タービン設備の制御方法およびタービン設備
タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるタービン設備の制御方法およびタービン設備を提供する。
減速部を介して電動機により圧縮部およびタービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップＳ１と、減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップＳ２と、検出された負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を増やし、所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップＳ３と、を有することを特徴とする。
減速部を介して電動機により圧縮部およびタービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップＳ１と、減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップＳ２と、検出された負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を増やし、所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップＳ３と、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン設備の制御方法およびタービン設備、特に、原子炉等を熱源に用いて作動流体を閉鎖系で循環させるクローズドサイクルガスタービンに用いて好適なタービン設備の制御方法およびタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン等の発電機設備における昇速には、起動専用に設けられたモータや、発電機をモータとして使用するための電気機器ＳＦＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が用いられている。これらの機器は、起動時にのみ使用するため、プラントコストの低減を図るため、極力小容量の機器が用いられていた。
【０００３】
したがって、現状では、これらの昇速専用の機器を用いて定格回転数の３０％まで回転数を上昇させ、それ以後は燃料供給を開始して、タービン自身の昇速トルクにより回転数を上昇させていた。
【０００４】
しかしながら、原子炉等を熱源に用いて作動流体を閉鎖系で循環させるクローズドサイクルガスタービンでは、原子炉本体に課せられた制約により昇温レートが制限され（例えば１００℃／ｈ）、急速な昇温が困難であった。そのため、従来のガスタービンと同様の起動手順を用いた起動方法では、タービンを定格回転数まで昇速させるのに時間を要するという問題があった。
一方で、起動用機器のみを用いて定格回転数まで昇速させる方法では、起動用機器に求められる容量が増大するため、プラントコストが増大するという問題があった。
【０００５】
上述の問題を解決する方法として、閉鎖系を循環するヘリウムの充填量を操作する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１に記載された技術では、タービンの昇速時にヘリウムの充填量を定格運転時の充填量よりも減らすことにより、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくし、起動用機器に求められる容量を下げることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０２０８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ヘリウム充填量の操作に時間を要するため、比較的短い時間で完了する昇速運転に用いるには適切でないという問題があった。
【０００８】
さらに、モータ等により発生された駆動トルクを、圧縮機とタービンとからなるターボユニットに伝達する減速ギア等は、必要最低のトルクを負荷することにより、フレッティングなどの不具合の発生が防止されている。
しかしながら、上述のように、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくすると、減速ギア等に負荷されるトルクも小さくなり、ギアの自重で歯車の負荷分担が正規の値からずれたり、歯の当たる位置が正規の位置からずれたりして、フレッティングなどの不具合が発生する恐れがあるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるタービン設備の制御方法およびタービン設備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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のタービン設備の制御方法は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、を有するタービン設備の制御方法であって、減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、減速部にかかる負荷に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が正確になる。
【００１２】
つまり、減速部にかかる負荷の絶対値が所定値の絶対値以下の場合には、バイパスする作動流体の流量を増加させて、圧縮機を通過する作動流体の流量を増加させる。通過する作動流体の流量が増加すると、圧縮機の駆動に必要なトルクが増加するため、電動機と圧縮機との間に配置された減速部にかかる負荷が増加し、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
一方、減速部にかかる負荷の絶対値が所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機を通過する作動流体の流量を減少させる。通過する作動流体の流量が減少すると、圧縮機の駆動に必要なトルクが減少するため、電動機と圧縮機との間に配置された減速部にかかる負荷が減少し、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
【００１３】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速部にかかる負荷を制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉などの昇温レートが制限された熱源が設けられたタービン設備の場合であっても、熱源に課せられた昇温レート等の制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を所定値に制御することができる。
【００１４】
上記発明においては、前記バイパス流量制御ステップは、前記検出された負荷、および、前記所定値に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、を有することが望ましい。
【００１５】
本発明によれば、減速部にかかる負荷を所定値に制御するバイパス流量、および、圧縮機におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速部にかかる負荷が所定値を下回ること、および、圧縮機においてサージングが発生することの両者が防止される。
【００１６】
本発明のタービン設備の制御方法は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、を有するタービン設備の制御方法であって、減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、前記回転数の上昇開始から時間の経過とともに前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
例えば、減速部にかかる負荷に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が容易になる。
【００１８】
つまり、昇速運転の開始時は、圧縮部およびタービン部を循環する作動流体の温度が低く、圧縮部などの駆動に必要なトルクが小さいため、減速部にかかる負荷も小さい。そのため、昇速運転の開始時には、バイパスする作動流体の流量を減らすことなく圧縮機を通過する作動流体の流量を確保し、減速部にかかる負荷を確保する。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、圧縮部およびタービン部を循環する作動流体の温度が高くなって、圧縮部などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速部にかかる負荷が大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速部にかかる負荷の増加を抑制する。
【００１９】
上記発明においては、前記バイパス流量制御ステップは、前記回転数の上昇開始からの経過時間に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、記圧縮機に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、を有することが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、回転数の上昇開始からの経過時間に基づいたバイパス流量、および、圧縮機におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速部にかかる負荷が所定値を下回ること、および、圧縮機においてサージングが発生することの両者が防止される。
【００２１】
本発明のタービン設備は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、前記圧縮部の吐出側から吸入側に前記作動流体をバイパスさせるバイパス流路と、該バイパス流路を流れる前記作動流体の流量を調整する流量調整部と、起動時に減速部を介して前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動する電動機と、上記本発明の制御方法を行う制御部と、が設けられていることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、制御部が上記本発明の制御方法を行うことにより、圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量が調節され、減速部にかかる負荷が制御される。
【００２３】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速部にかかる負荷を制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉などの昇温レートが制限された熱源が設けられたタービン設備の場合であっても、昇温レート等の熱源に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を所定値に制御することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のタービン設備の制御方法およびタービン設備によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、減速部にかかる負荷に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明のタービン設備の制御方法およびタービン設備によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図２】図１の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図３】図１の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
【図４】図１の発電設備の起動時における減速ギア部にかかるトルクの時間変化を説明するグラフである。
【図５】図１の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図７】図６の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第１および第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
【図８】図６の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図１０】図９の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図１１】図１０の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図１３】図１２の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図１４】図１２の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るクローズドサイクルガスタービンを備えた発電設備について図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本発明を作動流体であるヘリウムガスを閉鎖した循環系で循環させるとともに（クローズドサイクル）、圧縮された作動流体を加熱する熱源として原子炉を用いるガスタービンを備えた発電設備に適用して説明する。
発電設備（タービン設備）１には、図１に示すように、同一の回転軸２上に配置されたタービン部３、低圧圧縮機（圧縮部）４、高圧圧縮機（圧縮部）５および減速ギア部（減速部）６と、減速ギア部６に接続された発電機（電動機）７と、高圧圧縮機５により圧縮された作動流体を加熱する原子炉８と、作動流体を原子炉８、タービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の順に循環させる循環流路９と、が主に設けられている。
【００２８】
タービン部３は、図１に示すように、回転軸２に配置され、原子炉８から供給された高温高圧の作動流体により回転駆動されるものである。
原子炉８とタービン部３との間、および、タービン部３と低圧圧縮機４との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００２９】
低圧圧縮機４は、図１に示すように、回転軸２に配置され、回転軸２を介して供給された回転駆動力を用いて、作動流体を圧縮するものである。
タービン部３と低圧圧縮機４との間、および、低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３０】
高圧圧縮機５は、図１に示すように、回転軸２に配置され、回転軸２を介して供給された回転駆動力を用いて、作動流体をさらに高圧に圧縮するものである。
低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間、および、高圧圧縮機５と原子炉８との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３１】
原子炉８は、図１に示すように、高圧圧縮機５とタービン部３との間に配置され、高圧圧縮機５から吐出された高圧の作動流体を加熱して、タービン部３に高温高圧の作動流体を供給するものである。
高圧圧縮機５と原子炉８との間、および、原子炉８とタービン部３との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３２】
減速ギア部６は、図１に示すように、回転軸２と発電機７との間を回転駆動力の伝達を可能に接続するものであって、回転軸２から発電機７へ、または、発電機７から回転軸２へ、回転数を変換しつつ回転駆動力を伝達するものである。
減速ギア部６は、複数の歯車の組み合わせから構成されるものであって、種々の組み合わせ形式を用いることができる。例えば、減速ギア部６として遊星ギアを用いることができるが、特に限定するものではない。
【００３３】
図２は、図１の発電設備における制御を説明するブロック図である。
減速ギア部６には、図１に示すように、減速ギア部６にかかるトルクを測定するトルクメータ（負荷検出部）１１が設けられている。
トルクメータ１１により計測されたトルクは、図２に示すように、フィードバック制御部５１に出力されている。
【００３４】
発電機７は、図１に示すように、減速ギア部６と回転駆動力が伝達可能に接続されたものであって、発電設備１が運転状態にあるときには、回転軸２および減速ギア部６を介してタービン部３により回転駆動され、発電を行うものである。
一方、発電設備１の起動時には、外部から供給された電力を用いて、回転軸２および減速ギア部６を介してタービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を回転駆動するものである。
【００３５】
循環流路９は、図１に示すように、原子炉８、タービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の間で作動流体を循環させる流路である。
循環流路９には、タービン部３から流出した作動流体と、高圧圧縮機５から吐出された作動流体との間で熱交換を行う再生熱交換器２１と、低圧圧縮機４に吸入される作動流体と、海水との間で熱交換を行う冷却器２２と、低圧圧縮機４から吐出された作動流体と、海水との間で熱交換を行う中間冷却器２３と、が設けられている。
【００３６】
再生熱交換器２１は、図１に示すように、タービン部３から流出した作動流体から熱を回収して、原子炉８に流入する作動流体を加熱する熱交換器である。再生熱交換器２１は、タービン部３と低圧圧縮機４との間、および、高圧圧縮機５と原子炉８との間に配置されている。
【００３７】
冷却器２２は、図１に示すように、再生熱交換器２１から流出した作動流体の熱を、海水に放熱させる熱交換器である。冷却器２２は、再生熱交換器２１と低圧圧縮機４との間に配置されている。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の冷却器２２を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００３８】
中間冷却器２３は、図１に示すように、低圧圧縮機４から吐出された作動流体の熱を、海水に放熱させる熱交換器である。中間冷却器２３は、低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間に配置されている。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の中間冷却器２３を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００３９】
さらに、循環流路９には、図１に示すように、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の流量を増加させる第１バイパス流路（バイパス流路）３１と、作動流体の充填量、つまり循環流路９内を流れる作動流体の流量を調節するとともに、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を増加させる第２バイパス流路（バイパス流路）３２と、が設けられている。
【００４０】
第１バイパス流路３１は、図１に示すように、中間冷却器２３から流出した作動流体の一部を低圧圧縮機４と冷却器２２との間に還流させる流路である。言い換えると、一端が中間冷却器２３と高圧圧縮機５との間の循環流路９に接続され、他端が冷却器２２と低圧圧縮機４との間の循環流路９に接続された流路である。
第１バイパス流路３１には、還流する作動流体の流量を調節する第１バイパス弁３６が設けられている。
【００４１】
第１バイパス弁３６は、図１に示すように、第１バイパス流路３１に配置され、第１バイパス流路３１を流れる作動流体の流量を調節する弁である。言い換えると、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の流量を調節する弁であって、流量を調節することにより、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止するものである。
本実施形態では、２つの第１バイパス弁３６が並列に配置されている例に適用して説明するが、第１バイパス弁３６の数は、２つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
【００４２】
第２バイパス流路３２は、図１に示すように、高圧圧縮機５の吐出側および低圧圧縮機４の吸入側の一方、または、両方に作動流体を充填する流路であるとともに、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部を再生熱交換器２１と冷却器２２との間に還流させる流路である。言い換えると、一方の端部が高圧圧縮機５と再生熱交換器２１との間に接続され、他方の端部が冷却器２２と低圧圧縮機４との間に接続された流路である。
【００４３】
第２バイパス流路３２には、外部の作動流体充填系と接続された第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２と、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の間に配置された第２バイパス弁（流量調整部）４３と、が設けられている。
【００４４】
第１バッファタンク４１は、第２バイパス流路３２における高圧圧縮機５側に配置されたタンクである。第２バッファタンク４２は、第２バイパス流路３２における冷却器２２側に配置されたタンクである。
【００４５】
循環流路９に作動流体を充填する場合には、作動流体充填系から第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の一方、または、両方を介して作動流体が充填される。
一方、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を調節する場合には、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部は、第１バッファタンク４１、第２バッファタンク４２の順に流れて、再生熱交換器２１と冷却器２２との間に還流される。
【００４６】
第２バイパス弁４３は、図１に示すように、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の間の第２バイパス流路３２に配置され、第２バイパス流路３２を流れる作動流体の流量を調節する弁である。言い換えると、発電設備１の運転時には、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を調節する弁であり、かつ、起動時には、減速ギア部６にかかるトルクを制御する弁である。
【００４７】
第２バイパス弁４３には、図２に示すように、フィードバック制御部５１から弁開度を制御する制御信号が入力されている。
本実施形態では、２つの第２バイパス弁４３が並列に配置されている例に適用して説明するが、第２バイパス弁４３の数は、２つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
【００４８】
さらに、発電設備１には、図２に示すように、トルクメータ１１の測定されたトルクの値であるトルク信号に基づいて、第２バイパス弁４３の開度を制御するフィードバック制御部（制御部）５１が設けられている。
フィードバック制御部５１における第２バイパス弁４３の開度制御については、以下に説明する。
【００４９】
次に、上記の構成からなる発電設備１における発電について説明する。
発電設備１において運転、つまり発電が行われる場合には、図１に示すように、原子炉８に流入した高圧の作動流体は原子炉８において発生した熱を吸収してさらに加熱され、例えば、約９００℃の作動流体として原子炉８から循環流路９に流出する。
【００５０】
作動流体は循環流路９からタービン部３に流入する。タービン部３は、流入した高温高圧の作動流体が有するエネルギから回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を回転軸２に伝達する。
【００５１】
回転駆動力は回転軸２から減速ギア部６に伝達され、減速ギア部６から発電機７に伝達される。回転軸２の回転数は、減速ギア部６により発電機７の駆動に適切な回転数に減速されている。
発電機７は、伝達された回転駆動力により回転駆動されて発電を行っている。
【００５２】
一方、作動流体はタービン部３から流出する際に約５００℃まで温度が低下し、循環流路９を介して再生熱交換器２１に流入する。再生熱交換器２１では、タービン部３から流入した作動流体と、後述する高圧圧縮機５から吐出された作動流体との間で熱交換が行われ、再生熱交換器２１から流出する。
【００５３】
再生熱交換器２１から流出した作動流体は、循環流路９を介して冷却器２２に流入して海水との間で熱交換を行い、約２０℃まで冷却された後、冷却器２２から流出する。
冷却器２２から流出した作動流体は、循環流路９を介して低圧圧縮機４に吸入される。低圧圧縮機４は、回転軸２を介してタービン部３から供給された回転駆動力により、吸入した作動流体を圧縮し、循環流路９に吐出する。
【００５４】
低圧圧縮機４から吐出された作動流体は、循環流路９を介して中間冷却器２３に流入して海水との間で熱交換を行い、約２０℃まで冷却された後、中間冷却器２３から流出する。
中間冷却器２３から流出した作動流体は、循環流路９を介して高圧圧縮機５に吸入される。高圧圧縮機５は、回転軸２を介してタービン部３から供給された回転駆動力により、低圧圧縮機４により圧縮された作動流体をさらに高圧に圧縮し、循環流路９に吐出する。
【００５５】
高圧圧縮機５から吐出された作動流体は、循環流路９を介して再生熱交換器２１に流入し、上述のタービン部３から流出した作動流体との間で熱交換を行い、例えば、約４５０℃に加熱され、循環流路９に流出する。
再生熱交換器２１から流出した作動流体は、循環流路９を介して原子炉８に流入し、上述の過程が繰り返される。
【００５６】
循環流路９を流れる作動流体の流量が少ない場合、言い換えると、低圧圧縮機４に流入する作動流体の流量が少ない場合には、第１バイパス弁３６が開かれ、低圧圧縮機４におけるサージングの発生が防止される。
つまり、第１バイパス弁３６を開くことにより、低圧圧縮機４から吐出され中間冷却器２３から流出された作動流体の一部が、第１バイパス流路３１を介して、冷却器２２と低圧圧縮機４との間の循環流路９に流入する。そのため、循環流路９の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機４に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４におけるサージングの発生が防止される。
【００５７】
一方、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に流入する作動流体の流量が少ない場合には、第２バイパス弁４３が開かれ、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５におけるサージングの発生が防止される。
つまり、第２バイパス弁４３を開くことにより、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部が、第２バイパス流路３２、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２を介して、再生熱交換器２１および冷却器２２の間の循環流路９に流入する。そのため、循環流路９の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５におけるサージングの発生が防止される。
【００５８】
さらに、循環流路９を循環する作動流体の充填量が少ない場合には、第１バッファタンク４１や、第２バッファタンク４２を介して接続された作動流体充填系から、作動流体が循環流路９内に充填される。
【００５９】
次に、本実施形態の特徴である発電設備１の起動時における制御について説明する。
発電設備１の起動時は、図１に示すように、外部から発電機７に電力が供給される。電力が供給された発電機７は、電動機として回転駆動力を発生し、減速ギア部６および回転軸２を介してタービン部３，低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を回転駆動する。
【００６０】
図３は、図１の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
発電設備１は起動されると、図３に示すように、毎分約３００回転の回転速度で低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等が回転駆動され、昇速指令が入力される第１所定時間Ｔ１まで毎分約３００回転の回転速度が維持される。
【００６１】
このとき、図１および図２に示すように、トルクメータ１１により減速ギア部６にかかるトルクが計測され、計測されたトルクの値、つまりトルク信号がフィードバック制御部５１に入力される。トルクメータ１１に計測されたトルクの値は、目標トルク（所定値）−Ｑよりも０に近いため、フィードバック制御部５１は、第２バイパス弁４３を開く制御信号を出力する。
【００６２】
第２バイパス弁４３が開かれると、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部が、第２バイパス流路３２、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２を介して低圧圧縮機４に還流される。言い換えると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に圧縮される作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要な駆動トルクが増加する。
すると、電動機である発電機７と、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の間に配置された減速ギア部６にかかるトルクも増加する。
【００６３】
図４は、図１の発電設備の起動時における減速ギア部にかかるトルクの時間変化を説明するグラフである。
起動時から第１所定時間Ｔ１までは、低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等の回転速度が低く、かつ、原子炉８の温度も低い状態であるため、第２バイパス弁４３が全開になるまでフィードバック制御部５１から第２バイパス弁４３を開く制御信号が出力される。図４に示す起動時から第１所定時間Ｔ１までのトルクは、第２バイパス弁４３が全開状態における減速ギア部６にかかるトルクを示している。
つまり、起動時から第１所定時間Ｔ１までは、トルクメータ１１により測定されているトルクは、０から負の第１所定トルク（所定値）−Ｑ１の範囲に含まれている。
【００６４】
ここで、図４における正のトルクは、タービン部３により発電機７が回転駆動される場合に減速ギア部６にかかるトルクの値を示し、負のトルクは、発電機７によりタービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５が回転駆動される場合に減速ギア部６にかかるトルクの値を示している。
【００６５】
さらに、図４における正の第１所定トルクＱ１から負の第１所定トルク−Ｑ１の間の領域は、減速ギア部６にかかるトルクの値が小さく、減速ギア部６を構成する歯車等にフレッティングが生じる可能性が高い領域である。
【００６６】
図５は、図１の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
昇速指令が入力されて低圧圧縮機４等の回転速度の上昇が開始されると、つまり第１所定時間Ｔ１を経過すると、図３に示すように、低圧圧縮機４や高圧圧縮機５などの回転速度は時間の経過とともに上昇し、第２所定時間Ｔ２には定格回転数の毎分約６０００回転まで昇速される（ステップＳ１（昇速ステップ））。
【００６７】
回転速度が上昇すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５により圧縮される作動流体の流量も増加するため、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要な駆動トルクも増加する。
そのため、トルクメータ１１により測定されている減速ギア部６にかかるトルクも増加する（ステップＳ２（負荷検出ステップ））。フィードバック制御部５１は入力されるトルク信号に応じて第２バイパス弁４３の開度を制御する制御信号を出力する（ステップＳ３（バイパス流量制御ステップ））。
【００６８】
つまり、フィードバック制御部５１は、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が、目標トルク−Ｑの絶対値よりも小さい場合には、第２バイパス弁４３を開く制御信号を出力して、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに近づく制御を行う。一方、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が、目標トルク−Ｑの絶対値よりも大きな場合には、第２バイパス弁４３を閉じる制御信号を出力して、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに近づく制御を行う。
【００６９】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３の昇速運転時に、減速ギア部６にかかるトルクに基づいて高圧圧縮機５の吐出側から低圧圧縮機４の吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
このようにすることにより、例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部６にかかるトルクの制御が正確になる。
【００７０】
つまり、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が目標トルク−Ｑの絶対値以下の場合には、バイパスする作動流体の流量を増加させて、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を通過する作動流体の流量を増加させる。通過する作動流体の流量が増加すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要なトルクが増加するため、発電機７と低圧圧縮機４および高圧圧縮機５との間に配置された減速ギア部６にかかるトルクが増加し、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
【００７１】
一方、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が目標トルク−Ｑの絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減少させて、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を通過する作動流体の流量を減少させる。通過する作動流体の流量が減少すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要なトルクが減少するため、発電機７と低圧圧縮機４および高圧圧縮機５との間に配置された減速ギア部６にかかるトルクが減少し、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
【００７２】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速ギア部６にかかるトルクを制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉８などの昇速レートが制限された熱源が設けられた発電設備１の場合であっても、原子炉８に課せられた昇速レート等の制約を遵守しつつ、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御することができる。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、減速ギア部６にかかる負荷を、減速ギア部６にかかるトルクとしてトルクメータ１１を用いて測定する例に適用して説明したが、負荷をトルクとして測定するだけでなく、減速ギア部６を構成する歯車の変位を負荷として測定してもよく、特に限定するものではない。
【００７４】
さらに、上述の実施形態では、圧縮機が２段、つまり低圧圧縮機４および高圧圧縮機５から構成されている例に適用して説明したが、圧縮機は１段であってもよいし、３段以上のものであってもよく、特に限定するものではない。
【００７５】
上述の実施形態では、フィードバック制御部５１により第２バイパス弁４３の開度を制御する例に適用して説明したが、フィードバック制御部５１により第１バイパス弁３６の開度を制御してもよく、特に限定するものではない。
【００７６】
上述の実施形態では、発電設備１の起動時に第２バイパス弁４３を制御する例に適用して説明したが、発電設備１の停止時や、循環流路９を流れる作動流体の流量が少ない場合にも同様な制御を行ってもよく、特に限定するものではない。
【００７７】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図６から図８を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図６から図８を用いて第１バイパス弁の制御のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００７８】
本実施形態の発電設備１０１における制御部１５０には、図６に示すように、第２バイパス弁４３の開度を制御するフィードバック制御部５１と、第１バイパス弁（流量調整部）３６の開度を制御するプログラム制御部（制御部）１５１と、が設けられている。
プログラム制御部１５１は、発電設備１の起動時における低圧圧縮機４などの回転速度の昇速を指示する昇速指令に基づいて第１バイパス弁３６の開度を制御するものである。
プログラム制御部１５１における第１バイパス弁３６の開度制御については、以下に説明する。
【００７９】
次に、本実施形態の特徴である発電設備１０１の起動時における制御について説明する。
なお、起動時には、フィードバック制御部５１およびプログラム制御部１５１のそれぞれが第２バイパス弁４３および第１バイパス弁３６の開度を制御するが、フィードバック制御部５１による第２バイパス弁４３の開度制御は、第１の実施形態における制御と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備１０１における発電については、第１の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
図７は、図６の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第１および第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。なお、図７中のグラフＶ１は、第１バイパス弁３６の開度を示し、グラフＶ２は第２バイパス弁４３の開度を示すものである。
発電設備１０１は起動されると、図７に示すように、毎分約３００回転の回転速度で低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等が回転駆動され、昇速指令が入力される第１所定時間Ｔ１まで毎分約３００回転の回転速度が維持される。
このとき、プログラム制御部１５１は、第１バイパス弁３６を全開にする制御信号を出力している。
【００８１】
第１バイパス弁３６が開かれると、低圧圧縮機４から吐出され中間冷却器２３を通過した冷媒の一部が、第１バイパス流路３１を介して低圧圧縮機４の吸入側に還流される。言い換えると、低圧圧縮機４に圧縮される作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクが増加する（図１参照。）。
すると、電動機である発電機７と、低圧圧縮機４の間に配置された減速ギア部６にかかるトルクも増加する。
【００８２】
図８は、図６の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
その後、昇速指令が入力されて低圧圧縮機４等の回転速度の上昇が開始されると（ステップＳ１（昇速ステップ））、プログラム制御部１５１は、昇速指令が入力されてからの経過時間に応じて、第１バイパス弁３６の開度を下げる制御信号を出力する（ステップＳ１３（バイパス流量制御ステップ））。
【００８３】
つまり、低圧圧縮機４等の回転速度が時間の経過とともに上昇すると、低圧圧縮機４により圧縮される作動流体の流量も増加するため、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクも時間の経過とともに増加する。
そのため、プログラム制御部１５１は、昇速指令の入力からの時間経過に比例して第１バイパス弁３６の開度を下げる制御信号を出力する。
【００８４】
第１バイパス弁３６の開度が下げられると、第１バイパス弁３６を流れる作動流体の流量が減少し、低圧圧縮機４に還流される作動流体の流量が減少する。そのため、低圧圧縮機４により圧縮される作動流体の流量の増加が抑制され、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクの増加も抑制される。
【００８５】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて低圧圧縮機４の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御することができる。
このようにすることにより、例えば、減速ギア部６にかかるトルクに基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部６にかかる負荷の制御が容易になる。
【００８６】
つまり、昇速運転の開始時は、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３を循環する作動流体の温度が低く、低圧圧縮機４などの駆動に必要なトルクが小さいため、減速ギア部６にかかる負荷も小さい。そのため、昇速運転の開始時には、バイパスする作動流体の流量を減らすことなく低圧圧縮機４を通過する作動流体の流量を確保することで、減速ギア部６にかかるトルクが確保できる。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３を循環する作動流体の温度が高くなって、低圧圧縮機４などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速ギア部６にかかるトルクが大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させることにより、低圧圧縮機４の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速ギア部６にかかるトルクの増加を抑制することができる。
【００８７】
さらに、フィードバック制御部５１およびプログラム制御部１５１を用いて、それぞれ第２バイパス弁４３および第１バイパス弁３６の開度を制御することで、減速ギア部６にかかるトルクの制御が容易となる。
つまり、第１および第２バイパス弁３６，４３の合計容量を、減速ギア部６にかかるトルク制御に用いることができるため、第１および第２バイパス弁４３のいずれか一方を大型化、または、個数の増加をする必要がなくなる。そのため、減速ギア部６にかかるトルクの制御に用いられる操作端の変更や、追加が不要となり、発電設備１０１におけるイニシャルコストの増加を抑制することができる。
【００８８】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図９から図１１を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第２バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図９から図１１を用いて第２バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図９は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図１０は、図９の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８９】
本実施形態の発電設備２０１には、図９および図１０に示すように、高圧圧縮機５における吸入側の作動流体圧力と、吐出側の作動流体圧力との圧力比を測定する第２圧力比測定部２６１と、タービン部３に流入する作動流体の温度を測定する温度測定部２６２と、修正回転数を算出する修正回転数演算部２６３と、がさらに設けられている。
【００９０】
第２圧力比測定部２６１は、図９に示すように、高圧圧縮機５に吸入される作動流体の圧力と、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の圧力との比を測定する測定部である。第２圧力比測定部２６１に測定された圧力比は、図１０に示すように、制御部２５０の第２サージング制御部２５１に入力される。
【００９１】
温度測定部２６２は、図９に示すように、タービン部３に流入する作動流体の温度を測定する測定部である。温度測定部２６２に測定された温度は、図１０に示すように、修正回転数演算部２６３に入力される。
【００９２】
修正回転数演算部２６３は、図１０に示すように、温度測定部２６２から入力された温度Ｔｉと、タービン部３の実回転数Ｎとに基づいて、下記の式により修正回転数Ｎ１を算出するものである。
Ｎ１＝Ｎ／√（Ｔｉ）
修正回転数演算部２６３により算出された修正回転数Ｎ１は、第２サージング制御部２５１に入力される。
【００９３】
さらに、本実施形態の発電設備２０１における制御部２５０には、図１０に示すように、トルクメータ１１により測定されたトルクに基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御するフィードバック制御部５１と、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する第２サージング制御部（制御部）２５１と、フィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１から出力された制御信号のうち、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２が大きい制御信号を選択する第２選択部２５２と、が設けられている。
【００９４】
第２サージング制御部２５１は、図１０に示すように、第２圧力比測定部２６１から入力された圧力比と、修正回転数演算部２６３から入力された修正回転数Ｎ１とに基づいて、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、算出された吸入流量に基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を算出し、開度Ｖ２を制御する制御信号を出力するものである。
第２サージング制御部２５１から出力された制御信号は、第２選択部２５２に入力される。
【００９５】
ここで、算出されるサージングの発生を防止する吸入流量は、高圧圧縮機５においてサージングが発生する吸入流量に、所定の余裕代（マージン）が上乗せされた流量である。そのため、算出される第２バイパス弁４３の開度Ｖ２は、上述のマージンが上乗せされた流量の作動流体が高圧圧縮機５に流入する開度である。
【００９６】
第２選択部２５２は、図１０に示すように、フィードバック制御部５１から入力された制御信号、および、第２サージング制御部２５１から入力された制御信号にかかる第２バイパス弁４３の開度Ｖ２のうち、開度の大きな制御信号を選択するものである。
選択された制御信号は、第２選択部２５２から第２バイパス弁４３に出力されている。
【００９７】
次に、本実施形態の特徴である発電設備２０１の起動時における制御について説明する。
なお、起動時には、フィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１のそれぞれが第２バイパス弁４３の開度を算出して制御信号を出力するが、フィードバック制御部５１による第２バイパス弁４３開度の算出等は、第１の実施形態における場合と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備２０１における発電については、第１の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
【００９８】
図１１は、図１０の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
発電設備２０１の起動時には、図１１に示すように、フィードバック制御部５１におけるバイパス流量の算出、および、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２の算出（ステップＳ２１（第１算出ステップ））と、第２サージング制御部２５１におけるバイパス流量の算出、および、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２の算出（ステップＳ２２（第２算出ステップ））と、がそれぞれ独立に行われる。
【００９９】
制御部２５０の第２サージング制御部２５１には、図１０に示すように、第２圧力比測定部２６１から高圧圧縮機５の吸入側および吐出側の作動流体の圧力比が入力され、かつ、修正回転数演算部２６３から修正回転数Ｎ１が入力される。
【０１００】
第２サージング制御部２５１は、入力された圧力比および修正回転数Ｎ１に基づいて、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出する。第２サージング制御部２５１におけるサージングの発生を防止する流量は、予め第２サージング制御部２５１に記憶されたテーブル等に基づいて算出される。
第２サージング制御部２５１は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を算出し、第２バイパス弁４３の開度を制御する制御信号を第２選択部２５２に出力する。
【０１０１】
第２選択部２５２には、図１０に示すように、第２サージング制御部２５１から第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する制御信号が入力されるとともに、フィードバック制御部５１からも第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する制御信号が入力される。
【０１０２】
第２選択部２５２は、入力された制御信号のうち、第２バイパス弁４３の開度が大きな制御信号を選択し、選択した制御信号を第２バイパス弁４３に出力する（ステップＳ２３（選択ステップ））。
第２バイパス弁４３は、入力された制御信号に基づいて開度Ｖ２が調節され、第２バイパス流路３２を流れる作動流体の流量が調節される（ステップＳ２４（流量調節ステップ））。
【０１０３】
上記の構成によれば、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御するバイパス流量、および、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑを下回ること、および、高圧圧縮機５においてサージングが発生することの両者を防止することができる。
特に、外乱により高圧圧縮機５におけるサージングが発生しやすい状況となっても、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止することができる。
【０１０４】
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について図１２から図１４を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第３の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図１２から図１４を用いて第１バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１２は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図１３は、図１２の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第３の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態の発電設備３０１には、図１２および図１３に示すように、低圧圧縮機４における吸入側の作動流体圧力と、吐出側の作動流体圧力との圧力比を測定する第１圧力比測定部３６１がさらに設けられている。
【０１０６】
第１圧力比測定部３６１は、図１２に示すように、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の圧力と、低圧圧縮機４から吐出された作動流体の圧力との比を測定する測定部である。第１圧力比測定部３６１に測定された圧力比は、図１３に示すように、制御部３５０の第１サージング制御部３５１に入力される。
【０１０７】
さらに、本実施形態の発電設備３０１における制御部３５０には、図１２に示すように、トルクメータ１１により測定されたトルクに基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御するプログラム制御部１５１と、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する第１サージング制御部（制御部）３５１と、プログラム制御部１５１および第１サージング制御部３５１から出力された制御信号のうち、第１バイパス弁３６の開度が大きい制御信号を選択する第１選択部３５２と、が設けられている。
【０１０８】
第１サージング制御部３５１は、図１２に示すように、第１圧力比測定部３６１から入力された圧力比と、修正回転数演算部２６３から入力された修正回転数Ｎ１とに基づいて、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、算出された吸入流量に基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を算出し、開度を制御する制御信号を出力するものである。
第１サージング制御部３５１から出力された制御信号は、第１選択部３５２に入力される。
【０１０９】
ここで、算出されるサージングの発生を防止する吸入流量は、低圧圧縮機４においてサージングが発生する吸入流量に、所定の余裕代（マージン）が上乗せされた流量である。そのため、算出される第１バイパス弁３６の開度Ｖ１は、上述のマージンが上乗せされた流量の作動流体が低圧圧縮機４に流入する開度である。
【０１１０】
第１選択部３５２は、図１２に示すように、プログラム制御部１５１から入力された制御信号、および、第１サージング制御部３５１から入力された制御信号にかかる第１バイパス弁３６の開度Ｖ１のうち、開度の大きな制御信号を選択するものである。
選択された制御信号は、第１選択部３５２から第１バイパス弁３６に出力されている。
【０１１１】
次に、本実施形態の特徴である発電設備３０１の起動時における制御について説明する。
発電設備３０１の起動時には、第３の実施形態と同様に、第２選択部２５２にフィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１から第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する信号が入力され、第２選択部２５２により選択された制御信号が第２バイパス弁４３に入力されている。
【０１１２】
図１４は、図１２の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
上述の第２バイパス弁４３の開度制御と同時に、図１４に示すように、プログラム制御部１５１におけるバイパス流量の算出、および、第１バイパス弁３６の開度の算出（ステップＳ３１（第１算出ステップ））と、第１サージング制御部３５１におけるバイパス流量の算出、および、第１バイパス弁３６の開度の算出（ステップＳ３２（第２算出ステップ））と、がそれぞれ独立に行われる。
【０１１３】
制御部３５０の第１サージング制御部３５１には、図１３に示すように、第１圧力比測定部３６１から低圧圧縮機４の吸入側および吐出側の作動流体の圧力比が入力され、かつ、修正回転数演算部２６３から修正回転数Ｎ１が入力される。
【０１１４】
第１サージング制御部３５１は、入力された圧力比および修正回転数Ｎ１に基づいて、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出する。第１サージング制御部３５１におけるサージングの発生を防止する流量は、予め第１サージング制御部３５１に記憶されたテーブル等に基づいて算出される。
第１サージング制御部３５１は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を算出し、第１バイパス弁３６の開度を制御する制御信号を第１選択部３５２に出力する。
【０１１５】
第１選択部３５２には、図１３に示すように、第１サージング制御部３５１から第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する制御信号が入力されるとともに、プログラム制御部１５１からも第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する制御信号が入力される。
【０１１６】
第１選択部３５２は、入力された制御信号のうち、第１バイパス弁３６の開度が大きな制御信号を選択し、選択した制御信号を第１バイパス弁３６に出力する（ステップＳ３３（選択ステップ））。
第１バイパス弁３６は、入力された制御信号に基づいて開度が調節され、第１バイパス流路３１を流れる作動流体の流量が調節される（ステップＳ３４（流量調節ステップ））。
【０１１７】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４などの回転数の上昇開始からの経過時間に基づいたバイパス流量、および、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑを下回ること、および、低圧圧縮機４においてサージングが発生することの両者の発生を防止することができる。
特に、外乱により低圧圧縮機４におけるサージングが発生しやすい状況となっても、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止することができる。
【０１１８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、フィードバック制御部５１により第２バイパス弁４３を制御し、プログラム制御部１５１により第１バイパス弁３６を制御する例に適用して説明しているが、逆に、フィードバック制御部５１により第１バイパス弁３６を制御し、プログラム制御部１５１により第２バイパス弁４３を制御してもよく、特に限定するものではない。
【符号の説明】
【０１１９】
１，１０１，２０１，３０１ 発電設備（タービン設備）
３ タービン部
４ 低圧圧縮機（圧縮部）
５ 高圧圧縮機（圧縮部）
６ 減速ギア部（減速部）
７ 発電機（電動機）
９ 循環流路
１１ トルクメータ（負荷検出部）
３１ 第１バイパス流路（バイパス流路）
３２ 第２バイパス流路（バイパス流路）
４３ 第２バイパス弁（流量調整部）
５１ フィードバック制御部（制御部）
１５１ プログラム制御部（制御部）
２５１ 第２サージング制御部（制御部）
３５１ 第１サージング制御部（制御部）
Ｓ１ 昇速ステップ
Ｓ２ 負荷検出ステップ
Ｓ３，Ｓ１３ バイパス流量制御ステップ
Ｓ２１，Ｓ３１ 第１算出ステップ
Ｓ２２，Ｓ３２ 第２算出ステップ
Ｓ２３，Ｓ３３ 選択ステップ
Ｓ２４，Ｓ３４ 流量調節ステップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン設備の制御方法およびタービン設備、特に、原子炉等を熱源に用いて作動流体を閉鎖系で循環させるクローズドサイクルガスタービンに用いて好適なタービン設備の制御方法およびタービン設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービン等の発電機設備における昇速には、起動専用に設けられたモータや、発電機をモータとして使用するための電気機器ＳＦＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が用いられている。これらの機器は、起動時にのみ使用するため、プラントコストの低減を図るため、極力小容量の機器が用いられていた。
【０００３】
したがって、現状では、これらの昇速専用の機器を用いて定格回転数の３０％まで回転数を上昇させ、それ以後は燃料供給を開始して、タービン自身の昇速トルクにより回転数を上昇させていた。
【０００４】
しかしながら、原子炉等を熱源に用いて作動流体を閉鎖系で循環させるクローズドサイクルガスタービンでは、原子炉本体に課せられた制約により昇温レートが制限され（例えば１００℃／ｈ）、急速な昇温が困難であった。そのため、従来のガスタービンと同様の起動手順を用いた起動方法では、タービンを定格回転数まで昇速させるのに時間を要するという問題があった。
一方で、起動用機器のみを用いて定格回転数まで昇速させる方法では、起動用機器に求められる容量が増大するため、プラントコストが増大するという問題があった。
【０００５】
上述の問題を解決する方法として、閉鎖系を循環するヘリウムの充填量を操作する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１に記載された技術では、タービンの昇速時にヘリウムの充填量を定格運転時の充填量よりも減らすことにより、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくし、起動用機器に求められる容量を下げることができた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３０２０８５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ヘリウム充填量の操作に時間を要するため、比較的短い時間で完了する昇速運転に用いるには適切でないという問題があった。
【０００８】
さらに、モータ等により発生された駆動トルクを、圧縮機とタービンとからなるターボユニットに伝達する減速ギア等は、必要最低のトルクを負荷することにより、フレッティングなどの不具合の発生が防止されている。
しかしながら、上述のように、タービンの昇速に要する駆動トルクを小さくすると、減速ギア等に負荷されるトルクも小さくなり、ギアの自重で歯車の負荷分担が正規の値からずれたり、歯の当たる位置が正規の位置からずれたりして、フレッティングなどの不具合が発生する恐れがあるという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるタービン設備の制御方法およびタービン設備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】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のタービン設備の制御方法は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、を有するタービン設備の制御方法であって、減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、減速部にかかる負荷に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が正確になる。
【００１２】
つまり、減速部にかかる負荷の絶対値が所定値の絶対値以下の場合には、バイパスする作動流体の流量を増加させて、圧縮機を通過する作動流体の流量を増加させる。通過する作動流体の流量が増加すると、圧縮機の駆動に必要なトルクが増加するため、電動機と圧縮機との間に配置された減速部にかかる負荷が増加し、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
一方、減速部にかかる負荷の絶対値が所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機を通過する作動流体の流量を減少させる。通過する作動流体の流量が減少すると、圧縮機の駆動に必要なトルクが減少するため、電動機と圧縮機との間に配置された減速部にかかる負荷が減少し、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
【００１３】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速部にかかる負荷を制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉などの昇温レートが制限された熱源が設けられたタービン設備の場合であっても、熱源に課せられた昇温レート等の制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を所定値に制御することができる。
【００１４】
上記発明においては、前記バイパス流量制御ステップは、前記検出された負荷、および、前記所定値に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、を有することが望ましい。
【００１５】
本発明によれば、減速部にかかる負荷を所定値に制御するバイパス流量、および、圧縮機におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速部にかかる負荷が所定値を下回ること、および、圧縮機においてサージングが発生することの両者が防止される。
【００１６】
本発明のタービン設備の制御方法は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、を有するタービン設備の制御方法であって、減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、前記回転数の上昇開始から時間の経過とともに前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速部にかかる負荷が所定値に制御される。
例えば、減速部にかかる負荷に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速部にかかる負荷の制御が容易になる。
【００１８】
つまり、昇速運転の開始時は、圧縮部およびタービン部を循環する作動流体の温度が低く、圧縮部などの駆動に必要なトルクが小さいため、減速部にかかる負荷も小さい。そのため、昇速運転の開始時には、バイパスする作動流体の流量を減らすことなく圧縮機を通過する作動流体の流量を確保し、減速部にかかる負荷を確保する。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、圧縮部およびタービン部を循環する作動流体の温度が高くなって、圧縮部などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速部にかかる負荷が大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させて、圧縮機の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速部にかかる負荷の増加を抑制する。
【００１９】
上記発明においては、前記バイパス流量制御ステップは、前記回転数の上昇開始からの経過時間に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、記圧縮機に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、を有することが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、回転数の上昇開始からの経過時間に基づいたバイパス流量、および、圧縮機におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速部にかかる負荷が所定値を下回ること、および、圧縮機においてサージングが発生することの両者が防止される。
【００２１】
本発明のタービン設備は、作動流体を圧縮する圧縮部と、前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、前記圧縮部の吐出側から吸入側に前記作動流体をバイパスさせるバイパス流路と、該バイパス流路を流れる前記作動流体の流量を調整する流量調整部と、起動時に減速部を介して前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動する電動機と、上記本発明の制御方法を行う制御部と、が設けられていることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、制御部が上記本発明の制御方法を行うことにより、圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量が調節され、減速部にかかる負荷が制御される。
【００２３】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速部にかかる負荷を制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉などの昇温レートが制限された熱源が設けられたタービン設備の場合であっても、昇温レート等の熱源に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を所定値に制御することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のタービン設備の制御方法およびタービン設備によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、減速部にかかる負荷に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるという効果を奏する。
【００２５】
本発明のタービン設備の制御方法およびタービン設備によれば、圧縮部およびタービン部の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて圧縮機の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、タービン設備に設けられた機器に課せられた制約を遵守しつつ、減速部にかかる負荷を制御した起動運転を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図２】図１の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図３】図１の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
【図４】図１の発電設備の起動時における減速ギア部にかかるトルクの時間変化を説明するグラフである。
【図５】図１の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図７】図６の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第１および第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
【図８】図６の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図１０】図９の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図１１】図１０の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
【図１３】図１２の発電設備における制御を説明するブロック図である。
【図１４】図１２の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るクローズドサイクルガスタービンを備えた発電設備について図１から図５を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。
本実施形態では、本発明を作動流体であるヘリウムガスを閉鎖した循環系で循環させるとともに（クローズドサイクル）、圧縮された作動流体を加熱する熱源として原子炉を用いるガスタービンを備えた発電設備に適用して説明する。
発電設備（タービン設備）１には、図１に示すように、同一の回転軸２上に配置されたタービン部３、低圧圧縮機（圧縮部）４、高圧圧縮機（圧縮部）５および減速ギア部（減速部）６と、減速ギア部６に接続された発電機（電動機）７と、高圧圧縮機５により圧縮された作動流体を加熱する原子炉８と、作動流体を原子炉８、タービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の順に循環させる循環流路９と、が主に設けられている。
【００２８】
タービン部３は、図１に示すように、回転軸２に配置され、原子炉８から供給された高温高圧の作動流体により回転駆動されるものである。
原子炉８とタービン部３との間、および、タービン部３と低圧圧縮機４との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００２９】
低圧圧縮機４は、図１に示すように、回転軸２に配置され、回転軸２を介して供給された回転駆動力を用いて、作動流体を圧縮するものである。
タービン部３と低圧圧縮機４との間、および、低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３０】
高圧圧縮機５は、図１に示すように、回転軸２に配置され、回転軸２を介して供給された回転駆動力を用いて、作動流体をさらに高圧に圧縮するものである。
低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間、および、高圧圧縮機５と原子炉８との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３１】
原子炉８は、図１に示すように、高圧圧縮機５とタービン部３との間に配置され、高圧圧縮機５から吐出された高圧の作動流体を加熱して、タービン部３に高温高圧の作動流体を供給するものである。
高圧圧縮機５と原子炉８との間、および、原子炉８とタービン部３との間は、循環流路９によって作動流体が流通可能に接続されている。
【００３２】
減速ギア部６は、図１に示すように、回転軸２と発電機７との間を回転駆動力の伝達を可能に接続するものであって、回転軸２から発電機７へ、または、発電機７から回転軸２へ、回転数を変換しつつ回転駆動力を伝達するものである。
減速ギア部６は、複数の歯車の組み合わせから構成されるものであって、種々の組み合わせ形式を用いることができる。例えば、減速ギア部６として遊星ギアを用いることができるが、特に限定するものではない。
【００３３】
図２は、図１の発電設備における制御を説明するブロック図である。
減速ギア部６には、図１に示すように、減速ギア部６にかかるトルクを測定するトルクメータ（負荷検出部）１１が設けられている。
トルクメータ１１により計測されたトルクは、図２に示すように、フィードバック制御部５１に出力されている。
【００３４】
発電機７は、図１に示すように、減速ギア部６と回転駆動力が伝達可能に接続されたものであって、発電設備１が運転状態にあるときには、回転軸２および減速ギア部６を介してタービン部３により回転駆動され、発電を行うものである。
一方、発電設備１の起動時には、外部から供給された電力を用いて、回転軸２および減速ギア部６を介してタービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を回転駆動するものである。
【００３５】
循環流路９は、図１に示すように、原子炉８、タービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の間で作動流体を循環させる流路である。
循環流路９には、タービン部３から流出した作動流体と、高圧圧縮機５から吐出された作動流体との間で熱交換を行う再生熱交換器２１と、低圧圧縮機４に吸入される作動流体と、海水との間で熱交換を行う冷却器２２と、低圧圧縮機４から吐出された作動流体と、海水との間で熱交換を行う中間冷却器２３と、が設けられている。
【００３６】
再生熱交換器２１は、図１に示すように、タービン部３から流出した作動流体から熱を回収して、原子炉８に流入する作動流体を加熱する熱交換器である。再生熱交換器２１は、タービン部３と低圧圧縮機４との間、および、高圧圧縮機５と原子炉８との間に配置されている。
【００３７】
冷却器２２は、図１に示すように、再生熱交換器２１から流出した作動流体の熱を、海水に放熱させる熱交換器である。冷却器２２は、再生熱交換器２１と低圧圧縮機４との間に配置されている。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の冷却器２２を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００３８】
中間冷却器２３は、図１に示すように、低圧圧縮機４から吐出された作動流体の熱を、海水に放熱させる熱交換器である。中間冷却器２３は、低圧圧縮機４と高圧圧縮機５との間に配置されている。
なお、上述のように海水に作動流体の熱を放熱させる構成の中間冷却器２３を用いてもよいし、他の媒体に作動流体の熱を放熱させる構成の熱交換器を用いてもよく、特に限定するものではない。
【００３９】
さらに、循環流路９には、図１に示すように、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の流量を増加させる第１バイパス流路（バイパス流路）３１と、作動流体の充填量、つまり循環流路９内を流れる作動流体の流量を調節するとともに、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を増加させる第２バイパス流路（バイパス流路）３２と、が設けられている。
【００４０】
第１バイパス流路３１は、図１に示すように、中間冷却器２３から流出した作動流体の一部を低圧圧縮機４と冷却器２２との間に還流させる流路である。言い換えると、一端が中間冷却器２３と高圧圧縮機５との間の循環流路９に接続され、他端が冷却器２２と低圧圧縮機４との間の循環流路９に接続された流路である。
第１バイパス流路３１には、還流する作動流体の流量を調節する第１バイパス弁３６が設けられている。
【００４１】
第１バイパス弁３６は、図１に示すように、第１バイパス流路３１に配置され、第１バイパス流路３１を流れる作動流体の流量を調節する弁である。言い換えると、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の流量を調節する弁であって、流量を調節することにより、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止するものである。
本実施形態では、２つの第１バイパス弁３６が並列に配置されている例に適用して説明するが、第１バイパス弁３６の数は、２つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
【００４２】
第２バイパス流路３２は、図１に示すように、高圧圧縮機５の吐出側および低圧圧縮機４の吸入側の一方、または、両方に作動流体を充填する流路であるとともに、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部を再生熱交換器２１と冷却器２２との間に還流させる流路である。言い換えると、一方の端部が高圧圧縮機５と再生熱交換器２１との間に接続され、他方の端部が冷却器２２と低圧圧縮機４との間に接続された流路である。
【００４３】
第２バイパス流路３２には、外部の作動流体充填系と接続された第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２と、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の間に配置された第２バイパス弁（流量調整部）４３と、が設けられている。
【００４４】
第１バッファタンク４１は、第２バイパス流路３２における高圧圧縮機５側に配置されたタンクである。第２バッファタンク４２は、第２バイパス流路３２における冷却器２２側に配置されたタンクである。
【００４５】
循環流路９に作動流体を充填する場合には、作動流体充填系から第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の一方、または、両方を介して作動流体が充填される。
一方、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を調節する場合には、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部は、第１バッファタンク４１、第２バッファタンク４２の順に流れて、再生熱交換器２１と冷却器２２との間に還流される。
【００４６】
第２バイパス弁４３は、図１に示すように、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２の間の第２バイパス流路３２に配置され、第２バイパス流路３２を流れる作動流体の流量を調節する弁である。言い換えると、発電設備１の運転時には、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に吸入される作動流体の流量を調節する弁であり、かつ、起動時には、減速ギア部６にかかるトルクを制御する弁である。
【００４７】
第２バイパス弁４３には、図２に示すように、フィードバック制御部５１から弁開度を制御する制御信号が入力されている。
本実施形態では、２つの第２バイパス弁４３が並列に配置されている例に適用して説明するが、第２バイパス弁４３の数は、２つよりも多くてもよいし、少なくてもよく、特に限定するものではない。
【００４８】
さらに、発電設備１には、図２に示すように、トルクメータ１１の測定されたトルクの値であるトルク信号に基づいて、第２バイパス弁４３の開度を制御するフィードバック制御部（制御部）５１が設けられている。
フィードバック制御部５１における第２バイパス弁４３の開度制御については、以下に説明する。
【００４９】
次に、上記の構成からなる発電設備１における発電について説明する。
発電設備１において運転、つまり発電が行われる場合には、図１に示すように、原子炉８に流入した高圧の作動流体は原子炉８において発生した熱を吸収してさらに加熱され、例えば、約９００℃の作動流体として原子炉８から循環流路９に流出する。
【００５０】
作動流体は循環流路９からタービン部３に流入する。タービン部３は、流入した高温高圧の作動流体が有するエネルギから回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を回転軸２に伝達する。
【００５１】
回転駆動力は回転軸２から減速ギア部６に伝達され、減速ギア部６から発電機７に伝達される。回転軸２の回転数は、減速ギア部６により発電機７の駆動に適切な回転数に減速されている。
発電機７は、伝達された回転駆動力により回転駆動されて発電を行っている。
【００５２】
一方、作動流体はタービン部３から流出する際に約５００℃まで温度が低下し、循環流路９を介して再生熱交換器２１に流入する。再生熱交換器２１では、タービン部３から流入した作動流体と、後述する高圧圧縮機５から吐出された作動流体との間で熱交換が行われ、再生熱交換器２１から流出する。
【００５３】
再生熱交換器２１から流出した作動流体は、循環流路９を介して冷却器２２に流入して海水との間で熱交換を行い、約２０℃まで冷却された後、冷却器２２から流出する。
冷却器２２から流出した作動流体は、循環流路９を介して低圧圧縮機４に吸入される。低圧圧縮機４は、回転軸２を介してタービン部３から供給された回転駆動力により、吸入した作動流体を圧縮し、循環流路９に吐出する。
【００５４】
低圧圧縮機４から吐出された作動流体は、循環流路９を介して中間冷却器２３に流入して海水との間で熱交換を行い、約２０℃まで冷却された後、中間冷却器２３から流出する。
中間冷却器２３から流出した作動流体は、循環流路９を介して高圧圧縮機５に吸入される。高圧圧縮機５は、回転軸２を介してタービン部３から供給された回転駆動力により、低圧圧縮機４により圧縮された作動流体をさらに高圧に圧縮し、循環流路９に吐出する。
【００５５】
高圧圧縮機５から吐出された作動流体は、循環流路９を介して再生熱交換器２１に流入し、上述のタービン部３から流出した作動流体との間で熱交換を行い、例えば、約４５０℃に加熱され、循環流路９に流出する。
再生熱交換器２１から流出した作動流体は、循環流路９を介して原子炉８に流入し、上述の過程が繰り返される。
【００５６】
循環流路９を流れる作動流体の流量が少ない場合、言い換えると、低圧圧縮機４に流入する作動流体の流量が少ない場合には、第１バイパス弁３６が開かれ、低圧圧縮機４におけるサージングの発生が防止される。
つまり、第１バイパス弁３６を開くことにより、低圧圧縮機４から吐出され中間冷却器２３から流出された作動流体の一部が、第１バイパス流路３１を介して、冷却器２２と低圧圧縮機４との間の循環流路９に流入する。そのため、循環流路９の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機４に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４におけるサージングの発生が防止される。
【００５７】
一方、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に流入する作動流体の流量が少ない場合には、第２バイパス弁４３が開かれ、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５におけるサージングの発生が防止される。
つまり、第２バイパス弁４３を開くことにより、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部が、第２バイパス流路３２、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２を介して、再生熱交換器２１および冷却器２２の間の循環流路９に流入する。そのため、循環流路９の全体における作動流体の循環流量と比較して、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に流入する作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５におけるサージングの発生が防止される。
【００５８】
さらに、循環流路９を循環する作動流体の充填量が少ない場合には、第１バッファタンク４１や、第２バッファタンク４２を介して接続された作動流体充填系から、作動流体が循環流路９内に充填される。
【００５９】
次に、本実施形態の特徴である発電設備１の起動時における制御について説明する。
発電設備１の起動時は、図１に示すように、外部から発電機７に電力が供給される。電力が供給された発電機７は、電動機として回転駆動力を発生し、減速ギア部６および回転軸２を介してタービン部３，低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を回転駆動する。
【００６０】
図３は、図１の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。
発電設備１は起動されると、図３に示すように、毎分約３００回転の回転速度で低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等が回転駆動され、昇速指令が入力される第１所定時間Ｔ１まで毎分約３００回転の回転速度が維持される。
【００６１】
このとき、図１および図２に示すように、トルクメータ１１により減速ギア部６にかかるトルクが計測され、計測されたトルクの値、つまりトルク信号がフィードバック制御部５１に入力される。トルクメータ１１に計測されたトルクの値は、目標トルク（所定値）−Ｑよりも０に近いため、フィードバック制御部５１は、第２バイパス弁４３を開く制御信号を出力する。
【００６２】
第２バイパス弁４３が開かれると、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の一部が、第２バイパス流路３２、第１バッファタンク４１および第２バッファタンク４２を介して低圧圧縮機４に還流される。言い換えると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５に圧縮される作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要な駆動トルクが増加する。
すると、電動機である発電機７と、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の間に配置された減速ギア部６にかかるトルクも増加する。
【００６３】
図４は、図１の発電設備の起動時における減速ギア部にかかるトルクの時間変化を説明するグラフである。
起動時から第１所定時間Ｔ１までは、低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等の回転速度が低く、かつ、原子炉８の温度も低い状態であるため、第２バイパス弁４３が全開になるまでフィードバック制御部５１から第２バイパス弁４３を開く制御信号が出力される。図４に示す起動時から第１所定時間Ｔ１までのトルクは、第２バイパス弁４３が全開状態における減速ギア部６にかかるトルクを示している。
つまり、起動時から第１所定時間Ｔ１までは、トルクメータ１１により測定されているトルクは、０から負の第１所定トルク（所定値）−Ｑ１の範囲に含まれている。
【００６４】
ここで、図４における正のトルクは、タービン部３により発電機７が回転駆動される場合に減速ギア部６にかかるトルクの値を示し、負のトルクは、発電機７によりタービン部３、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５が回転駆動される場合に減速ギア部６にかかるトルクの値を示している。
【００６５】
さらに、図４における正の第１所定トルクＱ１から負の第１所定トルク−Ｑ１の間の領域は、減速ギア部６にかかるトルクの値が小さく、減速ギア部６を構成する歯車等にフレッティングが生じる可能性が高い領域である。
【００６６】
図５は、図１の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
昇速指令が入力されて低圧圧縮機４等の回転速度の上昇が開始されると、つまり第１所定時間Ｔ１を経過すると、図３に示すように、低圧圧縮機４や高圧圧縮機５などの回転速度は時間の経過とともに上昇し、第２所定時間Ｔ２には定格回転数の毎分約６０００回転まで昇速される（ステップＳ１（昇速ステップ））。
【００６７】
回転速度が上昇すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５により圧縮される作動流体の流量も増加するため、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要な駆動トルクも増加する。
そのため、トルクメータ１１により測定されている減速ギア部６にかかるトルクも増加する（ステップＳ２（負荷検出ステップ））。フィードバック制御部５１は入力されるトルク信号に応じて第２バイパス弁４３の開度を制御する制御信号を出力する（ステップＳ３（バイパス流量制御ステップ））。
【００６８】
つまり、フィードバック制御部５１は、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が、目標トルク−Ｑの絶対値よりも小さい場合には、第２バイパス弁４３を開く制御信号を出力して、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに近づく制御を行う。一方、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が、目標トルク−Ｑの絶対値よりも大きな場合には、第２バイパス弁４３を閉じる制御信号を出力して、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに近づく制御を行う。
【００６９】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３の昇速運転時に、減速ギア部６にかかるトルクに基づいて高圧圧縮機５の吐出側から低圧圧縮機４の吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
このようにすることにより、例えば、昇速運転開始からの経過時間に基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部６にかかるトルクの制御が正確になる。
【００７０】
つまり、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が目標トルク−Ｑの絶対値以下の場合には、バイパスする作動流体の流量を増加させて、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を通過する作動流体の流量を増加させる。通過する作動流体の流量が増加すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要なトルクが増加するため、発電機７と低圧圧縮機４および高圧圧縮機５との間に配置された減速ギア部６にかかるトルクが増加し、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
【００７１】
一方、減速ギア部６にかかるトルクの絶対値が目標トルク−Ｑの絶対値以上の場合には、バイパスする作動流体の流量を減少させて、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５を通過する作動流体の流量を減少させる。通過する作動流体の流量が減少すると、低圧圧縮機４および高圧圧縮機５の駆動に必要なトルクが減少するため、発電機７と低圧圧縮機４および高圧圧縮機５との間に配置された減速ギア部６にかかるトルクが減少し、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑに制御される。
【００７２】
さらに、バイパスする作動流体の流量のみを調整して、減速ギア部６にかかるトルクを制御するため、例えば作動流体を加熱する原子炉８などの昇速レートが制限された熱源が設けられた発電設備１の場合であっても、原子炉８に課せられた昇速レート等の制約を遵守しつつ、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御することができる。
【００７３】
なお、上述の実施形態では、減速ギア部６にかかる負荷を、減速ギア部６にかかるトルクとしてトルクメータ１１を用いて測定する例に適用して説明したが、負荷をトルクとして測定するだけでなく、減速ギア部６を構成する歯車の変位を負荷として測定してもよく、特に限定するものではない。
【００７４】
さらに、上述の実施形態では、圧縮機が２段、つまり低圧圧縮機４および高圧圧縮機５から構成されている例に適用して説明したが、圧縮機は１段であってもよいし、３段以上のものであってもよく、特に限定するものではない。
【００７５】
上述の実施形態では、フィードバック制御部５１により第２バイパス弁４３の開度を制御する例に適用して説明したが、フィードバック制御部５１により第１バイパス弁３６の開度を制御してもよく、特に限定するものではない。
【００７６】
上述の実施形態では、発電設備１の起動時に第２バイパス弁４３を制御する例に適用して説明したが、発電設備１の停止時や、循環流路９を流れる作動流体の流量が少ない場合にも同様な制御を行ってもよく、特に限定するものではない。
【００７７】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図６から図８を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図６から図８を用いて第１バイパス弁の制御のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００７８】
本実施形態の発電設備１０１における制御部１５０には、図６に示すように、第２バイパス弁４３の開度を制御するフィードバック制御部５１と、第１バイパス弁（流量調整部）３６の開度を制御するプログラム制御部（制御部）１５１と、が設けられている。
プログラム制御部１５１は、発電設備１の起動時における低圧圧縮機４などの回転速度の昇速を指示する昇速指令に基づいて第１バイパス弁３６の開度を制御するものである。
プログラム制御部１５１における第１バイパス弁３６の開度制御については、以下に説明する。
【００７９】
次に、本実施形態の特徴である発電設備１０１の起動時における制御について説明する。
なお、起動時には、フィードバック制御部５１およびプログラム制御部１５１のそれぞれが第２バイパス弁４３および第１バイパス弁３６の開度を制御するが、フィードバック制御部５１による第２バイパス弁４３の開度制御は、第１の実施形態における制御と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備１０１における発電については、第１の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
【００８０】
図７は、図６の発電設備の起動時における回転数の時間変化と、第１および第２バイパス弁開度の時間変化を説明するグラフである。なお、図７中のグラフＶ１は、第１バイパス弁３６の開度を示し、グラフＶ２は第２バイパス弁４３の開度を示すものである。
発電設備１０１は起動されると、図７に示すように、毎分約３００回転の回転速度で低圧圧縮機４や高圧圧縮機５等が回転駆動され、昇速指令が入力される第１所定時間Ｔ１まで毎分約３００回転の回転速度が維持される。
このとき、プログラム制御部１５１は、第１バイパス弁３６を全開にする制御信号を出力している。
【００８１】
第１バイパス弁３６が開かれると、低圧圧縮機４から吐出され中間冷却器２３を通過した冷媒の一部が、第１バイパス流路３１を介して低圧圧縮機４の吸入側に還流される。言い換えると、低圧圧縮機４に圧縮される作動流体の流量が増加し、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクが増加する（図１参照。）。
すると、電動機である発電機７と、低圧圧縮機４の間に配置された減速ギア部６にかかるトルクも増加する。
【００８２】
図８は、図６の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
その後、昇速指令が入力されて低圧圧縮機４等の回転速度の上昇が開始されると（ステップＳ１（昇速ステップ））、プログラム制御部１５１は、昇速指令が入力されてからの経過時間に応じて、第１バイパス弁３６の開度を下げる制御信号を出力する（ステップＳ１３（バイパス流量制御ステップ））。
【００８３】
つまり、低圧圧縮機４等の回転速度が時間の経過とともに上昇すると、低圧圧縮機４により圧縮される作動流体の流量も増加するため、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクも時間の経過とともに増加する。
そのため、プログラム制御部１５１は、昇速指令の入力からの時間経過に比例して第１バイパス弁３６の開度を下げる制御信号を出力する。
【００８４】
第１バイパス弁３６の開度が下げられると、第１バイパス弁３６を流れる作動流体の流量が減少し、低圧圧縮機４に還流される作動流体の流量が減少する。そのため、低圧圧縮機４により圧縮される作動流体の流量の増加が抑制され、低圧圧縮機４の駆動に必要な駆動トルクの増加も抑制される。
【００８５】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３の昇速運転時に、昇速運転開始からの経過時間に基づいて低圧圧縮機４の吐出側から吸入側にバイパスする作動流体の流量を調節することにより、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御することができる。
このようにすることにより、例えば、減速ギア部６にかかるトルクに基づいてバイパスする作動流体の流量を調節する方法と比較して、減速ギア部６にかかる負荷の制御が容易になる。
【００８６】
つまり、昇速運転の開始時は、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３を循環する作動流体の温度が低く、低圧圧縮機４などの駆動に必要なトルクが小さいため、減速ギア部６にかかる負荷も小さい。そのため、昇速運転の開始時には、バイパスする作動流体の流量を減らすことなく低圧圧縮機４を通過する作動流体の流量を確保することで、減速ギア部６にかかるトルクが確保できる。
その後、昇速運転開始から時間が経過すると、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５およびタービン部３を循環する作動流体の温度が高くなって、低圧圧縮機４などの駆動に必要なトルクが大きくなり、減速ギア部６にかかるトルクが大きくなる。そのため、昇速運転開始から時間の経過とともにバイパスする作動流体の流量を減少させることにより、低圧圧縮機４の駆動に必要なトルクの増加を抑制し、減速ギア部６にかかるトルクの増加を抑制することができる。
【００８７】
さらに、フィードバック制御部５１およびプログラム制御部１５１を用いて、それぞれ第２バイパス弁４３および第１バイパス弁３６の開度を制御することで、減速ギア部６にかかるトルクの制御が容易となる。
つまり、第１および第２バイパス弁３６，４３の合計容量を、減速ギア部６にかかるトルク制御に用いることができるため、第１および第２バイパス弁４３のいずれか一方を大型化、または、個数の増加をする必要がなくなる。そのため、減速ギア部６にかかるトルクの制御に用いられる操作端の変更や、追加が不要となり、発電設備１０１におけるイニシャルコストの増加を抑制することができる。
【００８８】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図９から図１１を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第２バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図９から図１１を用いて第２バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図９は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図１０は、図９の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８９】
本実施形態の発電設備２０１には、図９および図１０に示すように、高圧圧縮機５における吸入側の作動流体圧力と、吐出側の作動流体圧力との圧力比を測定する第２圧力比測定部２６１と、タービン部３に流入する作動流体の温度を測定する温度測定部２６２と、修正回転数を算出する修正回転数演算部２６３と、がさらに設けられている。
【００９０】
第２圧力比測定部２６１は、図９に示すように、高圧圧縮機５に吸入される作動流体の圧力と、高圧圧縮機５から吐出された作動流体の圧力との比を測定する測定部である。第２圧力比測定部２６１に測定された圧力比は、図１０に示すように、制御部２５０の第２サージング制御部２５１に入力される。
【００９１】
温度測定部２６２は、図９に示すように、タービン部３に流入する作動流体の温度を測定する測定部である。温度測定部２６２に測定された温度は、図１０に示すように、修正回転数演算部２６３に入力される。
【００９２】
修正回転数演算部２６３は、図１０に示すように、温度測定部２６２から入力された温度Ｔｉと、タービン部３の実回転数Ｎとに基づいて、下記の式により修正回転数Ｎ１を算出するものである。
Ｎ１＝Ｎ／√（Ｔｉ）
修正回転数演算部２６３により算出された修正回転数Ｎ１は、第２サージング制御部２５１に入力される。
【００９３】
さらに、本実施形態の発電設備２０１における制御部２５０には、図１０に示すように、トルクメータ１１により測定されたトルクに基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御するフィードバック制御部５１と、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する第２サージング制御部（制御部）２５１と、フィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１から出力された制御信号のうち、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２が大きい制御信号を選択する第２選択部２５２と、が設けられている。
【００９４】
第２サージング制御部２５１は、図１０に示すように、第２圧力比測定部２６１から入力された圧力比と、修正回転数演算部２６３から入力された修正回転数Ｎ１とに基づいて、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、算出された吸入流量に基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を算出し、開度Ｖ２を制御する制御信号を出力するものである。
第２サージング制御部２５１から出力された制御信号は、第２選択部２５２に入力される。
【００９５】
ここで、算出されるサージングの発生を防止する吸入流量は、高圧圧縮機５においてサージングが発生する吸入流量に、所定の余裕代（マージン）が上乗せされた流量である。そのため、算出される第２バイパス弁４３の開度Ｖ２は、上述のマージンが上乗せされた流量の作動流体が高圧圧縮機５に流入する開度である。
【００９６】
第２選択部２５２は、図１０に示すように、フィードバック制御部５１から入力された制御信号、および、第２サージング制御部２５１から入力された制御信号にかかる第２バイパス弁４３の開度Ｖ２のうち、開度の大きな制御信号を選択するものである。
選択された制御信号は、第２選択部２５２から第２バイパス弁４３に出力されている。
【００９７】
次に、本実施形態の特徴である発電設備２０１の起動時における制御について説明する。
なお、起動時には、フィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１のそれぞれが第２バイパス弁４３の開度を算出して制御信号を出力するが、フィードバック制御部５１による第２バイパス弁４３開度の算出等は、第１の実施形態における場合と同様であるので、その説明を省略する。
さらに、発電設備２０１における発電については、第１の実施形態における発電と同様であるので、その説明を省略する。
【００９８】
図１１は、図１０の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
発電設備２０１の起動時には、図１１に示すように、フィードバック制御部５１におけるバイパス流量の算出、および、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２の算出（ステップＳ２１（第１算出ステップ））と、第２サージング制御部２５１におけるバイパス流量の算出、および、第２バイパス弁４３の開度Ｖ２の算出（ステップＳ２２（第２算出ステップ））と、がそれぞれ独立に行われる。
【００９９】
制御部２５０の第２サージング制御部２５１には、図１０に示すように、第２圧力比測定部２６１から高圧圧縮機５の吸入側および吐出側の作動流体の圧力比が入力され、かつ、修正回転数演算部２６３から修正回転数Ｎ１が入力される。
【０１００】
第２サージング制御部２５１は、入力された圧力比および修正回転数Ｎ１に基づいて、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出する。第２サージング制御部２５１におけるサージングの発生を防止する流量は、予め第２サージング制御部２５１に記憶されたテーブル等に基づいて算出される。
第２サージング制御部２５１は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を算出し、第２バイパス弁４３の開度を制御する制御信号を第２選択部２５２に出力する。
【０１０１】
第２選択部２５２には、図１０に示すように、第２サージング制御部２５１から第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する制御信号が入力されるとともに、フィードバック制御部５１からも第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する制御信号が入力される。
【０１０２】
第２選択部２５２は、入力された制御信号のうち、第２バイパス弁４３の開度が大きな制御信号を選択し、選択した制御信号を第２バイパス弁４３に出力する（ステップＳ２３（選択ステップ））。
第２バイパス弁４３は、入力された制御信号に基づいて開度Ｖ２が調節され、第２バイパス流路３２を流れる作動流体の流量が調節される（ステップＳ２４（流量調節ステップ））。
【０１０３】
上記の構成によれば、減速ギア部６にかかるトルクを目標トルク−Ｑに制御するバイパス流量、および、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑを下回ること、および、高圧圧縮機５においてサージングが発生することの両者を防止することができる。
特に、外乱により高圧圧縮機５におけるサージングが発生しやすい状況となっても、高圧圧縮機５におけるサージングの発生を防止することができる。
【０１０４】
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について図１２から図１４を参照して説明する。
本実施形態の発電設備の基本構成は、第３の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、第１バイパス弁の制御方法が異なっている。よって、本実施形態においては、図１２から図１４を用いて第１バイパス弁の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１２は、本実施形態に係る発電設備の構成を説明する模式図である。図１３は、図１２の発電設備における制御を説明するブロック図である。
なお、第３の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態の発電設備３０１には、図１２および図１３に示すように、低圧圧縮機４における吸入側の作動流体圧力と、吐出側の作動流体圧力との圧力比を測定する第１圧力比測定部３６１がさらに設けられている。
【０１０６】
第１圧力比測定部３６１は、図１２に示すように、低圧圧縮機４に吸入される作動流体の圧力と、低圧圧縮機４から吐出された作動流体の圧力との比を測定する測定部である。第１圧力比測定部３６１に測定された圧力比は、図１３に示すように、制御部３５０の第１サージング制御部３５１に入力される。
【０１０７】
さらに、本実施形態の発電設備３０１における制御部３５０には、図１２に示すように、トルクメータ１１により測定されたトルクに基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御するプログラム制御部１５１と、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する第１サージング制御部（制御部）３５１と、プログラム制御部１５１および第１サージング制御部３５１から出力された制御信号のうち、第１バイパス弁３６の開度が大きい制御信号を選択する第１選択部３５２と、が設けられている。
【０１０８】
第１サージング制御部３５１は、図１２に示すように、第１圧力比測定部３６１から入力された圧力比と、修正回転数演算部２６３から入力された修正回転数Ｎ１とに基づいて、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出し、算出された吸入流量に基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を算出し、開度を制御する制御信号を出力するものである。
第１サージング制御部３５１から出力された制御信号は、第１選択部３５２に入力される。
【０１０９】
ここで、算出されるサージングの発生を防止する吸入流量は、低圧圧縮機４においてサージングが発生する吸入流量に、所定の余裕代（マージン）が上乗せされた流量である。そのため、算出される第１バイパス弁３６の開度Ｖ１は、上述のマージンが上乗せされた流量の作動流体が低圧圧縮機４に流入する開度である。
【０１１０】
第１選択部３５２は、図１２に示すように、プログラム制御部１５１から入力された制御信号、および、第１サージング制御部３５１から入力された制御信号にかかる第１バイパス弁３６の開度Ｖ１のうち、開度の大きな制御信号を選択するものである。
選択された制御信号は、第１選択部３５２から第１バイパス弁３６に出力されている。
【０１１１】
次に、本実施形態の特徴である発電設備３０１の起動時における制御について説明する。
発電設備３０１の起動時には、第３の実施形態と同様に、第２選択部２５２にフィードバック制御部５１および第２サージング制御部２５１から第２バイパス弁４３の開度Ｖ２を制御する信号が入力され、第２選択部２５２により選択された制御信号が第２バイパス弁４３に入力されている。
【０１１２】
図１４は、図１２の発電設備の起動時における制御を説明するフローチャートである。
上述の第２バイパス弁４３の開度制御と同時に、図１４に示すように、プログラム制御部１５１におけるバイパス流量の算出、および、第１バイパス弁３６の開度の算出（ステップＳ３１（第１算出ステップ））と、第１サージング制御部３５１におけるバイパス流量の算出、および、第１バイパス弁３６の開度の算出（ステップＳ３２（第２算出ステップ））と、がそれぞれ独立に行われる。
【０１１３】
制御部３５０の第１サージング制御部３５１には、図１３に示すように、第１圧力比測定部３６１から低圧圧縮機４の吸入側および吐出側の作動流体の圧力比が入力され、かつ、修正回転数演算部２６３から修正回転数Ｎ１が入力される。
【０１１４】
第１サージング制御部３５１は、入力された圧力比および修正回転数Ｎ１に基づいて、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止する吸入流量を算出する。第１サージング制御部３５１におけるサージングの発生を防止する流量は、予め第１サージング制御部３５１に記憶されたテーブル等に基づいて算出される。
第１サージング制御部３５１は、さらに、算出された吸入流量に基づいて第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を算出し、第１バイパス弁３６の開度を制御する制御信号を第１選択部３５２に出力する。
【０１１５】
第１選択部３５２には、図１３に示すように、第１サージング制御部３５１から第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する制御信号が入力されるとともに、プログラム制御部１５１からも第１バイパス弁３６の開度Ｖ１を制御する制御信号が入力される。
【０１１６】
第１選択部３５２は、入力された制御信号のうち、第１バイパス弁３６の開度が大きな制御信号を選択し、選択した制御信号を第１バイパス弁３６に出力する（ステップＳ３３（選択ステップ））。
第１バイパス弁３６は、入力された制御信号に基づいて開度が調節され、第１バイパス流路３１を流れる作動流体の流量が調節される（ステップＳ３４（流量調節ステップ））。
【０１１７】
上記の構成によれば、低圧圧縮機４などの回転数の上昇開始からの経過時間に基づいたバイパス流量、および、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止するバイパス流量のうち、流量が大きなバイパス流量を選択して、バイパスする作動流体の流量を選択したバイパス流量に調節するため、減速ギア部６にかかるトルクが目標トルク−Ｑを下回ること、および、低圧圧縮機４においてサージングが発生することの両者の発生を防止することができる。
特に、外乱により低圧圧縮機４におけるサージングが発生しやすい状況となっても、低圧圧縮機４におけるサージングの発生を防止することができる。
【０１１８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、フィードバック制御部５１により第２バイパス弁４３を制御し、プログラム制御部１５１により第１バイパス弁３６を制御する例に適用して説明しているが、逆に、フィードバック制御部５１により第１バイパス弁３６を制御し、プログラム制御部１５１により第２バイパス弁４３を制御してもよく、特に限定するものではない。
【符号の説明】
【０１１９】
１，１０１，２０１，３０１ 発電設備（タービン設備）
３ タービン部
４ 低圧圧縮機（圧縮部）
５ 高圧圧縮機（圧縮部）
６ 減速ギア部（減速部）
７ 発電機（電動機）
９ 循環流路
１１ トルクメータ（負荷検出部）
３１ 第１バイパス流路（バイパス流路）
３２ 第２バイパス流路（バイパス流路）
４３ 第２バイパス弁（流量調整部）
５１ フィードバック制御部（制御部）
１５１ プログラム制御部（制御部）
２５１ 第２サージング制御部（制御部）
３５１ 第１サージング制御部（制御部）
Ｓ１ 昇速ステップ
Ｓ２ 負荷検出ステップ
Ｓ３，Ｓ１３ バイパス流量制御ステップ
Ｓ２１，Ｓ３１ 第１算出ステップ
Ｓ２２，Ｓ３２ 第２算出ステップ
Ｓ２３，Ｓ３３ 選択ステップ
Ｓ２４，Ｓ３４ 流量調節ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、
検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、
を有することを特徴とするタービン設備の制御方法。
【請求項２】
前記バイパス流量制御ステップは、
前記検出された負荷、および、前記所定値に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、
前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のタービン設備の制御方法。
【請求項３】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記回転数の上昇開始から時間の経過とともに前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、
を有することを特徴とするタービン設備の制御方法。
【請求項４】
前記バイパス流量制御ステップは、
前記回転数の上昇開始からの経過時間に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、記圧縮機に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、
前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項３に記載のタービン設備の制御方法。
【請求項５】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
前記圧縮部の吐出側から吸入側に前記作動流体をバイパスさせるバイパス流路と、
該バイパス流路を流れる前記作動流体の流量を調整する流量調整部と、
起動時に減速部を介して前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動する電動機と、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御方法を行う制御部と、
が設けられていることを特徴とするタービン設備。
【請求項１】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記減速部にかかる負荷を負荷検出部により検出する負荷検出ステップと、
検出された前記負荷の絶対値が、所定値の絶対値以下の場合には、前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を増やし、前記所定値の絶対値以上の場合には、バイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、
を有することを特徴とするタービン設備の制御方法。
【請求項２】
前記バイパス流量制御ステップは、
前記検出された負荷、および、前記所定値に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、前記タービン部に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、
前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のタービン設備の制御方法。
【請求項３】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
を有するタービン設備の制御方法であって、
減速部を介して電動機により前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動して、回転数を上昇させる昇速ステップと、
前記回転数の上昇開始から時間の経過とともに前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を減らすバイパス流量制御ステップと、
を有することを特徴とするタービン設備の制御方法。
【請求項４】
前記バイパス流量制御ステップは、
前記回転数の上昇開始からの経過時間に基づいてバイパス流量を算出する第１算出ステップと、
前記圧縮機の吸入側および吐出側の間の圧力比と、記圧縮機に吸入される前記作動流体の温度に基づいて算出された前記圧縮機の修正回転数とに基づいて、前記圧縮機においてサージングの発生防止に必要なバイパス流量を算出する第２算出ステップと、
前記第１および第２算出ステップにより算出された前記バイパス流量のうち、流量の大きなバイパス流量を選択する選択ステップと、
前記圧縮部の吐出側から吸入側にバイパスする前記作動流体の流量を、前記選択されたバイパス流量に調節する流量調節ステップと、
を有することを特徴とする請求項３に記載のタービン設備の制御方法。
【請求項５】
作動流体を圧縮する圧縮部と、
前記作動流体により回転駆動されるタービン部と、
少なくとも前記圧縮部および前記タービン部の間で前記作動流体を循環させる循環流路と、
前記圧縮部の吐出側から吸入側に前記作動流体をバイパスさせるバイパス流路と、
該バイパス流路を流れる前記作動流体の流量を調整する流量調整部と、
起動時に減速部を介して前記圧縮部および前記タービン部を回転駆動する電動機と、
請求項１から請求項４のいずれかに記載の制御方法を行う制御部と、
が設けられていることを特徴とするタービン設備。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２０１１−５２４９５６（Ｐ２０１１−５２４９５６Ａ）
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０１４５１（Ｐ２０１１−５０１４５１）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０５６９２５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１１９９１６
【国際公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００９／０５６９２５
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１１９９１６
【国際公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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