JP4908290B2

JP4908290B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP4908290B2
Application number: JP2007092266A
Authority: JP
Inventors: 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: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2027-03-30
Also published as: JP2008253065A

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。

このような発電装置において、急に発電を停止すると、速度制御が追いつかず、発電機の速度が異常に上昇してしまう過速度の問題が発生する虞がある。過速度の状態になると、発電機に接続された周波数変換回路などに過大な電圧が加わり、素子が破損する場合や、遠心力の増加による機械的な破損、振動の増加が発生する場合がある。

このような発電装置では、遠心式や軸流式の膨張機を使用するが、膨張機の容量調整範囲が非常に狭く、吸気量の変動や、排気側で２次利用する蒸気量の変動によって生じる圧力変動によっても過速度の状態に陥る可能性がある。

特許文献４には、吸気側の蒸気流路に遮断弁を配設し、発電停止時に遮断弁を閉じて発電機の過速度を防止する技術が開示されているが、発電中の蒸気圧の変動による過速度を防止することはできない。
特開２００６−２５７６号公報特開２００４−１００６５７号公報特開２００５−１７６４９６号公報特開平１１−２７０３４９号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、蒸気圧の変動による過速度を防止でき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は、蒸気の膨張を回転力に変換する膨張機と、前記膨張機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、前記膨張機の吸気側に設けられた吸気調整弁と、前記膨張機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第１の設定値以下の場合は前記発電機運転周波数設定手段の設定値を所定の下限周波数に設定し、前記排気帰還演算値が前記第１の設定値以上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設定し、前記排気帰還演算値が前記第１の設定値以上である第２の設定値以下の場合は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設定し、前記排気帰還演算値が前記第２の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するものとする。

この構成によれば、排気帰還演算値が大きく、発電機を急に減速する必要がないときは、発電機の周波数制御によって排気圧力を調整し、排気帰還演算値が小さく、発電機を急に減速する必要があるときは、吸気調整弁の開度によって排気圧力を調整する。つまり、排気帰還演算値が小さくなる過程において、先ず、周波数制御によって発電機の速度を可能な限り低減する。そして周波数制御の領域の下限を下回り、排気帰還演算値がさらに低下したときだけ、吸気調整弁によって発電機の回転数を素早く低下させる。これにより、過速度を防止できるとともに低負荷領域までの高効率な発電が可能となる。

また、本発明の発電装置において、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出力からなってもよい。

この構成によれば、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、蒸気圧の変動による過速度を防止できるとともに、低負荷領域までの高効率な発電が可能となる。

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膨張機の一種であるスクリュ膨張機５と、スクリュ膨張機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。

スクリュ膨張機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、スクリュ膨張機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、スクリュ膨張機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、スクリュ膨張機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。スクリュ膨張機５の排気圧力Ｐｄは、圧力検出器１４で検出され、電気信号に変換して制御装置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、スクリュ膨張機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、スクリュ膨張機５には、吸気調整弁１９を介して高圧蒸気が供給され、設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄに応じて、吸気調整弁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、吸気調整弁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Ｓ１以下の場合は、発電機６の運転速度を所定の下限周波数に設定し、排気帰還演算値Ｃｄが第１の設定値Ｓ１以上の場合は、発電機６の運転周波数を、排気帰還演算値Ｃｄが大きくなるほど高くなるほどように、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Ｓ１以上、ここでは第１の設定値Ｓ１より大きい第２の設定値Ｓ２以下の場合は、吸気調整弁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、排気帰還演算値Ｃｄが第２の設定値Ｓ２以上の場合は、吸気調整弁１９の開度を最大開度に保持する。

つまり、設定値制御装置１８は、排気帰還演算値Ｃｄが小さく、排気圧力Ｐｄを直ちに低下させる必要があるときは、吸気調整弁１９の開度調節によって排気圧力Ｐｄの制御を行い、排気帰還演算値Ｃｄが大きく、排気圧力Ｐｄを直ちに低下させる必要がないか、排気圧力Ｐｄを上昇させる必要があるときは、周波数制御装置１０により、発電機６の運転周波数を制御することで、排気圧力Ｐｄを制御する。

吸気調整弁１９による排気圧力Ｐｄの制御は、スクリュ膨張機５に供給される蒸気の圧力と量を直接増減するので、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の制御よりも応答性に優れる。それゆえ、本実施形態のように、排気帰還演算値Ｃｄが大きいときは、吸気調整弁１９の開度を全開に保つことで、排気帰還演算値Ｃｄがより小さくなるまで、吸気調整弁１９の開度を小さくする余地を最大限に温存し、より迅速に排気圧力Ｐｄを上昇させる必要が生じたときだけ、スクリュ膨張機５への蒸気供給を直接低減して排気圧力Ｐｄの変動を防止する。

これによって、本実施形態の発電装置１は、排気圧力Ｐｄを目標排気圧力Ｐｐに安定して維持することができ、急激な圧力変動によって発電機６の運転周波数制御が不能になり、過速度の状態に陥ることを防止できる。

また、排気帰還演算値Ｃｄが設定値Ｓ１より小さいときに、発電装置１を停止する際には、発電機６の運転周波数は下限周波数となっているため、吸気調整弁１９を閉じるまでの微小時間中に蒸気がスクリュ膨張機５に多量に流入することがない。これも加速度を防止できる理由である。なお、発電装置１を停止する要求がある場合には、強制的に発電機６の運転周波数を下限周波数まで低下させ、その後、吸気調整弁１９を閉じるという制御を行ってもよい。

また、吸気調整弁１９の開度の制御による蒸気量の調整は、その吸気調整弁での圧力損失を伴うので、発電機の周波数制御による蒸気量の調整より、効率の面では不利益がある。しかしながら、本実施形態の発電装置１では、低負荷領域まで吸気調整弁１９の開度の制御を控え、効率低下の少ない発電機６の周波数制御を多用して、蒸気量を調整している。このため、低負荷領域までの高効率な発電が可能となる。

本実施形態では、排気帰還演算値Ｃｄが第１の設定値Ｓ１以上、第２の設定値Ｓ２以下の範囲で、発電機６の周波数制御と、吸気調整弁１９の開度制御とが並行して行われるようになっているが、図３に示す設定値制御の代案のように、第１の設定値Ｓ１と第２の設定値Ｓ２とを同じ値に設定することで、発電機６の周波数制御と吸気調整弁１９の開度制御とを重複して行わないようにしてもよい。だだし、第２の設定値Ｓ２を第１の設定値Ｓ１よりも小さくすると、制御の空白ができ、制御が不安定になるので、第２の設定値Ｓ２は第１の設定値Ｓ１以上とすることが必要である。

また、図４に示す設定値制御のさらなる代案のように、排気帰還演算値Ｃｄが小さいほど吸気調整弁１９の開度の変化率が大きくなるようにすれば、第２の設定値Ｓ２を１００％にして、排気帰還演算値Ｃｄの全範囲に対して吸気調整弁１９の開度制御を行うようにすることもできる。

さらに、図５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において、発電機６は、同期式発電機であって、界磁巻線２０に運転周波数の界磁電流が印加されることで、発電が可能となる。発電機６の界磁巻線２０には、電力系統２から連係変圧器３を介して供給され、界磁周波数変換器２１によって発電機６の運転周波数に周波数変換された界磁電流が印加される。

界磁周波数変換器２１は、供給された商用周波数の電流を直流に順変換するインバータ９と、インバータ９の出力を半導体によってスイッチングして所望の周波数の交流電流に変換するインバータ１０とからなり、インバータ９のスイッチング周波数は、設定値制御装置１８によって設定される。

発電機６の発電電流は、出力周波数変換器２４によって商用周波数に変換して連係変圧器３を介して電力系統２に導出される。出力周波数変換器２４も、界磁周波数変換器２１と同様に、コンバータ２５とインバータ２６とで構成されている。インバータ２６のスイッチングは電力系統２に同期して商用周波数で行われる。

本実施形態においても、設定値制御装置１８は、図２から図４のいずれかのように、排気帰還演算値Ｃｄが大きいときは、吸気調整弁１９の開度を大きく保つことで、排気帰還演算値Ｃｄが小さくなり、より迅速に排気圧力Ｐｄを上昇させる必要が生じるまで、吸気調整弁１９の開度を小さくする余地を最大限に温存する。

換言すれば、発電機６の周波数制御の領域の下限に至るまで、吸気調整弁１９の開度の制御を控え、効率低下の少ない発電機６の周波数制御を多用して、蒸気量を調整している。

これによって、発電装置１は、排気圧力Ｐｄが大きく上昇した場合など、排気圧力Ｐｄの迅速な低下が求められる場合に、スクリュ膨張機５への蒸気供給を低減し、排気圧力Ｐｄを適切に制御し、スクリュ膨張機５の回転数が制御不能に陥り、発電機６が運転周波数から逸脱する脱調を防止することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。例えば、本発明の第１実施形態の発電装置１における出力周波数変換器７に換えて、マトリックスコンバータを採用してもよい。交流から直流、直流から再度交流へと変換するコンバータおよびインバータを採用したものと較べ、交流から直接交流へと変換するマトリックスコンバータを採用したものであれば、小型・軽量化、高効率化の面で利点がある。

また、発電装置１に自動停止・自動再起動の制御を付加してもよい。例えば、使用蒸気量が極端に減少すると、排気圧力Ｐｄを目標排気圧力Ｐｐに維持することが困難となり、排気圧力Ｐｄが上昇し、発電機６の運転周波数が下限周波数で、吸気調整弁１９の開度が最小という状態を経ることになる。この状態が所定時間経過した場合には発電装置１を停止させる。そして、その状態から再度、使用蒸気量が増加すると、排気圧力Ｐｄは徐々に低下してくるので、その排気圧力Ｐｄが所定の圧力まで下がったことを検知し、再び発電装置１を再起動（すなわち、上述の発電機６の周波数制御および吸気調整弁１９の開度の制御を再開）する。

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吸気調整弁開度の設定値を示す図。図２の代案の排気帰還演算値に対する発電機運転周波数および吸気調整弁開度の設定値を示す図。図２のさらなる代案の排気帰還演算値に対する発電機運転周波数および吸気調整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スクリュ膨張機（膨張機）
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吸気調整弁
２０界磁巻線
２１界磁周波数変換器
２４出力周波数変換器

Claims

蒸気の膨張を回転力に変換する膨張機と、
前記膨張機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、
前記膨張機の吸気側に設けられた吸気調整弁と、
前記膨張機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第１の設定値以下の場合は前記発電機運転周波数設定手段の設定値を所定の下限周波数に設定し、前記排気帰還演算値が前記第１の設定値以上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設定し、
前記排気帰還演算値が前記第１の設定値以上である第２の設定値以下の場合は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設定し、前記排気帰還演算値が前記第２の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に記載の発電装置。