本発明は、廃熱回収システムを有する船舶推進システムを制御する方法および廃熱回収システムを有する船舶推進システムに関する。
WO2007/124968は、コンテナ船のような大型貨物船のための船舶推進システムを開示している。通常、このような推進システムは、低速の2ストロークディーゼル機関の形式の主機関を有する。主機関は、船舶のプロペラに組み合わされるプロペラシャフトを駆動するためのメカニカルなエネルギーを生成する。主機関の連続定格出力はおよそ5MWから110MWに達する。
船舶に搭載される電気機器は、通常、船舶の電気ネットワークにより電力供給を受ける。船舶の電気ネットワークは、発電系統、すなわち、主機関よりも高速で動作する燃焼機関に接続される発電機から電力を受け取る。発電系統で使用されるエンジンは、通常4ストロークのディーゼル機関である。近年、燃料価格の上昇や、排出物削減の要請、運転コスト削減の要請といった事情が、主機関の廃熱を利用してエネルギー利用率を向上させることに注目を集めることになっている。余剰の熱は、特に、主機関の排気ガスや冷却系統に見いだされる。上記WO2007/124968において、廃熱回収システムを有する推進システムは、主機関の排熱から電力を生成し、それを船舶の電気ネットワークに供給している。また、軸発電機/モーターがプロペラシャフトに機械的に結合するとともに、電気ネットワークに電気的に結合している。軸発電機/モーターは、船舶の電気ネットワークから電流を供給されると駆動モーターとして動作することができ、また、プロペラシャフトから機械的な回転エネルギーの供給を受けると電力を生成する発電機として動作することができる。軸発電機/モーターは、船舶の電気ネットワークからの電力による駆動モーターとしてシャフトシステムを駆動するための機械的なエネルギーを提供する動作と、シャフトシステムの機械的なエネルギーを船舶の電気ネットワークのための追加の電力に変換する発電機としての動作とを切り替えることができる。
伝統的に、船舶のための電気エネルギーは、各々発電機を駆動する複数の補助機関(発電系)により供給されてきた。廃エネルギー回収システムを有する船舶推進システムにおいては、必要とされる電気的エネルギーの主要な部分または全てが廃エネルギー回収システムにより届けられることができる。廃熱エネルギー回収システムが船舶の電気ネットワークに十分な電力を供給することができる場合には、電力管理システムまたはコントローラは補助機関により供給される電力を抑え、可能な場合には、補助機関は完全に停止することができる。
加えて、発電動作モードにある軸発電機/モーターを通じて、更に多くの電気的エネルギーを船舶電気ネットワークに供給することができ、補助機関の燃料消費を更に減少させることができる。
これらの手段は燃料及び運転コストの著しい削減と、補助機関からの排出物の著しい減少をもたらした。
廃熱エネルギー回収システムが船舶の電力消費の必要量以上のエネルギーを生成する場合、その余分なエネルギーは、駆動モーターとして動作している軸発電機/モーターに供給される。それによって、プロペラシャフトに追加の駆動力が提供される。この場合、船舶の電気ネットワークに電力を供給するのは廃熱回収システムだけであり、補助機関は停止している。
既知の推進及び電力システムは、ほとんどの運転条件において、廃熱回収システムが、他の電力生成要素の助けを得ずに、必要とされる電力を生成するように構成及び設計されている。
既知の推進及び電力システムにおいては、電気ネットワークの周波数は、廃熱回収システムにより生成される電力を調節することにより、すなわち絞ることにより、制御されている。この周波数制御を行うことを可能にするためには、消費系により使用される電力における変化をカバーするために、未利用のキャパシティが十分になければならない。
廃熱回収システムは、周波数制御を行うことを可能にするために、様々な電力設定で動作することが可能でなければならない。すなわち廃熱回収システムは、その最大能力で動作してはいない。最大能力で動作していないということは、廃熱の"タダの"エネルギー部分を利用していないということであるから、効率を落としているということである。
これらの背景から、本明細書で開示される事項の目的の一つは、上述のタイプの船舶推進システムにおいて、燃料効率を改善することである。
この目的は廃熱回収系を有する次のような船舶推進システムを提供することによって達成される。このシステムは、船舶のプロペラに組み合わされるプロペラシャフトを駆動する主機関である、ターボ過給式大型2ストローク内燃機関と;タービン及び発電機を備え、前記船舶の電気ネットワークのために廃熱から電気エネルギーを生成する排熱回収システムと;前記プロペラシャフトに連結しているとともに、前記船舶の前記電気ネットワークに電気的に結合している、軸発電機/モーターであって、その駆動モーター動作モードにおいては、前記電気ネットワークからの電気エネルギーを前記プロペラシャフトを駆動するための機械エネルギーに変換し、その発電機動作モードにおいては、前記プロペラシャフトの機械エネルギーを前記電気ネットワークのための電気エネルギーに変換するように構成される、軸発電機/モーターと;前記軸発電機/モーターを制御しうるように該軸発電機/モーターに接続され、該軸発電機/モーターの動作を調節することにより前記電気ネットワークの周波数を制御するように構成されるコントローラと;を備える。
前記電気ネットワークの周波数を制御するために、軸発電機/モーターの出力範囲を使用することにより、廃熱回収システムからの全ての利用可能な出力を有効に利用することができるようになり、したがって、船舶推進システムのエネルギー効率を改善することができる。
ある実施形態において、前記コントローラは電気ネットワークの周波数を制御するように構成される。この制御は、軸発電機/モーターの動作を、駆動モーター動作モードおよび発電機動作モードにおいて調節することにより行われる。この手段は、周波数制御に利用可能な出力範囲を広げる。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記駆動モーター動作モードにおいては前記軸発電機/モーターへの電力を調節することにより、および、前記発電機動作モードにおいては前記軸発電機/モーターへの負荷を調節することにより、前記電気ネットワークの周波数を制御するように構成される。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記軸発電機/モーターの動作を、駆動モーター動作モードおよび前記発電機動作モードを含む連続的な動作設定範囲にわたって調節することにより、前記電気ネットワークの周波数を制御するように構成される。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記軸発電機/モーターの励起電流を制御することにより、前記電気ネットワークを制御するように構成される。
ある実施形態において、前記プロペラシャフトは可変ピッチプロペラに連結され、前記コントローラは、プロペラシャフトの回転速度が一定になるように、従って前記軸発電機/モーターの回転速度を一定に保って電気ネットワークの周波数が一定になるように、前記船舶推進システムを動作させるように構成される。
ある実施形態において、前記船舶推進システムは、前記軸発電機/モーターと前記プロペラシャフトとの間に配される伝達比可変手段を更に備える。前記コントローラは前記伝達比可変手段に接続されると共に、該伝達比可変手段の伝達比を制御することにより、前記プロペラシャフトの回転速度の変動に関わらず、前記軸発電機/モーターの回転速度を一定に保つように構成される。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記電気ネットワークの周波数を制御するためにドループ速度制御を行うように構成される。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記電気ネットワークの周波数を制御するためにアイソクロナス速度制御を行うように構成される。
ある実施形態において、前記コントローラは、前記廃熱回収システムを制御しうるように該廃熱回収システムに接続され、該廃熱回収システムをベースロードとして動作させるように構成される。
本発明の目的は、燃料効率の改善のために、上述のタイプの船舶推進システムを動作させる方法を提供することである。
上記の目的は、次のような船舶推進システムを動作させる方法を提供することによって達成される。前記システムは、船舶のプロペラに組み合わされるプロペラシャフトを駆動する主機関である、ターボ過給式大型2ストローク内燃機関と;タービン及び発電機を備え、前記船舶の電気ネットワークのために廃熱から電気エネルギーを生成する排熱回収システムと;前記プロペラシャフトに連結しているとともに、前記船舶の前記電気ネットワークに電気的に結合している、軸発電機/モーターであって、その駆動モーター動作モードにおいては、前記電気ネットワークからの電気エネルギーを前記プロペラシャフトを駆動するための機械エネルギーに変換し、その発電機動作モードにおいては、前記プロペラシャフトの機械エネルギーを前記電気ネットワークのための電気エネルギーに変換するように構成される、軸発電機/モーターとを備える。そして前記方法は、前記軸発電機/モーターの動作を調節することにより前記電気ネットワークの周波数を制御することを含む。
前記電気ネットワークの周波数を制御するために、軸発電機/モーターの出力範囲を使用することにより、廃熱回収システムからの全ての利用可能な出力を有効に利用することができるようになり、したがって、船舶推進システムのエネルギー効率を改善することができる。
実施形態によっては、前記方法は、電気ネットワークの周波数を制御することを含む。この制御は、軸発電機/モーターの動作を、駆動モーター動作モードおよび発電機モードにおいて調節することにより行われる。この手段は、周波数制御に利用可能な電力範囲を広げる。
実施形態によっては、前記方法は、前記駆動モーター動作モードにおいては前記軸発電機/モーターへの電力を調節することにより、および、前記発電機動作モードにおいては前記軸発電機/モーターへの負荷を調節することにより、前記電気ネットワークの周波数を制御することを含む。
実施形態によっては、前記方法は、前記軸発電機/モーターの動作を、駆動モーター動作モードおよび前記発電機動作モードを含む連続的な動作設定範囲にわたって調節することにより、前記電気ネットワークの周波数を制御することを含む。
実施形態によっては、前記方法は、前記電気ネットワークの周波数を制御するためにドループ速度制御を行うことを含む。
実施形態によっては、前記方法は、前記電気ネットワークの周波数を制御するためにアイソクロナス速度制御を行うことを含む。
実施形態によっては、前記方法は、前記廃熱回収システムの動作をベースロードとして制御することを含む。
実施形態によっては、前記方法は、軸発電機/モーターの動作モード及びこれが消費する(又はこれに届けられる)電力に関わらず、メインエンジンの回転速度を一定に保つことを含む。
実施形態によっては、前記方法は、所望された軸発電機/モーターの設定が、軸発電機/モーターの動作範囲外になってしまうような場合に、廃熱回収システムの設定を調節することを含む。
本明細書の開示に従う船舶推進システムや船舶推進システムを制御する方法の更なる目的や特徴、利点、性質は、以下の詳細説明により明らかになるだろう。
本明細書の以下の詳細説明部分においては、図面に示される例示的な実施形態を参照して発明がより詳細に説明される。
船舶推進システムの例示的実施形態の略図である。
船舶推進システムの別の例示的実施形態の略図である。
好適な実施形態の詳細な説明
以下の詳細説明では、例示的実施形態を用いて船舶推進システム及び方法が説明される。
図1は、例えばコンテナ船のような大型船舶のための、廃熱回収システムを備える船舶推進システム1の例示的実施形態の概略を示す。推進システムの中核部は主機関であるターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関2である。このエンジンのクランクシャフトは連接棒、クロスヘッド、ピストン棒を介してピストンに連結される。ターボ過給式大型2ストロークディーゼル機関は通常、直列に配される5から16のシリンダを有する。機関の全出力は、例えば、5,000kWから110,000kWでありうる。
主機関2は、プロペラシャフト3を介して、船舶を推進するための固定ピッチプロペラ4に連結される。電気ネットワーク5は船舶に搭載される電気機器やシステムに電力を供給するために使用される。
電力を消費する機器は、例えば、貨物を冷やすための冷却装置であってもよい。明確化及び簡単化のために、図1には、単一の電気機器6しか描かれていない。しかし実際には、多数の電気機器が船舶の電気ネットワークから電力供給を受けることになる。
船舶の電気ネットワーク5のためのエネルギーを生成するために、いくつかの発電セット(genset)8が設けられる。各発電セットは発電機及び補助エンジン9を備える。補助機関9は主機関2に比べて著しく小さくまた高速に動作する。補助機関9は、多くの場合、中速の4ストロークディーゼルエンジンであり、例えば5MW程度の出力を有する。
軸発電機/モーター10は、プロペラシャフト3に機械的に連結しているとともに、船舶電気ネットワーク5に電気的に結合している。
軸モーター/発電機10は、低速の同期機として設計され、好ましくはギヤボックスを介在させずにプロペラシャフト3に直接作用することができるように設計される。
軸モーター/発電機10は、プロペラシャフト3にギヤボックスを介して連結してもよく、また、主機関2のクランクシャフトに連結されてもよい。つまり、クランクシャフトにおけるプロペラシャフト3の反対側の短部でクランクシャフトに連結されてもよい。
船舶推進システムには廃熱回収システム11が設けられる。主機関2の排気ガスの廃熱は、熱交換器16を介して、図示されていない蒸気循環系に送られる。蒸気循環系には蒸気タービン18が接続されている。蒸気タービン18は発電機20を駆動する。発電機20により生成された電気エネルギーは船舶電気ネットワーク5に供給される。
実施例によっては、蒸気タービン18は、廃熱で駆動されるパワータービンに組み合わされるか、廃熱で駆動されるパワータービンに置き換えられる。
船舶推進システム1を動作させる主な目的は、廃熱回収システムから得られる全ての電気エネルギーを船舶電気ネットワーク5に供給することである。
いったん発電機20が電力を船舶電気ネットワーク5に供給し始めると、コントローラ12はディーゼル発電セット8を任務から解放し、可能であるならば、発電セット8を完全に停止させる。
このような手段は燃料及び制御コストを著しく削減し、また、ディーゼル発電セットの排出物を著しく減少させる。
廃熱回収システム11が電気機器6に必要な量よりも多くのエネルギーを生成すると、この余分なエネルギーは軸発電機/モーター10を駆動モーターモードで動作させるために使用される。従って、プロペラシャフト3を駆動するための追加の動力が提供される。
駆動モーター動作モードにおいて、軸発電機/モーター10は、電気ネットワーク5からの電気エネルギーを、プロペラシャフト3を駆動するための機械的エネルギーに変換する。
このようにして、船舶電力ネットワーク5における予備能力は、船舶の推進力を増すために用いられる。例えば、船舶の速度を増すために用いられたり、船舶の速度を維持したまま主機関2の負荷を減少させるために用いられたりする。
発電機動作モードにおいて、軸発電機/モーター10は、プロペラシャフト5の機械的回転エネルギーを、電気ネットワーク3のための電気エネルギーに変換する。
これは、主機関2の予備能力を、船舶電気ネットワーク5のためのエネルギーを生成するために使用することを可能にする。
軸発電機/モーターの制御及び調整は、好ましくはデジタル技術により実装される、共通の制御及び調整システムであるコントローラ12により行われる。
軸発電機/モーター10の動作設定は、コントローラ12により制御及び調整される。特に、ある実施形態において、コントローラ12は、F/Vコンバータ13を介して軸発電機/モーター10の励起電流を制御する。
軸発電機/モーター10の励起電流を制御及び調整することにより、軸発電機/モーター10は、駆動モーターとして又は発電機として動作させられる。これは、定速発電機や可変ピッチプロペラにとって特に便利である。
コントローラ12は電気ネットワーク5の周波数を制御するように構成される。この制御は、軸発電機/モーター10の動作を、駆動モーター動作モードおよび発電機動作モードにおいて調節することにより行われる。
コントローラは、駆動モーターモードにおいて、軸発電機/モーター10への電力を制御することにより、電気ネットワーク5の周波数を制御する。またコントローラは、発電機モードにおいて、軸発電機/モーター10にかかる負荷を調節することにより、電気ネットワーク5の周波数を制御する。この調節は、好ましくは、軸発電機/モーター10の励起電流(exciter current)を介して行われる。
コントローラは、軸発電機/モーター10の動作の制御及び調整を、駆動モータ動作モード及び発電機動作モードを含む、連続的な動作設定の範囲にわたって行うように構成される。これら2つの動作モードの間の遷移は事実上スムーズである。
コントローラ12は励起電流を独立に制御及び調整することができる。またはコントローラ12は軸発電機/モーター10の励起システムを制御及び調整することができる。この目的のため、コントローラ12は軸発電機/モーター10のスピードやモーター電圧、ネットワーク電圧及び周波数を登録し、周波数−電圧変換器13を介して励起電流を制御する。
図1に描かれる実施形態のバリエーションには、船舶推進システム1にピッチ制御プロペラ(controlled pitch propeller)4が備えられるものがある。この実施形態において、コントローラに12は、船舶の速度と独立にプロペラシャフトのスピードを一定に保つ目的で、プロペラのピッチを制御する。それは、軸発電機/モーター10の回転速度を一定に保ち、従って軸発電機/モーター10により生成される電気ネットワークの周波数を一定に保つことに繋がる。
図2は本発明の別の実施形態を示す。この実施形態は図1のものと基本的に同じであるが、プロペラシャフト3と軸発電機/モーター10との間に可変伝達装置(variable transmission)が設けられる点が異なっている。可変伝達装置はコントローラ12に組み合わされ、またその制御を受ける。可変伝達装置は、可変伝達比を有するギヤボックスの実施例である。そのようなギヤボックスは、プロペラシャフト3とプロペラ4の間に組み合わされる。この実施形態におけるプロペラは固定ピッチプロペラであることができる。
この実施形態において、コントローラ12は可変伝達装置10を制御するように構成される。この制御は、プロペラシャフト3の回転速度に関わらず軸発電機/モーター10が一定の速度で動作し、従って軸発電機/モーター10が電気ネットワークに一定の周波数を供給するように行われる。
廃熱回収システムと軸発電機/モーター10とがいずれも電力を生成及び消費することができるので、この実施形態におけるコントローラは、廃熱回収システムがベースロード(base load)としての役割を果たすことを許し、また、軸発電機/モーター10がそれより広い動作範囲における変動を受け持つ機器としての役割を果たしうるように軸発電機/モーター10を制御するように構成される。
ドループ速度制御(droop speed control)及びアイソクロナス速度制御(isochronous speed control)を含む伝統的な負荷分散のコンセプトを、軸発電機/モーター10の動作範囲をカバーするために適用することができる。
ある実施形態において、コントローラ12は、軸発電機/モーター10の動作モード及びこれが消費する(又はこれに届けられる)電力に関わらず、主機関2の回転速度を一定に保つように構成される。
コントローラ12はまた、船舶電気ネットワークの周波数を制御するために、船舶電気ネットワーク5に接続される電力消費機器の一つ又は複数を制御するように構成されてもよい。
コントローラ12はまた、所望された軸発電機/モーター10の設定が、軸発電機/モーター10の動作範囲外になってしまうような場合に、廃熱回収システム11の設定を調節するようにさらに構成されてもよい。
特許請求の範囲において使用される「備える」「有する」「含む」との語句は、その他の要素やステップが含まれることを除外しない。特許請求の範囲において単数で記載されている要素であっても、それが複数供えられることを除外しない。特許請求の範囲に記載されるいくつかの手段の機能は、単一のプロセッサ又は他のユニットによって遂行されてもよい。
特許請求の範囲で使用されている符号は発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。
例示のために本発明を詳細に説明してきたが、これらの詳細は例示の目的のためだけに提供されたものであって、本発明の範囲を逸脱せずに当業者により様々な変形がなされうる。例えば、それは排気ガス再循環系を有する大型2ストローク機関においても実施されうる。