CN104684801B - 船舶推进装置、船舶及船舶推进方法 - Google Patents

船舶推进装置、船舶及船舶推进方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种船舶推进装置、船舶及船舶推进方法。本发明的船舶(1)具备：燃气涡轮(14)，通过主发动机(12)的废气而被驱动，所述主发动机设有增压器(22)，且驱动推进用螺旋桨(29)；蒸汽涡轮(18)，通过由废气生成的蒸汽而被驱动；船舶设备(44)，被供给涡轮发电机(20)所产生的发电电力来进行工作；及辅助马达(46)，被供给涡轮发电机(20)所产生的发电电力来驱动，且辅助主发动机(12)。本发明的船舶推进装置(10)通过涡轮发电机(20)所产生的发电电能与船舶设备(44)的所需电能的差量即剩余电能来驱动辅助马达(46)，在辅助马达(46)的消耗电能达到预先设定的电能且发电电能超过该消耗电能和船舶设备(44)的所需电能的总计时，减少向燃气涡轮(14)的废气的抽气量。

Description

船舶推进装置、船舶及船舶推进方法
技术领域
本发明涉及一种船舶推进装置、船舶及船舶推进方法。
背景技术
一直以来，开发出了一种船舶，其通过主发动机(主机)的废气来驱动燃气涡轮，或者通过废气使节约器产生蒸汽来驱动蒸汽涡轮，从而进行发电以弥补船内的所需电能。
并且，在专利文献1、2中公开有与得到发电的船内的剩余电能来辅助主发动机的轴发电机马达有关的技术。
尤其，在专利文献1中公开有一种船舶，其具备：燃气涡轮控制部，根据船内所需电能及主发动机的负载，将对供给至燃气涡轮的来自主发动机的废气的流量进行控制的燃气涡轮用控制阀的开度作为前馈开度来进行运算；及燃料喷射量控制部，将与轴发电机马达的马达运行时的输出相当的主发动机的燃料喷射量作为换算燃料喷射量来进行运算，并从供给至主发动机的燃料喷射量减去该换算燃料喷射量。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2011-116152号公报
专利文献2：日本专利公开2010-222001号公报
发明的概要
发明要解决的技术课题
专利文献1中记载的船舶根据船内所需电能，对燃气涡轮用控制阀的开度进行前馈控制，因此能够尽可能减少船内的剩余电能，并且，在船内电力急剧减少而产生比较大的剩余电能时，通过轴发电机马达进行轴的辅助，并且减少与轴发电机马达的运行时的输出相当的主发动机的燃料喷射量，以便成为目标螺旋桨转速，从而能够改善油耗。
然而，在专利文献1中记载的船舶中，对燃气涡轮用控制阀的开度进行前馈控制，在产生剩余电能时，通过轴发电机马达进行轴的辅助，并且减少主发动机的燃料喷射量，如上所述，其控制非常复杂。并且，专利文献1中未特别提及船内所需电能和轴发电机马达的容量的大小。
本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够通过简单的控制进一步提高船舶的能量效率的船舶推进装置、船舶及船舶推进方法。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述课题，本发明的船舶推进装置、船舶及船舶推进方法采用以下手段。
即，本发明的第一方式所涉及的船舶推进装置具备：主发动机，设有增压器，且驱动船舶的推进用螺旋桨；燃气涡轮，通过所述主发动机的废气而被驱动；涡轮发电机，通过所述燃气涡轮而被驱动；及辅助马达，辅助所述船舶的推进，其中，通过所述涡轮发电机所产生的发电电能与所述船舶设备的所需电能的差量即剩余电能来驱动所述辅助马达，在所述辅助马达的消耗电能达到预先设定的电能且所述发电电能超过该消耗电能和所述所需电能的总计时，减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量。
本结构的船舶推进装置具备：主发动机，设有增压器，且驱动船舶的推进用螺旋桨；燃气涡轮，通过主发动机的废气而被驱动；涡轮发电机，通过燃气涡轮而被驱动；及辅助马达，辅助船舶的推进。
船舶推进装置最优先向船舶设备供给电力，通过剩余电能来驱动辅助马达。因此，所有剩余电能由辅助马达消耗，但若船舶设备的消耗电力减少且剩余电能超过辅助马达的最大消耗电能，则涡轮发电机的发电电能不会被消耗而处于多余状态。
因此，在辅助马达的消耗电能达到预先设定的电能且发电电能超过该消耗电能和船内所需电能的总计时，减少向燃气涡轮的废气的抽气量。预先设定的电能例如为辅助马达的最大消耗电能。
通过减少向燃气涡轮的废气的抽气量，能够防止产生船舶设备及辅助马达中也不使用的剩余的发电电力，更大量的主发动机的废气被输送至增压器，因此能够改善主发动机的油耗。并且，通过针对船内所需电能较小的船舶使用最大消耗电能较小的马达作为辅助马达，能够在辅助马达中利用剩余电力，由辅助马达吸收剩余电力。即使辅助马达吸收剩余电力也仍然产生剩余电力时，减少向燃气涡轮的排气量，仅控制主发动机的扫气压力的上升，由此能够轻松地进行运行控制。
另外，本控制中，对由船舶消耗的总计电能和发电电能进行比较，并控制向燃气涡轮的废气的抽气量，因此是一种简单的控制。
因此，本结构能够通过简单的控制进一步提高船舶的能量效率。
在上述第一方式中，在所述发电电能超过所述辅助马达的最大消耗电能和所述船内所需电能的总计时，优选减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量，以使所述总计与所述发电电能相等。
根据本结构，使辅助马达的最大消耗电能和船舶设备的船内所需电能的总计与涡轮发电机的发电电能相等，由此发电电能不会产生剩余，因此能够进一步提高船舶的能量效率。
并且，本发明的第二方式所涉及的船舶具备上述记载的船舶推进装置。
并且，本发明的第三方式所涉及的船舶推进方法包括以下工序：通过主发动机的驱动来驱动推进用螺旋桨；通过所述主发动机的废气来驱动燃气涡轮，从而进行发电；及辅助船舶的推进，其中，通过发电电能与船内所需电能的差量即剩余电能来辅助所述船舶的推进，在辅助所消耗的消耗电能达到预先设定的电能且所述发电电能超过该消耗电能和所述船内所需电能的总计时，减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量。
发明效果
根据本发明，具有能够通过简单的控制进一步提高船舶的能量效率的优越的效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的船舶推进装置的结构图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的燃气涡轮控制阀的阀开度控制装置的电构成的框图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的涡轮发电机所产生的发电电能及其消耗状态的一例的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的船舶推进装置、船舶及船舶推进方法的一实施方式进行说明。
图1示出设置于船舶1的船舶推进装置10的概略结构。
船舶推进装置10具备主发动机12、燃气涡轮14、蒸汽产生装置16、蒸汽涡轮18及涡轮发电机20。
主发动机12为柴油机，其设有增压器22和废气歧管24。主发动机12与推进轴26的一端直接连结，使该推进轴26旋转驱动。在推进轴26的另一端固定有船舶1的推进用螺旋桨29。
增压器22具备同轴设置的涡轮22A和压缩机22B。从主发动机12排出的废气经由废气歧管24被导入到涡轮22A，从而涡轮22A被旋转驱动。若涡轮22A被驱动，则同轴设置的压缩机22B进行旋转，从而压缩空气。经压缩的空气被供给至主发动机12。
废气分支管25从废气歧管24与涡轮22A之间分支，并连接于燃气涡轮14。另一方面，涡轮22A的废气出口侧连接于蒸汽产生装置16。
燃气涡轮14具备涡轮14A和轴14B。涡轮14A通过从主发动机12排气的高温的废气而被旋转驱动，从而使连接于涡轮14A的轴14B进行旋转。涡轮14A的废气出口侧和增压器22所具备的涡轮22A的废气出口侧合流，并连接于蒸汽产生装置16。
并且，废气分支管25上设有燃气涡轮主闸门阀27和燃气涡轮控制阀28。燃气涡轮主闸门阀27进行从主发动机12供给至燃气涡轮14的废气的隔绝，无需进行除开闭以外的控制，通常被完全打开。燃气涡轮控制阀28控制废气向燃气涡轮14的抽气量，只要不是主发动机12的扫气压力过度下降的情况，就会被完全打开。
另外，废气分支管25和涡轮14A的废气出口侧通过具备废气旁通阀30的旁通管32旁通。即使燃气涡轮控制阀28被完全打开，扫气压力有余时，废气旁通阀30也会被打开。其结果，后述蒸汽产生装置16中的水的蒸发量增加，从而蒸汽涡轮18所产生的发电电能增加。
蒸汽产生装置16具备废气节约器34和汽水分离器36。
废气节约器34在其烟道内具备过热器34A和蒸发器34B。过热器34A和蒸发器34B在废气节约器34内从下朝上依次平行装配。高温废气流过废气节约器34的烟道内，经过烟囱(未图示)排放至大气中。蒸汽从汽水分离器36的上部被导入到过热器34A中。水从汽水分离器36的下部被导入到蒸发器34B中。
水和蒸汽以分离的形态分别积存于汽水分离器36内的下部和下部。汽水分离器36内的水通过锅炉水循环泵38被导入到废气节约器34内的蒸发器34B中。包含来自废气节约器34的蒸发器34B的水分的蒸汽被导入到汽水分离器36中，并被分离成水和蒸汽。分离出的蒸汽被导入到废气节约器34内的过热器34A中。
蒸汽涡轮18具备涡轮18A和轴18B。涡轮18A通过从蒸汽产生装置16供给的蒸汽而被旋转驱动，使连接于涡轮18A的轴18B进行旋转。在废气节约器34与蒸汽涡轮18之间设有蒸汽涡轮控制阀40，蒸汽涡轮控制阀40以供给至蒸汽涡轮18的蒸汽的压力成为恒定的方式进行控制。
涡轮发电机20设置为与燃气涡轮14所具备的轴14B及蒸汽涡轮18所具备的轴18B呈同轴状，通过燃气涡轮14及蒸汽涡轮18而被驱动，从而进行发电。涡轮发电机20所产生的发电电力经由电力线42与船内系统连接，并供给至各种船舶设备44和辅助马达46，用于驱动船舶设备44和辅助马达46。
另外，在本实施方式中，设为燃气涡轮14和蒸汽涡轮18设置为同轴状的结构，但并不限于此，也可以设为燃气涡轮14和蒸汽涡轮18并联连接，且通过各自的驱动进行发电的结构。
辅助马达46设置于主发动机12与推进用螺旋桨29之间，且辅助主发动机12。另外，通过电能检测部49检测辅助马达46的消耗电能。
另外，向船舶设备44及辅助马达46供给电力的电力线42上适当地备有用于停止供给电力的断路器48。
并且，本实施方式的船舶1具备未图示的发电用柴油发动机作为辅机发电机，其发电电力也经由电力线42与船内系统连接。
另外，各船舶设备44所需的电力(以下称为“船内所需电能”)根据由连接于船内系统的电流表及电压表得到的电流值及电压值，通过未图示的控制部(电源管理系统：以下称为“PMS”)进行运算。
在此，当船舶1例如为装载冷冻集装箱的大型集装箱船时，由于船舶设备44的消耗电能较大，因此能够将涡轮发电机20所产生的发电电能全部消耗掉。然而，在油船和散货船等船舶设备44的消耗电能不大的船舶1中，即使具备辅助马达46，有时也无法将涡轮发电机20所产生的发电电能全部消耗掉。
因此，本实施方式所涉及的船舶推进装置10通过涡轮发电机20所产生的发电电能与船舶设备44的船内所需电能的差量即剩余电能来驱动辅助马达46。而且，在辅助马达46的消耗电能达到预先设定的电能(以下称为“设定电能”)且发电电能超过该消耗电能和船内所需电能的总计(以下称为“总计电能”)时，船舶推进装置10减少向燃气涡轮14的废气的抽气量。另外，设定电能例如为能够由辅助马达46消耗的最大的电能(以下称为“最大消耗电能”)，但并不限于此，也可以设为低于最大消耗电能的电能。
并且，通过针对船内所需电能较小的船舶1使用最大消耗电能较小的辅助马达作为辅助马达46，能够在辅助马达46中利用剩余电力，由辅助马达46吸收剩余电力。即使辅助马达46吸收剩余电力也仍然产生剩余电力时，减少向燃气涡轮14的排气量，仅控制主发动机12的扫气压力的上升，由此能够轻松地进行运行控制。
图2是表示本实施方式所涉及的燃气涡轮控制阀28的阀开度控制装置50的电构成的框图。另外，阀开度控制装置50例如由CPU(CentralProcessingUnit)、RAM(RandomAccessMemory)、及计算机可读的记录介质等构成。而且，一例中，用于实现各种功能的一系列的处理以程序的形式记录在记录介质等中，通过CPU使RAM等读出该程序并执行信息的加工、运算处理来实现各种功能。
阀开度控制装置50具备总计部52、比较部54及阀开度运算部56，并对燃气涡轮控制阀28的阀开度进行控制。
总计部52计算由电能检测部49检测出的辅助马达46的消耗电能与船舶设备44的船内所需电能之和即总计电能，并输出至比较部54。另外，辅助马达46被控制成不让消耗电能超过设定电能。并且，从PMS输出船舶设备44的船内所需电能。
比较部54对所输入的总计电能和涡轮发电机20的发电电能进行比较，并将比较结果输出至阀开度运算部56。
阀开度运算部56根据比较部54的比较结果来运算阀开度指令值，并输出至燃气涡轮控制阀28。
当示出总计电能超过发电电能的比较结果时，阀开度运算部56输出使燃气涡轮控制阀28完全打开的阀开度指令值。
另一方面，当示出辅助马达46的消耗电能达到设定电能且发电电能超过总计电能的比较结果时，阀开度运算部56向关闭燃气涡轮控制阀28的方向输出阀开度指令值。此时，阀开度运算部56例如可以根据发电电能与总计电能的差量，通过PI控制来计算出阀开度指令值，也可以预先存储表示发电电能与总计电能的差量和阀开度之间的关系的图表信息，并根据该图表信息来计算出与差量相对应的阀开度指令值。
另外，优选阀开度运算部56计算出总计电能和发电电能变相等的阀开度指令值。
图3是表示涡轮发电机20所产生的发电电能及其消耗状态的一例的图。
如图3所示，在时间t1，涡轮发电机20开始发电，在时间t2之前，涡轮发电机20所产生的发电电能少于船内所需电能，因此发电用柴油发动机也进行发电。另外，在时间t2，主发动机12的负载即额定负载为60％，额定负载随着时间的经过而上升。另外，额定负载为从发动机负载(轴输出)减去轴发电机(ShaftGeneratorMotor：SGM)输出的值。
涡轮发电机20的发电电能随着额定负载的上升而增加，因此发电电能与船内所需电能之差成为剩余电能，剩余电能全部供给至辅助马达46。在图3的例子中，在额定负载成为60％的时间t2，产生剩余电力，通过辅助马达46开始进行主发动机12的辅助。
如此，船舶推进装置10最优先向船舶设备44供给电力，通过剩余电力驱动辅助马达46。
另外，主发动机12的螺旋桨转速被控制成恒定，因此通过辅助马达46，推进用螺旋桨29的实际转速上升至高于设定转速时，将主发动机12的燃料阀控制成使节流螺旋桨转速成为设定转速。
而且，在图3的例子中，船内所需电能恒定，因此剩余电能随着额定负载的上升而增加。时间t3即额定负载达到85％，则剩余电能达到以辅助马达46的设定电能设定的最大消耗电能，辅助马达46以最大消耗电能辅助主发动机12。
由此，额定负载相对于船内所需电能在60～85％之间时，能够进行由辅助马达46吸收剩余电力的运行，用于进行有效运行的辅助马达46的启动定时被决定，因此能够轻松地进行辅助马达46的启动控制。
作为辅助马达46的最大消耗电能，例如在相对于涡轮发电机20的最大发电电能1400KW，最大船内所需电能设为700KW时，能够设为其差量即700KW。并且，通过使用最大消耗电能更小的辅助马达46，或者将设定电能设定为小于最大消耗电能，还能够进一步抑制辅助马达46的最大消耗电能。
而且，若额定负载上升至其以上，则剩余电能超过辅助马达46的最大消耗电能，即发电电能超过总计电能。此时，通过阀开度控制装置50，将燃气涡轮控制阀28的阀开度向关闭的方向控制，因此向燃气涡轮14的废气的抽气量减少，即使额定负载进一步上升(时间t3的额定负载85％至额定负载100％)，涡轮发电机20的发电电能与总计电能也会变相等。
另一方面，如时间t4以后，额定负载为100％且船内所需电能减少，则由于辅助马达46的最大消耗电能恒定，因此为了使发电电能与总计电能相等，将燃气涡轮控制阀28的阀开度进一步向关闭的方向控制而使发电电能减少。
如此，在发电电能超过总计电能时，向燃气涡轮14的废气的抽气量减少，由此能够防止产生船舶设备44及辅助马达46中也不使用的剩余的发电电力，更大量的主发动机12的废气被输送至设置于主发动机12的增压器22，因此能够改善主发动机12的油耗。
并且，通过针对船内所需电能较小的船舶1使用最大消耗电能较小的马达作为辅助马达46，能够进一步减少由辅助马达46利用的剩余电力。
并且，本实施方式所涉及的控制中，对由船舶1消耗的总计电能和发电电能进行比较，并控制向燃气涡轮14的废气的抽气量，因此是一种简单的控制。
另外，在本实施方式中，通过使辅助马达46的消耗电能和船舶设备44的所需电能的总计与涡轮发电机20的发电电能相等来防止发电电能产生剩余，因此能够进一步提高船舶1的能量效率。
如以上所说明，本第1实施方式所涉及的船舶推进装置10通过涡轮发电机20所产生的发电电能与船舶设备44的所需电能的差量即剩余电能来驱动辅助马达46，在发电电能超过辅助马达46的消耗电能和船舶设备44的所需电能的总计时，减少向燃气涡轮14的废气的抽气量。
因此，本实施方式所涉及的船舶推进装置10能够通过简单的控制进一步提高船舶1的能量效率。
以上，使用上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于上述实施方式中记载的范围。在不脱离发明宗旨的范围内，可以对上述实施方式施加各种变更或改良，施加了该变更或改良的方式也包含于本发明的技术范围内。
符号说明
1-船舶，10-船舶推进装置，12-主发动机，14-燃气涡轮，18-蒸汽涡轮，20-涡轮发电机，22-增压器，29-推进用螺旋桨，44-船舶设备，46-辅助马达。

Claims (4)

1.一种船舶推进装置，具备：
主发动机，设有增压器，且驱动船舶的推进用螺旋桨；
燃气涡轮，通过所述主发动机的废气而被驱动；
涡轮发电机，通过所述燃气涡轮而被驱动；及
辅助马达，辅助所述船舶的推进，
其中，通过所述涡轮发电机所产生的发电电能与所述船舶设备的所需电能的差量即剩余电能来驱动所述辅助马达，在所述辅助马达的消耗电能达到预先设定的电能且所述发电电能超过该消耗电能和所述所需电能的总计时，减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量。
2.根据权利要求1所述的船舶推进装置，其中，
在所述发电电能超过所述辅助马达的消耗电能和所述所需电能的总计时，减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量，以使所述总计与所述发电电能相等。
3.一种船舶，其具备权利要求1或2所述的船舶推进装置。
4.一种船舶推进方法，其包括以下工序：
通过主发动机的驱动来驱动推进用螺旋桨；
通过所述主发动机的废气来驱动燃气涡轮，从而进行发电；及
辅助船舶的推进，
其中，通过发电电能与船内所需电能的差量即剩余电能来辅助所述船舶的推进，在辅助所消耗的消耗电能达到预先设定的电能且所述发电电能超过该消耗电能和所述船内所需电能的总计时，减少向所述燃气涡轮的废气的抽气量。
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