JP6153914B2 - 発電機に連結された内燃機関の操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電機に接続されている電力供給（電源）グリッド障害（故障）の際、特に、動学的（動的）グリッド電圧降下（dynamic grid voltage drop）の場合に発電機に連結されている内燃機関を操作（運転）する方法に関する。

この内燃機関は、内燃機関の空気供給ダクト内にコンプレッサを有し、内燃機関の排気ガスダクト内にそのコンプレッサに連結されている排気ガスタービンを有したターボチャージャ（ターボ過給機）を含んでいる。ここには、そのコンプレッサのバイパス（迂回）のため、及び／又は排気ガスタービンのバイパスのために少なくとも１つのバイパスバルブ（弁）が利用されている。

発電設備と、電力供給グリッドに接続される発電機との接続においては、対応する電力供給グリッド演算器のそれぞれに支配的なグリッドおよびシステムの規則が考慮されなければならない。“グリッドコード”または“トランスミッションコード”とも呼ばれるそれらグリッドとシステムの規則は、電力供給グリッドにおけるグリッド障害の場合には、とりわけ発電設備の技術的な最低要件および操作手順を規定する。その点で“低電圧ライドスルー”（ＬＶＲＴ）事象としても知られる動学的グリッド電圧降下の形態のグリッド障害が関連する。そのような動学的グリッド電圧降下が発生したとき、負荷角（load angle）またはロータ（回転子）移動角とも称される電気的な位相角（electric phase）が設定制限値内に留まることが望ましい。さもないと発電機で磁極滑動（pole slippage）を招き、その結果、発電機に連結された内燃機関の制御不能な加速が引き起こされる可能性がある。さらに、グリッド障害の解消後のグリッド復旧の際に、発電機や内燃機関に対する機械的荷重および内燃機関と発電機との間の連結に対する機械的負荷は増大する電気相角の変化と共に増加する。

電気相角の変化を設定制限値内に収めるための従来の方策は、発電機に連結されている内燃機関の点火（燃焼）を無効化（停止）することである。しかし、ターボチャージャを備えた内燃機関の場合には、停止されている点火によってコンプレッサ特性の操作点はサージ制限の方向にずれる。もしサージ制限（surge limit）が超えられて、ターボチャージャのコンプレッサベーンでの機能停止が発生し、所謂コンプレッササージ（圧縮機サージ）が発生すると、結果として内燃機関に関わる不安定な操作状態に導かれるであろう。

本発明の目的は、上述の欠点を回避し、電力供給グリッドにおけるグリッド障害の場合に発電機に連結された内燃機関の従来式操作に勝る操作方法を提供することである。特に本発明は、支配的なグリッドとシステムの規則を考慮して、グリッド障害、特に動学的グリッド電圧降下が発生したときにコンプレッササージを回避させることを目的としている。

本発明によれば、その目的は請求項１の特徴によって達成される。本発明の有利な形態は従属請求項に記されている。

本発明によれば、グリッド障害の検出によって、またはグリッド障害の検出後に、その少なくとも１つのバイパスバルブは少なくとも一時的に機能化（始動）される。

使用されるバイパスバルブは、コンプレッサインレット（入口）をコンプレッサアウトレット（出口）に接続しているコンプレッサバイパスダクト内でコンプレッサをバイパスするためのコンプレッサバイパスバルブでよい。この点で、例えば、インタークーラをコンプレッサの下流に配置し、コンプレッサバイパスダクトによってコンプレッサインレットをインタークーラのアウトレットに接続させることができる。

あるいは、または追加的に、排気ガスタービンバイパスバルブが、排気ガスタービンインレットを排気ガスタービンアウトレットに接続する排気ガスバイパスダクト内で排気ガスタービンをバイパスするためのバイパスバルブとして利用できる。

内燃機関は、燃料（例えば燃料ガス）を空気の存在下で燃焼させるガスエンジン（例えば定置ガスエンジン）でよい。発電機は、内燃機関で駆動され、電流を発電機に接続されている電力供給グリッドに供給する交流発電機でよい。

グリッド障害の発生は従来方法で、例えば、電力供給グリッドの故障による内燃機関または発電機の設定可能な最大値を超える回転速度によって、またはモニターされている発電機の発電機電圧、発電機周波数または発電機電流によって検出できる。この場合には、例えば、発電機電圧が降下すると、及び／又は発電機周波数が設定制限値を超えて上昇すると、及び／又は発電機電流が設定制限値を超えて上昇するとグリッド障害が検出される。

グリッド障害が発生した場合、およびそれに関連している可能性がある点火停止の場合には、コンプレッササージは、少なくとも１つのバイパスバルブ（例えばコンプレッサバイパスバルブ及び／又は排気ガスバイパスバルブ）の少なくとも一時的な始動によって回避が可能であり、よって発電機に連結されている内燃機関を対応して安定化させることができる。

特に好適な実施形態においては、その少なくとも１つのバイパスバルブはグリッド障害の検出前の第１位置を有しており、グリッド障害検出時、またはグリッド障害検出後に、その少なくとも１つのバイパスバルブを第１位置とは異なる始動位置に配置することができる。

好適には、その点に関して、その少なくとも１つのバイパスバルブ(例えばコンプレッサバイパスバルブ)を第１位置との関係でさらに開いて（開口）している始動位置に対して開口させることができる。

特に好適な実施形態では、その少なくとも１つのバイパスバルブを設定可能な始動時間だけ始動位置に保持できる。

好適には、その少なくとも１つのバイパスバルブを設定可能な始動時間後に実質的に再び第１位置に配置できる。すなわち、動学的グリップ電圧降下前と同じ位置に配置できる。しかし原理的には、その少なくとも１つのバイパスバルブを設定可能な始動時間後に実質的完全に閉じる（閉口する）こともできる。

その設定可能な始動時間後に、その少なくとも１つのバイパスバルブが、第１位置に対してさらに閉口されている第２位置に対して閉口され、設定可能な時間、第２位置に保持されることが特に有利であることが証明されている。ここで好適には、その少なくとも１つのバイパスバルブはその設定可能な時間後に第１位置に対して実質的に再び開口される。第１位置に対してさらに閉口している第２位置に対するバイパスバルブのさらなる閉口によって、内燃機関のエンジンパワー出力は、さらに迅速にグリッド障害前の出力値を回復する。

特に、極端なグリッド電圧降下の場合には、グリッド障害の検出時または検出後に内燃機関内の点火を停止することができる。この場合、内燃機関内で点火を実行するために少なくとも１つの点火装置が存在できる。この場合には、その少なくとも１つの点火装置は内燃機関内の点火を停止するために、停止される。燃料が内燃機関の点火のために供給されると、内燃機関内の点火を停止させるために燃料供給を妨害することもできる。点火装置は、例えば電極スパークプラグまたはレーザスパークプラグでよい。少なくとも１つの燃料計測装置、例えば、ポート噴射バルブの形態のものが燃料供給のために使用できる。

その少なくとも１つのバイパスバルブの始動および内燃機関内の点火の停止は、コンプレッササージを発生させることなく、停止された点火によって時間を長引かせることができる。

内燃機関内の点火はグリッド障害が解消した後に再び始動できる。この点で、内燃機関または発電機の回転速度が設定回転速度値に到達したら、及び／又は発電機内の相対位相角の変化が設定値に到達したら、内燃機関内の点火が再び始動できる。

特定変形形態では、その少なくとも１つのバイパスバルブはグリッド障害の検出前には第１位置を有しており、グリッド障害の検出時または検出後、その少なくとも１つのバイパスバルブは第１位置とは異なる始動位置に配置される。そこでその少なくとも１つのバイパスバルブはグリッド障害が解消した後にその始動位置とは異なる位置に配置される。

通常では、内燃機関内の点火は、動学的グリッド電圧降下が解消したときにだけ再実行される。点火が再開される瞬間は、内燃機関または発電機の回転速度から、及び／又は相対的電気相角変化値から決定できる。特に、グリッド障害前の開始位置すなわち第１位置にバイパスバルブを再配置して戻すことで、内燃機関をグリッド障害前と同じパワー出力で再び安定状態にて運転続行させることを可能にする。

原則的には、その少なくとも１つのバイパスバルブをグリッド障害が解消した後に第１位置に対してさらに閉口している第２位置に対して閉口させ、設定時間だけ、その第２位置に保持することができ、好適にはその少なくとも１つのバイパスバルブを設定時間後に第１位置に対して実質的に再び開口させることができる。

特に好適な実施形態では、グリッド障害が解消した後、点火の始動と、始動位置とは異なる位置への、その少なくとも１つのバイパスバルブの配置とを実質的に同時的に実行できる。その場合には点火の復活はバイパスバルブの始動の引金作用とすることができる。

グリッド障害が解消した後、その少なくとも１つのバイパスバルブの始動位置とは異なる位置への配置は、点火の始動後、好適には点火の始動後の設定可能な第２の時間後に実行できる。

換言すれば、内燃機関の通常作動中に、上方向（増大パワー）および下方向（低減パワー需要）で予見されるコントロールリザーブ（制御条件）が存在する。本発明によって増大パワーへのコントロールリザーブが活用されている。グリッド障害が解消した後にバイパスバルブを益々（グリッド障害前の位置と比較）閉じることで、ブースト圧力を迅速に発生させることができ、エンジンは迅速にその通常時のパワーを再獲得できる。

本発明のさらなる細部と利点は、以下の詳細の説明によって解説されている。

電力供給グリッドに接続されており、内燃機関によって駆動可能な発電機の概略回路図である。 本発明の方法の１実施例によるバイパスバルブの位置の経時的変化を示す。 本発明の方法の別実施例によるバイパスバルブの位置の経時的変化および内燃機関の点火の経時的変化を示す。

図１は、電力供給グリッド３に接続されている発電機１の概略回路図である。発電機１は三相電力供給グリッド３に接続された交流発電機でよい。発電機１は、本実施例では定置ガスエンジンの形態である内燃機関２に連結されている。電力供給グリッド３に供給される電流を発生させるため、発電機１は内燃機関２によって駆動できる。過給空気Ｌは空気供給ダクト６によって内燃機関２に供給される。過給空気Ｌは、例えば燃料−空気混合気（例えば、混合気供給内燃機関）または実質的に空気単独（例えば空気供給内燃機関用）でよい。内燃機関２からの排気ガスは排気ガスダクト８によって排気される。内燃機関２には、従来の形態で空気供給ダクト６内のコンプレッサ５と、コンプレッサ５に連結された排気ガスダクト８内の排気ガスタービン７とを含んだ少なくとも１つのターボチャージャ４が備わっている。コンプレッサ５はターボチャージャシャフト１４によって排気ガスタービン７に連結されている。空気供給ダクト６内のコンプレッサ５の下流には、圧縮された過給空気Ｌを冷却するためのインタークーラ１８が配置されている。過給空気Ｌは空気供給ダクト６によってコンプレッサ５のコンプレッサインレット５ａに供給される。コンプレッサ５のコンプレッサアウトレット５ｂはインタークーラ１８に対して開口している。

この例は、コンプレッサ５及び／又は排気ガスタービン７をバイパスするために２つのバイパスバルブ９と１０を有している。この場合、コンプレッサ５をバイパスするためのコンプレッサバイパスバルブ９は、コンプレッサインレット５ａを空気供給ダクト６内に配置されたインタークーラ１８の下流の空気供給ダクト６に接続するコンプレッサバイパスダクト１２内に配置されている。排気ガスタービン７をバイパスするための排気ガスタービンバイパスバルブ１０は、排気ガスタービンインレット７ａを直接的に排気ガスタービンアウトレット７ｂに接続する排気ガスバイパスダクト１３内に配置されている。

グリッド障害の検出のために制御装置１５が利用される。制御装置１５は、信号線１６によって制御装置１５に信号される作動パラメータの対応する値によって、内燃機関２及び／又は発電機１及び／又は電力供給グリッド３の様々な作動パラメータをモニターすることができる。よって、例えば１以上の次の作動パラメータをモニターすることができる。すなわち、内燃機関２の回転速度、発電機１の回転速度、発電機１及び／又は電力供給グリッド３の電圧、発電機１及び／又は電力供給グリッド３の電圧周波数、発電機１及び／又は電力供給グリッド３の電流が選択的にモニター（監視）できる。

もしグリッド障害が、その少なくとも１つのモニターされた作動パラメータに関する変動の検出によって検出されたら、グリッド障害の検出時または検出後に、それらバイパスバルブ９と１０のうち少なくとも一方を少なくとも一時的に作動させるため、制御装置１５は、適した制御線１７を介して調整信号をコンプレッサバイパスバルブ９及び／又は排気ガスタービンバイパスバルブ１０に送る。

さらに、グリッド障害の検出時または検出後に、内燃機関２の点火システムを停止させるため、制御信号を別な制御線１７で内燃機関に送ることができる。

図２は、時間ｔに対するバイパスバルブ９と１０のバルブ位置Ｖの変化と、時間ｔに対する内燃機関２の点火１１の変化を示す。時間Ｔ１にてグリッド障害、例えば動学的グリッド電圧降下が検出される。その時間に第１位置Ｓ１にバイパスバルブ９、１０が存在する。時間Ｔ２にてグリッド障害を検出した後、バイパスバルブ９、１０は、例えば、作動位置Ｏに向かって開口する。設定可能な作動時間Ｔｖ後にバイパスバルブ９、１０は再び閉じられる。本例では、バイパスバルブ９、１０の閉口は、第１位置Ｓ１に対してよりもさらに閉口している第２位置Ｓ２に対して実行される。設定可能な時間Ｔｓ後に、時間Ｔ５にてバイパスバルブ９、１０は第２位置Ｓ２から第１位置Ｓ１に再び移動する。第１位置はグリッド障害発生前のバイパスバルブ９、１０の位置であった。それら処置の間、内燃機関２の点火１１は変化しない。

図３は、図２と同様に内燃機関２のバルブ位置Ｖと点火１１の時間に対する変化を示す。本実施例では、バイパスバルブ９、１０の開口に加えて内燃機関２の点火１１が一時的に停止される。本実施例ではグリッド障害の検出後、時間Ｔ３にて内燃機関２の点火１１は停止され、時間Ｔ４にてグリッド障害が解消した後に再び始動される。本実施例では、バイパスバルブ９、１０の閉口と点火１１の始動は実質的に同時点Ｔ４にて実行される。図２のバルブ位置Ｖの時間に対する変化と比較して、本実施例のバイパスバルブ９、１０は、内燃機関２の点火１１が再び起動されるまで作動位置Ｏに残る。設定可能な時間Ｔｓ後に、時間Ｔ５にてバイパスバルブ９、１０はその第２位置Ｓ２から、グリッド障害発生前のバイパスバルブ９、１０の位置であった第１位置Ｓ１に再び移動する。

Claims (11)

1. 発電機（１）に接続されている電力供給グリッド（３）のグリッド障害の際、特に動学的グリッド電圧降下の際に、該発電機（１）に連結されている内燃機関（２）を操作する方法であって、
   前記内燃機関（２）は、該内燃機関（２）の空気供給ダクト（６）内のコンプレッサ（５）と、
   該内燃機関（２）の排気ガスダクト（８）内で該コンプレッサ（５）に連結されている排気ガスタービン（７）とを有したターボチャージャ（４）を含んでおり、
   前記コンプレッサ（５）のバイパスのため、及び／又は前記排気ガスタービン（７）のバイパスのための少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）が利用されており、
   前記グリッド障害の検出時または検出後、前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）が少なくとも一時的に作動され、
   前記グリッド障害の検出時または検出後、前記内燃機関（２）の点火（１１）が停止され、
   前記グリッド障害の解消後、前記内燃機関（２）内の点火（１１）が再び始動され、
   前記グリッド障害の検出前に、前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は第１位置（Ｓ１）を有しており、
   該グリッド障害の検出時または検出後、該少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、該第１位置（Ｓ１）とは異なる作動位置（Ｏ）に配置され、
   該少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、該グリッド障害が解消した後に、該作動位置（Ｏ）とは異なる位置（Ｓ２、Ｓ１）に配置され、
   前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、設定可能な作動時間（Ｔｖ）後に、前記第１位置（Ｓ１）に対してさらに閉口している第２位置（Ｓ２）に対して閉口しており、
   設定可能な時間（Ｔｓ）の間、該第２位置（Ｓ２）に保持されることを特徴とする方法。
2. 発電機（１）に接続されている電力供給グリッド（３）のグリッド障害の際、特に動学的グリッド電圧降下の際に、該発電機（１）に連結されている内燃機関（２）を操作する方法であって、
   前記内燃機関（２）は、該内燃機関（２）の空気供給ダクト（６）内のコンプレッサ（５）と、
   該内燃機関（２）の排気ガスダクト（８）内で該コンプレッサ（５）に連結されている排気ガスタービン（７）とを有したターボチャージャ（４）を含んでおり、
   前記コンプレッサ（５）のバイパスのため、及び／又は前記排気ガスタービン（７）のバイパスのための少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）が利用されており、
   前記グリッド障害の検出時または検出後、前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）が少なくとも一時的に作動され、
   前記グリッド障害の検出時または検出後、前記内燃機関（２）の点火（１１）が停止され、
   前記グリッド障害の解消後、前記内燃機関（２）内の点火（１１）が再び始動され、
   前記グリッド障害の検出前に、前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は第１位置（Ｓ１）を有しており、
   該グリッド障害の検出時または検出後、該少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、該第１位置（Ｓ１）とは異なる作動位置（Ｏ）に配置され、
   該少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、該グリッド障害が解消した後に、該作動位置（Ｏ）とは異なる位置（Ｓ２、Ｓ１）に配置され、
   前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、前記グリッド障害が解消した後に、前記第１位置（Ｓ１）に対してさらに閉口している第２位置（Ｓ２）に対して閉口しており、
   設定可能な時間（Ｔｓ）の間、該第２位置（Ｓ２）に保持されることを特徴とする方法。
3. 前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、前記第１位置（Ｓ１）に対してさらに開口している作動位置（Ｏ）に対して開口していることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は前記設定可能な作動時間（Ｔｖ）の間、前記作動位置（Ｏ）に保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は前記設定可能な作動時間（Ｔｖ）後に、前記第１位置（Ｓ１）に実質的に、再び配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）は、前記設定可能な時間（Ｔｓ）後に、前記第１位置（Ｓ１）に対して実質的に再び開口されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記内燃機関（２）または前記発電機（１）の回転速度が設定可能な回転速度値に到達したら、及び／又は該発電機（１）の相対位相角の変化が設定可能な値に到達したら、該内燃機関（２）の点火（１１）が再び始動されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）が、前記設定可能な時間（Ｔｓ）後に、前記第１位置（Ｓ１）に対して実質的に再び開口されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記グリッド障害が解消した後に、前記点火（１１）の始動と、前記作動位置（Ｏ）とは異なる位置（Ｓ２、Ｓ１）への前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）の配置とが、時間（Ｔ４）にて実質的に同時に実行されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記グリッド障害が解消した後に、前記作動位置（Ｏ）とは異なる位置（Ｓ２、Ｓ１）への前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）の配置が、前記点火（１１）の始動後に実行されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記グリッド障害が解消した後に、前記作動位置（Ｏ）とは異なる位置（Ｓ２、Ｓ１）への前記少なくとも１つのバイパスバルブ（９、１０）の配置が、前記点火（１１）の始動後の設定可能な第２の時間後に実行されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
    

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