KR101313466B1 - 가스 엔진의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

가스 엔진의 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

본 발명에 관한 가스 엔진(1)의 출력을 제어하는 제어 장치(30)는, 가스연료의 가스원압(P0)이 소정 출력에 따라서 급기압(PB100)에 대항하여 가스 연료를 분사하기 위해 필요한 소정값(P0m_100)에 미달한 때에, 해당 소정출력에 대해 제어된 출력을 목표값(KWT)으로 설정하는 목표값 설정부(43)와, 목표값 설정부(43)에 의해 설정된 목표값(KWT)에 기초하여, 출력(KW)의 설정값(KWSET)을 설정하는 출력 설정부(44)와, 출력 설정부(44)에 의해 설정된 설정값(KWSET)으로 되도록 출력(KW)을 제어하는 출력 제어부(45)를 구비한다.

Description

가스 엔진의 제어 장치 및 제어 방법 {DEVICE AND METHOD OF CONTROLLING GAS ENGINE}
본 발명은 가스 연료를 메인 연료로 하는 가스 엔진의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
최근, 가스 엔진에 의해 발전기를 구동시켜 전력을 발생하는 발전 시스템이 산업용 플랜트 등의 설비에 도입되어 있다. 가스 엔진의 출력은 급기압 및 연료량에 의해 조정되며, 요구 부하가 클 때일수록 급기압이 높으면서 연료량이 많아지도록 설정된다.
일반적으로 가스 엔진은, 가스 사업자 등에 의해 제공되는 연료공급원으로부터 가스 연료를 공급받는다. 연료공급원으로부터의 가스 연료는, 기관 내에 유입되어 기통 별로 마련된 연료 공급 밸브에 공급되고, 연료 공급 밸브로부터 기통 내 또는 급기 포트 내에 분사되어 급기와 혼합된다.
이와 같이 가스 연료는 급기에 대항하여 분사되기 때문에, 기관 내에 유입되어 연료 공급 밸브에 공급되기 직전 단계에 있어서의 가스 연료의 압력(이하, 「가스 기관 입구 압력」)이 급기압을 상회하고 있지 않으면, 가스 연료를 적절하게 분사할 수 없다. 또한, 상기 가스 기관 입구 압력이 급기압보다도 지나치게 높으면 실화(失火)를 발생시키기 쉽게 되기 때문에, 급기압과 가스 기관 입구 압력과의 차압은 소정 범위 내로 억제되도록 제어된다(예컨대 특허 문헌 1 참조).
일본국 특허공개 2002-317664호 공보
그런데, 가스 연료의 원압(元壓)은, 가스 엔진의 운전 상황과는 관계없이 변동할 수 있다. 가스 원압이 크게 저하하였을 때에는, 급기압에 대항하여 가스 연료를 분사 가능한 가스 기관 입구 압력을 확보할 수 없어, 가스 엔진의 운전을 계속할 수 없는 사태가 발생하는 경우가 있다.
종래 기술에 있어서, 그러한 비상 사태에 대한 대처 방법으로서, 가스 원압이 미리 정해진 일정한 임계치 미만일 때에 가스 엔진의 운전을 정지시키는 것이 고려된다. 이 방법을 채용한 경우에는, 임계치를, 급기압에 대항하여 가스 연료를 분사 가능한 가스 기관 입구 압력을 보증하는 가스 원압의 최소값 또는 그 이상의 값으로 설정하며, 여기에서 말하는 급기압을 예컨대 모든 부하에 대응하여 설정되는 급기압으로 하는 것이 고려된다. 즉, 이 방법에 의하면, 모든 부하에서의 운전을 계속할 수 없을 상황이 될 때까지 가스 원압이 저하한 경우, 가스 엔진이 정지하게 된다.
그렇지만, 예컨대 연속 처리를 행하는 화학 플랜트와 같이 조업을 용이하게 정지시킬 수 없는 설비에는, 상기 방법을 채용한 가스 엔진을 도입하는 것이 운용면에서 곤란하게 된다. 현재 상황에서 이러한 설비에 가스 엔진을 도입하기 위해서는, 가스 연료의 승압 전용 컴프레서를 별도로 설치할 필요가 있어, 발전 시스템의 설비 비용이 그만큼 높아진다.
그래서 본 발명은, 가스 연료 승압용 기기를 설치하지 않고서도, 가스 연료의 원압이 저하하였을 때에 가스 엔진의 운전을 계속 가능하게 하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 관한 가스 엔진의 제어 장치는, 가스 연료를 메인 연료로 하는 가스 엔진의 출력을 제어하는 가스 엔진의 제어 장치로서, 가스 연료의 가스 원압이 소정 출력에 따라서 정해지는 소정 압력값 미만일 때에, 상기 소정 출력에 대하여 제한된 출력을 목표값으로서 설정하는 목표값 설정부와, 상기 목표값 설정부에 의해 설정된 상기 목표값과 출력의 요구값에 기초하여, 출력의 설정값을 설정하는 출력 설정부와, 상기 출력 설정부에 의해 설정된 상기 설정값으로 되도록 출력을 제어하는 출력 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 구성에 의하면, 가스 원압이 소정 압력값을 하회하여 소정 출력을 유지한 운전이 곤란하게 되면, 출력의 목표값이 상기 소정 출력에 대하여 제한된 출력으로 설정되어, 상기 목표값에 기초하여 설정된 설정값으로 되도록 출력이 제어된다. 이렇게 하여 출력이 제한되면, 급기압도 저하된다. 이 때문에, 가령 가스 원압이 상기 소정 압력값을 하회 하여도, 출력의 제한에 따라서 저하된 급기압에 대항하여 가스 연료를 분사 가능한 상황이 확보된다. 그러한 제어를 실행하는 제어 장치에 의해, 가스 원압이 저하되었을 때에 있어서, 가스 연료의 승압을 위한 전용 기기를 설치하지 않고서도, 가스 엔진의 운전을 계속할 수 있게 된다.
상기 소정 출력은, 요구 부하에 대응한 출력이어도 좋다. 이에 의해, 가스 원압이, 요구 부하로 계속해서 운전하기 곤란한 압력값으로 되어도, 가스 엔진의 운전을 계속할 수 있게 된다.
상기 목표값 설정부는, 가스 연료의 가스 원압의 검출값에 따라서 상기 가스 엔진의 출력의 1차 목표값을 설정하는 1차 설정부와, 상기 1차 설정부에 의해 설정된 상기 1차 목표값의 변화율을 허용 변화율과 비교하여, 상기 허용 변화율을 초과할 때에, 상기 목표값을 상기 허용 변화율에 따라서 변화시키기 위해 ２차 목표값을 정하고, 상기 ２차 목표값을 상기 목표값으로서 설정하는 ２차 설정부를 포함하고 있어도 좋다. 이에 의해, 목표값이 급변하여도, 출력을 완만하게 변화시킬 수 있다.
상기 ２차 설정부는, 상기 1차 목표값이 크게 되도록 변화하였을 때에는, 상기 1차 목표값의 변화율을 제1의 상기 허용 변화율과 비교하고, 상기 1차 목표값이 작게 되도록 변화하였을 때에는, 상기 1차 목표값의 변화율을 상기 제1 허용 변화율보다도 큰 제2의 상기 허용 변화율과 비교하여도 좋다. 이에 의해, 가스 원압의 저하가 발생하여도 출력을 비교적 신속하게 저하시킬 수 있어, 원압 저하에 적합하게 대처 가능하게 된다. 또한, 가스 원압이 상승하여도 출력을 완만하게 회복시키도록 하고 있어, 헌팅 현상을 적합하게 억제할 수 있다.
상기 출력 설정부는, 출력의 요구값과, 상기 목표값 설정부에 의해 설정된 상기 목표값을 비교하여, 상기 목표값이 상기 요구값을 하회할 때에는, 상기 목표값에 따라서 상기 설정값을 설정하고, 상기 목표값이 상기 요구값을 상회할 때에는, 상기 요구값에 따라서 상기 설정값을 설정해도 좋다. 이에 의해, 요구 부하가 예컨대 정격 출력으로 정해져 있을 때로서, 정격 출력보다도 작은 출력으로 목표값이 설정되었을 때에는, 가스 연료의 압력 저하에 대처하여 출력을 저하시킬 수 있다. 다른 한편으로, 요구 부하가 예컨대 부분 부하일 때로서, 가스 연료의 압력이 소정 압력값을 초과하고 있을 때에는, 가스 엔진의 출력을 요구 부하에 따라서 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 가스 엔진의 제어 방법은, 가스 연료를 메인 연료로 하는 가스 엔진의 출력을 제어하는 방법으로서, 가스 연료의 가스 원압을 검출하는 원압 검출 단계와, 상기 원압 검출 단계에 있어서 검출된 가스 연료의 가스 원압의 검출값이, 소정 출력에 대응하여 정해지는 소정값 미만일 때에, 상기 소정 출력에 대하여 제한된 출력을 목표값으로서 설정하는 목표값 설정 단계와, 상기 목표값 설정 단계에 있어서 설정된 상기 목표값과 출력의 요구값에 기초하여, 출력의 설정값을 설정하는 출력 설정 단계와, 상기 출력 설정 단계에 있어서 설정된 상기 설정값으로 되도록 출력을 제어하는 출력 제어 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 방법에 의하면, 전술한 본 발명에 관한 가스 엔진의 제어 장치와 마찬가지로 가스 원압이 저하되었을 때에 있어서, 가스 연료의 승압을 위한 전용 기기를 설치하지 않고서도, 가스 엔진의 운전을 계속할 수 있게 된다.
본 발명의 상기 목적, 다른 목적, 특징, 및 이점은, 첨부 도면의 참조 하에 이하의 바람직한 실시 양태의 상세한 설명으로부터 명백하게 된다.
이상의 본 발명에 의하면, 가스 연료 승압용 기기를 설치하지 않고서도, 가스 연료의 원압이 저하되었을 때에 가스 엔진의 운전을 계속시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 형태에 관한 가스 엔진의 구성을 나타내는 모식도다.
도 2는 도 1에 나타내는 가스 엔진의 부분 단면도다.
도 3은 도 1에 나타내는 가스 엔진의 제어계의 구성을 나타내는 블록 선도다.
도 4는 도 3에 나타내는 가스압 제어부에 의해 참조되는, 급기압에 대한 가스 기관 입구 압력의 설정값의 맵을 나타내는 그래프다.
도 5는 도 3에 나타내는 1차 설정부에 의해 참조되는, 가스 연료의 압력에 대한 출력의 목표값의 맵을 나타내는 그래프다.
도 6은 도 3에 나타내는 제어 장치에 의해 제어되는 출력의 추이를 나타내는 도면으로서, 가스 원압이 변동했을 때의 출력의 추이의 일예를 나타내는 타이밍 차트다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 관한 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 1에 나타내는 가스 엔진(1)은, 가스 연료를 메인 연료로 하는 레시프로(recipro)형의 다기통 4사이클 엔진이다. 가스 엔진(1)의 출력축(2)은 발전기(50)에 접속되어 있다. 발전기(50)는, 가스 엔진(1)에 의해 구동되고, 가스 엔진(1)의 발생 출력에 따른 전력을 발전한다. 이 발전기(50)의 출력이 가스 엔진(1)의 부하가 된다. 그러한 발전용의 가스 엔진(1)은 상용 계통과의 계통 연계를 행하는 구성이어도 좋고, 상용 계통으로부터 분리하여 단독 운전하는 구성이어도 좋다. 본 실시 형태에서는, 계통 연계가 행하여지는 것으로 하고 있다.
가스 엔진(1)에는 과급기(3)가 구비되어 있다. 과급기(3)에는, 가스 엔진(1)으로부터의 배기가 배기 통로(4)를 통해서 공급되고, 외부로부터의 흡기가 흡기 통로(5)를 통해서 도입된다. 과급기(3)는 배기에 의해 구동되어 흡기를 압축한다. 과급기(3)로부터의 급기는, 급기 통로(6)를 통해서 가스 엔진(1)에 공급된다.
도 2는 가스 엔진(1)의 부분 단면도다. 도 2에는 복수의 기통 중의 1개만 도시되어 있지만, 다른 기통도 동일하다. 기통(8) 내에는 피스톤(9)이 왕복 가능하게 삽입되고, 피스톤(9)의 상측에 메인 연소실(10)이 형성된다. 메인 연소실(10)은, 급기 포트(11) 및 배기 포트(12)와 연통되어 있다. 급기 포트(11)은 급기 밸브(13)에 의해 개폐되고, 배기 포트(12)는 배기 밸브(14)에 의해 개폐된다. 급기 포트(11)의 상류부는 전술한 급기 통로(6)(도 1 참조)에 접속되고, 배기 포트(12)의 하류부는 전술한 배기 통로(4)(도 1 참조)에 접속된다. 급기 포트(11)에는, 가스 연료를 분사하는 메인 연료 공급 밸브(15)가 마련되어 있다. 메인 연소실(10)에는 서브 연소실(16)이 인접하고 있다. 서브 연소실(16)은, 격벽(17)에 의해 메인 연소실(10)과 구획되는 한편, 격벽(17)에 형성된 1개 이상의 연통 구멍(18)을 통해서 메인 연소실(10)과 연통되어 있다. 서브 연소실(16)에는, 가스 연료를 분사하는 서브 연료 공급 밸브(19)와, 혼합기(混合氣)를 점화하기 위한 점화 플러그(20)가 마련되어 있다.
상기 가스 엔진(1)에 의하면, 메인 연소실(10)에, 과급기(3)(도 1)로부터의 급기와 메인 연료 공급 밸브(15)가 분사한 가스 연료를 포함하는 혼합기가 급기 포트(11)로부터 공급되고, 서브 연소실(16)에, 상기 혼합기에 추가로 서브 연료 공급 밸브(19)가 분사한 가스 연료를 포함한 혼합기가 공급된다(급기 행정). 메인 연소실(10) 및 서브 연소실(16) 내의 혼합기가 압축된(압축 일정) 후에, 점화 플러그(20)가 적절한 타이밍에서 동작하여 서브 연소실(16) 내의 압축 혼합기가 착화된다. 서브 연소실(16) 내에서 발생한 화염은 연통 구멍(18)을 통해서 메인 연소실(10) 내로 전파되고, 이 화염에 의해 메인 연소실(10) 내의 압축 혼합기가 연소된다. 이에 의해 피스톤(9)이 아래로 이동하고(팽창 행정), 그 후에 메인 연소실(10) 내의 가스가 배기 포트(12)로 배출된다(배기 행정).
도 1로 되돌아가서, 급기압(PB)이 높아져, 기통(8)에 공급되는 연료량이 많아지면 가스 엔진(1)의 출력은 커진다. 가스 엔진(1)의 출력이 커지면, 과급기(3)의 회전수가 상승하고 급기량 및 급기압(PB)이 상승한다. 배기 통로(4)에는, 과급기(3)에 공급되는 배기량을 조절하는 배기 바이패스 밸브(7)가 마련되어 있다. 배기 바이패스 밸브(7)의 개방도를 조정하는 것에 의해, 급기압(PB)을 미세 조정할 수 있다.
기통(8) 별로 마련된 메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)는, 연료 통로(21)의 하류 단부에 병렬적으로 접속되어 있다. 연료 통로(21)의 상류 단부는, 예컨대 가스 사업자 등에 의해 제공되는 외부의 연료공급원(도시하지 않음)에 접속되어 있다. 연료공급원으로부터의 가스 연료는, 연료 통로(21)를 통해서 메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)에 공급된다.
연료 통로(21) 상에는, 가스 차단 밸브(22) 및 가스 압력 조정 밸브(23)가 상류측부터 이 순서대로 마련되어 있다. 가스 차단 밸브(22)는, 통상은 연료 통로(21)를 개방하며, 가스 엔진(1)을 비상 정지시킬 때에 연료 통로(21)를 폐쇄한다. 가스 압력 조정 밸브(23)는, 연료 통로(21)를 개방도 가변으로 개폐하며, 이에 의해 가스 기관 입구 압력(P1)이 조정된다. 이 「가스 기관 입구 압력(P1)」은, 기관 내에 유입되어 각 연료 공급 밸브(15, 19)에 분배 공급되기 직전 단계에서의 가스 연료의 압력이다. 가스 기관 입구 압력(P1)은, 승압용 기기를 설치한 경우를 제외하고는, 연료 통로(21) 및 가스 압력 조정 밸브(23)에 있어서의 압력 손실 때문에, 가스 원압(P0)을 초과하는 값으로 설정할 수 없다. 가스 원압(P0)은, 연료공급원에 있어서의 가스 연료의 압력, 보다 넓게 말하면 가스 압력 조정 밸브(23)보다도 상류측에 있어서의 가스 연료의 압력이며, 가스 엔진(1)의 운전 상황과는 관계없이 변동할 수 있다.
메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)는 전자 개폐 밸브로 이루어진다. 가스 기관 입구 압력(P1)과 함께, 메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)의 개방 기간을 조정하는 것에 의해, 메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)로부터 분사되는 연료량을 제어할 수 있다.
가스 압력 조정 밸브(23)의 개방도는, 가스 기관 입구 압력(P1)이 급기압(PB)보다도 제1 소정압(ΔP1)만큼 높아지도록 변경된다(P1=PB+ΔP1). 이에 의해, 연료 공급 밸브(15, 19)는, 과급기(3)로부터의 급기가 흐르는 급기 포트(11) 내에 가스 연료를 급기압(PB)에 대항하여 양호하게 분사 가능하게 된다.
본 실시 형태에 관한 가스 엔진(1)에 있어서는, 가스 엔진(1)의 가스 원압(P0)이 저하되었을 때에, 급기압(PB)에 대항하여 메인 연료 공급 밸브(15) 및 서브 연료 공급 밸브(19)로부터 가스 연료를 분사 가능하게 하여 가스 엔진(1)의 운전을 계속 가능하게 하기 위해, 가스 엔진(1)의 출력을 제어하도록 구성되어 있다. 전술한 바와 같이 가스 엔진(1)의 출력에 의해 발전기(50)의 출력이 정해지기 때문에, 발전기(50)의 출력을 제어하면 가스 엔진(1)의 출력을 제어할 수 있고, 그 반대도 또한 동일하게 된다. 본 실시 형태에서는, 발전기(50)의 출력 제어를 통해서 가스 엔진(1)의 출력을 제어하는 것으로 하고 있다. 또한, 연료량을 변경하는 제어, 즉 메인 연료 공급 밸브(15) 및/또는 서브 연료 공급 밸브(19)의 개방 기간을 변경하는 제어를 통해서, 가스 원압(P0)에 따라서 발전기(50)의 출력(KW)을 변경하는 제어를 실행하는 것으로 하고 있다.
상기 제어를 실행하기 위해서, 가스 엔진(1)에는, 급기압(PB)을 검출하는 급기압 센서(24), 가스 기관 입구 압력(P1)을 검출하는 입구압 센서(25), 가스 원압(P0)을 검출하는 원압 센서(26), 발전기(50)의 출력(즉, 가스 엔진(1)의 부하)을 검출하는 출력 센서(27)를 구비하고 있다.
도 3은, 도 1에 나타낸 가스 엔진(1)의 제어계를 나타낸 블록 선도(線圖)이다. 가스 엔진(1)은, 메인 제어 장치(31) 및 연료 제어 장치(32)를 포함하는 제어 장치(30)를 구비하고 있다. 메인 제어 장치(31)는, 급기압 제어부(41), 가스압 제어부(42), 목표값 설정부(43), 출력 설정부(44), 및 출력 제어부(45)를 포함하고 있다. 한편, 메인 제어 장치(31)는, 출력 축(2)의 회전수를 상기 가스 엔진(1)과의 계통 연계 대상의 전력 주파수에 대응하는 회전수로 제어하는 속도 제어부(46)와, 발전기(50)의 위상을 계통 연계 대상의 위상과 동기시킨 후에 발전기(50)를 계통에 접속하기 위한 동기 투입 장치(도시하지 않음)를 추가로 포함하고 있다.
급기압 설정부(41)는, 설정값 설정부(51) 및 급기압 제어부(52)를 포함하고 있다. 설정값 설정부(51)는, 급기압 제어 맵을 참조하여, 출력 센서(27)(도 1 참조)에 의해 검출된 출력(KW)에 따라서 급기압의 설정값(PBSET)을 설정한다. 급기압 제어부(52)는, 급기압 센서(24)에 의해 검출된 급기압의 측정값(PBP)과, 설정값 설정부(51)에 의해 설정된 급기압의 설정값(PBSET)을 비교한다. 급기압 제어부(52)는, 측정값(PBP) 및 설정값(PBSET)의 편차에 따라서, 급기압(PB)이 설정값(PBSET)으로 되도록 배기 바이패스 밸브(7)의 개방도를 제어한다.
가스압 제어부(42)는, 급기압 센서(24)(도 1 참조)에 의해 검출되는 급기압(PBP)에 제1 소정압(ΔP1)만큼 가산하는 것에 의해 얻어지는 가스 기관 입구 압력의 설정값(P1SET)과, 입구압 센서(25)(도 1 참조)에 의해 검출되는 가스 기관 입구 압력의 측정값(P1P)을 비교한다. 가스압 제어부(42)는, 측정값(P1P) 및 설정값(P1SET)의 편차에 따라서, 가스 기관 입구 압력(P1)이 설정값(P1SET)으로 되도록 가스 압력 조정 밸브(23)의 개방도를 제어한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 출력(KW)이 상승할수록, 급기압(PB)의 설정값(PBSET)이 보다 큰 값으로 설정된다. 본 실시 형태에서는, 출력(KW)에 대한 설정값(PBSET)의 추이가 아래로 볼록하게 된 경우를 예시하고 있다. 예시하는 추이는, 가스 엔진(1)의 출력에 대한 급기압의 추이에 추종하는 것으로 되어 있다. 이에 의해, 배기 바이패스 밸브(7)의 개방도 조정에 의한 급기압(PB)의 미세한 조정에 의해, 배기 온도나 대기 온도의 차이에 의한 과급기(3)의 성능의 미세한 변동을 흡수 가능하게 되고, 급기압(PB)을 설정값(PBSET)이 되도록 제어할 수 있다.
도 4에는, 출력(KW)에 대한 가스 기관 입구 압력(P1)도 함께 나타내고 있다. 가스 기관 입구 압력(P1)은, 출력(KW)의 대소에 관계없이, 급기압(PB)보다도 제1 소정값(ΔP1)만큼 높은 값으로 제어된다. 즉, 출력(KW)에 대한 가스 기관 입구 압력(P1)의 추이는, 급기압(PB)의 설정값(PBSET)의 추이와 평행하게 된다.
도 4에는, 가스 기관 입구 압력(P1)을 보증하는 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)을 나타내고 있다. 상기 하한값(P0m)은, 가스 기관 입구 압력(P1)에 대하여, 전술한 압력 손실분을 가미한 제2 소정값(ΔP2)만큼 높은 값으로 설정된다. 예컨대 모든 부하(100% LD)에 대응한 출력(KW100)에 따라서 급기압(PB100)이 정해지면, 급기압(PB100)에 대항하여 연료를 분사하는 가스 기관 입구 압력(P1)이 상기 급기압(PB100)으로부터 제1 소정값(ΔP1)만큼 높은 압력(P1100)으로 설정될 필요가 있지만, 상기 가스 기관 입구 압력(P1100)의 확보를 보증하기 위해서는, 가스 원압(P0)이, 상기 가스 기관 입구 압력(P1100)으로부터 제2 소정값(ΔP2)만큼 높은 압력값(P0m _100) 이상인 것을 필요로 한다. 반대로, 가스 원압(P0)이 상기 하한값(P0m _100) 미만이라면, 상기 출력(KW100)에 따른 급기압(PB100)에 대항하여 가스 연료를 분사할 수 없어, 그 결과, 가스 엔진(1)의 운전을 계속시킬 수 없게 된다.
전술한 바와 같이, 원압 저하시에 있어서의 종래의 대처 방법은, 가스 원압(P0)이 상기 하한값(P0m _100) 미만일 때에 가스 엔진(1)을 정지시키거나, 또는 가스 연료를 승압한다는 것이다. 이에 비하여, 본 실시 형태에 있어서의 대처 방법은, 도 4에 파선으로 나타내는 바와 같이, 가스 원압(P0)이, 부하에 대응하여 설정되는 급기압(PB)보다도 제1 소정값(ΔP1)과 제2 소정값(ΔP2)과의 합만큼 높은 압력값(P0m) 이상이라면, 급기압(PB)에 대항하여 가스 연료를 분사하여 상기 부하에서의 가스 엔진(1)의 운전을 계속할 수 있게 된다고 하는 점에 착안하고 있다. 이 경우, 부하에 대한 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)의 추이가, 급기압의 설정값(PBSET)의 추이, 및 가스 기관 입구 압력(P1)의 추이와 평행하게 된다.
도 3으로 되돌아가서, 목표값 설정부(43)은, 가스 원압(P0)에 따라서 가스 엔진(1)의 출력의 목표값을 설정한다. 보다 구체적으로는, 가스 엔진(1)의 출력에 따른 발전기(50)의 출력(KW)의 목표값(KWT)을 설정한다. 출력 설정부(44)는, 목표값설정부(43)에 의해 설정된 목표값(KWT)과, 발전기(50)의 출력의 요구값(KWD)을 비교하여, 발전기(50)의 출력(KW)의 설정값(KWSET)을 설정한다.
출력 제어부(45)는, 출력 설정부(44)에 의해 설정된 설정값(KWSET)과, 출력 센서(27)에 의해 검출되는 발전기(50)의 출력(KW)의 측정값(KWP)을 비교한다. 출력 제어부(45)는, 설정값(KWSET)과 측정값(KWP)과의 편차에 따라서, 발전기(50)의 출력(KW)이 설정값(KWSET)으로 되는데 필요하게 되는 메인 연료 공급 밸브(15)의 개방 기간의 지령값(INJ)을 연료 제어부(32)에 출력한다. 연료 제어부(32)는, 출력 제어부(45)로부터 입력된 지령값(INJ)에 따라서 메인 연료 공급 밸브(15)를 제어한다. 이에 의해, 발전기(50)의 출력(KW)을 설정값(KWSET)으로 되도록 제어할 수 있다.
이하, 전술한 착안점에 기초하여 목표값 설정부(43)에 의해 설정되는 목표값(KWT)과, 출력 설정부(44)에 의해 설정되는 설정값(KWSET)에 대하여 상세하게 설명한다.
목표값 설정부(43)는, 1차 설정부(53) 및 ２차 설정부(54)를 가지고 있다. 1차 설정부(53)는, 제한 출력 맵을 참조하여, 원압 센서(26)에 의해 측정되는 가스 원압(P0)의 측정값에 따라서, 가스 엔진(1)의 출력(KW)의 1차 목표값(KWT1)을 설정한다. ２차 설정부(54)는, 1차 설정부(53)에 의해 설정된 1차 목표값(KWT1)에 기초하여, 가스 엔진(1)의 ２차 목표값(KWT2)을 구하고, 구한 ２차 목표값(KWT2)을 상기 목표값(KWT)으로서 설정한다.
도 5는, 도 3에 나타낸 1차 설정부(53)에 의해 참조되는 제한 출력 맵을 나타내고 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 가스 원압(P0)이, 모든 부하에 대응한 출력(KW100)에서의 운전의 계속을 보증하는 압력값(P0m _100) 이상일 때에는, 1차 목표값(KWT1)은 상기 출력(KW100)으로 설정된다. 가스 원압(P0)이, 상기 압력값(P0m _100) 미만일 때에는, 상기 출력(KW100)에 대하여 제한된 출력이 1차 목표값(KWT1)으로서 설정된다. 이 경우, 가스 원압(P0)이 작아질수록, 1차 목표값(KWT1)이 보다 작은 값으로 설정된다. 가스 원압(P0)에 대한 1차 목표값(KWT1)의 추이는, 도 4에 파선으로 나타낸 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)의 추이에 기초하여 설정된다.
구체적으로는, 도 5에 나타낸 가스 원압(P0)에 대한 1차 목표값(KWT1)의 추이는, 도 4에 나타내는 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)의 추이를 종축과 횡축을 서로 바꾼 형태로 하여 표현한 것에 상당한다. 본 실시 형태에서는, 도 4에 있어서 부하의 상승에 따라서 급기압(PB)이 아래로 볼록하게 되는 경향으로 상승하는 경우를 예시하고 있으며, 이것에 부수하여 도 5에서는, 가스 원압(P0)의 저하에 따라서 1차 목표값(KWT1)이 위로 볼록하게 되는 경향으로 저하되는 경우를 예시하고 있다. 단, 이것은 단순한 일례이며, 1차 목표값(KWT1)의 추이는 적절히 변경 가능하다. 또한, 본 실시 형태에서는, 가스 원압(P0)이, 모든 부하에 대응한 출력에 따른 급기압에 대항하여 가스 연료를 분사하기에 필요하다고 하여 정해지는 압력값(P0m _100) 미만일 때에, 상기 출력에 대하여 제한된 출력이 1차 목표값으로서 설정되는 것으로 하고 있지만, 이것도 단순한 일례에 지나지 않으며, 적절히 변경 가능하다. 즉, 요구 부하에 대응한 출력에 따라서 정해지는 압력값 미만일 때에, 동일하게 하여 1차 목표값이 설정되어도 좋고, 그 외의 소정의 출력에 따라서 정해지는 압력값 미만일 때에 동일하게 하여 1차 목표값이 설정되어도 좋다. 또한, 상기 소정의 출력은 복수의 값이어도 좋다.
도 3으로 되돌아가서, ２차 설정부(54)에서는 소정의 램프 함수가 이용된다. 즉, ２차 설정부(54)는, 1차 설정부(53)에 의해 설정되는 1차 목표값(KWT1)의 변화율이 소정의 허용 변화율 미만일 때에는, 상기 1차 목표값(KWT1)을 그대로 목표값(KWT)으로서 설정한다. 한편, 1차 목표값(KWT1)의 변화율이 허용 변화율 이상일 때에는, 허용 변화율에 따라서 목표값(KWT)을 변화시키는 ２차 목표값(KWT2)을 구하고, 상기 ２차 목표값(KWT2)을 목표값(KWT)으로서 설정한다. 1차 목표값(KWT1)의 변화율은, 금번의 처리에 있어서 1차 설정부(53)에 의해 설정된 1차 목표값과, 전번의 처리에 있어서 설정된 1차 목표값 또는 ２차 목표값과의 차분이어도 좋다.
여기서 램프 함수는, 1차 목표값(KWT1)이 상승하도록 변화하였을 때에 비교되는 제1 허용 변화율이, 1차 목표값(KWT1)이 저하하도록 변화되었을 때에 비교되는 제2 허용 변화율보다도 작게 되도록 설정된다. 즉, 가스 원압(P0)이 모든 부하에 대응하는 상기 하한값(P0m _100)을 하회할 때로서 저하 경향에 있는 경우, 목표값(KWT)(즉, ２차 목표값(KWT2))의 변화율을, 제2 허용 변화율에 의한 제한은 있지만, 비교적 큰 값으로 설정할 수 있다. 또한, 가스 원압(P0)이 상기 하한값(P0m _100)을 하회할 때로서 상승 경향에 있는 경우에는, 목표값(KWT)(즉, ２차 목표값(KWT2))의 변화율이 제1 허용 변화율에 대응한 비교적 작은 값으로 설정된다.
출력 설정부(44)는, 이와 같이 하여 목표값 설정부(43)에 의해 설정된 목표값(KWT)과, 요구 부하에 따라서 정해지는 발전기(50)의 출력의 요구값(KWD)을 비교하고, 비교 결과에 따라서 설정값(KWSET)을 설정한다.
목표값(KWT)이 요구값(KWD)을 상회할 때에는, 설정값(KWSET)이 요구값(KWD)에 기초하여 설정된다. 이에 의해, 가스 원압(P0)이 상기 하한값(P0m _100)을 상회하는 충분히 높은 압력이지만, 요구 부하가 예컨대 부분 부하이거나 할 때에, 출력을 요구한 대로 제어할 수 있다. 목표값(KWT)이 요구값(KWD)을 하회할 때에는, 설정값(KWSET)이 목표값(KWT)에 기초하여 설정된다. 이에 의해, 요구 부하가 예컨대 모든 부하로 정해져 있을 때로서, 가스 원압(P0)이 상기 하한값(P0m _100)을 하회하고 있을 때에, 상기 가스 원압(P0)의 저하에 대처하여 출력을 저하시킬 수 있다.
한편, 출력 설정부(44)에 있어서도 소정의 램프 함수를 이용하여 최종적인 설정값이 설정된다. 이에 의해 설정값(KWSET)이 요구값(KWD)에 기초하여 설정되는 경우에, 요구 부하가 급변하여도 완만하게 출력을 변경시킬 수 있다. 설정값(KWSET)이 목표값(KWT)에 기초하여 설정되는 경우에는, 목표값(KWT)에는 ２차 설정부(54)에 의해 이미 램프 함수의 필터가 걸려져 있기 때문에, 상기 목표값(KWT)을 그대로 설정값(KWSET)으로서 설정할 수 있다.
그리고, 출력 제어부(45) 및 연료제어부(32)에 의해, 출력이 상기와 같이 하여 설정된 설정값(KWSET)으로 되도록 제어된다.
이어서, 도 6을 참조하여, 가스 원압(P0)이 저하된 경우에 있어서의 출력의 거동에 대하여 설명한다. 도 6의 횡축은 시간, 종축 상부는 가스 엔진(1)의 부하(발전기(50)의 출력(KW)), 종축 하부는 압력이다. 여기에서는 요구 부하가 모든 부하로 설정되어 있을 때에, 가스 원압(P0)의 저하와 상승이 발생한 경우의 거동을 예시하고 있다.
가스 원압(P0)이 모든 부하에 대응한 하한값(P0m _100) 이상일 때에는, 1차 설정부(53)가 1차 목표값(KWT1)을 모든 부하에 계속해서 설정한다. 따라서, 출력 설정부(44)에서는 모든 부하에 대응하는 출력이 설정값(KWSET)으로서 설정된다.
가스 원압(P0)이 하한값(P0m _100) 미만이 되면, 1차 설정부(53)가, 출력의 1차 목표값(KWT1)을 모든 부하에 대응하는 출력(KW100)보다도 제한된 출력으로 설정한다. 그러면, 목표값 설정부(43)에 의해 설정되는 목표값(KWT)이 요구값(KWD)를 하회하고, 출력 설정부(44)가 상기 목표값(KWT)을 설정값(KWSET)으로서 설정한다. 이 설정값(KWT)에 기초하여 메인 연료 공급 밸브(15)의 개방 기간이 짧게 되도록 변경되기 때문에, 연료 공급량이 감소하여 출력(KW)이 저하된다. 출력(KW)의 저하에 의해, 과급기(3)의 회전수가 완만하기는 하지만 저하 경향으로 전환되며, 또한 급기압 설정부(41)에 있어서 설정되는 설정값(PBSET)이 완만하기는 하지만 서서히 작아지도록 변경되며, 그 결과, 급기압(PB)이 저하되어 간다.
급기압(PB)이 저하되면, 가스 기관 입구 압력(P1)이 그만큼 저하되고, 또한 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)도 그만큼 저하된다. 따라서, 가스 원압(P0)이 모든 부하에 대응한 하한값(P0m _100)을 하회 하여도, 그 때의 부하에 따라서 정해지는 하한값(P0m) 이상으로 할 수 있다. 이 때문에, 메인 연료 공급 밸브(15)로부터 가스 연료를 급기 포트(11)내에 급기압(PB)에 대항하여 분사 가능한 상황이 확보되어, 가스 엔진(1)의 운전을 계속시킬 수 있다. 한편, 이와 같이 가스 원압(P0)의 저하 때문에 출력(KW)을 저하시키고 있는 동안에는, 계통 연계되어 있는 상용 계통에 부하가 분담되게 된다.
이와 같이 가스 원압(P0)이 저하 경향에 있는 동안에는, 1차 목표값(KWT1)이 작아지도록 변화되어 간다. 전술한 바와 같이, 1차 목표값(KWT1)이 작아지도록 변화될 때에는 목표값의 허용 변화율이 비교적 큰 값으로 설정된다. 따라서, 가스 원압(P0)의 저하가 급속하여도, 출력(KW)을 신속하게 저하시키는 것이 가능하게 되고, 이에 의해 급기압(PB) 및 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)도 마찬가지로 신속하게 저하시키는 것이 가능하게 된다. 이 때문에, 가스 원압(P0)의 급속한 저하에 적절하게 대처하여, 가스 엔진(1)의 운전을 계속시킬 수 있게 된다.
가스 원압(P0)이 상승으로 전환되면, 1차 목표값(KWT1)이 커지도록 변화되어 간다. 전술한 바와 같이, 1차 목표값(KWT1)이 커지도록 변화될 때에는 목표값(KWT)의 허용 변화율이 비교적 작은 값으로 설정된다. 이에 의해, 가스 원압(P0)의 상승 속도에 대하여, 출력(KW)이 완만하게 상승하여 가고, 급기압(PB) 및 가스 원압(P0)의 하한값(P0m)도 마찬가지로 완만하게 상승시킬 수 있다. 이에 의해 가스 원압(P0)과 하한값(P0m)과의 편차를 크게 확보할 수 있다. 따라서, 가스 원압(P0)이 안정적으로 상승하지 않는 경우가 있어도, 가스 연료를 급기압(PB)에 대항하여 분사 가능한 상황을 확보할 수 있음과 함께, 헌팅 현상을 적절하게 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 상기 구성은 본 발명의 범위 내에서 적절히 변경 가능하다. 예컨대 원압 저하시의 가스 엔진(1)의 출력을 저하시키는 방법은, 메인 연료 공급 밸브의 개방 기간을 단축시키는(즉, 메인 연료 공급 밸브(15)가 분사하는 연료량을 감소시키는) 것뿐만 아니라, 서브 연료 공급 밸브(19)를 마찬가지로 제어하여도 좋다.
상기 설명으로부터, 당업자에게 있어서는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시 형태가 명백하게 된다. 따라서, 상기 설명은, 예시로서만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 양태를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 일탈하지 않고서, 그 구조 및/또는 기능의 상세를 실질적으로 변경할 수 있다.
본 발명은, 가스 연료 승압용의 기기를 별도로 설치하지 않고서도, 가스 연료의 원압이 저하되었을 때에 가스 엔진의 운전을 계속할 수 있으며, 외부의 연료공급원으로부터 가스 연료를 공급받는 발전용 가스 엔진에 적용하면 유익하다.
1: 가스 엔진
15: 메인 연료 공급 밸브
19: 서브 연료 공급 밸브
21: 연료 통로
22: 가스 차단 밸브
23: 가스 압력 조정 밸브
24: 급기압 센서
25: 입구압 센서
26: 원압 센서
31: 메인 제어 장치
41: 급기압 설정부
42: 가스압 제어부
43: 목표값 설정부
44: 출력 설정부
45: 출력 제어부
53: 1차 설정부
54: 2차 설정부

Claims (6)

  1. 가스 연료를 메인 연료로 하는 가스 엔진의 출력을 제어하는 가스 엔진의 제어 장치로서,
    가스 연료의 가스 원압이, 소정 출력에 따라서 정해지는 압력값 미만일 때에, 상기 소정 출력에 대하여 제한된 출력을 목표값으로서 설정하는 목표값 설정부와,
    상기 목표값 설정부에 의해 설정된 상기 목표값과 출력의 요구값에 기초하여, 출력의 설정값을 설정하는 출력 설정부와,
    상기 출력 설정부에 의해 설정된 상기 설정값으로 되도록 출력을 제어하는 출력 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,　상기 소정 출력은, 요구 부하에 대응한 출력인 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 목표값 설정부는,
    가스 원압에 따라서 출력의 1차 목표값을 설정하는 1차 설정부와,
    상기 1차 설정부에 의해 설정된 상기 1차 목표값의 변화율을 허용 변화율과 비교하여, 상기 허용 변화율을 초과할 때에, 상기 목표값을 상기 허용 변화율에 따라서 변화시키기 위해 정해진 ２차 목표값을 상기 목표값으로서 설정하는 ２차 설정부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ２차 설정부는, 상기 1차 목표값이 커지도록 변화하였을 때에는, 상기 1차 목표값의 변화율을 제1 허용 변화율과 비교하고, 상기 1차 목표값이 작아지도록 변화하였을 때에는, 상기 1차 목표값의 변화율을 상기 제1 허용 변화율보다도 큰 제2 허용 변화율과 비교하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출력 설정부는, 출력의 요구값과, 상기 목표값 설정부에 의해 설정된 상기 목표값을 비교하여, 상기 목표값이 상기 요구값을 하회할 때에는 상기 목표값에 따라서 상기 설정값을 설정하고, 상기 목표값이 상기 요구값을 상회할 때에는 상기 요구값에 따라서 상기 설정값을 설정하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 장치.
  6. 가스 연료를 메인 연료로 하는 가스 엔진의 출력을 제어하는 방법으로서,
    가스 연료의 가스 원압을 검출하는 원압 검출 단계와,
    상기 원압 검출 단계에 있어서 검출된 가스 원압이, 소정 출력에 따라서 정해지는 소정 압력값 미만일 때에, 상기 소정 출력에 대하여 제한된 출력을 목표값으로서 설정하는 목표값 설정 단계와,
    상기 목표값 설정 단계에 있어서 설정된 상기 목표값과 출력의 요구값에 기초하여, 출력의 설정값을 설정하는 출력 설정 단계와,
    상기 출력 설정 단계에 있어서 설정된 상기 설정값으로 되도록 출력을 제어하는 출력 제어 단계를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 엔진의 제어 방법.
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