(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する触媒式の燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器とを備え、低濃度メタンガスに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を制御する方法であって、
当該ガスタービンエンジンの前記圧縮機に流入する吸入ガスの温度が所定の値よりも低い場合に、前記吸入ガスの温度に応じて当該エンジンの回転数を低下させる、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の制御方法において、当該ガスタービンエンジンによって駆動される発電機と外部電力系統との間に電力変換装置を介在させ、前記電力変換装置を介して前記発電機の回転数を下げることにより当該エンジンの回転数を低下させる希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の制御方法において、さらに、前記ガスタービンエンジンに、前記圧縮ガスの通路から圧縮ガスを前記排ガスの通路に抽気する抽気路と、この抽気路を通過する抽気ガスの流量を調整する抽気弁とを設け、この抽気弁の開度を上げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させる希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御方法。
【請求項４】
圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する触媒式の燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器とを備え、低濃度メタンガスに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を制御する装置であって、
当該ガスタービンエンジンの圧縮機に流入する吸入ガスの温度が所定の値よりも低い場合に、前記吸入ガスの温度に応じて当該エンジンの回転数指令値を低下させる回転数補正部を備える希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項４に記載の制御装置において、さらに、前記回転数補正部からの回転数指令値に基づいて、当該ガスタービンエンジンによって駆動される発電機と外部電力系統との間に介在する電力変換装置を介して前記発電機の回転数を制御する回転数制御部を備える希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の制御装置において、前記ガスタービンエンジンが、前記圧縮ガスの通路から圧縮ガスを前記排ガスの通路に抽気する抽気路と、この抽気路を通過する抽気ガスの流量を調整する抽気弁とを備えており、当該制御装置が、さらに、前記抽気弁の開度を上げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させる触媒入口温度制御部を備えている希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、本発明は、炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)、ＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）などの低カロリーガス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を制御する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭鉱で発生するＣＭＭをＶＡＭまたは空気と混合するなどして、エンジンに吸入し、含まれている可燃成分を触媒式の燃焼器で燃焼させる、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。触媒燃焼器を用いるガスタービンでは、吸気温度が低い場合に、触媒燃焼器の入口温度の低下により触媒が不活性状態に陥り、燃焼器が失火して運転を維持できない可能性がある。
【０００３】
このような触媒燃焼器の入口温度の低下を防止するための制御として、所定の濃度の燃料を空気と混合して利用するガスタービンにおいて、供給する空気流量および燃料流量を、触媒の圧力損失に基づいて調整する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−０１９２４７号公報
【特許文献２】特開平０５−２０３１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、触媒の圧力損失に基づいてパラメータの補正を行う制御では、ガスタービンエンジンの始動前や始動時に吸気温度が低下した場合に適切に制御することが困難である。また、炭鉱で発生するＣＭＭ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では、燃料濃度が絶えず変動しているため、触媒燃焼器の入口温度が低下したときに直接燃料流量を増加させる制御を行った場合、燃焼成分であるメタンの供給が過剰となって触媒の焼損が発生する可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの吸気温度が低下した場合にも、触媒燃焼器の失火を防止して、運転状態を安定的に維持できるガスタービンエンジンの制御方法および制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンの制御方法または制御装置は、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃焼させてタービンへ供給する触媒式の燃焼器と、前記タービンからの排ガスを加熱媒体として前記圧縮ガスを加熱する熱交換器とを備え、低濃度メタンガスに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を制御する方法または装置であって、当該ガスタービンエンジンの圧縮機に流入する吸入ガスの温度が所定の値よりも低い場合に、前記吸入ガスの温度に応じて当該エンジンの回転数を低下させる。回転数の制御は、具体的には、当該ガスタービンエンジンによって駆動される発電機と外部電力系統との間に介在させた電力変換装置を介して前記発電機の回転数を下げることによりおこなう。
【０００８】
この構成によれば、吸気温度に応じて希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの回転数制御を行うことにより触媒入口温度が維持される。吸気温度に応じた回転数制御、すなわち回転数指令値の補正は、ガスタービンエンジンの定格運転中のみならず始動時または始動前にも行うことができるので、触媒式燃焼器の吸気温度低下による失火が確実に防止され、ガスタービンエンジンの運転状態を安定的に維持することができる。
【０００９】
本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの制御方法または制御装置において、回転数の制御は、具体的には、当該ガスタービンエンジンによって駆動される発電機と外部電力との間に介在させた電力変換装置を介して前記発電機の回転数を下げることによりおこなうことが好ましい。燃料濃度が絶えず変動する希薄燃料吸入ガスタービンエンジンでは、燃料流量の調整による回転数の制御を行うと触媒燃焼器の焼損や失火が起こりやすいが、電力変換装置を介して回転数制御を行うことにより、安定的な制御を実現できる。
【００１０】
本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの制御方法または制御装置において、さらに、前記ガスタービンエンジンに、前記圧縮ガスの通路から圧縮ガスを前記排ガスの通路に抽気する抽気路と、この抽気路を通過する抽気ガスの流量を調整する抽気弁とを設け、この抽気弁の開度を上げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させてもよい。この構成によれば、吸気温度の低下時において、上記の回転数制御によってもなお触媒式燃焼器の入口温度が維持できない場合にも、確実に燃焼器の入口温度を維持して、ガスタービンエンジンを一層安定的に運転することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るガスタービンエンジンの制御方法および制御装置によれば、エンジンが取り込む吸気温度が低下しても、触媒式の燃焼器の失火を確実に防止して、ガスタービンエンジンの運転状態を安定的に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る制御方法の制御対象であるガスタービンエンジンの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る制御方法の制御ロジックを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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は本発明の一実施形態に係る制御方法の制御対象となるガスタービンエンジンＧＴ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、単缶式の主燃焼器３、タービン５および熱交換器７を備えている。このガスタービンエンジンＧＴの出力により、発電機９が駆動される。
【００１４】
本実施形態におけるガスタービンエンジンＧＴ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）と混合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として構成されており、主燃焼器３は、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒式の燃焼器として構成されている。
【００１５】
このガスタービンエンジンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭと、これよりも可燃成分（メタン）濃度が高いＣＭＭのような、２種類の相異なる燃料濃度の燃料ガスを混合器１１で混合して得られた吸入ガスＧ１が、圧縮機１の吸気入口からガスタービンエンジンＧＴ内に導入される。混合器１１は、ＣＭＭ燃料源からのＣＭＭを圧縮機１に導入する燃料導入路１２の中途に設けられている。また、ＣＭＭ燃料の流量は、燃料導入路１２における混合器１１の上流側に設けられたＣＭＭ燃料制御弁１３によって調整される。圧縮機１の吸気入口には、吸入ガスＧ１の温度を計測する吸気温度計測器Ｔ１が設けられている。
【００１６】
吸入ガスＧ１は、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が、主燃焼器３に送られる。圧縮ガスＧ２は主燃焼器３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Ｇ３がタービン５に供給されて、タービン５を駆動する。主燃焼器３の入口および出口には、入口温度計測器Ｔ２および出口温度計測器Ｔ３がそれぞれ設けられている。
【００１７】
タービン５は圧縮機１および発電機９に回転軸１５を介して連結されており、タービン５により圧縮機１および発電機９が駆動される。回転軸１５の圧縮機１と発電機９との間の部分には、タービン５の回転数を計測する回転検出器１８が設けられている。発電機９は、電力変換装置１７を介して外部の電力系統１９に接続されている。電力変換装置１７は、直流電力と交流電力とを相互に変換する回路を内蔵し、発電機９と電力系統１９との間で双方向への電力供給を行う。
【００１８】
熱交換器７は、タービン５からのタービン排ガスＧ４を加熱媒体として圧縮機１から主燃焼器３に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する。圧縮機１からの圧縮ガスＧ２は、圧縮ガス通路２１を介して熱交換器７に送られ、ここで加熱された後に高温圧縮ガス通路２５を介して主燃焼器３に送られる。主燃焼器３およびタービン５を経たタービン排ガスＧ４は、タービン排ガス通路２９を通って熱交換器７に流入する。熱交換器７から流出した排ガスＧ５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。
【００１９】
また、ガスタービンエンジンＧＴは、圧縮ガス通路２１から分岐させて設けられた抽気路３１を有している。抽気路３１は、排ガス通路２９に接続されており、必要に応じて、圧縮ガス通路２１を通過する圧縮ガスＧ２の一部を排ガス通路２９に抽気する。抽気路３１の中途には、抽気路３１を通過する圧縮ガスの流量を調整する抽気弁３３が設けられている。
【００２０】
なお、図示しないが、抽気路３１における抽気弁３３の下流側に、ガスタービンエンジンＧＴの起動時から主燃焼器３が所定の作動温度に達するまで、熱交換器７に高温の燃焼ガスを供給して熱交換器７を暖機する補助燃焼器が設けられていてもよい。その場合、補助燃焼器には、専用の燃料供給路から燃料、例えばＣＭＭが供給される。
【００２１】
このような構成を有するガスタービンエンジンＧＴに対して、圧縮機１に流入する吸入ガスＧ１の温度が所定の値よりも低い場合に、吸入ガスＧ１の温度に応じてガスタービンエンジンＧＴの回転数を低下させる制御装置４１が設けられている。
【００２２】
この制御装置４１によるガスタービンエンジンＧＴの制御方法について以下に詳細に説明する。本実施形態による制御方法では、図２に示すように、制御装置４１に設けられた回転数補正部４３が、吸気温度計測器Ｔ１の計測結果に基づいて回転数を補正する。具体的には、吸気温度計測器Ｔ１で計測された吸入ガスＧ１の温度が所定値以上であれば、回転数補正部４３は回転数指令値について補正を行わず定格回転数のままとし、吸気温度計測器Ｔ１で計測された吸入ガスＧ１の温度が所定値よりも低い場合には、吸入ガスＧ１の温度測定値に応じて回転数指令値を低下させる。
【００２３】
一方、制御装置４１の回転数制御部４５は、回転数補正部４３からの指令値を受けて、電力変換装置１７を介して発電機９の回転数を制御することにより、ガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御する。具体的には、回転数制御部４５の回転数指令値を下げてガスタービンエンジンＧＴの回転数を低下させることにより、主燃焼器３の入口温度の低下を防止する。ガスタービンエンジンＧＴの回転数を低下させると、吸入ガスＧ１の吸気量が低減し、主燃焼器３内の燃空比が上昇する。これにより、主燃焼器３の出口温度およびタービン排ガスＧ４の温度が維持され、熱交換器７を介して加熱される主燃焼器３の入口温度も維持される。
【００２４】
制御装置４１は、ガスタービンエンジンＧＴの始動時および定格運転時の全運転期間にわたって動作し、吸入ガスＧ１の測定温度に応じて上記の回転数補正を行う。さらに、制御装置４１をガスタービンエンジンＧＴの始動前（停止中）に動作させて、吸気温度に応じて回転数指令値の補正を行ってもよい。
【００２５】
さらに、上記の回転数制御によっても入口温度計測器Ｔ２で計測した主燃焼器３の入口温度の低下を抑制できない場合には、制御装置４１の触媒入口温度制御部４７が、抽気弁３３の開度指令値を補正して抽気弁３３の開度を上げることにより、主燃焼器３の入口温度を上昇させる。抽気弁３３の開度を上げて、主燃焼器３へ流入する圧縮ガスＧ２の流量を低減することにより、主燃焼器３内の燃空比がさらに上昇し、主燃焼器３の出口温度およびタービン排ガスＧ４の温度が維持され、熱交換器７を介して加熱される主燃焼器３の入口温度が維持される。
【００２６】
触媒入口温度制御部４７によって抽気弁３３の開度を制御することにより、吸気温度の低下時において、上記の回転数制御によってもなお触媒式の主燃焼器３の入口温度が維持できない場合にも、確実に主燃焼器３の入口温度を維持することができる。
【００２７】
このように、本実施形態に係るガスタービンエンジンの制御方法では、吸気温度に応じて希薄燃料吸入ガスタービンエンジンＧＴの回転数制御を行うことにより触媒入口温度を維持するので、定格運転中のみならず始動時にも触媒式の主燃焼器３の吸気温度低下による失火が確実に防止され、ガスタービンエンジンＧＴの運転状態を安定的に維持することができる。
【００２８】
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る。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００２９】
１  圧縮機
３  主燃焼器（触媒式燃焼器）
５  タービン
７  熱交換器
９  発電機
１７  電力変換装置
３１  抽気路
３３  抽気弁
４１  制御装置
４３  回転数補正部
４５  回転数制御部
４７  触媒入口温度制御部
Ｇ１  吸入ガス
ＧＴ  ガスタービンエンジン
Ｔ１  吸気温度計測器
【図１】
0005592965.tif 000002
【図２】
0005592965.tif 000003