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うまじありの
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1 水産工学 Fisheries Engineering Vol. 54 No. 1,pp , 報文東京海洋大学練習船神鷹丸の機関部電気部の概要酒井久治 1* 北野庸介 1 Engine and Electric System of Training Vessel SHINYO MARU of Tokyo University of Marine Science and Technology Hisaharu SAKAI 1* and Yosuke KITANO 1 Abstract Training vessel of Tokyo University of Marine Science and Technology, SHINYO MARU was completed at 31 March, The electric driven propulsion system in the vessel was equipped in order to reduce underwater radiation noise from the vessel. These consist of two propulsion systems which is composed of the controllable pitch propeller, the propeller shaft, the reduction gear and the electric propulsion motor. This paper described the outline of the propulsion system and their control system, the electric power system and their control system. 1. はじめに平成 28 年 3 月 31 日に竣工した東京海洋大学練習船神鷹丸の機関電気部の概要, 省エネルギー装置などについて記述する 2. 建造概念の機関電気部への反映 4 つの建造概念 1) のうち, 機関電気部への反映は, 主として, 船舶職員養成機関の練習船の機能, 新学部対応の海洋観測の機能, 災害復興支援の機能であり, 下記にその概要を記述する 1) 船舶職員養成機関の練習船の機能本学海洋科学部では三級海技士 ( 航海 ) の養成施設として認定されているこの中で, 練習船機関部の実習は, 主として機関当直であることから, 狭隘な機関室の脱出経路に関する交通路およびプレート床面の面積を確保した 2) 新学部対応の海洋観測の機能神鷹丸では海洋観測の機能を充実させた特に水中音響装置として, 水中測位装置, 深海浅海マルチナロービーム装置, サブボトムプロファイラー,ADCP, 6 周波計量魚群探知機, 全周型スキャニングソナー, 魚網監視装置などを設けたこのため, 水中放射雑音の低減に努めたが, 本船は純粋な海洋調査船ではなく, 練習船であることを考慮して, 航海実習時の通常航走との両立に努めた具体的には, 海洋観測時の長時間の低速航走, 定点保持および船首定方位保持機能を含むDPS (Dynamic Positioning system) 機能である更に乗組員, 学生, 調査員に対しても振動および騒音の低減の達成は必要不可欠な事項であった以上のことから, 神鷹丸では電気推進システムを導入したなお, 水中放射雑音の基準としてはICESガイドラインを目標とした 3) 災害復興支援の機能これは船舶を保有する大学として, 大規模災害時に対応する支援であり, 神鷹丸では清水, 燃料, 電力の陸上への供給体制の確立である具体的には清水では逆浸透圧式造水機の容量増加 ( 通常時には20 ton/day:500 ppm, 10ton/day:100ppm, 非常時には30ton/day:500ppm) である燃料では軽油タンクの容量を 5 m 3 に増加させて対応した電気では外部給電システム (220V,100V) 2017 年 5 月 8 日受付,2017 年 5 月 8 日受理キーワード : 神鷹丸, 練習船, 東京海洋大学, 機関, 電気 Key words: SHINYO MARU, training vessel, Tokyo University of Marine Science and Technology, Engine system, Electric system 1 Tokyo University of Marine Science and Technology, Konan4-5-7, Minato, Tokyo ( 東京海洋大学, 東京都港区港 4-5-7) * Tel: ,sakai9@kaiyodai.ac.jp 本論は, 平成 28 年度日本水産工学会春季シンポジウム水産学の教育と研究に求められる練習 ( 実習 ) 船の現状と課題 ( 平成 28 年 6 月 ) において講演された内容を取り纏めたものである

2 56 水産工学 Vol. 54 No. 1 Fig. 1 Electric propulsion system を設けた 3. 要目 1) 推進電動機 2 基三相誘導電動機 (NTIKE-RCK 5 : 西芝電機 ) 800kW 885min 1 /237kW 590min 1 2) 主発電装置 3 基原動機 (6DE-18: ダイハツ )810kW 750min 1 発電機 (NTAKL-VE: 西芝電機 )750kW 750min 1 3) 停泊用発電装置原動機 (6DL-16Ae: ダイハツ )336kW 1200min 1 発電機 (NTAKL-VEK: 西芝電機 )300kW 1200min 1 4) 減速機 2 基 MGR1544HC28: 日立ニコトランスミッション, 減速比 1: ) 推進器 2 基 4 翼可変ピッチプロペラ (CPR-53AHCN: かもめプロペラ ) 直径 2,400mm 6) バウスラスタ1 基 TCB-90HN: かもめプロペラ 4. 推進システム電気推進システムを導入するに当たり検討した事項は, 燃料消費量の増加抑制, 保守経費の増加抑制, 機器の専有面積の増加抑制, 安定した従来型技術の採用などであった具体的には, 推進用誘導電動機のインバータ制御の可否であるインバータの導入により, プロペラ回転数の制御が可能になり, 低速時のプロペラ効率の低下が回避できるその反面, インバータの設置面積, 経年劣化に Fig. 2 Rudder and propeller よる保守経費, 水中音響装置への電源ノイズの影響, 排熱処理などの諸問題があり, 採用しなかった動力伝達装置は,DPS 機能を考慮するとメカポットや Zプロペラの採用が妥当であるが, 定期検査などに伴う保守経費の増加や, 山波歯車や蓮場歯車による水中放射雑音の懸念があり, 採用しなかった以上のことにより, 推進システムは, 極数切り替え式三相誘導電動機減速機軸出力計プロペラ軸端面シール可変ピッチプロペラ ( 以降,CPPという) シリングラダーで構成される従来型としたこれを右舷機および左舷機とする 2 基 2 軸電気推進システムとした Fig. 1に電気推進システムの構成と,Fig. 2にプロペラ周りの写真を示す推進システムは, 両舷常用, 両舷低速, 右舷常用, 右舷低速, 左舷常用, 左舷低速のすべての組み合わせで運転可能としたなお, 片舷機運転の場合, 停止舷機の CPPはフェザリングではないが, 最大翼角が35 度まで変

3 東京海洋大学練習船神鷹丸の機関部電気部の概要 57 節でき, 遊転状態を可能とした操縦モードの概要は, 通常モード ( 常用 / 低速 ), 片舷機 ( 右舷 / 左舷の選択, 常用 / 低速 ) モード, 遠隔モード ( ウイング, トロール制御盤 ), システム操船モード (DPS 装置作動, 両舷常用 -バウスラスト運転: ジョイスティック機能, 定点保持機能および船首定方位保持機能 ) とした 5. 電力配電制御システム 1) 構成 Fig. 3に神鷹丸の主配電系統を示す構成は通常の船舶の主配電系統を同一であり, 発電機盤 ( 主発電機 750kW 3 基, 停泊用発電機 300kW 1 基 ), 同期盤, 給電盤, 始動器盤などで構成される推進電動機 (800kW 2 基 ) は, 電動機容量が大きいため, 母線からACB を介して機側にある制御盤へ給電されるなお, 主配電盤などは, 機関制御室に設けたが, スペースの関係上, 裏面嵌め殺しとしたため, 保守作業は前面からのみ可能とした非常用配電盤は船楼甲板にある非常用発電機室に設置された 2) パワーマネージメント制御他船にみられる通常のパワーマネージメントシステムと同一である電力負荷に最適な発電機の台数を制御するものであるが, 停泊用発電機は組み込まなかったなお, 同システムにエコモード制御を付加したこれは, 運転中の発電機の電力供給量 (85% 設定 ) を超えないように,CPP 翼角を自動的に制御するものである最近の練習船は, 燃料費高騰のため, 船速の設定だけでなく, 燃料消費量から翼角を決定する運航方法も取られているこのため, あらかじめ設定された発電機運転台数内で翼角を自動的に制御する本システムは非常に有効であると考える 3) 自動負荷制御装置 (ALC) ALCとは主機の負荷を一定に保持する制御装置であり, 神鷹丸では推進電動機の消費電力を一定に保持するものであるこの場合, 負荷すなわち消費電力の増加および減少の両方に対応してCPPの翼角を調整しているなお, 自動船速制御装置は搭載しなかった 4) 翼角自動減速推進電動機の定格出力は 1 基あたり800kWであり, Fig. 3 System diagram of electric power distribution

4 58 水産工学 Vol. 54 No. 1 Fig. 4 Cooling sea water and cooling fresh water system 主発電機の定格出力は750kWであるため, 並行運転中の発電機に異常が生じた場合, 最悪, 停電に陥る危険性があるこれを回避するため, 下記の原因に対応した措置を講じた ⑴ 推進電動機故障 CPP 翼角前進 10 度まで自動減速する ⑵ 発電機 3 台運転中の 1 台自動停止 CPP 翼角前進 10 度まで自動減速する ⑶ 発電機 2 台運転中に 1 台自動停止左舷推進電動機のクラッチを自動脱 6. 省エネルギー装置 1) ポンプ送風機のインバータ駆動ポンプのインバータ駆動は, 旧船において補助冷却海水ポンプに産業用インバータを設置して実施していた自動制御は導入せず, 航海時に60Hz, 停泊時に40Hzに設定し省エネルギーを図ってきたこのため, 新船でも冷却海水ポンプ, 低温冷却清水ポンプ, 機関室送風機をインバータ駆動とした Fig. 4に冷却海水系統および低温冷却清水系統を示すなお, 両系統とも 2 台のポンプに対してインバータは各 1 台であり, インバータ電源と船内電源を切り替えることで設備経費を節減した冷却海水系統では, 冷却海水ポンプのインバータ制御装置の入力信号を低温冷却清水系統の温調弁の開度とするシステムである低温冷却清水温度が低下すると, 熱交換器のバイバス量 ( 温調弁開度 ) が増加するので, インバータ出力周波数を低減させる船速 10knでは, インバータ出力周波数が44Hzであり, 電力節減率は約 60 % であった低温冷却清水系統では, 低温冷却清水ポンプの吐出圧力を一定値に保持するシステムである低温冷却清水量が減少すると, 低温冷却清水ポンプの吐出圧力が上昇するので, インバータ出力周波数を低減させ, 同ポンプの吐出圧力を一定値に保持するポンプ吐出圧力の設定値が0.21MPaのとき, インバータ出力周波数 56.4Hzであり, 電力節減率は約 20% であった今後, その圧力設定値はもう少し低くすることが可能であろうなお, 本システムでは, 電力削減量を増大させるため, 低温冷却清水を必要とする機器に電動弁または手動弁を設置して, 運転状態に連動して低温冷却清水量を低減させる対策が講じられている具体的には推進電動機, 高温冷却清水用熱交換器, 油圧装置用熱交換器, 空気調和装置, 冷凍装置などである機関室通風機では, インバータの周波数設定用手動調節器により, 風量を調節するものである 2) 船内照明のLED 化消費電力の削減のため, 船内光源である照明器具はすべてLED 照明としたなお, 甲板上の投光器 (500W 相当 ) もLED 照明とした更に, 電路系統を多分割化し, 照明が必要としないときに, スイッチのON-OFFで節電可能とした

5 東京海洋大学練習船神鷹丸の機関部電気部の概要 59 Fig. 5 Fuel consumption on the sea trial 3) 空調区画の多分割化航海時に比べて, 東京停泊時や学生が乗船しない時は, 空調が不要な区画が発生するこれに対応するため, 空調が不要な区画では空調機を停止できるように区画を詳細に検討したその結果, 空調区画を 8 系統としたこれに伴う保守作業の増大を回避するため, 冷房システムは全密閉式圧縮機によるパッケージエアコンとし, 暖房システムでは電気ヒーターを 2 群または 4 群の多分割とし, 各ヒーターの作動温度差を 1 とした 7. 燃料消費特性 Fig. 5は神鷹丸の海上公式試運転の計測結果を基に, 船速対応の燃料消費量を示したものであるなお, 推進システムは両舷常用, 両舷低速, 右舷常用, 右舷低速, 左舷常用, 左舷低速の全ての組み合せで運転可能としたため, 各条件における燃料消費特性を示した両舷駆動常用回転数 ( 負荷 100%) では12.4kn, 燃料消費量が420L/h, 9 knで215l/h, 5 knで130l/hであったこれに対して, 左舷駆動常用回転数では10.5knで 285L/h, 9 knで130l/h(37% 減 ), 5 knで80l/h(38% 減 ) であり, 低速域での燃料消費量の削減が確認できた両舷駆動低速回転数 ( 負荷 100%) では 9 kn,130l/h (39% 減 ) であった以上のことから, 燃料消費量を削減する操縦方法は, 5 knまで片舷駆動低速回転であり, 9 knまで両舷駆動低速回転,10.5knまで片舷駆動常用回転, それ以上の船速は両舷駆動常用回転であり, 概ね40 % 弱の燃料消費量が削減できた海洋観測時やマグロはえ縄操業時には省エネルギーの観点から有効であろう 8. その他 1) 機関室狭隘な機関室であったが, 脱出経路に関する交通路およびプレート床面の面積を確保した更に, 機関室はその多くが水線下にあるため, 機関室各所に水線下 2.0m などを表示したまた, 機関室では建造上の理由により一部に二重底が実施できなかったため, 機関室出入り口には水密扉を設けざるを得なかったしかし, 可能か限り通行上の制約を意識しなくても済むように計画した 2) 冷凍機の冷媒背景として, 改正フロン法 ( フロン排出抑制法 ) では, 圧縮機の電動機出力が7.5kW 以上の場合, フロン系冷媒 Fig. 6 Wireless LAN system for engine part

6 60 水産工学 Vol. 54 No. 1 Table 1 Results of measurement of noise and vibration at 100% load. Place Noise[dB(A)] Vibration(Z)[mms 2 /mms 1 ] Bridge 53/58 *1 12.7/0.4<(286/8) *2 Captain room 44/ /0.1<(286/8) Lecture room 50/ /0.2<(214/6) Mess room 56/ /0.3<(214/6) Cadet bet room 51/ /0.2<(214/6) Professor room 43/ /0.3<(214/6) Engine control room 60/ /0.2<(286/8) *1 53/58 show the measurement value of the new vessel and the previous vessel. *2 (286/8)show the guidelines given by ISO. の専用業者以外の充填禁止, 簡易検査の実施, 専用業者による定期検査が船舶にも適用されたこのため, 自然冷媒の導入, 具体的にはアンモニア / 炭酸ガスによる二元冷凍システムであるしかし, 停止時の冷媒圧力の上昇, 保冷温度 55 が困難, アンモニアの危険性などの問題点があり, 導入を断念した結局, 冷媒 404A, 保冷温度を 40 とし, 2 段圧縮 1 段膨張 ( 電動機 15kW 1 台 ) とし, 冷媒保有量を減少させたなお, 圧縮機の故障を考慮して糧食用冷凍機によるバックアップラインを設置した 3) データロガーシステムおよび関連機器データロガーシステムは通常のものであるが,gateway を介して予備品管理システムおよび機関無線 LANシステムを接続したこれにより, 船内各所の設置したアクセスポイントにより, 船内各所でタブレットおよびスマートフォンによるデータロガーの情報, アラーム情報, 電話機能 ( トランシーバ ), メール機能, 完成図書およびパーツリストの表示が可能になったこれらの機能は業務上だけでなく, 教育用しても活用可能と考える 4) 振動騒音計測結果 Table 1に新船と旧船の計測結果を示す騒音は各計測ポイント共 10 15dB 低減した特に機関室に近い箇所ほどその効果が顕著であったまた, 振動にいたってはISOガイドラインに比較して約 5 % まで減少したこれらの結果から, 本船に採用した電気推進システムと振動騒音対策が功を奏したと考えている実際に乗船しても非常に静かであり, 会話の音が気になるほどであった参考文献 1) 酒井久治, 水産大学系練習船の建造と課題. 水産工学,53(3): ,2017.

<4D F736F F D B B998BC682CC8FC C838B834D815B82C98CFC82AF82C481768DC58F4994C E646F6378>

<4D F736F F D B B998BC682CC8FC C838B834D815B82C98CFC82AF82C481768DC58F4994C E646F6378> 1.1 1 1.2 21 1.3 25 1.4 27 2.1 28 2.2 32 2.3 34 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 39 40 41 42 43 4.1 4.2 44 45 20 1 1.1 1.3 1.1 A 20GT A-1 60 4.9GT 型一本釣漁船 ( 例 ) 4.9GT 型一本釣漁船 ( 例 ) 55 50 通常の航海速力 :14.5 ノット 55 45 主機関燃料消費量