WO2011040456A1

WO2011040456A1 - 発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法

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Publication number: WO2011040456A1
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Inventors: 芳弘市来; 佳彦西川; 永司小林
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Filing date: 2010-09-29
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Abstract

　ディーゼルエンジンの現在の運転状態から得られる蒸気タービン（９）の供給可能出力を蒸気タービン供給可能出力として得ておき、蒸気タービン（９）の出力が、需要電力とパワータービン最小出力およびディーゼルエンジン発電機最小出力との差分とすることで、蒸気タービン供給可能出力に近づくように蒸気タービン出力を決定し、蒸気タービン（９）の出力と需要電力との差分を補うように、パワータービン（７）の出力が決定する。

Description

発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法

　本発明は、舶用ディーゼルエンジンや陸上発電機用ディーゼルエンジン等とされたメインエンジンから排出された排ガスの排気エネルギーを利用する蒸気タービンおよびパワータービンを備えた発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法に関する。

　船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）の排ガスの一部を抽気してパワータービンに導き発電出力として利用するとともに、同ディーゼルエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラにて生成された蒸気を蒸気タービンに導き発電出力として利用する発電システムが知られている。このような発電システムは、従来、パワータービンへの排ガスの供給量を制御する入口弁がＯＮ・ＯＦＦの開閉弁とされている。

　一方、特許文献１には、ディーゼルエンジンの排ガスの一部を過給機に送らずにパワータービン等に導いて排気エネルギーを動力として回収する技術が開示されている。また、パワータービンに排ガスが入るときに排ガス量を調整して、ディーゼルエンジンから過給機へ送られる排ガス量の変化幅を小さくするようにされている。パワータービンに入る排ガス量の調整は、パワータービンのガス入口を複数通路によって形成してそれぞれの通路にバイパス弁を設けることにより行っている。

特開昭６３－１８６９１６号公報

　ところで、上述した発電システムは、パワータービンへ排ガスを導く入口弁がＯＮ・ＯＦＦの開閉弁とされているため、任意の排ガス量をパワータービンに供給することができない。したがって、需要電力に変化が生じた場合であっても一定の排ガス量がパワータービンに供給されるためパワータービンの出力を任意に変化させることができない。このため、需要電力の変化に対応させるために、蒸気タービンの出力を調整せざるを得ず、排ガスボイラで発生した蒸気が蒸気タービンに必要な蒸気量を上回っていた場合には、発電に寄与しない余剰蒸気分を大気へと排出（ダンプ）していた。これでは、ディーゼルエンジンの排ガスから回収した蒸気エネルギーを無駄に捨てることになってしまい、ディーゼルエンジンの燃料の浪費となってしまう。

　一方、上述の特許文献１には、パワータービンに供給する排ガス量を段階的に調整する発明が開示されているものの、同特許文献１に記載されたパワータービンはディーゼルエンジンの動力回収として用いられるものであり、パワータービンの出力を発電として用いる場合にどのように排ガス量を調整するべきかという開示は一切ない。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、蒸気タービンで使用されずに廃棄される余剰蒸気を抑えてメインエンジンの燃費を向上させることができる発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の発電システムの制御装置および発電システムならびに発電システムの制御方法は以下の手段を採用する。
　すなわち、本発明の第一の態様にかかる発電システムの制御装置は、メインエンジンの過給機の上流側から抽気された排ガスによって駆動されるパワータービンと、該パワータービンに対して直列に接続され、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに対して直列に接続された発電機とを備えたタービン発電機に対して、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの出力を制御する発電システムの制御装置において、前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記蒸気タービンの供給可能出力を蒸気タービン供給可能出力として得ておき、前記蒸気タービンの出力が、需要電力との関係で前記蒸気タービン供給可能出力に近づくように決定され、前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力が決定されることを特徴とする。

　蒸気タービンの出力が蒸気タービン供給可能出力に近づくように決定されるので、排ガスボイラを介してメインエンジンから得られる排ガスエネルギーを蒸気タービンにて有効に利用することができる。したがって、排ガスボイラで生成した蒸気を蒸気タービンに用いずに余剰蒸気として廃棄することを可及的に防止できる。これにより、メインエンジンの排熱回収を有効に行うことによって、メインエンジンの燃費を向上させることができる。なお、蒸気タービン供給可能出力としては、典型的には、メインエンジンの排ガスエネルギーから得られる最大の蒸気タービン出力が用いられる。
　蒸気タービン出力は、需要電力との関係で決定される。すなわち、需要電力が蒸気タービン供給可能出力を上回っている場合には、蒸気タービン出力は蒸気タービン供給可能出力と同等または蒸気タービン供給可能出力以下の近傍の値（例えば需要電力からパワータービンの最小出力を減じた値）とすることが好ましい。需要電力が蒸気タービン供給可能出力以下となっている場合には、需要電力を満たすように供給可能出力以下の蒸気タービン出力とすることが好ましい。
　また、パワータービンの出力は、蒸気タービン出力（例えばフィードバックされた現在値出力）と需要電力との差分を補うように決定される。具体的には、需要電力を満たす残りの負荷量をパワータービンに分担させるように、パワータービンに供給される排ガス量を調整する。これにより、需要電力に対して蒸気タービンが負担できる出力を蒸気タービンに優先的に分担させることができる。
　なお、メインエンジンとしては、典型的には、船舶推進用のディーゼルエンジンが挙げられる。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記蒸気タービン供給可能出力は、前記メインエンジンの負荷に対して予め決定されていることが好ましい。

　蒸気タービン供給可能出力がメインエンジンの負荷に対して予め決定されているので、メインエンジンの負荷が変化しても、変化したメインエンジンの負荷から即座に蒸気タービン供給可能出力を得ることができる。このように得られた供給可能出力に基づいて蒸気タービンの出力が決定できるので、メインエンジンの負荷変化に対して追従性良く蒸気タービンを運転させることができる。
　また、メインエンジンの負荷は、排ガス流量や排ガス圧力を反映しているので、蒸気タービン供給可能出力を得るのに適している。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記蒸気タービン供給可能出力は、前記排ガスボイラの入口の排ガス温度によって補正されることが好ましい。

　排ガスボイラの入口の排ガス温度が変化すると、排ガスボイラによって生成される発生蒸気量が変化するので、排ガスボイラの入口の排ガス温度によって蒸気タービン供給可能出力を補正することとした。具体的には、標準温度（例えば３００℃）よりも排ガス温度が高温になれば供給可能出力を増大させ、標準温度よりも排ガス温度が低温になれば供給可能出力を減少させる。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記パワータービンの供給可能出力をパワータービン供給可能出力として得ておき、前記パワータービンの出力は、前記パワータービン供給可能出力を超えないように決定されていることが好ましい。

　メインエンジンの現在の運転状態から決定される供給可能出力を超えないようにパワータービンの出力を決定することとしたので、パワータービンの出力を過剰に設定することがなくなるので、過剰な排ガス抽気を防止して過給機およびメインエンジンの運転に対する影響を抑えることができる。なお、パワータービン供給可能出力としては、典型的には、メインエンジンの排ガスエネルギーから得られる最大のパワータービン出力が用いられる。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記パワータービン供給可能出力は、前記メインエンジンの負荷に対して予め決定されていることが好ましい。

　パワータービン供給可能出力がメインエンジンの負荷に対して予め決定されているので、メインエンジンの負荷が変化しても、変化したメインエンジンの負荷から即座に供給可能出力を得ることができる。このように得られた供給可能出力に基づいてパワータービンの出力が決定できるので、メインエンジンの負荷変化に対して追従性良くパワータービンを運転させることができる。
　また、メインエンジンの負荷は、排ガス流量や排ガス圧力を反映しているので、パワータービン供給可能出力を得るのに適している。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記パワータービン供給可能出力は、前記過給機の入口の空気温度によって補正されることが好ましい。

　過給機の入口の空気温度が変化すると、空気密度が変化することからメインエンジンからの排ガスエネルギーが変化するので、過給機の入口の空気温度によってパワータービン供給可能出力を補正することとした。具体的には、標準温度（例えば２５℃）よりも空気温度が高温になれば空気密度が下がるので供給可能出力を減少させ、標準温度よりも空気温度が低温になれば空気密度が上がるので供給可能出力を増大させる。

　さらに、本発明の第一の態様に係る発電システムの制御装置においては、前記タービン発電機とは別に設けられたディーゼルエンジン発電機の発電用ディーゼルエンジンの出力を決定する際に、前記蒸気タービンの出力および前記パワータービンの出力と需要電力との差分を補うように前記発電用ディーゼルエンジン出力を決定することが好ましい。

　ディーゼルエンジン発電機が設けられている場合に、発電用ディーゼルエンジンの出力を、蒸気タービンの出力（例えばフィードバックされた現在値出力）およびパワータービンの出力（例えばフィードバックされた現在値出力）と需要電力との差分を補うように決定することとした。すなわち、発電用ディーゼルエンジンに負荷分担させる優先順位を、蒸気タービンおよびパワータービンの後とすることにした。これにより、蒸気タービンおよびパワータービンを主に用い、これらを補うようにディーゼルエンジン発電機を用いることができるので、発電用ディーゼルエンジンの起動時間および負荷を減少させることができ、発電システム全体としてエネルギー効率を高くすることができる。

　また、本発明の第二の態様に係る発電システムは、上記のいずれかに記載された発電システムの制御装置と、該制御装置によって制御される蒸気タービンおよびパワータービンとを備えていることを特徴とする。

　上述した制御装置によって蒸気タービンおよびパワータービンが制御されるので、メインエンジンの燃費を向上させた発電システムを提供することができる。

　また、本発明の第三の態様に係る発電システムの制御方法は、メインエンジンの過給機の上流側から抽気された排ガスによって駆動されるパワータービンと、該パワータービンに対して直列に接続され、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに対して直列に接続された発電機とを備えたタービン発電機に対して、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの負荷を制御する発電システムの制御方法において、前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記蒸気タービンの供給可能出力を蒸気タービン供給可能出力として得ておき、前記蒸気タービンの出力が、需要電力との関係で前記蒸気タービン供給可能出力に近づくように決定され、前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力が決定されることを特徴とする。

　本発明によれば、余剰蒸気の発生を抑えることによって、メインエンジンの燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる発電システムのタービン発電機を示した概略構成図である。図１に示したタービン発電機を有する発電システムの制御装置を示した概略構成である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の一部を示した制御ブロック図である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の図３の他の一部を示した制御ブロック図である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の図３の他の一部を示した制御ブロック図である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の図３の他の一部を示した制御ブロック図である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の図３の他の一部を示した制御ブロック図である。本発明の一実施形態にかかる発電システムの制御装置の動作フローを示したフローチャートである。本発明の一実施形態にかかる発電システムの負荷分担割合を示した図である。

　以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
　図１には、本実施形態にかかる発電システムのタービン発電機の概略構成が示されている。本実施形態では、メインエンジンとして船舶推進用のディーゼルエンジン３を用いている。
　タービン発電機１は、船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）３と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５と、排気ターボ過給機５の上流側から抽気されたディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動されるパワータービン（ガスタービン）７と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１と、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービン９とを備えている。

　ディーゼルエンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続され、排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続され、また、排気マニホールド１５は第２排気管Ｌ２（抽気通路）を介してパワータービン７の入口側と接続されて、排ガスの一部が、排気ターボ過給機５に供給される前に抽気されてパワータービン７に供給されるようになっている。

　一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介して排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１９が設置されている。
　排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、タービン部５ａとコンプレッサ部５ｂを連結する回転軸５ｃとから構成されている。

　パワータービン７は、第２排気管Ｌ２を介して排気マニホールド１５から抽気された排ガスによって回転駆動されるようになっており、また、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が供給されて回転駆動されるようになっている。
　この排ガスエコノマイザ１１は、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの出口側から第３排気管Ｌ３を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが、導入されて熱交換部２１によって、排ガスの熱によって給水管２３によって供給された水を蒸発させて蒸気を発生させる。そして、排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入され、また、該蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。

　パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて発電機２５を駆動するようになっている。蒸気タービン９の回転軸２９は図示しない減速機およびカップリングを介して発電機２５に接続し、また、パワータービン７の回転軸２７は図示しない減速機およびクラッチ３１を介して蒸気タービン９の回転軸２９と連結されている。クラッチ３１としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばSSS（Synchro-Self-Shifting）クラッチが好適に用いられる。

　また、第２排気管Ｌ２には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３３と、非常時にパワータービン７への排ガスの供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３５とが設けられている。また、非常停止用緊急遮断弁３５が遮断したときに、排気ターボ過給機５のタービン部５ａへの過過給（エンジンの最適運転圧力を超えての過給）を防止するためにバイパス弁３４が第４排気管Ｌ４との間に設けられている。

　さらに、第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁３７と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁３９とが設置されている。前記排ガス量調整弁３３および蒸気量調整弁３７は、後述する制御装置４３によって、その開度が制御される。
　以上のように発電機２５は、船舶推進用のディーゼルエンジン３の排ガス（燃焼ガス）の排気エネルギーを動力として駆動されるようになっており、排気エネルギー回収装置を構成している。

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

　発電システムは、タービン発電機１に加え、船内に別途設置された複数（本実施形態では２台）のディーゼルエンジン発電機６０を備えている。
　制御装置４３には、発電機２５の出力電力を検出する電力センサ４５からの信号が入力され、発電機２５の回転速度として蒸気タービン９の回転軸２９の回転速度を検出する回転センサ４９からの信号が入力されている。また、制御装置４３には、ディーゼルエンジン発電機６０からの出力信号と、船内消費電力を検出する船内消費電力センサ５１からの信号とが入力されている。

　また、制御装置４３は、負荷分担制御部５３と、パワータービン用ガバナー部５５と、蒸気タービン用ガバナー部５７と、ディーゼルエンジン発電機６０用ガバナー部（図示せず）とを備えている。
　負荷分担制御部５３から設定された負荷率に応じた出力の指示信号が、パワータービン用ガバナー部５５、蒸気タービン用ガバナー部５７、及びディーゼルエンジン発電機６０用ガバナー部にそれぞれ出力される。

　パワータービン用ガバナー部５５は、負荷分担制御部５３から指示されたパワータービン７の出力に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が排ガス量調整弁３３に出力され、排ガス量調整弁３３の開度が制御されてパワータービン７に供給される排ガス流量が制御される。この回転数ドループ制御関数とは、回転速度目標値と実際に制御された現在の回転速度との偏差に比例ゲインをかけることにより制御量を演算する関数である。

　また、蒸気タービン用ガバナー部５７においても、パワータービン用ガバナー部５５と同様に、負荷分担制御部５３から指示された蒸気タービン９の出力負担割合に応じて、設定されている回転数ドループ制御（比例制御）による制御関数に基づいて、発電機２５の回転速度変動に対して目標回転速度に安定させるように、回転センサ４９で検出される実回転速度との偏差を基に制御信号が算出される。そして、該制御信号が蒸気量調整弁３７に出力され、該蒸気量調整弁３７の開度が制御されて蒸気タービン９に供給される蒸気量が制御されるようになっている。

　次に、図３～図７を用いて、制御装置４３の詳細について説明する。制御装置４３は、図３～ｃ７の５つの図に分割されて示されており、これらの図を組み合わせることによって制御装置４３の概略全体構成となる。図３及び図４に示されたパワーマネージメントシステム７０が図３～図７を並べた際に上方に位置し、図５及び図６に示されたコントローラ部７２が図３～図７を並べた際に図３及び図４の下に位置し、図７に示されたプラント７３が図３～図７を並べた際に図５及び図６の下に位置する。
　制御装置４３は、パワーマネージメントシステム７０とコントローラ部７２とから主として構成されている。

　図３及び図４は、パワーマネージメントシステム７０の構成を示しており、図３が左側、図４が右側に位置する関係となっており、信号線Ａ１～Ａ８がそれぞれ接続されている。
　図５及び図６は、コントローラ部７２の構成を示しており、図５が左側、図６が右側に位置する関係となっており、信号線Ａ９が接続されている。また、図５及び図６は、パワーマネージメントシステム７０を示した図３及び図４の下に位置する関係となっており、信号線Ｂ１～Ｂ９がそれぞれ接続されている。なお、図５には図示の都合上、ディーゼルエンジン発電機６０が示されているが、これは図７に示すプラント７４の構成に属するものである。また、図６の下方には、プラント７４側から得られる各種信号が示されている。
　図７は、発電システムのプラント７４が示されており、図１及び図２で説明したパワータービン７や蒸気タービン９等が示されている。図７は、図５及び図６の下に位置する関係となっており、信号線Ｃ１～Ｃ３，Ｂ５及びAA、並びに電力線Ｅ１がそれぞれ接続されている。

［蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）］
　蒸気タービン９の供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）を演算する際に用いるマップが図６のマップＭ１に示されている。このマップＭ１は、コントローラ部７２に設けられたメモリに格納されている。マップＭ１は、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）が縦軸とされ、ディーゼルエンジン３の負荷（ME Load）が横軸とされており、設計時データや試運転データに基づいて予め作成されている。なお、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）としては、ディーゼルエンジン３の排ガスエネルギーから得られる最大の蒸気タービン出力が用いられる。
　ディーゼルエンジン３の負荷が、図５のディーゼルエンジン負荷検出器７８（Main
Engine Load）から信号線Ａ９を介して入力されるようになっており、この入力値とマップＭ１から蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）が得られる。このように得られた蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）は、信号線Ｂ７を介して、図４に示されたパワーマネージメントシステム７０に向けて出力される。
　マップＭ１から得られる蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）は、排ガスエコノマイザ１１（図１参照）の入口（上流側）の排ガス温度（ECO. GAS Inlet Temp.）によって補正（Compensation）されるようになっている。これは、排ガスエコノマイザ１１の入口の排ガス温度が変化すると、排ガスボイラによって生成される発生蒸気量が変化するからである。具体的には、標準温度（例えば３００℃）よりも排ガス温度が高温になれば供給可能出力を増大させ、標準温度よりも排ガス温度が低温になれば供給可能出力を減少させる。

［パワータービン供給可能出力（Ａｖ（ＰＴ）］
　パワータービン７の供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を演算する際に用いるマップが図６のマップＭ２に示されている。このマップＭ２は、コントローラ部７２に設けられたメモリに格納されている。マップＭ２は、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）が縦軸とされ、ディーゼルエンジン３の負荷（ME Load）が横軸とされており、設計時データや試運転データに基づいて予め作成されている。なお、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）としては、ディーゼルエンジン３の排ガスエネルギーから得られる最大のパワータービン出力が用いられる。
　ディーゼルエンジン３の負荷が、図５のディーゼルエンジン負荷検出器７８（Main
Engine Load）から信号線Ａ９を介して入力されるようになっており、この入力値とマップＭ２からパワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）が得られる。このように得られたパワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）は、信号線Ｂ８を介して、図４に示されたパワーマネージメントシステム７０に向けて出力される。
　マップＭ２から得られるパワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）は、排気ターボ過給機５（図１参照）の入口の空気温度によって補正（Compensation）されるようになっている。これは、排気ターボ過給機５の入口の空気温度が変化すると、空気密度が変化し、ディーゼルエンジン３からの排ガスエネルギーが変化するからである。具体的には、標準温度（例えば２５℃）よりも空気温度が高温になれば空気密度が下がるので供給可能出力を減少させ、標準温度よりも空気温度が低温になれば空気密度が上がるので供給可能出力を増大させる。なお、図６のマップＭ２には示されていないが、排気ターボ過給機５の入口空気温度は、マップＭ２に入力されるようになっている。

［蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）］
　蒸気タービン９が現在出力している実出力（現在値出力）は、図６に示したマップＭ３から得られる。このマップＭ３は、コントローラ部７２に設けられたメモリに格納されている。マップＭ３は、蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）が縦軸とされ、蒸気タービン９の１段目圧力（First Stage Pressure; FSP）が横軸とされている。蒸気タービン９の１段目圧力FSPは、図７に示されているように、蒸気タービン９の１段目タービン（高圧タービン）の下流側に設けられた圧力センサ（PT）から信号線AAを介して得られるようになっている。また、図６に示されているように、蒸気タービンプラントの復水器圧力（Cond Vacuum Press.）と、入口蒸気温度（Inlet Steam
Temp.）と、入口蒸気圧力（Inlet Steam Press.）とによってマップＭ３が補正されるようになっている。マップＭ３から得られた蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）は、信号線Ｂ６を介して、図４に示されたパワーマネージメントシステム７０に向けて出力されるとともに、次に説明する演算部Ｆ１に向けて出力される。

［パワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）］
　パワータービン７が現在出力している実出力（現在値出力）は、図６に示した演算部Ｆ１から得られる。この演算部Ｆ１で用いられる演算式は、コントローラ部７２に設けられたメモリに格納されている。演算部Ｆ１では、下式（１）に示すように、発電機２５（図７参照）の出力電力を検出する電力センサ４５から得られるタービン発電機出力ＳＴＧ（ｋＷ）と、マップＭ３で得られた蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）との差分からパワータービン実出力ＰＴが得られるようになっている。
　ＰＴ（ｋＷ）＝ＳＴＧ（ｋＷ）－ＳＴ（ｋＷ）　・・・・・（１）
　演算部Ｆ１で得られたパワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）は、信号線Ｂ９を介して、図４に示されたパワーマネージメントシステム７０に向けて出力される。

［蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）］
　図４に示すように、パワーマネージメントシステム７０の演算部Ｆ２にて、蒸気タービン９の負荷率Ｒ（ＳＴ）が演算される。蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）は、下式（２）によって得られる。
　Ｒ（ＳＴ）＝［ＬＤ（ｋＷ）－［ＤＧ（ｍｉｎ）＋ＰＴ（ｍｉｎ）］］／Ａｖ（ＳＴ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（２）
　ここで、ＬＤ（ｋＷ）は船内需要電力であり、図３の演算部Ｆ５に示されているように、ディーゼルエンジン発電機出力ＤＧ（ｋＷ）と、タービン発電機出力ＳＴＧ（ｋＷ）との和から得られる。ＤＧ（ｍｉｎ）は、ディーゼルエンジン発電機６０（図５参照）の最小出力であり、発電用ディーゼルエンジンが安定して動作する最小の出力を意味する。ＰＴ（ｍｉｎ）は、パワータービン７の最小出力であり、パワータービンが安定して運転できる最小の出力を意味し、具体的にはパワータービン７と蒸気タービン９とを連結するクラッチ３１が嵌脱する回転数における出力に基づいて決定され、例えばパワータービンの定格の１０％とされる。
　式（２）に示したように、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）からディーゼル発電機最小出力ＤＧ（ｍｉｎ）及びパワータービン最小出力ＰＴ（ｍｉｎ）を減じる式を演算式の分子とすることにより、ディーゼルエンジン発電機６０やパワータービン７よりも優先的に蒸気タービン９の要求出力を決定し、蒸気タービン９に出力を最大限とることができるようになっている。また、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）を演算式の分母とすることにより、蒸気タービン９の要求出力を蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）に対する割合で示すこととし、蒸気タービン９の出力を最大限有効に利用できるようになっている。
　また、演算部Ｆ２に示されているように、蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）は１以下とされ、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）を超えて出力を要求しないようになっている。さらに、蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）は、ＳＴ（ｍｉｎ）／Ａｖ（ＳＴ）以上とされ、蒸気タービン９が安定して運転できる最小出力を下回る出力を要求しないようになっている。

［パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）］
　図４に示すように、パワーマネージメントシステム７０の演算部Ｆ３にて、パワータービン７の負荷率Ｒ（ＰＴ）が演算される。パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）は、下式（３）によって得られる。
　Ｒ（ＰＴ）＝［ＬＤ（ｋＷ）－［ＤＧ（ｍｉｎ）＋ＳＴ（ｋＷ）］］／Ａｖ（ＰＴ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（３）
　式（３）に示したように、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）からディーゼル発電機最小出力ＤＧ（ｍｉｎ）及び蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）を減じる式を演算式の分子とすることにより、蒸気タービン９を優先するとともに、ディーゼルエンジン発電機６０よりも優先的にパワータービン９の要求出力を決定し、ディーゼルエンジン３の排熱回収を最大限行うことができるようになっている。また、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を演算式の分母とすることにより、パワータービン７の要求出力をパワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）に対する割合で示すこととし、パワータービン７の出力を最大限有効に利用できるようになっている。
　また、演算部Ｆ３に示されているように、パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）は１以下とされ、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を超えて出力を要求しないようになっている。さらに、パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）は、ＰＴ（ｍｉｎ）／Ａｖ（ＰＴ）以上とされ、パワータービン９が安定して運転できる最小出力を下回る出力を要求しないようになっている。

［ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）］
　図４に示すように、パワーマネージメントシステム７０の演算部Ｆ４にて、ディーゼルエンジン発電機６０の負荷率Ｒ（ＤＧ）が演算される。ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）は、下式（４）によって得られる。
　Ｒ（ＤＧ）＝［ＬＤ（ｋＷ）－［ＳＴ（ｋＷ）＋ＰＴ（ｋＷ）］］／Ａｖ（ＤＧ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（４）
　ここで、ディーゼルエンジン発電機供給可能出力Ａｖ（ＤＧ）は、ディーゼルエンジン発電機の定格出力Ｒａｔｅｄ（ＤＧ）が用いられる。
　式（４）に示したように、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）から蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）及びパワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）を減じる式を演算式の分子とすることにより、蒸気タービン９及びパワータービン７を優先し、ディーゼルエンジン発電機６０の運転を極力抑えるようになっている。また、ディーゼルエンジン発電機供給可能出力Ａｖ（ＤＧ）を演算式の分母とすることにより、ディーゼルエンジン発電機６０の要求出力をディーゼルエンジン発電機供給可能出力Ａｖ（ＤＧ）に対する割合で示すこととし、ディーゼルエンジン発電機６０の出力を最大限有効に利用できるようになっている。
　また、演算部Ｆ４に示されているように、ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）は１以下とされ、ディーゼルエンジン発電機供給可能出力Ａｖ（ＤＧ）を超えて出力を要求しないようになっている。さらに、ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）は、ＤＧ（ｍｉｎ）／Ａｖ（ＤＧ）以上とされ、ディーゼルエンジン発電機が安定して運転できる最小出力を下回る出力を要求しないようになっている。

［合計供給可能出力Ｔａ（ｋＷ）］
　図４に示した演算部Ｆ６では、各演算部Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４で得られた結果に基づいて、下式（５）によって、合計供給可能出力Ｔａ（ｋＷ）が求められる。
　Ｔａ（ｋＷ）＝Ｒ（ＤＧ）×Ａｖ（ＤＧ）＋Ｒ（ＳＴ）×Ａｖ（ＳＴ）
　　　　　　　　＋Ｒ（ＰＴ）×Ａｖ（ＰＴ）　　　　　　　　・・・・・（５）

［蒸気タービン目標出力ＬＴ（ＳＴ）］
　図３に示されているように、蒸気タービン９に要求する目標出力ＬＴ（ＳＴ）は、上述した各演算値を用いて、演算部Ｆ７によって下式（６）に従って演算される。
　ＬＴ（ＳＴ）＝ＬＤ（ｋＷ）×［Ｒ（ＳＴ）×Ａｖ（ＳＴ）］／Ｔａ（ｋＷ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（６）
　上式（６）によって得られた蒸気タービン目標出力ＬＴ（ＳＴ）は、蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）と比較演算された後、周波数制御器７９によって混合器８１にて所定周波数の信号に整えられて増減信号（INC / DEC）として、信号線Ｂ２を介して図５に示したコントローラ部７２の蒸気タービン用ガバナー部５７に出力される。
　蒸気タービン用ガバナー部５７では、図２にて説明したドループ制御に基づいて制御信号が生成され、この制御信号が信号線Ｃ２を介して蒸気量調整弁３７（図７参照）に出力される。

［パワータービン目標出力ＬＴ（ＰＴ）］
　図３に示されているように、パワータービン７に要求する目標出力ＬＴ（ＰＴ）は、上述した各演算値を用いて、演算部Ｆ８によって下式（７）に従って演算される。
　ＬＴ（ＰＴ）＝ＬＤ（ｋＷ）×［Ｒ（ＰＴ）×Ａｖ（ＰＴ）］／Ｔａ（ｋＷ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（７）
　上式（７）によって得られたパワータービン目標出力ＬＴ（ＰＴ）は、パワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）と比較演算された後、周波数制御器７９によって混合器８２にて所定周波数の信号に整えられて増減信号（INC / DEC）として、信号線Ｂ１を介して図５に示したコントローラ部７２のパワータービン用ガバナー部５５に出力される。
　パワータービン用ガバナー部５５では、図２にて説明したドループ制御に基づいて制御信号が生成され、この制御信号が信号線Ｃ１を介して排ガス量調整弁３３（図７参照）に出力される。
　なお、パワータービン用ガバナー部５５では、図５に示されているように、パワータービン７の回転数（PT RPM）を得て、パワータービンの定格出力近傍（例えば定格出力の±数％）でデッドバンド（不感帯）を設ける関数発生器８５を設けている。これは、定格出力近傍で回転数が多少変化してもパワータービンの目標出力指令を変化させないようにして、ディーゼルエンジン３の安定性を保つために設けている。また、このようにすることで、定格近傍の変動に対しては蒸気タービン９の出力変化によって対応することとしている。蒸気タービン９はパワータービン７に比べて制御性が良いので、タービン発電機として安定した運転が実現されるようになる。

［ディーゼルエンジン発電機目標出力ＬＴ（ＤＧ）］
　図３に示されているように、ディーゼルエンジン発電機６０に要求する目標出力ＬＴ（ＤＧ）は、上述した各演算値を用いて、演算部Ｆ９によって下式（８）に従って演算される。
　ＬＴ（ＤＧ）＝ＬＤ（ｋＷ）×［Ｒ（ＤＧ）×Ａｖ（ＤＧ）］／Ｔａ（ｋＷ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・・・（８）
　上式（８）によって得られたディーゼルエンジン発電機目標出力ＬＴ（ＤＧ）は、ディーゼルエンジン発電機実出力ＤＧ（ｋＷ）と比較演算された後、周波数制御器７９によって混合器８３にて所定周波数の信号に整えられて増減信号（INC / DEC）として、信号線Ｂ３を介して図５に示したディーゼルエンジン発電機６０のディーゼルエンジン発電機用ガバナー部（図示せず）に出力される。

　次に、図８のフローチャートを用いて、本実施形態の発電システムの制御装置の動作について説明する。
　所定の繰り返し周期Δｔが経過すると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進み、演算部Ｆ２にて、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）からディーゼル発電機最小出力ＤＧ（ｍｉｎ）及びパワータービン最小出力ＰＴ（ｍｉｎ）を減じた蒸気タービン出力となるように、蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）が決定される。この際、蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）は、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）が超えることがないように設定される。

　次に、ステップＳ３に進み、演算部Ｆ３にて、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）からディーゼル発電機最小出力ＤＧ（ｍｉｎ）及び蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）を減じたパワータービン出力となるように、パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）が決定される。この際、パワータービン負荷率Ｒ（ＰＴ）は、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）が超えることがないように設定される。

　次に、ステップＳ４に進み、演算部Ｆ４にて、船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）から蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）及びパワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）を減じたディーゼルエンジン発電機出力となるように、ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）が決定される。この際、ディーゼルエンジン発電機負荷率Ｒ（ＤＧ）は、ディーゼルエンジン発電機供給可能出力Ａｖ（ＤＧ）が超えることがないように設定される。

　次に、ステップＳ５に進み、演算部Ｆ６にて、合計供給可能出力Ｔａ（ｋＷ）を演算する。
　そして、ステップＳ６に進み、ステップＳ５にて得た合計供給可能出力Ｔａ（ｋＷ）を用いて、蒸気タービン目標出力ＬＴ（ＳＴ）、パワータービン目標出力ＬＴ（ＰＴ）、及びディーゼルエンジン発電機目標出力ＬＴ（ＤＧ）を演算する。
　そして、ステップＳ７にて、各目標出力に基づいて、蒸気タービン９、パワータービン７、及びディーゼルエンジン発電機６０に対して、制御指令をコントローラ部７２から出力する。
　このように一連のフローが終了した後、再び「スタート」に戻り、所定の繰り返し周期Δｔで同様のフローが繰り返される。

　次に、図９を用いて、本実施形態の発電システムの負荷分担割合について説明する。
　図９の横軸は、船内需要電力の定格１００％に対する百分率を示している。また、縦軸方向には、下からパワータービン（ＰＴ）７，蒸気タービン（ＳＴ）９，第１ディーゼルエンジン発電機（ＤＧ１）６０、第２ディーゼルエンジン発電機（ＤＧ２）６０が並べられており、それぞれの欄の縦方向は出力を意味する。なお、以下説明する出力制御は一例であり、本実施形態ではパワータービン７、蒸気タービン９、ディーゼルエンジン発電機６０の出力がほぼ同等の能力を有する構成を想定しているが、設定出力が異なるシステムにおいては、船内需要電力の制御基準を適宜変更し、負荷分担の最適化を図ることになる。

　船内需要電力が０～２５％の場合、パワータービン７の出力を最小に抑えつつ、船内需要電力の増大に応じて蒸気タービン９の出力が漸次増大されるようになっている。このように、優先的に蒸気タービン９を用いることとして、余剰蒸気の生成およびダンプ（大気への放出）を廃止している。
　船内需要電力が２５～５０％の場合、船内需要電力の増大に応じて蒸気タービン９及びパワータービン７の出力が漸次増大されるようになっている。この場合、パワータービン７の出力は、船内需要電力と蒸気タービン９の出力との差分を補うように増大するようになっており、余剰蒸気の生成およびダンプ（コンデンサへの放出）を廃止している。また、船内需要電力を補うように、第１ディーゼルエンジン発電機６０が最小出力で立ち上がる。
　船内需要電力が５０～７５％の場合、蒸気タービン９及びパワータービン７は定格出力を一定に出力する。船内需要電力の増大に応じて、第１ディーゼルエンジン発電機６０の出力が漸次増大されるようになっている。
　船内需要電力が７５～１００％の場合、蒸気タービン９及びパワータービン７並びに第１ディーゼルエンジン発電機６０は定格出力を一定に出力する。船内需要電力の増大に応じて、第２ディーゼルエンジン発電機６０の出力が漸次増大されるようになっている。

　以上説明した本実施形態にかかる発電システムによれば、以下の作用効果を奏する。
　蒸気タービン９の出力を船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）からディーゼルエンジン発電機最小出力ＤＧ（ｍｉｎ）及びパワータービン最小出力ＰＴ（ｍｉｎ）を減じた値に基づいて蒸気タービン負荷率Ｒ（ＳＴ）を決定することとしたので、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）に近づくように蒸気タービン出力を決定することができる。これにより、排ガスボイラ１１を介してディーゼルエンジン３から得られる排ガスエネルギーを蒸気タービン９にて有効に利用することができる。したがって、排ガスボイラ１１で生成した蒸気を蒸気タービン９に用いずに余剰蒸気として放出（ダンプ）することを可及的に抑制できる。これにより、メインエンジンの排熱回収を有効に行うことによって、メインエンジンの燃費を向上させることができる。
　また、パワータービン７の出力を、蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）と船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）との差分を補うように決定することとしたので。需要電力に対して蒸気タービンが負担できる出力を蒸気タービンに優先的に分担させることができ、余剰蒸気の発生を廃止することができる。

　蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）がディーゼルエンジン３の負荷に対して予め決定されている（図６のマップＭ１参照）ので、ディーゼルエンジン３の負荷が変化しても、変化したディーゼルエンジン３の負荷から即座に蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）を得ることができる。このように得られた供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）に基づいて蒸気タービン９の出力が決定できるので、ディーゼルエンジン３の負荷変化に対して追従性良く蒸気タービン９を運転させることができる。
　また、ディーゼルエンジン３の負荷は、排ガス流量や排ガス圧力を反映しているので、蒸気タービン供給可能出力Ａｖ（ＳＴ）を得るのに適している。

　ディーゼルエンジン３の現在の運転状態から決定されるパワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を超えないようにパワータービン７の出力を決定することとしたので、パワータービン７の出力を過剰に設定することがなくなるので、過剰な排ガス抽気を防止して排ガスターボ過給機５およびディーゼルエンジン３の運転に対する影響を抑えることができる。

　パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）がディーゼルエンジン３の負荷に対して予め決定されているので、ディーゼルエンジン３の負荷が変化しても、変化したディーゼルエンジン３の負荷から即座に供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を得ることができる。このように得られた供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）に基づいてパワータービン７の出力が決定できるので、ディーゼルエンジン３の負荷変化に対して追従性良くパワータービン７を運転させることができる。
　また、ディーゼルエンジン３の負荷は、排ガス流量や排ガス圧力を反映しているので、パワータービン供給可能出力Ａｖ（ＰＴ）を得るのに適している。

　発電用ディーゼルエンジン６０の出力を、蒸気タービン実出力ＳＴ（ｋＷ）およびパワータービン実出力ＰＴ（ｋＷ）と船内需要電力ＬＤ（ｋＷ）との差分を補うように決定することとした。すなわち、発電用ディーゼルエンジン６０に負荷分担させる優先順位を、蒸気タービン９およびパワータービン７の後とすることにした。これにより、蒸気タービン９およびパワータービン７を主に用い、これらを補うようにディーゼルエンジン発電機６０を用いることができるので、発電用ディーゼルエンジンの起動時間および負荷を減少させることができ、発電システム全体としてエネルギー効率を高くすることができる。

　なお、本実施形態では、船内に用いる発電システムについて説明したが、陸上の発電システムとしても用いることができる。
　また、発電システムとしてディーゼルエンジン発電機を備えた実施形態としたが、ディーゼルエンジン発電機を省略した発電システムに対して適用することもできる。
　また、余剰蒸気の放出を抑制するように蒸気タービン出力を制御することとしたが、多少の余剰蒸気の発生を許容する場合には、所定量の余剰蒸気が許容するように蒸気タービン出力を制御することとしても良い。

１　　　タービン発電機
３　　　ディーゼルエンジン
５　　　排気ターボ過給機
７　　　パワータービン
９　　　蒸気タービン
１１　　排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）
２５　　発電機
３３　　排ガス量調整弁
３７　　蒸気量調整弁
４３　　制御装置
６０　　ディーゼルエンジン発電機

Claims

　メインエンジンの過給機の上流側から抽気された排ガスによって駆動されるパワータービンと、該パワータービンに対して直列に接続され、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに対して直列に接続された発電機とを備えたタービン発電機に対して、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの出力を制御する発電システムの制御装置において、
　前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記蒸気タービンの供給可能出力を蒸気タービン供給可能出力として得ておき、
　前記蒸気タービンの出力が、需要電力との関係で前記蒸気タービン供給可能出力に近づくように決定され、
　前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力が決定される発電システムの制御装置。
　前記蒸気タービン供給可能出力は、前記メインエンジンの負荷に対して予め決定されている請求項１に記載の発電システムの制御装置。
　前記蒸気タービン供給可能出力は、前記排ガスボイラの入口の排ガス温度によって補正される請求項２に記載の発電システムの制御装置。
　前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記パワータービンの供給可能出力をパワータービン供給可能出力として得ておき、
　前記パワータービンの出力は、前記パワータービン供給可能出力を超えないように決定されている請求項１から３のいずれかに記載の発電システムの制御装置。
　前記パワータービン供給可能出力は、前記メインエンジンの負荷に対して予め決定されている請求項４に記載の発電システムの制御装置。
　前記パワータービン供給可能出力は、前記過給機の入口の空気温度によって補正される請求項５に記載の発電システムの制御装置。
　前記タービン発電機とは別に設けられたディーゼルエンジン発電機の発電用ディーゼルエンジンの出力を決定する際に、
　前記蒸気タービンの出力および前記パワータービンの出力と需要電力との差分を補うように前記発電用ディーゼルエンジン出力を決定する請求項１から６のいずれかに記載の発電システムの制御装置。
　請求項１から７のいずれかに記載された発電システムの制御装置と、
　該制御装置によって制御される蒸気タービンおよびパワータービンと、
を備えている発電システム。
　メインエンジンの過給機の上流側から抽気された排ガスによって駆動されるパワータービンと、該パワータービンに対して直列に接続され、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気によって駆動される蒸気タービンと、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンに対して直列に接続された発電機とを備えたタービン発電機に対して、前記パワータービンおよび前記蒸気タービンの負荷を制御する発電システムの制御方法において、
　前記メインエンジンの現在の運転状態から得られる前記蒸気タービンの供給可能出力を蒸気タービン供給可能出力として得ておき、
　前記蒸気タービンの出力が、需要電力との関係で前記蒸気タービン供給可能出力に近づくように決定され、
　前記蒸気タービンの出力と前記需要電力との差分を補うように、前記パワータービンの出力が決定される発電システムの制御方法。