JP5326004B2

JP5326004B2 - 船舶冷却水システム

Info

Publication number: JP5326004B2
Application number: JP2012013992A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎影野
Original assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Current assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Priority date: 2012-01-26
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-01-26
Also published as: JP2013151256A

Description

本発明は、船舶におけるセントラル冷却水システムに関する。

従来、船舶には、機関室内に装備の被冷却機器（例えば、主機関、発電機関及び水冷が必要な機器等）が発生する熱負荷を冷却するために必要な冷却水量を供給できる冷却水ポンプを備える冷却水システムが装備される。この種の船舶の冷却水システムは、上記の冷却水ポンプの外に、該冷却水ポンプと同能力のポンプを予備として装備し、上記被冷却機器が１００％の熱負荷に対応して装備されている。

図９は、この種の船舶における従来の冷却水ポンプを２台装備の最も多く用いられる例の概略を示す概略構成図であり、被冷却機器の熱負荷に１００％対応できる能力を有するポンプ２台（２台の内の１台は完全に予備のために装備されるポンプである）装備する例である。図９において、符号１０１は、例えば、冷却水ポンプであり、１０２は、同予備ポンプである。

図９に示される例は、構成はシンプルであるが、船舶の航行時にも冷却を必要とする上記各機器は、運転／停止をくり返す１００％以下での運転であるため、実際には１００％の冷却水量は必要とはされない。しかし、冷却水ポンプ１０１は１００％の容量で設計・装備されているため、実際の船舶の航行時には、必要以上の冷却水を供給していたし、また、停泊中など必要冷却水量が少ない時でも、１００％の冷却水量が流れるため、効率的にはロスの多い方法である。

そこで、この点を考慮して、１００％能力のポンプ２台を装備するのではなく、５０％能力のポンプを３台（常用運転２台、１台は予備）装備する例がある。
図１０は、５０％能力のポンプを３台（常用運転２台、１台は予備）装備する例の概略を示す概略構成図である。図１０において、１０３、１０４、１０５は、それぞれ５０％能力を冷却水ポンプであり、３台のうちの２台を常用運転とし、残りの１台を予備のポンプとする。
図１０に示される例では、上記の図９に示される例に比し、冷却水ポンプの運転効率を向上させているが、１００％か５０％の組み合わせしか選択することはできず、また、冷却水量を制御するためにインバータ等の高価な別途の制御装置を装備することさえあった。

さらに、４台の冷却水ポンプを装備する例として、例えば、特開平１-１３２４９３号公報に開示のものが知られている。特開平１-１３２４９３号公報に開示のものは、発明名称「船内機関部冷却水システム」に係り、「従来のセントラルクーリングシステム、・・特にセントラル清水クーラーとしてプレート型を用いたシステムにおけるポンプの台数を削減するとともに温度調整弁を不要とした新規な船内機関部冷却水システムを提供すること」の目的において（同公報明細書３頁７行〜１１行参照）、「清水クーラーの流量制御を行なうことなく該情水クーラーの出口清水温度を検出することにより冷却海水ポンプと低温冷却清水ポンプの台数制御を行なう」ことの構成により（同公報明細書特許請求の範囲の記載参照）、「従来の温度調整弁を用いることなく、清水クーラーの出口温度を検出することにより海水温度及び負荷の変化を想定可能とし・・・又、本発明で用いられる冷却海水ポンプおよび低温冷却清水ポンプの装備台数は夫々２台ずつとなり、又夫々のポンプの台数制御を行なうのでほとんどの場合１台運転でカバーでき、エネルギー削減に有効である」等の効果を奏するものである（同公報明細書６頁１３行〜２０行参照）。

図１１は、特開平１-１３２４９３号公報において、船内機関部冷却清水システムの実施例概略構成図と示される図であり、１０６は、セントラル清水クーラー、１０７は、冷却海水が供給され前記清水クーラー１０６を通過する清水の冷却を行なう冷却海水ポンプ、１０８は、システム１０９の冷却を行う低温冷却清水ポンプ、１０９は、上述のシステム、１１０は、前記セントラル清水クーラー１０６のバイパス側に設けられた弁である（なお、符号は、先行技術であることを明らかにするために、本願出願人において、３桁に変更して説明した。）。

このような状況下、上記の図９、図１０及び図１１に示される各例について検討すると、主機１００％負荷運転、発電機関全数１００％負荷運転といった機関室被冷却機器が１００％負荷で運転されることは実際の運航では存在することはないが、上記の冷却水ポンプは１００％能力で設計されている。この点について、船級協会は、『機関の最大出力時において、十分な水量を供給できる主冷却水ポンプと、通常運航に支障をきたさない水量を供給できる予備冷却水ポンプの装備』を要求しているが、それは、機関室全体で１００％能力のポンプの装備を要求しているものではない。

特開平１-１３２４９３号公報

船舶における冷却水システムにおいて、簡易な構成とするとともに、安価なセントラル冷却水システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願請求項１に係る発明は、船舶に装備される被冷却機器を冷却する冷却水システムにおいて、被冷却機器の熱負荷に５０％対応の第一のポンプ及び第二のポンプ並びに被冷却機器の熱負荷に３０％対応の第三のポンプを並列に配置してなる冷却水ポンプと、これらの冷却水ポンプからの冷却水により冷却する主機エアークーラー等の被冷却機器と、前記被冷却機器の出口配管に設けられる各機器の温度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する温調弁又は各機器の潤滑油の粘度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する自動止め弁と、前記冷却水ポンプの出口配管側に配置される当該配管を流れる冷却水の圧力を計測する圧力発信器とからなり、前記圧力発信器で検出される圧力値に基づいて前記冷却水ポンプの作動に対し、（１）予め設定される前記第一のポンプ及び前記第二のポンプの２台のポンプで合計１００％能力の運転を達成させるモード１、（２）前記圧力発信器からの圧力値が、予め設定した圧力範囲（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）の所定値（Ｐ１）を超えたときの前記第一のポンプ(５０％)と前記第三のポンプ(３０％）の２台のポンプで合計８０％能力の運転を達成させるモード２、（３）前記モード２において前記圧力値が予め設定した圧力範囲（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）の所定値（Ｐ２）を超えたときの前記第一のポンプ(５０％)又は前記第二のポンプ(５０％)のいずれか１台のポンプを５０％能力で運転させるモード３、（４）前記モード３における前記圧力値が予め設定した圧力範囲(Ｐ２〜Ｐ３ＭＰａ)の所定値（Ｐ３）を超えたときの前記第三のポンプ(３０％)１台のポンプで３０％能力の運転を達成させるモード４の運転モードを適宜選択して１００％、８０％、５０％、３０％の出力制御を可能としたことを特徴とする。
ただし、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３とする。

本発明は、上述のとおり構成されているので、次に記載する効果を奏する。
インバータ制御に代表されるような高価な制御システムを用いないため、運航者に対してイニシャルコストの比較的安価な省エネルギーセントラル冷却水システムを提供することが可能となった。

図１は、本発明に係る冷却水システムを実施するための形態の一実施例である実施例１に係る冷却水システム１の概略を示す図、図２は、同実施例１に係る冷却水システム１の具体的構成例を示す概略図、図３は、モード１のポンプ運転状態を示すグラフ図、図４は、モード１〜モード２のポンプ運転状態を示すグラフ図、図５は、モード２のポンプ運転状態を示すグラフ図、図６は、モード２〜モード３のポンプ運転状態を示すグラフ図、図７は、モード３のポンプ運転状態を示すグラフ図、図８は、モード３〜モード４のポンプ運転状態を示すグラフ図、図９は、この種の船舶における従来の冷却水ポンプを２台装備の最も多く用いられる例の概略を示す概略構成図、図１０は、５０％能力のポンプを３台（常用運転２台、１台は予備）装備する例の概略を示す概略構成図、図１１は、特開平１-１３２４９３号公報において、船内機関部冷却清水システムの実施例概略構成図と示される図である。

本発明に係る冷却水システムを実施するための形態としての一実施例を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係る冷却水システムを実施するための形態の一実施例である実施例１に係る冷却水システム１の概略を示す図であり、図２は、同実施例１に係る冷却水システム１の具体的構成例を示す概略図であり、主機関や発電機関などの上記被冷却機器の負荷及び/又は運転/停止操作における必要冷却水量の調整を行う事によって、冷却水ラインの圧力を上昇させ、最適なポンプの組み合わせを可能とする冷却水システムの構成例を示すものである。

図１，図２において、符号２、３、４は、それぞれ船舶に装備される３台の冷却水ポンプ（No.1ポンプ(符号２）、No.2ポンプ(符号３）、No.3ポンプ(符号４））であり、本実施例１に係る冷却水システム１においては、５０％能力のポンプ（No.1ポンプ、No.2ポンプ）を２台の外に、３０％能力のポンプ（No.3ポンプ）１台を並列に配置・装備したものである。

また、符号５は、コントロールパネルであり、６は、前記No.1ポンプ２、No.2ポンプ３、No.3ポンプ４の出口配管であり、７は、当該出口配管６を流れる冷却水の圧力を計測し、その計測結果を破線で示す信号線を通じて前記コントロールパネル５に送る圧力発信器である。また、符号８は、前記No.1ポンプ２、No.2ポンプ３、No.3ポンプ４の流入配管９に設けられ、前記流入配管９への冷却水を冷却するセントラルクーラー、１０は、同流入配管９への冷却水の流入量を調節する三方弁である。

また、１１は、主機エアクーラー、１２は、主機潤滑油クーラー、１３は、推進機の中間軸受等であり、それぞれ上述する被冷却機器であり、本実施例１に係る冷却水システム１においては、それらの被冷却機器の主機エアクーラー１１、主機ＬＯクーラー１２、推進機の中間軸受等１３の入力側は、主機運転時に作動させるリミットスイッチ付き手動弁１４を介して分岐入力され、さらに、前記主機エアクーラー１１の出口側には、当該主機エアクーラー１１の出口温度等を検知する検知器(図示外)が配置され、当該検知器(図示外)からの検知温度によって当該主機エアクーラー１１を冷却する冷却水の流量を調節する温調弁１５が配置され、また、同様に、前記主機潤滑油クーラー１２の出口側には、当該主機潤滑油クーラー１２の温度又は粘性を検知する検知器(図示外）が配置され、当該検知器(図示外）からの検知温度又は粘度により、当該主機潤滑油クーラー１２を冷却する冷却水の流量を調節する自動止め弁１６が配置されている。

また、符号１７、１８、１９は、同様の被冷却機器であるNo.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９であり、これらのNo.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９は、その内部に潤滑油ポンプ１７ａ、１８ａ、１９ａ、潤滑油ライン１７ｂ、１８ｂ、１９ｂを有し、当該潤滑油ライン１７ｂ、１８ｂ、１９ｂの潤滑油圧を計測し、当該潤滑油圧が低下又はそれぞれのNo.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９の停止時には、弁が自動的に閉じ、当該No.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９を冷却水の流量を調節する自動止め弁１７ｄ、１８ｄ、１９ｄが前記No.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９内の冷却ライン１７ｃ、１８ｃ、１９ｃに接続されている。

さらに、符号２０は、ドレンクーラー、２１は、同ドレンクーラー２０に接続される温調弁であって、前記ドレンクーラー２０の温度によって冷却水の流量を調節する。２２は、手動弁、２３は、居住区エアコン、２４は、主空気圧縮機などのユニットクーラーである。

このような構成からなる本実施例１に係る冷却水システム１においては、図１，図２に示すように、各々の能力を持った冷却水ポンプを３台装備し、船舶の航行時の負荷に応じた冷却水量を供給できるポンプの組合せを適宜選択し、最小の電力消費で必要な冷却水を供給可能な冷却水システム構成とするものである。すなわち、本実施例１に係る冷却水システム１においては、前記冷却水ポンプをそれぞれ５０％能力×２台、３０％能力×１台とし、これら３台のポンプを並列に配置し、適宜、運転稼働するポンプを必要とする負荷能力に適合するように組合せることによって、例えば、１００％・８０％・５０％・３０％の組合せを適宜選択することができ、必要な冷却水量に応じたポンプの運転稼働が可能となる。

本実施例１に係る冷却水システム１においては、前記冷却水ポンプとして、それぞれ５０％能力×２台、３０％能力×１台の合計３台の冷却水ポンプを船舶に並列に搭載し、これを被冷却機器の負荷に合わせて、適宜選択して運転駆動するようにしたが、これは上記の３台の冷却水ポンプ並びにその組み合わせに限る趣旨ではなく、冷却する被冷却機器の数量・容量等によって定まる被冷却負荷に合わせて適宜選択できる数種の能力を有する複数の冷却水ポンプであって良い。

すなわち、使用する冷却水ポンプの数は、一又は二以上の冷却水ポンプであっても良く、１００％能力（出力容量）の冷却水ポンプ１台に３０％能力（出力容量）の冷却水ポンプ１台の組み合わせ等、さまざまな能力（出力容量）の冷却水ポンプの複数台の組み合わせであっても良い。

また、本実施例１に係る冷却水システム１においては、前記被冷却機器の出口配管に各機器の温度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する温調弁を設けるようにし、同様に、各機器で使用される潤滑油の粘度に対応して当該機機内を流れる冷却水の流量を調節する自動止め弁を設けるようにしたが、これは、必ずしも、前記被冷却機器の出口配管に各機器の温度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する温調弁や、各機器で使用される潤滑油の粘度に対応して当該機機内を流れる冷却水の流量を調節する自動止め弁に限らず、各被冷却機器の冷却配管内の圧力変化を生じさせるものであれば、例えば、流量計又は流速計で合っても良く、これらの流量変化又は流速変化を捕捉し、これをパラメータとして前記冷却水ポンプの駆動を制御するものであれば自由に変更可能である。

また、当然のことながら、他のパラメータ捕捉手段によって冷却水ポンプの駆動運転を制御できる、例えば、各機器の作動時の温度を直接検出して、その検出温度値によって冷却水ポンプを駆動し、又は、その一又は二以上の駆動ポンプの組み合わせを適宜選択するようにしても良いし、さらには、前記被冷却機器の電力負荷等から求められる電圧値・電流値等から冷却水ポンプの駆動を制御する用にしても良い。

(冷却水ポンプの運転モードの設定)
本実施例１に係る冷却水システム１においては、上述してきたように、被冷却機器の冷却水出口には自動止め弁や温度調整弁を配置して、機器の熱負荷に応じた冷却水量を制御するようにし、さらに、この冷却水量の制御すなわち、冷却水量を調節する弁が絞られると冷却水配管内の圧力が上昇し、弁が開放されると冷却水配管内の圧力が低下するので、この圧力変化の特性を圧力検知器にて検知し、この検知に基づいて前記３台の冷却水ポンプの運転モードを適宜変化させることにより、冷却すべく被冷却機器への３台の冷却水ポンプの運転信号を制御し、被冷却機器の冷却水を最小の電力で必要な冷却水を供給可能となるようにしたものである。

本実施例１に係る冷却水システム１における前記コントロールパネル５では、前記圧力発信器７からの圧力値が、予め設定した上下限値を超えたときには、前記No.1ポンプ２、No.2ポンプ３、No.3ポンプ４のポンプ作動の組み合わせの運転モードを変更し、必要最小の電力で運転させるようにするものである。
また、前記圧力発信器７からの圧力値及び前記No.1ポンプ２、No.2ポンプ３、No.3ポンプ４のポンプ作動の組み合わせの運転モードに関しては、本実施例１にかかる冷却水システム１においては、例えば、次のように予め設定される。

（１）モード１：モード１は、初期設定モードであり、前述の５０％能力のポンプNo.1ポンプ２及びNo.2ポンプ３の２台のポンプで合計１００％能力の運転を達成させる。
（２）モード２：モード２は、前記圧力発信器７からの圧力値が、予め設定した所定の圧力範囲、例えば、（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）のＰ１を超えたときには、前記NO.1ポンプ２(５０％)とNO.3ポンプ４(３０％）の２台のポンプで合計８０％能力の運転を達成させる。
（３）モード３：モード３は、前記モード２で前記圧力値が、予め設定する所定の圧力範囲、例えば、（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）のＰ２を超えたときには、No.1ポンプ２(５０％)又はNo.2ポンプ３(５０％)のいずれか１台のポンプを５０％能力で運転させる。
（４）モード４：モード４は、前記モード３から前記圧力値が、予め設定する所定の圧力範囲、例えば、(Ｐ２〜Ｐ３ＭＰａ)のＰ３を超えたときには、前記NO.3ポンプ４(３０％)１台のポンプで３０％能力の運転を達成させる。

そして、逆に圧力が低下すると１段づつ能力の高いモードに移行するようにする。あるいは、段階的なモード移行ではなく、飛び越え的移行、例えば、検出される圧力値に基づき、モード１からモード３等への移行を可能とするものであっても良い。

これらのモード１〜モード４までの各ポンプの運転モードを図示すると以下のとおりとなる。なお、図３〜図８において、横軸は、被冷却機器が必要とする負荷能力（容量：ｍ³／ｈ），縦軸は、全揚程（ｍ）、実線は、各冷却水ポンプを運転させて得られる負荷能力、破曲線は、各冷却水ポンプの性能曲線、ハッチング領域は、各モード領域、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇは、各モードに移行する運転点を示す。

（１）図３は、モード１のポンプ運転状態を示すグラフ図であり、モード１（運転点ａは５０％×２台の１００％能力での運転）への状態を示す図である。
（２）図４は、モード１〜モード２のポンプ運転状態を示すグラフ図であり、モード１（運転点ａは５０％×２台の１００％能力での運転）→モード２（冷却水ライン中の各弁が閉鎖されると、ライン圧力が上昇しポンプの運転点がａからｂへ移行する）への状態を示す図である。

（３）図５は、モード２（冷却水ライン中の各弁が閉鎖されると、ライン圧力が上昇しポンプの運転点がａからｂへ移行する）への状態を示す図である。
（４）図６は、モード２〜モード３のポンプ運転状態を示すグラフ図であり、モード２（冷却水ライン中の各弁が閉鎖されると、ライン圧力が上昇しポンプの運転点がａからｂへ移行する）→モード３（次いで、３０％能力のポンプが立ち上がり、合計８０％能力として運転）への状態を示す図である。

（５）図７は、モード３のポンプ運転状態を示すグラフ図であり、モード３（次いで、３０％能力のポンプが立ち上がり、合計８０％能力として運転）への状態を示す図である。

（６）図８は、モード３〜モード４のポンプ運転状態を示すグラフ図であり、モード３（次いで、３０％能力のポンプが立ち上がり、合計８０％能力として運転）→モード４（冷却水ライン中の弁が閉鎖されると、圧力が上昇しポンプの運転点がｅからｆへ移行する）への状態を示す図である。

(省エネ効果の検証）
上記のようなモード設定において、本実施例に１に係る冷却水システム１について、どの程度の省電力効果があるか試算する。
例えば、前記主機エアクーラー１１、前記主機潤滑油クーラー１２、前記推進中間軸受け等１３、前記No.1発電機関１７、No.2発電機関１８、No.3発電機関１９、前記ドレンクーラー２０、前記居住区エアコン２３、前記ユニットクーラー／圧縮機２４について、それぞれ「１００％能力運転時」、「常用航海運転時」、「出入港運転時」、「荷役運転時」、「停泊運転時」のそれぞれについて、下記表１のような能力割合を想定すると、１００％能力が５００ｍ³／ｈとし、兵神ＲＶＡ型ポンプ(それぞれＲＶＡ−３００ＥＮ（３０ｋＷ）×２台、ＲＶＡ−２００ＥＮ（１８．５ｋＷ）×１台)を使用する場合を試算すると、下記表２のような省エネ効果(省電力効果)が試算できる。

この表２の試算から明らかなように、本実施例１に係る冷却水システム１は、１００％能力時には、６０ｋＷ、８０％能力時には、４８．５ｋＷ、５０％能力時には、３０ｋＷ，３０％能力時には、１８．５ｋＷと省エネ効果を発揮させることができる。
この結果、インバーター制御などの既存の技術に対して、低コストでシステムを構築できる。

船舶に搭載の被冷却機器類を冷却する冷却水システムに利用される。

１冷却水システム
２ No.1ポンプ
３ No.2ポンプ
４ No.3ポンプ
５コントロールパネル
６ポンプ出口配管
７圧力発信器
８セントラルクーラー９流入配管
９流入配管
１０三方弁
１１主機エアクーラー
１２主機潤滑油クーラー
１３中間軸受等
１４手動弁
１５温調弁
１６自動止め弁
１７ No.1発電機関
１７ａ潤滑油ポンプ
１７ｂ潤滑油ライン
１７ｃ冷却ライン
１７ｄ自動止め弁
１８ No.2発電機関
１８ａ潤滑油ポンプ
１８ｂ潤滑油ライン
１８ｃ冷却ライン
１８ｄ自動止め弁
１９ No.3発電機関
１９ａ潤滑油ポンプ
１９ｂ潤滑油ライン
１９ｃ冷却ライン
１９ｄ自動止め弁
２０ドレンクーラー
２１温調弁
２２手動弁
２３居住区エアコン
２４ユニットクーラー／主空気圧縮機
１０１冷却水ポンプ
１０２予備ポンプ
１０３、１０４、１０５冷却水ポンプ
１０６セントラル清水クーラー
１０７冷却海水ポンプ
１０８低温冷却清水ポンプ
１０９システム
１１０弁
ａ、ｂ、ｃ、ｄ，ｅ、ｆ、ｇ運転点

Claims

船舶に装備される被冷却機器を冷却する冷却水システムにおいて、
被冷却機器の熱負荷に５０％対応の第一のポンプ及び第二のポンプ並びに被冷却機器の熱負荷に３０％対応の第三のポンプを並列に配置してなる冷却水ポンプと、
これらの冷却水ポンプからの冷却水により冷却する主機エアークーラー等の被冷却機器と、
前記被冷却機器の出口配管に設けられる各機器の温度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する温調弁又は各機器の潤滑油の粘度に対応して当該機器内を流れる冷却水の流量を調節する自動止め弁と、
前記冷却水ポンプの出口配管側に配置される当該配管を流れる冷却水の圧力を計測する圧力発信器とからなり、
前記圧力発信器で検出される圧力値に基づいて前記冷却水ポンプの作動に対し、（１）予め設定される前記第一のポンプ及び前記第二のポンプの２台のポンプで合計１００％能力の運転を達成させるモード１、（２）前記圧力発信器からの圧力値が、予め設定した圧力範囲（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）の所定値（Ｐ１）を超えたときの前記第一のポンプ(５０％)と前記第三のポンプ(３０％）の２台のポンプで合計８０％能力の運転を達成させるモード２、（３）前記モード２において前記圧力値が予め設定した圧力範囲（Ｐ１〜Ｐ２ＭＰａ）の所定値（Ｐ２）を超えたときの前記第一のポンプ(５０％)又は前記第二のポンプ(５０％)のいずれか１台のポンプを５０％能力で運転させるモード３、（４）前記モード３における前記圧力値が予め設定した圧力範囲(Ｐ２〜Ｐ３ＭＰａ)の所定値（Ｐ３）を超えたときの前記第三のポンプ(３０％)１台のポンプで３０％能力の運転を達成させるモード４の運転モードを適宜選択して１００％、８０％、５０％、３０％の出力制御を可能としたことを特徴とする船舶冷却水システム。
ただし、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３とする。