JP2019035354A - 排気ダンパを備えるガスタービン発電システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ダンパを備えるガスタービン発電システムにおいて、排気ダンパの開閉とガスタービンの動作とを適切に連動させることにより信頼性を高める【解決手段】ガスタービンエンジン（１１）および発電機（１３）を有するガスタービン発電装置（１）と、前記ガスタービンエンジンの排気を外部へ排出する排気口（２３）が形成された、前記ガスタービン発電装置（１）を収容する発電装置室（３）と、前記排気口を開閉可能に動作する排気ダンパ（５）と、前記発電装置室内の異常を検知する異常検知装置（７）と、当該ガスタービン発電システム（Ｓ）の動作を制御する制御装置（９）とを備えるシステムにおいて、前記制御装置（９）は、前記異常検知装置によって異常状態が検知され、かつ、前記ガスタービンエンジンの回転速度が定格回転速度よりも低い所定値（ＣＶ）以下の場合に前記排気ダンパ（５）を閉じる排気ダンパ制御部（４３）を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、排気ダンパを備えるガスタービン発電システムおよびその制御方法に関する。

地震や台風などによって商用電源が使用できなくなった非常時用の発電装置として、ガスタービンエンジンを駆動源とするガスタービン発電装置が一般的に用いられている（例えば、特許文献１）。

上述のようなガスタービン発電装置が設置される発電装置室の区画壁には、通常、ガスタービンエンジンの動作に必要な吸排気を行うための吸気口や排気口が設けられている。

特開２００９−２７５６２４号公報

地震や台風などの非常時には、発電装置室内で火災が発生することが想定される。その場合に吸排気口から室外への延焼を防止するために、吸排気口を開閉するダンパを設け、火災発生時にダンパ閉じるように構成することが有効であると考えられる。しかし、ガスタービンエンジンからの排気を排出するための排気ダンパを、ガスタービンエンジンの定常運転中に閉じた場合、高温の排気がエンジン内で渋滞するので、エンジンの故障の原因となりかねない。また、ガスタービンエンジンを再始動させる際に排気ダンパが閉状態となっている場合にも同様の問題が生じる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービン発電システムにおいて排気ダンパを設けるとともに、排気ダンパの開閉とガスタービンエンジンの動作とが適切に連動するように制御することにより、ガスタービン発電システム全体の信頼性を高めることにある。

前記した目的を達成するために、本発明の第１構成に係るガスタービン発電システムは、ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を有するガスタービン発電装置と、
前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を外部へ排出する排気口が形成された発電装置室と、
前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
前記発電装置室内で発生した異常状態を検知する異常検知装置と、
を備える。
さらに、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御装置は、前記異常検知装置によって異常状態が検知され、かつ、前記ガスタービンエンジンの回転速度が定格回転速度よりも低い所定値以下である場合に前記排気ダンパを閉じる排気ダンパ制御部を有する。また、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御方法では、前記異常検知装置によって異常状態が検知され、かつ、前記ガスタービンエンジンの回転速度が定格回転速度よりも低い所定値以下である場合に前記排気ダンパを閉じる。

この構成によれば、ガスタービンエンジンの定常運転時に異常検知がされた場合、即時に排気ダンパを閉じるのではなく、ガスタービンの回転速度が所定値まで下降してから、つまりガスタービンの排気の量および温度が低下してから排気ダンパを閉じるので、高温排気の滞留によるガスタービンエンジンの故障を防止することができる。したがって、火災のような異常の発生時にも、排気ダンパの開閉とガスタービンエンジンの動作とを適切に連動させて、従来の防災性能を維持しながらガスタービン発電システムを再起動することができる。

本発明の一実施形態において、前記回転速度の所定値が、前記ガスタービンエンジンの運転制御の基準値として用いられる値であってもよい。前記ガスタービンエンジンの運転制御の基準値として、例えば、ガスタービンエンジンの主燃料弁を開閉する基準値が用いられる。この構成によれば、従来ガスタービン制御に用いられていた信号を兼用することにより、従来のシステムに加える変更を抑制しながら排気ダンパの開閉制御を行うことができる。

本発明の第２構成に係るガスタービン発電システムは、
ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を備えるガスタービン発電装置と、
前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を、発電装置室の外部へ排出させる排気口が形成された発電装置室と、
前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
前記ガスタービンエンジンの始動を規制可能に構成された始動インターロックと、
を備える。
さらに、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御装置は、前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除する始動インターロック制御部を有する。また、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御方法では、前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除する。

具体的には、例えば、上記ガスタービン発電システムが前記排気ダンパの開閉状態を検知する複数の開閉検知器を備えており、前記複数の開閉検知器のうちの一部の開閉検知器から開状態信号を受け取ることにより前記排気ダンパが開状態にあるとの判断がなされてよい。

この構成によれば、排気ダンパが閉じられたままの状態で誤ってガスタービンエンジンを再始動させることを防止できる。したがって、ガスタービン発電装置の再始動時においても、排気ダンパの開閉とガスタービンエンジンの動作とを適切に連動させて、当該システム全体の信頼性を高めることができる。なお、当該システムにおける始動時インターロックおよび始動インターロック制御部は、上記第１構成に係るガスタービン発電システムと組み合わせてもよい。

以上のように、本発明に係るガスタービン発電システムおよびその制御方法によれば、排気ダンパを備えるガスタービン発電システムにおいて、排気ダンパの開閉とガスタービンエンジンの動作とが適切に連動するように制御することにより、ガスタービン発電システム全体の信頼性を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービン発電システムＳを示す概略図である。 図１のガスタービン発電システムＳの概略構成を示すブロック図である。 図１のガスタービン発電システムＳの制御方法の一例を示すフロー図である。 図１のガスタービン発電システムＳにおけるガスタービンエンジンの回転速度プロファイルの一例を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電システムＳの概略構成を示すブロック図である。 図５の一部を拡大して示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るガスタービン発電システムＳの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１に、本発明の第１実施形態に係るガスタービン発電システムＳ（以下、単に「発電システムＳ」と称する。）の概略構成を示す。発電システムＳは、ガスタービン発電装置１、発電装置室３、排気ダンパ５、異常検知装置７および制御装置９（図２）を備えている。発電システムＳは、例えば、地震や台風などによって商用電源が使用できなくなった非常時用の電源として用いられる。

図２に示すように、ガスタービン発電装置１は、ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」と称する。）１１およびガスタービン１１によって駆動される発電機１３を備える。ガスタービン１１は、圧縮機１５、燃焼器１７およびタービン１９を主要な構成要素として備える。ガスタービン１１に取り入られた作動媒体である空気は、圧縮機１５で圧縮されて燃焼器１７に送られ、燃焼器１７において圧縮空気と燃料が混合された後に燃焼される。燃焼器１７で生成した高温の燃焼ガスがタービン１９に送られてタービン１９を回転駆動する。タービン１９の回転動力が、出力回転軸２１を介して出力される。ガスタービン１１の出力回転軸２１には、図示しない減速機を介して、負荷である発電機１３およびガスタービン１１を始動させるスタータモータ２２が連結されている。なお、図示の例では、発電機１３とは別にスタータモータ２２が設けられているが、発電機１３がスタータモータとして兼用されてもよい。

図１に示すように、ガスタービン発電装置１は発電装置室３に収容されている。なお、本明細書における「発電装置室」は、ガスタービン発電装置１が設置される設置空間Ｒを画定する壁のことを指す。発電装置室３は、例えば、当該発電システムＳが設置される建物内の一区画として形成されている。発電装置室３は密閉可能に構成されている。発電装置室３には、ガスタービン１１から排出される排気を、発電装置室３の外部へ排出する排気口２３が設けられている。図示の例では、発電装置室３の一側壁２５に排気口２３が設けられており、この排気口２３にガスタービン１１の排気ダクト２７が接続されている。なお、ガスタービン１１と排気ダクト２７の間には排気消音器（図示せず。）が介在していてもよい。また、発電装置室３において排気口２３を設ける箇所は側壁２５に限定されず、ガスタービン１１の設置箇所や仕様、発電装置室３の当該建物内における位置などに応じて適宜変更してよい。

また、図示の例では、発電装置室３には、作動媒体や冷却空気としてガスタービン１１に導入される空気を外部から取り入れるための給気口２９およびガスタービン１１内を冷却した後の空気を外部に排出するための換気口３１が設けられている。

発電装置室３の排気口２３には、この排気口２３を開閉可能に動作する排気ダンパ５が取り付けられている。同様に、給気口２９および換気口３１にも、それぞれ、開閉可能に動作する給気ダンパ３３、換気ダンパ３５が取り付けられている。

異常検知装置７は、発電装置室３内で発生した異常状態を検知する。本実施形態における異常検知装置７は、発電装置室３内における火災の発生を検知する火災検知装置であり、図示の例では発電装置室３の天面３ａに取り付けられている。

制御装置９は、発電システムＳ全体の動作を制御する。本実施形態では、制御装置９は、ガスタービン発電装置１の動作を制御するガスタービン制御部４１と、排気ダンパ５の開閉動作を制御する排気ダンパ制御部４３を有する。

次に、このように構成された発電システムＳにおける制御装置９による制御動作、すなわち発電システムＳの制御方法について説明する。

図２に示すガスタービン１１は、始動時にはスタータモータ２２によって駆動され、ガスタービン制御部４１による制御により、回転速度が所定値に達したときに、自立運転に切り替えられる。自立運転への切り替えは、回転速度が所定値に達したときに、燃焼器１７へ主燃料を供給する主燃料供給路４５に設けられた主燃料弁４７を開くことによって行われる。以下の説明では、主燃料弁４７を開く基準となる回転速度値を「主燃料弁開基準値ＦＶ」と呼ぶ。

制御装置９の排気ダンパ制御部４３は、異常検知装置７によって異常状態が検知され、かつ、ガスタービン１１の回転速度が定格回転速度ＲＶよりも低い所定値（以下、「ダンパ閉基準値ＣＶ」という。）以下である場合に排気ダンパ５を閉じる。ガスタービン１１の回転速度は図示しない回転センサによって検知される。

以下の過程Ｓ０〜Ｓ３の流れを図３に示す。図２の排気ダンパ制御部４３は、ガスタービン１１の停止中であっても運転中であっても、平常時は排気ダンパ５を開状態に維持している（図３のＳ０）。異常検知装置７は、発電装置室３内の異常（本実施形態では火災の発生）を検知すると（Ｓ１）、異常検知信号ＡＳを制御装置９に送る。異常検知信号ＡＳは、制御装置９のガスタービン制御部４１および排気ダンパ制御部４３にそれぞれ送られる。ガスタービン制御部４１は、異常検知信号ＡＳを受けて、燃焼器１７への燃料供給を停止して、ガスタービン１１の停止に向けた減速運転に移行する（Ｓ２）。その後、ガスタービン１１の回転速度がダンパ閉基準値まで下降したとき、ガスタービン制御部４１から排気ダンパ制御部４３へ基準値検知信号ＳＳが送られる。排気ダンパ制御部４３は、異常検知信号ＡＳおよび基準値検知信号ＳＳの両信号が入力されたことを条件として、排気ダンパ５を閉じる（Ｓ３）。

本実施形態では、図４に示すように、ダンパ閉基準値ＣＶとして、ガスタービン１１の運転制御の基準値として用いられる値、具体的には主燃料弁開基準値ＦＶを使用している。

ガスタービン１１の主燃料弁開基準値ＦＶは、ガスタービン１１の種類、サイズ、出力等によって異なるが、一般的に停止信号として用いられる、定格回転速度の概ね６％よりも大きな値を採用することができる。本実施形態における主燃料弁開基準値ＦＶは、定格回転速度の約２０％である。この領域まで回転速度が低下すれば、ガスタービン１１の排気の温度および排出量は、排気ダンパ５を閉じてもガスタービン１１に悪影響を及ぼさない程度に低下する。他方、ガスタービン１１の定格運転状態において、異常検知信号ＡＳを受けて主燃料供給弁４５を緊急停止した場合、定格回転速度から主燃料弁開基準値ＦＶまで低下するのに要する時間は、ガスタービン１１の種類、サイズ、出力等によって異なるが、数分程度である。異常検知から排気ダンパ５を閉じるまで、この程度の時間であれば、防災上も許容できる。

もっとも、ダンパ閉基準値ＣＶとしては、主燃料弁開基準値ＦＶ以外の値を用いてもよい。主燃料弁開基準値ＦＶ以外の値であっても、ガスタービン１１の運転制御の基準値として用いられる他の値を用いた場合には、従来ガスタービン制御に用いられていた信号を兼用することにより、従来のシステムに加える変更を抑制しながら排気ダンパ５の開閉制御を行うことができる。また、ダンパ閉基準値ＣＶとして、ガスタービン１１の運転制御の基準値として用いられる値以外の値を、ダンパ閉基準の専用値として新たに設定してもよい。この場合には、ガスタービン１１の仕様に応じた、より適切な基準値の設定が可能となる。

なお、基準値検知信号ＳＳは、ガスタービン１１の回転速度がダンパ閉基準値ＣＶ以下の状態にある場合に出力される信号として設定されている。したがって、異常が検知された時点でガスタービン１１の回転速度が閉基準値ＣＶ以下にある場合には、排気ダンパ制御部４３に基準値検知信号ＳＳがすでに入力されているので、異常検知信号ＡＳが入力されれば排気ダンパ５が閉じられる。

なお、発電システムＳが図１に示した給気ダンパ３３や換気ダンパ３５を備える場合、制御装置９はこれらのダンパを制御する機能も有しており、例えば、異常が検知されたときに即時に排気ダンパ５以外のダンパ３３，３５を閉じるように制御してもよい。

本実施形態に係る発電システムＳおよびその制御方法によれば、ガスタービン１１の定常運転時に異常検知がされた場合、即時に排気ダンパ５を閉じるのではなく、ガスタービン１１の回転速度が所定値まで下降してから、つまりガスタービン１１の排気の量および温度が低下してから排気ダンパ５を閉じるので、高温排気の滞留によるガスタービン１１エンジンの故障を防止することができる。したがって、火災のような異常の発生時にも、排気ダンパ５の開閉とガスタービン１１の動作とを適切に連動させて、従来の防災性能を維持しながら発電システムＳを再起動することができる。

次に、図５に示す本発明の第２実施形態に係るガスタービン発電システムＳについて説明する。本実施形態に係る発電システムＳは、ガスタービン発電装置１、発電装置室３、排気ダンパ５、異常検知装置７および制御装置９を備えている点で第１実施形態と共通し、ガスタービン１１の始動を規制可能に構成された始動インターロック５１をさらに備え、かつ、制御装置９が、始動インターロック５１の動作を制御する始動インターロック制御部５３を有している点で、第１実施形態と異なる。以下、主に始動インターロック５１および始動インターロック制御部５３について説明し、第１実施形態と共通する点についての説明は省略する。

本実施形態における始動インターロック５１は、ガスタービン１１のスタータモータ２２の起動を妨げる電気的回路として構成されている。もっとも、始動インターロック５１は、この例に限定されず、例えば機械的にガスタービン１１の始動を規制するものであってもよい。始動インターロック制御部５３は、排気ダンパ５が開状態にあると判断した場合に始動インターロック５１を解除する。

図６に示すように、排気ダンパ５には、排気ダンパ５の開閉状態を検知する開閉検知器５５として、開閉回動軸５ａの回動角度が所定値に達したことを検出するリミットスイッチ５７が取付けられている。始動インターロック制御部５３は、開閉検知器５５からの信号を受けて、排気ダンパ５の開閉状態を判断し、排気ダンパ５が閉状態にあると判断した場合には始動インターロック５１の作動状態を維持し、排気ダンパ５が開状態にあると判断した場合には始動インターロック５１を解除する。

本実施形態では、開閉検知器５５であるリミットスイッチ５７は複数（図示の例では３個）設けられている。始動インターロック制御部５３は、３個のリミットスイッチ５７のうちの一部である２個のリミットスイッチ５７から開状態信号を受け取ったときに、排気ダンパ５が開状態にあると判断する。このように、複数の開閉検知器５５を設け、その一部の開閉検知器５５からの信号によって排気ダンパ５の開状態を判断することによって、開閉検知器５５を１つのみ設け、これによって出力される１つの信号のみによって排気ダンパ５が開状態にあると判断する場合に比べて、開閉検知器５５の故障や断線等による誤動作の可能性を大幅に低減することができる。なお、開閉検知器５５として、リミットスイッチ５７に限らず、排気ダンパ５の開閉状態を検知できる適宜の装置を使用してよい。

なお、本実施形態のように、排気ダンパ５の開閉回動軸５ａの回動角度を検出することによって排気ダンパ５の開閉状態を判断する場合、図１の排気口２３の形状、寸法、ガスタービン１１の排気ダクト２７と排気口２３との接続形態等を考慮して、排気ダクト２７から排出口２３を介して外部への排気を排出することが実質的に支障のない回動角度値を、開状態と判断する閾値として設定してよい。

本実施形態に係る発電システムＳによれば、排気ダンパ５が閉じられたままの状態で誤ってガスタービン１１を再始動させることを防止できる。したがって、ガスタービン発電装置１の再始動時においても、排気ダンパ５の開閉とガスタービン１１エンジンの動作とを適切に連動させて、当該システム全体の信頼性を高めることができる。

なお、図７に第３実施形態として示すように、第２実施形態の発電システムＳにおける異常検知装置７および制御装置９の排気ダンパ制御部４３は省略してもよい。本実施形態によっても、排気ダンパ５が閉じられたままの状態で誤ってガスタービン１１を再始動させることを防止するという効果を得ることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービン発電装置
３ 発電装置室
５ 排気ダンパ
７ 異常検知装置
９ 制御装置
１１ ガスタービンエンジン
１３ 発電機
２３ 排気口
４３ 排気ダンパ制御部
５１ 始動インターロック
５３ 始動インタ―ロック制御部
ＣＶ ダンパ閉基準値（所定値）
Ｓ ガスタービン発電システム

Claims (10)

1. ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を有するガスタービン発電装置と、
   前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を外部へ排出する排気口が形成された発電装置室と、
   前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
   前記発電装置室内で発生した異常状態を検知する異常検知装置と、
   を備えるガスタービン発電システムであって、
   さらに、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記異常検知装置によって異常状態が検知され、かつ、前記ガスタービンエンジンの回転速度が定格回転速度よりも低い所定値以下である場合に前記排気ダンパを閉じる排気ダンパ制御部を有する、
   ガスタービン発電システム。
2. 請求項１に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記回転速度の所定値が、前記ガスタービンエンジンの運転制御の基準値として用いられる値であるガスタービン発電システム。
3. 請求項２に記載のガスタービン発電システムにおいて、前記回転速度の所定値が、前記ガスタービンエンジンの主燃料弁を開閉する基準値として用いられる値であるガスタービン発電システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービン発電システムにおいて、
   さらに、
   前記ガスタービンエンジンの始動を規制可能に構成された始動インターロックを備え、
   前記制御装置が、前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除する始動インターロック制御部を有する、
   ガスタービン発電システム。
5. ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を備えるガスタービン発電装置と、
   前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を、発電装置室の外部へ排出させる排気口が形成された発電装置室と、
   前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
   前記ガスタービンエンジンの始動を規制可能に構成された始動インターロックと、
   前記排気ダンパの開閉状態を検知する複数の開閉検知器と、
   を備えるガスタービン発電システムであって、
   さらに、当該ガスタービン発電システムの動作を制御する制御装置を備え、
   前記制御装置は、前記複数の開閉検知器のうちの一部の開閉検知器から開状態信号を受け取ることにより前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除する始動インターロック制御部を有する、
   ガスタービン発電システム。
6. ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を備えるガスタービン発電装置と、
   前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を外部へ排出する排気口が形成された発電装置室と、
   前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
   前記発電装置室内で発生した異常状態を検知する異常検知装置と、
   を備えるガスタービン発電システムを制御する方法であって、
   前記異常検知装置によって異常状態が検知され、かつ、前記ガスタービンエンジンの回転速度が定格回転速度よりも低い所定値以下である場合に前記排気ダンパを閉じることを含む、
   ガスタービン発電システムの制御方法。
7. 請求項６に記載の制御方法において、前記回転速度の所定値が、前記ガスタービンエンジンの運転制御の基準値として用いられる値であるガスタービン発電システムの制御方法。
8. 請求項７に記載の制御方法において、前記回転速度の所定値が、前記ガスタービンエンジンの主燃料弁を開閉する基準値として用いられる値であるガスタービン発電システムの制御方法。
9. 請求項６から８のいずれか一項に記載の制御方法において、
   前記ガスタービン発電システムが、さらに、
   前記ガスタービンエンジンの始動を妨げる始動インターロックと、
   を備え、
   前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除することを含む、
   ガスタービン発電システムの制御方法。
10. ガスタービンエンジンおよび前記ガスタービンエンジンによって駆動される発電機を備えるガスタービン発電装置と、
    前記ガスタービン発電装置を収容する発電装置室であって、前記ガスタービンエンジンから排出される排気を、発電装置室の外部へ排出させる排気口が形成された発電装置室と、
    前記発電装置室の排気口に取り付けられて、この排気口を開閉可能に動作する排気ダンパと、
    前記ガスタービンエンジンの始動を妨げる始動インターロックと、
    前記排気ダンパの開閉状態を検知する複数の開閉検知器と、
    を備えるガスタービン発電システムを制御する方法であって、
    前記複数の開閉検知器のうちの一部の開閉検知器から開状態信号を受け取ることにより前記排気ダンパが開状態にあると判断した場合に始動インターロックを解除することを含む、
    ガスタービン発電システムの制御方法。