JPS6285700A - ガスタ−ビンエンジンの発電制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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１
０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Ｑａ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に圧送さ
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、−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
ンジン始動後視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Ｇｆｌはエンジン始動時における始
動燃料流量でおり、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Ｇｆ
２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、自刃で加速することができる領域にあける加
速燃料流量を示したものである。

この加速燃料流ｍＧｆ２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Ｇ
ｆ２の燃料流量の供給により加速されたエンジンは、曲
線Ｇｆ３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料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、−軸式ガスタービンエンジンは、二輪式
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］ 丈米Ω皿■Ａ 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
ンジン回転速度の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］ この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、−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、ガスタービンエンジンの発電制御装
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、−軸式ガ
スタービンエンジ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
（ｌ差値に応じて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
号の出力を停止する負荷運転指令回路と、を含んだ制御
装置を備えていることを特徴とする。

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、エンジンに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り行うこことしており、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、−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ｌ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と前記回覧速度検出器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Ｇ
ｆ１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としてエンジン
を加速させるに必要な燃料流量信号Ｇｆ２と、エンジン
過回転時に燃焼器３８内での火が消えない程度の燃料流
量信＠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（３ｆ１〜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
６６．６８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Ｇ
ｆ３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Ｎｓｌ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
６６．６８からの信号と外部からの負荷要求信＠２００
とを入力と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１ｆ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７リツプ
フロツプ回路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端子にト１
１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［Ｏとなった後にＳ端子にｌｌｉの信号が
印加されると、Ｑ出力でおる負荷運転指令信号１００は
１−１ｉとなり、一度Ｈ１となった後は、Ｒ端子にＨｌ
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′４ｉ−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＠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（３ｆ３は、第３図に示され
るように、負荷運転開始速度Ｎｓｌ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ＮＳＩの関数として可変抵抗ＶＲ
１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Ｎｓｌに相当する信号を可変
抵抗■Ｒ１で与えると、実際の回転速度信号Ｎ＠大入力
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ａ　ｒ３に較を行うこととなるので、回転
速度が低いときにはＧｆ２＜（３ｆ３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１−（ｉ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Ｏ〜ＮＳＩの低速度
領域においては、第３図で明らかなように、ＧｆｌとＧ
ｆ２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＠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リ、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１−１ｉ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Ｎｓｌ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１−１ｉ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め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Ｎｓ
２に達するまでは比較器６８の出ツクが１−１ｉとなる
ので、ＯＲ回路７４を通過した後の７リツプフロツプ回
路７４のＲ端子も１−１ｉとなり、負荷運転開始信＠１
００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Ｑｆ２がＧｆ３よりも小さく、比較器６６
の出力がＬＯのままなので、同様にフリップフロップ回
路７０の状態は変化せず、負荷運転指令信号１００はＬ
Ｏのままでおる。

エンジン回転速度Ｎが上昇し、負荷運転開始速度Ｎｓｌ
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１−１ｉとなり、フリップフロッ
プ回路７０のＳ端子がＨｌとなるので、この時点におい
て負荷運転指令信号１００がＨｌとなる。従って、この
時点でエンジンの負荷運転が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Ｎ３２以下となって、比較器６８の
出力が１−１ｉ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１−１ｉ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おる負荷運転開始速度まで加速
させ、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

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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器と、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
   下になつ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、を含む制御装置を備えていること
   を特徴とするガスタービンエンジンの発電制御装置。