JP6545737B2 - 発電システム及び発電システムの制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、発電システム及び発電システムの制御方法に関するものである。
発電機を駆動する蒸気タービンにパワータービンを連結する、外部動力源から混気蒸気を投入するなどにより、動力を加勢する発電システムにおいて、蒸気タービンにガバナが装備され、主蒸気流量を調節する方式が知られている。この発電システムにおいては、パワータービン出力や混気蒸気流量に変化があった場合、これが瞬時の変動であるならばガバナは蒸気タービン出力を調節することでその変化量を吸収するように動作する。
上記発電システムにおいて、蒸気タービンに対し排熱回収システムにて発生した蒸気を用いている場合は、発生した蒸気を大気へ放出（以下、「ダンプ」とする。）することなく全て蒸気タービンに供給し発電機出力として回収するのが最も効率的である。しかし、この発電機が自立運転時、または安定して動作する最小の出力（以下、「ディーゼル発電機最小出力」とする。）を有するディーゼル発電機との並列運転時には、電力需要の増減に対しては蒸気タービン出力を増減させることにより出力を調整せざるを得ず、場合によっては蒸気タービン出力の減少によってダンプ蒸気が発生し排熱を有効に利用することができない。
また、パワータービン出力や混気蒸気流量に変化があった場合に、蒸気タービン出力の増減にて調整するべき増減量が蒸気タービンのガバナが制御する流体による負荷容量の範囲を超えると、過速度を発生させる危険がある。そのため、一般的には安全装置としてガバナが操作する蒸気タービン調速弁の弁開度や蒸気タービン出力の値に下限値を設けてパワータービンの停止や混気蒸気の遮断を強制的に行うことで、ガバナを制御範囲にとどめ過速度の発生を防止している。
しかし、上記発電システムの発電機が自立運転する時や、またはディーゼル発電機との並列運転時にディーゼル発電機が最小出力で運転する状態など負荷制限がある時に、パワータービン出力や混気蒸気流量が増加した場合または電力需要が減少した場合には、蒸気タービン出力が大きく減少し、ガバナの制御範囲を超えると、過速度防止のための安全装置が作動し、パワータービンの停止や混気蒸気の遮断を強制的に実施する。これにより、出力が低下するなどの発電の乱れや、蒸気タービンに負荷を賄うだけの出力（蒸気発生量）が無い場合は一部負荷の停止やブラックアウト（停電）が発生する可能性がある。また、パワータービンが繰り返し自動発停される事態や、混気蒸気の供給と遮断とが繰り返される事態が発生しうる。
そこで、ガバナによる蒸気タービン出力の調節に加え、パワータービンの出力の調節を行うために、パワータービン用のガバナによりパワータービン出力の調節を行うとともに、蒸気タービン及びパワータービン間の負荷分担を制御する方法が知られている。
例えば、特許文献１には、回転数ドループ制御関数を有したパワータービン用ガバナー部と蒸気タービン用ガバナー部とをそれぞれ独立して設け、排ガス量調整弁をパワータービン用ガバナー部からの制御信号によって制御し、蒸気量調整弁を蒸気タービン用ガバナー部からの制御信号によって制御することが開示されている。
また、特許文献２には、蒸気タービン、パワータービン及びディーゼルエンジン発電機の各負荷率を演算し、合計供給可能出力を演算した上で、蒸気タービン、パワータービン及びディーゼルエンジン発電機の各目標出力を演算し、各目標出力に基づいて、蒸気タービン用ガバナー部、パワータービン用ガバナー部、及びディーゼルエンジン発電機用ガバナー部に対して、制御指令を出力することが開示されている。
特開２０１１−２７０５３号公報 特開２０１１−７４８６６号公報
しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示された発明では、ガバナを蒸気タービン及びパワータービンの双方に設けているため、通常の制御と比較して制御が複雑となっているという問題があった。また、パワータービンにガバナを設けているため、設備コストが必要であるという問題があった。
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、パワータービンにガバナを設けることなく負荷分担制御により最適エネルギー効率が得られる発電システム及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及び発電システムの制御方法は以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る発電システムは、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前記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に導入される前記排ガスの量を制御するパワータービン制御弁と、前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する蒸気タービン調速弁と、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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する負荷分担制御部と、前記蒸気タービンの目標出力に基づき前記蒸気タービン調速弁のガバナ制御を行うガバナを具備するタービン制御部と、を備えた発電システムにおいて、前記タービン制御部は、前記蒸気タービンの目標出力及び前記蒸気タービンの負荷容量に基づき前記パワータービンの目標出力を算出し、電力需要が変動した場合に、前記パワータービンの目標出力と前記パワータービンの実出力との偏差に基づき設定されるゲインを前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算する。
本構成によれば、蒸気タービンの目標出力及び蒸気タービンの負荷容量に基づきパワータービンの目標出力を算出し、電力需要が変動した場合に、パワータービンの目標出力とパワータービンの実出力との偏差に基づき設定されるゲインをパワータービン制御弁の操作速度に乗算することとしたので、パワータービン制御弁に対しガバナを設けることなく、最適エネルギー効率を得られる負荷分担制御を行うことができ、且つガバナを設ける場合よりも簡易な制御とすることができる。
例えば、必要とされる負荷、すなわち電力需要が減少した場合に、蒸気タービンの負荷分担の減少を抑え、パワータービンにて減少分を分担するように負荷分担を制御することができる。電力需要の低下による出力の低下を、蒸気タービンの出力にて吸収することなくパワータービンの出力にて吸収するため、蒸気タービンの出力低下が低下せずダンプ蒸気の発生を回避することができ、排ガスを有効に利用することが可能であり、効率の良い発電を行うことができる。
またパワータービン制御弁に対しガバナを設けないため、設備コストを抑えることができる。
また、蒸気タービン調速弁には、一般的に安全装置としてガバナ部が操作する弁開度や蒸気タービン出力に下限値が設けられている。これは、電力需要の低下による出力の低下が蒸気タービンの負荷容量を超えると過速度を発生させる恐れがあるためである。そこで、蒸気タービン出力の下限値を下回ると、パワータービンの停止や混気蒸気の遮断が強制的に行われ、出力が低下するなどの発電の乱れや、蒸気タービンの負荷容量が電力需要を賄えない場合は電力遮断が発生する可能性がある。また、パワータービンが自動発停される事態や、混気蒸気の供給と遮断とが繰り返される事態が発生する恐れもある。
本構成によれば、出力の低下分をパワータービンの出力にて吸収することから、パワータービンの自動発停や混気蒸気の供給と遮断の繰り返し、及び電力遮断を未然に防ぐことができる。
本発明の第二態様に係る発電システムは、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前記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に導入される前記排ガスの量を制御するパワータービン制御弁と、前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する蒸気タービン調速弁と、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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する負荷分担制御部と、前記蒸気タービンの目標出力に基づき前記蒸気タービン調速弁のガバナ制御を行うガバナを具備するタービン制御部と、を備えた発電システムにおいて、前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度に基づき前記パワータービン制御弁の開度を制御する。
本構成によれば、蒸気タービン調速弁の開度に基づきパワータービン制御弁の開度を制御することから、パワータービン制御弁に対しガバナを設けることなく、最適エネルギー効率を得られる負荷分担制御を行うことができ、且つガバナを設ける場合よりも簡易な制御とすることができる。
上記第一態様では、前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度が第１閾値以上の場合は、前記パワータービン制御弁を開方向に制御し、前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第１閾値より小さい値である第２閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁を閉方向に制御し、前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第２閾値以上前記第１閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁の開度を維持する制御を行うとしてもよい。
上記第一態様では、前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第１閾値との偏差、または前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第２閾値との偏差に基づき前記パワータービン制御弁の操作速度を制御するとしてもよい。
上記第一態様では、前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第１閾値以上の場合は、前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算するゲインに対し、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第１閾値との偏差に応じて重み付けを行い、前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第２閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算するゲインに対し、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第２閾値との偏差に応じて重み付けを行うとしてもよい。
本発明の第三態様に係る発電システムの制御方法は、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前記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に導入される前記排ガスの量を制御する工程と、前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する工程と、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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する工程と、前記蒸気タービンの目標出力に基づきガバナ制御を行う工程と、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目標出力及び前記蒸気タービンの負荷容量に基づき前記パワータービンの目標出力を算出する工程と、電力需要が変動した場合に、前記パワータービンの目標出力と前記パワータービンの実出力との偏差に基づき設定されるゲインをパワータービン制御弁の操作速度に乗算する工程をさらに備える。
本発明の第四態様に係る発電システムの制御方法は、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前記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に導入される前記排ガスの量を制御する工程と、前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する工程と、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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する工程と、前記蒸気タービンの目標出力に基づきガバナ制御を行う工程と、を備えた発電システムの制御方法において、蒸気タービン調速弁の開度に基づきパワータービン制御弁の開度を制御する工程をさらに備える。
本発明によれば、パワータービンの出力偏差または蒸気タービン調速弁の開度に基づきパワータービン制御弁の制御を行うので、パワータービンにガバナを設けることなく簡易な制御によりパワータービン出力の調節を行い、排熱の有効利用が可能であり最適エネルギー効率が得られるとともにパワータービンの不必要な運転停止を防止することができる。
本発明にかかるタービン発電機系統の全体構成図である。 本発明の第１実施形態の制御装置全体構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態にかかるパワータービン制御弁及び蒸気タービン調速弁の制御を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る運転状態、パワータービン出力偏差及びゲインの関係を表した図表である。 本発明の第１実施形態に係る一例としてのパワータービン出力偏差とゲインとの関係を示したグラフである。 本発明の第１実施形態に係るパワータービンと蒸気タービンの負荷分担を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る電力需要の状態、蒸気タービン調速弁開度及びパワータービン制御弁動作レートの関係を表した図表である。 本発明の第２実施形態に係る一例としての蒸気タービン調速弁開度とパワータービン制御弁動作レートとの関係を示したグラフである。
以下に、本発明に係る発電システム及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乃至６を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る発電システム及び発電システムの制御方法を備えた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を用いている。よって、電力需要とは、船内負荷を表す。
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。
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。
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に導入する排ガス量を制御する開度調整弁であるパワータービン制御弁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開閉弁であ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開度調整弁である蒸気タービン調速弁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開閉弁である非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。蒸気タービン調速弁３７は、後述する発電システム制御装置４３のガバナ部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。
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。
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用ガバナ部（図示せず）とを備えている。また、ＴＣＰ５７は、ガバナ部５９を備えている。ガバナ部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蒸気タービン調速弁３７の開度を蒸気タービン調速弁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。
発電システム制御装置４３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
ＰＭＳ５３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のガバナ部５９に出力され、ガバナ部５９はそれに応じた蒸気タービン調速弁３７の開度を蒸気タービン調速弁３７へ出力し、蒸気タービン調速弁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。
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。ガバナは主となる原動機である蒸気タービン９に対するガバナ部５９のみが設置されており、パワータービン７にはガバナが設置されない。、パワータービン７の制御はパワータービン制御弁３３によって制御され、定常運転中はパワータービン制御弁３３はは常に全開とされる。
ここで、本実施形態における発電システム１００の定常運転とは、タービン発電機２５とディーゼルエンジン発電機６０が並列運転している場合、蒸気タービン９を主原動機として蒸気タービン９及びパワータービン７を最大出力にて運転し、船内負荷の変動についてはディーゼルエンジン発電機６０にて吸収する運転である。
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開度調整弁である調整弁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、すなわちガバナ部５９による蒸気タービン調速弁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。
ここで、発電システム１００において、タービン発電機２５とディーゼルエンジン発電機６０が並列運転している場合は、船内負荷に変動があると、蒸気タービン９及びパワータービン７を最大出力にて運転している状態でディーゼルエンジン発電機６０において船内負荷の変動分を吸収することができる。
しかし、発電システム１００において、タービン発電機２５が自立運転を行っている場合、またはタービン発電機２５と並列運転を行っているディーゼルエンジン発電機６０が最小出力で運転する状態など負荷制限がある場合は、船内負荷に変動があると、パワータービン７の負荷が固定であり調節ができないことから、蒸気タービン９の出力にて船内負荷に応じた負荷の増減分を調整する必要があり、場合によってはダンプ蒸気が発生する。
そこで、排熱回収によって得られた蒸気を蒸気タービン９に供給し、ダンプ蒸気を発生させず、全て発電機出力として回収するために、パワータービン７の出力においても船内負荷に応じた負荷の増減分を調整し、負荷変動への応答性を上げ、負荷変動に対する応答範囲を大きくする。
具体的には、パワータービン制御弁３３を負荷変動時に操作することでパワータービン７の出力にて負荷の増減分を調整する。
図３には、本発明の第１実施形態にかかるパワータービン制御弁及び蒸気タービン調速弁の制御がブロック図に示されている。
発電システム制御装置４３は、図３に示されるように、ＰＭＳ５３と、ＴＣＰ５７と、プラント情報取得部８０とを備えている。発電システム制御装置４３は、パワータービン制御弁３３及び蒸気タービン調速弁３７の制御を行う。
まず、プラント情報取得部８０にて取得されたプラント信号がプラント信号通知部８０１によりＴＣＰ５７の負荷容量算出部５０３へ通知される。
負荷容量算出部５０３は、プラント信号の蒸気状態などの信号に基づき、発電システム１００、蒸気タービン９、及びパワータービン７の各負荷容量を算出する。
次に、ＰＭＳ５３の蒸気タービン出力目標値算出部５０１は、負荷容量算出部５０３により算出された発電システム１００の負荷容量と、船内負荷とに基づき、発電システム１００の出力目標値を算出する。
次に、ＴＣＰ５７の負荷分担算出部５０５は、発電システム１００の出力目標値及び蒸気タービン９の負荷容量に基づき、パワータービン７の出力目標値を算出する。発電システム１００の出力目標値をＬＴ（ＳＴＧ）、蒸気タービン９の負荷容量をＡｖ（ＳＴ）とすると、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）は以下の（１）式で表される。
ＬＴ（ＰＴ）＝ＬＴ（ＳＴＧ）−Ａｖ（ＳＴ） （１）
次に、開度動作ゲイン算出部５０７は、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）に基づき、パワータービン制御弁３３の操作速度に乗算するゲイン（開度動作ゲイン）を設定し、パワータービン制御弁３３の開度をパワータービン制御弁３３へ出力する。
また、ＰＭＳ５３はガバナ部５９に対し、出力目標値算出部５０１が算出した発電システム１００の出力目標値に基づき蒸気タービン９の出力負担割合に応じた制御信号を出力し、ガバナ部５９は蒸気タービン調速弁３７の開度を蒸気タービン調速弁３７へ出力する。
図４には、本実施形態に係る運転状態、パワータービン出力偏差及びゲインの関係が図表に示されている。
また図５には、本実施形態に係る一例としてのパワータービン出力偏差とゲインとの関係がグラフに示されている。図５において、縦軸は開度動作ゲイン、横軸は後述するＰ／Ｔ偏差である。
また図６には、本実施形態に係るパワータービンと蒸気タービンの負荷分担が図に示されている。
船内の電力需要量と発電電力量とが一致しており、且つ、パワータービン７の出力目標値と実出力とが一致し負荷変動が起きていない運転状態である通常運転時は、パワータービン制御弁３３は、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）にパワータービン７の実出力Ａｃｔ（ＰＴ）を合わせるようにＰＩ制御にて制御される。この場合、例えばパワータービン制御弁３３のＰＩゲイン値が一定の値である場合は、発電システム１００の出力目標値ＬＴ（ＳＴＧ）が急変した際に負荷の急変に追従できない可能性がある。そこで、開度動作ゲインをパワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）とパワータービン７の実出力Ａｃｔ（ＰＴ）との偏差（以下、「Ｐ／Ｔ偏差」とする。）に基づき変動させるものとする。ここで、Ｐ／Ｔ偏差が大きいほどパワータービン制御弁３３の動作速度を上昇させるように開度動作ゲインを設定する。
図５には、Ｐ／Ｔ偏差に応じた開度動作ゲインの値が関数としてグラフに示されているが、これは一例であり、実際には発電システム１００の動作に応じた調整が必要である。Ｐ／Ｔ偏差に応じた開度動作ゲインの値については、図５の関数によらず、任意に設定が可能である。
開度動作ゲインは、Ｐ／Ｔ偏差に基づき算出される。
図４の項１に示されるように、発電システム１００が通常運転を行っている場合の発電システム１００の出力目標値ＬＴ（ＳＴＧ）が２０００、蒸気タービン９の負荷容量Ａｖ（ＳＴ）が１０００、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）が１０００、パワータービン７の実出力Ａｃｔ（ＰＴ）が１０００であるとすると、Ｐ／Ｔ偏差は０である。
図５に示されるように、Ｐ／Ｔ偏差が０の場合の開度動作ゲインを基準値の１とする。
また図４の項２に示されるように、負荷変動が発生し、発電システム１００の出力目標値ＬＴ（ＳＴＧ）が通常運転時に対し＋２００の２２００となると、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）が１２００とされ、Ｐ／Ｔ偏差は２００となる。
Ｐ／Ｔ偏差が２００の場合、図５に示されるように開度動作ゲインは１．０８であり、パワータービン制御弁３３の操作速度に１．０８が乗算される。よってパワータービン制御弁３３の操作速度は通常よりも速くなる。ここで、Ｐ／Ｔ偏差が正の値であるとは、目標値に対して実出力が不足している状態であることから、パワータービン制御弁３３は開方向に動作され、パワータービン７の出力を増加させる。これに対し、Ｐ／Ｔ偏差が負の値である場合は、目標値に対して実出力が過剰である状態であることから、パワータービン制御弁３３は閉方向に動作され、パワータービン７の出力を減少させる。
ここで、例えば開度動作ゲインが設定されない場合で図４の項１から項５へ発電システム１００の負荷が瞬時に変動、すなわち２０００から１８００へ減少方向に負荷急変した場合、パワータービン７の負荷は固定であることから、蒸気タービン９の出力にて負荷の減少分を調整する必要がある。よって、図６の（ａ）の負荷分担から（ｂ）の負荷分担の状態へと遷移し、パワータービン７の負荷は１０００で固定、蒸気タービン９の負荷が８００となる。蒸気タービンの負荷が下がると、場合によってはダンプ蒸気が発生する可能性がある。
そこで本実施形態では、排熱回収によって得られた蒸気をダンプ蒸気としないために、蒸気タービン９の負荷を下げず、パワータービン７の負荷を下げるため、開度動作ゲインを設定し、パワータービン７にガバナを設けた場合と同様の応答が行えるようにした。
発電システム１００の負荷が図４の項１の２０００から項５の１８００へ瞬時に変動した場合は、開度動作ゲインは１．０８となる。この時、パワータービン制御弁３３はパワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）：８００に向かって開度動作ゲインにより閉方向に通常よりも速く動作する。これに対して蒸気タービン９は発電システム１００の負荷を補うように出力が増加する。結果として、図６の（ｃ）に示されるように、パワータービン７の負荷は８００へ減少し、蒸気タービン９の負荷は１０００となり、パワータービン７の負荷を下げるとともに蒸気タービン９の負荷を下げない（当初の負荷に戻す）運用とすることができる。
また、図４の項２乃至４に示されるように、発電システム１００の出力目標値ＬＴ（ＳＴＧ）が負荷変動により大きい値となるほど、パワータービン７の出力目標値ＬＴ（ＰＴ）は大きくなり、Ｐ／Ｔ偏差も大きな値となる。よって、開度動作ゲインも大きな値となり、すなわちＰ／Ｔ偏差が大きいほどパワータービン制御弁３３の操作速度は速くなる。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る発電システム及び発電システムの制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
蒸気タービン９の目標出力及び蒸気タービン９の負荷容量に基づきパワータービン７の目標出力を算出し、電力需要が変動した場合に、パワータービン７の目標出力とパワータービン７の実出力との偏差に基づき設定されるゲインをパワータービン制御弁３３の操作速度に乗算することとしたので、パワータービン制御弁３３に対しガバナを設けることなく、最適エネルギー効率を得られる負荷分担制御を行うことができ、且つガバナを設ける場合よりも簡易な制御とすることができる。
例えば、必要とされる負荷、すなわち電力需要が減少した場合に、蒸気タービン９の負荷分担の減少を抑え、パワータービン７にて減少分を分担するように負荷分担を制御することができる。電力需要の低下による出力の低下を、蒸気タービン９の出力にて吸収することなくパワータービン７の出力にて吸収するため、蒸気タービン９の出力が低下せずダンプ蒸気の発生を回避することができ、排ガスを有効に利用することが可能であり、効率の良い発電を行うことができる。
またパワータービン制御弁３３に対しガバナを設けないため、設備コストを抑えることができる。
また、蒸気タービン調速弁３７には、一般的に安全装置としてガバナ部５９が操作する弁開度や蒸気タービン出力に下限値が設けられている。これは、電力需要の低下による出力の低下が蒸気タービン９の負荷容量を超える場合にパワータービン７の出力を維持したまま蒸気タービン調速弁３７を閉方向に動作させるが、例えば蒸気タービン調速弁３７が全閉まで閉じた時にパワータービン７の出力が残っていると、パワータービン７の出力により過速度を発生させる恐れがあるためである。そこで、蒸気タービン９における出力が下限値を下回ると、パワータービン７の停止や混気蒸気の遮断が強制的に行われ、蒸気タービン９の過速度を防止する。しかし、パワータービン７の停止や混気蒸気の遮断によって、出力が低下するなどの発電の乱れや、蒸気タービン９に船内負荷を賄うだけの出力（蒸気発生量）が無い場合は、一部負荷の停止やブラックアウト（停電）が発生する可能性がある。また、パワータービン７の自動発停の繰り返しや、混気蒸気の供給と遮断の繰り返しが発生する恐れもある。
本構成によれば、出力の低下分をパワータービン７の出力にて吸収することから、パワータービン７の自動発停や混気蒸気の供給と遮断との繰り返し、及び電力遮断を未然に防ぐことができる。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図７及び８を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、Ｐ／Ｔ偏差に基づく開度動作ゲインによりパワータービン制御弁を制御するとしたが、本実施形態では、蒸気タービン調速弁の開度によりパワータービン制御弁を制御するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。
図７には、本実施形態に係る電力需要の状態、蒸気タービン調速弁開度及びパワータービン制御弁動作レートの関係が図表に示されている。
また図８には、本実施形態に係る一例としての蒸気タービン調速弁開度とパワータービン制御弁動作レートとの関係がグラフに示されている。図８において、縦軸はパワータービン制御弁の動作レート（％／min）、横軸は蒸気タービン調速弁開度（％）である。
発電システム１００において蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度である状態、蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度を超過している状態、及び蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度を下回る状態を、蒸気タービン調速弁３７の開度により分けて考慮するものとする。目標開度である状態（目標開度状態）の蒸気タービン調速弁３７の開度を第２閾値以上第１閾値以下の領域とすると、目標開度を超過している状態（目標開度超過状態）の蒸気タービン調速弁３７の開度は第１閾値より大きい領域、目標開度を下回っている状態（目標開度未満状態）の蒸気タービン調速弁３７の開度は第２閾値未満の領域となる。
第１閾値及び第２閾値は、蒸気タービン９の定格出力近傍（例えば定格出力の±数％）で設定値範囲（デッドバンド／不感帯）を設けるものである。蒸気タービン調速弁３７の弁開度にデッドバンドを設け、蒸気タービン調速弁３７の開度がデッドバンドに入るようにパワータービン制御弁３３を調節する。ここで、パワータービン７の実出力Ａｃｔ（ＰＴ）には最大値と最小値を設定しておき、この範囲内で調節できるものとする。
蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度超過状態の領域の開度となった場合、パワータービン制御弁３３を開方向に動作させ、パワータービン７の出力を増加させることにより蒸気タービン調速弁３７を閉方向に動作させる。また、蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度未満状態の領域の開度となった場合、パワータービン制御弁３３を閉方向に動作させ、パワータービン７の出力を減少させることにより蒸気タービン調速弁３７を開方向に動作させる。
この場合、例えばパワータービン制御弁３３の開閉レートが一定の値であるならば、発電システム１００の出力目標値ＬＴ（ＳＴＧ）が急変した際に制御が困難となる可能性がある。そこで、上記した第１閾値及び第２閾値と蒸気タービン調速弁３７の開度との差（以下、「閾値差」とする。）を求め、その差に基づきパワータービン制御弁３３の動作レートを変更するものとする。ここで、差が大きいほどパワータービン制御弁３３の動作速度を上昇させるように動作レートを設定する。
図８には、蒸気タービン調速弁３７の開度に応じたパワータービン制御弁３３の動作レートの値が関数としてグラフに示されているが、これは一例であり、この関数によらず任意に設定が可能である。
パワータービン制御弁３３の動作レートは、蒸気タービン調速弁３７の開度に基づき算出される。本実施形態では、パワータービン制御弁３３の動作レートは蒸気タービン調速弁３７の開度に基づき算出される閾値差の値（％／min）とする。
図７の項３に示されるように、目標開度状態の蒸気タービン調速弁３７の開度を７５％以上８５％以下の領域とする。すなわち、第１閾値を８５％、第２閾値を７５％に設定する。これら第１閾値及び第２閾値の値は一例であり、任意に設定が可能である。
図７の項３の目標開度状態において、蒸気タービン調速弁３７の開度が８０％であれば、閾値差は存在しないこと（＝０）となる。
閾値差が０の場合、図８に示されるように動作レートは０であり、パワータービン制御弁３３はその開度が維持される。
また図７の項１に示されるように、目標開度超過状態で蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度超過状態の領域の開度（開度が８５％より大きい値）の８７％となった場合、閾値差は２となる。
蒸気タービン調速弁３７の開度が８７％の場合、図８のグラフに示されるようにパワータービン制御弁３３の動作レートは２（％／min）である。ここで、蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度超過状態の領域の開度であるとは、目標値に対して実出力が不足している状態であることから、パワータービン制御弁３３は開方向に動作され、パワータービン７の出力を増加させる。これにより、蒸気タービン調速弁３７の開度がデッドバンドに入るように蒸気タービン調速弁３７を閉方向に動作させ、目標開度状態へと導く。
図７の項１及び項２に示されるように、大きく目標開度超過状態となるほど、また蒸気タービン調速弁３７の開度が大きくなるほど、閾値差も大きな値となる。よって、パワータービン制御弁３３の動作レートも大きな値となり、すなわち蒸気タービン調速弁３７の開度が大きいほどパワータービン制御弁３３を速く開方向に動作させる。
また図７の項４に示されるように、目標開度未満状態で蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度未満状態の領域の開度（開度が７５％未満の値）の７３％となった場合、閾値差は２となる。
蒸気タービン調速弁３７の開度が７３％の場合、図８のグラフに示されるようにパワータービン制御弁３３の動作レートは２（％／min）である。ここで、蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度未満状態の領域の開度であるとは、目標値に対して実出力が過剰である状態であることから、パワータービン制御弁３３は閉方向に動作され、パワータービン７の出力を減少させる。これにより、蒸気タービン調速弁３７の開度がデッドバンドに入るように蒸気タービン調速弁３７を開方向に動作させ、目標開度状態へと導く。
図７の項４及び項５に示されるように、大きく目標開度未満状態となるほど、また蒸気タービン調速弁３７の開度が小さくなるほど、閾値差は大きな値となる。よって、パワータービン制御弁３３の動作レートも大きな値となり、すなわち蒸気タービン調速弁３７の開度が小さいほどパワータービン制御弁３３を速く閉方向に動作させる。
以上より、図８のグラフに示されるように、蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度状態の領域の開度（７５％以上８５％以下）の場合は、パワータービン制御弁３３の開度は変化せず、その開度が維持される。蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度超過状態の領域の開度の場合は、８５％から１００％方向に開度が大きくなるほど動作レートを大きくしてパワータービン制御弁３３を速く開ける。また蒸気タービン調速弁３７の開度が目標開度未満状態の領域の開度の場合は、７５％から０％方向に開度が小さくなるほど動作レートを大きくしてパワータービン制御弁３３を速く閉じる。すなわち、本実施形態では、蒸気タービン調速弁３７のデッドバンドからの偏差に応じてパワータービン制御弁３３の動作レートに重み付けを行うものである。
ここで、蒸気タービン調速弁３７の開度が減少する際のパワータービン７の出力による蒸気タービン９の過速度防止のため、蒸気タービン調速弁３７の開度が４０％まで減少するとパワータービン７の出力を徐々に減少させて停止させる通常停止を行い、蒸気タービン調速弁３７の開度が３０％まで減少するとパワータービン７をトリップ（瞬時遮断）させる安全装置が作動する。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る発電システム及び発電システムの制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
蒸気タービン調速弁３７の開度に基づきパワータービン制御弁３３の操作速度および開度を制御することから、パワータービン制御弁３３に対しガバナを設けることなく、最適エネルギー効率を得られる負荷分担制御を行うことができ、且つガバナを設ける場合よりも簡易な制御とすることができる。
例えば、必要とされる負荷、すなわち電力需要が減少した場合（電力余剰状態）に、蒸気タービン９の負荷分担の減少を抑え、パワータービン７にて減少分を分担するようにパワータービン制御弁３３を閉方向に動作させることで負荷分担を制御することができる。電力需要の低下による出力の低下を、蒸気タービン９の出力にて吸収することなくパワータービン７の出力にて吸収するため、蒸気タービン９の出力を低下させずダンプ蒸気の発生を回避することができ、排ガスを有効に利用することが可能であり、効率の良い発電を行うことができる。
またパワータービン制御弁３３に対しガバナを設けないため、設備コストを抑えることができる。
また、蒸気タービン調速弁３７には、一般的に安全装置としてガバナ部５９が操作する弁開度や蒸気タービン出力に下限値が設けられている。これは、電力需要の低下による出力の低下が蒸気タービン９の負荷容量を超える場合にパワータービン７の出力を維持したまま蒸気タービン調速弁３７を閉方向に動作させるが、例えば蒸気タービン調速弁３７が全閉まで閉じた時にパワータービン７の出力が残っていると、パワータービン７の出力により過速度を発生させる恐れがあるためである。そこで、蒸気タービン９における出力が下限値を下回ると、パワータービン７の停止や混気蒸気の遮断が強制的に行われ、蒸気タービン９の過速度を防止する。しかし、パワータービン７の停止や混気蒸気の遮断によって、出力が低下するなどの発電の乱れや、蒸気タービン９に船内負荷を賄うだけの出力（蒸気発生量）が無い場合は一部負荷の停止やブラックアウト（停電）が発生する可能性がある。また、パワータービン７の自動発停の繰り返しや、混気蒸気の供給と遮断の繰り返しが発生する恐れもある。
本構成によれば、出力の低下分をパワータービン７の出力にて吸収することから、パワータービン７の自動発停や混気蒸気の供給と遮断の繰り返し、及び電力遮断を未然に防ぐことができる。
以上、本発明の各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）
３３ パワータービン制御弁
３７ 蒸気タービン調速弁
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）
５９ ガバナ部（ガバナ）
６０ ディーゼルエンジン発電機（発電機）
１００ 発電システム

Claims (7)

  1. 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前記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に導入される前記排ガスの量を制御するパワータービン制御弁と、
    前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する蒸気タービン調速弁と、
    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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する負荷分担制御部と、
    前記蒸気タービンの目標出力に基づき前記蒸気タービン調速弁のガバナ制御を行うガバナを具備するタービン制御部と、
    を備えた発電システムにおいて、
    前記タービン制御部は、前記蒸気タービンの目標出力及び前記蒸気タービンの負荷容量に基づき前記パワータービンの目標出力を算出し、
    電力需要が変動した場合に、前記パワータービンの目標出力と前記パワータービンの実出力との偏差に基づき設定されるゲインを前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算する発電システム。
  2. 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前記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に導入される前記排ガスの量を制御するパワータービン制御弁と、
    前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する蒸気タービン調速弁と、
    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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する負荷分担制御部と、
    前記蒸気タービンの目標出力に基づき前記蒸気タービン調速弁のガバナ制御を行うガバナを具備するタービン制御部と、
    を備えた発電システムにおいて、
    前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度に基づき前記パワータービン制御弁の開度を制御する発電システム。
  3. 前記タービン制御部は、
    前記蒸気タービン調速弁の開度が第１閾値以上の場合は、前記パワータービン制御弁を開方向に制御し、
    前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第１閾値より小さい値である第２閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁を閉方向に制御し、
    前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第２閾値以上前記第１閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁の開度を維持する制御を行う請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記タービン制御部は、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第１閾値との偏差、または前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第２閾値との偏差に基づき前記パワータービン制御弁の操作速度を制御する請求項３に記載の発電システム。
  5. 前記タービン制御部は、
    前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第１閾値以上の場合は、前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算するゲインに対し、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第１閾値との偏差に応じて重み付けを行い、
    前記蒸気タービン調速弁の開度が前記第２閾値未満の場合は、前記パワータービン制御弁の操作速度に乗算するゲインに対し、前記蒸気タービン調速弁の開度と前記第２閾値との偏差に応じて重み付けを行う請求項４に記載の発電システム。
  6. 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前記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に導入される前記排ガスの量を制御する工程と、
    前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する工程と、
    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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する工程と、
    前記蒸気タービンの目標出力に基づきガバナ制御を行う工程と、
    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目標出力及び前記蒸気タービンの負荷容量に基づき前記パワータービンの目標出力を算出する工程と、
    電力需要が変動した場合に、前記パワータービンの目標出力と前記パワータービンの実出力との偏差に基づき設定されるゲインをパワータービン制御弁の操作速度に乗算する工程をさらに備える発電システムの制御方法。
  7. 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前記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に導入される前記排ガスの量を制御する工程と、
    前記蒸気タービンへ供給される蒸気の量を調整する工程と、
    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し、前記蒸気タービンの目標出力を設定する工程と、
    前記蒸気タービンの目標出力に基づきガバナ制御を行う工程と、
    を備えた発電システムの制御方法において、
    蒸気タービン調速弁の開度に基づきパワータービン制御弁の開度を制御する工程をさらに備える発電システムの制御方法。

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