JP5168686B2

JP5168686B2 - ガスタービン発電装置

Info

Publication number: JP5168686B2
Application number: JP2007314535A
Authority: JP
Inventors: 健谷口; 泰寛水田
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JP2009142026A

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガスによって駆動されるガスタービンにより駆動されて発電するガスタービン発電装置に関する。

船舶推進用のディーゼルエンジン等には、その排気ガスによって駆動されるガスタービンによって発電機を駆動するガスタービン発電装置を付設したものがある（特許文献１）。
従来のガスタービン発電装置を図４を参照して説明する。図４において、１は内燃機関、２０は排気通路、２１，２２は弁、２はガスタービン、３はギヤ、４は同期発電機、５は界磁巻線、６は励磁機、７は励磁機界磁巻線、８，１２は整流器、１０は永久磁石発電機（ＰＭＧ）、１１は変圧器、１９は自動電圧調整器、２３〜２６は制動抵抗器、２７は負荷調整器、２８〜３０は接触器、３１，３４，３６は遮断器、３２は同期投入装置、３３は電力系統、３５は負荷、３７はディーゼル発電機である。

このような構成によって、ガスタービン２は内燃機関１から弁２１を通じて送られる排気ガスにより駆動される。弁２２は弁２１の開閉動作と逆の動作をする。ガスタービン２の回転はギヤ３で減速されて同期発電機４に伝えられ、同期発電機４が駆動される。同期発電機４は界磁巻線５に界磁電流Ｉｆを供給され、遮断器３１を介して電力を電力系統３３に供給する。

励磁機６は同期発電機４の回転子と一体となって回転し、励磁機界磁巻線７に自動電圧調整器１９から界磁電流Ｉｅｆを供給されて発電する。励磁機６の出力電圧は整流器８にて直流に変換されて界磁巻線５に供給される。

電力系統３３には遮断器３６を介してディーゼル発電機３７も電力を供給している。電力系統３３には遮断器３４を介して負荷３５が接続される。制動抵抗器２３〜２５はそれぞれ接触器２８〜３０を介して同期発電機４の出力端に接続され、電力を供給される。制動抵抗器２６は負荷調整器２７を介して同期発電機４の出力端に接続され、負荷調整器２７は制動抵抗器２６に流れる電流を調節し、制動抵抗器２６の消費電力を調節する。

自動電圧調整器１９は同期発電機４の出力端子電圧Ｖｇを検出し、励磁機界磁巻線７に流れる界磁電流Ｉｅｆを操作することによって出力端子電圧Ｖｇを所望の値に自動制御する。界磁電流Ｉｅｆを供給するための電源として、永久磁石発電機１０の出力電圧を変圧器１１で降圧し、整流器１２で直流に変換して自動電圧調整器１９に供給する。

このガスタービン発電装置の始動は下記のように行う。
始動前は遮断器３１は開いており、ディーゼル発電機３７が遮断器３６，３４を介して負荷３５に電力を供給している。接触器２８〜３０を閉とし、制動抵抗器２３〜２５を同期発電機４に接続した状態で弁２１を開くと、弁２２を介してバイパスされていた排気ガスが弁２１を介してガスタービン２へ供給され、ガスタービン２、ギヤ３及び同期発電機４が回転する。同期発電機４の回転速度が上がってくると永久磁石発電機１０が発電するので、変圧器１１、整流器１２、自動電圧調整器１９を介して励磁機界磁巻線７に界磁電流Ｉｅｆが供給され、励磁機６が発電し、界磁巻線５に界磁電流Ｉｆが供給される。これにより同期発電機４は発電し、制動抵抗器２３〜２５へ電力を供給する。

制動抵抗器２３〜２５での電力消費により同期発電機４の軸に負荷トルクが発生し、この負荷トルクと、ガスタービン２からギヤ３を介して受ける同期発電機４の加速トルクがつり合った所で回転速度の上昇が止まり、同期発電機４は一定速度で回転する。ここで、制動抵抗器２３〜２５が同期発電機４に接続されている場合は同期発電機４の定格回転数よりも十分低い回転速度で釣り合う。

その後、制動抵抗器２３〜２５を１つずつ順に遮断することにより、負荷トルクが減少し、同期発電機４の回転速度が上昇する。この様子を図５に示す。同図のＡの範囲は例えば制動抵抗器２３〜２５が同期発電機４に接続されている期間である。同図のＢの範囲は例えば制動抵抗器２３を遮断し、制動抵抗器２４，２５を同期発電機４に接続している期間であり、負荷トルクが減少するため同期発電機４の回転速度Ｎは上昇する。さらに制動抵抗器２４を遮断すると同期発電機４の回転速度Ｎは定格回転速度Ｎｎ付近まで上昇する。

制動抵抗器２４を遮断した結果負荷トルクが同期発電機４の駆動されるトルクより小さくなると、同期発電機４の回転速度Ｎは定格回転速度Ｎｎより高くなる（同図Ｃ）。その後、負荷調整器２７により制動抵抗器２６に電流を流し、流れる電流を調整することで負荷トルクの微調整を行い、同期発電機４を定格回転速度Ｎｎに調整する。その後、同期投入装置３２により遮断器３１を操作して同期発電機４を電力系統３３へ接続し、同期発電機４とディーゼル発電機３７の両方で負荷３５へ電力を供給する。

上記のように動作させるとき、同期発電機４の出力端子電圧Ｖｇはその回転速度Ｎと界磁電流Ｉｆに比例するので下記の（１）式が成り立つ。
Ｖｇ∝Ｎ×Ｉｆ・・・（１）

界磁電流Ｉｆは励磁機６が出力する交流電圧を整流器８で整流した直流の界磁電圧Ｖｆに比例し、界磁電圧Ｖｆは励磁機界磁電流Ｉｅｆと回転速度Ｎに比例するので
Ｉｆ∝Ｉｅｆ×Ｎ・・・（２）
であり、（１）式と（２）式より
Ｖｇ∝Ｉｅｆ・Ｎ²・・・（３）
Ｉｅｆ∝Ｖｇ・Ｎ²・・・（４）
である。自動電圧調整器１９は、回転速度Ｎが変化した場合、同期発電機４の出力端子電圧Ｖｇを所定値に保つように励磁機界磁電流Ｉｅｆを調整する。
特開平６−１０６９９号公報

前述した従来のガスタービン発電装置では、図５に示したＡ，Ｂのようにガスタービン発電装置の始動時に回転速度が低い期間がある。回転速度が低いと、自動電圧調整器１９は、（３）式により出力端子電圧Ｖｇを所定値とするために励磁機界磁電流Ｉｅｆを増加させるように動作する。励磁機６の冷却はその回転子に設けた冷却ファンによって外気を取り込むことで行っているので、回転速度が低い状態では冷却ファンの風量が少ないため励磁機６の冷却能力が低くなり、温度が上昇しやすくなる。この状態にて励磁機界磁電流Ｉｅｆを増加させると、励磁機の電機子巻線が過熱し、焼損するおそれがある。ガスタービン２を停止させるために減速する際にも回転速度が低くなるため同様に励磁機６が過熱するおそれがある。

また従来のガスタービン発電装置では、接触器２８〜３０の制御により同期発電機４に接続されている制動抵抗器２３〜２５を徐々に減らして同期発電機４の回転速度を上昇させるようにしているので、始動に時間がかかる欠点もある。

本発明は以上のような欠点を改善し、同期発電機の回転速度が低い状態でも励磁機界磁電流を増加させず、励磁機を過熱させないようにし、始動にかかる時間を短縮することができるガスタービン発電装置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ガスタービン発電装置は、内燃機関から排出される排気ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンによって駆動される同期発電機と、前記同期発電機を励磁する励磁機と、前記同期発電機の出力電圧を所定値とするために前記励磁機の界磁電流を調整する自動電圧調整器と、前記同期発電機の出力端に接触器を介して接続された複数の制動抵抗器とを備え、前記制動抵抗器の消費電力を調節することによって前記同期発電機の回転速度を調節するようにしたガスタービン発電装置において、一定の直流電圧を発生する直流電圧発生手段および前記直流電圧発生手段と前記励磁機の界磁巻線の間に接続された界磁電流設定抵抗器からなる一定界磁電流供給手段と、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度とあらかじめ設定された設定回転速度とを比較する比較器とを備え、前記同期発電機の定格端子電圧をＶｇｎ、前記ガスタービンに排気ガスが供給されることによって前記同期発電機を加速するトルクをＴｅ、前記同期発電機の定格回転角速度をωｎとしたとき、前記複数の制動抵抗器の合成抵抗値ＲをＲ＝Ｖｇｎ²／（Ｔｅ×ωｎ）とし、前記自動電圧調整器と前記一定界磁電流供給手段をそれぞれ互いに逆の動作をする切り替え遮断器を介して前記励磁機の界磁巻線に接続し、前記切り替え遮断器は、前記回転速度が前記設定回転速度より低い時には前記一定界磁電流供給手段を前記励磁機の界磁巻線に接続し、前記回転速度が前記設定回転速度以上の時には前記自動電圧調整器を前記励磁機の界磁巻線に接続する構成とする。

本発明によれば、同期発電機の回転速度が低い状態でも励磁機界磁電流を増加させず、励磁機を過熱させないようにし、始動にかかる時間を短縮することができるガスタービン発電装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態のガスタービン発電装置の構成を示す図である。図４に示した従来のガスタービン発電装置と異なるところは、回転速度検出センサ４０、回転速度検出器４１、比較器４２、遮断器４３，４４、整流器４５および抵抗器４６を備えている点である。

すなわち本実施の形態のガスタービン発電装置は、ディーゼルエンジン等の内燃機関１から排出される排気ガスによって駆動されるガスタービン２と、ガスタービン２によって駆動される同期発電機４と、同期発電機４を励磁する励磁機６と、同期発電機４の出力電圧を所定値とするために励磁機６の界磁電流を調整する自動電圧調整器１９と、同期発電機４の出力端に接触器２８，２９，３０を介して接続された複数の制動抵抗器２３，２４，２５とを備え、制動抵抗器２３，２４，２５の消費電力を調節することによって同期発電機４の回転速度を調節するようにしたガスタービン発電装置において、一定の直流電圧を発生する直流電圧発生手段（整流器４５）およびこの直流電圧発生手段と励磁機の界磁巻線７の間に接続された界磁電流設定抵抗器４６からなる一定界磁電流供給手段と、同期発電機４の回転速度Ｎを検出する回転速度検出手段（回転速度検出センサ４０および回転速度検出器４１）と、回転速度Ｎとあらかじめ設定された設定回転速度Ｎ₀とを比較する比較器４２とを備え、同期発電機４の定格端子電圧をＶｇｎ、ガスタービン２に排気ガスが供給されることによって同期発電機４を加速するトルクをＴｅ、同期発電機４の定格回転角速度をωｎとしたとき、前記複数の制動抵抗器２３，２４，２５の合成抵抗値ＲをＲ＝Ｖｇｎ²／（Ｔｅ×ωｎ）とし、自動電圧調整器１９と一定界磁電流供給手段（４５，４６）をそれぞれ互いに逆の動作をする切り替え遮断器４３，４４を介して励磁機６の界磁巻線７に接続し、切り替え遮断器４３，４４は、回転速度Ｎが設定回転速度Ｎ₀より遅い時には一定界磁電流供給手段（４５，４６）を励磁機６の界磁巻線７に接続し、回転速度Ｎが設定回転速度Ｎ₀以上の時には自動電圧調整器１９を励磁機６の界磁巻線７に接続するようにした構成である。

本実施の形態のガスタービン発電装置は下記のように動作する。すなわち、回転速度検出センサ４０は同期発電機４の回転速度に比例した周波数のパルスを出力する。回転速度検出器４１は前記パルスを入力し同期発電機４の回転速度Ｎを出力する。比較器４２は回転速度Ｎと予め設定した回転速度Ｎ₀（例えば定格回転速度Ｎｎの９５％等と設定する）を比較し、Ｎ＜Ｎ₀の場合は遮断器４３をＯＦＦ、遮断器４４をＯＮとする。Ｎ≧Ｎ₀である場合には遮断器４３をＯＮ、遮断器４４をＯＦＦとする。整流器４５は電力系統３３の交流電圧を入力し直流電圧に変換して出力する。整流器４５の代わりに直流電源を設置してもよい。遮断器４４がＯＮとなると、整流器４５の出力する直流電圧が、抵抗器４６、遮断器４４を介して励磁機界磁巻線７に供給され、励磁機界磁電流Ｉｅｆが流れる。

始動時は下記のように動作する。
始動前は同期発電機４は停止しておりＮ＜Ｎ₀であるので遮断器４３はＯＦＦ、遮断器４４はＯＮとなり、励磁機界磁電流Ｉｅｆは一定値である。

ガスタービン２とギア３と同期発電機４の慣性モーメントの合計値をＪとし、同期発電機４の回転角速度をωとし、同期発電機４の加速トルクをＴｅ、同期発電機４の負荷トルクをＴｇとすると、下記の（５）式が成り立つ。

同期発電機４の負荷電力をＰｇとすると、下記（６）式となる。

また、制動抵抗器２３〜２５のうち、通電する制動抵抗器の合成抵抗値をＲとすると、Ｐｇ＝Ｖｇ²／Ｒであるので下記（７）式となる。

同期発電機４の定格端子電圧をＶｇｎ、定格回転角速度をωｎとすると、Ｒは（７）式において右辺が０となるようにＲ＝Ｖｇｎ²／（Ｔｅ×ωｎ）とする。

励磁機界磁電流Ｉｅｆが一定であれば、前記（３）式によりＶｇは同期発電機４の回転速度Ｎの２乗にほぼ比例するのでＶｇ＝ｋω²とおくと、下記（８）式となる。

（８）式によると、回転速度の３乗に比例して同期発電機４の負荷トルクＴｇが増加するので、回転速度の上昇は徐々にゆるやかとなり、Ｔｅ＝ｋ²ω³／Ｒとなったときに（８）式の右辺が０となるので回転速度の上昇が止まることとなる。この様子を図２に示す。

また、励磁機界磁電流Ｉｅｆについては、同期発電機４が定格回転速度Ｎｎで回転し、制動抵抗器２３〜２５の合成抵抗値がＲである時に、発電機出力電圧Ｖｇが定格電圧ＶｇｎとなるようにＩｅｆを定め、Ｉｅｆ＝（整流器４５の出力電圧）／（抵抗器４６の抵抗値＋励磁機界磁巻線７の抵抗値）となるように抵抗器４６の抵抗値を定めれば、同期発電機４が定格回転速度Ｎｎの時に発電機出力電圧Ｖｇが定格電圧Ｖｇｎとなる。また、界磁電流Ｉｅｆは同期発電機４の回転速度Ｎによらず、同期発電機４が定格回転速度で定格負荷をとるときの界磁電流（定格界磁電流）より小さい一定の値に選ぶので、同期発電機４の回転速度が低い場合でも、過励磁とならない程度の界磁電流となり、励磁機６の過熱を防止することができる。

本実施の形態では、同期発電機４の回転速度ＮがＮ≧Ｎ₀となった時点で遮断器４３をＯＮ、遮断器４４をＯＦＦとし、励磁機界磁電流Ｉｅｆが一定の状態から、自動電圧調整器１９による電圧制御に切り替え、同期発電機４の出力端子電圧Ｖｇを定格電圧Ｖｇｎに制御する。このときの挙動を図３に示す。

また、実際には加速トルクＴｅの変化により、回転速度の上昇が止まる回転角速度ωと定格回転角速度ωｎには差が生じるので、負荷調整器２７により制動抵抗器２６に流れる電流を調整することで負荷トルクＴｇの微調整を行い、同期発電機４を定格回転速度に調整する。その後、同期投入装置３２により遮断器３１を操作して同期発電機４を電力系統３３へ接続し、同期発電機４とディーゼル発電機３７の両方で負荷３５へ電力を供給する。

以上説明したように、本実施の形態のガスタービン発電装置では、同期発電機４の回転速度が低いときには、励磁機界磁電流Ｉｅｆを定格負荷時の励磁機界磁電流より小さく一定とすることにより励磁機６の過熱を防止することができる。また、制動抵抗器の抵抗値を予め決めておくことで、同期発電機４の回転速度Ｎを定格回転速度Ｎｎ付近にスムーズに上昇させることができるため、従来のガスタービン発電装置のように制動抵抗器を徐々に切り離していく操作が不要となり、早く加速することができ、始動にかかる時間を短縮することができる。

本発明の実施の形態のガスタービン発電装置の構成を示す接続図。励磁機界磁電流が一定の場合のガスタービン発電装置の動作を説明する図。本発明の実施の形態のガスタービン発電装置の動作を説明する図。従来のガスタービン発電装置の構成を示す接続図。従来のガスタービン発電装置の動作を説明する図。

符号の説明

１…内燃機関、２…ガスタービン、３…ギヤ、４…同期発電機、５…界磁巻線、６…励磁機、７…励磁機界磁巻線、８，１２，４５…整流器、１０…永久磁石発電機、１１…変圧器、１９…自動電圧調整器、２０…排気通路、２１，２２…弁、２３，２４，２５，２６…制動抵抗器、２７…負荷調整器、２８，２９，３０…接触器、３１，３４，３６，４３，４４…遮断器、３２…同期投入装置、３３…電力系統、３５…負荷、３７…ディーゼル発電機、４０…回転速度検出センサ、４１…回転速度検出器、４２…比較器、４６…抵抗器。

Claims

内燃機関から排出される排気ガスによって駆動されるガスタービンと、前記ガスタービンによって駆動される同期発電機と、前記同期発電機を励磁する励磁機と、前記同期発電機の出力電圧を所定値とするために前記励磁機の界磁電流を調整する自動電圧調整器と、前記同期発電機の出力端に接触器を介して接続された複数の制動抵抗器とを備え、前記制動抵抗器の消費電力を調節することによって前記同期発電機の回転速度を調節するようにしたガスタービン発電装置において、一定の直流電圧を発生する直流電圧発生手段および前記直流電圧発生手段と前記励磁機の界磁巻線の間に接続された界磁電流設定抵抗器からなる一定界磁電流供給手段と、前記同期発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度とあらかじめ設定された設定回転速度とを比較する比較器とを備え、前記同期発電機の定格端子電圧をＶｇｎ、前記ガスタービンに排気ガスが供給されることによって前記同期発電機を加速するトルクをＴｅ、前記同期発電機の定格回転角速度をωｎとしたとき、前記複数の制動抵抗器の合成抵抗値ＲをＲ＝Ｖｇｎ²／（Ｔｅ×ωｎ）とし、前記自動電圧調整器と前記一定界磁電流供給手段をそれぞれ互いに逆の動作をする切り替え遮断器を介して前記励磁機の界磁巻線に接続し、前記切り替え遮断器は、前記回転速度が前記設定回転速度より低い時には前記一定界磁電流供給手段を前記励磁機の界磁巻線に接続し、前記回転速度が前記設定回転速度以上の時には前記自動電圧調整器を前記励磁機の界磁巻線に接続することを特徴とするガスタービン発電装置。