CN106132821A - 动态负载分担动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于海洋船舶或者石油钻井船(10)的动力系统(12)。该动力系统可具有多个动力源(22)、至少一个动力消耗设备(14)以及配置成产生可指示所需的输出的信号的输入装置(20)。该动力系统还可以包括负载管理器(24)以及控制器(26)，所述负载管理器(24)与所述至少一个电力消耗设备相关联，并配置成基于所述信号和实际输出，为所述多个动力源创建动力需求。控制器可配置成为多个动力源确定多个性能目标，确定多个性能目标的优先级，从多个动力源取回对应于每一个性能目标的至少一个性能图，并且基于所述至少一个性能图并基于确定的优先级，在多个动力源各者之间选择性地分配动力需求。

Description

动态负载分担动力系统

技术领域

本发明总体上涉及一种动力系统，更具体地涉及一种动态负载分担动力系统。

背景技术

海洋船舶通常包括多个用在一起驱动一个或多个主负载(例如，螺旋桨)和各种辅助负载(例如，空调、照明、泵等)的发动机。发动机可机械地连接到负载，或者借助于发电机电性连接到负载。在一些应用中，船舶的负载可以混合布置形式同时机械地和电气性地驱动。

在典型的船舶应用中，所有的发动机同时运行，以产生大致相同量的动力。例如，特定的海洋船舶可具有四个相同的发动机，每一个都能够产生大约5,000kW。在运行期间，所有的发动机以相同的水平运行(例如，约20％的容量)，以便均匀地分配负载(例如，均匀地分配4,000kW的负载)。然而在一些情况下，在发动机之间均匀地分配负载并不是最理想的。例如，与以80％的容量仅运行一个发动机或者以30％的容量运行两个发动机并以20％的容量运行一个发动机相比，以20％的容量运行4个发动机可能具有更低的燃油效率和更低的响应性，并且/或者可能产生更多的排放。

于2013年12月26日公开的Blevins等的美国专利申请公开2013/0342020(′020公开文献)中公开了尝试提高发电效率。具体而言，′020公开公开了一种具有一组可控制的发电机和电网控制器的电网。电网控制器配置成为一组发电机提供负载分配配置，其实现了总体燃料消耗目标、响应时间目标或稳定性目标。该负载分配由性能表征模型确定，该模型是基于发电机制造商提供的性能曲线、维护数据、监视性能数据和环境数据而生成。

尽管被认为是对现有技术的改进，但′020公开的电网可能仍然不太理想。具体而言，不同的发电机的性能曲线可能不具有大众可用性或维护性。换言之，发电机的制造商可能不愿意公布必要的并且是专有的性能曲线，供第三方竞争者使用。并且基于测量的数据生成曲线可能很费时，昂贵并且不精确。进一步，′020公开的电网可能仅适用于具有静态操作条件(例如，操作员、应用、环境状况等)的静态电网。最后，对于性能目标来说，基于电网的改变操作而进行改变是可能的，′020公开的电网没有提供适应这种类型的改变的方法。

本发明的动力系统涉及对现有系统的改进。

发明内容

根据一个示例性方面，本发明涉及一种动力系统。动力系统可包括多个动力源、至少一个由多个动力源驱动的动力消耗设备、以及输入装置，该输入装置配置成产生指示所述至少一个动力消耗设备所需的输出的信号。动力系统还可包括负载管理器以及与负载管理器和所述多个动力源通信的控制器，该负载管理器与所述至少一个动力消耗设备相关联，并配置成基于信号和动力消耗设备的实际输出，为多个动力源创建动力需求。控制器可配置成为多个动力源确定多个性能目标，确定多个性能目标的优先级，从多个动力源中的每一者取回对应于多个性能目标中的每一者的性能图，基于性能图并基于确定的优先级，在多个动力源各者之间选择性地分配动力需求。

根据另一个示例性方面，本发明涉及一种控制网络，用于具有多个发动机、多个由多个发动机驱动的发电机以及至少一个由发电机驱动的电力负载的动力系统。控制网络可包括负载管理器，负载管理器配置成从动力系统的操作者接收指示至少一个电力负载所需的输出的输入，并基于该输入和至少一个电力负载的实际输出，响应地为多个发电机创建动力需求。控制网络还可包括与多个发动机中的每一者相关联的发动机控制器，以及与负载管理器和多个发动机中的每一者的发动机控制器相通信的动力系统控制器。动力系统控制器可配置成为多个发动机确定与燃料消耗、排放和瞬态响应中的至少一者相关联的至少一个性能目标；并从多个发动机的每一者的发动机控制器取回相应于至少一个性能目标的性能图。动力系统控制器还可配置成基于性能图并基于优先级，在多个发动机各者之间，选择性地不均匀地分配动力需求。

根据另一个示例性方面，本发明涉及一种控制动力系统的方法。方法可包括：操作多个发动机为海洋船舶的螺旋桨和辅助负载供应动力，接收指示螺旋桨和辅助负载的所需输出的信号，基于信号和实际的动力输出，为多个发动机创建动力需求。方法还包括：为多个发动机确定与燃料消耗、排放和瞬态响应中的至少一者相关联的多个性能目标；将多个性能目标划分优先级；从多个发动机的每一者取回相应于多个性能目标的性能图；以及基于性能图和多个性能目标的优先级，在多个发动机各者之间选择性地不均匀地分配动力输出。

附图说明

图1是示例性公开的机器的等比示意图；

图2是可以与图1的机器结合使用的示例性公开的动力系统的图解示意图；以及

图3是用于操作图2的动力系统的示例性公开的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了具有动力系统12的海洋船舶(“船舶”)10，该动力系统配置成向一个或者多个消耗设备或者负载14提供动力。动力系统12可固定在船舶10的船体18内的平台16上，并且可至少部分地从驾驶台20(或者船舶10上和/或非船舶10上的另一个位置)控制。负载14可包括任何消耗机械能和/或电能的装置，包括但不限于：驱动船舶10的螺旋桨的电机(未示出)、电力照明、HVAC系统、水泵和其它通常在常规的海洋船舶上可见的辅助负载。

图2示出了在三种不同操作期间的动力系统12，包括牵引操作、深水动态定位(DDP)操作和港口操作。如图2中所示，动力系统12此外还可包括多个动力源22、负载管理器24、以及动力系统控制器26。动力源22可产生机械能的和/或电能的输出。负载管理器24可基于从驾驶台20接收的输入以及负载14的实际输出或者性能，为动力源22确定动力需求。动力系统控制器26可选择性地以不同的方式调节动力源22的运行，从而满足来自负载管理器24的需求。

动力源22可体现为任何数量和类型的内燃机，其中的某些或全部连接到对应的发电机以形成发电机组。内燃机的机械输出可直接输送到负载14(例如，机械性地输送到螺旋桨)并且/或者通过发电机间接地输送到负载14(例如，电气性地输送至螺旋桨的电机和其它辅助负载)。在公开的实施例中，动力系统12包括四个不同动力源22，包括两对基本上相同的发电机组。这些对包括两个较大中速的发电机组和两个较小高速的发电机组。较大中速的发电机组可能能够以较高燃料效率(即，较低燃料消耗)和/或较低排放输出较大动力。然而，较小高速的发电机组可能能够进行较快瞬态响应和高效低负载运行。通过包括不同类型和/或大小的发电机组的混合，可以实现与不同组相关的益处。然而，可以设想，特定的船舶10可根据需要包括相同的发电机组、全部不同的发电机组或任何其它配置的发电机组。还可以设想，除发动机和发电机之外的动力源也可以用于对船舶10供应动力，例如，电池或其它储能装置。

负载管理器24可配置成对动力系统12的实际输出与期望输出(例如，期望行驶速度、期望螺旋桨速度、期望船舶位置等)进行比较并基于差值创建动力需求。在公开的实例中，负载管理器24是发电机控制器，其配置成对实际总线电压与期望电压进行比较并基于差值响应地产生电力供应的命令。在图2的实例中，船舶10的螺旋桨是由公共总线供电并且由驾驶台20控制。在此实例中，船舶10的船长(或另一个操作员)可将节流阀杆(未示出)移动以命令船舶10(和/或特定螺旋桨)以特定期望速度移动。在来自驾驶台20的信号使得螺旋桨开启、更快转动、减速或关闭的同时，与螺旋桨相关的电机可消耗来自公共动力源总线的更多或更少的电力。此电力消耗变化可导致总线中的对应电压波动，负载管理器24可监测电压波动并响应地产生命令，使发电机组将更多或更少的电力供应至总线。

在另一个实例中，负载管理器24可以是独立部件，并且可配置成对实际船舶行驶速度或实际螺旋桨速度与期望行驶或期望螺旋桨速度进行比较并基于差值产生命令来改变动力(机械能和/或电能)。在另一个实例中，负载管理器可对实际船舶位置和/或定向与期望位置或定向进行比较，并基于差值产生命令来改变动力。其它比较也可以由负载管理器24来执行，且负载管理器24可采用本领域中已知的用于创建动力需求的任何常规配置。由负载管理器24产生的可指示动力需求的信号可被引导至控制器26以供进一步处理。

控制器26可包括通常已知的部件，其相配合以将来自负载管理器24的动力需求分配在不同动力源22之间。控制器26此外还可包括单个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)等，其包括用于控制动力系统12的运行的装置。多种商用微处理器可配置成执行控制器26的功能。应当理解，控制器26易于体现为微处理器，其独立于控制其它船舶或发动机相关功能的微处理器，或者控制器26可与船舶微处理器成一体并且能够控制多种功能和操作模式。作为独立的微处理器，控制器26可经由数据链路或其它方法与通用船舶微处理器和/或发动机控制器通信。各种其它已知的电路可与控制器26相关联，包括电源电路、信号调节电路、致动器驱动器电路(即，电路供电螺线管、单机、或压电致动器)和通信电路。

控制器26可基于不同性能目标将来自负载管理器24的给定动力需求不等分地分配在不同动力源22之间。例如，控制器26可在性能目标是减小燃料消耗时以第一方式(制动耗油率)、在性能目标是提供高瞬态响应时以第二方式、在性能目标是产生低排放时以第三方式、在性能目标是减小动力源22的磨损时以第四方式，来分配动力需求。例如，对于来自负载管理器24的给定动力需求，控制器26可命令较大中速的发电机组在性能目标是低燃料消耗和/或低排放时满足更多需求。但是对于相同需求，控制器26可命令较小中速的发电机组在性能目标是与瞬态响应或磨损相关联时满足更多需求。

在示例性实施例中，性能目标可手动选择或基于船舶10的当前操作而自动确定。具体地，船舶10的船长可能能够经由位于驾驶台20内的一个或多个输入装置(未示出)来选择是否应将燃料消耗、瞬态响应、排放、磨损或另一种性能特性确定作为在动力需求分配中使用的目标。或者，船舶10的当前操作(牵引、DDP、港口)可对应于一个或多个特定性能目标。

在一些应用中，多个性能目标可同时用于将来自负载管理器24的动力需求分配在不同动力源22之间。在这些应用中，可将性能目标优先化，目标的优先级由控制器26使用来对动力需求的分配进行加权。例如，船长可选择低燃料消耗作为第一优先级性能目标、低排放作为第二优先级、高瞬态响应作为第三优先级。且基于性能目标的第三优先级，控制器26可相比于不同优先级对动力需求进行不同分配。类似地，船舶10的不同操作可对应于不同组的优先化目标。例如，DDP操作可对应于作为第一目标的高瞬态响应，接着是低燃料消耗作，接着是低排放；牵引操作可对应于作为第一目标的低燃料消耗，接着是高瞬态响应，接着是低排放；港口操作可对应于作为第一目标的低排放，接着是低燃料消耗，接着是高瞬态响应。

控制器26可基于性能目标的优先级并基于与每个动力源22相关的不同控制图来分配来自负载管理器24的动力需求。具体地，控制器26可从每个动力源22(例如，从与每个发动机相关联和/或每个发电机相关联的控制单元)取回与性能目标相关联的至少一个图。例如，控制器26可取回燃料消耗图、排放图、瞬态响应图、磨损图和/或本领域中已知的任何其它图。这些图通常可由不同的动力源控制器使用，以便以给定发动机速度调节不同发动机的燃料供应(例如，喷射正时的开始、喷射持续时间、喷射压力、喷射量、喷射正时的结束、喷射脉冲的数量等)和/或不同发电机的场距。然而，控制器26可利用这些图来确定在不同可能的分配配置下的全部动力源26的组合性能，接着选择实现选定目标的特定配置。可以设想，根据需要，各种图对于每个动力源和/或每种不同类型的动力源来说可以不同。

例如，当选定性能目标是低燃料消耗时，控制器26可从每个动力源22的发动机控制器取回燃料消耗图。控制器26接着可对来自负载管理器24的动力需求的不同分配与燃料消耗图进行比较，以确定分配的特定配置，其实现可来自全部动力源22的整体最低燃料消耗。在一些实施例中，这可导致动力需求等分地分配在不同动力源22之间。然而，在大部分实例中，分配可以是不均匀的。实际上，在一些实例中，一个或多个动力源22可被操作为满足大多数动力需求，一个或多个其它动力源22可供应少量需求或者甚至可以关闭。

当多个性能目标被同时选择时(由船长手动选择或基于船舶操作而自动选择)，控制器26可从发动机控制器取回多个性能图。控制器26接着可基于选定目标的优先级而参考具有权重的不同的图。在一些实施例中，控制器26可使图重叠或以其他方式创建共同3-D图(参见图2)，所述共同3-D图对与不同性能目标相关联的参数进行关联。控制器26接着可利用共同图来参考优先级权重，从而以基于选定目标的优先级的方式来确定满足动力需求的分配。例如，控制器26可在分配动力需求时使用优先级权重作为标度因素。可能的是，当选定多个目标时，第一性能目标的结果可能不是最佳可能结果，因为第二和第三性能目标的结果可对第一性能目标的结果具有一定影响。

在一些应用中，随着时间的过去可能的是，特定动力源22的性能漂移远离存储在对应的发动机控制器内的控制图。例如，可能的是，较旧的发动机由于磨损而发生性能降低，或者系统输入(例如，燃料质量、风流、洋流、周围空气温度等)偏离假定值或预期值。在这些情况下，控制器26可能够基于监视发动机性能来修改现有的控制图。具体地，控制器26可能够监视、处理和记录发动机性能用于未来在动力需求分配时使用。

控制器26可在监视发动机性能和/或修改现有控制图时对不同的传感器有依赖。例如，这些传感器可包含一个或多个与每一个发动机相关的燃料流量计、速度传感器、扭矩传感器、排放传感器(例如，NOx传感器)、温度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器、燃料液面传感器、DEF(柴油尾气液体)液面传感器、DEF流量计和其他性能传感器。控制器26还可能够基于测量的参数来计算发动机和/或发电机性能的不同方面。例如，控制器26可能够基于测量的rpm、燃料流率、温度和/或压力来计算发动机扭矩、发动机排放和/或发动机磨损。控制器26接着可直接基于测量的参数和/或基于计算的参数来更新和/或创建所需要的控制图。可以设想，控制器26可基于测量的/计算的参数来仅仅确定远离控制图的性能漂移，接着允许船舶10的船长根据需要选择性地实施或忽略对漂移的调节。

在一些应用中，控制器26还可基于所需的动力储备来将动力需求选择性地分配在不同动力源22之间。具体地，船舶10的船长可需要来自特定动力源22的特定的动力量保留备用，该动力储备可限制控制器26能够分配动力需求的方式。

类似地，控制器26可在于动力源22之间分配动力需求时考虑环境因素。例如，控制器26可考虑风流、水流、船舶10的GPS位置(例如，港内或离港)、船舶交通(例如，基于雷达信息的在临近区域的其他船舶的数量)，并基于这些因素来选择性地指导特定动力源22来满足动力需求的较大或较小部分。

图3是动力系统12的例示性操作的流程图。将在以下部分中论述图3以进一步说明公开的系统及其操作。

工业实用性

公开的动力系统可适用于任何具有多个动力源的移动机器。然而，公开的动力系统可主要适用于海洋和/或石油钻井船舶应用，其中动力源相配合来推进船舶并在不同条件下为辅助负载供应动力。公开的动力系统可在优先级下通过选择目标的优化获得增强的性能，该优先级是由船舶的船长手动选择的或基于船舶的当前操作而自动选择的。现将详细描述动力系统12的操作。

如图3中所示，动力系统12的操作可从控制器26接收到来自负载管理器24的动力需求而开始(步骤300)。例如，动力需求可基于提供动力到船舶10的一个或多个负载14(例如，到螺旋桨和HVAC系统)的公用总线上的电压降低。响应于电压降低，负载管理器24可要求增加动力输出，例如约10,500kW的输出。在此实例中，动力系统12可能够通过四个动力源22来输出约15,000kW(即，通过各自5,000kW的两个较大中速的发电机组，和各自2,500kW的两个较小高速的发电机组)。

大约在同时，控制器26可确定船舶10的当前操作、优先化性能目标的列表、和/或所需的动力储备(步骤310)。当前操作可由船舶10的船长手动输入以及/或者由控制器26基于多个不同参数(例如，基于当前位置、当前速度、当前操纵等)而自动确定。在一个实例中，当前操作可为DDP操作、牵引操作和港口操作中的一个。在DDP操作期间，船舶10离港且其位置通过使用螺旋桨基于来自参考传感器、风传感器、电流传感器、运动传感器、罗盘传感器等的信号而自动维持。在牵引操作期间，船舶10离港且行进朝向目的地。在港口操作期间，船舶是静止的或在港口环境内在调控条件下以低速移动。优先化目标的列表和所需的动力储备同样可手动接收或自动确定。具体地，船舶10的船长可按优先级顺序从可用目标列表手动选择，还可规定所需的动力储备。或者，优先化目标和动力储备可与船舶10的当前操作相结合。

在接收到来自负载管理器24的动力需求之后且在确定当前操作、优先化目标列表和所需的动力储备之后，控制器26可获得(即，取回和/或生成)相关的性能图(步骤320)。如上所述，控制器26可从动力源22的控制器(即，从发动机和/或发电机控制器)取回相同的性能图，所述控制器通常用以调节相关发动机和/或发电机的操作(例如，加燃料、升压等)。这些图可包含燃料消耗图、排放图、瞬态响应图、磨损图和任何其他本领域中已知的图。且当这些图不再准确时，控制器26可基于监视性能来生成和更新所述图。

控制器26接着可基于取回的图，以实现优先化目标并维持所需的动力储备的方式来将从负载管理器24接收动力需求分配在动力源22之间(步骤330)。例如，当确定当前操作为牵引(基于手动输入确定或基于所监视船舶性能自动确定)时，控制器26可确定：优先化目标列表应为低燃料消耗、接着是高瞬态响应、接着是低排放。且对于此优先化，基于10,500kW的动力需求，控制器26可如图2的上述实例中所示来分配动力需求。具体而言，控制器26可在较小高速的发电机组中的仅一个与较大中速的发电机组的两个之间分配动力需求。此分配可要求较小高速的发电机组以其容量的约20％运行，且较大中速的发电机组的两个以其容量的约100％运行。这将使得，在较小高速的发电机组中留下约4,500kW的组合动力储备。

如果当前操作改为DDP操作，则动力需求将可能小于牵引操作的动力需求，且控制器26可确定：优先化目标列表应为高瞬态响应、接着是低燃料消耗、接着是低排放。且对于此优先化，控制器26或可将较低动力需求选择性地分配在如图2的中间实例中示出的不同动力源22之间。具体地，此分派可要求较小高速的发电机组提供较大量的动力需求。例如，对于总共约7,500kW的动力，较小高速的发电机组可以其容量的约50％运行，且较大中速的发电机组中的仅一个可以其容量的约100％运行。这将使得，在剩余的较大中速的发电机组中和在较小高速的发电机组中留下约7,500kW的动力储备。

如果当前操作改为港口操作，则动力需求也将可能小于牵引操作的动力需求，且控制器26可确定：优先化目标列表应为低排放、接着是低燃料消耗、接着是高瞬态响应。且对于此优先化，控制器26也可如图2的下面的实例中所示出将动力需求分配在不同的动力源22之间。具体地，该分配可要求较小高速的发电机组分别以其容量的约85％和30％运行，对于较大中速的发电机组中的一个，以其容量的约100％运行，实现全部约7,875kW的动力。这将使得，在剩余的较大中速的发电机组中和在较小高速发电机组中留下约7,125kW的动力储备。

在可用的动力源22之间确定了动力需求的适当的分配后，控制器26可接着命令动力源22相应地运行，并可将选择的分配结构显示在驾驶台20内(步骤340)。通过将选择的分配结构显示在驾驶台20内，船长可有机会去调整和/或忽略该结构，如果需要的话。

很多的优点可与动力系统12相关联。例如，由于控制器26可直接从动力源22取回性能图，因此有可能的是，图被保持并且包含全部的对于恰当地运行动力源22必须的信息。换句话说，动力源22可不需要仅在大众可用的信息上运行。进一步，动力系统22可允许选择多个性能目标，同时基于目标的优先级，以不同的方式改善该目标。此外，动力系统22可允许改变操作、环境状况、船长等，从而对动力需求被分配的方式产生影响。由于这些原因，动力系统22对许多不同的情况具有更强的适用性。

本领域技术人员将清楚，可对公开的动力系统做出多种修改和变型。通过考虑公开的动力系统的说明书和实践，本领域技术人员将清楚其他的实施例。说明书和实例目的仅仅是示例性的，真实范围由所附权利要求书及其等同替代内容指明。

Claims (10)

1.一种动力系统(12)，包括：

多个动力源(22)；

至少一个动力消耗设备(14)，其由所述多个动力源驱动；

输入装置(20)，其配置成产生指示所述至少一个动力消耗设备所需的输出的信号；

负载管理器(24)，其与所述至少一个动力消耗设备相关联，并配置成基于所述信号以及所述动力消耗设备的实际输出，为所述多个动力源创建动力需求；以及

控制器(26)，其与所述负载管理器和所述多个动力源通信，所述控制器配置成：

为所述多个动力源确定多个性能目标；

确定多个性能目标的优先级；

从所述多个动力源中的每一者取回对应于多个性能目标中的每一者的至少一个性能图；以及

基于所述至少一个性能图并基于所述确定的优先级，在所述多个动力源各者之间选择性地分配所述动力需求。

2.如权利要求1的动力系统，其中，所述多个动力源包括多个发动机。

3.如权利要求2所述的动力系统，其中，所述多个动力源中的至少一者进一步包括发电机，所述发电机由所述多个发动机中的一者机械地驱动。

4.如权利要求2所述的动力系统，其中，所述多个发动机包括具有不同的输出容量的发动机。

5.如权利要求2所述的动力系统，其中，所述至少一个动力消耗设备包括海洋船舶的螺旋桨和所述海洋船舶的辅助负载中的至少一者。

6.如权利要求2所述的动力系统，其中，所述多个性能目标与瞬态响应、燃料消耗、排放和发动机磨损相关联。

7.如权利要求6所述的动力系统，其中，所述优先级是操作者可选择的。

8.如权利要求6所述的动力系统，其中：

所述动力系统与海洋船舶(10)相关联；

所述优先级是基于所述船舶的当前操作自动选择的；

所述当前操作是深水动态定位操作、牵引操作以及港口操作中的一者；以及

所述多个性能目标包括低燃料消耗、高瞬态响应以及低排放。

9.如权利要求8所述的动力系统，其中：

当所述当前操作为深水动态定位操作时，所述多个性能目标的所述优先级包括高瞬态响应，接着是燃料消耗，接着是排放；

当所述当前操作为牵引操作时，所述多个性能目标的所述优先级是低燃料消耗，接着是瞬态响应，接着是排放；以及

当所述当前操作是港口操作时，所述多个性能目标的所述优先级是低排放，接着是燃料消耗，接着是瞬态响应。

10.如权利要求8的动力系统，其中，每个不同的操作在所述多个动力源之间具有不同的动力需求分配。