JP2020002903A - 発電システム及びその制御装置並びに制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上記「発電機の発電状態に影響を与えるパラメータ」は、主蒸気圧力、主蒸気温度、排ガス圧力、及び調速弁開度の少なくとも一つを含む。
「発電機の発電状態に影響を与えるパラメータ」は、主蒸気圧力、主蒸気温度、排ガス圧力、調速弁開度の少なくとも一つを含む。
モータがディーゼルエンジンを加勢する加勢モータとして駆動していないとき、換言すると、モータが発電機として駆動している場合には、調速弁開度が全開に近い範囲で制御されているときに要求負荷が増加しても、発電機が有するドループ機能によってその要求負荷変動を吸収できる可能性がある。しかしながら、モータが加勢モータとして機能している場合には、発電機のときのようにドループ機能が働かないため、モータによって負荷変動を吸収することができない。したがって、モータが発電機として機能している場合には、第1上限値を用いずに第2上限値を用いることにより、上限の条件を緩和している。
以下に、本発明の第1実施形態に係る発電システム及びその制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態においては、船舶に搭載され、出力電力を船内電力系統に供給する場合を例示して説明するが、本発明の適用先はこの例に限定されない。
タービン発電機系統1は、メインエンジン3と、メインエンジン3の排ガスによって駆動される過給機5と、過給機5の上流側から抽気されたメインエンジン3の排ガスによって駆動されるパワータービン(ガスタービン)7と、メインエンジン3の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ11と、排ガスエコノマイザ11によって生成された蒸気(高圧蒸気)によって駆動される蒸気タービン9とを備えている。
排ガスエコノマイザ11には、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ガスとが導入される。導入された排ガスは、熱交換部21において給水管23を流通する水と熱交換することにより、蒸気を発生させる。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、蒸気タービン9を回転駆動させる。蒸気タービン9で仕事を終えた蒸気は、第2蒸気管J2を通じて排出され、コンデンサ(復水器)40に導かれるようになっている。
タービン発電機25はコンタクタ48を介して船内電力系統42に接続可能とされている。タービン発電機25による出力電力は船内電力系統42に供給され、同じくコンタクタ48を介して船内電力系統42に接続される各種船内機器44やモータ46へ供給され、船内機器44やモータ46の駆動に用いられる。また、船内電力系統42には、コンタクタ48を介して複数(本実施形態では2台)のディーゼルエンジン発電機60が接続可能とされている。
発電システム制御装置43には、タービン発電機25の出力電力(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る。また、発電システム制御装置43には、ディーゼルエンジン発電機60からの出力信号と、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ51からの信号とが入力される。
発電システム制御装置43は、排ガス量調整弁33を制御するための制御部(図示略)を備えている。発電システム制御装置43は、定常運転中において、排ガス量調整弁33を全開の状態し、パワータービン7の立ち上げ及び立ち下げ時に限り、排ガス量調整弁33の開度を漸増または漸減させてもよい。パワータービンの出力が変動すると、ガバナ制御部59はその変動を吸収するように調速弁37の弁開度を制御する。
本実施形態に係るガバナ制御では、TCP57aによって、蒸気タービン9による負荷容量値が算出され、この負荷容量値に基づいてガバナ制御部59による調速弁37の弁開度が制御される。
TCP57aは、PMS53へ出力する負荷容量値を算出する負荷容量値算出部70aを備える。負荷容量値算出部70aは、蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて、蒸気タービン9が出力可能な最大出力値である「負荷容量値」を算出する。負荷容量値算出部70aは、調速弁37の弁開度が全開に近い値に設定された所定の開度範囲において、負荷容量値の増減幅を他の開度範囲に比べて小さくする。
第1目標演算部80は、調速弁開度(GV Lift)を目標開度(GV lift Setting)に近づけるための調速弁開度に基づく負荷容量値(以下「第1負荷容量値」という。)を演算する。
実施形態において、目標開度は一定値として設定され、一例として、92%に設定されている。第1目標演算部80は、調速弁開度と目標開度との開度偏差を演算する減算部81と、開度偏差に対してPID制御等を行い、開度偏差を用いて第1負荷容量値を演算するPID部82とを備える。
第2目標演算部90は、例えば、減算部91、高値選択部92、レートリミッタ93、減算部94、及びPID制御部95を備える。
減算部91は、高圧蒸気圧の計測値から予め定められた変動抑制値(規制値)を減算する。変動抑制値は、例えば0.5barである。高値選択部92は、変動抑制値が減算された高圧蒸気圧の計測値と予め設定されている高圧蒸気圧の最小設定値とを比較し、大きい方の値を選択し、レートリミッタ93に出力する。レートリミッタ93は、高値選択部92から出力された値を所定の時間変化率で変化させて減算部94に出力する。減算部94は、レートリミッタ93からの出力値と高圧蒸気の計測値との圧力偏差を演算し、PID制御部95に出力する。PID制御部95は、圧力偏差に対してPID制御を行うことにより、高圧蒸気圧を所定の蒸気圧設定値に近づけるための第2負荷容量値を演算する。
ここで、低値選択を行っている理由は、実際の蒸気圧が設定最小値未満とならないようにするためである。すなわち、調速弁開度が開くほど蒸気圧は低下するが、蒸気圧には最小値が設定されているため、実際の蒸気圧が最小値未満となるような第1負荷容量値を負荷容量値として設定することはできない。第2負荷容量値は、蒸気圧を最小設定値に近づけるための負荷容量値であるため、常に、第2負荷容量値を超えないような第1負荷容量値を負荷容量値として選択することで、実際の蒸気圧を最小設定値以上に維持することができる。
Available Power)及び第1演算部72によって演算された第3負荷容量値は、第2演算部73に出力される。
第2演算部73は、負荷容量設計値及び第3負荷容量値を用いて、負荷容量設計値を上限とした負荷容量値を演算する。第2演算部73は、例えば、減算部101、PID制御部102、及び乗算部103を備えている。
減算部101は、第3負荷容量値と乗算部103から出力された負荷容量値の前回値との偏差を演算し、PID制御部102に出力する。PID制御部102は、入力された偏差に対してPID制御を行うことで、第3負荷容量値を負荷容量値の前回値に近づけるような1以下の補正係数を演算する。乗算部103は、負荷容量設計値の今回値にPID制御部102から出力された補正係数を乗じることで、負荷容量設計値を上限とした負荷容量値(今回値)を算出する。
上限値設定部74aは、現在の調速弁37の弁開度に対応する増減幅を図4に示したような上限パラメータ情報から取得し、取得した増減幅を現在のタービン発電機25の出力電力値に加算することにより、負荷容量値の上限値を算出し、設定する。
なお、調速弁開度と上限係数とを関連付けた情報は図6に示すものに限定されない。例えば、この特性は、Y軸に沿って平行移動させることも可能であり、例えば、目標開度(例えば、92%)のときに係数1.0と設定されていてもよい。
ここで、本実施形態に係る発電システムでは、蒸気タービン9に低圧蒸気源61から低圧蒸気が供給されるため、低圧蒸気による出力電力も加味して負荷容量値を算出する必要がある。このため、例えば、第2演算部73によって演算された負荷容量値に対して、別途算出された低圧蒸気に基づく負荷容量値を加算する加算部(図示略)を有し、加算後の負荷容量値をリミッタ部75に出力することが好ましい。
なお、モータ46はメインエンジン3を加勢する加勢モータとして駆動しているときには、ドループ機能を持たない。
負荷分担制御部110は、TCP57aから入力された負荷容量値に基づいて、蒸気タービン9及びディーゼルエンジン発電機60の負荷分担を示す負荷分担信号を生成する。ガバナ増減パルス生成部111は、負荷分担制御部110からの負荷分担信号に基づいて、蒸気タービン9及びディーゼルエンジン発電機60に対して、制御値(速度設定値)を増加又は減少させるためのガバナ増又はガバナ減を示すパルス信号(以下「ガバナ増減パルス信号」という。)を生成し、各々に対応するガバナ制御部59,87,88へ出力する。
これにより、PMSは増加傾向を示す負荷容量値に基づいて増パルス指令を出力し続け(時刻t4〜t5)、調速弁の弁開度は上限値に対応する開度(例えば、100%)まで上昇し続けることとなる(時刻t6)。
そして、時刻t5において、調速弁の弁開度が目標弁開度よりも大きいことから、TCPは調速弁37の弁開度を目標弁開度に近づけるべく、負荷容量値を減少させる。これに伴い、所定の時間差を持って減パルス信号が調速弁37のガバナ制御部59に出力され、調速弁開度が減少し始める。そして、上記のような制御が繰り返されることにより、調速弁開度は目標弁開度を挟んで増減を繰り返すように制御され、ハンチング現象が発生する。この結果、制御系が不安定となり、収束までに時間を要することとなる。
次に、本発明の第2実施形態に係る発電システム及びその制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る発電システムは、上述した第1実施形態に係る発電システムと略同様の構成を有するが、発電システム制御装置が備えるTCPの構成が一部異なる。
以下、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図10に示すように、本実施形態に係るTCP57bは、負荷容量値算出部70bを備えている。負荷容量値算出部70bは、上限値設定部74bの構成が図3に示した第1実施形態に係る負荷容量値算出部70aの上限値設定部74aと異なり、他の構成については同じである。本実施形態に係る上限値設定部74bは、タービン発電機25の発電状態に影響を与える少なくとも一つのパラメータを用いて上限値を設定する。タービン発電機の発電状態に影響を与えるパラメータとして、例えば、主蒸気圧力、主蒸気温度、排ガス圧力、及び調速弁開度等が一例として挙げられる。上限値設定部74bは、タービン発電機25の発電状態に影響を与える1または複数のパラメータを変数として含む上限値演算式、または、タービン発電機25の発電状態に影響を与える1または複数のパラメータと上限値とを関連付けたテーブルやマップを保有しており、これらの情報に対して主蒸気圧力等のパラメータの計測値や制御値等を代入(入力)することにより、上限値を演算する。例えば、上限値は、主蒸気圧力が低いほど、主蒸気温度が低いほど、蒸気タービンの排気圧力が高いほど小さくなるように設定される。
このようにして算出された上限値はリミッタ部75に出力される。リミッタ部75では、第2演算部73によって算出された負荷容量値と上限値とが比較され、小さい方の値が最終的な負荷容量値として出力される。
次に、本発明の第3実施形態に係る発電システム及びその制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る発電システムは、上述した第2実施形態に係る発電システムと略同様の構成を有するが、発電システム制御装置が備えるTCPの構成が一部異なる。
以下、第2実施形態と同一の構成については同一の符号を付し説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図11に示すように、本実施形態に係るTCP57cは、負荷容量値算出部70cを備えている。負荷容量値算出部70cは、設計値算出部71、第1演算部72、第2演算部73、上限値設定部74b、低値選択部200、及び選択部76aを備えている。
なお、モータ46はメインエンジン3を加勢する加勢モータとして駆動しているときには、ドループ機能を持たない。
このようにして算出された負荷容量値には、別途算出された低圧蒸気に基づく負荷容量値及びパワータービンの出力値が加算され、最終的な負荷容量値としてPMS53に出力される。
次に、本発明の第4実施形態に係る発電システム及びその制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る発電システムは、上述した第1実施形態に係る発電システムと略同様の構成を有するが、発電システム制御装置が備えるTCPの構成が一部異なる。
以下、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図12に示すように、本実施形態に係るTCP57dは、負荷容量値算出部70dを備えている。負荷容量値算出部70dは、設計値算出部71、第1演算部72、第2演算部73、リミッタ部75を備えている。
リミッタ部75から出力された負荷容量値には、パワータービンの出力値が加算され、最終的な負荷容量値としてPMS53に出力される。
この形態の場合、プラント設備は、無限大母線と接続されていない、所謂マイクログリッド(アイランドモードともいう。)で運用される。
2 発電システム
3 メインエンジン
5 過給機
7 パワータービン
9 蒸気タービン
11 排ガスエコノマイザ
25 タービン発電機(発電機)
37 調速弁
42 船内電力系統
43 発電システム制御装置
46 モータ
53 PMS
57a〜57d TCP
59 ガバナ制御部
60 ディーゼルエンジン発電機
70a〜70d 負荷容量値算出部
71 設計値算出部
72 第1演算部
73 第2演算部
74a、74b 上限値設定部
75 リミッタ部
76、76a 選択部
80 第1目標演算部
90 第2目標演算部
200 低値選択部
Claims (18)
- 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御装置であって、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記発電機の負荷容量値を算出する負荷容量値算出部を備え、
前記負荷容量値算出部は、前記調速弁開度が全開に近い値に設定された所定の開度範囲における前記負荷容量値の増加幅又は増加率が前記調速弁開度の他の開度範囲に比べて小さくなるような前記負荷容量値を算出する発電システムの制御装置。 - 前記所定の開度範囲における前記負荷容量値の増加幅又は増加率は、前記調速弁開度が全開に近づくほど小さな値とされている請求項1に記載の発電システムの制御装置。
- 前記負荷容量値算出部は、前記調速弁開度に応じて変化する上限パラメータと前記発電機の実出力電力値とを用いて前記負荷容量値の上限値を設定する上限値設定部を備え、
前記上限パラメータは、前記調速弁開度が全開に近い値に設定された前記所定の開度範囲の増加幅又は増加率が前記調速弁開度の他の開度範囲に比べて小さく設定されている請求項2に記載の発電システムの制御装置。 - 前記負荷容量値算出部は、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記蒸気タービンの負荷容量値を算出する演算部と、
前記演算部によって算出された前記負荷容量値が前記上限値を超えている場合に、前記上限値を前記負荷容量値として出力するリミッタ部と
を具備する請求項3に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記排ガスを排出するディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンの回転軸に連結可能に設けられ、前記発電機の余剰出力電力によって駆動されるモータとを備え、
前記リミッタ部は、前記モータが前記発電機の余剰出力電力によって駆動されていない状態では、前記上限値にかかわらず、前記演算部によって算出された前記負荷容量値を出力する請求項4に記載の発電システムの制御装置。 - 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御装置であって、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記発電機の負荷容量値を算出する負荷容量値算出部を備え、
前記負荷容量値算出部は、発電状態に影響を与えるパラメータを用いて前記負荷容量値の上限値を設定する上限値設定部を備える発電システムの制御装置。 - 前記負荷容量値算出部は、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記蒸気タービンの負荷容量値を算出する演算部と、
前記演算部によって算出された前記負荷容量値が前記上限値を超えている場合に、前記上限値を前記負荷容量値として出力するリミッタ部と
を備える請求項6に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記排ガスを排出するディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンの回転軸に連結可能に設けられ、前記発電機の余剰出力電力によって駆動されるモータとを備え、
前記負荷容量値算出部は、前記モータが前記発電機の余剰出力電力によって駆動されていない状態では、前記上限値にかかわらず、前記演算部によって算出された前記負荷容量値を出力する請求項7に記載の発電システムの制御装置。 - 前記調速弁開度を目標開度に近づけるための第1負荷容量値を算出する第1演算部と、
前記第1演算部によって算出された前記第1負荷容量値と、前記上限値設定部によって設定された前記上限値とを用いて、前記負荷容量値を演算する第2演算部と
を具備する請求項6に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記排ガスを排出するディーゼルエンジンを備え、
前記上限値設定部は、
発電状態に影響を与えるパラメータを用いて第1上限値を算出する第1上限値算出部と、
前記ディーゼルエンジンの負荷と外気温度とを用いて第2上限値を算出する第2上限値算出部と、
前記第1上限値と前記第2上限値のうち、小さい方の値を前記上限値として選択する低値選択部と
を備え、
前記第2演算部は、前記上限値設定部によって設定された前記上限値を用いて前記負荷容量値を算出する請求項9に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記排ガスを排出するディーゼルエンジンと、前記ディーゼルエンジンの回転軸に連結可能に設けられ、前記発電機の余剰出力電力によって駆動される加勢モータとを備え、
前記上限値設定部は、前記加勢モータが前記発電機の余剰出力電力によって駆動されていない状態において、前記第2上限値を前記上限値として設定する請求項10に記載の発電システムの制御装置。 - 前記発電状態に影響を与えるパラメータは、主蒸気圧力、主蒸気温度、及び排気圧力の少なくとも一つを含む請求項6から11のいずれかに記載の発電システムの制御装置。
- 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御装置であって、
調速弁開度を目標開度に近づけるための第1負荷容量値を算出する第1演算部と、
前記第1負荷容量値と前記発電機の実出力電力値とを用いて負荷容量値を演算する第2演算部と
を備える発電システムの制御装置。 - 前記発電システムは、前記排ガスを排出するディーゼルエンジンを備え、
前記ディーゼルエンジンの負荷と外気温度とを用いて前記負荷容量値の上限値を算出する上限値算出部と、
前記第2演算部によって算出された前記負荷容量値が前記上限値算出部によって算出された前記上限値を超える場合に、前記上限値を前記負荷容量値として出力するリミッタ部と
を備える請求項13に記載の発電システムの制御装置。 - 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、
前記蒸気タービンに接続された発電機と、
請求項1又は請求項6又は請求項13に記載の発電システムの制御装置と
を備える発電システム。 - 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御方法であって、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記蒸気タービンの負荷容量値を算出する目標値算出工程を有し、
前記目標値算出工程は、前記調速弁開度が全開に近い値に設定された所定の開度範囲における前記負荷容量値の増加幅又は増加率が前記調速弁開度の他の開度範囲に比べて小さくなるような前記負荷容量値を算出する発電システムの制御方法。 - 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御方法であって、
蒸気条件及び調速弁開度の少なくともいずれか一方を用いて前記蒸気タービンの負荷容量値を算出する目標値算出工程を有し、
前記目標値算出工程は、主蒸気圧力、主蒸気温度、排気圧力の少なくとも一つを含む発電状態に影響を与えるパラメータを用いて前記負荷容量値の上限値を設定する発電システムの制御方法。 - 排ガスによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記蒸気タービンに供給する蒸気量を制御する調速弁と、前記蒸気タービンに接続された発電機とを備える発電システムに適用される制御方法であって、
調速弁開度を目標開度に近づけるための第1負荷容量値を算出する第1演算工程と、
前記第1負荷容量値と前記発電機の実出力電力値とを用いて前記発電機の負荷容量値を演算する第2演算工程と
を有する発電システムの制御方法。
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