JP3102186B2 - ガスタービン機関の補機制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスタービン機関の補
機制御装置、特にガスタービン発電装置等のガスタービ
ン機関利用システムにおける一軸式ガスタービン機関の
補機制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、補助的な電力供給のための発
電システムとして、一軸式ガスタービン機関により駆動
される発電機（以後、単にガスタービン発電機という）
を使用して発電を行うシステムが知られている。図８
は、そのような従来の一軸式ガスタービン機関ＧＴに直
結されたガスタービン発電機Ｇ₁ を有する発電システム
の一般的な構成の一例を示している。一軸式ガスタービ
ン機関ＧＴにおいては、吸入空気（吸気）はコンプレッ
サＣにて圧縮され、燃焼器Ｂにおいて燃料供給アクチュ
エータ（図示せず）により供給される燃料Ｇｆと混合さ
れて燃焼し、その燃焼ガスはコンプレッサＣと同軸のタ
ービンＴを回転させた後に、排気ガスとなって大気に排
出される。このタービンＴには主発電機Ｇ₁ がその同軸
上に直結されており、タービンＴの回転数と同じ回転数
で主発電機Ｇ₁ が回転して発電が行われる。主発電機Ｇ
₁ には界磁コイルＦｃ ₁ があり、この界磁コイルＦｃ₁
に流す界磁電流Ｉｆ₁ の調整によって主発電機Ｇ₁ の出
力を制御することができる。主発電機Ｇ₁ において発電
された交流電力は、ガスタービン発電機の本来の目的で
ある電力供給装置としての役割を果たすように作用す
る。

【０００３】燃焼器Ｂに供給される燃料流量Ｇｆと界磁
コイルＦｃ₁ に供給される界磁電流Ｉｆ₁ は、制御回路
Contによって機関の運転状態に応じて制御される。この
ために、制御回路Contには、ガスタービン機関ＧＴから
機関回転数Ｎ₁ 、コンプレッサＣの出吐力Ｐ₃ 、タービ
ンＴの出口温度Ｔｃ等の運転状態パラメータが入力され
る。

【０００４】一方、ガスタービン機関ＧＴの軸に減速機
Ｒ／Ｇが設けられており、減速機Ｒ／Ｇで減速された軸
に補助発電機Ｇ₂ が設けられている。補助発電機Ｇ
₂ は、制御回路Cont等の電源であるシステム電源の消費
を補うために設けられているものであり、通常、バッテ
リー電圧を監視して、バッテリー容量に応じてその発電
量が制御される。その発電量は、通常、電圧レギュレー
タＲによってバッテリー電圧が規定電圧になるように制
御されるようになっている。

【０００５】このように構成されているガスタービン機
関ＧＴと主発電機Ｇ₁ および補助発電機Ｇ₂ の動作を、
以下に説明する。まず、ガスタービン機関ＧＴが起動
し、負荷運転が可能な回転数になると、主発電機Ｇ₁ の
界磁コイルＦｃ₁ に界磁電流Ｉｆ₁ を流して発電が行わ
れる。一方、補助発電機Ｇ₂ は補機バッテリーを充電す
るための電力を発生するものであり、通常、この種の補
助発電機Ｇ₂ は、key スイッチを介して電圧レギュレー
タに電源が供給されており、かつ、発電機が発電可能な
回転数以上になると、補機バッテリーを充電するための
発電を行うようになっている。そして、その発電量は、
バッテリーの放電状態によって異なるが、制御回路Cont
とは独立して電圧レギュレータＲにより制御されるよう
になっている。

【０００６】なお、ガスタービン機関により駆動される
補機を設けたことが、実開平２ー９２０３９号公報に開
示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の技
術においては、補助発電機Ｇ₂ の制御がガスタービン機
関ＧＴおよび主発電機Ｇ₁ 側の制御と独立して独自に行
われており、したがって、例えば非常用発電機のような
用途においては、機関回転数を主発電機Ｇ₁ の負荷運転
が可能な回転数まで早急に立ち上げる必要があるが、補
助発電機Ｇ₂ が発電中であれば機関の加速が極端に悪
く、主発電機Ｇ₁ の負荷運転開始に支障をきたすことに
なるという問題点があった。

【０００８】そこで、本発明は、ガスタービン機関を用
いたガスタービン発電装置のようなガスタービン機関利
用システムにおいて、上記した補助発電機Ｇ₂ のような
ガスタービン機関により駆動される補機をガスタービン
機関の立ち上げを良好なものとするように制御すること
を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、主発電機及び
補助発電機を駆動するガスタービン機関の回転数を制御
する機関回転数制御手段を有するガスタービン機関の補
機制御装置において、ガスタービン機関の加速中は補助
発電機の界磁電流を低減してガスタービン機関の駆動負
荷を低減し、ガスタービン機関の回転数が定格回転数に
到達した後は補助発電機の界磁電流を増加してガスター
ビン機関の駆動負荷を増加する駆動負荷制御手段を具備
する。

【００１０】

【作用】上記のように構成されているので、ガスタービ
ン機関を加速させる必要がある場合には補機の駆動負荷
が減少されることとなり、機関の定格回転数までの立ち
上げに必要な所要時間を大幅に短縮することができる。
さらに、機関回転数が上記定格回転数に達すると、補機
駆動負荷が増大されるため、機関への負荷が増大して機
関回転数のオーバーシュート量が減少される。

【００１１】

【実施例】以下、本発明によるガスタービン機関の補機
制御装置の実施例を図面を、参照しつつ、説明する。図
１は、本発明によるガスタービン機関の補機制御装置が
適用されたガスタービン機関利用システムの一例である
ガスタービン発電装置の構成を示す概略構成図であり、
その構成要素の大部分は図８に示されている従来のシス
テムにおけるものと同等である。図中、１０は一軸式ガ
スタービン機関ＧＴであって、内部にコンプレッサ１０
ａ、タービン１０ｂ、減速機１０ｃおよび燃焼器１０ｄ
を有しており、そして、１１は主発電機Ｇ₁ 、１２は主
発電機Ｇ₁ の界磁コイルＦｃ₁、１３は補助発電機
Ｇ₂ 、１４は整流器、１５は補助発電機Ｇ₂ の界磁コイ
ルＦｃ₂ 、１６は補助発電機Ｇ₂ の界磁電流Ｉｆ₂ 調整
用の電圧レギュレータ、１７はkey スイッチ、１８はバ
ッテリー、１９は制御回路Cont、２０は主発電機Ｇ₁の
界磁電流Ｉｆ₁ 調整用の電圧レギュレータである。特
に、本実施例においては、制御回路Cont１９から補助発
電機Ｇ₂ １３用の電圧レギュレータ１６に、オン／オフ
制御信号が供給されている。

【００１２】一軸式ガスタービン機関ＧＴと主発電機Ｇ
₁ による本来の目的である電力供給装置としての動作に
関しては、上記した従来技術における記述を参照するこ
とができる。ここでは、本発明における特徴が関連する
補助発電機Ｇ₂ の制御装置について説明する。補助発電
機Ｇ₂ １３は、減速機すなわちリダクションギア１０ｃ
を介して、ガスタービン機関ＧＴに接続されており、そ
の界磁コイルＦｃ₂ １５に流れる界磁電流Ｉｆ₂ が電圧
レギュレータ１６により制御されている。電圧レギュレ
ータ１６は、充電されるバッテリー１８の電圧が規定値
以上にならないように、界磁電流Ｉｆ₂ を調整し、補助
発電機Ｇ₂ １３の出力量を制御している。また、補助発
電機Ｇ₂ １３の交流出力は、整流器１４により、整流さ
れて直流電力に変換され、変換された直流電力によりバ
ッテリー１８が充電される。

【００１３】電圧レギュレータ１６の動作は、制御回路
Cont１９からのオン／オフ制御信号によりオン／オフ制
御されている。すなわち、制御回路Cont１９からの制御
信号がオフの場合、電圧レギュレータ１６が補助発電機
Ｇ₂ １３の界磁コイルＦｃ₂１５に界磁電流Ｉｆ₂ を流
さないように動作するために、補助発電機Ｇ₂ １３は発
電を行わないが、他方、制御回路Cont１９からの制御信
号がオンの場合は、電圧レギュレータ１６が作動して補
助発電機Ｇ₂ １３の界磁コイルＦｃ₂ １５に界磁電流Ｉ
ｆ₂ を流し、補助発電機Ｇ₂ １３にバッテリー１８を充
電するための発電を行わせるように構成されている。更
に、電圧レギュレータ１６は、バッテリー１８の電圧を
検出して監視しており、バッテリー電圧が規定値以上の
過電圧とならないように界磁電流Ｉｆ₂ の調整も行って
いる。

【００１４】図２は、本発明によるガスタービン機関の
補機制御装置の一実施例の構成を示すブロック図であ
り、図１における制御回路Cont１９の構成、特に補助発
電機Ｇ₂ １３の負荷運転を行うか否かを制御するための
制御部、すなわち、補助発電機Ｇ₂ １３へのオン／オフ
制御信号を発生するための制御部の構成を示すブロック
図である。

【００１５】制御回路Cont１９には、ガスタービン機関
ＧＴの回転数信号Ｎ₁ およびガスタービン機関ＧＴの目
標回転数を決定するための制御信号Ｖacc が入力されて
いる。制御回路Cont１９によるガスタービン機関ＧＴの
制御においては、機関が起動すると、実際の機関回転数
がＶacc 信号により決定される機関目標回転数になるよ
うに、図示していない燃料制御系を介して燃料流量Ｇｆ
が調整される。

【００１６】すなわち、機関の目標回転数であるＮｓと
機関の実測回転数Ｎ₁ の関係がＮｓ＞Ｎ₁ の場合は、機
関に供給する燃料流量Ｇｆが増量されて、機関が加速さ
れることとなる。また、Ｎｓ＜Ｎ₁ の場合は、燃料流量
Ｇｆが定常運転状態よりも減少して、機関が減速される
こととなる。更に、Ｎｓ＝Ｎ₁ の場合は、機関の実測回
転数が目標回転数Ｎｓと一致しているため、定常運転状
態にあるということができる。

【００１７】図３および図４は、それぞれ、非常用およ
び一般的なガスタービン発電装置の運転パターンの一例
を示したものであるが、このうち、機関の回転数Ｎ₁ が
アイドル（Idle）状態、定格（Rated ）状態にある場合
がこの定常運転状態に相当する。ここで、図３および図
４のガスタービン発電装置の運転パターンについて説明
する。図３は非常用発電装置の運転パターンの例を示し
ており、非常用発電装置のような用途においては、発電
を行う必要が生じた場合に早急に発電を開始することが
必要である。そのため、ガスタービン機関が発電のため
の負荷運転を行える回転数まで早急に加速させる必要が
ある。したがって、図３に示す最初のパターンは、発電
のための負荷運転が可能な回転数まで早急に加速させ、
発電を可能とするようにしている。また、発電の必要が
なくなった時は、一度、機関の回転数をアイドル状態と
し、機関の潤滑系油温等を低下させた後、機関を停止さ
せるようにしている。

【００１８】一方、図４は、一般的なガスタービン発電
装置の運転パターンを示しており、このような発電装置
は、非常用と異なり、まず、機関を始動させてアイドル
状態で待機させる。そして、発電を必要とする場合に、
機関の回転数を発電が可能な回転数まで立ち上げ、そこ
で、発電のための負荷運転を行うようにする。更に、長
時間の負荷運転を行う必要がなければ、燃料節約、騒音
低減等の目的から、機関の回転数をアイドル状態で待機
させるか、あるいは、機関を完全に停止させるようにし
ている。

【００１９】図５は、ガスタービン機関ＧＴ１０の回転
数がアイドル状態から主発電機Ｇ₁１１が発電を行うこ
とができる定格回転数まで加速させる場合において、補
助発電機Ｇ₂ １３が動作している時と動作していない時
とについて、機関の特性を示している。ガスタービン機
関ＧＴ１０を加速するためには、タービンＴの出力がコ
ンプレッサＣの消費馬力と外部出力馬力（これは、補助
発電機Ｇ₂ が動作している場合には、補助発電機Ｇ₂ の
出力およびその消費馬力となる）とを加算した馬力を上
回ることが必要である。ガスタービン機関ＧＴ１０のア
イドル近傍においては、タービンＴの出力は非常に小さ
いために、補助発電機Ｇ₂ １３が動作していると、機関
を加速するための馬力を大きく取ることができず、その
ため、特にアイドル近傍での加速が悪化している。

【００２０】そこで、機関を加速させる必要がある場合
に、補助発電機Ｇ₂ １３の発電機能を停止させれば、主
発電機Ｇ₁ １１による発電開始までの所要時間を大幅に
短縮することができる。図２に示されている制御部は、
そのために、補助発電機Ｇ₂１３の負荷運転を行うか否
かを判断し、補助発電機Ｇ₂ １３へのオン／オフ制御信
号を発生するための構成を有しており、図１における制
御回路Cont１９への入力パラメータＮ₁ およびＶacc を
用いて、その機能が実現されている。図２中、２１は、
制御信号Ｖacc を受けてガスタービン機関ＧＴを運転す
る際の回転数の目標値Ｎｓを設定する機関目標回転数設
定手段であり、２２は、回転数信号Ｎ₁を受けてガスタ
ービン機関ＧＴの実際の回転数Ｎｍを検出するための機
関回転数検出手段である。

【００２１】機関加速状態検出手段２３は、ガスタービ
ン機関ＧＴが加速状態にあるか否かを検出するためのも
のである。目標回転数Ｎｓが実測回転数Ｎｍよりも大き
い（Ｎｓ＞Ｎｍ）条件においては、制御回路Cont１９
が、実測回転数Ｎｍを目標回転数Ｎｓに近づけるよう
に、図示していない燃料制御系を介して燃料流量Ｇｆを
増量して機関を加速させるように制御しており、機関加
速状態検出手段２３はこの（Ｎｓ＞Ｎｍ）の状態を検出
する。

【００２２】機関定常状態検出手段２４は、ガスタービ
ン機関ＧＴが定常状態にあるか否かを検出するためのも
のであり、目標回転数Ｎｓが実測回転数Ｎｍに等しい
（Ｎｓ＝Ｎｍ）条件においては、機関は定常状態にあ
り、機関定常状態検出手段２４はこの（Ｎｓ＝Ｎｍ）の
状態を検出する。機関減速状態検出手段２５は、ガスタ
ービン機関ＧＴが減速状態にあるか否かを検出するため
のものである。目標回転数Ｎｓが実測回転数Ｎｍよりも
小さい（Ｎｓ＜Ｎｍ）条件においては、制御回路Cont１
９が、実測回転数Ｎｍを目標回転数Ｎｓに近づけるよう
に、図示していない燃料制御系を介して燃料流量Ｇｆを
減少して機関を減速させるように制御しており、機関減
速状態検出手段２５はこの（Ｎｓ＜Ｎｍ）の状態を検出
する。

【００２３】負荷運転領域検出手段２６は、補助発電機
Ｇ₂ １３の負荷運転を行うことができる回転数であるか
否かを判断するためのものである。一般に、ガスタービ
ン機関を起動する場合、タービンの出力がコンプレッサ
の消費馬力を上回るような回転数まで図示していないス
タータにより駆動してやる必要があるが、このような始
動時においても補助発電機Ｇ₂ の負荷運転は行わない方
が始動特性が向上する。そのため、負荷運転領域検出手
段２６においては、始動時におけるスタータによる駆動
が終了する機関回転数に幾分かのマージンを加えた回転
数を定数Ｎｂとし、実際の機関回転数Ｎｍが定数Ｎｂよ
り大きい（Ｎｍ＞Ｎｂ）の状態を検出する。なお、この
定数Ｎｂ、機関のアイドル時の回転数よりも低い回転数
の値としている。

【００２４】発電機オン／オフ検出手段２７は、上記し
た各検出手段２３乃至２６の検出出力信号が供給されて
おり、それらに基づいて補助発電機Ｇ₂ １３の発電機能
をオン／オフ制御するためのものである。発電機オン／
オフ検出手段２７は、負荷運転領域検出手段２６からの
信号がオンすなわち（Ｎｍ＞Ｎｂ）の状態にあり、か
つ、機関加速状態検出手段２３からの信号がオンすなわ
ち（Ｎｓ＞Ｎｍ）の状態にある時に、補助発電機Ｇ₂ １
３の発電機能を停止させるように制御する。そして、そ
の他の条件においては、補助発電機Ｇ₂ １３を運転し
て、その発電機能によりガスタービン発電装置における
補機バッテリーの充電を行う。これにより、ガスタービ
ン発電装置の起動から主発電機Ｇ₁ １１の発電開始に至
までの所要時間を大幅に短縮することができることとな
る。

【００２５】この本発明によるガスタービン機関の補機
制御装置の制御動作を図６および図７の特性図を用いて
説明する。まず、ガスタービン機関ＧＴ１０を加速させ
て規定回転数に収束させる場合には、燃料流量Ｇｆの調
整のみでは、図６の破線に示すように、定格回転数に達
した際に機関回転数のオーバーシュートが見られるが、
本発明によるガスタービン機関の補機制御装置によれ
ば、機関加速時にバッテリーを充電するための補助発電
機Ｇ₂ １３の機能を停止し、そして、機関回転数Ｎｍが
機関目標回転数Ｎｓに対してＮｍ＝Ｎｓとなった時に補
助発電機Ｇ₂ １３の機能をオンにすることにより、図６
の実線特性に示すように、ブレーキ作用を実現すること
ができる。これは、補助発電機Ｇ₂ １３の機能が常時オ
ンの状態に比べ、Ｎｍ＝Ｎｓとなった時に補助発電機Ｇ
₂ １３の機能をオンとした直後においては、最初にバッ
テリーの消費を賄うように補助発電機Ｇ₂ １３が作動す
るために、機関回転数の加速に対してブレーキ作用が大
きく働くためである。

【００２６】次に、ガスタービン機関ＧＴ１０の減速時
については、図７に示されているように、ガスタービン
機関ＧＴの減速時には騒音などの面から機関を早く減速
した方が有利であるが、補助発電機Ｇ₂ １３の機能をオ
ンにしている方がオフにする場合に比べて早く減速する
ことができる。本発明によるガスタービン機関の補機制
御装置によれば、機関の加速時のみ補助発電機Ｇ₂ １３
の機能をオフとするよにしているため、機関減速時の特
性に何ら支障は生じないこととなる。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明によるガスタービ
ン機関の補機制御装置によれば、ガスタービン機関の加
速中に補機の駆動負荷を減少させるため、機関への負荷
が軽減されて機関回転数が定格回転数に達するまでの時
間が短くなる。更に、ガスタービン機関の回転数が定格
回転数に達すると、補機の駆動負荷を増大させるため、
機関への負荷が増大し、機関回転数のオーバーシュート
量を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガスタービン機関の補機制御装置
が適用されたガスタービン機関利用システムの一例であ
るガスタービン発電装置の構成を示す概略構成図であ
る。

【図２】本発明によるガスタービン機関の補機制御装置
の一実施例の構成を示すブロック図である。

【図３】非常用ガスタービン発電装置の運転パターンの
一例を示す特性図である。

【図４】一般的なガスタービン発電装置の運転パターン
の一例を示す特性図である。

【図５】ガスタービン機関の加速特性を示す特性図であ
る。

【図６】本発明によるガスタービン機関の補機制御装置
の制御動作を説明する特性図である。

【図７】本発明によるガスタービン機関の補機制御装置
の制御動作を説明する特性図である。

【図８】従来の一軸式ガスタービン発電システムの一般
的な構成の一例を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１０…ガスタービン機関ＧＴ １１…主発電機Ｇ₁ １２…界磁コイルＦｃ₁ １３…補助発電機Ｇ₂ １４…整流器 １５…界磁コイルＦｃ₂ １６…電圧レギュレータＲ １７…key スイッチ １８…バッテリー １９…制御回路Cont ２１…機関目標回転数設定手段 ２２…機関回転数検出手段 ２３…機関加速状態検出手段 ２４…機関定常状態検出手段 ２５…機関減速状態検出手段 ２６…負荷運転領域検出手段 ２７…発電機オン／オフ制御手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主発電機及び補助発電機を駆動するガス
   タービン機関の回転数を制御する機関回転数制御手段を
   有するガスタービン機関の補機制御装置において、前記ガスタービン機関の加速中は前記補助発電機の界磁
   電流を低減して前記ガスタービン機関の駆動負荷を低減
   し、前記ガスタービン機関の回転数が定格回転数に到達
   した後は前記補助発電機の界磁電流を増加して前記ガス
   タービン機関の駆動負荷を増加する駆動負荷制御手段を
   具備することを特徴とする ガスタービン機関の補機制御
   装置。