JPWO2018061076A1 - 回転機械の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機械ユニット - Google Patents

回転機械の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機械ユニット Download PDF

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Abstract

タービンの出力であるタービン出力トルクと、誘導電動機の出力である電動機出力トルクとにより駆動される回転機械の制御装置であって、回転機械を駆動するための要求トルクを設定する要求出力設定部と、タービン出力トルクがタービンの安定出力領域内の下限以上である場合に、電動機出力トルクを誘導電動機の最小トルク以上に設定するとともに、タービン出力トルクを要求トルクから電動機出力トルクを減じた値に設定する駆動源指令部と、を備える回転機械の制御装置。

Description

本発明は、回転機械の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機械ユニットに関する。
従来、圧縮機、遠心ファン、遠心ブロアなどの回転機械において、第一の駆動出力源としてタービンが接続されているとともに、第二の駆動出力源として電動機が接続されている構成のものが知られている。
例えば、特許文献1には、タービンの駆動力を圧縮機に与えるとともに、必要な場合には電動機の駆動力を圧縮機に付加する圧縮機ユニットが記載されている。圧縮機ユニットの制御装置は、圧縮機から排出される圧縮気体の圧力、圧縮比等の各出力条件に基づいてタービンに要求される出力を設定する。
国際公開第2009/084250号
ところで、電動機の地絡を検出するためには、電動機に電力を供給して所定の最小トルクで駆動させる必要がある。
しかしながら、制御装置によって決定されたタービンのトルクでタービンを駆動した状態で、地絡を検出するために電動機を駆動させると、制御装置において設定された要求トルクと、実際のタービン及び電動機の合計トルクとの間に差異が発生するという課題があった。
本発明は、タービンと誘導電動機を用いて駆動される回転機械の制御装置において、誘導電動機の地絡検出を可能とするとともに、圧縮機を駆動するために設定された要求トルクと実際のタービン及び電動機の合計トルクとの間の差異を少なくすることができる回転機械の制御装置及び制御方法、並びに、制御装置を備えた回転機械ユニットを提供することを目的とする。
本発明の第一の態様によれば、回転機械の制御装置は、タービンの出力であるタービン出力トルクと、誘導電動機の出力である電動機出力トルクとにより駆動される回転機械の制御装置であって、前記回転機械を駆動するための要求トルクを設定する要求出力設定部と、前記タービン出力トルクが前記タービンの安定出力領域内の下限以上である場合に、前記電動機出力トルクを前記誘導電動機の最小トルク以上に設定するとともに、前記タービン出力トルクを前記要求トルクから前記電動機出力トルクを減じた値に設定する駆動源指令部と、を備える。
このような構成によれば、タービン出力トルクがタービンの安定出力領域内の下限以上である場合に誘導電動機を最小トルク以上に設定することによって、誘導電動機の地絡検出が可能となる。また、タービン出力トルクを要求トルクから電動機出力トルクを減じた値に設定することによって、要求トルクと実際のタービン及び電動機の合計トルクとの間の差異を少なくすることができる。
上記回転機械の制御装置において、前記要求トルクが、前記タービンの安定出力領域内に予め設定された基準トルクより大きいか否かを判断する出力判断部を備え、前記駆動源指令部は、前記出力判断部により、前記要求トルクが前記基準トルクより大きいと判断された場合に、前記誘導電動機のトルクを前記最小トルクよりも大きな値に設定してよい。
このような構成によれば、誘導電動機の駆動を開始する基準トルクは、タービンの安定出力領域内に予め設定されており、誘導電動機の駆動を開始させる際に、タービンの定格トルク近傍の不安定な状態で誘導電動機をタービンと同期させる必要がない。すなわち、タービン単独の出力から、タービンと誘導電動機とによる出力へスムーズに遷移させて、回転機械を稼働させることができ、従来のようにタービン出力を一度落として又上げるという無駄を省くことができる。
本発明の第二の態様によれば、回転機械ユニットは、駆動源としてのタービン及び誘導電動機と、前記タービン及び前記誘導電動機のそれぞれと接続された回転機械と、上記回転機械の制御装置と、を備える。
本発明の第三の態様によれば、回転機械の制御方法は、タービンの出力であるタービン出力トルクと、誘導電動機の出力である電動機出力トルクとにより駆動される回転機械の制御方法であって、前記回転機械を駆動するための要求トルクを設定する工程と、前記タービン出力トルクが少なくとも前記タービンの安定出力領域内の下限以上である場合に、前記電動機出力トルクを前記誘導電動機の最小トルク以上に設定するとともに、前記タービン出力トルクを前記要求トルクから前記電動機出力トルクを減じた値に設定する工程と、を有する。
上記回転機械の制御方法において、前記要求トルクが、前記タービンの安定出力領域内に予め設定された基準トルクより大きいか否かを判断する工程と、前記要求トルクが前記基準トルクより大きいと判断された場合に、前記誘導電動機のトルクを前記最小トルクよりも大きな値に設定する工程と、を有してよい。
本発明によれば、タービン出力トルクがタービンの安定出力領域内の下限以上である場合に誘導電動機を最小トルク以上に設定することによって、誘導電動機の地絡検出が可能となる。また、タービン出力トルクを要求トルクから電動機出力トルクを減じた値に設定することによって、要求トルクと実際のタービン及び電動機の合計トルクとの間の差異を少なくすることができる。
本発明の実施形態の圧縮機ユニットの概要を示すブロック図である。 本発明の実施形態の圧縮機制御装置における起動方法及び運転方法を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態の圧縮機制御装置における停止方法を説明するフローチャートである。 本発明の実施形態の圧縮機制御装置による制御の一例で、要求トルクの時間変化を表わしたグラフである。
本実施形態の回転機械ユニットである圧縮機ユニットは、例えば、天然ガスの液化プラントに適用されるユニットである。図1に示すように、圧縮機ユニット1は、圧縮機10(回転機械)と、駆動源として駆動力を発生させ圧縮機10の回転軸13を回転させるガスタービン20(タービン)及び誘導電動機30(電動機)とを備えている。
ガスタービン20は、圧縮機10の回転軸13と接続されたタービン出力軸23を有するタービン本体21と、タービン本体21を所定の出力で駆動させるように制御するタービン制御装置22とを有している。誘導電動機30は、圧縮機10の回転軸13とカップリングを介して接続された電動機出力軸33を有する電動機本体31と、電動機本体31を所定の出力で駆動させるように制御する電動機制御装置32とを有している。
圧縮機10は、ガスタービン20及び誘導電動機30の出力軸23,33と接続された回転軸13を有する圧縮機本体11と、圧縮機本体11を制御する圧縮機制御装置12とを有している。
誘導電動機30は、圧縮機10を駆動するガスタービン20を補助する補助電動機である。誘導電動機30は、巻線構造を有する固定子と回転子を備えている。誘導電動機30は、固定子に交流電圧を加えることで回転磁界を発生させ、回転磁界により回転子に誘導起電力を発生させる。回転子は、誘導起電力による電流と回転磁界の相互作用により回転磁界と同方向に回転力が生じることで回転する。
電動機制御装置32は、供給される電力の周波数を変える周波数変換装置であるインバータを備えている。本実施形態のインバータは、回生機能(電源側へ電力を戻す機能)を有していない。これにより、本実施形態の誘導電動機30は、インバータの出力周波数が誘導電動機30の回転数よりも小さくなると、誘導電動機30が発電モードになるため、インバータがトリップ(停止)するようになっている。
電動機制御装置32は、誘導電動機30の地絡を検出する地絡検出部32aを備えている。
圧縮機制御装置12は、圧縮機ユニット1が設置されるプラント全体を制御するプラント制御部2と接続されている。プラント制御部2には、圧縮機10から排出される圧縮気体の圧力、圧縮比、速度等の信号が入力される。圧縮機制御装置12は、プラント制御部2からの入力に基づいて圧縮機本体11を制御し、また、タービン制御装置22及び電動機制御装置32に入力を行う。
圧縮機制御装置12には、圧縮機10から排出される圧縮気体の圧力、圧縮比、速度等の各出力条件が入力信号としてプラント制御部2から入力される。圧縮機制御装置12は、入力信号等に基づいて圧縮機10を駆動するために必要な要求トルクTを設定する要求出力設定部12aを備えている。
なお、要求トルクTとは、入力信号に基づく圧縮機10における圧縮気体の各出力条件と対応する目標速度を含むとともに、現在の速度から目標速度まで増減させる過程においてある時刻に設定されるトルクをも含む概念である。
圧縮機制御装置12は、要求出力設定部12aによって設定された要求トルクTに基づいて、誘導電動機30を駆動するか否か等の判断を行う出力判断部12bを備えている。
出力判断部12bは、ガスタービン20のトルクがガスタービン20の安定出力領域の下限T1(図4参照)に達したか否かを判断する機能と、要求トルクTが予め設定されている基準トルクT2よりも大きいか否かを判断する機能とを有している。
安定出力領域とは、ガスタービン20が安定して出力(トルク)を変化させることができる出力の領域である。
出力判断部12bに設定されている基準トルクT2とは、ガスタービン20の定格トルクT3未満となるものであり、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部に設定されている。例えば、基準トルクT2は、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部として定格トルクT3の90%に設定されている。
ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部である基準トルクT2を定格トルクT3の90%に設定したが、ガスタービン20の安定出力領域はガスタービン20毎に定まるものであり、高出力部とはその安定出力領域の上限、もしくは多少のマージンを考慮した値が望ましい。
圧縮機制御装置12は、出力判断部12bの判断結果及び要求トルクTに基づいてタービン制御装置22及び電動機制御装置32それぞれに指令を行いタービン本体21及び電動機本体31を駆動させる駆動源指令部12cを備えている。即ち、駆動源指令部12cは、出力判断部12bの判断結果及び要求トルクTに基づいて、ガスタービン20のトルク(タービン出力トルクTt)及び誘導電動機30のトルク(電動機出力トルクTm)を設定する。
駆動源指令部12cは、タービン出力トルクTtがガスタービン20の安定出力領域の下限T1以上である場合に誘導電動機30を最小トルクTm1に設定する機能を有している。即ち、圧縮機制御装置12は、ガスタービン20が起動し、かつ、タービン出力トルクTtがガスタービン20の安定出力領域の下限T1以上である場合においては、設定された要求トルクTが低く、誘導電動機30の駆動力を付加する必要がない場合においても、誘導電動機30を最小トルクTm1以上のトルクで駆動するように電動機制御装置32に指令を行う。
ここで、誘導電動機30の最小トルクTm1とは、誘導電動機30が起動した状態において、誘導電動機30が安定した状態で出力することができる最小のトルクである。本実施形態の誘導電動機30の最小トルクTm1は、例えば、誘導電動機30の定格トルクの10%である。
また、駆動源指令部12cは、タービン出力トルクTtを、要求トルクTから電動機出力トルクTmを減じたトルクに設定する機能を有している。即ち、タービン出力トルクTtは、以下の数式(1)によって算出される。
Tt = T − Tm ・・・(1)
これにより、誘導電動機30が最小トルクTm1で駆動された場合においても、ガスタービン20と誘導電動機30の合計トルクは、設定された要求トルクTを維持する。
以下に、本実施形態の圧縮機ユニット1の作用、並びに、圧縮機制御装置12による制御の詳細について図2、図3に示すフローチャートに基づいて説明する。
〔起動方法及び運転方法〕
図2に示すように、圧縮機ユニット1の運転を開始すると、要求出力設定部12aは、プラント制御部2からの入力に基づいて要求トルクTを演算する。
圧縮機制御装置12の要求出力設定部12aは、ステップS1として、ガスタービン20のトルク出力(タービントルクTt)を上昇させるように要求トルクTを変化させる。
次いで、圧縮機制御装置12の出力判断部12bは、ステップS2として、タービン出力トルクTtが安定出力領域の下限T1に達したか否か判断を行う。タービン出力トルクTtが安定出力領域の下限に達していない場合(NO)、ガスタービン20の出力の上昇を続行する。
タービン出力トルクTtが安定出力領域の下限T1に達したと判断された場合(YES)は、駆動源指令部12cが、ステップS3として、誘導電動機30を起動させ、電動機出力トルクTmを最小トルクTm1に設定する。
ここで、駆動源指令部12cは、タービン出力トルクTtを要求トルクTから電動機出力トルクTmを減じたトルクに設定する。即ち、誘導電動機30を駆動させることによって増加するトルクに対応してタービン出力トルクTtを低下させる。これにより、誘導電動機30を駆動させてもガスタービン20と誘導電動機30の合計トルクは変化せず、設定された要求トルクTを維持する。
また、ステップS3として、電動機制御装置32の地絡検出部32aは、誘導電動機30の地絡検出を有効にする。地絡検出部32aは、地絡が検出された場合、誘導電動機30をトリップさせる等の処理を行う。
ここで、プラントの負荷が上昇することにより、圧縮機10が必要とする動力が上昇すると、ステップS4として、プラント制御部2は要求トルクTを増加させる。
次いで、出力判断部12bは、ステップS5として、要求トルクTが基準トルクT2よりも大きいか否か判断を行う。そして、要求トルクTが基準トルクT2以下である場合(YES)、すなわち本実施形態ではガスタービン20の定格トルクT3の90%以下である場合には、駆動源指令部12cは、誘導電動機30の駆動力を付加させずに、タービン制御装置22にタービン本体21を駆動させるように指令を行う。
一方、ステップS5において出力判断部12bによって要求トルクTが基準トルクT2よりも大きいと判断された場合(NO)には、駆動源指令部12cは、ステップS6として、要求トルクTをタービン出力トルクTtと、電動機出力トルクTmとに分配する。具体的には、タービン出力トルクTtを基準トルクT2以上定格トルクT3以下に設定する。そして、電動機出力トルクTmを、要求トルクTからタービン出力トルクTtの設定値を差し引いた値に設定する。
次いで、分配したトルクに応じてタービン制御装置22に指令を行ってタービン本体21を駆動させるとともに、電動機制御装置32にも指令を行い電動機本体31を最小トルクTm1よりも大きなトルクで駆動させる。これにより圧縮機10は、ガスタービン20及び誘導電動機30により駆動源全体として要求トルクTとなる駆動力を得て稼働することができ、すなわちガスタービン20の定格トルクT3以上の駆動力を得て稼働することができる。
ここで、プラントの負荷が下がることにより要求トルクTが減少し、要求トルクTが基準トルクT2よりも小さくなった場合においても、駆動源指令部12cは、電動機出力トルクTmを誘導電動機30の最小トルクTm1に設定する。
〔停止方法〕
図3に示すように、圧縮機ユニット1を停止させる場合は、圧縮機制御装置12の要求出力設定部12aは、ステップS7として、タービン出力トルクTtを減少させるように要求トルクTを変化させる。
次いで、圧縮機制御装置12の出力判断部12bは、ステップS8として、電動機出力トルクTmが最小トルクTm1より大きいか否か判断を行う。電動機出力トルクTmが最小トルクTm1以下となった場合、駆動源指令部12cは、ステップS9として誘導電動機30を停止させる。
次いで、要求出力設定部12aは、ステップS10として、タービン出力トルクTtを減少させるように、ガスタービン20の回転数が0となるまで要求トルクTを低下させる。
図4は、本実施形態の圧縮機ユニット1の駆動源であるガスタービン20及び誘導電動機30が、上記制御手順に従って制御され、プラント制御部2からの入力信号に応じて要求トルクTを変化させた一例を示している。
図4に示すように、時刻t=0で運転を開始すると、ステップS1において、圧縮機制御装置12は、タービン出力トルクTtをガスタービン20の安定出力領域の下限T1まで上昇させる(ステップS1)。
時刻t=t1において、タービン出力トルクTtがガスタービン20の安定出力領域の下限T1に達したと判断されると、圧縮機制御装置12は、タービン出力トルクTtを保持する(ステップS2)。
次いで、時刻t=t2において、圧縮機制御装置12は、電動機出力トルクTmを最小トルクTm1に設定する。これにより、誘導電動機30は、最小トルクTm1を出力する(ステップS3)。
ここで、時刻t2と時刻t1との間には、間隔が存在するが、これに限ることはなく、タービン出力トルクTtが安定出力領域の下限T1に達した段階で、誘導電動機30を最小トルクTm1で駆動してもよい。
また、時刻t=t2において、駆動源指令部12cは、最小トルクTm1分タービン出力トルクTtを減少させる。これにより、時刻t=t2の前後で、要求トルクTは変化しない。
次いで、時刻t=t5において、目標トルクT4が与えられるように各時刻における要求トルクTを演算する。そして、要求トルクTが基準トルクT2よりも大きくなるまではタービン出力トルクTtを増加させるとともに、電動機出力トルクTmを最小トルクTm1に維持する(ステップS4)。
一方、時刻t=t4において要求トルクTが基準トルクT2よりも大きくなったと判断されると、要求トルクTはガスタービン20と誘導電動機30とに分配されて出力されることとなる(ステップS5、ステップS6)。
ここで、第一の領域Atは、ガスタービン20による出力、第二の領域Amは誘導電動機30による出力を示しており、両者の合計によって要求トルクTを出力させている。
駆動源指令部12cは、時刻t=t5においてガスタービン20によるトルクが定格トルクT3に達すると同時に、電動機出力トルクTmが定格トルクTm2に達するようにガスタービン20及び誘導電動機30を制御する。
なお、制御方法はこれに限ることはなく、タービン出力トルクTtが定格トルクT3に達する時刻と電動機出力トルクTmが定格トルクTm2に達する時刻とを異ならせてもよい。
そして、時刻t=t5において圧縮機10に供給される出力がプラント制御部2からの入力信号に基づいて決定される目標となるトルクT4に達したら、要求トルクTを一定として定常運転を行う。
以上のとおり、誘導電動機30は、基準トルクT2を基準として必要に応じて駆動することとなり、要求トルクTが基準トルクT2以下である場合にはガスタービン20単独で効率的に駆動力を与えて圧縮機10を稼働させることができる。
また、誘導電動機30の駆動を開始する基準となる基準トルクT2は、ガスタービン20の安定出力領域内の高出力部である定格トルクT3の90%に予め設定されているものである。このため、誘導電動機30の駆動を開始させる際に、ガスタービン20の定格トルクT3近傍の不安定な状態で誘導電動機30をガスタービン20と同期させる必要がなく、また、一度設定したタービン出力トルクTtを減少させて安定した状態に戻す必要もない。すなわち、タービン出力トルクTtが安定的な領域、例えば定格トルクT3の90%として基準トルクT2を設定することで、出力を増大させる際に、ガスタービン20単独の出力から、ガスタービン20と誘導電動機30とによる出力へスムーズに遷移させて、圧縮機10を稼働させることができる。
一方、時刻t=t6において、プラント制御部2から圧縮機10による圧縮気体の圧力を低下させるように指令が入力された場合には、タービン出力トルクTt及び電動機出力トルクTmが減少するように、各時刻における要求トルクTを演算する(ステップS7)。
時刻t=t8において、タービン出力トルクTtがガスタービン20の安定出力領域の下限T1に達するまでタービン出力トルクTtを減少させる。このとき、電動機出力トルクTmが最小トルクTm1まで下がっていた場合は、誘導電動機30を停止させる(ステップS8、ステップS9)。
以上のように、本実施形態の圧縮機ユニット1及び圧縮機ユニット1に搭載された圧縮機制御装置12によれば、出力判断部12b及び駆動源指令部12cを備えていることにより、所望の出力で安定的に、かつ、効率的に圧縮機10を稼働させることができる。
特に、本実施形態では、タービン出力トルクTtが少なくともガスタービン20の安定出力領域内の下限T2以上である場合に誘導電動機30を最小トルクTm1以上に設定することによって、誘導電動機30の地絡検出が可能となる。また、タービン出力トルクTtを要求トルクTから電動機出力トルクTmを減じたトルクに設定することによって、要求トルクTと実際のガスタービン20及び誘導電動機30の合計トルクとの間の差異を少なくすることができる。
また、誘導電動機30の駆動を開始する基準トルクT2がガスタービン20の安定出力領域内に予め設定されており、誘導電動機30の駆動を開始させる際に、ガスタービン20の定格出力近傍の不安定な状態で誘導電動機30をガスタービン20と同期させる必要がない。すなわち、ガスタービン単独の出力から、ガスタービン20と誘導電動機30とによる出力へスムーズに遷移させて、圧縮機10を稼働させることができ、従来のようにタービン出力トルクTtを一度落として又上げるという無駄を省くことができる。
また、電動機として誘導電動機30を採用することによって、例えば、直流電動機と比較して、コストダウンが可能となる。
また、電動機制御装置32のインバータとして、回生機能を有していないものを採用することによって、コストダウンが可能となる。
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等も含まれる。
例えば、上記実施形態においては、要求トルクTが基準トルクT2を超えた後に、ガスタービン20の出力を定格トルクT3までは増大させるように、ガスタービン20と誘導電動機30との各出力を分配させるものとしたが、これに限るものではない。すなわち、要求トルクTが基準トルクT2を超えた後は、ガスタービン20の出力を基準トルクT2で一定に保ち、それ以降の要求トルクTの増加分を誘導電動機30で出力させるものとしても良い。
また、上記各実施形態の圧縮機ユニット1においては、圧縮機10を稼働させるタービンとしてガスタービン20を搭載するものとしたが、これに限るものではなく、例えば蒸気タービンとしても良い。また、圧縮機10、ガスタービン20、及び、誘導電動機30の各制御装置は、それぞれ独立したものとしたが、これに限るものではなく、一体の制御装置として構成されているものとしても良い。さらに、圧縮機制御装置12は、外部のプラント制御部2からの指令に基づいて圧縮機10を制御し、また、ガスタービン20及び誘導電動機30に指令を行うものとしたが、これに限らず、例えば操作部を備え、該操作部による入力に基づいて、外部と独立して制御を行うものとしても良い。
1 圧縮機ユニット
2 プラント制御部
10 圧縮機
11 圧縮機本体
12 圧縮機制御装置
12a 要求出力設定部
12b 出力判断部
12c 駆動源指令部
13 回転軸
20 ガスタービン
21 タービン本体
22 タービン制御装置
23 タービン出力軸
30 誘導電動機
31 電動機本体
32 電動機制御装置
32a 地絡検出部
33 電動機出力軸
T 要求トルク
T1 安定出力領域の下限
T2 基準トルク
Tm 電動機出力トルク
Tt タービン出力トルク

Claims (5)

  1. タービンの出力であるタービン出力トルクと、誘導電動機の出力である電動機出力トルクとにより駆動される回転機械の制御装置であって、
    前記回転機械を駆動するための要求トルクを設定する要求出力設定部と、
    前記タービン出力トルクが前記タービンの安定出力領域内の下限以上である場合に、前記電動機出力トルクを前記誘導電動機の最小トルク以上に設定するとともに、前記タービン出力トルクを前記要求トルクから前記電動機出力トルクを減じた値に設定する駆動源指令部と、を備える回転機械の制御装置。
  2. 前記要求トルクが、前記タービンの安定出力領域内に予め設定された基準トルクより大きいか否かを判断する出力判断部を備え、
    前記駆動源指令部は、前記出力判断部により、前記要求トルクが前記基準トルクより大きいと判断された場合に、前記誘導電動機のトルクを前記最小トルクよりも大きな値に設定する請求項1に記載の回転機械の制御装置。
  3. 駆動源としてのタービン及び誘導電動機と、
    前記タービン及び前記誘導電動機のそれぞれと接続された回転機械と、
    請求項1又は請求項2に記載の回転機械の制御装置と、を備える回転機械ユニット。
  4. タービンの出力であるタービン出力トルクと、誘導電動機の出力である電動機出力トルクとにより駆動される回転機械の制御方法であって、
    前記回転機械を駆動するための要求トルクを設定する工程と、
    前記タービン出力トルクが少なくとも前記タービンの安定出力領域内の下限以上である場合に、前記電動機出力トルクを前記誘導電動機の最小トルク以上に設定するとともに、前記タービン出力トルクを前記要求トルクから前記電動機出力トルクを減じた値に設定する工程と、を有する回転機械の制御方法。
  5. 前記要求トルクが、前記タービンの安定出力領域内に予め設定された基準トルクより大きいか否かを判断する工程と、
    前記要求トルクが前記基準トルクより大きいと判断された場合に、前記誘導電動機のトルクを前記最小トルクよりも大きな値に設定する工程と、を有する請求項4に記載の回転機械の制御方法。
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