JPH034736B2 - - 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
御方法に関し、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〕

従来のターボコンプレツサシステムの制御方法
を、燃料電池発電システムの制御方法を例とし
て、第３図を参照して説明する。図において、圧
縮空気を必要とし排ガスを排出する負荷部１と、
タービン２ａとコンプレツサ２ｂからなるターボ
圧縮機２と、タービン２ａのガス入口にある可変
ノズル２ｃと、コンプレツサ２ｂから吐出される
縮空気を負荷部１へ導く空気供給配管３と、負荷
部１から排ガスをタービン２ａへ導くシステム排
ガス配管４と、空気供給配管３の途上に設置され
た圧力検出器５と、圧力検出器５で検出されたコ
ンプレツサ吐出空気圧力に基いて可変ノズル２ｃ
の開度を操作してコンプレツサ吐出空気圧力を所
定値にフイードバツク制御する圧力コントローラ
６と、圧力コントローラ６に対する圧力設定値７
からなるシステムにおいて、コンプレツサ吐出空
気圧は、空気供給配管３を通して負荷部１へ供給
される空気流量と、コンプレツサ２ｂから吐出さ
れる空気流量とのバランスによつて決まる。コン
プレツサ吐出空気流量はコンプレツサ吐出空気圧
力が一定ならば、ほぼタービン２ａの動力に比例
し、タービン動力は、タービン入口ガス圧力が一
定ならば、タービン入口ガスの絶対温度の平方根
と、可変ノズル２ｃの開度を比例する。したがつ
て、たとえば、コンプレツサ吐出空気圧力が所定
値より低くなれば、すなわち、負荷部１へ供給さ
れる空気流量に対してコンプレツサ吐出空気圧力
が不足しているということであり、可変ノズル２
ｃの開度を増加してタービン動力で増大し、コン
プレツサ吐出空気圧力を増やすことで、コンプレ
ツサ吐出空気圧力を増加することができる。この
原理を基に、圧力コントローラ６は、圧力検出器
５で検出されるコンプレツサ吐出空気圧力に基い
て可変ノズル２ｃの開度を操作することでコンプ
レツサ吐出空気圧力を設定値７にフイードバツク
制御する。

ここで、コンプレツサ吐出空気圧力が設定値７
付近にあるときに、可変ノズル開度を減小しすぎ
ると、タービン動力が不足し過ぎてコンプレツサ
２ｂで空気を圧縮できなくなり、一種の逆流現象
であるサージング現象が生じるおそれがある。

〔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、たとえば、コンプレツサ吐出
空気圧力が設定値７よりも大きくなつた場合に
は、圧力コントローラ６は可変ノズル２ｃの開度
を減少させてコンプレツサ吐出空気圧力を低下さ
せようとするが、コンプレツサ吐出空気圧力の低
下は、コンプレツサ吐出側の配管容積に原因し
て、可変ノズル開度操作に対して遅れを生じ、こ
のため、コンプレツサ吐出空気圧力を一定に維持
することができないという問題点があつた。

この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、コンプレツサ吐出空気圧力を
常に所定値ないし所定範囲に維持できるターボコ
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、コンプレツサ吐出空気圧力の検出値
と設定値に基いて可変ノズル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１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系
とともに、空気供給配管から分岐した大気開放配
管途上に設置された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
圧力制御系の圧力設定値を第１のコンプレツサ吐
出空気圧力制御系のそれよりも異常でない範囲で
若干高くした。

〔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可変ノズル開
度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、コンプレツサ吐出空
気圧力を上昇させようとする。大気開放調節弁の
開度が全閉となつた以降は第２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の設定値より高く、第１の
コンプレツサ吐出空気圧力制御系は可変ノズル開
度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
力を低下しようとする。なお、可変ノズル開度が
最小限開度より小さくならないのは、リミツタ演
算手段の働きによる。可変ノズル開度が最小限開
度になつた以降は、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
も高いが第２の設定値よりは低い場合は、第１の
コンプレツサ吐出空気圧力制御系は可変ノズル開
度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
を上げようとする。このとき、一時的に可変ノズ
ル開度が最小限となり、かつ、大気開放調節弁が
全閉となる場合があり、第１並びに第２のコンプ
レツサ吐出空気圧力制御系ともに制御代をなくし
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図を参照して
説明する。なお、第１図において、第３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、第１のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系である圧力コントローラ６、圧力コン
トローラ６への圧溶設定値（第１の設定値）７、
コンプレツサ２ｂから負荷部１へ圧縮空気を導く
空気供給配管３から分岐された大気開放配管８、
大気開放配管８の途上にあり大気開放配管８を通
して外部（大気などに）に放出される圧縮空気の
量を調節できる大気開放調節弁９、第２のコンプ
レツサ吐出空気圧力制御系である圧力コントロー
ラ１０、圧力コントローラ１０への圧力設定値
（第２の設定値）１１、圧力コントローラ６の操
作対象である可変ノズル２ｃの開度指令が、上限
値より大きければ上限値を、下限値よりも小さけ
れば下限値を指示するリミツタ演算器１２等が配
置、接続されている。また、第２の設定値１１
は、第１の設定値７よりも若干高く設定されてい
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圧力コントロー
ラ６は圧力検出器５で検出されるコンプレツサ吐
出空気圧力と第１の設定値７を基に、可変ノズル
２ｃの開度を操作して、たとえばコンプレツサ吐
出空気圧力が第１の設定値７よりも低ければ可変
ノズル開度を増加してタービン動力を増加し、コ
ンプレツサ２ｂから吐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７にフイードバツク制御する。リミツタ演
算器１２は、圧力コントローラ６の操作対象であ
る可変ノズル開度が、予め決められた最小開度並
びに最大開度の範囲をはずれることを防ぐように
機能し、圧力コンプレツサ６の可変ノズル開度へ
の操作値が最小開度以上となり、かつ、最大開度
以下となることを保証する。

第１の設定値７よりも若干高い第２の設定値１
１を与えられた第２のコンプレツサ吐出空気圧力
制御系である圧力コントローラ１０は、圧力検出
器５で検出されるコンプレツサ吐出空気圧力と第
２の設定値１１に応じて大気開放調節弁９の開度
を操作して、たとえば、コンプレツサ吐出空気圧
力が第２の設定値１１よりも高ければ、大気開放
調節弁９の開度を増加して大気開放配管８を通し
て外部へ放出される圧縮空気の量を増加し、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１１にフイードバツク制御する。

以上により、たとえばコンプレツサ吐出空気圧
力が第１の設定値７よりも低ければ、圧力コント
ローラ６は、可変ノズル２ｃ開度を増加または最
大にして、また、当然コンプレツサ吐出空気圧力
は第２の設定値１１よりも低く、圧力コントロー
ラ１０は大気開放調節弁９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げようと
する。大気開放調節弁９が全閉となれば圧力コン
トローラ１０は制御代をなくすが、圧力コントロ
ーラ６が有効に働き、コンプレツサ吐出空気圧力
は第１の設定値７に制御される。

コンプレツサ吐出空気圧力が第２の設定１１よ
りも高ければ、当然第１の設定値７よりも高く、
圧力コントローラ６は可変ノズル２ｃの開度を減
少または最小として、また、圧力コントローラ１
０は大気開放調節弁９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下げようとす
る。可変ノズル２ｃの開度が最小となれば、圧力
コントローラ６は制御代をなくすが、圧力コント
ローラ１０が有効に働き、コンプレツサ吐出空気
圧力は第２の設定値１１に制御される。

コンプレツサ吐出空気圧力が第１の設定値７よ
り高いが、第２の設定値１１よりも低い場合は、
圧力コントローラ６は可変ノズル２ｃの開度を減
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７に下ようとし、また圧力コントロ
ーラ１０は大気開放調節弁９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１１に下げようとする。このとき、可変ノズ
ル２ｃの開度が最小となり、かつ、大気開放調節
弁９が全閉となれば圧力コントローラ６，１０と
もに制御代をなくすが、コンプレツサ吐出空気圧
力は第１の設定値７と第２の設定値１１との間間
にあり、異常な値を示しているわけではないので
問題はない。

一方、サージング現象の防止対策として、可変
ノズル開度に対して、プログラム的なリミツタ機
能を設けるかまたは機械的に可変ノズルの可動範
囲を狭くする処置をとると、たとえば、コンプレ
ツサ吐出空気圧力が設定値７より高いときに、可
変ノズル開度が下限になれば、それ以降は圧力コ
ントローラ６は制御代をなくし、コンプレツサ吐
出空気圧力を積極的に制御できないという問題が
生じるが、上記実施例では、リミツタ演算器１２
により、可変ノズル２ｃの開度が、上、下限の範
囲内におさえられるので、サージング現象の発生
を防止することができる。

なお、上記実施例では、コンプレツサ吐出空気
圧力の制御についてのみ述べているが、タービン
動力に対して影響の大きい、タービン入口ガス圧
力制御を行い、タービン入口ガス圧力を所定値ま
たは所定範囲に維持するようにしてタービン動力
を安定化するようにすれば、コンプレツサ吐出空
気圧力を所定値に制御する上でより一層の効果を
奏する。他の実施例として、タービン入口ガス圧
力を制御する方法を第２図を参照して説明する。
一つはシステム排ガス配管４途上に助燃炉２４を
設け、圧力検出器２２で検出されたタービン入口
ガス圧力と設定値に基いて、助燃炉２４での助燃
量、言換えると、助燃用空気流量または助燃用燃
料流量を操作して、圧力コントローラ２５でター
ビン入口ガス圧力を設定値にフイードバツク制御
する方法、またはシステム排ガス配管４から分岐
させたタービンバイパス配管２０、およびタービ
ンバイパス配管２０途上にタービンバイパス調節
弁２１を設け、圧力検出器２２で検出されたター
ビン入口ガス圧力と設定値に基いて圧力コントロ
ーラ２３でタービンバイパス調節弁２１の開度を
操作してタービン入口ガス圧力を設定値にフイー
ドバツク制御する方法、あるいは上記２つの方法
を合わせ圧力コントローラ２３への圧力設定値を
圧力コントローラ２５の圧力設定値よりも若干高
くした方法などである。

また、上記実施例ではリミツタ演算器１２を第
１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系である圧力
コントローラ６の外部に設けたが、圧力コントロ
ーラ６内にリミツタ演算器１２と同様な機能を備
えていてもよい。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかなように、
タービンの可変ノズル開度を操作する第１のコン
プレツサ吐出空気圧力制御系に加え、圧溶設定値
を、第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系より
も若干高く設定した第２のコンプレツサ吐出空気
圧力制御系を用いて大気開放調節弁の開度を操作
するようにしたので負荷変動時、定常運転時を問
わず、幅広い負荷範囲にわたりコンプレツサ吐出
空気圧力を常に所定値ないし所定範囲に維持する
ことができる効果がある。

【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図は他の実施例を説明するための回
路図、第３図は従来のターボコンプレツサシステ
ムの制御方法を説明するための回路図である。 １……負荷部、２……ターボ圧縮機、２ａ……
タービン、２ｂ……コンプレツサ、２ｃ……可変
ノズル、３……空気供給配管、５……圧力検出
器、６……第１のコンプレツサ吐出空気圧力コン
トローラ、８……大気開放配管、９……大気開放
調節弁、１０……第２のコンプレツサ吐出空気圧
力コントローラ、１２……リミツタ演算器。な
お、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示
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、この負荷部からの排ガスによつて駆動
   されるタービンと、このタービン入口に備えられ
   た可変ノズルと、上記タービンに同軸直結され、
   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途
   上に設けられ、この大気開放配管を通して外部に
   放出される圧縮空気の量を調節できる大気開放調
   節弁と、 を備え、上記コンプレツサから吐出される空気圧
   力を制御するために、 第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系によ
   り、上記空気供給配管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づ
   いて、上記可変ノズルの開度を操作することによ
   つて、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とともに、 上記第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系よ
   りも圧力設定値が若干高い第２のコンプレツサ吐
   出空気圧力制御系により、上記大気開放調節弁の
   開度を操作して上記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ターボコンプレ
   ツサシステムの制御方法。 ２ 第１のコンプレツサ吐出空気圧力制御系の操
   作対象である可変ノズルの開度に対して上限およ
   び下限を設け、上限以上になれば上限を、下限以
   下になれば下限をリミツタ演算手段により指示さ
   せ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 負荷部は、圧縮空気を燃料電池反応用、改質
   器燃焼用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。