JP2012163076A - 舶用発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】化石燃料の使用をなるべく控えつつ変動的な船内需要電力を賄うことができ、廃熱回収系の大型化を抑制することができ、且つ、余剰電力が発生するときにはこれを有効に活用することができる舶用発電システムを提供する。
【解決手段】発電機４に電気的に接続された蓄電池５を備え、主機１の負荷が高負荷域にあり機関室温が基準温度であるときの廃熱による発電機４の発生可能電力が、船内で連続的に必要となる連続電力Ｗ_Ｃよりも大きく且つ当該連続電力Ｗ_Ｃに一時的且つ追加的に必要となる電力分Ｗ_Ａが上乗せされた総需要電力Ｗ_Ｔよりも小さく、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を上回るときには発電機４により発生された余剰電力で蓄電池５が充電され、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を下回るときには蓄電池５を放電して発電機４の駆動が助勢される。
【選択図】図１

Description

本発明は、主機の廃熱から生成された蒸気で蒸気タービン駆動して、その蒸気タービンの出力に基づいて発電する舶用発電システムに関する。

大型の船舶は、運航中に必要となる電力を発電する発電システムを搭載している。近年、省エネルギー化に対する要請に応えるため、主機周辺の廃熱を回収して蒸気を生成する廃熱回収系を舶用発電システムに付加し、廃熱回収系で生成された蒸気で蒸気タービンを駆動し、その蒸気タービンの出力に基づき発電機を駆動することがある（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−１１６８４７号公報 特開平５−６５８０４号公報 特開平８−９３４１０号公報

しかし、主機が低負荷で運転している場合、排ガス量及び主機周辺の廃熱量が小さくなるので、蒸気タービンに流入する蒸気量が少なくなってしまう。また、主機がディーゼルエンジンである場合、排ガスエコノマイザ内に排ガスに含まれる煤が付着することがあり、廃熱回収系の熱回収効率を維持するためには、煤を払う作業（スートブロー）を妥当な期間毎に行う必要がある。このスートブローを廃熱回収系で生成された蒸気を用いて行う場合にも、蒸気タービンに流入する蒸気量が少なくなってしまう。このように蒸気量が少なくなると、蒸気タービンの出力が小さくなるので、発電機の発電量で船内の電力需要を賄いきれなくなるおそれがある。

また、船内の電力需要は、連続的に使用される電力よりも一時的に大きくなることがある。例えば、船舶に搭載された冷蔵装置のコンプレッサといった間欠補機を起動させるときには、船内の電力需要が、その起動に必要な電力を連続電力に上乗せした値となる。

従来の舶用発電システムにおいては、蒸気量が少なくなる状況下や、船内の電力需要が連続電力よりも一時的に大きくなる状況下では、補助ボイラを作動して蒸気タービンに供給する蒸気量を増加させることで発電機の発電量を増やしたり、ディーゼル発電機等の別の発電機を作動させたりして対処している。一般に、補助ボイラ及びディーゼル発電機の作動には化石燃料を必要とするので、ランニングコストの増大を招き、また、高い省エネルギー化を実現することが困難となる。

逆に、補助ボイラ及びディーゼル発電機を作動させることなく発電機の発電量で船内の電力需要を賄おうとする場合は、主機が低負荷であるときに、発電機の発電量が連続電力に一時的に必要な電力を上乗せした値となるようシステム設計することが考えられる。しかし、この場合には、主機が低負荷であっても蒸気タービンが大きな出力を発生することを担保しなければならず、廃熱回収系の構成の大型化を招く。すると、限られた船内スペースに舶用発電システムを配置することが困難となる。また、主機が高負荷になると、発電機の発電量が船内の電力需要を超えることとなり、有効活用されることのない余剰電力が発生してしまう。

そこで本発明は、化石燃料の使用をなるべく控えつつも変動的な船内の電力需要を賄うことができ、且つ、発電機から余剰電力が発生し得るときにはこれを有効に活用することができる舶用発電システムを提供することを目的としている。

本発明に係る舶用発電システムは、主機の廃熱を回収して蒸気を生成する廃熱回収系と、前記廃熱回収系により生成された蒸気で駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンの出力に基づき駆動されて発電する発電機と、前記発電機に電気的に接続された蓄電池と、を備え、前記発電機は、前記主機の負荷が高負荷域にあるときの廃熱による発生可能電力が船内で連続的に必要となる連続電力よりも大きく且つ当該連続電力に一時的且つ追加的に必要となる電力分が上乗せされた総需要電力よりも小さくなるよう構成され、前記蓄電池は、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を上回るときには前記発電機により発生された余剰電力で充電され、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を下回るときには放電されて前記発電機の駆動を助勢するよう構成される。

前記構成によれば、廃熱による発電機の発生可能電力が船内の電力需要を十分に賄いきれるような場合に、発電機が発生した余剰電力で蓄電池を充電することができる。このように、発電機が船内の電力需要に対して余剰電力を生み出したときでも、その余剰電力を有効活用することができる。また、廃熱による発電機の発生可能電力が船内の電力需要を賄いきれないような場合であっても、蓄電池を放電して発電機の駆動を助勢することができる。これにより発電機の発電量を嵩上げすることができ、補助ボイラやディーゼル発電機を作動させる機会を減らすことができる。これにより、主機の負荷変動等により廃熱による発電機の発生可能電力が変動しても、また、船内の電力需要が変動しても、これに容易に対応することができる。そして、主機の負荷が高負荷域にあるときの廃熱による発電機の発生可能電力を連続電力よりも大きくかつ総需要電力よりも小さく設定している。このため、主機の通常航行中に充電する機会と放電する機会とが互いに偏らずに出現することになり、蓄電池の充電と放電とをバランスよく行わせることができる。

このとき、前記発電機は、前記主機の負荷が８５％負荷から９５％負荷までの範囲内にあり機関室温が摂氏２５度であるときの廃熱による発生可能電力が前記連続電力よりも大きく且つ前記総需要電力よりも小さくなるよう構成されてもよい。

前記蓄電池の充放電を制御する制御手段、を備え、前記制御手段が、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を上回る所定の充電条件が成立したときに、前記発電機により発生された余剰電力で前記蓄電池を充電させ、且つ、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を下回る所定の放電条件が成立したときに、前記蓄電池を放電して前記発電機の駆動を助勢する制御を実施するよう構成されていてもよい。

前記構成によれば、蓄電池の充電動作と放電動作とを状況に応じて適宜切り替えることができる。

船内の補機の始動を検出する補機始動検出手段を更に備え、前記充電条件は、前記補機始動検出手段により前記補機の始動が検出されていないとの条件を含み、前記放電条件は、前記補機始動検出手段により前記補機の始動が検出されているとの条件を含んでいてもよい。

前記構成によれば、補機の始動により一時的に且つ追加的に船内の電力需要が増加するような場合に、これに対応して蓄電池の放電を行って発電機の駆動を助勢することができ、補助ボイラやディーゼル発電機を作動させる機会を減らすことができる。

前記廃熱回収系を構成し、主機の排ガスが通流する排ガスエコノマイザと、前記排ガスエコノマイザ内に前記廃熱回収系で生成された蒸気を噴射するブロワと、前記ブロワが作動しているか否かを検出するブロー検出手段と、を更に備え、前記充電条件は、前記ブロー検出手段により前記ブロワの停止が検出されているとの条件を含み、前記放電条件は、前記ブロー検出手段により前記ブロワの作動が検出されているとの条件を含んでいてもよい。

前記構成によれば、排ガスエコノマイザ内への蒸気の噴射により、廃熱回収により生成された蒸気の全てを蒸気タービンの駆動に回せないために廃熱による発電機の発生可能電力が低下するような場合であっても、これに対処して蓄電池を放電させることにより発電機の駆動を助勢することができる。したがって、補助ボイラやディーゼル発電機を作動させる機会を減らすことができる。

前記蒸気タービンの蒸気入口へと蒸気を送る蒸気系統と、前記蒸気系統にリフト量を可変にして設けられ、該リフト量を変更することで前記蒸気入口に送られる蒸気の流量を調整するガバナ弁と、前記ガバナ弁のリフト量を検出するリフト量検出手段と、を更に備え、前記充電条件は、前記リフト量検出手段により検出されるリフト量が第１リフト閾値未満であるとの条件を含み、前記放電条件は、前記リフト量検出手段により検出されるリフト量が前記第１リフト閾値よりも大きい第２リフト閾値以上であるとの条件を含んでいてもよい。

前記構成によれば、ガバナ弁のリフト量が大きくなると蒸気入口に供給される蒸気の流量が多くなって蒸気タービンが大きい出力を発生することができ、ガバナ弁のリフト量が小さくなると、この逆となる。このようにリフト量に応じて廃熱による発電機の発生可能電力の大小を判断し、それに応じて蓄電池を充電すべきか放電すべきかを適切に判断することができる。

前記廃熱回収系を構成し、生成された蒸気を溜める汽水分離器と、前記汽水分離器の内圧を検出する圧力検出手段と、を更に備え、前記充電条件は、前記圧力検出手段により検出される内圧が第１圧力閾値以上であるとの条件を含み、前記放電条件は、前記圧力検出手段により検出される内圧が前記第１圧力閾値よりも小さい第２圧力閾値未満であるとの条件を含んでいてもよい。

前記構成によれば、蒸気の圧力が高くなると蒸気タービンが大きい出力を発生することができ、圧力が低くなるとその逆となる。このように蒸気の圧力に応じて廃熱による発生可能電力の大小を判断し、それに応じて蓄電池を充電すべきか放電すべきかを適切に判断することができる。

本発明によれば、化石燃料の使用をなるべく控えつつも変動的な船内の電力需要を賄うことができ、廃熱回収系の大型化を抑制することができ、且つ、発電機から余剰電力が発生し得るときにはこれを有効に活用することができる舶用発電システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る舶用発電システムの全体構成を示す概念図である。 エンジン負荷と廃熱による発電機の発生可能電力との関係を示すグラフである。 廃熱による発電機の発生可能電力と高圧ドラムの内圧との相関図、廃熱による発電機の発生可能電力とガバナ弁のリフト量との相関図、廃熱による発電機の発生可能電力と計画点との相関図、及び充放電制御の概念図を併せて示す図である。 主コントローラにより実行される充放電制御の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、全ての図を通して同一又は対応する要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る舶用発電システム１００の全体構成を示す概念図である。図１に示す舶用発電システム１００は、主機として舶用ディーゼルエンジン１（以下、単に「エンジン」と称す）を備えた船舶に搭載されている。

舶用発電システム１００は、エンジン１周辺からの廃熱を回収して蒸気を生成する廃熱回収系２と、廃熱回収系２で生成された蒸気により駆動される蒸気タービン３と、蒸気タービン３の出力に基づき駆動される発電機４と、発電機４と電気的に接続された蓄電池５とを備えている。

廃熱回収系２は、主に、排ガスエコノマイザ１０、復水器２１、給水系統２２、給水加熱器２３、高圧ドラム（高圧汽水分離器）２４、中圧ドラム（中圧汽水分離器）２５、低圧ドラム（低圧汽水分離器）２６、高圧循環水系統２７、蒸気系統２８、中圧循環水系統２９、中圧混気系統３０、低圧循環水系統３１、低圧蒸発器３２及び低圧混気系統３３を備えている。廃熱回収系２により回収される廃熱は、エンジン１の排気系によって排出されようとしている排ガスの熱、エンジン１の冷却水の熱及びエンジン１の給気の熱等を含む。

エンジン１の排気系は、排ガスを煙突等の排気出口に導くための排気管１ａを備えている。排ガスエコノマイザ１０は、排気管１ａと排気出口との間に介在しており、排気系の一部を構成している。排気管１ａには、排ガスエコノマイザ１０を迂回するバイパス管８が接続されており、排ガスエコノマイザ１０の入口部及びバイパス管８の入口部は、ダンパ９ａ及びダンパ９ｂそれぞれにより開閉される。エンジン１の負荷が所定値を超えているとき等、蒸気タービン３を駆動させる蒸気を発生するために必要とされる排ガスの流量又は熱量が十分に確保されているときには、排ガスエコノマイザ１０側のダンパ９ａが開いてパイパス管８側のダンパ９ｂが閉じる。排ガスの流量又は熱量が十分でなければ、ダンパ９ａが閉じてダンパ９ｂが開く。以降、特段説明しない限り、ダンパ９ａが開き且つダンパ９ｂが閉じているものとして説明する。

排ガスエコノマイザ１０は、上流側から順に入口管１１、高圧蒸発器１２、中間管１３、中圧蒸発器１４及び出口管１５を備えている。入口管１１は、排気管１ａと接続され、エンジン１からの排ガスを高圧蒸発器１２に導く。中間管１３は、高圧蒸発器１２における熱交換後の排ガスを中圧蒸発器１４に導く。出口管１５は、中圧蒸発器１４における熱交換後の排ガスを排気出口に導く。

排ガスが排ガスエコノマイザ１０を通流する過程では、排ガス中の煤が高圧蒸発器１２及び中圧蒸発器１４に付着することがあるので、排ガスエコノマイザ１０は、煤を吹き落とすための第１スートブロワ１６及び第２スートブロワ１７を備えている。各スートブロワ１６，１７は、ブロー系統（図示せず）を介して高圧ドラム２４、中圧ドラム２５及び低圧ドラム２６のうち少なくとも一つと接続され、当該少なくとも一つのドラムから蒸気の供給を受ける。第１スートブロワ１６は、供給された蒸気を高圧蒸発器１２に向けて噴射するための複数の噴射口を有し、これら噴射口より蒸気を噴射することで高圧蒸発器１２に付着した煤を吹き落とすことができる。第２スートブロワ１７も、供給された蒸気を中圧蒸発器１４に向けて噴射するための複数の噴射口を有している。

復水器２１は、蒸気タービン３の蒸気出口３ａと接続され、蒸気出口３ａから流出した蒸気を凝縮させる。給水系統２２は、復水器２１を各ドラム２４〜２６に接続し、復水器２１で生成された復水を給水として各ドラム２４〜２６まで送る。給水系統２２は、復水器２１から延びるライン２２ａと、ライン２２ａから二股に分岐するライン２２ｂ，２２ｃとを有しており、ライン２２ｂは、更に二股に分岐して高圧ドラム２４及び中圧ドラム２５に接続され、ライン２２ｃは、低圧ドラム２６に接続されている。給水加熱器２３は、ライン２２ｂ上に設けられている。給水加熱器２３は、高圧ドラム２４及び中圧ドラム２５に送られる給水とエンジン１の掃気（過給器出口ブロワ空気）との間で熱交換させ、それにより当該給水を加熱し且つ当該掃気を冷却する。

高圧ドラム２４、中圧ドラム２５及び低圧ドラム２６は、給水系統２２からの給水を循環水として貯留するとともに、循環水より得た蒸気を貯留する。高圧ドラム２４には、高圧ドラム２４の内圧（高圧ドラム２４内に溜められている蒸気の圧力）を検出する第１圧力センサ４１が設けられている。中圧ドラム２５及び低圧ドラム２６にもそれぞれ、同様の第２圧力センサ４２及び第３圧力センサ４３が設けられている。

高圧循環水系統２７は、高圧ドラム２４を高圧蒸発器１２に接続するライン２７ａと、高圧蒸発器１２を高圧ドラム２４に接続するライン２７ｂとを有している。蒸気系統２８は、高圧汽水分離器２４を蒸気タービン３の蒸気入口３ｂに接続する。ライン２７ａ上のポンプ２７Ｐが動作すると、高圧ドラム２４内の循環水がライン２７ａを介して高圧蒸発器１２内へと送られ、送られた循環水が高圧蒸発器１２内で排ガスとの熱交換により蒸気となる。循環水は気液混合状態でライン２７ｂを介して高圧ドラム２４内に戻され、戻された循環水は高圧ドラム２４内で蒸気と液体とに分離される。高圧ドラム２４内の蒸気は、蒸気系統２８を介し、蒸気タービン３の蒸気入口３ｂに供給される。

中圧循環水系統２９は、中圧ドラム２５を中圧蒸発器１４に接続するライン２９ａと、中圧蒸発器１４を中圧ドラム２５に接続するライン２９ｂとを有している。中圧混気系統３０は、中圧ドラム２５を蒸気タービン３の中圧混気入口３ｃに接続する。ライン２９ａ上のポンプ２９Ｐが動作すると、中圧ドラム２５内の循環水がライン２９ａを介して中圧蒸発器１４内へと送られ、送られた循環水が中圧蒸発器１４内で排ガスとの熱交換により蒸気となる。循環水は気液混合状態でライン２９ｂを介して中圧ドラム２５内に戻され、戻された循環水は中圧ドラム２５内で蒸気と液体とに分離される。中圧ドラム２５内の蒸気は、中圧混気系統３０を介し、蒸気タービン３の中圧混気入口３ｃに供給される。

低圧循環水系統３１は、低圧ドラム２６を低圧蒸発器３２に接続するライン３１ａと、低圧蒸発器３２を低圧ドラム２６に接続するライン３１ｂとを有している。低圧混気系統３３は、低圧ドラム２６を蒸気タービン３の低圧混気入口３ｄに接続する。ライン３１ａ上のポンプ３１Ｐが動作すると、低圧ドラム２６内の循環水がライン３１ａを介して低圧蒸発器３２内へと送られる。本実施形態では、給気を冷却するためのエアクーラが低圧蒸発器３２に適用されており、送られた循環水は低圧蒸発器３２内で給気との熱交換により蒸気となる。循環水は気液混合状態でライン３１ｂを介して低圧ドラム２６内に戻され、戻された循環水は低圧ドラム２６内で蒸気と液体とに分離される。低圧ドラム２６内の蒸気は、低圧混気系統３３を介し、蒸気タービン３の低圧混気入口３ｄに供給される。

蒸気タービン３は、複数の動翼を有した多段式タービンである。蒸気タービン３は、蒸気入口３ｂに供給された蒸気、中圧混気入口３ｃに供給された中圧混気、及び低圧混気入口３ｄに供給された低圧混気により動翼を回転させ、これにより出力軸３ｅに回転出力が発生する。

蒸気系統２８は、ドラム側の上流ライン２８ａと、タービン側の下流ライン２８ｂとを備える。上流ライン２８ａと下流ライン２８ｂとの間には過熱器３５が介在している。蒸気系統２８は、過熱器を迂回して上流ライン２８ａ及び下流ライン２８ｂを接続するバイパスライン２８ｃと、高圧ドラム２４からの蒸気が蒸気入口３ｂに送られるまでに過熱器３５を経由するか否かを制御する弁ユニット３４を備えている。弁ユニット３４は、バイパスライン２８ｃを介した蒸気の通流を許容又は阻止する第１開閉弁３４ａと、過熱器３５を介した蒸気の通流を許容又は阻止する第２開閉弁３４ｂと、過熱器を通流した蒸気を部分的に逃がすための逃がし弁３４ｃとからなる。過熱器３５は、排ガスエコノマイザ１０の入口管１１内に設けられている。蒸気が過熱器３５を経由するときには、蒸気を排ガスとの熱交換により昇温・昇圧させることができ、それにより蒸気タービン３の出力を大きくすることができる。

また、蒸気系統２８は、弁ユニット３４の下流側（すなわち、蒸気入口３ｂ側）において、入口弁及び加減弁としてのガバナ弁３６を備えている。ガバナ弁３６は、そのリフト量が可変の弁棒（図示せず）を有し、弁棒のリフト量に応じて蒸気入口３ｂに供給される蒸気の流量を調整することができる。中圧混気系統３０及び低圧混気系統３３も、中圧混気入口３ｃ及び低圧混気入口３ｄそれぞれに供給される混気の流量を調整するための入口弁３７，３８を備えている。ガバナ弁３６及び入口弁３７，３８が蒸気の流量を大きくするよう動作したときには、蒸気タービン３の出力を大きくすることができる。ガバナ弁３６には、そのリフト量を検出するためのリフト量センサ４４が設けられている。

高圧ドラム２４は、補助ボイラ２４ａを備えている。補助ボイラ２４ａは、化石燃料の燃焼により生ずる熱で高圧ドラム２４内の循環水を加熱し、それにより高圧ドラム２４内で蒸気を発生することができる。この補助ボイラ２４ａの追い焚きによっても、蒸気タービン３の出力を大きくすることができる。以下では、補助ボイラ２４ａの追い焚きに頼らず、回収された廃熱のみに基づき生成された蒸気で発生した蒸気タービン３の出力を「廃熱による蒸気タービン３の出力」と称し、当該廃熱による蒸気タービン３の出力に基づき発電機４を駆動したときの発電機４の発生可能電力を、「廃熱による発電機４の発生可能電力」と称して説明する。なお、中圧ドラム２５及び低圧ドラム２５は加熱器２５ａ，２６ａをそれぞれ備えている。各加熱器２５ａ，２６ａは、蒸気系統２８を介して高圧ドラム２４からの蒸気の供給を受け（図１中米印参照）、それによりドラム２５，２６内の循環水を加熱してドラム内２５，２６で蒸気を発生することができる。

発電機４は、蒸気タービン３の出力、すなわち、廃熱回収系２より蒸気タービン３に供給される蒸気及び混気の圧力や流量に応じて電力を発電する。エンジン負荷が低いため蒸気の圧力及び流量が小さくなりがちであったり、廃熱回収系２で生成された蒸気の一部が第１スートブロワ１６又は第２スートブロワ１７で使用されているときには、廃熱による蒸気タービン３の出力が相対的に小さくなり、廃熱による発生可能電力が船内の電力需要を下回ることがある。逆に、エンジン負荷が高いため蒸気の圧力及び流量が十分に大きいときや、第１スートブロワ１６及び第２スートブロワ１７が停止しているときには、廃熱による発生可能電力が船内の電力需要を超えることがある。

蓄電池５は、この発電機４と後述する副コントローラ７を介して電気的に接続されている。このため、発電機４が船内の電力需要を超える電力を発電し得るときには、余剰電力で蓄電池５を充電することができる。また、発電機４が電力需要を下回る電力しか発電し得ないときには、蓄電池５を放電して発電機４の駆動を助勢することができる。蓄電池５は、ニッケル・水素蓄電池、ニッケル・鉄蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・亜鉛蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池等、様々な種類の蓄電池から適宜選択される。

ニッケル・水素蓄電池は、他種と比較して、充電状態（ＳＯＣ：state of charge）中間域でのＳＯＣ変化による電圧変化が小さい点、常温作動のため非常に取り扱い易い点、水溶液系の電解液を使用しているので発火のおそれをなくすことができる点、鉛フリー、水銀フリー及びカドミウムフリーとなり環境にやさしい点で有利である。

また、ニッケル・水素蓄電池に、内部抵抗を小さくする構造を採用することが好ましい。これにより、冷却性能を向上して大電流の充放電による温度上昇を抑制することができ、高効率及び高速で充放電可能にすることができ、サイクル耐久性を向上して高速充放電を繰り返しても長期使用可能になる。また、ニッケル・水素蓄電池に、電池材料と電極を溶接しない非溶接構造を採用することが好ましい。これにより、リサイクル性が向上して組立及び解体を容易に行うことができる。このような構造を採用することで、ニッケル・水素蓄電池の特性と相まって、長期航海にも耐え得る蓄電池として好適に利用可能となる。

主コントローラ６の入力側は、前述した第１圧力センサ４１、第２圧力センサ４２、第３圧力センサ４３及びリフト量センサ４４のほか、ブロースイッチ４５及び補機始動スイッチ４６と接続されている。ブロースイッチ４５は、第１スートブロワ１６及び／又は第２スートブロワ１７が動作中であるか、第１スートブロワ１６及び第２スートブロワ１７が停止中であるかを検出する。補機始動スイッチ４６は、冷蔵装置のコンプレッサ等の間欠補機の始動中であるか否かを検出する。主コントローラ６の出力側は、副コントローラ７が接続されている。副コントローラ７は、主コントローラ６からの指令に従って、蓄電池５の充放電制御、充電時における発電機４からの交流電流のＡＣ／ＤＣ変換制御、放電時における蓄電池５からの放電直流のＤＣ／ＡＣ変換制御、ＤＣ／ＡＣ変換により生成された交流の周波数制御、生成された交流と発電機４が発生している交流との同期制御などを実施する。

図２は、エンジン負荷と、廃熱による発電機４の発生可能電力との関係を示すグラフである。横軸は、エンジン負荷を全負荷を１００％とする百分率で表しており、縦軸は、廃熱による発電機４の発生可能電力を船内の総需要電力を１００％とする百分率で表している。線Ｗ_Ｔは、船内の総需要電力を表わし、線Ｗ_Ｃは、総需要電力Ｗ_Ｔに対する連続電力の割合を表わしている。これらは横軸と平行に引かれている。すなわち、総需要電力Ｗ_Ｔ及び連続電力Ｗ_Ｃは、エンジン負荷に基づくことなく決まる値である。

連続電力Ｗ_Ｃは、船舶の通常航行中に常時必要とされる電力である。一方、航行中には、冷蔵装置のコンプレッサを起動するとき等、連続電力Ｗ_Ｃとは別の電力需要が一時的に発生する場合がある。総需要電力Ｗ_Ｔは、このように一時的且つ追加的に必要となる電力Ｗ_Ａを連続電力Ｗ_Ｃに上乗せした値である。本実施形態では、連続電力Ｗ_Ｃが総需要電力Ｗ_Ｔの約８３％程度であるとしている（Ｗ_Ｃ≒Ｗ_Ｔ×０．８３，Ｗ_Ａ≒Ｗ_Ｔ×０．１７）。換言すれば、総需要電力Ｗ_Ｔが連続電力Ｗ_Ｃに当該連続電力Ｗ_Ｃの約２０％の追加的な電力Ｗ_Ａを上乗せした値となる（Ｗ_Ａ≒Ｗ_Ｃ×０．２０，Ｗ_Ｔ≒Ｗ_Ｃ×１．２０）。線Ａ、線Ｂ及び線Ｃは、機関室温が摂氏３５度、摂氏２５度及び摂氏１０度であるときの蒸気タービン３及び発電機４の特性線図の一例をそれぞれ示している。線Ａ〜Ｃより、エンジン負荷が高いほど、機関室温が高いほど、廃熱による発生可能電力が高くなることがわかる。

従前のシステムでは、例えば、点Ｄを蒸気タービン３及び発電機４の設計点としている。つまり、従前のシステムは、機関室温が摂氏２５度であり且つエンジン負荷が全負荷付近の高負荷域（例えば９０％負荷）にあるときに、廃熱による発生可能電力が総需要電力Ｗ_Ｔに達するように構成される。すると、エンジン負荷が設計点未満（例えば９０％負荷未満）であるときに、間欠補機の始動時やスートブローの実行時に、船内の電力需要を発電機４で賄いきれなくなるので、補助ボイラ２４ａの追い焚きやディーゼル発電機の作動が必要となる。逆に、エンジン負荷が全負荷であるときには、発電機４が総需要電力Ｗ_Ｔを超える電力を発生し、そのときの余剰電力は有効活用されることなく棄てられる。

これに対し、本実施形態に係る舶用発電システム１００は、前述のとおり、発電機４と電気的に接続された蓄電池５を備える。このため、エンジン負荷が高く、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を十分に賄いきれる場合に、発電機４により発生された余剰電力で蓄電池５を充電することができる。逆に、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を賄いきれない場合に、蓄電池５を放電して発電機４の駆動を助勢することができる。これにより、補助ボイラ２４ａの追い焚きやディーゼル発電機の作動に必要な化石燃料を節約することができ、低コスト化及び省エネルギー化を図ることができる。

このように、船内の電力需要を、廃熱から得た電気エネルギーのみならず、蓄電池５に蓄えられている電力に基づき発電機４が発生した電気エネルギーよっても賄うことができるため、蒸気タービン３及び発電機４の設計点を従来よりも低くすることができる。例えば、図２に示すように、設計点を点Ｄから点Ｅへと変更することが可能となる。すなわち、機関室温及びエンジン負荷が同一の条件下で、廃熱による発電機４の発生可能電力を小さくするようにシステム設計を変更することができる。

この場合、設計点の下げ幅は、蓄電池５を放電して発電機４の駆動を助勢することで発生し得る電力相当とすることができる。このとき、エンジン負荷が８５％負荷から９５％負荷までの範囲内にあり機関室温が摂氏２５度であるときの廃熱による発電機４の発生可能電力が連続電力Ｗ_Ｃよりも大きく且つ総需要電力Ｗ_Ｔよりも小さく設定されていてもよい。例えば、図２に示すように、設計点の下げ幅を総需要電力Ｗ_Ｔの１０％とし、エンジン負荷が全負荷付近の高負荷域（例えば９０％負荷）にあるときの廃熱による発生可能電力が連続電力Ｗ_Ｃを超える値に設定されていることが好ましい。このように設定すると、充電及び放電のいずれか一方が偏ることがなく、充電機会及び放電機会をバランスさせることができる。

このように機関室温及びエンジン負荷が同一の条件下で、廃熱による発電機４の発生可能電力を従来よりも低下させようとするときには、排ガスエコノマイザ１０を小型化して排ガスからの熱回収量を小さくすることを試みたり、蒸気タービン３の小型化を試みたりすることができる。このため、廃熱回収系２及び蒸気タービン３の小型化を図ることができ、舶用発電システム１００全体の小型化及び低コスト化を図ることが可能となる。よって、サイズ面及びコスト面から従前は廃熱回収系を付加した発電システムを搭載し得なかったような小型の船舶が、このような発電システムを搭載可能となり、船舶業界における省エネルギー化を広く推進することができる。

以下、本実施形態に係る舶用発電システム１００において実施される充放電制御について説明する。図３は、廃熱による発生可能電力と高圧ドラム２４の内圧（すなわち、高圧ドラム２４内の蒸気の圧力）との相関図、廃熱による発生可能電力とガバナ弁３６のリフト量との相関図、廃熱による発生可能電力と計画点との相関図及び充放電制御の概念図を併せて示す図である。なお、「計画点」は、船内の電力需要が廃熱による発電機４の発生可能電力とバランスする点である。

図３に示すように、高圧ドラム２４の内圧Ｐが常用圧力域であるとき、発電機４が計画点で表わされる発生可能電力を発生するとする。なお、常用圧力は、常用航海中に補助ボイラの追い焚き無しに廃熱による発生可能電力と船内の電力需要がバランスしたところでの圧力である。

他方、高圧ドラム２４の内圧Ｐが高いほど、廃熱による発電機４の発生可能電力は高くなる。よって、高圧ドラム２４の内圧Ｐが常用圧力Ｐ_Ｎを超えると、廃熱による発電機４の発生可能電力は船内の電力需要に対して余剰を生み出す。逆に、高圧ドラム２４の内圧Ｐが常用圧力Ｐ_Ｎを下回ると、廃熱による発電機４の発生可能電力は船内の電力需要に対して不足する。

また、ガバナ弁３６のリフト量Ｌが所定値Ｌ_Ｎであって内圧Ｐが常用圧力域にあるとき、発電機４が計画点で表わされる発生可能電力を発生するとする。他方、リフト量Ｌが大きいほど、廃熱による発電機４の発生可能電力は低くなる。よって、リフト量Ｌが所定値Ｌ_Ｎを下回ると、廃熱による発電機４の発生可能電力は船内の電力需要に対して余剰を生み出す。逆に、リフト量Ｌが所定値Ｌ_Ｎを超えると、廃熱による発電機４の発生可能電力は船内の電力需要に対して不足する。

ここで、従前の発電システムにおいては、内圧Ｐが常用圧力域から低値側へ外れたり、ガバナ弁のリフト量が所定値を超えたりすると、廃熱による発電機４の発生可能電力によって舶内の電力需要を賄いきれないとして、補助ボイラの追い焚きやディーゼル発電機の起動が自動的に行われていた。

本実施形態に係る主コントローラ６は、放電中に、第１圧力センサ４１により検出される高圧ドラム２４の内圧Ｐが常用圧力域の高値側限界値又は該限界値付近の値である第１圧力閾値Ｐ_１以上になると、まず、副コントローラ７に蓄電池５を充電するよう指令を与える。また、主コントローラ６は、放電中に、リフト量センサ４４により検出されるガバナ弁３６のリフト量Ｌが所定値Ｌ_Ｎよりも低値である第１リフト閾値Ｌ_１未満になると、副コントローラ７に蓄電池５を充電するよう指令を与える。

また、主コントローラ６は、充電中に、第１圧力センサ４１により検出される高圧ドラム２４の内圧Ｐが常用圧力域の低値側限界値又は該限界値付近の値である第２圧力閾値Ｐ_２未満になると、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える。また、主コントローラ６は、充電中に、リフト量センサ４４により検出されるガバナ弁３６のリフト量Ｌが所定値Ｌ_Ｎよりも高値である第２リフト閾値Ｌ_２以上になると、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える。

このように、放電から充電へ移行するときの閾値Ｐ_１，Ｌ_１と、充電から放電へ移行するときの閾値Ｐ_２，Ｌ_２とは、ヒステリシスを有している。このため、高圧ドラム２４の内圧Ｐやガバナ弁３６のリフト量Ｌが計画点付近となるように制御されている場合に、充電／放電の移行が頻繁に生じるのを良好に抑制することができる。より詳しく言えば、高圧ドラム２４は、その保有水の蓄熱により変化する時定数が緩やかである。そこで、高圧ドラム２４の内圧Ｐを検出要素としてヒステリシスを設定することで、時定数に合わせて充放電が頻繁に繰り返されるのを良好に抑制することができる。

なお、充電から放電へ移行した後、内圧Ｐが第２圧力閾値Ｐ_２よりも低値である第３圧力閾値Ｐ_３を下回る又はリフト量Ｌが第２リフト閾値Ｌ_２よりも高値である第３リフト閾値Ｌ_３以上になると、蓄電池５の助勢があっても船内の電力需要を賄いきれないとして補助ボイラ２４ａの追い焚きを行うようにしてもよい。また、内圧Ｐが第３圧力閾値Ｐ_３よりも低値である第４圧力閾値Ｐ_４を下回る又はリフト量Ｌが第３リフト閾値Ｌ_３よりも高値である第４リフト閾値Ｌ_４以上になると、蓄電池５及び補助ボイラ２４ａの追い焚きの助勢があっても船内の電力需要を賄いきれないとしてディーゼル発電機を駆動させるようにしてもよい。このように、蓄電池５の助勢を最優先して行うようにしたうえで、補助ボイラ２４ａの追い焚き及びディーゼル発電機の駆動のバックアップ機能を持たせることにより、化石燃料の使用頻度を極力抑えたうえで廃熱による発生可能電力が極端に不足するような場合においても船内の電力需要を賄うことができる発電システムを提供することができる。このようなバックアップ機能を持たせる場合において、内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１を上回る又はリフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１未満であるときには、所定のバックアップ停止条件を充足するか否かを判断し、補助ボイラ２４ａの自動消火又はディーゼル発電機の停止を行うようにすることが好ましい。なお、ディーゼル発電機の停止は、電子的な制御によらず、手動で行われるようにしてもよい。バックアップ停止条件は、内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１以上である又はリフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１未満であるとの条件でもよいし、内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１よりも高値である第５圧力閾値Ｐ_５以上である又はリフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１よりも低値である第５リフト閾値Ｌ_５未満であるとの条件でもよい。

図４は、主コントローラ６が実施する充放電制御の手順を示すフローチャートである。主コントローラ６は、蓄電池が放電中であるか充電中であるかを判断する（ステップＳ１）。放電中であれば（Ｓ１：ＹＥＳ）、船内の電力需要の増加やスートブローの実施があるか否かを判断する（ステップＳ２）。なお、主コントローラ６は、船内の電力需要が増加しているか否かを、補機始動検出手段４５からの入力に基づいて判断することができる。補機始動検出手段４６により補機の始動が検出されると、船内の電力需要が連続電力を上回るので、このとき、船内の電力需要が増加していると判断することができる。また、主コントローラ６は、スートブローが行われているか否かを、ブロースイッチ４５からの入力に基づいて判断することができる。船内の電力需要の増加又はスートブローの実施があれば（Ｓ２：ＹＥＳ）、主コントローラ６は、放電条件が成立しているとして、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える（ステップＳ５）。これにより、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を賄いきれないおそれがあっても、蓄電池５を放電させ続けることにより発電機４の駆動を助勢して発電機４の発電量を高くすることができる。

放電中において船内の電力需要の増加及びスートブローの実施がなければ（Ｓ２：ＮＯ）、主コントローラ６は、ガバナ弁３６のリフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１未満であるか否かを判断する（ステップＳ３）。リフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１以上であれば（Ｓ３：ＮＯ）、主コントローラ６は、高圧ドラム２４の内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１以上であるか否かを判断する（ステップＳ４）。高圧ドラム２４の内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１未満であれば（Ｓ４：ＮＯ）、主コントローラ６は、放電条件が成立しているとして、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える（ステップＳ５）。これにより、エンジン負荷が低いなどの理由で廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を賄いきれないおそれがあっても、蓄電池５を放電させ続けることにより、発電機４の駆動を助勢して発電機４の発電量を高くすることができる。

放電中においてリフト量Ｌが第１リフト閾値Ｌ_１未満又は高圧ドラム２４の内圧Ｐが第１圧力閾値Ｐ_１以上であれば（Ｓ３：ＹＥＳ or Ｓ４：ＹＥＳ）、主コントローラ６は、充電条件が成立したとして、副コントローラ７に蓄電池５を充電させるよう指令を与える（ステップＳ６）。これにより、間欠補機の始動等がなく船内の電力需要が連続電力Ｗ_Ｃ付近にあったり、スートブローが実施されておらず廃熱回収により生成された蒸気を蒸気タービン３の駆動に十分に活用可能であったり、エンジン負荷及び機関室温が高いなどの理由で、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を超えるような場合には、その余剰電力を蓄電池５に充電させることができ、余剰電力を有効活用することができる。

蓄電池５が充電中であれば（Ｓ１：ＮＯ）、上記同様にして船内の電力需要の増加又はスートブローの実施があるか否かを判断する（ステップＳ２２）。船内の電力需要の増加又はスートブローの実施があれば（Ｓ２２：ＹＥＳ）、主コントローラ６は、放電条件が成立しているとして、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える（ステップＳ２６）。

充電中において船内の電力需要の増加及びスートブローの実施がなければ（Ｓ２２：ＮＯ）、主コントローラ６は、リフト量Ｌが第２リフト閾値Ｌ_２以上であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。リフト量Ｌが第２リフト閾値Ｌ_２未満であれば（Ｓ２３：ＮＯ）、主コントローラ６は、高圧ドラム２４の内圧Ｐが第２圧力閾値Ｐ_２未満であるか否かを判断する（ステップＳ２４）。高圧ドラム２４の内圧Ｐが第２圧力閾値Ｐ_２以上であれば（Ｓ２４：ＮＯ）、主コントローラ６は、充電条件が成立しているとして、副コントローラ７に蓄電池５を充電させるよう指令を与える（ステップＳ２５）。

放電中においてリフト量Ｌが第２リフト閾値Ｌ_２以上又は高圧ドラム２４の内圧Ｐが第２圧力閾値Ｐ_２未満であれば（Ｓ２３：ＹＥＳ or Ｓ２４：ＹＥＳ）、主コントローラ６は、放電条件が成立しているとして、副コントローラ７に蓄電池５を放電させるよう指令を与える（ステップＳ２６）。

これにより、充電中においても、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を賄いきれないおそれがあるときに、蓄電池５の放電により発電機４の駆動を助勢して発電機４の発電量を高くすることができる。また、廃熱による発電機４の発生可能電力が船内の電力需要を超えるような場合には、その余剰電力を蓄電池５に充電させ続けることができ、余剰電力を有効活用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。充電条件及び放電条件に、第２圧力センサ及び第３圧力センサの検出結果が第１圧力センサと同様にして考慮されてもよい。

本発明は、化石燃料の使用をなるべく控えつつも変動的な船内の電力需要を賄うことができ、廃熱回収系の大型化を抑制することができ、且つ、発電機から余剰電力が発生し得るときにはこれを有効に活用することができる舶用発電システムを提供することができるとの作用効果を奏し、従前から廃熱回収系を付加した舶用発電システムを搭載していた船舶については勿論のこと、サイズ面及びコスト面から従前そのようなシステムを搭載し得なかった小型船舶についても広く適用することができる。

１００ 舶用発電システム
１ 舶用ディーゼルエンジン
２ 廃熱回収系
３ 蒸気タービン
４ 発電機
５ 蓄電池
６ 主コントローラ
７ 副コントローラ
１０ 排ガスエコノマイザ
１６，１７ スートブロワ
２４ 高圧ドラム
２５ 中圧ドラム
２６ 低圧ドラム
２８ 蒸気系統
３０ 中圧混気系統
３３ 低圧混気系統
３６ ガバナ弁
３７，３８ 入口弁
４１ 第１圧力センサ
４２ 第２圧力センサ
４３ 第３圧力センサ
４４ リフト量センサ
４５ ブロースイッチ
４６ 補機始動スイッチ
Ｐ_１ 第１圧力閾値
Ｐ_２ 第２圧力閾値
Ｌ_１ 第１リフト閾値
Ｌ_２ 第２リフト閾値

Claims (7)

1. 主機の廃熱を回収して蒸気を生成する廃熱回収系と、
   前記廃熱回収系により生成された蒸気で駆動される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンの出力に基づき駆動されて発電する発電機と、
   前記発電機に電気的に接続された蓄電池と、を備え、
   前記発電機は、前記主機の負荷が高負荷域にあるときの廃熱による発生可能電力が船内で連続的に必要となる連続電力よりも大きく且つ当該連続電力に一時的且つ追加的に必要となる電力分が上乗せされた総需要電力よりも小さくなるよう構成され、
   前記蓄電池は、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を上回るときには前記発電機により発生された余剰電力で充電され、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を下回るときには放電されて前記発電機の駆動を助勢する、舶用発電システム。
2. 前記発電機は、前記主機の負荷が８５％負荷から９５％負荷までの範囲内にあり機関室温が摂氏２５度であるときの廃熱による発生可能電力が前記連続電力よりも大きく且つ前記総需要電力よりも小さくなるよう構成される、請求項１に記載の舶用発電システム。
3. 前記蓄電池の充放電を制御する制御手段、を備え、
   前記制御手段が、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を上回る所定の充電条件が成立したときに、前記発電機により発生された余剰電力で前記蓄電池を充電させ、且つ、廃熱による前記発電機の発生可能電力が船内の電力需要を下回る所定の放電条件が成立したときに、前記蓄電池を放電して前記発電機の駆動を助勢する制御を実施するよう構成されている、請求項１又は２に記載の舶用発電システム。
4. 船内の補機の始動を検出する補機始動検出手段を更に備え、
   前記充電条件は、前記補機始動検出手段により前記補機の始動が検出されていないとの条件を含み、前記放電条件は、前記補機始動検出手段により前記補機の始動が検出されているとの条件を含む、請求項３に記載の舶用発電システム。
5. 前記廃熱回収系を構成し、主機の排ガスが通流する排ガスエコノマイザと、
   前記排ガスエコノマイザ内に前記廃熱回収系で生成された蒸気を噴射するブロワと、
   前記ブロワが作動しているか否かを検出するブロー検出手段と、を更に備え、
   前記充電条件は、前記ブロー検出手段により前記ブロワの停止が検出されているとの条件を含み、前記放電条件は、前記ブロー検出手段により前記ブロワの作動が検出されているとの条件を含む、請求項３又は４に記載の舶用発電システム。
6. 前記蒸気タービンの蒸気入口へと蒸気を送る蒸気系統と、
   前記蒸気系統にリフト量を可変にして設けられ、該リフト量を変更することで前記蒸気入口に送られる蒸気の流量を調整するガバナ弁と、
   前記ガバナ弁のリフト量を検出するリフト量検出手段と、を更に備え、
   前記充電条件は、前記リフト量検出手段により検出されるリフト量が第１リフト閾値未満であるとの条件を含み、前記放電条件は、前記リフト量検出手段により検出されるリフト量が前記第１リフト閾値よりも大きい第２リフト閾値以上であるとの条件を含む、請求項３乃至５のいずれか１項に記載の舶用発電システム。
7. 前記廃熱回収系を構成し、生成された蒸気を溜める汽水分離器と、
   前記汽水分離器の内圧を検出する圧力検出手段と、を更に備え、
   前記充電条件は、前記圧力検出手段により検出される内圧が第１圧力閾値以上であるとの条件を含み、前記放電条件は、前記圧力検出手段により検出される内圧が前記第１圧力閾値よりも小さい第２圧力閾値未満であるとの条件を含む、請求項３乃至６のいずれか１項に記載の舶用発電システム。

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