DE102006061374A1

DE102006061374A1 - System for utilizing excess energy in the exhaust gases of a marine diesel engine

Info

Publication number: DE102006061374A1
Application number: DE102006061374A
Authority: DE
Inventors: Kay Tigges
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-23
Also published as: WO2008077862A1; CN101563272B; DE102006061374B4; CN101563272A; KR20090051270A; KR101172568B1

Abstract

System zur Ausnutzung von Überschussenergie in den Abgasen eines Großdieselmotors (1), insbesondere eines Zweitakt-Großdieselmotors, der an Bord eines Schiffes mit elektrischem Bordnetz (12) installiert ist, wobei die Abgase zunächst Abgasturboladern zugeführt und dann in einer Abgasturbine (8) weiter ausgenutzt werden und wobei die Abgasturbine (8) einen Generator (10) antreibt, der Elektroenergie in das Bordnetz (12) des Schiffes einspeist und wobei der Generator (10) als Blindleistungsmaschine schaltbar ist.System for utilizing excess energy in the exhaust gases of a large diesel engine (1), in particular a two-stroke large diesel engine, which is installed on board a ship with electrical system (12), the exhaust gases first supplied to exhaust gas turbochargers and then exploited further in an exhaust gas turbine (8) and wherein the exhaust gas turbine (8) drives a generator (10), which feeds electrical energy into the electrical system (12) of the ship and wherein the generator (10) is switchable as a reactive power machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Ausnutzung von Überschussenergie in den Abgasen eines Großdieselmotors, insbesondere eines Zweitakt-Großdieselmotors, der an Bord eines Schiffes mit elektrischem Bordnetz installiert ist, wobei die Abgase zunächst Abgasturboladern zugeführt und dann in einer Abgasturbine weiter ausgenutzt werden und wobei die Abgasturbine einen Generator antreibt.The The invention relates to a system for utilizing excess energy in the exhaust gases of a large diesel engine, in particular a two-stroke large diesel engine, installed on board a ship with electrical wiring is, the exhaust gases first Exhaust gas turbochargers supplied and then further exploited in an exhaust gas turbine and wherein the exhaust gas turbine drives a generator.

Die Abgasenergie von Großdieselmotoren an Bord von Schiffen wird häufig durch die Abgasturbolader und/oder nachgeschaltete Dampfturbinen, die einen Generator antreiben, nicht vollständig ausgenutzt. Dies ist insbesondere bei Zweitakt-Großdieseln der Fall, da die in der Schifffahrt verwendeten Typgrößen häufig nicht die für die Abgasausnutzung ideale Turboladerzahl aufweisen. So würde beispielsweise manchmal eine gebrochene (2,5 oder 3,5) Zahl von Turboladern zur besten Ausnutzung der Abgasenergie benötigt. Da eine gebrochene Zahl von Turboladern jedoch nicht darstellbar ist, wird ein nicht notwendiger Aufladungsgrad erreicht. Es liegt nahe, die sich bei Zweitakt-Großdieseln ergebende überschüssige Aufladung zum Antrieb eines Nutzturbinenrades zu verwenden. Dies ist bereits aus der Schrift „Produkt + Praxis" der Firma ABB Schalt- und Steuerungstechnik, Ausgabe 1/99, bekannt. Es handelt sich dabei um eine Nutzturbine, die elektrische Energie in das Netz einer Insel einspeist.The Exhaust gas energy from large diesel engines Board of ships becomes common through the exhaust gas turbocharger and / or downstream steam turbines, the drive a generator, not fully utilized. This is special in two-stroke large diesel the case, since the type sizes used in shipping are often not the for the exhaust gas utilization have ideal turbocharger number. For example sometimes a broken (2.5 or 3.5) number of turbochargers to best exploitation of the exhaust energy needed. Because a broken number of Turbochargers, however, can not be represented, is a not necessary Charge level reached. It is obvious that in two-stroke large diesel resulting excess charge to use to drive a Nutzturbinenrades. This is already from the writing "product + Practice "of the company ABB Switching and Control Technology, Edition 1/99, known. It deals This is about a power turbine, the electrical energy in the network an island.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine derartige bekannte Nutzturbine in das Abgassystem eines Zweitakt-Großdieselmotors oder auch eines anderen Großdieselmotors derart einzubinden, dass die erzeugte Elektroenergie in optimaler Form für ein Schiffsbordnetz zur Verfügung steht. Dabei soll insbesondere der Tatsache Rechnung getragen werden, dass an Bord eines Schiffes große induktive Verbraucher vorhanden sind, die für das Schiffsbordnetz einen relativ schlechten Cosinus phi ergeben.It Object of the invention, such a known turbine in the exhaust system of a two-stroke large diesel engine or a other big diesel engine integrate in such a way that the generated electric energy in optimal Form for a shipboard network available stands. In particular, account should be taken of the fact that that on board a ship is great Inductive consumers are present, the one for the shipboard network give relatively poor cosine phi.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, das der Generator Elektroenergie in das Bordnetz eines Schiffes einspeist, wobei der Generator als Blindleistungsmaschine (Phasenschieber) schaltbar ist. Bisher war es üblich, dass große Schiffe einen separaten Phasenschieber aufwiesen, häufig in Form einer Blindleistungsmaschine, die an das elektrische Bordnetz angeschlossen war. Erfindungsgemäß und sehr vorteilhaft übernimmt jetzt einer der sowieso an Bord eines Schiffes vorhandenen Generatoren in Verbindung mit einer Abgasturbine diese Aufgabe. Es wird also sehr vorteilhaft eine elektrische Maschine an Bord des Schiffes eingespart, so kommt es zu einer nicht unerheblichen Kostensenkung in Bezug auf das Bordnetz eines großen Schiffes.The Task is solved by that the generator electrical energy in the electrical system of a ship with the generator as a reactive power machine (phase shifter) is switchable. So far, it was common that big Ships had a separate phase shifter, often in Form of a reactive power machine connected to the electrical system was connected. According to the invention and very advantageous takes over now one of the generators on board a ship anyway in conjunction with an exhaust gas turbine this task. So it will be very advantageous an electric machine on board the ship saved, it comes to a significant cost reduction in relation to the electrical system of a large ship.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator einen Anwurfmotor aufweist und dass zwischen der Abgasturbine und dem Generator ein Getriebe und eine Überholkupplung, insbesondere in Form einer SSS-Kupplung, (Selbstsynchronisierende Schaltkupplung) angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäß vorteilhaft verwendete Überholkupplung zwischen Abgasturbine und Generator ist es möglich, den Generator durch ein einfaches Zwischenaggregat (Getriebe und SSS-Kupplung) direkt mit der Abgasturbine zu verbinden, wobei durch diese Anordnung ein einfaches Hochlaufen der Abgasturbine möglich ist. Der Generator wird durch seinen Anwurfmotor ohne Gegendrehmoment auf das Schiffsnetz synchronisiert und elektrisch verbunden. Danach erfolgt der ungeregelte Hochlauf der Gasturbine bis zum Erreichen der Generatorsynchrondrehzahl. Die Abgasturbine würde weiter hochlaufen, wenn sie nicht von der Überholkupplung eingekuppelt würde. Mit Schließen der Kupplung kann Wirkleistung an den Generator abgegeben werden.In Embodiment of the invention, it is provided that the generator a Coming engine has and that between the exhaust gas turbine and the Generator a transmission and an overrunning clutch, in particular in the form of an SSS coupling, (self-synchronizing Clutch) is arranged. By the invention advantageous used overrunning clutch between exhaust turbine and generator it is possible to drive the generator through a simple intermediate unit (transmission and SSS clutch) directly to connect with the exhaust gas turbine, with this arrangement a easy run-up of the exhaust gas turbine is possible. The generator will by its launch engine without counter torque on the ship network synchronized and electrically connected. Thereafter, the unregulated occurs Start-up of the gas turbine until the generator synchronous speed is reached. The exhaust gas turbine would continue to run up if not engaged by the overrunning clutch would. With closing the coupling can be delivered active power to the generator.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Generator eine kennliniengeführte Spannungsregelung aufweist und dass für eine Blindleistungserzeugung von der Generatorkennlinie auf eine Phasenschieberkennlinie gewechselt wird. So ergibt sich eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, den Generator als Phasenschieber einzusetzen und dabei die notwendige Statik zu erreichen.In further embodiment of the invention is advantageously provided that the generator has a characteristic-guided voltage regulation and that for a reactive power generation from the generator characteristic to one Phase shifter characteristic is changed. This results in a simple and cost-effective Possibility, to use the generator as a phase shifter while doing the necessary To achieve statics.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhaft vorgesehen, dass der Großdieselmotor außer der Hauptabgasleitung eine, insbesondere bezüglich ihrer Durchströmung regelbare, Bypass-Abgasleitung zur Abgasturbine aufweist. So ergibt sich sehr vorteilhaft die Möglichkeit, die Abgasturbine so zu betreiben, dass die Abgasturbolader, die ja für eine optimale Füllung der Zylinder des Großdiesels sorgen, von der Entnahme der Überschussenergie aus der Abgasleitung zu den Turboladerturbinen nicht beeinflusst werden. Die Nutzung der Überschussenergie kann also bei allen Betriebszuständen, d. h. auch bei Teillast, ohne Beeinflussung des Motorwirkungsgrades der Großdieselmaschine erfolgen. Es ergibt sich also eine Überschussenergienutzung, die den Wirkungsgrad der Antriebsanlage des Schiffes erheblich steigern kann.In further embodiment of the invention is advantageously provided that the large diesel engine except the Main exhaust gas line, in particular with respect to its flow adjustable, Bypass exhaust pipe to the exhaust gas turbine has. That's how it turns out advantageous the possibility to operate the exhaust gas turbine so that the turbocharger, the yes for one optimal filling to care for the cylinder of the big diesel from the removal of surplus energy the exhaust pipe to the turbocharger turbines are not affected. The use of excess energy So, in all operating conditions, d. H. also at partial load, without influencing the engine efficiency the big diesel engine respectively. This results in a surplus energy use, the significantly increase the efficiency of the propulsion system of the ship can.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abgasturbine, das Getriebe mit SSS-Kupplung, der als Phasenschieber betreibbare Generator und der Anwurfmotor auf einem gemeinsamen Grundrahmen angeordnet sind. Durch diese Anordnung kann eine Maschinengruppe geschaffen werden, die besonders kostengünstig ist und auch leicht nachgerüstet werden kann. Mit dieser Maschinengruppe wird das freie Wellenende des Generators optimal derart genutzt, dass eine kompakte Abgasturbinengenerator/Phasenschiebereinheit entsteht.In a further embodiment of the invention, it is provided that the exhaust gas turbine, the transmission with SSS clutch, which can be operated as a phase shifter generator and the launching motor are arranged on a common base frame. By this arrangement, a machine group can be created, which is particularly inexpensive and can also be easily retrofitted. With this group of machines, the free shaft end of the generator is optimally used in such a way that a compact exhaust gas turbine generator / phase shift unit ent stands.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Generator einen Stromrichter aufweist, der ausgangsseitig für die Bordnetzfrequenz, die Bordnetzspannung und die richtige Phasenlage der erzeugten Elektroenergie sorgt. So ist eine problemlose Ein- und Ausschaltung des Generator/Phasenschiebers in das Bordnetz möglich, ohne dass separate Schaltvorgänge erfolgen müssen. So ist auch ein asynchroner Betrieb zum Bordnetz möglich!In Another embodiment of the invention provides that the generator a power converter, the output side for the vehicle electrical system frequency, the vehicle electrical system voltage and the correct phase position of the generated electrical energy provides. This is a problem-free switching on and off of the generator / phase shifter into the electrical system possible, without that separate shifts must be done. So an asynchronous operation to the electrical system is possible!

Es ist vorgesehen, dass der Generator mit einem Cosinus phi von 0,9–1 betrieben wird.It it is provided that the generator is operated with a cosine phi of 0.9-1 becomes.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert, aus denen, ebenso wie aus den Unteransprüchen, auch weitere erfinderische Einzelheiten entnehmbar sind.The The invention will be explained in more detail with reference to drawings, from which, as well as from the dependent claims, Also other inventive details are removable.

Im Einzelnen zeigen:in the Show individual:

1 eine schematische Ansicht des an Bord eines Schiffes mit Großdieselmotor befindlichen erfindungsgemäßen Systems und 1 a schematic view of the present on board a ship with a large diesel engine system according to the invention and

2 eine Darstellung der einzelnen Aggregate, wie sie auf einem Grundrahmen angeordnet sind. 2 a representation of the individual units, as they are arranged on a base frame.

In 1 ist mit 1 der Großdieselmotor bezeichnet, der in der Regel acht oder mehr Zylinder aufweist (acht Zylinder sind angedeutet). Die Zahl der Zylinder kann bis zu vierzehn betragen.In 1 is with 1 denotes the large diesel engine, which usually has eight or more cylinders (eight cylinders are indicated). The number of cylinders can be up to fourteen.

Von dem Großdieselmotor 1 wird die Propellerwelle 15 mit dem Propeller 16 angetrieben, wobei auf der Propellerwelle 15 bei modernen Schiffen, insbesondere bei Containerschiffen, ein Boostermotor 2 angeordnet ist, der über einen Stromrichter 3 und einen Schalter 13 aus dem Schiffsbordnetz 12 gespeist wird. Der Boostermotor 2 dient dazu, im Bedarfsfall zusätzliche Energie für den Antrieb des Propellers 16 zur Verfügung zu stellen, damit z. B. der Fahrplan des Containerschiffs eingehalten werden kann. Der Großdieselmotor weist noch eine Abgasturboeinheit 4, 6 auf, wobei in dem Teil 4 die Verbrennungsluft verdichtet und im Teil 6 die Abgase entspannt und abgekühlt werden. Zwischen dem Großdieselmotor 1 und dem Abgasteil 6 der Turboladereinheit befindet sich die Abgasleitung 7, von der ein Bypass 9 abzweigt, der zu der Abgasturbine 8, die erfindungsgemäß vorgesehen ist, führt. Die Abgasturbine 8 treibt den erfindungsgemäß vorgesehenen, als Phasenschieber umschaltbaren Generator 10 an, der durch einen Anwurfmotor 11 im Bedarfsfall hochgefahren wird. Zwischen dem Generator 10 und der Abgasturbine 8 befindet sich in der Regel noch ein Getriebe, das erfindungsgemäß mit einer SSS-Kupplung verbunden ist. Der Generator 10 speist über eine Schalteinrichtung 14 Energie in das Bordnetz 12 ein, das in üblicher Weise über nicht dargestellte Motorgeneratoreinheiten mit Elektroenergie versorgt wird.From the big diesel engine 1 becomes the propeller shaft 15 with the propeller 16 driven, being on the propeller shaft 15 in modern ships, especially in container ships, a booster engine 2 is arranged, via a power converter 3 and a switch 13 from the ship's electrical system 12 is fed. The booster engine 2 serves, if necessary, additional energy for the drive of the propeller 16 to make available so that z. B. the timetable of the container ship can be met. The large diesel engine still has an exhaust turbo unit 4 . 6 on, being in the part 4 the combustion air is compressed and in part 6 the exhaust gases are relaxed and cooled. Between the big diesel engine 1 and the exhaust part 6 the turbocharger unit is the exhaust pipe 7 from which a bypass 9 branches off to the exhaust gas turbine 8th , which is provided according to the invention leads. The exhaust gas turbine 8th drives the inventively provided, as a phase shifter switchable generator 10 on, by a launch motor 11 is raised in case of need. Between the generator 10 and the exhaust gas turbine 8th is usually still a transmission that is connected according to the invention with a SSS coupling. The generator 10 feeds via a switching device 14 Energy in the electrical system 12 a, which is supplied in a conventional manner via motor generator units, not shown, with electric energy.

In 2 bezeichnet 20 den erfindungsgemäß verwendeten Grundrahmen, auf dem sich der Anwurfmotor, der elektrische Generator – umschaltbar als Blindleistungsmaschine –, das Getriebe mit der SSS-Kupplung und die Abgasturbine befinden.In 2 designated 20 the base frame according to the invention, on which the launching motor, the electric generator - can be switched over as a reactive power machine -, the transmission with the SSS clutch and the exhaust gas turbine are located.

Der Generatorspannungsregler wird für die Verwendung des Generators als Blindleistungsgenerator zu diesem Zweck bezüglich seiner Kennlinien umgeschaltet. Er ist nicht dargestellt, da er in der Regel in einem Schaltschrank unterge bracht ist, der räumlich von der Maschinenanlage entfernt ist. In diesem Schaltschrank ist auch ein Cosinus phi Regelmodul angeordnet. Damit kann sehr vorteilhaft ein optimaler Cosinus phi für das Bordnetz erreicht werden.Of the Generator voltage regulator is used for the use of the generator as a reactive power generator to this Purpose regarding its characteristics switched. He is not represented since he usually placed in a cabinet underweight, the spatially of the machinery is removed. In this cabinet is too a cosine phi control module arranged. This can be very beneficial an optimal cosine phi for the electrical system can be reached.

Durch die erfindungsgemäße Generator/Phasenschiebermaschineneinrichtung mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Umschalteinrichtung ergibt sich eine äußerst einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Überschussenergie eines Großdiesels zu nutzen und dabei bis zu 5 bis 10% der verbrauchten Energie einzusparen. Trotz dieses erheblichen Vorteils ist die Maschinenanlage, die dafür notwendig ist, von äußerster Einfachheit und sehr kostengünstig. Die erreichten Vorteile sind also erheblich, ohne dass ein erheblicher Aufwand, z. B. durch die Verwendung einer Dampfturbinenanlage mit Abgaswärmetauscher, betrieben werden muss. Das erfindungsgemäße System ist für Zweitakt-Großdieselmaschinen besonders vorteilhaft, u. U. kann es jedoch auch für Viertaktgroßdiesel von Vorteil sein.By the generator / phase shifter device according to the invention with the inventively provided Switching device results in an extremely simple and cost-effective way the surplus energy a big diesel to save up to 5 to 10% of the energy consumed. Despite this considerable advantage is the machinery that is necessary is, of the utmost Simplicity and very cost-effective. The advantages achieved are thus significant, without a significant Effort, z. B. by the use of a steam turbine with Exhaust gas heat exchanger, must be operated. The system according to the invention is for two-stroke large diesel engines particularly advantageous, u. However, it may also be for four-stroke diesel engines be beneficial.

Claims

System for utilizing excess energy in the exhaust gases of a large diesel engine ( 1 ), in particular a two-stroke large diesel engine, on board a ship with electrical wiring system ( 12 ), wherein the exhaust gases are first supplied to exhaust gas turbochargers and then in an exhaust gas turbine ( 8th ) and wherein the exhaust gas turbine ( 8th ) a generator ( 10 ), the electrical energy in the electrical system ( 12 ) of the ship and where the generator ( 10 ) is switchable as a reactive power machine.

System according to claim 1, characterized in that the generator ( 10 . 22 ) a start-up motor ( 11 . 21 ) and that between the exhaust gas turbine ( 8th . 24 ) and the generator ( 10 . 22 ) a transmission and an overrunning clutch ( 23 ), in particular in the form of an SSS clutch, are arranged.

System according to claim 1 or 2, characterized in that the generator ( 10 . 22 ) has a characteristic-guided voltage regulation and that is switched for a reactive power generation from the generator characteristic to a phase shifter characteristic.

System according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the large diesel engine ( 1 ) except its main exhaust gas line ( 7 ), in particular with respect to its flow adjustable, bypass exhaust pipe ( 9 ), wherein the bypass exhaust pipe ( 9 ) to the exhaust gas turbine ( 8th ) leads.

System according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the exhaust gas turbine ( 24 ), The gear ( 23 ) with the SSS clutch, which can be operated as a phase shifter generator ( 22 ) and the start-up motor ( 21 ) on a common base frame ( 20 ) are arranged.

System according to claim 1, 2, 3, 4 or 5, characterized in that the generator ( 10 . 22 ) has a power converter, the output side provides for the electrical system frequency, the vehicle electrical system voltage and the phase position of the generated electrical energy.

System according to claim 6, characterized in that the phase shifter ( 10 ) is operated with a cosine phi of 0.9-1.