JP7031311B2

JP7031311B2 - 蒸気タービンの統合制御装置及び統合制御方法

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Publication number: JP7031311B2
Application number: JP2018000188A
Authority: JP
Inventors: 伸充岩崎; 孝彰峯岸
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2018-01-04
Filing date: 2018-01-04
Publication date: 2022-03-08
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: JP2019120188A

Description

本開示は、蒸気タービンの統合制御装置及び統合制御方法に関する。

従来、ボイラで発生する蒸気を利用する単一の蒸気タービン発電機（蒸気タービンと発電機の組み合わせ）の運転制御装置が知られている（特許文献１参照。）。

この運転制御装置は、単一の発電機の発電電力が発電機定格電力を超えた場合に、対応する蒸気タービンの調圧制御を調速制御に切り替え、その後に、発電電力が発電機定格電力以下で且つ主蒸気圧力が設定圧力以下になった時点で調圧制御に戻すように構成されている。この構成により、ボイラで発生する蒸気を可能な限り発電に使用して蒸気の有効利用を図りながら、蒸気発生量の変動に対しても自動的に対応できるようにしている。

特開２０００－２６５８０４号公報

しかしながら、上述の運転制御装置は、単一の蒸気タービンを制御するために利用されるのみであり、複数の蒸気タービンを統合的に制御することはできない。

そこで、複数の蒸気タービンを統合的に制御可能な統合制御装置を提供することが望ましい。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンの統合制御装置は、１又は複数のボイラで発生する蒸気を利用して回転する複数の蒸気タービンを統合的に制御する統合制御装置であって、複数の前記蒸気タービンのうちの一つである、前圧制御が実行される第２蒸気タービンの発電電力が複数の上限閾値のそれぞれに達したときに、複数の前記蒸気タービンのうちの別の一つである、調速制御が実行される第１蒸気タービンの設定電力を大きくし、且つ、前記第２蒸気タービンの発電電力が下限閾値に達したときに、前記第１蒸気タービンの設定電力を小さくするように構成されており、複数の前記上限閾値のうちの少なくとも一つは、前記下限閾値よりも小さい。

上述の手段により、複数の蒸気タービンを統合的に制御する統合制御装置が提供される。

本発明の一実施形態に係る統合制御装置を含む発電システムの構成例を示す図である。図１の発電システムに含まれる蒸気タービンの発電電力の時間的推移を示す図である。統合処理の一例を示すフローチャートである。前圧制御で動作する第２蒸気タービンの別の構成例を示す図である。

図１を参照し、本発明の実施形態に係る統合制御装置５０について説明する。図１は、統合制御装置５０を含む発電システム１００の構成例を示す図である。図１では、一点鎖線が蒸気管を表し、破線が作動油管を表し、点線が電気信号線を表し、二点鎖線が電力線を表す。

発電システム１００は、非鉄金属製錬プラントにおいて、ボイラ１から発生する蒸気を複数の蒸気タービンに供給して発電するシステムである。そのため、発電システム１００は、例えば、ボイラ１、蒸気タービン２、蒸気加減弁３、発電機４、復水器５、蒸気圧センサ６、回転数センサ７、電力センサ８、油圧源９、抽気加減弁１０、抽気圧センサ１１、安全弁１２、ガバナ機構１５、統合制御装置５０等を含む。

ボイラ１は、蒸気を発生させる装置である。図１の例では、ボイラ１は、第１ボイラ１Ａ、第２ボイラ１Ｂ及び第３ボイラ１Ｃを含む。ボイラ１は１台であってもよい。蒸気管ＳＬは、第１ボイラ１Ａ、第２ボイラ１Ｂ及び第３ボイラ１Ｃのそれぞれで発生した蒸気が合流して蒸気タービン２に供給されるように構成されている。

蒸気タービン２は、蒸気のもつエネルギを、タービン（羽根車）と軸を介して回転運動へと変換する外燃機関である。図１の例では、蒸気タービン２は、第１蒸気タービン２Ａと第２蒸気タービン２Ｂを含む。そして、第１蒸気タービン２Ａでは調速制御が実行され、第２蒸気タービン２Ｂでは調圧制御（前圧制御）が実行されるように構成されている。調速制御は、蒸気量の変動に関係なく発電電力を設定電力に維持する制御である。前圧制御は、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力を設定圧力に維持する制御である。したがって、前圧制御では、蒸気量の変動に応じて発電電力が変動する。

蒸気加減弁３は、蒸気タービン２に供給される蒸気の圧力を増減させる弁である。図１の例では、蒸気加減弁３は、第１蒸気加減弁３Ａと第２蒸気加減弁３Ｂを含む。第１蒸気加減弁３Ａは、第１蒸気タービン２Ａに供給される蒸気の圧力を増減させる弁である。第２蒸気加減弁３Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂに供給される蒸気の圧力を増減させる弁である。

発電機４は、蒸気タービン２の回転運動を電気に変換して発電する装置である。また、発電機４は、発電した電力を、電力線ＥＬを通じて、発電システム１００の外部の電気負荷に供給する。外部の電気負荷は、非鉄金属製錬プラントの内部の電気負荷であってもよく、非鉄金属製錬プラントの外部の電気負荷であってもよい。図１の例では、発電機４は、第１発電機４Ａと第２発電機４Ｂを含む。第１発電機４Ａは、第１蒸気タービン２Ａの回転軸に連結されている。そして、第１発電機４Ａは、第１電力線ＥＬＡを通じて外部の電気負荷に電力を供給できるように構成されている。第２発電機４Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂの回転軸に連結されている。そして、第２発電機４Ｂは、第２電力線ＥＬＢを通じて外部の電気負荷に電力を供給できるように構成されている。

復水器５は、蒸気タービン２で使用した蒸気を、冷却水との熱交換により、冷却凝縮して水に戻すように構成されている。復水器５は、蒸気を水に戻して体積を減らすことで、蒸気タービン２内を減圧し、蒸気の流れを良くして蒸気タービン２の効率を高めることができる。図１の例では、復水器５は、第１復水器５Ａと第２復水器５Ｂを含む。第１復水器５Ａは、第１蒸気タービン２Ａで使用した蒸気を水に戻す。第２復水器５Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂで使用した蒸気を水に戻す。

蒸気圧センサ６は、ボイラ１と蒸気タービン２とを繋ぐ蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力を測定するように構成されている。図１の例では、蒸気圧センサ６は、第１蒸気圧センサ６Ａと第２蒸気圧センサ６Ｂを含む。第１蒸気圧センサ６Ａは、ボイラ１と第１蒸気タービン２Ａとを繋ぐ蒸気管ＳＬＡにおける蒸気の圧力を測定する。第２蒸気圧センサ６Ｂは、ボイラ１と第２蒸気タービン２Ｂとを繋ぐ蒸気管ＳＬＢにおける蒸気の圧力を測定する。

回転数センサ７は、蒸気タービン２の回転軸の回転数を測定するように構成されている。図１の例では、回転数センサ７は、第１回転数センサ７Ａと第２回転数センサ７Ｂを含む。第１回転数センサ７Ａは、第１蒸気タービン２Ａの回転軸の回転数を測定する。第２回転数センサ７Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂの回転軸の回転数を測定する。

電力センサ８は、発電機４が発電した発電電力を測定するように構成されている。図１の例では、電力センサ８は、第１電力センサ８Ａと第２電力センサ８Ｂを含む。第１電力センサ８Ａは、第１発電機４Ａの発電電力を測定する。第２電力センサ８Ｂは、第２発電機４Ｂの発電電力を測定する。

油圧源９は、油圧機器に作動油を供給する装置である。図１の例では、油圧源９は、統合制御装置５０によって制御可能な油圧ポンプであり、作動油管ＨＬを通じて油圧機器に作動油を供給する。油圧源９は、例えば、統合制御装置５０からの制御指令の有無とは無関係に、所定の吐出圧を維持するように自律的に動作する油圧ポンプであってもよい。具体的には、油圧源９は、作動油管ＨＬＡを通じて第１蒸気タービン２Ａに関する油圧機器に作動油を供給する。また、油圧源９は、作動油管ＨＬＢを通じて第２蒸気タービン２Ｂに関する油圧機器に作動油を供給する。

抽気加減弁１０は、蒸気タービン２から抽気される蒸気の圧力を増減させる弁である。図１の例では、抽気加減弁１０は、第１抽気加減弁１０Ａと第２抽気加減弁１０Ｂを含む。第１抽気加減弁１０Ａは、第１蒸気タービン２Ａから抽気される蒸気の圧力を増減させる油圧弁である。第２抽気加減弁１０Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂから抽気される蒸気の圧力を増減させる電磁弁である。

抽気圧センサ１１は、蒸気タービン２から延びる抽気管ＸＬにおける抽気の圧力を測定するように構成されている。図１の例では、抽気圧センサ１１は、第１抽気圧センサ１１Ａと第２抽気圧センサ１１Ｂを含む。第１抽気圧センサ１１Ａは、第１蒸気タービン２Ａから延びる抽気管ＸＬＡにおける抽気の圧力を測定する。第２抽気圧センサ１１Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂから延びる抽気管ＸＬＢにおける抽気の圧力を測定する。第１抽気圧センサ１１Ａは、抽気管ＸＬＡにおける抽気の圧力の大きさに応じた制御指令を第１抽気加減弁１０Ａに対して出力することで第１抽気加減弁１０Ａの開度を調節できるように構成されている。

安全弁１２は、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力が過度に上昇或いは下降したときに動作するように構成されている。図１の例では、安全弁１２は、第１安全弁１２Ａと第２安全弁１２Ｂを含む。第１安全弁１２Ａは、蒸気管ＳＬＡにおける蒸気の圧力が過度に上昇或いは下降したときに蒸気管ＳＬＡを遮断する油圧弁である。第２安全弁１２Ｂは、蒸気管ＳＬＢにおける蒸気の圧力が過度に上昇或いは下降したときに蒸気管ＳＬＢを遮断する油圧弁である。

ガバナ機構１５は、蒸気タービン２を制御する機構である。図１の例では、ガバナ機構１５は、第１ガバナ機構１５Ａと第２ガバナ機構１５Ｂを含む。第１ガバナ機構１５Ａは、第１蒸気タービン２Ａを制御する機械式ガバナ機構である。第２ガバナ機構１５Ｂは、第２蒸気タービン２Ｂを制御する電子式ガバナ機構である。

第１ガバナ機構１５Ａは、基本的に、第２ガバナ機構１５Ｂによる第２蒸気タービン２Ｂの制御とは無関係に、第１蒸気タービン２Ａを制御できるように構成されている。同様に、第２ガバナ機構１５Ｂは、基本的に、第１ガバナ機構１５Ａによる第１蒸気タービン２Ａの制御とは無関係に、第２蒸気タービン２Ｂを制御できるように構成されている。そして、第１蒸気タービン２Ａと第２蒸気タービン２Ｂが蒸気源としてのボイラ１を共用しているため、第１蒸気タービン２Ａは第２蒸気タービン２Ｂの外乱因子となり得、第２蒸気タービン２Ｂは第１蒸気タービン２Ａの外乱因子となり得る。

統合制御装置５０は、複数のガバナ機構１５を統合的に制御する装置である。図１の例では、統合制御装置５０は、互いに独立して動作可能な第１ガバナ機構１５Ａと第２ガバナ機構１５Ｂを統合的に自動制御できるように構成されている。但し、第２ガバナ機構１５Ｂが自動的に制御される場合であっても、第１ガバナ機構１５Ａは、タービン運転者によって手動で操作されてもよい。

第１ガバナ機構１５Ａは、タービン制御盤１５ａ、ガバナ１５ｂ、ガバナモータ１５ｃ、負荷制限器１５ｄ及び開度発信器１５ｅを含む。タービン制御盤１５ａは、調速制御が適用される第１蒸気タービン２Ａの発電電力が設定電力となるように、ガバナ１５ｂを制御するように構成されている。具体的には、第１蒸気圧センサ６Ａ、第１回転数センサ７Ａ、第１電力センサ８Ａ及び統合制御装置５０の少なくとも１つが出力する情報に基づいてガバナモータ１５ｃ及び負荷制限器１５ｄを動作させてガバナ１５ｂを制御するように構成されている。

ガバナ１５ｂは、油圧源９が吐出する作動油とガバナモータ１５ｃの駆動力とを利用して第１蒸気加減弁３Ａの開度を増減できるように構成されている。また、ガバナ１５ｂの動きは、負荷制限器１５ｄによって制限されるように構成されている。すなわち、第１蒸気加減弁３Ａの開度の調節幅は、負荷制限器１５ｄによって制限されるように構成されている。ガバナモータ１５ｃは、タービン制御盤１５ａからの指令に応じて駆動力の大きさを決定するように構成されている。負荷制限器１５ｄは、タービン制御盤１５ａからの指令に応じて第１蒸気加減弁３Ａの開度の最大値及び最小値の少なくとも一方を決定するように構成されている。例えば、ガバナ１５ｂは、負荷制限器１５ｄによる制限が緩和されたときに第１蒸気加減弁３Ａの開度の最大値を増大させることができ、負荷制限器１５ｄによる制限が強化されたときに第１蒸気加減弁３Ａの開度の最大値を低減させることになる。

開度発信器１５ｅは、第１蒸気加減弁３Ａの開度を測定する装置である。開度発信器１５ｅは、第１蒸気加減弁３Ａの開度に関する情報を統合制御装置５０に向けて送信するように構成されている。開度発信器１５ｅは、タービン制御盤１５ａを介し、第１蒸気加減弁３Ａの開度に関する情報を統合制御装置５０に伝えてもよい。この構成により、統合制御装置５０は、第１蒸気加減弁３Ａの開度をリアルタイムで把握することができ、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力を迅速に更新できる。

第２ガバナ機構１５Ｂは、タービン制御ユニット１５ｆ及び電気油圧変換器１５ｇを含む。タービン制御ユニット１５ｆは、前圧制御が適用される第２蒸気タービン２Ｂに供給される蒸気の圧力が設定圧力となるように、電気油圧変換器１５ｇを制御するように構成されている。具体的には、第２蒸気圧センサ６Ｂ、第２回転数センサ７Ｂ、第２電力センサ８Ｂ及び統合制御装置５０の少なくとも１つが出力する情報に基づいて電気油圧変換器１５ｇを制御するように構成されている。

電気油圧変換器１５ｇは、油圧源９が吐出する作動油を利用して第２蒸気加減弁３Ｂの開度を増減できるように構成されている。具体的には、電気油圧変換器１５ｇは、タービン制御ユニット１５ｆからの指令に応じて第２蒸気加減弁３Ｂに作用する作動油の圧力を増減させることで、第２蒸気加減弁３Ｂの開度を増減できるように構成されている。

次に、図２を参照し、統合制御装置５０による統合制御について説明する。図２は、蒸気タービン２の発電電力の時間的推移を示す図である。具体的には、第１蒸気タービン２Ａ及び第２蒸気タービン２Ｂのそれぞれの発電電力は、時間の経過に伴い、図２（Ａ）～図２（Ｆ）の順で推移する。

ボイラ１の運転が開始されると、蒸気が生成されて蒸気量が増加する。蒸気量が少ない間は、調速制御が適用されている第１蒸気タービン２Ａの発電電力は、図２（Ａ）に示すように、比較的低いレベルにある。調速制御の設定電力は、例えば、発生した蒸気量で賄える程度の比較的低い値である第１設定値（例えば1000［kW］）に設定されているためである。同様に、前圧制御が適用されている第２蒸気タービン２Ｂの発電電力も、図２（Ａ）に示すように、比較的低いレベル（例えば1800［kW］）にある。蒸気量が比較的少ないためである。

その後、蒸気量が増加するにつれ、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は増大傾向を示すようになる。そのため、第２ガバナ機構１５Ｂのタービン制御ユニット１５ｆは、第２蒸気圧センサ６Ｂの出力を監視しながら、蒸気管ＳＬＢにおける蒸気の圧力が設定圧力で維持されるように、第２蒸気加減弁３Ｂの開度を増大させる。その結果、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、図２（Ａ）の白色矢印で示すように蒸気量の増加に伴って増加する。

その後、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第１上限閾値（例えば図２（Ｂ）の破線で示す6000［kW］）に達すると、統合制御装置５０は、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力を更新する。蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力が十分に高くなっていると推定されるためである。具体的には、統合制御装置５０は、第２電力センサ８Ｂの出力に基づいて第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第１上限閾値に達したと判定すると、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力をより大きな値である第２設定値（例えば図２（Ｂ）の一点鎖線で示す4000［kW］）に更新する。

この場合、統合制御装置５０は、利用可能な任意の情報に基づいて第１蒸気タービン２Ａに関する調速制御の設定電力を決定するように構成されていてもよい。例えば、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力の増大率（単位時間当たりの増大量）に応じて第１蒸気タービン２Ａに関する調速制御の設定電力を決定してもよい。具体的には、増大率が大きいほど設定電力が大きくなるようにしてもよい。或いは、統合制御装置５０は、付属の記憶媒体に予め記憶されている値を設定電力としてもよい。

調速制御の設定電力がより大きな値に更新されると、第１ガバナ機構１５Ａのタービン制御盤１５ａは、第１電力センサ８Ａの出力を監視しながら、第１蒸気タービン２Ａの発電電力が新たな設定電力で維持されるように、第１蒸気加減弁３Ａの開度を増大させる。その結果、第１蒸気タービン２Ａの発電電力は、図２（Ｂ）の黒色矢印で示すように蒸気量の増加に伴って増加する。このような設定電力の更新により、更新前に比べ、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は上昇し難くなる。蒸気管ＳＬ内の蒸気がより多く第１蒸気タービン２Ａへ送られるようになるためである。このとき、統合制御装置５０は、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力が短期間に低下するのを防ぐように、蒸気圧力の低下傾向が検出された場合には、第２蒸気タービン２Ｂへ送られる蒸気量を自動的に減少させる調整を行う。この場合、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、蒸気量の減少に伴って低下する。

その後、ボイラ１で発生する蒸気の量が更に増加すると、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は更なる増大傾向を示すようになる。そのため、第２ガバナ機構１５Ｂのタービン制御ユニット１５ｆは、第２蒸気圧センサ６Ｂの出力を監視しながら、蒸気管ＳＬＢにおける蒸気の圧力が設定圧力で維持されるように、第２蒸気加減弁３Ｂの開度を更に増大させる。その結果、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、図２（Ｂ）の白色矢印で示すように蒸気量の増加に伴って更に増加する。

その後、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第１上限閾値より大きい第２上限閾値（例えば図２（Ｃ）の破線で示す8000［kW］）に達すると、統合制御装置５０は、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力を再び更新する。具体的には、統合制御装置５０は、第２電力センサ８Ｂの出力に基づいて第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第２上限閾値に達したと判定すると、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力を更に大きな値である第３設定値（例えば図２（Ｃ）の一点鎖線で示す6000［kW］）に更新する。

調速制御の設定電力がこのように大きな値に更新されると、第１ガバナ機構１５Ａのタービン制御盤１５ａは、第１電力センサ８Ａの出力を監視しながら、第１蒸気タービン２Ａの発電電力が新たな設定電力で維持されるように、第１蒸気加減弁３Ａの開度を更に増大させる。その結果、第１蒸気タービン２Ａの発電電力は、図２（Ｃ）の黒色矢印で示すように蒸気量の増加に伴って更に増加する。このような設定電力の再度の更新により、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は更に上昇し難くなる。蒸気管ＳＬ内の蒸気がより多く第１蒸気タービン２Ａへ送られるようになるためである。このとき、統合制御装置５０は、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力が短期間に低下するのを防ぐように、蒸気圧力の低下傾向が検出された場合には、第２蒸気タービン２Ｂへ送られる蒸気量を自動的に減少させる調整を行う。この場合、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、蒸気量の減少に伴って低下する。

その後、ボイラ１で発生する蒸気の量が更に増加する場合も同様に、統合制御装置５０は、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第ｎ上限閾値を上回った時点で調速制御の設定電力を第ｎ設定値から第ｎ＋１設定値へ変更することで、そのような状況に対応可能である。なお、ｎは３以上の整数である。

続いて、ボイラ１で発生する蒸気の量が減少していく場合について説明する。その後、蒸気量が減少すると、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は低下傾向を示すようになる。そのため、第２ガバナ機構１５Ｂのタービン制御ユニット１５ｆは、第２蒸気圧センサ６Ｂの出力を監視しながら、蒸気管ＳＬＢにおける蒸気の圧力が設定圧力で維持されるように、第２蒸気加減弁３Ｂの開度を低減させる。その結果、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、図２（Ｄ）の白色矢印で示すように蒸気量の減少に伴って低下する。

その後、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が下限閾値（例えば図２（Ｅ）の破線で示す7000［kW］）に達すると、統合制御装置５０は、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力を再び更新する。具体的には、統合制御装置５０は、第２電力センサ８Ｂの出力に基づいて第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が下限閾値に達したと判定すると、第１蒸気タービン２Ａで実行されている調速制御の設定電力をより小さな値（例えば図２（Ｅ）の一点鎖線で示す2000［kW］）に更新する。

この場合、統合制御装置５０は、利用可能な任意の情報に基づいて第１蒸気タービン２Ａに関する調速制御の設定電力を決定するように構成されていてもよい。例えば、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力の低下率（単位時間当たりの低下量）に応じて第１蒸気タービン２Ａに関する調速制御の設定電力を決定してもよい。具体的には、低下率が大きいほど設定電力が小さくなるようにしてもよい。或いは、統合制御装置５０は、付属の記憶媒体に予め記憶されている値を設定電力としてもよい。

統合制御装置５０は、下限閾値についても上限閾値と同様に、複数段階の閾値を設定することができる。例えば、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が第ｎ下限閾値を下回った時点で調速制御の設定電力を第ｎ＋１設定値から第ｎ設定値へ変更することができる。その際、第ｎ下限閾値を第ｎ上限閾値より低い値にすることにより、複数のガバナ機構１５を安定的に制御することができる。

調速制御の設定電力がより小さな値に更新されると、第１ガバナ機構１５Ａのタービン制御盤１５ａは、第１電力センサ８Ａの出力を監視しながら、第１蒸気タービン２Ａの発電電力が新たな設定電力で維持されるように、第１蒸気加減弁３Ａの開度を低減させる。その結果、第１蒸気タービン２Ａの発電電力は、図２（Ｅ）の黒色矢印で示すように蒸気量の減少に伴って低下する。そして、第１蒸気タービン２Ａ及び第２蒸気タービン２Ｂの発電電力は、図２（Ｆ）に示すような状態に至る。このような設定電力の更新により、更新前に比べ、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力は下降し難くなる。第１蒸気タービン２Ａによって吸収される蒸気量が制限されるためである。

次に、図３を参照し、統合制御装置５０が第１ガバナ機構１５Ａと第２ガバナ機構１５Ｂを統合的に制御する処理（以下、「統合処理」とする。）の流れについて説明する。図３は、統合処理の一例を示すフローチャートである。統合制御装置５０は、例えば、発電システム１００が稼働している間、所定の制御周期で繰り返しこの統合処理を実行する。

最初に、統合制御装置５０は、第１蒸気タービン２Ａにおける調速制御の設定電力を増大させる必要があるか否かを判定する（ステップＳＴ１）。本実施形態では、統合制御装置５０は、第２電力センサ８Ｂの出力に基づき、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量増加時の閾値より大きいか否かを判定する。蒸気量増加時の閾値は、例えば、図２を参照して説明した第１上限閾値、第２上限閾値等である。但し、リアルタイムに算出されてもよい。また、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力が蒸気量増加時の適正値より小さいか否かを判定する。蒸気量増加時の適正値は、例えば、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力の増大率等に応じて決定される値であり、図２（Ｂ）の4000［kW］（第２設定値）、図２（Ｃ）の6000［kW］（第３設定値）等である。但し、予め登録されている値が利用されてもよい。そして、統合制御装置５０は、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量増加時の閾値より大きく、且つ、調速制御の設定電力が蒸気量増加時の適正値より小さいと判定した場合に、調速制御の設定電力を増大させる必要があると判定する。また、統合制御装置５０は、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量増加時の閾値以下であるか、或いは、調速制御の設定電力が蒸気量増加時の適正値以上であると判定した場合に、調速制御の設定電力を増大させる必要がないと判定する。

調速制御の設定電力を増大させる必要があると判定した場合（ステップＳＴ１のＹＥＳ）、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力を増大させる（ステップＳＴ２）。統合制御装置５０は、例えば、調速制御の設定電力を蒸気量増加時の適正値まで増大させる。

調速制御の設定電力を増大させる必要がないと判定した場合（ステップＳＴ１のＮＯ）、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力を増大させることなく、次のステップを実行する。

統合制御装置５０は、第１蒸気タービン２Ａにおける調速制御の設定電力を低減させる必要があるか否かを判定する（ステップＳＴ３）。本実施形態では、統合制御装置５０は、第２電力センサ８Ｂの出力に基づき、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量減少時の閾値より小さいか否かを判定する。蒸気量減少時の閾値は、例えば、図２を参照して説明した下限閾値である。但し、リアルタイムに算出されてもよい。また、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力が蒸気量減少時の適正値より大きいか否かを判定する。蒸気量減少時の適正値は、例えば、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力の低下率等に応じて決定される値であり、図２（E）の2000［kW］等である。但し、予め登録されている値が利用されてもよい。そして、統合制御装置５０は、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量減少時の閾値より小さく、且つ、調速制御の設定電力が蒸気量減少時の適正値より大きいと判定した場合に、調速制御の設定電力を低減させる必要があると判定する。また、統合制御装置５０は、第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量減少時の閾値以上であるか、或いは、調速制御の設定電力が蒸気量減少時の適正値以下であると判定した場合に、調速制御の設定電力を低減させる必要がないと判定する。

調速制御の設定電力を低減させる必要があると判定した場合（ステップＳＴ３のＹＥＳ）、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力を低減させる（ステップＳＴ４）。統合制御装置５０は、例えば、調速制御の設定電力を蒸気量減少時の適正値まで低減させる。

調速制御の設定電力を低減させる必要がないと判定した場合（ステップＳＴ３のＮＯ）、統合制御装置５０は、調速制御の設定電力を低減させることなく、今回の統合処理を終了させる。

上述のように、統合制御装置５０は、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量増加時の閾値を上回った場合に、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの設定電力を増大させるようにする。また、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が蒸気量減少時の閾値を下回った場合に、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの設定電力を低減させるようにする。この構成により、統合制御装置５０は、前圧制御で実現できるボイラ系の安定を維持しながら、複数の蒸気タービン２を統合的に制御することができる。

［実施例］
ここで、上述の実施形態に係る統合制御装置５０を非鉄金属製錬プラントの一例である銅製錬プラントに適用した場合について説明する。

銅製錬プラントは、硫化精鉱を原料とする非鉄金属製錬プラントの一例であり、主に、硫化精鉱を熔解する熔錬炉設備、熔解した粗銅を不純物除去のため吹錬する転炉設備、及び、製錬廃ガスである亜硫酸ガスを回収して硫酸を製造する硫酸プラントから構成される。熔錬炉設備は、例えば、自熔炉を含み、転炉設備は、例えば、転炉を含む。

これらの設備・プラントのそれぞれは、廃熱回収を目的とした廃熱回収設備を備えている。廃熱回収設備は、例えば、第１ボイラ１Ａとしての自熔炉廃熱ボイラ、第２ボイラ１Ｂとしての転炉１号炉廃熱ボイラ、及び、第３ボイラ１Ｃとしての転炉２号炉廃熱ボイラを含む。これらのボイラ１で熱回収して発生する蒸気は、工場内で加温媒体としてさまざまな用途に利用されるだけでなく、蒸気タービン２を利用した発電にも利用される。大規模な銅製錬プラントは、ボイラ１での蒸気発生量が多く、且つ、電力需要が大きいため、蒸気タービン２を複数台備えるのが一般的である。

蒸気タービン２で発電することによりエネルギを回収する場合、ボイラ１と蒸気タービン２の両方に関連する制御が重要となる。例えば、一般的な発電所では電力供給が主目的であるため、安定した電力供給が行われるようにボイラ１及び蒸気タービン２が制御される。具体的には、蒸気タービン２が必要とするエネルギに合わせてボイラ１における燃料消費量等が制御される。しかしながら、製錬廃ガスの廃熱をボイラ１で熱回収するプラントでは、製錬廃ガスの量及び温度が熔錬炉設備の操業状況に応じて変動してしまう。また、転炉設備では、転炉の操業がバッチ式であるため、廃熱の供給が断続的になってしまう。すなわち、蒸気タービン２に供給される蒸気の量が変動してしまう。そのため、発電システム１００では、上述のような発電所における電力の安定供給を主目的とした制御とは異なり、ボイラ１で発生する蒸気を処理することを主目的とした制御、すなわち、蒸気量に合わせた蒸気タービン２の制御が行われることが望ましい。

なお、銅製錬プラントでは、複数のボイラ１で発生する蒸気を合流させて蒸気タービン２に送り込んでいる。そのため、複数のボイラ１のうちの何れか１つが発生させている蒸気量が変動しただけで、蒸気タービン２へ送られる蒸気の圧力が変動してしまう。そこで、発電システム１００では、蒸気タービン２の１つで前圧制御が実行されるように構成されている。

しかしながら、複数のボイラ１で発生する蒸気を複数の蒸気タービン２に送って発電運転する場合、複数の蒸気タービン２で前圧制御を行うと制御が収束しないおそれがある。

そこで、発電システム１００では、２つの蒸気タービン２のうちの１つである第１蒸気タービン２Ａで調速制御が実行され、２つの蒸気タービン２の別の１つである第２蒸気タービン２Ｂで前圧制御が実行されるように構成されている。

具体的には、前圧制御が実行される第２蒸気タービン２Ｂに供給される蒸気の圧力は、蒸気量が変動した場合であっても、第２蒸気タービン２Ｂの手前（上流側）に設けられた第２蒸気加減弁３Ｂの開度を変えることによって設定圧力に合うように調節される。この前圧制御により、第２蒸気タービン２Ｂは、蒸気量の変動に応じて発電量を増減させることができる。

また、調速制御が実行される第１蒸気タービン２Ａは、蒸気量の変動とは無関係に、設定電力（発電電力）が固定されている。発電システム１００は、タービン運転者の操作に応じて或いは自動的に設定電力を調節することで、第１蒸気タービン２Ａを継続的に動作させることができる。この場合、設定電力は、自熔炉、転炉等の状況から自動的に予測されてもよい。

第１蒸気タービン２Ａの設定電力の調節は、例えば、以下のように行われる。ボイラ１で蒸気圧力が高まることが予想される場合には、或いは現に高まっている場合には、発電システム１００は、第１蒸気タービン２Ａの設定電力を増大させることによって、第１蒸気タービン２Ａでのエネルギ消費を増大させ、ボイラ１の循環水温度を上がり難くする。これは、ボイラ１の過熱を防止するとともに、製錬廃ガスを冷却する能力を維持するためである。一方、ボイラ１で蒸気圧力が低下することが予想される場合は、或いは現に低下している場合は、発電システム１００は、第１蒸気タービン２Ａで使用する蒸気量を少なくし、ボイラ１の循環水温度を下がり難くする。これは、発電に使う熱エネルギを後まで残しておくためである。

大規模な銅製錬プラントでは、多数のボイラ１が各個に動作して蒸気量の変動が頻繁に生じるため、第１蒸気タービン２Ａの設定電力の調節も頻繁に行われる。設定電力の調節を誤ると、ボイラ１の圧力が過度に上昇或いは低下して安全弁１２が作動してしまう。安全弁１２の作動は、ボイラ制御系の外乱となり、銅製錬プラントの安定的な操業を妨げるおそれがある。そのため、発電システム１００では、典型的には、第１蒸気タービン２Ａの設定電力の調節が自動的に行われる。この自動調節により、発電システム１００は、蒸気量の頻繁な変動に対して、第２蒸気タービン２Ｂの運転状態（例えば発電電力）を常時確認し、蒸気量の変動を予測して、第１蒸気タービン２Ａの設定電力を調節するといった、タービン運転者による煩雑な操作を代行できる。そして、第１蒸気タービン２Ａの専属のタービン運転者を不要とし、設定電力が誤って調節されてしまうのを防止できる。特に、第１蒸気タービン２Ａと第２蒸気タービン２Ｂのそれぞれで異なるタイプのガバナ機構が採用されている場合、２つのガバナ機構の間で応答速度に差が生じ易い。そのため、手動による第１蒸気タービン２Ａの設定電力の調節では、発電システム１００の全体を的確に制御するのは困難である。しかしながら、発電システム１００は、第１蒸気タービン２Ａの設定電力の調節を自動的に実行することで、２つのガバナ機構の間で応答速度に差が生じる場合であっても、システム全体を的確に制御することができる。

このように、統合制御装置５０は、銅製錬プラントで複数の蒸気タービン２を用いて発電が行われる場合に、蒸気量が変動しても、前圧制御で実現できるボイラ系の安定を維持しながら、複数の蒸気タービン２を統合的に制御することができる。また、専属のタービン運転者を不要とし、設定電力が誤って調節されてしまうのを防止できる。更に、６時間程度の完全自動制御が可能になる。

なお、発電システム１００では、発電量を滑らかに変化させる観点からは蒸気タービン２のうちの１台は前圧制御が実行されることが好ましく、制御の競合を防ぐ観点からは複数の蒸気タービン２のうちの１台を除いて或いはその全ての蒸気タービン２で調速制御が実行されることが好ましい。

上述の通り、本発明の実施形態に係る統合制御装置５０は、１又は複数のボイラ１で発生する蒸気を利用して回転する複数の蒸気タービン２を統合的に制御するように構成されている。そして、統合制御装置５０は、複数の蒸気タービン２のうちの１つである、調速制御が実行される第１蒸気タービン２Ａの運転状態を、複数の蒸気タービンのうちの別の１つである、前圧制御が実行される第２蒸気タービン２Ｂの運転状態に応じて変化させるように構成されている。

また、本発明の実施形態に係る統合制御方法は、１又は複数のボイラ１で発生する蒸気を利用して回転する複数の蒸気タービン２を統合的に制御する。そして、統合制御方法は、複数の蒸気タービン２のうちの１つである第１蒸気タービン２Ａで調速制御を実行する工程と、複数の蒸気タービン２のうちの別の１つである第２蒸気タービン２Ｂで前圧制御を実行する工程と、第２蒸気タービン２Ｂの運転状態に応じて第１蒸気タービン２Ａの運転状態を変化させる工程と、を有する。

以上の構成により、統合制御装置５０は、前圧制御で実現できるボイラ系の安定を維持しながら、複数の蒸気タービン２を統合的に制御することができる。

なお、１又は複数のボイラ１で発生する蒸気は、典型的には、非鉄金属製錬プラント等のプラントにおけるバッチプロセスで発生する廃熱を回収する廃熱回収ボイラで発生する蒸気である。また、第１蒸気タービン２Ａの応答速度は、第２蒸気タービン２Ｂの応答速度とは異なるように構成されていてもよい。具体的には、第１ガバナ機構１５Ａの応答速度は、第２ガバナ機構１５Ｂの応答速度とは異なるように構成されていてもよい。また、複数の蒸気タービン２は、抽気タービンを含んでいてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態に制限されることはない。上述した実施形態は、本発明の範囲を逸脱することなしに、種々の変形及び置換が適用され得る。また、上述の実施形態を参照して説明された特徴のそれぞれは、技術的に矛盾しない限り、適宜に組み合わされてもよい。

例えば、上述の実施形態では、発電システム１００は、第１蒸気タービン２Ａと第２蒸気タービン２Ｂの２台の蒸気タービン２を含むように構成されているが、３台の蒸気タービン２を含むように構成されていてもよい。この場合、３台のうちの１台に前圧制御が適用され、３台のうちの残りの２台に調速制御が適用される。３台のうちの２台以上に前圧制御を適用すると、ガバナ機構に関する応答特性の差等により、発電システム１００の統合的な制御が安定しないおそれがあるためである。

また、上述の実施形態では、蒸気タービン２は何れも、例えば過熱度のうちの２割程度を発電に消費し且つ残りの８割程度を復水に消費する１段抽気復水タービンであるが、蒸気タービン２の少なくとも１つは、多段抽気復水タービンであってもよい。また、蒸気タービン２は、背圧タービンであってもよい。この場合、背圧タービンは、１段抽気背圧タービンであってもよく、多段抽気背圧タービンであってもよい。また、蒸気タービン２は、複数の蒸気タービンが直列に接続された構成であってもよい。図４は、第２蒸気タービン２Ｂの別の構成例を示す図である。図４に示すように、第２蒸気タービン２Ｂは、２台の蒸気タービンが直列に接続された構成であってもよい。

また、上述の実施形態では、第１蒸気タービン２Ａの第１ガバナ機構１５Ａは、機械式ガバナ機構を採用し、第２蒸気タービン２Ｂの第２ガバナ機構１５Ｂは、電子式ガバナ機構を採用している。すなわち、応答速度が異なる２つのガバナ機構１５が採用されている。しかしながら、第１ガバナ機構１５Ａに電子式ガバナ機構が採用され、且つ、第２ガバナ機構１５Ｂに機械式ガバナ機構が採用されていてもよい。また、応答速度が等しい２つのガバナ機構１５が採用されていてもよい。例えば、第１ガバナ機構１５Ａ及び第２ガバナ機構１５Ｂの双方に電子式ガバナ機構が採用されていてもよく、機械式ガバナ機構が採用されていてもよい。また、機械式ガバナ機構は油圧式ガバナ機構であってもよい。

また、上述の実施形態では、統合制御装置５０は、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの発電電力よりも大きくなるように、調速制御の設定電力を更新している。具体的には、統合制御装置５０は、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの発電電力が、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力よりも僅かに小さい発電電力となるように、調速制御の設定電力を更新している。例えば、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの発電電力が、前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力に追従するように、調速制御の設定電力を更新している。前圧制御で動作する第２蒸気タービン２Ｂの発電電力が、調速制御で動作する第１蒸気タービン２Ａの発電電力よりも小さい場合に比べ、蒸気管ＳＬにおける蒸気の圧力変動を小さくできるためである。同様の理由により、第２蒸気タービン２Ｂは、そのタービン定格出力が、第１蒸気タービン２Ａのタービン定格出力よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、第２蒸気タービン２Ｂに接続される第２発電機４Ｂは、その発電機容量が、第１蒸気タービン２Ａに接続される第１発電機４Ａの発電機容量よりも大きくなるように構成されていてもよい。

１・・・ボイラ１Ａ・・・第１ボイラ１Ｂ・・・第２ボイラ１Ｃ・・・第３ボイラ２・・・蒸気タービン２Ａ・・・第１蒸気タービン２Ｂ・・・第２蒸気タービン３・・・蒸気加減弁３Ａ・・・第１蒸気加減弁３Ｂ・・・第２蒸気加減弁４・・・発電機４Ａ・・・第１発電機４Ｂ・・・第２発電機５・・・復水器５Ａ・・・第１復水器５Ｂ・・・第２復水器６・・・蒸気圧センサ６Ａ・・・第１蒸気圧センサ６Ｂ・・・第２蒸気圧センサ７・・・回転数センサ７Ａ・・・第１回転数センサ７Ｂ・・・第２回転数センサ８・・・電力センサ８Ａ・・・第１電力センサ８Ｂ・・・第２電力センサ９・・・油圧源１０・・・抽気加減弁１０Ａ・・・第１抽気加減弁１０Ｂ・・・第２抽気加減弁１１・・・抽気圧センサ１１Ａ・・・第１抽気圧センサ１１Ｂ・・・第２抽気圧センサ１２・・・安全弁１２Ａ・・・第１安全弁１２Ｂ・・・第２安全弁１５・・・ガバナ機構１５Ａ・・・第１ガバナ機構１５Ｂ・・・第２ガバナ機構１５ａ・・・タービン制御盤１５ｂ・・・ガバナ１５ｃ・・・ガバナモータ１５ｄ・・・負荷制限器１５ｅ・・・開度発信器１５ｆ・・・タービン制御ユニット１５ｇ・・・電気油圧変換器５０・・・統合制御装置１００・・・発電システム

Claims

１又は複数のボイラで発生する蒸気を利用して回転する複数の蒸気タービンを統合的に制御する統合制御装置であって、
複数の前記蒸気タービンのうちの一つである、前圧制御が実行される第２蒸気タービンの発電電力が複数の上限閾値のそれぞれに達したときに、複数の前記蒸気タービンのうちの別の一つである、調速制御が実行される第１蒸気タービンの設定電力を大きくし、且つ、前記第２蒸気タービンの発電電力が下限閾値に達したときに、前記第１蒸気タービンの設定電力を小さくするように構成されており、
複数の前記上限閾値のうちの少なくとも一つは、前記下限閾値よりも小さい、
統合制御装置。
前記下限閾値は、複数設定され、
複数の前記上限閾値のうちの少なくとも一つは、複数の前記下限閾値のうちの少なくとも一つよりも小さい、
請求項１に記載の統合制御装置。
前記第２蒸気タービンの発電電力が前記第１蒸気タービンの発電電力よりも大きくなるように、前記第１蒸気タービンの設定電力を変化させるように構成されている、
請求項１又は２に記載の統合制御装置。
複数の前記蒸気タービンは、抽気タービンを含む、
請求項１乃至３の何れかに記載の統合制御装置。
１又は複数のボイラで発生する蒸気を利用して回転する複数の蒸気タービンを統合的に制御する統合制御方法であって、
複数の前記蒸気タービンのうちの一つである第２蒸気タービンで前圧制御を実行する工程と、
複数の前記蒸気タービンのうちの別の一つである第１蒸気タービンで調速制御を実行する工程と、
前記第２蒸気タービンの発電電力が複数の上限閾値のそれぞれに達したときに、前記第１蒸気タービンの設定電力を大きくする工程と、
前記第２蒸気タービンの発電電力が下限閾値に達したときに、前記第１蒸気タービンの設定電力を小さくする工程と、を有し、
複数の前記上限閾値のうちの少なくとも一つは、前記下限閾値よりも小さい、
統合制御方法。