CN101511672B - 用于操作船的方法以及具有利用废热的驱动系统的船 - Google Patents

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Abstract

在一种具有利用废热的驱动系统的船(1)的已知操作方法中，其中至少一个主机(2)驱动与船螺旋桨(4)连接的机轴装置(3)，将主机(2)的废热传递到工作介质上，由此汽化工作介质。随后使汽化的工作介质卸压并且将其能量转化为机械能，该机械能又转化为电能，向船的用电器(13，15)供给该电能。

Description

用于操作船的方法以及具有利用废热的驱动系统的船
技术领域
本发明涉及一种具有利用废热的驱动系统的船的操作方法以及一种具有利用废热的驱动系统的船；这种方法和这种船例如从
Figure GSB00000748439300011
公司于2004年四月发表在Green Ship Conference，伦敦，28/29，2004年4月上的公开文献“Less emissions through waste heat recovery”得到公开。
背景技术
大型货船例如集装箱船的驱动系统通常包括缓慢运行的二冲程柴油机形式的内燃机作为主机，其用于产生驱动机轴装置例如螺旋桨轴的机械能，该螺旋桨轴与船螺旋桨连接。这类发动机的驱动功率最少大约10MW并且目前最大超过70MW。
船甲板上的用电器通常由船电网供给电能，该电能又由发电机产生，该发电机由比主机运行得更快的辅机通常是快速运行的四冲程柴油机进行驱动。
近来，增长的燃料价格、希望更少的排放以及更少的运行成本使得对于利用主机废热来回收能量的兴趣更强烈。可利用的废热尤其在主机的废气和冷却介质中。
在由上述公开文献公开的船中，借助于热交换器将主机的废热传递到水蒸汽循环的水中，由此将水汽化。汽化的水随后在蒸汽涡轮机中卸压并且其能量被转化为机械能，该机械能借助于发电机又转化为电能，利用该电能通过船电网来运行船上的用电器。通过变流器与船电网连接的机轴马达也属于用电器，该机轴马达与机轴装置连接并且将来自船电网的电能转化为机械能用于驱动机轴装置。
如果废热利用系统将能量输入船电网，那么用于驱动发电机的辅机就可以减负并且在最好的情况下甚至可以断开。通过该措施可以明显降低辅机的燃料成本和运行成本以及排放。
发明内容
由此出发，本发明的任务是说明一种用于操作前面所解释的船的方法以及一种尤其适合于实施该方法的船，该方法和该船实现了主机废热的最佳利用。
针对所述方法的任务通过按本发明的方法得到解决。针对所述船的任务通过按本发明的船得到解决。在具有利用废热的驱动系统的船的操作方法中，至少一个主机驱动与船螺旋桨连接的机轴装置，将主机的废热传递到工作介质上，由此汽化工作介质，使汽化的工作介质卸压并且将其能量转化为机械能，将机械能转化为电能，向船的用电器供给电能，其特征在于，调节所述用电器的总电能消耗，使得汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限内。具有利用废热的驱动系统的船包括至少一个主机，用于驱动与船螺旋桨连接的机轴装置；热交换器，用于将主机的废热传递到工作介质上使其汽化；蒸汽涡轮机，用于使汽化的工作介质卸压并且将其能量转化为机械能；和发电机，用于将机械能转化为电能从而供给船的用电器，其特征在于调节装置，用于调节用电器的电能消耗，使得汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限内。
在按本发明的方法中，如此调节所述用电器的总电能消耗、也就是各个用电器的能量消耗的总和，使得例如废热利用系统的蒸汽循环的汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限内。在此，本发明从该认识出发，即根据由发电机输出的电能调节在涡轮机前汽化的工作介质的压力。由发电机输出给用电器的电能越多，所述压力就越小，并且反之亦然。由此，通过调节总能量消耗可以调节可由发电机产生的电能，由此调节工作介质蒸汽的可利用的能量以及最后调节从主机废热中可利用的能量。
例如通过合适地选择下界限可以确保蒸汽涡轮机中没有减少太多的蒸汽，从而防止在涡轮机后面的压力瓦解，这与能量损失相联系。例如通过合适地选择上界限可以避免废热利用系统为了保护蒸汽涡轮机防止过压而作出的保护反应，比如打开旁通阀，这同样与能量损失相联系。如果将压力保持在预先给定的界限内，那么由此可以特别有效地利用供支配的废热能量并且由此将整个系统的效率最优化。
因为通常船甲板上的大多数用电器在其能量消耗方面根本不能调节或者只能有限地调节，所以优选通过至少一个在其电能消耗方面可变的用电器将总电能消耗调节到预先给定的界限内。通过这样可变的用电器可以特别简单并且有针对性地影响总能量消耗以及汽化的工作介质的压力。
按本发明的特别有利的设计方案，可变的用电器是与机轴装置机械连接的电动机，在专业文献中也称为“机轴马达”。通过这种马达可以将存在的过量的电功率再次以机械能的形式引回到船的主驱动装置的机轴装置上，并且由此给主机减负。可使用功率在主机功率的5-10％以下的范围内的机轴马达，由此可以将其在其能量消耗方面调节到大的范围内，并且由此在船的大多数操作阶段中对于汽化的工作介质的压力遵守预先给定的界限并且由此有效利用主机的废热。
为了在主机废热很少的情况下也运行废热利用系统，可以将其它热源例如辅助燃烧器(Zusatzbrenner)的热量传递到工作介质上。由此可以预热蒸汽涡轮机或者说产生用于蒸汽涡轮机的附加的蒸汽。
按本发明的船具有调节装置用于调节用电器的总电能消耗，从而将汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限内。
按本发明的船的特别有利的设计方案，所述用电器中的至少一个是在其电能消耗方面可变的用电器。通过这种可变的用电器可以特别简单并且有针对性地改变总能量消耗并且由此影响汽化的工作介质的压力。在其能量消耗方面可调节的用电器优选是与机轴装置机械连接的电动机，在专业文献中也称为“机轴马达”。
附图说明
下面根据附图中的实施例详细解释本发明以及本发明的按从属权利要求特征的其它有利的设计方案。其中：
图1示出了具有利用废热的驱动系统的船的原理线路图，以及
图2示例性示出了在调节能量消耗以及不调节能量消耗的情况下废热利用系统的蒸汽循环的汽化的工作介质的压力关于时间的变化曲线。
具体实施方式
在图1中非常简化地示出的船1、比如大型集装箱船具有带有内燃机形式的主机2的驱动系统，优选是缓慢运行的二冲程柴油机，该主机驱动与船螺旋桨4连接的机轴装置3。
所述主机2的废热传递给工作介质、优选水，由此将工作介质汽化。此外，设置了热交换器5，该热交换器首先由主机2的热的废气AG流过并且其次由低压水蒸汽循环6的水和高压水蒸汽循环7的水流过。通过将废气AG的热量传递给水，使循环6，7中的水汽化。水蒸汽输入蒸汽涡轮机8的低压侧或者说高压侧，在其中卸压并且将其能量转化为机械能。随后借助于发电机11将机械能转化为电能。
在蒸汽涡轮机8中卸压的工作介质随后在冷凝器9中凝结并且以没有详细示出的方式再次输入热交换器5。
废气AG的一部分可以额外地直接输入功率涡轮机(PowerTurbine)10，该功率涡轮机同样与发电机11机械连接。
船电网12用于向船的用电器13供给能量。为了清晰起见，在图1中只示出了三个用电器，然而实际上要给船电网12中更多数量的这种用电器13供给电流。
为了给船电网12产生能量，设置了多个发电机16，这些发电机分别由比主机运行得更快的辅机17驱动。通常所述辅机17是快速运行的功率比如在5MW以下的四冲程柴油机。通常相应地将发电机16和柴油机17综合为柴油发电机设备18。
机轴马达15与螺旋桨轴3机械连接并且通过变流器14以及必要时通过没有详细示出的变压器与船电网12电连接。所述变流器14比如构造为直流中间电路变流器并且包括马达侧的整流器和电网侧的整流器。
所述机轴马达15构造为缓慢运行的同步电机并且优选不用中间连接传动装置直接作用到螺旋桨轴3上。然而所述机轴马达15也可以通过传动装置连接在螺旋桨轴3上，或者与主机2的曲轴连接，更确切地说连接在远离螺旋桨轴3的端部上。
一旦存在主机的废热并且通过废热利用系统将电能输入船电网12中，那么所述用于驱动发电机的辅机就可以减负并且在最好的情况下甚至可以断开该辅机。通过该措施可以明显降低辅机的燃料成本和运行成本以及排放。
所述机轴马达15是可变的用电器，该用电器将船用电器13不需要的剩余电功率以机械能的形式引回到螺旋桨轴3上，由此主机可以减负并且以此可以降低主机的燃料消耗和排放。
通过变流器14可以调节从船电网12进入机轴马达15的能流的大小。由此，借助于变流器14和机轴马达15可以以特别简单的方式调节船甲板上用电器的总能量消耗。
调节装置20用于根据高压水蒸汽循环7中汽化的工作介质的压力调节总电能消耗，也就是说用电器13的能量消耗和机轴马达15的能量消耗的总和。在此，首先通过机轴马达15的能量消耗调节总能量消耗。所述调节装置20调节通过变流器14进入机轴马达15的能流并且由此调节机轴马达15中电能的消耗，使得高压水蒸汽循环7中汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限内。
此外，所述调节装置20通过线路22与在涡轮机8前面连接到高压水蒸汽循环7中的压力传感器21连接，并且通过其检测涡轮机8前面的水蒸汽的压力。
此外，所述调节装置20通过线路23与变流器14连接，并且通过其调节通过整流器14进入机轴马达15的能流的大小并且由此调节机轴马达15的能量消耗。
此外，图2示例性地依赖于时间t示出了一方面在不调节能量消耗的情况下(曲线A)以及另一方面在调节能量消耗的情况下(曲线B)在高压水蒸汽循环7中汽化的工作介质在进入涡轮机8之前的压力PHP。在此，上界限压力OG是这样的压力，自该压力起打开旁通阀19并且汽化的工作介质绕过蒸汽涡轮机8输入冷凝器9。由此虽然保护蒸汽涡轮机8防止不允许的高压力，但另一方面也损失了能量。下界限压力UG是这样的压力，在蒸汽涡轮机4后面的压力自该压力起瓦解，这同样与能量损失相联系。
在不调节能量消耗的情况下，现在会出现如此高的能量消耗，从而出现汽化的工作介质的小于下界限压力UG的压力PHP。这与能量损失以及效率损失相联系。然而，相反也会出现如此低的能量消耗，从而出现在不打开旁通阀19时甚至超过上界限压力OG的压力PHP。由于在达到上界限压力OG时打开旁通阀19，虽然将压力PHP限制在界限值OG上，但这同样与能量损失以及由此也与效率损失相联系。
在按本发明调节能量消耗时，可以-如曲线B所示-确保汽化的工作介质的压力PHP始终保持在上界限压力OG下方以及下界限压力UG上方，并且由此避免所述的能量损失。
在此，所述电能消耗通过作为可变的用电器的机轴马达15进行调节。如此调节其能量消耗(在船甲板上的其它用电器13在其他方面不改变能量消耗时)，使得汽化的工作介质的压力PHP始终保持在上界限压力OG下方以及下界限压力UG上方。通过合适地选择界限压力OG和UG的值，就可以实现蒸汽能量的特别有效的利用。如果设计涡轮机处于10巴的压力，则例如选择9.5巴的上界限压力OG和6.0巴的下界限压力UG。
在运行中，当高压水蒸汽循环7达到确定的压力时，所述低压水蒸汽循环接入蒸汽涡轮机8。如果低压水蒸汽循环6再次达到确定的压力，那么接入功率涡轮机10。由此，相应地提高可通过废热利用系统产生的电能。在用电器方面就可以通过机轴马达15形式的可变的用电器以相应的程度提高电能消耗，从而可以利用所有可支配的废热能量。
为了在主机废热很少的情况下也运行废热利用系统，可以将其它热源24例如辅助燃烧器的热量传递到循环7的工作介质上。由此可以预热蒸汽涡轮机8或者说产生用于蒸汽涡轮机8的附加的蒸汽。此外，热源24平行于热交换器5接入循环7。

Claims (8)

1.具有利用废热的驱动系统的船(1)的操作方法，其中
-至少一个主机(2)驱动与船螺旋桨(4)连接的机轴装置(3)，
-将主机(2)的废热传递到工作介质上，由此汽化工作介质，
-使汽化的工作介质卸压并且将所述工作介质的能量转化为机械能，
-将机械能转化为电能，
-向船的用电器(13，15)供给电能，
其特征在于，调节所述用电器的总电能消耗，使得汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限(UG，OG)内。
2.按权利要求1所述的方法，
其特征在于，通过在电能消耗方面可变的用电器来调节总电能消耗。
3.按权利要求2所述的方法，
其特征在于，所述可变的用电器是与机轴装置(3)机械连接的电动机(15)。
4.按上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于，将另外的热源(24)的热量传递到工作介质上。
5.具有利用废热的驱动系统的船(1)，该船包括
-至少一个主机(2)，用于驱动与船螺旋桨(4)连接的机轴装置(3)，
-热交换器(5)，用于将主机(2)的废热传递到工作介质上使所述工作介质汽化，
-蒸汽涡轮机(8)，用于使汽化的工作介质卸压并且将所述工作介质的能量转化为机械能，和
-发电机(11)，用于将机械能转化为电能从而供给船的用电器(13，15)，
其特征在于调节装置(20)，用于调节用电器的电能消耗，使得汽化的工作介质的压力保持在预先给定的界限(UG，OG)内。
6.按权利要求5所述的船(1)，
其特征在于，所述用电器(13，15)中的至少一个是在电能消耗方面可变的用电器。
7.按权利要求6所述的船(1)，
其特征在于，所述可变的用电器是与机轴装置机械连接的电动机(15)。
8.按权利要求5到7中任一项所述的船(1)，
其特征在于另外的将热量传递到工作介质上的热源(24)。
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