JP-2026514617-A - 水力発電プラントにおけるエネルギー発生システムに適用される自動制御システム

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Abstract

水力発電プラントにおけるエネルギー発生システムに適用される自動制御システムであって、前記自動制御システムは、複数のニューマティックアクチュエータ（１）のセットと、圧縮空気源と、複数のニューマティックバルブ（３および４）のセットと、少なくとも１つのリニア位置トランスデューサ（５）と、複数のエマージェンシーバルブ（６および７）のセットと、水力発電プラントの運転時および非常停止時に、複数のニューマティックバルブ（３および４）およびエマージェンシーバルブ（６および７）の動作に基づいて複数のニューマティックアクチュエータ（１）の位置を制御する役割を担うＰＩＤコントローラ（Ｃ）と、を備えている。

Inventors

コンテレート，グレゴリピコロット
ワイス，レオナルドアウグスト
スパーダ，ターレスアウグストブラガーノロ
デネグリ，ヴィクトルジュリアノ
ヴィーゴロ，ヴィニシウス
ドスーザ，チアゴヌネス

Assignees

レイバックスエッサ／アーアウトマサウエーコントロレ
リオパラナパネマエネルジアエッサ．アー．

Dates

Publication Date: 20260513
Application Date: 20240419
Priority Date: 20230420

Claims (3)

水力発電プラントにおけるエネルギー発生システムに適用される自動制御システムであって、少なくとも２つの、アクチュエータ（１Ａ）およびアクチュエータ（１Ｂ）を含んでいる、複数のアクチュエータ（１）のセットを備えており、複数の前記アクチュエータ（１）のセットは、チャンバ（１０Ａ）およびチャンバ（１１Ａ）と、チャンバ（１０Ｂ）およびチャンバ（１１Ｂ）と、をそれぞれ備えており、複数の前記アクチュエータのセット（１）は、圧縮空気源（２）に接続されているとともに、エネルギー発生タービンの複数のブレードのセットの角度を制御するために、前記アクチュエータ（１）のセットのうちの少なくとも１つのアクチュエータの位置をチェックするための、少なくとも１つのリニアトランスデューサ（５）に接続されており、前記自動制御システム（Ｓ）は、前記圧縮空気源（２）を通じて、複数のニューマティックバルブ（３および４）のセットを駆動するニューマティック回路を備えており、複数の前記ニューマティックバルブは、互いに平行に配置されており、かつ、複数のエマージェンシーバルブ（６および７）のセットの入気口における圧力を調整し、複数の前記エマージェンシーバルブは、互いに平行に配置されており、複数の前記ニューマティックバルブ（３および４）は、複数の前記エマージェンシーバルブ（６および７）のセットと直列に配置されており、複数の前記エマージェンシーバルブのセットは、複数の前記ニューマティックバルブ（３および４）のセットと、複数の前記アクチュエータ（１）のそれぞれの線形変位速度を制御するための複数の流量調整バルブ（８および９）のセットと、の間に配置されており、複数の前記エマージェンシーバルブ（６および７）のセットは、非常時に、複数の前記ニューマティックバルブ（３および４）のセットを流体的に隔離し、前記エマージェンシーバルブ（６）が前記アクチュエータ（１Ａ）および前記アクチュエータ（１Ｂ）の前記チャンバ（１１Ａ）および前記チャンバ（１０Ｂ）のそれぞれを同時に駆動し、かつ、前記エマージェンシーバルブ（７）が前記アクチュエータ（１Ａ）および前記アクチュエータ（１Ｂ）の前記チャンバ（１０Ａ）および前記チャンバ（１１Ｂ）のそれぞれを同時に駆動することによって、複数のプランジャ（１２Ａおよび１２Ｂ）を線形的に変位させて、前記エネルギー発生タービン（Ｔ）の複数の前記ブレード（Ｐ）を角度的に変位させる、自動制御システム。
前記アクチュエータ（１Ａ）の前記チャンバ（１０Ａ）が前記アクチュエータ（１Ｂ）の前記チャンバ（１１Ｂ）と流体的に接続されており、かつ、前記アクチュエータ（１Ａ）の前記チャンバ（１１Ａ）が前記アクチュエータ（１Ｂ）の前記チャンバ（１０Ｂ）と流体的に接続されていることによって、複数の前記アクチュエータ（１Ａおよび１Ｂ）がバランスを保っており、かつ、複数の前記プランジャ（１２Ａおよび１２Ｂ）が互いに反対方向に同じ量だけ変位する、請求項１に記載の水力発電プラントにおけるエネルギー発生システムに適用される自動制御システム。
前記自動制御システム（Ｓ）は、ａ）ＰＩＤコントローラ（Ｃ）がエマージェンシー信号を受信するステップ、ｂ）前記ＰＩＤコントローラ（Ｃ）が、複数の前記エマージェンシーバルブ（６および７）のセットを同時に切り替えて、複数の前記ニューマティックバルブ（３および４）のセットを隔離するステップ、ｃ）前記エマージェンシーバルブ（７）が、アクチュエータ（１Ａ）のチャンバ（１０Ａ）とアクチュエータ（１Ｂ）のチャンバ（１１Ｂ）とを大気圧に接続し、複数の前記チャンバ（１０Ａおよび１１Ｂ）の内部の圧力をリリースするステップ、ｄ）ステップｃと同時に、前記エマージェンシーバルブ（６）が、前記アクチュエータ（１Ａ）のチャンバ（１１Ａ）と前記アクチュエータ（１Ｂ）のチャンバ（１０Ｂ）とを、前記圧縮空気源（２）を通じて前記ニューマティック回路の圧力に接続するステップ、ｅ）複数の前記流量調整バルブ（８および９）のセットが、各アクチュエータ（１Ａおよび１Ｂ）の線形変位速度を制御するステップ、ｆ）前記アクチュエータ（１Ａ）のプランジャ（１２Ａ）が完全に後退するとともに、前記アクチュエータ（１Ｂ）のプランジャ（１２Ｂ）が、予め設定された速度で、かつ、複数の前記流量調整バルブ（８および９）のセットによって制御されて、完全に前進するステップ、および、ｇ）少なくとも１つのリニアトランスデューサ（５）が、複数の前記アクチュエータ（１Ａおよび１Ｂ）のうちの少なくとも１つのアクチュエータの位置をチェックし、複数のタービンブレードのセットの安全な位置を示す信号を前記ＰＩＤ（Ｃ）に送信するステップ、に従って動作する、請求項１に記載の前記自動制御システム（Ｓ）を使用する、水力発電プラントにおけるエネルギー発生システムに適用される自動制御システム。

Description

発明の詳細な説明［出願の分野］本発明の特許は、機械工学およびオートメーションの分野に関連しており、より具体的には、特にニューマティックアクチュエータ（空気圧アクチュエータ）またはハイドローリックアクチュエータ（液圧アクチュエータ）を使用して、発電機／エネルギー発生タービンの回転運動を制御する、可動ブレードまたは可動ニードルを備えたエネルギー発生タービンに対する自動制御システムの開発に関連している。上述の自動制御システムは、モータまたは水力タービンに向かう流量を制御するブレードまたはニードルの角度調整を実現することによって、エネルギー発生プロセスを制御および最適化する。さらに、当該システムでは、故障が発生した場合に、ニューマティックコンポーネントまたはハイドローリックコンポーネントがアクチュエータを所定の位置にロックし、タービンが回転することを防止できる。それゆえ、当該システムは、プラントの運転安全性を向上させることもできる。［現在の技術水準］バレッジ（堰）またはダムを用いて電力を発生させることが可能なエネルギー発生タービンは、現在の技術水準において周知である。バレッジは、リザーバ（貯水池）または水力発電流域を形成し、落水（waterfall）を生じさせる。落水を用いて、タービンブレードおよびロータ（回転子）を動作させることができる。同様に、化石燃料（天然ガス，石炭）の燃焼によるエネルギー発生に応じたタービンの用途では、バーナの排気生成物がタービンの入気口（inlet）へと導かれ、タービンの回転ブレードを動作させる。いずれの場合においても、タービンは回転する発電機（electrical generator）に接続されている。発電機は、タービンの機械エネルギーを電気エネルギーへと変換する。エネルギー発生プロセスによって得られる電力の効率を最適化し、かつ、当該電力を制御するために、タービン入気口における流量および圧力などのパラメータは、バレッジのバルブを開くことによって、または、燃焼させる化石燃料の量によって、調整することが可能である。これにより、回転数およびトルクを増加させ、その結果として、発電機において生じる電気エネルギーの量を増加させることができる。さらに、可動ブレードロータ（moving blade rotor）を有するタービンを使用することによって、エネルギー発生プロセスにおけるタービン効率を変化させることができる。可動ブレードを有するタービンは、エネルギー発生プロセスの効率を高めるために使用されており、現在の技術水準において周知である。当該ブレードは、得られる電気エネルギーの量を制御するためにも使用されうる。当該ブレードは、タービンおよび発電機の回転数を一定に維持する。したがって、タービンの入気口における流体の流量および圧力に変動が生じたとしても、電圧および周波数を変動させることなく、電気的なネットワークの内部におけるエネルギーを維持できる。水力発電タービンの場合、発電プロセスは、干ばつまたは過度の降雨などの気候の影響と、貯水池の水量とに強く依存している。短期間において水柱（water column）の大きい変動が生じた場合、同等の発電量を維持するためには、ブレードの開度をさらに大きくする必要がある。機械が停止した場合には、水撃（water hammer）、キャビテーション、または設計限界を超える回転数などの現象が発生するおそれがある。このような場合、エマージェンシー（非常，緊急）停止システムが必要となる。エマージェン停止システムは、タービンのブレードまたはニードルを制御された速度で動作させ、アクチュエータをロックする。これにより、タービンへの流量通過が生じなくなる。つまり、アクチュエータは、安全な位置においてロックされる。したがって、タービンおよび発電機のコンポーネント（部品，構成要素）がダメージを受けるリスクを低減できる。ブレードの角度位置の調整は、ハイドローリックアクチュエータによって実現されることが一般的である。しかしながら、不利益であることに、ハイドローリックアクチュエータのメンテナンスコストは高価である。ハイドローリックシステムのメンテナンスを実行するためには、ハイドローリックラインにおけるオイルの除去、保管、フィルタリング、およびフラッシングを実行する必要があるからである。さらに、不利益であることに、ハイドローリック駆動のアクチュエータを使用することは、高い漏洩リスクを伴っている。水力発電プラントの場合、オイルが河川またはリザーバ自体に漏洩することに起因する環境リスクも生じる。タービンの可動ブレードまたはニードルの回転を制御するためのハイドローリックアクチュエータシステムの代替案としては、ニューマティックアクチュエータを使用することが挙げられる。有益であることに、ニューマティックアクチュエータは、ニューマティックラインにおける漏洩の発生時に、環境に対するアクシデント（事故）を生じさせない。文献ＣＮ１０９２０９９７４Ａは、ブレード位置検出機構を備えており、かつ、コンプレッサ排気口（アウトレット）の圧力変動を伴う二重動作型ニューマティックアクチュエータを用いた可動ブレードを有するエアコンプレッサの自動制御システムを開示している。プロセス効率を最適化するために、コンプレッサ排気の圧力およびブレード位置制御ループに入力される。コンプレッサは、モータに由来する電気エネルギーを、位置的な力学的エネルギー（potential mechanical energy）へと変換し、流体の圧力を上昇させる。このように、コンプレッサは、タービンとは逆の手法によって動作するが、同じコンセプトをタービンに対して適用することが可能である。したがって、バレッジにおける水柱の位置的な力学的エネルギーを利用して、電気エネルギーを発生させることができる。文献ＣＮ１０９２０９９７４Ａの欠点は、アクチュエータに対する空気流量制御が単一の３位置ソレノイド方向制御バルブと、複数のストローク終端センサとによって実行されるという事実である。この解決策では、水撃のリスクを低減するためのバルブの動作閉止カーブの調整、規定速度を超えるロータの動作、または、速度制御された負荷の移動／取得を実行することができない。文献ＣＮ１０９２０９９７４Ａの別の欠点は、ニューマティックコンポーネントが故障した場合、または、エマージェンシー停止が必要とされる場合における、ブレード位置ロック機構を示していないことである。文献ＣＮ１０５０６８４２４Ａは、エネルギー発生タービンブレードの位置調整に適用される閉ダイナミックループ制御モデルを開示している。当該制御モデルは、エネルギー発生効率を最適化するために、ニューマティックアクチュエータの位置センサと流量計とを使用している。しかしながら、不利益であることに、上記システムでは、ブレードの移動速度を減少または増加させるためのフィードバックが存在していない。このため、水撃、または、タービン運転限界を超える速度が発生するリスクを低減することができない。さらに、上記システムは、流量計を使用している。このような機器の取得コストおよびメンテナンスコストは、高価である。以上の通り、可動ブレードを有するタービンにおいて制御システムを使用することは既知である。しかしながら、現在の技術水準では、ハイドローリックアクチュエータを使用することは、ハイドローリックラインにおいて使用されるオイルに起因して、高い環境リスクおよびメンテナンスの困難性をもたらす。さらに、現在の技術水準では、タービンの運転にいかなるリスクをも及ぼさない条件において可動ブレードの配置を実現する自動制御システムに統合（一体化）されたエマージェンシーシステムが存在していない。したがって、故障の確率が増加する。そこで、現在の技術水準における欠点を克服するために、本発明は、複数のニューマティックアクチュエータ、および、複数のニューマティックバルブのセットを用いて、エネルギー発生タービンローターブレードの位置制御を提供することを目的としている。バルブの配置は、エネルギー発生プラントのレイアウトに応じた複数の設定を含んでいてよい。本発明のもう１つの目的は、アクチュエータを所定の位置にロックし、タービンに向かう水路の閉鎖を生じさせる安全的かつ非常の停止システムを提供することである。タービンに向かう水路の閉鎖は、停止を開始させるので、タービンおよびエネルギージェネレータの内部コンポーネントがダメージを受けるリスクを低減する。エマージェンシー状態（非常状態）を特徴付けるもう１つの態様としては、ニューマティック回路の動作限界を下回る、ニューマティック回路電源における漏洩または圧力が存在している。このように、本発明は、エネルギー発生タービンのブレードの位置を制御することを可能にする。これにより、複数のニューマティックコンポーネントのセットを用いてプロセス性能を最適化することが可能となる。本発明によれば、有益であることに、オイルを使用する解決策と比較して、メンテナンスコストが低くなり、メンテナンスが容易となり、かつ、環境アクシデントのリスクが低くなる。さらに、本発明によれば、有益であることに、動作流体のレベルおよび温度を監視することを要しない。以下では、本発明の特定の実施形態における概略的な図面について記述しているが、これらの図面における寸法および比率は、必ずしも実際の寸法および比率ではない。なぜならば、これらの図面は、様々な態様を説明的に提示する目的のみを有しているからである。本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ決定される。［図面の簡単な説明］本発明の目的は、以下の詳細な説明に示されている、好ましいけれども限定的ではない実施形態に照らしてさらに良好に理解されるであろう。当該実施形態は、添付の概略的な図面によって示されている。図１は、エネルギー発生タービンの自動制御システムにおけるニューマティックバルブダイアグラムの概略図を示す。図２は、ＰＩＤコントローラ（Ｃ）の制御ループを示す。［詳細な説明］添付の各図面に示す通り、本発明は、水力発電プラントによるエネルギー発生システムに適用され、アクチュエータ（好ましくは、ニューマティックアクチュエータ）を使用して、エネルギー発生タービンの可動ブレードまたは可動ニードルの位置を制御する、自動制御システム（自動的な制御システム）を表す。自動制御システム（Ｓ）によれば、モータまたはニューマティックタービンブレードの角度調整が可能となる。したがって、エネルギー発生プロセスにおける制御および性能の最適化を実現できる。自動制御システムは、プラント運転の安全性をも向上させる。なぜならば、故障が発生した場合には、ニューマティックコンポーネントまたはハイドローリックコンポーネントがアクチュエータを所定の位置にロックし、タービンブレードの回転を阻止できるからである。このことから、図１に示されている通り、自動制御システム（Ｓ）は、少なくとも２つのアクチュエータ（１Ａ）およびアクチュエータ（１Ｂ）を含む、複数のアクチュエータ（１）のセットを備えている。アクチュエータ（１Ａ）は、複数のチャンバ（１０Ａおよび１１Ａ）と、プランジャ（１２Ａ）とを備えている。その一方、アクチュエータ（１Ｂ）は、複数のチャンバ（１０Ｂおよび１１Ｂ）と、プランジャ（１２Ｂ）とを備えている。自動制御システム（Ｓ）は、ブレードを動作させることが可能なアクチュエータを含みうることが理解されるであろう。複数のアクチュエータ（１）は、圧縮空気源（２）またはハイドローリック源に接続されている。少なくとも１つのリニア（線形）トランスデューサ（５）は、複数のアクチュエータ（１）のセットのうちの少なくとも１つのアクチュエータの位置をチェック