JP6542064B2 - 排熱回収システムを備えた船舶推進システム - Google Patents

Description

本発明は、アシスト動作と給電動作を確実かつスムーズに実施できる排熱回収システムを備えた船舶推進システムに関するものである。

特表２００９−５３５２５８号公報（特許文献１）には、排熱をエネルギ源として電気エネルギを供給するタービン及び発電機を備え、発電機で発電した電気エネルギを船内の電気ネットワークに供給する排熱回収システムと、プロペラシャフトに連結された軸発電機兼モータを備え、発電機で発電した電気エネルギを電気ネットワークに供給しても余る余剰電力を軸発電機兼モータに供給して、余剰電力をプロペラシャフトを駆動するための機械エネルギに変換することにより、プロペラシャフトによる船の推進をアシストするアシスト動作を行い、余剰電力が無くなると軸発電機兼モータを軸発電機としてプロペラシャフトにより駆動して発電した電気エネルギを電気ネットワークに供給する給電動作を行う船舶推進アシストシステムとを備え、軸発電機兼モータの電動機動作から発電機動作への切換及び発電機動作から電動機動作への切換を、電力管理システムの介在なしに実行する排熱回収システムを備えた船舶推進システムの一例が開示されている。
この種の排熱回収システムを備えた船舶推進システムでは、船舶の運転効率を上げることができて省エネルギに貢献できる。

特表２００９−５３５２５８号公報

しかしながら従来の排熱回収システムを備えた船舶推進アシストシステムでは、船舶の運転者に船舶推進アシストシステムの運転効率に関する情報を提示することはなかった。そのため船舶の運転者は、船舶推進アシストシステムが効率良く運転されているか否かを知らずに、システムが常に効率のよいアシストを実行していると思っていた。そのため船舶推進アシストシステムに複数の運転モードを持たせようとしても、運転者に運転モードを選択するための情報がなく、適切な運転モードを選択できない状況がある。

本発明の目的は、船舶の運転者に船舶推進アシストシステムの運転効率に関する情報を提示することができる排熱回収システムを備えた船舶推進システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、上記目的に加えて、運転者が最適と思う運転モードを選択することが可能な排熱回収システムを備えた船舶推進システムを提供することにある。

本発明は、排熱をエネルギ源として電気エネルギを供給するタービン及び発電機を備え、前記発電機で発電した電気エネルギを船内の電気ネットワークに供給する排熱回収システムと、船舶推進アシストシステムとを備えている。船舶推進アシストシステムは、プロペラシャフトに連結された軸発電機兼モータを備え、発電機で発電した電気エネルギを電気ネットワークに供給しても余る余剰電力を軸発電機兼モータに供給して、余剰電力をプロペラシャフトを駆動するための機械エネルギに変換することにより、プロペラシャフトによる船の推進をアシストするアシスト動作を行い、余剰電力が無くなると軸発電機兼モータを軸発電機としてプロペラシャフトにより駆動して発電した電気エネルギを電気ネットワークに供給する給電動作を行う。本発明においては、軸発電機兼モータの運転モードを選択するモード選択部と、軸発電機兼モータの効率を演算する効率演算部と、効率を視覚により認識できるように表示する表示装置とを備えている。軸発電機兼モータの効率を視覚により認識できるように表示すると、自動運転を好まない運転者は効率とその他の状況を考慮して、好ましい運転モードを自由に選択することができる。

表示装置による効率の表示の態様及び表示内容は任意である。具体的には、そのために、船舶推進アシストシステムは軸発電機兼モータから出力される出力電力及び軸発電機兼モータに入力される入力電力を計測する電力計測部と、軸発電機兼モータが回転しているときに、プロペラシャフトの回転数を計測する回転数計測部と備えているのが好ましい。そして効率演算部は、回転数計測部により検出した回転数と、電力計測部で計測した出力電力又は入力電力と、予め求めたプロペラシャフトの回転数と軸発電機兼モータの効率との関係を示すデータとに基づいて軸発電機兼モータの効率を演算するように構成されているのが好ましい。効率の計算に、電力計測部で計測した出力電力又は入力電力と、予め求めたプロペラシャフトの回転数と軸発電機兼モータの効率との関係を示すデータを用いると、演算精度を高めることできる上、演算速度を速めることができる。
表示装置は、回転数計測部により計測した回転数、効率演算部により演算した効率、電力計測部で計測した出力電力又は入力電力を、相互の関係が視覚により分かるようにモニタに表示する相互関係表示部を備えていることが好ましい。

予め求めた前記プロペラシャフトと軸発電機兼モータの効率との関係を示すデータは、軸発電機兼モータの製造メーカが仕様書に示したショップデータであるのが好ましい。ショップデータは、使用する軸発電機兼モータにとって最良のデータであり、演算精度を高めることができる。

相互関係表示部は、Ｘ軸に回転数、Ｙ軸に出力電力又は入力電力、Ｚ軸に効率を表示する３軸グラフにより相互の関係をモニタに表示するのが好ましい。回転数、出力電力又は入力電力及び効率の３軸グラフを用いると、運転モードの選択に必要な基本情報をすべて表示することができる。

相互関係表示部は、３軸の値の交点をプロペラシャフトを駆動する主機の現在のトルクに関連する値として表示することができる。この交点の位置が、モニタの表示画面のどの領域にあるかを見ると、運転モードの切換又は停止の判断を迅速に行える。

これらの３値を表示すると、主機の回転数が増加して軸発電機兼モータの回転数も増加しているのに、効率が上がらない場合に、その原因が入力電力に制限を加える制御が行われているために入力電力が不足状態にあることが一見して分かる。このような場合には、入力電力の制限を解除する運転モードで制御を行えばよいことが分かる。また海が荒れていて、主機の回転数が高い場合には、主機の負荷の変動が激しくなるために、３値表示の交点が揺れる現象が現れる。このような状態では、効率が高くても、軸発電機兼モータでは一時的に脱調又はトリップ現象が発生し、過電流が流れる事態が発生することもある。そのためこのような状況では、安全を考えて、アシスト動作を停止する運転モードを選択することも可能になる。
なおモニタには、その他の計測値又は演算値を３軸グラフと一緒に表示してもよい。その他の情報もモニタに表示すれば、運転者には船舶の運転の監視に必要な情報を与えることができる。

本発明の排熱回収システムを備えた船舶推進システムの一実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１の実施の形態の主要部をコンピュータを利用して実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 軸発電機兼モータの切換機能をコンピュータを用いて実行する際に使用されるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。 （Ａ）は電力計測部が計測する軸発電機兼モータが発電機として機能しているときの出力電力又は軸発電機兼モータがモータとして機能しているときの入力電力（以下出力電力又は入力電力と言う）と０ｋＷとの偏差の関係を説明するために用いる図、（Ｂ）は従来の制御信号（ガバナ信号）の一例を示す図であり、（Ｃ）は切換機能を実施する際の比較例における制御信号（ガバナ信号）の例を示す図であり、（Ｄ）は本発明の実施の形態において、切換機能を実施する際の制御信号発生部から出力される制御信号（ガバナ信号）の例を示す図である。 相互関係表示部の表示画面に軸発電機兼モータの効率を表示する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 （Ａ）は相互関係表示部の表示画面に表示する回転数、出力電力又は入力電力、効率の表示の一例を示す図であり、（Ｂ）は相互関係の表示を利用する例を説明するために用いる図である。 ０ｋＷ制御とモード制御を、コンピュータを利用して実行する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。 発電機と軸発電機兼モータが並列運転中において、発電機が全ての船内負荷を負担し、軸発電機兼モータは常に０kWを維持する様子を示す図である。 発電機と軸発電機兼モータが並列運転中において、軸発電機兼モータは発電機の余剰電力分主機加勢を行うとともに、発電機の電力が不足すれば発電機に切り換えて不足分の船内負荷を賄う様子を示す図である。 発電機と軸発電機兼モータが並列運転中において、発電機が船内負荷と軸発電機兼モータのモータ負荷を最大限負担し、軸発電機兼モータは発電機の余剰電力分で主機加勢を行う様子を示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明の排熱回収システムを備えた船舶推進システムの一実施の形態の構成を示すブロック図である。図２は、図１の実施の形態の主要部コンピュータを利用して実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。図２のフローチャートは、軸発電機兼モータがモータとして使用できる状態にあることを前提条件としている。

本実施の形態の排熱回収システムを備えた船舶推進システムは、排熱回収システム１と船舶推進アシストシステム３とを備えている。排熱回収システム１は、排熱をエネルギ源として電気エネルギを供給するタービン５と、タービン５によって駆動されて発電をする発電機（ＳＴＧ）７とを備え、発電機７で発電した電気エネルギを船内の電気ネットワーク９に供給する。

発電機７としては、任意のものを用いることができるが、主機排ガスの熱エネルギを回収し、エコノマイザにより蒸気を発生させて駆動する蒸気タービン(S/T)に加えて、排ガス自体の圧力エネルギを回収して駆動するパワータービン(P/T)を組み合わせた複合型発電装置を用いるのが好ましい。蒸気タービンS/TとパワータービンP/Tは、エネルギ効率が最適となるように、船内電力に応じて各々負荷分担ができる制御装置としてタービン制御システム（Turbine Control System）を有している。

船舶推進アシストシステム３は、プロペラシャフト１１に連結された軸発電機兼モータ（Shaft Generator Motor:SGM）１３を備えている。船舶推進アシストシステム３は、発電機７で発電する電気エネルギを電気ネットワーク９に供給しても余る余剰電力を軸発電機兼モータ１３に供給して、余剰電力をプロペラシャフト１１を駆動するための機械エネルギに変換することにより、プロペラシャフト１１による船舶の推進をアシストするアシスト動作を行う。

軸発電機兼モータ１３は主機の回転エネルギを電力に変換して発電するシステムすなわち軸発電機（SG）として使用され、船内電源に余剰が出た場合には余剰エネルギを主機に供給し、主機加勢を行うシステムすなわちモータ（SM）として使用できる装置である。具体的には、主機回転数が例えば５３rpm以上で起動が可能であり、また回転数によって電動機定格が変化する。燃費向上を目的とする場合には、主に主機加勢を行うシステムにおけるモータとして使用され、発電機７と軸発電機兼モータ１３が並列運転している状態で、主機加勢が可能である。

本実施の形態の船舶推進アシストシステムは、船内の電気ネットワーク９における周波数を測定する周波数測定部１５と、周波数変動幅が予め定めた第１の値（例えば０．２Ｈｚ）以上になったか否かを判定する周波数変動幅判定部１７と、周波数変動幅が予め定めた第１の値以上になったときにアシスト動作を抑制して、周波数変動を抑制する周波数変動抑制部１９を有している。周波数変動抑制部１９は、軸発電機兼モータ１３の目標負荷を低減することにより、周波数変動を抑制する。具体的には、周波数変動抑制部１９が軸発電機兼モータ１３の駆動を制御する駆動制御装置２１の制御信号発生部２３に目標負荷の低減を指示する。制御信号発生部２３は、軸発電機兼モータ１３の駆動制御装置２１の駆動回路２５に軸発電機からモータに又は前記モータから軸発電機に切り換える際に、徐々に又は段階的にパルス幅が短くなる制御信号［パルス幅が可変の制御信号（ガバナ信号）］を与える。

なお周波数変動抑制部１９は、船内周波数を測定し（ステップＳＴ１）、アシスト動作以外の原因で、電気ネットワーク９における周波数変動幅が第１の値以上になると（図２のステップＳＴ２における５秒に１回行われる０．２Ｈｚ低下の判定がＹｅｓになると）、軸発電機兼モータ１３の目標負荷を低減することにより、周波数変動を抑制する（ステップＳＴ３）。周波数変動抑制部１９による１回当たりの低減量には、所定の制限（ハンチング防止リミット）を設けておくのが好ましい（ステップＳＴ４）。本実施の形態では、ステップＳＴ２で５秒に１回の確認が行われるため、低減量に制限を設けておくほうが、急激な周波数変動の発生（ハンチング）を防止できる。ちなみにこのステップＳＴ４による制限は３０％程度にする（例えば低減量０％を３０％にする）のが好ましい。周波数変動幅判定部１７と周波数変動抑制部１９は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ１乃至ＳＴ４により実現されている。

また本実施の形態では、発電機の発生可能電力量を演算する発生可能電力量演算部２７と、電力量制限部２８と、電気ネットワーク９で使用されている船内電力を測定する船内電力測定部２９と、発生可能電力量から船内電力を減算して余剰電力を演算する余剰電力演算部３１と、余剰電力演算部３１が求めた余剰電力値が正の値であるか負の値であるかを判定する余剰電力値判定部３３と、余剰電力に基づいて軸発電機兼モータ１３の目標負荷を決定する目標負荷決定部３５と、目標負荷により増加する電気ネットワークにおける周波数変動幅が第１の値（例えば０．２Ｈｚ）よりも小さい第２の値（例えば０．１８Ｈｚ）より大きくならないように目標負荷を制限する目標負荷リミット部３９を備えている。

本実施の形態では、電力量制限部２８を設けて、発生可能電力量に制限を加えるため、船内で使用可能な電力に余裕を持たせることができる。その結果、アシスト動作が船内での電力不足を発生する可能性を低減することができる。発生可能電力量演算部２７は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ１４により実現されている。また電力量制限部２８は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ１５により実現されている。余剰電力演算部３１は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ６により実現されている。余剰電力値判定部３３は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ７により実現されている。目標負荷決定部３５は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ８により実現されている。目標負荷リミット部３９は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ１０及び１１により実現されている。

目標負荷決定部３５は、余剰電力値判定部３３が判定した（ステップＳＴ７）余剰電力値が正の値「+」を有するときには目標負荷を演算により決定し（ステップＳＴ８）、余剰電力値が負の値「−」を有するときには前に決定された目標負荷をハンチング現象が発生しない範囲で低減する（ステップＳＴ９）。余剰電力値が０であればステップＳＴ６に戻る。また演算上余剰電力が負の値になっても、短い時間で余剰電力が正の値になることもある。そこで余剰電力値が負の値を有するときでも、目標負荷を低減してアシスト動作を減少させることにより対応すればよい。ただし目標負荷の低減量を大きくし過ぎると、船内周波数が不安定になるハンチング現象が発生する。そこで目標負荷をハンチング現象が発生しない範囲で低減するのが好ましい。本実施の形態では、目標負荷決定部３５は、余剰電力値が負の値を有するときには、負の値を有する余剰電力値を０又は０に近い値になるように目標負荷の低減量を決定することを所定の時間間隔（５秒）で行う。所定の時間間隔で目標負荷の低減量を決定すれば、ハンチング現象の発生を抑制できる。なお図２のフローチャートにおいて、上記の判定をすることを「余剰≧０」と表記してある。

また本実施の形態では、目標負荷決定部３５が、軸発電機兼モータ１３の許容負荷を設定する許容負荷設定部３７を備えている。許容負荷設定部３７により、軸発電機兼モータ１３の許容負荷を設定することができると、船の運航状況を考慮して、軸発電機兼モータ１３の許容負荷を設定することにより、軸発電機兼モータ１３に無理をかけることなくアシスト動作を実施できる。

本実施の形態のように、目標負荷リミット部３９（ステップＳＴ１０及びＳＴ１１）を設けると、目標負荷リミット部３９で設定する第２の値（ステップＳＴ１０の０．１８Ｈｚ以内）よりも目標負荷により増加する電気ネットワーク９における周波数変動幅が大きくなることを阻止できる。そのため、軸発電機兼モータ１３を用いて行う積極的なアシスト動作を有効に利用することができる（ステップＳＴ１２）。またアシスト動作以外の原因で、電気ネットワーク９における周波数変動幅が第１の値以上になると（例えば図２のステップＳＴ２における０．２Ｈｚ低下の判定）、周波数変動抑制部１９がアシスト動作を抑制して、周波数変動を抑制する。ステップＳＴ１３でアシスト動作の終了指令（又は切換指令）の入力の有無を判定し、終了指令（又は切換指令）が入力されなければ、制御の始点に戻る。ステップＳＴ１３でアシスト動作の終了指令（又は切換指令）が入力されたことを検知するとアシスト動作を終了する。

なお電気ネットワーク９における周波数変動幅の制限値である第１の値は、０．２Ｈｚ以上０．３Ｈｚ以下の値であり、目標負荷リミット部３９で設定する第２の値と第１の値との差が０．０２Ｈｚ以上になるように第２の値を定めるのが好ましい。この数値範囲であれば、船内の電力周波数の変動を大きくすることなく、アシスト動作を実施できる。

更に船舶推進アシストシステム３は、船内の電気ネットワーク９における瞬時電力量が予め定めた値以上になったときに、船舶推進アシストシステム３によるアシスト動作を抑制する瞬時電力増加対応部３４を更に備えている。瞬時電力増加対応部３４は、瞬時電力量が予め定めた値以上になったときに、瞬時電力量の増加分を補うように、目標負荷を低減することによりアシスト動作を抑制する。瞬時電力量の増加に対しては、ハンチングが発生したとしても、目標負荷を低減してアシスト動作を犠牲にしても、積極的に船内に電力を配分することが好ましい。この瞬時電力増加対応部３４を設けると、急激な瞬時電力の増加に余剰電力を使うことができるので、船内の電力需要に応えることができる。具体的には、瞬時電力増加対応部３４が軸発電機兼モータ１３の駆動を制御する駆動制御装置２１の制御信号発生部２３に目標負荷の低減を指示する。瞬時電力増加対応部３４は、図２に示すフローチャートのステップＳＴ２１及びＳＴ２２により実現されている。ステップＳＴ２１で、瞬時電力量が１００ｋＷ増加を検知すると、ステップＳＴ２２において目標負荷の低減を指示する。本実施の形態では、低減量を特に制限していない。なお低減量に一定の制限を加えるようにしてもよいのは勿論である。なお「１００ｋＷ増加」は、発電機の出力と負荷との関係から定められたものであり、本発明を実施するにあたって「１００ｋＷ」に限定さるものではない。

なお本実施の形態では、周波数変動幅判定部１７における周波数変動の判定及び余剰電力値判定部３３による判定は、同じタイミング周期で行っている。そのため目標負荷の低減が重複して行われることを防止することができる。また発生可能電力量演算部２７の演算及び船内電力測定部２９での測定は、常時行っている。

なお図２においてステップＳＴ１６乃至ＳＴ１９は、発電機７の制御ステップである。この制御ステップは公知であるためここでは説明を省略する。ステップＳＴ１６において、発生可能電力量の増減を判断する。発生可能電力量が「増」の場合には、発電機７の目標負荷を増加し（ステップＳＴ１８）、発生可能電力量が「減」の場合には、発電機７の目標負荷を低減（ステップＳＴ１７）する。ステップＳＴ１９では、ステップＳＴ１７又はステップＳＴ１８の結果を受けて、発電機（ＳＴＧ）７の動作を制御し、ステップＳＴ１４へと戻る。またステップＳＴ１６において、発生可能電力量が「零」の場合には、現状維持としてステップＳＴ１４へと戻る。

［切換信号発生システム］
船舶推進アシストシステム３は、余剰電力が無くなると軸発電機兼モータ１３を軸発電機としてプロペラシャフト１１により駆動して発電した電気エネルギを電気ネットワークに供給する給電動作を行い、切換信号が入力されると軸発電機兼モータ１３を軸発電機からモータに又はモータから軸発電機に切り換える切換機能を備えている。この切換機能を具体的に実現するシステムの構成は任意である。本実施の形態を開発する以前には、図４（Ｂ）に示すような軸発電機兼モータの制御信号（ガバナ信号）として軸発電機からモータに又はモータから軸発電機に切り換える際に徐々に又は段階的にパルス幅が短くなるような制御信号を与え、所定の累積時間が予め定めた切換準備時間に達すると切換信号を発生する切換信号発生システムがあった。しかしこのような既存のシステムでは、所定の累積時間が予め定めた切換準備時間に達するまでにかなり長い時間を要し、迅速な切換が行えない問題が生じる。また断線や故障などにより切換信号出力部から切換信号が出力されなくなると切換動作を行うことができなくなる問題が生じる。そこで本実施の形態では、既存の切換信号発生システムを採用した場合でも、切換信号を迅速に発生させることができ、しかも断線や故障等により切換信号が出力されなくなったときに、軸発電機兼モータの切換動作を停止することができるようにしている。

図３は、上記切換機能を有する切換信号発生システムを、コンピュータを用いて実行する際に使用されるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。図４（Ａ）は、電力計測部４１が計測する出力電力又は入力電力と０ｋＷとの偏差の関係を説明するために用いる図であり、（Ｂ）は従来の制御信号（ガバナ信号）の一例を示す図であり、（Ｃ）は切換機能を実施する際の比較例における制御信号（ガバナ信号）の例を示す図であり、（Ｄ）は本実施の形態において、切換機能を実施する際の制御信号発生部から出力される制御信号（ガバナ信号）の例を示す図である。切換機能を実現するために、本実施の形態の船舶推進アシストシステム３は、軸発電機兼モータ１３から出力される出力電力及び軸発電機兼モータ１３に入力される入力電力を計測する電力計測部４１と、電力計測部４１の出力及び制御信号に基づいて、軸発電機兼モータ１３を軸発電機からモータに、又はモータから軸発電機に切り換える切換信号を出力する切換信号発生部４３とを備えている。切換信号発生部４３は、入力時間累積部４５と切換信号出力部４７とを備えている。電力計測部４１は、軸発電機兼モータ１３がモータとして機能しているときには、入出力ラインＩＯＬを通して軸発電機兼モータ１３に供給される入力電力を公知の電力計測技術を用いて計測し、軸発電機兼モータ１３が発電機として機能しているときには入出力ラインＩＯＬを通して船内の電気ネットワーク９に供給される出力電力を公知の電力計測技術を用いて計測する。

切換信号発生部４３の入力時間累積部４５は、電力計測部４１が計測する軸発電機兼モータ１３の出力電力又は入力電力が予め定めた切換準備電力より小さくなった後（ステップＳＴ２２）、軸発電機兼モータ１３の出力電力又は入力電力が０ｋＷ状態になると（ステップＳＴ２５）、制御信号（ガバナ信号）の入力時間を累積して累積時間として記憶する（ステップＳＴ２６）。なお図３のステップＳＴ２２では、本来ならば「ＳＧＭ出力＜５％以下又はＳＧＭ入力＜５％以下」と記載すべきであるが、便宜上ＳＧＭ出力＜５％以下と記載してある。またステップＳＴ２５では、「ＳＧＭ出力＝０％又はＳＧＭ入力＝０％」と記載すべきであるが、便宜上ＳＧＭ出力＝０％と記載してある。

そして切換信号出力部４７は、累積時間が予め定めた切換準備時間（本実施の形態では、累積３秒）を経過すると（ステップＳＴ２７）、切換信号を出力し（ステップＳＴ２８）、切換動作を終了する（ステップＳＴ２９）。切換準備時間は、経験則に基づくものであり、切換準備時間があまり短いと切換動作の誤動作が発生しやすくなり、切換準備時間が長いと切換遅れが発生する。

本実施の形態では、図４（Ａ）に示すように、入力時間累積部４５は、電力計測部４１が計測する出力電力又は入力電力（軸発電機兼モータの出力電力又は入力電力）が予め定めた切換準備電力（５％）より小さくなると（ステップＳＴ２２）、制御信号発生部２３に連続信号出力指令を出力する（ステップＳＴ２３）。制御信号発生部２３は、連続信号出力指令を受信すると、図４（Ｄ）に示すように、連続信号を駆動回路２５に出力する。制御信号発生部２３は、制御信号（ガバナ信号）を連続信号として切換準備時間（累積で３秒）よりも長い予め定めた時間（連続８秒）駆動回路２５に出力した後（ステップＳＴ２３及びＳＴ２４）、又は切換動作の終了を確認した後に、制御信号発生部２３は制御信号（ガバナ信号）の出力を停止する（ステップＳＴ３０）。その後、軸発電機兼モータ１３の制御は通常の制御に復帰する（ステップＳＴ３１）。

このようにすると切換動作をする際に、連続する制御信号が入力時間累積部４５に入力されるため、従来のようにパルス幅が短くなる制御信号が入力される場合よりも、短い時間で累積時間が切換準備時間に達するようになる。そのため本実施の形態によれば、既存の切換信号発生システムを用いて、しかも軸発電機からモータに又はモータから軸発電機に切り換える際に徐々に又は段階的にパルス幅が短くなるような制御信号を与える場合であっても、軸発電機兼モータ１３の出力電力又は入力電力が予め定めた切換準備電力より小さくなった後に、制御信号を連続信号とすることにより、累積時間の累積を連続して行える。したがって迅速に切換信号を発生することができる。また切換信号発生部で断線や故障が発生して切換信号が出力されなくなった場合でも、制御信号発生部２３が発生する連続信号としての制御信号は、予め定めた時間で停止する。その結果、切換信号が出力されない事態が発生しても、制御信号の出力を停止して軸発電機兼モータ１３の切換動作を停止することができる。

切換信号発生部４３及び制御信号発生部２３は、ステップＳＴ２３及びＳＴ２４の処理と、ステップＳＴ２５〜ＳＴ２９の処理とが同時に実行されている。図４（Ｄ）はステップＳＴ２３及びＳＴ２４により発生する制御信号である。ステップＳＴ２５〜ＳＴ２９の処理では、制御信号として連続信号が出力されるため、予め定めた時間（連続８秒）よりも短い時間内で、「３秒」の累積を完了して、切換信号が出力される。しかし切換信号発生部４３で断線や故障が発生して切換信号が出力されなくなった場合（累積が完了しない場合）でも、ステップＳＴ２３及びＳＴ２４の処理が並行しているため、切換準備時間よりも長い予め定めた時間（８秒）制御信号が出力され続けると、制御信号発生部２３は制御信号の出力を停止する。その結果、切換信号が出力されないときには、制御信号の出力を停止して軸発電機兼モータの切換動作を停止することができる。その結果、本発明によれば、切換信号が出力されなくなって、軸発電機兼モータの動作を切り換えることができなくなる事態の発生を防止することができる。ちなみに図４（Ｃ）に示すように制御信号発生部２３が連続信号を出し続けると、図４（Ａ）に「Ｃ」の曲線で示すように、出力が異常上昇を続けることになる。

上記の切換オペレーションでは、モードが切り換わる条件として、軸発電機兼モータ１３が０ｋＷ認識後、制御信号（ガバナ信号）を３秒以上累計して出力しなければならない。しかし、制御信号が途切れるような事態が発生すると、スムーズな切換が行われないことがある。しかし本実施の形態によれば、軸発電機兼モータ１３の切換時にモータ又は発電機の定格値５％以内に入れば制御信号（ガバナ信号）を連続８秒間出力し、切換信号が入ればその時点で制御信号（ガバナ信号）を停止することとした。これによりスムーズな切換が可能となった。

本実施の形態において、ステップＳＴ２５〜ＳＴ２９は、大洋電機株式会社が販売する切換システム「ＳＧＨ１０５ＢＳ−２０」を利用することにより実現した。なお切換準備電力は、定格電力の４％以上６％以下の間の値であることが好ましい。切換準備電力を４％より小さくすると、時間がかかる問題が発生し、６％より大きくすると、負荷変動が大きくなるという問題が発生するからである。

［運転効率表示］
電動機において、エネルギ変換のプロセスでは必ず一部のエネルギが損失してしまう。そのため、主機回転数及び電力負荷によって変動する主機加勢（SM）の運転効率は、本船の燃費を左右する重要な情報であり、常時算出する必要があった。しかし、図示しない主配電盤では軸発電機兼モータ１３へ入力する電力量は把握できるが、実際に主機加勢を行う仕事量は分からず、効率値を計算できない。そのため現状の排熱回収システムを備えた船舶推進アシストシステムでも、船舶の運転者に船舶推進アシストシステムの運転効率に関する情報を提示することはしていない。現状では、船舶の運転者は、船舶推進アシストシステムが効率良く運転されているか否かを知らずに、アシストのモードを選択しているのが実情である。そのため船舶推進アシストシステムに複数の運転モードを持たせようとしても、運転者に運転モードを選択するための情報がなく、適切な運転モードを選択できない状況がある。

そこで本実施の形態では、軸発電機兼モータ１３の陸上での試験データを利用して、主機回転数と電力負荷率から効率を計算し、軸発電機兼モータ１３の仕事量を算出することにした。これにより瞬時に効率の算出と表示が可能になった。具体的に本実施の形態では、軸発電機兼モータ１３の効率を主配電盤のモニタの表示画面に表示するために、軸発電機兼モータ１３から発電される出力電力及び軸発電機兼モータ１３に入力される入力電力を計測する電力計測部４１と、回転数計測部４９と効率演算部５１と相互関係表示部５３とを備えている。図５は、これらの構成部材を用いてモニタの表示画面に軸発電機兼モータの効率を表示する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムの一例を示している。

回転数計測部４９は、軸発電機兼モータ１３が回転しているときに、プロペラシャフト１１の回転数を計測する（ステップＳＴ４１）。効率演算部５１は、回転数計測部４９により検出した回転数と、電力計測部４１で計測した（ステップＳＴ４２）出力電力又は入力電力と、予め求めたプロペラシャフト１１の回転数と軸発電機兼モータ１３の効率との関係を示すデータとに基づいて軸発電機兼モータの効率を演算する（ステップＳＴ４３）。ここで予め求めたプロペラシャフト１１と軸発電機兼モータ１３の効率との関係を示すデータは、軸発電機兼モータ１３の製造メーカが仕様書に示したショップデータを用いることができる。相互関係表示部５３は、回転数計測部４９により計測した回転数、効率演算部５１により演算した効率、電力計測部４１で計測した出力電力又は入力電力を、相互の関係が視覚により分かるように図示しないモニタに表示する（ステップＳＴ４４）。

軸発電機兼モータ１３の効率を視覚により認識できるように表示すると、自動運転を好まない運転者は効率とその他の状況を考慮して、好ましい運転モードを自由に選択することができる。

図６（Ａ）には、相互関係表示部５３によりモニタの表示画面に表示する回転数、出力電力又は入力電力、効率の表示の一例が示されている。図６（Ａ）の表示では、Ｘ軸に回転数、Ｙ軸に出力電力又は入力電力、Ｚ軸に効率を表示する３軸グラフにより相互の関係をモニタに表示している。また図６（Ａ）の表示には、その他の計測値又は演算値が３軸グラフと一緒に表示されている。相互関係表示部５３が表示する３軸の値の交点は、プロペラシャフト１１を駆動する主機の現在のトルクに関連する。なおこの交点の位置を確認すると、次のようなことができる。すなわち図６（Ｂ）に示すように運転者が設定した好ましい運転ゾーンＺＮを予め表示画面に表示しておくと、アシスト運転を実行する際に交点（Ｒ１，Ｒ２）がこの好ましい運転ゾーンＺＮから外れている場合には、アシストを中止する等の対応をとればよいことになる。またこれらの３値を表示すると、主機の回転数が増加して軸発電機兼モータ１３の回転数も増加しているのに、効率が上がらない場合に、その原因が入力電力に制限を加える制御が行われているために入力電力が不足状態にあることが一見して分かる。このような場合には、入力電力の制限を解除する運転モードで制御を行えばよいことが分かる。また海が荒れていて、主機の回転数が高い場合には、主機の負荷の変動が激しくなるために、３値表示の交点（Ｒ１，Ｒ２）が揺れる現象が現れる。このような状態では、効率が高くても、軸発電機兼モータ１３では一時的に脱調又はトリップ現象が発生し、過電流が流れる事態が発生することもある。そのためこのような状況では、安全を考えて、アシスト動作を停止する運転モードを選択することも可能になる。

［停止時の０ｋＷ保持及び運転モードの選択］
従来の排熱回収システムを備えた船舶推進システムでは、船舶推進アシストシステムを運転開始する前には、軸発電機兼モータ１３を駆動制御系から切り離しておき、船舶推進アシストシステムを動作させる際に、軸発電機兼モータ１３を駆動制御系に接続することが一般的に行われている。しかしながら船舶推進アシストシステムを動作させたときに、アシスト動作を開始しようとすると、軸発電機兼モータが、給電動作をすることがある。

そこで本実施の形態の船舶推進アシストシステム３では、発電機（ＳＴＧ）７が発電している状態で、アシスト動作又は給電動作を行っていないときには、軸発電機兼モータ１３の出力が０ｋＷ状態になるように軸発電機兼モータ１３を制御することとした。

ここで「軸発電機兼モータを出力が０ｋＷ状態になるように軸発電機兼モータを制御する」とは、軸発電機兼モータ１３の巻線に流れる電流をできるだけ０に近付けるように制御してその出力が０ｋＷ状態（例えば、０ｋＷ±定格出力の２％の範囲）になるように制御することを意味する。０ｋＷ状態では、軸発電機兼モータ１３のロータが回転していても軸発電機兼モータ１３の出力を０に近い状態で維持している。そのため本発明によれば、休止状態からアシスト動作を開始する場合に、巻線に流れる電流が制御されて制限されているので、無制御状態から給電動作を開始するような事態が発生することを防止できる。したがって本実施の形態では、船舶推進アシストシステム３が休止している状態から、アシスト動作を開始する際に、確実にアシスト動作を開始することができる。なお図６（Ｂ）に示すように、０ｋＷ状態においては、３値表示の交点は、Ｒ３のようになる。

この制御は、図１におけるモード選択部５５を介した運転モードの選択に基づいて、駆動制御装置２１において実施される。図７には、この制御をコンピュータを利用して実行する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示してある。

具体的には、モード選択部５５は、軸発電機兼モータ１３を軸発電機又はモータとして運転する第１の運転モードと、軸発電機兼モータ１３をモータとして運転する第２の運転モードとを選択可能である。この選択に応じて、船舶推進アシストシステムは制御信号発生部２３において、第１の運転モード又は第２の運転モードが選択される前、第１の運転モード又は第２の運転モードが選択されて実行されるまで、軸発電機兼モータ１３の出力が０ｋＷ状態になるように軸発電機兼モータ１３を制御する（ステップＳＴ５１及びＳＴ５２）。具体的には、軸発電機兼モータ１３の巻線に流れる電流をできるだけ０に近付けるように制限することにより０ｋＷ状態を作ることができる。このようにすると確実に選択したモードでアシスト動作を実行できる。なお駆動制御装置２１は、図４（Ａ）に示すように、０ｋＷを中心にして定格の±２％以内の所定の不感帯を設定して軸発電機兼モータ１３を出力が０ｋＷ状態になるように電流を制限するのが好ましい。このような不感帯を設けると、制御が不安定になることを防止できる。

図７のフローチャートでは、発電機７と軸発電機兼モータ１３とが並列運転直後、第２の運転モードであるSM MODE又は第１の運転モードであるSM／SG MODEのどちらかをモード選択部５５により手動で選択することになる（ステップＳＴ５３）。その選択を待つ間、軸発電機兼モータ１３を機能させないために、発電機７は全ての船内負荷を負担し、軸発電機兼モータ１３は０kWを維持する。図８は発電機７と軸発電機兼モータ１３が並列運転中、発電機７が全ての船内負荷を負担し、軸発電機兼モータ１３は常に０kWを維持する様子を示している。

SM／SG MODEが選択されると、余剰電力の有無を判断し（ステップＳＴ５７）、余剰電力があればＳＭ運転（モータ運転）を実行し、余剰電力がなければ、ＳＧ運転（発電機運転）を実行する（ステップＳＴ５９、ＳＴ６１）。すなわちSM／SG MODEでは、SM MODEの機能に加えて、船舶に実装しているディーゼル発電機の自動バックアップ回数を減らすことを目的として軸発電機兼モータ１３を発電機としても使用する。もし発電機７に余剰電力が無くなり、発電機７のみで船内負荷を賄いきれなくなった場合は軸発電機兼モータ１３を自動的にモータから発電機へ切り換えて、発電を行う。なお、発電機として発電を行っても船内電力を賄い切れない場合は、一定以下の余剰電力になると自動的に船舶に実装しているディーゼル発電機がバックアップし、軸発電機兼モータ１３は自動的に切り離される。船舶の通常航海中は、基本このモードが選択される。図９は発電機７と軸発電機兼モータ１３が並列運転中、軸発電機兼モータ１３は発電機７の余剰電力分主機加勢を行うとともに、発電機７の電力が不足すれば発電機に切り換えて不足分の船内負荷を賄う様子を示している。

またSM MODEが選択されると、余剰電力の有無を判断し（ステップＳＴ６５）、余剰電力があるときだけＳＭ運転（モータ運転）を実行する（ステップＳＴ６７）。なおステップＳＴ６５において、発電機７に余剰電力が無ければ、軸発電機兼モータ１３は０kW運転を維持する。このモードは、軸発電機兼モータ１３を発電機として使用したくない場合に選択される。図１０は発電機７と軸発電機兼モータ１３が並列運転中、発電機７が船内負荷と軸発電機兼モータ１３のモータ負荷を最大限負担し、軸発電機兼モータ１３は発電機７の余剰電力分で主機加勢を行う様子を示している。

そしてモード選択部５５により、運転モードのOFF MODE（軸発電機兼モータ１３を使用しないモード）が手動で選択されると（ステップＳＴ６９）、ステップＳＴ５１へと戻って０ｋＷ保持が再度開始される。

上記実施の形態の主要制御部分は、１台のコンピュータ（プロセッサ）と１台の記憶装置を用いて実現できるが、複数台のコンピュータ（プロセッサ）と複数台の記憶装置を組み合わせて実現してもよいのは勿論である。

本発明によれば、軸発電機兼モータの運転モードを選択するモード選択部と、軸発電機兼モータの効率を演算する効率演算部と、効率を視覚により認識できるように表示する表示装置とを備えているので、軸発電機兼モータの効率を視覚により認識できるように表示すると、自動運転を好まない運転者は効率とその他の状況を考慮して、好ましい運転モードを自由に選択することができる。

１ 排熱回収システム
３ 船舶推進アシストシステム
５ タービン
７ 発電機
９ 電気ネットワーク
１１ プロペラシャフト
１３ 軸発電機兼モータ
１５ 周波数測定部
１７ 周波数変動幅判定部
１９ 周波数変動抑制部
２１ 駆動制御装置
２３ 制御信号発生部
２５ 駆動回路
２７ 発生可能電力量演算部
２８ 電力量制限部
２９ 船内電力測定部
３１ 余剰電力演算部
３３ 余剰電力値判定部
３４ 瞬時電力増加対応部
３５ 目標負荷決定部
３７ 許容負荷設定部
３９ 目標負荷リミット部
４１ 電力計測部
４３ 切換信号発生部
４５ 入力時間累積部
４７ 切換信号出力部
４９ 回転数計測部
５１ 効率演算部
５３ 相互関係表示部
５５ モード選択部

Claims (7)

1. 排熱をエネルギ源として電気エネルギを供給するタービン及び発電機を備え、前記発電機で発電した電気エネルギを船内の電気ネットワークに供給する排熱回収システムと、
   プロペラシャフトに連結された軸発電機兼モータを備え、前記発電機で発電した電気エネルギを前記電気ネットワークに供給しても余る余剰電力を前記軸発電機兼モータに供給して、前記余剰電力を前記プロペラシャフトを駆動するための機械エネルギに変換することにより、前記プロペラシャフトによる船の推進をアシストするアシスト動作を行い、前記余剰電力が無くなると前記軸発電機兼モータを軸発電機として前記プロペラシャフトにより駆動して発電した電気エネルギを前記電気ネットワークに供給する給電動作を行う船舶推進アシストシステムとを備えてなる排熱回収システムを備えた船舶推進システムであって、
   前記軸発電機兼モータの運転モードが選択するモード選択部と、
   前記軸発電機兼モータの効率を演算する効率演算部と、
   前記効率を視覚により認識できるように表示する表示装置とを備えていることを特徴とする排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
2. 前記軸発電機兼モータから出力される出力電力及び前記軸発電機兼モータに入力される入力電力を計測する電力計測
   部と、
   前記軸発電機兼モータが回転しているときに、前記プロペラシャフトの回転数を計測する回転数計測部とを備え、
   前記効率演算部は、前記回転数計測部により検出した前記回転数と、前記電力計測部で計測した出力電力又は入力電力と、予め求めた前記プロペラシャフトの回転数と前記軸発電機兼モータの効率との関係を示すデータとに基づいて前記軸発電機兼モータの効率を演算するように構成されている請求項１に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
3. 前記表示装置は、前記回転数計測部により計測した前記回転数、前記効率演算部により演算した前記効率、前記電力計測部で計測した前記出力電力又は前記入力電力を、相互の関係が視覚により分かるようにモニタに表示する相互関係表示部を備えていることを特徴とする請求項２に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
4. 前記予め求めた前記プロペラシャフトと前記軸発電機兼モータの効率との関係を示すデータは、前記軸発電機兼モータの製造メーカが仕様書に示したショップデータである請求項２に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
5. 前記相互関係表示部は、Ｘ軸に前記回転数、Ｙ軸に前記出力電力又は前記入力電力、Ｚ軸に前記効率を表示する３軸グラフにより前記相互の関係を前記モニタに表示することを特徴とする請求項３に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
6. 前記相互関係表示部は、３軸の値の交点を前記プロペラシャフトを駆動する主機の現在のトルクに関連する値として表示する請求項３に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。
7. 前記モニタには、その他の計測値又は演算値が前記３軸グラフと一緒に表示されている請求項３に記載の排熱回収システムを備えた船舶推進システム。

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