ラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法
【課題】永久磁石式の発電機ロータに許容トルク以上の負荷をかけず、かつタービン翼車にエロージョンを引き起こさない安定した起動を確保できるラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法を提供する。
【解決手段】ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置１０，２００であって、前記制御装置１０，２００は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器１０によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁１４の開度を制御して前記タービン翼車２，４に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えた。
【解決手段】ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置１０，２００であって、前記制御装置１０，２００は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器１０によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁１４の開度を制御して前記タービン翼車２，４に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー消費効率の向上の観点から未利用排熱の利用を促進する一手段として半径流形の翼を用いるラジアル式の蒸気タービンで発電機を駆動する小型蒸気タービンシステムの有効性が認められている。
【０００３】
蒸気供給設備と、翼車と永久磁石式発電機ロータとを一体化したタービンロータと、系統電源と、双方向電力変換器とを備え、起動時は系統側から電力を引き込み双方向電力変換器によって、系統電力を発電機ロータの回転周波数に変換して発電機に供給することで発電機ロータを駆動し、蒸気供給により発生するタービン仕事が軸受損失、風損等のロータ損失を上回れば、発生電力を双方向電力変換器で商用周波数の電力に変換して系統側に送る２．４ＭＷクラスのガスエンジンの排熱蒸気を利用して１５０ｋＷを発電する復水２段ラジアル蒸気タービンを用いた発電設備がある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】中野、他５名、「１５０ｋＷ級ラジアル蒸気タービンの開発」、日本機械学会 第１５回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、２０１０年６月、ｐｐ１８９−１９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した永久磁石式発電機ロータを有する蒸気タービンシステムは、双方向電力変換器により系統から発電機ロータの回転に合わせた周波数に変換した電力を発電機に供給することで、タービンロータを回転させて昇速させることができる。
【０００６】
しかし、永久磁石式発電機ロータはロータ内に磁石が保持される構造であることから、磁石の強度によりロータに掛かるトルクに制限を設ける必要がある。このため、ロータの回転数に対して取れる負荷（発電機の出力）に制限が生じる。ロータの回転数に対して取れる発電機の最大出力Ｌmaxは、以下の式のとおりその機械の固有値である永久磁石式発電機ロータのトルク制限値Ｔとロータの回転数（角速度）ωの積によって算出される。
Ｌmax＝Ｔ・ω
したがって、運転中の発電機の出力Ｌをロータの回転数（角速度）ωで徐算して算出された値が、トルク制限値Ｔを超えると、ロータを破損する可能性が生じる。上述の式から明らかなように、ロータの回転数（角速度）ωが低い領域では、発電機の出力Ｌを低く抑える必要が生じる。
【０００７】
例えば、双方向電力変換器により一定の低回転数制御状態のときに、蒸気供給を開始すると、蒸気の供給によりタービン回転数は上昇方向に働く。この結果、発電機に対する双方向電力変換器からの電力供給が、力行方向から回生方向に変わり、ロータの一定回転数が保たれることになる。この場合において、発電機に供給される電力が上述の制限値を超えないようにする必要がある。つまり、そのロータ回転数を保持する必要量より過大な蒸気量が供給されると、ロータの回転数を保持するために、回生電力量である発電機の出力Ｌが上昇する。ロータの回転数（角速度）ωが低い場合には、トルク制限値Ｔを超えやすくなる。
【０００８】
また、上述した永久磁石式の発電機ロータを有する蒸気タービンシステムをDSS(Daily Start and Stop)運転に適用すると、タービンシステムに供給される蒸気配管にドレンセパレータが取り付けてあったとしても、蒸気供給開始時には、蒸気配管及びタービン本体が十分に昇温されていないため、供給された蒸気は、ドレンセパレータ下流の蒸気配管及びタービン本体通過中に、配管及びタービンケーシング等に熱を奪われ、温度の低下により一部が液化してしまう。
【０００９】
このことにより発生した水滴は、タービン翼車の入口で、タービン翼車の周速と逆向きの速度でタービン翼に衝突し、タービン翼のエロージョンを引き起こす。水滴径が大きいほどエロージョンによるダメージは大きくなる。
【００１０】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、永久磁石式の発電機ロータを有するラジアル蒸気タービンシステムにおいて、発電機ロータに許容トルク以上の負荷をかけず、かつタービン翼車にエロージョンを引き起こさない安定した起動を確保できるラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムと、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置であって、前記制御装置は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えたものとする。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記タービンロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記発電機の出力を検出する発電機出力検出手段とを備え、前記蒸気供給流量制御手段は、前記発電機出力検出手段から取り込んだ発電機出力と前記回転数検出手段から取り込んだ回転数検出値とから、現在の前記発電機ロータにかかるトルク値を算出し、予め設定したトルク制限値との比較演算を行うトルク演算手段を備え、前記算出したトルク値が前記トルク制限値を超えないように前記蒸気流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１３】
更に、第３の発明は、第２の発明において、前記制御装置は、前記回転数制御手段により前記タービンロータの回転数を暖機回転数に保持する暖機制御手段と、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記蒸気供給流量制御手段は、前記温度検出手段から取り込んだ前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度と、予め定めてある設定値とを比較して、前記蒸気の温度が設定値を超えた場合に、前記暖機制御手段を完了させることを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、第３の発明において、前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車出口側に排気蒸気を凝縮させる復水器と、前記タービン翼車入口側の前記蒸気配管に一端を連結し他端を前記復水器に連結した配管と、前記配管の前記タービン翼車入口と前記復水器との連通を遮断する第１遮断弁とを備え、前記制御装置は、前記暖機制御手段を実行している間、前記第１遮断弁を全開制御することを特徴とする。
【００１５】
更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車の入口側と出口側とに第２遮断弁を介して大気圧に通じる配管を備え、前記制御装置は、前記タービンロータの異常時に、前記双方向電力変換器の回転数制御を停止するとともに、前記蒸気流量調整弁を全閉制御し、前記第２遮断弁を全開制御することを特徴とする。
【００１６】
上記の目的を達成するために、第６の発明は、永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムの運転方法であって、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御ステップと、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御ステップとを実行するものとする。
【００１７】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数の８％回転数まで昇速して、該回転数を保持するステップと、前記蒸気流量調整弁を開操作し、発電機出力が零または、その回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップと、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えるまで前記ステップの状態を保持して暖機運転をするステップと、前記ステップにおける蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えた後に、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数へ昇速させるとともに、各回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップとを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、永久磁石式の発電機ロータを有する蒸気タービンシステムにおいて発電機ロータに過大な負荷をかけずに安定した起動運転を実現でき、さらに、タービン翼車のエロージョンの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器とタービン制御装置の制御ブロック図である。
【図３】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態における運転制御状態量を示す特性図である。
【図４】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図５】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１において、本実施の形態のラジアル蒸気タービンの発電設備４１は、図示しない永久磁石を内側に保持する永久磁石式の発電機ロータ１と、図示しない蒸気発生源からの蒸気により駆動される高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３と低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５と、永久磁石式の発電機ロータ１の外周面に対向するように設けられた発電機ステータ６と、永久磁石式の発電機ロータ１の回転数を制御するとともにその発電出力を系統へ送電する双方向電力変換器１０とを備えている。
【００２２】
永久磁石式の発電機ロータ１の一方（図１中の左側）の同軸上には、高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３とが、永久磁石式発電機ロータ１の他方（図１中の右側）の同軸上には、低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５とがそれぞれ連結されタービンロータが一体に形成されている。
【００２３】
高圧段タービン軸３の永久磁石式発電機ロータ１側の外周部にはスラストカラー７が設けられ、このスラストカラー７と永久磁石式の発電機ロータ１との間には、スラスト・ジャーナルコンバインド軸受８が設けられている。
【００２４】
一方、低圧段タービン軸５側と永久磁石式の発電機ロータ１との間には、ジャーナル軸受９が設けられ、タービンロータはこれらスラスト・ジャーナルコンバインド軸受８とジャーナル軸受９とで支えられている。
【００２５】
発電機ステータ６は、ＵＶＷ相の３相の電気配線によって詳細後述する双方向電力変換器１０の他端に接続されている。双方向電力変換器１０の一端は、図示しない系統側にＵＶＷ相の３相の電気配線によって接続されている。
【００２６】
高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とは、ともに永久磁石式発電機ロータ１に近い側をタービン入口とし、永久磁石式の発電機ロータ１から遠い側をタービン出口としている。これら高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４は、タービン翼車の外径等の主要寸法が異なっていても良いし同じであっても良い。
【００２７】
次に、タービンシステムの配管系統を供給蒸気の流れに従って説明する。供給蒸気は、図示しない蒸気発生源から蒸気供給配管１１を通してドレンセパレータ１２、蒸気遮断弁１３、及び蒸気流量調整弁１４を介して高圧段タービン翼車２の入口側に供給される。高圧段タービン翼車２で膨張した蒸気は、高圧段タービン翼車２の出口側から蒸気配管１５を通り、ドレンセパレータ１６を介して低圧段タービン翼車４の入口側に供給される。低圧段タービン翼車４で膨張した蒸気は、低圧段タービン翼車４の出口側から復水器１７を通り復水し、この復水はホットウエル１８に送られる。
【００２８】
蒸気供給配管１１と蒸気配管１５には、流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段５１，５２がそれぞれ設けられている。また、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４には、流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段５３，５４がそれぞれ設けられている。これらの温度検出手段５１，５２，５３，５４で検出された各信号は、後述するタービン制御装置２００に入力される。
【００２９】
復水器１７は図示しない外部の冷却水源からの冷却水３２が内部を通過する伝熱部と、この伝熱部の外側を低圧段タービン翼車４からの排気蒸気が通過する本体部とを備え、低圧段タービン翼車４からの排気蒸気を冷却して復水にしている。
【００３０】
ホットウエル１８は、内部圧力を低圧に保つための真空排気ポンプ１９と、排水ポンプ２０と、三方弁２１とを備えている。ホットウエル内に溜まった復水は、三方弁２１の切り換えと排水ポンプ２０の運転により外部に排出される場合と、ホットウエル内に戻される場合とがある。
【００３１】
ドレンセパレータ１６で分離されたドレンは、配管３３と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３２】
高圧段タービン軸３には、高圧段タービン翼車２からの蒸気の漏れを防止するラビリンスシール２２が設置されている。ラビリンスシール２２には、漏れ蒸気排出口２５が設けられていて、ラビリンスシール２２内部のドレンは漏れ蒸気排出口２５から配管２６と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３３】
低圧段タービン軸５には、低圧段タービン翼車４からの蒸気の漏れを防止するラビリンスシール２８が設置されている。ラビリンスシール２８には、漏れ蒸気排出口３１が設けられていて、ラビリンスシール２８内部のドレンは漏れ蒸気排出口３１から配管２６と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３４】
また、スラスト・ジャーナルコンバインド軸受８の軸方向の両側には、軸受潤滑剤の飛散と漏れを防止するラビンリンスシール２３，２４が設置され、同様に、ジャーナル軸受９の軸方向の両側には、ラビンリンスシール２９，３０が設置されている。
【００３５】
次に、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器１０とタービン制御装置２００について図２を用いて説明する。図２は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器とタービン制御装置の制御ブロック図である。図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。
【００３６】
図２において、双方向電力変換器１０は、第１電力変換器１０１と第２電力変換器１１１とを備えている。第１電力変換器１０１の三相交流出力は、リアクトルＡＣＬ及びコンデンサＣｆと連系用トランスＴｒを介して電力系統Ｎに接続されている。また、第１電力変換器１０１の直流部分のコンデンサＣｄには第２電力変換器１１１の直流部分が接続されていて、第２電力変換器１１１の交流出力は発電機ステータ６に接続されている。永久磁石式の発電機ロータ１は、高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３と低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５によりトルクを受け、入力されたトルクを発電機にて電力に変換し、その電力を第２電力変換器１１１及び第１電力変換器１０１を介して電力系統Ｎに出力する。
【００３７】
第１電力変換器１０１には第１変換器制御手段１０２が接続され、さらに第１変換器制御手段１０２には直流電圧調整手段１０３が接続されている。直流電圧調整手段１０３は、後述する切替器ＳＷ２から出力される直流電圧指令値Ｖdc*とコンデンサＣｄの直流電圧Ｖdcとが一致するように指令値Ｉd*を演算し、その指令値Ｉd*を第１変換器制御手段１０２に出力する。第１変換器制御手段１０２は、指令値Ｉd*に基づいてゲートパルスＧp１を第１電力変換器１０１に出力する。
【００３８】
第２電力変換器１１１には、図２に示すように第２変換器制御手段１１２が接続され、さらに第２変換器制御手段１１２には速度調整手段１１３が接続されている。また、第２電力変換器１１１の交流出力側には電圧検出器ＰＴ２が設けられている。電圧検出器ＰＴ２が発電機電圧（三相交流電圧）Ｖｇは回転数検出手段１２１と第２変換器制御手段１１２とに入力され、回転数検出手段１２１は、その発電機電圧Ｖｇから永久磁石式の発電機ロータ１の回転数を検出する。その検出結果である回転数検出値ｏｍｇは速度調整手段１１３とタービン制御装置２００とに入力される。また、速度調整手段１１３にはタービン制御装置２００から発電機の速度指令値ｏｍｇ*が入力されている。速度調整手段１１３は、回転数検出値ｏｍｇをフィードバックに用いて発電機の速度指令値ｏｍｇ*と一致するようにトルク指令値Ｉｇｑ*を演算する。演算したトルク指令値Ｉｇｑ*は第２変換器制御手段１１２に入力される。第２変換器制御手段１１２は、トルク指令値Ｉｇｑ*に基づいてゲートパルスＧp２を第２電力変換器１１１に出力する。また、第２電力変換器１１１の交流出力側には、発電機から出力される三相電流Ｉｇを検出するための電流検出器ＣＴ２が設けられていて、電流検出器ＣＴ２が検出した発電機電流Ｉgは第２変換器制御手段１１２に入力される。さらに、第２変換器制御手段１１２は、発電機電圧Ｖｇと発電機電流Ｉｇとから発電機出力Ｌを演算する。演算した発電機出力Ｌはタービン制御装置２００に入力される。
【００３９】
図２に示したタービン制御装置２００は、蒸気流量調整弁１４の開度を制御することで、高圧段タービン翼車２の入口側に供給する蒸気供給量を制御する蒸気供給流量制御手段と、タービン運転に伴う真空排気ポンプ１９や各種弁からなる補機類の起動停止や開閉操作等の操作を制御するシーケンス制御手段とを備えている。
【００４０】
蒸気供給流量制御手段は、現在の蒸気供給流量から定まる出力可能な電力を演算し、その電力に合った発電機の回転数を予め決められた特性テーブル等から産出し、回転数指令値ｏｍｇ*をシステム制御手段１２０に出力する。また、蒸気供給流量制御手段は、入力信号である発電機出力Ｌと回転数検出値ｏｍｇとから、現在の永久磁石式の発電機ロータ１にかかるトルクを算出し、トルク制限値Ｔとの比較演算を行うトルク演算手段を備え、算出した現在値トルクがトルク制限値Ｔを超えないように蒸気流量調整弁１４の開度を制御する。また、温度検出手段５１，５２により検出された蒸気供給配管１１と蒸気配管１５とを流れる蒸気の温度信号と、温度検出手段５３，５４により検出された高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とを流れる蒸気の温度信号とを入力し、予め定めてある設定値とこれらの温度信号とを比較演算することで、後述する暖気完了の判断を行っている。
【００４１】
システム制御手段１２０は、図２に示すように、制御切替判定器１２２、切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２、速度調整器が設けられている。
【００４２】
システム制御手段１２０には、タービン制御装置２００からの回転数指令値ｏｍｇ*及び回転数検出手段１２１からの回転数検出値ｏｍｇが入力される。回転数指令値ｏｍｇ*は速度調整器に入力され、この回転数指令値ｏｍｇ*は速度指令値として用いられる。また、回転数検出値ｏｍｇは制御切替判定器１２２及び速度調整器に入力される。回転数検出値ｏｍｇが入力された制御切替判定器１２２は、切替器ＳＷ１，ＳＷ２に対して切替信号ＳＡＢを出力する。
【００４３】
切替器ＳＷ１は、切替信号ＳＡＢが“ｂ”のとき、ゲートパルスを用いるＰＷＭ運転指令を信号ＳＤとして第２変換器制御手段１１２に出力し、切替信号が“ａ”のとき、ゲートパルスを全てオフさせて第２電力変換器１１１にダイオード整流運転させるためのダイオード整流運転指令を信号ＳＤとして第２変換器制御手段１１２に出力する。
【００４４】
また、切替器ＳＷ２は、切替信号ＳＡＢが“ｂ”のとき、電圧指令値Ｖdc*として設定電圧値Ｖrefを直流電圧調整手段１０３に出力し、切替信号が“ａ”のときは、電圧指令値Ｖdc*として速度調整器の出力を用いる。
【００４５】
制御切替判定器１２２は、所定の回転数以上で切替信号ＳＡＢを“ａ”とし、それ以外では“ｂ”を出力する。つまり所定の回転数以上においては、発電機の回転数に比例して上昇する誘起電圧を入力電圧として第２電力変換器１１１をダイオード整流運転して得られる直流電圧値が、系統に対して電力の制御が可能となる第１電力変換器１０１の入力直流電圧値以上となる。
【００４６】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態の動作を図１乃至図３を用いて説明する。図３は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態における運転制御状態量を示す特性図である。図３において、横軸は時間軸を示し、上段の縦軸にはタービンロータの回転数を、中段の縦軸には蒸気流量調整弁１４の開度を、下段の縦軸には発電機出力をそれぞれ示している。
【００４７】
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図１に示すホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。
【００４８】
次に、タービン制御装置２００から双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に暖機回転数相当の回転数指令値ｏｍｇ*が入力される。本実施の形態においては、定格回転数の８％相当を暖機回転数としている。双方向電力変換器１０においては、系統Ｎからの電力を受ける双方向電力変換器１０の第１電力変換器１０１は、直流出力電圧値をシステム制御手段１２０の設定電圧値Ｖrefとなるように制御し、第２電力変換器１１１はこの直流電圧を入力として、速度調整手段１１３によって演算された回転数検出値ｏｍｇと回転数指令値ｏｍｇ*との偏差をなくすように発電機ステータ６に駆動電流を出力する。この結果、発電機ロータ１つまりタービンロータ全体の回転が開始される。
【００４９】
図３の上段の特性図の時間Ｔ０から時間Ｔ１に示すように、タービンロータの回転数は双方向電力変換器１０による一定昇速でのモータリングによって定格回転数の８％相当に到達し、その回転数で保持される。この段階では蒸気流量調整弁１４の開度は零で、タービンには蒸気を供給していない。このため、発電機はモータとして作動しているため発電機出力としてはマイナス、つまりモータリング状態になっている。しかし、ここまでの回転では回転数が定格回転数の８％と低いため、あまり動力を要しない。
【００５０】
次に、定格回転数の８％回転数の状態で、タービンの暖機を開始する。具体的には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させ、蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を僅かに開けてタービンへの蒸気の引き込みを開始する。図３の下段の特性図の時間Ｔ２から時間Ｔ３の前に示すように、この段階でも、蒸気量は少ないためタービンの仕事は十分でなく、発電機出力はマイナスのままである。
【００５１】
タービンの暖機は、この暖機回転数において、少量の蒸気を供給して蒸気配管、タービン翼車及びタービンケーシングを昇温させることを目的としている。したがって、暖機完了の判断は、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段において、温度検出手段５１，５２により検出された蒸気供給配管１１と蒸気配管１５とを流れる蒸気の温度信号と、温度検出手段５３，５４により検出された高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とを流れる蒸気の温度信号と、予め定めてある設定値とを比較して、これらの検出温度信号が設定値以上であることで判断される。このような暖機完了判断手順を設けることで、蒸気供給時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を防止できる。
【００５２】
図３の特性図の時間Ｔ３から時間Ｔ４に示すように、タービン暖機が完了すると、タービンロータの回転数の上昇と、蒸気の供給量の増加を開始する。具体的には、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段から、一定昇速率で上昇する回転数指令値ｏｍｇ*が双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に向けて出力される。一方、蒸気供給流量制御手段からは、蒸気流量調整弁１４を徐々に開操作して蒸気流量を増加させる制御が行われる。
【００５３】
高圧段タービン翼車２への蒸気の供給により、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とは徐々に仕事をする。これらタービン翼車２，４の仕事量の増加により、双方向電力変換器１０によって系統Ｎからの電力を受けて発電機ステータ６に駆動電流を送ることでタービンロータをモータリングしていた動力は減少していく。供給蒸気による仕事が、タービンロータの風損、発電機ロータ１及び発電機ステータ６の電力損失、軸受損失等のタービンロータの駆動に生じる損失と釣り合うと発電機出力は零になる。タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段においては、入力信号である発電機出力Ｌと回転数検出値ｏｍｇとから、現在の永久磁石式の発電機ロータ１にかかるトルクを算出し、トルク制限値Ｔとの比較演算を行い、現在値トルクがトルク制限値Ｔを超えないように蒸気流量調整弁１４の開度を制御する。この結果、蒸気流量調整弁１４の開度は、昇速の各回転数において、発電機出力が零もしくは若干プラスになるように制御され、発電機出力は各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御される。
【００５４】
次に、図３の特性図の時間Ｔ４に示すように、タービンロータの回転数が定格回転数に到達した後は、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を増加させて発電機出力を図３の特性図の時間Ｔ５に示す定格出力に到達させている。なお、定格出力時の蒸気流量調整弁１４の開度は１００％以下の規定開度となるように設定されている。また、定格回転数状態で発電機出力の変動がある場合は、蒸気流量調整弁１４の開度を調整することで供給蒸気圧を調整し、発電機出力が一定になるように制御する。
【００５５】
次に、定格出力状態から停止状態への手順について説明する。
まず、図３の特性図の時間Ｔ６からＴ７に示すように、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を減少させて発電機出力を図３の特性図の時間Ｔ７に示す出力に到達させる。
【００５６】
次に、図３の特性図の時間Ｔ７から時間Ｔ８に示すように、タービンロータの回転数を冷機回転数（定格回転数の７０％回転数）まで、下降させるとともに蒸気の供給量を減少させる。具体的には、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段から、一定昇速率で下降する回転数指令値ｏｍｇ*が双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に向けて出力される。一方、蒸気供給流量制御手段からは、蒸気流量調整弁１４を徐々に閉操作して蒸気流量を減少させる制御が行われる。蒸気流量調整弁１４の開度は、降速の各回転数において、発電機出力が零もしくは若干プラスになるように制御され、発電機出力は各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御される。また、図３の特性図の時間Ｔ８に示す冷機回転数到達時で、発電機出力が僅かにプラスになるように制御される。
【００５７】
次に、図３の特性図の時間Ｔ８から時間Ｔ９に示す間、冷機運転が行われ、その後停止操作が開始される。まず、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４を全閉するとともに、シーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させて蒸気の供給を遮断する。次に、発電機ロータ１の回転数制御を停止して、発電機ロータから負荷を解除する。具体的には、タービン制御装置２００からシステム制御手段１２０に入力される回転数指令値ｏｍｇ*を０とすると共に、系統Ｎと双方向電力変換器１０との接続を例えば、高電圧遮断器を開放することで遮断する。この結果、図３の特性図の時間Ｔ９以降に示すように、発電機出力は、蒸気流量調整弁１４や蒸気遮断弁１３のバルブ全閉時に一度マイナス出力になるが、回転数制御の停止により、発電機ロータ１はフリーラン状態となり発電機出力も零になる。発電機ロータ１はタービンの風損や軸受抵抗によって最終的に回転を停止する。
【００５８】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第１の実施の形態によれば、永久磁石式の発電機ロータ１を有する蒸気タービンシステムにおいて発電機ロータ１に過大な負荷をかけずに安定した起動運転を実現でき、さらに、蒸気供給時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を防止することができる。
【実施例２】
【００５９】
以下、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図４に示す本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様のラジアル蒸気タービン発電プラントで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００６０】
高圧段タービン翼車２の蒸気入口側と蒸気流量調整弁１４とを連結する蒸気供給配管１１に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３４を設けた配管３５の一端を連結し、配管３５の他端をホットウエル１８と連通する配管３３と連結している。また、同様に、低圧段タービン翼車４の蒸気入口側と高圧段タービン翼車２の蒸気出口側とを連結する蒸気配管１５に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３６を設けた配管３７の一端を連結し、配管３７の他端をホットウエル１８と連通する配管３３と連結している。
【００６１】
このような配管３５，３７を設けたことにより、暖機運転の蒸気供給開始時に配管で発生する水滴のタービン翼車への侵入を防止することができる。
【００６２】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態の動作を説明する。
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図４に示すホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。このとき、上述した遮断弁３４，３６を全開作動させる。
【００６３】
次に、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンロータの回転数を８％回転数で保持し、タービンの暖機を開始する。具体的には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させ、蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を僅かに開けてタービンへの蒸気の引き込みを開始する。この後、蒸気流量調整弁１４の開度を徐々に開けることにより、蒸気が高圧段タービン翼車２側に供給される。
【００６４】
蒸気供給配管１１に設けられたドレンセパレータ１２の下流において、蒸気供給配管１１への放熱等で冷却し凝縮した蒸気の水分は、水滴となって蒸気供給配管１１内を流れるが、ホットウエル１８の真空排気圧に引かれて、全開した遮断弁３４と配管３５，３３とを通ってホットウエル１８に排出される。このことから、上述した水滴は高圧段タービン翼車２の入口側に流入しないので、水滴の高圧段タービン翼車２への衝突によるエロ−ジョンを防止できる。
【００６５】
同様に、低圧段タービン翼車４の上流側の蒸気配管１５における凝縮水滴をホットウエル１８に排出することができ、低圧段タービン翼車４の水滴衝突によるエロージョンを防止できる。
【００６６】
次に、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンの暖機完了を判断する。タービンの暖機完了が判断されると、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、上述した遮断弁３４，３６を全閉作動させて、ホットウエル１８に配管３５，３７を介して直接排出される蒸気を遮断する。この後は、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンシステムを運転する。
【００６７】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４の入口部のそれぞれに排気真空圧に繋がるラインを設けて、暖機運転の蒸気供給開始時に配管で発生する水滴を排気側に引き出したので、蒸気供給開始時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を確実に防止することができる。
【実施例３】
【００６９】
以下、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図５に示す本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態は、大略第２の実施の形態と同様のラジアル蒸気タービン発電プラントで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００７０】
高圧段タービン翼車２の蒸気入口側と蒸気流量調整弁１４とを連結する蒸気供給配管１１に更なる分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３８を設けた配管３９の一端を連結し、配管３９の他端を大気に開放している。また、同様に、低圧段タービン翼車４の蒸気出口側と復水器１７の蒸気入口側とを連結する蒸気配管に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁４０を設けた配管４１の一端を連結し、配管４１の他端を大気に開放している。
【００７１】
このような配管３９，４１を設けたことにより、発電機ロータ１の回転異常時に緊急停止が可能となる。
【００７２】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態の動作を説明する。
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図５に示す遮断弁３４，３６を全開作動させるとともに、ホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３，３５，３７と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。このとき、上述した遮断弁３８，４０は全閉状態とする。
【００７３】
以降は、第２の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンシステムを起動し、運転状態にする。
【００７４】
このようなタービンシステムの運転状態において、何らかの異常が発生し、緊急に発電機ロータ１を停止させる必要が生じた場合には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３の急閉による蒸気の遮断と系統Ｎと双方向電力変換器１０との電力の遮断とが行われるが、本実施の形態においては、さらに、シーケンス制御手段により、上述した遮断弁３８，４０を全開動作させる。この結果、高圧段タービン翼車２側は、高圧蒸気の大気放出を行い、また低圧段タービン翼車４側は、排気真空を破壊して大気圧を引き込む。これによって両タービン周りの状態を速やかに大気圧状態にして発電機ロータ１の回転を止めることができる。
【００７５】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第３の実施の形態によれば、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００７６】
また、本実施の形態によれば、発電機ロータ１の回転に異常が生じるなどの緊急停止が必要な場合でも、タービンロータを速やかに停止できる。
【００７７】
なお、本発明の実施の形態においては、暖機完了を蒸気供給配管１１や高圧段タービン翼車２等を流れる蒸気の温度条件で判断したが、これに限るものではない。例えば、使用蒸気条件が一定の場合に、事前に流量調整弁１４開度と暖機完了時間との特性を計測しておけば、暖機用流量調整弁１４開度における保持時間によって暖機完了とすることもできる。
【００７８】
また、本実施の形態においては、タービンロータの回転数検出手段１２１を設けているが、これに限るものではない。回転数指令のみの制御構成であっても良い。
【００７９】
さらに、本発明の実施の形態においては、タービンの暖機完了後、タービンロータを昇速し、定格回転数の到達後、蒸気流量調整弁１４の開度をさらに増加させて発電機出力を定格出力に到達させる制御を行っているが、これに限るものではない。タービンの暖機完了後タービンロータを昇速していく過程において、蒸気流量調整弁１４の開度制御により発電機出力が各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御されるのであれば、例えば、タービンロータの定格回転数の到達時と発電機出力の定格出力到達時とが大略同じ時間になる制御を実施することも可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 発電機ロータ
２ 高圧段タービン翼車
３ 高圧段タービン軸
４ 低圧段タービン翼車
５ 低圧段タービン軸
６ 発電機ステータ
７ スラストカラー
８ スラスト・ジャーナルコンバインド軸受
９ ジャーナルコンバインド軸受
１０ 双方向電力変換器
１１ 蒸気供給配管
１２ ドレンセパレータ
１３ 蒸気遮断弁
１４ 蒸気流量調整弁
１５ 蒸気配管
１７ 復水器
１８ ホットウエル
１９ 排気真空ポンプ
２０ 排水ポンプ
２１ 三方弁
４１ ラジアル蒸気タービンの発電設備
１０１ 第１電力変換器
１０２ 第１変換器制御手段
１０３ 直流電圧調整手段
１１１ 第２電力変換器
１１２ 第２変換器制御手段
１１３ 速度調整手段
１２０ システム制御手段
１２１ 回転数検出手段
２００ タービン制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー消費効率の向上の観点から未利用排熱の利用を促進する一手段として半径流形の翼を用いるラジアル式の蒸気タービンで発電機を駆動する小型蒸気タービンシステムの有効性が認められている。
【０００３】
蒸気供給設備と、翼車と永久磁石式発電機ロータとを一体化したタービンロータと、系統電源と、双方向電力変換器とを備え、起動時は系統側から電力を引き込み双方向電力変換器によって、系統電力を発電機ロータの回転周波数に変換して発電機に供給することで発電機ロータを駆動し、蒸気供給により発生するタービン仕事が軸受損失、風損等のロータ損失を上回れば、発生電力を双方向電力変換器で商用周波数の電力に変換して系統側に送る２．４ＭＷクラスのガスエンジンの排熱蒸気を利用して１５０ｋＷを発電する復水２段ラジアル蒸気タービンを用いた発電設備がある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】中野、他５名、「１５０ｋＷ級ラジアル蒸気タービンの開発」、日本機械学会 第１５回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集、２０１０年６月、ｐｐ１８９−１９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した永久磁石式発電機ロータを有する蒸気タービンシステムは、双方向電力変換器により系統から発電機ロータの回転に合わせた周波数に変換した電力を発電機に供給することで、タービンロータを回転させて昇速させることができる。
【０００６】
しかし、永久磁石式発電機ロータはロータ内に磁石が保持される構造であることから、磁石の強度によりロータに掛かるトルクに制限を設ける必要がある。このため、ロータの回転数に対して取れる負荷（発電機の出力）に制限が生じる。ロータの回転数に対して取れる発電機の最大出力Ｌmaxは、以下の式のとおりその機械の固有値である永久磁石式発電機ロータのトルク制限値Ｔとロータの回転数（角速度）ωの積によって算出される。
Ｌmax＝Ｔ・ω
したがって、運転中の発電機の出力Ｌをロータの回転数（角速度）ωで徐算して算出された値が、トルク制限値Ｔを超えると、ロータを破損する可能性が生じる。上述の式から明らかなように、ロータの回転数（角速度）ωが低い領域では、発電機の出力Ｌを低く抑える必要が生じる。
【０００７】
例えば、双方向電力変換器により一定の低回転数制御状態のときに、蒸気供給を開始すると、蒸気の供給によりタービン回転数は上昇方向に働く。この結果、発電機に対する双方向電力変換器からの電力供給が、力行方向から回生方向に変わり、ロータの一定回転数が保たれることになる。この場合において、発電機に供給される電力が上述の制限値を超えないようにする必要がある。つまり、そのロータ回転数を保持する必要量より過大な蒸気量が供給されると、ロータの回転数を保持するために、回生電力量である発電機の出力Ｌが上昇する。ロータの回転数（角速度）ωが低い場合には、トルク制限値Ｔを超えやすくなる。
【０００８】
また、上述した永久磁石式の発電機ロータを有する蒸気タービンシステムをDSS(Daily Start and Stop)運転に適用すると、タービンシステムに供給される蒸気配管にドレンセパレータが取り付けてあったとしても、蒸気供給開始時には、蒸気配管及びタービン本体が十分に昇温されていないため、供給された蒸気は、ドレンセパレータ下流の蒸気配管及びタービン本体通過中に、配管及びタービンケーシング等に熱を奪われ、温度の低下により一部が液化してしまう。
【０００９】
このことにより発生した水滴は、タービン翼車の入口で、タービン翼車の周速と逆向きの速度でタービン翼に衝突し、タービン翼のエロージョンを引き起こす。水滴径が大きいほどエロージョンによるダメージは大きくなる。
【００１０】
本発明は、上述の事柄に基づいてなされたもので、その目的は、永久磁石式の発電機ロータを有するラジアル蒸気タービンシステムにおいて、発電機ロータに許容トルク以上の負荷をかけず、かつタービン翼車にエロージョンを引き起こさない安定した起動を確保できるラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、第１の発明は、永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムと、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置であって、前記制御装置は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えたものとする。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記制御装置は、前記タービンロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記発電機の出力を検出する発電機出力検出手段とを備え、前記蒸気供給流量制御手段は、前記発電機出力検出手段から取り込んだ発電機出力と前記回転数検出手段から取り込んだ回転数検出値とから、現在の前記発電機ロータにかかるトルク値を算出し、予め設定したトルク制限値との比較演算を行うトルク演算手段を備え、前記算出したトルク値が前記トルク制限値を超えないように前記蒸気流量調整弁の開度を制御することを特徴とする。
【００１３】
更に、第３の発明は、第２の発明において、前記制御装置は、前記回転数制御手段により前記タービンロータの回転数を暖機回転数に保持する暖機制御手段と、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記蒸気供給流量制御手段は、前記温度検出手段から取り込んだ前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度と、予め定めてある設定値とを比較して、前記蒸気の温度が設定値を超えた場合に、前記暖機制御手段を完了させることを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、第３の発明において、前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車出口側に排気蒸気を凝縮させる復水器と、前記タービン翼車入口側の前記蒸気配管に一端を連結し他端を前記復水器に連結した配管と、前記配管の前記タービン翼車入口と前記復水器との連通を遮断する第１遮断弁とを備え、前記制御装置は、前記暖機制御手段を実行している間、前記第１遮断弁を全開制御することを特徴とする。
【００１５】
更に、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車の入口側と出口側とに第２遮断弁を介して大気圧に通じる配管を備え、前記制御装置は、前記タービンロータの異常時に、前記双方向電力変換器の回転数制御を停止するとともに、前記蒸気流量調整弁を全閉制御し、前記第２遮断弁を全開制御することを特徴とする。
【００１６】
上記の目的を達成するために、第６の発明は、永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムの運転方法であって、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御ステップと、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御ステップとを実行するものとする。
【００１７】
また、第７の発明は、第６の発明において、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数の８％回転数まで昇速して、該回転数を保持するステップと、前記蒸気流量調整弁を開操作し、発電機出力が零または、その回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップと、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えるまで前記ステップの状態を保持して暖機運転をするステップと、前記ステップにおける蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えた後に、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数へ昇速させるとともに、各回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップとを実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、永久磁石式の発電機ロータを有する蒸気タービンシステムにおいて発電機ロータに過大な負荷をかけずに安定した起動運転を実現でき、さらに、タービン翼車のエロージョンの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図２】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器とタービン制御装置の制御ブロック図である。
【図３】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態における運転制御状態量を示す特性図である。
【図４】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。
【図５】本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の実施の形態を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を示すシステム構成図である。図１において、本実施の形態のラジアル蒸気タービンの発電設備４１は、図示しない永久磁石を内側に保持する永久磁石式の発電機ロータ１と、図示しない蒸気発生源からの蒸気により駆動される高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３と低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５と、永久磁石式の発電機ロータ１の外周面に対向するように設けられた発電機ステータ６と、永久磁石式の発電機ロータ１の回転数を制御するとともにその発電出力を系統へ送電する双方向電力変換器１０とを備えている。
【００２２】
永久磁石式の発電機ロータ１の一方（図１中の左側）の同軸上には、高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３とが、永久磁石式発電機ロータ１の他方（図１中の右側）の同軸上には、低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５とがそれぞれ連結されタービンロータが一体に形成されている。
【００２３】
高圧段タービン軸３の永久磁石式発電機ロータ１側の外周部にはスラストカラー７が設けられ、このスラストカラー７と永久磁石式の発電機ロータ１との間には、スラスト・ジャーナルコンバインド軸受８が設けられている。
【００２４】
一方、低圧段タービン軸５側と永久磁石式の発電機ロータ１との間には、ジャーナル軸受９が設けられ、タービンロータはこれらスラスト・ジャーナルコンバインド軸受８とジャーナル軸受９とで支えられている。
【００２５】
発電機ステータ６は、ＵＶＷ相の３相の電気配線によって詳細後述する双方向電力変換器１０の他端に接続されている。双方向電力変換器１０の一端は、図示しない系統側にＵＶＷ相の３相の電気配線によって接続されている。
【００２６】
高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とは、ともに永久磁石式発電機ロータ１に近い側をタービン入口とし、永久磁石式の発電機ロータ１から遠い側をタービン出口としている。これら高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４は、タービン翼車の外径等の主要寸法が異なっていても良いし同じであっても良い。
【００２７】
次に、タービンシステムの配管系統を供給蒸気の流れに従って説明する。供給蒸気は、図示しない蒸気発生源から蒸気供給配管１１を通してドレンセパレータ１２、蒸気遮断弁１３、及び蒸気流量調整弁１４を介して高圧段タービン翼車２の入口側に供給される。高圧段タービン翼車２で膨張した蒸気は、高圧段タービン翼車２の出口側から蒸気配管１５を通り、ドレンセパレータ１６を介して低圧段タービン翼車４の入口側に供給される。低圧段タービン翼車４で膨張した蒸気は、低圧段タービン翼車４の出口側から復水器１７を通り復水し、この復水はホットウエル１８に送られる。
【００２８】
蒸気供給配管１１と蒸気配管１５には、流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段５１，５２がそれぞれ設けられている。また、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４には、流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段５３，５４がそれぞれ設けられている。これらの温度検出手段５１，５２，５３，５４で検出された各信号は、後述するタービン制御装置２００に入力される。
【００２９】
復水器１７は図示しない外部の冷却水源からの冷却水３２が内部を通過する伝熱部と、この伝熱部の外側を低圧段タービン翼車４からの排気蒸気が通過する本体部とを備え、低圧段タービン翼車４からの排気蒸気を冷却して復水にしている。
【００３０】
ホットウエル１８は、内部圧力を低圧に保つための真空排気ポンプ１９と、排水ポンプ２０と、三方弁２１とを備えている。ホットウエル内に溜まった復水は、三方弁２１の切り換えと排水ポンプ２０の運転により外部に排出される場合と、ホットウエル内に戻される場合とがある。
【００３１】
ドレンセパレータ１６で分離されたドレンは、配管３３と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３２】
高圧段タービン軸３には、高圧段タービン翼車２からの蒸気の漏れを防止するラビリンスシール２２が設置されている。ラビリンスシール２２には、漏れ蒸気排出口２５が設けられていて、ラビリンスシール２２内部のドレンは漏れ蒸気排出口２５から配管２６と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３３】
低圧段タービン軸５には、低圧段タービン翼車４からの蒸気の漏れを防止するラビリンスシール２８が設置されている。ラビリンスシール２８には、漏れ蒸気排出口３１が設けられていて、ラビリンスシール２８内部のドレンは漏れ蒸気排出口３１から配管２６と配管２７とを介してホットウエル１８に排出される。
【００３４】
また、スラスト・ジャーナルコンバインド軸受８の軸方向の両側には、軸受潤滑剤の飛散と漏れを防止するラビンリンスシール２３，２４が設置され、同様に、ジャーナル軸受９の軸方向の両側には、ラビンリンスシール２９，３０が設置されている。
【００３５】
次に、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器１０とタービン制御装置２００について図２を用いて説明する。図２は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態を構成する双方向電力変換器とタービン制御装置の制御ブロック図である。図２において、図１に示す符号と同符号のものは同一部分又は相当する部分であるので、その部分の説明を省略する。
【００３６】
図２において、双方向電力変換器１０は、第１電力変換器１０１と第２電力変換器１１１とを備えている。第１電力変換器１０１の三相交流出力は、リアクトルＡＣＬ及びコンデンサＣｆと連系用トランスＴｒを介して電力系統Ｎに接続されている。また、第１電力変換器１０１の直流部分のコンデンサＣｄには第２電力変換器１１１の直流部分が接続されていて、第２電力変換器１１１の交流出力は発電機ステータ６に接続されている。永久磁石式の発電機ロータ１は、高圧段タービン翼車２と高圧段タービン軸３と低圧段タービン翼車４と低圧段タービン軸５によりトルクを受け、入力されたトルクを発電機にて電力に変換し、その電力を第２電力変換器１１１及び第１電力変換器１０１を介して電力系統Ｎに出力する。
【００３７】
第１電力変換器１０１には第１変換器制御手段１０２が接続され、さらに第１変換器制御手段１０２には直流電圧調整手段１０３が接続されている。直流電圧調整手段１０３は、後述する切替器ＳＷ２から出力される直流電圧指令値Ｖdc*とコンデンサＣｄの直流電圧Ｖdcとが一致するように指令値Ｉd*を演算し、その指令値Ｉd*を第１変換器制御手段１０２に出力する。第１変換器制御手段１０２は、指令値Ｉd*に基づいてゲートパルスＧp１を第１電力変換器１０１に出力する。
【００３８】
第２電力変換器１１１には、図２に示すように第２変換器制御手段１１２が接続され、さらに第２変換器制御手段１１２には速度調整手段１１３が接続されている。また、第２電力変換器１１１の交流出力側には電圧検出器ＰＴ２が設けられている。電圧検出器ＰＴ２が発電機電圧（三相交流電圧）Ｖｇは回転数検出手段１２１と第２変換器制御手段１１２とに入力され、回転数検出手段１２１は、その発電機電圧Ｖｇから永久磁石式の発電機ロータ１の回転数を検出する。その検出結果である回転数検出値ｏｍｇは速度調整手段１１３とタービン制御装置２００とに入力される。また、速度調整手段１１３にはタービン制御装置２００から発電機の速度指令値ｏｍｇ*が入力されている。速度調整手段１１３は、回転数検出値ｏｍｇをフィードバックに用いて発電機の速度指令値ｏｍｇ*と一致するようにトルク指令値Ｉｇｑ*を演算する。演算したトルク指令値Ｉｇｑ*は第２変換器制御手段１１２に入力される。第２変換器制御手段１１２は、トルク指令値Ｉｇｑ*に基づいてゲートパルスＧp２を第２電力変換器１１１に出力する。また、第２電力変換器１１１の交流出力側には、発電機から出力される三相電流Ｉｇを検出するための電流検出器ＣＴ２が設けられていて、電流検出器ＣＴ２が検出した発電機電流Ｉgは第２変換器制御手段１１２に入力される。さらに、第２変換器制御手段１１２は、発電機電圧Ｖｇと発電機電流Ｉｇとから発電機出力Ｌを演算する。演算した発電機出力Ｌはタービン制御装置２００に入力される。
【００３９】
図２に示したタービン制御装置２００は、蒸気流量調整弁１４の開度を制御することで、高圧段タービン翼車２の入口側に供給する蒸気供給量を制御する蒸気供給流量制御手段と、タービン運転に伴う真空排気ポンプ１９や各種弁からなる補機類の起動停止や開閉操作等の操作を制御するシーケンス制御手段とを備えている。
【００４０】
蒸気供給流量制御手段は、現在の蒸気供給流量から定まる出力可能な電力を演算し、その電力に合った発電機の回転数を予め決められた特性テーブル等から産出し、回転数指令値ｏｍｇ*をシステム制御手段１２０に出力する。また、蒸気供給流量制御手段は、入力信号である発電機出力Ｌと回転数検出値ｏｍｇとから、現在の永久磁石式の発電機ロータ１にかかるトルクを算出し、トルク制限値Ｔとの比較演算を行うトルク演算手段を備え、算出した現在値トルクがトルク制限値Ｔを超えないように蒸気流量調整弁１４の開度を制御する。また、温度検出手段５１，５２により検出された蒸気供給配管１１と蒸気配管１５とを流れる蒸気の温度信号と、温度検出手段５３，５４により検出された高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とを流れる蒸気の温度信号とを入力し、予め定めてある設定値とこれらの温度信号とを比較演算することで、後述する暖気完了の判断を行っている。
【００４１】
システム制御手段１２０は、図２に示すように、制御切替判定器１２２、切替スイッチＳＷ１，ＳＷ２、速度調整器が設けられている。
【００４２】
システム制御手段１２０には、タービン制御装置２００からの回転数指令値ｏｍｇ*及び回転数検出手段１２１からの回転数検出値ｏｍｇが入力される。回転数指令値ｏｍｇ*は速度調整器に入力され、この回転数指令値ｏｍｇ*は速度指令値として用いられる。また、回転数検出値ｏｍｇは制御切替判定器１２２及び速度調整器に入力される。回転数検出値ｏｍｇが入力された制御切替判定器１２２は、切替器ＳＷ１，ＳＷ２に対して切替信号ＳＡＢを出力する。
【００４３】
切替器ＳＷ１は、切替信号ＳＡＢが“ｂ”のとき、ゲートパルスを用いるＰＷＭ運転指令を信号ＳＤとして第２変換器制御手段１１２に出力し、切替信号が“ａ”のとき、ゲートパルスを全てオフさせて第２電力変換器１１１にダイオード整流運転させるためのダイオード整流運転指令を信号ＳＤとして第２変換器制御手段１１２に出力する。
【００４４】
また、切替器ＳＷ２は、切替信号ＳＡＢが“ｂ”のとき、電圧指令値Ｖdc*として設定電圧値Ｖrefを直流電圧調整手段１０３に出力し、切替信号が“ａ”のときは、電圧指令値Ｖdc*として速度調整器の出力を用いる。
【００４５】
制御切替判定器１２２は、所定の回転数以上で切替信号ＳＡＢを“ａ”とし、それ以外では“ｂ”を出力する。つまり所定の回転数以上においては、発電機の回転数に比例して上昇する誘起電圧を入力電圧として第２電力変換器１１１をダイオード整流運転して得られる直流電圧値が、系統に対して電力の制御が可能となる第１電力変換器１０１の入力直流電圧値以上となる。
【００４６】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態の動作を図１乃至図３を用いて説明する。図３は本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第１の実施の形態における運転制御状態量を示す特性図である。図３において、横軸は時間軸を示し、上段の縦軸にはタービンロータの回転数を、中段の縦軸には蒸気流量調整弁１４の開度を、下段の縦軸には発電機出力をそれぞれ示している。
【００４７】
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図１に示すホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。
【００４８】
次に、タービン制御装置２００から双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に暖機回転数相当の回転数指令値ｏｍｇ*が入力される。本実施の形態においては、定格回転数の８％相当を暖機回転数としている。双方向電力変換器１０においては、系統Ｎからの電力を受ける双方向電力変換器１０の第１電力変換器１０１は、直流出力電圧値をシステム制御手段１２０の設定電圧値Ｖrefとなるように制御し、第２電力変換器１１１はこの直流電圧を入力として、速度調整手段１１３によって演算された回転数検出値ｏｍｇと回転数指令値ｏｍｇ*との偏差をなくすように発電機ステータ６に駆動電流を出力する。この結果、発電機ロータ１つまりタービンロータ全体の回転が開始される。
【００４９】
図３の上段の特性図の時間Ｔ０から時間Ｔ１に示すように、タービンロータの回転数は双方向電力変換器１０による一定昇速でのモータリングによって定格回転数の８％相当に到達し、その回転数で保持される。この段階では蒸気流量調整弁１４の開度は零で、タービンには蒸気を供給していない。このため、発電機はモータとして作動しているため発電機出力としてはマイナス、つまりモータリング状態になっている。しかし、ここまでの回転では回転数が定格回転数の８％と低いため、あまり動力を要しない。
【００５０】
次に、定格回転数の８％回転数の状態で、タービンの暖機を開始する。具体的には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させ、蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を僅かに開けてタービンへの蒸気の引き込みを開始する。図３の下段の特性図の時間Ｔ２から時間Ｔ３の前に示すように、この段階でも、蒸気量は少ないためタービンの仕事は十分でなく、発電機出力はマイナスのままである。
【００５１】
タービンの暖機は、この暖機回転数において、少量の蒸気を供給して蒸気配管、タービン翼車及びタービンケーシングを昇温させることを目的としている。したがって、暖機完了の判断は、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段において、温度検出手段５１，５２により検出された蒸気供給配管１１と蒸気配管１５とを流れる蒸気の温度信号と、温度検出手段５３，５４により検出された高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とを流れる蒸気の温度信号と、予め定めてある設定値とを比較して、これらの検出温度信号が設定値以上であることで判断される。このような暖機完了判断手順を設けることで、蒸気供給時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を防止できる。
【００５２】
図３の特性図の時間Ｔ３から時間Ｔ４に示すように、タービン暖機が完了すると、タービンロータの回転数の上昇と、蒸気の供給量の増加を開始する。具体的には、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段から、一定昇速率で上昇する回転数指令値ｏｍｇ*が双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に向けて出力される。一方、蒸気供給流量制御手段からは、蒸気流量調整弁１４を徐々に開操作して蒸気流量を増加させる制御が行われる。
【００５３】
高圧段タービン翼車２への蒸気の供給により、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４とは徐々に仕事をする。これらタービン翼車２，４の仕事量の増加により、双方向電力変換器１０によって系統Ｎからの電力を受けて発電機ステータ６に駆動電流を送ることでタービンロータをモータリングしていた動力は減少していく。供給蒸気による仕事が、タービンロータの風損、発電機ロータ１及び発電機ステータ６の電力損失、軸受損失等のタービンロータの駆動に生じる損失と釣り合うと発電機出力は零になる。タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段においては、入力信号である発電機出力Ｌと回転数検出値ｏｍｇとから、現在の永久磁石式の発電機ロータ１にかかるトルクを算出し、トルク制限値Ｔとの比較演算を行い、現在値トルクがトルク制限値Ｔを超えないように蒸気流量調整弁１４の開度を制御する。この結果、蒸気流量調整弁１４の開度は、昇速の各回転数において、発電機出力が零もしくは若干プラスになるように制御され、発電機出力は各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御される。
【００５４】
次に、図３の特性図の時間Ｔ４に示すように、タービンロータの回転数が定格回転数に到達した後は、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を増加させて発電機出力を図３の特性図の時間Ｔ５に示す定格出力に到達させている。なお、定格出力時の蒸気流量調整弁１４の開度は１００％以下の規定開度となるように設定されている。また、定格回転数状態で発電機出力の変動がある場合は、蒸気流量調整弁１４の開度を調整することで供給蒸気圧を調整し、発電機出力が一定になるように制御する。
【００５５】
次に、定格出力状態から停止状態への手順について説明する。
まず、図３の特性図の時間Ｔ６からＴ７に示すように、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を減少させて発電機出力を図３の特性図の時間Ｔ７に示す出力に到達させる。
【００５６】
次に、図３の特性図の時間Ｔ７から時間Ｔ８に示すように、タービンロータの回転数を冷機回転数（定格回転数の７０％回転数）まで、下降させるとともに蒸気の供給量を減少させる。具体的には、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段から、一定昇速率で下降する回転数指令値ｏｍｇ*が双方向電力変換器１０のシステム制御手段１２０に向けて出力される。一方、蒸気供給流量制御手段からは、蒸気流量調整弁１４を徐々に閉操作して蒸気流量を減少させる制御が行われる。蒸気流量調整弁１４の開度は、降速の各回転数において、発電機出力が零もしくは若干プラスになるように制御され、発電機出力は各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御される。また、図３の特性図の時間Ｔ８に示す冷機回転数到達時で、発電機出力が僅かにプラスになるように制御される。
【００５７】
次に、図３の特性図の時間Ｔ８から時間Ｔ９に示す間、冷機運転が行われ、その後停止操作が開始される。まず、タービン制御装置２００の蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４を全閉するとともに、シーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させて蒸気の供給を遮断する。次に、発電機ロータ１の回転数制御を停止して、発電機ロータから負荷を解除する。具体的には、タービン制御装置２００からシステム制御手段１２０に入力される回転数指令値ｏｍｇ*を０とすると共に、系統Ｎと双方向電力変換器１０との接続を例えば、高電圧遮断器を開放することで遮断する。この結果、図３の特性図の時間Ｔ９以降に示すように、発電機出力は、蒸気流量調整弁１４や蒸気遮断弁１３のバルブ全閉時に一度マイナス出力になるが、回転数制御の停止により、発電機ロータ１はフリーラン状態となり発電機出力も零になる。発電機ロータ１はタービンの風損や軸受抵抗によって最終的に回転を停止する。
【００５８】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第１の実施の形態によれば、永久磁石式の発電機ロータ１を有する蒸気タービンシステムにおいて発電機ロータ１に過大な負荷をかけずに安定した起動運転を実現でき、さらに、蒸気供給時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を防止することができる。
【実施例２】
【００５９】
以下、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第２の実施の形態を図面を用いて説明する。本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態を示すシステム構成図である。図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図４に示す本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態は、大略第１の実施の形態と同様のラジアル蒸気タービン発電プラントで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００６０】
高圧段タービン翼車２の蒸気入口側と蒸気流量調整弁１４とを連結する蒸気供給配管１１に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３４を設けた配管３５の一端を連結し、配管３５の他端をホットウエル１８と連通する配管３３と連結している。また、同様に、低圧段タービン翼車４の蒸気入口側と高圧段タービン翼車２の蒸気出口側とを連結する蒸気配管１５に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３６を設けた配管３７の一端を連結し、配管３７の他端をホットウエル１８と連通する配管３３と連結している。
【００６１】
このような配管３５，３７を設けたことにより、暖機運転の蒸気供給開始時に配管で発生する水滴のタービン翼車への侵入を防止することができる。
【００６２】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第２の実施の形態の動作を説明する。
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図４に示すホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。このとき、上述した遮断弁３４，３６を全開作動させる。
【００６３】
次に、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンロータの回転数を８％回転数で保持し、タービンの暖機を開始する。具体的には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３を全開させ、蒸気供給流量制御手段によって、蒸気流量調整弁１４の開度を僅かに開けてタービンへの蒸気の引き込みを開始する。この後、蒸気流量調整弁１４の開度を徐々に開けることにより、蒸気が高圧段タービン翼車２側に供給される。
【００６４】
蒸気供給配管１１に設けられたドレンセパレータ１２の下流において、蒸気供給配管１１への放熱等で冷却し凝縮した蒸気の水分は、水滴となって蒸気供給配管１１内を流れるが、ホットウエル１８の真空排気圧に引かれて、全開した遮断弁３４と配管３５，３３とを通ってホットウエル１８に排出される。このことから、上述した水滴は高圧段タービン翼車２の入口側に流入しないので、水滴の高圧段タービン翼車２への衝突によるエロ−ジョンを防止できる。
【００６５】
同様に、低圧段タービン翼車４の上流側の蒸気配管１５における凝縮水滴をホットウエル１８に排出することができ、低圧段タービン翼車４の水滴衝突によるエロージョンを防止できる。
【００６６】
次に、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンの暖機完了を判断する。タービンの暖機完了が判断されると、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、上述した遮断弁３４，３６を全閉作動させて、ホットウエル１８に配管３５，３７を介して直接排出される蒸気を遮断する。この後は、第１の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンシステムを運転する。
【００６７】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第２の実施の形態によれば、上述した第１の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００６８】
また、本実施の形態によれば、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４の入口部のそれぞれに排気真空圧に繋がるラインを設けて、暖機運転の蒸気供給開始時に配管で発生する水滴を排気側に引き出したので、蒸気供給開始時に発生する大径水滴によるタービン翼車のエロージョンの発生を確実に防止することができる。
【実施例３】
【００６９】
以下、本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第３の実施の形態を図面を用いて説明する。本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態を示すシステム構成図である。図５において、図１乃至図４に示す符号と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
図５に示す本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態は、大略第２の実施の形態と同様のラジアル蒸気タービン発電プラントで構成されるが、以下の構成が異なる。
【００７０】
高圧段タービン翼車２の蒸気入口側と蒸気流量調整弁１４とを連結する蒸気供給配管１１に更なる分岐部を設け、この分岐部に遮断弁３８を設けた配管３９の一端を連結し、配管３９の他端を大気に開放している。また、同様に、低圧段タービン翼車４の蒸気出口側と復水器１７の蒸気入口側とを連結する蒸気配管に分岐部を設け、この分岐部に遮断弁４０を設けた配管４１の一端を連結し、配管４１の他端を大気に開放している。
【００７１】
このような配管３９，４１を設けたことにより、発電機ロータ１の回転異常時に緊急停止が可能となる。
【００７２】
次に、上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置の第３の実施の形態の動作を説明する。
まずタービンシステムの起動は、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、図５に示す遮断弁３４，３６を全開作動させるとともに、ホットウエルに設置した真空排気ポンプ１９を作動させて蒸気遮断弁１３下流の蒸気配管１５，２６，２７，３３，３５，３７と、高圧段タービン翼車２と低圧段タービン翼車４と、ホットウエル１８とを低圧にする。このとき、上述した遮断弁３８，４０は全閉状態とする。
【００７３】
以降は、第２の実施の形態における動作と同じ手順によりタービンシステムを起動し、運転状態にする。
【００７４】
このようなタービンシステムの運転状態において、何らかの異常が発生し、緊急に発電機ロータ１を停止させる必要が生じた場合には、タービン制御装置２００のシーケンス制御手段により、蒸気遮断弁１３の急閉による蒸気の遮断と系統Ｎと双方向電力変換器１０との電力の遮断とが行われるが、本実施の形態においては、さらに、シーケンス制御手段により、上述した遮断弁３８，４０を全開動作させる。この結果、高圧段タービン翼車２側は、高圧蒸気の大気放出を行い、また低圧段タービン翼車４側は、排気真空を破壊して大気圧を引き込む。これによって両タービン周りの状態を速やかに大気圧状態にして発電機ロータ１の回転を止めることができる。
【００７５】
上述した本発明のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置及びその運転方法の第３の実施の形態によれば、上述した第２の実施の形態と同様な効果を得ることができる。
【００７６】
また、本実施の形態によれば、発電機ロータ１の回転に異常が生じるなどの緊急停止が必要な場合でも、タービンロータを速やかに停止できる。
【００７７】
なお、本発明の実施の形態においては、暖機完了を蒸気供給配管１１や高圧段タービン翼車２等を流れる蒸気の温度条件で判断したが、これに限るものではない。例えば、使用蒸気条件が一定の場合に、事前に流量調整弁１４開度と暖機完了時間との特性を計測しておけば、暖機用流量調整弁１４開度における保持時間によって暖機完了とすることもできる。
【００７８】
また、本実施の形態においては、タービンロータの回転数検出手段１２１を設けているが、これに限るものではない。回転数指令のみの制御構成であっても良い。
【００７９】
さらに、本発明の実施の形態においては、タービンの暖機完了後、タービンロータを昇速し、定格回転数の到達後、蒸気流量調整弁１４の開度をさらに増加させて発電機出力を定格出力に到達させる制御を行っているが、これに限るものではない。タービンの暖機完了後タービンロータを昇速していく過程において、蒸気流量調整弁１４の開度制御により発電機出力が各回転数での許容負荷（ωT）以下に制御されるのであれば、例えば、タービンロータの定格回転数の到達時と発電機出力の定格出力到達時とが大略同じ時間になる制御を実施することも可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 発電機ロータ
２ 高圧段タービン翼車
３ 高圧段タービン軸
４ 低圧段タービン翼車
５ 低圧段タービン軸
６ 発電機ステータ
７ スラストカラー
８ スラスト・ジャーナルコンバインド軸受
９ ジャーナルコンバインド軸受
１０ 双方向電力変換器
１１ 蒸気供給配管
１２ ドレンセパレータ
１３ 蒸気遮断弁
１４ 蒸気流量調整弁
１５ 蒸気配管
１７ 復水器
１８ ホットウエル
１９ 排気真空ポンプ
２０ 排水ポンプ
２１ 三方弁
４１ ラジアル蒸気タービンの発電設備
１０１ 第１電力変換器
１０２ 第１変換器制御手段
１０３ 直流電圧調整手段
１１１ 第２電力変換器
１１２ 第２変換器制御手段
１１３ 速度調整手段
１２０ システム制御手段
１２１ 回転数検出手段
２００ タービン制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムと、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置であって、
前記制御装置は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えた
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記制御装置は、前記タービンロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記発電機の出力を検出する発電機出力検出手段とを備え、
前記蒸気供給流量制御手段は、前記発電機出力検出手段から取り込んだ発電機出力と前記回転数検出手段から取り込んだ回転数検出値とから、現在の前記発電機ロータにかかるトルク値を算出し、予め設定したトルク制限値との比較演算を行うトルク演算手段を備え、
前記算出したトルク値が前記トルク制限値を超えないように前記蒸気流量調整弁の開度を制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記制御装置は、前記回転数制御手段により前記タービンロータの回転数を暖機回転数に保持する暖機制御手段と、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記蒸気供給流量制御手段は、前記温度検出手段から取り込んだ前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度と、予め定めてある設定値とを比較して、前記蒸気の温度が設定値を超えた場合に、前記暖機制御手段を完了させる
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車出口側に排気蒸気を凝縮させる復水器と、前記タービン翼車入口側の前記蒸気配管に一端を連結し他端を前記復水器に連結した配管と、前記配管の前記タービン翼車入口と前記復水器との連通を遮断する第１遮断弁とを備え、
前記制御装置は、前記暖機制御手段を実行している間、前記第１遮断弁を全開制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車の入口側と出口側とに第２遮断弁を介して大気圧に通じる配管を備え、
前記制御装置は、前記タービンロータの異常時に、前記双方向電力変換器の回転数制御を停止するとともに、前記蒸気流量調整弁を全閉制御し、前記第２遮断弁を全開制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項６】
永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムの運転方法であって、
前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御ステップと、
各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御ステップとを実行する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載のラジアル蒸気タービンシステムの運転方法において、
前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数の８％回転数まで昇速して、該回転数を保持するステップと、
前記蒸気流量調整弁を開操作し、発電機出力が零または、その回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップと、
前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えるまで前記ステップの状態を保持して暖機運転をするステップと、
前記ステップにおける蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えた後に、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数へ昇速させるとともに、各回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップとを実行する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの運転方法。
【請求項１】
永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムと、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動運転を制御するラジアル蒸気タービンシステムの制御装置であって、
前記制御装置は、前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御手段と、各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御手段とを備えた
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記制御装置は、前記タービンロータの回転数を検出する回転数検出手段と、前記発電機の出力を検出する発電機出力検出手段とを備え、
前記蒸気供給流量制御手段は、前記発電機出力検出手段から取り込んだ発電機出力と前記回転数検出手段から取り込んだ回転数検出値とから、現在の前記発電機ロータにかかるトルク値を算出し、予め設定したトルク制限値との比較演算を行うトルク演算手段を備え、
前記算出したトルク値が前記トルク制限値を超えないように前記蒸気流量調整弁の開度を制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記制御装置は、前記回転数制御手段により前記タービンロータの回転数を暖機回転数に保持する暖機制御手段と、前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記蒸気供給流量制御手段は、前記温度検出手段から取り込んだ前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度と、予め定めてある設定値とを比較して、前記蒸気の温度が設定値を超えた場合に、前記暖機制御手段を完了させる
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車出口側に排気蒸気を凝縮させる復水器と、前記タービン翼車入口側の前記蒸気配管に一端を連結し他端を前記復水器に連結した配管と、前記配管の前記タービン翼車入口と前記復水器との連通を遮断する第１遮断弁とを備え、
前記制御装置は、前記暖機制御手段を実行している間、前記第１遮断弁を全開制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のラジアル蒸気タービンシステムの制御装置において、
前記蒸気タービンシステムは、前記タービン翼車の入口側と出口側とに第２遮断弁を介して大気圧に通じる配管を備え、
前記制御装置は、前記タービンロータの異常時に、前記双方向電力変換器の回転数制御を停止するとともに、前記蒸気流量調整弁を全閉制御し、前記第２遮断弁を全開制御する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの制御装置。
【請求項６】
永久磁石を内部に保持する発電機ロータと、前記発電機ロータと一体に組み立てられたタービン翼車の回転軸とから成るタービンロータと、前記発電機ロータ外周を取り囲むように設置された発電機ステータと、前記発電機ステータに系統から電流を流すかまたは前記発電機ステータから発生する電流を前記系統に流すかを制御する双方向電力変換器と、前記タービン翼車に蒸気源からの蒸気を供給する蒸気配管と、前記蒸気配管に設けられ前記タービン翼車への供給蒸気量を制御する蒸気流量調整弁とを備えたラジアル蒸気タービンシステムの運転方法であって、
前記ラジアル蒸気タービンシステムの起動において、前記双方向電力変換器によって前記タービンロータの回転数を昇速制御する回転数制御ステップと、
各回転数における発電機出力が略零となるように、前記蒸気流量調整弁の開度を制御して前記タービン翼車に前記蒸気を供給する蒸気供給流量制御ステップとを実行する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載のラジアル蒸気タービンシステムの運転方法において、
前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数の８％回転数まで昇速して、該回転数を保持するステップと、
前記蒸気流量調整弁を開操作し、発電機出力が零または、その回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップと、
前記蒸気配管及び／又は前記タービン翼車を流れる蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えるまで前記ステップの状態を保持して暖機運転をするステップと、
前記ステップにおける蒸気の温度が、予め定めてある設定値を超えた後に、前記双方向電力変換器によって、前記タービンロータの回転数を定格回転数へ昇速させるとともに、各回転数での角速度と前記発電機ロータの許容トルクの積の値以下の出力になるように前記蒸気流量調整弁の開度を制御するステップとを実行する
ことを特徴とするラジアル蒸気タービンシステムの運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−８７６９０（Ｐ２０１２−８７６９０Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５５５１（Ｐ２０１０−２３５５５１）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３０４４）株式会社日立エンジニアリング・アンド・サービス (276)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【出願人】（０００２３３０４４）株式会社日立エンジニアリング・アンド・サービス (276)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]