KR20110084441A - 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치 - Google Patents

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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

선내 부하의 급격한 변화와 관련하여 동력 터빈 및 증기 터빈의 출력 제어 응갑성을 향상시킬 수 있는 폐열 회수 시스템을 위한 제어 장치가 개시된다. 폐열 회수 시스템을 위한 제어 장치에는 엔진 배기 가스를 이용하는 드라이브를 제공하는 동력 터빈 및 엔진 배기 가스 이코노마이저로 발생된 증기를 이용하는 드라이브를 제공하는 증기 터빈이 구비되어 있고, 동력 터빈의 출력을 제어하는 동력 터빈 제어 수단 및 증기 터빈의 출력을 제어하는 증기 터빈 제어 수단이 구비되고, 이 두른 동력 터빈 및 증기 터빈에 의해 전기 발전기를 구동한다. 동력 터빈 제어 수단에는: 동력 터빈 목표값과 실제 동력 터빈 출력 사이의 편차에 기초하여 제어 밸브 조작량을 산출하는 동력 터빈 피드백 제어 수단, 및 엔진 부하, 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈 출력 목표값 및 제어 밸브 조작량 사이의 관계가 미리 설정된 동력 터빈 개도 지령 맵으로부터 제어 밸브 조작량을 추출하는 동력 터빈 피드포워드 제어 수단이 구비된다. 동력 터빈 제어 수단은 피드포워드 제어 수단으로부터의 조작량과 피드백 제어 수단으로부터의 조작량을 가산함으로써 제어 밸브의 개도를 설정한다.

Description

배열 회수 시스템을 위한 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM}
본 발명은 선박용 배열 회수 시스템을 위한 제어기, 특히, PID 제어기에 의한 연산 및 동력 터빈의 회전 속도의 편차에 의해 제어 밸브의 개도를 설정하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치에 관한 것이다.
선박용 배열 회수 시스템으로서, 엔진으로부터의 배기 가스를 이용하는 배기 가스 이코노마이저를 사용하여 메인 엔진으로부터 배출되는 배기 가스와의 열교환을 실시함으로써 증기 터빈이 구동되는 발전 시스템 및 선박 내에서 전기 부하를 부분적으로 보상하도록 엔진 출력에 의해 샤프트 발전기를 회전시킴으로써 동력이 발생되는 시스템이 있다. 이들 유형의 시스템이 선박의 동력 절약의 관점에서 제안되어 왔다. 예를 들어, 특허 문헌 1 (JP2007-001339A) 은, 엔진으로부터의 배기 가스가 사용되어 동력 터빈을 구동시키고 선박 내의 전기 부하를 부분적으로 보상하는 시스템을 개시하고 있다.
동력 터빈을 구비한 배열 회수 시스템에서, 동력은 엔진 부하에 따라 증기 터빈, 동력 터빈 및 샤프트 발전기로 분배된다. 동력 터빈에 의한 발전은 일반적으로 ON/OFF 밸브 등의 밸브에 의해 제어된다. 이러한 경우에, 증가된 선내 부하로 인해 터빈 트립이 발생하면, 밸브를 폐쇄하거나 유동을 우회함으로써 증기 유동을 완전하게 차단하여서, 증기의 유량을 정확하게 제어하는 것이 불가능해진다.
도 7 은 종래의 배열 회수 시스템에서 실행되는 제어 논리를 도시하는 블록도이다. 도 8 은 도 7 과 관련된 제어 논리에 대한 흐름도이다. 도 7 의 제어 논리는 단계 S21 에서 시작되고, 단계 S22 에서 발전 출력 지령 컴퓨터 (52) 가 엔진 부하로부터 동력 터빈의 목표 출력값을 산출한다. 단계 S23 에서 실제 출력값이 측정되고, 단계 S24 에서 감산기 (53) 가 동력 터빈의 목표 출력값과 실제 출력값 사이의 차를 산출한다. 그 다음, PID 제어기 (54) 가 제어 편차에 기초하여 PID 연산을 실행하여서 조작량 (O1) 을 얻는다.
그 다음, 단계 S26 에서 동력 터빈의 목표 회전과 실제 회전 사이의 회전차에 기초하여 밸브 개도 환산기 (51) 가 피드백 제어의 출력 신호를 조작량 (O2) 으로 환산한다. 그 다음, 단계 S27 에서 가산기 (55) 가 조작량 (O1) 과 조작량 (O2) 를 가산하여서 제어 밸브의 조작량을 결정한다. 단계 S27 이후에, 프로세스는 단계 S22 로 돌아온다.
이 방식으로, 동력 터빈의 제어 밸브의 개도가 피드백 제어를 실행함으로써 설정된다.
또한, 특허문헌 2 (JP3804693B) 는 밸브의 개도를 제어하기 위한 본 발명을 제안하고 있다. 특허문헌 2 에 따르면, 부하측 순환수 온도 센서가 부하측 순환 배관의 배열 회수 지점보다 하류측에 형성되어 부하측 순환수의 온도를 측정하고; 배열 순환 검출 수단은 순환수 온도 센서에 의해 검출되는 부하측 순환수의 온도가 부하측 순환수의 제 1 설정 온도 및 측정된 온도와 비교하여 부하측 순환수의 제 1 설정 온도보다 작지 않을 때 제 1 열 배출 신호를 출력하고; 유동 상태 검출 수단은 부하측 순환 배관 상에 배열되어 부하측 순환수의 유동 상태가 정상인지 비정상인지를 검출하고 비정상 유동이 검출될 때에 따라 제 2 열 배출 신호를 출력하고; 유지 (hold) 수단이 냉각수 온도 센서에 의해 측정된 냉각수의 온도가 제 1 설정 온도보다 낮아지게 되는 지점으로 제 2 배출 신호에 기초한 열 배출 신호를 출력하고; 피드포워드측 (feedforward side) 제어기가, 배열에 대한 요구가 없을 때 냉각수의 유동이 열 교환기로 공급되는 양이 되도록 해주고 엔진의 정격 작동을 가능하게 해주는 밸브의 개도보다 작게 미리 설정되는 설정량으로 배출량 조절기의 개도를 설정하도록 제어 출력을 출력하고; 그리고 피드백측 제어기가 냉각수 온도 센서에 의해 측정된 온도에 기초하여 제어 출력을 출력하여서 측정된 온도가 더 높아짐에 따라 배열이 증가하도록 제어기를 제어한다. 피드포워드측으로부터의 제어 출력은, 배열 제어기를 제어하기 위한 제어 출력을 산출하도록 피드백측 제어기로부터의 제어 출력에 추가된다.
배열 회수량의 급격한 변화에서 기인한 오버슛 (overshoot) 의 발생을 방지한다는 관점에서 특허문헌 2 에 기재된 배열 회수 시스템이 만들어졌다.
그러나, 선내 부하의 급격한 감소는 잉여 동력을 발생시켜서 동력 터빈의 출력을 즉시 감소시킬 필요가 있게 된다. 이러한 경우에, 주파수의 변동이 동력 터빈의 출력 제어 응답성에 따라 커질 수도 있다.
증기 터빈의 동력 발생시와 유사하게, 선박 부하의 급격한 감소는 잉여 동력을 발생시킨다. 이에 대한 조치를 취하기 위해서, 증기 터빈의 출력을 감소시키도록 밸브에서의 유량을 제어할 필요가 있다. 이러한 경우에, 주파수의 변동은 증기 터빈의 출력 제어 응답성에 따라 커질 수도 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 선내 부하의 급격한 감소가 있을 경우, 주파수의 변동을 고려할 필요가 있다. 그러나, 특허 문헌 2 는 이에 대한 해결책을 개시하고 있지 않다. 또한, 선내 부하의 급격한 감소로 인한 동력 터빈 또는 증기 터빈의 출력을 제어하기 위해서, 동력 공급을 안정화에 필요한 시간은 응답 속도에 따라 달라진다.
특허문헌 1: JP2007-1339A
특허문헌 2: JP3804693B
상기 문제점의 관점에서, 본 발명의 목적은 선내 부하의 급격한 변화에 대응하여 증기 터빈 및 동력 터빈의 출력 제어 응답성을 향상시키는 것이다.
상기 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 엔진의 배기 가스를 이용하여 구동되는 동력 터빈, 엔진의 배기 가스를 이용하는 배기 가스 이코노마이저에 의해 발생되는 증기를 사용하여 구동되는 증기 터빈, 및 동력 터빈 및 증기 터빈에 의해 구동되는 발전기를 포함하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치를 제안하고, 상기 제어 장치는: 동력 터빈의 상류측에 배열되어 있고 배기 가스 유동을 조절함으로써 동력 터빈의 출력값을 제어하는 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 제 1 제어 밸브 기구, 증기 터빈의 상류측에 배열되어 있고 증기 터빈의 출력값을 제어하는 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 제 2 제어 밸브 기구, 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량을 제어하는 동력 터빈 제어기, 및 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 제어하는 증기 터빈 제어기를 포함하고, 상기 동력 터빈 제어기는 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값과 동력 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 PID 제어기를 이용하여 산출하여 제 1 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하는 동력 터빈 피드백 제어 유닛, 및 엔진 부하, 상기 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값 및 상기 제 1 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈에 대한 미리 정해진 개도 지령 맵으로부터 제 1 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛을 포함하고, 상기 동력 터빈 제어기는 상기 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량 및 상기 동력 터빈 피드백 제어 유닛으로부터 얻어진 제 2 조작량을 가산함으로써 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량을 산출한다.
본 발명에 따르면, 엔진 부하, 상기 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값 및 상기 제 1 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈에 대한 미리 정해진 개도 지령 맵; 피드백 제어 유닛은 미리 정해진 개도 지령 맵으로부터 제 1 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 얻고, 그리고 상기 동력 터빈 제어기는 상기 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량 및 상기 동력 터빈 피드백 제어 유닛으로부터 얻어진 제 2 조작량을 가산함으로써 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량을 산출한다. 그 결과, 동력 터빈의 출력 제어 응답성이 향상되고 주파수의 변동이 감소된다.
이에 따라, 선내 부하가 급격하게 감소할 때에도, 동력 터빈의 출력 제어 응답성이 향상될 수 있다.
본 발명에서는, 상기 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량이 상기 동력 터빈으로의 배기 가스의 유입을 제어하기 위한 유동 제어 밸브의 조작량인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량은 상기 동력 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 바이패스 밸브의 조작량인 것이 바람직하다.
유동 제어 밸브의 조작량을 제어하는 경우에는, 동력 터빈으로의 배기 가스의 유입이 직접 제어되어서 동력 터빈의 출력이 효과적으로 제어될 수 있고 유입이 완전하게 차단될 수 있다. 그 결과, 선내 부하가 감소할 때 동력 터빈의 발전이 즉각적으로 감소될 수 있다.
한편, 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 경우에는, 동력 터빈으로의 배기 가스의 유입이 동력 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어함으로써 간접적으로 제어될 수 있다. 그 결과, 동력 터빈의 출력이 정확하게 제어될 수 있다.
또한, 상기 증기 터빈 제어기는 제 2 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하도록 PID 제어기를 사용하여 증기 터빈의 실제 출력값과 엔진 부하로부터 산출된 증기 터빈의 목표 출력값 사이의 차를 산출하는 증기 터빈 피드백 제어 유닛, 및 엔진 부하, 상기 엔진 부하로부터 산출된 증기 터빈의 목표 출력값 및 상기 제 2 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 갖는 증기 터빈에 대한 미리 설정된 조작량 지령 맵으로부터 제 2 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 증기 터빈 피드포워드 제어 유닛을 포함하고, 상기 증기 터빈 제어기는 증기 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량과 증기 터빈 피드백으로부터 얻어진 제 2 조작량을 가산함으로써 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 산출한다.
이로써, 동력 터빈과 유사한 방식으로, 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 얻도록 증기 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량이 증기 터빈 피드백으로부터 얻어진 제 2 조작량에 가산되어서, 증기 터빈의 출력 제어 응답성을 향상시키고 또한 주파수의 변동을 감소시킨다. 그 결과, 증기 터빈의 출력 제어 응답성은 선내 부하가 감소하는 경우에도 향상될 수 있다.
증기 터빈의 출력을 제어하기 위해서, 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량은 증기 터빈을 향항 배기 가스의 유입을 제어하기 위한 유동 제어 밸브의 조작량 또는 증기 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 바이패스 밸브의 조작량일 수도 있다.
동력 터빈의 출력 제어와 유사한 방식으로, 유동 제어 밸브의 개도를 제어하는 경우에는, 증기 터빈으로의 배기 가스의 유입이 직접 제어될 수 있어서 증기 터빈의 출력이 효과적으로 제어될 수 있고 유동이 완전하게 차단될 수 있다. 내 부하가 감소할 때 동력 터빈의 발전이 즉각적으로 감소될 수 있다.
한편, 바이패스 밸브의 개도를 제어하는 경우에는, 증기 터빈으로의 배기 가스의 유입이 증기 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어함으로써 간접적으로 제어될 수 있다. 그 결과, 증기 터빈의 출력이 정확하게 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 제어 장치는 바람직하게는 동력 터빈의 목표 출력값을 증기 터빈 부하의 변화에 따라 보정하여 동력 터빈의 보정된 목표 출력값을 얻는 동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛을 더 포함하고, 상기 동력 터빈 피드백 제어 유닛 및 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛은 동력 터빈의 보정된 목표 출력값에 기초하여 산출을 실행한다.
이로써, 동력 터빈 및 증기 터빈은 독립적으로 제어되는 것 대신에 서로 결합하여 제어될 수 있다.
즉, 증기형 유닛은 반응이 더 느려서, 증기 터빈은 마스터 유닛으로서 작동되고 동력 터빈은 작동량을 설정하기 위해서 종속 유닛으로서 작동된다.
구체적으로, 동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛은 관찰되는 증기 터빈 부하의 변화에 대응하여 동력 터빈의 목표 출력값을 보정한다.
선내 동력 요구가 급격히 감소할 때는, 증기 터빈의 부하 및 동력 터빈의 부하를 감소시킬 필요가 있다. 그러나, 증기형 유닛의 응답성은 낮아서 증기 터빈 출력이 동력 터빈의 출력의 감소에 이어 감소한다. 이러한 경우에, 선내에서 요구되는 최소 전기가 보장될 필요가 있기 때문에, 동력 터빈의 목표 출력이 증기 터빈의 출력 (부하), 즉 증기 터빈의 출력의 감소에 대응하여 증가되어야 한다.
이 방식으로, 증기 터빈의 부하 상태가 모니터링되면서 동력 터빈의 목표 출력이 보정된다. 그 결과, 선내 부하의 감소에 대응하여, 동력 터빈의 출력을 불균형적으로 제어하는 것 대신에 동력 터빈 및 증기 터빈 모두가 서로 결합되어 제어된다.
또한, 상기 동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛이, 증기 터빈 부하, 엔진 부하 및 동력 터빈의 보정된 목표 출력값 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈에 대한 미리 정해진 보정 개도 지령 맵에 기초하여, 엔진 부하 및 증기 터빈 부하로부터 동력 터빈의 보정된 목표 출력값을 산출하는 것도 바람직하다. 이 방식으로, 동력 터빈의 보정된 목표 출력값이 동력 터빈에 대한 미리 정해진 보정 개도 지령 맵을 이용하여 용이하게 얻어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 선내 부하의 급속한 변화에 대응하여 동력 터빈 및 증기 터빈의 출력 제어 응답성을 향상시킬 수 있는, 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은 본 발명과 관련한 제어 장치의 일반적인 구조 및 배열 회수 시스템을 개략적으로 도시하는 구성 다이아그램이다.
도 2 는 바람직한 제 1 실시형태의 배열 회수 시스템에서 실시되는 제어 논리를 도시하는 블록도이다.
도 3 은 바람직한 제 1 실시형태의 제어 논리를 도시하는 흐름도이다.
도 4 는 x-축선 상에서 제 1 제어 밸브 기구의 제어 밸브 (B) 의 개도 맵을 도시한다.
도 5 는 바람직한 제 2 실시형태의 배열 회수 시스템에서 실시되는 제어 논리를 도시하는 블록도를 도시한다.
도 6 은 바람직한 제 2 실시형태의 제어 논리를 도시하는 흐름도이다.
도 7 은 종래의 배열 회수 시스템에서 실시되는 제어 논리를 도시하는 블록도이다.
도 8 은 도 7 과 관련된 종래의 경우의 제어 논리를 도시하는 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시형태가 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 특별히 기재되지 않는다면, 치수, 재료, 형상, 상대 위치 등은 도시된 바와 같이 이해되어야 하고 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
[바람직한 제 1 실시형태]
먼저, 본 발명과 관련된 배열 회수 시스템의 구성이 도 1 을 참조하여 설명될 것이다. 도 1 은 선박을 추진하기 위한 엔진 (22), 상기 엔진 (22) 의 출력에 의해 회전되는 프로펠러, 상기 엔진 (22) 으로 공급될 공기를 압축하기 위한 과급기 (21), 상기 과급기 (21) 로부터 공기를 냉각하기 위한 냉각기 (31), 동력 터빈 (23, 가스 터빈), 증기 터빈 (26), 및 발전기 (28) 를 포함한다.
동력 터빈 (23) 은 감속기 (24) 를 통해 증기 터빈 (26) 에 연결되고 증기 터빈 (26) 은 다른 감속기 (27) 를 통해 발전기 (28) 에 연결된다. 감속기 (24 및 27) 는 크기와 기어 치부의 수가 상이하다. 동력 터빈 (23) 과 증기 터빈 (26) 을 연결시키는 회전 샤프트, 및 증기 터빈 (26) 과 발전기 (28) 를 연결시키는 회전 샤프트가 클러치 (25) 를 통해 연결되어서 회전 동력이 전달되거나 차단된다.
또한, 배열 이코노마이저 (150) 가 제공된다. 엔진 (22) 으로부터 배출된 배기 가스가 과급기 (21) 를 통해서 또는 과급기 (21) 와 동력 터빈 (23) 모두를 통해서 배기 가스 이코노마이저 (150) 로 공급된다. 배기 가스 이코노마이저 (150) 에서 발생된 증기는 증기 터빈 (26) 으로 도입되어서 증기 터빈 (26) 을 작동시킨 다음 동력 터빈 (23) 의 동력으로 발전기 (28) 를 회전시킨다. 증기는 증기 터빈 (57) 의 하류측에 배열된 응축기 (29) 에 있는 물로 되돌아간다. 이어서, 물은 냉각기 (31) 의 열 및 엔진 (22) 의 벽을 냉각하기 위해 사용되는 열에 의해 가열된 후에 물이 증발하는 배기 가스 이코노마이저 (150) 로 공급되어서 증기를 발생기킨다.
동력 터빈 (23) 에 의한 동력 발생은 제어 밸브 (A, B 및 C) 에 의해 형성되는 제 1 밸브 기구에 의해 제어된다. 증기 터빈 (26) 에 의한 동력 발생은 제어 밸브 (D, E, 및 F) 에 의해 형성된 제 2 밸브 기구에 의해 제어된다. 바람직한 제 1 실시형태에서, 제 1 제어 밸브 기구는 제어 밸브 (A 및 C) 가 완전하게 개방되거나 소정량 개방되어 있는 상태에서 제어 밸브의 개방을 제어하는 관점에서 설명되고 제 2 제어 밸브 기구는 제어 밸브 (D 및 F) 가 완전하게 개방되거나 소정량 개방되어 있는 상태에서 제어 밸브 (E) 의 개방을 제어하는 관점에서 설명된다.
배열 회수 시스템의 제어 장치 (1000) 의 제어 장치는, 제어 밸브 (A, B 및 C) 에 의해 형성된 제 1 제어 밸브의 총 조작량을 제어하는 동력 터빈 제어기 (101), 및 제어 밸브 (D, E, 및 F) 에 의해 형성된 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 제어하는 증기 터빈 제어기 (102) 를 포함한다.
또한, 동력 터빈 제어기 (101) 는, 제 1 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하도록 PID 제어기를 사용하는 동력 터빈의 실제 출력값과 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값 사이의 차를 산출하는 동력 터빈 피드백 제어 유닛 (104), 및 엔진 부하, 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값과 제 1 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈을 위한 미리 설정된 개도 지령 맵 (105) 으로부터의 제 1 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛 (106) 을 포함한다.
또한, 증기 터빈 제어기 (102) 는, 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값과 증기 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 PID 제어기를 이용하여 산출하여 제 2 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하는 증기 터빈 피드백 제어 유닛 (108), 및 엔진 부하, 엔진 부하로부터 산출된 증기 터빈의 목표 출력값과 제 2 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 갖는 증기 터빈에 대한 미리 설정된 개도 지령 맵 (105) 으로부터의 제 2 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛 (106) 을 포함한다.
배열 회수 시스템에서 제어 장치에 의해 실시되는 제어 논리가 도 2 및 도 3 을 참조하여 설명된다. 도 2 는 바람직한 제 1 실시형태의 배열 회수 시스템에서 실시되는 제어 논리를 도시하는 블록도이다. 도 3 은 바람직한 제 1 실시형태의 제어 논리를 도시하는 흐름도이다. 도 2 및 도 3 은, 동력 터빈 (26) 의 동력 발생이 제 1 제어 밸브 기구의 제어 밸브 (B) 에 의해 제어되는 경우를 도시한다.
도 2 의 제어 논리에서, 공정은 단계 S1 에서 시작하고, 제어 밸브 (B) 의 개도 맵이 단계 S2 에서 엔진의 각 부하에 대한 동력 터빈의 소망하는 출력을 얻는 제어 밸브 (B) 의 조작량을 산출하거나 측정함으로써 준비된다. 도 4 는 제어 밸브 (B) 의 개도 맵 (동력 터빈을 위한 개도 지령 맵, 105) 을 도시한다.
제어 밸브의 개도 맵은 엔진 부하 및 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값에 의해 결정된다. 동력 터빈의 목표 출력값은 엔진 부하에 대응하여 설정된다. 그리고 맵은, 제어 밸브 (B) 의 개도가 출력과 관련하여 조정될 수 있도록 사용될 수 있다. 도 4 는 엔진 부하가 50 %, 60 %, 및 100 % 인 3 가지 경우의 제어 밸브 개도를 도시한다. 엔진 부하가 50 % 미만일 때, 엔진으로부터의 전체 배기 가스의 에너지는 감소한다.
단계 S3 에서, 목표 발전 출력 산출 유닛 (2, 도 2 참조) 는 엔진 부하로부터 동력 터빈을 위한 목표 출력값을 산출한다. 단계 S4 에서, 동력 터빈의 실제 출력값이 측정된다. 단계 S5 에서, 감산기 (3, 도 2 참조) 는 동력 터빈의 목표 출력값과 동력 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 산출한다. 단계 S6 에서, PID 제어 유닛 (4, 도 2 참조) 은 조작량 (O1) 을 얻기 위해서 상기 차이에 근거하여 PID 산출을 실행한다.
단계 S7 에서, 밸브 개도 환산기 (1, 도 2 참조) 는 동력 터빈의 실제 회전과 목표 회전 사이의 회전 차에 근거한 조작량 (O2) 로 피드백 제어의 출력 신호를 환산한다. 단계 S8 에서, 개도 산출 유닛 (5, 도 2 참조) 은 조작량 (O3) 을 추출하여서 단계 S1 에서 준비된 제어 밸브 (B) 의 개도 지령 맵 (105) 으로부터의 동력 터빈의 목표 출력값을 달성한다. 단계 S9 에서, 가산기 (6) 가 조작량 (O2) 과 조작량 (O3) 을 가산하고 다른 가산기 (7) 가 조작량 (O1) 을 더 가산하여서 제어 밸브 (B) 의 조작량을 결정한다. 단계 S9 를 완료한 후에, 공정은 단계 S2 로 돌아간다. 이 방식으로, 엔진 부하와 동력 터빈의 목표 출력 사이의 관계를 나타내고 개도 맵이 생기고, 상기 피드포워드 제어를 실행함으로써 개도 지령이 발생된다.
이리하여, 동력 터빈 (23) 을 위한 제어 밸브 (B) 의 개도 지령값이 피드백 제어시에 얻어진 조작량 (O1 및 O2) 에 피드포워드 제어시에 얻어진 조작량 (Os) 를 가산함으로써 얻어진 총 조작량으로서 설정된다. 피드포워드 제어시에 얻어진 조작량 (3) 을 가산함으로써, 동력 터빈의 출력 제어 응답성이 향상되고 전기 주파수의 변동이 감소된다.
또한, 증기 터빈 제어의 경우에, 증기 터빈 제어기 (102) 는 동력 터빈 제어와 동일한 방식으로 제어 공정을 실행한다.
구체적으로, 도 3 의 흐름도는 증기 터빈 제어를 위해 이하와 같이 설명될 수도 있다. 공정은 단계 S1 에서 시작하고, 제어 밸브 (E) 의 개도 맵 (109) 은, 단계 S2 에서 각각의 엔진 부하에 대한 증기 터빈의 소망하는 출력을 얻는 제어 밸브 (E) 의 개도를 산출하거나 측정함으로써 준비된다. 이 경우에, 제어 밸브 (E) 는 이전 경우의 제어 밸브 (B) 와 등가이고 준비된 개도 맵 (증기 터빈을 위한 개도 지령 맵, 109) 은 동력 터빈을 위한 개도 맵 (105) 과 등가이다.
도 4 는 이전 경우의 제어 밸브 (B) 의 개도 맵 (동력 터빈을 위한 개도 지령 맵, 105) 을 도시한다.
단계 S3 에서, 증기 터빈의 목표 출력값은 동력 터빈의 목표 출력값을 산출하는 것과 동일한 방식으로 얻어진다. 단계 S4 에서, 증기 터빈의 실제 출력값이 측정된다. 단계 S5 에서는, 감산기 (3) 가 증기 터빈의 목표 출력값과 증기 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 산출한다. 단계 S6 에서는, PID 제어 유닛 (4) 이 조작량 (O1') 을 얻도록 상기 차에 근거하여 PID 산출을 실행한다. 단계 S7 에서는, 밸브 개도 환산기 (1) 가 증기 터빈의 목표 회전과 실제 회전 사이의 회전 차에 근거하여 피드백 제어 출력 신호를 조작량 (O2') 으로 환산한다. 단계 S8 에서는, 조작량 (O3') 이 추출되어 단계 S1 에서 준비된 제어 밸브 (E) 의 개도 지령 맵 (109) 으로부터 증기 터빈의 목표 출력값을 달성하게 된다. 단계 S9 에서는, 조작량 (O1', O2' 및 O3') 의 합이 산출되어서 제어 밸브 (E) 의 조작량을 결정하게 된다.
이 방식으로, 증기 터빈 (26) 에 대한 제어 밸브 (E) 의 개도 지령 밸브가 피드백 제어시에 얻어진 조작량 (O1' 및 O2') 에 피드포워드 제어시에 얻어진 조작량 (O3') 을 가산함으로써 얻어진 총 조작량으로서 설정된다. 피드포워드 제어시에 얻어진 조작량 (O3') 을 더 가산함으로써, 증기 터빈의 출력 제어 응답성이 향상되고 전기 주파수의 변동이 감소된다.
바람직한 실시형태에서, 동력 터빈에 대한 유입량이 직접 제어될 수 있는 위치에 배열되는 유입 제어 밸브로서 제어 밸브 (B) 가 제공된다. 한편, 제어 밸브 (E) 는 증기 터빈 (26) 으로의 유입량이 직접 제어될 수 있는 위치에 배열된 유입 제어식 밸브로서 제공된다. 상기 구조로, 동력 터빈 (23) 및 증기 터빈 (26) 을 위한 출력 제어가 효과적으로 달성될 수 있고, 상기 터빈들로의 유입이 완전하게 차단될 수 있다. 그 결과, 선내 부하가 급격하게 떨어질 때 동력 터빈 (23) 및 증기 터빈 (26) 의 동력 출력을 즉시 감소시키는 것이 가능해진다.
또한, 제어 밸브 (B 및 E) 가 바람직한 실시형태에서 설명되었다. 그러나, 동력 터빈 (23) 을 우회하는 양을 제어하는 제어 밸브 (C), 및 증기 터빈 (26) 을 우회하는 양을 제어하는 제어 밸브 (F) 의 개도를 제어하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 동력 터빈 (23) 및 증기 터빈 (26) 의 출력이 정확하게 제어될 수 있다.
또한, 제어 밸브 (B) 에 대한 제어 밸브 개도 맵을 이용하는 예가 바람직한 실시형태에서 설명되었다. 그러나, 개도는 맵을 대신하는 산출 모델을 이용함으로써 순차적으로 산출될 수 있다.
[바람직한 제 2 실시형태]
바람직한 제 2 실시형태와 관련되는 배열 회수 시스템에서 제어 장치에 의해 실행되는 제어 논리가 도 5 및 도 6 을 참조하여 설명된다. 도 5 는 바람직한 제 2 실시형태의 배열 회수 시스템에서 실행되는 제어 논리를 도시하는 블록도이다. 도 6 은 바람직한 제 2 실시형태의 제어 논리를 도시하는 흐름도이다. 도 5 및 도 6 은 동력 터빈에 의한 발전을 제어하기 위한 제어 밸브 (B) 에 대한 경우를 도시한다.
바람직한 제 2 실시형태에서, 동력 터빈과 증기 터빈을 독립적으로 제어하는 것 대신에 서로 결합시켜 제어하기 위해서 제어 알고리즘이 성립된다. 일반적으로, 증기형 유닛은 반응이 더 느려서, 증기 터빈은 마스터 유닛으로 작동되고 동력 터빈은 종속 장치로서 작동되어서 동력 터빈을 위한 지령을 발생시킨다.
구체적으로, 도 5 의 제어 논리는 단계 S11 에서 시작한다. 단계 S12 에서, 제어 밸브 (B) 의 개도 맵은 각 엔진 부하에 대해 동력 터빈의 소망하는 출력을 얻는 제어 밸브 (B) 의 개도를 산출하거나 측정함으로써 준비된다. 도 4 는 제어 밸브 (B) 의 개도 맵 (동력 터빈에 대한 개도 지령 맵, 105) 을 도시한다. 제어 밸브 (B) 의 개도 맵은 도 4 에 도시되어 있는 바람직한 제 1 실시형태의 개도 맵과 동일하다. 그러나, 동력 터빈의 목표 출력값의 산출은 바람직한 제 1 실시형태와 상이하다.
단계 S13 에서, 목표 발전 출력 산출 유닛 (12, 도 5 참조) 이 엔진 부하로부터 증기 터빈에 대한 목표 출력값을 산출한다. 바람직한 제 1 실시형태에서, 동력 터빈의 목표 출력값은 엔진 부하만으로부터 산출된다. 대조적으로, 바람직한 제 2 실시형태에서 동력 터빈의 목표 출력값은 증기 터빈의 부하 변화에 대응하여 더 보정된다. 구체적으로, 동력 터빈의 목표 출력값은 증기 터빈의 부하가 감소하고 동력 터빈의 출력이 내려감에 따라 증가한다.
또한, 동력 터빈의 목표 출력값을 보정하기 위한 보정 유닛 (동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛 120) 이 제공된다. 동력 터빈의 목표 출력값은 보정 유닛에 의해 보정되거나 증기 터빈의 부하, 엔진 부하 및 동력 터빈의 보정된 목표 출력값 사이의 관계를 나타내는 보정 맵 (동력 터빈에 대한 보정 개도 지령 맵, 122) 에 기초하여 산출될 수도 있다. 동력 터빈의 보정된 목표 출력값은 보정 맵을 이용하여 용이하게 얻어질 수 있다.
다음으로, 단계 S14 에서, 동력 터빈의 실제 출력값이 측정된다. 단계 S15 에서, 감산기 (13, 도 5 참조) 가 동력 터빈의 목표 출력값과 동력 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 산출한다. 단계 S16 에서, PID 제어 유닛 (14, 도 5 참조) 이 상기 차에 기초하여 PID 산출을 실행하여서 조작량 (O1) 을 얻는다.
단계 S17 에서, 밸브 개도 환산기 (11, 도 5 참조) 가 동력 터빈의 목표 회전과 실제 회전 사이의 회전 차에 기초하여 피드백 제어의 출력 신호를 조작량 (O2) 로 환산한다. 단계 S18 에서, 개도 산출 유닛 (15, 도 5 참조) 은 조작량 (O3) 을 추출하여서 단계 S11 에서 준비된 제어 밸브 (B) 의 개도 지령 맵으로부터 동력 터빈의 보정된 목표 출력값을 달성한다. 단계 S19 에서, 조작량 (O1, O2 및 O3) 의 합이 가산기 (16 및 17, 도 5 참조) 에서 산출되어서 제어 밸브 (B) 의 개도를 결정한다. 단계 S19 를 완료한 이후에, 공장이 단계 S12 로 되돌아가서 공정을 반복한다.
바람직한 실시형태에서, 동력 터빈의 목표 출력값이 증기 터빈의 부하 변화에 대응하여 보정된다. 구체적으로, 증기 터빈측의 부하가 동력 터빈측에 의해 모니터링되면서 제어 밸브의 개도가 제어되어서, 동력 터빈측을 불균형적으로 모니터링하지 않고 제어 밸브의 양을 제어함으로써 잉여 동력의 변동이 억제될 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명에 따르면, 선내 부하의 급격한 변화에 대응하는 동력 터빈 및 증기 터빈의 출력 제어 응답성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 선박용 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치에 유익하게 적용될 것이다.

Claims (8)

  1. 엔진의 배기 가스를 이용하여 구동되는 동력 터빈, 엔진의 배기 가스를 이용하는 배기 가스 이코노마이저에 의해 발생되는 증기를 사용하여 구동되는 증기 터빈, 및 동력 터빈 및 증기 터빈에 의해 구동되는 발전기를 포함하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치로서,
    상기 제어 장치는,
    - 동력 터빈의 상류측에 배열되어 있고 배기 가스 유동을 조절함으로써 동력 터빈의 출력값을 제어하는 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 제 1 제어 밸브 기구,
    - 증기 터빈의 상류측에 배열되어 있고 증기 터빈의 출력값을 제어하는 적어도 하나의 제어 밸브를 포함하는 제 2 제어 밸브 기구,
    - 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량을 제어하는 동력 터빈 제어기, 및
    - 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 제어하는 증기 터빈 제어기를 포함하고,
    상기 동력 터빈 제어기는, 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값과 동력 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 PID 제어기를 이용하여 산출하여 제 1 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하는 동력 터빈 피드백 제어 유닛, 및 엔진 부하, 상기 엔진 부하로부터 산출된 동력 터빈의 목표 출력값 및 상기 제 1 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈에 대한 미리 정해진 개도 지령 맵으로부터 제 1 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛을 포함하고,
    상기 동력 터빈 제어기는 상기 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량 및 상기 동력 터빈 피드백 제어 유닛으로부터 얻어진 제 2 조작량을 가산함으로써 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량을 산출하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량은 상기 동력 터빈으로의 배기 가스의 유입을 제어하기 위한 유동 제어 밸브의 개도인 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1 제어 밸브 기구의 총 조작량은 상기 동력 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 바이패스 밸브의 개도인 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 증기 터빈 제어기는, 엔진 부하로부터 산출된 증기 터빈의 목표 출력값과 증기 터빈의 실제 출력값 사이의 차를 PID 제어기를 사용하여 산출하여 제 2 제어 밸브 기구의 제 1 조작량을 산출하는 증기 터빈 피드백 제어 유닛, 및 엔진 부하, 상기 엔진 부하로부터 산출된 증기 터빈의 목표 출력값 및 상기 제 2 제어 밸브 기구의 조작량 사이의 관계를 갖는 증기 터빈에 대한 미리 설정된 개도 지령 맵으로부터 제 2 제어 밸브 기구의 제 2 조작량을 추출하는 증기 터빈 피드포워드 제어 유닛을 갖고,
    상기 증기 터빈 제어기는 증기 터빈 피드포워드 제어 유닛으로부터 얻어진 제 1 조작량과 증기 터빈 피드백 제어 유닛으로부터 얻어진 제 2 조작량을 가산함으로써 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량을 산출하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량은 증기 터빈으로의 배기 가스의 유입을 제어하기 위한 유동 제어 밸브의 개도인 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 제어 밸브 기구의 총 조작량은 상기 증기 터빈을 우회하는 배기 가스의 유동을 제어하기 위한 바이패스 밸브의 개도인 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 동력 터빈의 목표 출력값을 증기 터빈 부하의 변화에 따라 보정하여 동력 터빈의 보정된 목표 출력값을 얻는 동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛을 더 포함하고, 상기 동력 터빈 피드백 제어 유닛 및 동력 터빈 피드포워드 제어 유닛은 상기 동력 터빈의 보정된 목표 출력값에 기초하여 산출을 실행하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 동력 터빈 목표 출력값 보정 유닛은, 증기 터빈 부하, 엔진 부하 및 동력 터빈의 보정된 목표 출력값 사이의 관계를 나타내는 동력 터빈에 대한 미리 정해진 보정 개도 지령 맵에 기초하여, 엔진 부하 및 증기 터빈 부하로부터 동력 터빈의 보정된 목표 출력값을 산출하는 배열 회수 시스템을 위한 제어 장치.
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