控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備的製作方法
2023-05-23 19:42:56
專利名稱：控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備，特別涉及優選用在用於通過使用原子反應爐等作為熱源使工作流體在封閉系統中循環的閉環循環燃氣輪機中的控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備。
背景技術：
根據通過使用原子反應爐等作為熱源使工作流體在封閉系統中循環的閉環循環燃氣輪機，為了實現設備構造成本的降低，使用於僅在啟動中運行以加速的電動機的設備性能、使用作為電動機的發電機的電氣設備SFC(靜止變頻器Static Frequency Converter)等儘可能小。
因此，根據閉環循環燃氣輪機，在降低在封閉系統中填充的工作流體的量的狀態中，例如，在將氦氣降低到使燃料球在原子反應爐內部循環的程度的狀態，以及在低溫狀態中，速度升高到額定轉數。
以這種方式，在現有技術中已經提出了在啟動過程中降低填充在封閉系統中的工作流體的量的技術(例如參見日本專利公開No. 3020853)。
然而，原子反應爐的溫度升高速率受到限制，因此，甚至當閉環循環燃氣輪機達到額定轉數時，發電機在一定時間周期內用作電動機。因此，在其中負轉矩加載在設置在閉環循環燃氣輪機和發電機之間的減速齒輪等上的狀態持續運行。
隨後，流向渦輪機的工作流體的溫度通過原子反應爐的發熱而升高，且渦輪機輸出增加。在該過程中，軸向輸出從負輸出變為正輸出，施加在連接渦輪機和發電機的減速齒輪等上的轉矩也從負轉矩變為正轉矩。
規定減速齒輪具有必要最小轉矩，其用於防止微振磨損等缺點，這些缺點是通過使齒輪共用的載荷從標準值偏離齒輪的自重或者使齒的接觸位置偏離標準位置帶來的。
同時，當如上所述，施加在減速齒輪等上的轉矩從負轉矩變為正轉矩時，引起轉矩必須變為小於必要最小轉矩的問題。
而且，由於原子反應爐的溫度升高速率受到限制，增加施加至減速齒輪等的轉矩的速率也受到限制，且難以縮短轉矩變為小於規定的必要最小轉矩的時間周期。
發明內容
為了解決上述問題，已經完成了本發明，並且其目標是提供一種控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備，其能夠通過控制施加在減速部上的載荷，同時遵從加在設置在渦輪機設備處的裝置上的限制來完成啟動操作。
為了實現上述目標，本發明提供了下述措施。
一種控制渦輪機設備的方法，特徵在於控制包括下述部分的渦輪機設備的方法 壓縮工作流體的壓縮部；加熱工作流體的熱源部；由加熱的工作流體驅動旋轉的渦輪機部；以及使工作流體至少在壓縮部、熱源和渦輪機部之間循環的循環流徑，該方法包括下述步驟升溫步驟，使流向渦輪機部的工作流體的溫度升高；流量增加步驟，在由熱源部升高流向渦輪機部的工作流體的溫度的過程中，增加從壓縮部的出口側旁通至進口側的工作流體的流量；以及流量降低步驟，在增加旁通工作流體的流量之後經歷預定時間周期之後，降低旁通工作流體的流量。
根據本發明，當流向渦輪機部的工作流體的溫度升高時，旁通工作流體的流量在預定時間周期期間增加，隨後，旁通工作流體的流量降低，因此，可以縮短在期間中施加至減速齒輪部的轉矩的絕對值變為比預定值更接近零的時間周期。
也就是說，當流向渦輪機部的工作流體的溫度開始升高時，通過增加從壓縮機的出口側旁通到進口側(即從壓縮機的出口側循環到進口側)的工作流體的流量，用於驅動壓縮機必需的轉矩增加，且施加至減速部的載荷增加。隨後，隨著時間的經歷，流向渦輪機部的工作流體的溫度進一步升高，並且因此，在渦輪機部處產生的旋轉驅動力增加，且施加至減速部的載荷逐漸變為接近零。
當在開始以使工作流體的溫度升高之後已經經歷預定時間周期時，施加至減速部的載荷的絕對值變為接近防止引起減速部出現障礙必需的預定值，且在該階段，旁通工作流體的流量降低。在這種情況中，由壓縮機壓縮的工作流體的流量降低，驅動壓縮機必需的轉矩降低。同時，在渦輪機部處，產生足夠的旋轉驅動力，因此，施加至減速機械的載荷變為沿與達到那個時間的方向相反的方向運行。例如，當在驅動旋轉壓縮機等的過程中由發電機施加至減速機械的載荷定義為負載荷時，該載荷變為正載荷。而且，施加至減速機械的載荷的值變為大於上述預定值。
而且，通過僅控制旁通工作流體的流量來控制施加至減速部的載荷，因此，甚至在溫度升高速率受限制的例如原子反應爐等的熱源的情況中，也可以控制施加至減速部的載荷，同時遵從施加在熱源部上的速度升高速率等的限制。
優選的是，本發明還包括下述步驟第一計算步驟，基於開始使工作流體的溫度升高之後經歷的時間周期計算在流量增加步驟和流量降低步驟中旁通工作流體的流量；第二計算步驟，基於所述壓縮機的進口側和出口側之間的壓力比和基於吸向渦輪機部的工作流體的溫度計算的壓縮機的修正轉數，計算防止引起所述壓縮機出現浪湧必需的旁通流量； 選擇步驟，在從由第一和第二計算步驟計算出的旁通流量選擇具有較大流量的旁通流量； 以及流量控制步驟，將從壓縮部的出口側旁通至進口側的工作流體的流量控制到選定的旁通流量。
根據本發明，從基於在開始升高工作流體的溫度之後經歷的時間周期的旁通流量和用於防止引起壓縮機浪湧的旁通流量中選擇具有較大流量的旁通流量，以被控制到選擇旁通工作流體的流量的旁通工作流體，並且因此，防止施加至減速部的載荷比預定值更接近零，並防止在壓縮機處引起浪湧。
本發明的一種渦輪機設備設置有壓縮部，壓縮工作流體；渦輪機部，由工作流體驅動旋轉；循環流徑，使工作流體至少在壓縮部和渦輪機部之間循環；旁通流徑，使工作流體從壓縮部的出口側旁通至進口側；流量控制部，控制流過旁通流徑的工作流體的流量； 電動機，在啟動過程中經由減速部驅動旋轉壓縮部和渦輪機部；和控制部，用於執行根據本發明的控制方法。
根據本發明，通過由控制部執行本發明的控制方法，控制從壓縮機的出口側旁通至進口側的工作流體的流量，並控制施加至減速部的載荷。
而且，通過僅控制旁通工作流體的流量控制施加至減速部的載荷，因此，甚至在熱源部為其溫度升高速率受到限制的熱源，例如為原子反應爐等的情況中，也可以控制施加至減速部的載荷，同時遵從施加在熱源部上的溫度升高速率等的限制。
根據本發明的控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備，當流向渦輪機部的工作流體的溫度升高時，通過在預定時間周期內增加旁通工作流體的流量，且隨後降低旁通工作流體的流量，實現了能夠執行控制施加至減速部的載荷的啟動操作的效果，同時遵從施加至設置在渦輪機設備處的裝置的限制。
圖1為用於說明根據本發明第一實施方式的發電設備的構造的示意圖。
圖2為用於說明圖1的發電設備的控制的框圖。
圖3為用於說明在啟動圖1的發電設備的過程中的控制的流程圖。
圖4為用於說明在啟動圖1的發電設備的過程中轉數隨時間的變化和第二旁通閥敞開度隨時間的變化的圖示。
圖5為用於說明施加至圖1的發電設備的減速齒輪部的轉矩隨時間的變化的圖
7J\ ο 圖6為用於說明根據本發明第二實施方式的修改例的發電設備的控制的框圖。
圖7為用於說明在啟動圖6的發電設備的過程中流向渦輪機部的工作流體的溫度隨時間的變化以及第一和第二旁通閥敞開度隨時間的變化的圖示。
圖8為用於說明根據本發明第二實施方式的發電設備的構造的示意圖。
圖9為用於說明圖8的發電設備的控制的框圖。
圖10為用於說明在啟動圖9的發電設備的過程中的控制的流程圖。
圖11為用於說明根據本發明第三實施方式的發電設備的構造的示意圖。
圖12為用於說明圖11的發電設備的控制的框圖。
圖13為用於說明在啟動圖11的發電設備的過程中的控制的流程圖。
具體實施例方式第一實施方式 將參照圖1至圖5描述根據本發明第一實施方式的包括閉環循環燃氣輪機的發電設備。
圖1為用於說明根據該實施方式的發電設備的構造的示意圖。
根據該實施方式，將給出將本發明應用於包括用於使構成工作流體的氦氣在封閉循環系統(閉環)中循環並採用原子反應爐作為加熱壓縮工作流體的熱源的燃氣輪機的發電設備的說明。
如圖1所示，發電設備(渦輪機設備)1主要設置有設置在同一旋轉軸2上的渦輪機部3、低壓壓縮機(壓縮部)4、高壓壓縮機(壓縮部)5和減速齒輪部(減速部)6，連接至減速齒輪部6的發電機(電動機)7，用於加熱由高壓壓縮機5壓縮的工作流體的原子反應爐8，以及用於使工作流體按順序在原子反應爐8、渦輪機部3、低壓壓縮機4和高壓壓縮機5中循環的循環流徑。
如圖1所示，渦輪機部3設置在旋轉軸2處，並由從反應爐8供給的高溫高壓工作流體驅動旋轉。
工作流體連接為能夠通過循環流徑9在原子反應爐8和渦輪機部3之間以及渦輪機部3和低壓壓縮機4之間流動。
如圖1所示，低壓壓縮機4設置在旋轉軸2處，用於通過使用經由旋轉軸2提供的旋轉驅動力壓縮工作流體。
工作流體連接為能夠通過循環流徑9在渦輪機部3和低壓壓縮機4之間以及低壓壓縮機4和高壓壓縮機5之間流動。
如圖1所示，高壓壓縮機5設置在旋轉軸2處，用於通過使用經由旋轉軸2提供的旋轉驅動力將工作流體壓縮至較高的壓力。
工作流體連接為能夠通過循環流徑9在低壓壓縮機4和高壓壓縮機5之間以及高壓壓縮機5和原子反應爐8之間流動。
如圖1所示，原子反應爐8設置在高壓壓縮機5和渦輪機部3之間，用於通過加熱從高壓壓縮機5傳遞的高壓工作流體將高溫高壓工作流體供給至渦輪機部3。
工作流體連接為能夠通過循環流徑9在高壓壓縮機5和原子反應爐8之間以及原子反應爐8和渦輪機部3之間流動。
如圖1所示，減速齒輪部6連接旋轉軸2和發電機7，以能夠傳遞轉驅動力，用於將來自旋轉軸2的旋轉驅動力傳遞至發電機7，或將來自發電機7的旋轉驅動力傳遞至旋轉軸 2，同時轉換轉數。
減速齒輪部6由多個齒輪和各種聯合類型的組合構成。例如，雖然可以將行星齒輪用作減速齒輪部6，但本發明不特別限於此。
如圖1所示，發電機7連接至減速齒輪部6，以能夠傳遞旋轉驅動力，並由渦輪機部 3經由旋轉軸2和減速齒輪部6驅動旋轉，以在發電設備1進入運行狀態時發電。
另一方面，在啟動發電設備1的過程中，渦輪機部3、低壓壓縮機4和高壓壓縮機5 通過採用從外面供給的動力經由旋轉軸2和減速齒輪部6驅動旋轉。
如圖1所示，循環流徑9為使工作流體在反應爐8、渦輪機部3、低壓壓縮機4和高壓壓縮機5之間循環的流徑。
循環流徑9設置有用於在從渦輪機部3流出的工作流體和從高壓壓縮機5傳遞的工作流體之間進行熱交換的再生熱交換器21、用於在吸至低壓壓縮機4的工作流體和海水之間進行熱交換的冷卻器22、用於在從低壓壓縮機4傳遞的工作流體和海水之間進行熱交換的中間冷卻器23。
如圖1所示，再生熱交換器21為用於通過回收來自從渦輪機部3流出的工作流體的熱量而加熱流向原子反應爐8的工作流體的熱交換器。再生熱交換器21設置在渦輪機部3和低壓壓縮機4之間以及高壓壓縮機5和原子反應爐8之間。
如圖1所示，冷卻器22為用於將從再生熱交換器21流出的工作流體的熱量散發到海水中的熱交換器。冷卻器22設置在再生熱交換器21和低壓壓縮機4之間。
而且，可以使用具有如上所述將工作流體的熱量散發到海水中的構造的冷卻器 22，或者可以使用具有將工作流體的熱量散發到其它介質中的構造的熱交換器，且本發明不特別限制。
如圖1所示，中間冷卻器23為用於將從低壓壓縮機4傳遞的工作流體的熱量散發到海水中的熱交換器。中間冷卻器23設置在低壓壓縮機4和高壓壓縮機5之間。
而且，可以使用具有如上所述將工作流體的熱量散發到海水中的構造的中間冷卻器23，或者可以使用具有將工作流體的熱量散發到其它介質中的構造的熱交換器。
而且，如圖1所示，循環流徑9設置有用於增加吸向低壓壓縮機4的工作流體的流量的第一旁通流徑(旁通流徑)31和第二旁通流徑(旁通流徑)32，第二旁通流徑(旁通流徑)32用於控制填充工作流體的量，即在循環流徑9內部流動的工作流體的流量，並用於增加吸向低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的工作流體的流量。
如圖1所示，第一旁通流徑31為再循環從中間冷卻器23流出的工作流體的一部分到低壓壓縮機4和冷卻器22之間的流徑。換句話說，第一旁通流徑31為這樣一種流徑， 其一端在中間冷卻器23和高壓壓縮機5之間連接至循環流徑9，其另一端在冷卻器22和低壓壓縮機4之間連接至循環流徑9。
第一旁通流徑31設置有用於控制再循環的工作流體的流量的第一旁通閥36。
如圖1所示，第一旁通閥36為設置在第一旁通流徑31處的用於控制在第一旁通流徑31中流動的工作流體的流量的閥。換句話說，第一旁通閥36為這樣一種閥，其控制吸向低壓壓縮機4的工作流體的流量，用於通過控制流量防止在低壓壓縮機4處產生浪湧。
雖然根據該實施方式，將給出適用於設置並行的兩個第一旁通閥36的說明，但第一旁通閥36的數量可以多於或少於兩個，且不特別限制。
如圖1所示，第二旁通流徑32為將工作流體填充至高壓壓縮機5的出口側和低壓壓縮機4的進口側中的一個或兩者的流徑，以及再循環從高壓壓縮機5傳遞的工作流體的一部分到再生熱交換器21和冷卻器22之間的流徑。換句話說，第二旁通流徑32為這樣一種流徑，其一端連接在高壓壓縮機5和再生熱交換器21之間，其另一端連接至在冷卻器22 和低壓壓縮機4之間。
第二旁通流徑32設置有連接至外部工作流體填充系統的第一緩衝罐41和第二緩衝罐42，以及設置在第一緩衝罐41和第二緩衝罐42之間的第二旁通閥(流量控制部)43。
第一緩衝罐41為設置在第二旁通流徑32的高壓壓縮機5側的罐。第二緩衝罐42 為設置在第二旁通流徑32的冷卻器22側的罐。
當工作流體填充至循環流徑9時，經由第一緩衝罐41和第二緩衝罐42中的一個或兩個從工作流體填充系統填充工作流體。
另一方面，當控制吸向低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的工作流體的流量時，使從高壓壓縮機5傳遞的工作流體的一部分按順序在第一緩衝罐41和第二緩衝罐42中流動並且再循環到再生熱交換器21和冷卻器22之間。
如圖1所示，第二旁通閥43為在第二旁通流徑32處設置在第一緩衝罐41和第二緩衝罐42之間的閥，用於控制在第二旁通流徑32中流動的工作流體的流量。換句話說，第二旁通閥43為用於在運行發電設備1的過程中控制吸向低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的工作流體的流量的閥，以及用於在啟動過程中控制施加至減速齒輪部6的轉矩的閥。
如圖2所示，從第二程序控制部51向第二旁通閥43輸入用於控制閥敞開度的控制信號。
雖然根據該實施方式，將給出適用於設置並行的兩個第二旁通閥43的說明，但第二旁通閥43的數量可以多於或少於兩個，且不特別限制。
圖2為用於說明圖1的發電設備的控制的框圖。
而且，根據發電設備1，如圖2所示，基於升溫啟動指令，第二程序控制部(控制部)51設置為用於控制第二旁通閥43。
將如下給出第二程序控制部51對第一旁通閥36的控制的說明。
接下來，將給出包括上述構造的發電設備1的發電的說明。
當運行時，即在發電設備1處執行發電時，如圖1所示，流向原子反應爐8的高壓工作流體通過吸收在原子反應爐8處產生的熱量而被進一步加熱，以作為例如約900°C的工作流體從原子反應爐8流出，流向循環流徑9。
工作流體從循環流徑9流向渦輪機部3。渦輪機部3從提供至流動高溫高壓工作流體的能量產生旋轉驅動力，將產生的旋轉驅動力傳遞至旋轉軸2。
旋轉驅動力從旋轉軸2傳遞至減速齒輪部6，並從減速齒輪部6傳遞至發電機7。 旋轉軸2的轉數降低至適合由減速齒輪部6驅動發電機7的轉數。
通過由傳遞的旋轉驅動力驅動旋轉，發電機7產生電力。
另一方面，從渦輪機部3流出時工作流體的溫度降低至約500°C，並且該工作流體經由循環流徑9流向再生熱交換器21。在再生熱交換器21處，在從渦輪機部3流出的工作流體和從隨後提到的高壓壓縮機5傳遞的工作流體之間進行熱交換，並且該工作流體從再生熱交換器21流出。
從再生熱交換器21流出的工作流體經由循環流徑9流向冷卻器22，以在工作流體和海水之間進行熱交換，冷卻至約20°C，隨後，從冷卻器22流出。
從冷卻器22流出的工作流體經由循環流徑9被吸向低壓壓縮機4。低壓壓縮機4 通過經由旋轉軸2從渦輪機部3提供的旋轉驅動力壓縮吸入的工作流體，以傳遞至循環流徑9。
從低壓壓縮機4傳遞的工作流體經由循環流徑9流向中間冷卻器23，以在工作流體和海水之間進行熱交換，冷卻至約20°C，隨後，從中間冷卻器23流出。
從中間冷卻器23流出的工作流體經由循環流徑9被吸向高壓壓縮機5。高壓壓縮機5通過經由旋轉軸2從渦輪機部3提供的旋轉驅動力將工作流體壓縮至較高的壓力，以傳遞至循環流徑9。
從高壓壓縮機5傳遞的工作流體經由循環流徑9流向再生熱交換器21，在該工作流體和從渦輪機部3流出的工作流體之間進行熱交換，被加熱至例如約450°C，並流出，流向循環流徑9。
從再生熱交換器21流出的工作流體經由循環流徑9流向原子反應爐8，並重複上述程序。
當在循環流徑9中流動的工作流體的流量小時，換句話說，流向低壓壓縮機4的工作流體的流量小時，第一旁通閥36打開，以防止低壓壓縮機4的浪湧的產生。
也就是說，通過打開第一旁通閥36，從低壓壓縮機4傳遞並且從中間冷卻器23流出的工作流體的一部分經由第一旁通流徑31在冷卻器22和低壓壓縮機4之間流到循環流徑9。因此，與在整個循環流徑9中循環的工作流體的流量相比，流向低壓壓縮機4的工作流體的流量增加，以防止低壓壓縮機4的浪湧的產生。
另一方面，當流向低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的工作流體的流量小是，第二旁通閥43打開，以防止低壓壓縮機4到高壓壓縮機5的浪湧的產生。
也就是說，通過打開第二旁通閥43，從高壓壓縮機5傳遞的工作流體的一部分經由第二旁通流徑32、第一緩衝罐41和第二緩衝罐42在再生熱交換器21和冷卻器22之間流到循環流徑9。因此，與在整個循環流徑9中循環的工作流體的流量相比，流向低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的工作流體的流量增加，以防止低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的浪湧的產生。
而且，當填充在循環流徑9中循環的工作流體的量小時，工作流體從經由第一緩衝罐41和第二緩衝罐42連接的工作流體填充系統填充到循環流徑9內部。
接下來，將說明構成該實施方式的特徵的啟動發電設備1中的控制。
圖3為用於說明啟動圖1的發電設備的過程中的控制的流程圖。
在啟動發電設備1的過程中，如圖1所示，動力從外面供給至發電機7。供給動力的發電機7作為電動機產生旋轉驅動力，以經由減速齒輪部6和旋轉軸2驅動旋轉渦輪機部3、低壓壓縮機4和高壓壓縮機5。
圖4為用於說明流向圖1的發電設備的渦輪機部的工作流體的溫度隨時間的變化和第二旁通閥的敞開度隨時間的變化的圖示。圖5為用於說明施加至圖1的發電設備的減速齒輪部的轉矩的圖示。
在這裡，圖5中的正轉矩表示在發電機7由渦輪機部3驅動旋轉時施加至減速齒輪部6的轉矩的值，負轉矩表示渦輪機部3、低壓壓縮機4和高壓壓縮機5由發電機7驅動旋轉時施加至減速齒輪部6的轉矩值。
渦輪機部3等被驅動以例如約6000轉每分鐘的額定轉數旋轉，直到發電設備1啟動並且輸入升溫開始指令(Tl)。在這種情況中，流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin以及第二旁通閥43的敞開度V2被控制為恆定，如圖4和圖5所示。因此，施加至減速齒輪部 6的轉矩被控制為負轉矩-Q。
隨後，當升溫開始指令輸入發電設備I(Tl)時，原子反應爐8的升溫開始，如圖4 所示，由原子反應爐8加熱並流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin的升溫也開始(步驟 Sl (升溫步驟))。
同時，第二程序控制部51執行打開第二旁通閥43的敞開度V2的控制(步驟 S2(流量增加步驟))。
當流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin升高時，在渦輪機部3處產生旋轉驅動力。另一方面，通過打開第二旁通閥43，從高壓壓縮機5的出口側再循環至再生熱交換器 21和冷卻器22之間的循環流徑9的工作流體的流量增加，用於驅動低壓壓縮機4和高壓壓縮機5必需的轉矩增加。
當供給至減速齒輪部6的轉矩的絕對值通過渦輪機部3的旋轉驅動力降低時，通過增加驅動低壓壓縮機4和高壓壓縮機5的轉矩而增加該絕對值，因此，如圖5所示，該絕對值整體增加(當進展到圖5的右側時降低)。
甚至在第二旁通閥43已經打開之後，原子反應爐8的升溫也繼續，如圖4所示，流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin也持續升高。
因此，在渦輪機部3處產生的旋轉驅動力持續增加，如圖5所示，施加至減速齒輪部6的轉矩的絕對值隨著流向渦輪機部3的工作流體的升溫而降低(當進展到圖5的右側時增加)。
當在輸入升溫開始指令之後已經經歷預定時間周期時(T2)，施加至減速齒輪部6 的轉矩變為目標轉矩-Q。
在這裡，第二程序控制部51執行降低第二旁通閥43的敞開度V2的控制(步驟 S3(流量降低步驟))。
當第二旁通閥43的敞開度V2降低時，從高壓壓縮機5的出口側循環至再生熱交換器21和冷卻器22之間的循環流徑9的工作流體的流量降低，用於驅動低壓壓縮機4和高壓壓縮機5必需的轉矩降低。
通過降低驅動低壓壓縮機4和高壓壓縮機5必需的轉矩，施加至減速齒輪部6的轉矩很快增加，並經歷負的預定轉矩(預定值)-Ql到正的預定轉矩(預定值)Ql的間隔。
在這裡，由圖5中的虛線指示的曲線示出當在不控制第二旁通閥43的敞開度的情況下流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin升高時，施加至減速齒輪部6的轉矩隨時間的變化。
如圖5所示，通過由第二程序控制部51控制第二旁通閥43的敞開度，施加至減速齒輪部6的轉矩在從正的第一預定轉矩Ql至負的第一預定轉矩-Ql的間隔中的時間周期縮短。
而且，在圖5中的正的第一預定轉矩Ql至負的第一預定轉矩-Ql之間的區域為其中施加至減速齒輪部6的轉矩小且在構成減速齒輪部6的齒輪等處引起微振磨損的可能性高的區域。
根據上述構造，當流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin升高時，旁通工作流體的流量在預定時間周期期間增加，隨後，旁通工作流體的流量降低，因此，可以縮短在期間中施加至減速齒輪部6的轉矩的絕對值變為比預定轉矩-Ql更接近零的時間周期。因此，當執行啟動操作時，可以控制施加至減速齒輪部6的轉矩，同時遵從在設置在發電設備1處的裝置上施加的施加在原子反應爐8上的溫度升高速率等等的限制。
而且，通過僅控制旁通工作流體的流量來控制施加至減速齒輪部6的轉矩，因此， 即使在採用溫度升高速率受限制的原子反應爐8等熱源的發電設備1中，也可以控制施加至減速齒輪部6的轉矩，同時遵從施加在原子反應爐8上的溫度升高速率等限制。
第一實施方式的修改例 接下來，將參照圖6和7描述本發明的第一實施方式的修改例。
雖然該修改例的發電設備的基本結構與第一實施方式類似，但該修改例與第一實施方式的控制第一旁通閥的方法不同。因此，根據該修改例，將僅參照圖6和圖7說明第一旁通閥的控制，且將省略其它構成元件等的說明。
圖6為用於說明根據該修改例的發電設備的控制的框圖。
而且，與第一實施方式相同的構成元件採用相同的標記，且將省略對它們的說明。
如圖6所示，該實施方式的發電設備101的控制部150設置有用於控制第二旁通閥43的敞開度的第二程序控制部51和用於控制第一旁通閥(流量控制部)36的敞開度的第一程序控制部(控制部)151。
第一程序控制部151基於溫度升高開始指令控制第一旁通閥36的敞開度。
將如下說明在程序控制部151中對第一旁通閥36的敞開度的控制。
接下來，將說明構成該實施方式的特徵的啟動發電設備101過程中的控制。
而且，在啟動過程中，雖然第二程序控制部51和第一程序控制部151分別控制第二旁通閥43和第一旁通閥36的敞開度，但第二程序控制部51對第二旁通閥43的敞開度的控制類似於第一實施方式中的控制，因此，將省略對這種控制的說明。
而且，發電設備101處的發電類似於根據第一實施方式的發電，因此，將省略對其的說明。
圖7為用於說明在啟動圖6的發電設備的過程中流向渦輪機部的工作流體的溫度隨時間的變化以及第一和第二旁通閥敞開度隨時間的變化的圖示。而且，圖7中的曲線Vl 表示第一旁通閥36的敞開度，曲線V2表示第二旁通閥43的敞開度。
渦輪機部3等被驅動以例如約6000轉每分鐘的額定轉數旋轉，直到發電設備101 啟動並且輸入升溫開始指令(Tl)。在這種情況中，流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin、 第一旁通閥36的敞開度Vl和第二旁通閥43的敞開度V2被控制為恆定，如圖7所示。
隨後，當升溫開始指令輸入發電設備IOl(Tl)時，原子反應爐8的升溫開始，如圖 7所示，由原子反應爐8加熱並流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin的升溫也開始。
同時，第一程序控制部151執行打開第一旁通閥36的敞開度V2的控制。
當第一旁通閥36打開時，從低壓壓縮機4傳遞並經過中間冷卻器23的製冷劑的一部分經由第一旁通流徑31再循環至低壓壓縮機4的進口側。換句話說，由低壓壓縮機4 壓縮的工作流體的流量增加，且驅動低壓壓縮機4必需的驅動轉距增加(參見圖1)。
隨後，施加至設置在構成電動機的發電機7和低壓壓縮機4之間的減速齒輪部6 的轉矩的絕對值也增加。
在打開第一旁通閥36和第二旁通閥43以後，原子反應爐8的升溫持續進行，並且如圖7所示，流向渦輪機部3的工作流體的溫度Tin持續升高。
因此，在渦輪機部3處產生的旋轉驅動力持續增加，並且類似於第一實施方式，施加至減速齒輪部6的轉矩的絕對值隨著流向渦輪機部3的工作流體的升溫而降低。
當在輸入升溫開始指令(T2)之後已經經歷預定時間周期時，施加至減速齒輪部6 的轉矩變為目標轉矩-Q。
在這裡，第一程序控制部151和第二程序控制部51執行分別降低第一旁通閥36 的第一敞開度Vl和第二旁通閥43的敞開度V2的控制，如圖7所示。
當第一旁通閥36的敞開度Vl降低時，從低壓壓縮機4的出口側再循環至進口側的工作流體的流量降低，且驅動低壓壓縮機4必需的轉矩降低。
通過降低用於驅動低壓壓縮機4和高壓壓縮機5必需的轉矩，施加至減速齒輪部 6的轉矩很快增加，並經歷負的預定轉矩(預定值)-Ql到正的預定轉矩(預定值)Ql的間隔。
根據上述構造，通過採用第一程序控制部51和第二程序控制部151分別控制第一旁通閥36的敞開度Vl和第二旁通閥43的敞開度V2，便於施加至減速齒輪部6的轉矩的控制。
也就是說，第一和第二旁通閥36、43的總能力可以用於控制施加至減速齒輪部6的轉矩，因此，沒有必要通過大尺寸構造或增加其零件數量來構成第一旁通閥和第二旁通閥43中的任一個。因此，免除了用於控制施加至減速齒輪部6的轉矩的操作端的改變或添加，並可以限制發電設備101的最初成本的增加。
第二實施方式 接下來，將參照圖8至圖10描述本發明的第二實施方式。
雖然該實施方式的發電設備類似於第一實施方式，但該實施方式與第一實施方式控制第二旁通閥的方法不同。因此，根據該實施方式，將僅參照圖8至圖10說明控制第二旁通閥的方法，且將省略其它構成元件等的說明。
圖8為用於說明根據該實施方式的發電設備的構造的示意圖。圖9為用於說明圖 8的發電設備的控制的框圖。
而且，與第一實施方式相同的構成元件採用相同的標記，且將省略對它們的說明。
如圖8和圖9所示，該實施方式的發電設備201還設置有用於測量高壓壓縮機5的進口側的工作流體壓力和出口側的工作流體壓力之間的壓力比的第二壓力比測量部沈1、 用於測量流向渦輪機部3的工作流體的溫度的溫度測量部沈2、以及用於計算修正轉數的修正轉數計算部263。
如圖8所示，第二壓力比測量部為用於測量吸入高壓壓縮機5的工作流體的壓力和從高壓壓縮機5傳遞的工作流體的壓力的比值的測量部。如圖9所示，由第二壓力比測量部261測量的壓力比被輸入到控制部250的第二浪湧控制部251。
如圖8所示，溫度測量部262為測量流向渦輪機部3的工作流體的溫度的測量部。 如圖9所示，由溫度測量部262測量的溫度輸入修正轉數計算部沈3。
如圖9所述，修正轉數計算部263基於從溫度測量部262輸入的溫度Ti和渦輪機部3的實際轉數Ν由下述等式計算修正轉數m。
Nl = N/『(Π) 由修正轉數計算部263計算的修正轉數附被輸入到第二浪湧控制部251。
而且，如圖9所示，該實施方式的發電設備201的控制部250設置有用於基於由轉矩計11測量的轉矩控制第二旁通閥43的敞開度V2的第二程序控制部51、用於通過計算用於防止在高壓壓縮機5處引起浪湧的吸入流量控制第二旁通閥43的敞開度V2的第二浪湧控制部251、以及用於從從第二程序控制部51和第二浪湧控制部(控制部)251輸出的控制信號中選擇使第二旁通閥43的敞開度V2大的控制信號的第二選擇部252。
如圖9所示，第二浪湧控制部251基於從第二壓力比測量部261輸入的壓力比和從修正轉數計算部263輸入的修正轉數m計算用於防止在高壓壓縮機5處引起浪湧的吸入流量，基於計算出的吸入流量計算第二旁通閥43的敞開度V2，並輸出控制敞開度V2的控制信號。
從第二浪湧控制部251輸出的控制信號被輸入到第二選擇部252。
在這裡，計算出的用於防止引起浪湧的吸入流量為向在高壓壓縮機5中引起浪湧的吸入流量添加預定餘量(餘地)的流量。因此，第二旁通閥43的計算出的敞開度V2為用於使添加有上述餘量的流量的工作流體流向高壓壓縮機5的敞開度。
如圖9所示，第二選擇部252從從反饋控制部51輸入的控制信號和從第二浪湧控制部251輸入的控制信號中選擇使所適用的第二旁通閥43的敞開度較大的控制信號。
選定的控制信號從第二選擇部252被輸出至第二旁通閥43。
接下來，將說明構成該實施方式的特徵的啟動發電設備201的過程中的控制。
而且，雖然在啟動過程中，第二程序控制部51和第二浪湧控制部251分別地計算第二旁通閥43的敞開度V2並且輸出控制信號，但由第一程序控制部51進行的對第二旁通閥43的敞開度V2的計算與第一實施方式中的情況類似，因此，將省略對其的說明。
而且，發電設備201處的發電與根據第一實施方式的發電類似，因此，將省略對其的說明。
圖10為用於說明啟動圖10的發電設備的過程中的控制的流程圖。
在發電設備201的過程中，如圖10所示，在反饋控制部51中進行的旁通流量計算和第二旁通閥43的敞開度V2的計算(步驟S21 (第一計算步驟))，以及在第二浪湧控制部251處進行的旁通流量計算和第二旁通閥43的敞開度V2的計算(步驟S22 (第二計算步驟))相互獨立地執行。
如圖9所示，對控制部250的第二浪湧控制部251進行輸入，高壓壓縮機5的進口側和出口側的工作流體之間的壓力比從第二壓力比測量部261輸入，修正轉數m從修正轉數計算部263輸入。
第二浪湧部251基於輸入的壓力比和輸入的修正轉數附計算用於防止引起高壓壓縮機5出現浪湧的吸入流量。基於預先存儲至第二浪湧控制部251的表格等，在第二浪湧控制部251中計算用於防止引起浪湧的流量。
第二浪湧控制部251還基於計算出的吸入流量計算第二旁通閥43的敞開度V2，並向第二選擇部252輸出控制第二旁通閥43的敞開度的控制信號。
如圖9所示，從第二浪湧控制部251向第二選擇部252輸入控制第二旁通閥43的敞開度V2的控制信號，並還從反饋控制部51輸入控制第二旁通閥43的敞開度V2的控制信號。
第二選擇部252從輸入的控制信號選擇使第二旁通閥43的敞開度較大的控制信號，並將選定的控制信號輸出至第二旁通閥43 (步驟S23 (選擇步驟))。
在第二旁通閥43處，基於輸入的控制信號控制敞開度V2，並控制流向第二旁通閥 32的工作流體的流量(步驟SM (流量控制步驟))。
根據上述構造，基於在開始升高工作流體的溫度之後經歷的時間周期，即在輸入升溫開始指令之後經歷的時間周期，從旁通流量中選擇具有較大流量的旁通流量，並將用於防止引起高壓壓縮機5浪湧的旁通流量和旁通工作流體的流量控制到選定的旁通流量， 因此，防止施加至減速齒輪部6的轉矩比目標轉矩Q和-Q更接近零，並防止在壓縮機5處引起浪湧。
特別地，即使在出現其中易於在高壓壓縮機5中引起浪湧的情況時，也可以防止引起高壓壓縮機5的浪湧。
第三實施方式 接下來，將參照圖11至圖13描述本發明的第四實施方式。
雖然該實施方式的發電設備類似於第二實施方式，但第三實施方式與第二實施方式控制第一旁通閥的方法不同。因此，根據該實施方式，將僅參照圖11至圖13說明控制第一旁通閥的方法，且將省略其它構成元件等的說明。
圖11為用於說明根據該實施方式的發電設備的構造的示意圖。圖12為用於說明圖11的發電設備的控制的框圖。
而且，與第二實施方式相同的構成元件採用相同的標記，且將省略對它們的說明。
如圖11和圖12所示，該實施方式的發電設備301還設置有用於測量低壓壓縮機 4的進口側的工作流體壓力和出口側的工作流體壓力之間的壓力比的第一壓力比測量部 361。
如圖11所示，第一壓力比測量部361為用於測量吸入低壓壓縮機4的工作流體的壓力和從低壓壓縮機5傳遞的工作流體的壓力的比值的測量部。如圖12所示，由第一壓力比測量部361測量的壓力比被輸入到控制部350的第一浪湧控制部351。
而且，如圖12所示，該實施方式的發電設備301的控制部350設置有用於基於由轉矩計11測量的轉矩控制第一旁通閥36的敞開度Vl的程序控制部151、用於通過計算用於防止低壓壓縮機4出現浪湧的吸入流量控制第一旁通閥36的敞開度Vl的第一浪湧控制部(控制部)351、以及用於從從程序控制部151和第一浪湧控制部351輸入的控制信號中選擇使第一旁通閥的敞開度較大的控制信號的第一選擇部352。
如圖12所示，第一浪湧控制部351基於從第一壓力比測量部361輸入的壓力比和從修正轉數計算部263輸入的修正轉數m計算用於防止在低壓壓縮機4處引起浪湧的吸入流量，基於計算出的吸入流量計算第一旁通閥36的敞開度VI，並輸出控制敞開度Vl的控制信號。
從第一浪湧控制部351輸出的控制信號輸入第一選擇部352。
在這裡，計算出的用於防止引起浪湧的吸入流量為向在低壓壓縮機4中引起浪湧的吸入流量添加預定餘量(餘地)的流量。因此，第一旁通閥36的計算出的敞開度Vl為用於使添加有上述餘量的流量的工作流體流向低壓壓縮機4的敞開度。
如圖12所示，第一選擇部352從從程序控制部151輸入的控制信號和從第一浪湧控制部351輸入的控制信號中選擇使所適用的第一旁通閥36的敞開度Vl較大的控制信號。
選定的控制信號從第一選擇部352輸出至第一旁通閥36。
接下來，將說明構成該實施方式的特徵的啟動發電設備301的過程中的控制。
在啟動發電設備301的過程中，類似於第二實施方式，從第二程序控制部51和第二浪湧控制部251向第二選擇部252輸入控制第二旁通閥43的敞開度V2的信號，由第二選擇部252選擇的控制信號輸入第二旁通閥43。
圖13為用於說明啟動圖11的發電設備的控制的流程圖。
與控制第二旁通閥43的敞開度同時，如圖13所示，在程序控制部151處進行的旁通流量計算和第一旁通閥36的敞開度的計算(步驟S31 (第一計算步驟))，以及在第一浪湧控制部351處進行的旁通流量計算和第一旁通閥36的敞開度的計算(步驟S32 (第二計算步驟))相互獨立地執行。
如圖12所示，從第一壓力比測量部361向控制部350的第一浪湧控制部351輸入低壓壓縮機4的進口側和出口側的工作流體之間的壓力比，並從修正轉數計算部263輸入修正轉數附。
第一浪湧部351基於輸入的壓力比和輸入的修正轉數附計算用於防止引起低壓壓縮機4出現浪湧的吸入流量。基於預先存儲至第一浪湧控制部351的表格等，在第一浪湧控制部351中計算用於防止引起浪湧的流量。
第一浪湧控制部351還基於計算出的吸入流量計算第一旁通閥36的敞開度VI，並向第一選擇部352輸出控制第一旁通閥36的敞開度的控制信號。
如圖12所示，從第一浪湧控制部351向第一選擇部252輸入控制第一旁通閥36 的敞開度Vl的控制信號，並還從程序控制部151輸入控制第一旁通閥36的敞開度Vl的控制信號。
第一選擇部352從輸入的控制信號選擇使第一旁通閥36的敞開度較大的控制信號，並將選定的控制信號輸出至第一旁通閥36 (步驟S33 (選擇步驟))。
在第一旁通閥36處，基於輸入的控制信號控制敞開度，並控制流過第一旁通閥31 的工作流體的流量(步驟S34 (流量控制步驟))。
根據上述構造，從基於在開始升高工作流體的溫度之後經歷的時間周期的旁通流量和用於防止引起低壓壓縮機5浪湧的旁通流量中選擇具有較大流量的旁通流量，並將旁通工作流體的流量控制到選定的旁通流量，因此，防止施加至減速齒輪部6的轉矩變得比目標轉矩Q和-Q更接近零，並防止在壓縮機4處引起浪湧。
特別地，即使在出現其中由於擾動容易引起低壓壓縮機4浪湧的情況時，也可以防止引起低壓壓縮機4的浪湧。
而且，本發明的技術範圍不限於上述實施方式，而是可以在不偏離本發明的要旨的範圍進行多種修改。
例如，雖然根據上述實施方式，已經給出了本發明適用於其中壓縮機由兩級，即由低壓壓縮機4和高壓壓縮機5構成的例子的說明，但壓縮機可以由一級構成，或由三級或更多級構成，且不特別限制。
權利要求
1.一種控制渦輪機設備的方法，特徵在於，控制包括下述部分的渦輪機設備的方法 壓縮工作流體的壓縮部；加熱工作流體的熱源部；由加熱的工作流體驅動旋轉的渦輪機部；以及使工作流體至少在壓縮部、熱源和渦輪機部之間循環的循環流徑，該方法包括下述步驟升溫步驟，使流向渦輪機部的工作流體的溫度升高；流量增加步驟，在由熱源部升高流向渦輪機部的工作流體的溫度的過程中，增加從壓縮部的出口側旁通至進口側的工作流體的流量；以及流量降低步驟，在增加旁通工作流體的流量之後經歷預定時間周期之後，降低旁通工作流體的流量。
2.根據權利要求1所述的控制渦輪機設備的方法，特徵在於，還包括下述步驟第一計算步驟，基於開始升高工作流體的溫度之後經歷的時間周期，計算在流量增加步驟和流量降低步驟中旁通工作流體的流量；第二計算步驟，基於所述壓縮機的進口側和出口側之間的壓力比和基於吸向壓縮機的工作流體的溫度計算的壓縮機的修正轉數，計算防止引起所述壓縮機出現浪湧必需的旁通流量；選擇步驟，從由第一和第二計算步驟計算出的旁通流量選擇具有較大流量的旁通流量；以及流量控制步驟，將從壓縮部的出口側旁通至進口側的工作流體的流量控制到選擇的旁通流量。
3.一種渦輪機設備，特徵在於，設置有 壓縮部，壓縮工作流體；渦輪機部，由工作流體驅動旋轉；循環流徑，使工作流體至少在壓縮部和渦輪機部之間循環； 旁通流徑，使工作流體從壓縮部的出口側旁通至進口側； 流量控制部，控制流過旁通流徑的工作流體的流量； 電動機，在啟動過程中經由減速部驅動壓縮部和渦輪機部旋轉；和控制部，用於執行根據權利要求1或2所述的控制方法。
全文摘要
本發明提供一種控制渦輪機設備的方法和渦輪機設備，渦輪機設備能夠執行控制施加至減速部的載荷的啟動操作，同時遵從施加在設置在渦輪機設備處的裝置上的限制。本發明的特徵在於，包括下述步驟升溫步驟(S1)，使流向渦輪機部的工作流體的溫度升高；流量增加步驟(S2)，在由熱源部升高流向渦輪機部的工作流體的溫度的過程中，增加從壓縮部的出口側旁通至進口側的工作流體的流量；以及流量降低步驟(S3)，在增加旁通工作流體的流量之後經歷預定時間周期之後，降低旁通工作流體的流量。
文檔編號F01K13/02GK102187064SQ20098011086
公開日2011年9月14日 申請日期2009年3月27日 優先權日2008年3月28日
發明者小野仁意, 園田隆, 杼谷直人, 加藤誠, 宇麼谷雅英, 藤井文倫 申請人:三菱重工業株式會社, 卵石床模塊反應器有限公司