JP5279710B2 - 廃熱回収を有する推進系を備えた船及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に従う廃熱回収を有する推進系を備えた船の駆動方法及び請求項５の上位概念に従う廃熱回収を有する推進系を備えた船に関する。このような方法及びこのような船は、例えば、２００４年４月２８・２９日にロンドンで行われた緑の船会議（Green Ship Conference）で提供された刊行物「廃熱回収を通して放出物をより少なく（Less emissions through waste recovery）」Waertsilae Corporationから知られている。

大型の貨物船、例えばコンテナ船の推進系は、通常主機として、軸系、例えば船のプロペラと連結されたプロペラ軸を駆動するための機械的エネルギーを発生させるため、低速で回転する２サイクル・ディーゼル機関の形の内燃機関を含んでいる。このような機関の原動力は、約１０ＭＷに始まり、目下のところ７０ＭＷを越えるところで終わっている。

船内における電気的負荷は、通常船内配電網から電気エネルギーを供給され、その電気エネルギーは別に発電機により発生され、この発電機は主機より高速で回転する補機、通常高速で回転する４サイクル・ディーゼル機関によって駆動される。

増大する燃料価格、環境汚染をより少なくすること及びランニングコストをより低くすることへの願望が、近年主機の廃熱のエネルギー回収への利用について関心を強めてきた。利用可能な廃熱は、特に主機の排ガス及び冷却材中に存在する。

上述の刊行物から知られる船においては、熱交換器を用いて主機の廃熱が水・蒸気循環路の水に伝達され、それによって水が気化される。気化された水は次いで蒸気タービンにおいて膨張させられ、そのエネルギーが機械的エネルギーに変換され、この機械的エネルギーはあらためて電気的エネルギーに変換され、この電気的エネルギーにより船内配電網を介して船の電気的負荷が駆動される。電気的負荷には、周波数変換装置を介して船内配電網と結ばれた軸モータもその１つと見なされ、この軸モータは軸系と連結され、船内配電網からの電気的エネルギーを軸系の駆動のための機械的エネルギーに変換する。

廃熱回収システムがエネルギーを船内配電網に供給すると、発電機を駆動するための補機は負担を軽減され、最善の場合遮断されることが可能である。この処置によって、燃料コスト及びランニングコスト並びに補機の環境汚染は著しく減ずることができる。

以上のことから出発して、本発明の課題は、上述の船の駆動方法及び特にその方法を実施するために適する船を提供し、主機の廃熱の最適な利用を可能にすることにある。

その方法に対する課題の解決は、請求項１に従う方法によって達成され、その方法の有利な実施形態は請求項２〜４により開示されている。船に対する課題の解決は、請求項５に従う船によって達成され、その船の有利な実施形態は請求項６〜８に開示されている。

本発明に従う方法においては、電気的負荷の電気的全エネルギー消費、即ち個々の負荷のエネルギー消費の総計は、例えば廃熱回収システムの蒸気循環路の気化した作動媒体の圧力が、所定の限界内に止まるように調節される。その際本発明は、タービンの手前の気化した作動媒体の圧力は発電機から与えられる電気的エネルギーに依存して設定されるという認識から出発する。発電機から電気的負荷へ電気的エネルギーが多く与えられ得るほど圧力は低く、またその逆である。したがって、全エネルギー消費の調節によって、発生器により発生可能な電気的エネルギー、それに伴い作動媒体蒸気の利用可能なエネルギー及び最終的に主機の廃熱からの利用可能なエネルギーを調節することができる。

下限の適切な選択によって、例えば、過剰な蒸気が蒸気タービンから取り除かれ、その結果エネルギー損失と結び付くタービン後方の圧力崩壊を起さないことが保障される。上限の適切な選択によって、例えば、蒸気タービンを過圧から保護するための廃熱回収システムの保護反応、例えば同様にエネルギー損失に繋がる可能性のあるバイパス弁の開放を避けることができる。したがって、圧力が所定の限界内にとどまる場合には、自由に利用可能な廃熱エネルギーを特に有効に使用することができ、それにともない全システムの効率を最適化することができる。

通常、船内配電網の大抵の負荷は、そのエネルギー消費に関してまったく調節不可能か、又はごく限られた調節しかできないから、所定の限界内に電気的全エネルギー消費を調節することは、少なくともその電気的エネルギー消費に関して可変の負荷を介して行うのが好ましい。そのような可変の負荷を介して、特に簡単かつ適切に全エネルギー消費及び従って気化した作動媒体の圧力を制御することができる。

本発明の特に有利な実施形態に従えば、可変の負荷は軸系と機械的に連結された電動機であり、専門文献では「軸モータ」ともいわれる。このようなモータを介して、存在する電気的余剰出力は再び機械的エネルギーの形で船の主推進部の軸系へ戻され、それによって主機の負担は軽減される。軸モータは主機の５〜１０％までの範囲の出力で使用可能であり、したがって主機はそのエネルギー消費に関して大きな範囲内で調節可能であり、それにともない船の大部分の運転状況において、気化された作動媒体の圧力に対するあらかじめ与えられた限界の保持及び主機の廃熱の有効な利用を可能にする。

主機の廃熱が僅かしかない場合にも廃熱回収システムの運転のために、他の熱源、例えば補助燃焼器の熱を作動媒体に伝達することができる。これによって、蒸気タービンは予熱されることが可能であり、ないしは補助の蒸気を蒸気タービンのために発生させることができる。

本発明に従う船は、電気的負荷の電気的全エネルギー消費を調節して、気化された作動媒体の圧力が所定の限界内にとどまるようにする調節装置を有する。

本発明に従う船の特に有利な実施形態によれば、電気的負荷の少なくとも１つが、その電気的エネルギー消費に関して可変の負荷である。このような可変の負荷を介して、特に簡単かつ適切に全エネルギー消費を変更し、したがって気化された作動媒体の圧力を制御することができる。好ましくは、エネルギー消費に関して調節可能な負荷は、軸系と機械的に連結された電動機であり、専門文献においては「軸モータ」ともいわれるものである。

本発明及び独立請求項に従う従属請求項に基く本発明の他の有利な実施形態を、以下図面の実施例に基いて詳細に説明する。

図１に著しく単純化して示した船１、例えば大型のコンテナ船は、内燃機関、好ましくは低速で回転する２サイクル・ディーゼル機関の形の主機２を有する推進系を備え、この主機２は船のプロペラ４と連結された軸系３を駆動する。

主機２の廃熱は作動媒体、好ましくは水に伝達され、それによって作動媒体は気化される。このために熱交換器５が設けられており、この熱交換器は一次側では主機２の高温の排気ＡＧが貫流し、二次側では低圧蒸気循環路６の水及び高圧蒸気循環路７の水が貫流する。排気ＡＧの熱が水に伝達されることによって、循環路６、７内の水は気化される。その水蒸気は蒸気タービン８の低圧側ないし高圧側に導かれ、タービン内で膨張させられ、そのエネルギーは機械的エネルギーに変換される。その機械的エネルギーは次いで発電機１１を用いて電気的エネルギーに変換される。

蒸気タービン８内で膨張させられた作動媒体は次いでコンデンサ９内で凝縮され、図に詳細には示されていないが再び熱交換器５に供給される。

排気ＡＧの一部はさらに出力タービン１０に直接供給され、このタービンは同様に発電機１１と機械的に連結されている。

船の配電網１２は船の電気的負荷１３のエネルギー供給のために使用される。図を見易くする理由から、図１には３つの電気的負荷しか示されていないが、実際にはずっと多い数のこのような負荷１３が船の配電網１２から給電される。

船の配電網１２のためのエネルギーを発生させるため、複数の発電機１６が設けられており、これらの発電機はそれぞれ主機より高速で回転する補機１７により駆動される。補機１７としては、通常例えば５ＭＷまでの出力で高速で回転する４サイクル・ディーゼル機関が使用される。通常、それぞれ発電機１６とディーゼル機関１７とは１つのディーゼル発電機ユニット１８にまとめられている。

軸モータ１５は、機械的にはプロペラ軸３と連結され、電気的には周波数変換装置１４及び場合によっては図示されていない変圧器を介して船の配電網１２と結ばれている。周波数変換装置１４は、例えば直流中間回路周波数変換装置として形成され、モータ側の変換装置と配電網側の変換装置とからなっている。

軸モータ１５は緩やかに回転する同期機として形成されており、好ましくは伝動装置を中間に挿入されることなく直接プロペラ軸３に作用する。しかし軸モータ１５はまた伝動装置を介してプロペラ軸３に、又は主機２のクランク軸と、さらに正確に言えばプロペラ軸３から遠く離れた末端に連結されることも可能である。

主機の廃熱が存在し、また廃熱回収システムを介して電気的エネルギーが船の配電網１２へ供給されるや否や、発電機の駆動のための補機は負担を軽減され、最善の場合そのうえさらに遮断されることが可能である。この処置によって、燃料コスト及びランニングコスト並びに補機の環境汚染は著しく減ぜられることが可能となる。

軸モータ１５は可変の負荷を形成し、船の負荷１３によって必要としない過剰電力を機械的エネルギーの形でプロペラ軸３へ戻し、それによって主機は負担を軽減され、したがって主機の燃料消費及び環境汚染を減ずることができる。

周波数変換装置１４によって、船の配電網１２から軸モータ１５へのエネルギーの流れの大きさを調節することができる。したがって、周波数変換装置１４及び軸モータ１５を用いて、特に簡単な仕方で船内の電気的負荷の全エネルギー消費を調節することができる。

調節装置２０は、電気的全エネルギー消費、すなわち電気的負荷１３のエネルギー消費及び軸モータ１５のエネルギー消費の総和を、高圧蒸気循環路７中の気化した作動媒体の圧力に依存して調節するために用いられる。全エネルギー消費はこの場合とりわけ軸モータ１５のエネルギー消費について調節される。調節装置２０は、周波数変換装置１４を介して軸モータ１５へのエネルギーの流れ及び軸モータ１５における電気的エネルギーの消費を調節し、高圧蒸気循環路７内の気化した作動媒体の圧力が所定の限界内にとどまるようにする。

調節装置２０はそのため導線２２を介して、高圧蒸気循環路７中のタービン８の手前に接続された圧力センサ２１と結ばれ、このセンサを介してタービン８の手前の位置の水蒸気の圧力を検出する。

さらに調節装置２０は導線２３を介して周波数変換装置１４と結ばれており、この変換装置１４を介して軸モータ１５へのエネルギーの流れの大きさ及び軸モータ１５のエネルギー消費を調節する。

図２は、そのため模範的に、高圧蒸気循環路７中の気化した作動媒体のタービン８へ入る前の圧力Ｐ_HPを時間ｔについて示すもので、一方では調節されないエネルギー消費の場合について（曲線Ａ）、及び調節されたエネルギー消費の場合について（曲線Ｂ）示す。ここで上限圧力ＯＧは、その圧力以降ではバイパス弁１９が開き、気化した作動媒体をタービン８を迂回させてコンデンサ９に供給する圧力を表わす。これによって、たしかに蒸気タービン８は許容できない高圧から保護されるが、他方においてエネルギーも失われる。下限圧力ＵＧは、その圧力以降では蒸気タービン８の後方で圧力が崩壊する圧力を表わし、そのことは同様にエネルギー損失と結び付く。

エネルギー消費が調節されない場合には、下限圧力ＵＧより小さい気化作動媒体の圧力Ｐ_HPが生じるほど高いエネルギー消費の発生があり得る。このことは、エネルギー損失及び効率損失と結び付いている。しかしまたその逆に、バイパス弁１９を開くことなしに上限圧力ＯＧすら超える圧力Ｐ_HPが生じるかもしれないほど低いエネルギー消費の発生もあり得る。上限圧力ＯＧに達した際バイパス弁１９が開くことに基いて、たしかに圧力Ｐ_HPが限界値ＯＧへ制限されることになるが、そのことは同様にエネルギー損失及び効率損失と結び付いている。

本発明に従ってエネルギー消費が調節されると、曲線Ｂで示すように、気化した作動媒体の圧力Ｐ_HPは上限圧力ＯＧより低く下限圧力ＵＧより高い位置にとどまり、したがってこのようなエネルギー損失は避けられることが保障される。

この場合電気的エネルギー消費は可変負荷としての軸モータ１５を介して調節される。そのエネルギー消費は、（そのほかに船内の他の負荷１３の変化しないエネルギー消費が存在する場合）気化した作動媒体の圧力Ｐ_HPが常に上限圧力ＯＧより低く下限圧力ＵＧより高い位置にとどまるように調節される。これらの限界圧力ＯＧ及びＵＧに対する値を適切に選択することによって、蒸気エネルギーの特に有効な利用を可能にすることができる。タービンを１０ｂａｒ（１０×１０⁵Ｐａ）の圧力に設計した場合には、例えば９．５ｂａｒ（９．５×１０⁵Ｐａ）の上限圧力ＯＧと６．０ｂａｒ（６．０×１０⁵Ｐａ）の下限圧力が選ばれる。

運転においては、高圧蒸気循環路７が一定の圧力に達したとき低圧蒸気循環路６が蒸気タービン８に接続される。低圧蒸気循環路６が再び一定の圧力に達したとき、出力タービン１０が接続される。これによって廃熱回収システムによって発生可能な電気的エネルギーがそのつど高められる。その結果負荷側上では、軸モータ１５の形の可変負荷によって対応する範囲で電気的エネルギー消費を高めることができ、その結果自由に利用し得る全廃熱エネルギーを利用することができる。

主機の廃熱が僅かにすぎない場合にも廃熱回収システムを運転するために、他の熱源２４、例えば補助燃焼器、の熱を循環路７の作動媒体に伝達させることができる。これによって、蒸気タービン８を予熱すること、ないしは蒸気タービン８のための補助蒸気を発生させることができる。熱源２４はそのため循環路７中に熱交換器５と並列に接続される。

廃熱回収システムを含む推進系を有する船の原理回路図を示す。 廃熱回収システムの蒸気循環路の気化された作動媒体の圧力の時間に対する変化をエネルギー消費が調節される場合と調節されない場合について模範例を示す。

１ 船
２ 主機
３ 軸系（プロペラ軸）
４ 船のプロペラ
５ 熱交換器
６ 低圧蒸気循環路
７ 高圧蒸気循環路
８ 蒸気タービン
９ コンデンサ
１０ 出力タービン
１１ 発電機
１２ 船の配電網
１３ 負荷
１４ 周波数変換装置
１５ 軸モータ
１６ 発電機
１７ 補機（ディーゼル機関）
１９ バイパス弁
２０ 調節装置
２１ 圧力センサ
Ｐ_HP 作動媒体の圧力
ＯＧ 上限圧力
ＵＧ 下限圧力
Ａ 作動媒体の圧力・時間曲線（無調節時）
Ｂ 作動媒体の圧力・時間曲線（調節時）

Claims (8)

1. 廃熱回収を有する推進系を備えた船の駆動方法であって、
   少なくとも１つの主機（２）が船のプロペラ（４）と連結された軸系（３）を駆動し、
   前記主機（２）の廃熱が作動媒体に伝達され、それによって前記作動媒体が気化され、
   前記気化した作動媒体が膨張させられ、そのエネルギーが機械的エネルギーに変換され、
   前記機械的エネルギーが電気的エネルギーに変換され、
   前記電気的エネルギーによって前記船の電気的負荷（１３、１５）が給電される
   方法において、前記気化した作動媒体の圧力が所定の限界（ＵＧ、ＯＧ）内にとどまるように、前記電気的負荷の電気的全エネルギー消費が調節される船の駆動方法。
2. 前記電気的全エネルギー消費の調節がその電気的エネルギー消費に関して可変の負荷を介して行われる請求項１記載の方法。
3. 可変の負荷が軸系（３）と機械的に連結された電動機（１５）である請求項２記載の方法。
4. 他の熱源（２４）の熱が前記作動媒体に伝達される請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. 廃熱回収を有する推進系を備え、前記請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法を実施するための船（１）であって、
   船のプロペラ（４）と連結された軸系（３）を駆動するための少なくとも１つの主機（２）と、
   前記主機（２）の廃熱を作動媒体にその気化のため伝達するための熱交換器（５）と、
   前記気化した作動媒体を膨張し、そのエネルギーを機械的エネルギーに変換するための蒸気タービン（８）と、
   前記機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し前記船の電気的負荷（１３、１５）に給電するための発電機（１１）と
   を含み、前記電気的負荷の電気的エネルギー消費を調節するための調節装置（２０）を有し、前記気化した作動媒体の圧力が所定の限界（ＵＧ、ＯＧ）内にとどまるように調節が行われる船。
6. 前記電気的負荷（１３、１５）の少なくとも１つが、その電気的エネルギー消費に関して可変の負荷である請求項５記載の船。
7. 前記可変の負荷が、前記軸系と機械的に連結された電動機（１５）である請求項６記載の船。
8. 前記作動媒体に熱を伝達するための他の熱源（２４）を有する請求項５〜７のいずれか１つに記載の船。

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