JP5148117B2

JP5148117B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP5148117B2
Application number: JP2007004742A
Authority: JP
Inventors: 省二吉村; 中村　　元; 誠中村
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: US7589430B2; CN101222199A; KR20080066597A; US20080174122A1; JP2008172953A; CN101222199B

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。タービンを用いた発電装置では、タービンから吐出される低圧蒸気の圧力を制御することが難しい。

また、スクリュエキスパンダのような容積式スチームエキスパンダの利用の可能性が検討されている。容積式スチームエキスパンダは、回転数によらず、給気圧と排気圧との差でトルクが決まり、蒸気流量が回転数に比例するフラットな特性を有している。

容積式スチームエキスパンダの出力は、トルクと回転数との積で表される。発電装置の設計において、発電機は、蒸気の給気圧力と排気圧力との差圧を最大にし、定格周波数で運転したときに定格出力を得られるように選定される。

発電装置の２次側の低圧蒸気の需要設備の運転状況や、発電装置に並列して蒸気を利用する機器の運転状況によっては、２次側の蒸気圧力が上昇して、容積式スチームエキスパンダにおける差圧が低くなり、発電機の出力が低下してしまう場合がある。

また、発電装置の周波数については、例えば、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。
特開２００６−２５７６号公報特開２００４−１００６５７号公報特開２００５−１７６４９６号公報

前記問題点に鑑みて、１次側と２次側の蒸気の差圧にかかわらず、発電機の出力を高く維持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容積式スチームエキスパンダと、前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続され、前記容積式スチームエキスパンダの１次側と２次側との差圧が最大のときに、定格周波数で定格出力の発電を行うことができる発電機と、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、前記発電機の発電電力を検出する電力検出器と、前記電力検出器の検出した発電電力の、前記発電機の定格出力に対する偏差に応じて、好ましくは、前記電力検出器の検出した発電電力を前記発電機の定格出力に一致させるように前記発電機運転周波数設定手段の設定周波数を変更する制御手段とを有するものとする。

この構成によれば、発電機の出力が低い場合に、容積式スチームエキスパンダの回転数を上げることで、出力トルクを変えずに出力を増加させることができ、発電機の能力を最大限に発揮させられる。よって、前記制御手段は、前記発電電力の、前記発電機の定格出力に対する偏差により、前記発電機運転周波数設定手段の設定周波数に対して負のフィードバックをするとよい。

また、本発明の発電装置において、前記容積式スチームエキスパンダがスクリュ膨張機であれば、好ましいフラットな出力特性が得られる。

また、本発明の発電装置は、前記発電機の発電電力を商用周波数に周波数変換する周波数変換器をさらに有することで、発電電力を一般に使用可能な電力系統に供給することができる。

また、本発明の発電装置において、前記発電機運転周波数設定手段で、前記発電機の界磁電流の周波数を変更することで、容積式スチームエキスパンダの回転数を適切に制御できる。

本発明によれば、発電機の回転数を制御することで、容積式スチームエキスパンダのトルクを変えずに回転数を変更し、発電電力を発電機の定格出力に維持することができる。これにより、容積式スチームエキスパンダの２次側の蒸気圧力にかかわらず、発電機の能力を最大限に発揮させることができる。

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を含んだ発電システムを示す。発電装置１は、連係変圧器２を介して電力系統３に電力を供給する大容量の主発電装置４に併設され、連係変圧器５を介して電力系統３に電力を供給可能な補助的な発電設備である。

主発電装置４は、高圧蒸気ヘッダ６から所定圧力Ｐｓ（例えば、１．６ＭＰａ）の高圧蒸気が供給され、高圧蒸気のエネルギーを回転力に変換して発電し、エネルギーを消費して圧力が低下した蒸気（例えば、０．１〜０．８ＭＰａ）を低圧蒸気ヘッダ７に排気する。低圧蒸気ヘッダ７に排気された低圧蒸気は、不図示の需要設備において残りのエネルギーが２次利用される。

発電装置１は、高圧蒸気ヘッダ６から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容積式スチームエキスパンダであるスクリュ膨張機８と、スクリュ膨張機８の回転軸に接続された同期式の発電機９とを有している。スクリュ膨張機８から排気された蒸気は、２次利用するために主発電装置４と同じ低圧蒸気ヘッダ７に導入される。

発電機９の界磁巻線１０には、電力系統３から連係変圧器５を介して供給される電流を、界磁周波数変換器１１によって任意の周波数に変換して入力するようになっている。界磁周波数変換器１１は、供給された商用周波数の電流を直流に順変換するコンバータ１２と、コンバータ１２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１３とからなっている。

発電機９の回転子は、界磁巻線１０に印加された界磁電流に同期して回転し、界磁電流と同じ周波数の電力を発電する。つまり、発電機９の運転周波数は、インバータ１３の設定周波数によって決定される。

また、発電機９の発電電力は、出力周波数変換器１４によって商用周波数に変換され、連係変換器５を介して電力系統に導出されるようになっている。出力周波数変換器１４も、界磁周波数変換器１１と同様に、コンバータ１５とインバータ１６とで構成されている。また、発電機８の発電電力の電力値Ｗは、電力検出器１７によって検出され、コントローラ（制御手段）１８に入力される。コントローラ１８は、発電機９の発電電力Ｗに基づいて、インバータ１３の設定周波数を制御するようになっている。すなわち、本実施形態では、インバータ１３とコントローラ（制御手段）１８とが、主に発電機運転周波数設定手段の役割を担う。

発電機９の発電力Ｗは、発電機９およびスクリュ膨張機８の効率が一定であれば、スクリュ膨張機８の回転数をＮとして、次の数式で表される。ただし、κは蒸気の比熱比であり、ａは定数である。

この数式に示されるように、発電電力Ｗは、回転数Ｎに比例し、排気圧力Ｐｄが低くなるほど大きくなる。回転数Ｎは、インバータ１３の設定周波数に比例するが、スクリュ膨張機８の排気圧Ｐｄは低圧蒸気ヘッダ７の圧力であり、容量の大きな主発電装置４の排気圧に依存する。

なお、本実施形態の発電機９は、排気圧力Ｐｄが最も低く（例えば、０．１ＭＰａ）、１次側と２次側との差圧が最大のときに、定格周波数で定格出力の発電を行うことができるものが選定されている。

コントローラ１８は、発電機９の定格出力を目標値Ｗｓとして、目標値Ｗｓと発電電力Ｗとの偏差（Ｗ−Ｗｓ）により、インバータ１２の設定周波数に対して負のフィードバックをする。例えば、コントローラ１７は、発電電力Ｗの目標値Ｗｓに対する偏差（Ｗ−Ｗｓ）に負の定数を乗じた値と、偏差（Ｗ−Ｗｓ）の積分値に負の定数を乗じた値と、偏差（Ｗ−Ｗｓ）の微分値に負の定数を乗じた値とを、インバータの設定周波数に加算するＰＩＤ制御を行う。

これにより、発電装置１は、スクリュ膨張機８の排気圧力Ｐｄが上昇、つまり、スクリュ膨張機８の回転トルクを生む１次側の蒸気圧力Ｐｓと２次側の蒸気圧力Ｐｄとの差圧が減少した場合、スクリュ膨張機８の回転数Ｎを上昇させ、発電機９の発電電力Ｗを定格出力Ｗｓに維持する。

高圧蒸気ヘッダ６から供給される１次側の蒸気圧力Ｐｓは、ボイラなどの蒸気供給システムによって定められるので不変である。発電機９は、排気圧力Ｐｄが最も低い場合に定格周波数で定格出力の発電をするものであるため、発電電力Ｗを定格値Ｗｓに維持すれば、発電機９の運転周波数は常に定格周波数以上に保たれる。発電機などの誘導性の電気機械は、運転周波数を下げるとインピーダンスが低下してオーバーロードし易くなるが、本実施形態では、発電機９は、常に定格周波数以上で運転されるので、インピーダンスが低下せず、定格出力の発電によってオーバーロードすることがない。

もちろん、本発明の発電装置１は、１次側の蒸気圧力Ｐｓが変動する場合にも発電機の発電電力Ｗを定格値Ｗｓに維持して出力低下を防止することが可能である。

また、本発明の発電装置１において、運転周波数の低下によるオーバーロードを防止する他の対策を講じれば、実際の運転条件において、発電機９の運転周波数が定格周波数に近くなるようにして、運転周波数が高くなることによる発電効率の低下や摩耗を低減することもできる。

図２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。本実施形態における発電機１９には、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が採用されている。

そして、発電機１９には、出力周波数変換器２０が接続されている。この出力周波数変換器２０は、インバータ２１とコンバータ２２とによって構成されている。インバータ２１とコンバータ２２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。

上述のとおり、発電機１９は、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。その発電機１９に接続されるインバータ２１およびコンバータ２２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、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）としての機能を切り換え可能なものである。すなわち、発電機１９が力行運転（モータとして運転）される際には、インバータ２１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、それと同時にコンバータ２２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１９が回生運転（発電機として運転）される際には、インバータ２１とコンバータ２２とは互いの機能を逆転する。

そして、上述のインバータ２１のスイッチング素子に対してコントローラ（制御手段）１８からパルス幅変調されたゲート信号を発信して適切なスイッチングを行うことによって、発電機１９の全発生トルクの制御、ひいては発電機１９の回転数の制御が可能なように構成されている。すなわち、本実施形態では、インバータ２１とコントローラ１８とが主に発電機運転周波数設定手段の役割を担う。

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２実施形態の発電装置１における出力周波数変換器２０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。

本発明の第１実施形態の発電装置の概略図。本発明の第２実施形態の発電装置の概略図。

符号の説明

１発電装置
３電力系統
４主発電装置
６高圧蒸気ヘッダ
７低圧蒸気ヘッダ
８スクリュ膨張機（容積式スチームエキスパンダ）
９発電機
１０界磁巻線
１１界磁周波数変換器
１２コンバータ
１３インバータ
１４出力周波数変換器
１５コンバータ
１６インバータ
１７電力検出器
１８コントローラ（制御手段）
１９発電機
２０出力周波数変換器
２１インバータ
２２コンバータ

Claims

蒸気の膨張を回転力に変換する容積式スチームエキスパンダと、
前記容積式スチームエキスパンダの回転軸に接続され、前記容積式スチームエキスパンダの１次側と２次側との差圧が最大のときに、定格周波数で定格出力の発電を行うことができる発電機と、
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、
前記発電機の発電電力を検出する電力検出器と、
前記電力検出器の検出した発電電力の、前記発電機の定格出力に対する偏差に応じて、前記発電機運転周波数設定手段の設定周波数を変更する制御手段とを有することを特徴とする発電装置。
前記制御手段は、前記電力検出器の検出した発電電力を前記発電機の定格出力に一致させるように、前記発電機運転周波数設定手段の設定周波数を変更することを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
前記制御手段は、前記発電電力の、前記発電機の定格出力に対する偏差により、前記発電機運転周波数設定手段の設定周波数に対して負のフィードバックをすることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
前記容積式スチームエキスパンダは、スクリュ膨張機であることを特徴とする請求項１から３のいずれかにに記載の発電装置。
前記発電機の発電電力を商用周波数に周波数変換する周波数変換器をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発電装置。
前記発電機運転周波数設定手段は、前記発電機の界磁電流の周波数を変更することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。