JP5324140B2 - 回転機の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機ユニット - Google Patents

回転機の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機ユニット Download PDF

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Description

本発明は、タービン及びモータからなる駆動源により駆動される回転機の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機ユニットに関する。
従来から、圧縮機、遠心ファン、遠心ブロアなどの回転機では、第一の駆動出力源としてタービンが接続されているとともに、第二の駆動出力源としてモータが接続されていることが有る事も知られている。すなわち、回転機として例えば圧縮機を搭載し、該圧縮機の回転軸にタービン及びモータのそれぞれの出力軸を連結する(例えば、特許文献1参照)。そして、圧縮機は、タービン出力によって駆動力を与えるとともに、必要な場合にはモータを付加的な駆動力源として駆動力を付加することで、所定の圧縮気体を排出させることが可能となる。
ここで、駆動源としてタービンとともに接続されるモータは、一般に補助動力源として用いられるものであり、回転機を駆動するのに必要な回転機駆動出力とタービンの定格出力との関係により、タービン定格出力が回転機駆動出力として不足する場合には補助動力源として用いられる。
一方、常時タービンを定格出力とし、回転機駆動出力を上回っている場合には、モータを補助発電機として余剰分については発電を行って電力供給を行うこともあった(例えば、特許文献2参照)。
特開平4−94499号公報 特表2007−505261号公報
しかしながら、タービン定格出力近傍では出力が不安定な状態となり、モータを同期して駆動させることが困難なため、一度タービン出力を安定出力領域まで落とし、モータを同期させてから再び出力を回転機駆動出力まで上げていた。
この結果、当然としてタービンの効率が悪くなると共に、回転機駆動出力まで上げるのに無駄な時間を要していた。
又、モータを補助発電機として利用するのは、上記のとおりタービンの出力が回転機として必要な回転機駆動出力を上回っている一時的なものであり、安定的に、計画的に利用できるものではなかった。このため、発電エネルギーを有効に利用できず、結果タービンの出力の余剰分を無駄に利用することとなってしまい、主たる回転機を駆動させる目的としてはエネルギーロスが大きなものとなってしまっていた。
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、所望の出力で安定的に、かつ、効率的に回転機を稼働させることが可能な回転機の制御装置及び制御方法、並びに回転機ユニットを提供するものである。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、タービン及びモータが駆動源としてそれぞれ接続された回転機の制御装置であって、前記タービンの安定出力領域内の高出力部に予め設定されたモータ駆動力付加基準出力を基準出力とし、前記回転機を駆動させるために必要な回転機駆動出力がこの基準出力より大きいか否かを判断する出力判断部と、該出力判断部により、前記回転機駆動出力が前記基準出力より大きいと判断された場合に、前記モータの駆動力付加を開始させるように指令を行う駆動源指令部と、前記タービンの出力を検出する検出手段と、該検出手段により検出された実際の出力と設定出力とを比較して、当該比較に基づいて前記出力判断部に設定されている前記各々の基準出力の値を変更する値変更部とを備えることを特徴としている。
また、本発明は、 タービン及びモータが駆動源としてそれぞれ接続された回転機の制御方法であって、前記回転機を駆動するために必要な回転機駆動出力に応じて前記タービンを駆動させつつ、前記タービンの安定出力領域内の高出力部に予め設定されたモータ駆動力付加基準出力を基準出力とし、前記回転機駆動出力が前記基準出力より大きいと判断した場合には、前記モータの駆動力付加を開始させるとともに、前記タービンの出力を検出し、検出された実際の出力と設定出力とを比較して、当該比較に基づいて、前記各々の基準出力の値の変更を行うことを特徴としている。
この構成及び方法によれば、出力判断部により、回転機駆動出力が、モータ駆動力付加基準出力とした基準出力以下と判断されている場合には、その回転機駆動出力に応じてタービン出力を調整し回転機を駆動させることができる。一方、出力判断部によって回転機駆動出力が前記基準出力より大きいと判断された場合には、駆動源指令部は、モータに指令を行い、該モータの駆動を開始させる。ここで、モータの駆動を開始する基準出力は、タービンの安定出力領域内の高出力部に予め設定されたモータ駆動力付加基準出力となっており、モータの駆動を開始させる際に、タービンの定格出力近傍の不安定な状態でモータをタービンと同期させる必要がない。すなわち、タービンの安定出力領域内の高出力部に設定されたモータ駆動力付加基準出力を基準出力とすることで、タービン単独の出力から、タービンとモータとによる出力へスムーズに遷移させて、回転機を稼働させることができ、従来のようにタービン出力を一度落として又上げるという無駄を省ける。
また、上記の回転機の制御装置において、前記駆動源指令部は、前記出力判断部が、前記基準出力を前記モータ駆動力付加基準出力より低く設定されたモータ駆動力付加停止基準出力とし、前記回転機駆動出力が前記基準出力以下と判断した場合に、前記モータの駆動を停止させるように指令を行うことがより好ましい。
また、上記の回転機の制御方法において、前記モータの駆動を開始した後に、前記基準出力をモータ駆動力付加基準出力より低く設定されたモータ駆動力付加停止基準出力とし、前記回転機駆動出力が前記基準出力以下になったと判断した場合には、前記モータの駆動を再び停止させることがより好ましい。
この構成及び方法によれば、モータの駆動の停止の基準となるモータ駆動力付加停止基準出力は、モータの駆動開始の基準となるモータ駆動力付加基準出力と比較して低い値に設定されているので、回転機駆動出力がモータ駆動力付加基準出力近傍である場合にモータの駆動力付加の開始及び停止が繰り返されて不安定になってしまうことを防ぐことができる。
また、上記の各構成及び方法によれば、検出手段によりタービンの出力を検出することで、検出された実際の出力と、設定出力とを比較して経年変化等によるタービンの出力変動を把握することができる。そして、検出手段よる検出結果に応じて値変更部によってモータ駆動力付加/付加停止の各々の基準出力の値を変更することで、上記経年変化等を考慮してタービンの出力が安定的な領域に基準出力を設定することができ、より安定的にタービンとモータとにより回転機を稼働させることができる。
また、本発明の回転機ユニットは、駆動源としてのタービン及びモータと、前記タービン及び前記モータのそれぞれと接続された回転機と、請求項1から請求項4のいずれかに記載の回転機の制御装置とを備えることを特徴としている。
この構成によれば、上記のとおり制御装置により、回転機駆動出力がモータ駆動力付加基準出力とした基準出力以下である場合にはタービン単独で効率的に稼働させることができるとともに、回転機駆動出力が前記基準出力より大きくなった場合には、タービン単独の出力からタービンとモータとによる出力へ、スムーズに遷移させて回転機を稼働させることができる。
本発明の回転機の制御装置並びに制御方法では、モータ駆動力付加を開始するモータ駆動力付加基準出力をタービンの安定出力領域内の高出力部に設定することで、効率の良い高出力部までタービン単独で回転機を駆動させると共に、モータはタービン及び回転機と連れ回りしており、同期回転数を設定し、固定速に回転数を揃える必要は無い。
また、本発明の回転機ユニットでは、上記制御装置を備えることで、所望の出力で安定的に、かつ、効率的に回転機を駆動させることができる。
本発明の一参考例を図1から図3に基づいて説明する。図1に示すように、本参考例の回転機ユニットである圧縮機ユニット1は、回転機として圧力気体を排出する圧縮機10と、駆動源として駆動力を発生させ圧縮機10の回転軸11aを回転させるガスタービン20及びモータ30とを備える。ガスタービン20は、圧縮機10の回転軸11aと接続された出力軸21aを有するタービン本体21と、タービン本体21を所定の出力で駆動させるように制御するタービン制御装置22とを有する。また、モータ30は、圧縮機10の回転軸11aとカップリング31bを介して接続された出力軸31aを有するモータ本体31と、モータ本体31を所定の出力で駆動させるように制御するモータ制御装置32とを有する。また、圧縮機10は、ガスタービン20及びモータ30の各出力軸21a、31aと接続された回転軸11aを有する圧縮機本体11と、圧縮機本体11を制御する圧縮機制御装置12とを有する。
参考例においては、圧縮機制御装置12は、圧縮機ユニット1が設置されるプラント全体を制御するプラント制御部2と接続されており、プラント制御部2からの入力に基づいて圧縮機本体11を制御し、また、タービン制御装置22及びモータ制御装置32に入力を行っている。すなわち、プラント制御部2からは、圧縮機ユニット1おいて圧縮機10から排出される圧力気体の圧力、圧縮比等の各出力条件が入力信号として入力され、圧縮機制御装置12は、該入力信号に基づいて圧縮機10を駆動するために必要な回転機駆動出力P1を演算する。そして、圧縮機制御装置12は、当該回転機駆動出力P1で駆動源であるガスタービン20及びモータ30から圧縮機本体11に駆動力が入力されるように、タービン制御装置22及びモータ制御装置32に指令を行う。なお、回転機駆動出力P1とは、入力信号に基づく圧縮機10における圧力気体の各出力条件と対応する目標出力を含むとともに、現在の出力から目標出力まで増減させる過程においてある時刻に設定される出力をも含む概念である。
そして、圧縮機制御装置12は、演算される回転機駆動出力P1が予め設定されている基準出力P2よりも大きいか否かを判断する出力判断部12aと、出力判断部12aの判断結果に基づいてタービン制御装置22及びモータ制御装置32それぞれに指令を行いタービン本体21及びモータ本体31を駆動させる駆動源指令部12bとを備えている。ここで、出力判断部12aに設定されている基準出力P2とは、ガスタービン20の定格出力P3未満となるものであり、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部に設定されたモータ駆動力付加基準出力値P21と、該モータ駆動力付加基準出力値P21よりも低いモータ駆動力付加停止基準出力値P22との2種類の値を有している。例えば、モータ駆動力付加基準出力値P21は、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部として定格出力P3の95%に設定されている。また、モータ駆動力付加停止基準出力値P22は、ガスタービン20の定格出力P3の90%に設定されている。なお、本設定は、ガスタービン20の定格出力P3は一定であることから、例えば、係数nを用いて<P2=n・P3>として、図示しない操作部などによって係数nをモータ駆動力付加基準出力値P21またはモータ駆動力付加停止基準出力値P22と対応するように0.95または0.90と入力することにより設定されることとなる。そして、出力判断部12aは、回転機駆動出力P1に応じて基準出力P2の値をモータ駆動力付加基準出力値P21またはモータ駆動力付加停止基準出力値P22に選択して回転機駆動出力P1との比較を行っている。
参考例では、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部であるモータ駆動力付加基準出力値P21を定格出力P3の95%に設定したが、ガスタービン20の安定出力領域はガスタービン毎に定まるものであり、高出力部とはその安定出力領域の上限、もしくは多少のマージンを考慮した値が望ましい。
又、モータ駆動力付加停止基準出力値P22も、モータ駆動力付加基準出力値P21より5%低く設定したが、回転機駆動出力P1の変動量に応じて設定されることが望ましい。
以下に、本参考例の圧縮機ユニット1の作用、並びに、圧縮機制御装置12による制御の詳細について図2の示すフロー図に基づいて説明する。
図2に示すように、圧縮機10の運転を開始すると、まずステップS1として、圧縮機制御装置12において出力判断部12aは、基準出力P2をモータ駆動力付加基準出力値P21に設定しておく。そして、ステップS2として、圧縮機制御装置12は、プラント制御部2からの入力に基づいて回転機駆動出力P1を演算する。次に、ステップS3として、出力判断部12aは、設定された回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21に設定されている基準出力P2よりも大きいか否か判断を行う。そして、回転機駆動出力P1が基準出力P2以下である(YES)場合、すなわち本参考例ではガスタービン20の定格出力P3の95%以下である場合には、ステップS4として、駆動源指令部12bは、出力判断部12aによる当該判断結果に基づいて、モータ30は駆動力を付加させずに、ガスタービン制御装置22にタービン本体21を当該回転機駆動出力P1で駆動させるように指令を行う。そして、出力判断部12aによって回転機駆動出力P1以下であると判断されている限りにおいては、ステップS1〜S4を繰り返し行う。
一方、ステップS3において出力判断部12aによって回転機駆動出力P1が基準出力P2よりも大きいと判断した(NO)場合には、駆動源指令部12bは、ステップS5として回転機駆動出力P1をガスタービン20による出力と、モータ30による出力とに分配する。具体的には、まずガスタービン20の出力を基準出力P2以上定格出力P3以下に設定する。なお、最初に回転機駆動出力P1が基準出力P2を超えた場合には、ガスタービン20の出力は基準出力P2となる。そして、モータ30の出力を、回転機駆動出力P1からガスタービン20の出力の設定値を差し引いた値に設定する。次に、ステップS6として、分配した出力に応じてタービン制御装置22に指令を行ってタービン本体21を駆動させるとともに、モータ制御装置32にも指令を行いモータ本体31の駆動を開始させる。これにより圧縮機10は、ガスタービン20及びモータ30により駆動源全体として回転機駆動出力P1となる駆動力を得て稼働することができ、すなわちガスタービン20の定格出力P3以上の駆動力を得て稼働することができる。
次に、ステップS7として、出力判断部12aは、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21としている基準出力P2を超えたとして、基準出力P2をモータ駆動力付加停止基準出力値P22に再設定する。そして、ステップS8として、圧縮機制御装置12は、プラント制御部2からの入力信号に基づいて順次回転機駆動出力P1を演算し、ステップS9として出力判断部12aが演算した回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加停止基準出力値P22に設定した基準出力P2よりも大きいか否かを判断する。そして、出力判断部12aは回転機駆動出力P1が基準出力P2よりも大きいと判断した(NO)場合には、ステップS5〜S9を繰り返し行い、回転機駆動出力P1をガスタービン20とモータ30とで分配して圧縮機10に駆動力を与えて稼働させる。
一方、ステップS9で、出力判断部12aで回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加停止基準出力値P22に設定された基準出力P2以下であると判断した(YES)場合には、ステップS10として駆動源指令部12bは、モータ制御装置32に指令を行ってモータ本体31の駆動力付加を停止させ、ステップS11で基準出力P2をモータ駆動力付加基準出力値P21に再設定する。そして、ステップS4に戻って、ガスタービン20を単独で回転機駆動出力P1で駆動させ、以降ステップS3で回転機駆動出力P1が基準出力P2よりも大きいと判断されない限りは、ステップS1からステップS4を繰り返し行うこととなる。
図3は、この参考例の圧縮機ユニット1の駆動源であるガスタービン20及びモータ30が、上記制御手順に従って制御され、プラント制御部2からの入力信号に応じて出力を変化させた一例を示している。図3に示すように、時刻T=0で運転を開始すると、ステップS2において、圧縮機制御装置12は、時刻T=T10で目標出力P4が与えられるように各時刻における回転機駆動出力P1を演算する。そして、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21に設定された基準出力P2よりも大きくなるまでは各時刻においてステップS1〜S4を繰り返す。一方、時刻T=T1においてステップS3で回転機駆動出力P1が基準出力P2よりも大きくなったと判断されると、ステップS5、6でモータ30の駆動が開始され、回転機駆動出力P1はガスタービン20とモータ30とに分配されて出力されることとなる。
ここで、第一の領域Pgは、ガスタービン20による出力、第二の領域Pmはモータ30による出力を示しており、両者の合計によって回転機駆動出力P1を出力させている。そして、これ以降ステップS5〜S9を繰り返す。そして、時刻T=T2においてガスタービン20による出力が定格出力P3、または、定格出力P3近傍に達したならば、それ以降モータ30の出力のみを増大させていく。そして時刻T=T10において圧縮機10に供給される出力がプラント制御部2からの入力信号に基づいて決定される目標となる出力P4に達したら、回転機駆動出力P1を一定として定常運転を行う。
以上のとおり、モータ30は、基準出力P2を基準として必要に応じて駆動することとなり、回転機駆動出力P1が基準出力P2以下である場合にはガスタービン20単独で効率的に駆動力を与えて圧縮機10を稼働させることができる。また、モータ30の駆動を開始する基準となる基準出力P2は、モータ駆動力付加基準出力値P21に設定されており、本参考例ではガスタービン20の安定出力領域内の高出力部である定格出力P3の95%に予め設定されているものである。このため、モータ30の駆動を開始させる際に、ガスタービン20の定格出力P3近傍の不安定な状態でモータ30をガスタービン20と同期させる必要がなく、また、一度設定したガスタービン20の出力を減少させて安定した状態に戻す必要もない。すなわち、ガスタービン20の出力が安定的な領域、例えば定格出力P3の95%として基準出力P2を設定することで、出力を増大させる際に、ガスタービン20単独の出力から、ガスタービン20とモータ30とによる出力へスムーズに遷移させて、圧縮機10を稼働させることができる。
一方、時刻T=20において、プラント制御部2から圧縮機10による圧力気体の圧力を低下させるように指令が入力された場合には、ステップS8において圧縮機制御装置12は、時刻T=T30で当該入力信号に応じた目標の出力P5が与えられるように、各時刻における回転機駆動出力P1を演算する。そして、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加停止基準出力値P22に設定された基準出力P2以下になるまでは各時刻においてステップS5〜S9を繰り返し、ガスタービン20の出力、モータ30の出力ともに漸減していく。そして、時刻T=T21においてステップS9で回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加停止基準出力値P22に設定されている基準出力P2以下になったと判断されると、ステップS10でモータ30の駆動が停止され、また、ステップS11で基準出力P2がモータ駆動力付加基準出力値P21に再設定され、ステップS4として再びガスタービン20が単独で回転機駆動出力P1で圧縮機10を稼働させることができる。そして、これ以降、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21である基準出力P2を越えない限りにおいて、ステップS1〜S3を繰り返すこととなる。
以上のように、本参考例の圧縮機ユニット1及び該圧縮機ユニット1に搭載された圧縮機制御装置12によれば、出力判断部12a及び駆動源指令部12bを備えていることにより、所望の出力で安定的に、かつ、効率的に圧縮機10を稼働させることができる。
特に、本参考例では、出力判断部12aが基準出力P2として、モータ駆動力付加基準出力値P21と、モータ駆動力付加基準出力値P21よりも低いモータ駆動力付加停止基準出力値P22とを有し、上記のとおり条件に応じて変更することで、回転機駆動出力P1が基準出力P2近傍である場合にモータ30の駆動の開始及び停止が繰り返されて不安定になってしまうことを防ぐことができる。
なお、上記においては、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21に設定された基準出力P2を超えた後に、ガスタービン20の出力を定格出力P3までは増大させるように、ガスタービン20とモータ30との各出力を分配させるものとしたが、これに限るものではない。すなわち、回転機駆動出力P1がモータ駆動力付加基準出力値P21に設定された基準出力P2を超えた後は、ガスタービン20の出力を基準出力P2で一定して、それ以降の回転機駆動出力P1の増加分をモータ30で出力させるものとしても良い。
図4は、本発明の実施形態を示している。図4に示すように、この実施形態の圧縮機ユニット40では、圧縮機制御装置12において、ガスタービン20の出力を検出する検出手段としてガスタービン20の排ガスの温度を検出する温度センサ41と、温度センサ41による検出結果に基づいて、2つの基準出力値P21及びP22を変更する値変更部42とを備えている。値変更部42では、具体的には、演算された回転機駆動出力P1から決定されタービン制御装置22に指令されたガスタービン20としての出力と、温度センサ41の検出結果から演算される実際の出力とを比較し、実際の出力が低下した場合にはその比率に応じてモータ駆動力付加基準出力値P21及びモータ駆動力付加停止基準出力値P22の値を減少させる。このため、ガスタービン20が経年変化によって最大出力が低下し、初期設定されたモータ駆動力付加基準出力値P21でガスタービン20の出力が不安定な状態となってしまうことがあったとしても、モータ駆動力付加基準出力値P21及びモータ駆動力付加停止基準出力値P22を変更し、ガスタービン20単独の出力からガスタービン20及びモータ30による出力へと遷移する際に不安定になってしまうことを防ぐことができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記各実施形態の圧縮機ユニットにおいては、圧縮機を稼働させるタービンとしてガスタービン20を搭載するものとしたが、これに限るものではなく、例えば蒸気タービンとしても良い。また、圧縮機、ガスタービン、及び、モータの各制御装置は、それぞれ独立したものとしたが、これに限るものではなく、一体の制御装置として構成されているものとしても良い。さらに、圧縮機制御装置は、外部のプラント制御部2からの指令に基づいて圧縮機を制御し、また、ガスタービン20及びモータ30に指令を行うものとしたが、これに限らず、例えば操作部を備え、該操作部による入力に基づいて、外部と独立して制御を行うものとしても良い。
本発明の参考例の圧縮機ユニットの概要を示すブロック図である。 本発明の参考例の圧縮機制御装置における制御手順を示すフロー図である。 本発明の参考例の圧縮機制御装置による制御の一例で、回転機駆動出力の時間変化を表わしたグラフである。 本発明の実施形態の圧縮機ユニットの概要を示すブロック図である。
符号の説明
1 圧縮機ユニット(回転機ユニット)
10 圧縮機
12 圧縮機制御装置(制御装置)
20 ガスタービン(タービン)
30 モータ
P1 回転機駆動出力
P2 基準出力
P21 モータ駆動力付加基準出力値
P22 モータ駆動力付加停止基準出力値
P3 定格出力

Claims (5)

  1. タービン及びモータが駆動源としてそれぞれ接続された回転機の制御装置であって、
    前記タービンの安定出力領域内の高出力部に予め設定されたモータ駆動力付加基準出力を基準出力とし、前記回転機を駆動させるために必要な回転機駆動出力がこの基準出力より大きいか否かを判断する出力判断部と、
    該出力判断部により、前記回転機駆動出力が前記基準出力より大きいと判断された場合に、前記モータの駆動力付加を開始させるように指令を行う駆動源指令部と、
    前記タービンの出力を検出する検出手段と、
    該検出手段により検出された実際の出力と設定出力とを比較して、当該比較に基づいて前記出力判断部に設定されている前記各々の基準出力の値を変更する値変更部とを備えることを特徴とする回転機の制御装置。
  2. 請求項1に記載の回転機の制御装置において、
    前記駆動源指令部は、前記出力判断部が、前記基準出力を前記モータ駆動力付加基準出力より低く設定されたモータ駆動力付加停止基準出力とし、前記回転機駆動出力が前記基準出力以下と判断した場合に、前記モータの駆動を停止させるように指令を行うことを特徴とする回転機の制御装置。
  3. 駆動源としてのタービン及びモータと、
    前記タービン及び前記モータのそれぞれと接続された回転機と、
    請求項1または請求項に記載の回転機の制御装置とを備えることを特徴とする回転機ユニット。
  4. タービン及びモータが駆動源としてそれぞれ接続された回転機の制御方法であって、
    前記回転機を駆動するために必要な回転機駆動出力に応じて前記タービンを駆動させつつ、前記タービンの安定出力領域内の高出力部に予め設定されたモータ駆動力付加基準出力を基準出力とし、
    前記回転機駆動出力が前記基準出力より大きいと判断した場合には、前記モータの駆動力付加を開始させるとともに、
    前記タービンの出力を検出し、検出された実際の出力と設定出力とを比較して、当該比較に基づいて、前記各々の基準出力の値の変更を行うことを特徴とする回転機の制御方法。
  5. 請求項に記載の回転機の制御方法において、
    前記モータの駆動を開始した後に、前記基準出力をモータ駆動力付加基準出力より低く設定されたモータ駆動力付加停止基準出力とし、前記回転機駆動出力が前記基準出力以下になったと判断した場合には、前記モータの駆動を再び停止させることを特徴とする回転機の制御方法。
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