WO2012039063A1 - タービン発電機の制御方法および装置 - Google Patents

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芳弘 市来
白石　啓一
佳彦 西川
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三菱重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power turbine (gas turbine) and a steam turbine that are driven by using exhaust energy of exhaust gas (combustion gas) discharged from an engine main body constituting a marine diesel engine, a diesel engine for an onshore generator, or the like.
  • the present invention relates to a turbine generator control method and a control apparatus that are coupled in series.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-186916 discloses a technique for recovering exhaust energy by directing it to a power turbine or the like without sending a part of the exhaust gas of a diesel engine to a supercharger. Yes. Patent Document 1 discloses a technique for adjusting the amount of exhaust gas when the exhaust gas enters the power turbine to reduce the amount of change in the amount of exhaust gas sent from the diesel engine to the supercharger. . Further, the amount of exhaust gas entering the power turbine is adjusted by forming a gas turbine inlet with a plurality of passages and providing a bypass valve in each passage.
  • the amount of exhaust gas entering the power turbine is controlled by opening / closing control of a bypass valve.
  • exhaust gas is generated by extracting a part of exhaust gas from a diesel engine, guiding the extracted gas to a power turbine, and introducing steam generated using the exhaust heat of the exhaust gas to a steam turbine.
  • an inlet valve that controls the amount of exhaust gas introduced into a power turbine is generally an ON / OFF on / off valve, and does not have a function of controlling an arbitrary gas amount.
  • the total output by the power turbine and the steam turbine may be surplus with respect to the onboard power demand, but the generated output of the power turbine and the steam turbine depends on the output of the diesel engine. Therefore, appropriately taking measures against surplus power is extremely effective for improving the fuel consumption rate of diesel engines.
  • the present invention provides a method and apparatus for controlling a turbine generator that can suppress generated power without wasting fuel consumption of a diesel engine when demand power decreases and generated power becomes surplus. It is an issue to provide.
  • a first invention of the present invention is a series connection of a power turbine (gas turbine) and a steam turbine that are driven using exhaust energy of exhaust gas (combustion gas) discharged from a diesel engine as a power source.
  • the diesel engine includes an exhaust turbocharger, and a part of the exhaust gas (combustion gas) before being supplied to the exhaust turbocharger is extracted, The adjusted exhaust gas is supplied to the power turbine, and the steam generated by the exhaust gas heat exchanger is supplied to the steam turbine by adjusting the supply amount.
  • the power supply to the power turbine is reduced to minimize the power turbine output, and then the supply to the steam turbine is reduced. Characterized in that it occupies.
  • a second invention related to an apparatus for carrying out the method for controlling a turbine generator according to the first aspect of the present invention is the control apparatus for a turbine generator, wherein the diesel engine includes an exhaust turbocharger, and the exhaust turbocharger is provided.
  • a steam supply passage for supplying steam generated by exchanging heat with exhaust heat of the exhaust gas by the heat exchanger to the steam turbine; a steam amount adjusting valve provided in the steam supply passage for adjusting the supply amount;
  • the exhaust gas amount adjustment valve is throttled to reduce the supply amount to the power turbine to minimize the power turbine output, and then the steam amount adjustment valve is throttled.
  • the exhaust gas turbocharger when the generated power is in a surplus state, the exhaust gas turbocharger is used to reduce the output of the power turbine first, that is, by reducing the amount of extracted gas.
  • the amount of exhaust gas to the turbine portion of the machine is increased and pressurized by the compressor portion, the amount of air supplied to the combustion chamber of the diesel engine is increased, the combustion efficiency of the engine is improved, and the fuel consumption rate is improved.
  • the output of the steam turbine When the output is reduced first from the direction of the steam turbine, the output of the steam turbine must be reduced by discarding (dumping) the steam generated by the exhaust gas heat exchanger. In this case, the steam generated by the exhaust gas heat exchanger is wasted, which is not preferable for improving the fuel consumption rate of the diesel engine.
  • the effect of increasing the supply air pressure is affected. An improvement in combustion efficiency can be obtained effectively.
  • both the power turbine and the steam turbine can perform fast output control, frequency and voltage fluctuations at the time of sudden load fluctuations of the generator can be minimized.
  • the power that can be supplied by the power turbine and the power that can be supplied by the steam turbine are set in advance, and the power that can be supplied by the steam turbine is minimized after the power that can be supplied by the power turbine is minimized. It is good to decrease.
  • the controller includes a load sharing control unit in which power that can be supplied by a power turbine and power that can be supplied by the steam turbine are set in advance, and a ratio of power that can be supplied is set. Good.
  • the output control range by the power turbine can be set in advance, and reliability is improved while improving fuel consumption. A certain amount of surplus power can be suppressed.
  • the power generation capacity can be set in advance, it has a degree of freedom in design according to the intended use of the generator.
  • the supply amount of exhaust gas to the power turbine is performed by a control signal from a power turbine governor section having a rotational speed droop control function, and steam supply to the steam turbine is performed.
  • the quantity may be determined by a signal from a governor section for a steam turbine having a rotational speed droop control function.
  • the controller is provided with a power turbine governor section and a steam turbine governor section each having a rotational speed droop control function, and the exhaust gas amount adjusting valve is provided for the power turbine. It is good to control by the control signal from a governor part, and to control the said steam quantity adjustment valve by the control signal from the said governor part for steam turbines.
  • the rotational speed droop control is a control method used as one of rotational speed control methods for controlling the rotational speed of the generator in a generator that rotationally drives the generator with a power turbine and a steam turbine. Control is performed using a control amount calculated by applying a proportional gain to the deviation between the target value and the actually controlled current rotational speed.
  • the turbine generator is driven by exhaust energy of a diesel engine for ship propulsion, and another diesel engine generator is provided separately from the turbine generator,
  • the load sharing control unit is set with electric power that can be supplied by the power turbine of the turbine generator, electric power that can be supplied by the steam turbine, and electric power that can be supplied by the other diesel engine generators.
  • the generated power is reduced and surplus, the output of the other diesel engine generator is minimized, then the output of the power turbine is minimized, and finally the output of the steam turbine is minimized.
  • the power turbine connected in series with the generator is first reduced, and then the steam turbine output is reduced.
  • the amount of exhaust gas to the turbine part of the exhaust turbocharger of the diesel engine increases, and the combustion efficiency of the diesel engine improves due to the increase in pressurized charge by the exhaust turbocharger.
  • 1 is an overall configuration diagram of a turbine generator according to the present invention. It is a block diagram which shows the whole control apparatus structure of 1st Embodiment. It is a flowchart of a 1st embodiment. It is explanatory drawing which shows the surplus suppression state of the power supply of 1st Embodiment. It is a block diagram which shows the whole control apparatus structure of 2nd Embodiment. It is a flowchart of a 2nd embodiment.
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a turbine generator according to the present invention.
  • the turbine generator 1 includes a marine propulsion diesel engine 3, an exhaust turbocharger 5, a power turbine (gas turbine) 7, a steam turbine 9, and an exhaust gas economizer 11 as an exhaust gas heat exchanger. Configured.
  • the output from the diesel engine 3 is directly or indirectly connected to the screw propeller via the propeller shaft.
  • the exhaust port of the cylinder portion 13 of each cylinder of the diesel engine 3 is connected to an exhaust manifold 15 as an exhaust gas collecting pipe, and the exhaust manifold 15 is a turbine of the exhaust turbocharger 5 via the first exhaust pipe L1.
  • the exhaust manifold 15 is connected to the inlet side of the power turbine 7 via the second exhaust pipe L2 (extraction passage), and a part of the exhaust gas is connected to the exhaust turbocharger. Before being supplied to 5, the air is extracted and supplied to the power turbine 7.
  • each cylinder part 13 is connected to an air supply manifold 17, and the air supply manifold 17 is connected to the compressor part 5b of the exhaust turbo supercharger 5 via an air supply pipe K1.
  • An air cooler (intercooler) 19 is installed in the supply pipe K1.
  • the exhaust turbocharger 5 includes a turbine unit 5a, a compressor unit 5b, and a rotating shaft 5c that connects the turbine unit 5a and the compressor unit 5b.
  • the power turbine 7 is rotationally driven by the exhaust gas extracted from the exhaust manifold 15 via the second exhaust pipe L2, and the steam turbine 9 is supplied with steam generated by the exhaust gas economizer 11. And is driven to rotate.
  • the exhaust gas economizer 11 includes exhaust gas discharged from the outlet side of the turbine section 5a of the exhaust turbocharger 5 through the third exhaust pipe L3, and from the outlet side of the power turbine 7 through the fourth exhaust pipe L4.
  • the exhaust gas discharged is introduced and the heat exchange unit 21 evaporates the water supplied by the water supply pipe 23 by the heat of the exhaust gas to generate steam.
  • the steam generated by the exhaust gas economizer 11 is introduced into the steam turbine 9 via the first steam pipe J1, and the steam that has finished work in the steam turbine 9 is discharged by the second steam pipe J2 and is not shown. It is led to a condenser (condenser).
  • the power turbine 7 and the steam turbine 9 are coupled in series to drive the generator 25.
  • the rotating shaft 29 of the steam turbine 9 is connected to the generator 25 via a speed reducer and a coupling (not shown), and the rotating shaft 27 of the power turbine 7 rotates the steam turbine 9 via a speed reducer and a clutch 31 (not shown).
  • the shaft 29 is connected.
  • the second exhaust pipe L2 includes an exhaust gas amount adjusting valve 33 that controls the amount of gas introduced into the power turbine 7, and an emergency stop emergency cutoff valve 35 that shuts off the supply of exhaust gas to the power turbine 7 in an emergency. Is provided. Further, when the emergency stop emergency shut-off valve 35 is shut off, a bypass valve is used to prevent supercharging (supercharging exceeding the optimum operating pressure of the engine) to the turbine section 5a of the exhaust turbocharger 5. 34 is provided between the fourth exhaust pipe L4.
  • the first steam pipe J1 includes a steam amount adjusting valve 37 that controls the amount of steam introduced into the steam turbine 9, and an emergency stop emergency shut-off valve 39 that shuts off the supply of steam to the steam turbine 9 in an emergency. is set up.
  • the opening amounts of the exhaust gas amount adjusting valve 33 and the steam amount adjusting valve 37 are controlled by a controller 41 described later.
  • the generator 25 is driven by the exhaust energy of the exhaust gas (combustion gas) of the diesel engine 3 for ship propulsion, and constitutes an exhaust energy recovery device.
  • the controller 43 receives a signal from the power sensor 45 that detects the output power of the generator 25, and detects the rotation speed of the rotating shaft 29 of the steam turbine 9 as the rotation speed of the generator 25.
  • a signal from the rotation sensor 49 is input.
  • a signal from the inboard power consumption sensor 51 for detecting the inboard power consumption is input.
  • the controller 43 includes a load sharing control unit 53, a power turbine governor unit 55, and a steam turbine governor unit 57.
  • the load sharing control unit 53 has power that can be supplied by the power turbine 7 in advance (output sharing ratio). ) Is set to, for example, A (KW), and the power that can be supplied by the steam turbine 9 (output sharing ratio) is set to, for example, B (KW) (see FIG. 3). Then, a power generation capacity instruction signal corresponding to the sharing ratio set by the load sharing control unit 53 is output to the power turbine governor unit 55 and the steam turbine governor unit 57, respectively.
  • the power turbine governor unit 55 is set based on a control function based on a set rotational speed droop control (proportional control) in accordance with a preset output sharing ratio of the power turbine 7 from the load sharing control unit 53.
  • a control signal is calculated based on the deviation from the actual rotational speed detected by the rotation sensor 49 so that the rotational speed fluctuation of the generator 25 is stabilized at the target rotational speed.
  • the control signal is output to the exhaust gas amount adjusting valve 33, the opening degree of the exhaust gas amount adjusting valve 33 is controlled, and the exhaust gas flow rate supplied to the power turbine 7 is controlled.
  • the rotational speed droop control function is a function that calculates a control amount by applying a proportional gain to the deviation between the rotational speed target value and the current rotational speed that is actually controlled.
  • the rotation set in accordance with the preset output burden ratio of the steam turbine 9 from the load sharing control unit 53 Based on the control function by several droop control (proportional control), control is performed based on the deviation from the actual rotational speed detected by the rotation sensor 49 so that the rotational speed fluctuation of the generator 25 is stabilized at the target rotational speed. A signal is calculated. Then, the control signal is output to the steam amount adjusting valve 37, the opening amount of the steam amount adjusting valve 37 is controlled, and the steam amount supplied to the steam turbine 9 is controlled.
  • step S1 when control is started in step S1, based on the signal from the inboard power consumption sensor 51 and the signal from the power sensor 45 of the generator 25 in step S2, the generated power from the generator 25 converts the inboard power consumption. It is determined whether or not it is in a surplus state. If so, in step S3, the output of the power turbine 7 is decreased to a minimum.
  • step S4 it is determined again whether or not the generated power from the generator 25 exceeds the power consumption in the ship and is in a surplus state.
  • the power turbine 7 When the output of the power turbine 7 is decreased and minimized, the power turbine 7 may be decreased to the minimum stepwise or continuously, and the determination in step S4 is performed before the minimum value is reached. Of course, it may be minimized while determining whether or not there is.
  • the opening degree of the exhaust gas amount adjusting valve 33 is adjusted by a signal from the power turbine governor unit 55 provided in the controller 43. Since the rotational speed of the generator 25 and the generated power are in a substantially proportional relationship, in the case of surplus power, the power turbine 7 is set so that the target rotational speed of the generator 25 corresponds to the target generated power based on the power consumption in the ship. Output decreases.
  • step S4 when the generated power from the generator 25 exceeds the power consumption in the ship and is in a surplus state, the power turbine 7 has already been reduced to the minimum, so the process proceeds to the next step S5 and the steam turbine 9 The output is decreased and the process ends in step S6. After the end in step S6, the process returns to step S1 again, and the processing from step S2 is repeated. The repetition is performed at regular time intervals.
  • the controller 43 when the generated power becomes surplus, the controller 43 first reduces the output of the power turbine 7, that is, the amount of exhaust gas extracted from the exhaust manifold 15 is reduced.
  • the amount of exhaust gas to the turbine unit 5a of the exhaust turbocharger 5 increases and is pressurized by the compressor unit 5b to increase the amount of air supplied to the combustion chamber of the diesel engine 3, and the combustion efficiency of the engine And the fuel consumption rate is improved.
  • the output of the steam turbine 9 When the output is reduced first from the steam turbine 9, the output of the steam turbine 9 must be reduced by discarding (dumping) the steam generated by the exhaust gas economizer 11. In this case, the steam generated by the exhaust gas economizer 11 is wasted, which is not preferable for improving the fuel consumption rate of the diesel engine 3.
  • the combustion efficiency of the engine is effectively improved because it affects the supply pressure to the combustion chamber to be increased. Further, since both the power turbine 7 and the steam turbine 9 can perform fast output control, frequency and voltage fluctuations during a sudden load fluctuation of the generator 25 can be minimized.
  • the output control range by the power turbine 7 can be set in advance, and reliable surplus power can be improved while improving fuel consumption. Suppression becomes possible.
  • the power generation capacity can be set in advance, it has a degree of freedom in design according to the intended use of the generator.
  • the output control of the power turbine 7 and the output control of the steam turbine 9 are controlled using the independent power turbine governor portion 55 and the steam turbine governor portion 57, respectively.
  • the output control of the turbine 7 and the output control of the steam turbine 9 can be independently controlled independently of each other, and the output of only the power turbine 7 can be reduced first.
  • the electric power generated by the generator 25 is supplied into the ship, and a plurality of diesel engine generators (other diesel engine generators) 60 installed separately in the ship. Combined with the power from, it is used as an onboard power source. That is, the generator 25 described in the first embodiment collects and uses the exhaust gas from the marine propulsion diesel engine 3 that is directly or indirectly connected to the screw propeller via the propeller shaft. In the second embodiment, in addition to the generator 25, a diesel engine generator 60 dedicated to power generation is additionally provided.
  • the load sharing control unit 64 of the controller 62 includes, in advance, power that can be supplied by the power turbine 7 (output sharing ratio), power that can be supplied by the steam turbine 9 (output sharing ratio), and a plurality of diesel engines that are separately installed in the ship.
  • the power that can be supplied by the engine generator 60 (output sharing ratio) is set.
  • the supplyable power calculated from the set ratio or the set supplyable power is supplied to the power turbine governor unit 55, the steam turbine governor unit 57, and the diesel engine generator 60. Instructs the governor (not shown).
  • Steps S12 and S13 are added to the flowchart of FIG. 3 of the first embodiment, and steps S14 to S18 are the same as those of the first embodiment.
  • step S11 when control is started in step S11, based on the signal from the inboard power consumption sensor 51, the power signal from the power sensor 45 of the generator 25, and the power signal from the diesel engine generator 60 in step S12, It is determined whether or not the generated power from the generator 25 and the total generated power of the diesel engine generator 60 exceed the power consumption in the ship and are in a surplus state. When exceeding, in step S13, the output of the diesel engine generator (other diesel engine generator) 60 is minimized. Then, in step S14, it is determined again whether or not the total generated power of the generated power from the generator 25 and the generated power from the diesel engine generator 60 exceeds the inboard power consumption and is in a surplus state. If so, the output of the power turbine 7 is minimized in step S15. Step S14 and subsequent steps are the same as in the first embodiment.
  • the output of the diesel engine generator 60 is minimized, and when it is still in the surplus state, the output of the power turbine 7 is minimized,
  • the surplus state by minimizing the output of the steam turbine 9, that is, by reducing the output of the steam turbine 9 as a final step, the diesel engine 3 for turbine power generation when the supply power is excessive,
  • the fuel consumption rate consumed by the diesel engine generator 60 can be efficiently improved.
  • it has the same structure and effect as what was demonstrated in the said 1st Embodiment.
  • a power turbine gas turbine
  • exhaust gas combustion gas
  • a turbine generator formed by connecting turbines in series, when the demand power is reduced and the generated power becomes surplus, the generated power can be suppressed without wasting fuel consumption of the diesel engine. It is suitable for use in a control method and apparatus.

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Abstract

【課題】需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるタービン発電機の制御方法および装置を提供することを課題とする。 【解決手段】ディーゼルエンジン３から排出される排気ガスの排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン７と蒸気タービン９とを直列に結合してなるタービン発電機において、ディーゼルエンジン３は排気ターボ過給機５を備え、該排気ターボ過給機５に供給される前の排気ガスの一部を抽気して排気ガスをパワータービン７に供給量を調整して供給し、エコノマイザ１１によって生成された蒸気を蒸気タービン９に供給量を調整して供給し、需要電力が減少し発電電力が余剰になったとき、パワータービン７への排気ガス供給量を減少せしめてパワータービン７の出力を最小にした後に、蒸気タービン９へ蒸気供給量を減少せしめる。

Description

タービン発電機の制御方法および装置
　本発明は、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等を構成するエンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御方法および制御装置に関する。
　ディーゼルエンジンの排気ガスの一部を過給機に送らず、パワータービン等に導いて排気エネルギーを動力して回収する技術が、特許文献１（特開昭６３－１８６９１６号公報）で知られている。
　また、この特許文献１には、パワータービンに排気ガスが入るときに排気ガス量を調整して、ディーゼルエンジンから過給機へ送られる排気ガス量の変化幅を小さくする技術が示されている。さらに、パワータービンに入る排気ガス量の調整は、パワータービンのガス入口を複数通路によって形成してそれぞれの通路にバイパス弁を設けて行っている。
特開昭６３－１８６９１６号公報
　前記特許文献１では、パワータービンに入る排気ガス量は、バイパス弁の開閉制御によって行われている。また、ディーゼルエンジンの排気ガスの一部を抽気して、該抽気ガスをパワータービンに導くとともに、排気ガスの排熱を利用して生成される蒸気を蒸気タービンに導くようにして発電する排熱回収システムにおいては、従来はパワータービンへの排気ガスの導入量を制御する入口弁は、一般的にＯＮ、ＯＦＦの開閉弁であり、任意のガス量に制御する機能は有していない。
　一方、船舶の運航状況によっては、前記パワータービンおよび蒸気タービンによる合計出力が船内需要電力に対して余剰となることがあるが、パワータービンおよび蒸気タービンの発生出力は、ディーゼルエンジンの出力に依存するため、余剰電力対策を適切に行うことはディーゼルエンジンの燃料消費率の向上に極めて効果的である。
　かかる余剰電力対策として、従来は、軸発電機等を複数併設して、作動発電機を選択制御したり、また、抵抗を設置して消費させたり、さらに、発生する蒸気の余剰分を捨てて、蒸気タービンの出力を低下させる等の対策が採られていた。
　しかし、軸発電機等を複数併設するには設置費用が増大し、またそれ以外の余剰電力の調整に伴うエネルギーの系外への放出は、ディーゼルエンジンの燃料の浪費でもある。
　本発明は、かかる問題点に鑑み、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるタービン発電機の制御方法および装置を提供することを課題とする。
　かかる課題を達成するため、本願発明の第１発明は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御方法において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガス（燃焼ガス）の一部を抽気し、該抽気された排気ガスを前記パワータービンに供給量を調整して供給し、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給量を調整して供給し、需要電力が減少し発電機の電力が余剰になったとき、パワータービンへの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とする。
　また、第１発明のタービン発電機の制御方法を実施するための装置発明に関する第２発明は、前記タービン発電機の制御装置において、前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの供給量を減少してパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とする。
　かかる第１発明、第２発明によれば、発電電力が余剰状態になったとき、まずパワータービンの出力を減少させることを行うため、すなわち、抽気ガス量を減少させることによって、排気ターボ過給機のタービン部への排気ガス量が増大してコンプレッサ部によって加圧されてディーゼルエンジンの燃焼室への給気量が増大してエンジンの燃焼効率が向上し燃料消費率が改善される。
　蒸気タービンの方から先に出力減少を行った場合には、排気ガス熱交換器で生成された蒸気を捨てる（ダンプして）ことで蒸気タービンの出力減少を行わなければならない。
　この場合、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を無駄に捨てることになり、ディーゼルエンジンの燃料消費率の改善には好ましくないが、本発明では給気圧力を高めるように影響するためエンジンの燃焼効率の改善が効果的に得られる。
　さらに、パワータービンおよび蒸気タービンともに速い出力制御が可能になるため、発電機の急激な負荷変動時の周波数、電圧変動を最小に抑えることが出来る。
　また、第１発明において、好ましくは、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが予め設定され、前記パワータービンによる供給可能電力を最小にした後に前記蒸気タービンによる供給電力を減少するとよい。
　第２発明において、好ましくは、前記コントローラには、予めパワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されるとよい。
　それぞれの構成によれば、前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とを予め設定することで、パワータービンによる出力制御範囲をあらかじめ設定でき、燃料消費量を改善しつつ信頼性ある余剰電力の抑制が可能になる。また、あらかじめ発電能力を設定できるため、発電機の使用用途に応じた設計の自由度を有する。
　また、第１発明において、好ましくは、前記パワータービンへの排気ガスの供給量を、回転数ドループ制御関数を有したパワータービン用ガバナー部からの制御信号によって行い、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を、回転数ドループ制御関数を有した蒸気タービン用ガバナー部からの信号によって行うとよい。
　第２発明において、好ましくは、前記コントローラには、回転数ドループ制御関数を有したパワータービン用ガバナー部と蒸気タービン用ガバナー部とをそれぞれ独立して設け、前記排ガス量調整弁を前記パワータービン用ガバナー部からの制御信号によって制御し、前記蒸気量調整弁を前記蒸気タービン用ガバナー部からの制御信号によって制御するとよい。
　それぞれの構成によれば、パワータービンの出力制御と、蒸気タービンの出力制御とをそれぞれ独立のパワータービン用ガバナー部および蒸気タービン用ガバナー部を用いて制御するため、パワータービンの出力制御と蒸気タービンの出力制御とを関連づけることなく別々に独自に制御でき、最初にパワータービンのみの出力減少が可能になる。
　なお、回転数ドループ制御とは、パワータービンおよび蒸気タービンで発電機を回転駆動する発電機において、発電機の回転速度を制御する回転速度制御方法の１つとして用いられる制御方法であり、回転速度目標値と実際に制御された現在の回転速度との偏差に比例ゲインをかけることにより演算される制御量を用いて制御する。
　また、第２発明において、好ましくは、前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、次に前記パワータービンの出力を最小にし、最後に前記蒸気タービンの出力を最小にするとよい。
　かかる構成によれば、供給電力が余剰状態にあるときに最初に、他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、依然余剰状態の場合には、タービン発電機のパワータービンの出力を最小にし、さらに余剰状態の場合には、蒸気タービンの出力を最小にすることで、すなわち、蒸気タービンの出力の減少を最終ステップとすることで、供給電力の過剰時に船舶推進用のディーゼルエンジン、さらに他のディーゼルエンジン発電機で消費される燃料消費率の改善を達成できる。
　本発明によれば、発電電力が余剰状態になったとき、発電機に対して直列に接続されているパワータービンの出力をまず減少させ、その後蒸気タービンの出力を減少させるため、最初にパワータービンの出力減少に伴ってディーゼルエンジンの排気ターボ過給機のタービン部への排気ガス量が増大して、排気ターボ過給機による加圧給気の増大によってディーゼルエンジンの燃焼効率が向上して燃料消費率が改善されることで、余剰電力の発生をディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく抑制できるタービン発電機の制御方法および装置を提供することができる。
本発明にかかるタービン発電機の全体構成図である。 第１実施形態の制御装置全体構成を示す構成図である。 第１実施形態のフローチャートである。 第１実施形態の供給電力の余剰抑制状態を示す説明図である。 第２実施形態の制御装置全体構成を示す構成図である。 第２実施形態のフローチャートである。
　以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態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い。
（第１実施形態）
　図１は、本発明にかかるタービン発電機の全体構成図である。舶用ディーゼルエンジンへの適用を例にして説明する。
　タービン発電機１は、船舶推進用のディーゼルエンジン３と、排気ターボ過給機５と、パワータービン（ガスタービン）７と、蒸気タービン９と、排気ガス熱交換器としての排ガスエコノマイザ１１とを具備して構成されている。
　ディーゼルエンジン３からの出力はプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排気ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続され、排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続され、また、排気マニホールド１５は第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排気ガスの一部が、排気ターボ過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給されるようになっている。
　一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介して排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
　排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとより構成されている。
　パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールド１５から抽気された排気ガスによって回転駆動されるようになっており、また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動されるようになっている。
　この排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排気ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排気ガスとが、導入されて熱交換部２１によって、排気ガスの熱によって給水管２３によって供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、該蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。
　パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて発電機２５を駆動するようになっている。蒸気タービン９の回転軸２９は図示しない減速機およびカップリングを介して発電機２５に接続し、また、パワータービン７の回転軸２７は図示しない減速機およびクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。
　また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排気ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。また、非常停止用緊急遮断弁３５が遮断したときに、排気ターボ過給機５のタービン部５ａへの過過給（エンジンの最適運転圧力を超えての過給）を防止するためにバイパス弁３４が第４排気管Ｌ４との間に設けられている。
　さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。前記排ガス量調整弁３３および蒸気量調整弁３７は、後述するコントローラ４１によって、その開度が制御される。
以上のように発電機２５は、船舶推進用のディーゼルエンジン３の排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。
　図２に示すように、コントローラ４３には、発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力され、発電機２５の回転速度として蒸気タービン９の回転軸２９の回転速度を検出する回転センサ４９からの信号が入力されている。さらに、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ５１からの信号が入力されている。
　また、コントローラ４３には、負荷分担制御部５３、パワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７を備え、負荷分担制御部５３には、予め、パワータービン７による供給可能電力（出力分担割合）が、例えばＡ（ＫＷ）に設定され、蒸気タービン９による供給可能電力（出力分担割合）が、例えばＢ（ＫＷ）に設定され（図３参照）ている。
　そして、負荷分担制御部５３から設定された分担割合に応じた発電能力の指示信号が、パワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７にそれぞれ出力される。
　パワータービン用ガバナー部５５は、予め設定された前記負荷分担制御部５３からのパワータービン７の出力分担割合に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が排ガス量調整弁３３に出力され、該排ガス量調整弁３３の開度が制御されてパワータービン７に供給される排ガス流量が制御される。この回転数ドループ制御関数とは、回転速度目標値と実際に制御された現在の回転速度との偏差に比例ゲインをかけることにより制御量を演算する関数である。
　また、蒸気タービン用ガバナー部５７においても、前記パワータービン用ガバナー部５５と同様に、予め設定された前記負荷分担制御部５３からの蒸気タービン９の出力負担割合に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が蒸気量調整弁３７に出力され、該蒸気量調整弁３７の開度が制御されて蒸気タービン９に供給される蒸気量が制御されるようになっている。
　次に、需要電力が減少して発電機２５による発電電力が余剰状態になったときの出力抑制方法について、図３のフローチャート、および図４の供給電力説明図を基に説明する。
　まず、ステップＳ１において制御を開始すると、ステップＳ２で船内消費電力センサ５１からの信号と、発電機２５の電力センサ４５からの信号とに基づいて、発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合には、ステップＳ３において、パワータービン７の出力を減少させて最小まで低下させる。
　このパワータービン７の出力を減少させて最小にするとは、あらかじめ設定された最小の出力まで低下すること、またパワータービン７の出力をゼロにすることをも含む。そして、ステップＳ４において、再び発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。
　なお、パワータービン７の出力を減少させて最小にする際に、段階的に最小まで低下させても、連続的に低下させてもよく、最小に達する前にステップＳ４の判定を行って余剰状態にあるかを判定しつつ最小にするようにしてもよいことは勿論である。
　パワータービン７の出力を最小にするには、具体的には、コントローラ４３に備えられたパワータービン用ガバナー部５５からの信号によって排ガス量調整弁３３の開度が調整される。発電機２５の回転数と発電電力とはほぼ比例関係にあるため、余剰電力の場合には、船内消費電力に基づく目標発電電力に相当する発電機２５の目標回転速度になるようにパワータービン７の出力が低下する。
　ステップＳ４において、発電機２５からの発電電力が船内消費電力を超えて余剰状態にある場合には、既にパワータービン７は最小まで低下されているため、次のステップＳ５に進んで蒸気タービン９の出力を減少させて、ステップＳ６で終了する。
　ステップＳ６で終了後に再びステップＳ１に戻り、ステップＳ２からの処理を繰り返す。繰り返しは一定時間間隔で行われる。
　前記供給電力の抑制状態を示す図４において、負荷分担制御部５３によって初期設定されたパワータービン（ＰＴ）７の出力Ａ（ＫＷ）と、蒸気タービン（ＳＴ）９の出力Ｂ（ＫＷ）とが、パワータービン７だけが、出力抑制されて最小値として設定されたＡ－ΔＡに電力低下が行われる。
　以上の第１実施形態によれば、発電電力が余剰状態になったとき、まずコントローラ４３によってパワータービン７の出力を減少させることを行うため、すなわち、排気マニホールド１５から抽気された排気ガス量が減少して、排気ターボ過給機５のタービン部５ａへの排気ガス量が増大してコンプレッサ部５ｂによって加圧されてディーゼルエンジン３の燃焼室への給気量が増大してエンジンの燃焼効率が向上し燃料消費率が改善される。
　蒸気タービン９の方から先に出力の低下を行った場合には、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気を捨てる（ダンプして）ことで蒸気タービン９の出力の低下を行わなければならない。この場合、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気を無駄に捨てることになり、ディーゼルエンジン３の燃料消費率の改善には好ましくない。本発明では燃焼室への給気圧力を高めるように影響するためエンジンの燃焼効率の改善が効果的に得られる。
　さらに、パワータービン７および蒸気タービン９ともに速い出力制御が可能になるため、発電機２５の急激な負荷変動時の周波数、電圧変動を最小に抑えることが出来る。
　また、パワータービン７による供給可能電力と蒸気タービン９による供給可能電力とを予め設定することで、パワータービン７による出力制御範囲をあらかじめ設定でき、燃料消費量を改善しつつ信頼性ある余剰電力の抑制が可能になる。また、あらかじめ発電能力を設定できるため、発電機の使用用途に応じた設計の自由度を有する。
　さらに、第１実施形態によれば、パワータービン７の出力制御と、蒸気タービン９の出力制御とをそれぞれ独立のパワータービン用ガバナー部５５および蒸気タービン用ガバナー部５７を用いて制御するため、パワータービン７の出力制御と蒸気タービン９の出力制御とを関連づけることなく別々に独自に制御でき、最初にパワータービン７のみの出力の減少が可能になる。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について、図５、６を参照して説明する。第２実施形態は、図５に示すように、発電機２５によって発電された電力が船内に供給されると共に、船内に別途設置された複数のディーゼルエンジン発電機（他のディーゼルエンジン発電機）６０からの電力と合流して船内電源として利用される。
　すなわち、第１実施形態で説明した発電機２５は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続される船舶推進用のディーゼルエンジン３からの排気ガスを回収して利用することで発電するものであるが、第２実施形態においては、この発電機２５に加えて、さらに別途発電専用のディーゼルエンジン発電機６０を備えたものである。
　コントローラ６２の負荷分担制御部６４には、予め、パワータービン７による供給可能電力（出力分担割合）、蒸気タービン９による供給可能電力（出力分担割合）、さらに、船内に別途設置された複数のディーゼルエンジン発電機６０による供給可能電力（出力分担割合）が設定されている。
　そして、負荷分担制御部６４から、前記設定された割合から算出した供給可能電力、または設定された供給可能電力をパワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７、さらにディーゼルエンジン発電機６０のガバナー部（不図示）に指示する。
　次に、発電機２５およびディーゼルエンジン発電機６０による発電出力が船内消費電力を上回り、発電出力が余剰状態にある時の出力抑制方法について、図６のフローチャートを参照して説明する。
　第１実施形態の図３のフローチャートに対して、ステップＳ１２、Ｓ１３が追加されたもので、ステップＳ１４からＳ１８は第１実施形態と同一である。
　まず、ステップＳ１１において制御を開始すると、ステップＳ１２で船内消費電力センサ５１からの信号と、発電機２５の電力センサ４５からの電力信号と、ディーゼルエンジン発電機６０からの電力信号とに基づいて、発電機２５からの発電電力とディーゼルエンジン発電機６０の合計発電電力が、船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合には、ステップＳ１３において、ディーゼルエンジン発電機（他のディーゼルエンジン発電機）６０の出力を最小にする。そして、ステップＳ１４で、再度発電機２５からの発電電力とディーゼルエンジン発電機６０からの発電電力との合計発電電力が、船内消費電力を超えて余剰状態にあるか否かを判定する。超えている場合にはステップＳ１５でパワータービン７の出力を最小にする。ステップＳ１４以降は第１実施形態と同様である。
　かかる第２実施形態によれば、供給電力が余剰状態にあるときに最初に、ディーゼルエンジン発電機６０の出力を最小にし、依然余剰状態の場合には、パワータービン７の出力を最小にし、さらに余剰状態の場合には、蒸気タービン９の出力を最小にすることで、すなわち、蒸気タービン９の出力の低下を最終ステップとすることで、供給電力の過剰時にタービン発電用のディーゼルエンジン３、さらにディーゼルエンジン発電機６０で消費される燃料消費率の改善を効率的に達成できる。その他については、前記第１実施形態で説明したものと同様の構成および作用効果を有する。
　本発明によれば、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等を構成するエンジン本体から排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機において、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、ディーゼルエンジンの燃料消費を浪費することなく発電電力を抑制できるので、タービン発電機の制御方法および装置に用いるのに適している。

Claims (7)

  1. 　ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御方法において、
    　前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガス（燃焼ガス）の一部を抽気し、該抽気された排気ガスを前記パワータービンに供給量を調整して供給し、排気ガス熱交換器によって生成された蒸気を前記蒸気タービンに供給量を調整して供給し、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、パワータービンへの供給量を減少せしめてパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気タービンへの供給量を減少せしめることを特徴とするタービン発電機の制御方法。
  2. 　前記パワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが予め設定され、前記パワータービンによる供給可能電力を最小にした後に前記蒸気タービンによる供給電力を減少することを特徴とする請求項１記載のタービン発電機の制御方法。
  3. 　前記パワータービンへの排気ガスの供給量を、回転数ドループ制御関数を有したパワータービン用ガバナー部からの制御信号によって行い、前記蒸気タービンへの蒸気の供給量を、回転数ドループ制御関数を有した蒸気タービン用ガバナー部からの信号によって行うことを特徴とする請求項１記載のタービン発電機の制御方法。
  4. 　ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力源として駆動されるパワータービン（ガスタービン）および蒸気タービンを直列に結合してなるタービン発電機の制御装置において、
    　前記ディーゼルエンジンは排気ターボ過給機を備え、該排気ターボ過給機に供給される前の排気ガスの一部を抽気して該抽気を前記パワータービンへ供給する抽気通路と、該抽気通路に設けられて供給量を調整する排ガス量調整弁と、排気ガス熱交換器によって排気ガスの排熱と熱交換して生成された蒸気を蒸気タービンに供給する蒸気供給通路と、該蒸気供給通路に設けられて供給量を調整する蒸気量調整弁と、需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったとき、前記排ガス量調整弁を絞ってパワータービンへの供給量を減少してパワータービンの出力を最小にした後に、前記蒸気量調整弁を絞って蒸気タービンへの供給量を減少せしめるコントローラと、を備えたことを特徴とするタービン発電機の制御装置。
  5. 　前記コントローラには、予めパワータービンによる供給可能電力と前記蒸気タービンによる供給可能電力とが設定される負荷分担制御部を備えて、供給可能な電力割合が設定されることを特徴とする請求項４記載のタービン発電機の制御装置。
  6. 　前記コントローラには、回転数ドループ制御関数を有したパワータービン用ガバナー部と蒸気タービン用ガバナー部とをそれぞれ独立して設け、前記排ガス量調整弁を前記パワータービン用ガバナー部からの制御信号によって制御し、前記蒸気量調整弁を前記蒸気タービン用ガバナー部からの制御信号によって制御することを特徴とする請求項４記載のタービン発電機の制御装置。
  7. 　前記タービン発電機が船舶推進用のディーゼルエンジンの排気エネルギーによって駆動されるとともに、前記タービン発電機とは別に他のディーゼルエンジン発電機が設けられ、前記コントローラの負荷分担制御部には、前記タービン発電機のパワータービンによる供給可能電力と蒸気タービンによる供給可能電力と前記他のディーゼルエンジン発電機の供給可能電力が設定され、前記コントローラは船舶内の需要電力が減少して発電電力が余剰状態になったときに、前記他のディーゼルエンジン発電機の出力を最小にし、次に前記パワータービンの出力を最小にし、最後に前記蒸気タービンの出力を最小にすることを特徴とする請求項４記載のタービン発電機の制御装置。
PCT/JP2010/066587 2010-09-24 2010-09-24 タービン発電機の制御方法および装置 WO2012039063A1 (ja)

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