JP5047367B2 - 船舶用排熱回収システムの制御方法及び制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶用の排熱回収システムの制御方法及び制御装置にかかわり、特に、排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量に基づいて補助発電機の運転状態を変化させる船舶用排熱回収システムの制御方法及び制御装置に関する。

従来、船舶用排熱回収システムとして、エンジンの排ガスを利用して排ガスエコノマイザーを設けて主駆動機関で仕事が済んだ排ガスの熱量を熱交換させて蒸気タービンを駆動して発電するシステムや、エンジンに軸発電機を設けて該エンジンの出力で軸発電機を回転させ船内負荷電力の賄うシステムがある。このような排熱回収システムは船舶の省エネ化技術として従来から提案されている。

前記排熱回収システムは、船の主駆動機（エンジン）の排熱から発電して船内の電力を賄っているため、負荷（船内電力需要）が急激に減少すると、発電した電力が余剰になる。そのため、蒸気タービン、ガスタービンの回転が上昇して損傷する危険がある。
一方、エンジンが急停止すると電力が不足し、最悪の場合は船内が停電（ブラックアウト）する。

上述した発電した電力の余剰防止に関しては、船の主駆動機（ディーゼルエンジン）の排ガスをバイパスして逃がしたり、排ガスエコノマイザーで発生した蒸気の余剰分をそのまま凝縮器へ放出したりして発電量を抑える対策を取ることができるが、エンジンが急停止することにより電力が不足する場合は、発電量の急激な低下に対して必要度の低い電力負荷を遮断してバックアップ用のディーゼル発電機が起動して電力供給を始めるのを待つことが行われる。しかし、ディーゼル発電機による電力供給が開始されるまでに排熱回収システムの発電量が低下すると停電が避けられないという問題があった。

図７に主駆動機（エンジン）の急停止による船内電力の経時変化を示す。船内電力は、主駆動機（エンジン）の動力による軸発電機と、ガスタービン及び蒸気タービンの動力によって駆動する発電機（主発電機）と、バックアップ用のディーゼル発電機（補助発電機）によって供給されるが、ここではエンジンの急停止により軸発電機と発電機からの電力が停止若しくは低下する場合について説明する。

図７（図７は主駆動機（主発電機も主駆動機の排ガスで駆動しているために併せて停止する。）停止後の船内電力の低減状態を時系列的に示し、図中ＳＴは蒸気タービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＧＴはガスタービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＤＧは、バックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧの起動発電量変化）に示すように、前記ガスタービン及び蒸気タービンの動力によって駆動する発電機（主発電機）の発電量の低下はガスタービン（ＧＴ）が早いのに対して蒸気タービン（ＳＴ）は遅い。これは、排熱回収システムに備えられる排ガスエコノマイザーの熱容量が大きいためである。この排ガスエコノマイザーに蓄えられている熱量（以下蓄熱量という）は、一般の制御では運転条件によって異なり、大きかったり小さかったりする。よって、発電機（主発電機）の発電量の急激な低下が発生したときに一定以上の蓄熱量が蓄えられていた場合にはバックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧ）の起動まで、すなわち矢印Ｓに示すバックアップ用ディーゼル発電機の立ち上がり時間（補助発電機の発電に寄与する負荷運転するまでの時間Ｓ）まで必要な発電量を維持できる。しかし、前記畜熱量Ｑが小さかった場合には必要発電量（停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量に対応する発電量）を割り込み、停電してしまう。

そこで、発電機（前記主発電機に対応する）の発電量の急な変動に起因する停電を防止するための制御を行うことが考えられる。例えば、特許文献１（特許第３８０４６９３号公報）には、排熱回収量の増減に伴う冷却水の水温に着目して制御遅れの発生を抑制して制御する発明が開示されており、詳しくは、負荷側循環配管の前記排熱回収負荷よりも下流側に設けられて、そこを流れる負荷側循環水の温度を測定する負荷側循環水温度センサと、前記負荷側循環水温度センサで測定される負荷側循環水の温度と第１の設定温度とを比較して負荷側循環水の温度が第１の設定温度以上のときに放熱信号を出力する排熱回収量検出手段と、前記負荷側循環配管に設けられて、負荷側循環水の流動状態が所定の流動状態かそれ以外の異常流動状態かを検出して異常流動状態の検出に伴って放熱信号を出力する流動状態検出手段と、前記放熱信号に基づいて、前記冷却水温度センサによる冷却水の測定温度が第２の設定温度よりも低くなるまで放熱信号を出力させるホールド手段と、前記放熱信号に応答して、前記放熱量変更手段の弁開度を、前記エンジンが定格運転し、かつ、前記排熱回収負荷の排熱需要が零のときに前記放熱用熱交換器に供給すべき冷却水量を流す弁開度よりも小さい開度に予め設定した設定弁開度になるように制御出力を出すフィードフォワード側制御手段と、前記冷却水温度センサによる冷却水の測定温度に基づいて、その測定温度が高くなるほど放熱量が増大するように前記放熱量変更手段を制御する制御出力を出すフィードバック側制御手段とを備え、前記フィードフォワード側制御手段からの制御出力と前記フィードバック側制御手段からの制御出力とを加算した制御出力によって前記放熱量変更手段を制御するように構成している。

しかしながら、前記特許文献１に開示される排熱回収システムは、冷却水の水温に着目して制御しており、船舶の排ガスエコノマイザーに蓄えられている熱量（蓄熱量）に着目したものではない。

特許第３８０４６９３号公報

そこで、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、急激な主駆動機の負荷変化に対して船内の停電を防止することができる排熱回収システムの制御方法及び制御装置を提供することを課題とする。

かかる課題を解決するため、船の主駆動機（エンジン）にて発生した排ガスが過給機を介して導かれる排ガスエコノマイザーと、該排ガスエコノマイザーにて発生した蒸気から動力を得る蒸気タービンと、該蒸気タービンとともに発電機を駆動するガスタービンと、該発電機の発電量により船内電力を補う補助発電機とを備え、前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記ガスタービンに供給し該ガスタービンで排出される排ガスの熱量を前記排ガスエコノマイザーへ導く排熱回収システムの制御方法において、
前記排ガスエコノマイザーの熱エネルギ検知信号に基づいて推定若しくは演算された現在蓄熱量Ｑと、 前記補助発電機の運転状態と船内の負荷電力に基づいて該補助発電機の起動時間まで必要電力を維持するのに必要な基準熱量Ｑ_ｍｉｎとを求めた後に、前記現在蓄熱量Ｑと前記該基準熱量Ｑｍｉｎとを比較し、該比較結果に基づいて前記補助発電機の運転状態を停止、待機若しくは駆動運転の何れかから選択することを特徴とする。

ここで排ガスエコノマイザーは船舶特有の装置で例えば船の煙突の中に取り付けられており、例えば煙突の中に密集した熱交換パイプを設置し、その中に水を通し、主駆動機関で仕事が済んだ排気ガスの熱量を熱交換させて、蒸気を発生させたり、水を加熱させたりする装置である。
そして排ガスエコノマイザーの現在蓄熱量Ｑは、「冷却器（図1の符号２０）より排ガスエコノマイザーに注入された冷却水（量，温度）、過給器２２よりの排ガス（量，温度）」の入力エネルギ、エコノマイザーの伝熱効率、エコノマイザーより蒸気として排出される排出蒸気（量，温度）及びエコノマイザーより排ガスとして排気される出口（量，温度）から演算より求められるが、蒸気出口温度Ｔｓ及び／又は排ガス出口温度Ｔｇから排ガス エコノマイザーの現在蓄熱量Ｑを推定する推定式を用いてもよく、又排ガスエコノマイザーの配管等の金属温度を測定して推定しても良い。
又補助発電機とは、補助発電機本体に、これを駆動するための駆動機（例えばデイーゼルエンジン）が直接若しくは間接的に連結したものを指し、補助発電機の運転状態を停止するとは、駆動機を停止すること、補助発電機の待機とは、駆動機と補助発電機本体との連結を解除する（アイドリング運転）状態を指し、更に補助発電機の駆動運転とは、駆動機と補助発電機本体とが連結されており、駆動機側のエネルギが補助発電機本体側に伝達される状態をさす。

かかる発明によれば、前記現在蓄熱量Ｑと前記該基準熱量Ｑｍｉｎとを比較し、該比較結果に基づいて、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが該基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように補助発電機の運転状態を停止、待機若しくは運転の何れかから選択することにより、急激な主駆動機の出力低下が発生しても必要電力を割り込む前に補助発電機を立ち上げることができるため、必要発電量（停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量に対応する発電量）を確保出来、船内の停電（ブラックアウト）を回避することができる。

より具体的には、前記現在蓄熱量Ｑが、前記該基準熱量Ｑｍｉｎより大で更に、前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられている現在熱量Ｑが大きいときに前記補助発電機を停止することを第１の具体例とする（Ｑ≧Ｑ_ｓｔｏｐ＞Ｑ_ｍｉｎ）。
これにより、船内電力を余剰にすることなく必要発電量を維持することができるため、補助発電機を無駄に運転することを防ぐ。

また、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐを下回り、且つ前記主駆動機が停止して前記補助発電機の待機状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｂｙよりも大きいときに前記補助発電機を待機状態にすることを第２の具体例とする。（Ｑ_ｓｔｏｐ＞Ｑ≧Ｑ_ｓｔｂｙ＞Ｑ_ｍｉｎ）
このようにして、補助発電機を待機状態にして立ち上がり時間を短くすることができるため、急激な主駆動機の出力低下が発生しても船内の停電を回避することができる。

また、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐを下回り、且つ前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｂｙを下回るときに前記補助発電機を運転させることを第３の具体例とする。
前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐを下回り、且つ前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｂｙを下回るときは、補助発電機を直ちに待機状態から運転させ、船内の停電を回避させる。（Ｑ_ｓｔｏｐ＞_ｓｔｂｙ≧Ｑ≧Ｑ_ｍｉｎ）

従って本基本発明は、
１．主駆動機が停止（排ガスエネルギの急低減による主発電機の急速出力低減）しても停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量に対応する発電量が迅速に得られるように、主駆動機（が急停止する前）の通常運転中に前記補助発電機を運転制御して、排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが「Ｑ_ｍｉｎ≧Ｑ」にならないようにする事が本発明の要旨である。
この場合において、主駆動機の通常運転中に前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑを演算若しくは推定して、その演算若しくは推定したＱが、下記２〜４のいずれの状態にあるのかを判断して、
２．（Ｑ_ｓｔｏｐ＞Ｑ_ｓｔｂｙ≧Ｑ≧Ｑ_ｍｉｎ）→駆動運転継続
３．（Ｑ_ｓｔｏｐ＞Ｑ≧Ｑ_ｓｔｂｙ＞Ｑ_ｍｉｎ）→休止運転（アイドル運転）
４．（Ｑ≧Ｑ_ｓｔｏｐ＞Ｑ_ｍｉｎ）→停止運転
のいずれかの運転状態を選択するものである。

さらに前記基本発明に、前記ガスタービンをバイパスし、該ガスタービンを介さずに前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記排ガスエコノマイザーに供給させるバイパスラインと、該バイパスラインに配設され排ガスの流量を増減させるバイパス弁とを更に備え、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように該バイパス弁の開度を調整する発明を加えた（第２発明）ことを特徴とする。
これにより、急激な主駆動機の出力低下が発生しても「排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑ」を増加させて、結果として補助発電機の立ち上がりまで必要電力を維持することができるため、船内の停電を防ぐことができる。

また、前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが大きいときに前記バイパス弁の開度を下げることを第２発明の１の具体例とする。
これにより、船内電力を余剰にすることなく必要電力を維持することができる。

また、前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが小さいときに前記バイパス弁の開度を上げることを第２発明の２の具体例とする。
これにより、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑの値を大きくして蒸気タービンでの熱回収を大きくすることができるため、主駆動機を停止させることができる時間が増え、省燃費となる。

また、これらを好適に実施する装置の発明として、
船の主駆動機にて発生した排ガスが過給機を介して導かれる排ガスエコノマイザーと、該排ガスエコノマイザーにて発生した蒸気から動力を得る蒸気タービンと、該蒸気タービンとともに発電機を駆動するガスタービンと、該発電機の発電量により船内電力を補う補助発電機とを備え、前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記ガスタービンに供給し該ガスタービンで排出される排ガスの熱量を前記排ガスエコノマイザーへ導く構成とした排熱回収システムの制御装置において、
前記排ガスエコノマイザーの熱エネルギ検知信号に基づいて推定若しくは演算により現在蓄熱量Ｑを求める手段と
前記補助発電機の運転状態と船内の負荷電力に基づいて該補助発電機の起動時間まで必要電力を維持するのに必要な基準熱量Ｑｍｉｎを求める手段と、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが該基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように補助発電機の運転状態を停止、待機若しくは運転の何れかから選択する補助発電機制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように該バイパス弁の開度を調整するバイパス弁調整手段を備えたことを特徴とする前記補助発電機制御手段は、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように該バイパス弁の開度を調整するバイパス弁調整手段を備えたことを特徴とする。
これにより、上記した方法発明と同様に、補助発電機の立ち上がり時間を早くしたり、補助発電機の立ち上がりまで必要電力を維持したりして急激な主駆動機の負荷変化に対して船内の停電を防止することができる。

本発明によれば、上述したように、船舶はエンジンが急停止しても排ガスエコノマイザーが持っている蓄熱された熱量でしばらく動くため、船内が停電しないように排ガスエコノマイザーの蓄熱量を一定以上に保持することが出来（段落変更）、急激な主駆動機の負荷変化に対して船内の停電を防止することができる排熱回収システムの制御方法及び制御装置を提供できる

本発明の実施例１及び２が適用される、排熱回収システムが組み込まれた船舶の電力系統の構成を示すブロック図である。 排ガスエコノマイザーの蓄熱量と補助発電機のバックアップ時間との関係を示すグラフ図（縦軸：バックアップ時間、横軸：蓄熱量）である。 本発明の実施形態１に係るエンジンの急停止による船内電力の経時変化を示すグラフ図（縦軸：電力、横軸：時間）である。 実施形態１に係る制御ロジック動作を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態２に係るエンジンの急停止による船内電力の経時変化を示すグラフ図（縦軸：電力、横軸：時間）である。 実施形態２に係る制御ロジックについてのフローチャート図である。 従来のエンジンの急停止による船内電力の経時変化を示すグラフ図（縦軸：電力、横軸：時間）である。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

まず、本発明の実施例１及び２が適用される、排熱回収システムが組み込まれた船舶の電力系統の構成を示すブロック図である図１を用いて本発明に係る排熱回収システムの構成について説明する。図１で示す排熱回収システムは、船を推進させるエンジン１８と、エンジン１８で起動する軸発電機１６と、エンジン１８の出力によって回転するプロペラ１４と、エンジン１８に供給する空気を圧縮する過給機２２と、過給機２２からの空気を冷却する冷却器２０と、軸発電機１６と発電機６、補助発電機４で補われる船内電力２とで構成される。なお、図示しないが本発明の排熱回収システムは軸発電機１６を設けない構成としても良い。

また、本発明は、排ガスエコノマイザー２４を備えており、エンジン１８から排出される排ガスを過給機２２若しくはガスタービン１０を介して排ガスエコノマイザー２４へ供給し、該排ガスエコノマイザー２４で発生した蒸気で蒸気タービン８を駆動させ、ガスタービン１０の動力と一緒にあわせて発電機６を回す。
図１中の破線は蒸気と水のラインであり、蒸気タービン８の後段に設けられる復水器１２で蒸気は水に戻され、この水を冷却器２０の熱やエンジン１８の壁を冷却する熱で温めた後、排ガスエコノマイザー２４へ供給して蒸発させ蒸気を生成する。

又、補助発電機４は、発電機本体にディーゼル内燃機が連結されたバックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧ）として機能し、ディーゼル内燃機を停止させる停止運転状態、発電機本体とディーゼル内燃機との連結が解除されてディーゼル内燃機のみが駆動され、発電機本体が回転しない（一般的には低速によるアイドル運転）待機運転状態と、発電機本体とディーゼル内燃機とが連結されて発電を行う駆動運転状態の３種がある。
そして補助発電機４の実駆動運転時には、停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量若しくはそれ以上が発電出力される。
３０は前記補助発電機の制御回路で、
前記補助発電機の運転状態と船内保守に必要な設定電力（以下必要電力という）に基づいて補助発電機の起動時間を設定し、該設定された起動時間の間主発電機を駆動させるに必要な蒸気タービンの駆動蒸気エネルギを得るのに必要な前記排ガスエコノマイザーの基準蓄基準熱量Ｑｍｉｎを求める演算回路３１、前記排ガスエコノマイザーの蒸気出口温度Ｔｓ及び／又は（該エコノマイザーよりの）排ガス出口温度Ｔｇから排ガスエコノマイザー２４の現在蓄熱量Ｑを推定するＱ推定回路３２、前記現在蓄熱量Ｑと前記基準熱量Ｑ_ｍｉｎとを比較する比較器３３、該比較器３３よりの比較結果は判定回路３に送られ、該判定回路３の制御により補助発電機運転制御手段３５とバイパス弁開度制御手段３６により所定の駆動状態を選択する。

補助発電機運転制御手段３５では、主駆動機（が急停止する前）の通常運転中に前記補助発電機を運転制御して、排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが「Ｑ_ｍｉｎ≧Ｑ」にならないように、前記補助発電機４の運転状態を停止、待機若しくは運転の何れかから選択するとともに、主駆動機関（エンジン１８）の急停止の有無を検知する検知センサ（不図示）をエンジン側に設け、その検知信号に基づいて急停止に切り替わった時点で前記補助発電機を強制起動（実駆動）させるようにしている。

尚、船の主駆動機（エンジン）の排熱から発電して船内の電力を賄っているため、負荷（船内電力需要）が急激に減少すると、発電した電力が余剰になる。そのため、ガスタービンの回転が上昇して損傷する危険がある。そこで上述した発電した電力の余剰防止に関しては、バイパス弁開度制御手段３６は船内電力よりの需要をみて、バイパス弁１１を全開／若しくは開度制御して船の主駆動機（ディーゼルエンジン）の排ガスをバイパスして逃がすとともに、その際に推定された現在蓄熱量ＱをＱ_ｓｔｏｐと比較し図６に示す後記する制御を行う。

このような排熱回収システムを備える船舶の急激な負荷変化（主駆動機関（エンジン１８）の急停止）に対して船内の停電を防止するために、以下の管理数値を事前に求めて設定しておく。
Ｐ_ｍｉｎ ：停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量
Ｓ_ｓｔｏｐ：補助発電機が停止している状態から発電可能な状態（起動して必要電力Pminに対応する駆動負荷に到達するまでの）になるまでの時間
Ｓ_ｓｔｂｙ：補助発電機がアイドリング状態から発電可能な状態（アイドル状態から実駆動して必要電力Pminに対応する駆動負荷に到達するまでの）になるまでの時間
Ｑ_ｓｔｏｐ：エンジンが停止してから蒸気タービンの発電量Ｐ_ｓがＰ_ｍｉｎを
割り込むまでの時間がＳ_ｓｔｏｐ以上確保できる蓄熱量
Ｑ_ｓｔｂｙ：エンジンが停止してから蒸気タービンの発電量Ｐ_ｓがＰ_ｍｉｎを
割り込むまでの時間がＳ_ｓｔｂｙ以上確保できる蓄熱量

補助発電機をバックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧ）とし、縦軸を補助発電機のバックアップ時間、横軸を排ガスエコノマイザーの蓄熱量としたとき、前記管理数値は図２のように示される。図２に示されるようにＳ_ｓｔｏｐ、＞Ｓ_ｓｔｂｙはＱ_ｓｔｏｐ＞Ｑ_ｓｔｂｙと比例相関関係にあることが理解される。

実施形態１

次に、前記管理数値をもとに、実施形態１に係る排熱回収システムの制御方法について図３、４を用いて説明する。本実施形態における排熱回収システムは図１に示すものであるので、その構成についての説明は省略する。
図３は実施形態１に係るエンジンの急停止による船内電力の経時変化を示す（より具体的には図は主駆動機（主発電機）停止後の船内電力の低減状態を時系列的に示し、図中ＳＴは蒸気タービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＧＴはガスタービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＤＧは、バックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧの起動発電量変化である。）船内電力は、エンジンの動力による軸発電機と、ガスタービン及び蒸気タービンの動力によって駆動する発電機と、バックアップ用のディーゼル発電機（補助発電機）によって供給されている。ここでは、主エンジンが急停止することによる急激な負荷変化に対する制御方法について述べる。

図３に示すように、エンジンが急停止するとガスタービン（ＧＴ）、蒸気タービン（ＳＴ）ともに発電量が低下し、船内電力すなわち船内負荷が急激に低下する。また、蒸気タービンは排ガスエコノマイザーの蓄熱量のためにガスタービンよりも低下が遅い。
よって、本実施形態では、図３の矢印Ｓに示される補助発電機（ＤＧ）の立ち上がり時間を早めるよう制御する。詳しくは、停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力容量Ｐ_ｍｉｎを割り込む前までに補助発電機を立ち上げるため、排ガスエコノマイザーに蓄えられる蓄熱量Ｑに着目して制御を行う。該蓄熱量Ｑの演算若しくは推定方法は前述している。

この実施形態１における排熱回収システムの制御方法について図４を用いて説明する。排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量（蓄熱量）をＱとし、補助発電機の起動時間まで必要電力（Ｐ_ｍｉｎ）を維持するのに必要な熱量をＱ_ｍｉｎとする。Ｑ_ｍｉｎは、船内の必要発電量Ｐmin（停電を回避するために保安上必要な船内の最低必要電力量に対応する発電量）と、停止やアイドリングといった補助発電機の運転（待機）種類状態から求められ、補助発電機４が停止しているときはＱ_ｍｉｎ＝Ｑ_ｓｔｏｐであり、アイドリングのときはＱ_ｍｉｎ＝Ｑ_ｓｔｂｙである。（補助発電機は主駆動機関（エンジン１８）が駆動しているときは待機若しくは停止状態にあるが、船内電力の負荷需要が大きい場合は補助的に発電する。）

まず、ステップＳ１で蒸気温度Ｔｓまたは排ガス出口温度Ｔｇから排ガスエコノマイザーの現在蓄熱量Ｑを推定する。前記蒸気温度Ｔｓと排ガス出口温度Ｔｇは、図１に示すように排ガスエコノマイザー２４の出口側で測定された温度である。なお図示しないが、現在蓄熱量Ｑは排ガスエコノマイザーの配管等の金属温度を測定して推定しても良い。
ステップＳ２では、ステップＳ１で推定された現在蓄熱量ＱをＱ_ｓｔｏｐと比較し、Ｑ＞Ｑ_ｓｔｏｐを満たすとき、ステップＳ３で補助発電機を停止する。次いで、ステップＳ４で時間をカウントしてからステップＳ１に戻す。

ステップＳ２でＱ＞Ｑ_ｓｔｏｐを満たさないときは、ステップＳ５でＱとＱ_ｓｔｂｙを比較する。ステップＳ５でＱ＞Ｑ_ｓｔｂｙを満たすとき、ステップＳ６で補助発電機をアイドリング状態にし、ステップＳ４で時間をカウントした後にステップＳ１に戻す。
また、ステップＳ５でＱ＞Ｑ_ｓｔｂｙを満たさないとき、ステップＳ７で補助発電機を発電運転し、ステップＳ４で時間をカウントした後にステップＳ１に戻す。

このようにして、Ｑ＞Ｑ_ｍｉｎとなるように補助発電機の運転状態を、停止、スタンバイ、発電運転と変化させることにより、急停止などのような急激なエンジン出力低下が発生しても補助発電機の立ち上がり時間が短くなり、図３のように必要電力Ｐ_ｍｉｎを割り込む前に補助発電機が立ち上がり、船内の停電を回避することができる。

実施形態２

次に、実施形態２に係る排熱回収システムの制御方法について図５、６を用いて説明する。本実施形態における排熱回収システムは図１に示すものであるので、実施形態１と同様にその構成についての説明は省略する。
船の主駆動機（エンジン）の排熱から発電して船内の電力を賄っているため、負荷（船内電力需要）が急激に減少すると、発電した電力が余剰になる。そのため、ガスタービンの回転が上昇して損傷する危険がある。そこで上述した発電した電力の余剰防止に関しては、バイパス弁開度制御手段３６は船内電力よりの需要をみて、バイパス弁１１を全開／若しくは開度制御して船の主駆動機（ディーゼルエンジン）の排ガスをバイパスして逃がしている。
その状態で前記排ガスエコノマイザー１１の推定された現在蓄熱量ＱをＱ_ｓｔｏｐと比較し図６に示す後記する制御を行う。
図５はエンジンの急停止による船内電力の経時変化を示す。（実施形態１と同様に主駆動機（主発電機）停止後の船内電力の低減状態を時系列的に示し、図中ＳＴは蒸気タービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＧＴはガスタービン回転数に対応する主発電機の発電量変化、ＤＧは、バックアップ用ディーゼル発電機（ＤＧの起動発電量変化である。）、蒸気タービンは排ガスエコノマイザーの蓄熱量のためにガスタービンよりも低下が遅い。よって、本実施形態では、図５の矢印Ｓに示される補助発電機の立ち上がり時間まで必要電力Ｐ_ｍｉｎが維持されるように制御を行う。

この実施形態２における排熱回収システムの制御方法について図６を用いて説明する。実施形態１と同様に、排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量（蓄熱量）をＱとし、補助発電機の起動時間まで必要電力Ｐ_ｍｉｎを維持するのに必要な熱量をＱ_ｍｉｎとする。Ｑ_ｍｉｎは、船内の電力負荷と、停止やアイドリングといった補助発電機の待機状態から求められ、補助発電機が停止しているときはＱ_ｍｉｎ＝Ｑ_ｓｔｏｐであり、アイドリングのときはＱ_ｍｉｎ＝Ｑ_ｓｔｂｙである。

まず、ステップＳ１１で蒸気温度Ｔｓまたは排ガス出口温度Ｔｇから排ガスエコノマイザーの現在蓄熱量Ｑを推定する。
ステップＳ１２では、ステップＳ１１で推定された現在蓄熱量ＱをＱ_ｓｔｏｐと比較し、Ｑ＞Ｑ_ｓｔｏｐを満たすとき、ステップＳ１３でバイパス弁開度を下げる。バイパス弁とは、図１に示すガスタービンバイパス弁１１であり、エンジン１８から排出される排ガスがガスタービン１０を介さずに排ガスエコノマイザー２４へ供給されるために設けられたバイパス弁である。
次いで、ステップＳ１４で補助発電機を停止し、ステップＳ１５で時間をカウントしてからステップＳ１１に戻す。

ステップＳ１２でＱ＞Ｑ_ｓｔｏｐを満たさないときは、ステップＳ１６でＱとＱ_ｓｔｂｙを比較する。ステップＳ１６で（Ｑ_ｓｔｏｐ＞）Ｑ＞Ｑ_ｓｔｂｙを満たすとき、ステップＳ１７でガスタービンバイパス弁１１が全開か否かを判定する。ガスタービンバイパス弁１１が全開の場合、ステップＳ１８で補助発電機をアイドリング状態にし、ステップＳ１５で時間Ｓ_ｓｔｂｙをカウントした後にステップＳ１１に戻して必要発電量Ｐminに到達させる。。

また、ステップＳ１６でＱ＞Ｑ_ｓｔｂｙを満たさないときも、ステップＳ１９でガスタービンバイパス弁１１が全開か否かを判定する。ガスタービンバイパス弁１１が全開の場合、ステップＳ２０で補助発電機を駆動（バックアップ用デイーゼルエンジンを駆動して且つ発電機本体と連結させて）発電状態にし、ステップＳ１５で時間Ｓ_ｓｔｏｐをカウントした後にステップＳ１１に戻して必要発電量Ｐminに到達させる。
一方、ステップＳ１７とステップＳ１９でガスタービンバイパス弁１１が全開でない場合は、ステップＳ２１でバイパス弁開度を上げ、ステップＳ１５で時間をカウントした後にステップＳ１１に戻して必要発電量Ｐminに到達させる。

このようにして、Ｑ＞Ｑ_ｍｉｎとなるように補助発電機の運転状態を、停止、スタンバイ、発電運転と変化させる。また排ガスエコノマイザーの現在蓄熱量ＱをＱ_ｓｔｏｐより大きくするために、ガスタービンバイパス弁の開度を開いて蒸気タービンでの熱回収を大きくし、ガスタービンと蒸気タービンの発電量にしめる蒸気タービンの割合を大きくする。
よって、図５のように補助発電機の立ち上がりまでの必要電力を維持することができ、船内の停電を回避することができる。また、補助発電機を停止させることができる時間が増えるため、省燃費になる。

なお、実施形態１、実施形態２ともに船内負荷が急減する場合は船内電力の余剰が発生するため、ガスタービン入口弁１３（図１参照）の開度を制御してガスタービン出力を抑えたり、余剰電力分を捨てたりすることで回転数を低減し、タービントリップを防止する。

本発明によれば、急激な主駆動機の負荷変化に対して船内の停電を防止することができるので排熱回収システムの制御方法及び制御装置への適用に際して有益である。

Claims (9)

1. 船の主駆動機（エンジン）にて発生した排ガスが過給機を介して導かれる排ガスエコノマイザーと、該排ガスエコノマイザーにて発生した蒸気から動力を得る蒸気タービンと、該蒸気タービンとともに発電機を駆動するガスタービンと、該発電機の発電量により船内電力を補う補助発電機とを備え、前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記ガスタービンに供給し該ガスタービンで排出される排ガスの熱量を前記排ガスエコノマイザーへ導く排熱回収システムの制御方法において、
   前記排ガスエコノマイザーの熱エネルギ検知信号に基づいて推定若しくは演算された現在蓄熱量Ｑと、 前記補助発電機の運転状態と船内の負荷電力に基づいて該補助発電機の起動時間まで必要電力を維持するのに必要な基準熱量Ｑ_ｍｉｎとを求めた後に、前記現在蓄熱量Ｑと前記該基準熱量Ｑｍｉｎとを比較し、該比較結果に基づいて前記補助発電機の運転状態を停止、待機若しくは駆動運転の何れかから選択することを特徴とする排熱回収システムの制御方法。
2. 前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが大きいときに前記補助発電機を停止することを特徴とする請求項１記載の排熱回収システムの制御方法。
3. 前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐを下回り、且つ前記主駆動機が停止して前記補助発電機の待機状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｂｙよりも大きいときに前記補助発電機を待機状態にすることを特徴とする請求項２記載の排熱回収システムの制御方法。
4. 前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐを下回り、且つ前記蓄熱量Ｑ_ｓｔｂｙを下回るときに前記補助発電機を運転させることを特徴とする請求項３記載の排熱回収システムの制御方法。
5. 前記ガスタービンをバイパスし、該ガスタービンを介さずに前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記排ガスエコノマイザーに供給させるバイパスラインと、該バイパスラインに配設され排ガスの流量を増減させるバイパス弁とを備え、
   前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように該バイパス弁の開度を調整することを特徴とする請求項１記載の排熱回収システムの制御方法。
6. 前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが大きいときに前記バイパス弁の開度を下げることを特徴とする請求項５記載の排熱回収システムの制御方法。
7. 前記主駆動機が停止して前記補助発電機の停止状態から発電可能な状態になるまでの時間を確保することができる蓄熱量Ｑ_ｓｔｏｐよりも前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが小さいときに前記バイパス弁の開度を上げることを特徴とする請求項５記載の排熱回収システムの制御方法。
8. 船の主駆動機にて発生した排ガスが過給機を介して導かれる排ガスエコノマイザーと、該排ガスエコノマイザーにて発生した蒸気から動力を得る蒸気タービンと、該蒸気タービンとともに発電機を駆動するガスタービンと、該発電機の発電量により船内電力を補う補助発電機とを備え、前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記ガスタービンに供給し該ガスタービンで排出される排ガスの熱量を前記排ガスエコノマイザーへ導く構成とした排熱回収システムの制御装置において、
   前記排ガスエコノマイザーの熱エネルギ検知信号に基づいて推定若しくは演算により現在蓄熱量Ｑを求める手段と
   前記補助発電機の運転状態と船内の負荷電力に基づいて該補助発電機の起動時間まで必要電力を維持するのに必要な基準熱量Ｑｍｉｎを求める手段と、前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが該基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように補助発電機の運転状態を停止、待機若しくは運転の何れかから選択する補助発電機制御手段とを備えたことを特徴とする排熱回収システムの制御装置。
9. 前記ガスタービンをバイパスし、該ガスタービンを介さずに前記主駆動機にて発生した排ガスの一部を前記排ガスエコノマイザーに供給させるバイパスラインと、該バイパスラインに配設され排ガスの流量を増減させるバイパス弁とを備え、
   前記排ガスエコノマイザーに蓄えられる熱量Ｑが前記基準熱量Ｑｍｉｎよりも大きくなるように該バイパス弁の開度を調整するバイパス弁調整手段を備えたことを特徴とする請求項８記載の排熱回収システムの制御装置。

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