JP4969701B2 - タービン設備の制御方法およびタービン設備 - Google Patents
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Description
一方で、起動用機器のみを用いて定格回転数まで昇速させる方法では、起動用機器に求められる容量が増大するため、プラントコストが増大するという問題があった。
特許文献1に記載された技術では、タービンの昇速時にヘリウムの充填量を定格運転時の充填量よりも減らすことにより、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくし、起動用機器に求められる容量を下げることができた。
しかしながら、上述のように、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくすると、減速ギア等に負荷されるトルクも小さくなり、ギアの自重で歯車の負荷分担が正規の値からずれたり、歯の当たる位置が正規の位置からずれたりして、フレッティングなどの不具合が発生する恐れがあるという問題があった。
本発明のタービン設備の制御方法は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、を有するタービン設備の制御方法であって、減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、を有し、前記昇速ステップは、検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップを有することを特徴とする。
例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が正確になる。
一方、減速部にかかる負荷の絶対値が所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機を通過する作動流体の流量を減少させる。通過する作動流体の流量が減少すると、圧縮機の駆動に必要なトルクが減少するため、電動機と圧縮機との間に配置された減速部にかかる負荷が減少し、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
例えば、減速部にかかる負荷に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が容易になる。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、圧縮部およびタービン部を循環する作動流体の温度が高くなって、圧縮部などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速部にかかる負荷が大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速部にかかる負荷の増加を抑制する。
以下、本発明の第1の実施形態に係るクローズドサイクルガスタービンを備えた発電設備について図1から図5を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本発明を作動流体であるヘリウムガスを閉鎖した循環系で循環させるとともに(クローズドサイクル)、圧縮された作動流体を加熱する熱源として原子炉を用いるガスタービンを備えた発電設備に適用して説明する。
発電設備(タービン設備)1には、図1に示すように、同一の回転軸2上に配置されたタービン部3、低圧圧縮機(圧縮部)4、高圧圧縮機(圧縮部)5および減速ギア部(減速部)6と、減速ギア部6に接続された発電機(電動機)7と、高圧圧縮機5により圧縮された作動流体を加熱する原子炉8と、作動流体を原子炉8、タービン部3、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5の順に循環させる循環流路9と、が主に設けられている。
原子炉8とタービン部3との間、および、タービン部3と低圧圧縮機4との間は、循環流路9によって作動流体が流通可能に接続されている。
タービン部3と低圧圧縮機4との間、および、低圧圧縮機4と高圧圧縮機5との間は、循環流路9によって作動流体が流通可能に接続されている。
低圧圧縮機4と高圧圧縮機5との間、および、高圧圧縮機5と原子炉8との間は、循環流路9によって作動流体が流通可能に接続されている。
高圧圧縮機5と原子炉8との間、および、原子炉8とタービン部3との間は、循環流路9によって作動流体が流通可能に接続されている。
減速ギア部6は、複数の歯車の組み合わせから構成されるものであって、種々の組み合わせ形式を用いることができる。例えば、減速ギア部6として遊星ギアを用いることができるが、特に限定するものではない。
減速ギア部6には、図1に示すように、減速ギア部6にかかるトルクを測定するトルクメータ(負荷検出部)11が設けられている。
トルクメータ11により計測されたトルクは、図2に示すように、フィードバック制御部51に出力されている。
一方、発電設備1の起動時には、外部から供給された電力を用いて、回転軸2および減速ギア部6を介してタービン部3、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5を回転駆動するものである。
循環流路9には、タービン部3から流出した作動流体と、高圧圧縮機5から吐出された作動流体との間で熱交換を行う再生熱交換器21と、低圧圧縮機4に吸入される作動流体と、海水との間で熱交換を行う冷却器22と、低圧圧縮機4から吐出された作動流体と、海水との間で熱交換を行う中間冷却器23と、が設けられている。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の冷却器22を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の中間冷却器23を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
第1バイパス流路31には、還流する作動流体の流量を調節する第1バイパス弁36が設けられている。
本実施形態では、2つの第1バイパス弁36が並列に配置されている例に適用して説明するが、第1バイパス弁36の数は、2つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
一方、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5に吸入される作動流体の流量を調節する場合には、高圧圧縮機5から吐出された作動流体の一部は、第1バッファタンク41、第2バッファタンク42の順に流れて、再生熱交換器21と冷却器22との間に還流される。
本実施形態では、2つの第2バイパス弁43が並列に配置されている例に適用して説明するが、第2バイパス弁43の数は、2つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
フィードバック制御部51における第2バイパス弁43の開度制御については、以下に説明する。
発電設備1において運転、つまり発電が行われる場合には、図1に示すように、原子炉8に流入した高圧の作動流体は原子炉8において発生した熱を吸収してさらに加熱され、例えば、約900℃の作動流体として原子炉8から循環流路9に流出する。
発電機7は、伝達された回転駆動力により回転駆動されて発電を行っている。
冷却器22から流出した作動流体は、循環流路9を介して低圧圧縮機4に吸入される。低圧圧縮機4は、回転軸2を介してタービン部3から供給された回転駆動力により、吸入した作動流体を圧縮し、循環流路9に吐出する。
中間冷却器23から流出した作動流体は、循環流路9を介して高圧圧縮機5に吸入される。高圧圧縮機5は、回転軸2を介してタービン部3から供給された回転駆動力により、低圧圧縮機4により圧縮された作動流体をさらに高圧に圧縮し、循環流路9に吐出する。
再生熱交換器21から流出した作動流体は、循環流路9を介して原子炉8に流入し、上述の過程が繰り返される。
つまり、第1バイパス弁36を開くことにより、低圧圧縮機4から吐出され中間冷却器23から流出された作動流体の一部が、第1バイパス流路31を介して、冷却器22と低圧圧縮機4との間の循環流路9に流入する。そのため、循環流路9の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機4に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機4におけるサージングの発生が防止される。
つまり、第2バイパス弁43を開くことにより、高圧圧縮機5から吐出された作動流体の一部が、第2バイパス流路32、第1バッファタンク41および第2バッファタンク42を介して、再生熱交換器21および冷却器22の間の循環流路9に流入する。そのため、循環流路9の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5におけるサージングの発生が防止される。
発電設備1の起動時は、図1に示すように、外部から発電機7に電力が供給される。電力が供給された発電機7は、電動機として回転駆動力を発生し、減速ギア部6および回転軸2を介してタービン部3,低圧圧縮機4および高圧圧縮機5を回転駆動する。
発電設備1は起動されると、図3に示すように、毎分約300回転の回転速度で低圧圧縮機4や高圧圧縮機5等が回転駆動され、昇速指令が入力される第1所定時間T1まで毎分約300回転の回転速度が維持される。
すると、電動機である発電機7と、低圧圧縮機4および高圧圧縮機5の間に配置された減速ギア部6にかかるトルクも増加する。
起動時から第1所定時間T1までは、低圧圧縮機4や高圧圧縮機5等の回転速度が低く、かつ、原子炉8の温度も低い状態であるため、第2バイパス弁43が全開になるまでフィードバック制御部51から第2バイパス弁43を開く制御信号が出力される。図4に示す起動時から第1所定時間T1までのトルクは、第2バイパス弁43が全開状態における減速ギア部6にかかるトルクを示している。
つまり、起動時から第1所定時間T1までは、トルクメータ11により測定されているトルクは、0から負の第1所定トルク(所定値)−Q1の範囲に含まれている。
昇速指令が入力されて低圧圧縮機4等の回転速度の上昇が開始されると、つまり第1所定時間T1を経過すると、図3に示すように、低圧圧縮機4や高圧圧縮機5などの回転速度は時間の経過とともに上昇し、第2所定時間T2には定格回転数の毎分約6000回転まで昇速される(ステップS1(昇速ステップ))。
そのため、トルクメータ11により測定されている減速ギア部6にかかるトルクも増加する(ステップS2(負荷検出ステップ))。フィードバック制御部51は入力されるトルク信号に応じて第2バイパス弁43の開度を制御する制御信号を出力する(ステップS3(バイパス流量制御ステップ))。
このようにすることにより、例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部6にかかるトルクの制御が正確になる。
次に、本発明の第2の実施形態について図6から図8を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、第1バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図6から図8を用いて第1バイパス弁の制御のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図6は、本実施形態に係る発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
プログラム制御部151は、発電設備1の起動時における低圧圧縮機4などの回転速度の昇速を指示する昇速指令に基づいて第1バイパス弁36の開度を制御するものである。
プログラム制御部151における第1バイパス弁36の開度制御については、以下に説明する。
なお、起動時には、フィードバック制御部51およびプログラム制御部151のそれぞれが第2バイパス弁43および第1バイパス弁36の開度を制御するが、フィードバック制御部51による第2バイパス弁43の開度制御は、第1の実施形態における制御と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備101における発電については、第1の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
発電設備101は起動されると、図7に示すように、毎分約300回転の回転速度で低圧圧縮機4や高圧圧縮機5等が回転駆動され、昇速指令が入力される第1所定時間T1まで毎分約300回転の回転速度が維持される。
このとき、プログラム制御部151は、第1バイパス弁36を全開にする制御信号を出力している。
すると、電動機である発電機7と、低圧圧縮機4の間に配置された減速ギア部6にかかるトルクも増加する。
その後、昇速指令が入力されて低圧圧縮機4等の回転速度の上昇が開始されると(ステップS1(昇速ステップ))、プログラム制御部151は、昇速指令が入力されてからの経過時間に応じて、第1バイパス弁36の開度を下げる制御信号を出力する(ステップS13(バイパス流量制御ステップ))。
そのため、プログラム制御部151は、昇速指令の入力からの時間経過に比例して第1バイパス弁36の開度を下げる制御信号を出力する。
このようにすることにより、例えば、減速ギア部6にかかるトルクに基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部6にかかる負荷の制御が容易になる。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、低圧圧縮機4、高圧圧縮機5およびタービン部3を循環する作動流体の温度が高くなって、低圧圧縮機4などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速ギア部6にかかるトルクが大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させることにより、低圧圧縮機4の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速ギア部6にかかるトルクの増加を抑制することができる。
つまり、第1および第2バイパス弁36,43の合計容量を、減速ギア部6にかかるトルク制御に用いることができるため、第1および第2バイパス弁43のいずれか一方を大型化、または、個数の増加をする必要がなくなる。そのため、減速ギア部6にかかるトルクの制御に用いられる操作端の変更や、追加が不要となり、発電設備101におけるイニシャルコストの増加を抑制することができる。
次に、本発明の第3の実施形態について図9から図11を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第1の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、第2バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図9から図11を用いて第2バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図9は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図10は、図9の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第1の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
N1=N/√(Ti)
修正回転数演算部263により算出された修正回転数N1は、第2サージング制御部251に入力される。
第2サージング制御部251から出力された制御信号は、第2選択部252に入力される。
選択された制御信号は、第2選択部252から第2バイパス弁43に出力されている。
なお、起動時には、フィードバック制御部51および第2サージング制御部251のそれぞれが第2バイパス弁43の開度を算出して制御信号を出力するが、フィードバック制御部51による第2バイパス弁43開度の算出等は、第1の実施形態における場合と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備201における発電については、第1の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
発電設備201の起動時には、図11に示すように、フィードバック制御部51におけるバイパス流量の算出、および、第2バイパス弁43の開度V2の算出(ステップS21(第1算出ステップ))と、第2サージング制御部251におけるバイパス流量の算出、および、第2バイパス弁43の開度V2の算出(ステップS22(第2算出ステップ))と、がそれぞれ独立に行われる。
第2サージング制御部251は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第2バイパス弁43の開度V2を算出し、第2バイパス弁43の開度を制御する制御信号を第2選択部252に出力する。
第2バイパス弁43は、入力された制御信号に基づいて開度V2が調節され、第2バイパス流路32を流れる作動流体の流量が調節される(ステップS24(流量調節ステップ))。
特に、外乱により高圧圧縮機5におけるサージングが発生しやすい状況となっても、高圧圧縮機5におけるサージングの発生を防止することができる。
次に、本発明の第4の実施形態について図12から図14を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第3の実施形態と同様であるが、第1の実施形態とは、第1バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図12から図14を用いて第1バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図12は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図13は、図12の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第3の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
第1サージング制御部351から出力された制御信号は、第1選択部352に入力される。
選択された制御信号は、第1選択部352から第1バイパス弁36に出力されている。
発電設備301の起動時には、第3の実施形態と同様に、第2選択部252にフィードバック制御部51および第2サージング制御部251から第2バイパス弁43の開度V2を制御する信号が入力され、第2選択部252により選択された制御信号が第2バイパス弁43に入力されている。
上述の第2バイパス弁43の開度制御と同時に、図14に示すように、プログラム制御部151におけるバイパス流量の算出、および、第1バイパス弁36の開度の算出(ステップS31(第1算出ステップ))と、第1サージング制御部351におけるバイパス流量の算出、および、第1バイパス弁36の開度の算出(ステップS32(第2算出ステップ))と、がそれぞれ独立に行われる。
第1サージング制御部351は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第1バイパス弁36の開度V1を算出し、第1バイパス弁36の開度を制御する制御信号を第1選択部352に出力する。
第1バイパス弁36は、入力された制御信号に基づいて開度が調節され、第1バイパス流路31を流れる作動流体の流量が調節される(ステップS34(流量調節ステップ))。
特に、外乱により低圧圧縮機4におけるサージングが発生しやすい状況となっても、低圧圧縮機4におけるサージングの発生を防止することができる。
例えば、上記の実施の形態においては、フィードバック制御部51により第2バイパス弁43を制御し、プログラム制御部151により第1バイパス弁36を制御する例に適用して説明しているが、逆に、フィードバック制御部51により第1バイパス弁36を制御し、プログラム制御部151により第2バイパス弁43を制御してもよく、特に限定するものではない。
3 タービン部
4 低圧圧縮機(圧縮部)
5 高圧圧縮機(圧縮部)
6 減速ギア部(減速部)
7 発電機(電動機)
9 循環流路
11 トルクメータ(負荷検出部)
31 第1バイパス流路(バイパス流路)
32 第2バイパス流路(バイパス流路)
43 第2バイパス弁(流量調整部)
51 フィードバック制御部(制御部)
151 プログラム制御部(制御部)
251 第2サージング制御部(制御部)
351 第1サージング制御部(制御部)
S1 昇速ステップ
S2 負荷検出ステップ
S3,S13 バイパス流量制御ステップ
S21,S31 第1算出ステップ
S22,S32 第2算出ステップ
S23,S33 選択ステップ
S24,S34 流量調節ステップ
Claims (5)
- 作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、を有し、
前記昇速ステップは、検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップを有することを特徴とするタービン設備の制御方法。 - 前記バイパス流量制御ステップは、
前記検出された負荷、および、前記所定値に基づいてバイパス流量を算出する第1算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第2算出ステップと、
前記第1および第2算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項1に記載のタービン設備の制御方法。 - 作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記回転数の上昇開始から時間の経過とともに前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、
を有することを特徴とするタービン設備の制御方法。 - 前記バイパス流量制御ステップは、
前記回転数の上昇開始からの経過時間に基づいてバイパス流量を算出する第1算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に流入する前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第2算出ステップと、
前記第1および第2算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項3に記載のタービン設備の制御方法。 - 作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
前記圧縮部の吐出側から吸入側に前記作動流体をバイパスさせるバイパス流路と、
該バイパス流路を流れる前記作動流体の流量を調整する流量調整部と、
起動時に減速部を介して前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動する電動機と、
請求項1から請求項4のいずれかに記載の制御方法を行う制御部と、
が設けられていることを特徴とするタービン設備。
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