CN101220754B

CN101220754B - 发电装置

Info

Publication number: CN101220754B
Application number: CN2008100039114A
Authority: CN
Inventors: 吉村省二; 松隈正树; 中村元; 中村诚
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Shengang Compressor Co.,Ltd.
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2028-01-11
Also published as: JP2008169777A; CN101220754A; KR20080066575A; JP4850726B2

Abstract

一种发电装置，设有将蒸汽的膨胀转换为转矩的容积式蒸汽膨胀机；与容积式蒸汽膨胀机的转轴联接的发电机；设定发电机的运转频率的逆变器；检测蒸汽膨胀机的排气压力的压力传感器；以及根据压力传感器测出的排气压力与目标值的偏差而改变逆变器的设定频率的控制单元。根据这种发电装置，即使二次侧的低压蒸汽的使用量变化，也能保持二次侧压力的恒定。

Description

发电装置

技术领域

本发明涉及发电装置。

背景技术

用蒸汽使涡轮机旋转而驱动发电机的发电装置已得到广泛应用。另外，关于将从涡轮机排出的低压蒸汽进行二次利用的方案，例如在特开2006-2576号及特开2004-100657号中也有记载。

在使用涡轮机的发电装置中，难以控制从涡轮机排出的低压蒸汽的压力，且难以实现低压蒸汽的稳定供给，低压蒸汽的用途受到限制。

因此，研究了利用螺旋膨胀机的容积式蒸汽膨胀机的可能性。容积式蒸汽膨胀机具有转矩与转速无关而由供气压力(一次侧压力)与排气压力(二次侧压力)之差决定，且蒸汽流量与转速成正比的平坦特性。

即使采用容积式蒸汽膨胀机，为了通用且高效地二次利用低压蒸汽，需要在发电装置的排气侧设置缓冲罐或大容积集汽箱，以在低压蒸汽的使用量即使变化时低压蒸汽压力也不变动。但是，因为缓冲容量不能无限增大，因此存在这样的问题：一旦低压蒸汽使用量持续增多，缓冲压力就下降，而一旦低压蒸汽的使用量持续减少，缓冲压力就上升。

另外，在特开2005-176496号中记载有通过发电机的频率设定来控制涡轮机转速的技术。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出如下课题：提供一种即使二次侧的低压蒸汽使用量变化，也能够将二次侧压力保持一定的发电装置。

用以解决上述课题的本发明的发电装置由以下部分组成：将蒸汽的膨胀转换为转矩的容积式蒸汽膨胀机；与上述容积式蒸汽膨胀机的转轴联接的发电机；设定上述发电机的运转频率的发电机运转频率设定单元；检测上述容积式蒸汽膨胀机的排气压力的压力传感器；以及根据上述压力传感器测出的排气压力相对于目标值的偏差来改变上述发电机运转频率设定单元的设定频率的控制单元。

根据这种结构，在低压蒸汽的使用量增加时，二次侧的压力下降，因此，通过检测二次侧的压力下降，使发电机的频率即容积式膨胀机的转速上升，使容积式膨胀机的蒸汽流量大于低压蒸汽的使用量，从而能够恢复二次侧的压力。因此，上述控制单元可以根据上述排气压力相对于目标值的偏差，对上述发电机运转频率设定单元的设定频率进行负反馈，以在上述排气压力下降时将上述发电机运转频率设定单元的设定频率增高。

另外，为了二次利用上述容积式蒸汽膨胀机排出的蒸汽，本发明的发电装置最好设有具备缓冲容量的低压管路。

另外，在本发明的发电装置中，如果上述容积式蒸汽膨胀机是螺旋膨胀机，则可得到理想的平坦输出特性。

另外，本发明的发电装置设有将上述发电机的发电电力频率转换为商用频率的变频器，从而能够将发电电力供给通常可使用的电力系统。

另外，在本发明的发电装置中，通过用上述发电机运转频率设定单元改变上述发电机的励磁电流的频率，能够适当地控制容积式蒸汽膨胀机的转速。

另外，本发明的发电装置在上述容积式蒸汽膨胀机的供气侧设有流量调节阀，上述控制单元在上述发电机的转速等效值小于预定的下限值时，控制上述发电机运转频率设定单元的设定频率，使上述转速等效值维持在上述下限值，并且也可控制上述流量调节阀的开度，使上述排气压力维持在上述目标值。

根据这种结构，在通过设于转轴的风扇进行冷却的风冷式发电机中，能够防止发电机的转速过于下降，冷却能力不足而过热的故障。

作为上述转速等效值，也可以设置检测上述发电机的转速的转速传感器，将由该转速传感器测出的转速作为转速等效值。或者，也可以将上述设定频率作为上述转速等效值。

这样，在本发明的发电装置中按照容积式蒸汽膨胀机的排气压力来控制发电机的转速，从而能够将二次侧的蒸汽压力保持一定，而与二次侧的低压蒸汽的使用量无关。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1的发电装置结构的略图。

图2是表示本发明的实施例2的发电装置结构的略图。

图3是表示本发明的实施例3的发电装置结构的略图。

具体实施方式

下面参照附图，说明本发明的实施方式。

图1表示本发明的实施例1的发电装置1。发电装置1通过连接变压器3与电力系统2连接。

发电装置1设有螺旋膨胀机5和同步发电机6，前者是由高压蒸汽集管4供给预定压力Ps(例如5MPa)的高压蒸汽，并将高压蒸汽的膨胀转换为转矩的容积式蒸汽膨胀机的一种，后者连接于螺旋膨胀机5的转轴。

在发电机6的励磁线圈7中能够输入从电力系统2通过连接变压器3供给，且通过励磁变频器8转换为任意频率的电流。励磁变频器8由变换器9和逆变器10构成，前者将被供给的商用频率的电流正向变换为直流，后者将变换器9的输出通过半导体元件的开关动作而变换成所要频率的交流电流。

同步发电机6的转子与加在励磁线圈7上的励磁电流同步旋转，发出与励磁电流相同频率的电力。也就是说，发电机6的运转频率由逆变器10设定。

另外，发电机6的输出能够通过输出变频器11转换为商用频率，并经由连接变压器3导出至电力系统。与励磁变频器8一样，输出变频器11也由变换器12和逆变器13构成。逆变器10由程序控制的控制装置(控制单元)14设定输出频率。也就是说，在本实施例中逆变器10和控制装置14主要起着发电机运转频率设定单元的作用。

螺旋膨胀机5将高压蒸汽的膨胀力转换为转矩，排出低压蒸汽。螺旋膨胀机5排出的蒸汽储存在缓冲罐15中，通过低压蒸汽管路16，供给二次利用低压蒸汽需用设备。螺旋膨胀机5的排气压力Pd由压力传感器17测出，转换为电信号后输入控制装置14。

控制装置14从控制台18输入排气压力Pd的目标压力Pt，能够根据排气压力Pd相对于目标压力Pt的偏差，将负反馈加到逆变器10的设定频率上。例如，由控制装置14进行PID控制，将排气压力Pd相对于目标压力Pt的偏差(Pd-Pt)乘以负常数的值、偏差(Pd-Pt)的积分值乘以负常数的值以及偏差(Pd-Pt)的微分值乘以负常数的值加到逆变器10的设定频率上。

这里，在考虑到与螺旋膨胀机5的总效率而设计的低压蒸汽需用设备中的二次利用中，目标压力Pt设定为最佳压力(例如0.8MPa)。

例如，在低压蒸汽需用设备中的使用蒸汽量Qu比螺旋膨胀机5的排气蒸汽量Qe多时，缓冲罐15内的蒸汽量缓慢减少，缓冲罐15的压力即螺旋膨胀机5的排气压力Pd下降。于是，控制装置14在逆变器10的设定频率上加负反馈，因此逆变器10的输出频率上升，发电机6的励磁频率上升。

由于螺旋膨胀机5的转速与发电机6的励磁频率成正比，因此，一旦排气压力Pd下降，螺旋膨胀机5的转速就上升。于是，随着螺旋膨胀机5的转速上升，螺旋膨胀机5的排气蒸汽量Qe增加。一旦排气蒸汽量Qe比需用设备的使用蒸汽量Qu多，缓冲罐15内的蒸汽量就增加，使缓冲罐15的压力即螺旋膨胀机5的排气压力Pd上升。

在排气压力Pd高于目标压力Pt时，控制装置14在逆变器10的设定频率上加负反馈，因此发电机6的励磁频率下降，螺旋膨胀机5的排气蒸汽量Qe减少。

这样，在发电装置1中，通过控制装置14控制发电机6的励磁频率，可将螺旋膨胀机5的排气压力Pd保持在需用设备中能够最高效率地使用的压力上。

还有，图2表示本发明的实施例2的发电装置1。本实施例中，与实施例1相同的构成要素附加同一标记，其说明省略。本实施例中，发电机6采用风冷型的感应式发电机。另外，本实施例的发电装置1设有：检测发电机6的转速的旋转传感器19；以及限制螺旋膨胀机5供气侧的高压蒸汽管路的流量调节阀20。

本实施例中，旋转传感器19测出的的发电机6的转速被输入控制装置14。在发电机6的转速成为预定的下限转速以下时，控制装置14控制逆变器10的设定频率，使发电机6的转速与螺旋膨胀机5的排气压力Pd无关而保持在下限转速以上。在这种情况下，控制单元14对流量调节阀20的开度进行PID控制，使排气压力Pd维持在目标值Pt上。

发电机6中，用设于转子的转轴上的冷却风扇冷却线圈，但是，如果转速过低，则会冷却不充分，存在过热的危险。因此，通过考虑发电机6的冷却风扇的特性及发电机6的使用温度等，预先设定下限转速，能够防止因发电机6的冷却不充分而导致的故障。

发电机6转速这样的下降，是低压蒸汽的二次使用量Qu极小，排气压力Pd因此上升的情况。于是，通过流量调节阀20，限制螺旋膨胀机5的供气管路，使蒸汽流量减少，从而使排气流量Qe降低，且通过使排气压力降低，可防止缓冲罐15的压力上升。

另外，在发电机5的转速等于下限转速时，使打开流量调节阀20的控制优先于使逆变器10的设定频率上升的控制。也就是说，在发电机5的转速高于下限转速时，流量调节阀20总处于全开状态。

本实施例中，设置旋转传感器19来检测发电机6的转速，但发电机6的转速近似于与励磁频率同步的转速。因此也可将逆变器10的设定频率看作发电机6的转速而加以控制，从而简化控制。

图3表示本发明的实施例3的发电装置1。在本实施例中，与实施例1相同的构成要素附加同一标记，其说明省略。本实施例中的发电机21采用所谓的动力运转/再生运转可切换的电动发电机组。该发电机21，最好选用转子上嵌入永久磁铁、定子上包含线圈的永久磁铁嵌入型发电机。

另外，在发电机21上连接有输出变频器22。该输出变频器22由逆变器23和变换器24构成。逆变器23和变换器24均由用串联的二极管组成的所谓三相半桥式电路和与半桥式电路并联的IGBT等开关元件构成(未图示)。

如上所述，发电机21是动力运转/再生运转可切换的电动发电机组。与该发电机21连接的逆变器23和变换器24，可转换而用作从直流功率生成交流功率的逆变换电路(狭义的逆变器)的功能和从交流功率生成直流功率的正变换电路(狭义的变换器)的功能。也就是说，在发电机21被动力运转(作为发动机运转)时，逆变器23用作从直流生成交流功率的逆变换电路(狭义的逆变器)的功能，与此同时，变换器24发挥作为从交流功率生成直流功率的正变换电路(狭义的变换器)的功能。另外，在发电机21被再生运转(作为发电机运转)时，逆变器23和变换器24的功能互换。

而且，由于发电机21是永久磁铁嵌入型，因此，会产生基于旋转磁场极与转子的永久磁铁磁极之间的吸引和排斥的电磁转矩，以及基于旋转磁场极与转子的凸极之间的吸引的磁阻转矩。此电磁转矩和磁阻转矩、进而总发生转矩都随所谓电流相位角而变化(电流相位角在0°～50°的范围内为正的最大转矩，在135°～180°的范围内为负的最大转矩)。本实施例的发电装置1构成为：通过适当调整电流相位角，使发电机21的总发生转矩的控制、进而使发电机21转速的控制成为可能。具体地说，本实施例的发电装置1构成为：通过从控制装置14对上述逆变器23的开关元件发送经脉宽调制的门信号，进行适当的开关动作，从而使发电机21的总发生转矩的控制、进而发电机21的转速控制成为可能。也就是说，本实施例中，逆变器23和控制装置14主要起到发电机运转频率设定单元的作用。

再有，本发明不限于上述的实施例。例如，也可用矩阵变换器来代替本发明的实施例3的发电装置1中的输出变频器22。与采用从交流转换到直流、再从直流转换到交流的变换器及逆变器相比，采用从交流直接转换到交流的矩阵变换器，在小型和轻量化、高效化方面具有优势。

Claims

1. 一种发电装置，由以下部分组成：

将蒸汽的膨胀转换为转矩的容积式蒸汽膨胀机；

与所述容积式蒸汽膨胀机的转轴联接的发电机；

设定所述发电机的运转频率的发电机运转频率设定单元；

检测所述容积式蒸汽膨胀机的排气压力的压力传感器；以及

根据所述压力传感器测出的排气压力相对于目标值的偏差，改变所述发电机运转频率设定单元的设定频率的控制单元。

2. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

所述控制单元根据所述排气压力相对于目标值的偏差，对所述发电机运转频率设定单元的设定频率进行负反馈。

3. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

在所述容积式蒸汽膨胀机排出蒸汽的蒸汽管路上，设有具备缓冲容量的低压管路。

4. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

所述容积式蒸汽膨胀机是螺旋膨胀机。

5. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

还包括将所述发电机的发电电力频率转换为商用频率的变频器。

6. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

所述发电机运转频率设定单元，通过改变所述发电机的励磁电流频率来设定所述发电机的运转频率。

7. 如权利要求1所述的发电装置，其特征在于：

在所述容积式蒸汽膨胀机的供气侧设有流量调节阀，所述控制单元在所述发电机的转速等效值为预定的下限值以下时，控制所述发电机运转频率设定单元的设定频率，以将所述转速等效值维持在所述下限值上，并且控制所述流量调节阀的开度，以将所述排气压力维持在所述目标值上。

8. 如权利要求7所述的发电装置，其特征在于：

还包括检测所述发电机转速的转速传感器，将所述转速传感器测出的转速作为所述转速等效值。

9. 如权利要求7所述的发电装置，其特征在于：

将所述设定频率作为所述转速等效值。