CN103052774A - 船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶、以及船舶用脱硝系统的控制方法 - Google Patents

船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶、以及船舶用脱硝系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

提供一种能够节约能量地供给向生成脱硝用的氨的氨生成器供给的电力的船舶用脱硝系统。具备：氨生成器(2)，其从船内电力系统(30)被供给电力；SCR催化剂部(4)，其进行废气脱硝；混合动力排气涡轮增压器，其使用主发动机(3)的废气能量进行发电，向船内电力系统(30)供给电力；轴发电机马达(13)，其能够进行向船内电力系统(30)供给电力的发电运转，并且由从船内电力系统(30)供给的电力驱动而对螺旋桨轴(10)加力；动力管理系统(72)，其控制向氨生成器(2)供给的供给电力、混合动力排气涡轮增压器的发电输出、以及向轴发电机马达(13)供给的供给电力及发电输出。

Description

船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶、以及船舶用脱硝系统的控制方法
技术领域
本发明涉及例如在来自柴油发动机的废气的脱硝中使用而搭载于适合的船舶上的船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶、以及船舶用脱硝系统的控制方法。
背景技术
为了将从船舶推进用的柴油发动机(主发动机)产生的氮氧化物(NOx)除去，而在船舶上搭载脱硝装置。
在下述专利文献1中公开了一种在船舶上能够生成作为脱硝催化剂的还原剂而使用的氨的发明。氨由于在船舶上能够生成，因此无需将液体氨向船舶输送并储藏在船舶内。而且，由于液体氨被作为危险物处理，因此需要设置泄漏探测传感器或双重配管这样的特别的储藏设备，但在船舶上无需为了生成必要量的氨而设置特别的储藏设备。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开平11-292531号公报
【发明的概要】
【发明要解决的课题】
在船舶上为了生成氨而需要用于电解水或驱动输送泵等的电能。在上述专利文献1中，示出了利用来自作为辅机的柴油发动机驱动型发电机的电力的情况。
然而，通常柴油发动机驱动型发电机比主发动机的热效率低，因此若从柴油发动机驱动型发电机得到电力的话，为了生成氨而更加浪费能量，从节约能量的观点出发不优选。
另外，在船内产生了剩余电力时，希望有效地利用该剩余电力。
发明内容
本发明鉴于这种情况而作出，目的在于提供一种能够节约能量且稳定地供给向生成脱硝用的氨的氨生成器供给的电力的船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶以及船舶用脱硝系统的控制方法。
【用于解决课题的手段】
为了解决上述课题，本发明的船舶用脱硝系统及具备该系统的船舶以及船舶用脱硝系统的控制方法采用以下的机构。
即，本发明的第一形态的船舶用脱硝系统具备：氨生成器，其具有由水制造氢的氢制造部及由空气制造氮的氮制造部，由通过所述氢制造部制造出的氢及通过所述氮制造部制造出的氮来生成氨，并且从船内电力系统被供给电力；脱硝催化剂部，其设置在船舶用推进用的主发动机的废气通路上，与通过所述氨生成器生成的氨一起进行废气脱硝；发电机，其使用所述主发动机的废气能量进行发电，向所述船内电力系统供给电力；轴发电机马达，其由所述主发动机驱动而发电，能够进行向所述船内电力系统供给电力的发电运转，并且由从所述船内电力系统供给的电力驱动而对螺旋桨轴加力；发电输出控制部，其控制向所述氨生成器供给的供给电力、所述发电机的发电输出、以及向所述轴发电机马达供给的供给电力及所述轴发电机马达的发电输出。
氨生成器具有由水制造氢的氢制造部和由空气制造氮的氮制造部，利用由氢制造部及氮制造所制造出的氢及氮来生成氨。这样的话，以水及空气为原料而能够在船舶上生成氨，因此在船舶上无需设置储藏液体氨(例如氨水溶液)或尿素等还原剂的空间。因此，不用确保大的空间就能够将船舶用脱硝系统设置在船舶内。
另外，从主发动机的废气能量回收的发电输出经由船内电力系统而使用在氨生成器中。由此，能够以少的消耗能量使氨生成器运转，因此能够避免另行设置的柴油发动机驱动型发电机等的发电用辅机的容量增大或台数增加。
另外，由于设有对螺旋桨轴加力的轴发电机马达，因此能够减少主发动机的燃料消耗率。而且，对螺旋桨轴加力的轴发电机马达由于从船内电力系统接受电力供给，因此使用由发电机排热回收的电力来驱动轴发电机马达，由此能够构筑出热效率高的系统。尤其是在不需要废气脱硝的海域中航行时无需向氨生成器供给电力，因此能够将通过排热回收而得到的电力的剩余部分对于轴发电机马达有效地利用。
而且，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以具备与所述船内电力系统连接的蓄电池。
由于具备与船内电力系统连接的蓄电池，因此即使主发动机产生负载变动而发电机的发电输出发生变动，也可以使用蓄电池的电力。尤其是在主发动机的低负载时无法充分得到来自发电机的发电输出的情况下有用。因此，能够经由船内电力系统对氨生成器稳定地供给电力。此外，由于蓄电池与发电机同样地与船内电力系统连接，因此能够蓄积由发电机产生的剩余电力。而且，在主发动机的减速时，可以利用蓄电池进行动力回收。
在船舶上设置发电用发动机时，通过具备蓄电池而能够抑制负载变动，因此能够减少发电用发动机的容量及尺寸。
此外，根据所述第一形态的船舶用脱硝系统，可以在所述船内电力系统上连接太阳能发电装置。
由于将太阳能发电装置与电力系统连接，因此能够将太阳能发电装置的发电输出向蓄电池供给。由此，能够更稳定地进行电力供给。
此外，根据所述第一形态的船舶用脱硝系统，可以在所述船内电力系统上连接从船舶的外部的电源接受电力的供给的外部电力输入部。
由于从船舶的外部的电源接受电力的供给的外部电力输入部与电力系统连接，因此例如在船舶的靠岸时能够从外部(陆地侧)接受电力的供给。由此，在船舶的靠岸时无需使发电用发动机起动，能够实现所谓零排放。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以具备对于向所述脱硝催化剂部导入的废气进行加热的电加热器，对于该电加热器，从所述船内电力系统进行电力供给。
在作为脱硝催化剂部而主要使用的选择接触还原法(SCR)的SCR催化剂中，废气温度越低温越可能发生中毒。根据上述结构，由于利用电加热器使废气温度上升，因此能够防止SCR催化剂的中毒。
另外，由于电加热器与船内电力系统连接，因此能够从轴发电机马达接受电力供给。例如，在主发动机起动时废气能量低而无法进行排热回收，因此这种情况下可以将通过轴发电机马达发出的电力向电加热器供给，因此有效。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以使用增压器侧发电机作为所述发电机，该增压器侧发电机得到所述主发动机的排气涡轮增压器的旋转输出而发电。
作为具备得到主发动机的排气涡轮增压器的旋转输出而发电的增压器侧发电机的增压器，已知有混合动力排气涡轮增压器。使用该增压器侧发电机作为向船内电力系统进行电力供给的发电机。由此，能够有效地利用主发动机的排气能量。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以使用动力涡轮侧发电机作为所述发电机，该动力涡轮侧发电机通过以所述主发动机的废气为驱动源的动力涡轮而发电。
使用动力涡轮侧发电机作为向船内电力系统进行电力供给的发电机，该动力涡轮侧发电机通过以主发动机的废气为驱动源的动力涡轮而发电。由此，能够有效地利用主发动机的排气能量。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以使用蒸气涡轮侧发电机作为所述发电机，该蒸气涡轮侧发电机通过蒸气涡轮而发电，该蒸气涡轮以通过使用了所述主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源。
使用蒸气涡轮侧发电机作为向船内电力系统进行电力供给的发电机，该蒸气涡轮侧发电机通过蒸气涡轮而发电，该蒸气涡轮以通过使用主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源。由此，能够有效地利用主发动机的排气能量。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以使用异种涡轮侧发电机作为所述发电机，该异种涡轮侧发电机通过动力涡轮及蒸气涡轮而发电，该动力涡轮以所述主发动机的废气为驱动源，该蒸气涡轮以通过使用所述主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源。
在异种涡轮侧发电机上连接有动力涡轮及蒸气涡轮这样不同种类(异种)的涡轮。通过使用该异种涡轮侧发电机，除了以主发动机的废气为驱动源的动力涡轮之外，还使用蒸气涡轮进行发电，该蒸气涡轮以通过使用了主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源，因此能够更有效地利用主发动机的排气能量。
此外，所述第一形态的船舶用脱硝系统可以使用热介质涡轮侧发电机作为所述发电机，该热介质涡轮侧发电机通过以与冷却水及/或加热水进行热交换并蒸气化的热介质为驱动源的涡轮而发电，该冷却水是所述主发动机的封套、空气冷却器的冷却水，该加热水是与废气进行了热交换后的加热水。
所述热介质中，通常已知有使用了比水的沸点低的替代弗利昂(例如R-245fa、R-134a等)、戊烷、丁烷等有机热介质的系统，被称为兰金循环。
另外，本发明的第二形态的船舶具备船舶推进用的主发动机和上述任一船舶用脱硝系统。
上述任一种船舶用脱硝系统能够进行高效率且稳定的电力供给，因此适合于搭载在船舶上。
另外，本发明的第三形态的船舶用脱硝系统的控制方法中，所述船舶用脱硝系统具备：氨生成器，其具有由水制造氢的氢制造部及由空气制造氮的氮制造部，由通过所述氢制造部制造出的氢及通过所述氮制造部制造出的氮来生成氨，并且从船内电力系统被供给电力；脱硝催化剂部，其设置在船舶用推进用的主发动机的废气通路上，与通过所述氨生成器生成的氨一起进行废气脱硝；发电机，其使用所述主发动机的废气能量进行发电，向所述船内电力系统供给电力；轴发电机马达，其由所述主发动机驱动而发电，能够进行向所述船内电力系统供给电力的发电运转，并且由从所述船内电力系统供给的电力驱动而对螺旋桨轴加力，在所述船舶用脱硝系统的控制方法中，通过发电输出控制部，控制向所述氨生成器供给的供给电力、所述发电机的发电输出、以及向所述轴发电机马达供给的供给电力及所述轴发电机马达的发电输出。
氨生成器具有由水制造氢的氢制造部和由空气制造氮的氮制造部，利用由氢制造部及氮制造所制造出的氢及氮来生成氨。这样的话，以水及空气为原料而能够在船舶上生成氨，因此在船舶上无需设置储藏液体氨(例如氨水溶液)或尿素等还原剂的空间。因此，不用确保大的空间就能够将船舶用脱硝系统设置在船舶内。
另外，从主发动机的废气能量回收的发电输出经由船内电力系统而使用在氨生成器中。由此，能够以少的消耗能量使氨生成器运转，因此能够避免另行设置的柴油发动机驱动型发电机等的发电用辅机的容量增大或台数增加。
另外，由于设有对螺旋桨轴加力的轴发电机马达，因此能够减少主发动机的燃料消耗率。而且，对螺旋桨轴加力的轴发电机马达由于从船内电力系统接受电力供给，因此使用由发电机排热回收的电力来驱动轴发电机马达，由此能够构筑出热效率高的系统。尤其是在不需要废气脱硝的海域中航行时无需向氨生成器供给电力，因此能够将通过排热回收而得到的电力的剩余部分对于轴发电机马达有效地利用。
【发明效果】
根据本发明，能够节约能量且稳定地供给向生成脱硝用的氨的氨生成器供给的电力。
附图说明
图1是表示设有本发明的第一实施方式的船舶用脱硝系统的主发动机周边的简要结构图。
图2是表示图1的排热回收系统的具体结构的简要结构图。
图3是表示图1所示的氨生成器的简要结构的简要结构图。
图4是表示第一实施方式的与主发动机的负载相对的发电量的图。
图5是相对于船舶的运转时间而表示各控制量的变化的时序图。
图6是表示本发明的第二实施方式的排热回收系统的具体结构的简要结构图。
图7是表示第二实施方式的与主发动机的负载相对的发电量的图。
图8是表示本发明的第三实施方式的排热回收系统的具体结构的简要结构图。
图9是表示第三实施方式的与主发动机的负载相对的发电量的图。
图10是表示本发明的第四实施方式的排热回收系统的具体结构的简要结构图。
图11是第四实施方式的与主发动机的负载相对的发电量的图。
图12是表示本发明的第五实施方式的排热回收系统的简要结构图。
图13是表示第五实施方式的与主发动机的负载相对的发电量的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
[第一实施方式]
以下，使用图1，说明本发明的第一实施方式。
图1表示设有本实施方式的船舶用脱硝系统1的主发动机3周边的简要结构。
在船舶内具备：船舶推进用的主发动机(例如柴油发动机)3；用于对来自主发动机3的废气进行脱硝的脱硝系统1；回收主发动机3的废气能量而发电的排热回收系统17；利用主发动机3的废气而生成蒸气的废气预热器(废气锅炉)11。
在主发动机3的输出轴上连接有轴发电机马达(轴发电电动机)13，在该轴发电机马达13上经由螺旋桨轴10而安装螺旋桨12。
轴发电机马达13从船内电力系统30得到电力而能够进行对主发动机3加力的电动机运转，另一方面，由主发动机3驱动而能够进行发电的发电运转。轴发电机马达13的动作由后述的动力管理系统72控制。
主发动机3的各气缸的工作缸部的排气口与作为废气集合管的排气岐管15连接。排气岐管15与排热回收系统17连接。
图2表示作为排热回收系统17的一例的混合动力排气涡轮增压器5。
如该图所示，排气岐管15经由第一排气管L1而与混合动力排气涡轮增压器5的涡轮部5a的入口侧连接。
另一方面，相对于与主发动机3的各工作缸部的供气口连接的供气岐管，经由供气管K1而连接有混合动力排气涡轮增压器5的压缩器部5b。而且，在供气管K1设置有空气冷却器(中间冷却器)18。
混合动力排气涡轮增压器5具备涡轮部5a、压缩器部5b、混合动力发电机马达(增压器侧发电机)5c。涡轮部5a、压缩器部5b及混合动力发电机马达5c通过旋转轴5d而同轴地连结。
混合动力发电机马达5c得到由涡轮部5a获得的旋转输出而发电，另一方面，从船内电力系统30得到电力而对压缩器部5b的旋转进行加力。在混合动力发电机马达5c与船内电力系统30之间，从混合动力发电机马达5c侧依次设有将交流电力转换成直流电力的转换器19、将直流电力转换成交流电力的逆变器20、开闭开关21。
由混合动力发电机马达5c发出的电力如后述那样经由船内电力系统30向氨生成器2供给。
如图1所示，在船内电力系统30上并联连接有具备发电机62的第一发电用柴油发动机61、具备发电机64的第二发电用柴油发动机63、蓄电池67、太阳能发电装置69、外部电力输入部71。
作为蓄电池67，适合使用例如锂离子二次电池。来自第一发电用柴油发动机61、第二发电用柴油发动机63、太阳能发电装置69、混合动力发电机马达5c的电力蓄积在蓄电池67中。而且，蓄电池67的放电及充电由动力管理系统72进行。
从船舶的外部(即陆地)的电源向外部电力输入部71进行电力供给。利用从外部电力输入部71供给的电力，对蓄电池67进行充电。
船内电力系统30与氨生成器2及后述的电加热器73连接，向所述氨生成器2及电加热器73供给电力。
废气预热器11与废气预热器用排气管L5连接，使从主发动机3排出的废气与由供水管(未图示)供给的水进行热交换而产生蒸气。在废气预热器11的上游侧设有控制废气的流入流出的废气预热器用开闭阀22。废气预热器用开闭阀22的切换时间由发动机主控制器70决定。
船舶用脱硝系统1具备氨生成器2、在选择接触还原法(SCR；SelectiveCatalytic Reduction)中使用的SCR催化剂部4。氨生成器2及SCR催化剂部4与混合动力排气涡轮增压器5的下游侧的第二排气管L2连接，在废气流动的上游侧配置氨生成器2，在下游侧配置SCR催化剂部4。
如图3所示，氨生成器2具备由水制造氢的氢制造部81、由空气制造氮的氮制造部83、由氢及氮生成氨的氨生成部80。
在氢制造部81中使用的水是将通过搭载于船舶的造水机85由海水制造的淡水进一步通过搭载于船舶的纯水制造机87制造而得到的纯水。氢制造部81使用固体高分子电解质膜法，该固体高分子电解质膜法使用离子交换膜作为电解质而对纯水进行电解。由氢制造部81产生的氢在由氢干燥器(未图示)进行了脱湿之后，向氨生成部80输送。
在氮制造部83中，通过PSA(Pressure Swing Adsorption)法等由空气得到氮。由氮制造部83得到的氮向氨生成部80输送。
在氨生成部80中，将氢与氮混合加热，在钌催化剂等反应催化剂下生成氨。
在氨生成器2中，由于像氢制造部81的电解等那样消耗电力，因此作为该电力，利用来自上述的混合动力发电机马达5c的电力。
由氨生成器2生成的氨(气体)如图1所示，经由氨生成器用开闭阀24，向第二排气管L2直接供给。这样的话，生成的氨在途中不积存而供给到废气中。氨生成器用开闭阀24的切换时间由发动机主控制器70决定。
在氨生成器用开闭阀24的下游侧设有用于计测氨量的流量传感器S1(未图示)。
经由SCR用开闭阀26而从第二排气管L2向SCR催化剂部4导入废气。SCR用开闭阀26的切换时间由发动机主控制器70决定。在SCR催化剂部4中，废气中的Nox由催化剂选择性地还原，分解成无害的氮和水蒸气。
在SCR催化剂部4的上游侧设有用于对导入的废气进行加热的电加热器73。从船内电力系统30向电加热器73供给电力。
SCR用开闭阀26和废气预热器用开闭阀22被择一性地选择而进行开闭。即，在废气的NOx限制严格的海域(废气限制海域(Emission ControlArea；以下称为“ECA”)航行时那样需要废气脱硝时，打开SCR用开闭阀26，关闭废气预热器用开闭阀22。另一方面，在废气的NOx限制比较缓和的海域(ECA外)航行时那样未进行废气脱硝时，关闭SCR用开闭阀26，打开废气预热器用开闭阀22。
需要说明的是，SCR用开闭阀26及废气预热器用开闭阀22可以由一个三通阀代用。
作为对船舶整体进行控制的控制部，设有发动机主控制器70和动力管理系统(发电输出控制部；以下称为“PMS”)72。
发动机主控制器70主要对主发动机3进行控制。来自设于主发动机3的发动机负载检测机构的发动机负载信号LI、来自检测主发动机3的转速的转速检测机构的发动机转速N、来自检测主发动机3的供气岐管内的扫气压力的扫气压力检测机构的扫气压力P向发动机主控制器70输入。
发动机主控制器70基于所述输入信号而进行规定的运算，决定废气的脱硝所需的目标氨生成量。决定后的目标氨生成量向氨生成器2传送。
PMS72主要进行船内电力的控制。从发动机主控制器70向PMS72输入发动机负载信号LI、船内电力频率f。PMS72基于所述输入信号而进行规定的运算，决定混合动力排气涡轮增压器5的发电量。在该混合动力排气涡轮增压器5的发电量的运算中，使用图4所示的图。在PMS72的存储部中，存储有该图的关系式或数值化的数据库。
在图4中，横轴是从发动机负载信号LI得到的发动机负载(％)，纵轴是总发电量(kW)。在该图中，“DG1”表示第一发电用柴油发动机61的发电机62，“DG2”表示第二发电用柴油发动机63的发电机64，“SGM”表示轴发电机马达13，“Hybrid T/C”表示混合动力排气涡轮增压器5的发电机5c。如该图所示，在发动机负载低时，仅通过第一及第二发电用柴油发动机61、63进行发电，当发动机负载超过规定值时，接着开始基于轴发电机马达13的发电，再接着开始基于混合动力排气涡轮增压器5的发电，其发电量逐渐增大。基于混合动力排气涡轮增压器5的发电成为最后的原因是，若主发动机负载未超过规定值，则发动机的排气能量不会增大至能够进行排热回收的程度。需要说明的是，该图是一例，根据船内的发电系统而适当决定。
发电量以船内电力频率f恒定为规定值的方式被控制。即，当船内电力频率f从规定值下降时，判断为船内需要电力增加而使发电量增大，当船内电力频率f从规定值增大时，判断为船内需要电力下降而使发电量减少。这样的话，当发动机负载和发电量决定时，根据该图的图来决定轴发电机马达13和混合动力排气涡轮增压器5的发电量。如此决定的发电量作为目标发电量向轴发电机马达13及混合动力排气涡轮增压器5传送。
接下来，说明上述结构的船舶用脱硝系统1的控制方法。
从主发动机3排出的废气从排气岐管15经由第一排气管L1向混合动力排气涡轮增压器5的涡轮部5a引导。涡轮部5a得到废气能量而进行旋转，其旋转输出经由旋转轴5d而向压缩器部5b及混合动力发电机马达5c传递。在压缩器部5b中，对吸入的空气(外部空气)进行压缩而经由空气冷却器18向供气岐管输送。
在混合动力发电机马达5c中，通过从涡轮部5a得到的旋转输出进行发电，基于PMS72的指示，将其发电输出向船内电力系统30供给。供给的来自混合动力发电机马达5c的电力向氨生成器2传送，使用于氢制造部81的电解、对中间生成气体及生成的氨进行输送的输送泵等。而且，由发电用柴油发动机61、63发出的电力也同样地向船内电力系统30供给。
另外，在轴发电机马达13中，基于PMS72的指示，得到主发动机3的驱动力而进行发电，对船内电力系统30进行电力供给。
在发电用柴油发动机61、63中，也基于PMS72的指示进行发电，对船内电力系统30进行电力供给。
在氨生成器2中，使用来自混合动力发电机马达5、轴发电机马达13、发电用柴油发动机61、63的电力，由通过氢制造部81制造的氢和通过氮制造部83制造的氮而生成氨。
来自混合动力发电机马达5c、轴发电机马达13、发电用柴油发动机61、63的发电输出向与船内电力系统30连接的蓄电池67供给。
在船内电力系统30上连接有太阳能发电装置69，通过太阳光发电的电力向船内电力系统30供给，由与船内电力系统30连接的未图示的负载利用，并向蓄电池67充电。
在船舶靠岸时，经由外部电力输入部71从陆地接受电力的供给，向蓄电池67充电。这种情况下，优选使发电用柴油发动机61、63停止。
接下来，使用图5，说明船舶的航行时的电力控制。图5(a)至(g)的各轴的横轴表示运转时间，表示从靠岸于出发地的港湾的状态开始在港湾内(ECA内)航行之后，在外海上(ECA外)航行，直至进入目的地的港湾内(ECA内)而靠岸为止。
图5(a)的纵轴表示螺旋桨轴10(参照图1)的输出(kW)，(b)的纵轴表示船内设备的总体上的热效率提高(％)，(c)的纵轴表示由氨生成器2生成的氨生成量(Nm3/h)，(d)的纵轴表示船内设备所需的所需电力(kW)，(e)的纵轴表示船内设备的产生电力(kW)，(f)的纵轴表示SCR催化剂部4上游侧的废气温度(℃)，(g)的纵轴表示SCR催化剂部4的催化剂温度(℃)。
[出发港湾内(ECA内)]
在从ECA内即港湾出发时，如图5(a)所示，主发动机3起动而螺旋桨轴输出逐渐增大。此时，用于使船舶离岸的侧推进器起动，因此如图5(d)的区域A所示，所需电力增大。如图5(e)所示，向侧推进器供给的电力使用来自区域C的发电用柴油发动机(DG)61、63的电力和蓄积在区域B的蓄电池67中的电力。这样的话，使用蓄电池67的电力作为侧推进器的供给电力的一部分，因此能够相对性地减少发电用柴油发动机61、63的负载。而且，在前一次的航行时进行排热回收的电力及/或在靠岸时预先从陆地供给的电力蓄积在蓄电池67中。因此能够抑制比主发动机3的热效率低的发电用柴油发动机61、63的燃料消耗，从而如图5(b)的区域D所示，在离岸时能够提高热效率。
需要说明的是，如图5(d)的区域E所示，无论运转时间如何都始终消耗一定程度恒定的船内消耗电力。而且，图5(d)的区域L表示电加热器73使用的电力，区域M表示氨生成器2使用的电力。
另外，随着基于主发动机3的螺旋桨轴输出的增大，而废气中的NOx增大，因此如图5(c)所示，氨生成量增大。另一方面，废气温度如图5(f)所示表示规定值T1(℃)，但由于不满足SCR催化剂部4适当工作的温度范围(参照图5(g)的区域F)，即催化剂实现活性化且防止劣化的温度范围，因此，利用电加热器73(参照图1)对废气进行加热，使其上升至所希望温度T2(℃)。此时，如图5(e)的区域G所示，向电加热器73供给的电力使用轴发电机马达(SGM)13的发电电力及排热回收的电力(混合动力排气涡轮增压器5)。由此，如图5(b)的区域H所示，热效率提高。
当主发动机3的输出增大而螺旋桨轴输出增大时，基于轴发电机马达(SGM)13及混合动力排气涡轮增压器5的发电量逐渐增大，发电用柴油发动机61、63的负载逐渐减少。
并且，当经过时刻t1时，主发动机3的转速成为额定，氨生成量恒定。
在港湾内(ECA内)航行时，如以下那样进行废气脱硝。这种情况下，关闭废气预热器用开闭阀22，打开氨生成器用开闭阀24及SCR用开闭阀26。
从混合动力排气涡轮增压器5的涡轮部5a排出的废气通过第二排气管L2，与从氨生成器2供给的氨(气体)混合。与氨混合后的废气经由SCR用开闭阀26被导向SCR催化剂部4。在被导向SCR催化剂部4之前，在废气温度小于规定值时，通过未图示的控制部使电加热器73起动，将废气加热。另一方面，在废气温度为规定值以上时，通过未图示的控制部使电加热器73停止。通过了电加热器73的废气在由SCR催化剂部4脱硝之后，从未图示的烟囱向外部排出。
[外海航行(ECA外)]
在外海航行时，由于成为ECA外，因此不进行废气脱硝。这种情况下，如图1所示，打开废气预热器用开闭阀22，关闭氨生成器用开闭阀24及SCR用开闭阀26。从混合动力排气涡轮增压器5的涡轮部5a排出的废气通过第二排气管L2，经由废气预热器用开闭阀22，被导向废气预热器11。在废气预热器11中，生成蒸气，在船内的各处使用。从废气预热器11排出的废气从烟囱向外部排出。
由于未进行废气脱硝，因此如图5(c)所示，氨生成量成为0。而且，基于电加热器73的加热也停止，因此如图5(f)所示，废气温度下降为T1(℃)，如图5(g)所示，SCR催化剂温度也逐渐下降。
在外海航行中，以轴发电机马达13为电动机进行驱动而对主发动机3进行加力。图5(a)的区域J成为轴发电机马达13负担的螺旋桨轴输出，由此能够使主发动机3负担的输出下降。作为向轴发电机马达13供给的电力(参照图5(e)的区域K)，使用进行排热回收而蓄积在蓄电池67中的剩余电力。尤其是不需要向氨生成器2及电加热器73供给电力(参照图5(d))，因此能够将由排热回收得到的电力的剩余量对于轴发电机马达13有效地利用。由此，如图5(b)的区域I所示，热效率提高。
[目的地港湾内(ECA内)]
在目的地的港湾内，成为出发港湾内的相反的动作。
打开氨生成器用开闭阀24及SCR用开闭阀26，关闭废气预热器用开闭阀22。
当成为时刻t3而进入目的地港湾内时，由于进行废气脱硝，因此如图5(c)所示开始氨生成，从而开始基于电加热器73的废气加热。并且，当经过时刻t4时，为了使螺旋桨轴输出减少而使主发动机3的负载减少。伴随于此，如图5(c)所示，氨生成量也减少，如图5(e)所示，排热回收量也减少。并且，在靠岸时，侧推进器起动(参照图5(e)的区域B)，因此与出发时同样地，通过使用蓄电池67的电力而使热效率提高(参照图5(b)的区域D)。
如上所述，根据本实施方式，起到以下的作用效果。
通过氨生成器2，能够以水及空气为原料而在船舶上生成氨，因此在船舶上无需设置储藏液体氨(例如氨水溶液)或尿素等还原剂的空间。因此，不用确保大的空间而能够将船舶用脱硝系统设置在船舶内。
通过主发动机3的废气发电的混合动力排气涡轮增压器5的混合动力发电机马达5c的发电输出对于氨生成器2供给，因此能够以少的消耗能量使氨生成器2运转。而且，由于能够有效利用主发动机3的排气能量，因此能够避免另行设置的柴油发动机驱动型发电机等的发电用辅机的容量增大或台数增加。
由于设置对螺旋桨轴10进行加力的轴发电机马达13，因此能够减少主发动机3的燃料消耗率。而且，对螺旋桨轴10进行加力的轴发电机马达13从船内电力系统30接受电力供给，因此使用排热回收的电力来驱动轴发电机马达13，由此能够构筑出热效率高的系统。尤其是在不需要废气脱硝的海域(ECA外)中航行时无需向氨生成器2或电加热器73供给电力，因此能够将由排热回收得到的电力的剩余量向轴发电机马达供给而有效地利用。
由于具备与对于氨生成器2供给电力的船内电力系统30连接的蓄电池67，因此即使柴油发动机3产生负载变动而混合动力排气涡轮增压器5的发电输出产生变动，也能够使用蓄电池67的电力。尤其是在柴油发动机3的低负载时无法充分得到来自混合动力排气涡轮增压器5的发电输出的情况下有用。因此，能够对于氨生成器2稳定地供给电力。此外，由于蓄电池67和混合动力排气涡轮增压器5同样地与船内电力系统30连接，因此能够蓄积由发电机产生的剩余电力。
另外，通过具备蓄电池而能够抑制负载变动，因此能够减少发电用柴油发动机61、63的容量及尺寸。
由于通过电加热器73能够使向SCR催化剂部4流入的废气温度上升，因此能够防止SCR催化剂的中毒。此外，由于电加热器73使用从主发动机3的废气进行热回收而发电的电力，因此能够节约能量地供给电力。
对于船内电力系统30连接太阳能发电装置69，并将太阳能发电装置69的发电输出向蓄电池67供给，因此能够进一步节约能量地进行电力供给。
由于从陆地接受电力的供给的外部电力输入部71与船内电力系统30连接，因此在船舶的靠岸时能够接受电力的供给。由此，在船舶的靠岸时能够从蓄电池67向侧推进器供给较多的电力，因此能够减少发电用柴油发动机61、63的负载，总体的热效率提高。
[第二实施方式]
接下来，使用图6及图7，说明本发明的第二实施方式。在上述的第一实施方式中，使用了混合动力排气涡轮增压器5(参照图2)作为排热回收系统17，相对于此，在本实施方式中，使用动力涡轮(气体涡轮)，在这一点上不同。因此，对于其他的共用的结构标注同一符号，省略其说明。
在排气岐管15上连接有第三排气管L3，经由该第三排气管L3向动力涡轮7的入口侧引导主发动机3的废气。这样的话，主发动机3的废气的一部分在向排气涡轮增压器供给之前被抽取而向动力涡轮7供给。通过该抽取的废气，驱动动力涡轮7旋转。
从动力涡轮7的出口侧排出的废气经由第四排气管L4被导向第二排气管L2(参照图1)。
来自动力涡轮7的旋转输出经由旋转轴32向动力涡轮侧发电机33传递。利用动力涡轮侧发电机33发电的输出经由频率变换器35及开闭开关36向船内电力系统30供给。由此，将动力涡轮侧发电机33的输出电力向氨生成器2供给。
在动力涡轮侧发电机33与频率变换器35之间设有负载组44。使用负载电阻装置作为负载组44，并为了消耗来自动力涡轮侧发电机33的剩余电力来减少输出变动而使用。
另外，在第三排气管L3设有控制向动力涡轮7导入的气体量的废气量调整阀37。而且，在废气量调整阀37断开时，为了防止排气涡轮增压器的向涡轮部的过增压(超过发动机的最佳运转压力的增压)而将旁通阀40及节流器42设置在第三排气管L3与第四排气管L4之间。
如图7(对应于第一实施方式的图4)所示，在使用动力涡轮7进行排热回收并利用动力涡轮侧发电机33(P/T)进行发电的本实施方式中，在主发动机3的负载成为规定值以上时，接着轴发电机马达(SGM)13之后，动力涡轮7开始发电，其发电量逐渐增大。这是因为，当主发动机负载超过规定值时，发动机的排气能量不会增大至能够进行排热回收的程度。需要说明的是，该图是一例，根据船内的发电系统而适当决定。
基于图7得到的动力涡轮侧发电机33的目标发电量通过图6所示的废气量调整阀37的开度来控制。
根据本实施方式，除了第一实施方式的作用效果之外，还起到以下的作用效果。
通过以主发动机3的废气为驱动源的动力涡轮7所发电的动力涡轮侧发电机33的输出电力经由船内电力系统30而使用在氨生成器2中，因此能够有效地利用主发动机3的排气能量。
[第三实施方式]
接下来，使用图8及图9，说明本发明的第三实施方式。在上述的第一实施方式中，使用混合动力排气涡轮增压器5(参照图2)作为排热回收系统17，相对于此，在本实施方式中，使用蒸气涡轮，在这一点上不同。因此，对于其他的共用的结构标注同一符号，省略其说明。
如图8所示，通过废气预热器11生成的蒸气经由第一蒸气管J1向蒸气涡轮9供给而驱动蒸气涡轮9旋转。
经由第二排气管L2排出的主发动机3的废气向废气预热器11导入。由废气预热器11生成的蒸气经由第一蒸气管J1向蒸气涡轮9导入。在蒸气涡轮9中结束了作功的蒸气由第二蒸气管J2排出而被导向未图示的冷凝器(凝汽器)。
来自蒸气涡轮9的旋转输出经由旋转轴52向蒸气涡轮侧发电机49(S/T)传递。由蒸气涡轮侧发电机49发电的输出经由频率变换器35及开闭开关36而向船内电力系统30供给。由此，将蒸气涡轮侧发电机49的输出电力向氨生成器2供给。
在第一蒸气管J1上设有控制向蒸气涡轮9导入的蒸气量的蒸气量调整阀54和在应急时切断向蒸气涡轮9的蒸气的供给的应急停止用紧急切断阀55。而且，在第一蒸气管J1与第二蒸气管J2之间设有用于调整绕过蒸气涡轮9的蒸气流量的蒸气旁通阀57。
如图9(对应于第一实施方式的图4)所示，在使用蒸气涡轮9进行排热回收并利用蒸气涡轮侧发电机49进行发电的本实施方式中，在主发动机3的负载成为规定值以上时，蒸气涡轮9开始发电，接着轴发电机马达(SGM)13开始发电，其发电量逐渐增大。需要说明的是，该图是一例，根据船内的发电系统而适当决定。
基于图9而得到的蒸气涡轮侧发电机49的目标发电量通过图8所示的蒸气量调整阀54的开度来控制。
根据本实施方式，除了第一实施方式的作用效果之外，还起到以下的作用效果。
使用以通过废气预热器11生成的蒸气为驱动源的蒸气涡轮9进行发电，并且废气预热器11使用主发动机3的废气，因此，能够更有效地利用主发动机3的排气能量。
[第四实施方式]
接下来，使用图10及图11，说明本发明的第四实施方式。在上述的第二实施方式中，使用动力涡轮7作为排热回收系统17，相对于此，在本实施方式中，使用动力涡轮及蒸气涡轮，在这一点上不同。因此，对于其他的共用的结构标注同一符号，省略其说明。
如图10所示，通过废气预热器11生成的蒸气经由第一蒸气管J1向蒸气涡轮9供给，而驱动蒸气涡轮9旋转。
经由第二排气管L2从主发动机3排出的废气和从动力涡轮7的出口侧经由第四排气管L4排出的废气向废气预热器11导入。由废气预热器11生成的蒸气经由第一蒸气管J1向蒸气涡轮9导入。在蒸气涡轮9中结束了作功的蒸气由第二蒸气管J2排出而被导向未图示的冷凝器(凝汽器)。
动力涡轮7与蒸气涡轮9串联地结合而驱动异种涡轮侧发电机50。即，在发电机50的同轴上连接有动力涡轮7及蒸气涡轮9这样不同种类(异种)的涡轮。利用异种涡轮侧发电机50发电的输出经由频率变换器35及开闭开关36向船内电力系统30供给。由此，将异种涡轮侧发电机50的输出电力向氨生成器2供给。
蒸气涡轮9的旋转轴52经由未图示的减速器及联轴器而与异种涡轮侧发电机50连接，而且，动力涡轮7的旋转轴32经由未图示的减速器及离合器53而与蒸气涡轮9的旋转轴52连结。作为离合器53，使用以规定的转速进行嵌合脱离的离合器，例如适合使用SSS(Synchro-Self-Shifting)离合器。
在第一蒸气管J1设有控制向蒸气涡轮9导入的蒸气量的蒸气量调整阀54和在应急时切断向蒸气涡轮9的蒸气的供给的应急停止用紧急切断阀55。而且，在第一蒸气管J1与第二蒸气管J2之间设有用于调整绕过蒸气涡轮9的蒸气流量的蒸气旁通阀57。
如图11(对应于第一实施方式的图4)所示，在使用动力涡轮7及蒸气涡轮9进行排热回收并利用异种涡轮侧发电机50进行发电的本实施方式中，在主发动机3的负载成为规定值以上时，蒸气涡轮9开始发电，然后在主发动机3的负载上升时，轴发电机马达(SGM)13、接着动力涡轮7开始发电，它们的发电量逐渐增大。需要说明的是，该图是一例，根据船内的发电系统而适当决定。
基于图11而得到的异种涡轮侧发电机50的目标发电量通过图10所示的废气量调整阀37及蒸气量调整阀54的开度进行控制。
根据本实施方式，除了第一实施方式及第二实施方式的作用效果之外，起到以下的作用效果。
除了以主发动机3的废气为驱动源的动力涡轮7之外，还使用以通过废气预热器11生成的蒸气为驱动源的蒸气涡轮9，并且废气预热器11使用发电主发动机3的废气，因此能够更有效地利用主发动机3的排气能量。
[第五实施方式]
接下来，使用图12及图13，说明本发明的第五实施方式。在上述的第二实施方式中，使用动力涡轮7作为排热回收系统17，相对于此，在本实施方式中，使用热介质涡轮，在这一点上不同。因此，关于其他的共用的结构，标注同一符号，省略其说明。
如图12所示，在第二冷却水管C2设有封套水用热交换器90。借助循环泵48而通过第一冷却水管C1及工作缸部13进行循环的封套水被导向封套水用热交换器90，对于从冷却水罐46引导的冷却水进行加热。
从冷却水罐46由循环泵47压出并经由热交换器90及第二冷却水管C2通过第二空气冷却器16而被逐渐加热后的冷却水由第三冷却水管C3导入热交换器89。
通过热交换器89而蒸气化后的热介质经由第一热介质管R1向热介质涡轮8供给，而驱动热介质涡轮8旋转。在热介质涡轮8中结束了作功的蒸气状的热介质在预热器95中与低温的热介质进行热交换，然后由冷凝器97液化，借助循环泵99而在系统内循环。
需要说明的是，在图12中，热介质与通过了封套水用热交换器90及第二空气冷却器16后的冷却水进行热交换，但也可以与加热水进行热交换，该加热水是与发动机废气进行了热交换后的加热水。
来自热介质涡轮8的旋转输出经由旋转轴91向热介质涡轮侧发电机93传递。利用热介质涡轮侧发电机93发电的输出经由频率变换器35及开闭开关36向船内系统30供给。由此，将热介质涡轮侧发电机93的输出电力向氨生成器2供给。
在上述结构中，热介质涡轮侧发电机93的发电量始终最大限度地取出，在其电力供给量相对于船内系统30的需要发生不足时，进行第一及/或第二发电用柴油发动机61、63的负载控制。
如图13所示，在使用热介质涡轮8进行排热回收并利用热介质涡轮侧发电机93(ORC)进行发电的本实施方式中，在主发动机3的负载成为规定值以上时，热介质涡轮8开始发电，其发电量逐渐增大。这是因为，当主发动机负载不超过规定值时，发动机冷却水及/或排气能量无法增大至能够进行排热回收的程度。需要说明的是，该图是一例，根据船内的发电系统而适当决定。
根据本实施方式，除了上述各实施方式的作用效果之外，起到以下的作用。
热介质涡轮侧发电机93通过以与柴油发动机3的冷却水进行热交换并蒸气化的热介质为驱动源的热介质涡轮8而发电，热介质涡轮侧发电机93的输出电力经由船内系统30而使用于氨生成器2，因此能够有效利用柴油发动机3的低温排热能量。
【符号说明】
1  船舶用脱硝系统
2  氨生成器
3  主发动机
4  SCR催化剂部
5  混合动力排气涡轮增压器
5c 混合动力发电机马达(增压器侧发电机)
7  动力涡轮
8  热介质涡轮
9  蒸气涡轮
11 废气预热器(废气锅炉)
30 船内电力系统
33 动力涡轮侧发电机
49 蒸气涡轮侧发电机
50 异种涡轮侧发电机
70 发动机主控制器
72 动力管理系统(PMS；发电输出控制部)
73 电加热器
81 氢制造部
83 氮制造部
93 热介质涡轮侧发电机

Claims (12)

1.一种船舶用脱硝系统，其中，具备：
氨生成器，其具有由水制造氢的氢制造部及由空气制造氮的氮制造部，由通过所述氢制造部制造出的氢及通过所述氮制造部制造出的氮来生成氨，并且从船内电力系统被供给电力；
脱硝催化剂部，其设置在船舶用推进用的主发动机的废气通路上，与通过所述氨生成器生成的氨一起进行废气脱硝；
发电机，其使用所述主发动机的废气能量进行发电，向所述船内电力系统供给电力；
轴发电机马达，其由所述主发动机驱动而发电，能够进行向所述船内电力系统供给电力的发电运转，并且由从所述船内电力系统供给的电力驱动而对螺旋桨轴加力；
发电输出控制部，其控制向所述氨生成器供给的供给电力、所述发电机的发电输出、以及向所述轴发电机马达供给的供给电力及所述轴发电机马达的发电输出。
2.根据权利要求1所述的船舶用脱硝系统，其中，
还具备与所述船内电力系统连接的蓄电池。
3.根据权利要求1或2所述的船舶用脱硝系统，其中，
还具备与所述船内电力系统连接的太阳能发电装置。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
在所述船内电力系统上连接有从船舶的外部的电源接受电力的供给的外部电力输入部。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
还具备对向所述脱硝催化剂部导入的废气进行加热的电加热器，
从所述船内电力系统对于该电加热器进行电力供给。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
使用增压器侧发电机作为所述发电机，该增压器侧发电机获得所述主发动机的排气涡轮增压器的旋转输出而发电。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
使用动力涡轮侧发电机作为所述发电机，该动力涡轮侧发电机通过以所述主发动机的废气为驱动源的动力涡轮而发电。
8.根据权利要求1～5中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
使用蒸气涡轮侧发电机作为所述发电机，该蒸气涡轮侧发电机通过蒸气涡轮而发电，该蒸气涡轮以通过使用了所述主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源。
9.根据权利要求1～5中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
使用异种涡轮侧发电机作为所述发电机，该异种涡轮侧发电机通过动力涡轮及蒸气涡轮而发电，该动力涡轮以所述主发动机的废气为驱动源，该蒸气涡轮以通过使用了所述主发动机的废气的废气锅炉而生成的蒸气为驱动源。
10.根据权利要求1～5中任一项所述的船舶用脱硝系统，其中，
使用热介质涡轮侧发电机作为所述发电机，该热介质涡轮侧发电机通过以与冷却水及/或加热水进行热交换而蒸气化的热介质为驱动源的涡轮而发电，该冷却水是所述主发动机的封套、空气冷却器的冷却水，该加热水是与废气进行了热交换后的加热水。
11.一种船舶，其中，具备：
船舶推进用的主发动机；
权利要求1～10中任一项所述的船舶用脱硝系统。
12.一种船舶用脱硝系统的控制方法，所述船舶用脱硝系统具备：
氨生成器，其具有由水制造氢的氢制造部及由空气制造氮的氮制造部，由通过所述氢制造部制造出的氢及通过所述氮制造部制造出的氮来生成氨，并且从船内电力系统被供给电力；
脱硝催化剂部，其设置在船舶用推进用的主发动机的废气通路上，与通过所述氨生成器生成的氨一起进行废气脱硝；
发电机，其使用所述主发动机的废气能量进行发电，向所述船内电力系统供给电力；
轴发电机马达，其由所述主发动机驱动而发电，能够进行向所述船内电力系统供给电力的发电运转，并且由从所述船内电力系统供给的电力驱动而对螺旋桨轴加力，
在所述船舶用脱硝系统的控制方法中，
通过发电输出控制部，控制向所述氨生成器供给的供给电力、所述发电机的发电输出、以及向所述轴发电机马达供给的供给电力及所述轴发电机马达的发电输出。
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PB01 Publication
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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