JP5285707B2 - 回転機械の起動方法、及び、風力発電装置の起動方法 - Google Patents

回転機械の起動方法、及び、風力発電装置の起動方法 Download PDF

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Description

本発明は、回転機械の起動方法に関し、特に、寒冷環境に設置された回転機械、例えば、風力発電装置の起動方法に関する。
再生可能エネルギーの利用促進の流れから風力発電装置は世界中に設置されるようになってきており、したがって、寒冷環境にも風力発電装置を設置することが求められるようになっている。
寒冷環境に風力発電装置を設置する場合における検討事項の一つは、風力発電装置の運転が停止されたときに潤滑システムの潤滑油が冷却される点である。風力発電装置の運転が停止されて潤滑油が冷却されると、潤滑油の粘度が増大し、潤滑油の循環性が悪くなる。潤滑油の粘度が過度に増大すると、潤滑システムを構成する機器（例えば、潤滑油ポンプ等）や配管に負担がかかり、機器の故障や潤滑油の漏れの原因になり得る。このような問題は、特に、極寒環境にある風力発電装置を起動させる場合に特に深刻である。
このような問題に対処するために、寒冷環境に設置される風力発電装置には、一般に、潤滑油を加熱するヒーターが設けられる。風力発電装置の起動時には、ヒーターによって潤滑油を加熱してから潤滑油ポンプが稼動され、潤滑システムが起動される。例えば、米国特許出願公報ＵＳ２００９／０１９１０６０Ａ１は、増速機から潤滑油ポンプに潤滑油を排出する排出管にヒーターを設けることにより、潤滑油ポンプの損傷を回避する技術を開示している。
しかしながら、発明者の検討によれば、主軸受のような熱容量が大きく潤滑油との接触面積が大きい部品については、加熱した潤滑油を供給する手法は必ずしも適切ではない。風力発電装置の運転が停止されると、主軸受も冷却される。冷却された主軸受に加熱した潤滑油が供給されると、潤滑油が瞬時に冷却されて潤滑油の粘度が上昇し、潤滑油の排出性が悪くなる。主軸受から排出可能な量の潤滑油よりも多い潤滑油が主軸受に供給されると、潤滑油の漏れが発生する可能性も生じる。
このような問題を回避するための一つの手法としては、主軸受を加熱するヒーターを設けることも考えられる。しかしながら、ヒーターを設ける手法においては、風力発電装置の主軸受の熱容量が大きく、また、熱容量が大きなナセル台板への熱伝達が避けられないことが問題になる。ヒーターによって主軸受を必要温度まで加熱するには、加熱容量が莫大なヒーターを取り付ける必要があり、また、莫大な加熱時間が必要になる。このような状況においては、主軸受をヒーターによって加熱することが現実的でない場合も起こりえる。上述の問題は、熱容量が大きい軸受を有する他の回転機械（例えば、シールド機、印刷機械、発電用タービン等の産業機械）にも当てはまる。
米国特許出願公報ＵＳ２００９／０１９１０６０Ａ１
したがって、本発明の目的は、寒冷環境に設置される回転機械、例えば、風力発電装置において、主軸受による冷却による潤滑油の排出性の低下の問題に対処するための起動方法を提供することにある。
本発明の一の観点では、主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、主軸受に潤滑油を循環させる主軸受潤滑油ポンプを備える回転機械の起動方法が提供される。当該起動方法は、主軸受潤滑油ポンプを稼働しない状態で、主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる工程と、主軸受の温度を上昇させる工程の後、主軸受潤滑油ポンプを稼働して主軸受への潤滑油の供給を開始する工程とを備えている。
主軸受の温度を上昇させる工程においては、主軸の回転数が制御されることが好ましい。また、主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる際に、主軸受が油浴によって潤滑が行われることが好ましい。
一実施形態では、主軸受の温度を上昇させる工程において主軸受の温度が温度センサーを用いて測定され、温度センサーによって測定された温度に応答して主軸受潤滑油ポンプが稼働される。
本発明の他の観点では、主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、主軸受に潤滑油を循環させる主軸受潤滑油ポンプを備える回転機械の起動方法であって、主軸受潤滑油ポンプによって第１流量の潤滑油を主軸受に供給した状態で、主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる工程と、主軸受の温度を上昇させる工程の後、主軸受潤滑油ポンプによって第１流量より大きい第２流量の潤滑油を主軸受に供給する工程とを備えている。
本発明の更に他の観点では、風車ロータに接続された主軸と、主軸を回転可能に支持する主軸受と、主軸受に潤滑油を循環させる主軸受潤滑油ポンプを備える風力発電装置の起動方法が提供される。当該起動方法は、主軸受潤滑油ポンプを稼働しない状態で、主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる工程と、主軸受の温度を上昇させる工程の後、主軸受潤滑油ポンプを稼働して主軸受への潤滑油の供給を開始する工程とを備えている。
主軸受の温度を上昇させる工程においては、主軸の回転数が制御されることが好ましい。主軸の回転数の制御は、風車ロータの風車翼のピッチ角を制御することによって行われてもよく、主軸によって駆動される発電機の発電機トルクの制御によって主軸の回転数が制御されてもよい。
主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる際に、主軸受が油浴によって潤滑が行われることが好ましい。
一実施形態では、主軸受の温度を上昇させる工程において主軸受の温度が温度センサーを用いて測定され、温度センサーによって測定された温度に応答して主軸受潤滑油ポンプが稼働される。
当該風力発電装置の起動方法では、主軸受への潤滑油の供給が開始された後、風力発電装置による発電が開始される。
本発明の更に他の観点では、風力発電装置の起動方法が、主軸受潤滑油ポンプによって第１流量の潤滑油を主軸受に供給した状態で、主軸を回転させて主軸受の温度を上昇させる工程と、主軸受の温度を上昇させる工程の後、主軸受潤滑油ポンプによって第１流量より大きい第２流量の潤滑油を主軸受に供給する工程とを備えている。
本発明によれば、寒冷環境に設置される回転機械、特に、風力発電装置について、主軸受による冷却による潤滑油の排出性の低下の問題に対処可能な起動方法を提供することができる。
本発明の一実施形態の風力発電装置の構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態におけるナセルの内部構造を示す上面図である。 本発明の一実施形態における主軸受に潤滑油を供給する潤滑油循環系の構成の例を示す概念図である。 本発明の一実施形態における風力発電装置の制御系の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態における風力発電装置の起動手順を示す表である。
図１は、本発明の一実施形態における風力発電装置１の構成を示す側面図である。風力発電装置１は、基礎６に立接されるタワー２と、タワー２の上端に設置されるナセル３と、ナセル３に対して回転可能に取り付けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４に取り付けられる風車翼５とを備えている。ロータヘッド４と風車翼５とにより、風車ロータが構成されている。
図２に図示されているように、ロータヘッド４には風車ロータから動力を増速機１３に伝達する主軸１１の一端が結合されており、その主軸１１は、転がり軸受で構成される主軸受１２によって回転可能に支持されている。主軸１１の他端は、増速機１３の入力軸に連結されている。増速機１３の出力軸は、発電機１４のロータに結合されている。風力によってロータヘッド４が回転すると、その回転が増速機１３によって増速されて発電機１４のロータに伝達され、発電機１４が駆動される。これにより、発電機１４から電力が得られる。
図３は、主軸受１２に潤滑油を供給する潤滑油循環系の構成を示すブロック図である。本実施形態の潤滑油循環系は、油タンク２１と、主軸受潤滑油ポンプ２２と、クーラー２３と、バイパス配管２４とを備えている。油タンク２１には、主軸受潤滑油タンクヒーター２５が設けられる。後述されるように、主軸受潤滑油タンクヒーター２５は、油タンク２１内の潤滑油を加熱するために使用される。主軸受潤滑油ポンプ２２は、油タンク２１内の潤滑油を吸出し、クーラー２３又はバイパス配管２４を介して主軸受１２に供給する。クーラー２３は、潤滑油の温度が高い場合に潤滑油を冷却するためのものである。クーラー２３の出口は、主軸受１２の潤滑油入口１２ａに接続されている。バイパス配管２４は、潤滑油の温度が高くない場合に潤滑油をバイパスするためのものである。バイパス配管２４には、潤滑油が所定温度よりも低い場合に開く温度作動バルブ２６が設けられており、バイパス配管２４は、温度作動バルブ２６の動作により潤滑油をバイパスする。主軸受１２の潤滑油出口１２ｂには、潤滑油を油タンク２１に排出する排出管２７が接続されている。主軸受潤滑油ポンプ２２が稼動すると、潤滑油は、油タンク２１から吸い出されてクーラー２３又はバイパス配管２４を介して主軸受１２の潤滑油入口１２ａに供給され、潤滑油出口１２ｂから排出管２７を介して油タンク２１に戻る。なお、油タンク２１及び主軸受潤滑油タンクヒーター２５は、主軸受１２以外の機器（例えば、増速機１３）に潤滑油を潤滑させる潤滑油循環系と共用されてもよい。
本実施形態では、図３に図示されているように、主軸受１２の潤滑油出口１２ｂが主軸受１２の最下部から離れた位置に設けられ、主軸受１２は、その下部に潤滑油を貯める潤滑油溜１２ｃが形成されるように構成されている。即ち、主軸受１２は、主軸受潤滑油ポンプ２２が動作しない状態でも、ある程度は油浴潤滑によって潤滑されるように構成されている。後述のように、このような主軸受１２の構造は、風力発電装置１の起動手順の好適化に寄与している。
図４は、風力発電装置１の制御系の構成の例を示すブロック図である。図４には、風力発電装置１の制御系のうち、本発明に関連する部分のみが図示されているが、実際には、他の様々な機器が風力発電装置１に搭載されることは、当業者には理解されよう。本実施形態では、制御装置３０が、主軸受潤滑油ポンプ２２と、主軸受潤滑油タンクヒーター２５と、ピッチ制御機構３１と、油圧ポンプ３２と、増速機潤滑油ポンプ３３と、増速機ヒーター３４とを制御する。ここで、ピッチ制御機構３１は、風車ロータの風車翼５のピッチ角を調節する機構であり、油圧ポンプ３２は、ピッチ制御機構に油圧を供給するポンプである。制御装置３０は、ピッチ制御機構３１を用いて風車翼５のピッチ角を制御する。また、増速機潤滑油ポンプ３３は、増速機１３に潤滑油を循環させるポンプであり、増速機ヒーター３４は、増速機１３の下部に設けられ、増速機１３内の潤滑油を加熱するヒーターである。増速機ヒーター３４により、増速機１３を潤滑する潤滑油が加熱される。
加えて、主軸受１２には主軸受温度センサー３５が設けられており、制御装置３０は、主軸受温度センサー３５を用いて主軸受１２の温度を監視する。
続いて、本実施形態の風力発電装置１の起動手順の概要について説明する。
本実施形態の風力発電装置１の起動手順において重要な点の一つは、主軸受１２自身の動作による発熱を用いて、主軸受１２を加熱する点である。主軸受１２は、内輪及び転動体の回転ロスによって発熱するのに加え、主軸受１２の潤滑油を密封するオイルシールが主軸１１と摺動することによっても発熱する。本実施形態では、風力発電装置１の起動シーケンスの実行中に主軸１１を低速で回転させて主軸受１２に発熱を起こさせ、これにより、主軸受１２を加熱する。主軸受１２の温度が十分に上昇した後で主軸受潤滑油ポンプ２２を動作させることにより、潤滑油が主軸受１２によって冷却されて粘度が上昇することによる排出性の低下の問題を解消することができる。
このような起動手順を行う上では、上述されているように、主軸受１２の下部に潤滑油が蓄積され、主軸受１２が油浴による潤滑がある程度可能な構造を有していることが有用である。油浴によって潤滑を行えば、低速で主軸１１を回転させる限りは主軸受１２が油切れによって損傷することを避けることができる。発明者は、−４０℃の低温であっても、低速で主軸１１を回転させれば油膜が形成可能であることを確認している。
以下、本実施形態の風力発電装置１の起動手順を詳細に説明する。図５は、風力発電装置１の起動手順の一例を示す表である。初期状態では、極寒環境下（例えば、−４０℃）で風力発電装置１が完全に停止されているとする。即ち、主軸受潤滑油ポンプ２２、油圧ポンプ３２及び増速機潤滑油ポンプ３３が停止され、主軸受潤滑油タンクヒーター２５及び増速機ヒーター３４への給電が停止されているとする。このような状態では、油タンク２１の内部の潤滑油が完全に冷却され、また、主軸受１２の温度も非常に低くなる。このとき、風車翼５がフェザー状態（迎角が最小の状態）に設定され、また、風車ロータは遊転状態（風車ロータのブレーキが解除された状態）に設定される。
例えば、運転スイッチが手動でオンされることによって起動シーケンスが開始されると補機に内蔵されている各種ヒーターへの給電が開始される。このとき、主軸受潤滑油タンクヒーター２５及び増速機ヒーター３４への給電も開始される。これにより、油タンク２１及び増速機１３の内部の潤滑油への加熱が開始される。
増速機１３の潤滑油と油圧ポンプ３２内部の潤滑油が十分に加熱された後、油圧ポンプ３２及び増速機潤滑油ポンプ３３の稼働が開始される。油圧ポンプ３２が稼働されることにより、ピッチ制御機構３１を用いた風車翼５のピッチ制御が可能な状態になる。このとき、潤滑油は、主軸受潤滑油タンクヒーター２５及び増速機ヒーター３４を用いて所望の温度（例えば、１０℃）に保温される。
続いて、ピッチ制御機構３１により、風車翼５のピッチ角がフェザー状態から風力エネルギーを少し受けることができるピッチ角に移行され、風車ロータの回転が開始される。風車ロータが回転すると主軸１１が回転し、主軸受１２自身の発熱により、主軸受１２の温度が上昇する。ここで、風車ロータの回転が開始されても、主軸受潤滑油ポンプ２２は起動されないことに留意されたい。上述のように、主軸受潤滑油ポンプ２２が稼働されなくても、主軸受１２は油浴によってある程度は潤滑がなされる。
このとき、主軸１１の回転数が速くなりすぎないように（例えば１〜５ｒｐｍに）制御される。これは、局所的な急激な温度上昇を避け、オーバースピード等の制御不能になるリスクを低減し、また、主軸受１２の損傷のリスクを避けるためである。具体的には、風車翼５のピッチ制御が行われ、これにより、風車ロータの回転数、即ち、主軸１１の回転数が制御される。
一実施形態では、風車ロータが回転されている間、発電機１４は無負荷状態（即ち、発電機トルクが０の状態）に設定される。ただし、発電機トルクは、０である必要は必ずしもない。むしろ、発電機トルクを積極的に制御することによって主軸１１の回転数を制御することも可能である。この場合、発電機１４を電動機として機能させることによって主軸１１及び風車ロータを回転させてもよい。発電機１４を電動機として機能させる場合には、電力系統から駆動電力が供給され、モータ駆動指令（トルク、回転数の指令値）に基づく制御が行われる。また、発電機トルクの制御とピッチ角の制御の両方が行われてもよい。
主軸受１２が適切な温度（例えば、１０℃）まで加熱されると、主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働が開始される。これにより、風力発電装置１は、発電開始が可能なスタンバイ状態になる。一実施形態では、主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働が開始されるタイミングが、主軸受温度センサー３５によって計測された主軸受１２の温度に応答して決定される。例えば、主軸受温度センサー３５によって計測された主軸受１２の温度が所定の基準温度を超えたときに主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働が開始される。その代わりに、風車ロータの回転が開始された後所定の待ち時間が経過した時点で主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働が開始されてもよい。この場合でも、待ち時間を適切に設定すれば、主軸受１２が適切な温度まで加熱された後に主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働を開始することができる。
その後、主軸受潤滑油ポンプ２２の稼働を開始した後、風力発電装置１による発電が開始される。
以上の起動手順によれば、大容量のヒーターを設置することなく主軸受１２を加熱し、低温時に風力発電装置１を起動する際の主軸受１２からの潤滑油の排出性の問題を回避することができる。
上述の起動手順において、主軸受１２が加熱されるまで主軸受潤滑油ポンプ２２を停止させるのではなく、主軸受潤滑油ポンプ２２を低回転で稼動し、少量の潤滑油を主軸受１２に供給してもよい。この場合には、下部に潤滑油を蓄積し、油浴による潤滑が可能な構造を有する主軸受１２を使用する必要はない（ただし、下部に潤滑油を蓄積する構造の主軸受１２が使用されてもよい）。主軸受１２が加熱されるまでに主軸受１２に供給される潤滑油の流量は、スタンバイ状態になった後で主軸受１２に供給される潤滑油の流量（即ち、発電運転が開始された後の流量）よりも少なくされ、潤滑油の漏れや主軸受潤滑油ポンプ２２の損傷が起こらない程度に低く調節される。
また、以上には、本発明が風力発電装置に適用されている実施形態が記載されているが、本発明は、主軸を回転可能に支持する主軸受の熱容量が大きいような他の回転機械にも適用可能である。本発明は、例えば、シールド機、印刷機械、発電用タービン等の産業機械に適用されることが好適である。

Claims (6)

  1. 風車ロータに接続された主軸と、前記主軸を回転可能に支持する主軸受と、前記主軸受に潤滑油を循環させる主軸受潤滑油ポンプを備える風力発電装置の起動方法であって、
    前記主軸受潤滑油ポンプを稼働しない状態で、前記主軸を回転させて前記主軸受の温度を上昇させる工程と、
    前記主軸受の温度を上昇させる工程の後、前記主軸受潤滑油ポンプを稼働して前記主軸受への潤滑油の供給を開始する工程
    とを備え、
    前記主軸受の温度を上昇させる工程において、前記主軸が風車ロータに接続され、且つ、前記主軸によって駆動される発電機の発電機トルクがゼロに設定された状態で、前記主軸の回転数が制御される
    風力発電装置の起動方法。
  2. 請求項１に記載の起動方法であって、
    前記主軸の回転数の制御が、前記風車ロータの風車翼のピッチ角を制御することによって行われる
    風力発電装置の起動方法。
  3. 請求項１に記載の起動方法であって、
    前記主軸を回転させて前記主軸受の温度を上昇させる際に、前記主軸受が油浴によって潤滑が行われる
    風力発電装置の起動方法。
  4. 請求項１に記載の起動方法であって、
    前記主軸受の温度を上昇させる工程において前記主軸受の温度が温度センサーを用いて測定され、前記温度センサーによって測定された温度に応答して前記主軸受潤滑油ポンプが稼働される
    風力発電装置の起動方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の起動方法であって、
    前記主軸受への潤滑油の供給が開始された後、前記風力発電装置による発電が開始される
    風力発電装置の起動方法。
  6. 風車ロータに接続された主軸と、前記主軸を回転可能に支持する主軸受と、前記主軸受に潤滑油を循環させる主軸受潤滑油ポンプを備える風力発電装置の起動方法であって、
    前記主軸受潤滑油ポンプによって第１流量の潤滑油を前記主軸受に供給した状態で、前記主軸を回転させて前記主軸受の温度を上昇させる工程と、
    前記主軸受の温度を上昇させる工程の後、前記主軸受潤滑油ポンプによって前記第１流量より大きい第２流量の潤滑油を前記主軸受に供給する工程
    とを備え、
    前記主軸受の温度を上昇させる工程において、前記主軸が風車ロータに接続され、且つ、前記主軸によって駆動される発電機の発電機トルクがゼロに設定された状態で、前記主軸の回転数が制御される
    風力発電装置の起動方法。
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