(57)【要約】【課題】  構成部品の熱ストレスを抑制しながら、起動から短時間で通常発電を開始させることを可能とするガスタービンエンジンの始動時運転制御装置を提供する。【解決手段】  始動時運転制御を開始すると、制御装置７は、回転速度センサから入力した現在の回転速度Ｎｅに基づき回転速度の目標変化率ΔＮｅtを求め、得られた目標変化率ΔＮｅtを積分することによって目標回転速度Ｎetを算出して回転速度コマンドＣｎｅを出力する。一方、制御装置７は、現在の回転速度Ｎｅから得られる空気流量Ｑａと、空気温センサから入力した燃焼器入口の空気温Ｔａと、燃料供給弁３における燃料供給量Ｑｆとから内部温度ＴＩＴを推定し、推定した内部温度ＴＩＴと所定の目標変化率ΔＴＩＴｔとを用いて目標出力ＴＯtを算出して出力コマンドＣｔｏを出力する。【選択図】      図３
2006291907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンに付設され、当該ガスタービンエンジンの始動時における運転制御を行う始動時運転制御装置であって、
前記ガスタービンエンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記ガスタービンエンジンへの燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、
少なくとも前記回転速度検出手段の検出結果と前記燃料供給量検出手段の検出結果とに基づき、前記ガスタービンエンジンの内部温度を推定する内部温度推定手段と、
前記ガスタービンエンジンが始動された後に所定の通常運転状態に移行するまでの間、前記内部温度推定手段により推定された内部温度の上昇率と所定の目標温度上昇率との差が小さくなるように、前記ガスタービンエンジンの目標回転速度と目標出力とを設定する始動時制御目標設定手段と
を備えたことを特徴とするガスタービンエンジンの始動時運転制御装置。
【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始動時運転制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電機は、負荷装置に供給するための電力を発生するだけでなく、その排熱を暖房や温水の熱源として回収しやすいことから、コージェネレーションシステムに好適な発電装置である。ガスタービン発電機を採用したコージェネレーションシステムのうち家庭等で用いられる小型のものでは、電力や排熱が不要な時間帯が多いため、ガスタービン発電機の起動停止が必要に応じて行われる。ガスタービン発電機の原動機であるガスタービンエンジンは、停止時（冷機時）と発電時との間でその内部温度が大きく異なり、各部の温度上昇率も一様でないため、始動から通常発電開始までの時間（以下、始動時間と記す）を長くすることにより、構成部材に熱ストレスが生じないようにすることが望ましい。
【０００３】
ガスタービンエンジンの始動時運転制御としては、種々の方法（特許文献１，２等）が提案されているが、一般的には以下に述べる手順が採られている。すなわち、通常発電時の目標出力に対応した回転速度（暖機回転速度）まで回転要素（タービンインペラやコンプレッサ、ロータシャフト等）を加速する。次に、暖機回転速度を支持したまま、ガスタービンエンジンのヒートマスや燃料供給量等に基づいて、内部温度が所定値に上昇したと推定できるまで無負荷で暖機運転を行う。暖機運転完了後に発電を開始するが、発電開始直後は比較的小出力で運転を行い、内部温度の急変による構成部材の寿命低下を防ぐべく出力（燃料供給量）を徐々に増加させて通常発電に移行する。
【特許文献１】特開平５−３３２１０３号公報（段落００２３〜００２５、図１）
【特許文献２】特開２００４−３１６６２３号公報（段落００３１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４は、従来のガスタービンエンジンの始動時における内部温度変化を示すグラフである。この図から判るように、従来の始動時運転制御では、着火後に暖機回転速度まで加速する過程の前半（図４中にＡで示す）と、暖機運転が完了して発電を開始した直後（図４中にＢで示す）とで燃料供給量が急増し、ガスタービンエンジンの内部温度の上昇率が非常に高くなる。そのため、ガスタービンエンジンの各構成部材には大きな熱ストレスが生じ、頻回の起動停止が行われるとそれら構成部材の寿命が低下することが避けられなかった。
【０００５】
一方、暖機回転速度到達時点Ｔａ以降の暖機運転時（図４中にＣで示す）には、ガスタービンエンジンが一定回転速度で運転されるために燃料供給量が増加せず、内部温度の上昇が緩慢となり、内部温度が所定値に達するまで（すなわち、発電開始時点Ｔｂまで）に比較的長時間を要する。その結果、ガスタービンエンジンの始動時間が長くなり、ユーザーの電力要求を迅速に満たせなくなる問題があった。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、構成部品の熱ストレスを抑制しながら、起動から短時間で通常発電を開始させることを可能とするガスタービンエンジンの始動時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】
【０００７】
請求項１の発明に係るガスタービンエンジンの始動時運転制御装置は、ガスタービンエンジンに付設され、当該ガスタービンエンジンの始動時における運転制御を行う始動時運転制御装置であって、前記ガスタービンエンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記ガスタービンエンジンへの燃料供給量を検出する燃料供給量検出手段と、少なくとも前記回転速度検出手段の検出結果と前記燃料供給量検出手段の検出結果とに基づき、前記ガスタービンエンジンの内部温度を推定する内部温度推定手段と、前記ガスタービンエンジンが始動された後に所定の通常運転状態に移行するまでの間、前記内部温度推定手段により推定された内部温度の上昇率と所定の目標温度上昇率との差が小さくなるように、前記ガスタービンエンジンの目標回転速度と目標出力とを設定する始動時制御目標設定手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、始動時におけるガスタービンエンジンの内部温度の急上昇が抑えられ、構成部材に過度の熱ストレスが生じ難くなる一方、通常運転状態に移行するまでの時間が短縮され、ユーザーの電力要求が迅速に満たされる。
【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制御目標設定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ガスタービンエンジンの始動時における内部温度変化を示すグラフである。
【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、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を商用電力系統に連係させるパワーコントロールユニット６、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７を主要構成要素としている。ガスタービンエンジン２には燃焼器入口の空気温を検出する空気温センサ８が付設されており、この空気温センサ８の検出結果が制御装置７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）を検出する回転速度センサが付設されており、この回転速度センサの検出結果も制御装置７に出力される。
【００１１】
パワーコントロールユニット６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７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６等を駆動制御する。
≪実施形態の作用≫
ガスタービン発電システム１が起動されると、制御装置７は、ガスタービンエンジン２を始動させた後、図２の制御目標設定ロジックを用いて始動時運転制御を開始する。
【００１２】
始動時運転制御を開始すると、制御装置７は、ガスタービンエンジン２の目標回転速度Ｎetを以下の手順で設定する。すなわち、制御装置７は、先ず、回転速度センサ９から入力したガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅに基づき、ＲＯＭに記憶された回転速度変化率スケジュールマップ（以下、単にスケジュールマップと記す）から回転速度の目標変化率ΔＮｅtを求める。制御装置７は、次に、得られた目標変化率ΔＮｅtを積分することによって目標回転速度Ｎetを算出した後、回転速度コマンドＣｎｅを出力する。
【００１３】
なお、スケジュールマップにおいて目標変化率ΔＮｅtの値を大きくした場合、始動時間は短くすることができるが、回転速度制御による燃料流量が当然に大きくなる。したがって、目標変化率ΔＮｅｔは、燃料供給弁３の最大燃料供給量を超えない範囲で設定する必要がある。また、目標変化率ΔＮｅの値が異なる複数のスケジュールマップを用意し、ガスタービンエンジン２の内部温度が高い停止直後の再始動時等には、目標変化率ΔＮｅの値が大きいスケジュールマップを用いるようにしてもよい。
【００１４】
一方、制御装置７は、目標回転速度Ｎetの設定と並行して、ガスタービンエンジン２の目標出力を以下の手順で設定する。制御装置７は、先ず、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を求めるが、内部温度ＴＩＴは非常に高くその直接的な測定が困難であるため、これを現在の回転速度Ｎｅから得られる空気流量Ｑａと、空気温センサ８から入力した燃焼器入口の空気温Ｔａと、燃料供給弁３における燃料供給量Ｑｆとから推定する。制御装置７は、次に、推定した内部温度ＴＩＴと所定の目標変化率ΔＴＩＴｔとを用いて目標出力ＴＯtを算出した後、出力コマンドＣｔｏを出力する。なお、目標変化率ΔＴＩＴｔは、ガスタービンエンジン２の各構成部材に過大な熱ストレスが生じない値に設定されている。
【００１５】
制御装置７は、回転速度コマンドＣｎｅとガスタービンエンジン２の現在の回転速度Ｎｅとを一致させるように、燃料供給弁３をフィードバック制御する。また、出力コマンドＣｔｏとガスタービンエンジン２の出力を一致させるように、パワーコントロールユニット６内のインバータをフィードバックまたはスケジュール制御する。
【００１６】
本実施形態では、このような始動時制御を行うことにより、図３に示すように、ガスタービンエンジン２の内部温度ＴＩＴが着火から発電開始までリニアに上昇するようになり、従来装置で問題となっていた急激な温度上昇に起因する過大な熱ストレスが起こらなくなると同時に、始動時間を有意に短縮することができた。
【００１７】
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を構成するガスタービンエンジンに本発明を適用したものであるが、自動車用や船舶用等のガスタービンエンジンに本発明を適用してもよい。また、目標回転速度や目標出力の設定手順等についても、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】
【００１８】
【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】同実施形態に係る制御目標設定ロジックを示すブロック図である。
【図３】同実施形態に係るガスタービンエンジンの始動時における内部温度変化を示すグラフである。
【図４】従来装置に係るガスタービンエンジンの始動時における内部温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
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
４      交流発電機
６      パワーコントロールユニット
７      制御装置
８      空気温センサ
９      回転速度センサ（回転速度検出手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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