JP2013224602A - 太陽熱タービンシステム、そのシステム制御装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機やタービンのオーバースピードやサージングを良好に防止することができる太陽熱タービンシステムを提供する。
【解決手段】例えば、太陽熱タービンシステムに停止要求が発生すると、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限機構に制限させるので、太陽熱タービンシステムを稼働させる高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方のエネルギを制限することができる。このとき、即座には抽気が実行されないので、これが負荷となって圧縮機の回転速度の上昇を抑制することができ、太陽熱タービンシステムのオーバースピードを良好に防止することができる。そして、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方が制限された後、圧縮機で生成途中の高圧作動流体を抽気作動流体として抽気するので、オーバースピードが防止された圧縮機の内圧を低減させることができ、そのサージングを良好に防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、集光した太陽光の熱エネルギでタービン発電機を駆動して発電する太陽熱タービンシステム、そのシステム制御装置および方法、に関するものである。

現在、各種の発電システムが利用されているが、エコロジの観点から自然エネルギの利用が注目されている。例えば、タワー方式の太陽熱タービンシステムは、地上に設置された複数の反射鏡からなるヘリオスタットによって太陽光を反射し、地上に設置されたタワーの上部の太陽熱受熱器に集光させて熱エネルギを発生させる。

このようなタワー方式の太陽熱タービンシステムでは、回転駆動される圧縮機で空気などの作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する。この高圧作動流体は太陽熱受熱器で加熱されて高温作動流体が生成される。

この高温作動流体はタービンを回転駆動する。このタービンにより圧縮機とタービン発電機とが回転駆動されるので、これで電力が生成される（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、上述のような太陽熱タービンシステムには、圧縮機で圧縮途中の高圧作動流体の一部を抽気作動流体として抽気させるものもある。なお、太陽熱タービンシステムとしては、上述したタワー方式以外にも、トラフ方式、ビームダウン方式、等がある。

しかし、上述のような太陽熱タービンシステムで、例えば、タービン発電機に接続されている電気的な負荷が、タービンシステムや電気系統の異常などのために消失する、いわゆるトリップが発生することがある。この場合、タービン発電機に作用していた機械的な負荷も急激に減少するため、タービン発電機に、いわゆるオーバースピードやサージングが発生することがある。

そこで、特許文献３には、トリップが発生すると、圧縮機からタービンまで高圧作動流体に太陽熱受熱器をバイパスさせること、圧縮機から高圧作動流体を外部に放出させること、圧縮機から太陽熱受熱器まで流れる高圧作動流体を制限させること、が開示されている。

特開２００２−９８４１６号公報 特開平０９−２８０６６４号公報 特開２０１０−２７５９９６号公報

特許文献３に記載の発明の太陽熱タービンシステムでは、タービンと圧縮機とタービン発電機との回転速度の上昇を迅速に制限することができる。

しかし、圧縮機から高圧作動流体を外部に放出させると、圧縮機の内圧が急激に低下するため、サージングを防止できてもオーバースピードが発生しやすくなる。一方、圧縮機から太陽熱受熱器まで流れる高圧作動流体を制限させると、圧縮機の内圧が上昇するため、オーバースピードを防止できてもサージングが発生しやすくなる。

つまり、特許文献３に記載の発明では、オーバースピードとサージングとの両方を良好に防止しながら、太陽熱タービンシステムを安定に停止させることが困難である。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、停止要求が発生したときにオーバースピードとサージングとの両方を良好に防止しながら、安定に停止することができる太陽熱タービンシステム、そのシステム制御装置および方法、を提供するものである。

上述のような課題を解決するため、本発明の太陽熱タービンシステムは、回転駆動により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、前記高温作動流体により回転駆動されるタービンと、回転駆動される前記タービンに連動させて前記圧縮機を回転駆動する回転連動機構と、前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構と、停止要求が発生すると、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記抽気機構に抽気を実行させるシステム制御手段と、を有する。

従って、この太陽熱タービンシステムでは、圧縮機で生成された高圧作動流体が太陽熱受熱器で加熱されて高温作動流体が生成され、この高温作動流体によりタービンが回転駆動される。この回転駆動されるタービンが圧縮機を回転駆動するので、太陽熱タービンシステムは、太陽光をエネルギ源として連鎖的に稼働しつづける。

ただし、本発明の太陽熱タービンシステムでは、例えば、タービンに連結されているタービン発電機のトリップの発生などにより停止要求が発生すると、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限機構に制限させる。このため、停止要求が発生すると、太陽熱タービンシステムを稼働させる高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方のエネルギを制限することができる。

このとき、即座には抽気が実行されないので、これが負荷となって圧縮機の回転速度の上昇が抑制される。一方、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れが制限された後、圧縮機で生成途中の高圧作動流体が抽気作動流体として抽気されるので、圧縮機の内圧が低減される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記システム制御手段は、前記停止要求の発生後に前記抽気機構に抽気を実行させる。従って、この太陽熱タービンシステムでは、停止要求が発生してから自動的に適正なタイミングで抽気が開始される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記システム制御手段は、前記停止要求の発生後に前記圧縮機の回転速度が上昇から下降へと変化したタイミングに対応して前記抽気機構に抽気を実行させる。従って、この太陽熱タービンシステムでは、停止要求が発生してから圧縮機の回転速度に対応して抽気が開始される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記停止要求の発生後に前記圧縮機の回転速度が所定値まで下降したタイミングに対応して前記抽気機構に抽気を実行させる。従って、この太陽熱タービンシステムでは、停止要求が発生してから圧縮機の回転速度に対応して抽気が開始される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記圧縮機から前記タービンまで前記高圧作動流体に前記太陽熱受熱器をバイパスさせる受熱器バイパス手段を、さらに有し、前記システム制御手段は、前記停止要求が発生すると前記受熱器バイパス手段を作動させる。

従って、この太陽熱タービンシステムでは、圧縮機から太陽熱受熱器を経由してタービンまで流れる高圧作動流体が、停止要求が発生すると受熱器バイパス手段により太陽熱受熱器をバイパスする。このため、停止要求が発生すると高圧作動流体の太陽熱受熱器への流入が低減される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記高圧作動流体を外部に放出する流体放出手段を、さらに有し、前記システム制御手段は、前記停止要求が発生すると前記流体放出手段を作動させる。

従って、この太陽熱タービンシステムでは、圧縮機から太陽熱受熱器へと流入している高圧作動流体が、停止要求が発生すると太陽熱受熱器に流入されることなく放出される。このため、停止要求が発生すると、圧縮機が流出する高圧作動流体の圧力が低減されるとともに、太陽熱受熱器に加熱される高圧作動流体の流れが低減される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記圧縮機への前記作動流体の流量を調節する圧縮機入口案内翼を、さらに有し、前記システム制御手段は、前記圧縮機入口案内翼を前記停止要求が発生すると閉止方向に調節する。

従って、この太陽熱タービンシステムでは、圧縮機への作動流体の流量を圧縮機入口案内翼が調節するので、圧縮機への作動流体の流量が適正に調整される。停止要求が発生すると圧縮機入口案内翼が閉止方向に調節されるので、圧縮機への作動流体の流入が低減される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記システム制御手段は、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記圧縮機入口案内翼を閉止する。従って、この太陽熱タービンシステムでは、タービンへの作動流体の流入が最適なタイミングに低減される。

さらに、本発明の太陽熱タービンシステムでは、前記圧縮機と前記タービンとの少なくとも一方で回転駆動されて電力を生成する発電機を、さらに有する。従って、この太陽熱タービンシステムでは、太陽光の熱エネルギにより電力を生成することができる。

本発明のシステム制御装置は、作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、前記高温作動流体により回転駆動されるタービンと、を備える太陽熱タービンシステムを制御するシステム制御装置であって、前記太陽熱タービンシステムは、前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構と、を備え、停止要求が発生すると、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記抽気機構に抽気を実行させる。

従って、このシステム制御装置では、例えば、タービンに連結されているタービン発電機のトリップの発生などにより停止要求が発生すると、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限機構に制限させる。このため、停止要求が発生すると、太陽熱タービンシステムを稼働させる高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方のエネルギを制限することができる。

このとき、即座には抽気が実行されないので、これが負荷となって圧縮機の回転速度の上昇が抑制される。一方、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れが制限された後、圧縮機で生成途中の高圧作動流体が抽気作動流体として抽気されるので、圧縮機の内圧が低減される。

本発明のシステム制御方法は、作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、前記高温作動流体により回転駆動され、前記圧縮機と共に回転可能に結合されるタービンと、を備える太陽熱タービンシステムのシステム制御方法であって、前記太陽熱タービンシステムは、前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構とを備え、停止要求が発生したことによって、前記制限機構によって、高圧作動流体と前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する第一のステップを行い、前記第一のステップを行った後、前記抽気機構によって、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気する第二のステップを行う、システム制御方法。

従って、このシステム制御方法では、例えば、タービンに連結されているタービン発電機のトリップの発生などにより停止要求が発生すると、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限機構に制限させる。このため、停止要求が発生すると、太陽熱タービンシステムを稼働させる高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方のエネルギを制限することができる。

このとき、即座には抽気が実行されないので、これが負荷となって圧縮機の回転速度の上昇が抑制される。一方、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れが制限された後、圧縮機で生成途中の高圧作動流体が抽気作動流体として抽気されるので、圧縮機の内圧が低減される。

なお、本発明の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、ある構成要素が他の構成要素の一部であること、ある構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等でもよい。

また、本発明では、圧縮機から太陽熱受熱器まで流れる作動流体を「高圧作動流体」、受熱器からタービンまで流れる作動流体を「高温作動流体」と呼称している。

本発明では、例えば、太陽熱タービンシステムに停止要求が発生すると、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限機構に制限させるので、太陽熱タービンシステムを稼働させる高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方のエネルギを制限することができる。

このとき、即座には抽気が実行されないので、これが負荷となって圧縮機の回転速度の上昇を抑制することができ、太陽熱タービンシステムのオーバースピードを良好に防止することができる。

そして、高圧作動流体および高温作動流体の少なくとも一方が制限された後、圧縮機で生成途中の高圧作動流体を抽気作動流体として抽気するので、オーバースピードが防止された圧縮機の内圧を低減させることができ、そのサージングを良好に防止することができる。従って、本発明では、停止要求が発生したときに、オーバースピードとサージングとの両方を良好に防止しながら、太陽熱タービンシステムを安定に停止することができる。

本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムのシステム制御装置のコンピュータプログラムによるシステム制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムの論理構造を示す模式的な配管図である。 本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムの物理構造を示す模式的な縦断正面図である。 本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムの回路構造を示すブロック図である。 本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムの受熱器バイパス弁とタービンバイパス弁と流量調整弁との開度変化を示す経時グラフである。 本発明の実施の形態の太陽熱タービンシステムの抽気管と圧縮機入口案内翼との流量とタービン等の回転速度との変化を示す経時グラフである。

つぎに、本発明の実施の一形態の太陽熱タービンシステム１０００に関して、図１ないし図６を参照して以下に説明する。

本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、前述したタワー方式に形成されており、図３に示すように、地面からなるヘリオスタットフィールドＧに、複数のヘリオスタット１０５０と、支持タワー１０６０と、が設置されている。

ヘリオスタット１０５０は、太陽光ＷＬを反射する反射鏡１０５１と、反射鏡１０５１を可動自在に支持する可動支持脚１０５２と、を有している。複数のヘリオスタット１０５０は、支持タワー１０６０を中心として全周方向に点在して配置されている。

支持タワー１０６０は、ヘリオスタットフィールドＧの中心から上方へ向かって立設されており、上部には太陽熱受熱器１２００が設けられている。この太陽熱受熱器１２００は、複数のヘリオスタット１０５０で反射された太陽光が集光され、内部を流れる空気などの作動流体を加熱する。

本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、図２に示すように、圧縮機１１００と、太陽熱受熱器１２００と、タービン１３００と、回転連動機構である動力伝達軸１４１０と、タービン発電機１４００と、電力消費機器１４２０と、システム制御装置１５００と、作動流体再熱器１６００と、圧縮機入口案内翼であるＩＧＶ(Inlet Guide Vane)１７００と、高圧配管１０３０と、抽気管１０４０と、等を有する。

圧縮機１１００は、複数の動翼と複数の静翼とを具備して作動流体である空気を多段階に圧縮する多段圧縮機などからなり、回転駆動されて圧縮機入口１１１０への作動流体を圧縮して圧縮機出口１１２０から流出する。太陽熱受熱器１２００は、圧縮機１１００で圧縮されて受熱器入口１２１０に流入する高圧作動流体を、上述のように太陽光で加熱して受熱器出口１２２０から高温作動流体として流出する。

以後、本実施の形態では、圧縮機出口１１２０から太陽熱受熱器１２００まで流れる作動流体を「高圧作動流体」、受熱器出口１２２０から後述するタービン入口１３１０まで流れる作動流体を「高温作動流体」として説明する。

タービン１３００は、複数の動翼と複数の静翼とを具備する軸流タービンなどからなり、太陽熱受熱器１２００からタービン入口１３１０に流入してタービン出口１３２０から流出する高温作動流体により回転駆動される。

タービン発電機１４００は、動力伝達軸１４１０を介してタービン１３００によって回転駆動されて発電する。このタービン発電機１４００と圧縮機１１００とタービン１３００とは、動力伝達軸１３１０を介して共に回転可能に同軸に連結されているので、タービン１３００の駆動力によって圧縮機１１００とタービン発電機１４００とが回転駆動される。

電力消費機器１４２０は、タービンシステムの運転に必要な補機であり、タービン発電機１４００で発電された電力を消費して運転される。

システム制御装置１５００は、例えば、適正なコンピュータプログラムが実装されたマイクロコンピュータや、所定信号の入力に対応して所定信号を出力する論理回路、などからなる。

作動流体再熱器１６００は、熱交換器などからなり、圧縮機１１００から流出する高圧作動流体をタービン１３００から流出する高温作動流体との熱交換で予熱する。高圧配管１０３０は、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０から、作動流体再熱器１６００を経由して、太陽熱受熱器１２００の受熱器入口１２１０まで高圧作動流体を流れさせる。

ＩＧＶ１７００は、開閉自在な複数の静翼などからなり、圧縮機１１００への作動流体の流量を調節する。抽気管１０４０は、圧縮機１１００で生成途中の高圧作動流体を抽気作動流体として抽気する。

さらに、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０からタービン１３００のタービン入口１３１０まで高圧作動流体をバイパスさせる受熱器バイパス管１０１０と、受熱器バイパス管１０１０を開閉する受熱器バイパス弁１０１１と、を、さらに有する。

そして、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、図２に示すように、タービンバイパス管１０２０と、タービンバイパス弁１０２１と、を、さらに有する。タービンバイパス管１０２０は、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０からタービン１３００のタービン出口１３２０まで高圧作動流体をバイパスさせる。タービンバイパス弁１０２１は、タービンバイパス管１０２０を開閉する。

また、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、流量調整弁１０３１と、抽気弁１０４１と、を、さらに有する。流量調整弁１０３１は、高圧配管１０３０を開閉する。抽気弁１０４１は、抽気管１０４０を開閉する。

そして、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００のシステム制御装置１５００は、例えば、タービンシステムや電源系統の異常などで発生するトリップを停止要求として検出する。

そして、このようにトリップの発生を検出したシステム制御装置１５００は、停止要求が発生すると、高圧作動流体と高温作動流体との流れの少なくとも一方を制限させた後、抽気を実行させる。

このため、システム制御装置１５００は、停止要求が発生すると受熱器バイパス弁１０１１を即座に開放する。さらに、停止要求が発生するとタービンバイパス弁１０２１を即座に開放する。また、システム制御装置１５００は、停止要求が発生すると流量調整弁１０３１を即座に閉止方向に調節する。
このため、タービン１３００に流入する高温作動流体の圧力と流量を即座に低下させることができるので、高温作動流体によるタービン１３００の駆動力も即座に低下させることができる。この結果、トリップによって電気的な負荷が消失した場合であっても、タービン１３００およびタービン１３００によって駆動される圧縮機１１００およびタービン発電機１４００の回転数の上昇が抑制される。このため、オーバースピードによってタービンシステム１０００が損傷することを防止できる。

さらに、システム制御装置１５００は、昇速過程において、圧縮機１１００を少ない昇速エネルギーで昇速させると共に、サージングを防止するために、抽気弁１０４１を開放し、その後に閉止する。

一方、停止要求が発生するとオーバースピードやサージング防止のために開放方向に調節する。より具体的には、停止要求が発生してから所定時間の経過後に抽気弁１０４１を開放する。

このため、停止要求が発生してから所定時間は、高圧作動流体が抽気作動流体として抽気されない。つまり、圧縮機１１００で圧縮される作動流体の流量は即座には低下しないので、圧縮機１１００の駆動に必要な駆動力も即座には低下しない。

この結果、停止要求が発生してから抽気弁１０４１を即座に開放しない場合と比べて、タービン１３００の駆動力が、圧縮機１１００によってより多く消費されるので、圧縮機１１００、タービン１３００およびタービン発電機１４００の回転数の上昇が抑制される。

一方、停止要求が発生してから所定時間が経過すると、抽気弁１０４１を開放するので、高圧作動流体が抽気作動流体として抽気される。このため、圧縮機１１００の内圧が低下するので、圧縮機１１００のサージングを防止することができる。

このため、オーバースピードやサージングによってタービンシステム１０００が損傷することを防止できる。

また、システム制御装置１５００は、停止要求が発生するとＩＧＶ１７００を閉止方向に調節する。より具体的には、停止要求が発生すると、所定時間の経過後にＩＧＶ１７００を閉止する。

このため、停止要求が発生してから所定時間は、ＩＧＶ１７００を閉止方向に調節しないので、圧縮機１１００で圧縮される作動流体の流量は即座には低下しない。つまり、圧縮機１１００の駆動に必要な駆動力も即座には低下しない。

この結果、停止要求が発生してからＩＧＶ１７００を即座に閉止方向に調節する場合と比べて、タービン１３００の駆動力が圧縮機１１００によってより多く消費されるので、圧縮機１１００、タービン１３００およびタービン発電機１４００の回転数の上昇が抑制される。

このため、オーバースピードによってタービンシステム１０００が損傷することを防止できる。一方、停止要求が発生してから所定時間が経過すると、ＩＧＶ１７００を閉止するので、圧縮機１１００への作動流体の流入が低減される。

このため、圧縮機１１００の内圧が低下するので、圧縮機１１００のサージングを防止することができる。従って、オーバースピードやサージングによってタービンシステム１０００が損傷することを防止できる。

前述のようにシステム制御装置１５００がマイクロコンピュータからなる場合、そのコンピュータプログラムは、上述のように停止要求が発生すると、高圧作動流体と高温作動流体との流れを制限させた後、抽気を実行させることを、太陽熱タービンシステム１０００に実行させるように記述されている。

より詳細には、このようなコンピュータプログラムは、図１に示すように、ＩＧＶ１７００により圧縮機１１００への作動流体の流量を調節すること、受熱器バイパス弁１０１１を停止要求が発生すると開放すること、停止要求が発生すると、タービンバイパス弁１０２１を開放すること、流量調整弁１０３１を閉止方向に調節すること、抽気弁１０４１を停止要求の発生から所定時間の経過後に開放すること、ＩＧＶ１７００を停止要求の発生から所定時間の経過後に閉止すること、等を太陽熱タービンシステム１０００に実行させるように記述されている。

上述のような構成において、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００の動作を以下に説明する。なお、図５および図６に示すように、以下では“９：５９〜１０：００”に通常動作が実行され、“１０：００”にトリップが発生するものとして説明する。

本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００では、図１に示すように、初期設定として、図５(ａ)の“９：５９〜１０：００”に示すように、受熱器バイパス弁１０１１により受熱器バイパス管１０１０が閉止される(ステップＳ１)。

さらに、図５(ｂ)の“９：５９〜１０：００”に示すように、タービンバイパス弁１０２１によりタービンバイパス管１０２０が閉止され(ステップＳ２)、図５(ｃ)の“９：５９〜１０：００”に示すように、流量調整弁１０３１により高圧配管１０３０が制御され(ステップＳ３)、抽気弁１０４１により抽気管１０４０が閉止される(ステップＳ４)。

さらに、ＩＧＶ１７００が開放方向に制御されることにより(ステップＳ５)、図６(ａ)に示すように、圧縮機１１００への作動流体の流量が調節され、複数のヘリオスタット１０５０が制御される(ステップＳ６)。

上述のような状態で、図２に示すように、複数のヘリオスタット１０５０により太陽光ＷＬが太陽熱受熱器１２００に集光され、この太陽熱受熱器１２００が集光された太陽光により高温に加熱される。

この太陽熱受熱器１２００により入力作動流体が加熱されて高温作動流体が生成されるので、図６(ｂ)の“９：５９〜１０：００”に示すように、その熱エネルギ(および運動エネルギ)により、タービン１３００とともに圧縮機１１００とタービン発電機１４００とが回転される。

上述のように、受熱器バイパス弁１０１１と流量調整弁１０３１と抽気弁１０４１とＩＧＶ１７００とが制御された状態で、太陽熱タービンシステム１０００では、回転駆動される圧縮機１１００の圧縮機入口１１１０への作動流体が圧縮されて圧縮機出口１１２０から流出する。

生成された高圧作動流体は太陽熱受熱器１２００の受熱器入口１２１０に流入し、太陽光で加熱されて受熱器出口１２２０から流出する。この高温作動流体は、タービン１３００のタービン入口１３１０に流入してタービン出口１３２０から流出することで、タービン１３００を回転駆動する。

この回転駆動されるタービン１３００に動力伝達軸１４１０が圧縮機１１００を回転駆動させる。この回転駆動される圧縮機１１００に回転駆動されるタービン発電機１４００が発電する。

このため、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００は、図６(ｂ)の“９：５９〜１０：００”に示すように、起動されると太陽光をエネルギ源として連鎖的に発電しつづける。

特に、この太陽熱タービンシステム１０００では、圧縮機１１００から流出する高圧作動流体をタービン１３００から流出する高温作動流体との熱交換で作動流体再熱器１６００が予熱するので、熱効率を向上させることができる。

ただし、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００では、上述のような発電状態で、例えば、タービン発電機１４００と電力消費機器１４２０との電気接続の状態が、システム制御装置１５００に監視される。

そして、このシステム制御装置１５００が、タービンシステムや電源系統の異常などで、停止要求としてトリップを“１０：００”に検出すると(ステップＳ７−Ｙ)、図５(ａ)に示すように、受熱器バイパス弁１０１１により受熱器バイパス管１０１０が開放される(ステップＳ８)。

さらに、図５(ｂ)に示すように、タービンバイパス弁１０２１によりタービンバイパス管１０２０が開放され(ステップＳ９)、図５(ｃ)に示すように、流量調整弁１０３１により高圧配管１０３０が閉止される(ステップＳ１０)。また、反射された太陽光ＷＬが太陽熱受熱器１２００に集光されないように、複数のヘリオスタット１０５０が制御される(ステップＳ１１)。

そして、トリップの発生から所定時間の経過が検出されると(ステップＳ１２−Ｙ)、抽気弁１０４１により抽気管１０４０が開放され(ステップＳ１３)、図６(ａ)に示すように、ＩＧＶ１７００が閉止される(ステップＳ１４)。

このため、本実施の形態の太陽熱タービンシステム１０００では、システム制御装置１５００がトリップを検出すると、前述のように、タービンバイパス弁１０２１を開放すること、流量調整弁１０３１を閉止方向に調節すること、抽気弁１０４１を所定時間の経過後に開放すること、ＩＧＶ１７００を所定時間の経過後に閉止すること、が実行される。

このため、作動流体の圧縮機１１００からの流出、太陽熱受熱器１２００への流入、タービン１３００への流入、が制限されるので、太陽熱タービンシステム１０００の駆動エネルギを即座に制限することができる。

さらに、上述のように、圧縮機１１００による圧縮、太陽熱受熱器１２００による加熱、タービン１３００の駆動、からなる流体サイクルを即座に制限した後、圧縮機１１００で圧縮途中の高圧作動流体が所定タイミングで抽気される。

このため、トリップが発生しても即座には抽気が実行されないので、これを負荷として圧縮機１１００の回転速度の上昇を抑制することができ、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードを良好に防止することができる。

そして、トリップが発生してから所定タイミングで抽気されるので、圧縮機１１００が流出する高圧作動流体の圧力を低減することができる。このため、上述のようにオーバースピードが防止された圧縮機１１００のサージングを良好に防止することができる。

特に、停止要求が発生すると、所定時間の経過後に抽気弁１０４１を開放するので、圧縮機１１００が流出する高圧作動流体の圧力を最適なタイミングで自動的に低減することができる。

さらに、停止要求が発生すると、ＩＧＶ１７００を閉止方向に調節するので、タービン１３００への作動流体を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードなどを防止することができる。

特に、停止要求が発生すると、所定時間の経過後にＩＧＶ１７００を閉止するので、タービン１３００への作動流体を最適なタイミングに自動的に低減することができる。

しかも、停止要求が発生すると、受熱器バイパス弁１０１１を開放し、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０からタービン１３００のタービン入口１３１０まで高圧作動流体を受熱器バイパス管１０１０がバイパスさせる。

このため、トリップが発生すると高圧作動流体の太陽熱受熱器１２００への流入を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができる。

さらに、停止要求が発生すると、タービンバイパス弁１０２１を開放し、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０からタービン１３００のタービン出口１３２０まで高圧作動流体をタービンバイパス管１０２０がバイパスさせる。

このため、圧縮機１１００が流出する高圧作動流体の圧力を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができる。

しかも、停止要求が発生すると、流量調整弁１０３１を閉止方向に制御し、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０から太陽熱受熱器１２００の受熱器入口１２１０への高圧配管１０３０による高圧作動流体の流れを低減する。

このため、高圧作動流体の太陽熱受熱器１２００への流入を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができる。

さらに、停止要求が発生すると、流量調整弁１０３１を閉止方向に調節し、圧縮機１１００の圧縮機出口１１２０から作動流体再熱器１６００を経由して太陽熱受熱器１２００の受熱器入口１２１０まで高圧配管１０３０による高圧作動流体の流れを削減する。

このため、圧縮機１１００が流出する高圧作動流体の圧力を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができる。

しかも、起動時に開放して起動後に閉止した抽気弁１０４１を、停止要求が発生すると、開放方向に調節し、圧縮機１１００で生成された高圧作動流体の一部をタービン１３００にバイパスさせる。

このため、圧縮機１１００が流出する高圧作動流体の圧力を低減して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができる。

しかも、既存の抽気弁１０４１、ＩＧＶ１７００、受熱器バイパス弁１０１１、タービンバイパス弁１０２１、流量調整弁１０３１、等を利用して、圧縮機１１００とタービン１３００とタービン発電機１４００との、オーバースピードやサージングを防止することができるので、専用の設備の増設を最小限とすることができる。

さらに、システム制御装置１５００は、適正なコンピュータプログラムが実装されたマイクロコンピュータからなるので、例えば、バイパス管やバイパス弁などを増減した場合でも、コンピュータプログラムの更新により簡単に対応することができる。

また、停止要求が発生すると、所定時間の経過後に抽気弁１０４１を開放するとともにＩＧＶ１７００を閉止するが、その所定時間もシステム制御装置１５００のコンピュータプログラムに容易に設定および変更することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、前記形態の太陽熱タービンシステム１０００では、停止要求が発生してから所定時間が経過すると、抽気弁１０４１を開放するとともにＩＧＶ１７００を閉止することを例示した。

しかし、停止要求が発生してからタービン１３００などの回転速度が上昇から下降へと変化したタイミングに対応して、抽気弁１０４１を開放するとともにＩＧＶ１７００を閉止してもよい。

また、停止要求が発生してからタービン１３００などの回転速度が所定値まで下降したタイミングに対応して、抽気弁１０４１を開放するとともにＩＧＶ１７００を閉止してもよい。

さらに、前記形態の太陽熱タービンシステム１０００では、停止要求が発生すると、作動流体の圧縮機１１００からの流出、太陽熱受熱器１２００への流入、タービン１３００への流入、の全部を制限することを例示した。しかし、作動流体の圧縮機１１００からの流出、太陽熱受熱器１２００への流入、タービン１３００への流入、の一つまたは二つを制限してもよい。

また、本実施の形態では太陽熱タービンシステム１０００のシステム制御装置１５００がコンピュータプログラムにより各種機能を論理的に実現することを例示した。しかし、このようなシステム制御装置１５００を固有のハードウェアとして形成することもでき、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせとして実現することもできる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１０００ 太陽熱タービンシステム
１０１０ 受熱器バイパス管
１０１１ 受熱器バイパス弁
１０２０ タービンバイパス管
１０２１ タービンバイパス弁
１０３０ 高圧配管
１０３１ 流量調整弁
１０４０ 抽気管
１０４１ 抽気弁
１１００ 圧縮機
１１１０ 圧縮機入口
１１２０ 圧縮機出口
１２００ 太陽熱受熱器
１２１０ 受熱器入口
１２２０ 受熱器出口
１３００ タービン
１３１０ タービン入口
１３２０ タービン出口
１４００ タービン発電機
１４１０ 動力伝達軸
１４２０ 電力消費機器
１５００ システム制御装置
１６００ 作動流体再熱器
１７００ 圧縮機入口案内翼であるＩＧＶ(Inlet Guide Vane)

Claims (11)

1. 回転駆動により作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、
   前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、
   前記高温作動流体により回転駆動されるタービンと、
   前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、
   回転駆動される前記タービンに連動させて前記圧縮機を回転駆動する回転連動機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構と、
   停止要求が発生すると、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記抽気機構に抽気を実行させるシステム制御手段と、
   を有する太陽熱タービンシステム。
2. 前記システム制御手段は、前記停止要求の発生後に前記抽気機構に抽気を実行させる、請求項1に記載の太陽熱タービンシステム。
3. 前記システム制御手段は、前記停止要求の発生後に前記圧縮機の回転速度が上昇から下降へと変化したタイミングに対応して前記抽気機構に抽気を実行させる、請求項1に記載の太陽熱タービンシステム。
4. 前記システム制御手段は、前記停止要求の発生後に前記圧縮機の回転速度が所定値まで下降したタイミングに対応して前記抽気機構に抽気を実行させる、請求項1に記載の太陽熱タービンシステム。
5. 前記圧縮機から前記タービンまで前記高圧作動流体に前記太陽熱受熱器をバイパスさせる受熱器バイパス手段を、さらに有し、
   前記システム制御手段は、前記停止要求が発生すると前記受熱器バイパス手段を作動させる、
   請求項1ないし４の何れか一項に記載の太陽熱タービンシステム。
6. 前記高圧作動流体を外部に放出する流体放出手段を、さらに有し、
   前記システム制御手段は、前記停止要求が発生すると前記流体放出手段を作動させる、
   請求項1ないし５の何れか一項に記載の太陽熱タービンシステム。
7. 前記圧縮機への前記作動流体の流量を調節する圧縮機入口案内翼を、さらに有し、
   前記システム制御手段は、前記圧縮機入口案内翼を前記停止要求が発生すると閉止方向に調節する、請求項１ないし６の何れか一項に記載の太陽熱タービンシステム。
8. 前記システム制御手段は、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記圧縮機入口案内翼を閉止する、請求項７に記載の太陽熱タービンシステム。
9. 前記圧縮機と前記タービンとの少なくとも一方で回転駆動されて電力を生成する発電機を、さらに有する、請求項１ないし８の何れか一項に記載の太陽熱タービンシステム。
10. 作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、前記高温作動流体により回転駆動されるタービンと、を備える太陽熱タービンシステムを制御するシステム制御装置であって、
    前記太陽熱タービンシステムは、前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構と、を備え、
    停止要求が発生すると、前記高圧作動流体と前記高温作動流体との流れの少なくとも一方を前記制限機構に制限させた後、前記抽気機構に抽気を実行させるシステム制御装置。
11. 作動流体を圧縮して高圧作動流体を生成する圧縮機と、前記高圧作動流体を太陽熱で加熱して高温作動流体を生成する太陽熱受熱器と、前記高温作動流体により回転駆動され、前記圧縮機と共に回転可能に結合されるタービンと、を備える太陽熱タービンシステムのシステム制御方法であって、
    前記太陽熱タービンシステムは、前記高圧作動流体および前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する制限機構と、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気作動流体として抽気させる抽気機構とを備え、
    停止要求が発生したことによって、
    前記制限機構によって、高圧作動流体と前記高温作動流体の少なくとも一方の流れを制限する第一のステップを行い、
    前記第一のステップを行った後、前記抽気機構によって、前記圧縮機で生成途中の前記高圧作動流体を抽気する第二のステップを行う、
    システム制御方法。

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