Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer Schiffsmaschinenanlage mit durch Abgasturbolader aufgeladenen Verbrennungsmotoren und einem die Abgasenergie der Verbrennungsmotoren ausnutzenden Dampferzeugersystem vorzuschlagen, mit dem einerseits eine höhere Ausnutzung der Abgasenergie zur Dampferzeugung erreicht und andererseits die bei bestimmten Betriebszuständen auftretende unwirtschaftliche Produktion von Überschußdampf wesentlich verringert werden kann.The invention has as its object to propose a method for operating a marine engine system with supercharged by exhaust gas turbochargers internal combustion engines and an exhaust gas energy of the internal combustion engines steam generator, on the one hand achieves a higher utilization of exhaust gas energy for steam generation and on the other hand occurring in certain operating conditions uneconomical production of excess steam can be significantly reduced.
Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß in der Abgaszuführung von dem bzw. den Verbrennungsmotoren zum Abgaskessel der Abgasstrom durch einen in bekannter Weise jeweils zur Umgehung der Abgasturbolader des Verbrennungsmotors vorgesehenen Bypaß primär in Abhängigkeit von der Motorbelastung und/oder dem Ladeluftzustand vor bzw. hinter den Abgasturboladern auf einen jeweils zulässigen, einen stabilen und ökonomischen Betrieb des Verbrennungsmotors gewährleistenden Maximalwert und zusätzlich sekundär in Abhängigkeit vom Dampfdruck im Dampferzeugersystem bzw. beim Parallelbetrieb von Turbogenerator und Dieselgenerator in Abhängigkeit von der Belastung des Dieselgenerators geregelt wird.The solution to this problem is achieved in that in the exhaust gas supply from the combustion engine or to the exhaust gas boiler exhaust flow through a provided in a known manner each to bypass the exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine bypass primarily as a function of the engine load and / or the charge air condition before behind the exhaust gas turbochargers on a respective permissible, a stable and economical operation of the internal combustion engine ensuring maximum value and additionally secondary as a function of the steam pressure in the steam generator system or parallel operation of turbogenerator and diesel generator depending on the load of the diesel generator is controlled.
AusfUhrungsbeispielexemplary
Die Erfindung wird nachstehend durch ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die schematisch dargestellte Schiffsmaschinenanlage umfaßt im wesentlichen einen für den Schiffsantrieb dienenden Verbrennungsmotor 1 mit einem Abgasturbolader 2 und einem parallel dazu liegenden Bypaß 3, ein Dampferzeugersystem mit einem Abgaskessel 4 mit Dampftrommel 5 und einem nicht dargestellten Hilfskessel, sowie einen Turbogenerator 6 und einen Dieselgenerator 7 für die Erzeugung elektrischer Energie. Im Bypaß 3 ist ein Stellorgan, z. B. eine Klappe 8 angeordnet, mit welcher der Abgasstrom durch den Bypaß 3 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geregelt wird, dessen Arbeitsweise bei den unterschiedlichen Betriebszuständen der Maschinenanlage im folgenden beschrieben werden soll. Bei Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 1 wird die Stellung der Klappe 8 im Bypaß 3 nur durch die in Abhängigkeit vom Belastungszustand des Verbrennungsmotors 1 und/oder dem Ladeluftzustand vor oder hinter dem Abgasturbolader 2 arbeitende Primärregelung vorgegeben. Die Sekundärregelung der Klappe 8 ist in dieser Phase abgeschaltet. Die Klappe 8 im Bypaß 3 ist also zunächst geschlossen und wird erst im Verlauf des Hochfahrens des Verbrennungsmotors 1 in dem Maße geöffnet, daß der den Abgasturbolader 2 treibende Abgasstrom stets die für einen stabilen und ökonomischen Betrieb erforderliche Aufladung des Verbrennungsmotors 1 gewährleistet. Die Primärregelung bewirkt also, daß entsprechend dem jeweils vorhandenen Abgasangebot stets soviel wie möglich energiereiches Abgas durch den Bypaß 3 am Abgasturbolader 2 vorbei direkt in den Abgaskessel 4 geführt wird. Die mit dem Hochfahren des Verbrennungsmotors 1 im Abgaskessel 4 einsetzende Dampfproduktion nimmt mit steigendem Abgasangebot zu, wobei dieser Vorgang durch den energiereichen Abgasstrom durch den Bypaß 3 wesentlich beschleunigt wird. Mit steigender Dampfproduktion im Abgaskessel 4 wird die Leistung des bisher in üblicher Weise für die Dampferzeugung betriebenen Hilfskessels reduziert und dieser schließlich abgeschaltet. Gleichzeitig mit der Abschaltung des Hilfskessels wird eine in Abhängigkeit vom Dampfdruck im Dampfsystem arbeitende Sekundärregelung der Klappe 8 im Bypaß 3 wirksam, die mit Hilfe eines Druckwertmeßgebers 9 erfolgt. Diese Sekundärregelung bewirkt, daß bei weiter zunehmendem Abgasenergieangebot für den Abgaskessel 4 die Dampferzeugung dem Bedarf von an das Dampfsystem angeschlossenen Wärmeverbrauchern 10 angepaßt wird, indem der Abgasstrom durch den Bypaß 3 mittels der Klappe 8 im Bereich zwischen dem durch die Primärregelung vorgegebenen maximalen Wert und dem Wert Null bei völlig geschlossenem Bypaß 3 geregelt und damit zunächst eine Produktion von Überschußda'mpf vermieden wird. Erst wenn bei geschlossenem Bypaß 3 die Dampfproduktion im Abgaskessel 4 weiter ansteigt, muß Überschußdampf in herkömmlicher Weise über ein dampfdruckgesteuertes Regelventil 11 einem Überproduktionskondensator 12 zugeführt werden.The invention will be explained in more detail by an embodiment with reference to the drawing. The ship's engine system shown schematically comprises essentially serving for the marine propulsion engine 1 with an exhaust gas turbocharger 2 and a parallel bypass 3, a steam generator system with an exhaust gas boiler 4 with steam drum 5 and an auxiliary boiler, not shown, and a turbogenerator 6 and a diesel generator 7 for the generation of electrical energy. In the bypass 3 is an actuator, z. B. a flap 8 is arranged, with which the exhaust gas flow through the bypass 3 is regulated by the method according to the invention, the operation of which will be described below in the different operating conditions of the machinery. When starting the internal combustion engine 1, the position of the flap 8 in the bypass 3 is determined only by the function of the load condition of the internal combustion engine 1 and / or the charge air condition before or after the exhaust gas turbocharger 2 working primary control. The secondary control of the flap 8 is turned off in this phase. The flap 8 in the bypass 3 is therefore initially closed and is opened only in the course of the startup of the internal combustion engine 1 to the extent that the exhaust gas turbocharger 2 driving exhaust gas flow always ensures the necessary for a stable and economical operation charging of the engine 1. The primary control thus ensures that always as much as possible high-energy exhaust gas is passed through the bypass 3 on the exhaust gas turbocharger 2 directly into the exhaust gas boiler 4 in accordance with the respective available exhaust gas. With the startup of the internal combustion engine 1 in the exhaust gas boiler 4 onset steam production increases with increasing exhaust gas supply, this process is significantly accelerated by the high-energy exhaust gas flow through the bypass 3. With increasing steam production in the exhaust gas boiler 4, the power of the previously operated in the usual way for generating steam auxiliary boiler is reduced and this finally turned off. Simultaneously with the shutdown of the auxiliary boiler working in response to the vapor pressure in the steam system secondary control of the flap 8 in the bypass 3 is effective, which takes place by means of a pressure value 9. This secondary control causes the steam generation is adapted to the demand of connected to the steam system heat consumers 10 by increasing the exhaust gas supply for the exhaust system 4 by the exhaust gas flow through the bypass 3 by means of the flap 8 in the range between the predetermined by the primary control maximum value and the Value zero regulated at fully closed bypass 3 and thus initially a production of excess da'mpf is avoided. Only if the steam production in the exhaust gas boiler 4 continues to increase when the bypass 3 is closed, does excess steam have to be supplied in a conventional manner via a steam pressure-controlled control valve 11 to an over-production condenser 12.
Bei den bisherigen Betriebszuständen wird die erforderliche elektrische Energie durch den bzw. auch mehrere Dieselgeneratoren 7 erzeugt. Überschreitet die Produktion von Überschußdampf eine bestimmte vorgegebene Mindestmenge, wird auf ein Signal eines in der Dampfleitung zum Überproduktionskondensator 11 angeordneten Mengenmessers 13 der Turbogenerator 6 in Betrieb genommen. Mit der Lastübernahme durch den nunmehr dampfdruckgeregelten Turbogenerator 6 wird die bisher nach dem Dampfdruck arbeitende Sekundärregelung der Klappe 8 im Bypaß 3 abgeschaltet. Es sei angenommen, daß zur Deckung des Bedarfes an elektrischer Energie parallel zum Turbogenerator 6 zunächst noch ein Dieselgenerator 7 betrieben werden muß. Die Sekundärregelung der Klappe 8 im Bypaß wird jetzt in Abhängigkeit von der Belastung des Dieselgenerators 7 vorgenommen. Bei hoher Belastung des Dieselgenerators 7 wird die Klappe 8 durch die Sekundärregelung bis zu einer durch die Primärregelung vorgegebenen Stellung geöffnet, so daß die Dampfproduktion im Abgaskessel 4 und damit auch die Leistung des Turbogenerators 6 steigt, der Dieselgenerator 7 also entsprechend entlastet wird. Unterschreitet die Belastung des Dieselgenerators 7 einen für dessen ökonomischen Betrieb vorgewählten Wert, z. B. 75 %, wird im Rahmen der Sekundärregelung die Klappe 8 geschlossen. Eine weiter zunehmende Dampfproduktion im Abgaskessel 4 oder auch eine Verringerung des Dampfbedarfes für die Wärmeverbraucher 9 führt zu einer weiteren Leistungserhöhung des Turbogenerators 6, so daß die Belastung des Dieselgenerators 7 schließlich auf den festgelegten Mindestwert absinkt. Eine weitere Leistungsreduzierung des Dieselgenerators 7 wird auf bekannte Weise durch Blockierung verhindert. Überschußdampf muß nunmehr in den Überproduktionskondensator 11 geleitet werden. Wenn der Überschußdampf wiederum eine bestimmte festgelegte Mindestmenge erreicht, wird der Dieselgenerator 7 stillgesetzt, der Turbogenerator 6 auf Leistungs-Drehzahlregelung umgeschaltet und gleichzeitig die Sekundärregelung der Klappe 8 im Bypaß 3 wieder nach dem Dampfdruck im Dampfsystem vorgenommen.In the previous operating conditions, the required electrical energy is generated by the or more diesel generators 7. If the production of excess steam exceeds a certain predetermined minimum amount, the turbo-generator 6 is put into operation in response to a signal from a quantity meter 13 arranged in the steam line to the over-production capacitor 11. With the load transfer by the now steam-pressure-controlled turbo-generator 6, the previously operating on the vapor pressure secondary control of the flap 8 in the bypass 3 is turned off. It is assumed that in order to meet the demand for electrical energy parallel to the turbogenerator 6, a diesel generator 7 must first be operated. The secondary control of the flap 8 in the bypass is now made as a function of the load of the diesel generator 7. At high load of the diesel generator 7, the flap 8 is opened by the secondary control to a predetermined by the primary control position so that the steam production in the exhaust gas boiler 4 and thus the power of the turbogenerator 6 increases, the diesel generator 7 is thus relieved accordingly. If the load of the diesel generator 7 falls below a preselected for its economic operation value, z. B. 75%, the flap 8 is closed in the context of secondary control. A further increasing steam production in the exhaust gas boiler 4 or a reduction of the steam demand for the heat consumer 9 leads to a further increase in power of the turbogenerator 6, so that the load of the diesel generator 7 finally drops to the specified minimum value. Further power reduction of the diesel generator 7 is prevented in a known manner by blocking. Excess steam must now be passed into the over-production capacitor 11. If the excess steam again reaches a certain set minimum amount, the diesel generator 7 is stopped, the turbogenerator 6 switched to power-speed control and made the secondary control of the flap 8 in the bypass 3 again after the vapor pressure in the steam system.
Bei Betriebszuständen, die wieder die Inbetriebnahme des Dieselgenerators 7 oder die Außerbetriebnahme des Turbogenerators 6 erfordern, verlaufen die geschilderten Regelvorgänge analog.In operating conditions that again require the commissioning of the diesel generator 7 or the decommissioning of the turbogenerator 6, the described control processes are analog.
Das Verfahren kann auch bei den Dieselgeneratoren 7 sinngemäß angewendet werden, wenn diese abgasseitig in das Dampferzeugersystem eingebunden sind.The method can also be applied mutatis mutandis to the diesel generators 7, if they are integrated on the exhaust side in the steam generator system.
Die Erfindung ermöglicht eine vorteilhafte Anpassung der Erzeugung von Wärmeenergie und elektrischer Energie an den jeweiligen Bedarf. Mit ihm wird eine jeweils optimale Ausnutzung der Abgasenergie der Verbrennungsmotoren bei unterschiedlichen Laststufen erreicht. Die Zeitspanne, in der der Antriebsmotor der Schiffsmaschinenanlage über die Abgasenergie den Bedarf an Wärme und elektrischer Energie abdecken kann, wird vergrößert. Durch die Sekundärregelung wird gleichzeitig die bei bisherigen Maschinenanlagen in bestimmten Betriebszuständen oft über längere Zeit auftretende unwirtschaftliche Überproduktion von Dampf auf ein Minimum verringert. Der Betrieb von Dieselgeneratoren im unteren, unwirtschaftlichen Lastbereich wird wesentlich eingeschränkt und damit deren Störanfällligkeit vermindert. Das erfindungsgemäße Verfahren bewirkt somit in den unterschiedlichen Betriebszuständen durch eine Verringerung des Brennstoffbedarfes für die nunmehr überwiegend in einem günstigeren Lastbereich arbeitenden Dieselgeneratoren sowie geringerem Energiebedarf für den Überproduktionskondensator eine beachtliche Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Maschinenanlage. Der Aufwand für die Realisierung der Erfindung ist gering.The invention enables an advantageous adaptation of the generation of heat energy and electrical energy to the respective needs. With it, each optimal utilization of the exhaust gas energy of internal combustion engines is achieved at different load levels. The period during which the propulsion engine of the ship engine plant can cover the demand for heat and electrical energy via the exhaust gas energy is increased. Due to the secondary control, the uneconomical overproduction of steam, which often occurs over a long period of time in previous machine systems in certain operating conditions, is at the same time reduced to a minimum. The operation of diesel generators in the lower, uneconomic load range is significantly limited and thus reduces their failure incidents. The inventive method thus causes in the different operating conditions by reducing the fuel demand for the now predominantly working in a more favorable load range diesel generators and lower energy requirements for the over-production capacitor, a considerable increase in the overall efficiency of the machinery. The effort for the realization of the invention is low.