具有大型二冲程涡轮增压往复活塞发动机的利用废热回收的船舶推进系统及其运行方法
【专利摘要】一种具有废热回收以及大型二冲程涡轮增压主内燃机（2）的船舶推进系统（1），该主内燃机（2）驱动连接至船舶推进器（4）的传动轴（3）。废热回收系统（11）包括涡轮（18）和发电机（20），用于从主内燃机（2）的废热中产生用于船舶的电网（5）的电能。轴传动发电机/马达（10）连接至传动轴（3）并电连接至船舶的电网（5）。轴传动发电机/马达（10）被配置为，以轴传动发电机/马达（10）的驱动马达运行模式，将来自电网（5）的电能转换成驱动传动轴（3）的机械能，并且所述轴传动发电机/马达（10）被配置为，以轴传动发电机/马达（10）的发电机运行模式，将来自传动轴（3）的机械能转换成用于电网（5）的电能。控制器（12）可操作地连接至轴传动发电机/马达（10），并且控制器（12）被配置为，通过调节轴传动发电机/马达（10）的运行，来控制电网（5）的频率。
【专利说明】具有大型二冲程涡轮增压往复活塞发动机的利用废热回收的船舶推进系统及其运行方法
【技术领域】
[0001]本发明的公开内容涉及一种利用废热回收来运转船舶推进系统的方法，以及涉及利用废热回收的船舶推进系统。
【背景技术】
[0002]W02007/124968公开了一种用于诸如集装箱运货船的大型货船的船舶推进系统，典型地，这种推进系统包括慢速二冲程柴油发动机形式的主发动机，用于产生机械能，以驱动连接至轮船推进器的传动轴。该发动机的连续额定功率以大约5MW起始并以高于110MW结束。
[0003]轮船上的电力负载通常由轮船的电网提供，而所述电网接收来源于发电机的电力，所述发电机依靠比主发动机(发电机组)运转更快的内燃机而运转。这些通常为四冲程柴油发动机驱动的发电机组。最近，由于上升的燃料价格，近些年对更低排放量和更低运转成本的需求已经增大了对来自主发动机的废热进行利用的兴趣，用于提高能量利用率。特别地，在主发动机的废气和冷却系统中发现了过剩的热量。在上述公布文件中，推进系统包括废热回收系统，该系统从主发动机的废热中产生电力，并将电力输送到轮船的电网中。轴传动发电机/马达与传动轴机械连接并与电网电连接。轴传动发电机/马达为下述单元，即，当其被提供来自轮船电网的电流时可以运行作为驱动马达，并且当其被提供来自传动轴的转动机械能时可以运行作为产生电能的发电机。轴传动发电机/马达可以在作为驱动马达和作为发电机之间切换，作为驱动马达依靠来源于轮船电网的电能运行并传送机械能来驱动轴系，而作为发电机将轴系的机械能转换成轮船电网的附加电力。
[0004]传统上，轮船电网的电能由多个辅助发动机(发电机组)传送，每一个辅助发动机驱动一个发电机。在具有废热能量回收系统的轮船推进系统中，大部分或全部所需电能可以由废热能量回收系统来传送。当废热能量回收系统传送足够的功率到轮船的电网中时，功率管理系统或控制器降低由辅助发动机传送的功率，并且当有可能时辅助发动机被完全关闭。
[0005]另外，通过采用发电机运转模式的轴传动发电机/马达，甚至更多的电能被传输到轮船的电网中，因此，可以更进一步降低辅助发动机的功率消耗。
[0006]这些措施使得明显降低了燃料和运转成本以及辅助发动机的排放物。
[0007]如果废热能量回收系统产生比轮船的用电器需要的更多的能量，则剩余能量被提供至以驱动马达允许模式运行的轴传动发电机/马达，因此额外的驱动力被传送到转动轴上。在这种情况下，只有废热回收系统将电力网输送到轮船的电网中，同时辅助发动机被关闭。
[0008]根据轮船的需求，构造和设计已知的推进和动力系统，使得在大多数工况下，废热回收系统在不需要其它电力生产单元的帮助下产生需要的电能。
[0009]在已知的推进和动力系统中，通过调节来控制电网的频率，即限制由废热回收系统产生的电能。为了能够实施这一频率控制，必须有足够的未使用的容量来包括用电器所消耗的功率变化。
[0010]为了能够实施频率控制，废热回收系统需要能够在功率设置的范围内运行，S卩，废热回收系统不在其最大容量下运行。不在其最大容量下运行意味着效率下降，因为来自废热系统的“自由”能量的一部分没有被利用。
【发明内容】
[0011]在这一背景下，本发明的目的是，提供一种具有改进的燃料效率的上述类型的船舶推进系统。
[0012]这一目的通过提供一种具有废热回收的船舶推进系统而实现，所述船舶推进系统具有：驱动传动轴的大型二冲程涡轮增压的主内燃机，所述传动轴连接至船舶推进器；废热回收系统，其包括涡轮和发电机，用于从主内燃机的废热中产生用于船舶电网的电能；轴传动发电机/马达，其连接至传动轴并电连接到船舶电网上，所述轴传动发电机/马达被配置为，以轴传动发电机/马达的驱动马达运行模式，将来自电网的电能转换成驱动传动轴的机械能，所述传动轴发电机/马达被配置为，以轴传动发电机/马达的发电机运行模式，将来自传动轴的机械能转换成用于电网的电能；控制器，其可运行地连接到轴传动发电机/马达，并且所述控制器被配置为通过调节轴传动发电机/马达的运行来控制电网的频率。
[0013]通过使用用于控制电网频率的轴传动发电机/马达的功率范围，可利用来自废热回收系统的所有有用功率，由此改进了船舶推进系统的能量效率。
[0014]在一个实施例中，控制器被配置为，通过调节轴传动发电机/马达以驱动马达模式运行和以发电机模式运行，来控制电网的频率。该措施扩展了用于频率控制的功率范围。
[0015]在一个实施例中，控制器被配置为，通过调节以驱动马达模式运行的轴传动发电机/马达的功率和通过调节以发电机模式运行的轴传动发电机/马达上的负载，来控制电网的频率。
[0016]在一个实施例中，控制器被配置为，通过在工况设置的连续范围内调节轴传动发电机/马达的运行来控制电网的频率，所述工况设置包括驱动马达运行模式和发电机运行模式。
[0017]在一个实施例中，控制器被配置为，通过控制马达/发电机的励磁电流，利用轴传动发电机/马达控制电网的频率。
[0018]在一个实施例中，控制器传动轴连接至可控螺距推进器，且其中，所述控制器被配置为，以传动轴的恒定转速运行推进系统，由此保持马达/发电机的转速恒定，以提供恒定的电网频率。
[0019]在一个实施例中，控制器船舶推进系统还包括连接在轴传动马达/发电机和传动轴之间的可变比变速器，且其中，所述控制器连接至所述可变比变速器，且其中，所述控制器被配置为，不管传动轴的转速变化如何，通过控制所述可变比变速器的比值，来保持轴传动发电机/马达的转速恒定。
[0020]在一个实施例中，控制器被配置为利用频率下降控制运行，以控制电网的频率。[0021 ] 在一个实施例中，控制器被配置为以同步频率控制运行，以控制电网的频率。
[0022]在一个实施例中，控制器可操作地连接至废热回收系统，且控制器被配置为控制废热回收系统的运行作为基本负载。
[0023]本发明的目的是，提供一种运行上述类型的船舶推进系统的方法，从而实现改进的燃料效率。
[0024]通过提供一种运行船舶推进系统的方法也实现了上述目的，所述船舶推进系统具有:大型二冲程涡轮增压主内燃机，其驱动连接至船舶推进器的传动轴；废热回收系统，其包括涡轮和发电机，用于来自主内燃机的废热产生用于船舶电网的电能；轴传动发电机/马达，其连接至传动轴并电连接至船舶的电网，轴传动发电机/马达被配置为，以轴传动发电机/马达的驱动马达运行运转模式，将来自电网的电能转换成驱动传动轴的机械能，轴传动发电机/马达被配置为，以轴发电机/马达的发电机运行模式，将来自传动轴的机械能转换成用于电网的电能，和通过调节轴传动发电机/马达的运行，来控制电网的频率。
[0025]通过使用用于控制电网频率的轴传动发电机/马达的功率范围，可利用来自废热回收系统的所有有用功率，由此改进了船舶推进系统的能量效率。
[0026]在一个实施例中，所述方法包括通过调节以驱动马达运行模式和以发电机运行模式运行的轴传动发电机/马达的运行，以控制电网的频率。该措施扩大了有效用于频率控制的功率范围。
[0027]在一个实施例中，所述方法包括通过调节以驱动马达模式运行的轴传动发电机/马达的功率和通过调节以发电机模式运行的轴传动发电机/马达上的负载，以控制电网的频率。
[0028]在一个实施例中，所述方法包括通过在工况设置的连续范围内调节轴传动发电机/马达的运行，以控制电网的频率，所述工况设置包括驱动马达运行模式和发电机运行模式。
[0029]在一个实施例中，所述方法包括利用下降速度控制来运行，从而控制电网的频率。
[0030]在一个实施例中，所述方法包括以同步速度控制运行，从而控制电网的频率。
[0031]在一个实施例中，所述方法包括控制废热回收系统(20)的运行作为基本负载。
[0032]在一个实施例中，所述方法包括不管轴传动发电机/马达的运行模式或者传递至轴传动发电机/马达或其使用的功率值如何，保持轴传动发电机/马达的转速恒定。
[0033]在一个实施例中，所述方法包括，当用于轴传动发电机/马达的预期设置即将移出轴传动发电机/马达的运行范围时，调节废热回收系统的设置。
[0034]根据本发明的船舶推进系统以及运行船舶推进系统的方法的其它目的、特点、优势和性能，将从详细的描述中变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]从下面的本发明说明书的详细部分中，将参考附图所示的示范实施例对本发明进行更加详细的解释，其中:
[0036]图1为船舶推进系统的示范实施例的图解示意图；以及
[0037]图2为船舶推进系统的另一示范实施例的图解示意图。
具体实施例
[0038]在下面的详细描述中，将通过示范实施例描述船舶推进系统和方法。图1示出了用于诸如集装箱船的大型船舶的，具有废热回收的船舶推进系统I的高度示意性示范实施例。推进系统的核心是具有机轴的大型低速涡轮增压二冲程柴油主发动机2，所述机轴通过连接杆、十字头和活塞杆连接至活塞。大型涡轮增压二冲程柴油发动机典型地具有介于五和十六个之间的直列式汽缸。发动机的总输出例如可以在从5，OOO至110，OOOkff的范围内。
[0039]主发动机2经由传动轴3可运行地连接至固定螺距推进器4，以推进船舶。电网5用于为船舶上的电力设备和系统提供电能。
[0040]功率消耗装置可以例如是用于冷却货物的制冷设备。出于清楚简明的原因，图I只示出了单个电力负载6。然而，实际上船舶的电网为更大量的这种用电器提供功率。
[0041]为了产生用于船舶电网5的能量，设有多个发电机组8 (发电机组)。每个发电机组包括发电机和辅助发动机9。辅助发动机9比主发动机2明显更小并且运行更快。辅助发动机9通常为具有例如高达5MW容量的中速四冲程柴油发动机。
[0042]轴传动发电机/马达10机械地连接至传动轴3，并电连接至船舶的电网5。
[0043]轴传动马达/发电机10被设计成低速同步机器，并优选地在不需要连接至传动轴3的中间齿轮箱的情况下直接起作用。
[0044]轴传动马达/发电机10可以通过齿轮箱连接至传动轴3，或连接至主发动机2的机轴，也就是在机轴与传动轴3相对的端部处。
[0045]船舶推进系统设置有废热回收系统11。来自主发动机2的废气的废热经由热交换器16被输送到未显示的蒸汽循环，蒸汽涡轮18连接到该蒸汽循环中。蒸汽涡轮18驱动发电机20。由发电机20产生的电能被输送到船舶的电网5中。
[0046]在另一个实施例中，蒸汽涡轮18与由废热推动的动力涡轮机结合，或者被由废热推动的动力涡轮机替代。
[0047]运行船舶推进系统I的首要目的是，将来自废热回收系统的所有有用电能输送到船舶的电网5中。
[0048]一旦发电机20将电能输送到船舶的电网5中，控制器12就解除辅助柴油发电机组8，并且如果可能的话，整个切断发电机组8。
[0049]这些措施可以显著减少燃料和运行成本以及降低柴油发电机组10的排放物。
[0050]如果废热回收系统11产生比电力负载6需要的更多的能量，该能量余量被用于以驱动马达模式运行轴传动发电机/马达10，由此产生了对传动轴3的附加驱动力。
[0051]在驱动马达运行模式中，轴传动发电机/马达10将来自电网5的电能转换成用于驱动传动轴3的机械能。
[0052]船舶的电网5中的备用容量因此可被用于增大船舶的推进功率，由此也增大了船舶速度，或者当保持船舶速度时减小了主发动机2上的负载。
[0053]在发电机运行模式中，轴传动发电机/马达10将来自传动轴3的转动机械能转换成用于电网5的电能。
[0054]这使得主发动机2的动力储备用于产生用于船舶电网5的能量。
[0055]通过常用的技术，优选地采用数字技术实施的控制和调节系统，S卩，通过控制器12，产生对轴传动发电机/马达的控制和调节。
[0056]轴传动发电机/马达10的工况设置由控制器12进行控制和调节。特别地，在一个实施例中，控制器12经由F/V转换器13可以控制轴传动发电机/马达10的励磁电流。
[0057]通过控制和调节轴传动发电机/马达10的励磁电流，轴传动发电机/马达10运行作为驱动马达或者作为发电机。这对于恒定速度发电机和可控螺距推进器是特别有用的。
[0058]控制器12被配置为，通过调节轴传动发电机/马达10在驱动马达运行模式和发电机运行模式下的运行，来控制电网5的频率。
[0059]控制器被配置为，通过调节以驱动马达模式运行的轴传动发电机/马达10的功率，和通过调节以发电机模式运行的轴传动发电机/马达10上的负载，优选地通过轴传动发电机/马达10的励磁电流，来控制电网5的频率。
[0060]控制器被配置为，在工况设置的连续范围内控制和调节轴传动发电机/马达10的运行，所述工况设置同时包括驱动马达运行模式和发电机运行模式，在两种运行模式之间具有基本上平稳的转变。
[0061]控制器12可以独立控制和调节励磁电流，或者控制器12可以控制和调节轴传动发电机/马达10的励磁系统。为此目的，控制器12记录轴传动发电机/马达10的速度、马达电压和电网电压和频率，并通过频率-电压转换器13控制励磁电流。
[0062]在图1所示的实施例的变型中，船舶推进系统I设置有受控的螺距推进器4。在该实施例中，控制器12控制推进器的螺距，目的是保持传动轴的恒定速度，而不受船只或船舶的速度影响。结果是轴传动发电机/马达10的转速恒定，以及由此轴传动发电机/马达10产生的电网频率恒定。
[0063]图2示出了本发明的另一个实施例，基本上与图1的实施例等同，除了可变变速器10被放置在传动轴3和轴传动发电机/马达10之间。可变变速器被连接至控制器12并由控制器12控制。在一个实施例中，可变变速器10为具有可变传动比率的齿轮箱，其可运行地连接在传动轴3和推进器4之间。在该实施例中，推进器可以是固定螺距推进器。
[0064]在该实施例中，控制器12被配置为控制可变变速器10，使得不管传动轴3的转速如何，轴传动发电机/马达10以恒定速度运行，因此轴传动发电机/马达10提供用于电网的恒定频率。
[0065]在一个实施例中，控制器被配置为，使得废热回收系统用作基础负载，并控制轴传动发电机/马达10以用作具有扩大的工作范围的摇摆机(swing machine)，因为其既可以产生又可以消耗功率。
[0066]具有下降速度控制和同步速度控制的传统负载剪切概念(load shearingconcept)可以被用于覆盖轴传动发电机/马达10的扩大的控制范围。
[0067]在一个实施例中，控制器12被配置为，不管轴传动发电机/马达10的运行模式或者传递至轴传动发电机/马达10的或由其使用的功率值如何，而保持主内燃机2的转速恒定。
[0068]控制器12也可以被配置为，控制连接至船舶电网5的一个或多个用电器6的运行，以控制电网5的频率。
[0069]控制器12还可以被配置为，当用于轴传动发电机/马达10的预期设置有移出轴传动发电机/马达10的运行范围风险时，调节废热回收系统11的设置。
[0070]权利要求中使用的术语“包括”不排除其它元件或步骤。权利要求中使用的术语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求中引述的多个装置的功能。
[0071]权利要求中使用的参考标记将不被解释为限制保护范围。
[0072]尽管以说明的目的详细描述了本发明，应理解，这种细节只被用于此目的，并且在不脱离本发明的保护范围的情况下，本领域技术人员可以在其中作出变型。例如，其也可以在使用废气再循环的大型二冲程发动机上实施。
【权利要求】
1.一种具有废热回收的船舶推进系统（1)，包括： 大型二冲程涡轮增压主内燃机（2)，其驱动连接至船舶推进器（4)的传动轴（3)， 废热回收系统（11)，其包括涡轮（18)和发电机（20)，用于从所述主内燃机（2)的废热中产生用于船舶的电网（5)的电能， 轴传动发电机/马达（10 )，其连接至所述传动轴（3 )并电连接至所述电网（5 )， 所述轴传动发电机/马达（10)被配置为，以所述轴传动发电机/马达（10)的驱动马达运行模式，将来自所述电网（5)的电能转换成驱动所述传动轴（3)的机械能， 所述轴传动发电机/马达（10)被配置为，以所述轴传动发电机/马达（10)的发电机运行模式，将来自所述传动轴（3)的机械能转换成所述电网（5)的电能， 控制器（12)，其可运行地连接至所述轴传动发电机/马达（10)，并且所述控制器（12)被配置为，通过调节所述轴传动发电机/马达（10)的运行以控制所述电网（5)的频率。
2.如权利要求1所述的船舶推进系统（1)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为，通过调节所述轴传动发电机/马达（10)以所述驱动马达运行模式和所述发电机运行模式运行，来控制所述电网（5)的频率。
3.如权利要求1或2所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为，通过调节以驱动马达模式运行的所述轴传动发电机/马达（10)的功率和通过调节以发电机模式运行的所述轴传动发电机/马达（10)上的负载，来控制所述电网（5)的频率。
4.如权利要求1-3中任一项所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为，通过在工况设置的连续范围内调节所述轴传动发电机/马达（10)的运行来控制所述电网（5)的频率，所述工况设置包括驱动马达运行模式和发电机运行模式。
5.如权利要求1-4中任一项所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为以下降速度控制而运行，以控制所述电网（5)的频率。
6.如权利要求1-4中任一项所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为以同步速度控制而运行，以控制所述电网（5)的频率。
7.如权利要求1-6中任一项所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)可运行地连接至所述废热回收系统（11)，且其中，所述控制器（12)被配置为运行所述废热回收系统（11)作为基本负载。
8.如权利要求1-7中任一项所述的船舶推进系统（I)，其特征在于，所述控制器（12)被配置为，通过控制所述马达/发电机（10)的励磁电流，以轴传动发电机/马达（10)控制所述电网的频率。
9.如权利要求1-7中任一项所述的船舶推进系统（1)，其特征在于，所述传动轴（3)被连接至可控螺距推进器（4)，且其中，所述控制器（12)被配置为，以恒定的传动轴转速运行所述推进系统，由此保持所述马达/发电机的转速恒定以提供恒定的电网频率。
10.如权利要求1-7中任一项所述的船舶推进系统（I)，其还包括连接在所述轴传动马达/发电机（10)和所述传动轴（3)之间的可变比率变速器（19)，且其中，所述控制器（12)连接至所述可变比率变速器（19)，且其中，所述控制器（12)被配置为不管传动轴（3)的转速变化如何，通过控制所述可变比率变速器（19)的比率，而保持所述轴传动发电机/马达(10)的转速恒定。
11.一种运行船舶推进系统（I)的方法，所述船舶推进系统（I)包括：大型二冲程涡轮增压主内燃机(2)，其驱动连接至船舶推进器(4)的传动轴(3)，废热回收系统(11)，其包括涡轮(18)和发电机(20)，用于从所述主内燃机(2)的废热中产生用于船舶电网(5)的电能， 轴传动发电机/马达(10)，其连接至所述传动轴(3)并电连接至所述船舶的电网(5)，所述轴传动发电机/马达(10)被配置为，以所述轴传动发电机/马达(10)的驱动马达运行模式，将来自所述电网(5)的电能转换成驱动所述传动轴(3)的机械能， 所述轴传动发电机/马达(10)被配置为，以所述轴传动发电机/马达(10)的发电机运行模式，将来自所述传动轴(3)的机械能转换成所述电网(5)的电能，以及通过调节所述轴传动发电机/马达(10)的运行，以控制所述电网的频率。
12.如权利要求8所述的方法，包括通过调节所述轴传动发电机/马达(10)以所述驱动马达运行模式和所述发电机运行模式运行，来控制所述电网(5 )的频率。
13.如权利要求11或12所述的方法，包括通过调节以所述驱动马达模式运行的所述轴传动发电机/马达(10)的功率和通过调节以所述发电机模式运行的所述轴传动发电机/马达(10)上的负载，来控制所述电网(5)的频率。
14.如权利要求11至13中任一项所述的方法，包括通过在工况设置的连续范围内调节所述轴传动发电机/马达(10)的运行，来控制所述电网(5)的频率，所述工况设置包括驱动马达运行模式和发电机运行模式。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，包括以下降速度控制而运行，来控制所述电网的频率。
16.如权利要求11至1 5中任一项所述的方法，包括以同步速度控制而运行，来控制所述电网的频率。
17.如权利要求11至16中任一项所述的方法，包括控制所述废热回收系统(11)的运行作为基本负载。
18.如权利要求11至17中任一项所述的方法，还包括不管所述轴传动发电机/马达(10)的运行模式和传递至所述轴传动发电机/马达(10)的或由其使用的功率值，而保持所述主内燃机(2)的转速恒定。
19.如权利要求11至18中任一项所述的方法，还包括当用于轴传动发电机/马达的预期设置具有移出所述轴发电机/马达(10)的运行范围的风险时，调节对所述废热回收系统(11)的设置。
【文档编号】B63H21/14GK103482049SQ201310141946
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2012年4月26日
【发明者】埃里克·罗斯兰德, 莫腾·伟杰加德劳尔森 申请人:曼柴油机欧洲股份公司曼柴油机德国分公司