WO2010074173A1 - 排熱回収システムの制御装置 - Google Patents

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WO2010074173A1
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control valve
control
turbine
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祐介 坂口
芳弘 市来
隆之 金星
太田 裕二
鍵本 良実
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for a marine exhaust heat recovery system, and more particularly, to a control device for an exhaust heat recovery system that sets the opening of a control valve based on a calculation by a PID controller and a rotational speed deviation of a power turbine.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2007-1339.
  • Patent Document 1 is a system that drives a power turbine using exhaust gas from an engine to cover a part of inboard load power.
  • the power distribution of the steam turbine, power turbine, shaft generator, etc. is determined according to the engine load. Since power generation by a power turbine is conventionally controlled by a valve such as an ON / OFF valve, when there is a possibility that the load on the ship will suddenly decrease and a turbine trip occurs, steam that flows in by closing the valve or providing a bypass Is completely stopped, and precise flow control is impossible.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a control logic performed in a conventional exhaust heat recovery system
  • FIG. 8 is a flowchart of the control logic according to FIG.
  • the control logic of FIG. 7 when started in step S ⁇ b> 21, the power turbine output target value is calculated from the engine load by the power generation output command calculation 52 in step S ⁇ b> 22.
  • the power turbine actual output value is measured.
  • the difference between the power turbine output target value and the power turbine actual output value is calculated by the subtractor 53.
  • the PID controller 54 calculates the difference in control.
  • a PID control calculation is performed to derive an operation amount O 1 .
  • the output signal of the feedback control (not shown) based on the rotational speed difference between the target rotational speed speed of the power turbine is converted to the operation amount O 2 at opening terms 51 in step S26, the operation amount O 1 and the operation in step S27
  • the amount O 2 is calculated by the addition 55 to determine the opening degree of the control valve. Then, the process returns to the previous stage of step S22.
  • the opening degree of the control valve of the power turbine is set by feedback control.
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 3804663 is disclosed as an invention for controlling the valve opening.
  • a load-side circulating water temperature sensor that is provided downstream of the exhaust heat recovery load of the load-side circulating pipe and measures the temperature of the load-side circulating water flowing therethrough, and the load-side circulating water temperature sensor
  • the exhaust heat recovery amount detection means for comparing the temperature of the load side circulating water measured with the first set temperature and outputting a heat radiation signal when the temperature of the load side circulating water is equal to or higher than the first set temperature;
  • a flow state detection means provided in the load side circulation pipe for detecting whether the flow state of the load side circulating water is a predetermined flow state or any other abnormal flow state and outputting a heat radiation signal upon detection of the abnormal flow state
  • a holding means for outputting a heat dissipation signal until the measured temperature of the cooling water by the cooling water temperature sensor becomes lower than a second set temperature based on the heat dissipation signal, and in response to the heat dissip
  • Patent Document 2 The exhaust heat recovery system disclosed in Patent Document 2 is controlled by paying attention to the water temperature in order to prevent the occurrence of overshoot due to a rapid fluctuation of the exhaust heat recovery amount.
  • the inboard load suddenly decreases, surplus power is generated, so it is necessary to immediately reduce the power turbine output.
  • the fluctuation of the power frequency may become large.
  • surplus power is generated when the load on the ship decreases rapidly. Therefore, it is necessary to immediately control the flow rate of the valve to reduce the steam turbine output.
  • the fluctuation of the power frequency becomes large depending on the response of the steam turbine output control.
  • Patent Document 2 does not describe any fluctuation of the power frequency. Furthermore, when the shipboard load power is drastically reduced and the outputs of the power turbine and the steam turbine are controlled, it may take time to set the supplied power due to the difference in response speed.
  • JP 2007-1339 A Japanese Patent No. 3804663
  • an object of the present invention is to improve the responsiveness of the output control of the power turbine and the steam turbine with respect to a sudden change in the ship load.
  • the present invention includes a power turbine that is driven by using exhaust gas from an engine, and a steam turbine that is driven by using steam generated by an exhaust gas economizer of the engine, and the power turbine and the steam.
  • a first control valve mechanism comprising one or a plurality of control valves that drive a generator by a turbine, adjust the flow rate of the exhaust gas by controlling a flow rate of the exhaust gas, and control the output of the power turbine;
  • a power turbine control means for controlling an operation amount of the first control valve mechanism, and a second control valve mechanism comprising one or a plurality of control valves that are disposed in a preceding stage of the steam turbine and that control an output of the steam turbine.
  • a steam turbine control means for controlling an operation amount of the second control valve mechanism.
  • the bin control means calculates a manipulated variable of the first control valve mechanism by calculating a deviation between a power turbine output target value calculated from the engine load and an actual power turbine output by a PID controller.
  • the first control valve mechanism from a power turbine opening command map in which a relationship between the engine load, a power turbine output target value calculated from the engine load, and an operation amount of the first control valve mechanism is set in advance.
  • Power turbine feedforward control means for extracting the operation amount of the power turbine, and adding the operation amount from the power turbine feedforward control means and the operation amount from the power turbine feedback control means to add the first control valve mechanism It is characterized in that it is set as the operation amount.
  • the power turbine opening command map in which the relationship between the engine load, the power turbine output target value calculated from the engine load, and the operation amount of the first control valve mechanism is set in advance is created.
  • the amount of operation from the feedback control means are added to set the amount of operation of the first control valve mechanism, thereby improving the power control response of the power turbine and reducing power frequency fluctuations. It becomes possible. Therefore, even when the inboard load is suddenly reduced, the responsiveness of the output control of the power turbine can be improved.
  • the operation amount of the first control valve mechanism may be an opening degree of an inflow control valve that controls an inflow amount to the power turbine, or an operation amount of the first control valve mechanism.
  • the opening degree of the bypass control valve for controlling the bypass amount of the power turbine may be used.
  • the amount of inflow into the power turbine can be indirectly controlled by controlling the amount of bypassing the power turbine, so that the output of the power turbine can be finely controlled.
  • the steam turbine control means calculates a deviation between the steam turbine output target value calculated from the engine load and the actual steam turbine output by a PID controller, and operates the operation amount of the second control valve mechanism.
  • Steam turbine feedback control means for calculating The operation of the second control valve mechanism is determined from a steam turbine opening command map in which the relationship between the engine load, the steam turbine output target value calculated from the engine load and the operation amount of the second control valve mechanism is preset.
  • a steam turbine feedforward control means for extracting the quantity, The operation amount of the second control valve mechanism is set by adding the operation amount from the steam turbine feedforward control means and the operation amount from the steam turbine feedback control means.
  • the output control of the steam turbine is performed. Responsiveness is improved, and power frequency fluctuations can be reduced. Therefore, the responsiveness of the output control of the steam turbine can be improved even if the inboard load is suddenly reduced.
  • the operation amount of the second control valve mechanism may be an opening degree of an inflow control valve that controls the inflow amount to the steam turbine, or the second control valve mechanism May be the opening degree of a bypass control valve that controls the bypass amount of the steam turbine.
  • the control of the inflow control valve and the control of the bypass control valve in the case of the opening control of the inflow control valve, as in the case of the power turbine, the inflow amount to the steam turbine can be directly controlled. Since the steam turbine output can be controlled efficiently and the inflow can be completely blocked, the power generation output of the steam turbine can be immediately reduced when the inboard power is drastically reduced. Further, in the case of the bypass control valve, since the amount of inflow into the steam turbine can be indirectly controlled by controlling the amount of bypassing the steam turbine, the output of the steam turbine can be finely controlled.
  • the power turbine output target value is corrected according to a change in the steam turbine load, and the power turbine output target value is corrected.
  • the corrected power turbine output target value is corrected by the correction unit.
  • the power turbine feedback control means and the power turbine feedforward control means are controlled based on the above.
  • the power turbine and the steam turbine are not controlled independently of each other, but can be coordinated control. That is, since the response of the steam system is slow, the operation amount is set by operating the steam turbine as a master (main) and the power turbine as a slave (sub). Specifically, it has power turbine output target value correction means for monitoring the steam turbine load and correcting the power turbine output target value in accordance with the change of the steam turbine load. When shipboard power demand is drastically reduced, the output (load) of each of the steam turbine and power turbine is reduced. However, since the response of the steam system is slow, the output of the steam turbine is reduced after the power turbine output is reduced. .
  • the output target value of the power turbine is increased in accordance with the output (load) state of the steam turbine, that is, the output reduction state of the steam turbine. .
  • the output target value of the power turbine is corrected while monitoring the load state of the steam turbine. Therefore, the power turbine and the steam are not biased toward the output control of the power turbine with respect to the sudden decrease in the inboard power load. It is possible to control the turbine in cooperation.
  • the power turbine output target value correcting means is configured to determine whether the engine load and the steam turbine are based on a corrected power turbine opening command map in which a relationship between the steam turbine load, the engine load, and the corrected power turbine output target value is set in advance.
  • the corrected power turbine output target value may be calculated from the load, and the corrected power turbine output target value can be easily obtained by using the corrected power turbine opening command map in this way.
  • FIG. 3 is a flowchart of control logic according to the first embodiment. It is an opening degree map of control valve B of the 1st control valve mechanism. It is a block diagram which shows the control logic performed with the waste heat recovery system which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. 10 is a flowchart of control logic according to the second embodiment. It is a block diagram which shows the control logic performed with the conventional waste heat recovery system. It is a flowchart about the control logic which concerns on FIG.
  • the exhaust heat recovery system shown in FIG. 1 includes an engine 22 that propels a ship, a propeller 30 that rotates according to the output of the engine 22, a supercharger 21 that compresses air supplied to the engine 22, and a supercharger 21. It comprises a cooler 31 that cools the air, a power turbine (gas turbine) 23, a steam turbine 26, and a generator 28.
  • the power turbine 23, the steam turbine 26, and the generator 28 are connected by speed reducers 24 and 27 including gears that mesh with each other with different sizes and number of teeth.
  • the rotating shaft among the power turbine 23, the steam turbine 26, and the generator 28 is connected via the clutch 25, and rotational power is transmitted or interrupted.
  • an exhaust gas economizer 150 is provided, and exhaust gas discharged from the engine 22 is supplied to the exhaust gas economizer through the supercharger 21 or the supercharger 21 and the power turbine 23, and is generated by the exhaust gas economizer.
  • Steam is guided to the steam turbine 26 to drive the steam turbine 26, and the generator 28 is rotated together with the power of the power turbine 23.
  • Steam is returned to water by a condenser 29 provided at the subsequent stage of the steam turbine 26, and this water is heated by heat of the cooler 31 or heat for cooling the wall of the engine 22, and then supplied to an exhaust gas economizer to evaporate. Steam is generated.
  • Power generation by the power turbine 23 is controlled by control valves (valves) A, B, and C that constitute a first control valve mechanism, and power generation by the steam turbine 26 is control valve (valve) D that constitutes a second control valve mechanism.
  • control valves (valves) A, B, and C that constitute a first control valve mechanism
  • power generation by the steam turbine 26 is control valve (valve) D that constitutes a second control valve mechanism.
  • an opening command of the control valve B will be described in the first control valve mechanism when the control valves A and C are fully opened or at a constant opening state.
  • the opening command of the control valve E will be described with the control valves D and F fully opened or at a constant opening.
  • the control apparatus 100 of the exhaust heat recovery system includes a power turbine control means 101 that controls an operation amount of a first control valve mechanism including control valves (valves) A, B, and C, and control valves (valves) D, E, and F. And a steam turbine control means 102 for controlling an operation amount of the second control valve mechanism.
  • a power turbine control means 101 that controls an operation amount of a first control valve mechanism including control valves (valves) A, B, and C, and control valves (valves) D, E, and F.
  • a steam turbine control means 102 for controlling an operation amount of the second control valve mechanism.
  • the power turbine control means 101 calculates the operation amount of the first control valve mechanism by calculating the deviation between the target value of the power turbine output calculated from the engine load and the actual power turbine output by the PID controller. From the feedback control means 104, a power turbine opening command map 105 in which the relationship between the engine load, the power turbine output target value calculated from the engine load, and the operation amount of the first control valve mechanism is set in advance. And a power turbine feedforward control means 106 for extracting an operation amount of the control valve mechanism.
  • the steam turbine control means 102 calculates a deviation between the steam turbine output target value calculated from the engine load and the actual steam turbine output by a PID controller to calculate an operation amount of the second control valve mechanism.
  • Turbine feedback control means 108 From the steam turbine opening command map 109 in which the relationship between the engine load, the steam turbine output target value calculated from the engine load and the operation amount of the second control valve mechanism is preset, the operation of the second control valve mechanism And a steam turbine feedforward control means 110 for extracting the quantity.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a control logic performed in the exhaust heat recovery system according to the first embodiment
  • FIG. 3 is a flowchart of the control logic according to the first embodiment. 2 and 3 describe the control valve B of the first control valve mechanism that controls power generation by the power turbine 26.
  • FIG. 4 shows a control valve opening map (power turbine opening command map) 105 of the control valve B.
  • the control valve opening map is determined by the engine load and the power turbine output target value calculated from the engine load.
  • the target output of the power turbine is determined according to the engine load, and the opening of the control valve B can be adjusted with respect to the output.
  • FIG. 4 shows the control valve opening map when the engine load is 50%, 60%, and 100%.
  • a power turbine output target value is calculated from the engine load by the power generation output command calculator 2 (see FIG. 2).
  • the actual power turbine output value is measured.
  • step S5 the deviation between the power turbine output target value and the actual power turbine output value is calculated by the subtractor 3 (see FIG. 2).
  • step S6 the deviation is calculated.
  • a PID control calculation is performed by the PID controller 4 (see FIG. 2) to derive an operation amount O 1 .
  • step S7 an output signal of feedback control (not shown) is converted into an operation amount O 2 by the opening degree converter 1 (see FIG. 2) based on the rotational speed deviation from the target rotational speed of the power turbine.
  • step S8 Using the control valve opening degree map 105 of the control valve B prepared in Step 1, the opening operation amount of the control valve B from which the power turbine output target value is obtained by the opening degree calculator 5 (see FIG. 2) is extracted from the map. Then, an operation amount O 3 is obtained.
  • Step S9 in the sum of the manipulated variable O 1 and the operation amount O 2 and the operation amount O 3 is calculated by the adder 6 and 7 (see FIG. 2) sets the opening degree of the control valve B, again in front of the step S2 Repeat back.
  • the control valve opening degree map showing the relationship between the engine load, the power turbine output target value, and the opening degree of the control valve is created, and the opening degree command is generated by the feedforward control described above.
  • the operation amount of opening of the control valve B is relative to the operation amount O 1 and O off calculated by feedback control, further sum and an operation amount O 3 calculated by the feed-forward control of the power turbine 23 Is set as the opening command value. Therefore, the responsiveness of the output control of the power turbine is improved by adding the operation amount O 3 calculated by the feedforward control, and the power frequency fluctuation can be reduced.
  • the steam turbine control unit 102 executes the same control as the control in the power turbine control unit 101. That is, the flowchart of FIG. 3 is read as follows.
  • an opening map of the control valve E that obtains a desired steam turbine bin output for each engine load is calculated or measured in step S2.
  • a control valve opening map (steam turbine opening command map) 109 of the control valve E corresponding to the control valve opening map 105 of the control valve B shown in FIG. 4 is prepared.
  • step S3 the power turbine output target value is set as the steam turbine output target value.
  • step S4 the actual steam turbine output value is measured.
  • step S5 the actual steam turbine output value is subtracted from the target steam turbine output value.
  • step S6 the PID control calculation is performed to derive the operation amount O 1 ′.
  • step S7 based on the rotational speed deviation from the target rotational speed of the steam turbine.
  • An output signal of feedback control (not shown) is converted into an operation amount O 2 ′ by the opening converter 1, and in step S 8, the steam turbine output is obtained using the control valve opening map 109 of the control valve E prepared in step 1.
  • the opening operation amount of the control valve E from which the target value can be obtained is extracted, and the operation amount O 3 ′ is obtained.
  • step S9 the sum of the operation amount O 1 ′, the operation amount O 2 ′, and the operation amount O 3 ′ is calculated and set as the opening degree of the control valve E.
  • the opening degree of the control valve E of the steam turbine 26 is also calculated for the steam turbine 26 by the feedforward control with respect to the operation amounts O 1 ′ and O 2 ′ calculated by the feedback control.
  • the opening command value is set as an operation amount obtained by adding the operation amount O 3 ′. Therefore, the responsiveness of the output control of the steam turbine is improved by adding the operation amount O 3 ′ calculated by the feedforward control, and the power frequency fluctuation can be reduced.
  • control valve B is provided as an inflow control valve provided at a position for directly controlling the inflow amount to the power turbine 23, and the control valve E is provided at a position for directly controlling the inflow amount to the steam turbine 26. Since the inflow control valve is provided, the power turbine 23 and the steam turbine 26 can be efficiently controlled, and the inflow can be completely blocked. The power generation output of the steam turbine 26 can be immediately reduced.
  • control valves B and E have been described.
  • control valve C bypass control valve
  • control for controlling the bypass amount for bypassing the steam turbine 26 are described.
  • the opening degree of the valve F may be controlled. In this case, the output of the power turbine 23 and the steam turbine 26 can be finely controlled.
  • the example using the control valve opening map of the control valve B has been described.
  • the calculation may be performed sequentially using a calculation model instead of the map.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a control logic performed by the control device of the exhaust heat recovery system according to the second embodiment
  • FIG. 6 is a flowchart of the control logic according to the second embodiment. 5 and 6 describe the control valve B that controls power generation by the power turbine.
  • a control algorithm that is linked is constructed instead of controlling the power turbine and the steam turbine independently. Since the response of the steam system is generally slow, the steam turbine control is operated as a master and the power turbine is operated as a slave to create a power turbine command.
  • step S11 when started in step S11, an opening map of the control valve B that provides a desired power turbine output for each engine load is prepared by numerical calculation or measurement in step S12. .
  • the control valve opening map of the control valve B is the same as that of FIG. 4 described in the first embodiment, but the calculation of the power turbine output target value is different in this embodiment compared to the first embodiment.
  • a power turbine output target value is calculated from the engine load and the steam turbine load by the power generation output command calculator 12 (see FIG. 5).
  • the power turbine output target value is calculated only from the engine load.
  • the power turbine output target value is corrected in accordance with the change in the load of the steam turbine. Specifically, the power turbine output target value is increased as the steam turbine load decreases and the steam turbine output decreases.
  • Correcting means 120 for correcting the power turbine output target value is provided.
  • the correction by the correction means may be performed using a calculation formula, or a correction map (corrected power turbine opening command map) 122 in which the relationship between the steam turbine load, the engine load, and the corrected power turbine output target value is set in advance. You may make it calculate based on. By using the correction map, the corrected power turbine output target value can be easily obtained.
  • step S14 the power turbine actual output value is measured in step S14, and in step S15, the deviation between the power turbine output target value and the power turbine actual output value is calculated by the subtractor 13 (see FIG. 5). In step S16, the control deviation is calculated.
  • the PID controller 14 (see FIG. 5) performs PID control calculation to derive the manipulated variable O 1 .
  • step S17 based on the rotational speed deviation from the target rotational speed of the power turbine, an output signal of feedback control (not shown) is converted into an operation amount O 2 by the opening degree converter 11 (see FIG. 5). 11 is used to extract the opening operation amount of the control valve B from which the corrected power turbine output target value is obtained by the opening calculator 15 (see FIG. 5). The operation amount O 3 is obtained. The sum of the manipulated variable O 1 and the operation amount O 2 and the operation amount O 3 sets the opening degree of the control valve B is calculated by the adder 16, 17 (see FIG. 5) at step S9, and repeats the process returns to step S12.
  • the power turbine output target value is corrected corresponding to the change in the load of the steam turbine, that is, the control valve opening is controlled while monitoring the load on the steam turbine side on the power turbine side. Therefore, the opening degree command of the control valve can be issued so that the surplus power fluctuation is not directed toward the power turbine.

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Abstract

急激な船内負荷の変化に対してパワータービン及び蒸気タービンの出力制御の応答性を向上させることができる排熱回収システムの制御装置を提供する。エンジンの排ガスを用いて駆動するパワータービンと、エンジンの排ガスエコノマイザーで発生した蒸気を用いて駆動する蒸気タービンとを備え、パワータービンと蒸気タービンとによって発電機を駆動するとともに、パワータービンの出力を制御するパワータービン制御手段と、蒸気タービンの出力を制御する蒸気タービン制御手段とを備える排熱回収システムの制御装置において、前記パワータービン制御手段は、パワータービン出力目標値と実際のパワータービン出力との偏差を基に制御弁の操作量を算出するパワータービンフィードバック制御手段と、エンジン負荷とエンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と制御弁の操作量との関係が予め設定されたパワータービン開度指令マップから、制御弁の操作量を抽出するパワータービンフィードフォワード制御手段とを備え、前記フィードフォワード制御手段からの操作量と、フィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記制御弁の開度として設定する。

Description

排熱回収システムの制御装置
 本発明は、船舶用排熱回収システムの制御装置にかかわり、特に、PID制御器による演算とパワータービンの回転数偏差により制御弁の開度を設定する排熱回収システムの制御装置に関する。
 従来、船舶用排熱回収システムとして、エンジンの排ガスを利用して排ガスエコノマイザーを設けて主機関で仕事が済んだ排ガスの熱量を熱交換させて蒸気タービンを駆動して発電するシステムや、エンジンに軸発電機を設けて該エンジンの出力で軸発電機を回して船内負荷電力賄うシステムがある。このようなシステムは船舶の省エネ化技術として従来から提案されており、例えば特許文献1(特開2007-1339号公報)に開示される。特許文献1は、エンジンの排ガスを利用してパワータービンを駆動し、船内負荷電力の一部を賄うシステムである。
 前記パワータービンを備える排熱回収システムでは、エンジン負荷に応じて蒸気タービン、パワータービン、軸発電機などの電力配分を決めている。パワータービンによる発電は、従来ON/OFF弁のようなバルブで制御されるため、船内負荷が急減してタービントリップする可能性が生じた場合、バルブを閉じたりバイパスを設けたりして流入する蒸気を完全に止めており、細やかな流量制御は不可能である。 
 図7は従来の排熱回収システムで行われる制御ロジックを示すブロック図、図8は図7に係る制御ロジックについてのフローチャートである。図7の制御ロジックでは、ステップS21で開始されると、ステップS22で発電出力指令計算52によりエンジン負荷からパワータービン出力目標値を算出する。ステップS23でパワータービン実出力値を計測し、ステップS24でパワータービン出力目標値とパワータービン実出力値との差が減算器53によって計算され、ステップS25では制御偏差を基にPID制御器54でPID制御演算を行い、操作量Oを導出する。
 次いで、ステップS26でパワータービンの目標回転数数との回転数偏差を基に図示しないフィードバック制御の出力信号を開度換算51で操作量Oへ換算し、ステップS27で操作量Oと操作量Oとが加算55によって算出され、制御弁の開度が決定される。そして、ステップS22の前段に戻る。
 このようにして、パワータービンの制御バルブの開度がフィードバック制御により設定されていた。
 また、バルブ開度を制御する発明として、特許文献2(特許第3804693号公報)が開示されている。詳しくは、負荷側循環配管の前記排熱回収負荷よりも下流側に設けられて、そこを流れる負荷側循環水の温度を測定する負荷側循環水温度センサと、前記負荷側循環水温度センサで測定される負荷側循環水の温度と第1の設定温度とを比較して負荷側循環水の温度が第1の設定温度以上のときに放熱信号を出力する排熱回収量検出手段と、前記負荷側循環配管に設けられて、負荷側循環水の流動状態が所定の流動状態かそれ以外の異常流動状態かを検出して異常流動状態の検出に伴って放熱信号を出力する流動状態検出手段と、前記放熱信号に基づいて、前記冷却水温度センサによる冷却水の測定温度が第2の設定温度よりも低くなるまで放熱信号を出力させるホールド手段と、前記放熱信号に応答して、前記放熱量変更手段の弁開度を、前記エンジンが定格運転し、かつ、前記排熱回収負荷の排熱需要が零のときに前記放熱用熱交換器に供給すべき冷却水量を流す弁開度よりも小さい開度に予め設定した設定弁開度になるように制御出力を出すフィードフォワード側制御手段と、前記冷却水温度センサによる冷却水の測定温度に基づいて、その測定温度が高くなるほど放熱量が増大するように前記放熱量変更手段を制御する制御出力を出すフィードバック側制御手段とを備え、前記フィードフォワード側制御手段からの制御出力と前記フィードバック側制御手段からの制御出力とを加算した制御出力によって前記放熱量変更手段を制御するように構成している。
 前記特許文献2に開示される排熱回収システムは、排熱回収量の急激な変動に起因するオーバーシュートの発生を防止するために水温に着目して制御している。
 しかしながら、船内負荷が急減した場合は、余剰電力が発生するため、直ちにパワータービン出力を小さくする必要がある。このとき、パワータービン出力制御の応答性によっては電力周波数の変動が大きくなる可能性がある。
 同様に、蒸気タービンによる発電においても船内負荷が急減すると余剰電力が発生するため、直ちにバルブの流量制御を行い、蒸気タービン出力を小さくする必要がある。このときも同様に蒸気タービン出力制御の応答性によっては電力周波数の変動が大きくなる可能性がある。
 このように、船内負荷が急減した場合は、電力周波数の変動について考慮する必要があるが、特許文献2には電力周波数の変動について何ら記載されていない。さらに、船内負荷電力が急減し、パワータービン、蒸気タービンの出力を制御する場合、それぞれの応答速度の違いにより、供給電力の整定に時間を要する可能性がある。
特開2007-1339号公報 特許第3804693号公報
 そこで、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、急激な船内負荷の変化に対してパワータービン及び蒸気タービンの出力制御の応答性を向上させることを課題とする。
 かかる課題を解決するため、本発明は、エンジンの排ガスを用いて駆動するパワータービンと、エンジンの排ガスエコノマイザーで発生した蒸気を用いて駆動する蒸気タービンとを備えるとともに、前記パワータービンと前記蒸気タービンとによって発電機を駆動し、前記該パワータービンの前段に配設され前記排ガスの流量を調整してパワータービンの出力を制御する1または複数の制御弁からなる第1制御弁機構と、前記蒸気タービンの前段に配設され蒸気タービンの出力を制御する1または複数の制御弁からなる第2制御弁機構とを備え、前記第1制御弁機構の操作量を制御するパワータービン制御手段と前記第2制御弁機構の操作量を制御する蒸気タービン制御手段とを有する排熱回収システムの制御装置において、前記パワータービン制御手段は、エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と実際のパワータービン出力との偏差をPID制御器によって演算して前記第1制御弁機構の操作量を算出するパワータービンフィードバック制御手段と、前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と前記第1制御弁機構の操作量との関係が予め設定されたパワータービン開度指令マップから、前記第1制御弁機構の操作量を抽出するパワータービンフィードフォワード制御手段とを備え、前記パワータービンフィードフォワード制御手段からの操作量と、前記パワータービンフィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記第1制御弁機構の操作量として設定することを特徴とする。
 かかる発明によれば、前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と前記第1制御弁機構の操作量との関係が予め設定されたパワータービン開度指令マップを予め作成し、前記エンジン負荷からパワータービン出力目標値が得られる第1制御弁機構の開度操作量を前記開度指令マップから抽出して操作量を求めるフィードフォワード制御手段を備え、前記フィードフォワード制御手段からの操作量と、前記フィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記第1制御弁機構の操作量を設定することにより、パワータービンの出力制御の応答性が改善され、電力周波数変動も低減可能となる。
よって、船内負荷が急減してもパワータービンの出力制御の応答性を向上させることができる。
また、本発明において、前記第1制御弁機構の操作量は、前記パワータービンへの流入量を制御する流入制御弁の開度であってもよく、または、前記第1制御弁機構の操作量が、前記パワータービンのバイパス量を制御するバイパス制御弁の開度であってもよい。
前記流入制御弁の開度制御の場合には、パワータービンへの流入量を直接的に制御できるため、効率よくパワータービンの出力制御を行うことができるとともに、流入を完全に遮断することができるため、船内電力の激減時のパワータービンの発電出力低下を直ちに行うことができる。
また、バイパス制御弁の場合には、パワータービンへの流入量を、パワータービンをバイパスする量を制御することで間接的に制御できるため、パワータービンの出力を細やかに制御できる。
 また、本発明において、前記蒸気タービン制御手段は、エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と実際の蒸気タービン出力との偏差をPID制御器によって演算して前記第2制御弁機構の操作量を算出する蒸気タービンフィードバック制御手段と、
前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と前記第2制御弁機構の操作量との関係が予め設定された蒸気タービン開度指令マップから、前記第2制御弁機構の操作量を抽出する蒸気タービンフィードフォワード制御手段とを備え、
前記蒸気タービンフィードフォワード制御手段からの操作量と、前記蒸気タービンフィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記第2制御弁機構の操作量を設定することを特徴とする。
 これにより、パワータービンと同様に、フィードフォワード制御手段からの操作量と、フィードバック制御手段からの操作量とを加算して第2制御弁機構の操作量を設定することにより、蒸気タービンの出力制御の応答性が改善され、電力周波数変動も低減可能となる。よって、船内負荷が急減しても蒸気タービンの出力制御の応答性を向上させることができる。
また、蒸気タービンの出力制御において、前記第2制御弁機構の操作量が、前記蒸気タービンへの流入量を制御する流入制御弁の開度であってもよく、または、前記第2制御弁機構の操作量が、前記蒸気タービンのバイパス量を制御するバイパス制御弁の開度であってもよい。
この流入制御弁の制御、バイパス制御弁の制御については、前記パワータービンの場合と同様に、流入制御弁の開度制御の場合には、蒸気タービンへの流入量を直接的に制御できるため、効率よく蒸気タービンの出力制御を行うことができるとともに、流入を完全に遮断することができるため、船内電力の激減時の蒸気タービンの発電出力低下を直ちに行うことができる。
また、バイパス制御弁の場合には、蒸気タービンへの流入量を、蒸気タービンをバイパスする量を制御することで間接的に制御できるため、蒸気タービンの出力を細やかに制御できる。
 さらに、本発明において、前記パワータービン出力目標値を、前記蒸気タービン負荷の変化に対応させて補正するパワータービン出力目標値補正手段を有し、該補正手段による補正後の補正パワータービン出力目標値に基づいて、前記パワータービンフィードバック制御手段および前記パワータービンフィードフォワード制御手段の制御がなされることを特徴とする。
 これによって、パワータービンおよび蒸気タービンをそれぞれ独立に制御するのではなく、連携された制御とすることができる。
 すなわち、蒸気系の応答は遅いため、蒸気タービンをマスタ(主)、パワータービンをスレーブ(副)として動作させて、操作量を設定する。
 具体的には、蒸気タービン負荷を監視して、蒸気タービン負荷の変化に対応させてパワータービン出力目標値を補正するパワータービン出力目標値補正手段を有する。
船内電力需要が激減した場合には、蒸気タービンおよびパワータービンのそれぞれの出力(負荷)を低下させるが、蒸気系の応答は遅いため、パワータービンの出力低下に遅れて蒸気タービンの出力低下が生じる。このときに、船内電力は最低必要電力を確保する必要があるため、パワータービンの出力目標値を、蒸気タービンの出力(負荷)状態、つまり蒸気タービンの出力低下状態に応じて上昇させるようにする。
このように、蒸気タービンの負荷状態を監視しながらパワータービンの出力目標値を補正するので、急激な船内電力負荷の低下に対してパワータービンの出力制御の方に偏よらずにパワータービンおよび蒸気タービンを連携した制御とすることができる。
また、前記前記パワータービン出力目標値補正手段は、蒸気タービン負荷とエンジン負荷と補正パワータービン出力目標値との関係があらかじめ設定された補正パワータービン開度指令マップを基に、エンジン負荷と蒸気タービン負荷から補正パワータービン出力目標値を算出するとよく、このように補正パワータービン開度指令マップを用いることで補正パワータービン出力目標値を簡単に得ることができる。
 本発明によれば、急激な船内負荷の変化に対してパワータービン及び蒸気タービンの出力制御の応答性を向上させることができる排熱回収システムの制御装置を得ることができる。
本発明に係る排熱回収システムの構成および制御装置の概要を示す全体構成図である。 実施形態1に係る排熱回収システムで行われる制御ロジックを示すブロック図である。 実施形態1に係る制御ロジックについてのフローチャートである。 第1制御弁機構の制御弁Bの開度マップである。 実施形態2に係る排熱回収システムで行われる制御ロジックを示すブロック図である。 実施形態2に係る制御ロジックについてのフローチャートである。 従来の排熱回収システムで行われる制御ロジックを示すブロック図である。 図7に係る制御ロジックについてのフローチャートである。
 以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
実施形態1
 まず、図1を用いて本発明に係る排熱回収システムの構成について説明する。図1で示す排熱回収システムは、船を推進させるエンジン22と、該エンジン22の出力によって回転するプロペラ30と、エンジン22に供給する空気を圧縮する過給機21と、過給機21からの空気を冷却する冷却器31と、パワータービン(ガスタービン)23と、蒸気タービン26と、発電機28とで構成される。
 パワータービン23と、蒸気タービン26と、発電機28とは、大きさ及び歯数が異なる互いに噛合する歯車を備える減速機24、27によって接続される。また、パワータービン23、蒸気タービン26、発電機28間の回転軸がクラッチ25を介して接続され、回転動力が伝達されたり遮断されたりする。
 また、排ガスエコノマイザー150を備えており、エンジン22から排出される排ガスを過給機21、若しくは過給機21とパワータービン23を介して排ガスエコノマイザーへ供給し、該排ガスエコノマイザーで発生した蒸気を蒸気タービン26に導いて蒸気タービン26を駆動させ、パワータービン23の動力と一緒にあわせて発電機28を回す。
 蒸気タービン26の後段に設けられる復水器29で蒸気は水に戻され、この水を冷却器31の熱やエンジン22の壁を冷却する熱で温めた後、排ガスエコノマイザーへ供給して蒸発させ蒸気を生成する。 
 前記パワータービン23による発電は第1制御弁機構を構成する制御弁(バルブ)A、B、Cで制御され、蒸気タービン26による発電は第2制御弁機構を構成する制御弁(バルブ)D、E、Fで制御されるが、以下に述べる実施形態1では第1制御弁機構においては制御弁A、Cを全開または一定開度状態において制御弁Bの開度指令について説明し、さらに、第2制御弁機構においては制御弁D、Fを全開または一定開度状態において制御弁Eの開度指令について説明する。
排熱回収システムの制御装置100は、制御弁(バルブ)A、B、Cからなる第1制御弁機構の操作量を制御するパワータービン制御手段101と、制御弁(バルブ)D、E、Fからなる第2制御弁機構の操作量を制御する蒸気タービン制御手段102とを有する。
さらに、パワータービン制御手段101は、エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と実際のパワータービン出力との偏差をPID制御器によって演算して第1制御弁機構の操作量を算出するパワータービンフィードバック制御手段104と、エンジン負荷と該エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と前記第1制御弁機構の操作量との関係が予め設定されたパワータービン開度指令マップ105から、第1制御弁機構の操作量を抽出するパワータービンフィードフォワード制御手段106とを備えている。
また、蒸気タービン制御手段102は、エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と実際の蒸気タービン出力との偏差をPID制御器によって演算して前記第2制御弁機構の操作量を算出する蒸気タービンフィードバック制御手段108と、
前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と前記第2制御弁機構の操作量との関係が予め設定された蒸気タービン開度指令マップ109から、第2制御弁機構の操作量を抽出する蒸気タービンフィードフォワード制御手段110とを備えている。
 実施形態1に係る排熱回収システムの制御装置100で行われる制御ロジックについて、図2、3を用いて説明する。図2は実施形態1に係る排熱回収システムで行われる制御ロジックを示すブロック図、図3は実施形態1に係る制御ロジックについてのフローチャートである。なお、図2、3は、パワータービン26による発電を制御する第1制御弁機構の制御弁Bについて述べる。
 図2の制御ロジックでは、ステップS1で開始されると、ステップS2でエンジン負荷毎に所望のパワータービン出力が得られる制御弁Bの開度マップを数値計算若しくは実測して用意する。図4は制御弁Bの制御弁開度マップ(パワータービン開度指令マップ)105を示す。
 制御弁開度マップは、エンジン負荷と該エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値で決定される。エンジン負荷に応じてパワータービンの目標出力が決まっており、その出力に対して制御弁Bの開度を調整することができるマップである。図4ではエンジン負荷50%、60%、100%の場合の制御弁開度マップを示している。なお、エンジン負荷50%以下になると、エンジンの排ガスエネルギー全体の量が下がってくる。
 ステップS3では、発電出力指令計算器2(図2参照)によりエンジン負荷からパワータービン出力目標値を算出する。ステップS4でパワータービン実出力値を計測し、ステップS5でパワータービン出力目標値とパワータービン実出力値との偏差が減算器3(図2参照)によって計算され、ステップS6では制御偏差を基にPID制御器4(図2参照)でPID制御演算を行い、操作量Oを導出する。
 ステップS7で、パワータービンの目標回転数数との回転数偏差を基に図示しないフィードバック制御の出力信号を開度換算器1(図2参照)で操作量Oへ換算し、ステップS8では、ステップ1で用意した制御弁Bの制御弁開度マップ105を用いて、開度計算器5(図2参照)でパワータービン出力目標値が得られる制御弁Bの開度操作量をマップから抽出し、操作量Oを求める。ステップS9で操作量Oと操作量Oと操作量Oとの和が加算器6、7(図2参照)によって算出され制御弁Bの開度を設定し、再びステップS2の前段に戻り繰り返す。このように、エンジン負荷とパワータービン出力目標値と制御弁の開度との関係を表した制御弁開度マップを作成し、上述したフィードフォワード制御により開度指令を生成する。
従って、パワータービン23の制御弁Bの開度がフィードバック制御により算出される操作量OとOとに対して、さらにフィードフォワード制御によって算出される操作量Oとを足し合わせた操作量として開度指令値が設定される。従って、フィードフォワード制御によって算出される操作量Oの加算によってパワータービンの出力制御の応答性が改善され、電力周波数変動も低減可能となる。
 なお、蒸気タービン制御の場合は、蒸気タービン制御手段102において、前記パワータービン制御手段101における制御と同様の制御が実行される。
すなわち、図3のフローチャートを次のように読み替える、ステップS1で開始されると、ステップS2でエンジン負荷毎に所望の蒸気タービンビン出力が得られる制御弁Eの開度マップを数値計算若しくは実測して用意する。図4に示す制御弁Bの制御弁開度マップ105に相当する制御弁Eの制御弁開度マップ(蒸気タービン開度指令マップ)109を用意する。
ステップS3においては、パワータービン出力目標値を蒸気タービン出力目標値とし、ステップS4においては、蒸気タービン実出力値を計測し、ステップS5においては、蒸気タービン出力目標値から蒸気タービン実出力値を減算(出力偏差の計算)し、さらに、ステップS6においては、PID制御演算をして操作量O'を導出し、ステップS7においては、蒸気タービンの目標回転数数との回転数偏差を基に図示しないフィードバック制御の出力信号を開度換算器1で操作量O'へ換算し、ステップS8においては、ステップ1で用意した制御弁Eの制御弁開度マップ109を用いて、蒸気タービン出力目標値が得られる制御弁Eの開度操作量を抽出し、操作量O'を求める。ステップS9で操作量O'と操作量O'と操作量O'との和が算出され制御弁Eの開度として設定される。
このように蒸気タービン26に対しても、蒸気タービンの26の制御弁Eの開度がフィードバック制御により算出される操作量O'とO'とに対して、さらにフィードフォワード制御によって算出される操作量O'とを足し合わせた操作量として開度指令値が設定される。従って、フィードフォワード制御によって算出される操作量O'の加算によって蒸気タービンの出力制御の応答性が改善され、電力周波数変動も低減可能となる。
また、本実施形態において、制御弁Bはパワータービン23への流入量を直接制御する位置に設けられる流入制御弁として設けられ、制御弁Eは蒸気タービン26への流入量を直接制御する位置に設けられる流入制御弁として設けられるため、効率よくパワータービン23および蒸気タービン26の出力制御を行うことができるとともに、流入を完全に遮断することができるため、船内電力の激減時のパワータービン23および蒸気タービン26の発電出力の低下を直ちに行うことができる。
なお、本実施形態では、制御弁B、Eについて説明したが、パワータービン23をバイパスするバイパス量を制御する制御弁C(バイパス制御弁)、および蒸気タービン26をバイパスするバイパス量を制御する制御弁F(バイパス制御弁)の開度を制御してもよい。この場合には、パワータービン23や蒸気タービン26の出力を細やかに制御できる。
なお、本実施形態においては、制御弁Bの制御弁開度マップを用いた例を説明したが、マップではなく計算モデルを用いて逐次計算してもよい。
実施形態2
 実施形態2に係る排熱回収システムの制御装置で行われる制御ロジックについて、図5、6を用いて説明する。図5は実施形態2に係る排熱回収システムの制御装置で行われる制御ロジックを示すブロック図、図6は実施形態2に係る制御ロジックについてのフローチャートである。なお、図5、6は、パワータービンによる発電を制御する制御弁Bについて述べる。
 本実施形態では、パワータービンと蒸気タービンとを独立に制御させるのではなく、連携させた制御アルゴリズムを構築する。一般的に蒸気系の応答は遅いため、蒸気タービン制御をマスタ、パワータービンをスレーブとして動作させ、パワータービンの指令を作成する。
 具体的には図5の制御ロジックでは、ステップS11で開始されると、ステップS12でエンジン負荷毎に所望のパワータービン出力が得られる制御弁Bの開度マップを数値計算若しくは実測して用意する。なお、制御弁Bの制御弁開度マップは、実施形態1で述べた図4と同じであるが、本実施形態は実施形態1に比べてパワータービン出力目標値の算出が異なる。
すなわち、次のステップS13で発電出力指令計算器12(図5参照)によりエンジン負荷と蒸気タービン負荷からパワータービン出力目標値を算出する。実施形態1では、エンジン負荷だけからパワータービン出力目標値を算出していたが、本実施形態においては、蒸気タービンの負荷の変化に対応させてパワータービン出力目標値に補正を加えている。具体的には、蒸気タービン負荷が減少して蒸気タービン出力が低下するに従って、パワータービン出力目標値を上昇させるようにする。
パワータービン出力目標値に補正を加える補正手段(パワータービン出力目標値補正手段)120が設けられている。なお、この補正手段による補正は計算式を用いても、また、予め、蒸気タービン負荷とエンジン負荷と補正パワータービン出力目標値との関係を設定した補正マップ(補正パワータービン開度指令マップ)122を基に算出するようにしてもよい。補正マップを用いと、補正パワータービン出力目標値を簡単に得ることができるようになる。
次に、ステップS14でパワータービン実出力値を計測し、ステップS15でパワータービン出力目標値とパワータービン実出力値との偏差が減算器13(図5参照)によって計算され、ステップS16では制御偏差を基にPID制御器14(図5参照)でPID制御演算を行い、操作量Oを導出する。
 ステップS17でパワータービンの目標回転数数との回転数偏差を基に図示しないフィードバック制御の出力信号を開度換算器11(図5参照)で操作量Oへ換算し、ステップS18では、ステップ11で用意した制御弁Bの制御弁開度マップを用いて、開度計算器15(図5参照)で補正パワータービン出力目標値が得られる制御弁Bの開度操作量をマップから抽出し、操作量Oを求める。ステップS9で操作量Oと操作量Oと操作量Oとの和が加算器16、17(図5参照)によって算出され制御弁Bの開度を設定し、ステップS12に戻り繰り返す。
 本実施形態では、蒸気タービンの負荷の変化に対応させてパワータービン出力目標値に補正を加えているので、すなわち、パワータービン側で蒸気タービン側の負荷を監視しながら制御弁開度をコントロールしているので、余剰電力の変動がパワータービンのほうにつられないように制御弁の開度指令を行うことができる。
 本発明によれば、急激な船内負荷の変化に対してパワータービン及び蒸気タービンの出力制御の応答性を向上させることができるので、船舶用の排熱回収システムの制御装置への適用に際して有益である。

Claims (8)

  1.  エンジンの排ガスを用いて駆動するパワータービンと、エンジンの排ガスエコノマイザーで発生した蒸気を用いて駆動する蒸気タービンとを備えるとともに、前記パワータービンと前記蒸気タービンとによって発電機を駆動し、前記該パワータービンの前段に配設され前記排ガスの流量を調整してパワータービンの出力を制御する1または複数の制御弁からなる第1制御弁機構と、前記蒸気タービンの前段に配設され蒸気タービンの出力を制御する1または複数の制御弁からなる第2制御弁機構とを備え、前記第1制御弁機構の操作量を制御するパワータービン制御手段と前記第2制御弁機構の操作量を制御する蒸気タービン制御手段とを有する排熱回収システムの制御装置において、
    前記パワータービン制御手段は、エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と実際のパワータービン出力との偏差をPID制御器によって演算して前記第1制御弁機構の操作量を算出するパワータービンフィードバック制御手段と、
    前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出されるパワータービン出力目標値と前記第1制御弁機構の操作量との関係が予め設定されたパワータービン開度指令マップから、前記第1制御弁機構の操作量を抽出するパワータービンフィードフォワード制御手段とを備え、
    前記パワータービンフィードフォワード制御手段からの操作量と、前記パワータービンフィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記第1制御弁機構の操作量として設定することを特徴とする排熱回収システムの制御装置。
  2. 前記第1制御弁機構の操作量が、前記パワータービンへの流入量を制御する流入制御弁の開度であることを特徴とする請求項1記載の排熱回収システムの制御装置。
  3. 前記第1制御弁機構の操作量が、前記パワータービンのバイパス量を制御するバイパス制御弁の開度であることを特徴とする請求項1記載の排熱回収システムの制御装置。
  4.  前記蒸気タービン制御手段は、エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と実際の蒸気タービン出力との偏差をPID制御器によって演算して前記第2制御弁機構の操作量を算出する蒸気タービンフィードバック制御手段と、
    前記エンジン負荷と該エンジン負荷から算出される蒸気タービン出力目標値と前記第2制御弁機構の操作量との関係が予め設定された蒸気タービン開度指令マップから、前記第2制御弁機構の操作量を抽出する蒸気タービンフィードフォワード制御手段とを備え、
    前記蒸気タービンフィードフォワード制御手段からの操作量と、前記蒸気タービンフィードバック制御手段からの操作量とを加算して前記第2制御弁機構の操作量を設定することを特徴とする請求項1記載の排熱回収システムの制御装置。
  5. 前記第2制御弁機構の操作量が、前記蒸気タービンへの流入量を制御する流入制御弁の開度であることを特徴とする請求項4記載の排熱回収システムの制御装置。
  6. 前記第2制御弁機構の操作量が、前記蒸気タービンのバイパス量を制御するバイパス制御弁の開度であることを特徴とする請求項4記載の排熱回収システムの制御装置。
  7. 前記パワータービン出力目標値を、前記蒸気タービン負荷の変化に対応させて補正するパワータービン出力目標値補正手段を有し、該補正手段による補正後の補正パワータービン出力目標値に基づいて、前記パワータービンフィードバック制御手段および前記パワータービンフィードフォワード制御手段の制御がなされることを特徴とする請求項1記載の排熱回収システムの制御装置。
  8. 前記パワータービン出力目標値補正手段は、蒸気タービン負荷とエンジン負荷と補正パワータービン出力目標値との関係があらかじめ設定された補正パワータービン開度指令マップを基に、エンジン負荷と蒸気タービン負荷から補正パワータービン出力目標値を算出することを特徴とする請求項7記載の排熱回収システムの制御装置。
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