WO2014065397A1 - 内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法 - Google Patents

内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法 Download PDF

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combustion engine
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晃洋 三柳
純 樋口
健太郎 黒田
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine system including an internal combustion engine such as a marine diesel engine, a ship including the internal combustion engine system, and an operation method of the internal combustion engine system.
  • a low-speed two-cycle diesel engine used as a marine main engine is provided with a supercharger for improving performance.
  • a turbocharger a hybrid turbocharger equipped with a generator (see Patent Document 1 below), or a VTI (Variable Turbine Inlet) turbocharger with a variable exhaust gas turbine nozzle passage area (Patent Document below) 2) is known.
  • the hybrid turbocharger as shown in Patent Document 1 is capable of generating power when the load of the diesel engine that is the main engine is about 50% load or more. This is because at a low load where the diesel engine load is about 50% or less, the efficiency of the supercharger does not increase and there is no room for power generation. Therefore, the hybrid turbocharger is stopped at a predetermined diesel engine load (for example, 50% load) when the load is lowered, and is started when the load is increased.
  • the diesel engine equipped with a hybrid turbocharger is combined with an exhaust gas economizer that recovers heat from the exhaust gas of the diesel engine, and the steam turbine is driven by steam obtained from the exhaust gas boiler to generate electricity with the steam turbine generator.
  • the steam turbine steam inlet control valve is controlled in the opening direction so as to increase the power generation amount of the steam turbine generator. Further, when the exhaust gas temperature is lowered, the pressure in the brackish water separator provided in the exhaust gas boiler is lowered, so that the steam inlet control valve is controlled in the opening direction to further obtain steam.
  • the hybrid turbocharger performs the power generation start operation when the load on the diesel engine increases, not only the power generation amount increases, but also the temperature of the exhaust gas discharged from the diesel engine increases.
  • the steam inlet control valve is controlled (throttled) in the closing direction so as to decrease the power generation amount of the steam turbine generator.
  • the pressure in the steam separator provided in the exhaust gas boiler rises, so that the steam inlet control valve is further controlled in the closing direction.
  • the water level in the brackish water separator rises and the water supply control valve is controlled in the closing direction (squeezed) to maintain it within the allowable water level range. Will be reduced. However, since new water supply with a low temperature is not supplied appropriately, the temperature in the brackish water separator rises and the pressure in the brackish water separator further rises.
  • a diesel engine equipped with a hybrid turbocharger is combined with an exhaust gas boiler that recovers heat from the exhaust gas of the diesel engine, and the steam turbine is driven by steam obtained from the exhaust gas boiler to form a steam turbine generator.
  • the amount of steam generated in the exhaust gas boiler greatly fluctuates during the power generation stop operation or power generation start operation of the hybrid turbocharger, making it difficult to operate the stable steam turbine and steam turbine generator.
  • power generation is stopped, there is a problem that it becomes difficult to achieve stable operation of the diesel engine as the main engine as the amount of generated steam decreases.
  • the VTI supercharger as shown in Patent Document 2 can be operated with the turbine nozzle passage area reduced only at a main engine load of about 65% or less. This is because when the main engine load is about 65% or more, the scavenging pressure becomes too high and exceeds the allowable range of the in-cylinder combustion pressure of the diesel engine. Therefore, even a VTI supercharger alone cannot contribute to reducing the fuel consumption of diesel engines in the full load range. Therefore, by combining a hybrid turbocharger that generates power in a high load range of about 50% or more of a diesel engine and a VTI turbocharger, the fuel consumption of the entire propulsion plant can be reduced in the full load range of the main engine. Can be considered.
  • the fuel consumption reduction in the entire propulsion plant means that the exhaust gas energy from the diesel engine is effectively used to generate power, thereby reducing the fuel consumption in the power generation engine and reducing the main engine and power generation engine. This means a reduction in fuel consumption in the entire propulsion plant.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and avoids sudden fluctuations in the amount of steam generated in an exhaust gas boiler when performing a power generation stop operation or a power generation start operation of a turbocharger that generates power. It is an object of the present invention to provide an internal combustion engine system capable of stably and stably operating a steam turbine and a steam turbine generator, a ship equipped with the same, and a method for operating the internal combustion engine system. Further, the present invention performs the power generation and the turbine nozzle passage area is variable, the turbocharger performs the power generation stop operation or the power generation start operation, and performs the turbine nozzle area decrease operation or the turbine nozzle area increase operation. To provide an internal combustion engine system capable of stably operating a steam turbine and a steam turbine generator while avoiding sudden fluctuations in the amount of steam generated in an exhaust gas boiler, a ship equipped with the same, and a method for operating the internal combustion engine system With the goal.
  • an internal combustion engine system includes an internal combustion engine, a turbine unit driven by exhaust gas from the internal combustion engine, a compressor unit driven by the turbine unit to pump air to the internal combustion engine, and the turbine unit.
  • a turbocharger having a power generation unit that generates electric power by generating a rotational force, an exhaust gas boiler that recovers heat from exhaust gas from the internal combustion engine and includes a brackish water separator, and controls the amount of water supplied to the exhaust gas boiler
  • a feed water control valve a steam turbine driven by steam obtained by the exhaust gas boiler, a steam inlet control valve for controlling the amount of steam guided to the steam turbine, and a steam turbine generator for generating power by the steam turbine
  • the water supply control valve is controlled in the opening direction when the water level in the brackish water separator falls below the allowable water level range, and exceeds the allowable water level range.
  • the steam inlet control valve is an internal combustion engine system that is controlled to compensate for the power generation amount by the steam turbine generator according to increase or decrease of the power generation amount by the power generation unit of the supercharger. And when a supercharger power generation stop operation for stopping power generation by the power generation unit of the supercharger and / or a supercharger power generation start operation for starting power generation by the power generation unit of the supercharger is performed. Further, the allowable water level range of the brackish water separator is expanded.
  • the permissible water level range of the brackish water separator is expanded, and if the water level in the brackish water separator falls, it is within the expanded permissible water level range. It was prohibited to open the valve and increase the water supply. As a result, the water supply does not increase even if the water level drops, so it is possible to suppress a sudden decrease in the pressure in the brackish water separator, avoiding a sudden decrease in the amount of steam generated in the exhaust gas boiler, and stable It is possible to ensure the operation of the steam turbine and the steam turbine generator.
  • the allowable water level range of the brackish water separator is expanded, and even if the water level in the brackish water separator rises, within the expanded allowable water level range, It was prohibited to reduce the amount of water supply by restricting the water supply control valve. As a result, even if the water level rises, the amount of water supply is not reduced, so that a sudden rise in pressure in the brackish water separator can be suppressed, and a sudden rise in the amount of steam generated in the exhaust gas boiler can be avoided and stabilized. Operation of the steam turbine and the steam turbine generator can be ensured.
  • the allowable water level range of the brackish water separator is expanded from, for example, ⁇ 50 mm in a normal state to hundreds of tens mm (for example, ⁇ 150 mm).
  • the power generation unit and the steam turbine of the supercharger perform the power generation operation of another generator (for example, a diesel engine generator) or a secondary battery so as to satisfy the demand power (for example, onboard demand power).
  • the power generation operation is controlled by a power management system (PMS) to be managed.
  • PMS power management system
  • the supercharger includes a turbine nozzle passage area variable mechanism that makes a turbine nozzle passage area of the exhaust gas supplied to the turbine section variable.
  • the ship of the present invention is characterized by including the internal combustion engine system described in any of the above.
  • An internal combustion engine system operating method includes an internal combustion engine, a turbine unit driven by exhaust gas from the internal combustion engine, a compressor unit driven by the turbine unit to pump air to the internal combustion engine, and A turbocharger having a power generation unit that generates power by obtaining the rotational force of the turbine unit, an exhaust gas boiler that recovers heat from the exhaust gas from the internal combustion engine and includes a steam separator, and an amount of water supplied to the exhaust gas boiler
  • a water supply control valve for controlling the steam, a steam turbine driven by steam obtained by the exhaust gas boiler, a steam inlet control valve for controlling the amount of steam guided to the steam turbine, and a steam turbine generator for generating power by the steam turbine
  • An internal combustion engine system operating method comprising: a water level in the brackish water separator is less than an allowable water level range of the water supply control valve And controlling the steam inlet control valve according to the increase or decrease in the amount of power generated by the power generation unit of the supercharger.
  • the allowable water level range of the brackish water separator is expanded. Therefore, it is possible to avoid sudden fluctuations in the amount of steam generated in the exhaust gas boiler by suppressing sudden fluctuations in the pressure in the brackish water separator, and to ensure stable operation of the steam turbine and steam turbine generator. . In addition, during the power generation stop operation, a rapid decrease in the amount of steam generated in the exhaust gas boiler can be avoided, so that stable operation of the internal combustion engine can be ensured.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an overall configuration of an internal combustion engine system according to an embodiment of the present invention. It is the longitudinal cross-sectional view which showed the supercharger of FIG. It is the graph which showed the behavior at the time of switching of the power generation function and VTI function of a supercharger.
  • 3 is a chart summarizing the operation of each device of the internal combustion engine system according to the first embodiment of the present invention.
  • 6 is a chart summarizing operations of respective devices of the internal combustion engine system according to the reference embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a marine diesel engine system (internal combustion engine system) 1 used for a marine vessel.
  • a marine diesel engine system 1 includes, for example, a main engine (internal combustion engine) 2 that is a low-speed two-cycle diesel engine, a supercharger 3 that supplies compressed air to the main engine 2, and exhaust from the main engine 2.
  • An exhaust gas economizer (exhaust gas boiler) 4 that recovers heat from the gas is provided.
  • a screw propeller (not shown) is directly or indirectly attached to a crankshaft (not shown) constituting the main machine 2 via a propeller shaft (not shown). Further, the main unit 2 is provided with a cylinder portion 6 including a cylinder liner (not shown), a cylinder cover (not shown), and the like, and in each cylinder portion 6, a piston ( (Not shown) is arranged.
  • each cylinder portion 6 An exhaust port (not shown) of each cylinder portion 6 is connected to the exhaust manifold 7.
  • the exhaust manifold 7 is connected to the inlet side of the turbine section 3a of the supercharger 3 via the exhaust pipe L1.
  • the exhaust manifold 7 is provided with an exhaust bypass valve (exhaust bypass means) 11. By opening the exhaust bypass valve 11, a part of the exhaust gas from the exhaust manifold 7 is sent to the supercharger 3.
  • the exhaust gas economizer 4 is bypassed without being supplied.
  • the exhaust bypass valve 11 is controlled by a control unit (not shown).
  • each cylinder part 6 is connected to an air supply manifold (air reservoir part) 8, and the air supply manifold 8 is connected to the compressor part 3b of the supercharger 3 via an air supply pipe L2.
  • the main supply water heater 17 and the air cooler 13 are provided in the air supply pipe L2, and heat exchange is performed with the air compressed by the compressor unit 3b.
  • the main engine water heater 17 is provided on the upstream side of the compressed air flow of the air cooler 13, and the water supplied from a water supply pump 18 described later is heated by the compressed air.
  • the feed water heated by the main engine feed water heater 17 is sent to the brackish water separator 12 of the auxiliary boiler 14 and the low pressure brackish water separator 21 provided in the low pressure steam system 19.
  • the air cooler 13 further cools the compressed air whose temperature has been lowered by the main engine water heater 17 with cooling water (not shown).
  • the air supply manifold 8 is provided with a scavenging bypass valve (scavenging / bleeding means) 9. By opening the scavenging bypass valve 9, the air in the air supply manifold 8 can be released. ing.
  • the scavenging bypass valve 9 is controlled by a control unit (not shown).
  • the supercharger 3 includes a turbine section 3a driven by exhaust gas (combustion gas) guided from the main engine 2 via the exhaust pipe L1, and the turbine section 3a.
  • the compressor unit 3b that is driven by the compressor and pumps outside air (air) to the main machine 2 is a main element.
  • the supercharger 3 includes a generator 3c that generates power by obtaining the rotational force of the turbine section 3a.
  • the generator 3c is controlled by a control signal from a PMS (power management system) 28 provided in an MSB (main machine panel) 26. That is, control signals are exchanged between the PMS 28 and the inverter 30 of the generator 3c.
  • a converter 32 is provided between the inverter 30 and the generator 3c, and a control signal is exchanged with the inverter 30.
  • the AC power generated by the generator 3 c is AC / DC converted by the converter 32, then orthogonally converted to a desired frequency by the inverter 30, and sent to the inboard mother ship 33 via the contactor 35.
  • the PMS 28 controls the generated power in accordance with the on-board demand power, and also controls the diesel engine 37 for power generation that is, for example, four strokes that drives the diesel engine generator DG.
  • the electric power generated by the diesel engine generator DG is output to the inboard mother ship 33.
  • three sets of power generation diesel engines 37 and diesel engine generators DG are shown, but one set, two sets, or four or more sets may be used.
  • the PMS 28 may control a secondary battery such as a lithium secondary battery.
  • the turbocharger 3 is provided with a turbine nozzle passage area variable mechanism 3g that makes the turbine nozzle passage area of exhaust gas supplied from the exhaust pipe L1 to the turbine section 3a variable.
  • the turbine nozzle passage area variable mechanism 3g includes a partition 3f (see FIG. 2) that divides the turbine nozzle into an inner peripheral side and an outer peripheral side, and a branch that branches a part of the exhaust gas led from the exhaust pipe L1.
  • a pipe 3d and an on-off valve 3e for opening and closing the branch pipe 3d are provided. As shown in FIG. 2, the exhaust gas flowing through the branch pipe 3d flows on the inner peripheral side of the partition wall 3f of the turbine nozzle.
  • the on-off valve 3e is controlled by a control unit (not shown).
  • the on-off valve 3e When the on-off valve 3e is closed, the exhaust gas does not flow through the branch pipe 3d, but flows only on the outer peripheral side of the partition wall 3f of the turbine nozzle, and the VTI function is turned on by narrowing the turbine nozzle passage area.
  • the on-off valve 3e when the on-off valve 3e is opened, the exhaust gas flows through the branch pipe 3d and also flows to the inner peripheral side of the partition wall 3f of the turbine nozzle, the turbine nozzle passage area is enlarged and the VTI function is turned off.
  • the exhaust gas economizer 4 has a high pressure heat exchanger 10a, an intermediate pressure heat exchanger 10b, and a low pressure heat exchanger 10c in the flue in order from the upstream side of the exhaust gas flow. Yes.
  • Each heat exchanger 10a, b, c is provided with a plurality of heat transfer tubes, and water flowing in the heat transfer tubes is heated by high-temperature exhaust gas flowing in the flue of the exhaust gas economizer 4.
  • the water separated by the brackish water separator 12 of the auxiliary boiler 14 is guided to the intermediate pressure heat exchanger 10b via the water pump 25a.
  • the vapor that has been heated and evaporated in the intermediate pressure heat exchanger 10 b is guided to the brackish water separator 12.
  • the brackish water separator 12 In the brackish water separator 12, water and steam are stored separately in the vertical direction.
  • the brackish water separator 12 is supplied with water heated by the main water heater 17 as described above.
  • the amount of water supplied to the brackish water separator 12 is controlled by the water supply control valve 27.
  • the opening degree of the water supply control valve 27 is controlled by a control unit (not shown) so that the water level in the brackish water separator 12 is maintained within the allowable water level range.
  • the water level in the brackish water separator 12 is measured by a water level meter (not shown), and the measured value is transmitted to a control unit (not shown).
  • a safety valve 24 is provided in the upper part of the brackish water separator 12, and when the pressure in the brackish water separator 12 exceeds a predetermined value, the safety valve opens to discharge the internal steam to the outside.
  • the low-pressure heat exchanger 10c is provided in the low-pressure steam system 19, and heats and evaporates the water guided from the low-pressure steam separator 21 via the water pump 25b.
  • the vapor evaporated in the low pressure heat exchanger 10 c is sent to the low pressure brackish water separator 21.
  • the steam separated by the low-pressure steam separator 21 is guided to the intermediate stage of the steam turbine 23, and the remaining part is guided to the inboard auxiliary machine 20.
  • the steam after being used in each inboard auxiliary machine 20 is guided to the drain cooler 15, and the drain water condensed by the drain cooler 15 is stored in the drain reservoir 16.
  • Condensed water from a ground condenser 36 which will be described later, is also introduced into the drain pool.
  • the drain water stored in the drain reservoir 16 is guided by the feed pump 18 to the main engine feed water heater 17 described above.
  • a steam turbine generator 40 is connected to the steam turbine 23 via a speed reducer 38.
  • the power generation output of the steam turbine generator 40 is guided to the inboard mother ship 33 via a power line (not shown).
  • the flow rate of high-pressure steam supplied to the steam turbine 23 is adjusted by the steam inlet control valve 22.
  • the opening degree of the steam inlet control valve 22 is controlled by a signal from the governor 44 that has received a command from the turbine control panel 43.
  • the turbine control panel 43 is controlled by the PMS 28. Therefore, the opening degree of the steam inlet control valve 22 is controlled so that the steam turbine generator 40 outputs the power generation amount determined by the PMS 28.
  • the steam that has finished its work in the steam turbine 23 is led to the condenser 34 and condensed, and the condensed water (condensate) is led to the ground condenser 36 by the condensate pump 42.
  • the internal combustion engine system configured as described above operates as follows. The following description will be divided into “normal operation”, “switching when the main engine load increases”, and “switching when the main engine load decreases”.
  • the normal operation means a state other than the timing of switching the power generation function and the VTI function while the turbocharger 3 is generating power, and the pressure in the brackish water separator 12 does not change rapidly. It means a state in which the steam turbine 23 can be continuously operated.
  • the drain water stored in the drain pool 16 is guided to the main engine water heater 17 by the feed water pump 18 and heated, and is guided to the brackish water separator 12 of the auxiliary boiler 14 and the low pressure brackish water separator 21 of the low pressure steam system 19.
  • the water guided to the brackish water separator 12 is led to the intermediate pressure heat exchanger 10b by the water feed pump 25a to be steam, and returned to the brackish water separator 12.
  • the steam separated by the brackish water separator 12 is guided to the high-pressure heat exchanger 10a to be high-temperature superheated steam.
  • the superheated steam generated by the high-pressure heat exchanger 10 a is guided to the steam turbine 23 after the flow rate is adjusted by the steam inlet control valve 22.
  • the water guided to the low-pressure steam separator 21 is guided to the low-pressure heat exchanger 10c by the water pump 25b to be steam, and returned to the low-pressure steam separator 21.
  • the low pressure steam separated by the low pressure brackish water separator 21 is guided to an intermediate stage of the steam turbine 23.
  • the rotational output of the steam turbine 23 driven by the introduced steam is transmitted to the steam turbine generator 40 via the speed reducer 38, and electric power is generated.
  • the amount of power generated by the steam turbine generator 40 is managed by the PMS 28.
  • the PMS 28 obtains the power generation amount of the generator 3c of the supercharger 3, the power generation amount of another generator (diesel engine generator DG), and the charge / discharge state of the secondary battery BT online, and is supplied from these.
  • a power generation command is sent to each device so that the total amount of power satisfies the onboard power demand.
  • an instruction is sent to the turbine control panel 43, and the opening degree of the steam inlet control valve 22 is controlled via the governor 44.
  • the steam inlet control valve 22 is controlled so as to supplement the amount of power generated by the steam turbine generator 40 in accordance with the increase or decrease in the amount of power generated by the generator 3 c of the supercharger 3. That is, when the power generation amount of the generator 3c of the supercharger 3 decreases, the opening degree of the steam inlet control valve 22 is controlled in the opening direction so that the power generation amount by the steam turbine generator 40 increases.
  • the opening degree of the steam inlet control valve 22 is controlled in the closing direction so that the power generation amount by the steam turbine generator 40 decreases.
  • the power generation amount of the generator 3c of the supercharger 3 increases or decreases according to the load of the main engine 2, and as shown in the graph of “hybrid supercharger generated power” in FIG.
  • the load is 65% or more, the power generation amount increases as the main engine load increases, and the power generation amount decreases as the main machine load decreases.
  • the water level in the brackish water separator 12 of the auxiliary boiler 14 is adjusted by the water supply control valve 27.
  • water level control is performed with an allowable water level range (tolerance) of ⁇ 50 mm.
  • the allowable water level range is set according to the plant, but it is preferable to narrow the allowable water level range as much as possible in order to aim at stable operation of the steam turbine and the steam turbine generator during normal operation. .
  • the steam inlet control valve 22 is further controlled in the closing direction.
  • the water level in the brackish water separator 12 rises, and the feed water control valve 27 is controlled in the closing direction in order to maintain it within the allowable water level range used during normal operation ( This will reduce the water supply.
  • the new water supply with a low temperature is not supplied appropriately, the temperature in the brackish water separator 12 rises and the pressure in the brackish water separator 12 further rises.
  • the tolerance level of the brackish water separator 12 is increased to be greater than that during normal operation ( ⁇ 50 mm in this embodiment) ( In this embodiment, +150 mm or less), and even if the water level in the brackish water separator 12 rises, if it is within the allowable water level range expanded than during normal operation, the water supply control valve 27 is throttled to reduce the water supply amount. Banned.
  • the power generation function is switched from the power generation operation to the non-power generation operation at a predetermined load (65% in FIG. 3), contrary to the above-described increase in the main engine load.
  • the VTI function is switched from OFF to ON at a predetermined load (65% in FIG. 3).
  • the scavenging pressure rapidly increases.
  • the exhaust gas temperature rapidly decreases.
  • the power generation operation is switched to the non-power generation operation, and when the VTI function is switched from OFF to ON, the power generation by the generator 3c of the supercharger 3 is not stopped, but is also discharged from the diesel engine.
  • the temperature of the exhaust gas is lowered.
  • the steam inlet control valve 22 of the steam turbine 23 is controlled in the opening direction so as to increase the power generation amount of the steam turbine generator 40 in order to compensate for this.
  • the pressure in the brackish water separator 12 is lowered, so that the steam pressure supplied to the steam turbine is further lowered.
  • the steam inlet control valve 22 is opened in the opening direction so as to obtain further steam. Be controlled.
  • the steam inlet control valve 22 is opened, steam in the brackish water separator 12 is forcibly generated, the water level in the brackish water separator 12 is lowered, and the water supply control valve 27 is opened in order to maintain it within the allowable water level range.
  • the water supply is increased by being controlled in the direction.
  • new water supply with low temperature is supplied, the temperature in the brackish water separator 12 will fall and the pressure in the brackish water separator 12 will fall further.
  • the power generation stop operation of the supercharger 3 is performed, not only the power generation is stopped but also the exhaust gas temperature is lowered.
  • the opening operation of the steam inlet control valve 22 and the opening operation of the water supply control valve 27 are performed.
  • the pressure in the brackish water separator 12 suddenly drops, and the amount of steam generated in the exhaust gas economizer 4 is greatly reduced, which may make it difficult to stably operate the steam turbine and the steam turbine generator.
  • the amount of steam generated in the exhaust gas economizer 4 is reduced, the necessary steam cannot be covered. In the worst case, the high viscosity heavy oil fuel and the lubricating oil cannot be heated, and the viscosity cannot be controlled. Even the stable operation of 2 may be difficult.
  • the tolerance level of the brackish water separator 12 is increased more than that during normal operation ( ⁇ 50 mm in this embodiment) ( In the present embodiment, -150 mm or more), even if the water level in the brackish water separator 12 falls, if it is within the allowable water level range expanded than during normal operation, the water supply control valve 27 is opened to increase the water supply amount. Banned.
  • the amount of water supply does not increase, so a rapid decrease in pressure in the brackish water separator 12 can be suppressed, and the exhaust gas economizer 4 generates A rapid decrease in the amount of steam can be avoided, and stable operation of the steam turbine, the steam turbine generator, and the main engine 2 can be ensured.
  • FIG. 4 summarizes the operation of each device during the normal operation and switching described above.
  • the allowable water level range of the brackish water separator 12 is ⁇ 50 mm during normal operation, but is changed to ⁇ 150 mm during switching.
  • the timing of switching of the allowable water level range of the brackish water separator 12 is performed when the power generation function and the VTI function of the supercharger 3 are switched, and this can be obtained by various methods. For example, any one or a combination of a time change rate of the pressure in the brackish water separator 12, a time change rate of the water level, and a time change rate of the inlet temperature, the outlet temperature, or the average temperature of the exhaust gas economizer 4 is used. It can be determined by predicting the increase or decrease in the amount of steam generated by the control unit.
  • the switching of the power generation function of the supercharger 3 can be determined by obtaining the control output of the inverter 30, and the switching of the VTI function is detected by the operation of the on-off valve 3e (see FIG. 2) of the supercharger 3. Therefore, the determination may be made based on these switching timings.
  • the timing can be easily predicted by grasping the main engine load increase rate by the control unit.
  • the timing for returning to the allowable water level range during normal operation after expanding the allowable water level range is, for example, as described above, the time change rate of the pressure in the brackish water separator 12, the time change rate of the water level, and the exhaust gas. It can be determined by predicting an increase / decrease in the amount of steam generated by the controller using any one or a combination of the temperature change rate of the inlet temperature, outlet temperature or average temperature of the economizer 4.
  • the return timing can be determined by a change in the main engine load by a predetermined amount from the main engine load (65%) at the time of switching.
  • the return timing may be set as the return timing, and the return timing may be determined when the time change amount of the water level measured by the water level gauge becomes equal to or less than a predetermined value.
  • the supercharger 3 has been described on the assumption that it has a power generation function and a VTI function. However, in the case of a so-called hybrid supercharger that has only a power generation function without having a VTI function.
  • the present invention can also be applied. This is because an event in which the exhaust gas temperature fluctuates rapidly when the power generation function is switched and the power generation command value to the steam turbine generator 40 fluctuates even if the VTI function is not provided.
  • the steam inlet control valve 22 is throttled to absorb the increase in the amount of power generated by the generator 3c of the supercharger 3, so that the rapid increase in pressure in the brackish water separator 12 can be suppressed. It is possible to avoid a sudden increase in the amount of steam generated in the exhaust gas economizer 4 and to ensure stable operation of the steam turbine and the steam turbine generator.
  • a discharge request command from the secondary battery is issued to the PMS 28 from a control unit (not shown).
  • the PMS 28 sends a discharge command to the secondary battery.
  • the secondary battery is discharged so as to compensate for the decrease in the amount of power generated by the generator 3c of the supercharger 3.
  • the PMS 28 can match the total power from each generator to the onboard power demand.
  • the steam inlet control valve 22 is prevented from opening in order to compensate for the decrease in the power generation amount in the ship due to the power generation stop of the generator 3c of the supercharger 3, so that the pressure in the brackish water separator 12 is suddenly reduced.
  • the decrease can be suppressed, and a rapid decrease in the amount of steam generated in the exhaust gas economizer 4 can be avoided, and stable operation of the steam turbine and the steam turbine generator can be ensured.
  • FIG. 5 summarizes the operation of each device during the normal operation and switching described above. As shown in the figure, during normal operation, an operation request for the secondary battery is not made to the PMS 28, but a charge request or discharge request is made at the time of switching.
  • the supercharger 3 has been described on the assumption that it has a power generation function and a VTI function. However, in the case of a so-called hybrid supercharger that has only a power generation function without having a VTI function.
  • the present invention can also be applied. This is because an event in which the exhaust gas temperature fluctuates rapidly when the power generation function is switched and the power generation command value to the steam turbine generator 40 fluctuates even if the VTI function is not provided.

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Abstract

発電を行う過給機の発電停止動作ないし発電開始動作を行う際に、排ガスボイラで発生する蒸気量の急変動を回避して安定して蒸気タービン及び蒸気タービン発電機を運転することができる内燃機関システムを提供する。給水制御弁（２７）は、汽水分離器（１２）内の水位が許容水位範囲を下回ると開方向に制御され、かつ、該許容水位範囲を上回ると閉方向に制御され、蒸気入口制御弁（２２）は、過給機（３）の発電機（３ｃ）による発電量の増減に応じて、蒸気タービン発電機（４０）による発電量を補うように制御される。過給機（３）の発電機（３ｃ）による発電を停止する過給機発電停止動作、および／または、過給機（３）の発電部（３ｃ）による発電を開始する過給機発電開始動作が行われる際に、汽水分離器（１２）の許容水位範囲を拡大する。

Description

内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法
　本発明は、例えば舶用ディーゼル機関等の内燃機関を備えた内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法に関するものである。
　例えば舶用主機として用いられる低速２サイクルディーゼル機関（内燃機関）には、性能向上のため過給機が設けられている。このような過給機として、発電機を備えたハイブリッド過給機（下記特許文献１参照）や、排気ガスのタービンノズル通過面積を可変としたVTI（Variable Turbine Inlet）過給機（下記特許文献２参照）が知られている。
特許第４６４８３４７号公報 特開２０１０－２１６４６８号公報
　特許文献１に示したようなハイブリッド過給機は、主機とされるディーゼル機関の負荷が約５０％負荷以上とされた場合に発電可能とされている。これは、ディーゼル機関負荷が約５０％以下とされた低負荷では過給機の効率が上がらず発電する余裕がないためである。したがって、ハイブリッド過給機は、所定のディーゼル機関負荷（例えば５０％負荷）で、負荷降下時には発電停止が行われ、負荷上昇時には発電開始が行われることになる。
　そして、ハイブリッド過給機を備えたディーゼル機関に対して、ディーゼル機関の排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザを組合せ、排ガスボイラで得られた蒸気によって蒸気タービンを駆動して蒸気タービン発電機にて発電を行う場合には、以下の問題が生じるおそれがある。
　すなわち、ディーゼル機関の負荷降下時にハイブリッド過給機の発電停止動作が行われると、発電量が減少するだけでなく、ディーゼル機関から排出される排気ガスの温度が降下する。発電量が減少すると、それを補うために、蒸気タービン発電機の発電量を増加させるように蒸気タービンの蒸気入口制御弁が開方向に制御される。また、排気ガス温度が降下すると、排ガスボイラに設けられた汽水分離器内の圧力が低下するので、さらに蒸気を得ようとして蒸気入口制御弁が開方向に制御される。蒸気入口制御弁が開くと、汽水分離器内の蒸気が強制的に発生させられて汽水分離器内の水位が低下し、許容水位範囲内に維持するために給水制御弁が開方向に制御されて給水を増大させることとなる。しかし、温度の低い新たな給水が供給されるため汽水分離器内の温度が降下して汽水分離器内の圧力がさらに低下してしまう。
　このように、ハイブリッド過給機の発電停止動作が行われると、発電量の減少だけでなく排気ガス温度の降下が生じるので、蒸気入口制御弁の開動作および給水制御弁の開動作が重なり、汽水分離器内の圧力が急降下し、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく減少して安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となるおそれがある。また、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく減少すると、必要な蒸気が賄えず、最悪の場合、高粘度の重油燃料及び潤滑油を暖めることができず、粘度コントロールができなくなることで主機の安定運転にも影響を及ぼす可能性がある。
　また、ディーゼル機関の負荷上昇時にハイブリッド過給機の発電開始動作が行われると、発電量が増加するだけでなく、ディーゼル機関から排出される排気ガスの温度が上昇する。発電量が増加すると、それを補うために、蒸気タービン発電機の発電量を減少させるように蒸気入口制御弁が閉方向に制御される（絞られる）。また、排気ガスの温度が上昇すると、排ガスボイラに設けられた汽水分離器内の圧力が上昇するので、蒸気入口制御弁がさらに閉方向に制御される。蒸気入口制御弁が閉方向に制御されると、汽水分離器内の水位が上昇し、許容水位範囲内に維持するために給水制御弁が閉方向に制御されて（絞られて）、給水を減少させることとなる。しかし、温度の低い新たな給水が適正に供給されないため汽水分離器内の温度が上昇して汽水分離器内の圧力がさらに上昇してしまう。
　このように、ハイブリッド過給機の発電開始動作が行われると、発電量の増大だけでなく排気ガス温度の上昇が生じるので、蒸気入口制御弁の閉動作および給水制御弁の閉動作が重なり、汽水分離器内の圧力が急上昇し、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく増加して安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となるおそれがある。
　以上の通り、ハイブリッド過給機を備えたディーゼル機関に対して、ディーゼル機関の排気ガスから熱回収する排ガスボイラを組合せ、排ガスボイラで得られた蒸気によって蒸気タービンを駆動して蒸気タービン発電機にて発電を行う場合には、ハイブリッド過給機の発電停止動作時ないし発電開始動作時に、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく変動し、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となり、発電停止動作時には発生蒸気量の減少に伴い主機であるディーゼル機関の安定した運転までもが困難となるという問題がある。
　一方、特許文献２に示したようなVTI過給機は、主機負荷約６５%以下でのみタービンノズル通過面積を減少させた運転が可能である。これは、主機負荷約６５%以上では、掃気圧力が高くなりすぎてディーゼル機関の筒内燃焼圧力の許容範囲を超えるためである。したがって、VTI過給機のみでも、全負荷域でディーゼル機関の燃料消費量削減に貢献できない。
　そこで、ディーゼル機関の約５０％負荷以上といった高負荷域で発電動作するハイブリッド過給機と、VTI過給機とを組み合わせることで、主機全負荷域で推進プラント全体での燃料消費量を抑えることが考えられる。
　ここで、推進プラント全体での燃料消費量削減とは、ディーゼル機関からの排ガスエネルギを有効に活用して発電をすることで、発電用エンジンでの燃料消費量を減らし、主機および発電用エンジンを含む推進プラント全体での燃料消費量削減を意味する。
　しかし、タービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われると、排気温度が降下して、ハイブリッド過給機の発電停止動作と同様の事象、すなわち蒸気入口制御弁の開動作および給水制御弁の開動作が重なり、汽水分離器内の圧力が急下降し、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく減少するといった事象が発生する。また、タービンノズル通過面積を増大させるタービンノズル面積増大動作が行われると、排気温度が上昇して、ハイブリッド過給機の発電開始動作と同様の事象、すなわち蒸気入口制御弁の閉動作および給水制御弁の閉動作が重なり、汽水分離器内の圧力が急上昇し、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく増加するといった事象が発生する。このように、発電機構とともにタービンノズル通過面積可変機構をさらに備えている過給機の場合には、過給機の発電部の停止および開始に伴う不具合をさらに助長させることとなる。特に、過給機発電停止動作とタービンノズル面積減少動作を同時に行う場合や、過給機発電開始動作とタービンノズル面積増大動作を同時に行う場合に顕著である。
　したがって、ハイブリッド過給機に対してVTI過給機を組み合わせた場合にも、排ガスボイラで発生する蒸気量が大きく変動し、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となるという問題がある。
　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、発電を行う過給機の発電停止動作ないし発電開始動作を行う際に、排ガスボイラで発生する蒸気量の急変動を回避して安定して蒸気タービン及び蒸気タービン発電機を運転することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法を提供することを目的とする。
　また、本発明は、発電を行うとともにタービンノズル通過面積が可変とされた過給機が発電停止動作ないし発電開始動作を行い、かつタービンノズル面積減少動作ないしタービンノズル面積増大動作を行う際に、排ガスボイラで発生する蒸気量の急変動を回避して安定して蒸気タービン及び蒸気タービン発電機を運転することができる内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転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、本発明の内燃機関システムおよびこれを備えた船舶ならびに内燃機関システムの運転方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の内燃機関システムは、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部の回転力を得て発電する発電部を有する過給機と、前記内燃機関からの排気ガスから熱回収するとともに汽水分離器を備えた排ガスボイラと、前記排ガスボイラへ給水される水量を制御する給水制御弁と、前記排ガスボイラで得られた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンへ導かれる蒸気量を制御する蒸気入口制御弁と、該蒸気タービンによって発電する蒸気タービン発電機とを備え、前記給水制御弁は、前記汽水分離器内の水位が許容水位範囲を下回ると開方向に制御され、かつ、該許容水位範囲を上回ると閉方向に制御され、前記蒸気入口制御弁は、前記過給機の前記発電部による発電量の増減に応じて、前記蒸気タービン発電機による発電量を補うように制御される内燃機関システムであって、前記過給機の前記発電部による発電を停止する過給機発電停止動作、および／または、前記過給機の前記発電部による発電を開始する過給機発電開始動作が行われる際に、前記汽水分離器の前記許容水位範囲を拡大することを特徴とする。
　過給機発電停止動作が行われる際に、汽水分離器の許容水位範囲を拡大することとし、汽水分離器内の水位が低下しても拡大した許容水位範囲内である場合には、給水制御弁を開いて給水量を増大させることを禁止した。これにより、水位が低下しても給水量を増大することがないので、汽水分離器内の圧力の急減少を抑制することができ、排ガスボイラで発生する蒸気量の急減を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
　また、過給機発電開始動作が行われる際に、汽水分離器の許容水位範囲を拡大することとし、汽水分離器内の水位が上昇しても拡大した許容水位範囲内である場合には、給水制御弁を絞って給水量を減少させることを禁止した。これにより、水位が上昇しても給水量を減少させることがないので、汽水分離器内の圧力の急上昇を抑制することができ、排ガスボイラで発生する蒸気量の急上昇を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
　なお、汽水分離器の許容水位範囲は、例えば、通常時の±５０ｍｍから、百数十ｍｍ（例えば±１５０ｍｍ）へと拡大される。
　また、典型的には、過給機の発電部および蒸気タービンは、需要電力（例えば船内需要電力）を満足するように他の発電機（例えばディーゼルエンジン発電機）や二次電池の発電動作を管理する電力管理システム（ＰＭＳ；Power Management System）によって発電動作が制御される。
　さらに、本発明の内燃機関システムでは、前記過給機は、前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を備えていることを特徴とする。
　タービンノズル通過面積を減少させるタービンノズル面積減少動作が行われると、排気温度が降下して、過給機発電停止動作と同様の事象が発生する。また、タービンノズル通過面積を増大させるタービンノズル面積増大動作が行われると、排気温度が上昇して、過給機発電開始動作と同様の事象が発生する。このように、タービンノズル通過面積可変機構を備えている過給機の場合には、過給機の発電部の停止および開始に伴う不具合をさらに助長させることとなる。特に、過給機発電停止動作とタービンノズル面積減少動作を同時に行う場合や、過給機発電開始動作とタービンノズル面積増大動作を同時に行う場合に顕著である。本発明では、上述した内燃機関システムを用いることとしたので、タービンノズル通過面積可変機構を備えている過給機であっても安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
　また、本発明の船舶は、上記のいずれかに記載された内燃機関システムを備えていることを特徴とする。
　上記のいずれかの内燃機関システムを備えることにより、蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の安定運転が可能な内燃機関システムを備えた船舶を提供することができる。
　また、本発明の内燃機関システムの運転方法は、内燃機関と、該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部の回転力を得て発電する発電部を有する過給機と、前記内燃機関からの排気ガスから熱回収するとともに汽水分離器を備えた排ガスボイラと、前記排ガスボイラへ給水される水量を制御する給水制御弁と、前記排ガスボイラで得られた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、蒸気タービンへ導かれる蒸気量を制御する蒸気入口制御弁と、該蒸気タービンによって発電する蒸気タービン発電機と、を備えた内燃機関システムの運転方法であって、前記給水制御弁を、前記汽水分離器内の水位が許容水位範囲を下回ると開方向に制御し、かつ、該許容水位範囲を上回ると閉方向に制御する工程と、前記蒸気入口制御弁を、前記過給機の前記発電部による発電量の増減に応じて、前記蒸気タービン発電機による発電量を補うように制御する工程と、前記過給機の前記発電部による発電を停止する過給機発電停止動作、および／または、前記過給機の前記発電部による発電を開始する過給機発電開始動作が行われる際に、前記汽水分離器の前記許容水位範囲を拡大する工程と、を有することを特徴とする。
　過給機発電停止動作ないし過給機発電開始動作、および／または、タービンノズル通過面積増大動作ないしタービンノズル通過面積減少動作が行われる際に、汽水分離器の許容水位範囲を拡大することとしたので、汽水分離器内の圧力の急変動を抑制することにより排ガスボイラで発生する蒸気量の急変動を回避することができ、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。また、発電停止動作時には、排ガスボイラで発生する蒸気量の急減少を回避することができるので、安定した内燃機関の運転を確保することができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示した概略構成図である。 図１の過給機を示した縦断面図である。 過給機の発電機能およびVTI機能の切換時の挙動を示したグラフである。 本発明の第１実施形態にかかる内燃機関システムの各機器の動作をまとめた図表である。 本発明の参考実施形態にかかる内燃機関システムの各機器の動作をまとめた図表である。
　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。
［第１実施形態］
　以下、本発明の第１実施形態について、図１乃至図３を用いて説明する。
　図１には、船舶に用いられる舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）１が示されている。同図に示すように、舶用ディーゼル機関システム１は、例えば低速２サイクルディーゼル機関とされた主機（内燃機関）２と、主機２に圧縮空気を供給する過給機３と、主機２からの排気ガスから熱回収する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）４とを備えている。
　主機２を構成するクランク軸（図示せず）には、プロペラ軸（図示せず）を介してスクリュープロペラ（図示せず）が直接的または間接的に取り付けられている。また、主機２には、シリンダライナ（図示せず）、シリンダカバー（図示せず）等からなるシリンダ部６が設けられており、各シリンダ部６内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。
　各シリンダ部６の排気ポート（図示せず）は、排気マニホールド７と接続されている。排気マニホールド７は、排気管Ｌ１を介して過給機３のタービン部３ａの入口側と接続されている。
　排気マニホールド７には、排気バイパス弁（排気バイパス手段）１１が設けられており、この排気バイパス弁１１を開とすることにより、排気マニホールド７からの排気ガスの一部を過給機３へと供給させずに排ガスエコノマイザ４側へとバイパスするようになっている。排気バイパス弁１１は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
　各シリンダ部６の給気ポート（図示せず）は、給気マニホールド（空気溜め部）８と接続されており、給気マニホールド８は、給気管Ｌ２を介して過給機３のコンプレッサ部３ｂと接続されている。給気管Ｌ２には、主機給水ヒータ１７と空気冷却器１３が設けられており、コンプレッサ部３ｂにより圧縮された空気と熱交換されるようになっている。主機給水ヒータ１７は、空気冷却器１３の圧縮空気流れ上流側に設けられており、後述する給水ポンプ１８から導かれた給水が圧縮空気によって加熱されるようになっている。主機給水ヒータ１７によって加熱された給水は、補助ボイラ１４の汽水分離器１２と、低圧蒸気系統１９に設けられた低圧汽水分離器２１とへ送られる。空気冷却器１３は、主機給水ヒータ１７によって温度低下した圧縮空気を、図示しない冷却水によってさらに冷却するようになっている。
　給気マニホールド８には、掃気バイパス弁（掃気抽気手段）９が設けられており、この掃気バイパス弁９を開とすることにより、給気マニホールド８内の空気を放出することができるようになっている。掃気バイパス弁９は、図示しない制御部によって制御されるようになっている。
　過給機３は、図１及び図２に示されているように、排気管Ｌ１を介して主機２から導かれた排気ガス（燃焼ガス）によって駆動されるタービン部３ａと、このタービン部３ａにより駆動されて主機２に外気（空気）を圧送するコンプレッサ部３ｂとを主たる要素として構成されたものである。
　過給機３は、タービン部３ａの回転力を得て発電する発電機３ｃを備えている。発電機３ｃは、ＭＳＢ（主機電盤）２６に設けられたＰＭＳ（パワー・マネジメント・システム）２８からの制御信号によって制御されるようになっている。すなわち、ＰＭＳ２８と発電機３ｃのインバータ３０との間で制御信号がやりとりされている。インバータ３０と発電機３ｃとの間にはコンバータ３２が設けられており、インバータ３０との間で制御信号がやりとりされるようになっている。発電機３ｃにて発電された交流電力は、コンバータ３２で交直変換された後にインバータ３０で所望の周波数に直交変換され、コンタクタ３５を介して船内母船３３へと送られる。
　ＰＭＳ２８は、船内需要電力に応じて発電電力を制御するものであり、ディーゼルエンジン発電機ＤＧを駆動する例えば４ストロークとされた発電用ディーゼルエンジン３７の制御も行うようになっている。ディーゼルエンジン発電機ＤＧの発生電力は、船内母船３３へと出力される。なお、図１では、３組の発電用ディーゼルエンジン３７及びディーゼルエンジン発電機ＤＧが示されているが、１組や２組でも、あるいは４組以上であっても良い。さらに、ＰＭＳ２８は、リチウム二次電池等の二次電池の制御を行うようにしても良い。
　過給機３は、排気管Ｌ１からタービン部３ａへ供給される排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構３ｇが設けられている。具体的には、タービンノズル通過面積可変機構３ｇは、タービンノズルを内周側および外周側に分ける隔壁３ｆ（図２参照）と、排気管Ｌ１から導かれた排気ガスの一部を分岐する分岐配管３ｄと、この分岐配管３ｄの開閉を行う開閉弁３ｅとを備えている。分岐配管３ｄを流れた排気ガスは、図２に示すように、タービンノズルの隔壁３ｆの内周側を流れるようになっている。なお、開閉弁３ｅは、図示しない制御部によって制御される。
　開閉弁３ｅを閉じると排気ガスは分岐配管３ｄを流れずにタービンノズルの隔壁３ｆの外周側のみを流れるようになり、タービンノズル通過面積が狭められることでVTI機能がONとなる。一方、開閉弁３ｅを開けると排気ガスは分岐配管３ｄを流れてタービンノズルの隔壁３ｆの内周側にも流れるようになり、タービンノズル通過面積が拡大されてVTI機能がOFFとなる。
　図１に示されているように、排ガスエコノマイザ４は、その煙道内に、排気ガス流れの上流側から順に高圧熱交換器１０ａ、中圧熱交換器１０ｂ及び低圧熱交換器１０ｃを有している。各熱交換器１０ａ，ｂ，ｃは、複数の伝熱管を備え、排ガスエコノマイザ４の煙道内を流れる高温の排気ガスによって伝熱管内を流れる水が加熱されるようになっている。
　高圧熱交換器１０ａには、補助ボイラ１４の汽水分離器１２にて分離された蒸気が導かれる。高圧熱交換器１０ａにて加熱されて過熱度が上昇した過熱蒸気は、蒸気入口制御弁２２を介して蒸気タービン２３へと導かれる。なお、汽水分離器１２にて分離された蒸気の一部は、船内補機２０へと導かれる。船内補機２０における蒸気の主な用途は、主機２の燃料として用いられる重油燃料および潤滑油の加熱に用いられる。
　高圧熱交換器１０ａにて加熱された過熱蒸気の一部は、高圧蒸気バイパス弁２９を介して各船内補機２０へと導かれる。それぞれの船内補機２０へ供給される蒸気の分配は、各流量調整弁３１ａ，３１ｂを制御することによって行われる。各船内補機２０へ導かれず余剰となった蒸気は、コンデンサ３４へと導かれる。
　中圧熱交換器１０ｂには、補助ボイラ１４の汽水分離器１２にて分離された水が送水ポンプ２５ａを介して導かれる。中圧熱交換器１０ｂにて加熱されて蒸発した蒸気は、汽水分離器１２へと導かれる。
　汽水分離器１２内には、水と蒸気が上下にそれぞれ分離して収容されている。汽水分離器１２には、上述したように主機給水ヒータ１７にて加熱された水が供給される。汽水分離器１２へと供給される給水量は、給水制御弁２７によって制御される。給水制御弁２７は、図示しない制御部によって、汽水分離器１２内の水位が許容水位範囲内に維持されるように、その開度が制御されるようになっている。汽水分離器１２内の水位は、図示しない水位計によって計測されており、その計測値は図示しない制御部へと送信される。
　汽水分離器１２の上部には、安全弁２４が設けられており、汽水分離器１２内の圧力が所定値以上になると安全弁が開き内部の蒸気を外部へと放出するようになっている。
　低圧熱交換器１０ｃは、低圧蒸気系統１９に設けられ、送水ポンプ２５ｂを介して低圧汽水分離器２１から導かれた水を加熱して蒸発させる。低圧熱交換器１０ｃにて蒸発した蒸気は、低圧汽水分離器２１へと送られる。低圧汽水分離器２１にて分離された蒸気は、蒸気タービン２３の中間段へと導かれ、残部が船内補機２０へと導かれる。
　各船内補機２０にて使用された後の蒸気は、ドレンクーラ１５へと導かれ、ドレンクーラ１５によって凝縮されたドレン水は、ドレン溜まり１６に貯留される。ドレン溜まりには、後述するグランドコンデンサ３６からの凝縮水も導かれる。ドレン溜まり１６内に貯留されたドレン水は、給水ポンプ１８によって上述した主機給水ヒータ１７へと導かれる。
　蒸気タービン２３には、減速機３８を介して蒸気タービン発電機４０が接続されている。蒸気タービン発電機４０の発電出力は、図示しない電力線を介して船内母船３３へと導かれる。
　蒸気タービン２３に供給される高圧蒸気流量は、蒸気入口制御弁２２によって調整される。蒸気入口制御弁２２の開度は、タービンコントロールパネル４３の指令を受けたガバナ４４からの信号によって制御される。タービンコントロールパネル４３は、ＰＭＳ２８によって制御される。したがって、蒸気入口制御弁２２は、ＰＭＳ２８によって定められた発電量を蒸気タービン発電機４０が出力するように、その開度が制御されるようになっている。
　蒸気タービン２３にて仕事を終えた蒸気は、コンデンサ３４へと導かれて凝縮し、その凝縮水（復水）は復水ポンプ４２によってグランドコンデンサ３６へと導かれる。
　上記構成の内燃機関システムは、以下のように動作する。以下では、「通常運転時」、「主機負荷上昇時の切換時」、「主機負荷減少時の切換時」に分けて説明する。ここで、通常運転時とは、過給機３にて発電をしている状態で発電機能やVTI機能を切り替えるタイミング以外の状態を意味し、汽水分離器１２内の圧力が急変動せずに蒸気タービン２３の継続運転が可能とされる状態を意味する。
［通常運転時］
　ドレン溜まり１６に貯留されたドレン水は、給水ポンプ１８によって主機給水ヒータ１７へと導かれ加熱され、補助ボイラ１４の汽水分離器１２と低圧蒸気系統１９の低圧汽水分離器２１へと導かれる。
　汽水分離器１２へと導かれた水は、送水ポンプ２５ａによって中圧熱交換器１０ｂへと導かれて蒸気とされ、汽水分離器１２へと戻される。汽水分離器１２にて分離された蒸気は、高圧熱交換器１０ａへと導かれ、高温の過熱蒸気とされる。高圧熱交換器１０ａにて生成された過熱蒸気は、蒸気入口制御弁２２にて流量を調整された後に蒸気タービン２３へと導かれる。
　一方、低圧汽水分離器２１へと導かれた水は、送水ポンプ２５ｂによって低圧熱交換器１０ｃへと導かれて蒸気とされ、低圧汽水分離器２１へと戻される。低圧汽水分離器２１にて分離された低圧蒸気は、蒸気タービン２３の中間段へと導かれる。
　導かれた蒸気によって駆動された蒸気タービン２３の回転出力は、減速機３８を介して蒸気タービン発電機４０へと伝達され、発電が行われる。この蒸気タービン発電機４０による発電量は、ＰＭＳ２８によって管理されている。ＰＭＳ２８は、過給機３の発電機３ｃの発電量、他の発電機（ディーゼルエンジン発電機ＤＧ）の発電量、二次電池ＢＴの充放電状態をオンラインで得ており、これらから供給される電力の合計が船内需要電力を満たすように各機器に発電指令を送る。蒸気タービン発電機４０の発電量については、タービンコントロールパネル４３に指示を送り、ガバナ４４を介して蒸気入口制御弁２２の開度が制御される。具体的には、蒸気入口制御弁２２は、過給機３の発電機３ｃによる発電量の増減に応じて、蒸気タービン発電機４０による発電量を補うように制御される。すなわち、過給機３の発電機３ｃの発電量が減少したときには蒸気タービン発電機４０による発電量が増大するように蒸気入口制御弁２２の開度が開方向に制御され、過給機３の発電機３ｃの発電量が増加したときには蒸気タービン発電機４０による発電量が減少するように蒸気入口制御弁２２の開度が閉方向に制御される。
　過給機３の発電機３ｃの発電量は、主機２の負荷に応じて増減するようになっており、図３の「ハイブリッド過給機発電電力」のグラフに示されているように、主機負荷６５％以上では、主機負荷が上昇すれば発電量が増加し、主機負荷が減少すれば発電量が減少するようになっている。
　補助ボイラ１４の汽水分離器１２内の水位は、給水制御弁２７によって調整される。通常運転時には、汽水分離器１２内の水位が所望値から下回ると開方向に制御され、所望値を上回ると閉方向に制御される。すなわち、通常運転時には、許容水位範囲（トレランス）を±５０ｍｍとして水位制御が行われる。この許容水位範囲は、プラントに応じて設定されるものであるが、通常運転時には蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の安定的な運転を目指すために可及的に許容水位範囲を狭くすることが好ましい。
［主機負荷上昇時の切換時］
　次に、主機負荷上昇時に、過給機の発電機能およびVTI機能を切り換える場合について説明する。
　図３に示すように、主機負荷上昇時（増速時）では、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて非発電動作から発電動作へと切り換える。これは、図３の「ハイブリッド過給機発電電力」のグラフの実線が負荷６５％で立ち上がっていることから分かる。一方、VTI機能については、所定の負荷（図３では６５％）にてONからOFFへと切り換える。これは、図３の「主機掃気圧力」のグラフの細実線が一点鎖線よりも高い圧力から負荷６５％で降下していることから分かる。そして、同図の「主機排気ガス温度」のグラフから分かるように、排気ガス温度が急激に上昇する。
　このように、主機負荷上昇時に非発電動作から発電動作に切り換えるとともに、VTI機能をONからOFFへと切り替えると、過給機３の発電機３ｃの発電量が増加するだけでなく、主機２から排出される排気ガスの温度が上昇する。過給機３の発電機３ｃの発電量が増加すると、過給機３の発電機３ｃの発電量が増加した分、蒸気タービン発電機４０の発電量を減少させるように蒸気入口制御弁２２が閉方向に制御される（絞られる）。また、排気ガスの温度が上昇すると、汽水分離器１２内の圧力が上昇することで蒸気タービンに供給される蒸気圧力がさらに上昇するので、蒸気入口制御弁２２はさらに閉方向に制御される。蒸気入口制御弁２２が閉方向に制御されると、汽水分離器１２内の水位が上昇し、通常運転時に用いる許容水位範囲内に維持するために給水制御弁２７が閉方向に制御されて（絞られて）、給水を減少させることとなる。しかし、温度の低い新たな給水が適正に供給されないため汽水分離器１２内の温度が上昇して汽水分離器１２内の圧力がさらに上昇してしまう。
　このように、過給機３の発電開始動作が行われると、過給機３の発電機３ｃの発電量の増大だけでなく排気ガス温度の上昇が生じるので、蒸気入口制御弁２２の閉動作および給水制御弁２７の閉動作が重なり、汽水分離器１２内の圧力が急上昇し、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量が大きく増加して安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となるおそれがある。
　そこで、本実施形態では、過給機３の発電開始動作が行われる際に、汽水分離器１２の許容水位範囲を通常運転時（本実施形態では±５０mm）よりもトレランスを拡大することとし（本実施形態では＋１５０mm以下）、汽水分離器１２内の水位が上昇しても通常運転時よりも拡大した許容水位範囲内である場合には、給水制御弁２７を絞って給水量を減少させることを禁止した。これにより、通常運転時の許容水位範囲より水位が上昇しても給水量を減少させることがないので、汽水分離器１２内の圧力の急上昇を抑制することができ、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量の急激な増加を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
［主機負荷減少時の切換時］
　主機負荷減少時（減速時）は、上述した主機負荷上昇時とは逆に、発電機能については所定の負荷（図３では６５％）にて発電動作から非発電動作へと切り換える。一方、VTI機能については、所定の負荷（図３では６５％）にてOFFからONへと切り換える。この場合、図３の「主機掃気圧力」のグラフから分かるように、掃気圧力が急上昇する。そして、図３の「主機排気ガス温度」から分かるように、排気ガス温度が急激に降下する。
　このように、主機負荷減少時に発電動作から非発電動作に切り換えるとともに、VTI機能をOFFからONへと切り替えると、過給機３の発電機３ｃによる発電が停止するだけでなく、ディーゼル機関から排出される排気ガスの温度が降下する。過給機３の発電機３ｃによる発電が停止すると、それを補うために、蒸気タービン発電機４０の発電量を増加させるように蒸気タービン２３の蒸気入口制御弁２２が開方向に制御される。また、排気ガス温度が降下すると、汽水分離器１２内の圧力が低下することで蒸気タービンに供給される蒸気圧力がさらに低下するので、さらに蒸気を得ようとして蒸気入口制御弁２２は開方向に制御される。蒸気入口制御弁２２が開くと、汽水分離器１２内の蒸気が強制的に発生させられて汽水分離器１２内の水位が低下し、許容水位範囲内に維持するために給水制御弁２７が開方向に制御されて給水を増大させることとなる。しかし、温度の低い新たな給水が供給されるため汽水分離器１２内の温度が降下して汽水分離器１２内の圧力がさらに低下してしまう。
　このように、過給機３の発電停止動作が行われると、発電が停止するだけでなく排気ガス温度の降下が生じるので、蒸気入口制御弁２２の開動作および給水制御弁２７の開動作が重なり、汽水分離器１２内の圧力が急降下し、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量が大きく減少して安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転が困難となるおそれがある。また、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量が減少すると、必要な蒸気が賄えず、最悪の場合、高粘度の重油燃料及び潤滑油を暖めることができず、粘度コントロールができなくなることで、主機２の安定運転までもが困難となるおそれがある。
　そこで、本実施形態では、過給機３の発電停止動作が行われる際に、汽水分離器１２の許容水位範囲を通常運転時（本実施形態では±５０mm）よりもトレランスを拡大することとし（本実施形態では－１５０mm以上）、汽水分離器１２内の水位が低下しても通常運転時よりも拡大した許容水位範囲内である場合には、給水制御弁２７を開いて給水量を増大させることを禁止した。これにより、通常運転時の許容水位範囲より水位が低下しても給水量を増大することがないので、汽水分離器１２内の圧力の急減少を抑制することができ、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量の急減を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機さらには主機２の運転を確保することができる。
　図４には、上述した通常運転時および切換時の各機器の動作がまとめられている。
　同図に示されているように、汽水分離器１２の許容水位範囲が通常運転時には±５０mmとされているものが、切換時には±１５０mmに変更されるようになっている。
　なお、汽水分離器１２の許容水位範囲の切換のタイミングは、過給機３の発電機能およびVTI機能の切り換えの際に行われ、これは種々の方法によって得ることができる。例えば、汽水分離器１２内の圧力の時間変化率、水位の時間変化率、及び、排ガスエコノマイザ４の入口温度または出口温度あるいは平均温度の時間変化率のうち、いずれか又はこれらの組合せを用いて蒸気発生量の増減を制御部で予測することにより判断することができる。また、過給機３の発電機能の切り換えは、インバータ３０の制御出力を得て判断することができ、VTI機能の切り換えは、過給機３の開閉弁３ｅ（図２参照）の動作を検出することによって判断することができるので、これらの切り換えタイミングに基づいて判断しても良い。また、発電機能およびVTI機能の切り換えのタイミングは、所定の主機負荷で予め固定されている場合には、主機負荷増加レートを制御部で把握しておくことにより容易に予測することができる。
　許容水位範囲を拡大した後、通常運転時の許容水位範囲に復帰させるタイミングとしては、例えば、上述のように、汽水分離器１２内の圧力の時間変化率、水位の時間変化率、及び、排ガスエコノマイザ４の入口温度または出口温度あるいは平均温度の時間変化率のうち、いずれか又はこれらの組合せを用いて蒸気発生量の増減を制御部で予測することにより判断することができる。
　また、切換時の主機負荷（６５％）から所定量だけ主機負荷が変化したことをもって復帰タイミングとすることができる。あるいは、切換時から所定時間経過後を復帰タイミングとしてもよく、水位計によって計測された水位の時間変化量が所定値以下となったことをもって復帰タイミングとしてもよい。
　また、上述した各実施形態では、過給機３として発電機能およびVTI機能を備えたものを前提として説明したが、VTI機能を備えずに発電機能のみを備えたいわゆるハイブリッド過給機の場合にも本発明を適用することができる。なぜなら、発電機能の切換時に排気ガス温度が急変動するとともに、蒸気タービン発電機４０への発電指令値が急変動する事象は、VTI機能を備えていなくても発生するからである。
［参考実施形態］
　次に、参考実施形態について説明する。基本的構成は図１乃至図３を用いて説明した第１実施形態と同様であるのでその説明は省略する。第１実施形態では、過給機３の発電機能およびVTI機能の切換時に汽水分離器１２の許容水位範囲を変更することによって、汽水分離器１２内の急激な圧力変動を回避することとしたが、本実施形態では、許容水位範囲を変更せずに、二次電池ＢＴを用いる点で相違する。
　したがって、本実施形態は、ＰＭＳ２８が二次電池を管理する場合に適用できるものである。
　通常運転時は、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
　主機負荷上昇時に過給機３の発電開始動作が行われる際に、二次電池による充電要求指令を図示しない制御部からＰＭＳ２８に発することとした。ＰＭＳ２８は、充電要求指令を受けると、二次電池に対して充電指令を送る。二次電池は、過給機３の発電機３ｃの発電量の増大分を吸収するように充電する。このようにしてＰＭＳ２８は、各発電機からの合計電力を船内需要電力に合わせることができる。
　これにより、過給機３の発電機３ｃの発電量の増大分を吸収するために蒸気入口制御弁２２を絞ることが回避されるので、汽水分離器１２内の圧力の急上昇を抑制することができ、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量の急上昇を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
　また、主機負荷減少時に過給機３の発電停止動作が行われる際に、二次電池による放電要求指令を図示しない制御部からＰＭＳ２８に発することとした。ＰＭＳ２８は、放電要求指令を受けると、二次電池に対して放電指令を送る。二次電池は、過給機３の発電機３ｃによる発電量の低下分を補うように放電する。このようにしてＰＭＳ２８は、各発電機からの合計電力を船内需要電力に合わせることができる。
　これにより、過給機３の発電機３ｃの発電停止にともなう船内の発電量の低下分を補うために蒸気入口制御弁２２が開くことが回避されるので、汽水分離器１２内の圧力の急減少を抑制することができ、排ガスエコノマイザ４で発生する蒸気量の急減を回避して、安定した蒸気タービン及び蒸気タービン発電機の運転を確保することができる。
　図５には、上述した通常運転時および切換時の各機器の動作がまとめられている。
　同図に示されているように、通常運転時には二次電池に対する動作要求をＰＭＳ２８に行うことはせずに、切換時に充電要求または放電要求を行うようになっている。
　また、上述した各実施形態では、過給機３として発電機能およびVTI機能を備えたものを前提として説明したが、VTI機能を備えずに発電機能のみを備えたいわゆるハイブリッド過給機の場合にも本発明を適用することができる。なぜなら、発電機能の切換時に排気ガス温度が急変動するとともに、蒸気タービン発電機４０への発電指令値が急変動する事象は、VTI機能を備えていなくても発生するからである。
１　舶用ディーゼル機関システム（内燃機関システム）
２　主機（内燃機関）
３　過給機
３ａ　タービン部
３ｂ　コンプレッサ部
３ｃ　発電機
３ｄ　分岐管（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｅ　開閉弁（タービンノズル通過面積可変機構）
３ｆ　隔壁（タービンノズル通過面積可変機構）
４　排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）
１２　汽水分離器
２２　蒸気入口制御弁
２３　蒸気タービン
２８　ＰＭＳ（電力管理システム）
４０　蒸気タービン発電機

Claims (4)

  1. 　内燃機関と、
    　該内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン部、該タービン部により駆動されて前記内燃機関に空気を圧送するコンプレッサ部、および前記タービン部の回転力を得て発電する発電部を有する過給機と、
    　前記内燃機関からの排気ガスから熱回収するとともに汽水分離器を備えた排ガスボイラと、
    　前記汽水分離器内の水位が許容水位範囲を下回ると開方向に制御し、かつ、該許容水位範囲を上回ると閉方向に制御するように前記排ガスボイラへ給水される水量を制御する給水制御弁と、
    　前記排ガスボイラで得られた蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
    　前記過給機の前記発電部による発電量の増減に応じて、前記蒸気タービン発電機による発電量を補うように蒸気タービンへ導かれる蒸気量を制御する蒸気入口制御弁と、
    　該蒸気タービンによって発電する蒸気タービン発電機と、
    を備えた内燃機関システムであって、
    　前記過給機の前記発電部による発電を停止する過給機発電停止動作、および／または、前記過給機の前記発電部による発電を開始する過給機発電開始動作が行われる際に、前記汽水分離器の前記許容水位範囲を拡大する内燃機関システム。
  2. 　前記過給機は、前記タービン部へ供給される前記排気ガスのタービンノズル通過面積を可変とするタービンノズル通過面積可変機構を備えている請求項１に記載の内燃機関システム。
  3. 　請求項１又は２に記載された内燃機関システムを備えている船舶。
  4. 　内燃機関を駆動する工程と、
    　内燃機関からの排気ガスによってタービン部を駆動するとともに、該タービン部の駆動によりコンプレッサ部を駆動することで前記内燃機関に空気を圧送する工程と、
    　前記タービン部の回転力を得て過給機にて発電を行う工程と、
    　汽水分離器を備えた排ガスボイラに給水を行うとともに前記内燃機関からの排気ガスと熱交換を行うことで蒸気を発生させる工程と、
    　前記熱交換により発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動し、発電を行う工程と、
    を備えた内燃機関システムの運転方法において、
    　前記汽水分離器内の水位が許容水位範囲を下回ると給水を開始し、かつ、該許容水位範囲を上回ると給水を停止する工程と、
    　前記過給機による発電量の増減に応じて、前記蒸気タービンによる発電量を制御する工程と、
    　前記過給機による発電を停止する過給機発電停止動作、および／または、前記過給機による発電を開始する過給機発電開始動作が行われる際に、前記汽水分離器の前記許容水位範囲を拡大する工程と、
    を備えた内燃機関システムの運転方法。
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