JP2007223358A - 舶用推進プラントおよびこれを備えた船舶ならびに舶用推進プラントの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 船速にかかわらず常時十分に発電でき、かつ、エネルギー効率に優れた舶用推進プラントを提供することを目的とする。
【解決手段】 ボイラからの蒸気によって回転させられる高圧タービン１０と、高圧タービン１０からの排気蒸気を加熱する再熱器１５と、再熱器１５によって加熱された蒸気によって回転させられる中圧タービン１１及び低圧タービン１２と、各タービン１０，１１，１２の回転動力によって駆動させられるプロペラ７と、各タービン１０，１１，１２の回転動力をプロペラ７に伝達する減速機５及び主軸２０と、主軸２０に接続され、各タービン１０，１１，１２の回転動力を用いて発電する主軸発電機２２とを備えた舶用推進プラント１において、高圧タービン１０の排気蒸気から抽気した蒸気によって駆動される補助用の蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂが設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、舶用推進プラントおよびこれを備えた船舶ならびに舶用推進プラントの制御方法に関するものである。

ＬＮＧＣ（Liquefied Natural Gas Carrier）として、蒸気タービンによる推進プラントを備えた蒸気タービン船が多用されている。このような蒸気タービン船の船内で消費される電力（船内動力）は、推進プラントに用いられる主タービンとは別に設けられた蒸気タービン発電機によって得られている。蒸気タービン発電機は、主タービンと比較すると、小型となるために一般に効率が悪い。また、ＬＮＧＣの場合にはＬＮＧを積み下ろすときのカーゴオペレーションの際に大きな電力を必要とするので、蒸気タービン発電機はこの電力に見合った定格発電負荷にて設計される。したがって、航海中の発電負荷は定格発電負荷に比べてかなり小さくなるので、航海中の運転領域では更に熱効率が悪化することになる。
このような蒸気タービン発電機を持つ蒸気プラントの欠点を解消するために、主軸発電機と蒸気タービン発電機との併用が提案されている（特許文献１参照）。

特公平２−９９９９号公報（第２欄７〜１０行）

しかし、主軸発電機は、一般に高回転（例えば定格の７０％以上）の場合にのみ有効に発電するという特性を有しており、船速が低下した場合には十分に発電できないという問題がある。また、蒸気タービン発電機では、前記の様に航海中は部分負荷での運転となる為にプラント効率が低下していた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、船速にかかわらず十分に発電でき、かつ、エネルギー効率に優れた舶用推進プラントおよびこれを備えた船舶ならびに舶用推進プラントの制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の舶用推進プラントおよびこれを備えた船舶ならびに舶用推進プラントの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる舶用推進プラントは、ボイラからの蒸気によって回転させられる高圧タービンと、該高圧タービンからの排気蒸気を加熱する再熱器と、該再熱器によって加熱された蒸気によって回転させられる低圧側タービンと、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力によって駆動させられる推進器と、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を前記推進器に伝達する駆動伝達手段と、該駆動伝達手段に接続され、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を用いて発電する主軸発電機と、を備えた舶用推進プラントにおいて、前記高圧タービンの排気蒸気から抽気した蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機が設けられていることを特徴とする。

高圧タービンの排気蒸気からの抽気蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を設けることとしたので、例えば船速が低下して主軸発電機による発電が十分にできない場合であっても、船内に十分な電力を供給することができる。
また、補助用蒸気タービン発電機は、高圧タービンの排気蒸気の抽気によって駆動されるので、高圧タービンを介さずにボイラからの蒸気を直接用いる場合に比べて、エネルギーを有効に利用することができる。また、ボイラからの蒸気の温度に比べて、高圧タービンの排気蒸気は低温とされるので、補助用蒸気タービン発電機の低負荷における連続運転を可能とすると共に、タービン排気側の構成材料等を高温仕様にする必要がない。これに対して、ボイラからの蒸気を直接使用すれば、タービンの排気温度が異常に上昇する事となりケーシングの歪等を発生させて、ローター振動を誘発するおそれがある。
航海中は主軸発電機によって発電を行い、その不足電力を補うものとして補助用蒸気タービン発電機を用いることとしたので、蒸気タービン発電機のみによって発電する場合に比べて、効率の悪い蒸気タービン発電機の分担する発電量を小さく抑えることができ、結果的にはプラント効率を向上できる。また、ボイラからの蒸気に比べて、圧力の低い抽気蒸気で補助用蒸気タービン発電機を運転することにより、高圧で部分負荷運転をする時の様な絞り運転が回避できるため、タービンの高効率点での運転が実現できる。また、抽気を行うことでプラント効率も向上できる。
なお、低圧側タービンは、１段に限らず、中圧タービン及び低圧タービンとした２段としてもよい。

さらに、本発明の舶用推進プラントでは、前記主軸発電機は、前記補助用蒸気タービン発電機の電力によって、電動機として駆動されることを特徴とする。

再熱器が故障により作動しなくなった場合のように、舶用推進プラントの出力が不足した場合には、補助用蒸気タービン発電機、又は別のディーゼル発電機によって得られた電力を用いて、主軸発電機を電動機として駆動することとした。電動機として用いられた主軸発電機によって推進器に伝わる動力を加勢させることにより、不足した出力を補うことができる。
このように不足した出力を補うことができるので、高圧タービン及び低圧側タービンを備えた主機である蒸気タービンの定格出力を不測の事態に備えて過大に設定する必要が無くなり、通常運航時には最も効率の高いポイントで運転できる。

さらに、前記駆動伝達手段は、減速機と、該減速機と前記推進器とを連結する主軸と、を備え、前記主軸発電機は、前記主軸に対して直列に、または、前記減速機に接続されるとともに前記主軸に対して並列に、設けられている。

また、本発明の船舶は、上記のいずれかの舶用推進プラントを備えている。

また、本発明の舶用推進プラントの制御方法は、ボイラからの蒸気によって回転させられる高圧タービンと、該高圧タービンからの排気蒸気を加熱する再熱器と、該再熱器によって加熱された蒸気によって回転させられる低圧側タービンと、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力によって駆動させられる推進器と、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を前記推進器に伝達する駆動伝達手段と、該駆動伝達手段に接続され、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を用いて発電する主軸発電機と、を備えた舶用推進プラントの制御方法において、前記高圧タービンの排気蒸気から抽気した蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を備え、前記主軸発電機の発電量が低下した場合に、前記補助用蒸気タービン発電機によって発電量が補われることを特徴とする。

高圧タービンの排気蒸気からの抽気蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を設け、例えば船速が低下して主軸発電機による発電量が低下した場合に、補助用蒸気タービン発電機によって発電量を補うこととしたので、船内に十分な電力を供給することができる。
また、補助用蒸気タービン発電機は、高圧タービンの排気蒸気の抽気によって駆動されるので、高圧タービンを介さずにボイラからの蒸気を直接用いる場合に比べて、エネルギーを有効に利用することができる。また、ボイラからの蒸気の温度に比べて、高圧タービンの排気蒸気は低温とされるので、補助用蒸気タービン発電機の低負荷における連続運転を可能とすると共に、タービン排気側の構成材料等を高温仕様にする必要がない。これに対して、ボイラからの蒸気を直接使用すれば、タービンの排気温度が異常に上昇する事となりケーシングの歪等を発生させて、ローター振動を誘発するおそれがある。
航海中は主軸発電機によって発電を行い、その不足電力を補うものとして補助用蒸気タービン発電機を用いることとしたので、蒸気タービン発電機のみによって発電する場合に比べて、効率の悪い蒸気タービン発電機の分担する発電量を小さく抑えることができ、結果的にはプラント効率を向上できる。また、ボイラからの蒸気に比べて、圧力の低い抽気蒸気で補助用蒸気タービン発電機を運転することにより、高圧で部分負荷運転をする時の様な絞り運転が回避できるため、タービンの高効率点での運転が実現できる。また、抽気を行うことでプラント効率も向上できる。
なお、低圧側タービンは、１段に限らず、中圧タービン及び低圧タービンとした２段としてもよい。

さらに、本発明の舶用推進プラントの制御方法は、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンによって得られる出力が低下した場合に、前記補助用蒸気タービン発電機の電力によって、前記主軸発電機を電動機として動作させ、前記推進器を駆動させることを特徴とする。

再熱器が故障により作動しなくなった場合のように、舶用推進プラントの出力が不足した場合には、補助用蒸気タービン発電機によって得られた電力を用いて、主軸発電機を電動機として動作させ、推進器を駆動することとした。これにより、不足した出力を補うことができる。
このように不足した出力を補うことができるので、高圧タービン及び低圧側タービンを備えた主機である蒸気タービンの定格出力を過大に設定する必要が無くなる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
高圧タービンの排気蒸気からの抽気蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を設けることとしたので、船速が低下した場合であっても船内に十分な電力を供給することができる。
また、高圧タービンの排気蒸気の抽気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を採用したので、蒸気エネルギーを有効に利用することができる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の一実施形態にかかる舶用推進プラントの概略が示されている。
舶用推進プラント１は、例えばＬＮＧＣ等の船舶の推進用に用いられる。この舶用推進プラントは、主機とされる蒸気タービン３と、減速機（駆動伝達手段）５と、プロペラ（推進器）７とを主として備えている。

蒸気タービン３は、舶用推進プラント１の主動力機として用いられ、高圧タービン１０と、中圧タービン（低圧側タービン）１１と、低圧タービン（低圧側タービン）１２と、後進タービン１３と、再熱器１５とを備えている。したがって、蒸気タービン３は、再熱３圧式の蒸気タービンとされている。
高圧タービン１０には、別途設けられたメインボイラ（図示せず）からの主蒸気（Main Steam）が供給され、これにより高圧タービン１０が回転駆動される。
再熱器１５は、高圧タービン１０と中圧タービン１１との間に配置され、高圧タービン１０から排気された蒸気を加熱する。再熱器１５にて加熱された蒸気は、中圧タービン１１へと供給される。
中圧タービン１１には、再熱器１５にて加熱された再熱蒸気が供給され、これにより中圧タービン１１は回転駆動される。中圧タービン１１と高圧タービン１０とは共通の第１軸１７に設けられている。中圧タービン１１の機能としては、低圧タービン１２の一部と考えてよいが、配置上の制限と減速機に伝える負荷分担を平等にする目的で低圧タービン１２側ではなく、高圧タービン１０と同軸上に配備してある。
低圧タービン１２には、中圧タービン１１から排気された蒸気が供給され、これにより低圧タービン１２が回転駆動される。低圧タービン１２から排気された蒸気は、メインコンデンサ（Ｍ／Ｃ）へと送られ、凝縮させられる。
後進タービン１３は、船舶が後進する際に用いられ、図示しないが、メインボイラからの蒸気が直接供給されるようになっている。後進タービン１３と低圧タービン１２とは共通の第２軸１８に設けられている。

減速機５には、第１軸１７および第２軸１８が入力軸として接続されている。減速機５の出力側には、主軸（駆動伝達手段）２０が接続されている。主軸２０には、プロペラ７が接続され、主軸２０によってプロペラ７が回転させられる。このプロペラ７の回転によって船舶の推進力が得られる。

主軸２０には、直列に、主軸発電機２２が設けられている。主軸発電機２２は、主軸２０の回転力によって発電する。航海中において主軸発電機２２は、船舶における主たる発電機として用いられ、これによって得られた電力は、船内の動力として用いられる。
また、主軸発電機２２は、電動機としても動作するようになっている。すなわち、後述する蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂから供給された電力により、電動機として主軸２０を回転駆動できるようになっている。

高圧タービン１０の排気側でかつ再熱器１５の入口側には、抽気管２３が接続されている。この抽気管２３によって抽気された蒸気は、並列に設けられた２台の蒸気タービン発電機（補助用蒸気タービン発電機）２４ａ，２４ｂへと供給される。各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂは、航海中の主たる発電機である主軸発電機２２のバックアップ用として用いられる補助用発電機として使用されるが、荷役中は主軸発電機に代わり主たる発電機として使用される。各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂにて発電された電力は、補助用の船内動力として用いられ、所定の場合には上述のように主軸発電機２２の駆動用電源として用いられる。
また、メインボイラ（図示せず）から供給される主蒸気が、止め弁２７を介して各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂへと供給されるようになっている。この止め弁２７は、通常時は閉とされており、主機である蒸気タービン３が低負荷となり、抽気圧力が補助用蒸気タービンを駆動できる圧力下限より低下したときに開けられ、主蒸気をメインボイラから各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂへと直接蒸気を供給するようになっている。

上記構成の舶用推進プラント１は、以下のように動作する。
船舶の通常航行時には、メインボイラから供給される主蒸気によって蒸気タービン３が駆動され、この駆動力が減速機５を介して主軸２０そしてプロペラ７へと伝達される。これにより、プロペラ７が回転することによって推進力が得られ、船舶が進行する。
この際に、主軸発電機２２は主軸２０から得られた回転動力によって発電し、船内へと電力を供給する。
一方、各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂには、所定量の抽気蒸気が供給されており、最低負荷でアイドリング状態として回転しており、航海中の主たる発電機である主軸発電機２２のバックアップとして備えている。
本実施形態では、蒸気タービン３が再熱３圧式とされているので、再熱器を有しない従来の２圧式の蒸気タービンに比べて高温高圧の主蒸気を用いることができ、高い熱効率にて運転される。

船舶が旋回する場合のように船速が遅くなり、主軸の回転数が低下した場合や主機である蒸気タービン３の出力が低下した場合には、主軸発電機２２による発電が十分でなくなるため、各蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂにより電力が補われる。具体的には、主軸発電機２２の発電量が低下してきた場合に、蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂへ供給する抽気蒸気量を増大させて主軸発電機からの負荷を蒸気タービン発電機の方へ負荷分担装置でシフトする事で必要な船内発電量を補うようにする。

何らかの理由により再熱器１５が故障した場合には、主機である蒸気タービン３の最大出力が低下する。この場合には、蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂ、または別途設けられたディーゼル発電機にて発電した電力を、主軸発電機２２へと供給する。そして、主軸発電機２２を電動機として主軸２０に伝わる動力に加勢させ、不足した出力を補うようにする。この際に、船内で必要な動力（電力）も、前記の発電機によって補われる。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
高圧タービン１０の排気蒸気からの抽気蒸気によって駆動される蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂを設けることとしたので、船速が低下して主軸発電機２２による発電が十分にできない場合であっても、船内に十分な電力を供給することができる。
また、蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂは、高圧タービン１０の排気蒸気の抽気によって駆動されるので、高圧タービンを介さずにメインボイラからの主蒸気を止め弁２７経由で直接用いる場合に比べて、エネルギーを有効に利用することができる。また、メインボイラからの蒸気の温度に比べて、高圧タービン１０の排気蒸気は低温とされるので、補助用蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂの低負荷における連続運転を可能とすると共に、タービン排気側の構成材料等を高温仕様にする必要がない。
また、航海中は主軸発電機２２によって発電を行い、その不足電力を補うものとして補助用蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂを用いることとしたので、蒸気タービン発電機のみによって発電する場合に比べて、効率の悪い補助用蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂの分担する発電量を小さく抑えることができ、結果的にはプラント効率を向上できる。また、ボイラからの蒸気に比べて、圧力の低い抽気蒸気で補助用蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂを運転することにより、高圧で部分負荷運転をする時の様な絞り運転が回避できる為、タービンの高効率点での運転が実現できる。又、抽気を行うことでプラント効率も向上できる。
また、再熱器１５が何らかの故障により作動しなくなった場合のように、主機である蒸気タービン３の最大出力が低下した場合には、蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂまたは別途設けられたディーゼル発電機によって得られた電力を用いて、主軸発電機２２を電動機として駆動することとした。電動機として用いられた主軸発電機２２によって主軸２０に伝わる動力に加勢させ、不足した推進力を補うことができる。このように不足した出力を補うことができるので、主機である蒸気タービン３の定格出力を過大に設定する必要が無くなる。

なお、本実施形態では、主軸発電機２２を主軸２０に対して直列に接続する構成としたが、図２に示すように、主軸２０に対して並列に主軸発電機２２を接続するようにしても良い。すなわち、主軸発電機２２は、減速機５の出力側に接続された第３軸２８に接続され、この第３軸２８の回転力によって発電する。主軸発電機２２の構成及び動作は図１に示した実施形態と同様なので、その他の説明は省略する。

また、本実施形態では、蒸気タービン発電機２４ａ，２４ｂを２台として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、蒸気タービン発電機は１台であっても良く、あるいは３台以上であっても良い。

また、船舶としてはＬＮＧＣを一例として示したが、蒸気タービン駆動による船舶であれば他の船舶にも適用することができ、例えばＤＭＥ（ジメチルエーテル；dimethyl ether）船に適用することもできる。

本発明の１実施形態にかかる舶用推進プラントを示した概略図である。 図１の変形例を示した概略図である。

符号の説明

１ 舶用推進プラント
３ 蒸気タービン
５ 減速機
７ プロペラ（推進器）
１０ 高圧タービン
１１ 中圧タービン（低圧側タービン）
１２ 低圧タービン（低圧側タービン）
１５ 再熱器
２２ 主軸発電機
２４ａ，２４ｂ 蒸気タービン発電機（補助用蒸気タービン発電機）

Claims (6)

1. ボイラからの蒸気によって回転させられる高圧タービンと、
   該高圧タービンからの排気蒸気を加熱する再熱器と、
   該再熱器によって加熱された蒸気によって回転させられる低圧側タービンと、
   前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力によって駆動させられる推進器と、
   前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を前記推進器に伝達する駆動伝達手段と、
   該駆動伝達手段に接続され、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を用いて発電する主軸発電機と、
   を備えた舶用推進プラントにおいて、
   前記高圧タービンの排気蒸気から抽気した蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機が設けられていることを特徴とする舶用推進プラント。
2. 前記主軸発電機は、前記補助用蒸気タービン発電機の電力によって、電動機として駆動されることを特徴とする請求項１記載の舶用推進プラント。
3. 前記駆動伝達手段は、減速機と、該減速機と前記推進器とを連結する主軸と、を備え、
   前記主軸発電機は、前記主軸に対して直列に、または、前記減速機に接続されるとともに前記主軸に対して並列に、設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の舶用推進プラント。
4. 請求項１から３のいずれかに記載された舶用推進プラントを備えていることを特徴とする船舶。
5. ボイラからの蒸気によって回転させられる高圧タービンと、
   該高圧タービンからの排気蒸気を加熱する再熱器と、
   該再熱器によって加熱された蒸気によって回転させられる低圧側タービンと、
   前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力によって駆動させられる推進器と、
   前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を前記推進器に伝達する駆動伝達手段と、
   該駆動伝達手段に接続され、前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンの回転動力を用いて発電する主軸発電機と、
   を備えた舶用推進プラントの制御方法において、
   前記高圧タービンの排気蒸気から抽気した蒸気によって駆動される補助用蒸気タービン発電機を備え、
   前記主軸発電機の発電量が低下した場合に、前記補助用蒸気タービン発電機によって発電量が補われることを特徴とする舶用推進プラントの制御方法。
6. 前記高圧タービンおよび前記低圧側タービンによって得られる出力が低下した場合に、前記補助用蒸気タービン発電機の電力によって、前記主軸発電機を電動機として動作させ、前記推進器を駆動させることを特徴とする請求項５記載の舶用推進プラントの制御方法。

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