KR101296474B1

KR101296474B1 - 발전 시스템의 제어 장치 및 발전 시스템 그리고 발전 시스템의 제어 방법

Info

Publication number: KR101296474B1
Application number: KR1020127034198A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 이치키; 요시히코 니시카와; 에이지 고바야시
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2013-08-13
Also published as: JP5155977B2; KR20120055597A; WO2011040456A1; KR101296499B1; EP2484873A4; KR20120082935A; CN102482950A; KR101296454B1; EP2484873A1; CN104005799B; KR20130010094A; CN104005799A; JP2011074866A; EP2484873B1; CN102482950B

Abstract

디젤 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 증기 터빈 (9) 의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고, 증기 터빈 (9) 의 출력이, 수요 전력과 파워 터빈 최소 출력 및 디젤 엔진 발전기 최소 출력의 차분으로 함으로써, 증기 터빈 공급 가능 출력에 가까워지도록 증기 터빈 출력을 결정하고, 증기 터빈 (9) 의 출력과 수요 전력의 차분을 보충하도록 파워 터빈 (7) 의 출력이 결정된다.

Description

발전 시스템의 제어 장치 및 발전 시스템 그리고 발전 시스템의 제어 방법{CONTROL DEVICE FOR POWER GENERATION SYSTEM, POWER GENERATION SYSTEM, AND CONTROL METHOD FOR POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 선박용 디젤 엔진이나 육상 발전기용 디젤 엔진 등의 메인 엔진으로부터 배출된 배기 가스의 배기 에너지를 이용하는 증기 터빈 및 파워 터빈을 구비한 발전 시스템의 제어 장치 및 발전 시스템 그리고 발전 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.

선박 추진용 디젤 엔진 (메인 엔진) 의 배기 가스의 일부를 추기하여 파워 터빈으로 유도하여 발전 출력으로서 이용함과 함께, 동 디젤 엔진의 배기 가스를 이용한 배기 가스 보일러에서 생성된 증기를 증기 터빈으로 유도하여 발전 출력으로서 이용하는 발전 시스템이 알려져 있다. 이와 같은 발전 시스템은, 종래, 파워 터빈으로의 배기 가스의 공급량을 제어하는 입구 밸브가 ON·OFF 의 개폐 밸브로 되어 있다.

한편, 특허문헌 1 에는, 디젤 엔진의 배기 가스의 일부를 과급기로 보내지 않고 파워 터빈 등으로 유도하여 배기 에너지를 동력으로서 회수하는 기술이 개시되어 있다. 또, 파워 터빈에 배기 가스가 들어갈 때 배기 가스량을 조정하여, 디젤 엔진으로부터 과급기로 보내지는 배기 가스량의 변화폭을 작게 하도록 되어 있다. 파워 터빈에 들어가는 배기 가스량의 조정은, 파워 터빈의 가스 입구를 복수 통로에 의해 형성하여 각각의 통로에 바이패스 밸브를 형성함으로써 행하고 있다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 일본 공개특허공보 소63-186916호

그런데, 상기 서술한 발전 시스템은, 파워 터빈으로 배기 가스를 유도하는 입구 밸브가 ON·OFF 의 개폐 밸브로 되어 있기 때문에, 임의의 배기 가스량을 파워 터빈에 공급할 수 없다. 따라서, 수요 전력에 변화가 발생한 경우에도 일정한 배기 가스량이 파워 터빈에 공급되기 때문에 파워 터빈의 출력을 임의로 변화시킬 수 없다. 이 때문에, 수요 전력의 변화에 대응시키기 위해, 증기 터빈의 출력을 조정해야 하고, 배기 가스 보일러에서 발생한 증기가 증기 터빈에 필요한 증기량을 상회하고 있던 경우에는, 발전에 기여하지 않는 잉여 증기분을 대기로 배출 (덤프) 하고 있었다. 이것으로는, 디젤 엔진의 배기 가스로부터 회수한 증기 에너지를 쓸데없게 버리게 되어, 디젤 엔진의 연료의 낭비가 되어 버린다.

한편, 상기 서술한 특허문헌 1 에는, 파워 터빈에 공급하는 배기 가스량을 단계적으로 조정하는 발명이 개시되어 있지만, 동 특허문헌 1 에 기재된 파워 터빈은 디젤 엔진의 동력 회수로서 사용되는 것으로, 파워 터빈의 출력을 발전으로서 사용하는 경우에 어떻게 배기 가스량을 조정해야 하는가에 관한 개시는 일절 없다.

본 발명은 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 증기 터빈에서 사용되지 않고 폐기되는 잉여 증기를 억제하여 메인 엔진의 연비를 향상시킬 수 있는 발전 시스템의 제어 장치 및 발전 시스템 그리고 발전 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 발전 시스템의 제어 장치 및 발전 시스템 그리고 발전 시스템의 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.

즉, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치는, 메인 엔진의 과급기의 상류측으로부터 추기된 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈과, 그 파워 터빈에 대해 직렬로 접속되어, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 이용한 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 대해 직렬로 접속된 발전기를 구비한 터빈 발전기에 대해, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈의 출력을 제어하는 발전 시스템의 제어 장치에 있어서, 상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고, 상기 증기 터빈의 출력이, 수요 전력과의 관계에서 상기 증기 터빈 공급 가능 출력에 가까워지도록 결정되고, 상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력이 결정되는 것을 특징으로 한다.

증기 터빈의 출력이 증기 터빈 공급 가능 출력에 가까워지도록 결정되므로, 배기 가스 보일러를 통해 메인 엔진으로부터 얻어지는 배기 가스 에너지를 증기 터빈에서 유효하게 이용할 수 있다. 따라서, 배기 가스 보일러에서 생성된 증기를 증기 터빈에 이용하지 않고 잉여 증기로서 폐기하는 것을 가급적 방지할 수 있다. 이로써, 메인 엔진의 배열 회수를 유효하게 실시함으로써, 메인 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 증기 터빈 공급 가능 출력으로서는, 전형적으로는 메인 엔진의 배기 가스 에너지로부터 얻어지는 최대 증기 터빈 출력이 사용된다.

증기 터빈 출력은, 수요 전력과의 관계로 결정된다. 즉, 수요 전력이 증기 터빈 공급 가능 출력을 상회하는 경우에는, 증기 터빈 출력은 증기 터빈 공급 가능 출력과 동등 또는 예를 들어 수요 전력에서 파워 터빈의 최소 출력을 뺀 값 으로 하는 것이 바람직하다. 수요 전력이 증기 터빈 공급 가능 출력 이하로 되어 있는 경우에는, 수요 전력을 만족하도록 공급 가능 출력 이하의 증기 터빈 출력으로 하는 것이 바람직하다.

또, 파워 터빈의 출력은, 증기 터빈 출력 (예를 들어 피드백된 현재값 출력) 과 수요 전력의 차분을 보충하도록 결정된다. 구체적으로는 수요 전력을 만족하는 나머지 부하량을 파워 터빈에 분담시키도록, 파워 터빈에 공급되는 배기 가스량을 조정한다. 이로써, 수요 전력에 대해 증기 터빈을 부담할 수 있는 출력을 증기 터빈에 우선적으로 분담시킬 수 있다.

또한, 메인 엔진으로서는, 전형적으로는 선박 추진용 디젤 엔진을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 증기 터빈 공급 가능 출력은, 상기 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있는 것이 바람직하다.

증기 터빈 공급 가능 출력이 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있으므로, 메인 엔진의 부하가 변화되어도, 변화된 메인 엔진의 부하로부터 곧바로 증기 터빈 공급 가능 출력을 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 공급 가능 출력에 기초하여 증기 터빈의 출력이 결정될 수 있으므로, 메인 엔진의 부하 변화에 대해 양호한 추종성으로 증기 터빈을 운전시킬 수 있다.

또, 메인 엔진의 부하는, 배기 가스 유량이나 배기 가스 압력을 반영하고 있으므로, 증기 터빈 공급 가능 출력을 얻는 데에 적합하다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 증기 터빈 공급 가능 출력은, 상기 배기 가스 보일러의 입구의 배기 가스 온도에 의해 보정되는 것이 바람직하다.

배기 가스 보일러의 입구의 배기 가스 온도가 변화되면, 배기 가스 보일러에 의해 생성되는 발생 증기량이 변화되므로, 배기 가스 보일러의 입구의 배기 가스 온도에 의해 증기 터빈 공급 가능 출력을 보정하는 것으로 하였다. 구체적으로는 표준 온도 (예를 들어 300 ℃) 보다 배기 가스 온도가 고온이 되면 공급 가능 출력을 증대시키고, 표준 온도보다 배기 가스 온도가 저온이 되면 공급 가능 출력을 감소시킨다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 파워 터빈의 공급 가능 출력을 파워 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고, 상기 파워 터빈의 출력은, 상기 파워 터빈 공급 가능 출력을 초과하지 않도록 결정되어 있는 것이 바람직하다.

메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 결정되는 공급 가능 출력을 초과하지 않도록 파워 터빈의 출력을 결정하는 것으로 했으므로, 파워 터빈의 출력을 과잉으로 설정하는 경우가 없어지므로, 과잉인 배기 가스 추기를 방지하여 과급기 및 메인 엔진의 운전에 대한 영향을 억제할 수 있다. 또한, 파워 터빈 공급 가능 출력으로서는, 전형적으로는 메인 엔진의 배기 가스 에너지로부터 얻어지는 최대 파워 터빈 출력이 사용된다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 파워 터빈 공급 가능 출력은, 상기 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있는 것이 바람직하다.

파워 터빈 공급 가능 출력이 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있으므로, 메인 엔진의 부하가 변화되어도, 변화된 메인 엔진의 부하로부터 곧바로 공급 가능 출력을 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 공급 가능 출력에 기초하여 파워 터빈의 출력이 결정될 수 있으므로, 메인 엔진의 부하 변화에 대해 양호한 추종성으로 파워 터빈을 운전시킬 수 있다.

또, 메인 엔진의 부하는, 배기 가스 유량이나 배기 가스 압력을 반영하고 있으므로, 파워 터빈 공급 가능 출력을 얻는 데에 적합하다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 파워 터빈 공급 가능 출력은, 상기 과급기의 컴프레서부의 입구의 공기 온도에 의해 보정되는 것이 바람직하다.

과급기의 컴프레서부의 입구의 공기 온도가 변화되면, 공기 밀도가 변화되는 것으로부터 메인 엔진으로부터의 배기 가스 에너지가 변화되므로, 과급기의 컴프레서부의 입구의 공기 온도에 의해 파워 터빈 공급 가능 출력을 보정하는 것으로 하였다. 구체적으로는 표준 온도 (예를 들어 25 ℃) 보다 공기 온도가 고온이 되면 공기 밀도가 낮아지므로 공급 가능 출력을 감소시키고, 표준 온도보다 공기 온도가 저온이 되면 공기 밀도가 높아지므로 공급 가능 출력을 증대시킨다.

또한, 본 발명의 제 1 양태에 관한 발전 시스템의 제어 장치에 있어서는, 상기 터빈 발전기와는 별도로 형성된 디젤 엔진 발전기의 발전용 디젤 엔진의 출력을 결정할 때, 상기 증기 터빈의 출력 및 상기 파워 터빈의 출력과 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 발전용 디젤 엔진 출력을 결정하는 것이 바람직하다.

디젤 엔진 발전기가 형성되어 있는 경우에, 발전용 디젤 엔진의 출력을, 증기 터빈의 출력 (예를 들어 피드백된 현재값 출력) 및 파워 터빈의 출력 (예를 들어 피드백된 현재값 출력) 과 수요 전력의 차분을 보충하도록 결정하는 것으로 하였다. 즉, 발전용 디젤 엔진에 부하 분담시키는 우선 순위를, 증기 터빈 및 파워 터빈 다음으로 하기로 하였다. 이로써, 증기 터빈 및 파워 터빈을 주로 사용하고, 이들을 보충하도록 디젤 엔진 발전기를 사용할 수 있으므로, 발전용 디젤 엔진의 기동 시간 및 부하를 감소시킬 수 있어, 발전 시스템 전체적으로 에너지 효율을 높게 할 수 있다.

또, 본 발명의 제 2 양태에 관한 발전 시스템은, 상기의 어느 것에 기재된 발전 시스템의 제어 장치와, 그 제어 장치에 의해 제어되는 증기 터빈 및 파워 터빈을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 서술한 제어 장치에 의해 증기 터빈 및 파워 터빈이 제어되므로, 메인 엔진의 연비를 향상시킨 발전 시스템을 제공할 수 있다.

또, 본 발명의 제 ３ 양태에 관한 발전 시스템의 제어 방법은, 메인 엔진의 과급기의 상류측으로부터 추기된 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈과, 그 파워 터빈에 대해 직렬로 접속되어, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 이용한 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 대해 직렬로 접속된 발전기를 구비한 터빈 발전기에 대해, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈의 부하를 제어하는 발전 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고, 상기 증기 터빈의 출력이, 수요 전력과의 관계에서 상기 증기 터빈 공급 가능 출력에 가까워지도록 결정되고, 상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력이 결정되는 것을 특징으로 한다.

증기 터빈의 출력이 증기 터빈 공급 가능 출력에 가까워지도록 결정되므로, 배기 가스 보일러를 통해 메인 엔진으로부터 얻어지는 배기 가스 에너지를 증기 터빈에서 유효하게 이용할 수 있다. 따라서, 배기 가스 보일러에서 생성된 증기를 증기 터빈에 이용하지 않고 잉여 증기로서 폐기하는 것을 가급적 방지할 수 있다. 이로써, 메인 엔진의 배열 회수를 유효하게 실시하는 것에 의해, 메인 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 증기 터빈 공급 가능 출력으로서는, 전형적으로는 메인 엔진의 배기 가스 에너지로부터 얻어지는 최대의 증기 터빈 출력이 사용된다.

본 발명에 의하면, 잉여 증기의 발생을 억제하는 것에 의해, 메인 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 터빈 발전기를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 터빈 발전기를 갖는 발전 시스템의 제어 장치를 나타낸 개략 구성이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 일부를 나타낸 제어 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 도 3 의 다른 일부를 나타낸 제어 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 도 3 의 다른 일부를 나타낸 제어 블록도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 도 3 의 다른 일부를 나타낸 제어 블록도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 도 3 의 다른 일부를 나타낸 제어 블록도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 제어 장치의 동작 플로우를 나타낸 플로우 차트이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 관한 발전 시스템의 부하 분담 비율을 나타낸 도면이다.

이하에, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1 에는, 본 실시형태에 관한 발전 시스템의 터빈 발전기의 개략 구성이 나타나 있다. 본 실시형태에서는, 메인 엔진으로서 선박 추진용 디젤 엔진 (3) 을 사용하고 있다.

터빈 발전기 (1) 는, 선박 추진용 디젤 엔진 (메인 엔진) (3) 과, 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스에 의해 구동되는 배기 터보 과급기 (5) 와, 배기 터보 과급기 (5) 의 상류측으로부터 추기된 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈 (가스 터빈) (7) 과, 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스에 의해 증기를 생성하는 배기 가스 에코노마이저 (배기 가스 보일러) (11) 와, 배기 가스 에코노마이저 (11) 에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈 (9) 을 구비하고 있다.

디젤 엔진 (3) 으로부터의 출력은, 프로펠라축을 통해 스크루 프로펠라에 직접적 또는 간접적으로 접속되어 있다. 또, 디젤 엔진 (3) 의 각 기통의 실린더부 (13) 의 배기 포트는 배기 가스 집합관으로서의 배기 매니폴드 (15) 에 접속되고, 배기 매니폴드 (15) 는, 제 1 배기관 (L1) 을 통해 배기 터보 과급기 (5) 의 터빈부 (5a) 의 입구측과 접속되고, 또, 배기 매니폴드 (15) 는 제 2 배기관 (L2) (추기 통로) 을 통해 파워 터빈 (7) 의 입구측과 접속되어, 배기 가스의 일부가, 배기 터보 과급기 (5) 에 공급되기 전에 추기되어 파워 터빈 (7) 에 공급되도록 되어 있다.

한편, 각 실린더부 (13) 의 급기 포트는 급기 매니폴드 (17) 에 접속되어 있고, 급기 매니폴드 (17) 는, 급기관 (K1) 을 통해 배기 터보 과급기 (5) 의 컴프레서부 (5b) 와 접속되어 있다. 또, 급기관 (K1) 에는 공기 냉각기 (인터쿨러) (19) 가 설치되어 있다.

배기 터보 과급기 (5) 는, 터빈부 (5a) 와, 컴프레서부 (5b) 와, 터빈부 (5a) 와 컴프레서부 (5b) 를 연결하는 회전축 (5c) 으로 구성되어 있다.

파워 터빈 (7) 은, 제 2 배기관 (L2) 을 통해 배기 매니폴드 (15) 로부터 추기된 배기 가스에 의해 회전 구동되도록 되어 있고, 또, 증기 터빈 (9) 은, 배기 가스 에코노마이저 (11) 에 의해 생성된 증기가 공급되어 회전 구동되도록 되어 있다.

이 배기 가스 에코노마이저 (11) 는, 배기 터보 과급기 (5) 의 터빈부 (5a) 의 출구측으로부터 제 3 배기관 (L3) 을 통해 배출되는 배기 가스와, 파워 터빈 (7) 의 출구측으로부터 제 4 배기관 (L4) 을 통해 배출되는 배기 가스가, 도입되어 열교환부 (21) 에 의해, 배기 가스의 열에 의해 급수관 (23) 에 의해 공급된 물을 증발시켜 증기를 발생시킨다. 그리고, 배기 가스 에코노마이저 (11) 에서 생성된 증기는 제 1 증기관 (J1) 을 통해 증기 터빈 (9) 에 도입되고, 또, 그 증기 터빈 (9) 에서 작업을 마친 증기는 제 2 증기관 (J2) 에 의해 배출되어 도시하지 않은 콘덴서 (복수기) 로 유도되도록 되어 있다.

파워 터빈 (7) 과 증기 터빈 (9) 은 직렬로 결합되어 발전기 (25) 를 구동시키도록 되어 있다. 증기 터빈 (9) 의 회전축 (29) 은 도시하지 않은 감속기 및 커플링을 통해 발전기 (25) 에 접속되고, 또, 파워 터빈 (7) 의 회전축 (27) 은 도시하지 않은 감속기 및 클러치 (31) 를 통해 증기 터빈 (9) 의 회전축 (29) 과 연결되어 있다. 클러치 (31) 로서는, 소정의 회전수에 의해 감탈 (嵌脫) 되는 클러치가 사용되고, 예를 들어 SSS (Synchro-Self-Shifting) 클러치가 바람직하게 사용된다.

또, 제 2 배기관 (L2) 에는, 파워 터빈 (7) 에 도입되는 가스량을 제어하는 배기 가스량 조정 밸브 (33) 와, 비상시에 파워 터빈 (7) 으로의 배기 가스의 공급을 차단하는 비상 정지용 긴급 차단 밸브 (35) 가 형성되어 있다. 또, 비상 정지용 긴급 차단 밸브 (35) 가 차단되었을 때, 배기 터보 과급기 (5) 의 터빈부 (5a) 로의 과 (過) 과급 (엔진의 최적 운전 압력을 초과한 과급) 을 방지하기 위해 바이패스 밸브 (34) 가 제 4 배기관 (L4) 사이에 형성되어 있다.

또한, 제 1 증기관 (J1) 에는, 증기 터빈 (9) 에 도입되는 증기량을 제어하는 증기량 조정 밸브 (37) 와, 비상시에 증기 터빈 (9) 으로의 증기의 공급을 차단하는 비상 정지용 긴급 차단 밸브 (39) 가 설치되어 있다. 상기 배기 가스량 조정 밸브 (33) 및 증기량 조정 밸브 (37) 는, 후술하는 제어 장치 (43) 에 의해 그 개도 (開度) 가 제어된다.

이상과 같이 발전기 (25) 는, 선박 추진용 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스 (연소 가스) 의 배기 에너지가 동력으로서 구동되도록 되어 있어, 배기 에너지 회수 장치를 구성하고 있다.

도 2 에는, 도 1 에 나타낸 터빈 발전기 (1) 를 갖는 발전 시스템의 제어 장치의 개략 구성이 나타나 있다.

발전 시스템은, 터빈 발전기 (1) 에 더하여 선박 내에 별도 설치된 복수 (본 실시형태에서는 2 대) 의 디젤 엔진 발전기 (60) 를 구비하고 있다.

제어 장치 (43) 에는, 발전기 (25) 의 출력 전력을 검출하는 전력 센서 (45) 로부터의 신호가 입력되고, 발전기 (25) 의 회전 속도로서 증기 터빈 (9) 의 회전축 (29) 의 회전 속도를 검출하는 회전 센서 (49) 로부터의 신호가 입력되어 있다. 또, 제어 장치 (43) 에는, 디젤 엔진 발전기 (60) 로부터의 출력 신호와, 선박 내 소비 전력을 검출하는 선박 내 소비 전력 센서 (51) 로부터의 신호가 입력되어 있다.

또, 제어 장치 (43) 는, 부하 분담 제어부 (53) 와, 파워 터빈용 거버너부 (55) 와, 증기 터빈용 거버너부 (57) 와, 디젤 엔진 발전기 (60) 용 거버너부 (도시 생략) 를 구비하고 있다.

부하 분담 제어부 (53) 로부터 설정된 부하율에 따른 출력의 지시 신호가, 파워 터빈용 거버너부 (55), 증기 터빈용 거버너부 (57), 및 디젤 엔진 발전기 (60) 용 거버너부로 각각 출력된다.

파워 터빈용 거버너부 (55) 는, 부하 분담 제어부 (53) 로부터 지시된 파워 터빈 (7) 의 출력에 따라, 설정되어 있는 회전수 드루프 제어 (비례 제어) 에 의한 제어 함수에 기초하여, 발전기 (25) 의 회전 속도 변동에 대해 목표 회전 속도로 안정시키도록, 회전 센서 (49) 에서 검출되는 실회전 속도와의 편차를 기초로 제어 신호가 산출된다. 그리고, 그 제어 신호가 배기 가스량 조정 밸브 (33) 로 출력되어, 배기 가스량 조정 밸브 (33) 의 개도가 제어되어 파워 터빈 (7) 에 공급되는 배기 가스 유량이 제어된다. 이 회전수 드루프 제어 함수는, 회전 속도 목표값과 실제로 제어된 현재의 회전 속도의 편차에 비례 게인을 곱함으로써 제어량을 연산하는 함수이다.

또, 증기 터빈용 거버너부 (57) 에 있어서도, 파워 터빈용 거버너부 (55) 와 동일하게, 부하 분담 제어부 (53) 로부터 지시된 증기 터빈 (9) 의 출력 부담 비율에 따라, 설정되어 있는 회전수 드루프 제어 (비례 제어) 에 의한 제어 함수에 기초하여, 발전기 (25) 의 회전 속도 변동에 대해 목표 회전 속도로 안정시키도록, 회전 센서 (49) 에서 검출되는 실회전 속도와의 편차를 기초로 제어 신호가 산출된다. 그리고, 그 제어 신호가 증기량 조정 밸브 (37) 로 출력되고, 그 증기량 조정 밸브 (37) 의 개도가 제어되어 증기 터빈 (9) 에 공급되는 증기량이 제어되도록 되어 있다.

다음으로, 도 3 ∼ 도 7 을 이용하여, 제어 장치 (43) 의 상세 내용에 대하여 설명한다. 제어 장치 (43) 는, 도 3 ∼ c7 의 5 개의 도면으로 분할되어 나타나 있고, 이들 도면을 조합하는 것에 의해 제어 장치 (43) 의 개략 전체 구성이 된다. 도 3 및 도 4 에 나타낸 파워 매니지먼트 시스템 (70) 이 도 3 ∼ 도 7 을 늘어놓았을 때 상방에 위치하고, 도 5 및 도 6 에 나타난 컨트롤러부 (72) 가 도 3 ∼ 도 7 을 늘어놓았을 때 도 3 및 도 4 아래에 위치하고, 도 7 에 나타난 플랜트 (73) 가 도 3 ∼ 도 7 을 늘어놓았을 때 도 5 및 도 6 아래에 위치한다.

제어 장치 (43) 는, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 과 컨트롤러부 (72) 로 주로 구성되어 있다.

도 3 및 도 4 는, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 의 구성을 나타내고 있고, 도 3 이 좌측, 도 4 가 우측에 위치하는 관계로 되고 있고, 신호선 (A1 ∼ A8) 이 각각 접속되어 있다.

도 5 및 도 6 은, 컨트롤러부 (72) 의 구성을 나타내고 있고, 도 5 가 좌측, 도 6 이 우측에 위치하는 관계로 되고 있고, 신호선 (A9) 이 접속되어 있다. 또, 도 5 및 도 6 은, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 을 나타낸 도 3 및 도 4 아래에 위치하는 관계로 되고 있고, 신호선 (B1 ∼ B9) 이 각각 접속되어 있다. 또한, 도 5 에는 도시의 편의상, 디젤 엔진 발전기 (60) 가 나타나 있는데, 이것은 도 7 에 나타내는 플랜트 (74) 의 구성에 속하는 것이다. 또, 도 6 의 하방에는, 플랜트 (74) 측으로부터 얻어지는 각종 신호가 나타나 있다.

*도 7 은, 발전 시스템의 플랜트 (74) 가 나타나 있고, 도 1 및 도 2 에서 설명한 파워 터빈 (7) 이나 증기 터빈 (9) 등이 나타나 있다. 도 7 은, 도 5 및 도 6 아래에 위치하는 관계로 되고 있고, 신호선 (C1 ∼ C3, B5 및 AA), 그리고 전력선 (E1) 이 각각 접속되어 있다.

［증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST))］

증기 터빈 (9) 의 공급 가능 출력 (Av(ST)) 을 연산할 때 사용하는 맵이 도 6 의 맵 (M1) 에 나타나 있다. 이 맵 (M1) 은, 컨트롤러부 (72) 에 형성된 메모리에 저장되어 있다. 맵 (M1) 은, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 이 세로축이 되고, 디젤 엔진 (3) 의 부하 (ME Load) 가 가로축이 되어 있고, 설계시 데이터나 시운전 데이터에 기초하여 미리 작성되어 있다. 또한, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 으로서는, 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스 에너지로부터 얻어지는 최대의 증기 터빈 출력이 사용된다.

디젤 엔진 (3) 의 부하가, 도 5 의 디젤 엔진 부하 검출기 (78) (Main Engine Load) 로부터 신호선 (A9) 을 통해 입력되도록 되어 있고, 이 입력값과 맵 (M1) 으로부터 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 이 얻어진다. 이와 같이 얻어진 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 은, 신호선 (B7) 을 통해, 도 4 에 나타난 파워 매니지먼트 시스템 (70) 을 향하여 출력된다.

맵 (M1) 으로부터 얻어지는 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 은, 배기 가스 에코노마이저 (11) (도 1 참조) 의 입구 (상류측) 의 배기 가스 온도 (ECO. GAS Inlet Temp.) 에 의해 보정 (Compensation) 되도록 되어 있다. 이것은, 배기 가스 에코노마이저 (11) 의 입구의 배기 가스 온도가 변화되면, 배기 가스 보일러에 의해 생성되는 발생 증기량이 변화되기 때문이다. 구체적으로는 표준 온도 (예를 들어 300 ℃) 보다 배기 가스 온도가 고온이 되면 공급 가능 출력을 증대시키고, 표준 온도보다 배기 가스 온도가 저온이 되면 공급 가능 출력을 감소시킨다.

［파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT))］

파워 터빈 (7) 의 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 연산할 때 사용하는 맵이 도 6 의 맵 (M2) 에 나타나 있다. 이 맵 (M2) 은, 컨트롤러부 (72) 에 형성된 메모리에 저장되어 있다. 맵 (M2) 은, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 이 세로축이 되고, 디젤 엔진 (3) 의 부하 (ME Load) 가 가로축이 되어, 설계시 데이터나 시운전 데이터에 기초하여 미리 작성되어 있다. 또한, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 으로서는, 디젤 엔진 (3) 의 배기 가스 에너지로부터 얻어지는 최대의 파워 터빈 출력이 사용된다.

디젤 엔진 (3) 의 부하가, 도 5 의 디젤 엔진 부하 검출기 (78) (Main Engine Load) 로부터 신호선 (A9) 을 통해 입력되도록 되어 있어, 이 입력값과 맵 (M2) 으로부터 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 이 얻어진다. 이와 같이 얻어진 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 은, 신호선 (B8) 을 통해, 도 4 에 나타낸 파워 매니지먼트 시스템 (70) 을 향하여 출력된다.

맵 (M2) 으로부터 얻어지는 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 은, 배기 터보 과급기 (5) (도 1 참조) 의 입구의 공기 온도에 의해 보정 (Compensation) 되도록 되어 있다. 이것은, 배기 터보 과급기 (5) 의 입구의 공기 온도가 변화되면, 공기 밀도가 변화되고, 디젤 엔진 (3) 으로부터의 배기 가스 에너지가 변화되기 때문이다. 구체적으로는 표준 온도 (예를 들어 25 ℃) 보다 공기 온도가 고온이 되면 공기 밀도가 낮아지므로 공급 가능 출력을 감소시키고, 표준 온도보다 공기 온도가 저온이 되면 공기 밀도가 높아지므로 공급 가능 출력을 증대시킨다. 또한, 도 6 의 맵 (M2) 에는 나타나 있지 않지만, 배기 터보 과급기 (5) 의 입구 공기 온도는, 맵 (M2) 에 입력되도록 되어 있다.

［증기 터빈 실출력 (ST(kW))］

증기 터빈 (9) 이 현재 출력하고 있는 실출력 (현재값 출력) 은, 도 6 에 나타낸 맵 (M3) 으로부터 얻어진다. 이 맵 (M3) 은, 컨트롤러부 (72) 에 형성된 메모리에 저장되어 있다. 맵 (M3) 은, 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 이 세로축이 되고, 증기 터빈 (9) 의 1 단째 압력 (First Stage Pressure ; FSP) 이 가로축이 되어 있다. 증기 터빈 (9) 의 1 단째 압력 (FSP) 은, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈 (9) 의 1 단째 터빈 (고압 터빈) 의 하류측에 형성된 압력 센서 (PT) 로부터 신호선 (AA) 을 통해 얻어지도록 되어 있다. 또, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈 플랜트의 복수기 압력 (Cond Vacuum Press.) 과, 입구 증기 온도 (Inlet Steam Temp.) 와, 입구 증기 압력 (Inlet Steam Press.) 에 의해 맵 (M3) 이 보정되도록 되어 있다. 맵 (M3) 으로부터 얻어진 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 은, 신호선 (B6) 을 통해, 도 4 에 나타낸 파워 매니지먼트 시스템 (70) 을 향하여 출력됨과 함께, 다음에 설명하는 연산부 (F1) 를 향하여 출력된다.

［파워 터빈 실출력 (PT(kW))］

파워 터빈 (7) 이 현재 출력하고 있는 실출력 (현재값 출력) 은, 도 6 에 나타낸 연산부 (F1) 로부터 얻어진다. 이 연산부 (F1) 에서 사용되는 연산식은, 컨트롤러부 (72) 에 형성된 메모리에 저장되어 있다. 연산부 (F1) 에서는, 하기 식 (1) 로 나타내는 바와 같이, 발전기 (25) (도 7 참조) 의 출력 전력을 검출하는 전력 센서 (45) 로부터 얻어지는 터빈 발전기 출력 (STG(kW)) 과, 맵 (M3) 에서 얻어진 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 의 차분으로부터 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 이 얻어지도록 되어 있다.

PT(kW)=STG(kW)-ST(kW)·····(1)

연산부 (F1) 에서 얻어진 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 은, 신호선 (B9) 을 통해, 도 4 에 나타낸 파워 매니지먼트 시스템 (70) 을 향하여 출력된다.

［증기 터빈 부하율 (R(ST))］

도 4 에 나타내는 바와 같이, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 의 연산부 (F2) 에서, 증기 터빈 (9) 의 부하율 (R(ST)) 이 연산된다. 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 은, 하기 식 (2) 에 의해 얻어진다.

R(ST)=［LD(kW)-［DG(min)＋PT(min)］］/Av(ST)·····(2)

여기에서, LD(kW) 는 선박 내 수요 전력이며, 도 3 의 연산부 (F5) 에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진 발전기 출력 (DG(kW)) 과, 터빈 발전기 출력 (STG(kW)) 의 합으로부터 얻어진다. DG(min) 는, 디젤 엔진 발전기 (60) (도 5 참조) 의 최소 출력으로, 발전용 디젤 엔진이 안정적으로 동작하는 최소의 출력을 의미한다. PT(min) 는, 파워 터빈 (7) 의 최소 출력으로, 파워 터빈이 안정적으로 운전될 수 있는 최소의 출력을 의미하고, 구체적으로는 파워 터빈 (7) 과 증기 터빈 (9) 을 연결하는 클러치 (31) 가 감탈되는 회전수에 있어서의 출력에 기초하여 결정되며, 예를 들어 파워 터빈의 정격의 10 ％ 가 된다.

식 (2) 에 나타내는 바와 같이, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 으로부터 디젤 발전기 최소 출력 (DG(min)) 및 파워 터빈 최소 출력 (PT(min)) 을 빼는 식을 연산식의 분자로 함으로써, 디젤 엔진 발전기 (60) 나 파워 터빈 (7) 보다 우선적으로 증기 터빈 (9) 의 요구 출력을 결정하고, 증기 터빈 (9) 에 출력을 최대한 취할 수 있도록 되어 있다. 또, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 을 연산식의 분모로 함으로써, 증기 터빈 (9) 의 요구 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 에 대한 비율로 나타내는 것으로 하고, 증기 터빈 (9) 의 출력을 최대한 유효하게 이용할 수 있도록 되어 있다.

또, 연산부 (F2) 에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 은 1 이하가 되어, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 을 초과하여 출력을 요구하지 않도록 되어 있다. 또한, 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 은, ST(min)/Av(ST) 이상이 되어, 증기 터빈 (9) 이 안정적으로 운전될 수 있는 최소 출력을 하회하는 출력을 요구하지 않도록 되어 있다.

［파워 터빈 부하율 (R(PT))］

도 4 에 나타내는 바와 같이, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 의 연산부 (F3) 에서, 파워 터빈 (7) 의 부하율 (R(PT)) 이 연산된다. 파워 터빈 부하율 (R(PT)) 은, 하기 식 (3) 에 의해 얻어진다.

R(PT)=［LD(kW)-［DG(min)＋ST(kW)］］/Av(PT)·····(3)

식 (3) 에 나타낸 바와 같이, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 으로부터 디젤 발전기 최소 출력 (DG(min)) 및 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 을 빼는 식을 연산식의 분자로 함으로써, 증기 터빈 (9) 을 우선으로 함과 함께, 디젤 엔진 발전기 (60) 보다 우선적으로 파워 터빈 (9) 의 요구 출력을 결정하고, 디젤 엔진 (3) 의 배열 회수를 최대한 실시할 수 있도록 되어 있다. 또, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 연산식의 분모로 함으로써, 파워 터빈 (7) 의 요구 출력을 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 에 대한 비율로 나타내는 것으로 하고, 파워 터빈 (7) 의 출력을 최대한 유효하게 이용할 수 있도록 되어 있다.

또, 연산부 (F3) 에 나타나 있는 바와 같이, 파워 터빈 부하율 (R(PT)) 은 1 이하가 되고, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 초과하여 출력을 요구하지 않도록 되어 있다. 또한, 파워 터빈 부하율 (R(PT)) 은, PT(min)/Av(PT) 이상이 되어, 파워 터빈 (9) 이 안정적으로 운전될 수 있는 최소 출력을 하회하는 출력을 요구하지 않도록 되어 있다.

［디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG))］

도 4 에 나타내는 바와 같이, 파워 매니지먼트 시스템 (70) 의 연산부 (F4) 에서, 디젤 엔진 발전기 (60) 의 부하율 (R(DG)) 이 연산된다. 디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG)) 은, 하기 식 (4) 에 의해 얻어진다.

R(DG)=［LD(kW)-［ST(kW)＋PT(kW)］］/Av(DG)·····(4)

여기에서, 디젤 엔진 발전기 공급 가능 출력 (Av(DG)) 은, 디젤 엔진 발전기의 정격 출력 (Rated(DG)) 이 사용된다.

식 (4) 에 나타낸 바와 같이, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 으로부터 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 및 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 을 빼는 식을 연산식의 분자로 함으로써, 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 을 우선으로하고, 디젤 엔진 발전기 (60) 의 운전을 최대한 억제하도록 되어 있다. 또, 디젤 엔진 발전기 공급 가능 출력 (Av(DG)) 을 연산식의 분모로 함으로써, 디젤 엔진 발전기 (60) 의 요구 출력을 디젤 엔진 발전기 공급 가능 출력 (Av(DG)) 에 대한 비율로 나타내는 것으로 하고, 디젤 엔진 발전기 (60) 의 출력을 최대한 유효하게 이용할 수 있도록 되어 있다.

또, 연산부 (F4) 에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG)) 은 1 이하가 되고, 디젤 엔진 발전기 공급 가능 출력 (Av(DG)) 을 초과하여 출력을 요구하지 않도록 되어 있다. 또한, 디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG)) 은, DG(min)/Av(DG) 이상이 되고, 디젤 엔진 발전기가 안정적으로 운전될 수 있는 최소 출력을 하회하는 출력을 요구하지 않도록 되어 있다.

［합계 공급 가능 출력 (Ta(kW))］

도 4 에 나타낸 연산부 (F6) 에서는, 각 연산부 (F2, F3, F4) 에서 얻어진 결과에 기초하여, 하기 식 (5) 에 의해, 합계 공급 가능 출력 (Ta(kW)) 이 구해진다.

Ta(kW)=R(DG)×Av(DG)＋R(ST)×Av(ST)

＋R(PT)×Av(PT)·····(5)

［증기 터빈 목표 출력 (LT(ST))］

도 3 에 나타내는 바와 같이, 증기 터빈 (9) 에 요구되는 목표 출력 (LT(ST)) 은, 상기 서술한 각 연산값을 이용하여, 연산부 (F7) 에 의해 하기 식 (6) 에 따라 연산된다.

LT(ST)=LD(kW)×［R(ST)×Av(ST)］/Ta(kW)·····(6)

상기 식 (6) 에 의해 얻어진 증기 터빈 목표 출력 (LT(ST)) 은, 증기 터빈실출력 (ST(kW)) 과 비교 연산된 후, 주파수 제어기 (79) 에 의해 혼합기 (81) 에서 소정 주파수의 신호로 정돈되어 증감 신호 (INC/DEC) 로서, 신호선 (B2) 을 통해 도 5 에 나타낸 컨트롤러부 (72) 의 증기 터빈용 거버너부 (57) 로 출력된다.

증기 터빈용 거버너부 (57) 에서는, 도 2 에서 설명한 드루프 제어에 기초하여 제어 신호가 생성되고, 이 제어 신호가 신호선 (C2) 을 통해 증기량 조정 밸브 (37) (도 7 참조) 로 출력된다.

［파워 터빈 목표 출력 (LT(PT))］

도 3 에 나타내는 바와 같이, 파워 터빈 (7) 에 요구되는 목표 출력 (LT(PT)) 은, 상기 서술한 각 연산값을 이용하여, 연산부 (F8) 에 의해 하기 식 (7) 에 따라 연산된다.

LT(PT)=LD(kW)×［R(PT)×Av(PT)］/Ta(kW)·····(7)

상기 식 (7) 에 의해 얻어진 파워 터빈 목표 출력 (LT(PT)) 은, 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 과 비교 연산된 후, 주파수 제어기 (79) 에 의해 혼합기 (82) 에서 소정 주파수의 신호로 정돈되어 증감 신호 (INC/DEC) 로서, 신호선 (B1) 을 통해 도 5 에 나타낸 컨트롤러부 (72) 의 파워 터빈용 거버너부 (55) 로 출력된다.

파워 터빈용 거버너부 (55) 에서는, 도 2 에서 설명한 드루프 제어에 기초하여 제어 신호가 생성되고, 이 제어 신호가 신호선 (C1) 을 통해 배기 가스량 조정 밸브 (33) (도 7 참조) 로 출력된다.

또한, 파워 터빈용 거버너부 (55) 에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 파워 터빈 (7) 의 회전수 (PT RPM) 를 얻어, 파워 터빈의 정격 출력 근방 (예를 들어 정격 출력의 ±수 ％) 에서 데드 밴드 (불감대) 를 형성하는 함수 발생기 (85) 를 형성하고 있다. 이것은, 정격 출력 근방에서 회전수가 다소 변화되어도 파워 터빈의 목표 출력 지령을 변화시키지 않도록 하여, 디젤 엔진 (3) 의 안정성을 유지하기 위해 형성되어 있다. 또, 이와 같이 함으로써, 정격 근방의 변동에 대해서는 증기 터빈 (9) 의 출력 변화에 따라 대응하는 것으로 하고 있다. 증기 터빈 (9) 은 파워 터빈 (7) 에 비해 제어성이 양호하기 때문에, 터빈 발전기로서 안정적인 운전이 실현되게 된다.

［디젤 엔진 발전기 목표 출력 (LT(DG))］

도 3 에 나타내는 바와 같이, 디젤 엔진 발전기 (60) 에 요구되는 목표 출력 (LT(DG)) 은, 상기 서술한 각 연산값을 이용하여, 연산부 (F9) 에 의해 하기 식 (8) 에 따라 연산된다.

LT(DG)=LD(kW)×［R(DG)×Av(DG)］/Ta(kW)·····(8)

상기 식 (8) 에 의해 얻어진 디젤 엔진 발전기 목표 출력 (LT(DG)) 은, 디젤 엔진 발전기 실출력 (DG(kW)) 과 비교 연산된 후, 주파수 제어기 (79) 에 의해 혼합기 (83) 에서 소정 주파수의 신호로 정돈되어 증감 신호 (INC/DEC) 로서, 신호선 (B3) 을 통해 도 5 에 나타낸 디젤 엔진 발전기 (60) 의 디젤 엔진 발전기용 거버너부 (도시 생략) 로 출력된다.

다음으로, 도 8 의 플로우 차트를 이용하여, 본 실시형태의 발전 시스템의 제어 장치의 동작에 대하여 설명한다.

소정의 반복 주기 (Δt) 가 경과되면 (단계 S1), 단계 S2 로 진행되어, 연산부 (F2) 에서, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 에서 디젤 발전기 최소 출력 (DG(min)) 및 파워 터빈 최소 출력 PT(min) 을 뺀 증기 터빈 출력이 되도록, 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 이 결정된다. 이 때, 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 은, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 이 초과되는 경우가 없도록 설정된다.

다음으로, 단계 S3 으로 진행되어, 연산부 (F3) 에서, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 에서 디젤 발전기 최소 출력 (DG(min)) 및 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 을 뺀 파워 터빈 출력이 되도록, 파워 터빈 부하율 (R(PT)) 이 결정된다. 이 때, 파워 터빈 부하율 (R(PT)) 은, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 이 초과되는 경우가 없도록 설정된다.

다음으로, 단계 S4 로 진행되어, 연산부 (F4) 에서, 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 에서 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 및 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 을 뺀 디젤 엔진 발전기 출력이 되도록, 디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG)) 이 결정된다. 이 때, 디젤 엔진 발전기 부하율 (R(DG)) 은, 디젤 엔진 발전기 공급 가능 출력 (Av(DG)) 이 초과되는 경우가 없도록 설정된다.

다음으로, 단계 S5 로 진행되어, 연산부 (F6) 에서, 합계 공급 가능 출력 (Ta(kW)) 을 연산한다.

그리고, 단계 S6 으로 진행되어, 단계 S5 에서 얻은 합계 공급 가능 출력 (Ta(kW)) 을 이용하여, 증기 터빈 목표 출력 (LT(ST)), 파워 터빈 목표 출력 (LT(PT)), 및 디젤 엔진 발전기 목표 출력 (LT(DG)) 을 연산한다.

그리고, 단계 S7 에서, 각 목표 출력에 기초하여, 증기 터빈 (9), 파워 터빈 (7), 및 디젤 엔진 발전기 (60) 에 대해, 제어 지령을 컨트롤러부 (72) 로부터 출력한다.

이와 같이 일련의 플로우가 종료된 후, 다시 「스타트」로 돌아와, 소정의 반복 주기 (Δt) 로 동일한 플로우가 반복된다.

다음으로, 도 9 를 이용하여, 본 실시형태의 발전 시스템의 부하 분담 비율에 대하여 설명한다.

도 9 의 가로축은, 선박 내 수요 전력의 정격 100 ％ 에 대한 백분율을 나타내고 있다. 또, 세로축 방향에는, 아래로부터 파워 터빈 (PT) (7), 증기 터빈 (ST) (9), 제 1 디젤 엔진 발전기 (DG1) (60), 제 2 디젤 엔진 발전기 (DG2) (60) 가 늘어서 있고, 각각의 란의 세로 방향은 출력을 의미한다. 또한, 이하 설명하는 출력 제어는 일례이며, 본 실시형태에서는 파워 터빈 (7), 증기 터빈 (9), 디젤 엔진 발전기 (60) 의 출력이 거의 동등한 능력을 갖는 구성을 상정하고 있는데, 설정 출력이 상이한 시스템에 있어서는, 선박 내 수요 전력의 제어 기준을 적절히 변경하여, 부하 분담의 최적화를 도모하게 된다.

선박 내 수요 전력이 0 ∼ 25 ％ 인 경우, 파워 터빈 (7) 의 출력을 최소로 억제하면서, 선박 내 수요 전력의 증대에 따라 증기 터빈 (9) 의 출력이 점차 증대되도록 되어 있다. 이와 같이, 우선적으로 증기 터빈 (9) 을 사용하는 것으로 하여, 잉여 증기의 생성 및 덤프 (대기에 대한 방출) 를 폐지하고 있다.

선박 내 수요 전력이 25 ∼ 50 ％ 인 경우, 선박 내 수요 전력의 증대에 따라 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 의 출력이 점차 증대되도록 되어 있다. 이 경우, 파워 터빈 (7) 의 출력은, 선박 내 수요 전력과 증기 터빈 (9) 의 출력의 차분을 보충하도록 증대되도록 되어 있어, 잉여 증기의 생성 및 덤프 (콘덴서에 대한 방출) 를 폐지하고 있다. 또, 선박 내 수요 전력을 보충하도록 제 1 디젤 엔진 발전기 (60) 가 최소 출력으로 입상된다.

선박 내 수요 전력이 50 ∼ 75 ％ 인 경우, 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 은 정격 출력을 일정하게 출력한다. 선박 내 수요 전력의 증대에 따라, 제 1 디젤 엔진 발전기 (60) 의 출력이 점차 증대되도록 되어 있다.

선박 내 수요 전력이 75 ∼ 100 ％ 인 경우, 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 그리고 제 1 디젤 엔진 발전기 (60) 는 정격 출력을 일정하게 출력한다. 선박 내 수요 전력의 증대에 따라, 제 2 디젤 엔진 발전기 (60) 의 출력이 점차 증대되도록 되어 있다.

이상 설명한 본 실시형태에 관한 발전 시스템에 의하면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.

증기 터빈 (9) 의 출력을 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 에서 디젤 엔진 발전기 최소 출력 (DG(min)) 및 파워 터빈 최소 출력 PT(min) 을 뺀 값에 기초하여 증기 터빈 부하율 (R(ST)) 를 결정하는 것으로 했으므로, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 에 가까워지도록 증기 터빈 출력을 결정할 수 있다. 이로써, 배기 가스 보일러 (11) 를 통해 디젤 엔진 (3) 으로부터 얻어지는 배기 가스 에너지를 증기 터빈 (9) 에서 유효하게 이용할 수 있다. 따라서, 배기 가스 보일러 (11) 에 의해 생성된 증기를 증기 터빈 (9) 에 이용하지 않고 잉여 증기로서 방출 (덤프) 하는 것을 가급적 억제할 수 있다. 이로써, 메인 엔진의 배열 회수를 유효하게 실시하는 것에 의해, 메인 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

또, 파워 터빈 (7) 의 출력을, 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 과 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 의 차분을 보충하도록 결정하는 것으로 했으므로, 수요 전력에 대해 증기 터빈을 부담할 수 있는 출력을 증기 터빈에 우선적으로 분담시킬 수 있어, 잉여 증기의 발생을 폐지할 수 있다.

증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 이 디젤 엔진 (3) 의 부하에 대해 미리 결정되어 있으므로 (도 6 의 맵 (M1) 참조), 디젤 엔진 (3) 의 부하가 변화되어도, 변화된 디젤 엔진 (3) 의 부하로부터 곧바로 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 을 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 공급 가능 출력 (Av(ST)) 에 기초하여 증기 터빈 (9) 의 출력이 결정될 수 있으므로, 디젤 엔진 (3) 의 부하 변화에 대해 양호한 추종성으로 증기 터빈 (9) 을 운전시킬 수 있다.

또, 디젤 엔진 (3) 의 부하는, 배기 가스 유량이나 배기 가스 압력을 반영하고 있으므로, 증기 터빈 공급 가능 출력 (Av(ST)) 을 얻는 데에 적합하다.

디젤 엔진 (3) 의 현재의 운전 상태로부터 결정되는 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 초과하지 않도록 파워 터빈 (7) 의 출력을 결정하는 것으로 했으므로, 파워 터빈 (7) 의 출력을 과잉으로 설정하는 경우가 없어지므로, 과잉인 배기 가스 추기를 방지하여 배기 가스 터보 과급기 (5) 및 디젤 엔진 (3) 의 운전에 대한 영향을 억제할 수 있다.

파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 이 디젤 엔진 (3) 의 부하에 대해 미리 결정되어 있으므로, 디젤 엔진 (3) 의 부하가 변화되어도, 변화된 디젤 엔진 (3) 의 부하로부터 곧바로 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 공급 가능 출력 (Av(PT)) 에 기초하여 파워 터빈 (7) 의 출력이 결정될 수 있으므로, 디젤 엔진 (3) 의 부하 변화에 대해 양호한 추종성으로 파워 터빈 (7) 을 운전시킬 수 있다.

또, 디젤 엔진 (3) 의 부하는, 배기 가스 유량이나 배기 가스 압력을 반영하고 있으므로, 파워 터빈 공급 가능 출력 (Av(PT)) 을 얻는 데에 적합하다.

발전용 디젤 엔진 (60) 의 출력을, 증기 터빈 실출력 (ST(kW)) 및 파워 터빈 실출력 (PT(kW)) 과 선박 내 수요 전력 (LD(kW)) 의 차분을 보충하도록 결정하는 것으로 하였다. 즉, 발전용 디젤 엔진 (60) 에 부하 분담시키는 우선 순위를, 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 다음으로 하기로 하였다. 이로써, 증기 터빈 (9) 및 파워 터빈 (7) 을 주로 이용하여 이들을 보충하도록 디젤 엔진 발전기 (60) 를 사용할 수 있으므로, 발전용 디젤 엔진의 기동 시간 및 부하를 감소시킬 수 있어, 발전 시스템 전체로서 에너지 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 선박 내에 사용하는 발전 시스템에 대하여 설명했지만, 육상의 발전 시스템으로서도 사용할 수 있다.

또, 발전 시스템으로서 디젤 엔진 발전기를 구비한 실시형태로 했지만, 디젤 엔진 발전기를 생략한 발전 시스템에 대해 적용할 수도 있다.

또, 잉여 증기의 방출을 억제하도록 증기 터빈 출력을 제어하는 것으로 했지만, 다소의 잉여 증기의 발생을 허용하는 경우에는, 소정량의 잉여 증기가 허용되도록 증기 터빈 출력을 제어하는 것으로 해도 된다.

1 : 터빈 발전기
3 : 디젤 엔진
5 : 배기 터보 과급기
7 : 파워 터빈
9 : 증기 터빈
11 : 배기 가스 에코노마이저 (배기 가스 보일러)
25 : 발전기
33 : 배기 가스량 조정 밸브
37 : 증기량 조정 밸브
43 : 제어 장치
60 : 디젤 엔진 발전기

Claims

메인 엔진의 과급기의 상류측으로부터 추기 (抽氣) 된 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈과, 그 파워 터빈에 대해 직렬로 접속되어, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 이용한 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 대해 직렬로 접속된 발전기를 구비한 터빈 발전기에 대해, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈의 출력을 제어하는 발전 시스템의 제어 장치에 있어서,
상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고,
수요 전력이 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 웃도는 경우에는, 상기 증기 터빈의 출력이, 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력과 동등한 값이 되도록 결정되고,
상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력이 결정되는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 증기 터빈 공급 가능 출력은, 상기 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 증기 터빈 공급 가능 출력은, 상기 배기 가스 보일러의 입구의 배기 가스 온도에 의해 보정되는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 파워 터빈의 공급 가능 출력을 파워 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고,
상기 파워 터빈의 출력은, 상기 파워 터빈 공급 가능 출력을 초과하지 않도록 결정되어 있는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 파워 터빈 공급 가능 출력은, 상기 메인 엔진의 부하에 대해 미리 결정되어 있는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 파워 터빈 공급 가능 출력은, 상기 과급기의 컴프레서부의 입구의 공기 온도에 의해 보정되는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 터빈 발전기와는 별도로 형성된 디젤 엔진 발전기의 발전용 디젤 엔진의 출력을 결정할 때,
상기 증기 터빈의 출력 및 상기 파워 터빈의 출력과 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 발전용 디젤 엔진 출력을 결정하는, 발전 시스템의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 발전 시스템의 제어 장치와,
그 제어 장치에 의해 제어되는 증기 터빈 및 파워 터빈을 구비하고 있는, 발전 시스템.
메인 엔진의 과급기의 상류측으로부터 추기 (抽氣) 된 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈과, 그 파워 터빈에 대해 직렬로 접속되어, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 이용한 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 대해 직렬로 접속된 발전기를 구비한 터빈 발전기에 대해, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈의 부하를 제어하는 발전 시스템의 제어 방법에 있어서,
상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고,
수요 전력이 상기 증기 터빈 공급 가능 출력을 웃도는 경우에는, 상기 증기 터빈의 출력이, 상기 증기 터빈 공급 가능 출력과 동등한 값이 되도록 결정되고,
상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력이 결정되는, 발전 시스템의 제어 방법.
메인 엔진의 과급기의 상류측으로부터 추기 (抽氣) 된 배기 가스에 의해 구동되는 파워 터빈과, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 사용하여 증기를 생성하는 배기 가스 보일러와, 상기 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 구동되는 증기 터빈과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 접속된 터빈 발전기를 구비한 발전 시스템에 있어서,
상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻어 두고,
수요 전력이 상기 증기 터빈 공급 가능 출력을 웃도는 경우에는, 상기 증기 터빈의 출력이, 상기 증기 터빈 공급 가능 출력과 동등한 값이 되도록 결정되고,
상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력이 결정되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 증기 터빈 공급 가능 출력이, 상기 메인 엔진의 부하로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 증기 터빈 공급 가능 출력이, 상기 배기 가스 보일러의 입구의 배기 가스 온도에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 메인 엔진의 운전 상태로부터 파워 터빈 공급 가능 출력을 산출하고, 상기 파워 터빈의 출력이 상기 파워 터빈 공급 가능 출력을 초과하지 않도록 결정하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 파워 터빈 공급 가능 출력이, 상기 메인 엔진의 부하로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 14 항에 있어서,
상기 파워 터빈 공급 가능 출력이, 상기 과급기의 컴프레서부의 입구의 공기 온도에 의해 보정되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
제 10 항에 있어서,
추가로 발전용 디젤 엔진과 디젤 엔진 발전기를 구비한 발전 시스템에 있어서,
상기 증기 터빈의 출력 및 상기 파워 터빈의 출력과 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 발전용 디젤 엔진의 출력을 결정하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
메인 엔진을 구동시켜 배기 가스를 배출하는 공정과, 상기 메인 엔진으로부터 배출되는 배기 가스에 의해 파워 터빈을 구동시키는 공정과, 상기 메인 엔진의 배기 가스를 배기 가스 보일러에 도입하여 증기를 생성하는 공정과, 상기 배기 가스 보일러에 의해 생성된 증기에 의해 증기 터빈을 구동시키는 공정과, 상기 파워 터빈 및 상기 증기 터빈에 접속된 터빈 발전기를 구동시키는 공정을 구비한 발전 방법에 있어서,
상기 메인 엔진의 현재의 운전 상태로부터 얻어지는 상기 증기 터빈의 공급 가능 출력을 증기 터빈 공급 가능 출력으로서 얻는 공정,
수요 전력이 상기 증기 터빈 공급 가능 출력을 웃도는 경우에는, 상기 증기 터빈의 출력이, 상기 증기 터빈 공급 가능 출력과 동등한 값이 되도록 결정하는 공정, 그리고
상기 증기 터빈의 출력과 상기 수요 전력의 차분을 보충하도록 상기 파워 터빈의 출력을 결정하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 발전 방법.