特許 6552913 発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6552913

(24)【登録日】2019年7月12日

(45)【発行日】2019年7月31日

(54)【発明の名称】発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 17/20 20060101AFI20190722BHJP

   F01D 17/04 20060101ALI20190722BHJP

   F01D 17/08 20060101ALI20190722BHJP

   F01D 17/24 20060101ALI20190722BHJP

   F01K 23/10 20060101ALI20190722BHJP

【ＦＩ】

   F01D17/20 A

   F01D17/04

   F01D17/08 A

   F01D17/20 E

   F01D17/20 D

   F01D17/20 N

   F01D17/24 A

   F01D17/24 G

   F01D17/24 N

   F01K23/10 Q

【請求項の数】8

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2015-160126(P2015-160126)

(22)【出願日】2015年8月14日

(65)【公開番号】特開2017-36721(P2017-36721A)

(43)【公開日】2017年2月16日

【審査請求日】2018年6月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】金星 隆之

(72)【発明者】

【氏名】野口 隆之

【審査官】 齊藤 彬

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５５−０９３９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２９１１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０１８５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２９５６０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １７／０４

Ｆ０１Ｄ １７／０８

Ｆ０１Ｄ １７／２０

Ｆ０１Ｄ １７／２４

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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導入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、
を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電システムの制御装置であって、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する制御手段と、
を備え、
前記算出手段は、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する発電システムの制御装置。

【請求項2】

前記算出手段で算出される前記負荷容量値は、上限が定められる請求項１記載の発電システムの制御装置。

【請求項3】

前記排ガスによって駆動されるパワータービンを具備し、
前記発電機は、前記パワータービン及び前記蒸気タービンに接続され、
前記算出手段は、算出した前記負荷容量値と前記パワータービンの出力値との和を前記発電機で利用可能な負荷容量値として出力する請求項１記載の発電システムの制御装置。

【請求項4】

前記パワータービンの出力値は、前記発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算して算出される請求項３記載の発電システムの制御装置。

【請求項5】

排ガスによって駆動されるパワータービンと、
前記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導入する蒸気量を制御する調速弁と、
前記パワータービン及び前記蒸気タービンに接続された発電機と、
を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電システムの制御装置であって、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１算出手段と、
前記第１算出手段によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第１制御手段と、
前記パワータービンの出力値を前記発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算することで算出し、算出した前記パワータービンの出力値を前記蒸気タービンから得られる負荷容量値に加算することで前記発電機の負荷容量値を算出する第２算出手段と、
前記第２算出手段によって算出された前記発電機の負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第２制御手段と、
を備え、
前記第１算出手段は、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する発電システムの制御装置。

【請求項6】

請求項１又は請求項５記載の制御装置を備え、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電システム。

【請求項7】

排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、
前記蒸気タービンに導入する蒸気量を調速弁によって制御する工程と、
前記蒸気タービンの駆動により発電を行う工程と、
を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電方法であって、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１工程と、
前記第１工程によって算出した前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第２工程と、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する第３工程と、
を備える発電方法。

【請求項8】

排ガスによってパワータービンを駆動する工程と、
前記排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、
前記蒸気タービンに導入する蒸気量を調速弁によって制御する工程と、
前記パワータービン及び前記蒸気タービンの駆動により発電を行う工程と、
を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電方法であって、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１工程と、
前記第１工程によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第２工程と、
前記パワータービンの出力値を発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算することで算出し、算出した前記パワータービンの出力値を前記蒸気タービンから得られる負荷容量値に加算することで前記発電機の負荷容量値を算出する第３工程と、
前記第３工程によって算出した前記発電機の負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第４工程と、
前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する第５工程と、
を備える発電方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

舶用の排熱回収（以下「舶用排熱回収」という。）として、船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）の排ガスの一部を抽気してパワータービンに導き発電出力として利用すると共に、ディーゼルエンジンの排ガスを用いて生成された蒸気を蒸気タービンに導き発電出力として利用する発電システムが知られている。このような発電システムには、蒸気タービンにガバナが設置され、蒸気タービンを駆動するための流体の流量を調整している。

【0003】

特許文献１には、蒸気タービンにガバナが設置され、ガバナが生成する制御信号が調整弁に出力されることで蒸気タービンの出力が変化することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第５１５５９７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のような舶用排熱回収において、生成した蒸気を最大限に蒸気タービンに流入させて発電機出力として回収するための一例として、蒸気タービンに導入する蒸気量を制御する調速弁を可能な限り全開位置として運転する変圧運転がある。変圧運転による排熱回収では、メインエンジンからの排熱量によって蒸気圧力が変化するため、蒸気タービンで発生可能な最大出力も変化する。

【0006】

ここで、発電システムを構成する他の発電機（ディーゼルエンジン発電機）との負荷分担について、陸上プラントにおける発電との相違点と共に説明する。

【0007】

商用電源系統と系統連系され、無限大母線と並列に接続可能な陸上プラントにおける発電では、発電電力の周波数は無限大母線の系統周波数により決定される。このため、商用電源系統と系統連系される陸上プラントでは、調速弁開度を全開又は全開近傍で固定し、成り行きで発電電力を出力することができる。
一方、舶用の発電システムは、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。）であるため、発電機のガバナは調速弁開度を固定できず、調速制御で動作する。また、ＰＭＳ（Power Management System；パワーマネジメントシステム）が発電電力の周波数を監視し、周波数が所定値となるように、各発電機の負荷容量（Available power;発電機で利用可能な出力）を用いて負荷分担を制御する。そして、変圧運転による舶用排熱回収では、発電機の負荷容量を一定値に固定できないので、発電電力の制御に以下のような手法を用いている。

【0008】

ここで、舶用排熱回収の変圧運転では、排熱量の変化に加えて主蒸気圧力も変化するが、変化に応じて発電機の負荷容量を計測と演算とによって正確に算出することは困難である。
このため、従来では、図９に示されるように、ＰＭＳ１００が負荷容量値保持部１０２で負荷容量値を予め保持（記憶）し、ＴＣＰ（Turbine Control Panel；タービンコントロールパネル）１０４から出力されるパルス信号（オン・オフ信号）によって、負荷容量値保持部１０２で保持している負荷容量値を増減させる。ＴＣＰ１０４から出力されるパルス信号は、主蒸気圧力と調速弁開度に基づくものであり、所定値ずつ段階的に負荷容量値を増加（インクリメント）又は減少（デクリメント）させる値である。このように、保持している負荷容量値をパルス信号によって段階的に増減させる制御を行う理由は、変圧運転において負荷容量値の絶対値を正確に算出することが困難なためである。

【0009】

さらに、図９を参照して、変圧運転における従来のガバナ制御について詳細に説明する。
ＰＭＳ１００は、負荷分担制御部１０６及びガバナ増減パルス生成部１０８を備える。負荷分担制御部１０６は、負荷容量値保持部１０２で保持している負荷容量値に基づいて、蒸気タービン及び他の発電機１１０（ディーゼルエンジン発電機）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１０８は、負荷分担制御部１０６からの負荷分担信号に基づいて、蒸気タービン及び他の発電機１１０に対して、制御値（速度設定）を増加又は減少させるためのガバナ増減パルス信号を生成し、ガバナ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃへ出力する。
なお、ガバナ１１２Ａは、ＴＣＰ１０４に備えられ、蒸気タービンの回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ１００が指示する回転速度の速度設定（ガバナ増減パルス信号）に応じた調速弁開度を調速弁へ出力することで、蒸気タービンの出力を制御すると共に、調速弁開度が目標開度となるように制御される。
また、ガバナ１１２Ｂ，１１２Ｃは、各々発電機１１０に備えられ、発電機１１０の回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ１００が指示する回転速度の速度設定（ガバナ増減パルス信号）に応じた調速弁開度を調速弁へ出力することで、発電機１１０の出力を制御する。

【0010】

一方、ＴＣＰ１０４は、上記パルス信号をＰＭＳ１００へ出力するために、一例として、比較部１１４、比較部１１６、増パルス出力部１１８、及び減パルス出力部１２０を備える。比較部１１４は、蒸気タービンの調速弁の実際の開度と目標開度とを比較する。比較部１１６は、主蒸気圧力の計測値と主蒸気圧力の最低圧力の設定値とを比較する。そして、増パルス出力部１１８は、比較部１１４，１１６の比較結果に基づいて、負荷容量値を増加させる増パルス信号を生成する。また、減パルス出力部１２０は、比較部１１４，１１６の比較結果に基づいて、負荷容量値を減少させる減パルス信号を生成する。
すなわち、比較部１１４，１１６による比較の結果、調速弁開度が目標開度に満たない場合は、増パルス信号が増パルス出力部１１８からＰＭＳ１００へ出力される。また、比較部１１４，１１６による比較の結果、調速弁開度が目標開度を超えた場合や、主蒸気圧力が最低圧力未満となった場合は、減パルス出力部１２０から減パルス信号がＰＭＳ１００へ出力される。

【0011】

ＰＭＳ１００は、ＴＣＰ１０４からのパルス信号が入力されると、負荷容量値保持部１０２に保持している負荷容量値をパルス信号に応じて増減させる。ＰＭＳ１００は、増減させた負荷容量値に基づいて、負荷分担制御部１０６によって蒸気タービン及び他の発電機１１０の負荷分担を決定し、ガバナ増減パルス信号をガバナ１１２Ａ，１１２Ｂ，１１２Ｃへ出力する。そして、上述した様にガバナ１１２Ａが調速弁開度を制御し、制御後の調速弁開度が目標開度と異なる等の場合には、さらに、増パルス信号又は減パルス信号がＴＣＰ１０４からＰＭＳ１００へ出力され、所定値ずつ段階的に負荷容量値が増減される。

【0012】

ここで、舶用排熱回収におけるプラント状態が変化することで排熱量等も変化すると、実際の負荷容量も変化するので、それに応じてＰＭＳ１００で保持している負荷容量値も上述のようにして変化させる必要がある。
しかしながら、負荷容量値は、ＴＣＰ１０４からのパルス信号によって増減するので、負荷容量値の変化の速さはパルス信号の間隔（以下「パルス間隔」という。）や幅（以下「パルス幅」という。）に依存する。さらに、ＰＭＳ１００では、ＴＣＰ１０４からのパルス信号に対して重み付けを行い、負荷容量値を変化させる場合がある。このような場合には、負荷容量値の変化の速さは、重み付けにも依存することとなる。なお、重み付けは、例えば、調速弁開度、主蒸気圧力、蒸気タービン発電機の出力（以下「ＳＴＧ出力」という。）、及び主機エンジン負荷等に基づいて行われる。

【0013】

上記のような、ＴＣＰ１０４から出力されるパルス信号のパルス間隔やパルス幅、及びＰＭＳ１００におけるパルス信号への重み付け等は、排熱量等のプラント状態が変化した場合において、ＳＴＧ出力の応答に影響を及ぼす要因であると共に応答を調整するための調整項目である。そして、ＳＴＧ出力の応答を適切に制御できない場合には、ハンチング等が生じる可能性がある。
ところが、パルス信号による負荷容量値の増減は、段階的な増減等により時間遅れが生じる。このため、プラント状態が変化しても、その度にプラント状態の最適値を遅れなく負荷容量値に反映できず、調速弁の開度制御にも遅れが生じる。従って、ＴＣＰ１０４から出力されるパルス信号のパルス間隔やパルス幅、及びＰＭＳ１００におけるパルス信号への重み付け等を調整しても、ハンチングを抑制できない場合がある。

【0014】

また、ＳＴＧにパワータービンが接続されているプラントにおいて、上記のように、主蒸気圧力や調速弁開度を目標値に保つように負荷容量値をパルス信号によって増減させるだけでは、パワータービンの出力が変化しても負荷容量値は変化しない。

【0015】

ここで、パワータービンにガバナが設置されていない構成におけるパルス信号を用いた従来の制御について説明する。
パルス信号を用いた従来の制御では、プラントの状態が変化することでパワータービンの出力が変化した場合、周波数も変化する。このため、ガバナ１１２Ａがドループ特性によってパワータービンの出力変化を吸収するように動作し、これによって調速弁開度を変化させる。その後、ＰＭＳ１００が、主蒸気圧力や調速弁開度を目標値に保つように負荷容量値をパルス信号によって増減させることとなる。
このように、パルス信号を用いた従来の制御では、蒸気タービンの調速弁がパワータービンの出力変化に応じて、また負荷容量値の変化に応じてその都度制御される。このため、プラントの状態が変化している間に、調速弁開度が過度に低下したり、全開位置で固定されたりすることで、制御が不安定になる可能性があった。

【0016】

以上説明したように、従来の舶用排熱回収では、パルス信号によって負荷容量値を増減させているために、プラントの状態が変化すると制御が不安定となる可能性があった。

【0017】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、プラントの状態が変化した場合の排熱回収において、より安定な制御を可能とする、発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記課題を解決するために、本発明の発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法は以下の手段を採用する。

【0019】

本発明の第一態様に係る発電システムの制御装置は、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導入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、を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電システムの制御装置であって、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する制御手段と、を備え、前記算出手段は、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する。

【0020】

本構成に係る発電システムは、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、蒸気タービンに導入する蒸気量を制御する調速弁、及び蒸気タービンに接続された発電機を備え、排熱を発電に用いる排熱回収を行う。排ガスは、一例として、メインエンジンによって生成される。そして、本構成に係る発電システムは、調速弁の開度が一定（目標開度）となるように制御することで、蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う。

【0021】

ここで、従来の制御では、例えば、ＰＭＳに発電機で利用可能な蒸気タービンの出力を示す負荷容量値を予め保持し、ＴＣＰから出力されるパルス信号によって、保持している負荷容量値を所定値ずつ段階的に増減させる。そして、この保持している負荷容量値に基づいて、制御手段が蒸気タービンの調速弁を制御することで、蒸気タービンの出力を制御すると共に調速弁開度が目標開度となるように制御される。
しかしながら、パルス信号による負荷容量値の増減は、時間遅れが生じるため、プラント状態が変化しても、その度にプラント状態の最適値を遅れなく負荷容量値に反映できず、調速弁の開度制御にも遅れが生じる。

【0022】

そこで、本構成は、調速弁の目標開度と調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、算出手段によって蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を絶対値として算出する。算出手段で算出される負荷容量値は、従来のようなパルス信号ではなく、アナログ信号（電圧値）である。そして、算出された負荷容量値に基づいて、制御手段によって調速弁の開度が制御され、調速弁開度が目標開度に近づけられる。

【0023】

このように、本構成では、実際の負荷容量値を様々な計測値によって算出するものではなく、実際の調速弁開度と目標開度との偏差に基づいて負荷容量値を算出し、調速弁開度を制御する。すなわち、本構成は、実際の調速弁開度と目標開度を比較し、調速弁開度が目標開度となるように負荷容量値を増減させる。これにより、本構成は、調速弁開度の制御に用いる負荷容量値を従来のようにパルス信号で増減しないので、パルス信号特有の時間遅れを生じることなく、調速弁を制御できる。
従って、本構成は、プラントの状態が変化した場合の排熱回収において、より安定な制御を可能とする。
また調速弁の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、実際の蒸気圧が設定されている最小値未満とならないようにする必要がある。ここで、第２負荷容量値が第１負荷容量値よりも小さい場合とは、実際の蒸気圧が設定最小値未満となる場合である。このような場合には、第２負荷容量値が選択され、実際の蒸気圧を最小値以上に維持することができる負荷容量値が算出される。
これにより、蒸気タービンに導入する蒸気圧が設定された最小値未満となることを防止できる。

【0024】

上記第一態様では、前記算出手段で算出される前記負荷容量値に、上限が定められてもよい。

【0025】

本構成によれば、負荷容量値の上限は、例えば、メインエンジンの負荷及び外気温度に基づいて算出される値であり、負荷容量値に上限が定められるので、現実に則した負荷容量値が算出される。

【0028】

上記第一態様では、前記排ガスによって駆動されるパワータービンを具備し、前記発電機が、前記パワータービン及び前記蒸気タービンに接続され、前記算出手段が、算出した前記負荷容量値と前記パワータービンの出力値との和を前記発電機で利用可能な負荷容量値として出力してもよい。

【0029】

本構成によれば、発電機がパワータービン及び蒸気タービンに接続されていても、簡易に発電機で利用可能な負荷容量値を算出できる。

【0030】

上記第一態様では、前記パワータービンの出力値が、前記発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算して算出されてもよい。

【0031】

本構成によれば、簡易にパワータービンの出力値の絶対値を算出できる。

【0032】

本発明の第二態様に係る発電システムの制御装置は、排ガスによって駆動されるパワータービンと、前記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導入する蒸気量を制御する調速弁と、前記パワータービン及び前記蒸気タービンに接続された発電機と、を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電システムの制御装置であって、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１算出手段と、前記第１算出手段によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第１制御手段と、前記パワータービンの出力値を前記発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算することで算出し、算出した前記パワータービンの出力値を前記蒸気タービンから得られる負荷容量値に加算することで前記発電機の負荷容量値を算出する第２算出手段と、前記第２算出手段によって算出された前記発電機の負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する制御手段と、を備え、前記第１算出手段は、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する。

【0033】

本構成に係る発電システムは、排ガスによって駆動されるパワータービン、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、蒸気タービンに導入する蒸気量を制御する調速弁、パワータービン及び蒸気タービンに接続された発電機を備え、排熱を発電に用いる排熱回収を行う。排ガスは、一例として、メインエンジンによって生成される。そして、本構成に係る発電システムは、調速弁の開度が一定（目標開度）となるように制御することで、蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う。

【0034】

パルス信号を用いた従来の制御では、蒸気タービンの調速弁がパワータービンの出力変化に応じて、また負荷容量値の変化に応じてその都度制御されるので、プラントの状態が変化している間に、調速弁開度が過度に低下したり、全開位置で固定されたりすることで、制御が不安定になる可能性があった。

【0035】

一方、本構成では、パワータービンの出力値を発電機の出力の計測値から蒸気タービンの出力の計算値を減算することで算出し、算出したパワータービンの出力値を蒸気タービンから得られる負荷容量値に加算することで発電機の負荷容量値を算出する。このため、パワータービンの出力変化が発電機の負荷容量値にリアルタイムで反映される。これにより、パワータービンの出力が変化しても、算出した発電機の負荷容量値を時間遅れ無く算出でき、これによって、調速弁の制御を安定化できる。
従って、本構成は、プラントの状態が変化した場合の排熱回収において、より安定な制御を可能とする。

【0036】

本発明の第三態様に係る発電システムは、上記記載の制御装置を備え、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う。

【0037】

本発明の第四態様に係る発電方法は、排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、前記蒸気タービンに導入する蒸気量を調速弁によって制御する工程と、前記蒸気タービンの駆動により発電を行う工程と、を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電方法であって、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１工程と、前記第１工程によって算出した前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第２工程と、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する第３工程と、を備える。

【0038】

本発明の第五態様に係る発電方法は、排ガスによってパワータービンを駆動する工程と、前記排ガスによって生成された蒸気によって蒸気タービンを駆動する工程と、前記蒸気タービンに導入する蒸気量を調速弁によって制御する工程と、前記パワータービン及び前記蒸気タービンの駆動により発電を行う工程と、を具備し、前記蒸気タービンに導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う発電方法であって、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づいて、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値を算出する第１工程と、前記第１工程によって算出された前記負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第２工程と、前記パワータービンの出力値を発電機の出力の計測値から前記蒸気タービンの出力の計算値を減算することで算出し、算出した前記パワータービンの出力値を前記蒸気タービンから得られる負荷容量値に加算することで前記発電機の負荷容量値を算出する第３工程と、前記第３工程によって算出した前記発電機の負荷容量値に基づいて、前記調速弁の開度を制御する第４工程と、前記調速弁の目標開度と前記調速弁の実際の開度との偏差に基づく第１負荷容量値、及び前記蒸気タービンに導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく第２負荷容量値のうちより小さな値を、前記蒸気タービンから得られる実際の負荷容量値として算出する第５工程と、を備える。

【発明の効果】

【0039】

本発明によれば、プラントの状態が変化した場合の排熱回収において、より安定な制御を可能とする、という優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本実施形態に係るタービン発電機系統を示した概略構成図である。

【図2】本実施形態に係る発電システムを示した概略構成図である。

【図3】本発明の実施形態に係るガバナ制御に係る機能ブロック図である。

【図4】本発明の実施形態に係る負荷容量値算出部におけるパワータービンの出力値の算出に関する機能ブロック図の一例である。

【図5】本発明の実施形態に係る変圧運転における各種制御値の時間変化を示すグラフである。

【図6】パワータービン起動時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。

【図7】パワータービン停止時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。

【図8】船内電力負荷の増加時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。

【図9】従来のガバナ制御に係るブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

以下に、本発明に係る発電システムの制御装置、発電システム、及び発電方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0042】

図１は、本実施形態にかかる発電システムのタービン発電機系統１の概略構成を示す。本実施形態では、メインエンジン３として船舶推進用のディーゼルエンジンを用いている。
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。

【0043】

メインエンジン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、メインエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排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、排ガスの一部が、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。

【0044】

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。
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とから構成されている。

【0045】

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、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、導入されて熱交換部２１によって、排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コンデンサ（復水器）４０に導かれるようになっている。
また、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９へ向かう蒸気を取り出して復水器４０へと導く蒸気ダンプ配管Ｊ３が設けられている。蒸気ダンプ配管Ｊ３には、蒸気ダンプ配管Ｊ３から復水器４０へ導かれる蒸気量を制御するダンプ弁４１が設けられている。この蒸気ダンプ配管Ｊ３によって、蒸気タービン９に供給するには過剰とされる蒸気が蒸気タービン９をバイパスして復水器４０へと廃棄される。

【0046】

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タービン発電機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及びカップリングを介してタービン発電機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及びクラッチ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。クラッチ３１としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばＳＳＳ（Synchro Self Shifting）クラッチが好適に用いられる。なお、本実施形態においては、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タービン発電機２５を駆動するようにしているが、パワータービン７と蒸気タービン９とを並列に結合し、それぞれの回転動力から減速機を介してタービン発電機２５を駆動するようにしてもよい。

【0047】

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。なお、排ガス量調整弁３３は、ガバナ制御機能を有しているものではない。すなわち、パワータービン７は、ガバナ制御されていない。

【0048】

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調速弁（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。調速弁３７は、発電システム制御装置４３のガバナ５９によって、その開度が制御される。
以上のようにタービン発電機系統１は、メインエンジン３の排ガス（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。

【0049】

図２には、図１に示したタービン発電機系統１を有する発電システム２の概略構成が示されている。

【0050】

発電システム２は、タービン発電機系統１（図１参照）に加え、船内に別途設置された複数（本実施形態では２台）のディーゼルエンジン発電機（発電機）６０を備えている。

【0051】

そして、本実施形態に係る発電システム２の制御装置である発電システム制御装置４３は、調速弁３７の開度が一定（目標開度）となるように制御することで、蒸気タービン９に導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う。
発電システム制御装置４３には、タービン発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力されている。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ている。

【0052】

また、発電システム制御装置４３は、ＰＭＳ（Power Management System；パワーマネジメントシステム）５３と、ＴＣＰ（Turbine Control Panel；タービンコントロールパネル）５７と、ディーゼルエンジン発電機６０用ガバナ部（図３のガバナ８７，８８）とを備えている。また、ＴＣＰ５７は、ガバナ５９を備えている。ガバナ５９は、蒸気タービン９の回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ５３が指示する回転速度の速度設定に応じた調速弁３７の開度を調速弁３７に対し出力することで、蒸気タービン９の出力を制御する。
ＰＭＳ５３から設定された負荷率に応じた出力の指示信号が、ＴＣＰ５７、及びディーゼルエンジン発電機６０用ガバナ部にそれぞれ出力される。

【0053】

ＰＭＳ５３から指示された蒸気タービン９の出力負担割合に応じて制御信号がＴＣＰ５７のガバナ５９に出力され、ガバナ５９はそれに応じた調速弁３７の開度を調速弁３７へ出力し、調速弁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。
ここで、パワータービン７と蒸気タービン９とタービン発電機２５は１つの軸に直列に結合されている。このように各々が１つの軸に直列接続されている場合、ガバナは主となる原動機である蒸気タービン９に対するガバナ５９のみが設置される。これは、１つの軸に２以上のガバナを設置するのは制御が複雑となるためである。
よって、パワータービン７による出力が変化する場合、発電システム制御装置４３は、蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９によって調速弁３７を制御することとなる。
ここで、パワータービン７にはガバナが設置されないため、パワータービン７の制御は排ガス量調整弁３３の開閉のみの制御となり、定常運転中は常に全開のままとなる。但し、パワータービン７の立ち上げ及び立ち下げ時に限り、排ガス調整弁３３の開度は漸増または漸減する。よって、パワータービン７の出力に変化があると蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９による調速弁３７の開度制御がその変化量を吸収するように変動する。なお、パワータービン７の立ち上げとは、パワータービン７の出力が０である状態を起点として、出力を増加させることであり、パワータービン７の立ち下げとは、パワータービン７の出力が０になるように、出力を減少させることであると定義する。

【0054】

また、蒸気タービン９の中間段へは、低圧蒸気源６１から混気蒸気（低圧蒸気）が供給される。混気蒸気の供給ライン上には、蒸気タービン９に導入する混気蒸気量を制御する調整弁６２が設置されている。調整弁６２の開度は、低圧蒸気源６１での蒸気の発生量の増加及び減少に伴い、増加または減少する。よって、混気蒸気の供給量に変化があると蒸気タービン９の出力、すなわちガバナ５９による調速弁３７の開度制御がその変化量を吸収するように変動する。低圧蒸気源６１としては排ガスエコノマイザ１１の低圧段（図１参照）が挙げられる。

【0055】

以上のように、ＰＭＳ５３から調速弁３７を操作するガバナ５９に対し出力負担割合に応じた制御信号が出力される。

【0056】

次に、本実施形態に係るガバナ制御について説明する
本実施形態に係るガバナ制御では、ＴＣＰ５７によって、タービン発電機２５で利用可能な蒸気タービン９の出力を示す負荷容量の制限値（以下「制限負荷容量値」という。）、及び調速弁３７の目標開度と調速弁３７の実際の開度との偏差に基づいて、蒸気タービン９から得られる実際の負荷容量値を算出する。そして、算出された負荷容量値に基づいて、ガバナ５９によって調速弁開度が制御される。なお、調速弁３７の目標開度は例えば９０％の開度であり、必ずしも全開である必要はない。

【0057】

図３を参照して、本実施形態に係るガバナ制御について詳細に説明する。図３は、本実施形態に係るＴＣＰ５７及びＰＭＳ５３のガバナ制御に係る機能ブロック図である。

【0058】

ＴＣＰ５７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７０を備える。負荷容量値算出部７０は、従来のように、ＰＭＳ５３に予め保持されている負荷容量値を増減させるパルス信号をＰＭＳ５３へ出力するのではなく、負荷容量値の絶対値を算出し、アナログ信号（電圧値）としてＰＭＳ５３へ出力する。

【0059】

負荷容量値算出部７０は、制限負荷容量値を算出する制限値算出部７１を備える。
制限値算出部７１は、例えば、メインエンジン３の負荷（M/E Load）に基づいて負荷容量値の制限値（以下「制限負荷容量値」という。）を算出し、乗算部７２へ出力する。制限負荷容量値は、換言すると、算出される負荷容量値の上限値である。すなわち、負荷容量値算出部７０で算出される負荷容量値には、上限値が定められる。このように、負荷容量値算出部７０は、負荷容量値に上限が定めるので、現実に則した負荷容量値を算出することとなる。
なお、制限値算出部７１は、一例として、メインエンジン３の負荷と外気温度（Atomos．Temp．）を変数とする予め定められた関数によって、理論上求められる制限負荷容量値を算出する。理論上求められる制限負荷容量値は、換言すると、負荷容量値の設計値である。しかしながら、制限負荷容量値は、これに限らず、この設計値に対して他のパラメータを加味して、より現実に則したものとされてもよい。

【0060】

また、ＴＣＰ５７は、減算部７３及びＰＩＤ演算部７４を備える。
減算部７３は、調速弁３７の目標開度（GV lift Setting）と調速弁３７の実際の開度（GV Lift）との偏差である開度偏差を算出し、ＰＩＤ演算部７４へ出力する。
ＰＩＤ演算部７４は、開度偏差に基づいて負荷容量値（以下「開度偏差負荷容量値」という。）を演算し、低値選択部７５へ出力される。なお、ＰＩＤ演算部７４は、開度偏差を変数とする予め定められた関数によって、開度偏差負荷容量値を算出する。
開度偏差負荷容量値は、低値選択部７５において、蒸気タービン９に導入する蒸気圧の設定値と実際の蒸気圧との偏差に基づく負荷容量値（以下「圧力偏差負荷容量値」という。）と比較され、より小さい値が低値選択部７５から出力される。低値選択部７５から出力される負荷容量値は、換言すると、負荷容量の目標値（以下「負荷容量目標値」という。）である。

【0061】

低値選択部７５から出力された負荷容量目標値は、減算部７６を介してＰＩＤ演算部７７に入力される。

【0062】

減算部７６は、負荷容量目標値を乗算部７２から出力された負荷容量値で減算し、減算値をＰＩＤ演算部７７へ出力する。すなわち、乗算部７２から出力される値は、負荷目標値の現在値であり、減算部７６では負荷容量の目標値と現在値との偏差が算出される。

【0063】

ＰＩＤ演算部７７は、入力された偏差を１以下の値となるように演算し、乗算部７２へ出力する。すなわち、算出される負荷容量値が制限負荷容量値を超えないように、負荷容量の目標値と現在値との偏差がＰＩＤ演算部７７で１以下とされ、乗算部７２で制限負荷容量値と乗算される。

【0064】

このように、負荷容量値算出部７０は、調速弁３７の目標開度と調速弁３７の実際の開度との偏差に基づいて、制限負荷容量値を上限とした負荷容量値を算出する。

【0065】

なお、本実施形態に係る蒸気タービン９は、高圧蒸気と低圧蒸気とが導入されるが、低圧蒸気に関してはガバナ制御がされていない。このため、乗算部７２から出力される負荷容量値は、別途算出された低圧蒸気に基づく負荷容量値（LP Avail．kW）と加算部７８で加算される。加算部７８から出力される負荷容量値は、本実施形態に係る蒸気タービン９の負荷容量値（ST Avail．kW）である。
また、本実施形態に係るタービン発電機系統１は、パワータービン７も備えているため、別途算出されたパワータービン７の出力値（PT Act．kW）も加算部７９で更に加算される。すなわち、加算部７９から出力された負荷容量値が、本実施形態に係るタービン発電機２５の実際の負荷容量値（STG Avail．kW）の絶対値であり、この値がアナログ信号（電圧値）としてＰＭＳ５３が備える負荷分担制御部８０へ出力される。

【0066】

また、本実施形態に係る負荷容量値算出部７０は、前述のように、開度偏差負荷容量値と圧力偏差負荷容量値のうちより小さな値を、蒸気タービン９から得られる実際の負荷容量値（負荷容量目標値）として算出する。
この理由は、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、圧力偏差負荷容量値が開度偏差負荷容量値よりも小さい場合とは、実際の蒸気圧が設定最小値未満となる場合である。このような場合には、圧力偏差負荷容量値が低値選択部７５で選択され、実際の蒸気圧を設定最小値以上に維持することができる負荷容量値が算出される。
これにより、蒸気タービン９に導入する蒸気圧が設定最小値未満となることを防止できる。

【0067】

そこで、負荷容量値算出部７０は、圧力偏差負荷容量値を算出するために、減算部８１及びＰＩＤ演算部８２を備える。
減算部８１は、高圧蒸気圧の計測値（HP Press）と高圧蒸気圧の設定最小値（HP Press Min Setting）との偏差である圧力偏差を算出し、ＰＩＤ演算部８２へ出力する。
ＰＩＤ演算部８２は、圧力偏差に基づいて圧力偏差負荷容量値を演算し、低値選択部７５へ出力する。なお、ＰＩＤ演算部８２は、圧力偏差を変数とする予め定められた関数によって、圧力偏差負荷容量値を算出する。

【0068】

また、実際の蒸気圧と設定最小値との偏差が大きすぎると、算出される負荷容量値の時間変化も大きくなり、このような負荷容量値を用いてガバナ制御を行うとタービン発電機系統１が大きく変化し、制御が不安定となる可能性がある。制御が不安定となる原因は、蒸気タービン９の調速弁３７の開度を急激に開けると、高圧蒸気圧が急激に低下し、高圧ドラム（不図示）と排ガスエコノマイザ１１との間である高圧蒸発部間に水を循環させている循環水ポンプ（不図示）がキャビテーションを起こす可能性があるためである。高圧ドラム（及び循環水ポンプ吸込み配管）では水（液体）の温度に比べて圧力が急に下がると水が蒸発して循環水ポンプの吸込みでキャビテーションを生じる可能性がある。
これを防止するために、負荷容量値算出部７０は、減算部８３、高値選択部８４、及びレートリミッタ８５を備える。

【0069】

減算部８３は、高圧蒸気圧の計測値に対して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８４は、変動抑制値で減算された計測値と設定最小値とを比較し、より小さな値をレートリミッタ８５へ出力する。
レートリミッタ８５は、高値選択部８４から出力された値を所定の時間変化率で減算部８３へ出力する。

【0070】

ここで、高圧蒸気圧の計測値が例えば６．２ｂａｒであり、設定最小値が例えば５．５ｂａｒの場合、高値選択部８４から出力される値は５．７ｂａｒとなり、減算部８１から出力される値は０．５ｂａｒとなる。また、高圧蒸気圧の計測値が例えば５．８ｂａｒであり、設定最小値が例えば５．５ｂａｒの場合、高値選択部８４から出力される値は５．５ｂａｒとなり、減算部８１から出力される値は０．３ｂａｒとなる。一方、高圧蒸気圧の計測値が８．０ｂａｒの場合でも、高値選択部８４から出力される値は７．５ｂａｒとなるため、減算部８１から出力される値は０．５ｂａｒとなる。すなわち、本実施形態に係る負荷容量値算出部７０は、高圧蒸気圧の計測値と設定最小値との偏差が大きくても、変動抑制値を超えた偏差を用いることなく、すなわち変動抑制値を規制値とし、変動抑制値以下の値で負荷容量値を算出する。これにより、負荷容量値算出部７０によって算出される負荷容量値の時間変化が大きく変化することが抑制される。

【0071】

このようにしてＴＣＰ５７で算出された負荷容量値（STG Avail．kW）は、アナログ信号（電圧値）としてＰＭＳ５３へ出力される。

【0072】

ＰＭＳ５３は、負荷分担制御部８０及びガバナ増減パルス生成部８６を備える。
負荷分担制御部８０は、ＴＣＰ５７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８６は、負荷分担制御部８０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５９，８７，８８へ出力する。

【0073】

なお、ガバナ５９は、ＴＣＰ５７に備えられ、蒸気タービン９の回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ５３が指示する回転速度の速度設定値（ガバナ増減パルス信号）に応じた調速弁開度を調速弁３７へ出力することで、蒸気タービン９の出力を制御すると共に、調速弁開度が目標開度となるように制御される。
また、ガバナ８７，８８は、各々対応するディーゼルエンジン発電機６０に備えられ、ディーゼルエンジン発電機６０の回転速度を制御するものであり、ＰＭＳ５３が指示する回転速度の速度設定値（ガバナ増減パルス信号）に応じた調速弁開度を調速弁３７へ出力することで、ディーゼルエンジン発電機６０の出力を制御する。

【0074】

次に、パワータービン７の出力値（PT Act．kW）の算出について説明する。

【0075】

タービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）は、上述したように蒸気タービン９の負荷容量値（ST Avail．kW）とパワータービン７の出力値（PT Act．kW）との和である（（１）式）。
STG Avail．kW＝ST Avail．kW＋PT Act．kW ・・・（１）

【0076】

ここで、パワータービン７の出力値（PT Act．kW）は、（２）式に示されるように、タービン発電機２５の出力計測値（STG Act．kW）から蒸気タービン９の出力計測値（ST Act．kW）を減算することで算出される。
PT Act．kW＝STG Act．kW−ST Act．kW ・・・（２）
なお、蒸気タービン９の出力計測値は、蒸気タービン９に導入される主蒸気圧力、蒸気温度、蒸気の排気圧力等の各種計測値を用いて既知の手法により算出される。

【0077】

さらに、タービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）を（１）式に基づいて算出する理由を以下に詳述する。
タービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）は、パワータービン７の負荷容量値（PT Avail．kW）を用いて下記（３）式から算出することも考えられる。
STG Avail．Kw＝ST Avail．kW＋PT Avail．kW ・・・（３）
ここで、パワータービン７の負荷容量値（PT Avail．kW）は、メインエンジン３の負荷による関数に対して、外気温（過給機５の吸込み温度）をパラメータとして補正することで求められる。すなわち、(３)式では、メインエンジン３の負荷と外気温とでパワータービン７の負荷容量値（PT Avail．kW）がある値に決まってしまうので、メインエンジン３の負荷と外気温とでは、パワータービン７の起動中において時々刻々と変化するパワータービン７の負荷容量値（PT Avail．kW）を算出できない。従って、（３）式では、パワータービン７の起動中におけるタービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）も算出できない。

【0078】

なお、起動中における実際のパワータービン７の出力値の変化に近づくように予想して、パワータービン７の負荷容量値（PT Avail．kW）を徐々に変化させる方法も考えられる。しかしながら、実際と予想に差があれば、この差分を蒸気タービン９の調速弁３７が吸収しようと大きく動いてしまう可能性も考えられる。

【0079】

そこで、（１）式のようにパワータービン７の出力値（PT Act．kW）そのものを用いることによって、パワータービン７の起動中の負荷容量値の変化を精度良くタービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）にリアルタイムで反映できる。これにより、上述した様な、蒸気タービン９の調速弁３７の開度が大きく動くという問題も生じない。
なお、蒸気タービン９の調速弁３７の開度(換言すると、蒸気タービン９の出力)を現状維持することを目的とすると、パワータービン７の起動中の出力値（PT Act．kW）の変化は、即ちタービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）の変化でもあると考えることができる。また、パワータービン７の起動中の出力の変化は、（２）式で算出されるPT Act．kWの変化として現れ、精度良く得られる。

【0080】

図４は、負荷容量値算出部７０におけるパワータービン７の出力値の算出に関する機能ブロック図の一例である。

【0081】

負荷容量値算出部７０は、減算部９０、減算部９１、及びＰＩＤ演算部９２を備える。
減算部９０は、タービン発電機２５の出力計測値（STG Act．kW）から蒸気タービン９の出力計測値（ST Act．kW）を減算し、パワータービン７の出力値（PT Act．kW）を算出する。
減算部９１は、減算部９０からの出力値（PT Act．kW）とＰＩＤ演算部９２から出力されるパワータービン７の負荷容量値とを減算し、偏差を出力する。なお、減算部９１から出力される偏差が０でない場合は、パワータービン７の出力に変化があった場合である。
ＰＩＤ演算部９２は、減算部９１から出力された偏差に基づいて、パワータービン７の負荷容量値を算出し、加算部７９へ出力する。なお、ＰＩＤ演算部９２は、パワータービン７の出力に変化があり、大きな値の偏差が入力された場合に、パワータービン７の出力値を急激に変化させるのではなく、パワータービン７の出力値（負荷容量値）を時間変化を伴って徐々に変化させて出力する。

【0082】

このようにしてパワータービン７の出力値を算出することで、メインエンジン３の負荷が変化している場合におけるパワータービン７の出力の変化が絶対値（アナログ信号）として現れる。

【0083】

ここで、パルス信号を用いた従来の制御では、蒸気タービン９の調速弁３７がパワータービン７の出力変化に応じて、また、ＰＭＳ５３における負荷容量値の変化に応じてその都度制御されるので、プラントの状態が変化している間に、調速弁開度が過度に低下したり、全開位置で固定されたりすることで、制御が不安定になる可能性があった。

【0084】

一方、本実施形態では、パワータービン７の出力変化がタービン発電機２５の負荷容量値にリアルタイムで反映される。このため、ＰＭＳ５３は、パワータービン７の出力が変化しても、算出した負荷容量値（STG Avail．kW）を用いて船内の各発電機の負荷分担を時間遅れ無く算出し、各発電機に調速弁開度の増加又は減少を示す指令（ガバナ増減パルス信号）を出力することができる。すなわち、パワータービン７の出力が変化しても、算出したタービン発電機２５の負荷容量値を時間遅れ無く算出できるので、調速弁開度の制御を安定化できる。さらに、パワータービン７の出力が変化しても、調速弁開度は大きく変化せずに、より安定した制御が可能となる。

【0085】

次に、本実施形態に係るタービン発電機系統１の変圧運転について、具体的に図５〜８を参照して説明する。

【0086】

図５は、変圧運転における各種制御値の時間変化を示すグラフであり、図５（Ａ）はメインエンジン３の負荷の時間変化、図５（Ｂ）は蒸気タービン９の調速弁開度の時間変化（実線）及びダンプ弁４１の開度の時間変化（破線）、図５（Ｃ）は高圧蒸気圧の時間変化、図５（Ｄ）はタービン発電機２５の出力の時間変化を示す。なお、図５の横軸（時間）は、期間（１）〜（１４）とのように便宜的に分けられる。

【0087】

まず、メインエンジン３の負荷が増加する場合について、期間（１）〜（８）毎に説明する。

【0088】

期間（１）：メインエンジン３の起動が開始され、排ガスエコノマイザ１１が起動して高圧蒸気の生成が開始され昇圧される。

【0089】

期間（２）：高圧蒸気圧がダンプ弁４１の設定圧まで昇圧するとダンプ弁４１が開き、蒸気量の増加に伴いダンプ弁４１の開度が高圧蒸気圧を一定圧とするように制御される。

【0090】

期間（３）：蒸気タービン９が起動を開始する。そして、調速弁３７の開度増加に連れ、又は負荷の増加に連れ、蒸気タービン９へ蒸気が導入される。これに伴い、ダンプ弁４１の開度が減少し、やがてダンプ弁４１が全閉となる。すなわち、期間（１）から期間（３）までの間は、高圧蒸気圧はダンプ弁４１によって制御される。
そして、期間（３）までは、高圧蒸気圧は設定最小値を超え、また、調速弁開度は目標開度未満であるため、ＴＣＰ５７はＰＭＳ５３へ出力する負荷容量値を増加させる。
ＰＭＳ５３は増加した負荷容量値に応じてガバナ５９にガバナ増指令を示すパルス信号を出力し、これによりガバナ５９が調速弁開度を増加するので、蒸気タービン９の負荷が増加する。

【0091】

期間（４）：ダンプ弁４１が全閉とされ、調速弁開度が増加するに連れて高圧蒸気圧が低下する。なお、期間（４）におけるＴＣＰ５７及びＰＭＳ５３の動作、並びに負荷容量値の変化は期間（３）と同様である。

【0092】

期間（５）：調速弁開度を目標開度となるように増加させる間に、高圧蒸気圧が低下して設定最小値に達すると、設定最小値を維持するように調速弁開度が制御される。そして、蒸気量の増加に連れて、設定最小値を維持しながら調速弁開度が増加する。
なお、高圧蒸気圧が設定最小値未満となると、調速弁開度が目標開度に達していなくても、ＴＣＰ５７はそれまでのような負荷容量値の増加をやめ、設定最小値を維持すべく負荷容量値を調整する。

【0093】

期間(６)：調速弁開度が目標開度に達したら開度の制御は止まり、これ以降、蒸気量が増加すると調速弁３７の目標開度を維持したままで高圧蒸気圧が増加していく。
なお、調速弁開度を目標開度とする制御は一旦止まるが、厳密にはこの状態で蒸気量が増加すると蒸気タービン９の回転速度が増加するので、ガバナ５９は蒸気タービン９に導入する蒸気量を減少させるように動き、調速弁開度は減少する。そして、さらに調速弁開度を目標開度とするべくＴＣＰ５７は負荷容量値を増加させ、ＰＭＳ５３のガバナ増指令により負荷が増加する。このように、調速弁３７の目標開度到達後も蒸気量増加に伴い、調速弁開度を目標開度とする制御が繰り返されながら負荷容量値が増加し、蒸気タービン９の負荷が増加していく。

【0094】

期間（７）：パワータービン７の起動が開始される。過渡的にはパワータービン７の出力の増加に伴い調速弁開度も変動するが、変動が大きくならないように負荷容量値を制御しているので、本図では省略している。

【0095】

期間（８）：メインエンジン３の負荷増加によるパワータービン７の出力増加と蒸気量増加に伴い、ＰＭＳ５３からガバナ増指令を受けるまで、調速弁開度は減少するように制御され、期間（６）と同様のような動きで負荷容量値、及び蒸気タービン９の負荷が増加していく。なお、調速弁開度が目標開度より減少すると、調速弁開度を目標開度に戻すためにＴＣＰ５７はタービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）を増加させる。そしてＰＭＳ５３からガバナ増指令を受けて調速弁開度は目標開度に向かって増加する。このように、期間（８）では、調速弁開度が小さな増減を繰り返しながら、目標開度を維持することとなる。

【0096】

次にメインエンジン３の負荷が減少する場合について、期間（１１）〜（１４）毎に説明する。

【0097】

期間（１１）：メインエンジン３の負荷減少によるパワータービン７の出力増加と蒸気量の減少に伴い、ＰＭＳ５３からガバナ減指令を受けるまで、調速弁開度は蒸気タービン９の速度低下を補うべく増加方向に動く。一方、ＴＣＰ５７は、調速弁開度を目標開度に戻すべく負荷容量値を減少させ、ＰＭＳ５３のガバナ減指令により負荷が減少する。
なお、調速弁開度が目標開度より増加すると、調速弁開度を目標開度に戻すためにＴＣＰ５７はタービン発電機２５の負荷容量値（STG Avail．kW）を減少させる。そしてＰＭＳ５３からガバナ減指令を受けて調速弁開度は目標開度に向かって減少する。このように、期間（１１）では、調速弁開度が小さな増減を繰り返しながら、目標開度を維持することとなる。

【0098】

期間（１２）： パワータービン７が停止する。通常、メインエンジン３の負荷減少による抽ガス許容量の低下によりパワータービン７が停止する。過渡的にはパワータービン７の出力の減少、そして停止に伴い調速弁開度も変動するが、変動が大きくならないように負荷容量値を制御しているので、本図では省略している。

【0099】

期間（１３）：さらなるメインエンジン３の負荷減少による蒸気量の低下に伴い、調速弁開度は、目標開度に維持されつつ、高圧蒸気圧が設定最小値まで低下する。その後、高圧蒸気圧の設定最小値を維持すべく負荷容量値を減少させるので調速弁開度が減少する。

【0100】

期間（１４）：負荷容量値が予め定めされた最小値に達すると、負荷容量値はそれ以上減少しなくなり、ＰＭＳ５３は上記最小値の負荷を保とうとしてガバナ５９に指令(例えば増加指令)を与えるので、高圧蒸気圧が設定最小値よりも低下し始める。その後、出力の低下と高圧蒸気圧の低下に伴い蒸気タービン９が停止する。

【0101】

図６は、パワータービン７の起動時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。なお、図６（Ａ−１）〜（Ａ−６）が従来の各種制御値の時間変化を示し、図６（Ｂ−１）〜（Ｂ−６）が本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示す。また、時間Ｔ_１は排ガス量調整弁３３を開けることによって、パワータービン７を起動させるタイミングを示し、時間Ｔ_２はパワータービン７のクラッチ３１をオンとしてパワータービン７がタービン発電機２５に接続されるタイミングを示し、時間Ｔ_３は本実施形態においてパワータービン７の出力が一定となったタイミングを示し、時間Ｔ_４は排ガス量調整弁３３が全開となったタイミングを示す。

【0102】

図６（Ａ−１），（Ｂ−１）は、メインエンジン３の負荷の時間変化を示すものの、図６では一例として、メインエンジン３の負荷が一定の場合を示す。

【0103】

図６（Ａ−２），（Ｂ−２）は、排ガス量調整弁３３の開度の時間変化を示す。排ガス量調整弁３３の開度は、時間Ｔ_１から時間Ｔ_４の間で全閉から全開まで連続的に変化する。

【0104】

図６（Ａ−３），（Ｂ−３）は、ＰＭＳ５３における負荷容量値（タービン発電機２５の負荷容量値）の時間変化を示す。なお、従来に係る図６（Ａ−３）では、負荷容量値はパルス信号により増減されるため、時間経過と共に段階的に増加している。一方、本実施形態に係る図６（Ｂ−３）では、負荷容量値はアナログ信号で表されるため、連続的に増加している。
従来のパルス信号を用いた負荷容量値の増加では、パワータービン７の出力が一定となった時間Ｔ_３以降も時間遅れのために、段階的に負荷容量値が増している。一方、本実施形態に係る制御では、パワータービン７の出力が一定となった時間Ｔ_３のタイミングで、負荷容量値の増加は終わり、その後一定となる。

【0105】

図６（Ａ−４），（Ｂ−４）は、蒸気タービン９に対するガバナ速度設定値の時間変化を示す。
ガバナ速度設定値の変化は、負荷容量値の増減に依存するため、従来に係る図６（Ａ−４）では、パワータービン７の出力が一定となった時間Ｔ_３以降も時間遅れのために、所定値ずつ段階的にガバナ速度設定値が増している。一方、本実施形態に係る図６（Ｂ−４）では、パワータービン７の出力が一定となった時間Ｔ_３となったタイミングで、ガバナ速度設定値の増加は終わり、その後一定となる。

【0106】

図６（Ａ−５），（Ｂ−５）は、調速弁開度の時間変化を示す。また、図６（Ａ−６），（Ｂ−６）は、蒸気タービン９の出力及びパワータービン７の出力と共に、タービン発電機２５の出力の時間変化を示す。
図６（Ａ−５），（Ｂ−５）で示されるように、パワータービン７の出力が増加すると共に調速弁開度は減少する。これが期間ａである。一方、減少し過ぎた調速弁開度を目標開度とする制御が、期間ｂで行われる。
従来では、パワータービン７の出力変化に伴い調速弁開度が制御され、その後パルス信号によってＰＭＳ５３に保持している調速弁開度や蒸気圧を目標値とする制御が行われていた。このため、制御に時間遅れが生じており、排ガス量調整弁３３が全開となってもパワータービン７や蒸気タービン９も整定状態となっていない。
一方、本実施形態では、（１）式で示すように、パワータービン７の出力変化がタービン発電機２５の負荷容量値（アナログ信号）にリアルタイムで反映させるため、時間遅れ無く調速弁開度の制御が可能となり、減少し過ぎた調速弁開度を目標開度とする制御に要する時間（期間ｂ）も従来に比べて短くなる。特に、本実施形態では、排ガス量調整弁３３が全開となったタイミングにおいて、調速弁開度を目標開度とできるのでパワータービン７や蒸気タービン９も従来に比べて早く整定状態となる。

【0107】

図７は、パワータービン停止時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。なお、図７（Ａ−１）〜（Ａ−６）が従来の各種制御値の時間変化を示し、図７（Ｂ−１）〜（Ｂ−６）が本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示す。また、時間Ｔ_５は排ガス量調整弁３３を閉めるタイミングを示し、時間Ｔ_６はパワータービン７のクラッチ３１をオフとしてパワータービン７がタービン発電機２５に非接続とされるタイミングを示し、時間Ｔ_７は排ガス量調整弁３３が全閉となったタイミングを示す。

【0108】

図７（Ａ−１），（Ｂ−１）は、メインエンジン３の負荷の時間変化を示すものの、図７では一例として、メインエンジン３の負荷が一定の場合を示す。

【0109】

図７（Ａ−２），（Ｂ−２）は、排ガス量調整弁３３の開度の時間変化を示す。排ガス量調整弁３３の開度は、時間Ｔ_５から時間Ｔ_７の間で全開から全閉まで連続的に変化する。

【0110】

図７（Ａ−３），（Ｂ−３）は、ＰＭＳ５３における負荷容量値（タービン発電機２５の負荷容量値）の時間変化を示す。なお、従来に係る図７（Ａ−３）では、負荷容量値はパルス信号により増減されるため、段階的に減少している。なお、図７（Ａ−３）では、パルス信号による負荷容量値の増減の時間遅れにより、タービン発電機２５の負荷容量値は過度に減少し、その後に増加に転じて一定となる。
一方、本実施形態に係る図７（Ｂ−３）では、負荷容量値はアナログ信号で表されるため、連続的に減少し、時間遅れもない。

【0111】

図７（Ａ−４），（Ｂ−４）は、蒸気タービン９に対するガバナ速度設定値の時間変化を示す。
ガバナ速度設定値の変化は、負荷容量値の増減に依存するため、従来に係る図７（Ａ−４）では、ガバナ速度設定値が減少した後に増加して一定となる。一方、本実施形態に係る図７（Ｂ−４）では、従来のようなガバナ速度設定値の減少・増加はなく、ガバナ速度設定値は減少後に一定となる。

【0112】

図７（Ａ−５），（Ｂ−５）は、調速弁開度の時間変化を示す。また、図７（Ａ−６），（Ｂ−６）は、蒸気タービン９の出力及びパワータービン７の出力と共に、タービン発電機２５の出力の時間変化を示す。
従来では、制御に時間遅れが生じているので、タービン発電機２５の出力は正定状態となるまで時間を要する。一方、本実施形態では、時間遅れ無く制御が可能でるため、タービン発電機２５の出力が正定状態となるまでの時間が従来に比べて短い。

【0113】

図８は、船内電力負荷の増加時における従来の各種制御値の時間変化と、本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示すグラフである。なお、図８（Ａ−１）〜（Ａ−５）が従来の各種制御値の時間変化を示し、図８（Ｂ−１）〜（Ｂ−５）が本発明の実施形態に係る各種制御値の時間変化を示す。また、時間Ｔ_１０は船内電力負荷が増加したタイミングを示す。

【0114】

図８（Ａ−１），（Ｂ−１）は、メインエンジン３の負荷の時間変化を示すものの、図８では一例として、メインエンジン３の負荷が一定の場合を示す。

【0115】

図８（Ａ−２），（Ｂ−２）は調速弁開度の時間変化を示し、図８（Ａ−３），（Ｂ−３）はＰＭＳ５３における負荷容量値（タービン発電機２５の負荷容量値）の時間変化を示し、図８（Ａ−４），（Ｂ−４）は蒸気タービン９に対するガバナ速度設定値の時間変化を示し、図８（Ａ−５），（Ｂ−５）は、蒸気タービン９の出力及びパワータービン７の出力と共に、タービン発電機２５の出力の時間変化を示す。

【0116】

時間Ｔ_１０で船内電力負荷が増加すると、それに伴い、調速弁開度は増加し、タービン発電機２５の出力も増加する。一方、調速弁開度が増加するので調速弁開度を目標開度とするべく負荷容量値は減少する。この負荷容量値の変化に応じて、ガバナ速度設定値及びタービン発電機２５の出力値も変化する。
ここで、従来では、ＰＭＳ５３に保持されている負荷容量値をパルス信号によって増減させるため、タービン発電機２５の出力変化に対して負荷容量値の変化に遅れが生じる。その結果、ガバナ速度設定値や調速弁開度の変化にも遅れが生じるので、図８（Ａ−２）〜（Ａ−５）に示されるように、各種制御値にハンチングが生じる可能性がある。換言すると、パルス信号による負荷容量値の変化の位相が、タービン発電機２５の出力、ガバナ速度設定値や調速弁開度の変化の位相とずれるため、ハンチングが生じる可能性がある。
一方、本実施形態では、ＴＣＰ５７で負荷容量値の絶対値を算出し、アナログ信号によりＰＭＳ５３へ出力するので、負荷容量値の算出、ガバナ速度設定値の出力、調速弁開度の制御を時間遅れ無く行えるので、従来のようなハンチングを抑制できる。

【0117】

以上説明したように、本実施形態に係るＴＣＰ５７は、調速弁３７の開度を一定（目標開度）となるように制御することで、蒸気タービン９に導入する蒸気圧を変化させる変圧運転を行う。そして、ＴＣＰ５７は、調速弁３７の目標開度と調速弁３７の実際の開度との偏差に基づいて、蒸気タービン９から得られる実際の負荷容量値を算出す、算出した負荷容量値に基づいて調速弁開度を制御する。
これにより、本実施形態に係るＴＣＰ５７は、調速弁開度の制御に用いる負荷容量値を従来のようにパルス信号で増減しないので、パルス信号特有の時間遅れを生じることなく、調速弁３７を制御できる。従って、ＴＣＰ５７は、プラントの状態が変化した場合の排熱回収において、より安定な制御を可能とする。

【0118】

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0119】

例えば、上記実施形態では、本実施形態に係るタービン発電機系統１が舶用の発電システムとして用いられる形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本実施形態に係るタービン発電機系統１は、例えば陸上のプラント設備に適用される形態としてもよい。
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。

【0120】

また、上記実施形態では、一例として、排ガスがメインエンジン３によって生成される形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、排ガスをメインエンジン３以外で生成される排ガス、例えば、ボイラで生成される排ガスとしてもよい。

【符号の説明】

【0121】

２ 発電システム
３ メインエンジン
７ パワータービン
９ 蒸気タービン
２５ タービン発電機（発電機）
３７ 調速弁
４３ 発電システム制御装置（制御装置）
５９ ガバナ（制御手段）
７０ 負荷容量値算出部（算出手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】