JPH0683596B2 - ガスタ−ビンエンジンの発電制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はガスタービンエンジンの発電制御装置、特に
ガスタービンエンジンによって高速発電機を駆動させる
際の、負荷運転移行時のタイミングを効果的に決定する
ようにした発電制御装置に関する。

［従来の技術］ 第５図には従来における一軸式ガスタービンエンジン10
を用いて発電機12等の負荷を回転させる装置が示されて
いる。

ガスタービンエンジン10はそれ自体主軸14にて直結され
ているタービン16とコンプレッサ18とを含み、周知のご
とくコンプレッサ18により吸入、圧縮された吸気Gaは、
燃焼機20にて燃料供給Gfを受け、この燃焼ガスがタービ
ン16を回転させて排気される。

前記燃焼機20に供給される燃料は、燃料ポンプ22によっ
て燃料タンク24から燃料調量バルブ26る圧送され、制御
回路28において、エンジンからの種々の物理量信号を入
力としてエンジンに供給される燃料流量Gfに相当する信
号が演算される。

一方、一軸式ガスタービンエンジンによる負荷運転は、
エンジンが低回転速度領域にあるときには空気流量Gaが
少なく、エンジン出力が大きく取れないため、通常エン
ジン始動後規定回転速度に達した後に行うようになって
いる。従って、エンジン始動時のような場合において
は、タービン出力がコンプレッサの消費電力を上回る回
転速度に達するまで、図示しないスタータによりエンジ
ンを加速させるようにしている。

第６図には、このようなガスタービンエンジンのエンジ
ン回転速度Ｎと燃料供給流量Gfとの関係が示されてい
る。

このような特性曲線は、制御回路28においてエンジンの
出力特性を元にあらかじめ設定される。

同図において、曲線Gf1はエンジン始動時における始動
燃料流量であり、エンジン始動からN1回転速度に至るま
ではこの燃料流量により着火、燃焼が行われる。その
際、タービン16の出力はコンプレッサ18の消費馬力を上
回ることができないので、スタータ等の手段によりエン
ジンを加速させるようにしている。又、曲線Gf2はター
ビン16の出力がコンプレッサ18の消費馬力を上回り、自
力で加速することができる領域における加速燃料流量を
示したものである。

この加速燃料流量Gf2が多いほど、タービン16の仕事量
が大きくなりエンジンの加速も速くなるが、反面、ター
ビン16の入口ガス温度が高くなるので、この値はタービ
ン16の材料強度等を考慮して決定される。

更に、曲線Gf3はエンジン回転速度を目標回転速度に維
持するための燃料流量を示すものであり、前記曲線Gf2
の燃料流量の供給により加速されたエンジンは、曲線Gf
3の領域にて回転速度を維持して発電機12による負荷運
転に移行する。

この場合において、エンジンの回転速度を維持するため
に、目標回転速度と実際の回転速度との偏差に応じて制
御回路28によって燃料調量バルブ26に対して燃料流量の
調整が行われる。

従って、発電機12の要求出力が変動してもエンジンの回
転速度は一定に保たれることとなる。

更にまた、曲線Gf4はエンジンの過回転を防止するため
に設けられた最少燃焼流量を示すものであり、この領域
においては、燃焼器20内での火が消えない程度に燃料流
量を低く設定することによりタービン16の出力を減少さ
せ、エンジンの過回転が防止されるようになっている。

以上において、一軸式ガスタービンエンジンは、二軸式
ガスタービンエンジンに比較してトルク特定が悪いの
で、従来はまず目標回転速度である負荷運転開始速度に
至るまでエンジンを加速させておき、回転速度が目標回
転速度に達し安定した後に負荷運転に移行する方法が採
用されていた。

この場合、目標回転速度に達した後、エンジン回転速度
が安定する一定時間経過後にエンジンに負荷を掛ける方
法が一般的であった。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の問題点 しかしながら、前述した従来の負荷手段によると、エン
ジンに急激に過大負荷が投入された場合、あるいは負荷
運転時に急激に負荷が減少したときには、エンジンの回
転速度を一定に保つための燃料系の遅れ等の影響によ
り、エンジンの回転速度が低下若しくは増加して規定回
転速度を大幅に外れることとなり、本来目標回転速度領
域のみで行う負荷運転の条件から外れることとなって、
エンジン回転速度きハンチング現象が発生し、延いては
負荷運転が不可能となる等の問題点があった。

［発明の目的］ この発明にかかる問題点を解決するためになされたもの
で、一軸式ガスタービンエンジンによって高速発電機を
駆動させる際の負荷運転移行時のタイミング信号を、エ
ンジンの回転速度が負荷運転開始速度と負荷運転停止速
度との間にある時に出力することにより、エンジン始動
時からエンジンに負荷を接続するまでの時間を大幅に短
縮するようにした、ガスタービンの発電制御装置の提供
を目的とする。

［問題点を解決するための手段及び作用］ この発明にかかるガスタービンエンジンの発電制御装置
は、一軸式ガスタービンの制御装置であって、ガスター
ビンエンジンの回転速度を検出する速度検出機と、該エ
ンジン回転速度と負荷運転開始速度との偏差値に応じて
エンジンに供給される燃料量を表す燃料信号を発生する
燃料信号発生回路と、前記燃料信号に基づいて燃料を前
記エンジンに供給する燃料供給部と、エンジン回転速度
が負荷運転開始速度をこえたときに負荷運転指令信号を
出力し、エンジン回転速度が負荷運転停止速度以下にな
ったときに負荷運転指令信号の発生を停止する負荷運転
指令回路と、を含む制御装置を備え、前記負荷運転指令
回路は、エンジンを加速させるに必要な燃料を表す加速
燃料信号を発生する加速燃料信号発生器と、前記速度検
出機からの回転速度を、前記負荷運転開始速度と一致さ
せるための燃料流量を表す比例燃料信号を発生する比例
燃料信号発生器と、前記加速燃料信号が、前記比例燃料
信号より大きくなった場合に、前記負荷運転指令信号を
出力する負荷運転指令信号出力回路と、を含み、前記負
荷運転開始速度においては、前記加速燃料信号と、前記
比例燃料信号との大きさが一致することを特徴とする。

以上のような構成により、前記負荷運転指令回路は、エ
ンジンの回転速度が予め設定された負荷運転開始速度を
越えた時に、負荷運転指令信号を出力して高速発電機の
界磁巻線に電流を流すことにより高速発電機をエンジン
に接続し、また、エンジン回転速度が、負荷運転開始速
度よりも低速度領域に予め設定された負荷運転停止速度
よりも小さくなったと時に、前記負荷運転指令信号の発
生を停止させてエンジンへの高速発電機の接続を断つよ
うにしている。

以上において、エンジンの負荷を与えるタイミングを決
定する負荷運転開始速度の検出は、燃料流量信号の相対
比較により行うこととしており、このため、エンジン始
動時からエンジンに負荷を接続するまでの時間を大幅に
短縮することができるとともに、一旦接続した負荷を切
り離すタイミングを決定する負荷運転停止速度の検出
は、実際のエンジン回転速度と予め任意に設定された回
転速度との相対比較によた行うこととしており、エンジ
ンに急激に過大負荷がかかった場合のエンジン出力特性
を大幅に改善することができるという利点を有する。

［実施例］ 以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を説明する。

第１図には本発明にかかるガスタービンエンジンの発電
制御装置の制御ブロック図が示されている。

同図において、一軸式ガスタービンエンジン30は、その
主軸32にタービン34とコンプレッサ36とが同軸結合さ
れ、燃焼器38は燃料タンク40から燃料ポンプ42及び燃料
調量バルブ44を介して燃料供給Gfを受け、又ガスタービ
ンエンジン30には高速発電機46が同軸結合されている点
は前述した構成と同様である。

本発明の特徴的なことは、ガスタービンエンジンの回転
速度を検出する速度検出器と、該エンジン回転速度と目
標回転速度である負荷運転開始速度との偏差値に応じエ
ンジンに燃料を供給する燃料信号発生回路と、エンジン
回転速度が負荷運転開始速度を越えたときに負荷運転指
令信号を出力し、エンジン回転速度が負荷運転停止速度
以下になったときに、負荷運転指令信号の発生を停止さ
せる負荷運転指令回路と、を含む制御装置48を備えてい
ることである。

前記回転速度検出器50は、ガスタービンエンジン30の主
軸32の回転速度を検出するセンサであり、燃料信号発生
回路52は、３個の演算増幅器54,56,58と選択回路60とド
ライブ回路62とを含んでいる。

前記第１の演算増幅器54は、あらかじめ設定された回転
速度設定信号Ns1前記回転速度検出器50からの回転速度
信号Ｎとを入力して、回転速度信号Ｎが設定信号Ns1と
なるように燃料流量信号Gf3を発生する回路であり、第
２の演算増幅器56は、回転速度信号Ｎを入力してエンジ
ンの始動時における始動燃料流量信号Gf1を発生する回
路であり、第３の演算増幅器58は、エンジンからの種々
の物理量信号を入力してエンジンを加速させるに必要な
燃料流量信号Gf2と、エンジン過回転時に燃料器38内で
の火が消えない程度の燃料流量信号Gf4とを発生する回
路である。

前記選択回路60は、燃料流量信号Gf1〜Gf4を入力してこ
れらの信号の最小値あるいは最大値を選択する回路であ
る。

ここで選択された燃料流量信号がドライブ回路62を介し
て燃料調量バルブ44を駆動し、エンジンを作動させるの
に最適な燃料流量をエンジンに供給する。

次に、前記負荷運転指令回路64は、２個の演算増幅器6
6,68とフリップフロップ回路70とを含んでいる。

前記一方の演算増幅器66は、燃料流量信号Gf2とGf3とを
電圧比較する比較回路であって、エンジン回転速度が負
荷運転開始速度Ns1を越えたときに負荷運転指令信号100
を出力し、他方の演算増幅器68は、、エンジンの回転速
度信号Ｎと任意に設定可能な負荷運転停止速度Ns2とを
電圧比較する比較回路であって、エンジン回転速度が負
荷運転停止速度Ns2以下となったときに負荷運転指令信
号100の発生を停止させる。

又、前記フリップフロップ回路70は、前記演算増幅器6
6,68からの信号と外部からの負荷要求信号200とを入力
して作動する回路である。

このフリップフロップ回路70の出力である負荷運転指令
信号100が発生すると、界磁制御回路72が作動し、高速
発電機46の界磁巻線に界磁電流Ifが流れてエンジンの出
力運転が開始される。又、外部からの負荷要求信号200
は、エンジンから出力を取り出す必要がある場合に印加
されるもので、この信号によりエンジンが始動し、エン
ジン側の負荷運転の条件が整うとフリップフロップ回路
70から負荷運転指令信号100が発生される。

第２図には、前記負荷運転指令信号100の発生回路であ
る負荷運転指令回路64の詳細が示されている。

図において、フリップフロップ回路70のＲ端子にHiの信
号が印加されると、他の入力信号と無関係にＱ出力であ
る負荷運転指令信号100がLoとなる。又、Ｒ端子の信号
がLoとなった後にＳ端子にHiの信号が印加されると、Ｑ
出力である負荷運転指令信号100はHiとなり、一度Hiと
なった後は、Ｒ端子にHiの信号が印加されないかぎりＱ
出力はLoとならない。

本発明では、負荷運転指令信号100をONするためのＳ端
子の入力信号を比較器66で発生するようにしている。比
較器66には、正入力端子にエンジンを加速させるための
加速燃料信号Gf2が入力され、負入力端子には、演算増
幅器54からの燃料流量信号Gf3が入力される。燃料流量
信号Gf3は、第３図に示されるように、負荷運転開始速
度Ns1の領域で一次の比例特性を有するように形成され
るもので、そのゲイン（傾き）はエンジンのハンチング
を考慮して抵抗R1と抵抗R2との比で与えられる。又、こ
のときのオフセット量は、負荷運転開始速度Ns1の関数
として可変抵抗VR1にて指示することができるようにな
っている。

従って、負荷運転開始速度Ns1に相当する信号を可変抵
抗VR1で与えると、実際の回転速度信号Ｎを入力として
形成されることとなる燃料流量信号Gf3とエンジン回転
速度との相関関係から、エンジン回転速度を負荷運転開
始速度Ns1に収束させることができる。

ここで、燃料流量信号Gf3の値は、前述のようにエンジ
ン回転速度に対し一次の比例特性として与えられている
ので、エンジン回転速度が低いとその値は大きく、回転
速度が高いと燃料流量信号Gf3の値は小さくなるように
制御される。

従って、比較器66においては、加速燃料信号Gf2と比例
燃料信号Gf3の比較を行うこととなるので、回転速度が
低いときにはGf2＜Gf3の関係から比較器66の出力がLoと
なり、回転速度が負荷運転開始速度に達するとGf2≧Gf3
の関係から比較器66の出力がHiとなる。

その際、実際にエンジンに供給される燃料流量は、選択
回路60の機能により、回転速度が０〜Ns1の低速度領域
においては、第３図で明らかなように、Gf1とGf2とのい
ずれか高いほうが選択され、エンジン回転速度が目標値
に達すると、比例燃料信号Gf3が選択されるようになっ
ている。

一方、フリップフロップ回路70のＲ端子には、OR回路74
の出力が入力されるようになっており、このOR回路74に
は、負荷要求信号200と比較器68からの出力信号の２つ
の信号が入力される。

そして、これらのうちいずれか１つの信号がHiとなる
と、OR回路74の出力がHiとなり、その出力がフリップフ
ロップ回路70のＲ端子に入力される。

比較器68においては、負入力端子にエンジン回転速度信
号Ｎが入力され、正入力端子には可変抵抗VR2で任意に
設定可能な設定回転速度信号Ns2すなわち負荷運転停止
速度信号が入力されている。

この信号Ns2の値は、通常エンジンの特性上、前述した
負荷運転開始速度信号Ns1の70％程度に設定されてい
る。

従って、回転速度信号Ｎが負荷運転停止速度信号Ns2よ
り小さいと、比較器68の出力がHiとなり、逆の条件では
比較器68の出力がLoとなる。

なお、負荷要求信号200は、エンジンの負荷運転を促す
場合には常にLoとなっているものとする。

また、エンジン出力運転を行うためにエンジンを始動し
た場合、エンジン回転速度Ｎが負荷運転停止速度Ns2に
達するまでは比較器68の出力がHiとなるので、OR回路74
を通過した後のフリップフロップ回路74のＲ端子もHiと
なり、負荷運転指令信号100を強制的にLoとされる。

更に、エンジンが加速され、負荷運転停止速度Ns2を上
回ると、比較器68の出力がLoとなるので、OR回路74を通
った後のフリップフロップ回路70のＲ端子がLoとなる
が、負荷運転開始速度Ns1以下では、燃料流量信号Gf2が
Gf3よりも小さく、比較器66の出力がLoのままなので、
同様にフリップフスップ回路70の状態は変化さぜ、負荷
運転指令信号100はLoのままである。

エンジン回転速度Ｎが上昇し、負荷運転開始速度Ns1に
達すると、燃料流量信号Gf3がGf2を下回るので、比較器
66の出力がHiとなり、フリップフロップ回路70のＳ端子
がHiとなるので、この時点において負荷運転指令信号10
0がHiとなる。従って、この時点でエンジンの負荷運転
か開始されることになる。

一方、一度発生した負荷運転指令信号100をLoにリセッ
トするには、前述したように、エンジン回転速度Ｎが負
荷運転停止速度Ns2以下となって、比較器68の出力がHi
となるか、あるいは、エンジンの出力運転を終了しエン
ジンを停止させる作用を促す負荷要求信号200がHiとな
るかのいずれかの条件の時であり、通常の負荷運転状態
では負荷運転指令信号100がLoとなることはない。

第４図には、前述した各信号のタイムチャートが示され
ている。

以上説明したように、本実施例によれば、エンジンを始
動させて目標回転速度である負荷運転開始速度まで加速
され、その後に負荷運転を行う場合において、その負荷
運転に移行するタイミングを燃料流量信号の比較で行う
ことにより、負荷運転開始速度に到達すると同時にエン
ジンに負荷がかかる結果、負荷運転開始速度到達時に生
じるエンジンのオーバーシュートを効果的に防止するこ
とができる。

また、エンジン始動から負荷運転開始に至るまでの時間
を大幅に短縮することができるので、即時型のような起
動時間が問題となる発電装置の制御装置として極めて有
効である。

更に、エンジン負荷運転開始後の負荷運転指令信号のリ
セットを、エンジン回転速度が負荷運転開始速度の凡そ
70％以下となった場合にのみ行えるようにすることによ
り、負荷運転開始速度領域における大きな負荷変動と燃
料系の遅れから生じる不安定状態を大幅に改善すること
ができる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、ガスタービンエンジン
の回転速度を検出する速度検出器と、該エンジン回転速
度と目標速度である負荷運転開始速度との偏差値に応じ
エンジンに燃料を供給する燃料信号発生回路と、エンジ
ン回転速度が負荷運転開始速度を越えたときに負荷運転
指令信号を出力し、エンジン回転速度が負荷運転停止速
度以下となったときに負荷運転指令信号の発生を停止す
る負荷運転指令回路と、を含む制御装置を備えたこと
で、エンジン始動からエンジン出力を取出すまでの時間
を大幅に短縮することができるとともに、エンジンに急
激に過大負荷がかかった場合のエンジン出力特性を大幅
に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるガスタービンエンジンの発電制
御装置のブロック図、 第２図は負荷運転指令回路の詳細説明図、 第３図はエンジン回転速度と燃料流量との関係を示す
図、 第４図は本実施例におけるタイムチャートを示す図、 第５図は従来のガスタービンエンジンによる発電装置の
概略構成説明図、 第６図は第５図におけるエンジン回転速度と燃料流量と
の関係を示す図である。 30…ガスタービンエンジン 46…高速発電機 48…制御装置 50…回転速度検出器 52…燃料信号発生回路 64…負荷運転指令回路 100…負荷運転指令信号

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一軸式ガスタービンエンジンに高速発電機
   を接続しエンジン回転速度が目標回転速度である負荷運
   転開始速度に達し安定した後に前記高速発電機を駆動さ
   せる方式のガスタービンエンジンの発電制御装置におい
   て、 ガスタービンエンジンの回転速度を検出する速度検出機
   と、 該エンジン回転速度と負荷運転開始速度との偏差値に応
   じエンジンに供給される燃料量を表す燃料信号を発生す
   る燃料信号発生回路と、 前記燃料信号に基づいて燃料を前記エンジンに供給する
   燃料供給部と、 エンジン回転速度が負荷運転開始速度をこえたときに負
   荷運転指令信号を出力し、エンジン回転速度が負荷運転
   停止速度以下になったときに負荷運転指令信号の発生を
   停止する負荷運転指令回路と、 を含む制御装置を備え、 前記負荷運転指令回路は、 エンジンを加速させるに必要な燃料を表す加速燃料信号
   を発生する加速燃料信号発生器と、 前記速度検出機からの回転速度を、前記負荷運転開始速
   度と一致させるための燃料流量を表す比例燃料信号を発
   生する比例燃料信号発生器と、 前記加速燃料信号が、前記比例燃料信号より大きくなっ
   た場合に、前記負荷運転指令信号を出力する負荷運転指
   令信号出力回路と、 を含み、前記負荷運転開始速度においては、前記加速燃
   料信号と、前記比例燃料信号との大きさが一致すること
   を特徴とするガスタービンエンジンの発電制御装置。