JPS60206912A - ランキンサイクル系の凝縮液フラツシング防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ＬＮＧ冷熱利用発電プラントの別流体（フロ
ン、プロパン）ランキンサイクル系の制御装置、および
タービンの背圧が真空でなイ一定圧力に保持される場合
の液レベル制御装置に適用して好適なランキンサイクル
系における凝縮液のフラッシング防止方法に関する。

第１図に、制御対象となるランキンサイクル系とその従
来の制御系の構成を示す。第１図において、参照符号１
はガバナ弁、２はタービン、３は排気管、４は凝縮器、
５は凝縮液導管、６は凝縮液溜め、７はポンプ吸込管、
８はポンプ、９は流量調節弁、１０は加熱蒸発器、１１
はレベル検出変換器、１２はフィルタ要素、１３はスピ
ルオーバ制御器、１４はスピルオーバ弁、１５はメイク
アップ制御器、１６はメイクアップ弁、１７は媒体タン
ク、１８はタービン入口圧力検出変換器、１９はタービ
ン入口圧力制御器をそれぞれ示し、各要素間を連結する
実線の中で特に符号を省いたものは単に流体を流す連絡
管を、点線は制御系の信号の伝達経路を示し、矢印は流
体の流れまたは伝達の方向を示す。なお、６弁の操作器
は弁にそれぞれ適合する仕様で弁に複合されるものとし
て省略した。

次に、第１図の構成における全般的な動作を説明する。

ガバナ弁１は、加熱蒸発器１０によって発生された媒体
ガスをタービン２に導入し、タービン負荷に対応した動
力を発揮せしめるよう媒体ガスの流量を加減する。その
方法として、特に図示は省いたが、後述の「背圧制御」
を適用する。

タービン２より排出されるガスは排気管３を通じて凝縮
器４に導入され、ここで低温流体との熱交換によって冷
却、凝縮される。

凝縮液は、凝縮液導管５を通じて凝縮液溜め６に滴下さ
れ、所定の液レベルを保つ程度に凝縮液溜め６の下層部
に過渡的に蓄積される。

前記液レベルの制御は凝縮液をポンプ吸込管７を通じて
ポンプ８によって排出する流量を加減することにより行
なうが、具体的には式（１）で示される液流量収支関係
が凝縮液溜め６０所定レベル附近にて満足されるようス
ピルオーバ弁１４またはメイクアップ弁１６の流量を加
減する機能、即ち「液レベル制御系」に依存する。

（凝縮液導管５から流入する凝縮液流量）＋（メイクア
ップ弁１６から補充する液流量）＝（流量調節弁９を通
じて加熱蒸発器１０に圧送再循環させる流量）＋（スピ
ルオーバ弁１４を通じて媒体タンク１７に送出される流
量）　・・・・・・・　式（１）第１図の制御系につい
て動作上の関連を更に詳述する。

レベル検出変換器１１は、凝縮液溜め６の液レベルを検
出し、制御装置に適した信号に変換してフィルタ要素１
２０入力として送出する。

フィルタ要素１２は、入力信号に含まれるノイズを平滑
低減して出力信号をスピルオーバ制御器１３およびメイ
クアップ制御器１５０入力信号として送出する。

スピルオーバ制御器１３は、入力（液レベル信号）に対
する設定値を内蔵した比例積分形制御器であって、液レ
ベルが上記設定値を超える度合に応じて増加する出力信
号をスピルオーバ弁１４に伝達し、開弁を開いてポンプ
８の吐出部から媒体タンク１７に凝縮液を抜き取り、凝
縮液溜め６内で増加する液レベルを前記スピルオーバ制
御器１３の設定値に向けて減少回復せしめるよう動作す
る。

メイクアップ制御弁１５は、入力に対する設定値を内蔵
した比例積分形制御器であり、液レベルが上記設定値よ
り低下する度合に応じて増加する出力信号をメイクアッ
プ弁１６に伝達し、開弁を開いて媒体タンク１７に保有
する液を凝縮液溜め６に補充圧送せしめ、液レベルを前
記メイクアップ制御器の設定値に向けて上昇回復せしめ
るよう動作する。

媒体タンク１７の中の媒体は、常温の飽和圧力のもとで
気液分離された状態で安定に蓄積される。

次にランキンサイクル系において本流となるべき流量調
節弁９を通過する再循環流量の調節に関係する制御系に
ついて説明する。

タービン入口圧力検出変換器１８は、ポンプ８から流量
調節弁９を通じて加熱蒸発器ｌＯに圧送された液が高温
流体との熱交換によって気化され、した信号に変換し、
出力をタービン入口圧力制御器１９の入力として送出す
る。

タービン入口圧力制御器１９は、タービン入口圧力設定
値を内蔵した比例積分形制御器であって、タービン入口
圧力に相当する入力信号と上記タービン入口圧力設定値
との偏差を演算し、タービン入口圧力が同設定値より低
下する場合は流量調節弁９を開く方向に（また上昇する
場合は閉じる方向に）、操作、調節せしめる出力信号を
発生する。

第１図のランキンサイクル系は、運転条件として凝縮器
４に与えられる低温流体の流量変化にほぼ比例して作動
媒体の循環流量およびタービン出力が安定追従すること
が要求されており、この因果関係の実現は、図示は省略
したが「背圧制御系」にもとづ（。

即ち、例えば低温流体の流量が増加すると凝縮器４にお
ける凝縮流量が増加し、タービン背圧は低下するので、
凝縮液溜め６内の気相部の圧力を検出し、これにもとづ
いて圧力が低下する場合はガバナ弁１の開度を増加させ
、タービン２０通過流量を増加させると共に１タービン
背圧を復元させるよう比例積分形式の自動制御を行なう
ことによる。

第１図のランキンサイクル系はタービン背圧を真空では
なく、大気圧よりも若干高い一定の圧力で運転すること
が条件となっている。

したがって、背圧変動を生じると凝縮液溜め６の液相部
の沸騰点が変動し、圧力が低下する場合はフラッシング
現象を発生し、液相部内に第２図に示すごとく気泡を発
生する結果となって、これがポンプ８に流入するとポン
プの液圧送能力の低下、タービン入口圧力の低下、ター
ビン排気流量の低下、タービン背圧の低下、凝縮液のフ
ラッシング現象の助長のごとき悪循環が起きて、遂には
プラントトリップに至る。

また、ポンプの吸込側でキャビテーションを生じ、ポン
プの寿命を損う不具合を生じる。

したがって、基本的には良質の背圧制御系を装備するこ
とにより上記不具合は解消できるが、同時に付帯条件と
して協調性の良い液レベル制御系を併用することが肝要
である。

しかしながら、現実には、そのような条件を満たすこと
はできず、特に、第１図の制御系では、フラッシング現
象に関して、制御性能上の不具合があった。即ち低温流
体の流量急増に際して、液レベル上昇とタービン入口圧
力低下が殆んど同時に生じるので、液レベル制御系の動
作にもとづ（スピルオーバ弁１４の流量増大とタービン
入口圧力制御系の動作にもとづく流量調節弁９の流量増
大とが同一のタイミングで重なるため、ポンプ８の吐出
圧力がポンプのＱ−Ｈ特性に沿って低下し、終局的には
加熱蒸発器１０に対する供給流量の不足を招く。このた
めランキンサイクル系内各所の′圧力低下が継続し、低
温流体の急増直後のタービン背圧低下で一時的に発生し
たフラッシング現象による液平均密度低下が更にポンプ
８の吐出圧力および流量を低下させることによって遂に
全系トリップに至らしめる不具合があった。

また、ポンプ８の吐出能力低下によりフラッシング現象
を生じつつも液レベルが上昇し、これが原因による全系
トリップを生じる不具合もあった。

本発明は上記事情にかんがみてなされたもので、前述の
不具合をすべて解消することを目的とする。

本発明は、凝縮液がタービン背圧から見た飽和に近い状
態であるかぎり、フラッシング現象を皆無にすることは
不可能であるが、液レベル制御性をタービン背圧制御性
と同等の連応性を有する良質のものとすることにより、
凝縮液溜めの液相部の平均エンタルピを飽和液エンタル
ピに至近の状態に制御できることに着目し、液レベル制
御の目的が液エンタルピ制御にあるとしたことにある。

本発明によれば、流量調節弁９を調節するにあたり、従
来のタービン入口圧力検出値を用（することを廃し、代
りに液レベル検出信号を主流とする制御信号を用いるこ
とによって連応性の良〜・安定な制御を続行できる方法
が提供される。

更に、本発明によれば、ポンプ吐出圧力がフラッシング
現象発生によって急低下する現象に着目し、ポンプ吐出
圧力を検出して、これをフラッシング度合評価値として
、一時的に流量調節弁９を閉じる操作に利用することに
より、凝縮液中の気泡が気相部に離脱する時間との関係
においてフラッシング現象に関してネガティブフィード
バック効果をもたらすという効果もある。

以下、第３図および第４図に例示した本発明の好適な実
施例について詳述する。

第３図はランキンサイクルと本発明による液レベル制御
系との接続の関係を示すもので、第１図と同一要素は同
一の参照符号で示しである。

第３図において、参照符号２０はポンプ吐出圧力検出変
換器、３０は液レベル制御装置であり、その液レベル制
御装置３０の内容詳細は第４図に示す。第４図において
、参照符号２１はフィルタ要素、２２は１次微分要素、
２３は不感帯要素、２４は加算器、２５は液レベル設定
器、２６は偏差器、２７は比例積分制御器をそれぞれ示
す。

第４図の作用を説明する。

液レベル検出変換器１１は、凝縮液溜め６の液レベルを
検出し、制御に適す信号に変換して出力をフィルタ要素
２１０入力として送出する。フィルタ要素２１は時定数
１秒以下に適当に調節される１次遅れ要素であり、液レ
ベル検出変換器１１から送入される信号のノイズ成分を
低減して出力を加算器２４に送出する。

ポンプ吐出圧力検出変換器２０は、ポンプ８の吐出圧力
を検出し、制御に適する信号に変換して出力を１次像分
要素２２０入力として送出する。

１次像分要素２２はポンプ吐出圧力検出信号を入力とし
て受け、その１次微分演算を行って出力を不感帯要素２
３０入力として送出する。ここで、１次像分要素２２の
微分ゲイン定数は適当に調節できるものとする。不感帯
要素２３は１次像分要素２２から送入される信号の負の
値のみを出力し、加算器２４に送出する。加算器２４は
ノイズ成分を低減された液レベル検出信号、即ちフィル
タ要素２１の出力からポンプ吐出圧力が凝縮液のブラッ
シング現象発生に際して急低下する度合を示す負の信号
即ち不感帯要素２３の出力を加算し、出力を偏差器２６
０入力として送出する。

偏差器２６は、前記加算器２４の出力と液レベル設定器
２５の出力との偏差を演算し、出力を比例積分制御器２
７０入力として送出する。

比例積分制御器２７は、リセットアンドワインドアップ
防止の機能を備えたもので、前記偏差器２６の出力を入
力として受け、流量調節弁９の開度が全開または全閉で
ないときは、入力について（比例十積分）の演算を行な
い、出力を流量調節弁９の操作信号として送出する。

なお、比例積分制御器２７０入力は、液レベル検出信号
が液レベル設定値より犬のとき正の信号となる関係にお
かれることは勿論である。

第４図による本発明の液レベル制御装置３０によれば、
従来のようにタービン入口圧力をポンプ流量に影響させ
ることがなく、流量調節弁９を操作する信号の主体を液
レベル検出信号としているので液レベル制御と加熱蒸発
器１０への再循環液供給流量を同時に一意的に行なうこ
とができ、外乱のない安定で連応性の良い制御がなされ
る。

また、図示を省いたタービン背圧制御系との関連におい
ても、低温流体の流量変動の影響がタービン背圧と凝縮
液レベルの両者に対し同時的に及ぶことから、両制御系
ともに検出端を凝縮液溜め６内の物理量としたことで、
従来とも連応性が優れていたタービン背圧制御系と同質
の制御性を得ることができる。

更に、本発明はポンプ吐出圧力がフラッシング現象によ
る凝縮液の平均密度低下にもとづいて低下する現象に着
目し、ポンプ吐出圧力の急低下時のタイミングと低下度
を前記１次像′分要素２２と不感帯要素２３とによって
捉え、これによって流量調節弁９を閉じる方向に操作す
る作用を加味した結果、凝縮液に含有する気泡群を気相
部に離脱させる時間を与える効果が生じ、一時的に生じ
たフラッシング現象を却って早期に消滅させ得る効果が
加味された。

したがって、凝縮液エンタルピを常に飽和液エンタルピ
に至近の状態に制御できるため、フラッシング現象をプ
ラント運転に支障ない極小に抑止できる効果を生じる。

他方、経済的な面でも従来の媒体タンク、スピルオーバ
弁およびメイクアップ弁とその制御器などの構成機器を
大巾に削減でき、使用する媒体の量もランキンサイクル
系のみの使用とすることができ、建設費、保守費、媒体
購入費など総じて安価にできる効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図はランキンサイクル系とその従来の制御系とを示
す図、第２図は凝縮液溜めのフラッシングによる気泡発
生を示す図、第３図はランキンサイクル系と本発明によ
る制御系とを示す図、第４図は液レベル制御装置の例を
示す図である。 １０．ガバナ弁、２０．タービン、３０．排気−管、４
・・凝縮器、５・・凝縮液導管、６・・凝縮液溜め、７
拳・ポンプ吸込管、８・・ポンプ、９・・流量調節弁、
１０・・加熱蒸発器、１１・・レベル検出変換器、１２
・・フィルタ要素、１３・・スピルオーバ制御器、　１
４・働スピルオーバ弁、１５・・メイクアップ制御器、
１６・・メイクアンプ弁、１７・・媒体タンク、１８・
−タービン入口圧力検出変換器、１９・Φタービン入ロ
圧力制御器、２０・・ポンプ吐出圧力検出変換器、２１
・・フィルタ要素、２２・・１次像分要素、２３・・不
感帯要素、２４・・加算器、２５・・液レベル設定器、
２６・・偏差器、２７・・比例積分制御器。 第１図 第？図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. タービン背圧を真空でない一定圧力に保持し、タービン
   出力をタービン排気凝縮器の低温流体の流量変動に追従
   して運転されるランキンサイクル系の凝縮液フラッシン
   グ防止方法において、凝縮液レベルとポンプ吐出圧力と
   を検出し、検出した液レベルを表わす信号からノイズ成
   分を低減した信号と検出したポンプ吐出圧力を表わす信
   号を１次微分しかつその微分信号の負の部分のみとする
   信号とを加算し、これと予め設定された液レベルとの偏
   差信号をめ、この偏差信号を比例積分演算して、再循環
   液流量調節弁の操作信号としたことを特徴とする、ラン
   キンサイクル系の凝縮液フラッシング防止方法。