JP2001193486A - ガスタービン・エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自家発電用のマイクロガスタービン・エンジ
ンの制御装置において天然ガスを用いるとき、ガスの成
分の組成が一定していない場合にあっても、失火を回避
しつつ負荷の要求に応じて安定して運転できると共に、
エミッション性能を向上させる。 【解決手段】 残存酸素濃度などから断熱火炎温度を求
め、求めた断熱火炎温度が所定温度以上にあるときは予
混合燃焼を行い、それ以下のときは拡散燃焼に切り替え
ると共に、所定の運転状態にあるときも拡散燃焼に切り
替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明はガスタービン・エ
ンジンの制御装置に関し、より具体的には定置型のガス
タービン・エンジンの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン・エンジン、特に定置型の
ガスタービン・エンジンとして、近時、比較的小出力の
発電機に接続して自家発電装置を構成する小型のタービ
ンが開発されつつあり、送電されていない地域はもとよ
り、電力事情が不安定な地域においても広く使用されつ
つある。

【０００３】この種のガスタービン・エンジンにあって
は、燃料として、通例、メタン、エタン、プロパン、ブ
タンなどの天然ガスあるいは液化ガスなどの気体燃料
（ガス燃料）が使用される。また、この種のガスタービ
ン・エンジンにあってもエミッション性能の向上の点か
ら、図１１に示す如く、燃焼温度（断熱火炎温度）を符
号ａ，ｂで示す所定範囲に制御し、よってＮＯｘ，ＣＯ
などを低減することが望ましい。

【０００４】さらに、エミッション性能は、燃焼形態に
よっても相違する。即ち、ＮＯｘの排出濃度は燃焼温度
が上がるにつれて増加するが、予混合燃焼では均一な温
度分布の燃焼が得られることから、エミッション性能の
点で望ましい。しかし、予混合燃焼では燃焼温度が比較
的低いことから、燃焼として不安定で失火を招きやす
い。他方、拡散燃焼では安定した燃焼が得られるが、混
在する高温部位がＮＯｘを増加させる。

【０００５】従って、図１１で示す温度範囲において、
燃焼温度が所定範囲内にあるとき、より具体的には符号
ａで示す下限値を超えるとき、予混合燃焼を行うのが、
エミッション性能の点で望ましいが、予混合燃焼は不安
定であることから、運転状態、例えばアイドル時などに
は失火を招きやすい。エミッション性能の向上もさるこ
とながら、この種のエンジンは、失火することなく、負
荷の要求に応えて安定して運転されることが要求され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、天然ガスが
使用される場合、地域によってはガス成分の規格が存在
しないことから、供給されるガスの成分の組成（燃料組
成）にバラツキが生じることがある。ガスの成分の組成
にバラツキが生じると、燃焼で発生する発熱量にもバラ
ツキが生じる。

【０００７】そこで、一定した組成成分のガスの供給が
期待できない場合、上記した拡散燃焼から予混合燃焼へ
の切り替え下限値ａを比較的高めに設定し、よって失火
を回避することが考えられるが、予混合燃焼運転領域が
減少する分、エミッション性能が犠牲となる。

【０００８】上記した不都合は、ガスの成分の組成が変
化すると、供給流量は同一でも発熱量が異なって燃焼温
度が相違することに起因するが、ガスの成分の組成を検
出するのは、ほとんど不可能である。

【０００９】従って、この発明の目的は上記した課題を
解消することにあり、天然ガスなどの気体燃料を使用す
るガスタービン・エンジンの制御装置において、気体燃
料の成分の組成が一定しない場合においても、失火を回
避しつつ負荷の要求に応じて安定して運転できると共
に、エミッション性能を向上させるようにしたガスター
ビン・エンジンの制御装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１項にあっては、コンプレッサで加圧され
つつ供給される空気と供給源から供給される気体燃料を
燃焼器で燃焼させ、よって生じた燃焼ガスでタービンを
回転させて前記コンプレッサを駆動すると共に、前記タ
ービンの回転を出力軸を介して出力するガスタービン・
エンジンの制御装置において、前記空気と気体燃料を前
記燃焼器に供給する燃料供給手段、前記燃焼器に供給さ
れる空気の流量を検出する空気流量検出手段、前記燃焼
ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段、および
少なくとも前記検出された空気流量と酸素濃度に基づい
て前記燃焼器の燃焼によって発生する発熱量を演算する
発熱量演算手段を備えると共に、前記燃料供給手段は、
前記演算された発熱量に基づいて前記燃焼器に供給する
気体燃料を調量する如く構成した。

【００１１】検出された空気流量と酸素濃度に基づいて
燃焼器の燃焼によって発生する発熱量を演算し、演算し
た発熱量に基づいて燃焼器に供給する気体燃料を調量す
る如く構成したので、天然ガスなどの気体燃料を使用す
るとき、天然ガスの成分の組成が一定しない場合におい
ても失火を回避しつつ負荷の要求に応じて安定して運転
することができると共に、エミッション性能を向上させ
ることができる。

【００１２】請求項２項にあっては、前記燃料供給手段
は、前記空気と気体燃料を混合し、混合気を前記燃焼器
に供給して予混合燃焼させる予混合燃焼手段、前記気体
燃料を前記燃焼器に供給して前記空気と拡散燃焼させる
拡散燃焼手段、少なくとも前記検出された酸素濃度に基
づいてタービン入口温度を示す断熱火炎温度を演算する
断熱火炎温度演算手段、および前記演算された断熱火炎
温度に応じて前記予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の
少なくともいずれかを選択する選択手段を備える如く構
成した。

【００１３】演算した断熱火炎温度に応じて予混合燃焼
手段および拡散燃焼手段の少なくともいずれかを選択す
るように構成したので、エミッション性能を向上させる
ことができると共に、エミッション性能において優れる
一方、燃焼の安定性において劣る予混合燃焼から拡散燃
焼に切り換えて失火などを回避することも可能となり、
安定した燃焼の実現とエミッション性能の向上を両立さ
せることができる。

【００１４】請求項３項にあっては、前記燃料供給手段
は、前記ガスタービン・エンジンの運転状態を判定する
運転状態判定手段、および前記判定された運転状態に応
じて前記予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少なくと
もいずれかを選択する選択手段を備える如く構成した。

【００１５】ガスタービン・エンジンの運転状態を判定
して予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少なくともい
ずれかを選択するように構成したので、安定した燃焼の
実現とエミッション性能の向上を一層良く両立させるこ
とができる。

【００１６】請求項４項にあっては、前記発熱量演算手
段は、前記検出された酸素濃度に基づいて単位空気量当
たりの発熱量を演算する単位空気量当たり発熱量演算手
段を備え、前記演算された発熱量に前記検出された空気
流量を乗じて発熱量を演算する如く構成した。

【００１７】検出した酸素濃度に基づいて単位空気量当
たりの発熱量を演算し、演算した発熱量に検出した空気
流量を乗じて発熱量を演算する如く構成したので、燃焼
器に供給する気体燃料を精度良く調量することができ、
天然ガスなどの気体燃料を使用するとき、天然ガスの成
分の組成が一定しない場合においても、燃料供給制御の
精度が低下したり、制御不能となるのを効果的に防止す
ることができる。

【００１８】請求項５項にあっては、前記燃料供給手段
は、前記出力軸に作用する負荷に応じて目標発熱量を決
定する目標発熱量決定手段、前記決定された目標発熱量
に基づいて前記気体燃料の流量を調量する調量手段、お
よび前記演算された発熱量と前記決定された目標発熱量
の偏差を求め、求めた偏差に応じて前記目標発熱量を修
正する目標発熱量修正手段からなるフィードバック系を
備えるように構成した。

【００１９】決定した目標発熱量の偏差を求め、求めた
偏差に応じて目標発熱量をフィードバック補正を行うよ
うに構成したので、燃焼器に供給する気体燃料を一層精
度良く調量することができ、天然ガスなどの気体燃料を
使用するとき、天然ガスの成分の組成が一定しない場合
においても、燃料供給制御の精度が低下したり、制御不
能となるのを一層効果的に防止することができる。

【００２０】請求項６項にあっては、前記調量手段はバ
ルブからなると共に、前記目標発熱量に対して予め設定
された特性に従って前記バルブの開度を演算するバルブ
開度演算手段を備え、前記演算されたバルブ開度に基づ
いて前記気体燃料の流量を調量する如く構成した。

【００２１】目標発熱量に対して予め設定された特性に
従ってバルブの開度を演算し、演算したバルブ開度に基
づいて気体燃料の流量を調量する如く構成したので、燃
料供給制御の精度が低下したり、制御不能となるのを一
層効果的に防止することができるに止まらず、料供給制
御を一層精度良く行うことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に即し、この発明
の一つの実施の形態に係るガスタービン・エンジンの制
御装置を説明する。

【００２３】図１はその装置を概略的に示す概略図であ
る。

【００２４】図１において、符号１０はガスタービン・
エンジンを全体的に示す。ガスタービン・エンジン１０
は、コンプレッサ１２と、タービン１４と、燃焼器１６
を備える。コンプレッサ１２は、タービン１４の出力軸
（タービンシャフト）１８を介してタービン１４に連結
され、タービン１４の回転で駆動させられる。

【００２５】また、タービン１４の出力軸には発電機２
０が接続される。発電機２０はタービン１４の回転で駆
動され、１００ｋＷ程度の電力を発電する。発電機２０
には電気機器（図示せず）が負荷として接続される。

【００２６】燃焼器１６には空気取り入れ口（図示せ
ず）に接続される吸気路２４が接続されると共に、気体
燃料源（図示せず）に接続される燃料供給路２６が接続
される。尚、気体燃料としては、天然ガスなどのガス燃
料を使用する。

【００２７】より詳しくは、燃料供給路２６は中途で分
岐し、分岐路２６ａの途中には第１の燃料制御弁（調量
手段）２８が設けられると共に、他方の分岐路２６ｂの
途中には第２の燃料制御弁（調量手段）３０が設けられ
る。

【００２８】第１の燃料制御弁２８（あるいは第２の燃
料制御弁３０）は、図２に模式的に示す如く、燃料供給
路２６に接続されるハウジング２８ａ（３０ａ）と、そ
の中に進退自在に収容されるニードルバルブ本体２８ｂ
（３０ｂ）と、ニードルバルブ本体２８ｂ（３０ｂ）を
軸方向に進退させるリニアソレノイド、パルスモータな
どのアクチュエータ２８ｃ（３０ｃ）からなる。尚、図
２に示した構成は第２の燃料制御弁３０においても同様
である。

【００２９】第１の燃料制御弁２８の下流において、燃
料供給路２６の分岐路２６ａは、マルチ化されたベンチ
ュリミキサ３２の共通チャンバ３４に接続される。即
ち、ベンチュリミキサ３２は複数個、例えば２４個（図
示の便宜のため２個のみ示す）のベンチュリミキサから
なる、マルチベンチュリミキサとして構成される。

【００３０】より具体的には、ベンチュリミキサ３２は
それぞれ、図２に模式的に示す如く、ベンチュリ管３２
ａと絞り３２ｂからなる。ベンチュリ管３２ａは、その
入力端３２０が前記吸気路２４（図２で図示省略）に接
続されると共に、その他端３２１が燃焼器１６に開口さ
れる管からなり、狭隘に形成された所定の断面積のスロ
ート部３２２を備える。

【００３１】絞り３２ｂは、その入力端が前記した共通
チャンバ３４に接続されると共に、その出力端がベンチ
ュリ管のスロート部３２２に穿設された、所定の開孔面
積を備えた開口からなり、気体燃料をスロート部３２２
を通過する空気に噴出して混合気を形成する。

【００３２】図１の説明に戻ると、第２の燃料制御弁３
０の下流において、燃料供給路２６の分岐路２６ｂは燃
焼器１６の隔壁を貫通してその内部に延び、気体燃料を
燃焼器１６の内部に噴出する。尚、符号３６は、点火プ
ラグを示す。

【００３３】このように、この実施の形態に係るガスタ
ービン・エンジン１０にあっては、分岐路２６ａを介し
て送られる気体燃料は、ベンチュリミキサ３２を介して
空気と予め混合されて燃焼器１６の内部に供給されて予
混合燃焼を生じると共に、分岐路２６ｂを介して送られ
る気体燃料は空気と別に燃焼器１６内に供給され、拡散
燃焼を生じる。

【００３４】図１１に示す如く、断熱火炎温度（混合気
を断熱の条件の下で燃焼させたときの温度）が符号ａ，
ｂで示す範囲となるように燃焼させると、ＮＯｘ，ＣＯ
などを効果的に低減することができる。他方、符号ａ以
下の温度領域ではＣＯの排出濃度が増大すると共に、燃
焼が不安定となって失火する恐れがあるため、予混合燃
焼が不可能となる。

【００３５】従って、この実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの制御装置にあっては、断熱火炎温度を求
め、求めた断熱火炎温度が、符号ａを超える温度領域に
あるときは予混合燃焼を生じさせるようにした。また、
符号ｂを超える温度領域からＮＯｘの排出濃度が増加す
るが、前記した如く、予混合燃焼は拡散燃焼に比してＮ
Ｏｘ低減に効果的であることから、符号ｂを超える温度
領域においても予混合燃焼を生じさせるようにした。

【００３６】このように予混合燃焼はエミッション性能
において優れているが、予混合燃焼を行っているときに
断熱火炎温度が低下すると、失火の恐れがある。他方、
拡散燃焼は、予混合燃焼に比べて低い断熱火炎温度でも
安定して燃焼させることができる。また、ガスタービン
・エンジン１０では予混合燃焼が不可能な運転状態、例
えば、始動時、アイドリング時などがある。

【００３７】従って、この実施の形態においては断熱火
炎温度が符号ａを超える温度領域においては予混合燃焼
を生じさせると共に、断熱火炎温度が符号ａ以下となる
温度領域においては拡散燃焼を生じさせるようにした。

【００３８】また、ガスタービン・エンジン１０の運転
状態に応じても燃焼状態を切り替えるようにした。即
ち、ガスタービン・エンジン１０が始動時、アイドリン
グ時など予混合燃焼が不可能な運転状態にあるときは、
拡散燃焼を生じさせると共に、それ以外の運転状態にお
いては予混合燃焼を生じさせるようにした。

【００３９】かく構成することにより、ガスタービン・
エンジン１０の運転状態の全域にわたって安定した燃焼
を実現することができると共に、ＣＯ，ＮＯｘなどを効
果的に低減させることができ、安定した燃焼の実現とエ
ミッション性能の向上を両立させることができる。

【００４０】さらに、前記した如く、一定した組成成分
のガスの供給が期待できない場合、拡散燃焼から予混合
燃焼への切り替え下限値ａを比較的高めに設定すること
も可能であるが、そうするとエミッション性能が犠牲と
なる。

【００４１】従って、この実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの制御装置においては、図３および図４に
関して後述する如く、酸素濃度（燃焼後に残存する残存
酸素濃度）などから断熱火炎温度を精度良く検知して燃
焼切り替えを制御し、よってエミッション性能を一層向
上させるようにした。

【００４２】さらに、酸素濃度などから発熱量を算出
し、算出した発熱量に基づいて燃料供給を制御するよう
にした。即ち、燃料組成、換言すれば低位発熱量が変化
すると、ガスタービン・エンジン１０の燃料供給制御の
精度が低下したり、極端な場合には制御不能となる恐れ
もある。

【００４３】従って、この実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの制御装置においては、図３および図４に
関して後述する如く、酸素濃度などから発熱量を算出し
て目標値にフィードバック制御し、よって上記した制御
精度の低下などを回避するようにした。

【００４４】図１を参照してガスタービン・エンジン１
０の説明を続けると、ガスタービン・エンジン１０にあ
っては、このように、空気取り入れ口から吸引され、コ
ンプレッサ１２で加圧されつつ吸気路２４を通って流入
する空気と気体燃料源から燃料供給路の分岐路２６ａを
通過して流入する気体燃料は混合され（あるいは燃料供
給路の分岐路２６ｂ通って別々に）、燃焼器１６に供給
されて燃焼させられる。よって生じた燃焼ガスでタービ
ン１４が回転させられ、その出力軸１８を介してコンプ
レッサ１２および発電機２０が駆動される。

【００４５】また、図１の下部に示す如く、タービン１
４の回転に使用された燃焼ガスは依然９００℃程度の高
温を保つことから、熱交換器３８に送られ、コンプレッ
サ１２で吸引された新気（大気。例えば１５℃）はそこ
で例えば６００℃程度まで昇温された後、ベンチュリミ
キサ３２に供給される。

【００４６】このように、図示のガスタービン・エンジ
ン１０は、再生式のガスタービン・エンジンである。
尚、昇温させられた空気の一部は、希釈空気として燃焼
ガスと混合させられ、燃焼ガスを希釈する。

【００４７】燃料供給路２６の分岐点下流には第１の温
度センサ４０と第１の圧力センサ４２が設けられ、第１
および第２の燃料制御弁２８，３０の上流位置（入口）
における気体燃料の温度（燃料制御弁入口温度）Ｔｆ０
と圧力（燃料制御弁入口圧力）Ｐｆ０に比例した出力を
生じる。

【００４８】また、一方の分岐路２６ａにおいてベンチ
ュリミキサ３２、より正確には絞り３２ｂの上流側には
第２の温度センサ４６と第２の圧力センサ４８が設けら
れ、絞り３２ｂの上流位置（入口）における気体燃料の
温度（絞り入口温度）Ｔｆ２と圧力（絞り入口圧力）Ｐ
ｆ２に比例した出力を生じる。

【００４９】また、吸気路２４において、ベンチュリミ
キサ３２、より正確にはベンチュリ管３２ａの上流側に
は第３の温度センサ５０と第３の圧力センサ５２が設け
られ、ベンチュリ管３２ａの上流位置（入口）における
空気の温度（ベンチュリ入口空気温度）Ｔａ０と圧力
（ベンチュリ入口圧力）Ｐａ０に比例した出力を生じ
る。

【００５０】さらに、燃焼器１６において希釈空気の導
入位置より上流側には酸素濃度センサ５６が設けられ、
燃焼した後（で希釈する前）のガス中に残存する残存酸
素濃度に比例した出力を生じる。酸素濃度センサ５６
は、Ｏ₂ センサではなく、一般に広域酸素濃度センサと
呼ばれる構造のセンサであり、残存酸素濃度に比例する
検出信号を出力する。

【００５１】上記したセンサ群の出力は、ＥＣＵ（電子
制御ユニット）６０に送られる。ＥＣＵ６０はマイクロ
コンピュータからなり、図示しないＣＰＵ，ＲＯＭ，Ｒ
ＡＭなどを備える。

【００５２】次いで、この実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの制御装置の動作を説明する。この動作は
具体的には、ＥＣＵ６０が行う動作である。

【００５３】図３はその動作を示すブロック図である。

【００５４】ＥＣＵ６０は、発電機２０に接続される電
気機器の負荷に応じて発熱量コマンド（目標発熱量）を
算出する。次いで、算出した発熱量コマンドから、予め
実験を通じて入口温度Ｔｆ０および圧力Ｐｆ０を基準値
として設定された発熱量に対する第１、第２の燃料制御
弁２８、３０の有効開孔面積の特性（マップ）を検索し
て第１、第２の燃料制御弁２８，３０の有効開孔面積を
算出する。

【００５５】次いで、第１、第２の燃料制御弁２８，３
０の上流側の温度Ｔｆ０と圧力Ｐｆ０によって検索した
有効開孔面積を補正し、補正した有効開孔面積から、予
め実験を通じて設定された有効開孔面積に対するバルブ
開度、即ち、第１、第２の燃料制御弁２８，３０のバル
ブ開度（ニードルバルブ２８ｂ，３０ｂの位置）を検索
する。次いで、検索したバルブ開度に対応する量だけア
クチュエータ２８ｃ（３０ｃ）を駆動する。

【００５６】燃料供給路２６を流れる気体燃料（ガス燃
料）は、分岐路２６ａから第１の燃料制御弁２８（ある
いは分岐路２６ｂから第２の燃料制御弁３０）を通って
流れる。ＥＣＵ６０は、前記したように断熱火炎温度に
応じて燃焼切替制御を行い、必要に応じて燃焼切替えコ
マンドを出力して燃焼切替器６２を介して切替える。そ
の結果、分岐路２６ａあるいは２６ｂのいずれかを通る
気体燃料が燃焼器１６に供給される。

【００５７】尚、理解の便宜のため、燃焼切替器６２な
どを用いるようにハードウェア的に示すが、実際は、図
１に関して説明した如く、ＥＣＵ６０は、ソフトウェア
手法によって第１の燃料制御弁２８および第２の燃料制
御弁３０のいずれかを選択して動作させることで、燃焼
を切り替えている。従って、実際には燃焼切替器６２は
使用されない。

【００５８】断熱火炎温度は、ベンチュリ管３２ａの上
流位置における空気の温度（入口空気温度）Ｔａ０と単
位空気量当たりの発熱量に基づいて算出する。

【００５９】この断熱火炎温度の算出を説明すると、先
ず、燃焼ガス酸素濃度を入口空気に対しての酸素濃度に
換算する。これは、燃焼により質量（燃料投入分）が増
加することから、その増加分を補正するためである。
尚、そのときに燃料組成は仮定値、例えばメタン（ＣＨ
₄ ）が１００％などとする。

【００６０】次いで、換算した酸素濃度から、例えば大
気酸素濃度を２１％などと仮定して単位体積空気量当た
りの酸素消費量を算出する。具体的には、単位体積空気
量当たり酸素消費量＝大気酸素濃度−入口空気相当換算
酸素濃度、と算出する。

【００６１】次いで、算出した単位体積空気量当たり酸
素消費量から単位体積空気流量当たりの発熱量を算出す
る。具体的には、単位体積空気流量当たりの発熱量＝単
位体積空気量当たり酸素消費量×単位酸素消費量当たり
発熱量、と算出する。この単位酸素消費量当たり発熱量
は、例えば、１８〔ｋＪ／ｍ³ Ｎ〕である。

【００６２】次いで、算出した単位体積空気流量当たり
発熱量を、単位質量空気流量当たり発熱量に換算する。
具体的には、単位質量空気流量当たり発熱量＝単位体積
空気流量当たり発熱量／１．２９２８（標準状態空気密
度０℃１気圧）、と算出する。

【００６３】次いで、断熱火炎温度を算出する。即ち、
断熱火炎温度＝入口空気温度＋（単位質量空気流量当た
り発熱量／燃焼ガス比熱）×補正値、と算出する。補正
は、断熱火炎温度が燃焼ガスの温度となることから、先
の場合と同様に、質量流量（燃料投入分）による増加分
を修正するためである。尚、そのときに燃料組成は仮定
値、例えばメタン（ＣＨ₄ ）が１００％などとする。

【００６４】次いで、燃焼器１６から燃焼ガスを酸素濃
度センサ５６でサンプリングし、サンプリングした酸素
濃度（残存酸素濃度）から予め定められた特性に従っ
て、後述する如く、単位空気量当たりの発熱量（低位発
熱量）を算出する。

【００６５】他方、検出した圧力および温度などに基づ
き、図４に示す如く、燃焼空気量（空気質量流量）を算
出し、算出された単位空気量当たりの発熱量に乗算して
発熱量、即ち、検出発熱量を演算する。そして、検出発
熱量を発熱量コマンド（目標発熱量）と比較し、偏差が
減少するように検索した有効開孔面積を補正する。これ
は、前記した如く、制御精度の低下などを防止するため
である。

【００６６】次いで、残存酸素濃度に基づく発熱量の算
出について説明する。

【００６７】図５は発明者が実験して得たデータ図であ
る。

【００６８】図５において横軸は酸素消費量［ｍ³ Ｎ／
ｍ³ Ｎ−ｆｕｅｌ〕（１ノルマル立方メートルの燃料の
消費に使用される酸素量）を、縦軸は低位発熱量［ＭＪ
／ｍ ³ Ｎ−ｆｕｅｌ〕（１ノルマル立方メートルの燃料
が生じる低位発熱量）を示す。尚、ここで「低位発熱
量」は、水分蒸発に使用される熱量を除く、実発熱量の
意味で使用する。

【００６９】図５においてプロットは実測値を示し、直
線はメタン（ＣＨ₄ ）を例にとったときの単位酸素（Ｏ
₂ ）消費量当たりの発熱量［ＭＪ／ｍ³ Ｎ］を一定とし
たときの特性を示す。実測値と特性の誤差は１％であっ
た。これから、酸素消費量をみれば発熱量を推定できる
ことが分かる。即ち、気体燃料（ガス燃料）の構成比が
変化しても、酸素消費量当たりの発熱量は略一定となる
ことが分かる。

【００７０】従って、図６に示すように、発熱量に対す
る酸素消費量の逆数値である残存酸素濃度（例えば体積
％）を求めてマップとして用意しておけば、残存酸素濃
度を測定してマップを検索することで、発熱量［ＭＪ／
ｋｇ−ａｉｒ〕（１ｋｇの空気が与えられたときの発熱
量）を求めることができる。この発明は、かかる知見に
基づく。

【００７１】次いで燃料質量流量と空気質量流量の検出
（算出）について説明する。

【００７２】従来、ベンチュリを用いて流量を検出する
ときは、ベンチュリ入口圧力、ベンチュリスロート部
（最小断面積部）圧力、およびベンチュリスロート部断
面積を必要としている。

【００７３】ところで、近時、特開平１−１６３４２６
号公報で提案されるように、ベンチュリミキサをマルチ
化したマルチベンチュリミキサが知られており、この実
施の形態でもその種のベンチュリミキサ３２を使用して
いるが、かかるマルチベンチュリミキサを用いる場合、
従来の手法によるときは個々のベンチュリミキサのスロ
ート部圧力を検出する必要があり、センサ個数が増加す
るなど構成が複雑となる不都合があった。

【００７４】従って、この実施の形態においては、図４
に示す如く、燃料圧力および温度（または密度）などス
ロート部圧力Ｐａ１を算出し、それから燃焼空気流量
（空気質量流量）を求めるようにした。即ち、マルチベ
ンチュリミキサにおいても個々のベンチュリミキサのス
ロート部圧力を検出する必要なく、空気質量流量を算出
できるようにした。

【００７５】以下、それについて説明する。

【００７６】図７は、その算出原理を示す、ベンチュリ
ミキサ３２の模式図である。

【００７７】燃料制御弁２８およびベンチュリミキサ３
２を図７のように示すとき、燃料質量燃料ｍｆと空気質
量流量ｍａは、同図に示すように表すことができる。

【００７８】図中の式から、絞り３２ｂの上流側の温度
Ｔｆ２および圧力Ｐｆ２ならびに燃料質量流量ｍｆが与
えられると、スロート部圧力Ｐａ１が一義的に決まる。

【００７９】燃料質量流量ｍｆが０の場合、絞り３２ｂ
の上流側の圧力Ｐｆ２＝スロート部圧力Ｐａ１となる。

【００８０】図８は、絞り３２ｂの上流側の圧力Ｐｆ２
と空気質量流量ｍａおよび燃料質量流量ｍｆの相関関係
を示すデータである。即ち、この実施の形態において
は、スロート部３２２に入る燃料を圧力と置き換えて流
量を検出するようにした。

【００８１】図９は、図７に示す構成をこの実施の形態
に係る燃料制御弁２８およびベンチュリミキサ３２に置
き換えて示す模式図である。

【００８２】尚、この実施の形態においては燃料制御弁
２８として、チョークド・フロー・ニードル・バルブを
用いる。このチョークド・フロー・ニードル・バルブ
は、ある臨界圧で音速流を使用するときに差圧の検出が
不要となる性質を応用し、入口圧力から流量を計測でき
るようにしたバルブである。

【００８３】かかるチョークド・フロー・ニードル・バ
ルブ（燃料制御弁２８）にあっては、バルブ（燃料制御
弁２８）を通過する燃料質量流量ｍｆｖと絞り３２ｂを
通過する燃料質量流量ｍｆｏは等しいので、それぞれ同
図に示すように表すことができる。

【００８４】このバルブにあってはＭ（マッハ数）＝１
となる。よって、図９に示す式のようにＰａ１／Ｐｆ２
で表される関数の値が求まる。この関数の値より、スロ
ート部圧力Ｐａ１を求めることができる。

【００８５】従って、第１の燃料制御弁２８の有効開孔
面積ＡVLV を用いることにより、スロート部圧力Ｐａ１
を求めることができ、それから図示の式を用いて空気質
量流量ｍａを容易に算出することができる。尚、第１の
燃料制御弁２８の有効開孔面積ＡVLV は、アクチュエー
タ２８ｃの位置を適宜な特性で変換して算出する。

【００８６】図１０にチョークド・フロー・ニードル・
バルブ（燃料制御弁２８）を用いた場合のベンチュリス
ロート部圧力Ｐａ１の計測誤差を示す。図示の如く、誤
差±１％程度である。従って、燃料組成（物性）が異な
る場合、比熱を一定と扱ってもＰａ１の計測誤差は十分
に小さく、許容範囲とみなすことができる。

【００８７】この実施の形態に係るガスタービン・エン
ジンの制御装置は上記の如く、断熱火炎温度が符号ａを
超える温度領域においては予混合燃焼を生じさせると共
に、断熱火炎温度が符号ａ以下となる温度領域において
は拡散燃焼を生じさせるようにした。

【００８８】また、ガスタービン・エンジン１０の運転
状態に応じても燃焼状態を切り替えるようにした。即
ち、ガスタービン・エンジン１０が始動時、アイドリン
グ時など予混合燃焼が不可能な運転状態にあるときは、
拡散燃焼を生じさせると共に、それ以外の運転状態にお
いては予混合燃焼を生じさせるようにした。

【００８９】それによって、ガスタービン・エンジン１
０の運転状態の全域にわたって安定した燃焼を実現する
ことができると共に、ＣＯ，ＮＯｘなどを効果的に低減
させることができ、安定した燃焼の実現とエミッション
性能の向上を両立させることができる。

【００９０】さらに、前記した如く、一定した組成成分
のガスの供給が期待できない場合、拡散燃焼から予混合
燃焼への切り替え下限値ａを比較的高めに設定すること
も可能であるが、そうするとエミッション性能が犠牲と
なることから、酸素濃度（燃焼後に残存する残存酸素濃
度）などから断熱火炎温度を精度良く検知して燃焼切り
替えを制御した。これによってエミッション性能を一層
向上させることができる。

【００９１】さらに、酸素濃度などから発熱量を算出
し、算出した発熱量に基づいて燃料供給を制御するよう
にした。即ち、燃料組成、換言すれば低位発熱量が変化
すると、ガスタービン・エンジン１０の燃料供給制御の
精度が低下したり、極端な場合には制御不能となる恐れ
もあることから、酸素濃度などから発熱量を算出して目
標値にフィードバック制御した。これによって制御精度
の低下などを回避することができる。

【００９２】以上述べた如く、この実施の形態において
は、コンプレッサ１２で加圧されつつ供給される空気と
供給源から供給される気体燃料を燃焼器１６で燃焼さ
せ、よって生じた燃焼ガスでタービン１４を回転させて
前記コンプレッサ１２を駆動すると共に、前記タービン
の回転を出力軸１８を介して出力するガスタービン・エ
ンジン１０の制御装置において、前記空気と気体燃料を
前記燃焼器に供給する燃料供給手段（燃料供給路２６の
分岐路２６ａ，２６ｂ、第１および第２の燃料制御弁２
８，３０、ベンチュリミキサ３２、ＥＣＵ６０）、前記
燃焼器に供給される空気の流量（空気質量流量ｍａ）を
検出する空気流量検出手段（第３の温度センサ５０、第
３の圧力センサ５２など、ＥＣＵ６０）、前記燃焼ガス
中の酸素濃度（残存酸素濃度）を検出する酸素濃度検出
手段（酸素濃度センサ５６，ＥＣＵ６０）、および少な
くとも前記検出された空気流量と酸素濃度に基づいて前
記燃焼器の燃焼によって発生する発熱量を演算する発熱
量演算手段（ＥＣＵ６０）を備えると共に、前記燃料供
給手段は、前記演算された発熱量に基づいて前記燃焼器
に供給する気体燃料を調量する如く構成した。

【００９３】検出された空気流量（空気質量流量ｍａ）
と酸素濃度（残存酸素濃度）に基づいて燃焼器１６の燃
焼によって発生する発熱量を演算し、演算した発熱量に
基づいて燃焼器に供給する気体燃料（ガス燃料）を調量
する如く構成したので、天然ガスなどの気体燃料を使用
するとき、天然ガスの成分の組成が一定しない場合にお
いても、失火を回避しつつ負荷の要求に応じて安定して
運転することができると共に、エミッション性能を向上
させることができる。

【００９４】また、前記燃料供給手段は、前記空気と気
体燃料を混合し、混合気を前記燃焼器に供給して予混合
燃焼させる予混合燃焼手段（燃料供給路２６の分岐路２
６ａ、第１の燃料制御弁２８、吸気路２４、ベンチュリ
ミキサ３２、ＥＣＵ６０）、前記気体燃料を前記燃焼器
１６に供給して前記空気と拡散燃焼させる拡散燃焼手段
（燃料供給路２６の分岐路２６ｂ、第２の燃料制御弁３
０，ＥＣＵ６０）、少なくとも前記検出された酸素濃度
に基づいてタービン入口温度を示す断熱火炎温度を演算
する断熱火炎温度演算手段（ＥＣＵ６０）、および前記
演算された断熱火炎温度に応じて前記予混合燃焼手段お
よび拡散燃焼手段の少なくともいずれかを選択する選択
手段（ＥＣＵ６０、燃焼切替器６２）を備える如く構成
した。

【００９５】演算した断熱火炎温度に応じて予混合燃焼
手段および拡散燃焼手段の少なくともいずれかを選択す
るように構成したので、エミッション性能を向上させる
ことができると共に、エミッション性能において優れる
一方、燃焼の安定性において劣る予混合燃焼から拡散燃
焼に切り換えて失火などを回避することも可能となり、
安定した燃焼の実現とエミッション性能の向上を両立さ
せることができる。

【００９６】また、前記燃料供給手段は、前記ガスター
ビン・エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段
（ＥＣＵ６０）、および前記判定された運転状態に応じ
て前記予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少なくとも
いずれかを選択する選択手段（ＥＣＵ６０、燃焼切替器
６２）を備える如く構成した。

【００９７】ガスタービン・エンジンの運転状態を判定
して予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少なくともい
ずれかを選択するように構成したので、安定した燃焼の
実現とエミッション性能の向上を一層良く両立させるこ
とができる。

【００９８】また、前記発熱量演算手段は、前記検出さ
れた酸素濃度に基づいて単位空気量当たりの発熱量を演
算する単位空気量当たり発熱量演算手段（ＥＣＵ６０）
を備え、前記演算された発熱量（単位空気量当たりの発
熱量）に前記検出された空気流量（燃焼空気流量）を乗
じて発熱量を演算する如く構成した。

【００９９】検出した酸素濃度に基づいて単位空気量当
たりの発熱量を演算し、演算した発熱量に検出した空気
流量を乗じて発熱量を演算する如く構成したので、燃焼
器１６に供給する気体燃料を精度良く調量することがで
き、天然ガスなどの気体燃料を使用するとき、天然ガス
の成分の組成が一定しない場合においても、燃料供給制
御の精度が低下したり、制御不能となるのを効果的に防
止することができる。

【０１００】また、前記燃料供給手段は、前記出力軸１
８に作用する負荷（電気負荷）に応じて目標発熱量（発
熱量コマンド）を決定する目標発熱量決定手段（ＥＣＵ
６０）、前記決定された目標発熱量に基づいて前記気体
燃料の流量を調量する調量手段（ＥＣＵ６０）、および
前記演算された発熱量と前記決定された目標発熱量の偏
差を求め、求めた偏差に応じて前記目標発熱量を修正す
る目標発熱量修正手段からなるフィードバック系を備え
るように構成した。

【０１０１】決定した目標発熱量の偏差を求め、求めた
偏差に応じて目標発熱量をフィードバック補正を行うよ
うに構成したので、燃焼器１６に供給する気体燃料を一
層精度良く調量することができ、天然ガスなどの気体燃
料を使用するとき、天然ガスの成分の組成が一定しない
場合においても、燃料供給制御の精度が低下したり、制
御不能となるのを一層効果的に防止することができる。

【０１０２】また、前記調量手段はバルブ（第１および
第２の燃料制御弁２８，３０）からなると共に、前記目
標発熱量に対して予め設定された特性に従って前記バル
ブの開度（有効開孔面積）を演算するバルブ開度演算手
段（ＥＣＵ６０）を備え、前記演算されたバルブ開度に
基づいて前記気体燃料の流量を調量する如く構成した。

【０１０３】目標発熱量に対して予め設定された特性に
従って（第１および第２の燃料制御弁２８，３０の）バ
ルブの開度を演算し、演算したバルブ開度に基づいて気
体燃料の流量を調量する如く構成したので、燃料供給制
御の精度が低下したり、制御不能となるのを一層効果的
に防止することができるに止まらず、燃料供給制御を一
層精度良く行うことができる。

【０１０４】

【発明の効果】請求項１項にあっては、検出された空気
流量と酸素濃度に基づいて燃焼器の燃焼によって発生す
る発熱量を演算し、演算した発熱量に基づいて燃焼器に
供給する気体燃料を調量する如く構成したので、天然ガ
スなどの気体燃料を使用するとき、天然ガスの成分の組
成が一定しない場合においても失火を回避しつつ負荷の
要求に応じて安定して運転することができると共に、エ
ミッション性能を向上させることができる。

【０１０５】請求項２項にあっては、演算した断熱火炎
温度に応じて予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少な
くともいずれかを選択するように構成したので、エミッ
ション性能を向上させることができると共に、エミッシ
ョン性能において優れる一方、燃焼の安定性において劣
る予混合燃焼から拡散燃焼に切り換えて失火などを回避
することも可能となり、安定した燃焼の実現とエミッシ
ョン性能の向上を両立させることができる。

【０１０６】請求項３項にあっては、エンジンの運転状
態を判定して予混合燃焼手段および拡散燃焼手段の少な
くともいずれかを選択するように構成したので、安定し
た燃焼の実現とエミッション性能の向上を一層良く両立
させることができる。

【０１０７】請求項４項にあっては、検出した酸素濃度
に基づいて単位空気量当たりの発熱量を演算し、演算し
た発熱量に検出した空気流量を乗じて発熱量を演算する
如く構成したので、燃焼器に供給する気体燃料を精度良
く調量することができ、天然ガスなどの気体燃料を使用
するとき、天然ガスの成分の組成が一定しない場合にお
いても、燃料供給制御の精度が低下したり、制御不能と
なるのを効果的に防止することができる。

【０１０８】請求項５項にあっては、決定した目標発熱
量の偏差を求め、求めた偏差に応じて目標発熱量をフィ
ードバック補正を行うように構成したので、燃焼器に供
給する気体燃料を一層精度良く調量することができ、天
然ガスなどの気体燃料を使用するとき、天然ガスの成分
の組成が一定しない場合においても、燃料供給制御の精
度が低下したり、制御不能となるのを一層効果的に防止
することができる。

【０１０９】請求項６項にあっては、目標発熱量に対し
て予め設定された特性に従ってバルブの開度を演算し、
演算したバルブ開度に基づいて気体燃料の流量を調量す
る如く構成したので、燃料供給制御の精度が低下した
り、制御不能となるのを一層効果的に防止することがで
きるに止まらず、燃料供給制御を一層精度良く行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一つの実施の形態に係るガスタービ
ン・エンジンの制御装置を全体的に示す概略図である。

【図２】図１装置の中の燃料制御弁およびベンチュリミ
キサなどの構成を模式的に示す説明図である。

【図３】図１装置の動作を示すブロック図である。

【図４】図３に示す動作の中の燃焼空気流量（空気質量
流量）などの算出を示すブロック図である。

【図５】図３に示す動作の中の酸素濃度に基づく発熱量
の算出を示す実験データである。

【図６】図５に示す発熱量の算出手法に基づいて作成さ
れるマップの特性を示す説明グラフである。

【図７】図３に示す動作の中の空気質量流量の算出原理
を示す説明図である。

【図８】得られた空気質量流量をスロート部圧力（燃料
圧力）および燃料質量流量に対して示す実験データであ
る。

【図９】図７に示す構成を図１に示す燃料制御弁および
ベンチュリミキサに置き換えて示す説明図である。

【図１０】燃料制御弁を用いた場合のスロート部圧力の
計測誤差を示す実験データである。

【図１１】図１装置の断熱火炎温度に基づく制御を示す
説明グラフである。

【符号の説明】

１０ ガスタービン・エンジン １２ コンプレッサ １４ タービン １６ 燃焼器 １８ 出力軸 ２０ 発電機 ２４ 吸気路 ２８ 第１の燃料制御弁 ３０ 第２の燃料制御弁 ３２ ベンチュリミキサ ３２ａ ベンチュリ管 ３２ｂ 絞り ３２２ スロート部 ４０ 第１の温度センサ ４２ 第１の圧力センサ ５６ 酸素濃度センサ ６０ ＥＣＵ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンプレッサで加圧されつつ供給される
   空気と供給源から供給される気体燃料を燃焼器で燃焼さ
   せ、よって生じた燃焼ガスでタービンを回転させて前記
   コンプレッサを駆動すると共に、前記タービンの回転を
   出力軸を介して出力するガスタービン・エンジンの制御
   装置において、 ａ．前記空気と気体燃料を前記燃焼器に供給する燃料供
   給手段、 ｂ．前記燃焼器に供給される空気の流量を検出する空気
   流量検出手段、 ｃ．前記燃焼ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出
   手段、および ｄ．少なくとも前記検出された空気流量と酸素濃度に基
   づいて前記燃焼器の燃焼によって発生する発熱量を演算
   する発熱量演算手段、を備えると共に、前記燃料供給手
   段は、前記演算された発熱量に基づいて前記燃焼器に供
   給する気体燃料を調量することを特徴とするガスタービ
   ン・エンジンの制御装置。
2. 【請求項２】 前記燃料供給手段は、 ｅ．前記空気と気体燃料を混合し、混合気を前記燃焼器
   に供給して予混合燃焼させる予混合燃焼手段、 ｆ．前記気体燃料を前記燃焼器に供給して前記空気と拡
   散燃焼させる拡散燃焼手段、 ｇ．少なくとも前記検出された酸素濃度に基づいてター
   ビン入口温度を示す断熱火炎温度を演算する断熱火炎温
   度演算手段、および ｈ．前記演算された断熱火炎温度に応じて前記予混合燃
   焼手段および拡散燃焼手段の少なくともいずれかを選択
   する選択手段、を備えることを特徴とする請求項１項記
   載のガスタービン・エンジンの制御装置。
3. 【請求項３】 前記燃料供給手段は、 ｉ．前記ガスタービン・エンジンの運転状態を判定する
   運転状態判定手段、および ｊ．前記判定された運転状態に応じて前記予混合燃焼手
   段および拡散燃焼手段の少なくともいずれかを選択する
   選択手段、を備えることを特徴とする請求項１項または
   ２項記載のガスタービン・エンジンの制御装置。
4. 【請求項４】 前記発熱量演算手段は、 ｋ．前記検出された酸素濃度に基づいて単位空気量当た
   りの発熱量を演算する単位空気量当たり発熱量演算手
   段、を備え、前記演算された発熱量に前記検出された空
   気流量を乗じて発熱量を演算することを特徴とする請求
   項１項から３項のいずれかに記載のガスタービン・エン
   ジンの制御装置。
5. 【請求項５】 前記燃料供給手段は、 ｌ．前記出力軸に作用する負荷に応じて目標発熱量を決
   定する目標発熱量決定手段、 ｍ．前記決定された目標発熱量に基づいて前記気体燃料
   の流量を調量する調量手段、および ｎ．前記演算された発熱量と前記決定された目標発熱量
   の偏差を求め、求めた偏差に応じて前記目標発熱量を修
   正する目標発熱量修正手段、からなるフィードバック系
   を備えることを特徴とする請求項１項から４項のいずれ
   かに記載のガスタービン・エンジンの制御装置。
6. 【請求項６】 前記調量手段はバルブからなると共に、 ｏ．前記目標発熱量に対して予め設定された特性に従っ
   て前記バルブの開度を演算するバルブ開度演算手段、を
   備え、前記演算されたバルブ開度に基づいて前記気体燃
   料の流量を調量することを特徴とする請求項５項記載の
   ガスタービン・エンジンの制御装置。