JP2008248827A

JP2008248827A - 発電装置

Info

Publication number: JP2008248827A
Application number: JP2007092551A
Authority: JP
Inventors: Hajime Nakamura; 中村　　元
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】排気側の蒸気圧力を一定に保ちながら、大きな発電電力が得られる発電装置を提供する。
【解決手段】発電機６が接続された容積式スチームエキスパンダ５の吸気側と排気側とを接続するバイパス流路２０に開度調節可能なバイパス弁１９を設け、容積式スチームエキスパンダ５の排気圧力Ｐｄの予め設定した目標排気圧力に対する偏差を負方向に帰還した排気帰還演算値Ｃｄを算出し、排気帰還演算値Ｃｄが所定の設定値Ｃｓ以下の場合は、排気帰還演算値Ｃｄが大きいほど発電機運転周波数設定手段１０の設定値を高くし、且つ、バイパス弁１９を全閉状態に保持し、排気帰還演算値Ｃｄが設定値Ｃｓ以上の場合は、発電機運転周波数設定手段１０の設定値を最大にし、且つ、排気帰還演算値Ｃｄが高いほど吸気調整弁１９の開度を大きくする。
【選択図】図１

Description

本発明は発電装置に関する。

蒸気でタービンを回して発電機を駆動する発電装置が広く用いられている。また、タービンから吐出される低圧の蒸気を２次利用することも、例えば、特許文献１および２に記載されている。

また、特許文献３には、タービンの回転数を発電機の周波数設定によって制御する技術についての記載がある。また、特許文献４には、タービンの吸気圧を調整するために吸気側の蒸気を排気側にバイパスする技術が記載されている。

タービンを用いた発電装置では、タービンから吐出される低圧蒸気の圧力を制御することが難しく、低圧蒸気の安定した供給が困難であり、低圧蒸気の用途が限られている。

そこで、スクリュ膨張機のような容積式スチームエキスパンダの利用の可能性が検討される。容積式スチームエキスパンダは、回転数によらず、給気圧力（１次側圧力）と排気圧力（２次側圧力）との差でトルクが決まり、蒸気流量が回転数に比例するというフラットな特性を有している。

容積式スチームエキスパンダを用いたとしても、低圧蒸気を汎用的および効率的に２次利用するためには、低圧蒸気の使用量が変化しても低圧蒸気の圧力が変動しないようにするために、発電装置の排気側にバッファタンクまたは容積の大きなヘッダを設ける必要がある。しかしながら、バッファ容量を無限に大きくすることはできないため、低圧蒸気の使用量が継続的に多くなるとバッファ圧力が低下し、低圧蒸気の使用量が継続的に少なくなるとバッファ圧力が上昇してしまうという問題がある。

また、低圧蒸気を安定して利用するためには、発電機のメンテナンスやトラブルの際にも、排気側に蒸気を供給するために、吸気側と排気側とを接続するバイパス流路を設けることが好ましいが、発電中に蒸気をバイパスすると、発電に利用できるエネルギーが少なくなるので、発電機の能力を十分に発揮することがでず、発電電力が低下してしまうという問題がある。
特開２００６−２５７６号公報特開２００４−１００６５７号公報特開２００５−１７６４９６号公報特開平１１−３０３６１０号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、排気側の蒸気圧力を一定に保ちながら、大きな発電電力が得られる発電装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による発電装置の第１の態様は、蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、前記容積式スチームエキスパンダの吸気側と排気側とを接続するバイパス流路に設けられ、開度調節可能なバイパス弁と、前記容積式スチームエキスパンダの排気圧力を検出する排気圧力検出器と、前記排気圧力検出器が検出した排気圧力の予め設定した目標排気圧力に対する偏差を負方向に帰還した排気帰還演算値を算出し、前記排気帰還演算値に応じて、前記発電機運転周波数設定手段の設定値および前記吸気調整弁の開度を変更する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記排気帰還演算値が所定の設定値以下の場合は、前記排気帰還演算値が大きいほど前記発電機運転周波数設定手段の設定値を高くし、且つ、前記バイパス弁を全閉状態に保持し、前記排気帰還演算値が前記設定値以上の場合は、前記発電機運転周波数設定手段の設定値を最大にし、且つ、前記排気帰還演算値が高いほど前記吸気調整弁の開度を大きくするものとする。

この構成によれば、排気帰還演算値が低く、排気圧力を急に上昇させる必要がないか、排気圧力を低下させる必要がある場合には、バイパス弁を閉じたまま発電機の速度制御によって排気圧力を調節する。発電機の速度制御は、発電電力を増大させることで、発電に利用する蒸気の量を増加させ、結果として、排気圧力を上昇させるものである。このため、２次側にはエネルギーの一部を電力に変換して低圧になった蒸気だけを供給するので、発電電力を可能な限り大きくすることができるが、間接的に排気圧力を制御するので応答性に劣る。そこで、本発明の発電装置では、排気帰還演算値が高くなり、排気圧力を急に上昇させる必要が生じたときには、バイパス弁を開いて容積式スチームエキスパンダを介さずに排気側に蒸気を供給し、迅速に排気圧力を上昇させる。

また、本発明による発電装置の第２の態様は、蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、前記膨張器の吸気側に設けられた開度調節可能な吸気調整弁と、前記容積式スチームエキスパンダの吸気側と排気側とを接続するバイパス流路に設けられ、開度調節可能なバイパス弁と、前記容積式スチームエキスパンダの排気圧力を検出する排気圧力検出器と、前記排気圧力検出器が検出した排気圧力の予め設定した目標排気圧力に対する偏差を負方向に帰還した排気帰還演算値を算出し、前記排気帰還演算値に応じて、前記発電機運転周波数設定手段の設定値および前記吸気調整弁の開度を変更する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記排気帰還演算値が所定の設定値以下の場合は、前記排気帰還演算値が大きいほど前記吸気調整弁の開度を大きくし、且つ、前記バイパス弁を全閉状態に保持し、前記排気帰還演算値が前記設定値以上の場合は、前記吸気調整弁の開度を最大に保持し、且つ、前記排気帰還演算値が高いほど前記吸気調整弁の開度を大きくするものとする。

この構成によれば、排気帰還演算値が低く、排気圧力を急に上昇させる必要がないか、排気圧力を低下させる必要がある場合には、バイパス弁を閉じたまま吸気調整弁の開度制御によって、容積式スチームエキスパンダに供給する蒸気量を調節することで排気圧力を目標排気圧力に近づける。また、排気帰還演算値が高くなり、排気圧力を急に上昇させる必要が生じたときには、バイパス弁を開いて容積式スチームエキスパンダを介さずに排気側に蒸気を供給し、迅速に排気圧力を上昇させる。

また、本発明の発電装置において、前記排気帰還演算値を、前記排気圧力の前記目標排気圧力に対する偏差のＰＩＤ出力とすれば、微分要素や積分要素によって排気圧力の適切な制御ができる。

本発明によれば、通常は、排気側で需要される蒸気の全量を、発電によってエネルギーを消費した蒸気でまかない、排気圧力を急に上昇させる必要が生じたときだけ、バイパス弁を開いて発電に寄与しない蒸気を供給する。これにより、可能な限り蒸気を発電に利用して発電電力を大きくでき、急激に２次側の需要が増加したときには、バイパス弁を開いて排気圧力の低下を防止できる。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の発電装置１を示す。発電装置１は、電力系統２に連係変圧器３を介して接続されている。

発電装置１は、高圧蒸気ヘッダ４から所定圧力Ｐｓ（例えば５ＭＰａ）の高圧蒸気が供給され、高圧蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダの一種であるスクリュエキスパンダ５と、スクリュエキスパンダ５の回転軸に接続された発電機６とを有している。

発電機６は、いわゆる力行運転、回生運転の切り換え可能なモータジェネレータである。この発電機６には、回転子に永久磁石が埋め込まれ、固定子に巻線を含む永久磁石埋込型のものが望ましい。

スクリュエキスパンダ５は、高圧蒸気の膨張力を回転力に変換し、低圧の蒸気を排気する。発電機６は、スクリュエキスパンダ５の回転力を電力に変換する。

発電機６の出力は、出力周波数変換器７によって商用周波数に変換され、連係変換器３を介して電力系統に導出されるようになっている。この出力周波数変換器７は、コンバータ８とインバータ９とによって構成されている。コンバータ８とインバータ９とは、図示しないが、ともに、直列に連結されたダイオードからなる３相のいわゆるハーフブリッジ回路と、そのハーフブリッジ回路に並列に連結されたＩＧＢＴ等のスイッチング素子とによって構成されている。

発電機６に接続されるコンバータ８およびインバータ９は、直流電力から交流電力を生成する逆変換回路（狭義のインバータ）としての機能と、交流電力から直流電力を生成する順変換回路（狭義のコンバータ）としての機能とを切り換え可能なものである。すなわち、発電機６が力行運転（モータとして運転）される際には、コンバータ８が直流から交流電力を生成する逆変換回路（狭義のインバータ）としての機能を果たし、それと同時にインバータ９は交流電力から直流電力を生成する順変換回路（狭義のコンバータ）としての機能を果たす。そして、発電機６が回生運転（発電機として運転）される際には、コンバータ８とインバータ９とは互いの機能を逆転する。

さらに、発電装置１は、コンバータ８をスイッチングする周波数制御装置（発電機運転周波数設定手段）１０と、発電機６の発電電圧と発電電流との位相差を検出する位相検出器１１とを有している。

発電機６は、永久磁石埋込型のものであるので、回転磁界の極と回転子の永久磁石の磁極との吸引および反発に基づくマグネットトルクと、回転磁界の極と回転子の突極との吸引に基づくリラクタンストルクを生じる。このマグネットトルクおよびリラクタンストルクからなる全発生トルクは、いわゆる電流位相角によって変化する（電流位相角が０°から４５°の範囲で正の最大トルクとなり、１３５°から１８０°の範囲で負の最大トルクとなる）。

周波数制御装置１０は、コンバータ８をスイッチングするタイミングを調整することにより、その電流位相角を調整して、発電機６の全発生トルクを制御し、発電機６の運転周波数（回転数）を設定した周波数に合致させる。つまり、周波数制御装置１０は、コンバータ８のスイッチングの位相を遅らせることで発電機６のトルクを増加させ、スクリュエキスパンダ５の回転数を低下させることができる。また、周波数制御装置１０は、コンバータ８のスイッチングの位相を進ませることで発電機６の運転周波数を上昇させることができ、これによって、発電機６の運転周波数を設定値に合致させる。

また、発電装置１において、スクリュエキスパンダ５が排気した低圧蒸気は、バッファタンク１２に貯留され、低圧蒸気流路１３を介して低圧蒸気を２次利用する需要設備に供給されるようになっている。スクリュエキスパンダ５の排気圧力Ｐｄは、バッファタンク１２に設けた圧力検出器１４で検出され、電気信号に変換されて制御装置１５に入力される。

制御装置１５は、ＰＩＤ演算装置１６と、コンソール１７と、設定値制御装置１８とを備えている。ＰＩＤ演算装置１６は、コンソール１７を介してユーザが予め設定した目標排気圧力Ｐｐに対する排気圧力Ｐｄの偏差（Ｐｄ−Ｐｐ）を算出し、算出した偏差と、偏差の積分値と、偏差の微分値とにそれぞれ係数をかけた値を制御値から差し引いた値、つまり、偏差を負の方向に帰還した制御値であるＰＩＤ出力を排気帰還演算値Ｃｄとして出力する。設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄに基づいて、発電機６の運転周波数を決定し、周波数制御装置１０の運転周波数を設定する。

目標排気圧力Ｐｐは、スクリュエキスパンダ５との総合効率を考慮して設計された低圧蒸気の需要設備における２次利用に最適な圧力（例えば０．８ＭＰａ）に設定される。

また、発電装置１は、高圧蒸気ヘッダ４とスクリュエキスパンダ５の排気側とをバイパス弁１９を介して接続するバイパス流路２０を有し、制御装置１５が、排気帰還演算値Ｃｄに応じて、バイパス弁１９の開度を決定するようになっている。

図２に、設定値制御装置１８が設定する、発電機６の運転周波数と、バイパス弁１９の開度との、排気帰還演算値Ｃｄに対する関係を示す。設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄが第１の設定値Ｃｓ以下の場合は、バイパス弁１９を全閉状態に保持し、発電機６の運転速度を、排気帰還演算値Ｃｄが大きくなるほど高くなるように、排気帰還演算値Ｃｄに比例して増加させる。また、設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄが第１の設定値Ｃｓより大きい場合は、発電機６の運転速度を最大に保持し、バイパス弁１９の開度を、排気帰還演算値Ｃｄが大きくなるほど大きくなるように、排気帰還演算値Ｃｄに比例して増加させる。

つまり、発電装置１は、通常、バイパス弁１９を全閉したまま、周波数制御装置１０の運転周波数制御により、排気圧力Ｐｄを目標排気圧力Ｐｐに調整する。しかしながら、周波数制御装置１０の運転周波数制御による間接的な排気圧力Ｐｄの制御は、バイパス弁１９による直接的な排気圧力Ｐｄの制御に比べて、応答性に劣る。このため、制御装置１５は、排気帰還演算値Ｃｄが大きく、排気圧力Ｐｄを急上昇させる必要があると判断されるときだけ、バイパス弁１９を開いて排気圧力Ｐｄの調整を行う。

これにより、低圧蒸気の使用量が急増しない限り、バッファタンク１２に供給される低圧蒸気は、全て、スクリュエキスパンダ５において過剰な圧力が回転力に変換され、発電機６により電気エネルギーに変換されることで圧力低下した蒸気となる。つまり、発電装置１は、低圧蒸気の使用量が急増しない限り、発電機６の発電電力を低圧蒸気の使用量に対して最大化することができる。

また、発電装置１は、低圧蒸気流路１３を介しての低圧蒸気の使用量の急増に対しても、バイパス弁１９を開いて、バッファタンク１２に迅速に蒸気を供給するので、排気圧力Ｐｄを大きく低下させない。

さらに、図３に、本発明の第２実施形態の発電装置１を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態の発電装置１は、高圧蒸気ヘッダ４から吸気調整弁２１を介してスクリュエキスパンダ５に蒸気を供給するようになっている。

本実施形態の制御装置１５は、第１実施形態において、周波数制御装置１０の運転周波数の設定値を制御する代わりに、吸気調整弁２１の開度を制御する。つまり、設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄが第１の設定値Ｃｓ以下の場合は、バイパス弁１９を全閉状態に保持し、吸気調整弁２１の開度を、排気帰還演算値Ｃｄが大きくなるほど大きくなるように、排気帰還演算値Ｃｄに比例して増加させる。

本実施形態の発電装置１も、低圧蒸気の使用量が急増しない限り、発電機６の発電電力を低圧蒸気の使用量に対して最大化することができ、低圧蒸気の使用量の急増に対しても、バイパス弁１９を開いて排気圧力Ｐｄを大きく低下させない。

本発明の第１実施形態の発電装置の構成を示す概略図。図１の発電装置における排気帰還演算値に対する発電機運転周波数およびバイパス弁開度の設定値を示す図。本発明の第２実施形態の発電装置の構成を示す概略図。

符号の説明

１発電装置
２電力系統
４高圧蒸気ヘッダ
５スクリュエキスパンダ（容積式スチームエキスパンダ）
６発電機
７出力周波数変換器
８コンバータ
９インバータ
１０周波数制御装置
１１位相検出器
１４排気圧検出器
１５制御装置
１６ＰＩＤ制御装置
１７コンソール
１８設定値制御装置
１９バイパス弁
２０バイパス流路
２１吸気調整弁

Claims

蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、
前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、
前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、
前記容積式スチームエキスパンダの吸気側と排気側とを接続するバイパス流路に設けられ、開度調節可能なバイパス弁と、
前記容積式スチームエキスパンダの排気圧力を検出する排気圧力検出器と、
前記排気圧力検出器が検出した排気圧力の予め設定した目標排気圧力に対する偏差を負方向に帰還した排気帰還演算値を算出し、前記排気帰還演算値に応じて、前記発電機運転周波数設定手段の設定値および前記吸気調整弁の開度を変更する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記排気帰還演算値が所定の設定値以下の場合は、前記排気帰還演算値が大きいほど前記発電機運転周波数設定手段の設定値を高くし、且つ、前記バイパス弁を全閉状態に保持し、
前記排気帰還演算値が前記設定値以上の場合は、前記発電機運転周波数設定手段の設定値を最大にし、且つ、前記排気帰還演算値が高いほど前記吸気調整弁の開度を大きくすることを特徴とする発電装置。
蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、
前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続された発電機と、
前記発電機の運転周波数を設定する発電機運転周波数設定手段と、
前記膨張器の吸気側に設けられた開度調節可能な吸気調整弁と、
前記容積式スチームエキスパンダの吸気側と排気側とを接続するバイパス流路に設けられ、開度調節可能なバイパス弁と、
前記容積式スチームエキスパンダの排気圧力を検出する排気圧力検出器と、
前記排気圧力検出器が検出した排気圧力の予め設定した目標排気圧力に対する偏差を負方向に帰還した排気帰還演算値を算出し、前記排気帰還演算値に応じて、前記発電機運転周波数設定手段の設定値および前記吸気調整弁の開度を変更する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記排気帰還演算値が所定の設定値以下の場合は、前記排気帰還演算値が大きいほど前記吸気調整弁の開度を大きくし、且つ、前記バイパス弁を全閉状態に保持し、
前記排気帰還演算値が前記設定値以上の場合は、前記吸気調整弁の開度を最大に保持し、且つ、前記排気帰還演算値が高いほど前記吸気調整弁の開度を大きくすることを特徴とする発電装置。
前記排気帰還演算値は、前記排気圧力の前記目標排気圧力に対する偏差のＰＩＤ出力からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。