(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンの経年劣化による出力低下が起こっても加速性能等を維持できるとともに、適切なメンテナンス警告を行うことができるガスタービンエンジンの運転制御装置を提供する。【解決手段】  制御装置８は、ステップＳ６で、現在の回転速度Ｎｅおよび発電量Ｏｇから求めた目標温度とタービン出口温度ＴＥＴとを比較し、その差に基づきガスタービンエンジン２の今回の劣化量ΔＬｄを推定する。次いで、制御装置８は、ステップＳ７で、前回の劣化レベルＬｄに今回の劣化量ΔＬｄを加算することにより、今回の劣化レベルＬｄを求める。制御装置８は、ステップＳ８で、今回の劣化レベルＬｄが所定のメンテナンス警告レベルＬｄｍａｘに達したか否かを判定し、この判定がＹｅｓであれば、ステップＳ９で警告装置１３に警告指令を出力する。【選択図】      図３
2006291762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンへの導入空気の物理量を検出する入口状態検出手段と、
前記ガスタービンエンジンのタービン入口温度とタービン出口温度との少なくとも一方を検出する内部温度検出手段と、
前記ガスタービンエンジンに燃料を供給する燃料供給手段と、
前記入口状態検出手段の検出結果と前記ガスタービンエンジンの目標出力とに基づき、所定のエンジン作動マップから当該ガスタービンエンジンの目標回転速度を検索する目標回転速度検索手段と、
前記ガスタービンエンジンが前記目標回転速度で前記目標出力を発生するように前記燃料供給手段を駆動制御する出力制御手段と、
前記ガスタービンエンジンが前記目標回転速度で前記目標出力を発生したときの前記内部温度検出手段の検出結果と所定の基準温度との差に基づき、当該ガスタービンエンジンの性能劣化レベルを推定する性能劣化レベル推定手段と、
前記性能劣化レベル推定手段の推定結果に基づき、前記エンジン作動マップを補正するための補正値を算出する補正値算出手段と
を備えたことを特徴とするガスタービンエンジンの運転制御装置。
【請求項２】
前記補正値が所定の劣化警告閾値に達したときに劣化警告を行う劣化警告手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジンの運転制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンの運転制御装置に係り、経年劣化に起因する加速性能の低下や低効率での運転を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電機は、ガスタービンエンジンの各コンポーネント（燃焼器や静翼、動翼等）が高温高圧の過酷な環境下で徐々に劣化損傷するため、製造時に設定された作動ポイントでの運転が次第に行えなくなる。これは、ガスタービンエンジンの出力が経年劣化によって低下するためであり、製造直後にある回転速度で定格出力を発生していても、長期間の運転が行われた後には、その回転速度で定格出力を発生させるために多量の燃料が必要となることによる。ガスタービンエンジンは、高効率かつ低エミッションで運転するためにその内部温度が限界運転温度（リミット温度）近傍に維持されるが、過剰な燃料が供給されると内部温度がリミット温度を超えてしまい、各コンポーネントの溶損等に起因して急速な寿命低下が招来されるのである。
【０００３】
そこで、ガスタービン発電機の運転にあたっては、温度センサによってガスタービンエンジンの内部温度（ＴＩＴ：タービン入口温度、あるいは、ＴＥＴ：タービン出口温度）を検出し、これがリミット温度を超えないように回転速度を高速側にシフトさせるフィードバック制御を行うことで定格出力を得ていた。また、ガスタービンエンジンの加速時等の過渡状態においては、温度センサの応答性が低く、フィードバック制御では追従性が甚だ悪くなるため、スケジュール制御（予め設定された燃料マップから燃料供給量を決める方法）を行っていた。（従来技術１）。一方、経年劣化が生じても最大出力を得るべく、目標回転数と実回転数との差に比例ゲインを掛け、その値に無負荷時の燃料流量を加えて制御燃料流量とするものも提案されている（従来技術２：特許文献１参照）
【特許文献１】特開２００２−４８８９号公報（段落０００９、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来技術１，２では、以下に述べる理由により、ガスタービンエンジンを高効率で運転することが難しかった。すなわち、従来技術１では内部温度に基づく単純なフィードバック制御を行うが、ガスタービンエンジンの内部温度が入口状態（大気温や大気圧）によっても変化することから、ガスタービンエンジンの出力低下が性能の劣化と入口状態の影響とのどちらによるものかを判別することができない。したがって、ガスタービンエンジンの性能低下が生じても、定期メンテナンスが行われるまで低効率のまま運転が継続されてしまうことになる。また、ガスタービンエンジンの性能低下が生じた場合、スケジュール制御に用いる燃料マップにずれが生じるため、マージンをもってスケジュールを設定せざるを得ず、加速に要する時間が長くなってしまう問題があった。一方、従来技術２では、ガスタービンエンジンの性能低下に拘わらず最大出力を得ることができるが、ガスタービンエンジンの内部温度を検出していないため、やはり低効率でのガスタービンエンジンの運転が継続されてしまう虞があった。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、ガスタービンエンジンの経年劣化による出力低下が起こっても加速性能等を維持できるとともに、適切なメンテナンス警告を行うことができるガスタービンエンジンの運転制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明に係るガスタービンエンジンの運転制御装置は、ガスタービンエンジンへの導入空気の物理量を検出する入口状態検出手段と、前記ガスタービンエンジンのタービン入口温度とタービン出口温度との少なくとも一方を検出する内部温度検出手段と、前記ガスタービンエンジンに燃料を供給する燃料供給手段と、前記入口状態検出手段の検出結果と前記ガスタービンエンジンの目標出力とに基づき、所定のエンジン作動マップから当該ガスタービンエンジンの目標回転速度を検索する目標回転速度検索手段と、前記ガスタービンエンジンが前記目標回転速度で前記目標出力を発生するように前記燃料供給手段を駆動制御する出力制御手段と、前記ガスタービンエンジンが前記目標回転速度で前記目標出力を発生したときの前記内部温度検出手段の検出結果と所定の基準温度との差に基づき、当該ガスタービンエンジンの性能劣化レベルを推定する性能劣化レベル推定手段と、
前記性能劣化レベル推定手段の推定結果に基づき、前記エンジン作動マップを補正するための補正値を算出する補正値算出手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の発明に係るガスタービンエンジンの運転制御装置は、請求項１に記載のガスタービンエンジンの運転制御装置において、前記補正値が所定の劣化警告閾値に達したときに劣化警告を行う劣化警告手段を更に備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１の発明によれば、ガスタービンエンジンに経年劣化が生じても、劣化レベルに応じてエンジン作動マップが補正されるため、定常運転時のみならず加速運転時等においても適切な燃料供給が行われ、ガスタービンエンジンの加速性能や効率が向上する。また、請求項２の発明によれば、ガスタービンエンジンの運転者等に適切なメンテナンスを促すことができ、低効率な状態で長期間にわたって運転が継続されることが避けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明を適用した小型ガスタービン発電システムの一実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスタービン発電システムの概略構成図であり、図２は同実施形態に係る作動マップ補正ロジックを示すブロック図であり、図３は同実施形態に係る運転制御の手順を示すフローチャートであり、図４は同実施形態に係るエンジン作動マップを示すグラフであり、図５は同実施形態に係る目標回転速度の決定方法を示す説明図である。
【００１０】
≪ガスタービン発電システムの構成≫
図１に示すように、ガスタービン発電システム１は、原動機であるガスタービンエンジン２、ガスタービンエンジン２に燃料を供給する燃料供給弁３（燃料供給手段）、ガスタービンエンジン２により駆動される交流発電機４、蓄電手段であるバッテリ装置５、交流発電機４やバッテリ装置５を負荷装置６に接続させるパワーコントロールユニット７、ガスタービン発電システム１の運転制御を行う制御装置８を主要構成要素としている。
【００１１】
ガスタービンエンジン２には、燃焼器入口の空気温度（すなわち、大気温Ｔｏ）を検出する大気温センサ９（入口状態検出手段）や、大気圧Ｔｐを検出する大気圧センサ１０（入口状態検出手段）、タービン出口温度ＴＥＴを検出する出口温度センサ１１（内部温度検出手段）が付設されており、これら各センサ９〜１１の検出結果が制御装置８に出力される。また、交流発電機４にはその回転速度（すなわち、ガスタービンエンジン２の回転速度Ｎｅ）を検出する回転速度センサ１２が付設されており、この回転速度センサ１２の検出結果が発電量Ｏｇとともに制御装置８に出力される。更に、ガスタービン発電システム１には、制御装置８から指令を受けて運転者に音声警告等を発する警告装置１３が設置されている。
【００１２】
パワーコントロールユニット７は、交流発電機４の出力制御を行うべく、交流発電機４から出力された交流電力を直流電力に変換するコンバータ部と、コンバータ部が変換した直流電力やバッテリ装置５に蓄えられた直流電力を商用電力に変換するインバータ部を備えている。また、制御装置８は、マイクロコンピュータやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース、各種ドライバ等から構成されており、ＲＯＭ内に格納した種々の制御プログラムに基づき燃料供給弁３やパワーコントロールユニット７等を駆動制御する。
【００１３】
≪実施形態の作用≫
ガスタービン発電システム１の運転時に、制御装置８は、図２の制御ロジックに基づき、図３のフローチャートにその手順を示す運転制御を行う。
【００１４】
運転制御を開始すると、制御装置８は、先ず、ステップＳ１で、後述する劣化補正係数Ｋｄを用いてエンジン作動マップを補正する。エンジン作動マップは、図４に示すように、ガスタービンエンジン２の内部温度（タービン入口温度ＴＩＴ，タービン出口温度ＴＥＴ）の少なくとも一方がリミット温度となる場合のエンジン作動ライン（回転速度Ｎｅと出力（交流発電機４の発電量Ｏｇ）との関係）を与えるものであり、ガスタービンエンジン２の経年劣化（性能低下）が進行するに従って同一出力を発生する回転速度Ｎｅが上昇し、エンジン作動ラインが図４中右方向に略平行にずれてゆく。図５から判るように、エンジン作動ラインは、中低出力域においてタービン出口温度ＴＥＴにより決定され、高出力域においてタービン入口温度ＴＩＴにより決定される。なお、図４において、出荷時のエンジン作動ライン（ノミナル）を０％とし、劣化限度のエンジン作動ライン（メンテナンス警告）を１００％として示している。
【００１５】
次に、制御装置８は、ステップＳ２で、ガスタービンエンジン２の入口状態（大気温センサ９，大気圧センサ１０から入力した大気温Ｔｏおよび大気圧Ｔｐ）と、目標発電量Ｏｇｔ（目標出力）とに基づき、ステップＳ１で補正したエンジン作動マップからガスタービンエンジン２の目標回転速度Ｎｅｔを設定する。次に、制御装置８は、ステップＳ３で、目標回転速度Ｎｅｔに対応する回転速度コマンドＣＮｅを生成し、これを燃料制御部に出力する。制御装置８は、ステップＳ４で、燃料制御部において回転速度Ｎｅが回転速度コマンドＣＮｅと等しくなるように燃料供給量を設定し、燃料コマンドＣＧｆを燃料供給弁３に出力する。これにより、ガスタービンエンジン２が所定の回転速度Ｎｅで回転するようになり、交流発電機４が目標発電量Ｏｇｔに見合う量の発電を行うようになる。
【００１６】
次に、制御装置８は、ステップＳ５で、タービン入口温度ＴＩＴやタービン出口温度ＴＥＴ、回転速度Ｎｅ、発電量Ｏｇの変化に基づき、ガスタービンエンジン２が定常運転状態にあるか否かを判定する。そして、この判定がＮｏであれば、制御装置８は、スタートに戻って運転制御を繰り返す。
【００１７】
ガスタービンエンジン２が所定時間（例えば、数分間）にわたって定常運転状態にあり、ステップＳ５の判定がＹｅｓになると、制御装置８は、ステップＳ６，Ｓ７で、劣化レベル判定部において劣化レベルの判定を行う。すなわち、制御装置８は、ステップＳ６で、出口温度センサ１１から入力したタービン出口温度ＴＥＴが一定となるようにフィードバック制御を行ったうえで、現在の回転速度Ｎｅおよび発電量Ｏｇから求めた目標温度とタービン出口温度ＴＥＴとを比較し、その差に基づきガスタービンエンジン２の今回の劣化量ΔＬｄを推定する。次いで、制御装置８は、ステップＳ７で、前回の劣化レベルＬｄに今回の劣化量ΔＬｄを加算することにより、今回の劣化レベルＬｄを求める。なお、制御装置８は、今回の劣化レベルＬｄをＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性記憶手段に記憶し、ガスタービン発電システム１が停止されても、再起動後に劣化レベルの判定を継続して行う。
【００１８】
次に、制御装置８は、ステップＳ８で、今回の劣化レベルＬｄが所定のメンテナンス警告レベルＬｄｍａｘに達したか否かを判定し、この判定がＹｅｓであれば、ステップＳ９で警告装置１３に警告指令を出力する。
【００１９】
次に、制御装置８は、ステップＳ１０で、補正係数設定部において、今回の劣化レベルＬｄに対応する劣化補正係数Ｋｄを更新する。これにより、ステップＳ１におけるエンジン作動マップの補正がより高精度に行われるようになり、ガスタービンエンジン２の効率が更に向上する。なお、制御装置８は、今回の劣化補正係数ＫｄもＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性記憶手段に記憶し、ガスタービン発電システム１が停止されても、再起動後のエンジン作動マップの補正が正しく行われるようにする。
【００２０】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態はガスタービン発電システム用の運転制御装置に本発明を適用したものであるが、他種のガスタービンエンジン用のものに本発明を適用してもよい。また、上記実施形態では劣化レベルをタービン出口温度に基づいて判定するようにしたが、タービン入口温度も用いるようにしてもよい。更に、ガスタービン発電システムの具体的構成や制御の具体的手順等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るガスタービン発電システムの概略構成図である。
【図２】同実施形態に係る作動マップ補正ロジックを示すブロック図である。
【図３】同実施形態に係る運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図４】同実施形態に係るエンジン作動マップを示すグラフである。
【図５】同実施形態に係る目標回転速度の決定方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１      ガスタービン発電システム
２      ガスタービンエンジン
３      燃料供給弁（燃料供給手段）
４      交流発電機
７      パワーコントロールユニット
８      制御装置
９      大気温センサ（入口状態検出手段）
１０    大気圧センサ（入口状態検出手段）
１１    出口温度センサ（内部温度検出手段）
１２    回転速度センサ
１３    警告装置
【図１】
2006291762.tif 000003
【図２】
2006291762.tif 000004
【図３】
2006291762.tif 000005
【図４】
2006291762.tif 000006
【図５】
2006291762.tif 000007