JPH034735B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ターボコンプレツサシステムの制
御方法に関するものであり、とりわけ、ターボ圧
縮機のコンプレツサから吐出される空気の圧力を
制御するためのターボコンプレツサシステムの制
御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図は従来の燃料電池発電システム用のター
ボコンプレツサシステムを示し、空気を必要と
し、排ガスを発生する負荷部（燃料電池発電シス
テム）１と、タービン２ａとコンプレツサ２ｂか
らなるターボ圧縮器２との間に、コンプレツサ２
ｂから負荷部１へ空気を圧送するための空気供給
配管３、空気供給配管３から分岐し大気へ空気を
放出する大気開放配管４、大気開放配管４の途上
にあつて放出空気流量を調節できる大気開放調節
弁５、負荷部１からの排ガスをタービン２ａへ導
入するシステム排ガス配管６、システム排ガス配
管６の途上に設置されタービン２ａの動力を補う
ための助燃炉７、空気供給配管３から分岐し助燃
炉７に助燃用空気を供給する助燃用空気配管８、
助燃用空気配管８の途上であつて助燃用燃料流量
を調節できる助燃用空気調節弁９、助燃用燃料を
流通する助燃用燃料配管１０、助燃用燃料配管１
０の途上にあつて助燃用燃料流量を調節するため
の助燃用燃料調節弁１１、助燃用燃料調節弁１１
の開度を操作して助燃用燃料流量を設定値にフイ
ードバツク制御する助燃用燃料流量コントローラ
１２、助燃用空気調節弁９の開度を操作して助燃
用空気流量を設定値にフイードバツク制御する助
燃用空気流量コントローラ１３、空気供給配管３
の途上に設けられコンプレツサ吐出空気圧力を検
出する圧力検出器１４、圧力検出器１４の検出値
を基に、助燃量すなわち助燃用流量コントローラ
１２，１３への流量設定値を操作してコンプレツ
サ２ｂの吐出空気圧力を設定値にフイードバツク
制御する第１のコンプレツサ吐出空気圧力コント
ローラ１５、大気開放調節弁５の開度を操作して
コンプレツサ吐出空気圧力を設定値にフイードバ
ツク制御する第２のコンプレツサ吐出空気圧力コ
ントローラ１６、大気開放調節弁５の開度を種々
の要請に応じて直接操作する演算器１７等が配
置、接続されてなるものである。

以上の構成により、負荷部１の定常運転時、す
なわち、タービン圧縮機２の定常転時には、演算
器１７の働きにより大気開放調節弁５は全閉ある
いはある一定の微小開度に保持され、圧力コント
ローラ１６は実際上機能させない。大気開放調節
弁５を全閉あるいは微小開度に保持するのは定常
運転時のエネルギー損失を最小とするためであ
る。このとき、負荷部１は定常運転であるから、
本来全てのプロセス量は一定値に維持される筈で
あるが、運転中の外気温、湿温の変化等によるコ
ンプレツサ２ｂの吸込み条件の変化、放熱量の変
化等により、実際には温度、圧力等のプロセス量
が徐々に変化する。このような変化に対しても燃
料電池発電システムである負荷部１ではコンプレ
ツサ２ｂの吐出空気圧力を一定に保持することが
要求される。一方、圧力コントローラ１５は、圧
力検出器１４により検出される圧力が設定値にな
るよう助熱炉７の助熱量を流量コントローラ１
２，１３を通じてフイードバツク制御する。

他方、負荷変動時には、まず負荷指令の直前に
演算部１７が機能しないようにし、すなわち、大
気開放調節弁５を圧力コントローラ１６の制御支
配下におく。次に、負荷指令または負荷指令に対
応した値を助燃炉７への助燃量設定値、すなわ
ち、助燃用燃料流量および助燃用空気流量の設定
値として、直接流量コントローラ１２，１３に対
して与えて助熱量を変化させ、これによりタービ
ン２ａ入口の排ガスの温度等が変化してタービン
動力が変化する。この結果、コンプレツサ２ｂの
吐出空気圧力、すなわち、検出器１４での検出器
が上昇しようとすれば、圧力コントローラ１６
は、検出値を基に大気開放調節弁５の開度の調
節、すなわち、大気開放配管４を通して外部に放
出される空気流量を調節して、コンプレツサ２ｂ
吐出空気圧力をコントローラ１６の設定値にフイ
ードバツク制御する。要するに、負荷変動中にお
いては、負荷変動による各部のプロセス量の変化
に伴つて生じるタービン動力の不足、すなわち、
コンプレツサ吐出空気圧力の低下を予め助燃量
を、例えば増加させることによつて防ぎ、コンプ
レツサ吐出空気圧力を常に設定値以上になるよう
にし、コンプレツサ吐出空気圧力はコントローラ
１６によつて設定値に制御させようというもので
ある。

負荷変動が終了し、各プロセス量が整定すれ
ば、コンプレツサ吐出空気圧力の制御をコントロ
ーラ１６からコントローラ１５に切換え、システ
ムのエネルギー損失を最少にするという目的のた
め、演算器１７によつて大気開放調節弁５の開度
を各プロセス量のバランスを崩さないように徐々
に絞り込み、最終的に全閉または微少な開度で保
持する。この間、コンプレツサ吐出空気圧力はコ
ントローラ１５による助燃量操作によつて設定値
にフイードバツク制御されており、上記大気開放
調節弁５の絞り込み操作終了後は定常運転時の状
態に戻る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のような従来のターボコンプレツサシステ
ムの制御方法では、負荷変動時、負荷変動指令ま
たは負荷変動時期を与えなければ助燃量を変化す
るタイミングがつかめない。また、負荷変動終了
後、エネルギー損失を少なくするため大気開放調
節弁５の開度を絞込む操作が必要で、そのために
は演算器１７が必要不可欠であつた。さらに、負
荷変動時と定常運転時とでコンプレツサ吐出空気
圧力の制御系を切り換えなければならない、など
の問題点があつた。

この発明は上記のような問題点を除去するため
になされたもので、負荷変動時と定常運転時とで
制御系を切り換える必要がなく、コンプレツサ吐
出空気圧力を所定値ないし所定範囲に制御できる
とともに、従来の演算部の機能を省くことができ
るターボコンプレツサシステムの制御方法を得る
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るターボコンプレツサシステムの
制御方法は、助燃炉での助燃量を操作することに
より、コンプレツサ吐出空気圧力を設定値にフイ
ードバツク制御する第１のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系とともに、大気開放調節弁の開度を操
作してコンプレツサ吐出空気圧力を設定値にフイ
ードバツク制御する第２のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系を持ち、第２のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系への圧力設定値を第１の制御系のもの
より高くし、第１のコンプレツサ吐出空気圧力制
御系の操作対象である助熱量に、助燃炉点火中に
おいては下限を設け、実際の助燃量が、設定した
下限値より小さくなるのを演算手段により防ぐも
のである。

〔作用〕

この発明においては、コンプレツサ吐出空気圧
力が第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系への
設定値（第１の設定値）よりも低ければ、第１の
コンプレツサ吐出空気圧力制御系は助燃量を増加
または最大限にし、また、第１の設定値よりも高
い第２の設定値を与えられた第２のコンプレツサ
吐出空気圧力制御系は大気開放調節弁の開度を減
少または全閉にしてコンプレツサ吐出空気圧力を
上昇させようとする。大気開放調節弁が全閉とな
つた以降は第２のコンプレツサ吐出空気制御系は
制御代をなくすが、第１のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系が有効に働き、コンプレツサ吐出空気
圧力を第１の設定値に制御する。

コンプレツサ吐出空気圧力が第２の設定値より
も高ければ、当然第１の設定値よりも高く、第１
のコンプレツサ吐出空気圧力制御系は助燃量を減
少または最小限にし、また、第２のコンプレツサ
吐出空気圧力制御系は大気開放調節弁の開度を増
加または全開にしてコンプレツサ吐出空気圧力を
低下させようとする。なお、助燃量が操作されて
減少されるとき、ゼロとならないのは、助燃量の
下限より小さくなるのを防ぐ演算手段の働きによ
る。助燃量が最小限になつた以降は第１のコンプ
レツサ吐出空気圧力制御系は制御代をなくすが、
第２のコンプレツサ吐出空気圧力制御系が有効に
働き、コンプレツサ吐出空気圧力を第２の設定値
に制御する。

コンプレツサ吐出空気圧力が、第１の設定値よ
りも高く第２の設定値よりも低ければ、第１のコ
ンプレツサ吐出空気圧力制御系は助燃量を減少ま
たは最小限にしてコンプレツサ吐出空気圧力を第
１の設定値に下げようとし、また、第２のコンプ
レツサ吐出空気圧力制御系は、大気開放調節弁の
開度を減少または全閉にしてコンプレツサ吐出空
気圧力を第２の設定値に上げようとする。このと
き、一時的に助燃量が最少で、なおかつ大気開放
調節弁が全閉となる可能性があり、第１および第
２のコンプレツサ吐出空気圧力制御系ともに制御
代はなくしているが、コンプレツサ吐出空気圧力
は第１と第２の設定値の間にある。

〔発明の実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図に参照して
説明する。なお、第１図において、第２図に示す
ものと同一または相当部分には同一の符号を付し
て説明を省略する。第１図において、１５は第１
のコンプレツサ吐出空気圧力コントローラ、１６
は第２のコンプレツサ吐出空気圧力コントロー
ラ、１８はコントローラ１５への第１の圧力設定
値、１９は第１の圧力設定値よりも異常でない範
囲で若干高い第２の圧力設定値、２０はコントロ
ーラ１５の操作対象である助燃用燃料流量コント
ローラ１２の流量設定値が、下限を下まわらない
ようにする下限リミツタ、２１はこの下限リミツ
タ２０の演算後の助燃用燃料流量設定値を助燃用
燃料流量に換算する演算器である。

次に制御方法について説明する。第１のコンプ
レツサ吐出空気圧力制御系であるコントローラ１
５は検出器１４で検出されたコンプレツサ吐出空
気圧力と第１の設定値１８を基に、助燃量の設定
値、すなわち、助燃用燃料流量コントローラ１２
への流量設定値を操作して、例えば、コンプレツ
サ吐出空気圧力が第１の設定値１８よりも低けれ
ば助燃量を増加して排ガス配管６を流通するシス
テム排ガスのエネルギーを高めてタービン動力を
増加し、コンプレツサ吐出空気流量を増加してコ
ンプレツサ吐出空気圧力を増加しようとすること
により、コンプレツサ吐出空気圧力を第１の設定
値１８にフイードバツク制御する。助燃用空気流
量設定値は、助燃用燃料流量設定値から演算器２
１を介して換算されて、コントローラ１３に与え
られる。流量コントローラ１２，１３は検出され
る助燃用燃料流量または助燃用空気流量を基にそ
れぞれ助燃用燃料調節弁１１並びに助燃用空気調
節弁９の開度を操作して助燃用燃料流量または助
燃用空気流量をコントローラ１５または演算器２
１から与えられる流量設定値にフイードバツク制
御する。下限リミツタ２０は、コントローラ１５
からコントローラ１２に与えられる助燃用燃料流
量が、失火しない程度の最低流量より小さくなる
のを防ぐように機能し、助燃炉７点火中におい
て、助燃用燃料流量が常に失火しない程度の最低
流量以上になることを保証する。

第１の設定値１８よりも高い第２の設定値１９
を与えられた第２のコンプレツサ吐出空気圧力制
御系であるコントローラ１６は、検出器１４で検
出されるコンプレツサ吐出空気圧力を基に、大気
開放調節弁５の開度を操作して、例えば、コンプ
レツサ吐出空気圧力が第２の設定値１９よりも高
ければ、開度を増加して大気開放配管４を通して
外部へ放出される空気流量を増加してコンプレツ
サ吐出空気圧力を減少させようとすることによ
り、コンプレツサ吐出空気圧力を第２の設定値１
９にフイードバツク制御する。

以上より、例えば、コンプレツサ吐出空気圧力
が第１の設定値１８よりも低ければ、コントロー
ラ１５は、コントローラ１２への流量設定値を増
加または最定限にし、また、当然、コンプレツサ
吐出空気圧力は第２の設定値よりも低く、コント
ローラ１６は大気開放調節弁５の開度を減少また
は全閉にしてコンプレツサ吐出空気圧力を増加し
ようとする。大気開放調節弁５が全閉となればコ
ントローラ１６は制御代をなくすが、コントロー
ラ１５によりコンプレツサ吐出空気圧力は第１の
設定値１８に制御される。

また、コンプレツサ吐出空気圧力が第２の設定
値１９よりも高ければ、当然、第１の設定値１８
よりも高く、コントローラ１５は、コントローラ
１２への流量設定値を減少または最小にし、一
方、コントローラ１６は大気開放調節弁５の開度
を増加または全開にしてコンプレツサ吐出空気圧
力を減少しようとする。助燃量が最小となればコ
ントローラ１５は制御代をなくすが、コントロー
ラ１６によりコンプレツサ吐出空気圧力は第２の
設定値１９に制御される。

さらに、コンプレツサ吐出空気圧力が第１の設
定値１８よりも高く、第２の設定値よりも低い場
合は、コントローラ１５はコントローラ１２への
流量設定値を減少または最小にしてコンプレツサ
吐出空気圧力を第１の設定値１８に下げようと
し、コントローラ１６は大気開放調節弁５の開度
を減少または全閉にしてコンプレツサ吐出空気圧
力を第２の設定値１９に上げようとする。このと
き、コントローラ１２への流量設定値が最小で、
なおかつ大気開放調節弁５が全閉となり、コント
ローラ１５，１６ともに制御代をなくす可能性が
あるが、コンプレツサ吐出空気圧力は第１の設定
値１８と第２の設定値１９との間にあり、異常な
値を示しているわけではなく、問題はない。

なお、上記実施例では、コントローラ１５から
コントローラ１２へ与える流量設定値に対して、
下限リミツタ２０で最小流量を保証したが、コン
トローラ１２または１３のそれぞれ操作対象であ
る助燃用燃料流量１１、助燃用空気調節弁９への
開度指令に対して最小開度を設定し、助燃炉点火
後において最小開度より小さくならないように、
リミツタを機能させてもよい。

また、上記実施例では、コントローラ１５の直
接の操作対象はコントローラ１２の流量設定値と
したが、コントローラ１３の流量設定値とし、そ
の値を助燃用燃料流量に換算した値をコントロー
ラ１２の流量設定値としてもよい。

さらに、圧縮空気を必要とし、排ガスを排出す
る負荷部が、圧縮空気を燃料電池反応用、改質器
燃焼用などとして使用する燃料電池発電システム
であつてもよいことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかなように、
助燃量を操作してコンプレツサ吐出空気圧力を設
定値にフイードバツク制御する第１のコンプレツ
サ吐出空気圧力制御系に加え、設定値が第１のコ
ンプレツサ吐出空気圧力制御系のそれよりも若干
高い第２のコンプレツサ吐出空気圧力制御系によ
り、大気開放調節弁を操作してコンプレツサ吐出
空気圧力を設定値にフイードバツク制御し、か
つ、第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系の操
作対象である助燃量を、助燃炉点火中、演算手段
により下限以下にならないようにしたので、負荷
変動時と定常運転時とで制御系を切換える必要が
なく、コンプレツサ吐出空気圧力を第１の設定値
または第２の設定値またはそれらの間の値に維持
することができ、また、制御操作による助燃炉で
の失火を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明するための
回路図、第２図は従来の燃料電池発電システム用
のターボコンプレツサシステムの回路図である。 １……負荷部、２……ターボ圧縮機、２ａ……
タービン、２ｂ……コンプレツサ、３……空気供
給配管、４……大気開放配管、５……大気開放調
節弁、６……システム排ガス配管、７……助燃
炉、１５……第１のコンプレツサ吐出空気圧力コ
ントローラ、１６……第２のコンプレツサ吐出空
気圧力コントローラ、１８……第１の設定値、１
９……第２の設定値、２０……助燃量の下限リミ
ツタ、２１……演算器。なお、各図中、同一符号
は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 空気を必要としかつ排ガスを発生する負荷部
   に対し、上記負荷部からの排ガスによつて駆動さ
   れるタービンとこのタービンと同軸に直結され上
   記負荷部に必要な空気を圧縮供給するコンプレツ
   サとからなるターボ圧縮機と、上記コンプレツサ
   から上記負荷部へ圧縮空気を導く空気供給配管か
   ら分岐された大気開放配管の途上に設けられ外部
   に放出される圧縮空気の量を調節する大気開放調
   節弁とを備え、上記コンプレツサから吐出される
   空気圧力を制御する手段として、上記負荷部から
   の排ガスを上記タービンへ導くシステム排ガス配
   管の途上に上記タービンの動力を補う助燃炉を設
   け、上記空気供給配管の途上に設けられた圧力検
   出器で検出されるコンプレツサ吐出空気圧力に基
   いて上記助燃炉での助燃量を操作することにより
   コンプレツサ吐出空気圧力を設定値にフイードバ
   ツク制御する第１のコンプレツサ吐出空気圧力制
   御系とともに、上記大気開放調節弁の開度を操作
   してコンプレツサ吐出空気圧力を設定値にフイー
   ドバツク制御する第２のコンプレツサ吐出空気圧
   力制御系を持ち、上記第２のコンプレツサ吐出空
   気圧力制御系への圧力設定値を上記第１のコンプ
   レツサ吐出空気圧力制御系のものよりも異常では
   ない範囲で若干高くし、さらに、上記助燃炉を点
   火させた運転中において、上記第１のコンプレツ
   サ吐出空気圧力制御系における操作対象である上
   記助燃量に最低助燃量を設定し、上記第１のコン
   プレツサ吐出空気圧力制御系によつて上記助燃量
   が操作される際に、演算手段により上記助燃量が
   上記最低助燃量より小さくなることを防ぐように
   してなるターボコンプレツサシステムの制御方
   法。 ２ 助燃量が最低助燃量より小さくなることを防
   ぐ演算手段が、第１のコンプレツサ吐出空気圧力
   制御系の操作対象である助燃用燃料流量および助
   燃用空気流量の少なくとも一方の制御系への流量
   設定値に対する下限リミツタである特許請求の範
   囲第１項記載のターボコンプレツサシステムの制
   御方法。 ３ 助燃量が最低助燃量より小さくなることを防
   ぐ演算手段が、第１のコンプレツサ吐出空気圧力
   制御系の操作対象である助燃用燃料流量および助
   燃用空気流量の少なくとも一方を制御する流量制
   御系の操作対象である助燃用燃料流量調節弁およ
   び助燃用空気流量調節弁の開度に対する下限リミ
   ツタである特許請求の範囲第１項記載のターボコ
   ンプレツサシステムの制御方法。 ４ 負荷部は、圧縮空気を燃料電池反応用、改質
   器燃料用などとして使用する燃料電池発電システ
   ムである特許請求の範囲第１項記載のターボコン
   プレツサシステムの制御方法。