JP6290652B2 - 発電システムおよび発電システムの制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等のメインエンジンから排出された排ガスの排気エネルギーを利用する蒸気タービンおよびパワータービンを備えた発電システムにおける発電システムおよび発電システムの制御方法に関するものである。
船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）の排ガスの一部を抽気してパワータービンに導き発電出力として利用するとともに、ディーゼルエンジンの排ガスを用いて生成された蒸気を蒸気タービンに導き発電出力として利用する発電システムが知られている。このような発電システムには、蒸気タービンにガバナが設置され、蒸気タービンを駆動するための流体の流量を調整している。
特許文献１には、蒸気タービンにガバナが設置され、ガバナが生成する制御信号が調整弁に出力されることで蒸気タービンの出力が変化することが開示されている。
しかしながら、上記特許文献１では、システム全体の要求出力が変更された場合の各機器の出力分担、つまり消費電力の変化による出力分担が開示されているが、要求出力が一定である場合の各機器の出力分担、つまり発電電力の変化による出力分担については開示されていない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、発電電力の変化による安定稼働のための出力分担を制御する発電システムおよび発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の発電システムおよび発電システムの制御方法は以下の手段を採用する。
メインエンジンにて生成された排ガスによって駆動されるパワータービンと、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに接続された発電機と、前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御部と、前記パワータービンの出力および前記蒸気タービンの出力の負荷分担を制御する負荷分担制御部と、を備えた発電システムにおいて、前記パワータービンの立ち上げ時に、前記発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うことを特徴とする発電システムを採用する。
メインエンジンにて生成された排ガスによって駆動されるパワータービンと、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに接続された発電機と、前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御部と、前記パワータービンの出力および前記蒸気タービンの出力の負荷分担を制御する負荷分担制御部と、を備えた発電システムにおいて、前記パワータービンの立ち上げ時に、前記発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うことを特徴とする発電システムを採用する。
発電機を駆動する原動機、例えば蒸気タービンに対し、パワータービンを連結する場合がある。このようにパワータービンを連結する形態としては、発電機、蒸気タービン、パワータービンを１つの軸上で直列に接続する形態や、蒸気タービン及びパワータービンをそれぞれ並列に接続する形態等がある。この場合、ガバナは主となる原動機である蒸気タービンに対するガバナのみが設置される。これは、蒸気タービン及びパワータービンのそれぞれに対してガバナを設置するのは制御が複雑となるからである。
よって、パワータービンによる出力が変化する場合、発電システム制御装置は、蒸気タービンの出力、すなわちガバナを制御することとなる。
ここで、パワータービンにはガバナが設置されないため、パワータービンの制御は弁の開閉のみの制御となる。よって、パワータービンの出力に変化があると蒸気タービンの出力がその変化量を吸収するように大きく変動する。
よって、パワータービンによる出力が変化する場合、発電システム制御装置は、蒸気タービンの出力、すなわちガバナを制御することとなる。
ここで、パワータービンにはガバナが設置されないため、パワータービンの制御は弁の開閉のみの制御となる。よって、パワータービンの出力に変化があると蒸気タービンの出力がその変化量を吸収するように大きく変動する。
例えば、パワータービンが立ち上がる場合、ガバナの制御によってドループ特性に沿って発電機の出力を保つように蒸気タービンの出力は低下する。ただし蒸気タービンの調速弁の開度が所定の下限値に至るとインターロックによりパワータービンは強制的に停止されることから、場合によってはパワータービンは起動する前に停止されてしまうこととなる。
そこで、本発明では、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うこととした。
これにより、パワータービンの立ち上げ時にタービン制御部からの負荷容量増加指令要求により、発電機の負荷容量が増加し、蒸気タービンの出力が増加方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁の開度が所定の下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、蒸気タービンの出力が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
そこで、本発明では、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うこととした。
これにより、パワータービンの立ち上げ時にタービン制御部からの負荷容量増加指令要求により、発電機の負荷容量が増加し、蒸気タービンの出力が増加方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁の開度が所定の下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、蒸気タービンの出力が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
また、パワータービンの出力の変化は、メインエンジンの負荷の変化によっても発生し、これは発電機にとっての外乱となる。パワータービンの出力の変化を常時監視し立ち上げ時に発電機の負荷容量を変化させ蒸気タービンに出力変化の制御を行うことは、メインエンジンの負荷が変化して外乱が生じた時にも発電機の安定化を図る上で有効である。
本発明は、メインエンジンにて生成された排ガスによって駆動されるパワータービンと、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに接続された発電機と、前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御部と、前記パワータービンの出力および前記蒸気タービンの出力の負荷分担を制御する負荷分担制御部と、を備えた発電システムにおいて、前記パワータービンの立ち下げ時に、前記発電機の負荷容量を減少させる減少指令要求を行うことを特徴とする発電システムを採用する。
発電機を駆動する原動機、例えば蒸気タービンに対し、パワータービンを連結する場合がある。この時、例えば発電機、蒸気タービン、パワータービンは１つの軸上で直列に接続される。このように、１つの軸に接続されている場合、ガバナは主となる原動機である蒸気タービンに対するガバナのみが設置される。これは、蒸気タービン及びパワータービンのそれぞれに対してガバナを設置するのは制御が複雑となるためである。
よって、パワータービンによる出力が変化する場合、発電システム制御装置は、蒸気タービンの出力、すなわちガバナを制御することとなる。
ここで、パワータービンにはガバナが設置されないため、パワータービンの制御は弁の開閉のみの制御となる。よって、パワータービンの出力に変化があると蒸気タービンの出力がその変化量を吸収するように大きく変動する。
よって、パワータービンによる出力が変化する場合、発電システム制御装置は、蒸気タービンの出力、すなわちガバナを制御することとなる。
ここで、パワータービンにはガバナが設置されないため、パワータービンの制御は弁の開閉のみの制御となる。よって、パワータービンの出力に変化があると蒸気タービンの出力がその変化量を吸収するように大きく変動する。
例えば、パワータービンが立ち下がる場合、ガバナの制御によってドループ特性に沿って発電機の出力を保つように蒸気タービンの出力は増加する。ただし、パワータービンが停止する前に蒸気タービンの調速弁が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続され、それ以上蒸気タービンの出力を上げることができず、発電機の出力を維持できないこととなる。
そこで、本発明では、パワータービンの立ち下げ時に、発電機の負荷容量を減少させる減少指令要求を行うこととした。
これにより、パワータービンの立ち下げ時にタービン制御部からの負荷容量減少指令要求により、発電機の負荷容量が減少し、蒸気タービンの出力が減少する方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、発電機の出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
これにより、パワータービンの立ち下げ時にタービン制御部からの負荷容量減少指令要求により、発電機の負荷容量が減少し、蒸気タービンの出力が減少する方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、発電機の出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
また、パワータービンの出力の変化は、メインエンジンの負荷の変化によっても発生し、これは発電機にとっての外乱となる。パワータービンの出力の変化を常時監視し立ち下げ時に発電機の負荷容量を変化させ蒸気タービンに出力変化の制御を行うことは、メインエンジンの負荷が変化して外乱が生じた時にも発電機の安定化を図る上で有効である。
上記発明において、前記増加指令要求または前記減少指令要求に応じて前記タービン制御部へ出力される指令は、前記蒸気タービンへ供給される主蒸気の量を調整する調速弁の開度として制御されるとしてもよい。
パワータービンの出力に変化があると蒸気タービンの出力、すなわちガバナによる調速弁の操作量がその変化量を吸収するように大きく変動する。
例えば、パワータービンが立ち上がる場合、ガバナが制御する調速弁の開度が小さくなる。ただし調速弁の開度には所定の下限値が設定されており、その下限値に至るとパワータービンは強制的に停止されることから、場合によってはパワータービンは起動する前に停止されてしまうこととなる。
逆に、パワータービンが立ち下がる場合、ガバナが制御する調速弁の開度が大きくなる。ただし、パワータービンが停止する前に調速弁の開度が全開となってしまう場合があり、全開の状態が継続され、それ以上蒸気タービンの出力を上げることができず、発電機の出力を維持できないこととなる。
例えば、パワータービンが立ち上がる場合、ガバナが制御する調速弁の開度が小さくなる。ただし調速弁の開度には所定の下限値が設定されており、その下限値に至るとパワータービンは強制的に停止されることから、場合によってはパワータービンは起動する前に停止されてしまうこととなる。
逆に、パワータービンが立ち下がる場合、ガバナが制御する調速弁の開度が大きくなる。ただし、パワータービンが停止する前に調速弁の開度が全開となってしまう場合があり、全開の状態が継続され、それ以上蒸気タービンの出力を上げることができず、発電機の出力を維持できないこととなる。
そこで、本願発明では、増加指令要求および減少指令要求に応じてタービン制御部へ出力される指令は、蒸気タービンへ供給される主蒸気の量を調整する調速弁の開度として制御されることとした。
これにより、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量が増加し、また調速弁の開度が大きくなることで蒸気タービンの出力が増加し、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、調速弁の開度が下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、ガバナによる調速弁の操作量が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
また、パワータービンの立ち下げ時に発電機の負荷容量が減少し、また調速弁の開度が小さくなることで蒸気タービンの出力が減少し、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、調速弁の開度が全開となったり全開の状態が継続されることがないため、発電機の出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
これにより、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量が増加し、また調速弁の開度が大きくなることで蒸気タービンの出力が増加し、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、調速弁の開度が下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、ガバナによる調速弁の操作量が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
また、パワータービンの立ち下げ時に発電機の負荷容量が減少し、また調速弁の開度が小さくなることで蒸気タービンの出力が減少し、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、調速弁の開度が全開となったり全開の状態が継続されることがないため、発電機の出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
上記発明において、前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への指令要求間隔の値は、前記パワータービン及び前記蒸気タービンの運転状態に適した値が設定されるとしてもよい。
本発明によれば、タービン制御部から負荷分担制御部への指令要求間隔の値を、パワータービン及び蒸気タービンの運転状態に適した値を設定することとしたので、運転状態に応じた負荷分担制御部の応答性、ひいては蒸気タービンの出力変化指示を得ることができる。
上記発明において、前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への指令要求間隔の値は、前記パワータービンの立ち上げまたは立ち下げ時、または低圧蒸気源からの蒸気量の増加時または減少時において小さくされるとしてもよい。
本発明によれば、パワータービンの立ち上げまたは立ち下げ時、または低圧蒸気源からの蒸気量の増加または減少時にタービン制御部から負荷分担制御部への指令要求間隔を短くしたため、例えばパワータービンや低圧蒸気源の定常状態（起動中または停止中以外）でのタービン発電機の負荷容量の変動があった場合の指令要求間隔などに合わせることなく、運転状態に合わせた指令要求間隔を設定できる。これにより、特にタービン制御部から負荷分担制御部への指令を要求する間隔が短くなることで応答性がよくなり、パワータービンの立ち上げ時や低圧蒸気の蒸気量の増加時に調速弁の開度が小さくなりすぎたり、パワータービンの立ち下げ時や低圧蒸気の蒸気量の減少時に調速弁の開度が大きくなりすぎたりする恐れがなく、発電機の安定した運転が可能である。
ここで、パワータービンは、低圧蒸気源からの蒸気供給と比較して発電機の出力に対する分担比が大きい。よって、パワータービンは低圧蒸気源よりも応答性をよくするために指令要求間隔を短くする。
ここで、パワータービンは、低圧蒸気源からの蒸気供給と比較して発電機の出力に対する分担比が大きい。よって、パワータービンは低圧蒸気源よりも応答性をよくするために指令要求間隔を短くする。
上記発明において、前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への前記指令要求間隔の値は、前記パワータービンの立ち下げ時よりも前記パワータービンの立ち上げ時、及び、前記低圧蒸気源からの蒸気量の減少時よりも前記低圧蒸気源からの蒸気量の増加時において小さくされるとしてもよい。
パワータービンの立ち上げ時は、パワータービンの出力増加に合わせドループ特性に沿って蒸気タービンの出力が下がる。ここで蒸気タービンの調速弁の開度には所定の下限値があるため、下限値に到達してしまうとパワータービンが強制停止となる。
パワータービンの立ち下げ時は、パワータービンの出力減少に合わせドループ特性に沿って蒸気タービンの出力が上がる。蒸気タービンの調速弁が全開に達すると、負荷分担制御部は他のディーゼルエンジン発電機へ負荷分担を移すこととなる。
よって、パワータービンの立ち上げ時または低圧蒸気源の蒸気量の増加時に、立ち下げ時または減少時よりもタービン制御部から負荷分担制御部への指令要求間隔を短くすることで、緊急性の高いパワータービンの立ち上げ時または低圧蒸気源の蒸気量の増加時の応答性がよくなり、パワータービンの強制停止を防ぐことができる。
パワータービンの立ち下げ時は、パワータービンの出力減少に合わせドループ特性に沿って蒸気タービンの出力が上がる。蒸気タービンの調速弁が全開に達すると、負荷分担制御部は他のディーゼルエンジン発電機へ負荷分担を移すこととなる。
よって、パワータービンの立ち上げ時または低圧蒸気源の蒸気量の増加時に、立ち下げ時または減少時よりもタービン制御部から負荷分担制御部への指令要求間隔を短くすることで、緊急性の高いパワータービンの立ち上げ時または低圧蒸気源の蒸気量の増加時の応答性がよくなり、パワータービンの強制停止を防ぐことができる。
上記発明において、あらかじめ前記パワータービン及び前記低圧蒸気源の出力変化率と前記指令要求間隔との関係を得ておき、求める前記出力変化率に対する最適な前記指令要求間隔を得るとしてもよい。
各々の出力変化率にはそれぞれ最適な指令要求間隔が存在する。
そこで、あらかじめパワータービン及び低圧蒸気源の出力変化率と指令要求間隔との関係を各々得ておくことで、例えばパワータービンの場合はメインエンジンの負荷、パワータービンの入口圧力、温度、排ガス流量および排ガス量調整弁開度などから算出した出力変化率から、最適な指令要求間隔を得ることができる。これにより、蒸気タービンの調速弁が最適な開度に調整されるため、タービン発電機の安定した運転が可能である。
そこで、あらかじめパワータービン及び低圧蒸気源の出力変化率と指令要求間隔との関係を各々得ておくことで、例えばパワータービンの場合はメインエンジンの負荷、パワータービンの入口圧力、温度、排ガス流量および排ガス量調整弁開度などから算出した出力変化率から、最適な指令要求間隔を得ることができる。これにより、蒸気タービンの調速弁が最適な開度に調整されるため、タービン発電機の安定した運転が可能である。
本発明は、メインエンジンにて生成された排ガスによってパワータービンを駆動させる工程と、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させる工程と、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により発電する工程と、を備えた発電システムの制御方法において、前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御ステップと、前記パワータービンの立ち上げ時に、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動による発電の負荷容量を増加させる増加指令要求を行う増加指令要求ステップと、を備えることを特徴とする発電システムの制御方法を採用する。
パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うこととした。
これにより、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量が増加し、また蒸気タービンの出力が増加することで、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁の開度が所定の下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、蒸気タービンの出力が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
これにより、パワータービンの立ち上げ時に発電機の負荷容量が増加し、また蒸気タービンの出力が増加することで、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁の開度が所定の下限値に達することがないため、パワータービンが強制的に停止されることがない。よって、蒸気タービンの出力が大きく変動することがなく、発電機の安定した運転が可能である。
本発明は、メインエンジンにて生成された排ガスによってパワータービンを駆動させる工程と、前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させる工程と、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により発電する工程と、を備えた発電システムの制御方法において、前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御ステップと、前記パワータービンの立ち下げ時に、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動による発電の負荷容量を減少させる減少指令要求を行う減少指令要求ステップと、を備えることを特徴とする発電システムの制御方法を採用する。
パワータービンの立ち下げ時に、タービン制御部は負荷分担制御部に対しタービン発電機の負荷容量を減少させる減少指令要求を行うこととした。
これにより、パワータービンの立ち下げ時に発電機の負荷容量が減少し、また蒸気タービンの出力が減少することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、発電機の全体出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
これにより、パワータービンの立ち下げ時に発電機の負荷容量が減少し、また蒸気タービンの出力が減少することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービンの調速弁が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、発電機の全体出力が維持でき、発電機の安定した運転が可能である。
本発明によれば、パワータービンなどによる出力の増減により発電機の負荷容量を増減させるので、蒸気タービンの出力変化の変動を抑え安定した運転が可能である。
以下に、本発明にかかる発電システムおよび発電システムの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる発電システムのタービン発電機系統の概略構成が示されている。本実施形態では、メインエンジンとして船舶推進用のディーゼルエンジン３を用いている。
タービン発電機系統１は、エンジン（メインエンジン）３と、エンジン３の排ガスによって駆動される過給機５と、過給機５の上流側から抽気されたエンジン３の排ガスによって駆動されるパワータービン（ガスタービン）７と、エンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１と、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン９とを備えている。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる発電システムのタービン発電機系統の概略構成が示されている。本実施形態では、メインエンジンとして船舶推進用のディーゼルエンジン３を用いている。
タービン発電機系統１は、エンジン（メインエンジン）３と、エンジン３の排ガスによって駆動される過給機５と、過給機５の上流側から抽気されたエンジン３の排ガスによって駆動されるパワータービン（ガスタービン）７と、エンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１と、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン９とを備えている。
エンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、エンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続され、排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介して過給機５のタービン部５ａの入口側と接続され、また、排気マニホールド１５は第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排ガスの一部が、過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給されるようになっている。
一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介して過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとから構成されている。
過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとから構成されている。
パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールド１５から抽気された排ガスによって回転駆動されるようになっており、また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動されるようになっている。
この排ガスエコノマイザ１１は、過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが、導入されて熱交換部２１によって、排ガスの熱によって給水管２３によって供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、該蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。
この排ガスエコノマイザ１１は、過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが、導入されて熱交換部２１によって、排ガスの熱によって給水管２３によって供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、該蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。
パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されてタービン発電機２５を駆動するようになっている。蒸気タービン９の回転軸２９は図示しない減速機およびカップリングを介してタービン発電機２５に接続し、また、パワータービン７の回転軸２７は図示しない減速機およびクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。クラッチ３１としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばＳＳＳ（Synchro Self Shifting）クラッチが好適に用いられる。なお、本実施形態においては、パワータービン７と蒸気タービン９とを直列に結合してタービン発電機２５を駆動するようにしているが、パワータービン７と蒸気タービン９とを並列に結合し、それぞれの回転動力から減速機を介してタービン発電機２５を駆動するようにしてもよい。
また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。
さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する調速弁（蒸気量調整弁）３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。調速弁３７は、後述する発電システム制御装置４３のガバナ５９によって、その開度が制御される。
以上のようにタービン発電機系統１は、エンジン３の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。
以上のようにタービン発電機系統１は、エンジン３の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。
図２には、図１に示したタービン発電機系統を有する発電システムの概略構成が示されている。
発電システム１００は、タービン発電機系統１（図１参照）に加え、船内に別途設置された複数（本実施形態では２台）のディーゼルエンジン発電機（発電機）６０を備えている。
発電システム制御装置４３には、タービン発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力されている。また、発電システム制御装置４３には、ディーゼルエンジン発電機６０からの出力信号と、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ５１からの信号とが入力されている。
発電システム制御装置４３には、タービン発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力されている。また、発電システム制御装置４３には、ディーゼルエンジン発電機６０からの出力信号と、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ５１からの信号とが入力されている。
また、発電システム制御装置４３は、ＰＭＳ（Power Management System；パワーマネジメントシステム／負荷分担制御部）５３と、ＴＣＰ（Turbine Control Panel；タービンコントロールパネル／タービン制御部）５７と、ディーゼルエンジン発電機６０用ガバナー部（図示せず）とを備えている。また、ＴＣＰ５７は、ガバナ５９を備えている。ガバナ５９は、蒸気タービン９の回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ５３が指示する回転速度の速度設定に応じた調速弁３７の開度を調速弁３７に対し出力することで、蒸気タービン９の出力を制御する。
負荷分担制御部５３から設定された負荷率に応じた出力の指示信号が、ＴＣＰ５７、及びディーゼルエンジン発電機６０用ガバナー部にそれぞれ出力される。
負荷分担制御部５３から設定された負荷率に応じた出力の指示信号が、ＴＣＰ５７、及びディーゼルエンジン発電機６０用ガバナー部にそれぞれ出力される。
ＰＭＳ５３から指示された蒸気タービン９の出力負担割合に応じて制御信号がＴＣＰ５７のガバナ５９に出力され、ガバナ５９はそれに応じた調速弁３７の開度を調速弁３７へ出力し、調速弁３７の開度が制御されて蒸気タービン９に供給される蒸気量が制御されるようになっている。
ここで、パワータービン７と蒸気タービン９とタービン発電機２５は１つの軸に直列に結合されている。このように各々が１つの軸に直列接続されている場合、ガバナは主となる原動機である蒸気タービン９に対するガバナ５９のみが設置される。これは、１つの軸に２以上のガバナを設置するのは制御が複雑となるためである。
よって、パワータービン７による出力が変化する場合、発電システム制御装置４３は、蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９によって調速弁３７を制御することとなる。
ここで、パワータービン７にはガバナが設置されないため、パワータービン７の制御は排ガス量調整弁３３の開閉のみの制御となり、定常運転中は常に全開のままとなる。但し、パワータービン７の立ち上げ及び立ち下げ時に限り、排ガス調整弁３３の開度は漸増または漸減する。よって、パワータービン７の出力に変化があると蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９による調速弁３７の開度制御がその変化量を吸収するように変動する。
ここで、パワータービン７の立ち上げとは、パワータービン７の出力が０である状態を起点として、出力を増加させることであり、パワータービンの立ち下げとは、パワータービン７の出力が０になるように、出力を減少させることであると定義する。
ここで、パワータービン７と蒸気タービン９とタービン発電機２５は１つの軸に直列に結合されている。このように各々が１つの軸に直列接続されている場合、ガバナは主となる原動機である蒸気タービン９に対するガバナ５９のみが設置される。これは、１つの軸に２以上のガバナを設置するのは制御が複雑となるためである。
よって、パワータービン７による出力が変化する場合、発電システム制御装置４３は、蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９によって調速弁３７を制御することとなる。
ここで、パワータービン７にはガバナが設置されないため、パワータービン７の制御は排ガス量調整弁３３の開閉のみの制御となり、定常運転中は常に全開のままとなる。但し、パワータービン７の立ち上げ及び立ち下げ時に限り、排ガス調整弁３３の開度は漸増または漸減する。よって、パワータービン７の出力に変化があると蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９による調速弁３７の開度制御がその変化量を吸収するように変動する。
ここで、パワータービン７の立ち上げとは、パワータービン７の出力が０である状態を起点として、出力を増加させることであり、パワータービンの立ち下げとは、パワータービン７の出力が０になるように、出力を減少させることであると定義する。
また、蒸気タービン９の中間段へは、低圧蒸気源７１から混気蒸気が供給される。混気蒸気の供給ライン上には、蒸気タービン９に導入する混気蒸気量を制御する調整弁７９が設置されている。調整弁７９の開度は、低圧蒸気源７１での蒸気の発生量の増加及び減少に伴い、増加または減少する。よって、混気蒸気の供給量に変化があると蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９による調速弁３７の開度制御がその変化量を吸収するように変動する。低圧蒸気源としては排ガスエコノマイザ１１の低圧段（図１参照）が挙げられる。
以上のように、ＰＭＳ５３から調速弁３７を操作するガバナ５９に対し出力負担割合に応じた制御信号が出力される。
図３には、参考例としての発電システムおよび本発明の第１実施形態にかかる発電システムにおける発電機およびパワータービンの出力、調速弁開度および周波数の変化を示したタイムチャートが示されている。
本タイムチャートの横軸は時間、縦軸は発電機２５およびパワータービン７の出力、調速弁３７の開度および周波数を表しており、図３（Ａ）は参考例としての発電システム１００、図３（Ｂ）は本実施形態にかかる発電システム１００のタイムチャートを示す。また図３の縦軸が出力を表すタイムチャートにおいて、実線はパワータービン７の出力、太実線はタービン発電機２５の負荷容量、破線はタービン発電機２５の出力を示す。
ここで、負荷容量とは、パワータービン７の出力と蒸気タービン９の出力の上限値であり、その上限値を超えない範囲でタービン発電機２５及び他のディーゼルエンジン発電機６０の負荷分担を調整するものとして定義している。
本タイムチャートの横軸は時間、縦軸は発電機２５およびパワータービン７の出力、調速弁３７の開度および周波数を表しており、図３（Ａ）は参考例としての発電システム１００、図３（Ｂ）は本実施形態にかかる発電システム１００のタイムチャートを示す。また図３の縦軸が出力を表すタイムチャートにおいて、実線はパワータービン７の出力、太実線はタービン発電機２５の負荷容量、破線はタービン発電機２５の出力を示す。
ここで、負荷容量とは、パワータービン７の出力と蒸気タービン９の出力の上限値であり、その上限値を超えない範囲でタービン発電機２５及び他のディーゼルエンジン発電機６０の負荷分担を調整するものとして定義している。
参考例としての発電システム１００におけるパワータービン７立ち上げ時の動作について、図３（Ａ）をもとに説明する。
発電システム１００のパワータービン７は起動していないため出力は０である。また蒸気タービン９が全ての負荷を分担している。パワータービン７が起動をはじめると、パワータービン７の出力は増加する。出力が増加すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を小さくする出力減少制御を行う。
ここで、調速弁３７の開度には、所定の下限値Ｄが設けられている。パワータービン７の出力が増加することで、出力の変化量を吸収するように蒸気タービン９の出力が下がり、これにより調速弁３７の開度が下がりすぎると、調速弁３７を閉方向に速度を制御することができなくなることで蒸気タービン９の過速度を発生させる恐れがある。そこで、ガバナ５９が操作する調速弁３７の開度に所定の下限値Ｄを設け、パワータービン７や低圧蒸気源７１を強制的に遮断（または停止）させることでガバナ５９が制御可能な範囲を設定するものである。
パワータービン７が起動を続け出力が増加するとともに、調速弁３７の開度は小さくなり、パワータービン７が起動する前に所定の下限値Ｄに達する場合がある。調速弁３７の開度が所定の下限値Ｄに達する（開度信号やリミットスイッチ等で下限値Ｄ以下になったことを検出する）と、図示しないパワータービン保護装置により強制的にパワータービン７が停止することとなる。よって、特に出力の大きなパワータービン７の起動時にはガバナ５９が調速弁３７の開度を小さくし所定の下限値Ｄに達してパワータービン７を強制遮断してしまい、パワータービン７を起動できず停電となる、もしくは安定して運転できないこととなる。
また、例えば、蒸気タービン９がそのエンジン３の負荷での最大出力ではなく部分負荷にて調速弁３７の開度が低い状態で運転を行う場合において、パワータービン７を起動すると、起動時における調速弁３７の開度が低いことにより所定の下限値Ｄに達するまでの時間が短くなる。また、蒸気タービン９の出力に対するパワータービン７の出力の比が大きいほど所定の下限値Ｄに達するまでの時間が短くなる。
発電システム１００のパワータービン７は起動していないため出力は０である。また蒸気タービン９が全ての負荷を分担している。パワータービン７が起動をはじめると、パワータービン７の出力は増加する。出力が増加すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を小さくする出力減少制御を行う。
ここで、調速弁３７の開度には、所定の下限値Ｄが設けられている。パワータービン７の出力が増加することで、出力の変化量を吸収するように蒸気タービン９の出力が下がり、これにより調速弁３７の開度が下がりすぎると、調速弁３７を閉方向に速度を制御することができなくなることで蒸気タービン９の過速度を発生させる恐れがある。そこで、ガバナ５９が操作する調速弁３７の開度に所定の下限値Ｄを設け、パワータービン７や低圧蒸気源７１を強制的に遮断（または停止）させることでガバナ５９が制御可能な範囲を設定するものである。
パワータービン７が起動を続け出力が増加するとともに、調速弁３７の開度は小さくなり、パワータービン７が起動する前に所定の下限値Ｄに達する場合がある。調速弁３７の開度が所定の下限値Ｄに達する（開度信号やリミットスイッチ等で下限値Ｄ以下になったことを検出する）と、図示しないパワータービン保護装置により強制的にパワータービン７が停止することとなる。よって、特に出力の大きなパワータービン７の起動時にはガバナ５９が調速弁３７の開度を小さくし所定の下限値Ｄに達してパワータービン７を強制遮断してしまい、パワータービン７を起動できず停電となる、もしくは安定して運転できないこととなる。
また、例えば、蒸気タービン９がそのエンジン３の負荷での最大出力ではなく部分負荷にて調速弁３７の開度が低い状態で運転を行う場合において、パワータービン７を起動すると、起動時における調速弁３７の開度が低いことにより所定の下限値Ｄに達するまでの時間が短くなる。また、蒸気タービン９の出力に対するパワータービン７の出力の比が大きいほど所定の下限値Ｄに達するまでの時間が短くなる。
これに対し、本実施形態の発電システム１００におけるパワータービン７立ち上げ時の動作について、図３（Ｂ）をもとに説明する。
発電システム１００のパワータービン７は起動していないため出力は０である。また蒸気タービン９が全ての負荷を分担している。パワータービン７を起動させる場合、パワータービン７の出力は増加する。出力が増加すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を小さくする減少制御を行う。
同時に、パワータービン７の出力の増加を検知すると、ＴＣＰ５７はＰＭＳ５３へ指令要求を行い、ＰＭＳ５３へ与えているタービン発電機２５の負荷容量を増加させる。ＰＭＳ５３は出力増加指令をＴＣＰ５７のガバナ５９に対して出力する。これを受けてガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を上げて出力増加方向に動作し、調速弁３７の開度が増加制御され、前述したドループ特性に沿った開度を小さくする減少制御と相殺するように作用するため、調速弁３７の開度の減少は相殺もしくは緩和される。
よって、調速弁３７の開度は急激に減少することなく、また所定の下限値Ｄに達することもない。よって、パワータービン７が強制停止することもないため、発電システム１００は安定運転される。
発電システム１００のパワータービン７は起動していないため出力は０である。また蒸気タービン９が全ての負荷を分担している。パワータービン７を起動させる場合、パワータービン７の出力は増加する。出力が増加すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を小さくする減少制御を行う。
同時に、パワータービン７の出力の増加を検知すると、ＴＣＰ５７はＰＭＳ５３へ指令要求を行い、ＰＭＳ５３へ与えているタービン発電機２５の負荷容量を増加させる。ＰＭＳ５３は出力増加指令をＴＣＰ５７のガバナ５９に対して出力する。これを受けてガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を上げて出力増加方向に動作し、調速弁３７の開度が増加制御され、前述したドループ特性に沿った開度を小さくする減少制御と相殺するように作用するため、調速弁３７の開度の減少は相殺もしくは緩和される。
よって、調速弁３７の開度は急激に減少することなく、また所定の下限値Ｄに達することもない。よって、パワータービン７が強制停止することもないため、発電システム１００は安定運転される。
次に、参考例としての発電システム１００におけるパワータービン７の立ち下げ時の動作について、図３（Ａ）をもとに説明する。
発電システム１００のパワータービン７及び蒸気タービン９は、出力を分担している。パワータービン７の出力が減少すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を大きくする増加制御を行う。
パワータービン７の出力が減少するとともに、調速弁３７の開度は大きくなり、パワータービン７が停止する前に調速弁３７の開度は全開（すなわち１００％の開度）となる場合がある。調速弁３７の開度が全開となるとそれ以上蒸気タービン９の出力を上げることができず、タービン発電機２５の要求出力が出せないため、タービン発電機２５の出力を維持できないという状況が発生することとなる。この場合、調速弁３７の開度が全開となった時点でＰＭＳ５３は、他の各ディーゼルエンジン発電機６０へ不足出力分を分担するように協調する制御を行い、協調運転を行う。
発電システム１００のパワータービン７及び蒸気タービン９は、出力を分担している。パワータービン７の出力が減少すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を大きくする増加制御を行う。
パワータービン７の出力が減少するとともに、調速弁３７の開度は大きくなり、パワータービン７が停止する前に調速弁３７の開度は全開（すなわち１００％の開度）となる場合がある。調速弁３７の開度が全開となるとそれ以上蒸気タービン９の出力を上げることができず、タービン発電機２５の要求出力が出せないため、タービン発電機２５の出力を維持できないという状況が発生することとなる。この場合、調速弁３７の開度が全開となった時点でＰＭＳ５３は、他の各ディーゼルエンジン発電機６０へ不足出力分を分担するように協調する制御を行い、協調運転を行う。
これに対し、本実施形態の発電システム１００におけるパワータービン７立ち下げ時の動作について、図３（Ｂ）をもとに説明する。
発電システム１００のパワータービン７及び蒸気タービン９は、出力を分担している。パワータービン７を停止させる場合、パワータービン７の出力は減少する。出力が減少すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を大きくする増加制御を行う。
同時に、パワータービン７の出力の減少を検知すると、ＴＣＰ５７はＰＭＳ５３へ指令要求を行い、ＰＭＳ５３へ与えているタービン発電機２５の負荷容量を減少させる。ＰＭＳ５３は出力減少指令をＴＣＰ５７のガバナ５９に対して出力する。これを受けてガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を下げて出力減少方向に動作し、調速弁３７の開度が減少制御され、前述したドループ特性に沿った開度を大きくする増加制御と相殺するように作用するため、調速弁３７の開度の増加は相殺もしくは緩和される。また、ＴＣＰ５７からの指令要求を受けた時点でＰＭＳ５３は他の各ディーゼルエンジン発電機６０へ不足出力分を分担するように協調する制御を行い、協調運転を行う。
よって、調速弁３７の開度は全開となることがなくまた全開の状態が継続されることもないため、また、周波数が変化すると同時に協調運転が行われるため、発電システム１００は安定運転される。
また、インターロックによるパワータービン７の停止など、パワータービン７の出力が急激に減少する場合もある。この場合も、同様の処理を行う。
発電システム１００のパワータービン７及び蒸気タービン９は、出力を分担している。パワータービン７を停止させる場合、パワータービン７の出力は減少する。出力が減少すると周波数が変化し、瞬時にガバナ５９はドループ特性に沿って出力の変化量を吸収するように調速弁３７に対し開度を大きくする増加制御を行う。
同時に、パワータービン７の出力の減少を検知すると、ＴＣＰ５７はＰＭＳ５３へ指令要求を行い、ＰＭＳ５３へ与えているタービン発電機２５の負荷容量を減少させる。ＰＭＳ５３は出力減少指令をＴＣＰ５７のガバナ５９に対して出力する。これを受けてガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を下げて出力減少方向に動作し、調速弁３７の開度が減少制御され、前述したドループ特性に沿った開度を大きくする増加制御と相殺するように作用するため、調速弁３７の開度の増加は相殺もしくは緩和される。また、ＴＣＰ５７からの指令要求を受けた時点でＰＭＳ５３は他の各ディーゼルエンジン発電機６０へ不足出力分を分担するように協調する制御を行い、協調運転を行う。
よって、調速弁３７の開度は全開となることがなくまた全開の状態が継続されることもないため、また、周波数が変化すると同時に協調運転が行われるため、発電システム１００は安定運転される。
また、インターロックによるパワータービン７の停止など、パワータービン７の出力が急激に減少する場合もある。この場合も、同様の処理を行う。
以上、説明してきたように、本実施形態にかかる発電システムおよび発電システムの制御方法によれば、パワータービン７の立ち上げ時にタービン発電機２５の負荷容量が増加し、また蒸気タービン９の出力が増加方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、調速弁３７の開度が所定の下限値Ｄに達することがないため、パワータービン７がインターロックにより強制的に停止されることがない。よって、蒸気タービン９の出力が大きく変動することがなく、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
また、パワータービン７の立ち下げ時にタービン発電機２５の負荷容量が減少し、また蒸気タービン９の出力が減少方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービン９の調速弁３７が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、タービン発電機２５の出力が維持でき、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
また、パワータービン７の立ち下げ時にタービン発電機２５の負荷容量が減少し、また蒸気タービン９の出力が減少方向に作用することで、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、蒸気タービン９の調速弁３７が全開に達してしまい出力が飽和した状態が継続されることがないため、タービン発電機２５の出力が維持でき、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
また、パワータービン７の出力の変化は、エンジン３の負荷の変化によっても発生し、これはタービン発電機２５にとって外乱となる。パワータービン７の出力の変化を常に監視し立ち上げ及び立ち下げ時にタービン発電機２５の負荷容量を変化させ蒸気タービン９に出力変化の制御を行うことは、エンジン３の負荷が変化して外乱が生じた時にもタービン発電機２５の安定化を図る上で有効である。
また、パワータービン７の立ち上げ時にタービン発電機２５の負荷容量が増加し、また調速弁３７の開度が大きくなることで蒸気タービン９の出力が増加し、ドループ特性に沿った出力減少と相殺され出力減少が緩和されることから、調速弁３７の開度が所定の下限値Ｄに達することがないため、パワータービン７が強制的に停止されることがない。よって、ガバナ５９による調速弁３７の操作量が大きく変動することがなく、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
また、パワータービン７の立ち下げ時にタービン発電機２５の負荷容量が減少し、また調速弁３７の開度が小さくなることで蒸気タービン９の出力が減少し、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、調速弁３７の開度が全開となったり全開の状態が継続されることがないため、タービン発電機２５の出力が維持でき、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
また、パワータービン７の立ち下げ時にタービン発電機２５の負荷容量が減少し、また調速弁３７の開度が小さくなることで蒸気タービン９の出力が減少し、ドループ特性に沿った出力増加と相殺され出力増加が緩和されることから、調速弁３７の開度が全開となったり全開の状態が継続されることがないため、タービン発電機２５の出力が維持でき、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図４乃至６を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、パワータービン７の出力変化に応じてタービン発電機２５の負荷及びガバナ５９と調速弁３７の制御を行うこととしたが、本実施形態ではこれに加え、パワータービン７の出力変化に応じてＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔を変化させることとするものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
以下、本発明の第２実施形態について、図４乃至６を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、パワータービン７の出力変化に応じてタービン発電機２５の負荷及びガバナ５９と調速弁３７の制御を行うこととしたが、本実施形態ではこれに加え、パワータービン７の出力変化に応じてＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔を変化させることとするものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。
図４には、本実施形態にかかる発電システム制御装置における指令要求間隔の例が示されている。
ＴＣＰ５７は、ＰＭＳ５３に対しタービン発電機２５の負荷容量変化、すなわち蒸気タービン９の出力変化の要求を行う。これに応じてＰＭＳ５３は出力変化指令をガバナ５９に対し出力し、ガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を変更し、これに応じた開度にて調速弁３７を制御する。これによって蒸気タービン９に供給される主蒸気の量が変化することで蒸気タービン９の出力が変化する。
この時、ＴＣＰ５７からＰＭＳ５３に対する出力変化の要求、すなわち指令要求の間隔（タイミング）を指令要求間隔とし、その値をＴとする。図４のように、指令要求間隔Ｔは、１つの指令要求が終わってから次の指令要求が終わるまでの時間を表す。
この指令要求間隔Ｔの値が小さいと、ＴＣＰ５７からの指令要求が短い間隔で要求されることとなり、ＰＭＳ５３の応答性が上がる。
ＴＣＰ５７は、ＰＭＳ５３に対しタービン発電機２５の負荷容量変化、すなわち蒸気タービン９の出力変化の要求を行う。これに応じてＰＭＳ５３は出力変化指令をガバナ５９に対し出力し、ガバナ５９は蒸気タービン９の回転速度設定を変更し、これに応じた開度にて調速弁３７を制御する。これによって蒸気タービン９に供給される主蒸気の量が変化することで蒸気タービン９の出力が変化する。
この時、ＴＣＰ５７からＰＭＳ５３に対する出力変化の要求、すなわち指令要求の間隔（タイミング）を指令要求間隔とし、その値をＴとする。図４のように、指令要求間隔Ｔは、１つの指令要求が終わってから次の指令要求が終わるまでの時間を表す。
この指令要求間隔Ｔの値が小さいと、ＴＣＰ５７からの指令要求が短い間隔で要求されることとなり、ＰＭＳ５３の応答性が上がる。
図５には、参考例としての発電システムおよび本実施形態にかかる発電システムの運転状態と指令要求間隔との関係が表に示されている。
まず参考例の発電システム１００の場合について説明する。
参考例の発電システム１００において、定常運転時、つまり低圧蒸気源７１及びパワータービン７が起動中または停止中のいずれかでない運転時にて、タービン発電機２５の負荷の変動やエンジン３の負荷変動があった場合の指示要求間隔ＴをＴ１とし、その時間を例えば３０秒とする。また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加及び減少時、パワータービン７の立ち上げ及び立ち下げ時の指示要求間隔Ｔも全てＴ１に調整する。この場合、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加、及びパワータービン７の立ち上げ時においては、指令要求間隔が長すぎるため、ＰＭＳ５３の応答性が悪く、ガバナ５９による調速弁３７の制御頻度が下がることで図３（Ａ）のパワータービン７の立ち上げ時のグラフのように調速弁３７の開度が小さくなりすぎる場合がある。また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少及びパワータービン７の立ち下げ時においても同様に指令要求間隔が長すぎるため、ＰＭＳ５３の応答性が悪く、ガバナ５９による調速弁３７の制御頻度が下がることで図３（Ａ）のパワータービン７の立ち下げ時のグラフのように調速弁３７の開度が大きくなりすぎる場合がある。よって、定常状態以外の場合において、タービン発電機２５の運転が安定しない状態が発生し得る。
まず参考例の発電システム１００の場合について説明する。
参考例の発電システム１００において、定常運転時、つまり低圧蒸気源７１及びパワータービン７が起動中または停止中のいずれかでない運転時にて、タービン発電機２５の負荷の変動やエンジン３の負荷変動があった場合の指示要求間隔ＴをＴ１とし、その時間を例えば３０秒とする。また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加及び減少時、パワータービン７の立ち上げ及び立ち下げ時の指示要求間隔Ｔも全てＴ１に調整する。この場合、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加、及びパワータービン７の立ち上げ時においては、指令要求間隔が長すぎるため、ＰＭＳ５３の応答性が悪く、ガバナ５９による調速弁３７の制御頻度が下がることで図３（Ａ）のパワータービン７の立ち上げ時のグラフのように調速弁３７の開度が小さくなりすぎる場合がある。また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少及びパワータービン７の立ち下げ時においても同様に指令要求間隔が長すぎるため、ＰＭＳ５３の応答性が悪く、ガバナ５９による調速弁３７の制御頻度が下がることで図３（Ａ）のパワータービン７の立ち下げ時のグラフのように調速弁３７の開度が大きくなりすぎる場合がある。よって、定常状態以外の場合において、タービン発電機２５の運転が安定しない状態が発生し得る。
これに対し、本実施形態の発電システム１００の場合について説明する。
本実施形態の発電システム１００において、定常状態にてタービン発電機２５の負荷の変動やエンジン３の負荷変動があった場合の指示要求間隔ＴをＴ１とし、その時間を例えば３０秒とする。
また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時の指示要求間隔ＴをＴ６、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時の指示要求間隔ＴをＴ７、パワータービン７の立ち上げ時の指示要求間隔ＴをＴ８、パワータービン７の立ち下げ時の指示要求間隔ＴをＴ９とそれぞれ設定する。また、Ｔ６の時間を２０秒、Ｔ７の時間を２５秒、Ｔ８の時間を１０秒、Ｔ９の時間を１５秒、と、それぞれＴ１よりも指令要求間隔を短くする。ここで、Ｔ６乃至Ｔ９の値を一定ではなく各々違う値とするのは次のような理由からである。
本実施形態の発電システム１００において、定常状態にてタービン発電機２５の負荷の変動やエンジン３の負荷変動があった場合の指示要求間隔ＴをＴ１とし、その時間を例えば３０秒とする。
また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時の指示要求間隔ＴをＴ６、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時の指示要求間隔ＴをＴ７、パワータービン７の立ち上げ時の指示要求間隔ＴをＴ８、パワータービン７の立ち下げ時の指示要求間隔ＴをＴ９とそれぞれ設定する。また、Ｔ６の時間を２０秒、Ｔ７の時間を２５秒、Ｔ８の時間を１０秒、Ｔ９の時間を１５秒、と、それぞれＴ１よりも指令要求間隔を短くする。ここで、Ｔ６乃至Ｔ９の値を一定ではなく各々違う値とするのは次のような理由からである。
パワータービン７は、低圧蒸気源７１からの蒸気供給と比較してタービン発電機２５の出力に対する分担比が大きい。蒸気タービン９、パワータービン７及び低圧蒸気源７１の分担比は、例えば５：４：１程度である。よって、パワータービン７の出力の変動は、低圧蒸気の出力の変動と比較すると大きいことから、ＰＭＳ５３の応答性を上げる必要がある。よって、パワータービン７の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ８及びＴ９は、低圧蒸気源７１の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ６及びＴ７よりも小さい値とされる。
また、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時、パワータービン７の立ち上げ時は、調速弁３７の開度が小さくなるため、所定の下限値Ｄに近づくこととなる。調速弁３７の開度が所定の下限値Ｄに達するとパワータービン７や低圧蒸気源７１が停止し、発電システム１００が停電する恐れもあることから、ＰＭＳ５３の応答性を上げる必要がある。
低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時は、調速弁３７の開度が大きくなるため、全開に近づくこととなる。調速弁３７の開度が全開となると、タービン発電機２５の出力を維持できなくなるが、ＰＭＳ５３により協調運転が行われるため、他の各ディーゼルエンジン発電機６０が不足出力分を分担することでタービン発電機２５の運転を安定化させることができる。
よって、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時よりも緊急性の高い低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時、パワータービン７の立ち上げ時にＰＭＳ５３の応答性を上げる必要がある。よって、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時、パワータービン７の立ち上げ時の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ６及びＴ８は、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ７及びＴ９よりも小さい値とされる。
以上のように指令要求間隔Ｔを各々の状態に合わせて設定することにより、指令要求間隔Ｔを最適化できる。
低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時は、調速弁３７の開度が大きくなるため、全開に近づくこととなる。調速弁３７の開度が全開となると、タービン発電機２５の出力を維持できなくなるが、ＰＭＳ５３により協調運転が行われるため、他の各ディーゼルエンジン発電機６０が不足出力分を分担することでタービン発電機２５の運転を安定化させることができる。
よって、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時よりも緊急性の高い低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時、パワータービン７の立ち上げ時にＰＭＳ５３の応答性を上げる必要がある。よって、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時、パワータービン７の立ち上げ時の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ６及びＴ８は、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時の出力変動に対する指示要求間隔Ｔ７及びＴ９よりも小さい値とされる。
以上のように指令要求間隔Ｔを各々の状態に合わせて設定することにより、指令要求間隔Ｔを最適化できる。
図６には、本実施形態にかかる指令要求間隔とＰＭＳの応答性および蒸気タービンの出力変化指示の関係が示されている。図６のグラフにおいて、縦軸は応答性、横軸はパルス間隔を表し、実線はＰＭＳ指令、破線は蒸気タービン出力変化指示を示す。パルス間隔が長くなると、ＰＭＳ指令、蒸気タービン出力変化指示とも応答性が低くなる。
上述したように、指令要求間隔ＴがＴｆのように短い場合、ＰＭＳ５３の応答性Ｐｆは上がる。逆に、指令要求間隔ＴがＴｓのように長い場合、ＰＭＳ５３の応答性Ｐｓは下がる。Ｐｆのように応答性が高い場合は、ＰＭＳ５３は素早い制御を行う。逆にＰｓのように応答性が低い場合は、ＰＭＳ５３は緩やかな制御を行う。
また、蒸気タービン９に対する出力変化指示Ｓｆが頻繁に、また素早い指示である場合は、指令要求間隔ＴがＴｆのように短くなる。逆に、蒸気タービン９の出力変化指示ＳｓがＳｆのように素早い指示を必要としない場合は、指令要求間隔ＴがＴｓのように長くなる。すなわち、Ｓｆのように頻繁に素早い指示が必要となるのはパワータービン７の立ち上げ時や低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時もしくは低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時などであり、指令要求間隔Ｔの値は小さくされる。これは、蒸気タービン９の制御に対する応答を早くすることで、パワータービン７などの起動および停止の繰り返しを発生させないためである。逆に、定常運転時などの場合は、Ｓｓのように素早い指示を必要としない。
上述したように、指令要求間隔ＴがＴｆのように短い場合、ＰＭＳ５３の応答性Ｐｆは上がる。逆に、指令要求間隔ＴがＴｓのように長い場合、ＰＭＳ５３の応答性Ｐｓは下がる。Ｐｆのように応答性が高い場合は、ＰＭＳ５３は素早い制御を行う。逆にＰｓのように応答性が低い場合は、ＰＭＳ５３は緩やかな制御を行う。
また、蒸気タービン９に対する出力変化指示Ｓｆが頻繁に、また素早い指示である場合は、指令要求間隔ＴがＴｆのように短くなる。逆に、蒸気タービン９の出力変化指示ＳｓがＳｆのように素早い指示を必要としない場合は、指令要求間隔ＴがＴｓのように長くなる。すなわち、Ｓｆのように頻繁に素早い指示が必要となるのはパワータービン７の立ち上げ時や低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時もしくは低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時、パワータービン７の立ち下げ時などであり、指令要求間隔Ｔの値は小さくされる。これは、蒸気タービン９の制御に対する応答を早くすることで、パワータービン７などの起動および停止の繰り返しを発生させないためである。逆に、定常運転時などの場合は、Ｓｓのように素早い指示を必要としない。
以上、説明してきたように、本実施形態にかかる発電システムおよび発電システムの制御方法によれば、ＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔の値を、タービン発電機２５の運転状態に適した値を設定することとしたので、運転状態に応じたＰＭＳ５３の応答性、ひいては蒸気タービン９の出力変化指示を得ることができる。
また、パワータービン７の立ち上げ時または立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時または減少時にＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔の値を小さくしたため、例えばパワータービン７や低圧蒸気源７１の定常運転時（起動中または停止中以外）でのタービン発電機２５の負荷容量の変動があった場合の指令要求間隔などに合わせることなく、運転状態に合わせた指令要求間隔を設定できる。これにより、特にＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令を要求する間隔が短くなることでＰＭＳ５３の応答性がよくなり、パワータービン７の立ち上げ時、低圧蒸気源７１のからの蒸気量の増加時に調速弁３７の開度が小さくなりすぎたり、パワータービン７の立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時に調速弁３７の開度が大きくなりすぎたりする恐れがなく、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
ここで、パワータービン７は、低圧蒸気源７１からの蒸気供給よりも負荷の分担が多い。よって、パワータービン７は低圧蒸気源７１よりも応答性をよくするために指令要求間隔を短くする。
また、パワータービン７の立ち上げ時または立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時または減少時にＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔の値を小さくしたため、例えばパワータービン７や低圧蒸気源７１の定常運転時（起動中または停止中以外）でのタービン発電機２５の負荷容量の変動があった場合の指令要求間隔などに合わせることなく、運転状態に合わせた指令要求間隔を設定できる。これにより、特にＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令を要求する間隔が短くなることでＰＭＳ５３の応答性がよくなり、パワータービン７の立ち上げ時、低圧蒸気源７１のからの蒸気量の増加時に調速弁３７の開度が小さくなりすぎたり、パワータービン７の立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時に調速弁３７の開度が大きくなりすぎたりする恐れがなく、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
ここで、パワータービン７は、低圧蒸気源７１からの蒸気供給よりも負荷の分担が多い。よって、パワータービン７は低圧蒸気源７１よりも応答性をよくするために指令要求間隔を短くする。
また、パワータービン７の立ち上げ時は、パワータービン７の出力増加に合わせドループ特性に沿って蒸気タービン９の出力が下がる。ここで蒸気タービン９の調速弁３７の開度には所定の下限値Ｄがあるため、下限値Ｄに到達してしまうとパワータービン７が強制停止となる。
パワータービン７の立ち下げ時は、パワータービン７の出力減少に合わせドループ特性に沿って蒸気タービン９の出力が上がる。蒸気タービン９の調速弁３７が全開に達すると、ＰＭＳ５３は他のディーゼルエンジン発電機６０へ負荷分担を移すこととなる。
よって、パワータービン７の立ち上げ時または低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時に、パワータービン７の立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時よりもＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔を短くすることで、緊急性の高いパワータービン７の立ち上げ時または低圧蒸気源７１の蒸気量の増加時の応答性がよくなる。
パワータービン７の立ち下げ時は、パワータービン７の出力減少に合わせドループ特性に沿って蒸気タービン９の出力が上がる。蒸気タービン９の調速弁３７が全開に達すると、ＰＭＳ５３は他のディーゼルエンジン発電機６０へ負荷分担を移すこととなる。
よって、パワータービン７の立ち上げ時または低圧蒸気源７１からの蒸気量の増加時に、パワータービン７の立ち下げ時、低圧蒸気源７１からの蒸気量の減少時よりもＴＣＰ５７からＰＭＳ５３への指令要求間隔を短くすることで、緊急性の高いパワータービン７の立ち上げ時または低圧蒸気源７１の蒸気量の増加時の応答性がよくなる。
〔第３実施形態〕
以下、本発明の第３実施形態について、図７を用いて説明する。
上記した第２実施形態では、指令要求間隔Ｔに固定値を設定したが、本実施形態では、出力変化率と指令要求間隔との関係から最適な指令要求間隔を導き出すこととするものである。その他の点については第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
以下、本発明の第３実施形態について、図７を用いて説明する。
上記した第２実施形態では、指令要求間隔Ｔに固定値を設定したが、本実施形態では、出力変化率と指令要求間隔との関係から最適な指令要求間隔を導き出すこととするものである。その他の点については第２実施形態と同様であるので、説明は省略する。
図７には、本実施形態にかかるパワータービンの出力変化率と指令要求間隔との関係が示されている。
あらかじめ、パワータービン７の出力変化率と指令要求間隔との関係を設定しておく。これにより、例えば図７のようなグラフが得られる。グラフの横軸は出力変化率、縦軸は指令要求間隔を表している。出力変化率が大きくなると、指令要求間隔は小さくなる。
パワータービン７の場合、エンジン３の負荷、パワータービン７の入口圧力、温度、排ガス流量、排ガス量調整弁３３の開度などから得られる出力の変化率Ｒａを計算し、計算された出力変化率Ｒａを図７のグラフに適用することで、最適な指令要求間隔Ｔａを得ることができる。
同様に、低圧蒸気源７１の出力変化率と指令要求間隔との関係を設定しておく。この場合、低圧蒸気源７１の圧力、温度、流量、調整弁７９の開度などから出力の変化率を計算し、計算された出力変化率を適用することで、最適な指令要求間隔を得ることができる。
あらかじめ、パワータービン７の出力変化率と指令要求間隔との関係を設定しておく。これにより、例えば図７のようなグラフが得られる。グラフの横軸は出力変化率、縦軸は指令要求間隔を表している。出力変化率が大きくなると、指令要求間隔は小さくなる。
パワータービン７の場合、エンジン３の負荷、パワータービン７の入口圧力、温度、排ガス流量、排ガス量調整弁３３の開度などから得られる出力の変化率Ｒａを計算し、計算された出力変化率Ｒａを図７のグラフに適用することで、最適な指令要求間隔Ｔａを得ることができる。
同様に、低圧蒸気源７１の出力変化率と指令要求間隔との関係を設定しておく。この場合、低圧蒸気源７１の圧力、温度、流量、調整弁７９の開度などから出力の変化率を計算し、計算された出力変化率を適用することで、最適な指令要求間隔を得ることができる。
以上、説明してきたように、あらかじめパワータービン７及び低圧蒸気源７１の蒸気の出力変化率と指令要求間隔との関係を各々得ておくことで、例えばパワータービン７の場合はエンジン３の負荷、パワータービン７の入口圧力、温度、排ガス流量および排ガス量調整弁３３の開度などから算出した出力変化率から、最適な指令要求間隔を得ることができる。これにより、蒸気タービン９の調速弁３７が最適な開度に調整されるため、タービン発電機２５の安定した運転が可能である。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、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なども含まれる。
たとえば、上述した各実施形態においては、船内に用いる発電システム１００について説明したが、陸上の発電システム１００としても用いることができる。
１ タービン発電機系統
３ エンジン（メインエンジン）
５ 過給機
７ パワータービン
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ
２５ タービン発電機（発電機）
３７ 調速弁
４３ 発電システム制御装置
５３ ＰＭＳ（負荷分担制御部）
５７ ＴＣＰ（タービン制御部）
６０ ディーゼルエンジン発電機（発電機）
７１ 低圧蒸気源
１００ 発電システム
３ エンジン（メインエンジン）
５ 過給機
７ パワータービン
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ
２５ タービン発電機（発電機）
３７ 調速弁
４３ 発電システム制御装置
５３ ＰＭＳ（負荷分担制御部）
５７ ＴＣＰ（タービン制御部）
６０ ディーゼルエンジン発電機（発電機）
７１ 低圧蒸気源
１００ 発電システム
Claims (9)
- メインエンジンにて生成された排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに接続された発電機と、
前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御部と、前記パワータービンの出力および前記蒸気タービンの出力の負荷分担を制御する負荷分担制御部と、
を備えた発電システムにおいて、
前記パワータービンの立ち上げ時に、前記発電機の負荷容量を増加させる増加指令要求を行うことを特徴とする発電システム。 - メインエンジンにて生成された排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに接続された発電機と、
前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御部と、前記パワータービンの出力および前記蒸気タービンの出力の負荷分担を制御する負荷分担制御部と、
を備えた発電システムにおいて、
前記パワータービンの立ち下げ時に、前記発電機の負荷容量を減少させる減少指令要求を行うことを特徴とする発電システム。 - 前記増加指令要求または前記減少指令要求に応じて前記タービン制御部へ出力される指令は、前記蒸気タービンへ供給される主蒸気の量を調整する調速弁の開度として制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
- 前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への指令要求間隔の値は、前記パワータービン及び前記蒸気タービンの運転状態に適した値が設定されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電システム。
- 前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への前記指令要求間隔の値は、前記パワータービンの立ち上げまたは立ち下げ時、または低圧蒸気源からの蒸気量の増加時または減少時において小さくされることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
- 前記タービン制御部から前記負荷分担制御部への前記指令要求間隔の値は、前記パワータービンの立ち下げ時よりも前記パワータービンの立ち上げ時、及び、前記低圧蒸気源からの蒸気量の減少時よりも前記低圧蒸気源からの蒸気量の増加時において小さくされることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
- あらかじめ前記パワータービン及び前記低圧蒸気源の出力変化率と前記指令要求間隔との関係を得ておき、求める前記出力変化率に対する最適な前記指令要求間隔を得ることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の発電システム。
- メインエンジンにて生成された排ガスによってパワータービンを駆動させる工程と、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させる工程と、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により発電する工程と、
を備えた発電システムの制御方法において、
前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御ステップと、
前記パワータービンの立ち上げ時に、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動による発電の負荷容量を増加させる増加指令要求を行う増加指令要求ステップと、
を備えることを特徴とする発電システムの制御方法。 - メインエンジンにて生成された排ガスによってパワータービンを駆動させる工程と、
前記メインエンジンの排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動させる工程と、
前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動により発電する工程と、
を備えた発電システムの制御方法において、
前記蒸気タービンの出力を制御するタービン制御ステップと、
前記パワータービンの立ち下げ時に、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの駆動による発電の負荷容量を減少させる減少指令要求を行う減少指令要求ステップと、
を備えることを特徴とする発電システムの制御方法。
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