外提出，通过这种能流(13)的方向和大小的控制来提供对所述船用螺旋桨(7)的驱动和对所述电网(4)所需要的能量，并且在此使所述由主机(2)和至少一台辅机(5)构成的整个系统在可预先给定的工作点中运行。

Description

用于运行船舶的能量系统的方法以及适合此方法的能量系统
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于运行船舶的尤其大型货船的能量系统的方法以及一种按权利要求10前序部分所述的适合此方法的能量系统。一种所述的能量系统比如通过DE 3531990A1得到公开。
背景技术
船舶中的能量系统用于产生、转换和传输用于驱动船舶及其耗电设备的能量。用于大型货船比如集装箱船的能量系统通常包括慢速运行的二冲程柴油发动机形式的主机，所述柴油发动机用于产生用于驱动轴设备比如与船用螺旋桨相连接的螺旋桨轴的机械能。所述的发动机的驱动功率小到大约10MW并且目前大到大约100MW。
此外，所述能量系统包括用于产生用于船用电网的电能的发电机设备以及多台比所述主机运行更快的、优选中速至快速运行的四冲程柴油发动机形式的辅机，所述辅机具有大约2-4MW的功率用于驱动所述发电机设备。通常每台辅机分别驱动所述发电机设备的一台发电机。从所述电网中向耗电设备比如又将电能转换为机械能的辅助驱动装置、用于制热、制冷和产生光线的电气设备以及航海的、通信的和用于控制船舶的电气设备供给电能。
从DE 3531990 A1中公开的、用于船舶的能量系统除此以外具有电动机/发电机，该电动机/发电机从所述电网中提取功率并且传送给驱动轴或者将主机的多余的驱动功率输出给船用电网。由此通过所述电动机/发电机，可以通过将由发电机设备馈入所述电网中的电能的至少一部分转换为用于驱动所述轴设备的机械能的方式或者通过将由主机输出给所述轴设备的机械能的至少一部分转换为用于馈入所述电网中的电能的方式在所述电网和轴设备之间产生能流，并且由此可以产生从所述主机到所述电网的能流或者说从所述电网到所述船用螺旋桨的能流。由此可以更好地利用在船上以柴油发动机的形式安装的总功率。
在竞争压力越来越大的时代，货船的运营商致力于将用于其船只的采购及运营成本保持在尽可能低的程度上。在此，用于安装在船上的机器功率的成本构成采购成本的一个重要部分并且运营成本主要是指燃料成本和保养成本。运营成本由一系列工作参数所决定，所述工作参数则取决于所安装的机器的相应的工作点。一个重要的工作参数就是燃料消耗。通过更少的燃料消耗可以用相同的燃料量增加航行距离或者在航行距离保持相同时减少所需要的燃料量并且由此也减少用于油箱的空间位置需求和重量。通过机器的运行时间的优化可以节省保养成本。此外，在船舶比如在港口区域中运行时必须遵守废气排放规定或者产生尽可能少的噪声。所述能量系统由此受到极为不同的要求的限制，在极为不同的基础条件下必须灵活地对所述要求作出反应。
发明内容
由此出发，本发明的任务是提供一种用于运行开头所提到的能量系统的方法，利用该方法在安装尽可能小的机器功率时可以灵活地在极为不同的要求方面对所述能量系统的运行进行优化。此外要说明一种适合于实施该方法的能量系统。
通过一种按权利要求1所述的方法成功地解决该任务。该方法的有利的设计方案相应地是权利要求2到9的主题。一种适合于实施该方法的能量系统是权利要求10的主题。所述能量系统的有利的设计方案相应地是权利要求11到14的主题。
按照按本发明的方法，通过在电网和轴设备之间的能流的方向和大小的控制一方面提供对所述船用螺旋桨的驱动和对所述电网所需要的能量，但是另一方面在此使所述由主机和至少一台辅机构成的整个系统在可预先给定的工作点上运行。
在这种情况下本发明以这样的认识为出发点，即在大多数工况中要么所述主机的功率要么所述至少一台辅机的功率仅仅部分地得到利用。通过从所述电网到所述轴设备的能流，可以将在辅机侧上的既有的功率储备用于驱动船用螺旋桨，并且由此额外地增加所述辅机的负荷并且减轻所述主机的负荷。与之相反，通过从所述轴设备到所述电网的能流可以额外地增加所述主机的负荷并且同时减轻所述辅机的负荷。
通过所述能流的方向和大小的控制，可以灵活地运用并在总体上在所述能量系统中更好地利用功率储备，并且由此提供对用于驱动船用螺旋桨的所期望的船速以及对所述耗电设备所需要的能量。不过，尤其也可以在能量发生器上避免不必要的功率储备，并且由此降低用于安装的机器功率的采购成本。例如可以给所述主机少配置一个或两个气缸，从而降低用于主机及其空间位置需求的成本。
所述能流额外地增加或减轻各个能量发生器的负荷，但是这引起各个能量发生器的工作点的变化并且由此引起其工作参数比如燃料消耗、排放或运行时间的变化。由此通过所述能流的方向和大小的控制，可以有针对性地改变这些工作参数并且由此调节用于整个系统的可预先给定的工作点。
可以通过一个或多个工作参数来表征所述可预先给定的工作点。优选所述工作参数包括所述由主机和至少一台辅机构成的整个系统的燃料需求、废气排放和/或辅机运行时间。而后在所述可预先给定的工作点中，燃料消耗或废气排放或所述至少一台辅机的运行时间对所述由主机及至少一台辅机构成的整个系统来说或者说在该整个系统中是最低的。
优选为多个工作参数相应地分配不同的优先级，并且在所述可预先给定的工作点中按所述工作参数优先级的顺序对工作参数进行优化。比如第一优先级适用于整个系统的尽可能低的废气排放，第二优先级适用于整个系统的尽可能低的燃料消耗，并且第三优先级适用于整个系统中的辅机的尽可能少的运行时间。
用于在电网和轴设备之间建立能流的装置优选包括与所述轴设备机械耦合的并且通过逆变器与船用电网电连接的电动机/发电机单元。在这种情况下，电动机/发电机单元是指一种电机，该电机不仅可以作为电动机而且可以作为发电机来运行。所述逆变器在这种情况下用于控制来自或者说流往所述电动机/发电机单元的能流的方向和大小并且所述电动机/发电机单元则用于将这种电能转换为机械能或相反。
按本发明的能量系统包括
-至少一台用于产生用于驱动与船用螺旋桨相连接的轴设备的机械能的主机，
-用于产生用于船用电网的电能的发电机设备，
-至少一台比所述主机运行更快的、用于产生用于驱动所述发电机设备的机械能的辅机，
-用于通过将由发电机设备馈入所述电网中的电能的至少一部分转换为用于驱动所述轴设备的机械能的方式或者通过将由所述主机输出给所述轴设备的机械能的至少一部分转换为用于馈入所述电网中的电能的方式在所述电网和轴设备之间建立能流的装置，以及
-用于通过所述在电网和轴设备之间建立能流的装置对所述能流的方向和大小进行控制的控制装置，从而可以提供对所述船用螺旋桨的驱动和所述电网的供给所需要的能量，并且在此可以使所述由主机和至少一台辅机构成的整个系统在可预先给定的工作点中运行。
附图说明
下面借助于附图中的实施例对本发明以及本发明的按从属权利要求所述特征的其它有利的设计方案进行详细解释。其中：
图1是按本发明的用于集装箱船的能量系统，
图2是一张图表，在该图表中关于时间示出了图1所示的电网的功率需求P，
图3是用于调节可预先给定的最佳的工作点的方法流程，
图4-6是图表的例子，所述图表关于所产生的功率示出了柴油发动机的燃料需求和废气排放，
图7是图1所示的能量系统，该能量系统具有废热回收系统的发电机以及一台唯一的电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机，
图8是图1所示的能量系统，该能量系统具有废热回收系统的发电机以及两台电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机。
具体实施方式
图1以十分简化的形式示出了按本发明的能量系统1，该能量系统1包括慢速运行的作为主机的二冲程柴油发动机2、包括多个向电网4中馈送电能的发电机3的发电机设备12以及四台构造为中速至快速运行的四冲程柴油发动机5的辅机，这四台辅机中的每一台分别驱动着所述发电机设备12的一台发电机3。通常相应地一台发电机3和一台柴油发动机5构成一台由柴油机驱动的发电机机组13或者说13’。由柴油机驱动的发电机机组13’在这种情况下设置为在其中一台由柴油机驱动的发电机机组13失灵时使用的储备发电机机组。所述柴油发动机2通过螺旋桨轴6驱动用于驱动船舶的船用螺旋桨7，并且通常拥有超过10MW的额定功率。在用于货船的单台发动机上功率范围最大大约为100MW。所述柴油发动机5通常拥有5MW以下的功率。
构造为一个单元的电气的电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8与所述螺旋桨轴6机械耦合并且通过逆变器9必要时通过变压器10和开关11与所述电网4电连接。所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8优选构造为慢速运行的同步电机，并且优选在没有中间连接传动机构的情况下直接作用于所述螺旋桨轴6。但是，所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8也可以通过传动机构连接到所述螺旋桨轴6上或者与所述主机的曲轴相耦合，更确切地说在远离所述螺旋桨轴的端部上与所述主机的曲轴相连接。在使用同步电机的情况下，通过所述逆变器9向所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8输送场能，并且通过未详细示出的、同样与所述电网4相连接的第二逆变器向电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8输送励磁能量。所述逆变器9按所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8及所述电网的类型比如构造为电流中间电路逆变器或电压中间电路逆变器。对此，本领域的技术人员熟知不同的逆变器技术。借助于所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8和逆变器9，可以在所述电网4和螺旋桨轴6之间建立能流13。优选所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8的额定功率至少为所述柴油发动机2的额定功率的5％。
从所述电网4中通过开关11’向耗电设备比如又将电能转换为机械能的辅助驱动装置、用于产生制热、制冷和产生光线的电气设备、航海的、通信的及用于控制船舶的电气设备供给电能。
通常，在集装箱船上，由柴油机驱动的发电机机组13基于由所述电网4所需要的最大功率设计。图2关于时间t简要示出了实际的功率需求P。在船舶的大部分航行时间里，仅仅需要比如用于船舶的照明、航海系统、通信系统及控制系统的基础负荷PB。此外，在港口区域中需要用于横向划桨(Querstrahlruder)的附加的功率PT。在船舶装载之后的第一时间里，对于冷藏集装箱的降温来说需要一个附加的冷却功率PR。由柴油机驱动的发电机机组13由此基于最大功率Pmax＝PG+PR+PT进行设计。但是，在港口区域之外以及由此在船舶的大部分工作时间里根本不需要这个最大的电功率。因此，可以将不需要的功率储备用于驱动所述螺旋桨轴6并且在保持船舶相同的最大驱动功率时设计具有更小的功率的柴油发动机2或者在所述柴油发动机2的驱动功率保持相同时扩大船舶的总驱动功率并且由此增加其航行速度。所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8为此在电动机工作状态中运行并且为此通过所述逆变器9从所述电网4中得到电能供给。所述能流13由此从所述电网4指向所述螺旋桨轴6。
与此相反，借助于所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8也可以将所述柴油发动机2的功率储备用于额外地向所述电网4供给电能。在所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8在发电机工作状态中运行时，将由柴油发动机2向所述螺旋桨轴6输出的机械能的一部分转换为电能，并且通过所述逆变器9馈入所述电网4中。而后所述能流13就从所述螺旋桨轴6指向所述电网4。
此外，所述能量系统1包括用于对所述能量系统1的运行进行优化的运行优化装置15。该运行优化装置15控制所述能流13的方向和大小，从而以对所述船用螺旋桨的驱动来说所需要的驱动功率来驱动所述螺旋桨轴6，向所述电网4供给所需要的电能并且另一方面使所述由慢速运行的柴油发动机2和快速运行的柴油发动机5构成的能量发生器的整个系统在可预先给定的工作点中运行。
在船舶运行时(参见图3)，在所述运行优化装置15的第一步骤20中由船务人员询问有待优化的工作参数。这可以比如借助于在输出单元16比如显示器上显示的选择菜单来进行。船务人员随后可以通过输入单元17比如键盘选择所显示出来的工作参数中的一个或多个工作参数，并且为所选出的工作参数分配优先级。作为替代方案，有待优化的工作参数也可以早已固定地保存在所述运行优化装置15中。
随后，所述运行优化装置在步骤21中检测所述船用螺旋桨7的驱动装置以及所述电网4的当前能量需求。为此所需要的数据可以比如从船务主控层面、机务室电报、船用电网控制系统等获得。
随后，在步骤22中求出所述慢速运行的柴油发动机2和快速运行的柴油发动机5的在有待优化的工作参数方面的当前工作点并且从中检测所述由慢速运行的柴油发动机2和快速运行的柴油发动机5构成的整个系统的在有待优化的工作参数方面的当前工作点。要么直接通过所述柴油发动机2和5的工作参数比如其燃料消耗的测量要么间接地通过从其它所测量的工作参数中推导出这些工作参数来确定所述工作点或者说有待优化的工作参数。
接下来在所述运行优化装置的步骤23中在同时按照整个系统的工作参数的优先级的顺序对这样的工作参数进行优化的情况下求出用于满足用于整个系统的当前能量需求的最佳工作点。为此在所述运行优化装置15中为每台柴油发动机2、5保存了数据，这些数据表明所述柴油发动机的能量输出与其相应的工作参数比如相应的燃料消耗、排放或运行时间之间的关联。
此外，图4关于用于二冲程柴油发动机2的所输出的功率P示范性地示出了燃料消耗C，图5则示出用于四冲程柴油发动机5的燃料消耗C，并且图6关于所输出的功率P示出了二冲程柴油发动机2的废气排放E。
如果关于有待优化的工作参数在整个系统的最佳工作点和其当前工作点之间存在偏差，那么这些偏差可以在步骤24中在输出单元16上向船务人员显示出来，并且由此可以促使船务人员比如通过动作指令的输出来调节从电网4到螺旋桨轴6或者相反方向的能流的最佳方向和大小，并且由此使整个系统的工作点接近于最佳工作点。如果超过所述偏差的确定的极限值，那么也可以由所述运行优化装置15通过扬声器18释放声学报警信号。
作为替代方案，所述运行优化装置在所述步骤24中也独立地和自动化地通过在所述螺旋桨轴6和电网4之间的能流13的相应控制使整个系统的工作点接近所期望的最佳工作点。所述运行优化装置15为此通过控制线19一方面与所述逆变器9相连接，并且另一方面与所述能量发生器的也就是说柴油发动机2和5的未详细示出的控制装置相连接，并且通过该控制装置来控制输出功率并且由此控制所述柴油发动机2和柴油发动机5的工作点，控制流过所述逆变器9的电流并且由此控制经过所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8的能流，使得所述有待优化的工作参数按照其优先级的顺序得到优化。
现在由所述运行优化装置15-就象在图3中通过从步骤24跳回到步骤21这种方式所表明的一样-连续地求出当前的能量需求，在能量需求有变化时求出最佳的工作点并且随后向船务人员显示当前工作点的偏差或者独立地通过所述能流13的相应控制来调节整个系统的最佳工作点。借助于所述运行优化装置15中的自动学习的结构还可以进行进一步的优化。
在利用安装在船上的功率方面以及在调节最佳工作点方面的灵活性还可以通过以下方法得到改进，即所述发电机设备额外地包括至少一台废热回收系统发电机，所述发电机用于从所述主机2的废热中产生电能。
此外，图7示出了在图1中示出的能量系统1，该能量系统1额外地具有由所述柴油发动机2的未详细示出的废热回收系统的涡轮机31、32驱动的发电机33，该发电机33的所产生的电能可馈入所述电网4中并且可以通过所述电网4、逆变器9及所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8也作为机械能输送给所述螺旋桨轴6。在假设所述发电机33的功率为5MW、由所述柴油发动机5在海上提供的功率为5MW并且所述电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8的功率为10MW的情况下，现在可以将所述柴油发动机3的驱动功率减小10MW，并且由此比如仅仅给所述柴油发动机2配设9个气缸而不是11个气缸。通过在所述电网4和螺旋桨轴6之间的能流13的控制，可以最佳地利用所安装的功率，并且此外使整个系统在可预先给定的最佳工作点中运行。
图8所示出的能量系统31与图7所示的能量系统的不同之处在于，该能量系统31还包括第二电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机38，该电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机38与所述螺旋桨轴6机械耦合并且通过逆变器39与所述电网4电连接。代替具有很高的比如10MW功率的电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机，现在可以设置具有所述功率的一半也就是说比如分别具有5MW的功率的两台电动轴系统中的电动机/船机主轴驱动发电机8、38，并且在这种情况下获得和在图5所示的能量系统中相同的优点。
通过以下方法可以进一步提高在调节最佳工作点时的灵活性，即所述船用螺旋桨7具有螺旋桨叶片，所述螺旋桨叶片的斜度可借助于调节驱动装置来调节。除了提高在调节最佳工作点时的灵活性之外，在总驱动功率保持相同的情况下还可以进一步降低对所述柴油发动机2所需要的功率，并且在图7和8的实施例的情况下给所述柴油发动机2仅仅配设8个气缸而不是9个气缸。

Claims (14)

1.用于运行船舶的尤其大型货船的能量系统(1)的方法，所述能量系统(1)包括
-至少一台用于产生用于驱动与船用螺旋桨(7)相连接的轴设备(6)的机械能的主机(2)，
-用于产生用于船用电网(4)的电能的发电机设备(12)，
-至少一台比所述主机(2)运行更快的、用于产生用于驱动所述发电机设备(12)的机械能的辅机(5)，
-用于通过将由所述发电机设备(12)馈入所述电网(4)中的电能的至少一部分转换为用于驱动所述轴设备(6)的机械能的方式或者通过将由所述主机(2)输出给所述轴设备(6)的机械能的至少一部分转换为用于馈入所述电网(4)中的电能的方式在所述电网(4)和轴设备(6)之间建立能流(13)的装置(8)，
其特征在于，通过这种能流(13)的方向和大小的控制来提供对所述船用螺旋桨(7)的驱动和对所述电网(4)所需要的能量并且在此使所述由主机(2)和至少一台辅机(5)构成的整个系统在可预先给定的工作点中运行。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，通过一个或多个工作参数(C、E)来表征所述可预先给定的工作点。
3.按权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述工作参数包括所述由主机(2)和至少一台辅机(3)构成的整个系统的燃料需求(C)、排放(E)和/或辅机(5)运时间。
4.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，在所述可预先给定的工作点中燃料需求(C)或废气排放(E)或所述至少一台辅机的运行时间对所述由主机(2)和至少一台辅机(5)构成的整个系统来说或者说在该整个系统中是最低的。
5.按权利要求2所述的方法，
其特征在于，为多个工作参数(C、E)相应地分配不同的优先级，并且在所述可预先给定的工作点中按照所述工作参数的优先级的顺序对所述工作参数进行优化。
6.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，所述用于在电网(4)和轴设备(6)之间建立能流(13)的装置包括与所述轴设备(6)机械耦合并且通过逆变器(9)与所述电网(4)电连接的电动机/发电机单元(8)。
7.按前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在运行过程中求出当前工作点与所述可预先给定的工作点之间的偏差。
8.按权利要求7所述的方法，
其特征在于，向船务人员显示所述偏差，以便采取措施使当前的工作点接近于所述可预先给定的工作点。
9.按权利要求7所述的方法，
其特征在于，在有偏差时通过所述在电网(4)和轴设备(6)之间的能流(13)的方向和大小的控制来自动地使所述当前的工作点接近于所述可预先给定的工作点。
10.尤其用于实施按前述权利要求中任一项所述的方法的用于船舶的能量系统(1)，包括
-至少一台用于产生用于驱动与船用螺旋桨(7)相连接的轴设备(6)的机械能的主机(2)，
-用于产生用于船用电网(4)的电能的发电机设备(12)，
-至少一台比所述主机(2)运行更快的、用于产生用于驱动所述发电机设备(12)的机械能的辅机(5)，
-用于通过将由所述发电机设备(12)馈入所述电网(4)中的电能的至少一部分转换为用于驱动所述轴设备(6)的机械能的方式或者通过将由所述主机(2)输出给所述轴设备(6)的机械能的至少一部分转换为用于馈入所述电网(4)中的电能的方式在所述电网(4)和轴设备(6)之间建立能流(13)的装置(8)，
其特征在于控制装置(15)，该控制装置(15)用于通过所述用于在电网和轴设备之间建立能流的装置(8)对所述能流(13)的方向和大小进行控制，从而可以提供对所述船用螺旋桨(7)的驱动和所述电网(4)的供给所需要的能量，并且在此可以使所述由主机(2)和至少一台辅机(5)构成的整个系统在可预先给定的工作点中运行。
11.按权利要求10所述的能量系统，
其特征在于，所述用于在电网(4)和轴设备(6)之间建立能流(13)的装置包括与所述轴设备(6)机械耦合并且通过逆变器(9)与所述电网(4)电连接的电动机/发电机单元(8)。
12.按权利要求11所述的能量系统，
其特征在于，所述发电机设备(12)包括至少一台废热回收系统发电机(33)，所述发电机(33)用于从所述主机(2)的废热中产生电能。
13.按权利要求12所述的能量系统，
其特征在于，所述电动机/发电机单元(8)的额定功率为所述主机(2)的额定功率的至少5％。
14.按权利要求13所述的能量系统，
其特征在于，所述船用螺旋桨(7)具有螺旋桨叶片，所述螺旋桨叶片的斜度可借助于调节驱动装置来调节。
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