JP2012002185A - 発電プラント設備およびその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】発電効率の高い発電プラント設備を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の発電プラント設備１は、ディーゼル機関５と、ディーゼル機関５から排出された排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置６と、蒸気発生装置６によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン７と、蒸気タービン７からの回転出力を減速し、ディーゼル機関５の回転軸３に伝達する減速機１０と、ディーゼル機関５の回転軸３に接続され、ディーゼル機関５および蒸気タービン７から得た駆動力によって発電する共用発電機１１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電用のディーゼル機関に加え、このディーゼル機関から排熱回収して得た蒸気によって駆動される蒸気タービンを備えた発電プラント設備およびその運転方法に関するものである。
ディーゼル機関による発電プラント設備において、ディーゼル機関からの排熱によって生成した蒸気を用いて駆動される蒸気タービンを備えたものが知られている（例えば下記特許文献１の図２参照）。この蒸気タービンによって蒸気タービン用発電機を駆動し、排熱回収したエネルギーによる発電を行う。この排熱回収のための蒸気タービン用発電機は、ディーゼル機関に接続された主たるディーゼル機関用発電機とは別に設けられている。したがって、発電機が２つ設けられた発電プラント設備となっている。
特開２００４−１９０５５８号公報（図２）
しかし、主たるディーゼル機関用発電機に加えて排熱回収のための蒸気タービン用発電機を導入することは、排熱回収によって発電できるという省エネルギーの観点からの利点はあるが、追加設置する発電機や配電盤等の設置コストがかかるためコストアップの原因となる。さらに、上記特許文献１には明示されていないが、通常、蒸気タービン用発電機を定格回転数で駆動するために、蒸気タービンには専用の調速ガバナ（蒸気加減弁）およびその制御装置が必要とされ、これもコストアップの原因となる。
また、発電設備のプラント効率（エネルギ効率）の観点からは、追加設置する蒸気タービン用発電機の発電損失（機械エネルギーから電気エネルギーへの変換時の損失等）が不可避となり好ましくない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ディーゼル機関の排熱によって駆動される蒸気タービンを備えた場合であっても、コスト増大を招くことなく発電効率の高い発電プラント設備を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発電プラント設備およびその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる発電プラント設備は、ディーゼル機関と、該ディーゼル機関から排出された排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、該蒸気発生装置によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンからの回転出力を前記ディーゼル機関の回転軸に伝達する減速機と、前記ディーゼル機関の前記回転軸に接続され、前記ディーゼル機関および前記蒸気タービンから得た駆動力によって発電する共用発電機とを備えていることを特徴とする。
ディーゼル機関の排熱が蒸気発生装置によって回収され、回収された排熱によって生成された蒸気によって蒸気タービンが駆動される。蒸気タービンからの回転出力は、減速機を介してディーゼル機関の回転軸に伝達される。このように、蒸気タービンによってディーゼル機関が加勢（アシスト駆動）される。そして、ディーゼル機関の回転軸には発電機が接続されている。
ここで、本発明の発電プラント設備は、ディーゼル機関および蒸気タービンが発電機を共用しており、従来のように、ディーゼル機関用発電機および蒸気タービン用発電機といったようにそれぞれ別個の発電機を備えていない。
したがって、蒸気タービン用発電機を追加設置することによる設置コストの上昇を回避することができるとともに、追加設置した発電機を備えることによる発電損失の増大を招くことがない。
さらに、本発明は蒸気タービンによってディーゼル機関を加勢するので、ディーゼル機関の燃費が向上する。
さらに、本発明の発電プラント設備は、前記ディーゼル機関の回転数を調整する調速ガバナを制御するガバナ制御部を備え、該ガバナ制御部は、前記ディーゼル機関の前記回転軸に入力される前記蒸気タービンの回転出力に応じて前記調速ガバナを制御することを特徴とする。
ガバナ制御部によって、蒸気タービンの回転出力に応じてディーゼル機関の調速ガバナを制御することとした。これにより、蒸気タービン専用の調速ガバナを設ける必要がなくなり、さらなるコスト低減が実現される。例えば、蒸気タービンの回転出力が増大した場合には、定格回転数を維持するためにディーゼル機関の出力が低下するように調速ガバナが制御される。
さらに、本発明の発電プラント設備では、前記減速機は、前記蒸気タービンの回転軸側に取り付けられた小歯車と前記ディーゼル機関の回転軸側に取り付けられた大歯車との間に、１又は複数のアイドリング歯車が設けられていることを特徴とする。
アイドリング歯車を１又は複数設けることによって、ディーゼル機関の回転軸と蒸気タービンの回転軸との距離を調整することができる。これにより、ディーゼル機関に対する蒸気タービンの設置の自由度が向上する。
また、本発明の発電プラント設備の運転方法は、ディーゼル機関と、該ディーゼル機関から排出された排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、該蒸気発生装置によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、該蒸気タービンからの回転出力を前記ディーゼル機関の回転軸に伝達する減速機と、前記ディーゼル機関の前記回転軸に接続された共用発電機とを備えた発電プラント設備の運転方法であって、前記共用発電機に対して、前記ディーゼル機関および前記蒸気タービンから得た駆動力を伝達することを特徴とする。
ディーゼル機関の排熱が蒸気発生装置によって回収され、回収された排熱によって生成された蒸気によって蒸気タービンが駆動される。蒸気タービンからの回転出力は、減速機を介してディーゼル機関の回転軸に伝達される。このように、蒸気タービンによってディーゼル機関が加勢（アシスト駆動）される。そして、ディーゼル機関の回転軸には発電機が接続されている。
ここで、本発明の発電プラント設備は、ディーゼル機関および蒸気タービンが発電機を共用しており、従来のように、ディーゼル機関用発電機および蒸気タービン用発電機といったようにそれぞれ別個の発電機を備えていない。
したがって、蒸気タービン用発電機を追加設置することによる設置コストの上昇を回避することができるとともに、追加設置した発電機を備えることによる発電損失の増大を招くことがない。
さらに、本発明は蒸気タービンによってディーゼル機関を加勢するので、ディーゼル機関の燃費が向上する。
本発明は、発電機に接続されたディーゼル機関の回転軸へ蒸気タービンの回転出力を伝達することによって発電機を共用することとしたので、蒸気タービン用発電機を追加設置することによる設置コストの上昇を回避することができるとともに、追加設置分の発電機による発電損失の増大を招くことがない。
また、蒸気タービンによってディーゼル機関を加勢することができるので、ディーゼル機関の燃費が向上する。
本発明の発電プラント設備を示した概略構成図である。
以下に、本発明の発電プラント設備およびその運転方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示されているように、例えば陸上に設置された発電プラント設備１は、ディーゼル機関５と、ディーゼル機関５が排出する高温の排ガスによって蒸気を生成する蒸気発生装置６と、蒸気発生装置６にて発生した蒸気によって駆動される蒸気タービン７と、蒸気タービン７の回転数をディーゼル機関出力軸３に伝達する減速機１０と、ディーゼル機関出力軸３に接続された発電機（共用発電機）１１とを有している。
ディーゼル機関５は、過給器１４と排ガス管３０Ａとを有している。ディーゼル機関５にはその出力軸であるディーゼル機関出力軸（回転軸）３の一端が直結され、このディーゼル機関出力軸３を回転駆動する。ディーゼル機関出力軸３の他端には、カップリング２１を介して発電機１１の入力軸となる発電機入力軸４が固定されている。
ディーゼル機関５に設けられた過給器１４は、同軸上に設けられたタービン１４Ａと圧縮機１４Ｂとを有している。タービン１４Ａは、ディーゼル機関５から排出された排ガスが導かれ回転駆動される。タービン１４Ａが駆動されると、同軸上に設けられた圧縮機１４Ｂが回転し空気を圧縮する。圧縮された空気は、ディーゼル機関５に供給される。
タービン１４Ａの下流側は、排ガス管３０Ａによって後述する排ガスエコノマイザ１５に接続されている。
ディーゼル機関５は、出力回転数を調整する調速ガバナ（図示せず）を備えている。調速ガバナによって投入燃料量が調整され出力回転数が調整される。調速ガバナは、図示しないガバナ制御部によって制御される。
蒸気発生装置６は、排ガスエコノマイザ１５と汽水分離器１６とを備えている。
排ガスエコノマイザ１５は、その煙道内に過熱器１５Ａと蒸発器１５Ｂとを有している。過熱器１５Ａと蒸発器１５Ｂとは、排ガスエコノマイザ１５内を下から上（排ガス流れの上流側から下流側）に向かって順番に平行に据え付けられている。排ガスエコノマイザ１５の煙道内には、高温の排ガスが流れ、その下流側に接続された煙突（図示せず）を経て大気に放出される。過熱器１５Ａには、汽水分離器１６の上部から蒸気が導かれる。蒸発器１５Ｂには、汽水分離器１６の下部から水が導かれる。
汽水分離器１６内は、水と蒸気が上下にそれぞれ分離して収容されている。汽水分離器１６には、ボイラ水循環管３３Ｃから水が供給される。汽水分離器１６内の水は、ボイラ水循環ポンプ１７によって排ガスエコノマイザ１５内の蒸発器１５Ｂに導かれる。汽水分離器１６には、排ガスエコノマイザ１５の蒸発器１５Ｂからの水分を含んだ湿り蒸気が導かれ水と蒸気とに分離される。分離された蒸気は、排ガスエコノマイザ１５内の過熱器１５Ａに導かれ過熱蒸気とされる。
蒸気タービン７は、タービン７Ａと、タービン出力軸（回転軸）７Ｂと、蒸気流量調整弁２０Ａとを有している。タービン７Ａは、蒸気によって回転駆動され、タービン７Ａに接続されているタービン出力軸７Ｂを回転させる。排ガスエコノマイザ１５と蒸気タービン７との間に設けられた蒸気流量調整弁２０Ａは、排ガスエコノマイザ１５内の過熱器１５Ａから蒸気タービン７に供給される蒸気流量を調整するものであり、全閉及び全開が可能とされているとともに、全閉と全開との間の中途位置での開度調整も可能となっている。
蒸気流量調整弁２０Ａは、蒸気止め弁としての役割と、蒸気発生量に応じて蒸気タービン７の回転数を昇速するための昇速弁としての役割とを有している。しかし、蒸気タービン７の回転数を所定値に維持するためのガバナとしての役割は有していない。発電機１１の発電機入力軸４を定格回転数に維持するためのガバナ機能は、ディーゼル機関５に設けられた調速ガバナ（図示せず）のみによって行われる。したがって、蒸気流量調整弁２０Ａの開度調整は、後述する自動嵌脱クラッチ１２が嵌合する回転数まで昇速する際に主として行われる。
減速機１０は、後述する自動嵌脱クラッチ１２とディーゼル機関出力軸３との間を接続している。減速機１０は、自動嵌脱クラッチ１２側から順に、小歯車１０Ａ、アイドリング歯車１０Ｂおよび大歯車１０Ｃを備えており、この順に歯数が増加する。小歯車１０Ａは、タービン出力軸７Ｂに接続された自動嵌脱クラッチ１２の入力軸１２Ａに接続されている。大歯車１０Ｃは、ディーゼル機関出力軸３に接続されている。中間歯車であるアイドリング歯車１０Ｂは、小歯車１０Ａと大歯車１０Ｃとの間を接続している。
なお、本実施形態では、１つのアイドリング歯車１０Ｂを示しているが、２以上のアイドリング歯車を直列に接続して用いても良い。
自動嵌脱クラッチ１２とは、シンクロ・セルフシフティング・クラッチ又はＳＳＳ（スリーエス）クラッチとも呼ばれ、タービン出力軸７Ｂの回転数が自動嵌脱クラッチ１２の入力軸である減速機入力軸１２Ａの回転数に達した際に爪が噛み合い嵌合してタービン出力軸７Ｂと減速機入力軸１２Ａとを結合する。自動嵌脱クラッチ１２が嵌合して回転している際に、タービン出力軸７Ｂの回転数が減速機入力軸１２Ａの回転数よりも低くなった場合には、嵌合が自動的に外れタービン出力軸７Ｂと減速機入力軸１２Ａとを切り離す働きをする。
発電機１１は、ディーゼル機関出力軸３から発電機入力軸４へと伝達された回転出力によって発電する。また、発電機１１には、減速機１０を介して得られる蒸気タービン７の回転出力も伝達される。発電機１１の電気出力は、出力電線２３及び遮断機２５を介して系統３０へと導かれる。
発電機１１は、ディーゼル機関５だけでなく蒸気タービン７の出力を得て駆動される共用の発電機とされている。すなわち、蒸気タービン７の出力によって発電する蒸気タービン専用の発電機が別個独立に設けられているわけではない。
次に、上述した発電プラント設備１の運転方法について説明する。
ディーゼル機関５が運転を開始すると、ディーゼル機関５に直接接続されているディーゼル機関出力軸３と、発電機１１の発電機入力軸４と、ディーゼル機関出力軸３上に設けられた減速機１０とが回転する。ディーゼル機関５は、系統３０が要求する電力仕様に適合して発電機１１が動作するように、定格回転数（例えば約５１４ｒｐｍ）で運転される。例えば発電機１１の回転数を得てフィードバック制御を行うガバナ制御部によって調速ガバナが制御され、これにより、ディーゼル機関５の回転数が制御される。
ディーゼル機関５から排出された排ガスは、排ガス管３０Ａを経て排ガスエコノマイザ１５に導かれる。排ガスは、排ガスエコマイザ１５内を通過する際に過熱器１５Ａ及び蒸発器１５Ｂと熱交換をする。蒸発器１５Ｂ内の水は、排ガスと熱交換することによって湿り蒸気となる。この湿り蒸気は、汽水分離器１６に導かれて水分が分離された後、排ガスエコノマイザ１５の過熱器１５Ａに導かれる。過熱器１５Ａ内の蒸気は、排ガスと熱交換することによって過熱蒸気となる。
過熱蒸気は、過熱蒸気管３０Ｂに導かれる。過熱蒸気管３０Ｂに導かれた過熱蒸気は、蒸気流量調整弁２０Ａを経て蒸気タービン７の入口側に供給される。蒸気タービン７は、導かれた蒸気によって回転駆動される。蒸気タービン７が回転することによってタービン出力軸７Ｂが回転する。
自動嵌脱クラッチ１２は、蒸気タービン７によって駆動されるタービン出力軸７Ｂがディーゼル機関５によって駆動される減速機１０の減速機入力軸１２Ａと同等の回転数になった際に自動的に嵌合される。これによって、蒸気タービン７の回転エネルギーが減速機１０を介してディーゼル機関出力軸３に伝達される。
自動嵌脱クラッチ１２は、タービン出力軸７Ｂの回転数が減速機入力軸１２Ａの回転数よりも低くなった際には、嵌合が自動的に外れて、減速機１０と蒸気タービン７との間が非連結状態となり、蒸気タービン７の回転エネルギーは、ディーゼル機関出力軸３に伝達されなくなる。
蒸気タービン７の起動時は、以下のように動作する。
先ず、起動前において、蒸気流量調整弁２０Ａは全閉とされ、自動嵌脱クラッチ１２は非連結とされる。
蒸気発生装置６にて蒸気が生成され、過熱蒸気管３０Ｂから供給された過熱蒸気が所定量以上となると、蒸気流量調整弁２０Ａは全閉状態から微開状態とされる。そして、蒸気流量調整弁２０Ａの開度を徐々に大きくしていき、蒸気タービン７の回転数を昇速させる。タービン出力軸７Ｂの回転数が所定値に達すると、自動嵌脱クラッチ１２が連結状態となり、蒸気タービン７の回転出力が、自動嵌脱クラッチ１２、及び減速機１１を介してディーゼル機関出力軸３へと伝達される。
自動嵌脱クラッチ１２が連結状態となった後は、蒸気流量調整弁２０Ａは全開または所定開度で固定とされる。すなわち、蒸気流量調整弁２０Ａによってガバナ制御を行うことはない。ディーゼル機関出力軸３の回転数は、あくまでもディーゼル機関５の調速ガバナのみによって行われる。この調速ガバナは、蒸気タービン７の回転出力に応じて制御され、例えば、蒸気タービン７の回転出力が増大した場合には、定格回転数を維持するためにディーゼル機関５の出力が低下するように調速ガバナが制御される。
以上の通り、本実施形態の発電プラント設備およびその運転方法によれば、以下の効果を奏する。
蒸気タービン７からの回転出力は、減速機１０を介してディーゼル機関５の回転軸に伝達されるようにして、共用の発電機１１にて発電することとした。すなわち、従来のように、ディーゼル機関用発電機および蒸気タービン用発電機といったようにそれぞれ別個の発電機を備えていない構成とした。したがって、蒸気タービン用発電機を追加設置することによる設置コストの上昇を回避することができるとともに、２つの発電機を備えることによる発電損失の増大を招くことがない。
また、蒸気タービン７によってディーゼル機関５を加勢するので、ディーゼル機関５の燃費を向上させることができる。
また、ガバナ制御部によって、蒸気タービン７の回転出力に応じてディーゼル機関５の調速ガバナを制御することとしたので、蒸気タービン専用の調速ガバナを設ける必要がなくなり、さらなるコスト低減が実現される。
アイドリング歯車１０Ｂを１又は複数設けることとしたので、ディーゼル機関出力軸３とタービン回転軸７Ｂとの距離を調整することができる。これにより、ディーゼル機関５に対する蒸気タービン７の設置の自由度を向上させることができる。
なお、発電プラント設備１は、陸上に設置されていることを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
１ 発電プラント設備
５ ディーゼル機関
６ 蒸気発生装置
７ 蒸気タービン
１０ 減速機
１１ 発電機（共用発電機）
１２ 自動嵌脱クラッチ

Claims (4)

  1. ディーゼル機関と、
    該ディーゼル機関から排出された排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、
    該蒸気発生装置によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
    該蒸気タービンからの回転出力を前記ディーゼル機関の回転軸に伝達する減速機と、
    前記ディーゼル機関の前記回転軸に接続され、前記ディーゼル機関および前記蒸気タービンから得た駆動力によって発電する共用発電機と、
    を備えていることを特徴とする発電プラント設備。
  2. 前記ディーゼル機関の回転数を調整する調速ガバナを制御するガバナ制御部を備え、
    該ガバナ制御部は、前記ディーゼル機関の前記回転軸に入力される前記蒸気タービンの回転出力に応じて前記調速ガバナを制御することを特徴とする請求項１に記載の発電プラント設備。
  3. 前記減速機は、前記蒸気タービンの回転軸側に取り付けられた小歯車と前記ディーゼル機関の回転軸側に取り付けられた大歯車との間に、１又は複数のアイドリング歯車が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の発電プラント設備。
  4. ディーゼル機関と、
    該ディーゼル機関から排出された排ガスから排熱を回収して蒸気を生成する蒸気発生装置と、
    該蒸気発生装置によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
    該蒸気タービンからの回転出力を前記ディーゼル機関の回転軸に伝達する減速機と、
    前記ディーゼル機関の前記回転軸に接続された共用発電機と、
    を備えた発電プラント設備の運転方法であって、
    前記共用発電機に対して、前記ディーゼル機関および前記蒸気タービンから得た駆動力を伝達することを特徴とする発電プラント設備の運転方法。
JP2010139597A 2010-06-18 2010-06-18 発電プラント設備およびその運転方法 Withdrawn JP2012002185A (ja)

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