JP6392131B2

JP6392131B2 - Ｖｐｃ発電制御装置

Info

Publication number: JP6392131B2
Application number: JP2015008976A
Authority: JP
Inventors: 崇宏吉田; 誠梶川; 直樹中田
Original assignee: Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2015-01-20
Filing date: 2015-01-20
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: JP2016135033A

Description

本発明は、ＶＰＣ発電制御装置に関し、より詳しくは、ＶＰＣ（ＶａｒｉａｂｌｅＰｈａｓｅＣｙｃｌｅ）発電装置として使用し、始動時、及び負荷遮断時に特に有効なＶＰＣ発電制御装置に関する。

ＶＰＣ発電装置は、中低温熱源の有効利用を目的として、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａなどの低沸点の有機媒体を利用する発電装置である。
熱交換器を通して加熱した有機媒体は、ノズルを経由して熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、ロータ羽根に吹き付けることによりロータ軸に接続された発電機を駆動する。そして、ノズル上流の作動媒体がガス、気液二相流及び液体の３種類の相に対応した最適なノズル及び羽根形状が利用でき、更に超臨界条件にも対応できることからその適用範囲は広い。

上述の有機媒体を利用する発電において、速度を持って流れる作動媒体を、タービンロータにタービン羽根にたいして所定の角度で配置されたノズルから噴出させ、そのときの衝撃力によりタービンを回転させる構造で、この時の回転によって、直結した発電機を回転させ発電を行う。

このようなタービンは、負荷遮断によって、発電機の負荷を喪失すると、発電機の負荷とタービンロータに送られる有機媒体のエネルギーが非平衡状態となる。特に有機媒体は、急激な運動エネルギーに変化が生じ、過度にタービンロータの回転が急激に増加し、タービン軸やタービン羽根に過大な負荷がかかり、破損の恐れが生じる。

また、発電機の始動時には、有機媒体をタービンロータに供給したとき、有機媒体の温度、圧力が安定した状態でない場合が多く、急激な運動エネルギーに変化が生じ、タービンロータの回転が急激に増減する場合があり、タービン軸やタービン羽根に過大な負荷がかかる恐れが生じる。

特許文献１では、負荷遮断時に、タービンの一次側の管路に設けられた加減弁を閉止して蒸気の流入を遮断することにより、タービンロータの回転数の異常上昇を防止することが開示されている。

また特許文献２には、負荷遮断時に、高圧タービンの一次側の管路に設けられたガバナ弁と、中／低圧タービンの一次側の管路、インターセプト弁の開度を調整することにより、タービンロータの回転を調整することが開示されている。

特開昭６２−１５９７０３号公報特開平１１−１６６４０２号公報

特許文献１はＶＰＣ発電に関する技術では無いが、負荷遮断によってタービン軸やタービン羽根の破損の恐れがある場合は、タービンロータへ蒸気等の動力媒体の流入そのものを遮断することが望ましい。しかしながら、タービンロータの一次側の管路に設けた弁を閉止することによって、動力媒体の流入を遮断する方法では、当該弁からタービンまでの間に管路中に、高圧な動作媒体である有機媒体が存在する。この有機媒体は、前述のように有機媒体の温度、圧力が安定した状態でない場合が多く、直ちに有機媒体の流入を停止させることができない場合が多く、タービンロータの回転が急激に増加する課題がある。

また、ＶＰＣ発電の始動時において、タービンロータへ有機媒体を供給して行うが、定格の１０％程度の小入力でもタービンが回転する。従って、少ない媒体入力であっても、急激に回転の増加する可能性がある。この為、始動時に回転が不安定となりやすく、タービン調節弁２２ｂのみで切り替えを行うとすると、有機媒体の温度、圧力により、タービン調節弁２２ｂの開度により、急激に回転を始めたりするなど制御性が悪い。

そこで、本発明では、有機媒体を使用したＶＰＣ発電において、負荷遮断が生じた場合、或いは発電機の始動時において、負荷を意図的に作り消費させ、タービンロータの回転が急激に増加することを防止し、安定したＶＰＣ発電制御装置を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

１．
熱源を有機媒体を用いて熱回収する熱回収用熱交換器と、
前記熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、タービンに供給し発電するＶＰＣ発電装置と、
前記ＶＰＣ発電装置により発電した電力を、周波数、電圧等を調整し、他の電源として或いは売電等の目的で、交流に変換する電源変換装置と、
高速でＯＮ、ＯＦＦ可能なスイッチング素子を介し、前記ＶＰＣ発電装置と接続する発電機負荷装置と、
前記タービンの回転状況に基づき、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止し、
前記タービン始動時に、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記タービン始動時に発生する前記タービンの急激な回転増加を防止し、
前記タービン始動時に、定格運転におけるタービン回転数までの速度増加を想定した速度曲線に対応する所定回転数に基づき、前記スイッチング素子を高速でＯＮ、ＯＦＦ作動させて、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止することを特徴とするＶＰＣ発電制御装置。
２．
熱源を有機媒体を用いて熱回収する熱回収用熱交換器と、
前記熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、タービンに供給し発電するＶＰＣ発電装置と、
前記ＶＰＣ発電装置により発電した電力を、周波数、電圧等を調整し、他の電源として或いは売電等の目的で、交流に変換する電源変換装置と、
高速でＯＮ、ＯＦＦ可能なスイッチング素子を介し、前記ＶＰＣ発電装置と接続する発電機負荷装置と、
前記タービンの回転状況に基づき、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止し、
前記ＶＰＣ発電タービン運転時に発生した負荷遮断時に、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記タービンの急激な回転増加を防止し、
前記負荷遮断時に、負荷遮断に応じたモードと、該モードに応じたモード設定回転数とを選択し、選択された前記モード設定回転数までの速度減少を想定した速度曲線に対応する所定回転数に基づき、前記スイッチング素子を高速でＯＮ、ＯＦＦ作動させて、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止することを特徴とするＶＰＣ発電制御装置。

本発明によれば、有機媒体を使用したＶＰＣ発電において、負荷遮断が生じた場合、発電機の負荷を意図的に作り消費させタービンロータの回転が急激に増加することを防止し、安定したＶＰＣ発電制御装置を提供することができる。
また、本発明によれば、ＶＰＣ発電の始動時に、安定したタービンロータの始動を行うことで、安定したＶＰＣ発電制御装置を提供することができる。

本発明のＶＰＣ発電制御装置の基本構成を示す回路説明図本発明の電源変換装置を示す回路説明図本発明のタービン立ち上げ処理を示すフローチャート本発明の負荷遮断処理を示すフローチャート本発明のトリップ処理を示すフローチャート本発明の立ち上げ処理時の動作を示す図本発明の負荷遮断処理時の動作を示す図

以下に、図を参照して本発明を実施するための形態を二相流タービンを用いたＶＰＣ発電装置の例に基づいて説明する。
図１は、本発明のＶＰＣ発電制御装置の基本構成を説明する図である。
図示しないエンジン、地熱等の熱源を、有機媒体により熱回収する熱回収用熱交換器１と、前記熱回収用熱交換器１を出た有機媒体は、有機媒体循環経路２を流れ、二相流変換ノズル３１により、気相、液相の二相流に変換させた後に、二相流タービン３２、凝縮器４を経由し、有機媒体は、媒体タンク５に一時保管される。そして、媒体ポンプ６を介し、前記熱回収用熱交換器１に戻す有機媒体循環経路２を形成している。ここで、廃熱有機媒体回収経路３を流れる有機媒体は、前記媒体ポンプ６により加圧し、二相流変換ノズル３１まで、作動媒体を液相状態で循環させる構成となっている。
以下、これらを詳述する。

熱回収用熱交換器１は、エンジン、地熱等の熱源を有機媒体により熱回収するものであり、一般に用いられているエンジンに使用される過給機に使用される過給機排出空気用インタークーラーと、構造的には変わらないが、冷却側の媒体圧力が通常の冷却水圧力より高いため、漏洩が起きないように構造的な配慮がなされている。
前記熱回収用熱交換器１は、例えば、中低温熱源との熱交換媒体として、代替フロンであるＲ２４５ｆａ、Ｒ１３４ａなどの低沸点の有機媒体を利用し、熱回収を行う。

前記熱回収用熱交換器１を出た有機媒体は、本実施の形態では液相のままで、二相流変換ノズル３１、及び二相流タービン３２に供給される。
二相流変換ノズル３１は、タービンユニット３に内蔵されており、一部が気化し、気相、液相の混合した二相流の有機媒体を生成する。そして、この二相流の有機媒体を二相流変換ノズル３１の先端から高速で排出し、二相流タービン３２のタービン羽根に向かって排出し二相流タービン３２を回転させる。

二相流タービン３２には、ＶＰＣ発電装置を構成する発電機３０が接続され、二相流タービン３２の回転によって発電を行うことができる。そして、前記発電機３０で発電した電力は、電源変換装置３４、及び発電機負荷装置３５にそれぞれ接続している。
なお、発電機３０は、例えば三相同期発電機等適宜発電機を用いることができる。

ここで、電源変換装置３４は、周波数、電圧等を調整し、他の電源として或いは売電等の目的で、交流に変換して交流電源に接続する。具体的には、図２に示すようにスイッチ（ＭＣ）３４０を介し、発電機で発電した交流電力をコンバータ（ＣＯＶ）３４１で直流電力に変換する。次いでインバータ（ＩＮＶ）３４２で、直流電力に変換した直流電力を交流電力に電気的に逆変換する。この時、制御コンピュータ３４３で、周波数、電圧等を同期調整して、交流電源（ＡＣ）３６に、スイッチ（ＭＣ）３４４で接続する。

また、発電機負荷装置３５は、発電機３０が負荷短絡した場合、始動時等に用いるもので、発電機３０の前記電源変換装置３４と並列に分岐して接続する。そして、発電機３０にスイッチ３５０と負荷抵抗３５１を介し接地する構成である。具体的にスイッチ３５０は、例えばＩＧＢＴ等の半導体素子等を用いて高速でスイッチングを行う。

ここで、スイッチ３５０（ＩＧＢＴ）によるスイッチングは、例えば図６、７に示すように、ブレーキングの波形に示すように、出力を数μｓｅｃの短時間にオンオフして行うものである。そして、スイッチングのオンの時間分だけ、負荷抵抗３５１（ＬＯＡＤ）により抵抗発熱として消費させる。従って、オンオフの時間を調整することで、負荷量分の電力を消費させ、発電機にブレーキをかけることができ、ブレーキをかけることにより回転数の制御を行うことができる。

また、前記電源変換装置３４、及び発電機負荷装置３５の動作タイミング等の制御は、制御部３７で行う。この制御部３７は、発電機３０に設けている速度検出センサー３３により発電機の回転の変動を検知し、負荷短絡時及び始動時の回転状況に基づいて電源変換装置３４、及び発電機負荷装置３５の動作タイミング等の制御を行う。

なお、前記タービンロータの軸貫通部に、二重のメカニカルシールを使用して、有機媒体の外部への、漏出を防止している。したがって、二相流タービン３２には一般の蒸気タービンに装備されている主蒸気止め弁や蒸気加減弁はなく、代わりに、二相流タービン３２の上流にタービン遮断弁２２ａ、及びプロセス弁としてのタービン調節弁２２ｂを配置している。また、タービン遮断弁２２ａの上流側にバイパスライン２ｂを設け、該バイパスライン２ｂ中にバイパス調節弁２２ｃが設けてあり、有機媒体を始動時に、二相流タービン３１１をバイパスさせる必要から設けた回路である。

二相流タービン３２を出た気相、液相の有機媒体は、凝縮器４に送られ、冷却されて全て液相になり、媒体タンク５に送られ貯蔵される。
なお、凝縮器４は、公知の凝縮器のものを用いることができ、船舶用に使用する場合には、海水を使用することができる。

媒体タンク５に貯蔵された有機媒体は、循環ポンプ６により熱回収用熱交換器１に送られる。
本発明では、熱回収用熱交換器１で有機媒体を加熱するが、蒸発すること無く、二相流変換ノズル３１まで、液相状態で循環させる。このため有機媒体を加圧液状態とする必要がある為、循環ポンプ６とブーストポンプ６ａとで構成されるブースト形式を本発明では採用しているが、他の公知手段を用いても良い。この構成により、有機媒体循環経路２の圧力を高めている。

ここで、有機媒体循環経路２の圧力は、例えば有機媒体の温度とその有機媒体の物性に基づいて、気化する圧力よりも、若干高い圧力に設定しているので、有機媒体は気化することはない。
なお、本発明では、上述のように二相流のＶＰＣ発電機を用いた実施の形態を示しているが、これに限らず有機媒体が、気化した状態を利用する有機媒体回路を用いてることもできる。

本発明は上述のように構成し、以下の手順で運転が行われる。
図示しない制御盤のタッチパネルでＶＰＣ発電制御装置を起動する。
システム起動時、タービン遮断弁２２ａは閉じられ、バイパス調節弁２２ｃは開かれた状態であり、ブーストポンプ６ａで有機媒体を循環させるため昇圧し、循環ポンプ６が自動起動し、有機媒体をバイパスするタービンバイパス運転を開始する。

循環ポンプ６は、エンジン負荷に応じて熱回収用熱交換器１内で有機媒体の蒸発が起きない熱媒体圧力を保持するように、ＶＦＤ（ＶａｒｉａｂｌｅＦｒｅｑｕｅｎｃｙＤｒｉｖｅｒ）により回転数制御される。起動時は、有機媒体の温度が低いため循環ポンプ６の回転数はゼロとなり、有機媒体の循環はブーストポンフ６ａによって行われる。

タービンは有機媒体温度が９０℃以上であることを起動条件として、起動が行われる。また、起動時の起動信号によりタービン遮断弁２２ａが全開し、バイパス調節弁２２ｃからタービン調節弁２２ｂへ媒体ラインの切り替えが行われる。発電機３０は、定格回転数に達すると、図示しない発電機用遮断器が閉じて発電を開始する。

ここで、バイパスライン２ｂから媒体ライン２への切り替えが行われるが、バイナリ発電の場合、定格の１０％程度の小入力でもタービンが回転する。従って、少ない媒体入力であっても、急激に回転が行われる可能性がある。この為、回転が不安定であり、タービン調節弁２２ｂのみで切り替えを行うとすると、有機媒体の温度、圧力により、タービン調節弁２２ｂの開度により、急激に回転を始めたりするなど制御性が悪い。

そこで、切り替えによるタービン起動時に、発電機負荷装置３５を用いて発電機３０に負荷をかけることにより、二相流タービン３２の回転数を急激にあげないようにする必要がある。具体的には、発電機負荷装置３５のスイッチ３５０を介して、発電機３０と負荷抵抗３５１とを接続させ、発電機３０に接続された負荷抵抗３５１により、回転によるエネルギーを消費することで、二相流タービン３２の回転数の急激な上昇を防ぐことができる。

つまり、切り替えによるタービン起動時に、まず制御部３７は、タービン遮断弁２２ａ、タービン調節弁２２ｂ、バイパス調節弁２２ｃ及び発電機負荷装置３５のスイッチ３５０に対して、起動信号を送信する。起動信号により、負荷抵抗３５１と発電機とがスイッチ３５０を介して接続されるので、タービンが回転することにより得られるエネルギーを負荷抵抗３５１により消費することができる。

しかし、切り替えによるタービン起動時において、制御部３７は起動信号を発する際、起動信号とほぼ同時に全開するタービン遮断弁２２ａと異なり、タービン調節弁２２ｂ及びバイパス調節弁２２ｃは起動信号から遅れて、全開及び全閉する。また、起動信号と同時にスイッチ３５０が接続されることにより、発電機３０と負荷抵抗３５１とが接続される。

従って、タービン調節弁２２ｂが徐々に開度を大きくしていったときに、有機媒体が少ないエネルギーで入力され、急激に回転が行われる可能性があるが、スイッチ３５０を介して、発電機３０と負荷抵抗３５１とが接続されていることにより、負荷抵抗３５１でエネルギーを消費させて急激な回転を防止することができる。

さらに、タービン調節弁２２ｂの開度が全開になることで、二相流タービン３２の回転数が徐々に上昇する。ここで、所望のタイミングで電源変換装置３４が発電機３０の発電から交流電源の生成可能な領域になるまで、二相流タービン３１１の回転数をコントロールする必要がある。

従って、制御部３７は、電源変換装置３４が交流電源の生成可能な領域になるまで、二相流タービン３２の回転数が達すると、スイッチ３４０をＯＮにする信号を送信する。

次いで、制御部３７は、スイッチ３５０を完全にＯＦＦにする信号を送信する。これにより、発電機３０の発電をスムーズに電源変換装置３４へ移行させることができる。

制御部３７は、スイッチ３４０をＯＦＦ、スイッチ３５０がＯＮにし、さらに、タービン遮断弁２２ａが閉状態、バイパス弁２２ｃが開状態、タービン調節弁２２ｂが閉状態である確認が取れたら、システム運転を開始する。

制御部３７は、有機媒体が所定温度に達しているかを判断する。
制御部３７は、有機媒体が所定温度に達していた場合、タービン遮断弁２２ａを開、バイパス弁２２ｃを閉、タービン調節弁２２ｂを開状態にする指示をする。これによりタービンが回転し始める。従って、制御部３７は、この確認ができるまで有機媒体の温度が所定温度に達しているか監視する。

以下、タービン立ち上げ処理を図１、図２、図４に基づいて説明する。
まず、スイッチ３４０はＯＦＦ、スイッチ３５０はＯＮの状態にある。
次に、二相流タービン３２の回転数を、速度検出センサー３３により検出することができるため、制御部３７は、速度検出センサー３３からの回転数を受け取る（Ｓ１０１）。
なお、速度検出センサー３３は、常時発電機３０の回転速度を検出し、制御部３７に信号を出し続ける。

次いで、タービンの回転数が定格回転数になっているか否かを判断する（Ｓ１０２）。
定格回転数に達した場合は、後述するＳ１０７の処理に至る。

タービンの回転数が定格回転数に達していない場合は、所定回転数Ａに達しているか否かを判断する（Ｓ１０３）。
ここで、所定回転数Ａは、例えば、タービンを所望するタイミングで定格回転数に達するようにするために設けられたもので、定格運転までの速度増加を想定した速度曲線上を複数個想定した回転数であり、前記検出した回転速度が、この所定回転数Aとの合致を見るものである。そして、この所定回転数Ａは、徐々に定格回転数に近づけるように回転数を制御するものである。

また、始動時には、スイッチ３５０がオンとなっていることより負荷抵抗３５１による負荷がかかっている為、ブレーキがかかっている状態での立ち上げとなっていることより、前記所定回転数Ａの速度曲線より、低速となっている。従って、スイッチ３５０のＯＦＦにし、負荷を外すことで、回転が増加する。この時、常時検出している速度検出センサー３３からの回転速度信号を検出し続けることで、所定回転数Ａに達するか否かを判断する（Ｓ１０３）。そして、回転速度信号が、所定回転数Ａに達していない場合には、スイッチ３５０をＯＦＦを維持する（Ｓ１０４）。

制御部３７は、回転速度信号が、所定回転数Ａに達した場合には、次の前述の速度曲線の高い設定値となるように所定回転数Ａを更新する（Ｓ１０５）。次いで、スイッチ３５０をＯＮにする（Ｓ１０６）。

以下、制御部３７は、Ｓ１０１〜Ｓ１０６のステップを、速度検出センサー３３から入力される回転数が定格回転数に達するまで繰り返し、スイッチ３４０はＯＮ、スイッチ３５０をＯＦＦとし（Ｓ１０７）、処理を終了する。

この際、Ｓ１０４〜Ｓ１０６の動作を図６に基づいて説明する。
図６には、タービンの立ち上げ動作に係る負荷抵抗と時間との関係を示したグラフ、タービンの入り口の開閉とその時間を示したグラフ及びタービンの回転数とその時間を示したグラフが示されている。

図６に示したグラフにおいて、起動時に、波形は、スイッチ３５０をＯＮにしている状態であり、波形の間隔はスイッチ３５０をＯＦＦにしている状態である。起動時は、タービン調節弁２２ｂがほとんど開いていないため、ほとんど発熱がなく、タービン調節弁２２ｂの開度が開いた時に、タービンが回転し始める。このとき、好みのレートで回転数を上げる際に、回転数に応じて、スイッチ３５０をＯＮとＯＦＦを繰り返して定格運転の回転数まで上げて、発電領域にスムーズに移行させる。

＜通常運転＞
低温熱回収システムは、熱エネルギーを最大限回収する思想で設計しているため、通常は、タービン調節弁３２ｂは圧力損失を抑えるために全開で使用することとしている。

ここで、通常運転時のタービン回転数は定格回転数で運転されているが、電気故障などの原因で負荷遮断が生じた場合など、定格回転数で運転するのは安全性や装置の耐久などの観点で極めて危険である。そこで、負荷遮断が生じた場合は、以下のような負荷遮断処理をする。

＜負荷遮断処理＞
通常運転時のタービン回転数には、定格回転数で運転されているが、電気故障などが原因で、スイッチ３４０が切れ、交流電源（ＡＣ）３６との接続がなくなった場合、タービンの慣性力が小さいタービンは、無負荷では、タービン回転数は急上昇してしまう（図７速度曲線の点線の曲線）。
このため、タービン調節弁２２ｂを閉める動作をするが、タービン調節弁２２ｂの動作は遅いことがある。そこで、スイッチ３５０を時間遅れなくＯＮにし、負荷抵抗３５１を発電機３０と接続させ、負荷抵抗３５１が発電エネルギーを消費することで、慣性力の小さいタービンの急激な回転数の上昇を防ぎ、タービン調節弁２２ｂの遅れ動作を補助することにより、安定した運転とすることができる。

この負荷遮断処理を図２、図４に基づいて説明する。
制御部３７は、通常運転時に、前記電源変換装置３４から故障信号が発せられた場合、或いは速度検出センサーによる異常信号が発生られた場合、負荷遮断を検知する（Ｓ２０１）。
制御部３７は、負荷遮断を検知した場合には、負荷遮断状態を判別する（Ｓ２０２）。この負荷遮断状態の判別は、例えば遮断状態が比較的短時間で解消するのか否か、短時間で遮断状態が解消しない場合を判別する。

次いで、制御部３７は、負荷遮断の状況に応じて負荷遮断処理のモードの選択を行う（Ｓ２０３）。この選定は、負荷遮断解消後に、定格運転から減じた減速運転を行う場合、定格運転に戻す場合、タービン回転を停止する場合等を、想定した負荷遮断処理に基づき、最適な処理モードの選択を制御部３７で行う。

なお、この処理モード生成に当たり、予め図示しない記憶部に記憶されている設定回転数と負荷遮断処理を行う要因を発生した場合の度合いとを対応づけて記憶させ、負荷遮断原因を運転モードに割り当て、運転モードに対応したモード設定回転数を設定し、これらの情報を図示しないメモリー等に記憶することもできる。

これによって、負荷遮断原因に対応する運転モードが選択され、該運転モードに対応した所定の設定範囲を入力することができる。この場合、例えば負荷遮断原因が電気トラブルで、定格の９０％の回転数で制御して運転する例を運転モード１とした場合、定格運転時の回転数が３６００ｒｐｍだとすると、３２４０ｒｐｍで制御した運転となり、定格運転時に負荷遮断が生じた場合に、所定の回転数３２４０ｒｐｍまで、３６００ｒｐｍより高速とならないように、ブレーキングをかけながら制御し回転を遅くしていく。

また、例えば、タービン調節弁２２ｂの弁が所定の開度になるまで２秒かかるとすると、少なくとも最初の２秒間は弁が閉じきらず、負荷遮断された状態つまり回転に対して抵抗がほとんどない状態になる。この時に、少なくとも２秒間はブレーキングをかけて負荷をかけておく必要がある。

そこで、スイッチ３５０を少なくとも２秒間接続状態にすることで、負荷をかけることで過度な回転数上昇を防ぐことができる。その後、タービン調節弁２２ｂが所定の開度になったら、タービン３１の回転数は、有機媒体からのエネルギー量が減少するため、落ち始めるようになる。

その後、段階的にスイッチ３５０を少しずつ接続させ、少しずつ負荷をかけることにより、回転数を所定の設定値まで落とすよう動作させる。

次に、制御部３７は、モード選択により得られた情報、例えばモード設定回転数等に基づいて以後の処理を行う。
制御部３７から負荷遮断信号を送信する（Ｓ２０４）。この時、スイッチ３５０はＯＮ状態となり、発電機３０と負荷抵抗３５１が接続される。
なお、この時、併せてタービン調節弁２２ａ、バイパス調節弁２２ｃ及びタービン調節弁２２ｂに及びバイパス調節弁２２ｃを所定の開度になるよう動作する。

ここで、速度検出センサー３３からタービン回転数を常時検出し、制御部３７に信号を出し続ける（Ｓ２０５）。

次いで、制御部３７は、入力されたタービン回転数をモード設定回転数と比較して、タービン回転数が所定のモード設定回転数か否かを判断する（Ｓ２０６）。所定のモード設定回転数になっていたら、後述するＳ２１２の処理に至る。

タービンの回転数がモード設定回転数に達していない場合は、所定回転数Ｂに達しているか否かを判断する（Ｓ２０７）。
ここで、所定回転数Ｂは、例えば、タービンを所望するタイミングでモード設定回転数に達するように設けられたもので、モード設定回転数に至るまでの速度曲線を想定し、この速度曲線上を複数個想定した回転数であり、前記検出した回転速度が、この所定回転数Ｂとの合致を見るものである。そして、この所定回転数Ｂは、徐々にモード設定回転数に近づけるように回転数を制御するものである。

通常運転時には、定格回転数で回転しており、前記モード設定回転数より高速となっている。従って、負荷遮断が生じた場合に、定格回転数からモード設定所定回転数に移行する。この時、タービンの回転は、前記モード設定所定回転数より、高速の運転となっている。よって、負荷遮断が生じたときスイッチ３５０をＯＮとすることで、負荷抵抗３５１による負荷をかけることで、タービンにブレーキをかけることで、回転が減少する。

次いで、回転速度信号が、所定回転数Ｂに達していない場合には、スイッチ３５０をＯＮを維持し、負荷抵抗３５１による負荷のブレーキによる減速を継続する（Ｓ２０８）。

次いで、タービン回転数が所定の設定回転数Ｂに達した場合、制御部３７は、スイッチ３５０を切断させ（Ｓ２０９）、所定回転数Ｂを更新し（Ｓ２１０）、スイッチ３５０をＯＮとして負荷抵抗３５１を接続させ（Ｓ２１１）、Ｓ２０５の処理に戻る。

以下、Ｓ２０５〜Ｓ２１１を繰り返すことにより、所定のモード設定回転数にタービン回転数を落とすことができる。なお、負荷遮断の要因が解消したら、弁の開度を定格運転時の開度にまで戻し、更に前記立ち上げ処理等を実行し、安全に定格運転に戻すこともできる。

図７には、抵抗と時間との関係を示したグラフ、タービンの入り口の開閉とその時間を示したグラフ及びタービンの回転数とその時間を示したグラフが示されている。

図７に示したグラフにおいて、定格運転時に、負荷遮断が起きたタイミングで負荷遮断時の処理動作が行われている。この場合において、負荷遮断時、通常、ブレーキングを行わない場合、負荷遮断のタイミング時に、タービン調節弁２２ｂを閉めるよう制御部が指示しても、タービン調節弁２２ｂは指示から遅れて動作するため、タービンの回転数は破線で示すように急激に上がる恐れがあり、この過度な回転数上昇を防ぐ必要がある。

そこで、負荷遮断のタイミングでスイッチ３５０をＯＮにして、過度な回転数上昇を防ぐことができる。

タービン調節弁２２ｂが閉まり始め、負荷遮断の要因がなくなるまで、所定の回転数で運転するために、スイッチ３５０でＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、徐々に回転数を落としながら、所定の回転数に落とすことができる。

＜トリップ処理＞
システム稼働中、緊急で停止しなければならないような事態が発生した場合等に、二相流タービン３２及び発電機３０を完全に緊急停止する処理である。制御部３７は、トリップ信号を受信すると、図５に示すトリップ処理を開始する。以下、トリップ処理を図５に基づいて説明する。

まず、制御部３７は、タービン調節弁２２ｂを閉じ、バイパス調節弁２２ｃを開く（Ｓ３０１）。

次いで、スイッチ３５０を接続し、スイッチ３４０を切断する（Ｓ３０２）。

つまり、スイッチ３５０を接続することにより、負荷抵抗３５１を発電機３０に接続させ、スイッチ３４０を切断することにより、電源変換装置３４を発電機３０から切断させることができる。

次いで、タービン回転数を速度検出センサー３３で検知する（Ｓ３０３）。

次いで、タービン回転数が止まるまで、スイッチ３５０を接続しておく（Ｓ３０４）。

次いで、タービン回転数が止まったら、スイッチ３５０を切断し（Ｓ３０５）、処理を終了する。

これにより、緊急停止時でもタービンのみを止めて、遮断弁は閉じずに、システムは稼働させているので、すぐタービンをすぐに再始動することができる。また、再始動するときは、立ち上げ処理により起動させることができ、循環ポンプは止めていないため、有機媒体はバイパスライン２ｂを介して流動している。このため、立ち上げ時にすぐにタービン回転を行うことができる。

本発明によれば、ＶＰＣ発電の始動時に、安定したタービンロータの始動時に、有機媒体が急激にタービンに供給される自体のとなっても、タービンが急激に増加することを防止でき、安定したＶＰＣ発電装置を運転することができる。
また、本発明によれば、通常運転状態に置いて、負荷遮断が生じた場合であっても、タイムラグなく発電機の負荷を意図的に作り消費させタービンロータの回転が急激に増加することを防止し、安定したＶＰＣ発電制御をすることができる。

なお、前述のように有機媒体を用いたＶＰＣ発電装置において、本発明では、作動媒体を液相状態で二相流タービンを用いたＶＰＣ発電装置の例で記載しているが、通常のＶＰＣ発電装置にも適用することができる。

１：熱回収用熱交換器
２：有機媒体循環経路
２２ａ：タービン遮断弁
２２ｂ：タービン調節弁
２２ｃ：バイパス調節弁
３：タービンユニット
３１：二相流変換ノズル
３２：二相流タービン
４：凝縮器
５：媒体タンク
６：循環ポンプ
６ａ：ブーストポンプ
３０：発電機
３３：速度検出センサー
３４：電源変換装置
３４０：スイッチ（ＭＣ）
３４１：コンバータ（ＣＯＶ）
３４２：インバータ（ＩＮＶ）
３４３：制御コンピュータ
３４４：スイッチ（ＭＣ）
３５：発電機負荷装置
３５０：スイッチ
３５１：負荷抵抗
３６：交流電源（ＡＣ）
３７：制御部

Claims

熱源を有機媒体を用いて熱回収する熱回収用熱交換器と、
前記熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、タービンに供給し発電するＶＰＣ発電装置と、
前記ＶＰＣ発電装置により発電した電力を、周波数、電圧等を調整し、他の電源として或いは売電等の目的で、交流に変換する電源変換装置と、
高速でＯＮ、ＯＦＦ可能なスイッチング素子を介し、前記ＶＰＣ発電装置と接続する発電機負荷装置と、
前記タービンの回転状況に基づき、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止し、
前記タービン始動時に、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記タービン始動時に発生する前記タービンの急激な回転増加を防止し、
前記タービン始動時に、定格運転におけるタービン回転数までの速度増加を想定した速度曲線に対応する所定回転数に基づき、前記スイッチング素子を高速でＯＮ、ＯＦＦ作動させて、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止することを特徴とするＶＰＣ発電制御装置。
熱源を有機媒体を用いて熱回収する熱回収用熱交換器と、
前記熱回収用熱交換器によって熱回収した前記有機媒体を、タービンに供給し発電するＶＰＣ発電装置と、
前記ＶＰＣ発電装置により発電した電力を、周波数、電圧等を調整し、他の電源として或いは売電等の目的で、交流に変換する電源変換装置と、
高速でＯＮ、ＯＦＦ可能なスイッチング素子を介し、前記ＶＰＣ発電装置と接続する発電機負荷装置と、
前記タービンの回転状況に基づき、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止し、
前記ＶＰＣ発電タービン運転時に発生した負荷遮断時に、前記スイッチング素子を介して前記発電機負荷装置と前記ＶＰＣ発電装置とを接続させ、前記タービンの急激な回転増加を防止し、
前記負荷遮断時に、負荷遮断に応じたモードと、該モードに応じたモード設定回転数とを選択し、選択された前記モード設定回転数までの速度減少を想定した速度曲線に対応する所定回転数に基づき、前記スイッチング素子を高速でＯＮ、ＯＦＦ作動させて、前記発電機負荷装置に、前記タービンで発電する電力を消費させることにより、前記タービンの異常回転を防止することを特徴とするＶＰＣ発電制御装置。