JP6484185B2 - 回転駆動装置を備える設備および運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、設備（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ、機構、装置）であって、回転駆動装置およびその設備を制御および／または調節するための制御ユニットとを備える設備、及び回転駆動装置を備える設備を運転するための方法に関する。

国際公開２０１０／１３４９９４ Ａ１（特許文献１）において、燃焼機関および、その燃焼機関によって駆動される発電機が記載されている。これに関して、燃焼機関および発電機上の異なるセンサからの信号は、制御ユニットに供給される。

国際公開２０１０／１３４９９４Ａ１号

設備による出力（ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ、電力出力）の変化がこの時点で発生すると、この変化は最初に燃焼機関の回転速度の変更を発生させ、続いて発電機の位相の変化（ｓｈｉｆｔ）および振動数の変化を発生させる可能性がある。設備によって提供される電気の消費者は、上記を補償できなければならない。それ故、実際のところ、発電機のロータの回転は、通常、できる限り一定の回転速度を示すように開ループおよび／または閉ループ制御されることは事実である。

このような出力の獲得量の変化が、国際公開ＷＯ２０１０／１３４９９４で提案されている設備において発生した場合、設備の変化した状態が検出される。その結果、制御ユニットは、再度設備で示されるパラメータ（媒介変数）の実際の値が、設備の定置運転に最適な目標値に一致するように、調節または制御を変更する。

残念ながら、制御ユニットおよび設備の応答は、提供を受ける需要者が、既に述べた振動数の変化と位相の変化とに競う必要がある程度に、総じて相対的に遅いことが証明されている。

当然、この問題は、出力減少の変化がより大きい場合に、より重大化する。設備の購入者（ｂｕｙｅｒ）が公共電力網事業者（ｐｕｂｌｉｃ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｎｅｔｗｏｒｋ）ではない場合、ただし、まったくの例えとして、多数のポンプ（ｐｕｍｐ）を備えている場合、一部のポンプの停止が、通常の電力の５０％以上の電力変化をもたらすことがある。設備の不完全停止、または振動数または位相における受け入れがたいほど大きな変化が発生するように条件が画定された場合、この規模の負荷制限（ｌｏａｄ ｓｈｅｄｄｉｎｇ）は、従来技術で知られる設備に大きな困難を提起することは明らかである。

よって、本発明の目的は、大規模な負荷制限が発生した場合であっても、設備の安定した運転を可能とする方法を提供することである。また、この種の方法を実行する装置が提供されなければならない。方法に関して、この目的は請求項１の特徴によって達成される。装置に関して、この目的は請求項１３の特徴によって達成される。

上記は、少なくとも一つのパラメータの測定および／または計算で提供される、設備の出力の変化の値の特性（ｖａｌｕｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ、特性値）によって起こり、
― 回転駆動装置（２）が、設備の出力の変化の値の特性に依存して開ループおよび／または閉ループ制御され、
― 回転駆動装置（２）の負荷が、設備の出力の変化が実質的に補償されるように、設備の出力の変化の値の特性に依存して変更される。

本発明の一つの側面は、設備の出力の変化の値の特性を提供することにより、変更された出力の獲得に対して、より高速な応答が可能な点である。具体的には、負荷制限に続いて起こる出力低下に対応するように、設備の制御および調節のための目標値をより高速で設定することが可能である。このことは、回転駆動装置の状態の単なる関数として目標値を段階的に追跡するよりも、明らかに高速な応答を可能にする。

ただし、出力の変化が補償されるように、回転駆動装置の負荷を変更することも可能である。上記を実現するために、例えば、制動抵抗器、機械式ブレーキ、または保存構造物（ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）が使用されてもよく、それらは駆動軸で直接エネルギーを除去するか、または、発電機の電気の側（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｉｄｅ）でエネルギーを除去する。

本発明に準じた装置は、（公共の）エネルギー供給網向けの電気エネルギーを提供するだけでなく、閉鎖された環境の中で、少数の消費者に供給するために使用されてもよい（いわゆるアイランドモード操作（ｉｓｌａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ））。

開ループおよび／または閉ループ制御は、負荷変更の場合において、例えばクランク軸で重要なねじれ（曲げ）が発生し、それによってエネルギーはシステム内に一時的に保存され、次いで、再度放出されることを考慮に入れてもよい。上記は、負荷変動値（ｌｏａｄ ｃｈａｎｇｅ ｖａｌｕｅ）の大きさが少なく見積もられる事態を引き起こす可能性がある。なぜなら、例えば回転速度センサの測定値において、最初に、わずかに遅れた応答が表れるからである。

本発明のさらに有利な実施形態は、従属請求項で画定される。

回転駆動装置の異なる要素は、設備の出力の変化の値の特性に依存して開ループおよび／または閉ループ制御されてもよく、それらは互いに独立（ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ、別個）であっても、組み合わせであってもよい。例として、燃料バルブ（燃料弁）および／またはスロットルバルブ（絞り弁）が挙げられる。設備の出力の変化の値の特性の関数として、点火時間が変更されてもよい。また、設備の出力の変化の値の特性の関数として、回転駆動装置の少なくとも一つのシリンダで点火を一時中断することも可能である。述べられた異なる測定値は、異なる有利な点と不利な点を有する。

例えば、点火の一時中断は、実際のところ、高い即効性を示すが、排気管内の制御不能な燃焼（爆燃および類似の現象）を引き起こしかねない。なぜなら、未燃の燃料が排気管へと到達する可能性があるからである。一方で、燃料バルブの制御または調節は、幾分か、より長い時間尺度（ｔｉｍｅｓｃａｌｅ）を必要とするが、回転駆動装置の出力を新たなレベルに安定させる際に、より多くの悪影響を示す。

作動装置（ａｃｔｕａｔｏｒ）としてのスロットルバルブの使用は、分配チャンバ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）に既に存在するガス量によって発生される、制御または調節に対する遅延応答によって特徴づけられる。ただし、スロットルバルブは、この遅延の後、極めて強力な開ループおよび／または閉ループ制御効果をもたらす。同様に、上記は、ターボチャージャーまたはウエストゲート（ｗａｓｔｅ ｇａｔｅ）に存在する可能性のあるバイパスバルブ（バイパスも含む）に当てはまる（いずれの場合も、コンプレッサまたはタービンを迂回する）。

ただし、点火時間の変更は、燃焼効率の変化による即座の効果を有する。ただし、調節効果は比較的小さく、とりわけ大きな負荷制限については、点火時間を変更するだけでは不十分である。

負荷変動値が設備の出力の変化の値の特性に使用されることは、とりわけ好ましい。これにより、目標値が新たな出力レベルに到達または維持するのに十分適しているように、モータ調節の目標値をとりわけ高速で設定することが可能である。具体的には、上記は設備の数多くのパラメータの事前制御を可能にする。

設備の出力の変化の値の特性は、異なる方法で提供されることができる。１つのとりわけ好ましい実施形態では、測定されるべき、回転駆動装置によって駆動される軸の回転のパラメータの特性、および、測定されたパラメータから算出されるべき、設備の出力の変化の値の特性が提供されてもよい。回転駆動装置によって駆動される軸の回転のパラメータ特性は、例えば、駆動軸の回転速度および／または角速度であってもよい。次いで、負荷変動値は以下の公式を用いて算出されてもよい。
ここで、ωは駆動軸の角速度を表す。Ｊは、さらに移動する部品（ロッド、ピストンなど）の抵抗を介して発達する慣性モーメントを伴う、設備のすべての回転質量（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｍａｓｓｅｓ）の慣性モーメントを表す。

回転駆動装置によって駆動される軸の回転のパラメータ特性は、異なる箇所で測定されてもよい。１つのとりわけ好ましい実施形態では、上記は回転駆動装置のクランクシャフトで測定されるが、当然のことながら、例えば発電機でこのパラメータを測定することも可能である。

さらに、回転駆動装置によって駆動される軸の回転のパラメータ特性を測定することから得られる測定信号を、好ましくは低域通過フィルタを用いてフィルタにかけることがとりわけ好ましい。例えば、振動により生成されるセンサのノイズは、ここでフィルタにかけられて除去されることが可能であり、設備の出力の変化の値の特性を、より正確に決定できる。

回転駆動装置を用いて、発電機が駆動されてもよい。

回転駆動装置は、とりわけ好ましくは、燃焼機関、具体的には（好ましくは混合充填の）ガスエンジンとして構成されてもよい。ただし、本発明は、例えば蒸気タービンおよび類似の場合でも容易に使用可能である。

本発明のさらなる有利な効果および詳細は、図面および関連する図面説明によって明らかになる。上記に関連して、以下の図面が示される。

図１は、本発明に準じた装置の概略図である。 図２は、本発明に準じた方法のフロー図である。 図３は、燃料バルブの調節または制御のための２つの図表である。

図１に図示される本発明に準じた設備１（機構１）は、ここではガスエンジンである燃焼機関２を含み、燃焼機関２は発電機７を駆動する。この構成において、本設備は発電機セット（Ｇｅｎｓｅｔ）と表される。

燃焼機関２は複数のシリンダ５を有する。この例示の実施形態では、８つのシリンダ５が特別に示されているが、正確なシリンダ数は本発明では重要ではない。具体的には、８から２４の数のシリンダを使用してもよい。

燃焼機関２は燃料源Ｔおよび燃料バルブ３を有する。燃料Ｔおよび空気Ｌはこのバルブを介して混合手段１４に供給される。生成された混合気は、スロットルバルブ４を介してシリンダ５に供給される。シリンダ５によって駆動されるクランクシャフト６は、次に、発電機７のロータを駆動する。発電機７で提供される電気エネルギーは、１つまたは複数の消費者１５に供給される。

センサ１１はクランクシャフト６または回転ユニット上に位置し、例示の実施形態では、センサ１１は回転速度Ｎを測定する。測定信号は、最初に、入力インターフェイス１０を介して制御ユニット９に供給される。測定信号は、ここでは低域通過フィルタであるフィルタ８を使用して最初にフィルタにかけられ、計算ユニット１２に供給される。計算ユニット１２は、以下の公式に従って負荷変動値ΔＰを算出する。
ここで、ωはフィルタをかけられた測定信号Ｎ＿ｆｉｌｔから算出された角速度を表し、Ｊはすべての回転または移動される質量の有効な慣性モーメントを表す（当然、ｄ／ｄｔは時間導関数を表す）。

設備が１つの質量系のみで表せない場合、複数の慣性モーメントおよび角速度の組み合わせによって、拡張して算出されなければならない。

負荷変動値は、開ループおよび／または閉ループ制御ユニット１３に供給され、制御ユニット１３は、負荷変動値ΔＰの関数として異なる量（ｍｅａｓｕｒｅｓ、基準）を取る。この目的を達成するために、開ループおよび／または閉ループ制御ユニット１３は、燃料バルブ３、スロットルバルブ４、および、任意で発電機７の下流に位置する制動抵抗器（負荷バンク）１６に連結される。

代替的に、または追加的に、開ループおよび／または閉ループ制御に、異なる作動装置（例えば載荷圧力、ｌｏａｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が使用されてもよい。例はバイパスバルブ（バイパス弁）またはいわゆるウエストゲートである。第１の手段（バイパスバルブ）は一部の空気流をターボチャージャーのコンプレッサに迂回させる。第２の手段（ウエストゲート）はターボチャージャーのタービンと類似して機能する。

図２は、本発明に準じた方法の例示の実施形態のフロー図を示す。設備の出力の変化に引き続いて、回転駆動装置が回転速度の変化に反応する。この回転速度の変化は測定され、フィルタをかけられる。回転速度の変化の傾き（ｇｒａｄｉｅｎｔ、勾配）は、フィルタをかけられた測定信号から算出されることが可能である。同じことを活用して、負荷変動値が決定されてもよい。負荷変動値の関数として異なる手段を取る応答ロジック（ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｌｏｇｉｃ）が与えられる。測定の例として、スロットルバルブおよび／または（主）燃料バルブの開ループおよび／または閉ループ制御が挙げられよう。代替的に、または追加的に、点火システムの動作は変化する場合があり、および／またはさらなる測定が行われる。

大幅な出力低下（ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）（負荷制限）が発生すると、燃料バルブはすぐに閉鎖されることができ、出力変更の程度、回転力またはその他の動作パラメータ（例えば回転速度曲線）によっては、一時的に閉鎖したままとなる（１００ミリ秒から５秒）。

（図２で「作動装置」と略されている）載荷圧力に影響する要素の調節も、開ループおよび／または閉ループ制御に使用されてもよい。この要素は、例えば、既出のスロットルバルブ、バイパスバルブまたはウエストゲートであろう。例えば、スロットルバルブは負荷変更の後に示される、新たな出力水準に対応する位置に設置されてもよい。

図３では、最後に、先行技術の方法と本発明に準じた方法の間の比較が、２つの図表で表されている。図３の上部の図表では回転駆動装置の回転速度が表され、下部の図表では燃料バルブについての目標値が表されている。２つの値は、いずれの場合も時間に対して示されている。時間ｔ_Ｌにおいて、設備の出力の変化が起こり、この場合は出力の低下である。それにより、回転駆動装置の回転速度は増加される。

この例では混合気組成は一定であることが予想され、このことによって増加される回転速度、および、それに伴い増加される混合気質量により、燃料質量の短期的増加が起こる可能性がある。

比較的高速な応答時間を通じて、応答時間ｔ_Ｒは、負荷出力の変化の時間ｔ_Ｌと比較的近似する（例示の実施形態では１００ミリ秒から３００ミリ秒）。比較的大きな負荷制限の場合、図の下部の図表に見られるように、燃料供給手段はただちに閉鎖される。停止時間は、この例では約２秒である。

上記は本発明に準じた取り組みのための状況であり、図３の曲線Ｂによって図示されている。

先行技術に準じた取り組み方（図３の曲線Ａ）について、限界値Ｎ_Ｌがあらかじめ決定される。回転速度がこの限界値に到達するとすぐに、異なる措置が取られる（この例では、機械の安全対策のための停止）。回転駆動装置の供給システムに、残留燃料がまだ残っているため、回転速度は短期的には増加するが、次いで、再度減少する。回転速度が再度、所望の回転速度に近似すると、ただちに、燃料供給手段は再度作動されてもよい。

図表から見てとれるように、限界値Ｎ_Ｌは、本発明に準じて応答が起こる回転速度Ｎ_Ｒよりも、むしろ回転速度の目標値からくるものである。よって、回転駆動装置の、より安定した運転が提供される。

Claims (11)

1. 回転駆動装置（２）を備える設備を運転する方法であって、前記設備（１）の出力の変化の値の特性は少なくとも一つのパラメータを測定することおよび／または計算することにより提供され、前記設備の前記出力の変化が実質的に補償されるように、
   − 前記回転駆動装置（２）が、前記設備の前記出力の変化の前記値の特性に依存して開ループおよび／または閉ループ制御され、および／または、
   − 前記回転駆動装置（２）の負荷が、前記設備の前記出力の変化の前記値の特性に依存して変更され、
   前記回転駆動装置（２）によって駆動される軸（６）の回転のパラメータの特性が測定され、測定信号は低域通過フィルタ（８）を用いてフィルタをかけられ、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性が、前記測定されたパラメータから計算され、
   前記軸の回転速度（Ｎ）および／または角速度（Ｗ）が、前記回転駆動装置（２）によって駆動される前記軸（６）の回転の前記パラメータの特性として測定され、
   負荷変動値（ΔＰ）が、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に使用され、
   の公式により計算され、ここでＪはすべての移動される質量の入力からの有効な慣性モーメントを表し、ωは前記軸の角速度を表す
   ことを特徴とする方法。
2. 燃料バルブ（３）が、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して開ループおよび／または閉ループ制御されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 載荷圧力の調節のための調節要素としてのスロットルバルブ（４）、バイパスまたはウエストゲートが、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して開ループおよび／または閉ループ制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 少なくとも一つの点火時間が、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して変更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方法。
5. 前記回転駆動装置（２）の少なくとも一つのシリンダ（５）の点火が、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して一時中断され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方法。
6. 負荷変動値（ΔＰ）が、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に使用され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方法。
7. 前記回転駆動装置（２）によって駆動される前記軸（６）の回転のパラメータの特性が、前記回転駆動装置（２）のクランクシャフトで測定されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 発電機が前記回転駆動装置（２）を用いて駆動されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれかに従って運転される回転駆動装置（２）、および、設備（１）の開ループ制御および／または閉ループ制御のための制御ユニット（９）を備える設備であって、
   前記制御ユニット（９）が入力インターフェイス（１０）を有し、前記制御ユニット（９）により、前記設備（１）の出力の変化の値の特性および少なくとも一つのパラメータが転送可能であり、前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性は前記少なくとも一つのパラメータから決定可能であり、その中で前記制御ユニット（９）は、
   ― 前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して、前記回転駆動装置（２）を開ループおよび／または閉ループ制御し、および／または、
   ― 前記設備（１）の前記出力の変化の前記値の特性に依存して、前記回転駆動装置（２）の負荷を変更し、
   前記設備（１）の前記出力の変化が実質的に補償されるように、設計されていることを特徴とする設備。
10. 前記回転駆動装置（２）によって駆動される発電機が提供されることを特徴とする請求項９に記載の設備。
11. 前記回転駆動装置（２）はガスエンジンであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の設備。