KR20120004362A

KR20120004362A - 발전 장치

Info

Publication number: KR20120004362A
Application number: KR1020110124825A
Authority: KR
Inventors: 마사끼 마쯔꾸마; 다까요시 마쯔이; 가쯔히로 우에하라; 다까유끼 와끼따
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2012-01-12
Also published as: KR101138115B1; CN101387206A; KR20090027138A; JP2009068367A; JP4922110B2; CN101387206B

Abstract

본 발명의 발전 장치는 제1 압력 센서와, 제2 압력 센서와, 증기 터빈으로의 공급압을 조정하기 위한 유량 조정 밸브와, 제1 압력 센서에 의해 검출된 증기 공급압의 검출값과 제2 압력 센서에 의해 검출된 증기 배출압의 검출값이 입력되고, 그들 검출값과 미리 설정된 증기 터빈의 사양값을 기초로 하여 증기 터빈의 구동 토크를 산출하고, 이 구동 토크가 미리 설정된 최대 부하 토크를 넘지 않도록 유량 조정 밸브를 제어하는 컨트롤러를 구비하고 있다. 이와 같은 구성에 의해, 구동기측의 구동 토크가 과대해지는 것을 방지하거나, 혹은 만일 구동 토크가 과대해져 그것에 의한 문제가 발생해도 그 영향을 최대한 작게 하여, 이후의 유지 보수를 용이하게 한다.

Description

발전 장치{POWER GENERATOR}

본 발명은 증기 등의 유체에 의해 구동되는 증기 터빈 등의 구동기(구동원)에 의해, 또한 발전기를 구동하는 발전 장치에 관한 것이다.

발전 설비를 계통 연계하기 위해서는 발전 주파수를 상용 주파수(50 ㎐/60 ㎐)로 할 필요가 있다. 이로 인해, 상용 주파수가 60 ㎐인 경우에는 발전기의 회전수가 3600 rpm으로 되도록 하고 있다.

그런데, 발전기의 구동원으로 되는 터빈에 있어서, 그 터빈이 가스 터빈인 경우에는 공급되는 연료 가스(및 공기)의 양에 의해 구동 토크가 결정되고, 터빈이 증기 터빈인 경우에는 공급되는 증기량에 의해 구동 토크가 결정된다. 그리고, 이 구동 토크와 발전기측의 부하 토크에 의해 발전기의 회전수가 결정되게 된다. 그러나, 터빈의 구동 토크가 충분하게 큰 경우라도, 전술한 바와 같이 발전기가 3600 rpm으로 되도록 설정할 필요가 있기 때문에, 터빈의 상류측에 연료 가스량 또는 증기량을 조절하는 조절 수단을 설치하는 동시에, 터빈의 구동축에 감속기를 설치하는 것이 행해지고 있다.

예를 들어, 일본 특허출원공개 제2000-170548호에는, 도4에 도시한 바와 같이 연료 공급량을 조절하는 연료 유량 제어 밸브(120)와, 터빈 회전수를 감속시키는 감속기(122)가 설치된 구성이 개시되어 있다. 즉, 압축기(124)에서 압축된 공기가 연소용 공기로서 연소기(126)에 공급되는 한편, 이 연소기(126)에는 연료 유량 제어 밸브(120)를 통해 연료가 공급되어 연소가 행해진다. 이 연소기(126)로부터의 연소 가스는 터빈(128)으로 도입되어 터빈(128)을 회전 구동하고, 이 터빈(128)의 구동축에 설치된 감속기(122)에서 회전수가 감속되어 발전기(130)를 구동하는 구성으로 되어 있다.

한편, 일본 특허출원공개 제2002-84795호에는, 도5에 도시한 바와 같이 가스 터빈 엔진(140)을 발전기(142)의 구동원으로 하는 발전 장치에 있어서, 상용 주파수보다도 고주파의 전력을 발전하는 동시에, 이 고주파수의 전력을 전력 변환기(144)에 의해 상용 주파수의 전력으로 변환하는 구성이 개시되어 있다. 즉, 이 발전 장치에서는, 발전기(142)를 고속 회전에 견딜 수 있는 발전기에 의해 구성하는 동시에, 가스 터빈 엔진(140)에 발전기(142)를 직결하고, 이 가스 터빈 엔진(140)을 수만 rpm 내지 수십만 rpm의 회전 속도로 구동함으로써 1 ㎑ 내지 3 ㎑ 정도의 고주파수의 전력을 발전하고 있다. 그리고, 이 고주파수의 전력을 일단 정류 회로(146)에 의해 직류 전력으로 변환하고, 또한 인버터(148)에 의해 상용 주파수에 동기하는 교류 출력으로 변환하여 계통에 연계하고 있다.

전술한 바와 같이, 구동기측의 구동 토크와 발전기측의 부하 토크에 의해 발전기의 회전수가 결정되고, 나아가서는 발전기에 의해 발생되는 전력이 결정된다. 그런데, 통상은 발전기의 허용하는 회전수에는 상한이 있고, 또한 발전기측의 부하 토크에도 상한이 있으므로, 즉 구동기측의 구동 토크에도 상한이 있게 된다. 그와 같은 제약 중에서 구동 토크를 적정하게 제어하고, 최대의 전력을 확보하는 것이 발전 장치로서는 중요해진다.

그러나, 구동 토크를 적정하게 제어하는 것에는 때때로 곤란이 수반하고, 경우에 따라서는 전술한 구동 토크가 과대해져 발전기에 문제를 미칠 가능성도 있었다. 그러나, 상기 각 특허문헌에는, 그와 같은 구동 토크가 과대해진 경우의 문제를 회피하기 위한 특단의 방책은 개시되어 있지 않다.

따라서, 본 발명은 이러한 점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 구동기측의 구동 토크가 과대해지는 것을 방지하거나, 혹은 만일 구동 토크가 과대해져 그것에 의한 문제가 발생해도 그 영향을 최대한 작게 하여, 이후의 유지 보수가 용이한 발전 장치를 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 발전 장치이며, 유체에 의해 구동되는 구동기와, 상기 구동기에 의해 구동되어 발전하는 발전기와, 상기 구동기로의 유체의 공급압을 검출하는 공급압 검출 수단과, 상기 구동기로부터의 유체의 배출압을 검출하는 배출압 검출 수단과, 상기 공급압 또는 상기 배출압을 조정하기 위한 압력 조정 수단과, 상기 공급압 검출 수단에 의해 검출된 유체의 공급압의 검출값과, 상기 배출압 검출 수단에 의해 검출된 유체의 배출압의 검출값이 입력되고, 그들 검출값과 미리 설정된 상기 구동기의 사양값을 기초로 하여 상기 구동기의 구동 토크를 산출하고, 이 구동 토크가 미리 설정된 최대 부하 토크를 넘지 않도록 상기 압력 조정 수단을 제어하는 제어 수단으로 이루어진다.

본 발명에서는, 미리 설정된 발전기의 흡수할 수 있는 최대 부하 토크에 구동 토크가 도달하면, 압력 조정 수단을 제어하여, 공급압과 배출압의 차압을 감소시켜 구동 토크를 저감하도록 구성하고 있으므로, 구동기측의 구동 토크가 과대해지는 것을 방지할 수 있고, 구동 토크가 과대한 것에 수반하는 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 만일 구동 토크가 과대해지는 경우가 있었다고 해도 그것에 의한 문제의 영향을 최대한 작게 할 수 있다. 이 결과, 이후의 유지 보수를 용이한 것으로 할 수 있다.

또한, 여기서 말하는「구동 토크가 미리 설정된 최대 부하 토크를 넘지 않는다」라고 함은, 정상적인 상태에 있어서 구동 토크가 미리 설정된 최대 부하 토크를 넘지 않는 것을 의미하고 있다. 즉, 과도 상태에 있어서 구동 토크가 미리 설정된 최대 부하 토크를 일시적으로 넘는 것은 허용된다.

여기서, 상기 압력 조정 수단은 상기 구동기의 유체 공급측의 유로에 설치된 조정 밸브인 것이 바람직하다. 이 형태에서는, 구동기로 공급되는 유체의 압력을 직접적으로 조정할 수 있으므로, 구동 토크가 과대해지는 것을 방지하기 쉽게 할 수 있다.

본 발명의 발전 장치는, 증기 생성 수단에서 생성된 증기를 증기 이용 설비로 유도하는 주 배관에 접속하도록 설치하여, 증기 이용 설비로 도입되기 전의 증기를 이용한 발전에 적절하다. 이 형태에서는, 상기 구동기가 증기로 구동되는 것으로 하고, 상기 구동기의 입구측에 접속되는 도입관과, 상기 구동기의 출구측에 접속되는 배출관이 설치되고, 상기 도입관 및 상기 배출관은 가능하게 구성되고, 상기 도입관 및 상기 배출관을 상기 주 배관에 접속함으로써, 이 주 배관을 흐르는 증기가 상기 도입관으로 유입하여 상기 구동기로 도입되고, 이 구동기로부터 배출된 증기가 상기 배출관을 통해 상기 주 배관으로 복귀되도록 구성한다.

이와 같은 증기 이용 설비로 도입되기 전의 증기를 이용한 발전의 경우, 단순히 그 증기의 일부를 이용하는 형태에서는, 증기 이용 설비로 도입되는 증기량의 변동에 의해 구동 토크가 변동할 수 있다. 본 발명의 발전 장치에 따르면, 가령 증기량이 변동해도, 증기 공급측 압력과 배출측 압력을 검출함으로써 시시각각의 발전기 구동 토크를 정확하게 산출하여, 구동 토크가 과대해지는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 발전 장치에 따르면, 증기 이용 설비로 도입되기 전의 증기를 이용하여 발전을 행할 수 있으므로, 증기 생성 수단에서 생성된 증기를 유효 이용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 구동기측의 구동 토크가 과대해지는 것을 방지하거나, 혹은 만일 구동 토크가 과대해져 그것에 의한 문제가 발생해도 그 영향을 최대한 작게 하여, 이후의 유지 보수가 용이한 발전 장치를 제공할 수 있다.

도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 발전 장치의 전체 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도2는 상기 발전 장치에 설치된 발전기 및 냉각액 탱크를 도시하는 단면도이다.
도3은 내부 이론 압축 동력(Nthi) 및 과부족 팽창 동력(NΔP)을 설명하기 위한 특성도이다.
도4는 종래 발전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도5는 종래 발전 장치의 구성을 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 관한 발전 장치의 일 실시 형태를 나타내고 있다. 도1에 도시한 바와 같이, 이 발전 장치(20)는 증기 생성 수단(10)에서 생성되어 증기 이용 설비(12)에서 이용되는 증기의 에너지를 이용하여 발전을 행하는 것이다. 이하, 구체적으로 설명한다.

상기 증기 생성 수단(10)과 상기 증기 이용 설비(12)는 증기가 유통하는 주 배관(14)에 의해 접속되어 있다. 이 주 배관(14)에는 감압 밸브(16)가 설치되어 있다.

상기 증기 생성 수단(10)은 주 배관(14)에 병렬로 접속된 복수의 보일러(10a)에 의해 구성되어 있다. 이들 각 보일러(10a)는 증기 발생량이 예를 들어 2톤/시간 정도의 것이 이용되고 있고, 각 보일러(10a)는, 각각 예를 들어 소형 관류 보일러에 의해 구성되어 있다.

상기 증기 이용 설비(12)는, 예를 들어 급탕기, 난방기, 목욕탕 설비, 건조기, 세정 설비, 주방 기기, 살균기 등, 예를 들어 150 내지 200 ℃ 정도의 증기를 이용하는 설비이다.

본 실시 형태에 관한 발전 장치(20)는 증기 터빈(22), 발전기(24), 주파수 변환기(26), 컨트롤러(28), 냉각 수단(30) 등을 구비하고 있고, 이들은 케이싱(32) 내에 수납되어 있다. 또한, 이 케이싱(32)에는 환기 팬(34)이 배치되어 있다.

상기 증기 터빈(22)은, 예를 들어 스크루 팽창기에 의해 구성되어 있다. 증기 터빈(22)은 대상으로 되는 증기의 최대 공급량으로부터 얻어지는 최고 회전수가 허용 회전수의 범위 내로 되도록 선정되어 있다.

증기 터빈(22)에는, 이 증기 터빈(22)의 입구측에 접속되는 도입관(36)과, 증기 터빈(22)의 출구측에 접속되는 배출관(38)이 설치되어 있다. 도입관(36)은 상기 주 배관(14)에 있어서의 감압 밸브(16)의 상류측에 접속되고, 또한 배출관(38)은 상기 주 배관(14)에 있어서의 감압 밸브(16)의 하류측에 접속되어 있다. 이에 의해, 증기 생성 수단(10)에서 생성된 증기의 적어도 일부가 증기 터빈(22)으로 도입되고, 이 증기 터빈(22)으로부터 배출된 증기가 주 배관(14)으로 복귀되도록 되어 있다.

도입관(36)에는 상류측으로부터 차례로 개폐 밸브(40), 드레인 세퍼레이터(42), 유량 조정 밸브(44) 및 긴급 차단 밸브(46)가 설치되어 있다. 개폐 밸브(40)는 상기 주 배관(14)과의 접속부의 근방에 배치되어 있다. 드레인 세퍼레이터(42)는 도입관(36)을 흐르는 증기로부터 드레인을 분리하기 위한 것이다. 유량 조정 밸브(44)는 도입관(36)을 흐르는 증기 유량을 조정하는 것이며, 컨트롤러(28)에 의해 개폐 제어가 가능하게 구성되어 있다. 유량 조정 밸브(44)는 증기 터빈(22)으로의 공급압을 조정하기 위한 압력 조정 수단으로서 기능하는 것이다. 긴급 차단 밸브(46)는 도입관(36)을 완전히 차단하는 것이며, 컨트롤러(28)에 의해 제어 가능하게 되어 있다.

배출관(38)에 있어서의 주 배관(14)과의 접속부의 근방에는 개폐 밸브(50)가 설치되어 있다. 이 개폐 밸브(50)와 상기 도입관(36)의 개폐 밸브(40)는 주 배관(14)을 흐르는 증기를 도입관(36)으로 도입하는지 여부를 절환하는 절환 수단을 구성하고 있다. 즉, 증기 생성 수단(10)에서 생성된 증기를 그대로 증기 이용 설비(12)로 유도할 때에는 이들 개폐 밸브(40, 50)를 폐쇄하고, 증기를 이용한 발전을 행할 때에는 이들 개폐 밸브(40, 50)를 개방한다. 또한, 이들 개폐 밸브(40, 50)는 완전 개방 및 완전 폐쇄의 2 상태로 절환 가능한 개폐 밸브, 개방도 조정 가능한 개폐 밸브의 어느 것에 의해 구성할 수도 있다. 또한, 절환 수단으로서 개폐 밸브(40, 50) 대신에 삼방 절환 밸브를 배치해도 좋다. 이 경우, 삼방 절환 밸브는 주 배관(14)과 도입관(36)의 접속부 및 주 배관(14)과 배출관(38)의 접속부에 배치되게 된다.

도입관(36)에는 증기 터빈(22)으로 도입되는 증기의 압력(공급압)을 검출하는 제1 압력 센서(52)가 설치되어 있다. 또한 배출관(38)에는 증기 터빈(22)으로부터 배출된 증기의 압력(배출압)을 검출하는 제2 압력 센서(56)가 설치되어 있다.

상기 발전기(24)의 회전축(60)은 커플링(62)을 통해 증기 터빈(22)의 구동축(64)과 결합되어 있다. 즉, 발전기(24)의 회전축(60)은 증기 터빈(22)의 구동축(64)과 감속기를 개재하지 않고 연결되어 있다. 이로 인해, 발전기(24)의 운전 회전수는 증기 터빈(22)의 회전수와 동일해진다.

발전기(24)에서 발전된 전력은 상기 주파수 변환기(26)로 도입되도록 되어 있다. 이 주파수 변환기(26)는 발전기(24)에서 발전된 전력의 주파수를 변환하는 것이며, 예를 들어 10 내지 100 ㎐의 전력을 60 ㎐의 상용 주파수의 전력으로 변환한다. 주파수 변환기(26)는 발전기(24)에서 발전한 교류를 직류로 변환한다. 그리고, 이 직류의 전력을 원하는 주파수 즉 상용 주파수의 전력으로 변환하여 출력한다. 주파수 변환기(26)로부터 출력된 전력은 변압기(68)를 통해 계통(70)에 연계된다.

상기 냉각 수단(30)은 발전기(24)를 냉각하기 위한 것이고, 냉각액이 순환하는 순환로(72)를 구비하고 있다. 이 순환로(72)에는 냉각액 탱크(74)와 펌프(75)와 냉각기(76)가 설치되어 있다. 냉각액 탱크(74)는 냉각액을 저장하기 위한 것이다. 펌프(75)는 냉각액 탱크(74) 내의 냉각액을 압송하기 위한 것이고, 이 펌프(75)를 구동함으로써 냉각액이 순환로(72)를 순환한다. 냉각기(76)는 발전기(24)로 도입되는 냉각액을 냉각하기 위한 것이고, 이 냉각기(76)에는 냉각수가 유통하는 냉각수 통로(76a)가 설치되어 있고, 이 냉각수 통로(76a)를 흐르는 냉각수로 냉각액을 냉각한다. 냉각액으로서는, 예를 들어 오일이 이용되고 있다.

상기 발전기(24)는, 도2에 도시한 바와 같이 대략 원통 형상으로 형성된 몸통부(80a)와, 이 몸통부(80a)의 양단부에 설치되는 단부 벽부(80b)를 갖는 발전기 케이싱(80)을 구비하고 있고, 몸통부(80a)의 축 방향이 수평으로 되는 자세로 냉각액 탱크(74) 상에 설치되어 있다. 발전기 케이싱(80)의 양단부 벽부(80b)에는 내측에 향해 돌출하는 원통 형상의 보스부(80c)가 각각 설치되고, 이 양 보스부(80c)를 상기 회전축(60)이 관통하고 있다. 보스부(80c)에는 베어링(82)이 설치되어 있고, 회전축(60)은 회전 가능하게 되어 있다.

회전축(60)은 수평 방향으로 연장하도록 배치되고, 한쪽의 보스부(80c)(도2에 있어서의 좌측)로부터 외측으로 연장되어 있고, 커플링(62)을 통해 증기 터빈(22)의 구동축(64)에 결합되어 있다.

발전기 케이싱(80)의 단부 벽부(80b)에는, 발전기 케이싱(80)의 상단부로부터 보스부(80c) 내로 연장하는 급유 구멍(80d)이 형성되어 있다. 이 급유 구멍(80d)을 통해 윤활유가 베어링(82)에 공급된다. 그리고, 보스부(80c)에 있어서의 베어링(82)보다도 축 방향 외측에는 축 밀봉부(84)가 설치되어 있고, 베어링(82)의 윤활유가 케이싱 외부로 누출되지 않도록 되어 있다. 한편, 발전기 케이싱(80)의 하단부에, 발전기 케이싱(80) 내와 냉각액 탱크(74)의 상부 개구(86)를 연통하는 연통로(88)가 설치되어 있고, 보스부(80c) 내로부터 발전기 케이싱(80) 내로 유출한 윤활유가 연통로(88)를 통해 냉각 탱크(74) 내로 흘러내리도록 되어 있다. 즉, 이 윤활유는 냉각액으로서 이용되고 있는 오일과 동일한 것이 이용되고 있다. 또한, 발전기 케이싱(80)에 연통로(88)를 형성하는 구성 대신에, 발전기 케이싱(80)의 하단부로부터 외측으로 연장하는 배관(도시 생략)을 설치하고, 이 배관의 선단부를 냉각액 탱크(74)에 접속하는 구성으로 해도 좋다.

발전기(24)는 내부 영구 자석 동기 발전기(IPM)에 의해 구성되어 있다. 즉, 발전기 케이싱(80)의 몸통부(80a)에 스테이터(90)가 고정되는 동시에, 이 스테이터(90)의 내주측에 로터(91)가 설치되어 있다. 그리고, 로터(91)의 내부에 영구 자석(도시 생략)이 끼워 넣어지는 동시에, 이 로터(91)는 상기 회전축(60)에 고정되어 있다.

스테이터(90)에는 코일(93)이 권취 장착되어 있고, 이 코일(93)은 전장(電裝) 포트(95)와 결선(結線)되어 있다. 이 전장 포트(95)에는 주파수 변환기(26)에 연결되는 배선이 접속되어 있다. 또한, 코일(93)에는, 도시 생략한 온도 센서가 설치되어 있고, 이 온도 센서는 전장 포트(96)와 결선되어 있다. 이 전장 포트(96)에는 컨트롤러(28)에 연결되는 배선이 접속되어 있다.

발전기 케이싱(80)의 몸통부(80a)에는 입구 포트(98)와 출구 포트(99)가 설치되어 있고, 이들 입구 포트(98) 및 출구 포트(99)는 몸통부(80a) 내에 형성된 냉각로(100)에 의해 연통되어 있다. 입구 포트(98)는 몸통부(80a)의 한쪽측에 설치되고, 상기 순환로(72)에 있어서의 냉각기(76)측의 단부가 접속되어 있다. 한편, 출구 포트(99)는 몸통부(80a)의 다른 쪽측에 설치되고, 상기 순환로(72)에 있어서의 냉각액 탱크(74)측의 단부가 접속되어 있다.

냉각로(100)는 축 방향에 간격을 두고 배치되는 동시에 몸통부(80a) 내를 주위 방향으로 연장하는 복수의 주위 방향부(100a)와, 이들 주위 방향부(100a)를 연통하도록 축 방향으로 연장하는 축 방향부(100b)를 구비하고 있다. 그리고, 입구 포트(98)를 통해 도입된 냉각액이 출구 포트(99)를 향해 주위 방향부(100a)와 축 방향부(100b)를 유통하도록 되어 있다. 이에 의해, 발전기 케이싱(80)의 몸통부(80a)가 치우침 없이 냉각되도록 되어 있다.

여기서, 발전 장치(20)의 운전 동작에 대해 설명한다. 각 보일러(10a)의 구동에 의해 생성된 증기는 주 배관(14)을 흘러 감압 밸브(16)에서 감압된 후 증기 이용 설비(12)로 도입된다. 그리고, 발전을 행하는 경우에는 도입관(36)의 개폐 밸브(40) 및 배출관(38)의 개폐 밸브(50)를 개방하고, 이에 의해, 각 보일러(10a)에서 생성되어 주 배관(14)을 흘러 온 증기의 일부가 도입관(36)으로 분류된다. 이 경우라도, 증기 이용 설비(12)로 증기가 보내지므로, 증기 이용 설비(12)에 있어서 증기를 이용할 수 있다.

도입관(36)으로 분류된 증기에 의해 증기 터빈(22)이 구동되고, 그것에 수반하여 발전기(24)의 회전축(60)이 회전하고, 전력이 생성된다.

전술한 바와 같이, 제1 압력 센서(52)(즉 유체의 공급압을 검출하는 공급압 검출 수단)에 의해, 증기 터빈(22)으로 도입되는 증기의 압력이 검출되고, 제2 압력 센서(56)(유체의 배출압을 검출하는 배출압 검출 수단)에 의해 증기 터빈(22)으로부터 배출된 증기의 압력이 검출되고 있다.

컨트롤러(28)(즉 제어 수단)에서는, 그들 검출값과 미리 설정된 증기 터빈(22)(즉 구동기)의 사양값을 기초로 하여 증기 터빈(22)의 구동 토크를 산출하고 있다. 또한, 컨트롤러(28)에서는, 미리 설정된 발전기(24)의 흡수할 수 있는 최대 부하 토크를 구동 토크가 넘지 않도록 유량 조정 밸브(44)(즉 압력 조정 수단)를 제어한다. 즉, 최대 부하 토크에 구동 토크가 가까워진 경우, 컨트롤러(28)는 유량 조정 밸브(44)의 개방도를 조정하여, 공급압과 배기압의 차압을 감소시켜 구동 토크를 저감하도록 구성되어 있다.

이하, 증기 터빈(22)의 구동 토크의 산출 및 유량 조정 밸브(44)의 개방도 제어에 대해 구체적으로 설명한다.

증기 터빈(22)이 예를 들어 스크루 팽창기와 같은 용적형의 증기 터빈인 경우에는, 증기 터빈(22)의 축 토크(Tg)는, 이하의 식(1)

…(1)

로 산출된다. 여기서, Nth는 이론 발생 동력(㎾)이고, Nm은 기계적 손실(베어링, 축 밀봉, 기어 등의 손실 동력)(㎾)이다.

이론 발생 동력(Nth)은, 이하의 식(2)

…(2)

로 산출된다. 여기서, Nthi는 내부 이론 압축 동력(㎾)이고, NΔP는 과부족 팽창 동력(㎾)이며, 각각 도3에서 나타내어진다. 내부 이론 압축 동력(Nthi), 과부족 팽창 동력(NΔP)은, 이하의 식(3), 식(4)로 산출된다.

…(3)

…(4)

여기서, n은 폴리트로프 지수, Vi는 내부 용적비, Vth2는 배기 행정 체적(㎥/rev), P1은 급기 압력(㎏/㎠A), P2는 배기 압력(㎏/㎠A), P2i는 내부 배기 압력(㎏/㎠A)이다(「㎏/㎠A」는 절대압을 의미함). 또한, P2i = P1/Vi^κ이다. 도3의 횡축은 배기 행정 체적(Vth2)을 100 ％로 했을 때의 비율을 나타내고 있다.

상기 식(3), 식(4)에 있어서, 급기 압력(공급압)(P1) 및 배기 압력(배출압)(P2) 이외에는 사전에 알고 있는 정수이므로, 급기 압력(P1)과 배기 압력(P2)을 감시함으로써 증기 터빈(22)의 축 토크(Tg)를 계산할 수 있게 된다. 또한, 감속기를 갖는 경우에는 감속비를 rg로 하여, 발전기 토크(T)는,

...(5)

로 하여 계산할 수 있다. 이 토크가「발전기의 허용하는 축 토크」를 넘지 않도록 유량 조정 밸브(44)의 개방도를 조정하여, 급기 압력(P1)을 제어한다.

즉, 발전기(24)의 사양으로부터 미리 결정되는「발전기의 허용하는 축 토크」의 값으로부터 최대 부하 토크(Tth)를 컨트롤러(28)에 설정한다. 최대 부하 토크(Tth)는「발전기의 허용하는 축 토크」와 등가라도 좋고, 혹은「발전기의 허용하는 축 토크」보다도 약간 낮은 값이라도 좋다.

그리고, 컨트롤러(28)는 입력되는 급기 압력(P1)과 배기 압력(P2)으로부터 상기 식(1) 내지 식(5)를 기초로 하여 구동 토크(T)(또는 Tg)를 산출한다. 산출된 구동 토크(T)(또는 Tg)와 최대 부하 토크(Tth)를 비교하고, 그 결과 구동 토크(T)(또는 Tg)가 최대 부하 토크(Tth)보다도 큰 경우에는, 컨트롤러(28)는 현재 상태의 유량 조정 밸브(44)의 개방도의 값과, 구동 토크(T)(또는 Tg)와, 최대 부하 토크(Tth)로부터 PID 연산에 의해 조정해야 할 유량 조정 밸브(44)의 개방도를 산출하고, 상응하는 제어 신호를 유량 조정 밸브(44)에 대해 발신한다. 예를 들어, 최대 부하 토크(Tth)의 값 혹은 최대 부하 토크(Tth)보다도 약간 작은 값을 제어 목표치로 하여, 구동 토크(T)(또는 Tg)가 그 제어 목표치와 일치하도록 PID 제어한다. 이에 의해, 유량 조정 밸브(44)의 개방도가 조정되어「발전기의 허용하는 축 토크」의 범위 내에서 증기 터빈(22)이 구동된다.

발전기(24)의 운전 중에 있어서, 발전기(24) 내에서의 온도가 도시 생략한 온도 센서로 검출되고 있고, 냉각액이 순환로(72)를 순환하고 있다. 즉, 펌프(75)의 구동에 의해 냉각액 탱크(74) 내의 냉각액이 송출되어, 냉각기(76)에 있어서 냉각수 통로(76a)의 냉각수에 의해 냉각되고, 이 냉각된 냉각액이 발전기(24)로 도입된다. 그리고, 냉각액은 입구 포트(98)를 경유하여 냉각로(100)의 주위 방향부(100a) 및 축 방향부(100b)를 유통하고, 발전기 케이싱(80)의 몸통부(80a)를 균등하게 냉각한다. 이에 의해, 발전기(24)의 발열을 효율적으로 억제할 수 있다. 그리고, 냉각로(100)를 흐른 냉각액은 출구 포트(99)를 경유하여 순환로(72)를 흐르고, 냉각액 탱크(74)로 복귀된다. 냉각액은 이 순환을 계속한다.

발전기(24)에서 생성된 전력은 전장 포트(95)를 통해 주파수 변환기(26)에 출력된다. 이 전력의 주파수는, 예를 들어 10 내지 100 ㎐로 되어 있다. 그리고, 이 전력은 주파수 변환기(26)에 있어서 상용 주파수의 전력으로 변환되어 출력되고, 변압기(68)를 통해 계통(70)에 연계된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 미리 설정된 발전기(24)의 흡수할 수 있는 최대 부하 토크(Tth)에 구동 토크(T)(또는 Tg)가 도달하면, 압력 조정 수단을 제어하여, 급기 압력(P1)과 배기 압력(P2)의 차압을 감소시켜 구동 토크(T)(또는 Tg)를 저감하도록 구성하고 있으므로, 증기 터빈(22)측의 구동 토크(T)(또는 Tg)가 과대해지는 것을 방지할 수 있고, 구동 토크(T)(또는 Tg)가 과대인 것에 수반하는 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 만일 구동 토크(T)(또는 Tg)가 과대해지는 경우가 있었다고 해도 그것에 의한 문제의 영향을 최대한 작게 할 수 있다. 이 결과, 이후의 유지 보수를 용이한 것으로 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 압력 조정 수단이 증기 터빈(22)의 급기측에 설치된 유량 조정 밸브(44)에 의해 구성되어 있으므로, 증기 터빈(22)에 공급되는 증기의 압력을 직접 조정할 수 있다. 이로 인해, 구동 토크(T)(또는 Tg)가 과대해지는 것을 방지하기 쉽게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 증기 이용 설비(12)로 도입되기 전의 증기를 이용하여 발전을 행할 수 있으므로, 증기 터빈(22)의 최대 부하 토크 범위 내에 조정하면서, 증기 생성 수단(10)에서 생성된 증기를 유효 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은 본 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경, 개량 등이 가능하다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는 발전기를 구동하는 구동기를 증기 터빈(22)으로서 구성했으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 유체의 공급압과 배출압에 의해 구동 토크가 변화되는 구동기이면 좋다. 예를 들어, 도입관(36)에 설치된 유량 조정 밸브(44) 대신에, 배출 밸브(38)에 유량 조정 밸브를 설치하고, 컨트롤러(28)에 의한 개폐 제어에 의해 배출 밸브(38)를 흐르는 증기 유량을 조정하는 것으로 해도 좋다.

또한, 발전기(24)에서 발전한 교류를 직류로 변환하기 위해, 회전축(60)의 단부에 펄스 제너레이터를 설치하고, 그 펄스 제너레이터로부터의 출력값에 따라서 주파수 변환기(26)가 상기한 변환을 행하도록 구성해도 좋다.

10 : 증기 생성 수단
10a : 보일러
12 : 증기 이용 설비
14 : 주 배관
16 : 감압 밸브
20 : 발전 장치
22 : 증기 터빈
24 : 발전기
26 : 주파수 변환기
28 : 컨트롤러
30 : 냉각 수단
36 : 도입관
38 : 배출관
40 : 개폐 밸브
44 : 유량 조정 밸브
46 : 긴급 차단 밸브

Claims

발전 장치이며,
증기 생성 수단과,
상기 증기 생성 수단에 의해 생성된 증기를 이용하는 증기 이용 설비와,
상기 증기 생성 수단으로부터 상기 증기 이용 설비로 증기를 유도하는 주 배관과,
증기에 의해 구동되는 구동기와,
상기 구동기에 의해 구동되어 발전하는 발전기와,
상기 주 배관을 흐르는 증기의 일부를 상기 구동기에 도입하여 상기 구동기를 구동하도록 상기 주 배관과 상기 구동기의 입구측을 접속하는 도입관과,
상기 구동기로부터 배출된 증기를 상기 주 배관으로 복귀시키도록, 상기 주 배관과 상기 구동기의 출구측을 접속하는 배출관과,
상기 구동기로의 증기의 공급압을 검출하는 공급압 검출 수단과,
상기 구동기로부터의 증기의 배출압을 검출하는 배출압 검출 수단과,
상기 공급압 또는 상기 배출압을 조정하기 위한 압력 조정 수단과,
상기 공급압 검출 수단에 의해 검출된 증기의 공급압의 검출값과, 상기 배출압 검출 수단에 의해 검출된 증기의 배출압의 검출값이 입력되고, 그들 검출값과 미리 설정된 상기 구동기의 사양값을 기초로 하여, 상기 구동기의 구동 토크를 산출하고, 이 구동 토크가 미리 설정된, 상기 발전기가 흡수할 수 있는 최대 부하 토크를 넘지 않도록 상기 압력 조정 수단을 제어하는 제어 수단으로 이루어지는 발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 압력 조정 수단은 상기 구동기의 유체 공급측의 유로에 설치된 조정 밸브인 발전 장치.