JPWO2013094379A1 - 希薄燃料吸入ガスタービンの制御方法および制御装置 - Google Patents

希薄燃料吸入ガスタービンの制御方法および制御装置 Download PDF

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聡 黒坂
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Abstract

希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの燃焼器の触媒が劣化した場合にも、触媒燃焼器の失火および焼損を防止して、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。希薄燃料吸入ガスタービンエンジン（ＧＴ）に吸入される吸入ガス（Ｇ１）のメタン濃度に対する、燃焼器（３）の入口と出口の測定による温度差を、基準となる初期状態の触媒を備える燃焼器（３）の入口と出口の温度差データである基準温度差データと比較し、その差分に基づいて、前記燃焼器（３）の入口温度および出口温度の少なくとも一方を制御する。

Description

関連出願
本出願は、２０１１年１２月２１日出願の特願２０１１−２７９２１９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、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。
炭鉱で発生するＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)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）。
特開２０１０−０１９２４７号公報
希薄燃料吸入ガスタービンエンジンにおいて、触媒の劣化により触媒燃焼器での温度上昇が少なくなり、熱交喚器を介して触媒入口温度が下がることで触媒燃焼器が失火し、ガスタービンエンジンの運転を維持できない可能性がある。一方で、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時に、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。
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燃焼器の触媒が劣化した場合にも、触媒燃焼器の失火および焼損を防止して、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。
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、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、触媒式の燃焼器を備え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、当該エンジンに吸入される吸入ガスのメタン濃度に対する、前記燃焼器の入口と出口の測定による温度差を、基準となる初期状態の触媒を備える燃焼器の入口と出口の温度差データである基準温度差データと比較し、その差分に基づいて、前記燃焼器の入口温度および出口温度の少なくとも一方を制御する。
前記燃焼器の入口温度の制御は、例えば、前記ガスタービンエンジンに、タービンからの排ガスによって圧縮機から燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する熱交換器と、前記圧縮ガスを前記熱交換器から迂回させて前記燃焼器に導入する熱交換器バイパス弁とを設け、この熱交換器バイパス弁の開度を下げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させることにより行うことが好ましい。また、前記燃焼器の出口温度の制御は、例えば、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電力変換装置を介在させ、この電力変換装置を介して発電機の回転数を下げることにより行うことが好ましい。これらの構成によれば、ガスタービンエンジンを運転するために必要な構成に大きな変更を加えることなく、
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符号は、同一または相当する部分を示す。
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。 本発明の一実施形態に係る制御方法を示すフロー図である。 図２の制御方法の制御ロジックを示すブロック図である。 図２の制御方法で用いる温度差データを模式的に示すグラフである。
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。
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。
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中のメタン濃度を計測するメタン濃度計１４が設けられている。
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、入口温度センサＴ１および出口温度センサＴ２がそれぞれ設けられている。
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。
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。
さらに、圧縮ガス通路２１と高温圧縮ガス通路２５とは、中途に熱交換器バイパス弁３１を備える熱交換器バイパス路３５によって連通されている。熱交換器７で加熱された圧縮ガスＧ２によって主燃焼器３が過度に加熱されて焼損が発生するのを防止するために、必要に応じて熱交換器バイパス弁３１を開いて圧縮ガスＧ２を熱交換器７から迂回させる。
また、ガスタービンエンジンＧＴは、主燃焼器３のほかに補助燃焼器３９を備えている。補助燃焼器３９は、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３９には、専用の燃料供給路４１から燃料（本実施形態ではＣＭＭ）が供給されるとともに、圧縮ガス通路２１から分岐させて設けられた始動用抽気路４５から圧縮ガスＧ２の一部が供給される。始動用抽気路４５の中途には、始動用抽気弁４７が設けられている。
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、主燃焼器３の入口と出口の温度差に基づいて制御を行う制御装置５１が設けられている。この制御装置５１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、圧縮機１に吸入される吸入ガスＧ１のメタン濃度に対する、触媒燃焼器である主燃焼器３の入口と出口の測定による温度差を、基準となる初期状態の触媒を備える主燃焼器３の入口と出口の温度差データ（以下、「基準温度差データ」という。）と比較し、その差分に基づいて、ガスタービンエンジンＧＴの回転数および主燃焼器３の入口温度の少なくとも一方を制御する。
図３に示すように、制御装置５１には、基準温度差データをあらかじめ格納しておくためのデータ格納部であるデータ格納メモリ６１が設けられている。基準温度差データは、例えば、初期状態の触媒を用いて、図４に示すようなメタン濃度に対する入口と出口の温度差を予め測定することにより取得する。
次に、図３の入口温度センサＴ１および出口温度センサＴ２の測定値から、温度差演算部６５で温度差データを算出し、この温度差データ（以下、「測定温度差データ」という。）を、補正制御部６９において、メタン濃度計１４で測定されたメタン濃度に対する基準温度差データと比較する。触媒の劣化が進むと、測定温度差が小さくなるので、測定温度差データと基準温度差データとの差分は、触媒の劣化度合いを示す指標となる。つまり、この差分が大きいほど、触媒の劣化が進んでいると判断できる。
補正制御部６９は、上記差分に基づいて、燃焼器３の入口温度および出口温度を制御する。具体的には、本実施形態では、補正制御指令部６９は熱交換器バイパス弁制御部７７の開度指令値および回転数制御部７３の回転数指令値を補正する。熱交換器バイパス弁制御部７７の開度指令値を補正して熱交換器バイパス弁３１の開度を下げることにより、図１の熱交換器７を通過する圧縮ガスＧ２の流量を増加させて主燃焼器３の入口温度を上昇させる。
一方、図３の回転数制御部７３は、補正制御部６９からの指令を受けて、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７３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、主燃焼器３に流入するガス流量を低減することにより、燃焼器３の出口温度の低下を防止する。
なお、補正制御部６９は、主燃焼器３の入口温度および出口温度の少なくとも一方を成業するように構成されていてもよい。また、回転数制御部７３によってガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御する代わりに、または回転数の制御と併せて、図１の始動用抽気路４５の始動用抽気弁４７の開度を調整することにより、主燃焼器３に流入するガス流量を調整して燃焼器３の出口温度を制御してもよい。
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によれば、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンＧＴの主燃焼器３の触媒が劣化した場合にも、主燃焼器３の失火および焼損を防止して、運転状態を安定的に維持することができる。
なお、本実施形態に係る制御方法は、負荷低下時の主燃焼器３の失火防止および負荷上昇時の主燃焼器３の焼損防止にも有効である。すなわち、触媒燃焼器である主燃焼器３は供給燃料に対して燃焼の応答遅れが発生するので、負荷低下中に触媒の温度上昇が不十分で失火状態になる可能性があり、逆に負荷上昇時には触媒の温度上昇が過剰になって触媒焼損が発生する可能性があるが、負荷低下時に触媒劣化補正制御を適用した場合、触媒入口温度を上昇させ、回転数を下げる補正操作により、安定した触媒燃焼状態を保つことができる。一方、負荷上昇時に触媒劣化補正制御を適用した場合、劣化対応と逆操作である触媒入口温度を下げ、回転数を上げるか、または定格回転数を維持することにより、触媒の焼損を回避して安定した触媒燃焼状態を保つことができる。
また、触媒の劣化度合いに基づく補正制御での操作により、吸入ガスＧ１のメタン濃度が上昇した場合は、切替スイッチ７１により、ＣＭＭ燃料制御弁１３に対する制御を吸入ガスＧ１のメタン濃度に基づく制御に切り替えて、吸入ガスＧ１のメタン濃度が規定値以上とならないように制限し、圧縮機内爆発を防止するように構成してもよい。
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。
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
１７ 電力変換装置
３１ 熱交換バイパス弁
５１ 制御装置
６１ データ格納部（データ格納メモリ）
Ｇ１ 吸入ガス
ＧＴ ガスタービンエンジン
Ｔ１ 入口温度センサ
Ｔ２ 出口温度センサ
前記燃焼器の入口温度の制御は、例えば、前記ガスタービンエンジンに、タービンからの排ガスによって圧縮機から燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する熱交換器と、前記圧縮ガスを前記熱交換器から迂回させて前記燃焼器に導入する熱交換器バイパス弁とを設け、この熱交換器バイパス弁の開度を下げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させることにより行うことが好ましい。また、前記燃焼器の出口温度の制御は、例えば、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、この電力変換装置を介して発電機の回転数を下げることにより行うことが好ましい。これらの構成によれば、ガスタービンエンジンを運転するために必要な構成に大きな変更を加えることがない。
補正制御部６９は、上記差分に基づいて、燃焼器３の入口温度および出口温度を制御する。具体的には、本実施形態では、補正制御部６９は熱交換器バイパス弁制御部７７の開度指令値および回転数制御部７３の回転数指令値を補正する。熱交換器バイパス弁制御部７７の開度指令値を補正して熱交換器バイパス弁３１の開度を下げることにより、図１の熱交換器７を通過する圧縮ガスＧ２の流量を増加させて主燃焼器３の入口温度を上昇させる。
なお、補正制御部６９は、主燃焼器３の入口温度および出口温度の少なくとも一方を制御するように構成されていてもよい。また、回転数制御部７３によってガスタービンエンジンＧＴの回転数を制御する代わりに、または回転数の制御と併せて、図１の始動用抽気路４５の始動用抽気弁４７の開度を調整することにより、主燃焼器３に流入するガス流量を調整して燃焼器３の出口温度を制御してもよい。

Claims (6)

  1. 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、触媒式の燃焼器を備え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、
    当該エンジンに吸入される吸入ガスのメタン濃度に対する、前記燃焼器の入口と出口の測定による温度差を、基準となる初期状態の触媒を備える燃焼器の入口と出口の温度差データである基準温度差データと比較し、その差分に基づいて、前記燃焼器の入口温度および出口温度の少なくとも一方を制御する、希薄燃料吸入ガスタービンエンジンの制御方法。
  2. 請求項１に記載の制御方法において、前記ガスタービンエンジンに、タービンからの排ガスによって圧縮機から燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する熱交換器と、前記圧縮ガスを前記熱交換器から迂回させて前記燃焼器に導入する熱交換器バイパス弁とを設け、この熱交換器バイパス弁の開度を下げることにより前記燃焼器の入口温度を上昇させることを含む希薄燃料ガスタービンエンジンの制御方法。
  3. 請求項１または２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との間に電力変換装置を介在させ、この電力変換装置を介して発電機の回転数を下げることにより前記燃焼器の出口温度を制御することを含む希薄燃料ガスタービンエンジンの制御方法。
  4. 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、触媒式の燃焼器を備え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、
    当該エンジンに吸入される吸入ガスのメタン濃度に対する、前記燃焼器の入口と出口の測定による温度差を、基準となる初期状態の触媒を備える燃焼器の入口と出口の温度差データである基準温度差データを格納するデータ格納部と、
    当該エンジンに吸入される吸入ガスのメタン濃度に対する、前記燃焼器の入口と出口の測定による温度差を、前記基準温度差データと比較し、その差分に基づいて、前記燃焼器の入口温度および出口温度の少なくとも一方を制御する補正制御部と、
    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。
  5. 請求項４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、タービンからの排ガスによって圧縮機から燃焼器に導入される圧縮ガスを加熱する熱交換器と、前記圧縮ガスを前記熱交換器から迂回させて前記燃焼器に導入する熱交換器バイパス弁とを備えており、前記補正制御部が、前記熱交換器バイパス弁の開度を下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ガスタービンエンジンの制御装置。
  6. 請求項４または５に記載の制御装置において、前記補正制御部が、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する電力変換装置を介して発電機の回転数を下げることにより前記燃焼器の出口温度を制御する希薄燃料ガスタービンエンジンの制御装置。
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