CN105599888A - 船舶推进系统和船舶、以及船舶推进系统的运转方法 - Google Patents

Abstract

本发明的船舶推进系统包括：发动机；增压机，向发动机提供增压空气；辅助鼓风机，向发动机供气；第1发电机，在发动机的发动机负荷的范围中的第1负荷段向辅助鼓风机提供电力，并在第2负荷段停止，该第2负荷段是负荷比第1负荷段高的范围；以及供电单元，是不同于第1发电机的电源，在第2负荷段，向辅助鼓风机提供利用发动机驱动时发生的余热而产生的电力。

Description

船舶推进系统和船舶、以及船舶推进系统的运转方法

技术领域

本发明涉及搭载于船舶的船舶推进系统。

背景技术

以往，已知一种船舶推进系统，其不仅能从增压机向船舶用发动机供气，还能利用辅助鼓风机进行供气。一般而言，在这样的船舶推进系统中，当发动机在低负荷段运转时，即从增压机向发动机的供气量较少时，由辅助鼓风机向发动机供气。

例如，日本专利公开公报特开2011-001961号(以下，称为专利文献1)记载在具备船舶用柴油机、涡轮增压机和辅助鼓风机的推进系统中，当发动机负荷降低到30％至40％时启动辅助鼓风机。为了驱动辅助鼓风机，往往使用搭载于船舶内的柴油发电机所产生的电力。

另一方面，日本专利公开公报特开2013-167241号(以下，称为专利文献2)公开一种回收作为船用原动机的带增压机原动机的余热的余热回收装置。在余热回收装置中进行所谓的有机朗肯循环(OrganicRankineCycle)。余热回收装置的热交换器将流动在扫气道内的扫气作为热源来加热工作流体使其汽化。汽轮机利用在热交换器中汽化的工作流体的膨胀能量旋转驱动。汽轮机的轴连接于发电机，通过汽轮机被驱动，发电机进行发电。

此外，在驱动柴油发电机而向辅助鼓风机提供电力的情况下，消耗大量燃料。因此，有时导致与驱动辅助鼓风机实现的发动机的油耗性能的提高相比，柴油发电机的燃料消耗量相对较多的情况发生。

于是，为了削减柴油发电机的燃料消耗，正在推进开发用于将专利文献2公开的余热回收装置所产生的电力向辅助鼓风机提供的技术。然而，在发动机负荷成为低负荷的区段(一般是指发动机负荷低于60％的区段)，由于增压机的扫气量减少，余热回收装置回收的热量也降低，因此不能确保充分的发电量。这样，不能单纯地将余热回收装置用作在发动机的低负荷段被驱动的辅助鼓风机的电源。

发明内容

本发明的目的在于提供船舶推进系统和船舶、以及船舶推进系统的运转方法，当需要从辅助鼓风机向发动机供气时，既能抑制辅助鼓风机的驱动所需要的燃料消耗，又能可靠地驱动辅助鼓风机。

本发明的一方面所涉及的船舶推进系统包括：发动机；增压机，向所述发动机提供增压空气；辅助鼓风机，向所述发动机供气；发电机，在所述发动机的发动机负荷中的第1负荷段向所述辅助鼓风机提供电力，并在第2负荷段停止，该第2负荷段是负荷比所述第1负荷段高的范围；以及供电单元，是不同于所述发电机的电源，在所述第2负荷段，向所述辅助鼓风机提供利用所述发动机驱动时发生的余热而产生的电力。

本发明的另一方面所涉及的船舶包括：如上所述的船舶推进系统，其中，所述发动机的输出功率为5000kW以上30000kW以下。

本发明的其它方面所涉及的船舶推进系统的运转方法中，所述船舶推进系统具备：发动机：增压机，向所述发动机提供增压空气；辅助鼓风机，向所述发动机供气；以及供电单元，利用所述发动机驱动时发生的余热来产生电力，其中，以使对应于发动机负荷的所述供电单元的驱动范围的一部分与所述辅助鼓风机的驱动范围相重叠的方式驱动所述供电单元及所述辅助鼓风机，向所述辅助鼓风机提供所述供电单元的电力。

根据本发明，当需要从辅助鼓风机向发动机供气时，既能抑制辅助鼓风机的驱动所需要的燃料消耗，又能可靠地驱动辅助鼓风机。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的船舶推进系统的概略结构的图。

图2是表示与发动机负荷相对应的供电单元的发电量、以及利用供电单元所带来的燃料费削减效果的试验结果的图。

图3是表示本发明的第2实施方式所涉及的船舶推进系统的概略结构的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的较佳实施方式进行说明。

(第1实施方式)

参照图1，对本发明的第1实施方式的船舶推进系统1进行说明。如图1所示，该船舶推进系统1具备船舶用发动机10、增压机12、辅助鼓风机20、供电单元40、第1发电机71以及作为其它发电机的第2发电机72。供电单元40是不同于第1发电机71及第2发电机72的电源，是利用发动机10驱动时发生的余热来产生电力的装置。船舶推进系统1被搭载于发动机10的输出功率为5000kW以上30000kW以下的船舶。

增压机12具备压缩机14和连接于压缩机14的涡轮16。

压缩机14压缩空气。在压缩机14中被压缩的增压空气经过将压缩机14与发动机10相连接的扫气管路17被提供给发动机10。

在本实施方式中，在扫气管路17设有利用从外部提供的冷却流体对增压空气进行冷却的空气冷却器22。在本实施方式中，将海水用作冷却流体。

从发动机10排出的废气经过将发动机10与涡轮16相连接的排气管路18流入涡轮16。涡轮16利用废气的膨胀能量驱动，通过该涡轮16的驱动力使压缩机14驱动。

在本实施方式中，从涡轮16流出的废气流入设置于涡轮16的排气管路上的废气经济器(exhaustgaseconomizer)24。废气经济器24让从外部提供的水与从涡轮16流出的废气进行热交换，从而产生水蒸气。另外，在废气经济器24中也可以将水以外的流体用作与废气进行热交换的工作流体。

辅助鼓风机20向发动机10供气。当发动机10在低负荷段运转时，即从增压机12向发动机10的供气量较少时，辅助鼓风机20被驱动。具体而言，辅助鼓风机20在发动机负荷(即，发动机的输出)大于0％且50％以下的范围时被驱动。以下，将该范围称为“鼓风机驱动范围”。另外，将鼓风机驱动范围中发动机负荷大于0％且小于40％的范围称为“第1负荷段L1”。而将负荷比第1负荷段L1高的范围、即发动机负荷在40％以上50％以下的范围称为“第2负荷段L2”。在本实施方式中，可以根据增压机12的转速求出发动机负荷。此外，也可以通过其它方法求出转速，例如根据燃料消耗量计算转速等。通过驱动辅助鼓风机20，可以抑制在发动机10中发生煤烟，而且能够提高发动机10的油耗性能。在本实施方式中，由辅助鼓风机20消耗的电力为45kW。在负荷比第2负荷段L2高的范围(大于50％且100％以下的范围，以下称为“第3负荷段L3”)，从增压机12向发动机10提供充分的增压空气，因此使辅助鼓风机20停止。

第1发电机71及第2发电机72是柴油发电机，消耗储存在船内的燃料来发电。在本实施方式中，第1发电机71及第2发电机72的最大发电量分别是400kW。由第1发电机71及第2发电机72产生的电力被输出到船舶内的电力系统。实际上，可以仅靠第1发电机71及第2发电机72中的任一方提供除了辅助鼓风机20以外的船舶内的电气设备(消耗电力的辅助机械等设备，以下称为“其它电气设备”)所消耗的电力。在本实施方式中，不管发动机负荷如何，都驱动第2发电机72，由第2发电机72产生的电力被提供给其它电气设备。第1发电机71在第1负荷段L1被驱动，与第2发电机72一起向辅助鼓风机20及其它电气设备提供电力。在第2负荷段L2及第3负荷段L3，使第1发电机71停止。

供电单元40是利用工作介质的朗肯循环的发电系统。供电单元40具备第1热交换器42、第2热交换器44、膨胀机46、发电部48、输出管路49、凝结器50、泵52和循环流路54。循环流路54将第1热交换器42、第2热交换器44、膨胀机46、凝结器50及泵52按此顺序相互连接。在本实施方式中，将R245fa等沸点比水低的有机流体用作工作介质。

第1热交换器42被设置于扫气管路17中压缩机14与空气冷却器22之间的部位。在第1热交换器42中，工作介质从经由压缩机14被吐出后流入发动机10之前的增压空气中回收热能。

第2热交换器44被设置于循环流路54中第1热交换器42的下游侧的部位。第2热交换器44使工作介质与从废气经济器24流出的水蒸气的一部分进行热交换，从而加热工作介质。另外，从废气经济器24流出的水蒸气的剩余部分被引导至蒸汽负荷管路。

膨胀机46被设置于循环流路54中第2热交换器44的下游侧的部位。膨胀机46使从第2热交换器44流出的气态的工作介质膨胀。在本实施方式中，将螺杆膨胀机用作膨胀机46。另外，膨胀机46也可以采用离心式或涡旋型等。

发电部48与膨胀机46相连接。发电部48具备与膨胀机46的一对螺杆转子中的至少一方相连接的转轴。发电部48通过让所述转轴伴随所述螺杆转子的旋转而旋转，从而产生电力。由发电部48产生的电力经由输出管路49被输出到船舶内的电力系统。

凝结器50在循环流路54中设置于膨胀机46的下游侧的部位。凝结器50利用冷却流体对从膨胀机46流出的工作介质进行冷却，使其凝结(液化)。在本实施方式中，将海水用作在凝结器50中与工作介质进行热交换的流体。

泵52被设置于循环流路54中凝结器50的下游侧的部位(凝结器50与第1热交换器42之间的部位)。泵52将从凝结器50流出的液态的工作介质加压到规定压力后向第1热交换器42送出。对于泵52，采用具备叶轮来作为转子的离心泵、转子由一对齿轮构成的齿轮泵、螺杆泵、余摆线泵(trochoidpump)等。

供电单元40在第2负荷段L2与第2发电机72一起向辅助鼓风机20及其它电气设备提供电力，而在第3负荷段L3与第2发电机72一起向辅助鼓风机20以外的其它电气设备提供电力。

在驱动船舶推进系统1时，从增压机12的压缩机14吐出的增压空气在第1热交换器42及空气冷却器22被冷却后流入发动机10。然后，从发动机10流出的废气在驱动涡轮16之后在废气经济器24产生水蒸气。另一方面，对于供电单元40而言，在第1热交换器42被增压空气加热后在第2热交换器44再被水蒸气加热的工作介质(蒸汽)流入膨胀机46并在此膨胀，由此驱动发电部48。

图2是表示与发动机10的输出负荷相对应的供电单元40的发电量、以及利用供电单元40所带来的燃料费削减效果的试验结果的图。其中，图2的纵轴表示费用削减效果的金额(单位：万日元)。横轴表示发动机负荷的比例。

由图2可知，在船舶推进系统1中，随着发动机负荷的增加，即，随着扫气管路17中的增压空气的量增加，由供电单元40的发电量及费用削减效果都逐渐增加。如上所述，在发动机负荷的第3负荷段L3，第2发电机72及供电单元40被驱动，向辅助鼓风机20以外的其它电气设备提供电力。由于供电单元40的发电量随着发动机负荷的增加而增加，即使在燃料消耗量多的第3负荷段L3，也能够抑制燃料费上涨。

在船舶推进系统1中，在发动机10的第2负荷段L2驱动辅助鼓风机20。第2发电机72及供电单元40向辅助鼓风机20及其它电气设备提供电力。由图2可知，在发动机负荷为50％时的供电单元40的输出为44kW，其与辅助鼓风机20所消耗的电力(45kW)大致相同。因而，能够由供电单元40提供大致相当于辅助鼓风机20消耗的电力的电力。另外，稍微不足的电力由第2发电机72来补充。

在发动机10的第1负荷段L1，第1发电机71及第2发电机72被驱动，向辅助鼓风机20及其它电气设备提供电力。在第1负荷段L1，由于发动机负荷的输出降低使得增压空气的热量减少，因此供电单元40被停止。

下面，对搭载有船舶推进系统1的船舶的运转进行说明。当船舶从出发地出港时，发动机10以使发动机负荷成为第3负荷段L3的方式被驱动，优选的是以使发动机负荷成为70％以上85％以下的负荷段的方式被驱动。在一段时间，发动机10在第3负荷段L3被驱动，当被判断为到目的地的预测到达时间充分短于目标到达时间时，发动机负荷被降低到第2负荷段L2。此时，辅助鼓风机20被驱动。在本实施方式中，在维持发动机负荷于大致50％不变的状态下驱动发动机10。当船舶接近目的地时，使发动机负荷从50％逐渐降低到第1负荷段L1，船舶在减速的状态下到达目的地。

以上，对船舶推进系统1及船舶进行了说明，在鼓风机驱动范围之中负荷较高的范围即第2负荷段L2，利用供电单元40及第2发电机72的电力驱动辅助鼓风机。这样，以使对应于发动机负荷的供电单元40的驱动范围的一部分与鼓风机驱动范围相重叠的方式驱动供电单元40及辅助鼓风机20，从而与在整个鼓风机驱动范围一直从第1发电机71及第2发电机72向辅助鼓风机20提供电力的情况相比，能够抑制两个发电机71、72的燃料消耗量。另外，在负荷比第2负荷段L2低的范围即第1负荷段L1，从第1发电机71及第2发电机72向辅助鼓风机20提供电力，从而与从供电单元40及第2发电机72向辅助鼓风机20提供电力的情况相比，能更可靠地驱动辅助鼓风机20。如上所述，船舶推进系统1既能抑制辅助鼓风机20的驱动所需要的燃料消耗，又能可靠地驱动辅助鼓风机20。

在船舶推进系统中，为了抑制燃料消耗，会考虑到在鼓风机驱动范围内仅用第2发电机72向包含辅助鼓风机的全部电气设备提供电力。但是，如上所述，第2发电机72的最大输出为400kW，而辅助鼓风机20的耗电量为45kW，在仅用第2发电机72供电的情况下，辅助鼓风机20将会消耗第2发电机72的输出的10％以上，这样有可能超过第2发电机72被容许的输出(以下称为“容许输出”)。与此相对，在船舶推进系统1中，由于供电单元40在第2负荷段L2的输出为41kW至44kW，也就是，供电单元40提供辅助鼓风机20在第2负荷段L2消耗的电力的90％以上的电力，因此能够抑制第2发电机72超过其容许输出。

在船舶推进系统1中，由供电单元40及第2发电机72向辅助鼓风机20提供电力，因此，即使在供电单元40产生的电力稍微小于辅助鼓风机20消耗的电力的情况下，只要不超过第2发电机72的容许输出，就能驱动辅助鼓风机20。由此，能够减小第1发电机71及第2发电机72都被驱动的第1负荷段L1，可以更多地削减燃料消耗量。

这样，可以理解第2负荷段L2是鼓风机驱动范围，且是第2发电机72的容许输出与供电单元40的输出的总量为辅助鼓风机20及其它电气设备(即，全部电气设备)所消耗的电力量以上的范围。另外，可以理解第1负荷段L1是第2发电机72的容许输出与供电单元40的输出的总量小于辅助鼓风机20及其它电气设备所消耗的电力量的范围。

此外，通过设置供电单元40，可以回收增压空气的热，因此能够降低空气冷却器22对增压空气的冷却负荷，能进一步提高船舶的油耗性能。在供电单元40中，通过回收来自废气经济器24的热，与仅用增压空气的热来发电的情况相比，能够增加发电量，扩大供电单元40的驱动范围。

由于船舶推进系统1被搭载于大型船舶，能更有效地实现利用供电单元40的燃料削减。

(第2实施方式)

参照图3，对本发明的第2实施方式的船舶推进系统1进行说明。在第2实施方式中，仅说明与第1实施方式不同的部分，省略与第1实施方式同样的结构、作用及效果的说明。

在本实施方式中，供电单元40的结构不同于第1实施方式。具体而言，本实施方式的供电单元40具备利用从废气经济器24流出的水蒸气直接被驱动的膨胀机62、与膨胀机62连接的发电机64、以及用于向辅助鼓风机20提供通过发电机64产生的电力的输出管路65。另外，膨胀机62、发电机64及输出管路65的结构与第1实施方式的膨胀机46、发电部48及输出管路49的各结构大致相同。

即使采用这样的方式，也利用在发动机10被驱动时发生的余热而产生用于向辅助鼓风机20提供的电力，因此能够削减发动机10及辅助鼓风机20的驱动所需要的燃料的总消耗量。

以上，对本发明的较佳实施方式进行了说明，但是应理解为本说明书中公开的实施方式在所有方面都是一种例子，而不是限制性的。本发明的范围基于权利要求的范围来揭示，而不基于上述实施方式的说明，而且还包含与权利要求的范围同等意义及范围的所有变更。

例如，在上述实施方式中，只要存在鼓风机驱动范围与供电单元40的驱动范围相重叠的范围，也可以在发动机负荷大于0％且小于60％的范围内任意地设定鼓风机驱动范围，还可以设定多个鼓风机驱动范围。即使在这种情况下，在鼓风机驱动范围之中的高负荷范围内，通过将供电单元40产生的电力提供给辅助鼓风机20，能够抑制辅助鼓风机20的驱动所需要的燃料消耗。

在供电单元40的驱动范围与鼓风机驱动范围对应于发动机负荷相互重叠的范围内，在供电单元40的输出大于辅助鼓风机20消耗的电力的情况下，也可以仅用供电单元40向辅助鼓风机20提供电力。在此情况下，第2负荷段被设定为既是鼓风机驱动范围，又是供电单元40的输出成为辅助鼓风机20消耗的电力以上的范围。在第1负荷段L1，也可以仅用第1发电机71向辅助鼓风机20提供电力。

供电单元40也可以使用各种热源，热源只要是发动机10驱动时发生的余热即可。例如，也可以将发动机冷却水或从发动机10被排出的废气用作热源。

在上述第1实施方式中，如果第1热交换器42能够从增压空气中回收充分的热能，则并不一定需要设置第2热交换器44。另一方面，在需要更多热能的情况下，也可以将增压空气、从废气经济器24排出的水蒸气、发动机冷却水及废气中的至少两个以上用作热源。

以上说明的实施方式中主要包含具备以下结构的发明。

一种船舶推进系统，包括：发动机；增压机，向所述发动机提供增压空气；辅助鼓风机，向所述发动机供气；发电机，在所述发动机的发动机负荷中的第1负荷段向所述辅助鼓风机提供电力，并在第2负荷段停止，该第2负荷段是负荷比所述第1负荷段高的范围；以及供电单元，是不同于所述发电机的电源，在所述第2负荷段，向所述辅助鼓风机提供利用所述发动机驱动时发生的余热而产生的电力。

所述船舶推进系统，在辅助鼓风机被驱动的发动机负荷的范围之中负荷较高的范围即第2负荷段，利用由供电单元产生的电力驱动辅助鼓风机。由此，能够削减为了驱动辅助鼓风机而被发电机消耗的燃料。另外，在负荷比第2负荷段低的范围即第1负荷段，由于发动机驱动时发生的余热比在第2负荷段发生的余热降低，造成供电单元产生的电力减少，因此与辅助鼓风机消耗的电力相比，由供电单元产生的电力远远不够。与此相对，所述船舶推进系统通过另外启动发电机向辅助鼓风机提供电力，能够可靠地驱动辅助鼓风机。这样，所述船舶推进系统，在需要由辅助鼓风机向发动机供气时将由供电单元产生的电力用于辅助鼓风机的驱动，因此既能抑制辅助鼓风机的驱动所需要的发电机的燃料消耗，又能可靠地驱动辅助鼓风机。

在此情况下优选的是，所述供电单元具备：热交换器，利用从所述增压机被吐出后流入所述发动机之前的增压空气对工作介质进行加热；膨胀机，使从所述热交换器流出的工作介质膨胀；发电部，与所述膨胀机相连接，用于产生电力；凝结器，使从所述膨胀机流出的工作介质凝结；以及泵，将从所述凝结器流出的工作介质向所述热交换器送出。

根据该方式，在热交换器中利用增压空气向工作介质提供的热能来发电，因此，能一并达成向发动机提供的增压空气的冷却及辅助鼓风机的驱动所需要的燃料的削减。

另外，优选的是，所述船舶推进系统还具备不同于所述发电机的其它发电机，其中，所述其它发电机及所述供电单元在所述第2负荷段向所述辅助鼓风机及所述辅助鼓风机以外的电气设备提供电力。

根据该方式，通过利用被适用于电气设备的其它发电机的电力，即使在供电单元的输出稍微小于辅助鼓风机消耗的电力的情况下，当该其它发电机产生的电力与供电单元产生的电力的总量大于辅助鼓风机及其它电气设备消耗的电力量时，能够驱动辅助鼓风机。由此，能够将为了驱动辅助鼓风机而在第1负荷段使用的发电机的运转范围设为小，能够更多地削减燃料消耗量。

以上说明的实施方式还包含如下发明。

一种船舶，其具备所述船舶推进系统，其中，所述发动机的输出功率为5000kW以上30000kW以下。该船舶具有在辅助鼓风机中消耗大量燃料的大小，能更有效地实现利用供电单元的燃料削减。

一种船舶推进系统的运转方法，其中，所述船舶推进系统具备：发动机；增压机，向所述发动机提供增压空气；辅助鼓风机，向所述发动机供气；供电单元，利用所述发动机驱动时发生的余热来产生电力，其中，以使所述供电单元的驱动范围的一部分与所述辅助鼓风机的驱动范围相重叠的方式驱动所述供电单元及所述辅助鼓风机，向所述辅助鼓风机提供所述供电单元的电力。

该方法通过利用由供电单元产生的电力，能够削减为了驱动辅助鼓风机而消耗的燃料。

Claims (5)

1.一种船舶推进系统，其特征在于包括：

发动机；

增压机，向所述发动机提供增压空气；

辅助鼓风机，向所述发动机供气；

发电机，在所述发动机的发动机负荷中的第1负荷段向所述辅助鼓风机提供电力，并在第2负荷段停止，该第2负荷段是负荷比所述第1负荷段高的范围；以及

供电单元，是不同于所述发电机的电源，在所述第2负荷段，向所述辅助鼓风机提供利用所述发动机驱动时发生的余热而产生的电力。

2.根据权利要求1所述的船舶推进系统，其特征在于，所述供电单元具备：

热交换器，利用从所述增压机被吐出后流入所述发动机之前的增压空气对工作介质进行加热；

膨胀机，使从所述热交换器流出的工作介质膨胀；

发电部，与所述膨胀机相连接，用于产生电力；

凝结器，使从所述膨胀机流出的工作介质凝结；以及

泵，将从所述凝结器流出的工作介质向所述热交换器送出。

3.根据权利要求1或2所述的船舶推进系统，其特征在于还包括：

不同于所述发电机的其它发电机，其中，

所述其它发电机及所述供电单元在所述第2负荷段向所述辅助鼓风机及所述辅助鼓风机以外的电气设备提供电力。

4.一种船舶，其特征在于包括：

根据权利要求1至3中任一项所述的船舶推进系统，其中，

所述发动机的输出功率为5000kW以上30000kW以下。

5.一种船舶推进系统的运转方法，其特征在于，所述船舶推进系统具备：

发动机：

增压机，向所述发动机提供增压空气；

辅助鼓风机，向所述发动机供气；以及

供电单元，利用所述发动机驱动时发生的余热来产生电力，其中，

以使对应于发动机负荷的所述供电单元的驱动范围的一部分与所述辅助鼓风机的驱动范围相重叠的方式驱动所述供电单元及所述辅助鼓风机，向所述辅助鼓风机提供所述供电单元的电力。