JPWO2013094433A1 - ガスタービンエンジンとその始動方法 - Google Patents
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Abstract
ガスタービンエンジンの始動方法は、インバータモータにより一定の1次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する1次暖機工程と、インバータモータによりさらに増速して一定の2次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する2次暖機工程とを備えている。1次暖機工程は、インバータモータの必要とする電力が予め設定された設定電力値(E)に達したときに完了する。設定電力値(E)は、吸気温度が低温であるほど小さく設定されている。
Description
この出願は、2011年12月22日出願の特願2011−280948の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。
本発明は、電気モータを用いたガスタービンエンジンとその始動方法に関するものである。
ガスタービンエンジンを用いた発電機の始動方法として、電力変換装置により誘導発電機をモータとしてガスタービンエンジンを一定回転数に保持して暖機運転を行なった後、主燃焼器を着火するものがある(例えば、特許文献1)。
特許文献1の始動方法の場合、一定で保持する回転数を高くすればするほど、吸気流量が増えて暖機時間が短くなるが、一方で、消費電力量は三次関数的に増加する。その結果、モータの消費電力量は初期始動時が最大となり、この初期始動時のモータの消費電力量に合わせて、電力変換装置/誘導発電機の容量を増加させる必要があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、始動時の消費電力のピークを抑えて、容量の小さい電力変換装置/誘導発電機で始動可能なガスタービンエンジンとその始動方法を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明にかかるガスタービンエンジンの始動方法は、吸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機を兼ねる回転機からなる始動装置とを有するガスタービンエンジンの始動方法であって、前記始動装置はインバータモータを含み、前記インバータモータにより一定の1次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する1次暖機工程と、前記インバータモータによりさらに増速して一定の2次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する2次暖機工程とを備えている。
従来のガスタービンエンジンでは、始動時から短時間で2次暖機回転数に相当する所定の暖機回転数まで昇速させていた。このため、回転機が必要とする電力(以下、単に「必要モータ電力」という。)が始動開始直後に、大きなピーク値に達し、このピーク値により決まる電力変換装置/誘導発電機の容量を大きくする必要があったが、この構成によれば、暖機を2段階で実施することとしたので、従来の必要モータ電力のピーク値に比べて、必要モータ電力の最大値を低く抑えることができ、その結果、インバータモータの容量を小さくできる。
本発明において、前記1次暖機工程を、吸気温度に対応して予め設定された設定電力値に達したときに完了させることが好ましい。設定電力値は、例えば、吸気温度が低温であるほど小さく設定されている。
ガスタービンエンジンは、吸気温度により吸い込み流量が変化するので、圧縮機駆動動力が吸気温度により変化する。吸気温度が低いほど、吸気流量が増加して同一回転数でも圧縮駆動動力が増加する。つまり、吸気温度によってモータの消費電力が変化する。したがって、従来は冬場の吸気温度が低い場合を考慮した大きい容量の電力変換装置/誘導発電機を用意する必要があったが、この構成によれば、1次暖機完了を吸気温度にて変化させ、必要モータ電力の最大値が所定の値を超えないように設定電力値が決められるので、必要モータ電力の最大値を吸気温度に影響されず、一定とすることができる。その結果、インバータモータの容量を一層小さくできる。
本発明において、さらに前記タービンからの排ガスによって前記圧縮ガスを加熱する熱交換器を設け、前記1次暖機工程および2次暖機工程では、前記排ガスの温度を上昇させることにより、前記圧縮ガスを昇温させて前記ガスタービンエンジンを暖機することが好ましい。この構成によれば、排ガスを利用して効果的にガスタービンエンジンを暖機できる。
本発明において、さらに前記回転機にインバータおよびコンバータからなる電力変換装置を連結し、始動時に前記回転機を始動装置として駆動させ、かつ前記1次暖機工程および2次暖機工程では、1次および2次暖機回転数に達した後、それぞれ1次および2次暖機回転数を保持することが好ましい。この構成によれば、インバータモータの容量だけでなく、電力変換装置の容量も小さくできる。
本発明において、前記ガスタービンエンジンは、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンであってもよい。希薄燃料吸入ガスタービンエンジンは頻繁に起動しないので、始動時間が長くてもシステム全体に与える影響は小さい。希薄燃料は、例えば、炭鉱で発生するVAM(Ventilation Air Methane;炭鉱通気メタン)、CMM(Coal Mine Methane;炭鉱メタン)のような可燃成分が少ない燃料であって、圧縮機での圧縮によっては着火しない燃料である。
本発明にかかるガスタービンエンジンは、吸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機を兼ねる回転機からなる始動装置と、コントローラとを備え、前記始動装置はインバータモータを含み、前記コントローラは、前記インバータモータにより一定の1次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを1次暖機し、前記インバータモータによりさらに増速して一定の2次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを2次暖機するよう制御する。
この構成によれば、暖機を2段階で実施することとしたので、従来の必要モータ電力のピーク値に比べて、必要モータ電力の最大値を低く抑えることができ、その結果、インバータモータの容量を小さくできる。
請求の範囲および/または明細書および/または図面に開示された少なくとも2つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の2つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。
この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一または相当部分を示す。
本発明の第1実施形態に係るガスタービンエンジンを示す概略図である。
同ガスタービンエンジンの始動時の燃料弁開度、必要モータ電力および回転数の変化を示す特性図である。
同ガスタービンエンジンの異なる吸気温度での始動時に、それぞれ必要なモータ電力を示すグラフである。
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の第1実施形態にかかるガスタービンエンジンを示す概略構成図である。このガスタービンエンジンGTは、圧縮機1と、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器からなる主燃焼器2と、タービン3とを有している。このガスタービンエンジンGTの出力により、発電機と始動装置を兼ねる回転機4が駆動される。回転機4には、インバータおよびコンバータからなる電力変換装置11が連結されており、始動装置はインバータモータIMおよび電力変換装置11を含む。
空気のような吸気が、圧縮機1で圧縮され、その高圧の圧縮ガスG1が主燃焼器2に送られる。この圧縮ガスG1が主燃焼器2の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスG2がタービン3に供給されて、タービン3を駆動する。タービン3は圧縮機1に回転軸5を介して連結され、このタービン3により圧縮機1が駆動される。圧縮機1とタービン3とを連結する回転軸5は、例えば単一軸からなり、この回転軸5と回転機4とが連結されている。このようにして、ガスタービンエンジンGTおよび回転機4を含む発電装置50が構築されている。
ガスタービンエンジンGTは、さらに、タービン3からの排ガスG3によって圧縮機1から主燃焼器2に導入される圧縮ガスG1を加熱する熱交換器6と、始動時に排ガスG3を昇温させることにより主燃焼器2に流入する圧縮ガスG1の温度を高めて触媒を活性化させる加温用バーナからなる副燃焼器7とを備えている。この副燃焼器7は、圧縮機1によって圧縮された圧縮ガスG1から一部抽出された抽出ガスG20に燃料を混合して火炎燃焼させた加温用ガスG4を、タービン3から熱交換器6に供給される排ガスG3に混入し、加温する。副燃焼器7には、この副燃焼器7への抽出ガスG20の供給量を制御する抽気弁8が接続されている。熱交換器6から流出した排ガスG3は、図示しないサイレンサを通って消音されたのち、外部に放出される。前記抽気弁8による副燃焼器7への抽出ガスG20の供給量の制御は、コントローラ20からの出力信号により行なわれる。
副燃焼器7への燃料供給は、第2燃料制御弁10により流量を調整しながらなされる。主燃焼器2への燃料の供給は、第1燃料制御弁9によりその流量を調整しながらなされる。これら第1および第2燃料流量制御弁9,10による燃料の流量調整も、コントローラ20によって行なわれる。
上記構成のガスタービンエンジンGTの動作について説明する。各機器の制御はすべてコントローラ20により行われる。始動時は、着火しないで、コントローラ20からの指令により電力変換装置11が外部電力系統15から供給される電力を用いて回転機4を始動装置として駆動させ、インバータモータIMにより、図2に示すように、一定の1次暖機回転数に保持する(1次暖機工程)。1次暖機回転数回転数は、軸振動・翼振動の共振点から外れた回転数で、例えば定格の55%である。なお、図2において、実線は本実施形態のガスタービンエンジンの特性を示し、破線は従来のガスタービンエンジンの特性を示している。必要モータ電力は始動から1次暖機回転数に達するまでの間に急激に上昇し、第1のピーク値P1となる。始動から第1のピーク値P1となる時点までは、図1のガスタービンエンジンGTは、インバータモータIMのみにより駆動される。
さらに、1次暖機回転数に達した後、電力変換装置11により、1次暖機回転数を保持しながら、抽気弁8および第2燃料制御弁10を開いて副燃焼器7を着火し、第2燃料制御弁10の開度を徐々に上げて、図2に示すように、始動燃料を徐々に増加させていくことで、図1のタービン3と熱交換器6とを接続する排気ダクト内を流れる排ガスG3の温度(熱交ガス入口温度)を上昇させることにより、圧縮ガスG1を昇温させて暖機する。
1次暖機により、徐々にガスタービンエンジンGTが暖機され、タービン入口温度が上昇してタービン3で回収される仕事が増えることにより、図2に示すように、必要モータ電力が減少していく。
1次暖機の完了は始動に必要な予め設定された設定電力値Eで決まる。設定電力値Eは吸気温度に対応した値であり、具体的には、圧縮に必要な動力が過大とならないように、吸気温度が低温であるほど小さく設定されている。設定電力値Eについては後述する。
必要モータ電力が、所定の必要モータ電力値Eに到達した段階で1次暖機が終了して、2次暖機に入る(2次暖機工程)。2次暖機に入ると、エンジン回転数を2次暖機回転数まで上昇させる。2次暖機回転数も、軸振動・翼振動の共振点から外れた回転数で、例えば定格の65%である。図2に示すように、必要モータ電力は2次暖機回転数に達するまでの間に上昇し、第2のピーク値P2となる。第2のピーク値P2は、第1のピーク値P1よりも高くなるように設定されている。
さらに、2次暖機回転数に達した後、図1の電力変換装置11により、2次暖機回転数を保持しながら、さらに、第2燃料制御弁10の開度を徐々に上げて、図2に示すように、始動燃料を徐々に増加させ、図1の副燃焼器7の焚き量(燃料供給量)をゆるやかに増やしていくことで、排ガスG3の温度を上昇させて暖機を完了させる。2次暖機完了のタイミングは、例えば、タイマーのような時限装置により決定される。
2次暖機においても、徐々にガスタービンエンジンGTが暖機され、タービン入口温度が上昇してタービン3で回収される仕事が増えることにより、図2に示すように、必要モータ電力が減少していく。すなわち、必要モータ電力は第2のピーク値P2で最大となり、この第2のピーク値P2により図1の電力変換装置11、インバータモータIMの容量が決まる。
2次暖機完了後、抽気弁8および第2燃料制御弁10を閉じて副燃焼器7を消火しながら、第1燃料制御弁9を開いて主燃焼器2を着火するとともに、エンジン回転数を増加させて定格回転数まで昇速させる。2次暖機の完了時点でアイドル運転が終了し、その後、定格回転数に達した時点で負荷モード、すなわち発電モードに移行する。発電モードでは、電力変換装置11から外部電力系統15へ電力が供給される。
上記構成において、図2に破線で示すように、従来のガスタービンエンジンでは、始動時から短時間で2次暖機回転数に相当する所定の暖機回転数まで昇速させていた。このため、必要モータ電力が始動開始直後に、本実施形態の第1および第2のピーク値P1,P2よりも大きなピーク値Pに達し、このピーク値Pにより決まる電力変換装置/誘導発電機の容量を大きくする必要があった。これに対し、本実施形態では、暖機を2段階で実施することとしたので、従来の必要モータ電力のピーク値に比べて、必要モータ電力の最大値である第2のピーク値P2を低く抑えることができ、その結果、電力変換装置11およびインバータモータIMの容量を小さくできる。
ガスタービンエンジンは、吸気温度により吸い込み流量が変化するので、圧縮機駆動動力が吸気温度により変化する。吸気温度が低いほど、吸気流量が増加して同一回転数でも圧縮に必要な動力が増加する。このように、吸気温度によってモータの消費電力が変化するから、従来は冬場の吸気温度が低い場合を考慮した大きい容量の電力変換装置/誘導発電機を用意する必要があった。
しかしながら、本実施形態では、上述のように、1次暖機完了を吸気温度にて変化させている。詳細には、1次暖機の完了を判断する設定電力値Eと吸気温度との関係をまとめたテーブルを用意し、以下に説明するように、必要モータ電力の最大値である、2次暖機の第2のピークP2が所定の値を超えないように、設定電力値Eが決められる。本実施形態では、上述のように、設定電力値Eは、吸気温度が低温であるほど小さく設定されている。
図3は、吸気温度が15℃の場合と、30℃の場合の必要モータ電力の変化を示すグラフである。同図に示すように、吸気温度が15℃の場合の設定電力値Eが200kWに、30℃の場合の設定電力値Eが250kWにそれぞれ設定されている。
上述のように、ガスタービンエンジンでは、吸気温度が低いほど、吸気流量が増加して同一回転数でも圧縮駆動動力が増加するので、始動から1次暖気回転数に昇速するまでの必要モータ電力E1,E2、および1次暖気回転数から2次暖気回転数に昇速するまでの必要モータ電力E3,E4は吸気温度により異なる。ここで、必要モータ電力E1,E2はそれぞれ、吸気温度が15℃,30℃の場合の始動から1次暖気回転数に昇速するまでの必要モータ電力であり、必要モータ電力E3,E4はそれぞれ、吸気温度が15℃,30℃の場合の1次暖気回転数から2次暖気回転数に昇速するまでの必要モータ電力である。
吸気温度が15℃の場合の1次暖気回転数から2次暖気回転数に昇速するまでの必要モータ電力E3は150kWで、30℃の場合の必要モータ電力E4の100kWよりも大きくなっているが、吸気温度が15℃の場合の設定電力値Eを200kWに、30℃の場合の設定電力値Eを250kWにそれぞれ設定しているので、必要モータ電力の最大値である第2のピークP2が同じ値(350kW)となっている。このように、1次暖機完了時の設定電力値Eを吸気温度に応じた値とすることで、必要モータ電力の最大値が吸気温度に影響されず、一定とすることができる。その結果、電力変換装置11およびインバータモータIMの容量を一層小さくできる。
上記各実施形態では、主燃焼器2として触媒燃焼器を用いているが、主燃焼器2はこれに限定されない。また、本発明は、炭鉱で発生するCMM(Coal Mine Methane;炭鉱メタン)などの低カロリーガスを、空気や炭鉱から排出されるVAM(Ventilation Air Methane;炭鉱通気メタン)等と混合するなどして、圧縮機での圧縮によって着火しないように可燃限界濃度以下の作動ガスとして、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を燃料として利用する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンにも適用することができる。本発明は、特に、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンのような頻繁に起動しないシステムに有効である。
上記実施形態では、暖機回数を2段階としているが、3段階以上であってもよい。また、図1の熱交換器6は省略してもよい。さらに、電力変換装置11はなくてもよい。
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能であり、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
1 圧縮機
2 主燃焼器
3 タービン
4 回転機(始動装置)
6 熱交換器
11 電力変換装置
20 コントローラ
GT ガスタービンエンジン
IM 始動装置(インバータモータ)
G1 圧縮ガス
G2 燃焼ガス
G3 排ガス
E 設定電力値
2 主燃焼器
3 タービン
4 回転機(始動装置)
6 熱交換器
11 電力変換装置
20 コントローラ
GT ガスタービンエンジン
IM 始動装置(インバータモータ)
G1 圧縮ガス
G2 燃焼ガス
G3 排ガス
E 設定電力値
本発明において、前記1次暖機工程を、前記インバータモータの必要とする電力が吸気温度に対応して予め設定された設定電力値に達したときに完了させることが好ましい。設定電力値は、例えば、吸気温度が低温であるほど小さく設定されている。
ガスタービンエンジンは、吸気温度により吸い込み流量が変化するので、圧縮機駆動動力が吸気温度により変化する。吸気温度が低いほど、吸気流量が増加して同一回転数でも圧縮機駆動動力が増加する。つまり、吸気温度によってモータの消費電力が変化する。したがって、従来は冬場の吸気温度が低い場合を考慮した大きい容量の電力変換装置/誘導発電機を用意する必要があったが、この構成によれば、1次暖機完了を吸気温度にて変化させ、必要モータ電力の最大値が所定の値を超えないように設定電力値が決められるので、必要モータ電力の最大値を吸気温度に影響されず、一定とすることができる。その結果、インバータモータの容量を一層小さくできる。
空気のような吸気が、圧縮機1で圧縮され、その高圧の圧縮ガスG1が主燃焼器2に送られ、燃料が混入される。この圧縮ガスG1が主燃焼器2の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスG2がタービン3に供給されて、タービン3を駆動する。タービン3は圧縮機1に回転軸5を介して連結され、このタービン3により圧縮機1が駆動される。圧縮機1とタービン3とを連結する回転軸5は、例えば単一軸からなり、この回転軸5と回転機4とが連結されている。このようにして、ガスタービンエンジンGTおよび回転機4を含む発電装置50が構築されている。
上記構成のガスタービンエンジンGTの動作について説明する。各機器の制御はすべてコントローラ20により行われる。始動時は、着火しないで、コントローラ20からの指令により電力変換装置11が外部電力系統15から供給される電力を用いて回転機4を始動装置として駆動させ、インバータモータIMにより、図2に示すように、一定の1次暖機回転数に保持する(1次暖機工程)。1次暖機回転数は、軸振動・翼振動の共振点から外れた回転数で、例えば定格の55%である。なお、図2において、実線は本実施形態のガスタービンエンジンの特性を示し、破線は従来のガスタービンエンジンの特性を示している。必要モータ電力は始動から1次暖機回転数に達するまでの間に急激に上昇し、第1のピーク値P1となる。始動から第1のピーク値P1となる時点までは、図1のガスタービンエンジンGTは、インバータモータIMのみにより駆動される。
上述のように、ガスタービンエンジンでは、吸気温度が低いほど、吸気流量が増加して同一回転数でも圧縮機駆動動力が増加するので、始動から1次暖機回転数に昇速するまでの必要モータ電力E1,E2、および1次暖機回転数から2次暖機回転数に昇速するまでの必要モータ電力E3,E4は吸気温度により異なる。ここで、必要モータ電力E1,E2はそれぞれ、吸気温度が15℃,30℃の場合の始動から1次暖機回転数に昇速するまでの必要モータ電力であり、必要モータ電力E3,E4はそれぞれ、吸気温度が15℃,30℃の場合の1次暖機回転数から2次暖機回転数に昇速するまでの必要モータ電力である。
吸気温度が15℃の場合の1次暖機回転数から2次暖機回転数に昇速するまでの必要モータ電力E3は150kWで、30℃の場合の必要モータ電力E4の100kWよりも大きくなっているが、吸気温度が15℃の場合の設定電力値Eを200kWに、30℃の場合の設定電力値Eを250kWにそれぞれ設定しているので、必要モータ電力の最大値である第2のピークP2が同じ値(350kW)となっている。このように、1次暖機完了時の設定電力値Eを吸気温度に応じた値とすることで、必要モータ電力の最大値が吸気温度に影響されず、一定とすることができる。その結果、電力変換装置11およびインバータモータIMの容量を一層小さくできる。
上記実施形態では、暖機を2段階としているが、3段階以上であってもよい。また、図1の熱交換器6は省略してもよい。さらに、電力変換装置11はなくてもよい。
Claims (6)
- 吸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、前記タービンにより駆動される発電機を兼ねる回転機からなる始動装置とを有するガスタービンエンジンの始動方法であって、
前記始動装置はインバータモータを含み、
前記インバータモータにより一定の1次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する1次暖機工程と、
前記インバータモータによりさらに増速して一定の2次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを暖機する2次暖機工程とを備えているガスタービンエンジンの始動方法。 - 請求項1に記載のガスタービンエンジンの始動方法において、前記1次暖機工程を、吸気温度に対応して予め設定された設定電力値に達したときに完了させるガスタービンエンジンの始動方法。
- 請求項1または2に記載のガスタービンエンジンの始動方法において、さらに前記タービンからの排ガスによって前記圧縮ガスを加熱する熱交換器を設け、
前記1次暖機工程および2次暖機工程では、前記排ガスの温度を上昇させることにより、前記圧縮ガスを昇温させて前記ガスタービンエンジンを暖機するガスタービンエンジンの始動方法。 - 請求項1,2または3に記載のガスタービンエンジンの始動方法において、さらに前記回転機にインバータおよびコンバータからなる電力変換装置を連結し、
始動時に前記回転機を始動装置として駆動させ、かつ前記1次暖機工程および2次暖機工程では、1次および2次暖機回転数に達した後、それぞれ1次および2次暖機回転数を保持するガスタービンエンジンの始動方法。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンの始動方法において、前記ガスタービンエンジンは、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンであるガスタービンエンジンの始動方法。
- 吸気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼して高温高圧の燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
前記燃焼ガスにより駆動されるタービンと、
前記タービンにより駆動される発電機を兼ねる回転機からなる始動装置と、
コントローラと、
を備え、
前記始動装置はインバータモータを含み、
前記コントローラは、前記インバータモータにより一定の1次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを1次暖機し、前記インバータモータによりさらに増速して一定の2次暖機回転数に保持してガスタービンエンジンを2次暖機するよう制御するガスタービンエンジン。
Priority Applications (1)
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