專利名稱：用于操作船的方法以及具有利用廢熱的驅動系統(tǒng)的船的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種按權利要求1前序部分所述的具有利用廢熱的驅
動系統(tǒng)的船的操作方法以及一種按權利要求5前序部分所述的具有利 用廢熱的驅動系統(tǒng)的船；這種方法和這種船例如從W3rtsiia 7>司于 2004年四月發(fā)表在Green Ship Conference,倫敦，28/29， 2004年4 月上的公開文獻"Less emissions through waste heat recovery"得到公開。
背景技術：
大型貨船例如集裝箱船的驅動系統(tǒng)通常包括緩慢運行的二沖程柴 油機形式的內燃機作為主機，其用于產(chǎn)生驅動機軸裝置例如螺旋槳軸 的機械能，該螺旋槳軸與船螺旋槳連接。這類發(fā)動機的驅動功率最少 大約10MW并且目前最大超過70MW。
船甲板上的用電器通常由船電網(wǎng)供給電能，該電能又由發(fā)電機產(chǎn) 生，該發(fā)電機由比主機運行得更快的輔機通常是快速運行的四沖程柴 油才幾進^于驅動。
近來，增長的燃料價格、希望更少的排放以及更少的運行成本使 得對于利用主機廢熱來回收能量的興趣更強烈?？衫玫膹U熱尤其在 主機的廢氣和冷卻介質中。
在由上述公開文獻公開的船中，借助于熱交換器將主機的廢熱傳 遞到水蒸汽循環(huán)的水中，由此將水汽化。汽化的水隨后在蒸汽渦輪機 中卸壓并且其能量被轉化為機械能，該機械能借助于發(fā)電機又轉化為 電能，利用該電能通過船電網(wǎng)來運行船上的用電器。通過變流器與船 電網(wǎng)連接的機軸馬達也屬于用電器，該機軸馬達與機軸裝置連接并且 將來自船電網(wǎng)的電能轉化為機械能用于驅動機軸裝置。
如果廢熱利用系統(tǒng)將能量輸入船電網(wǎng)，那么用于驅動發(fā)電機的輔 機就可以減負并且在最好的情況下甚至可以斷開。通過該措施可以明 顯降低輔機的燃料成本和運行成本以及排放。

發(fā)明內容
由此出發(fā)，本發(fā)明的任務是說明一種用于操作前面所解釋的船的
4方法以及一種尤其適合于實施該方法的船，該方法和該船實現(xiàn)了主機 廢熱的最佳利用。
針對所述方法的任務通過按權利要求1所述的方法得到解決；該 方法的有利的設計方案是從屬權利要求2到4的主題。針對所述船的 任務通過按權利要求5所述的船得到解決；該船的有利的設計方案是 從屬權利要求6到8的主題。
在按本發(fā)明的方法中，如此調節(jié)所述用電器的總電能消耗、也就 是各個用電器的能量消耗的總和，使得例如廢熱利用系統(tǒng)的蒸汽循環(huán) 的汽化的工作介質的壓力保持在預先給定的界限內。在此，本發(fā)明從 該認識出發(fā)，即根據(jù)由發(fā)電機輸出的電能調節(jié)在渦輪機前汽化的工作 介質的壓力。由發(fā)電機輸出給用電器的電能越多，所述壓力就越小， 并且反之亦然。由此，通過調節(jié)總能量消耗可以調節(jié)可由發(fā)電機產(chǎn)生 的電能，由此調節(jié)工作介質蒸汽的可利用的能量以及最后調節(jié)從主機 廢熱中可利用的能量。
例如通過合適地選擇下界限可以確保蒸汽渦輪機中沒有減少太多 的蒸汽，從而防止在渦輪機后面的壓力瓦解，這與能量損失相聯(lián)系。
機防止過壓而作出的保護反應，比如打開旁通閥，這同樣與能量損失 相聯(lián)系。如果將壓力保持在預先給定的界限內，那么由此可以特別有 效地利用供支配的廢熱能量并且由此將整個系統(tǒng)的效率最優(yōu)化。
因為通常船曱板上的大多數(shù)用電器在其能量消耗方面根本不能調 節(jié)或者只能有限地調節(jié)，所以優(yōu)選通過至少一個在其電能消耗方面可 變的用電器將總電能消耗調節(jié)到預先給定的界限內。通過這樣可變的 用電器可以特別簡單并且有針對性地影響總能量消耗以及汽化的工作 介質的壓力。
按本發(fā)明的特別有利的設計方案，可變的用電器是與機軸裝置機 械連接的電動機，在專業(yè)文獻中也稱為"機軸馬達，，。通過這種馬達 可以將存在的過量的電功率再次以機械能的形式引回到船的主驅動裝 置的機軸裝置上，并且由此給主機減負?？墒褂霉β试谥鳈C功率的5 - 10%以下的范圍內的機軸馬達，由此可以將其在其能量消耗方面調 節(jié)到大的范圍內，并且由此在船的大多數(shù)操作階段中對于汽化的工作 介質的壓力遵守預先給定的界限并且由此有效利用主機的廢熱。為了在主機廢熱很少的情況下也運行廢熱利用系統(tǒng)，可以將其它
熱源例如輔助燃燒器(Zusatzbrenner)的熱量傳遞到工作介質上。由 此可以預熱蒸汽渦輪機或者說產(chǎn)生用于蒸汽渦輪機的附加的蒸汽。
按本發(fā)明的船具有調節(jié)裝置用于調節(jié)用電器的總電能消耗，從而 將汽化的工作介質的壓力保持在預先給定的界限內。
按本發(fā)明的船的特別有利的設計方案，所述用電器中的至少一個 是在其電能消耗方面可變的用電器。通過這種可變的用電器可以特別 簡單并且有針對性地改變總能量消耗并且由此影響汽化的工作介質的 壓力。在其能量消耗方面可調節(jié)的用電器優(yōu)選是與機軸裝置機械連接 的電動機，在專業(yè)文獻中也稱為"機軸馬達"。


下面根據(jù)附圖中的實施例詳細解釋本發(fā)明以及本發(fā)明的按從屬權 利要求特征的其它有利的設計方案。其中
圖1示出了具有利用廢熱的驅動系統(tǒng)的船的原理線路圖，以及 圖2示例性示出了在調節(jié)能量消耗以及不調節(jié)能量消耗的情況下
廢熱利用系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)的汽化的工作介質的壓力關于時間的變化曲線。
具體實施例方式
在圖1中非常簡化地示出的船l、比如大型集裝箱船具有帶有內燃 機形式的主機2的驅動系統(tǒng)，優(yōu)選是緩慢運行的二沖程柴油機，該主 機驅動與船螺旋槳4連接的機軸裝置3。
所述主機2的廢熱傳遞給工作介質、優(yōu)選水，由此將工作介質汽 化。此外，設置了熱交換器5，該熱交換器首先由主機2的熱的廢氣 AG流過并且其次由低壓水蒸汽循環(huán)6的水和高壓水蒸汽循環(huán)7的水流 過。通過將廢氣AG的熱量傳遞給水，使循環(huán)6， 7中的水汽化。水蒸 汽輸入蒸汽渦輪機8的低壓側或者說高壓側，在其中卸壓并且將其能 量轉化為機械能。隨后借助于發(fā)電機ll將機械能轉化為電能。
在蒸汽渦輪機8中卸壓的工作介質隨后在冷凝器9中凝結并且以 沒有詳細示出的方式再次輸入熱交換器5。
廢氣AG的一部分可以額外地直接輸入功率渦輪機(Power Turbine) 10，該功率渦輪機同樣與發(fā)電機11機械連接。
船電網(wǎng)12用于向船的用電器13供給能量。為了清晰起見，在圖1
6中只示出了三個用電器，然而實際上要給船電網(wǎng)12中更多數(shù)量的這種 用電器13供給電流。
為了給船電網(wǎng)12產(chǎn)生能量，設置了多個發(fā)電機16，這些發(fā)電機分 別由比主機運行得更快的輔機17驅動。通常所述輔機17是快速運行 的功率比如在5MW以下的四沖程柴油機。通常相應地將發(fā)電機16和 柴油機17綜合為柴油發(fā)電機設備18。
機軸馬達15與螺旋槳軸3機械連接并且通過變流器14以及必要時 通過沒有詳細示出的變壓器與船電網(wǎng)12電連接。所述變流器14比如 構造為直流中間電路變流器并且包括馬達側的整流器和電網(wǎng)側的整流 器。
所述機軸馬達15構造為緩慢運行的同步電機并且優(yōu)選不用中間連 接傳動裝置直接作用到螺旋槳軸3上。然而所述機軸馬達15也可以通 過傳動裝置連接在螺旋槳軸3上，或者與主機2的曲軸連接，更確切 地說連接在遠離螺旋槳軸3的端部上。
一旦存在主機的廢熱并且通過廢熱利用系統(tǒng)將電能輸入船電網(wǎng)12 中，那么所述用于驅動發(fā)電機的輔機就可以減負并且在最好的情況下 甚至可以斷開該輔機。通過該措施可以明顯降低輔機的燃料成本和運 行成本以及排放。
所述機軸馬達15是可變的用電器，該用電器將船用電器13不需 要的剩余電功率以機械能的形式引回到螺旋槳軸3上，由此主機可以 減負并且以此可以降低主機的燃料消耗和排放。
通過變流器14可以調節(jié)從船電網(wǎng)12進入機軸馬達15的能流的大 小。由此，借助于變流器14和機軸馬達15可以以特別簡單的方式調 節(jié)船甲板上用電器的總能量消耗。
調節(jié)裝置20用于根據(jù)高壓水蒸汽循環(huán)7中汽化的工作介質的壓力 調節(jié)總電能消耗，也就是說用電器13的能量消耗和機軸馬達15的能 量消耗的總和。在此，首先通過機軸馬達15的能量消耗調節(jié)總能量消 耗。所述調節(jié)裝置20調節(jié)通過變流器14進入機軸馬達15的能流并且 由此調節(jié)機軸馬達15中電能的消耗，使得高壓水蒸汽循環(huán)7中汽化的 工作介質的壓力保持在預先給定的界限內。
此外，所述調節(jié)裝置20通過線路22與在渦輪機8前面連接到高壓 水蒸汽循環(huán)7中的壓力傳感器21連接，并且通過其檢測渦輪機8前面的水蒸汽的壓力。
此外，所述調節(jié)裝置20通過線路23與變流器14連接，并且通過 其調節(jié)通過整流器14進入機軸馬達15的能流的大小并且由此調節(jié)機 軸馬達15的能量消耗。
此外，圖2示例性地依賴于時間t示出了一方面在不調節(jié)能量消耗 的情況下(曲線A)以及另一方面在調節(jié)能量消耗的情況下(曲線B) 在高壓水蒸汽循環(huán)7中汽化的工作介質在進入渦輪機8之前的壓力 PHP。在此，上界限壓力OG是這樣的壓力，自該壓力起打開旁通閥19 并且汽化的工作介質繞過蒸汽渦輪機8輸入冷凝器9。由此雖然保護蒸 汽渦輪機8防止不允許的高壓力，但另一方面也損失了能量。下界限 壓力UG是這樣的壓力，在蒸汽渦輪機4后面的壓力自該壓力起瓦解， 這同樣與能量損失相聯(lián)系。
在不調節(jié)能量消耗的情況下，現(xiàn)在會出現(xiàn)如此高的能量消耗，從 而出現(xiàn)汽化的工作介質的小于下界限壓力UG的壓力Php。這與能量損 失以及效率損失相聯(lián)系。然而，相反也會出現(xiàn)如此低的能量消耗，從 而出現(xiàn)在不打開旁通閥19時甚至超過上界限壓力OG的壓力Php。由 于在達到上界限壓力OG時打開旁通閥19,雖然將壓力Php限制在界 限值OG上，但這同樣與能量損失以及由此也與效率損失相聯(lián)系。
在按本發(fā)明調節(jié)能量消耗時，可以-如曲線B所示-確保汽化的 工作介質的壓力PHP始終保持在上界限壓力OG下方以及下界限壓力 UG上方，并且由此避免所述的能量摜失。
在此，所述電能消耗通過作為可變的用電器的機軸馬達15進行調 節(jié)。如此調節(jié)其能量消耗(在船甲板上的其它用電器13在其他方面不 改變能量消耗時)，使得汽化的工作介質的壓力Php始終保持在上界 限壓力OG下方以及下界限壓力UG上方。通過合適地選擇界限壓力 OG和UG的值，就可以實現(xiàn)蒸汽能量的特別有效的利用。如果設計渦 輪機處于10巴的壓力，則例如選擇9.5巴的上界限壓力OG和6.0巴的 下界限壓力UG。
在運行中，當高壓水蒸汽循環(huán)7達到確定的壓力時，所述低壓水 蒸汽循環(huán)接入蒸汽渦輪機8。如果低壓水蒸汽循環(huán)6再次達到確定的壓 力，那么接入功率渦輪機IO。由此，相應地提高可通過廢熱利用系統(tǒng) 產(chǎn)生的電能。在用電器方面就可以通過機軸馬達15形式的可變的用電器以相應的程度提高電能消耗，從而可以利用所有可支配的廢熱能量。 為了在主機廢熱很少的情況下也運行廢熱利用系統(tǒng)，可以將其它
熱源24例如輔助燃燒器的熱量傳遞到循環(huán)7的工作介質上。由此可以 預熱蒸汽渦輪機8或者說產(chǎn)生用于蒸汽渦輪機8的附加的蒸汽。此外， 熱源24平行于熱交換器5接入循環(huán)7。
權利要求
1. 具有利用廢熱的驅動系統(tǒng)的船(1)的操作方法，其中-至少一個主機(2)驅動與船螺旋槳(4)連接的機軸裝置(3)，-將主機(2)的廢熱傳遞到工作介質上，由此汽化工作介質，-使汽化的工作介質卸壓并且將其能量轉化為機械能，-將機械能轉化為電能，-向船的用電器(13，15)供給電能，其特征在于，調節(jié)所述用電器的總電能消耗，使得汽化的工作介質的壓力保持在預先給定的界限(UG，OG)內。
2. 按上述權利要求所述的方法，其特征在于，通過在其電能消耗方面可變的用電器來調節(jié)總電能 消耗。
3. 按權利要求2所述的方法，其特征在于，所述可變的用電器是與機軸裝置(3)機械連接的電 動機(15)。
4. 按上述權利要求中任一項所述的方法， 其特征在于，將其廢熱源(24)的熱量傳遞到工作介質上。
5. 具有利用廢熱的驅動系統(tǒng)的船(1)，尤其用于實施按上述權 利要求中任一項所述的方法，該船包括-至少一個主機(2)，用于驅動與船螺旋槳(4)連接的機軸裝 置(3)，-熱交換器(5)，用于將主機(2)的廢熱傳遞到工作介質上使 其汽化，-蒸汽渦輪機(8)，用于使汽化的工作介質卸壓并且將其能量轉 化為機械能，和-發(fā)電機(ll),用于將機械能轉化為電能從而供給船的用電器 (13， 15),其特征在于調節(jié)裝置(20)，用于調節(jié)用電器的電能消耗，使得 汽化的工作介質的壓力保持在預先給定的界限(UG， OG)內。
6. 按權利要求5所述的船(1)，其特征在于，所述用電器(13， 15)中的至少一個是在其電能消 耗方面可變的用電器。
7. 按權利要求6所述的船(1)，其特征在于，所述可變的用電器是與機軸裝置機械連接的電動機 (15)。
8. 按權利要求5到7中任一項所述的船U )， 其特征在于另外的將熱量傳遞到工作介質上的熱源(24)。
全文摘要
在一種具有利用廢熱的驅動系統(tǒng)的船(1)的已知操作方法中，其中至少一個主機(2)驅動與船螺旋槳(4)連接的機軸裝置(3)，將主機(2)的廢熱傳遞到工作介質上，由此汽化工作介質。隨后使汽化的工作介質卸壓并且將其能量轉化為機械能，該機械能又轉化為電能，向船的用電器(13，15)供給該電能。
文檔編號B63J99/00GK101511672SQ200780032368
公開日2009年8月19日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權日2006年8月31日
發(fā)明者C·博尼菲爾德, J·卡爾, K·蒂格斯 申請人:西門子公司