JP4626878B2

JP4626878B2 - 船内電力システム

Info

Publication number: JP4626878B2
Application number: JP2007314536A
Authority: JP
Inventors: 貴夫大塚; 恭徳泥; 豊邦加藤; 敏和紙上
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JP2009137383A

Description

本発明は、船舶の推進用プロペラを駆動するディーゼル主機関の排気ガスの熱エネルギーを有効活用する船内電力システムに関する。

一般に原油タンカー（例えばＶＬＣＣ：Very Large Crude Carrier）や大型コンテナ船等では、通常航海中は、船内に必要な蒸気とタービン発電機を駆動させるのに必要な蒸気を、ディーゼル主機関からの排気ガスを注入する排ガスエコノマイザーで作り出している。排ガスエコノマイザーには水が入っており、排ガスエコノマイザーに排気ガスを注入することで、排気ガスの熱エネルギーで水が加熱され蒸気に変換される。排ガスエコノマイザーによって作り出された蒸気の一部でタービン発電機を駆動し、発電した電力を船内負荷に供給している。出入港・荷役時等はディーゼル主機関が出力低下もしくは停止しており、排ガスエコノマイザーからの蒸気量が十分確保できないため、タービン発電機とは別に設置されているディーゼルエンジンにより駆動されるディーゼル発電機により発電した電力で船内負荷に供給を行っている。

図５は、従来の原油タンカー、例えばＶＬＣＣの排気ガス熱エネルギーを利用した船内電力システムの概略図である。この船内電力システムはおもに、ディーゼル主機関１、排ガスエコノマイザー４ａ、蒸気タービン５、タービン発電機６、ディーゼルエンジン７ａ，７ｂ、ディーゼル発電機８ａ，８ｂ、船内負荷１５、スイッチ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄおよび母線１８から成っている。

ディーゼル主機関１は推進用プロペラ２を駆動する。ディーゼル主機関１から発生する排気ガスはターボチャージャ３を介して排ガスエコノマイザー４ａに入り、排ガスエコノマイザー４ａから発生する蒸気の一部で蒸気タービン５を回転させる。蒸気タービン５には減速機９を介してタービン発電機６が直結されているので、タービン発電機６が発電することで船内負荷１５に電力を供給している。船内負荷１５の変動に対しては、蒸気タービン５を回転させる蒸気量を変化させることでタービン発電機６の発電量を変化させている。出入港時及び荷役時は、ディーゼル主機関１の回転数が低下もしくは停止しているので排ガスエコノマイザー４ａから蒸気タービン５を駆動するに十分な蒸気が供給できないため、タービン発電機６は船内への電力供給ができない。この時は、別途設けているディーゼルエンジン７ａまたは７ｂを駆動機として、ディーゼル発電機８ａまたは８ｂで発電を行い、船内負荷１５への電力供給を行う。

図６は、タービン発電機の容量決定方法を概念的に示す図である。横軸が時間、縦軸が船内負荷量を表している。タービン発電機６の容量は、常時船内負荷へ電力供給するベースロード容量と、一時的な短時間に船内負荷へ電力供給する間欠運転容量を考慮して決定している。一般的に通常航海中はディーゼル主機関１の排気ガスにより発生する蒸気により発電されるタービン発電機６の発電量のみで船内消費電力を全て賄っている。

上記従来の船内電力システムでは、排ガスエコノマイザーの出力蒸気をコントロールすることにより、比較的簡単に蒸気タービンの回転制御ができてタービン発電機の負荷変動制御が可能な反面、ディーゼル主機関の排気ガスの熱エネルギーを一旦排ガスエコノマイザーで蒸気に変換する過程があるため、熱変換効率が低く、排ガスエコノマイザーも大きなものになるという問題がある。また、一時的に間欠運転される船内負荷へもタービン発電機から電力供給するため、それを考慮した発電容量とする必要があり、大容量のタービン発電機が必要となるという問題もある。更に、タービン発電機には（ベースロード容量＋間欠運転容量）に等しい発電能力があるにもかかわらず、通常航海中の殆どはベースロードのみで運転されるため、発電能力に見合った運転がなされずに運転効率の低いシステムとなっている。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、間欠運転負荷にまで対応する発電容量を要することなく、熱変換効率と運転効率の高い船内電力システム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、請求項１の発明の船内電力システムは、船舶の推進用プロペラを駆動するディーゼル主機関と、このディーゼル主機関から排出される排気ガスを入力して駆動されるパワータービンと、このパワータービンで駆動されるタービン発電機と、このタービン発電機に船内母線を介して接続された船内負荷と、前記船内母線にインバータを介して接続された蓄電装置とを備え、前記タービン発電機の発電容量を船内負荷量のベースロードのみで決定し、前記船内母線の周波数を監視し、船内負荷量の減少に基づく前記タービン発電機の出力電力に余剰が発生して周波数が上昇した場合には、その余剰電力を前記インバータを介して前記蓄電装置に蓄電し、逆に負荷量が増えて周波数が低下した場合には、前記タービン発電機の出力不足電力を前記蓄電装置から前記インバータを介して供給するようにして前記タービン発電機の容量の過不足を前記蓄電装置で賄うことを特徴とする。

請求項２の発明の船内電力システムは、前記インバータおよび前記蓄電装置は複数台設けられている構成とする。
請求項３の発明の船内電力システムは、船内重要負荷および前記インバータは切替えスイッチを介して前記船内母線に接続されている構成とする。

本発明によれば、間欠運転負荷にまで対応する発電容量を要することなく、熱変換効率と運転効率の高い船内電力システムを提供することができる。

本発明の第１〜第３の実施の形態を図１〜図４を参照して説明する。
（第１の実施の形態）（請求項１対応）
本発明の第１の実施の形態の船内電力システムは、図１に示すように、船舶の推進用プロペラ２を駆動するディーゼル主機関１と、ディーゼル主機関１から排出される排気ガスの一部を入力して駆動されるパワータービン１０と、減速機９を介してパワータービン１０で駆動されるタービン発電機６と、タービン発電機６に船内母線１８を介して電気的に接続されている船内負荷１５と、船内母線１８に双方向インバータ１１を介して接続された蓄電装置１２とを備え、双方向インバータ１１は、船内負荷量がタービン発電機６の出力電力より少なくなった場合にはその余剰電力を蓄電装置１２に蓄電し、逆の場合はタービン発電機６の出力不足電力を蓄電装置１２から船内負荷１５へ放電するように動作する構成とする。

本実施の形態の船内電力システムが図５に示した従来の船内電力システムと異なる構成は、排ガスエコノマイザー４ａの代わりに、従来よりも小さい排ガスエコノマイザー４ｂを備え、タービン発電機６の駆動源として、蒸気タービン５の代わりにパワータービン１０を備え、双方向インバータ１１と蓄電装置１２を備えていることである。また、従来の排ガスエコノマイザー４ａから蒸気タービン５に蒸気を入力する接続がなくなり、ディーゼル主機関１から発生する排気ガスの一部がパワータービン１０に入力できるように構成されている。

次に、本実施の形態の船内電力システムの動作を説明する。通常航海時に、ディーゼル主機関１から発生する排気ガスの一部がパワータービン１０を駆動する。パワータービン１０には減速機９を介してタービン発電機６が直結されているので、タービン発電機６が発電することで、船内負荷１５に電力を供給する。発電出力はディーゼル主機関１から発生する排気ガス量により左右される。本電力システムはガバナー機構がないのでタービン発電機６の発電量を制御できず、母線周波数を監視して、発電出力が船内負荷電力より大きい場合（周波数が上がる場合）は、双方向インバータ１１により余剰分の電力が蓄電装置１２に充電される。船内負荷変動が発生し、船内負荷電力がタービン発電機６の発電出力を超えた場合（周波数が下がった場合）は、不足電力を蓄電装置１２より、双方向インバータ１１を介して放電を行い、船内負荷電力を賄う。このようにして、双方向インバータ１１の制御で、タービン発電機６の電力量の変化に伴う船内負荷１５への不足分を蓄電装置１２からの電力供給で賄うことが可能になる。

図２は本実施の形態におけるタービン発電機６の容量決定方法を概念的に示す図である。横軸が時間、縦軸が船内負荷量を表している。図２に示すように、本実施の形態では一次的に発生する間欠運転負荷へは蓄電装置１２の放電により電力を供給するため、ベースロードのみでタービン発電機６の容量を決定することができる。

以上説明したように、従来はディーゼル主機関１の排気ガスから一旦蒸気を作り出して蒸気タービン５を駆動していたが、本実施の形態によれば、タービン発電機６の駆動源を従来の蒸気タービン５からパワータービン１０に替えることで、ディーゼル主機関１の排気ガスを直接パワータービン１０に入力してパワータービン１０を駆動させるため、熱変換効率が良くなる。また、蓄電装置１２及び双方向インバータ１１を設置することで、蓄電装置１２の放電により、一時的に発生する間欠運転負荷への電力供給が可能となるため、タービン発電機６の容量をベースロードのみで決定することができる。そのため、従来よりも発電機の設置スペースを小さくすることができるとともに、タービン発電機６の発電能力に応じた最大限の電力を引き出し、運転効率を高めることができる。

（第２の実施の形態）（請求項２対応）
次に本発明の第２の実施の形態を図３を参照して説明する。従来例である図５および第１の実施の形態の図１と同じ符号は同じ部分または相当部分を示し、その説明を省略する。

本実施の形態が第１の実施の形態と異なるところは、双方向インバータ１１および蓄電装置１２を、それぞれ複数台の小容量の双方向インバータ１３ａ，１３ｂおよび複数台の小容量の蓄電装置１４ａ，１４ｂというように、小さな容量で分散して配置したことである。

本実施の形態の船内電力システムは、通常航海時は、第１の実施の形態と同様にタービン発電機６から船内負荷１５に電力供給をする。本電力システムはガバナー機構がないので発電出力を制御できず、母線周波数を監視して、発電出力が船内負荷電力より大きい場合（周波数が上がる場合）は蓄電装置１４ａ，１４ｂが双方向インバータ１３ａ，１３ｂを介して余剰分の電力を充電する。船内負荷変動が発生し、船内負荷電力がタービン発電機６の発電出力を超えた場合（周波数が下がった場合）は、不足電力を蓄電装置１４ａ，１４ｂより、双方向インバータ１３ａ，１３ｂを介して放電を行い、船内負荷電力を賄う。

本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加え、小容量の蓄電装置１４ａ，１４ｂおよび小容量の双方向インバータ１３ａ，１３ｂを分散配置することで、設置スペースを分散できて船内のデッドスペースを利用できるなど、スペースの有効利用が可能となる。

（第３の実施の形態）（請求項３対応）
次に本発明の第３の実施の形態を図４を参照して説明する。従来例である図５および第１の実施の形態の構成である図１および第２の実施の形態の構成である図３と同じ符号は同じ部分または相当部分を示し、その説明を省略する。

本実施の形態が第２の実施の形態と異なる点は、船内に設置されている複数台の交流電源駆動の重要負荷１５ａ，１５ｂと複数台の双方向インバータ１３ａ，１３ｂおよび蓄電装置１４ａ，１４ｂを切替えスイッチ１６を介して船内母線１８に接続したことである。

本実施の形態の船内電力システムは、通常航海時は、第２の実施の形態と同様にタービン発電機６から船内負荷１５，１５ａ，１５ｂに電力供給をする。母線電力を監視して、タービン発電機６のトラブル等で母線電力が失われるような非常時には、切替えスイッチ１６を自動的に切り替えて、重要負荷１５ａ，１５ｂおよび双方向インバータ１３ａ，１３ｂと蓄電装置１４ａ，１４ｂを船内母線１８から切り離し、蓄電装置１４ａ，１４ｂを放電させて、重要負荷１５ａ，１５ｂの単独電源として動作させる。

本実施の形態は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の効果に加え、蓄電装置１４ａ，１４ｂと双方向インバータ１３ａ，１３ｂを重要負荷１５ａ，１５ｂの付近に配置して、供給電源を船内母線１８から切り替えることで、非常時の瞬時電源供給として利用可能であり、従来の非常用発電機として代用可能である。

本発明の第１の実施の形態の船内電力システムの構成を示す結線図。本発明の第１の実施の形態の船内電力システムにおける船内負荷と発電機容量の関係を示すタイムチャート。本発明の第２の実施の形態の船内電力システムの構成を示す結線図。本発明の第３の実施の形態の船内電力システムの構成を示す結線図。従来の船内電力システムの構成を示す結線図。従来の船内電力システムにおける船内負荷と発電機容量の関係を示すタイムチャート。

符号の説明

１…ディーゼル主機関、２…推進用プロペラ、３…ターボチャージャ、４ａ，４ｂ…排ガスエコノマイザー、５…蒸気タービン、６…タービン発電機、７ａ，７ｂ…ディーゼルエンジン、８ａ，８ｂ…ディーゼル発電機、９…減速機、１０…パワータービン、１１…双方向インバータ、１２…蓄電装置、１３ａ，１３ｂ…双方向インバータ、１４ａ，１４ｂ…蓄電装置、１５…船内負荷、１５ａ，１５ｂ…重要負荷、１６…切替えスイッチ、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ，１７ｇ…スイッチ、１８…船内母線。

Claims

船舶の推進用プロペラを駆動するディーゼル主機関と、このディーゼル主機関から排出される排気ガスを入力して駆動されるパワータービンと、このパワータービンで駆動されるタービン発電機と、このタービン発電機に船内母線を介して接続された船内負荷と、前記船内母線にインバータを介して接続された蓄電装置とを備え、
前記タービン発電機の発電容量を船内負荷量のベースロードのみで決定し、前記船内母線の周波数を監視し、船内負荷量の減少に基づく前記タービン発電機の出力電力に余剰が発生して周波数が上昇した場合には、その余剰電力を前記インバータを介して前記蓄電装置に蓄電し、逆に負荷量が増えて周波数が低下した場合には、前記タービン発電機の出力不足電力を前記蓄電装置から前記インバータを介して供給するようにして前記タービン発電機の容量の過不足を前記蓄電装置で賄うことを特徴とする船内電力システム。
前記インバータおよび前記蓄電装置は複数台設けられていることを特徴とする請求項１記載の船内電力システム。
船内重要負荷および前記インバータは切替えスイッチを介して前記船内母線に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の船内電力システム。