JP2014015944A - 発電方法、タービン発電機、タービン発電機の制御方法、制御装置、および該タービン発電機を備えた船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるタービン発電機の制御方法および装置を提供することを課題とする。
【解決手段】ディーゼルエンジン３から排出される排気ガスの排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン７と蒸気タービン９とを直列に結合してなるタービン発電機において、ディーゼルエンジン３は排気ターボ過給機５を備え、該排気ターボ過給機５に供給される前の排気ガスの一部を抽気して排気ガスをパワータービン７に供給量を調整して供給し、エコノマイザ１１によって生成された蒸気を蒸気タービン９に供給量を調整して供給し、需要電力が減少し発電電力が余剰になったとき、パワータービン７への排気ガス供給量を減少せしめてパワータービン７の出力を最小にした後に、蒸気タービン９へ蒸気供給量を減少せしめる。
【選択図】図２

Description

本発明は、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等を構成するエンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機、タービン発電機の制御方法および制御装置、さらに、発電方法、該タービン発電機を備えた船舶に関する。

ディーゼルエンジンの排気ガスの一部を過給機に送らず、パワータービン等に導いて排気エネルギーを動力して回収する技術が、特許文献１（特開昭６３−１８６９１６号公報）で知られている。
また、この特許文献１には、パワータービンに排気ガスが入るときに排気ガス量を調整して、ディーゼルエンジンから過給機へ送られる排気ガス量の変化幅を小さくする技術が示されている。さらに、パワータービンに入る排気ガス量の調整は、パワータービンのガス入口を複数通路によって形成してそれぞれの通路にバイパス弁を設けて行っている。

特開昭６３−１８６９１６号公報

前記特許文献１では、パワータービンに入る排気ガス量は、バイパス弁の開閉制御によって行われている。また、ディーゼルエンジンの排気ガスの一部を抽気して、該抽気ガスをパワータービンに導くとともに、排気ガスの排熱を利用して生成される蒸気を蒸気タービンに導くようにして発電する排熱回収システムにおいては、従来はパワータービンへの排気ガスの導入量を制御する入口弁は、一般的にＯＮ、ＯＦＦの開閉弁であり、任意のガス量に制御する機能は有していない。

一方、船舶の運航状況によっては、前記パワータービンおよび蒸気タービンによる合計出力が船内需要電力に対して余剰となることがあるが、パワータービンおよび蒸気タービンの発生出力は、ディーゼルエンジンの出力に依存するため、余剰電力対策を適切に行うことはディーゼルエンジンの燃料消費率の向上に極めて効果的である。

かかる余剰電力対策として、従来は、軸発電機等を複数併設して、作動発電機を選択制御したり、また、抵抗を設置して消費させたり、さらに、発生する蒸気の余剰分を捨てて、蒸気タービンの出力を低下させる等の対策が採られていた。
しかし、軸発電機等を複数併設するには設置費用が増大し、またそれ以外の余剰電力の調整に伴うエネルギーの系外への放出は、ディーゼルエンジンの燃料の浪費でもある。

本発明は、かかる問題点に鑑み、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できる発電方法、タービン発電機、タービン発電機の制御方法および装置、さらに該タービン発電機を備えた船舶を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するため、本願発明の第１発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御方法において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガス（燃焼ガス）の一部を抽気し、該抽気された排気ガスを前記パワータービンに供給量を調整して供給し、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給量を調整して供給し、需要電力が減少し発電機の電力が余剰になったとき、パワータービンへの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする。

また、第１発明のタービン発電機の制御方法を実施するための装置発明に関する第２発明は、前記タービン発電機の制御装置において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの供給量を減少してパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とする。

かかる第１発明、第２発明によれば、発電電力が余剰状態になったとき、まずパワータービンの出力を減少させることを行うため、すなわち、抽気ガス量を減少させることによって、排気ターボ過給機のタービン部への排気ガス量が増大してコンプレッサ部によって加圧されてディーゼルエンジンの燃焼室への給気量が増大してエンジンの燃焼効率が向上し燃料消費率が改善される。

蒸気タービンの方から先に出力減少を行った場合には、排気ガス熱交換器で生成された蒸気を捨てる（ダンプして）ことで蒸気タービンの出力減少を行わなければならない。
この場合、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を無駄に捨てることになり、ディーゼルエンジンの燃料消費率の改善には好ましくないが、本発明では給気圧力を高めるように影響するためエンジンの燃焼効率の改善が効果的に得られる。
さらに、パワータービンおよび蒸気タービンともに速い出力制御が可能になるため、発電機の急激な負荷変動時の周波数、電圧変動を最小に抑えることが出来る。

また、第１発明において、好ましくは、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが予め設定され、前記パワータービンによる供給可能電力を最小にした後に前記蒸気タービンによる供給電力を減少するとよい。また、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるとよい。
第２発明において、好ましくは、前記コントローラには、予めパワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されるとよい。また、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるとよい。

それぞれの構成によれば、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とを予め設定することで、パワータービンによる出力制御範囲をあらかじめ設定でき、燃料消費量を改善しつつ信頼性ある余剰電力の抑制が可能になる。また、あらかじめ発電能力を設定できるため、発電機の使用用途に応じた設計の自由度を有する。
また、パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるため、燃料消費率が改善される。

また、第２発明において、好ましくは、前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、次に前記パワータービンの出力を最小にし、最後に前記蒸気タービンの出力を最小にするとよい。

かかる構成によれば、供給電力が余剰状態にあるときに最初に、他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、依然余剰状態の場合には、タービン発電機のパワータービンの出力を最小にし、さらに余剰状態の場合には、蒸気タービンの出力を最小にすることで、すなわち、蒸気タービンの出力の減少を最終ステップとすることで、供給電力の過剰時に船舶推進用のディーゼルエンジン、さらに他のディーゼルエンジン発電機で消費される燃料消費率の改善を達成できる。

次に、第３発明は、発電方法に関するものであり、ディーゼルエンジンを駆動して排気ガスを排出する工程と、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、前記ディーゼルエンジンの排ガスを排気ガス熱交換器に導入して蒸気を生成する工程と、前記排気ガス熱交換器によって生成された蒸気により蒸気タービンを駆動する工程とを備えた発電方法において、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記パワータービンへの排気ガスの供給量を減少せしめる工程と、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめる工程と、を備えることを特徴とする。
また、第３発明において好ましくは、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とを予め設定しておき、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にした後に、前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめる工程、を備えるとよい。
また、第３発明において好ましくは、さらに他のディーゼルエンジン発電機を駆動する工程を備え、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力とを予め設定しておき、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめる工程、を備えるとよい。また、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめるとよい。

次に、第４発明は、タービン発電機に関するものであり、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの排気ガスの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とする。
また第４発明において好ましくは、前記コントローラには、予め前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されるとよい。
また、第４発明において好ましくは、前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気ガスの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機の前記パワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめるとよい。また、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめるとよい。

次に、第５発明は、第４発明と同様にタービン発電機に関するものであり、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを動力源として駆動するパワータービンと、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスと熱交換して蒸気を生成する排気ガス熱交換器と、前記排気ガス熱交換器で生成した蒸気を動力源として駆動する蒸気タービンを備えるタービン発電機において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して前記パワータービンへ供給する抽気通路と、前記抽気通路に設けられて供給量を調整する排気ガス量調整弁と、前記排気ガス熱交換器によって排気ガスと熱交換して生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、前記蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排気ガス量調整弁を絞って前記パワータービンへの排気ガスの供給量を減少させて前記パワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とする。
また、第５発明において好ましくは、前記コントローラには、予め前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されるとよい。
また、第５発明において好ましくは、前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気ガスの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめるとよい。また、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめるとよい。
以上の第３発明、第４発明、第５発明によれば、前述した第１発明、第２発明と同様の作用効果を得ることができる。

次に、第６発明は、第２発明と同様にタービン発電機の制御装置に関するものである。また、第７発明は、船舶に関するものであり、前述した第４発明、第５発明のタービン発電機を備えることを特徴とする。
かかる第７発明によれば第４発明、第５発明のタービン発電機による作用効果を有する船舶を得ることができる。

本発明によれば、発電電力が余剰状態になったとき、発電機に対して直列に接続されているパワータービンの出力をまず減少させ、その後蒸気タービンの出力を減少させるため、最初にパワータービンの出力減少に伴ってディーゼルエンジンの排気ターボ過給機のタービン部への排気ガス量が増大して、排気ターボ過給機による加圧給気の増大によってディーゼルエンジンの燃焼効率が向上して燃料消費率が改善されることで、余剰電力の発生をディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく抑制できる発電方法、タービン発電機、タービン発電機の制御方法および装置、さらに該タービン発電機を備えた船舶を提供することができる。

本発明にかかるタービン発電機の全体構成図である。 第１実施形態の制御装置全体構成を示す構成図である。 第１実施形態のフローチャートである。 第１実施形態の供給電力の余剰抑制状態を示す説明図である。 第２実施形態の制御装置全体構成を示す構成図である。 第２実施形態のフローチャートである。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（第１実施形態）
図１は、本発明にかかるタービン発電機の全体構成図である。舶用ディーゼルエンジンへの適用を例にして説明する。
タービン発電機１は、船舶推進用のディーゼルエンジン３と、排気ターボ過給機５と、パワータービン（ガスタービン）７と、蒸気タービン９と、排気ガス熱交換器としての排ガスエコノマイザ１１とを具備して構成されている。
ディーゼルエンジン３からの出力はプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排気ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続され、排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続され、また、排気マニホールド１５は第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排気ガスの一部が、排気ターボ過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給されるようになっている。

一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介して排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとより構成されている。

パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールド１５から抽気された排気ガスによって回転駆動されるようになっており、また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動されるようになっている。
この排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排気ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排気ガスとが、導入されて熱交換部２１によって、排気ガスの熱によって給水管２３によって供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、該蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。

パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて発電機２５を駆動するようになっている。蒸気タービン９の回転軸２９は図示しない減速機およびカップリングを介して発電機２５に接続し、また、パワータービン７の回転軸２７は図示しない減速機およびクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。

また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排気ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。また、非常停止用緊急遮断弁３５が遮断したときに、排気ターボ過給機５のタービン部５ａへの過過給（エンジンの最適運転圧力を超えての過給）を防止するためにバイパス弁３４が第４排気管Ｌ４との間に設けられている。

さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。前記排ガス量調整弁３３および蒸気量調整弁３７は、後述するコントローラ４１によって、その開度が制御される。
以上のように発電機２５は、船舶推進用のディーゼルエンジン３の排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。

図２に示すように、コントローラ４３には、発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力され、発電機２５の回転速度として蒸気タービン９の回転軸２９の回転速度を検出する回転センサ４９からの信号が入力されている。さらに、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ５１からの信号が入力されている。

また、コントローラ４３には、負荷分担制御部５３、パワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７を備え、負荷分担制御部５３には、予め、パワータービン７による供給可能電力（出力分担割合）が、例えばＡ（ＫＷ）に設定され、蒸気タービン９による供給可能電力（出力分担割合）が、例えばＢ（ＫＷ）に設定され（図４参照）ている。
そして、負荷分担制御部５３から設定された分担割合に応じた発電能力の指示信号が、パワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７にそれぞれ出力される。

パワータービン用ガバナー部５５は、予め設定された前記負荷分担制御部５３からのパワータービン７の出力分担割合に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が排ガス量調整弁３３に出力され、該排ガス量調整弁３３の開度が制御されてパワータービン７に供給される排ガス流量が制御される。この回転数ドループ制御関数とは、回転速度目標値と実際に制御された現在の回転速度との偏差に比例ゲインをかけることにより制御量を演算する関数である。

また、蒸気タービン用ガバナー部５７においても、前記パワータービン用ガバナー部５５と同様に、予め設定された前記負荷分担制御部５３からの蒸気タービン９の出力負担割合に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が蒸気量調整弁３７に出力され、該蒸気量調整弁３７の開度が制御されて蒸気タービン９に供給される蒸気量が制御されるようになっている。

次に、需要電力が減少して発電機２５による発電電力が余剰状態になったときの出力抑制方法について、図３のフローチャート、および図４の供給電力説明図を基に説明する。

まず、ステップＳ１において制御を開始すると、ステップＳ２で船内消費電力センサ５１からの信号と、発電機２５の電力センサ４５からの信号とに基づいて、発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合には、ステップＳ３において、パワータービン７の出力を減少させて最小まで低下させる。

このパワータービン７の出力を減少させて最小にするとは、あらかじめ設定された最小の出力まで低下すること、またパワータービン７の出力をゼロにすることをも含む。そして、ステップＳ４において、再び発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。

なお、パワータービン７の出力を減少させて最小にする際に、段階的に最小まで低下させても、連続的に低下させてもよく、最小に達する前にステップＳ４の判定を行って余剰状態にあるかを判定しつつ最小にするようにしてもよいことは勿論である。
パワータービン７の出力を最小にするには、具体的には、コントローラ４３に備えられたパワータービン用ガバナー部５５からの信号によって排ガス量調整弁３３の開度が調整される。発電機２５の回転数と発電電力とはほぼ比例関係にあるため、余剰電力の場合には、船内消費電力に基づく目標発電電力に相当する発電機２５の目標回転速度になるようにパワータービン７の出力が低下する。

ステップＳ４において、発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にある場合には、既にパワータービン７は最小まで低下されているため、次のステップＳ５に進んで蒸気タービン９の出力を減少させて、ステップＳ６で終了する。
ステップＳ６で終了後に再びステップＳ１に戻り、ステップＳ２からの処理を繰り返す。繰り返しは一定時間間隔で行われる。

前記供給電力の抑制状態を示す図４において、負荷分担制御部５３によって初期設定されたパワータービン（ＰＴ）７の出力Ａ（ＫＷ）と、蒸気タービン（ＳＴ）９の出力Ｂ（ＫＷ）とが、パワータービン７だけが、出力抑制されて最小値として設定されたＡ−ΔＡに電力低下が行われる。

以上の第１実施形態によれば、発電電力が余剰状態になったとき、まずコントローラ４３によってパワータービン７の出力を減少させることを行うため、すなわち、排気マニホールド１５から抽気された排気ガス量が減少して、排気ターボ過給機５のタービン部５ａへの排気ガス量が増大してコンプレッサ部５ｂによって加圧されてディーゼルエンジン３の燃焼室への給気量が増大してエンジンの燃焼効率が向上し燃料消費率が改善される。

蒸気タービン９の方から先に出力の低下を行った場合には、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気を捨てる（ダンプして）ことで蒸気タービン９の出力の低下を行わなければならない。この場合、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気を無駄に捨てることになり、ディーゼルエンジン３の燃料消費率の改善には好ましくない。本発明では燃焼室への給気圧力を高めるように影響するためエンジンの燃焼効率の改善が効果的に得られる。
さらに、パワータービン７および蒸気タービン９ともに速い出力制御が可能になるため、発電機２５の急激な負荷変動時の周波数、電圧変動を最小に抑えることが出来る。

また、パワータービン７による供給可能電力と蒸気タービン９による供給可能電力とを予め設定することで、パワータービン７による出力制御範囲をあらかじめ設定でき、燃料消費量を改善しつつ信頼性ある余剰電力の抑制が可能になる。また、あらかじめ発電能力を設定できるため、発電機の使用用途に応じた設計の自由度を有する。

さらに、第１実施形態によれば、パワータービン７の出力制御と、蒸気タービン９の出力制御とをそれぞれ独立のパワータービン用ガバナー部５５および蒸気タービン用ガバナー部５７を用いて制御するため、パワータービン７の出力制御と蒸気タービン９の出力制御とを関連づけることなく別々に独自に制御でき、最初にパワータービン７のみの出力の減少が可能になる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図５、６を参照して説明する。第２実施形態は、図５に示すように、発電機２５によって発電された電力が船内に供給されると共に、船内に別途設置された複数のディーゼルエンジン発電機（他のディーゼルエンジン発電機）６０からの電力と合流して船内電源として利用される。
すなわち、第１実施形態で説明した発電機２５は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続される船舶推進用のディーゼルエンジン３からの排気ガスを回収して利用することで発電するものであるが、第２実施形態においては、この発電機２５に加えて、さらに別途発電専用のディーゼルエンジン発電機６０を備えたものである。

コントローラ６２の負荷分担制御部６４には、予め、パワータービン７による供給可能電力（出力分担割合）、蒸気タービン９による供給可能電力（出力分担割合）、さらに、船内に別途設置された複数のディーゼルエンジン発電機６０による供給可能電力（出力分担割合）が設定されている。
そして、負荷分担制御部６４から、前記設定された割合から算出した供給可能電力、または設定された供給可能電力をパワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７、さらにディーゼルエンジン発電機６０のガバナー部（不図示）に指示する。

次に、発電機２５およびディーゼルエンジン発電機６０による発電出力が船内消費電力を上回り、発電出力が余剰状態にある時の出力抑制方法について、図６のフローチャートを参照して説明する。
第１実施形態の図３のフローチャートに対して、ステップＳ１２、Ｓ１３が追加されたもので、ステップＳ１４からＳ１８は第１実施形態と同一である。

まず、ステップＳ１１において制御を開始すると、ステップＳ１２で船内消費電力センサ５１からの信号と、発電機２５の電力センサ４５からの電力信号と、ディーゼルエンジン発電機６０からの電力信号とに基づいて、発電機２５からの発電電力とディーゼルエンジン発電機６０の合計発電電力が、船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合には、ステップＳ１３において、ディーゼルエンジン発電機（他のディーゼルエンジン発電機）６０の出力を最小にする。そして、ステップＳ１４で、再度発電機２５からの発電電力とディーゼルエンジン発電機６０からの発電電力との合計発電電力が、船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合にはステップＳ１５でパワータービン７の出力を最小にする。ステップＳ１４以降は第１実施形態と同様である。

かかる第２実施形態によれば、供給電力が余剰状態にあるときに最初に、ディーゼルエンジン発電機６０の出力を最小にし、依然余剰状態の場合には、パワータービン７の出力を最小にし、さらに余剰状態の場合には、蒸気タービン９の出力を最小にすることで、すなわち、蒸気タービン９の出力の低下を最終ステップとすることで、供給電力の過剰時にタービン発電用のディーゼルエンジン３、さらにディーゼルエンジン発電機６０で消費される燃料消費率の改善を効率的に達成できる。その他については、前記第１実施形態で説明したものと同様の構成および作用効果を有する。

本発明によれば、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等を構成するエンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機において、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるので、タービン発電機の制御方法および装置に用いるのに適している。

１ タービン発電機
３ ディーゼルエンジン
５ 排気ターボ過給機
７ パワータービン（ガスタービン）
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ（排気ガス熱交換機）
１３ シリンダ部
１５ 排気マニホールド
１７ 給気マニホールド
２５ 発電機
３３ 排ガス量調整弁
３７ 蒸気量調整弁
４３ コントローラ
４５ 電力センサ
４９ 回転センサ
５１ 船内消費電力センサ
５３ 負荷分担制御部
５５ パワータービン用ガバナー部
５７ 蒸気タービン用ガバナー部
６０ ディーゼルエンジン発電機（他のディーゼルエンジン発電機）
Ｌ１ 第１排気管
Ｌ２ 第２排気管（抽気通路）
Ｌ３ 第３排気管
Ｌ４ 第４排気管
Ｋ１ 給気管
Ｊ１ 第１蒸気管
Ｊ２ 第２蒸気管

Claims (21)

1. ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御方法において、
   前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガス（燃焼ガス）の一部を抽気し、該抽気された排気ガスを前記パワータービンに供給量を調整して供給し、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給量を調整して供給し、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、パワータービンへの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とするタービン発電機の制御方法。
2. 前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが予め設定され、前記パワータービンによる供給可能電力を最小にした後に前記蒸気タービンによる供給電力を減少することを特徴とする請求項１記載のタービン発電機の制御方法。
3. 前記パワータービンの出力を最小にした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項記載のタービン発電機の制御方法。
4. ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御装置において、
   前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの供給量を減少してパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とするタービン発電機の制御装置。
5. 前記コントローラには、予めパワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されることを特徴とする請求項４記載のタービン発電機の制御装置。
6. 前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、次に前記パワータービンの出力を最小にし、最後に前記蒸気タービンの出力を最小にすることを特徴とする請求項４記載のタービン発電機の制御装置。
7. 前記コントローラは、前記パワータービンの出力を最小にした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１項に記載のタービン発電機の制御装置。
8. ディーゼルエンジンを駆動して排気ガスを排出する工程と、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスによってパワータービンを駆動する工程と、前記ディーゼルエンジンの排ガスを排気ガス熱交換器に導入して蒸気を生成する工程と、前記排気ガス熱交換器によって生成された蒸気により蒸気タービンを駆動する工程とを備えた発電方法において、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記パワータービンへの排気ガスの供給量を減少せしめる工程と、前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめる工程と、を備えることを特徴とする発電方法。
9. 前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とを予め設定しておき、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にした後に、前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめる工程、を備えることを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
10. さらに他のディーゼルエンジン発電機を駆動する工程を備えた請求項８の発電方法において、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力とを予め設定しておき、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になった場合に前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめる工程、を備えることを特徴とする請求項８に記載の発電方法。
11. 前記パワータービンの出力を減少させて最小とした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の発電方法。
12. ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの排気ガスの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とするタービン発電機。
13. 前記コントローラには、予め前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されることを特徴とする請求項１２に記載のタービン発電機。
14. 前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気ガスの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機の前記パワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめることを特徴とする請求項１２に記載のタービン発電機。
15. 前記コントローラは、前記パワータービンの出力を最小にした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載のタービン発電機。
16. ディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスを動力源として駆動するパワータービンと、前記ディーゼルエンジンから排出される排気ガスと熱交換して蒸気を生成する排気ガス熱交換器と、前記排気ガス熱交換器で生成した蒸気を動力源として駆動する蒸気タービンを備えるタービン発電機において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機と、前記排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して前記パワータービンへ供給する抽気通路と、前記抽気通路に設けられて供給量を調整する排気ガス量調整弁と、前記排気ガス熱交換器によって排気ガスと熱交換して生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、前記蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排気ガス量調整弁を絞って前記パワータービンへの排気ガスの供給量を減少させて前記パワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とするタービン発電機。
17. 前記コントローラには、予め前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されることを特徴とする請求項１６に記載のタービン発電機。
18. 前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気ガスの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機による供給電力を減少させて最小にし、次に前記パワータービンによる供給電力を減少させて最小にし、その次に前記蒸気タービンによる供給電力を減少せしめることを特徴とする請求項１６に記載のタービン発電機。
19. 前記コントローラは、前記パワータービンの出力を最小にした後に、さらに発電電力が需要電力を上回る場合に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載のタービン発電機。
20. 請求項１６から請求項１９のいずれか１項に記載のタービン発電機に備えられる前記コントローラによって、タービン発電機の運転を制御することを特徴とするタービン発電機の制御装置。
21. 前記請求項１２から請求項１９のいずれか１項に記載のタービン発電機を備えることを特徴とする船舶。

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