JP2015050778A

JP2015050778A - 発電装置の運転方法

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Publication number: JP2015050778A
Application number: JP2013178551A
Authority: JP
Inventors: 泰右小野; Taisuke Ono; 貴松浦; Takashi Matsuura
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-16
Also published as: WO2015029725A1

Abstract

【課題】簡易な構成で簡単に運転することができる発電装置の運転方法を提供する。
【解決手段】供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１において、当該発電装置１を運転する方法であって、スクロール膨張機２の供給経路１１に設けた調量弁４０の開度を閉じた状態から徐々に開けて水蒸気を徐々に供給することで、誘導発電機３の回転数を徐々に上昇させ、当該誘導発電機３が目標回転数になった時点で電磁開閉器８１を電気系統８に接続して給電を開始する始動工程を有する発電装置１の運転方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、作動流体を利用した発電装置に関するものである。

一般に、ディーゼル機関による発電プラント設備において、ディーゼル機関用発電機とは別に、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発電する蒸気タービンを備えた発電設備が知られている。

従来より、このような廃熱によって生成した蒸気を用いて発電する蒸気タービンを備えた発電設備において、蒸気タービンおよび発熱回収発電機の周波数を上昇させ、排熱回収発電機の周波数が、電力供給する系統の周波数に達した後に、排熱回収遮断器を接続して系統に給電するように運転する発電プラント設備の運転方法が知られている。

この発電設備は、発熱回収発電機の周波数を、電力供給する系統の周波数に一致させるために、蒸気タービンに供給する水蒸気を細かく制御する必要があり、過熱蒸気管の上流側に設けた圧力制御弁で水蒸気の圧力を一定に保った状態にしておいて、その下流側にある蒸気流量調整弁で供給する水蒸気の量を調整するようにしていた（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／１８００４号

しかし、上記従来の運転方法のように排熱回収発電機の周波数が、電力供給する系統の周波数に達した後に、排熱回収遮断器を接続して系統に給電するように運転する場合、排熱回収発電機の周波数と電力供給する系統の周波数とを同期させるために、圧力制御弁で水蒸気の圧力を一定にしておいて、蒸気流量調整弁で供給する水蒸気の量を制御しなければならず、発電プラント設備の構成が複雑となり、かつ、制御が煩わしくなってしまう。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で簡単に運転することができる発電装置の運転方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る発電装置の運転方法は、供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置において、当該発電装置を運転する方法であって、膨張機の供給経路に設けた調量弁の開度を閉じた状態から徐々に開けて作動流体を徐々に供給することで、発電機の回転数を徐々に上昇させ、当該発電機が目標回転数になった時点で電磁開閉器を電気系統に接続して給電を開始する始動工程を有するものである。

上記課題を解決するための本発明の発電装置の運転方法は、供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置において、当該発電装置を運転する方法であって、膨張機の供給経路に設けた調量弁の開度を閉じた状態から徐々に開けて作動流体を徐々に供給し、当該膨張機の入口圧力が目標圧力になった時点で電磁開閉器を電気系統に接続して給電を開始する始動工程を有するものである。

上記発電装置の運転方法において、始動工程前に、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を開けるとともに、供給経路における膨張機の入口を閉じた後、調量弁を開いて作動流体を供給して供給経路に溜まったドレン水をバイパス経路から排出させる工程を有するものであってもよい。

上記発電装置の運転方法において、調量弁の開度を徐々に閉じて作動流体の供給量を徐々に減らし、当該膨張機の入口圧力が目標圧力となった時点で電磁開閉器を電気系統から切断して給電を停止させる停止工程を有するものであってもよい。

上記発電装置の運転方法において、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を開けて膨張機へと流れる作動流体の一部をバイパス経路へ流し、膨張機の入口圧力が目標圧力となった時点で電磁開閉器を電気系統から切断して給電を停止させる停止工程を有するものであってもよい。

上記発電装置の運転方法において、作動流体として水蒸気を用いるものであってもよい。

上記発電装置の運転方法において、発電機として誘導発電機を用いるものであってもよい。

上記発電装置の運転方法において、膨張機として、発電機と直結されたスクロールを用いるものであってもよい。

本発明によると、膨張機の供給経路に設けた調量弁の開度を閉じた状態から徐々に開けて作動流体を徐々に供給することで、発電機の回転数を徐々に上昇させ、当該発電機が目標回転数になった時点、または目標圧力になった時点で電磁開閉器を電気系統に接続して給電を開始するといった簡単な始動工程で給電を開始することができる。

本発明に係る発電装置の運転方法に用いる発電装置の全体構成の概略図である。本発明の発電装置の運転方法における始動工程のフロー図である。本発明の発電装置の運転方法における他の始動工程のフロー図である。本発明の発電装置の運転方法における停止工程のフロー図である。本発明の発電装置の運転方法における他の停止工程のフロー図である。本発明に係る発電装置の運転方法における始動前工程を実施するための発電装置の全体構成の概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る発電装置１の運転方法に用いる発電装置１の全体構成の概略を示している。

まず、発電装置１の全体構成について説明する。

この発電装置１は、供給経路１１を流れる水蒸気がスクロール膨張機２に供給されてスクロール膨張機２が駆動されることで、当該スクロール膨張機２に接続された誘導発電機３による発電が行われる発電装置１であって、スクロール膨張機２の供給経路１１と排出経路１２との間には、供給経路１１から排出経路１２へとバイパスするバイパス経路１３が設けられ、供給経路１１における当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも上流側には、第一遮断弁４１が設けられ、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられたものである。

供給経路１１は、水蒸気の供給源からスクロール膨張機２の供給口に接続されており、この供給経路１１の上流側から供給される水蒸気によってスクロール膨張機２を駆動するように構成されている。この供給経路１１には、調量弁４０が設けられており、スクロール膨張機２の駆動源となる水蒸気の供給量は、制御部１０によって調量弁４０の開閉度を制御することで調整される。この際、制御部１０は、供給経路１１における調量弁４０の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ１およびスクロール膨張機２の入口側（上流側）に設けた圧力センサＰ２によって圧力を管理しながら調量弁４０の開閉制御を行うようになされている。また、供給経路１１の最上流側には、当該供給経路１１を流れる水蒸気中の異物を濾過するためのストレーナ１１ａが設けられている。また、供給経路１１は、調量弁４０の下流側であって、バイパス経路１３との分岐点Ａの上流側に、第一遮断弁４１が設けられている。この第一遮断弁４１は、通常時は開いた状態となっており、スクロール膨張機２への水蒸気を遮断する必要が生じた場合には、制御部１０による制御によって閉じた状態となって供給経路１１を流れる水蒸気を遮断できるようになされている。

排出経路１２は、その一端が、スクロール膨張機２の排出口に接続されている。この排出経路１２は、その他端が、バイパス経路１３との合流点Ｂの下流側に、凝縮器５を経て復水タンク６に接続されている。これにより、スクロール膨張機２を通過後の水蒸気は、凝縮器５で二次冷却水と熱交換により凝縮液化された後、復水タンク６に貯留される。排出経路１２における凝縮器５の出口には、温度センサＴ１が設けられ、二次冷却水経路５１における凝縮器５の出口には、温度センサＴ２が設けられている。制御部１０は、温度センサＴ１から排出経路１２を通過する凝縮水の温度を測定し、温度センサＴ２から二次冷却水経路５１を通過する熱交換後の二次冷却水の温度を測定し、凝縮器５による水蒸気と二次冷却水との熱交換具合を制御できるようになされている。

バイパス経路１３は、その一端が、供給経路１１に設けられた第一遮断弁４１の下流側とスクロール膨張機２の供給口との間に接続され、他端が、スクロール膨張機２の排出口の下流側と凝縮器５の入口の上流側との間に接続されている。これによってバイパス経路１３は、供給経路１１と排出経路１２との間をバイパスするように設けられている。また、バイパス経路１３には、バイパス弁４２が設けられている。このバイパス弁４２は、通常時は閉じた状態となっており、供給経路１１の水蒸気をスクロール膨張機２に供給せずに排出経路１２へ排出させたい場合には、制御部１０による制御によって開いた状態となり、供給経路１１を流れる水蒸気を、排出経路１２へと排出できるようになされている。

復水タンク６に貯留された凝縮水は、給水経路１４に設けられたポンプ７により、エンジン排熱を利用する蒸発器９でエンジン排熱の吸収に利用された後、再度、水蒸気となって供給経路１１へと供給される。この復水タンク６には、圧力センサＰ４および液レベルセンサＬが設けられており、制御部１０は、圧力センサＰ４によって凝縮具合をチェックするとともに、液レベルセンサＬによって復水タンク６内の凝縮水の量をチェックすることができるようになされている。

スクロール膨張機２は、当該スクロール膨張機２に定められた定格回転数、例えば１８００〜３６００ｒｐｍで回転するように構成されており、誘導発電機３と直結できるようになされている。

誘導発電機３は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクよりも、当該誘導発電機３に直結されたスクロール膨張機２の回転による回転トルクが大きくなると、すべりが発生して発電機として機能することとなる。誘導発電機３は、電磁開閉器８１によって、電気系統８に接続および切断できるように構成されている。

このようにして構成される発電装置１は、供給経路１１から供給される水蒸気を、調量弁４０によって調整してスクロール膨張機２に供給し、当該スクロール膨張機２と直結された誘導発電機３を発電機として作動させることで、発電される。発電によって得られた電力は、電磁開閉器８１を介して電気系統８へと給電される。

スクロール膨張機２に供給され、当該スクロール膨張機２を駆動させた後の水蒸気は、凝縮器５で凝縮水とした後、復水タンク６に貯留される。この貯留された凝縮水は、ポンプ７によって、エンジン排熱を利用する蒸発器９へと供給され、エンジン排熱の吸収に利用された後、再度、水蒸気となって供給経路１１へと供給される。この際、エンジン発熱は、例えば、主発電機となるディーゼル機関などのエンジンから排出された排ガスから回収することができる。なお、蒸発器９は、エンジン排熱を利用するものに限定されるものではなく、地熱や太陽熱、工場廃熱などを利用するものであってもよい。

以後、上記動作が繰り返されて発電が継続される。

次に、この発電装置１の運転方法について説明する。

図２は、本発明の発電装置１の始動工程を示している。

まず、運転開始する場合、始動工程において、供給経路１１に設けた調量弁４０の開度を徐々に開け（ステップ1）、水蒸気をスクロール膨張機２に徐々に供給することにより、誘導発電機３の回転数Ｎを徐々に上昇させる。

誘導発電機３の回転数ＮをセンサＲから取得し（ステップ２）、誘導発電機３の回転数Ｎが目標回転数Ｎ０以上になったか否かを判断する（ステップ３）。

目標回転数Ｎ０以上になっていない場合は、調量弁４０の開度を調整しなおす。目標回転数Ｎ０以上になっている場合は、電磁開閉器８１を電気系統８に接続して給電を開始する（ステップ４）。

その後、制御部１０によって、調量弁４０の開度を制御する（ステップ５）。

この発電装置１の始動制御は、制御部１０によって行われる。

この発電装置１によると、誘導発電機３の回転数ＮをセンサＲで検出し、この回転数が目標回転数Ｎ０以上になった時点で電磁開閉器８１を電気系統８に接続するといった簡単な制御で始動することができる。また、目標回転数Ｎ０は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクから許容される慣性の範囲内に達すればよく、ある程度の幅がある。したがって、水蒸気の圧力調整や流量調整などによりスクロール膨張機２への水蒸気の供給量を厳密に制御することを必要としない。

図３は、本発明に係る発電装置１の他の始動工程を示している。

まず、運転開始する場合、始動工程において、供給経路１１に設けた調量弁４０の開度を徐々に開け（ステップ１１）、水蒸気をスクロール膨張機２に徐々に供給することにより、水蒸気の供給圧力Ｐを徐々に上昇させる。

スクロール膨張機２へ供給される水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２から取得し（ステップ１２）、この供給圧力Ｐが目標始動圧力Ｐ０以上になったか否かを判断する（ステップ１３）。

目標始動圧力Ｐ０以上になっていない場合は、調量弁４０の開度を調整しなおす。目標始動圧力Ｐ０以上になっている場合は、電磁開閉器８１を電気系統８に接続して給電を開始する（ステップ１４）。

その後、制御部１０によって、調量弁４０の開度を制御する（ステップ１５）。

この発電装置１によると、スクロール膨張機２への水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２で検出し、この供給圧力Ｐが目標始動圧力Ｐ０以上になった時点で電磁開閉器８１を電気系統８に接続するといった簡単な制御で始動することができる。また、目標始動圧力Ｐ０は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクから許容される慣性の範囲内に達すればよく、ある程度の幅がある。したがって、水蒸気の圧力調整や流量調整などによりスクロール膨張機２への水蒸気の供給量を厳密に制御することを必要としない。

図４は、本発明に係る発電装置１の停止工程を示している。

まず、運転停止する場合、停止工程において、供給経路１１に設けた調量弁４０の開度を徐々に閉じ（ステップ２１）、スクロール膨張機２に供給される水蒸気量を徐々に減らすことにより、水蒸気の供給圧力Ｐを徐々に減少させる。

水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２から取得し（ステップ２２）、水蒸気の供給圧力Ｐが目標停止圧力Ｐ０以下になったか否かを判断する（ステップ２３）。

この際、誘導発電機３に連結されたスクロール膨張機２には、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクが発生している。したがって、水蒸気を供給することによって回転しているスクロール膨張機２の回転トルクが、前記した負荷トルクから許容できる慣性の範囲内になれば、電磁開閉器８１を電気系統８から切断しても、スクロール膨張機２が過多回転することもなく、安全にスクロール膨張機２の回転数を低下させて停止できることとなる。したがって、前記した負荷トルクから許容される慣性の範囲内となる回転トルクでスクロール膨張機２を駆動することができる目標停止圧力Ｐ０以下まで、供給圧力Ｐが低下したか否かを、圧力センサＰ２で検出する。

水蒸気の供給圧力Ｐが目標停止圧力Ｐ０以下まで低下していない場合は、調量弁４０の停止開度を調整しなおす。目標停止圧力Ｐ０以下まで低下した場合は、電磁開閉器８１を電気系統８から切断して給電を停止する（ステップ２４）。

その後、制御部１０によって、調量弁４０の開度を完全に閉じるように制御する（ステップ２５）。

この発電装置１の停止制御は、制御部１０によって行われる。

この発電装置１によると、水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２で検出し、この供給圧力Ｐが目標停止圧力Ｐ０以下になった時点で電磁開閉器８１を電気系統８から切断するといった簡単な制御で停止することができる。また、目標停止圧力Ｐ０は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクから許容される慣性の範囲内に達すればよく、ある程度の幅がある。したがって、水蒸気の圧力調整や流量調整などによりスクロール膨張機２への水蒸気の供給量を厳密に制御することを必要としない。

図５は、本発明の発電装置１の他の停止工程を示している。

まず、運転停止する場合、停止工程において、バイパス経路１３に設けたバイパス弁４２の開度を徐々に開き（ステップ３１）、スクロール膨張機２に供給される水蒸気量を徐々に減らすことにより、水蒸気の供給圧力Ｐを徐々に減少させる。

水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２から取得し（ステップ３２）、水蒸気の供給圧力Ｐが目標停止圧力Ｐ０以下になったか否かを判断する（ステップ３３）。

目標停止圧力Ｐ０以下になっていない場合は、バイパス弁４２の停止開度を調整しなおす。目標停止圧力Ｐ０以下になっている場合は、電磁開閉器８１を電気系統８から切断して給電を停止する（ステップ３４）。

その後、制御部１０によって、調量弁４０の開度を完全に閉じるように制御する（ステップ３５）。

この発電装置１によると、水蒸気の供給圧力Ｐを圧力センサＰ２で検出し、この供給圧力Ｐが目標停止圧力Ｐ０以下になった時点で電磁開閉器８１を電気系統８から切断するといった簡単な制御で停止することができる。また、目標停止圧力Ｐ０以下は、励磁電流の供給によって発生する回転磁界の負荷トルクから許容される慣性の範囲内に達すればよく、ある程度の幅がある。したがって、水蒸気の圧力調整や流量調整などによりスクロール膨張機２への水蒸気の供給量を厳密に制御することを必要としない。

図６は、本発明の他の実施の形態に係る発電装置１ａを示している。図６において、図１に示す発電装置１と同部材については同符号を付して説明を省略する。

この発電装置１ａは、供給経路１１における、当該供給経路１１とバイパス経路１３との分岐点Ａよりも下流側に、すなわち、スクロール膨張機２の供給口と分岐点Ａとの間の供給経路１１に、第二遮断弁４３が設けられている。

供給経路１１の上流側には、ストレーナ１１ａを設けているが、ストレーナ１１ａよりも下流側の供給経路１１は、発電装置１ｂの停止によって配管内部に錆やコンタミなどの異物が発生することがある。また、このような異物とともに配管内に溜まっていた凝縮水は、始動時にスクロール膨張機２ｂへと供給される高圧の水蒸気によって、ウォーターハンマーとなり、スクロール膨張機２を壊してしまうことが懸念される。

そこで、本発明に係る発電装置１ａの制御部１０は、始動工程前に、以下のように制御するようになされている。

すなわち、発電装置１ａの制御部１０は、始動工程前に第二遮断弁４３を閉じるとともに、バイパス弁４２を開き、スクロール膨張機２に水蒸気を供給せず、しばらくの間、水蒸気をバイパス経路１３から排出経路１２へと流す。そして、バイパス経路１３へと十分に水蒸気を流した後、バイパス弁４２を閉じ、第二遮断弁４３を開けてスクロール膨張機２への水蒸気の供給を開始する。

これにより、異物がスクロール膨張機２へ入るのを防止できるとともに、凝縮水がウォーターハンマーとなってスクロール膨張機２を壊してしまうことを防止できる。

なお、上記した各実施の形態において、本発明の運転方法を実施する発電装置１、１ａは、スクロール膨張機２を用いているが、この膨張機としては、蒸気タービンであってもよい。

また、上記した各実施の形態において、本発明の運転方法を実施する発電装置１、１ｂは、水蒸気を作動流体としているが、作動流体としてはこのような水蒸気に限定されるものではなく、この種の排熱発電に使用される各種の作動流体であってもよい。

さらに、上記した各実施の形態において、本発明の運転方法を実施する発電装置１、１ａは、誘導発電機３を連結しているが、発電機としては、このような誘導発電機３に限定されるものではなく、負荷トルクによって決まる所定の慣性範囲内で電磁開閉器８１を電気系統８に接続または切断しても許容されるような発電機であれば、他の誘導発電機や同期発電機であってもよい。

さらに、上記した各実施の形態において、本発明の運転方法を実施する発電装置１、１ａは、供給経路１１における分岐点Ａよりも上流側に第一遮断弁４１を設けることで、バイパス経路１３におけるバイパス弁４２を開いた際に、分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２へと逃がすように構成されているが、この分岐点Ａよりも下流側の供給経路１１における水蒸気の圧力を逃がすことを考慮する必要がなければ、第一遮断弁４１に代えて、分岐点Ａの位置に切替弁（図示省略）を設けてもよい。この場合、切替弁（図示省略）は、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの下流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよいし、通常時は分岐点Ａの上流側の供給経路１１と下流側の供給経路１１とを連絡し、緊急時には分岐点Ａの上流側とバイパス経路１３とを連絡するように切り替えられるように構成されたものであってもよい。前者の切替弁（図示省略）の場合、緊急時に切り替えた後は、供給経路１１の上流側からの水蒸気の供給を止めることができるとともに、分岐点Ａの下流側の供給経路１１の水蒸気の圧力を、バイパス経路１３を介して排出経路１２に逃がすことができる。

１発電装置
１ａ発電装置
１０制御部
１１供給経路
１２排出経路
１３バイパス経路
２スクロール膨張機（膨張機）
３誘導発電機（発電機）
４０調量弁
４１第一遮断弁
４２バイパス弁
４３第二遮断弁
８電気系統
８１電磁開閉器
Ａ分岐点
Ｂ合流点
Ｎ回転数
Ｎ０目標回転数
Ｐ供給圧力
Ｐ０目標供給圧力

Claims

供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置において、当該発電装置を運転する方法であって、
膨張機の供給経路に設けた調量弁の開度を閉じた状態から徐々に開けて作動流体を徐々に供給することで、発電機の回転数を徐々に上昇させ、当該発電機が目標回転数になった時点で電磁開閉器を電気系統に接続して給電を開始する始動工程を有することを特徴とする発電装置の運転方法。
供給経路を流れる作動流体が膨張機に供給されて膨張機が駆動されることで、当該膨張機に接続された発電機による発電が行われる発電装置において、当該発電装置を運転する方法であって、
膨張機の供給経路に設けた調量弁の開度を閉じた状態から徐々に開けて作動流体を徐々に供給し、当該膨張機の入口圧力が目標圧力になった時点で電磁開閉器を電気系統に接続して給電を開始する始動工程を有することを特徴とする発電装置の運転方法。
始動工程前に、供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を開けるとともに、供給経路における膨張機の入口を閉じた後、調量弁を開いて作動流体を供給して供給経路に溜まったドレン水をバイパス経路から排出させる工程を有する請求項１または２に記載の発電装置の運転方法。
調量弁の開度を徐々に閉じて作動流体の供給量を徐々に減らし、当該膨張機の入口圧力が目標圧力となった時点で電磁開閉器を電気系統から切断して給電を停止させる停止工程を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の発電装置の運転方法。
供給経路から排出経路へとバイパスするバイパス経路を開けて膨張機へと流れる作動流体の一部をバイパス経路へ流し、膨張機の入口圧力が目標圧力となった時点で電磁開閉器を電気系統から切断して給電を停止させる停止工程を有する請求項１ないし３の何れか一に記載の発電装置の運転方法。
作動流体として水蒸気を用いる請求項１ないし５の何れか一に記載の発電装置の運転方法。
発電機として誘導発電機を用いる請求項１ないし６の何れか一に記載の発電装置の運転方法。
膨張機として、発電機と直結されたスクロールを用いる請求項１ないし７の何れか一に記載の発電装置の運転方法。