JPH0454812B2 - - 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系の制御方法
に関するものであり、とりわけ、燃料電池発電シ
ステムのような、ターボコンプレツサを組み込ん
だシステムにおいて、特に起動時（昇温、昇圧
中）にタービン入口ガス温度および圧力の双方を
適正値に保持、制御するためのターボコンプレツ
サ系の制御方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、ターボコンプレツサシステムの制御方法
として、本出願人が先に出願（特願昭60−237477
号）したものがあり、これを、第２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分１からの排ガスを動力源
として空気を負荷部分１に圧送するターボコンプ
レツサ２は、タービン２ａおよびコンプレツサ２
ｂからなつており、タービン２ａへのガスの入口
にはガスの通過部分の開度または角度を変更でき
る可変ノズル２ｃが設けてある。コンプレツサ２
ｂで圧縮された空気を負荷部分１へ導くシステム
空気供給配管３の途上にはコンプレツサ吐出空気
圧力検出器４が接続されている。負荷部分１から
の排ガスをタービン２ａへ導くシステム排ガス配
管５の途上には、ターボコンプレツサ２のタービ
ン２ａ動力を補うための助燃炉６が設置されてお
り、この助燃炉６からタービン２ａの間のシステ
ム排ガス配管５途上にタービン入口ガス圧力検出
器７が接続されている。助燃炉６への助燃用燃料
配管８の途上には助燃用燃料の調節弁９および流
量検出器１０が設けられている。システム空気供
給配管３から分岐された助燃炉６への助燃用空気
配管１１途上には助燃用空気の調節弁１２および
流量検出器１３が設けられている。１５はコンプ
レツサ吐出空気制御系１４に対する圧力設定値、
１７はタービン入口ガス圧力制御系１６に対する
圧力設定値を示している。圧力制御系１６の操作
出力である助燃量指令値１８は助燃用燃料流量に
対応する。演算器１９は助燃量指令値１８を空気
過剰率を考慮して助燃用空気流量に換算する。２
１は助燃用燃料流量制御系２０に対する流量設定
値、２３は助燃用空気流量制御系２２に対する流
量設定値である。リミツタ２４は、助燃量指令値
１８を助燃用燃料流量制御系２０の流量設定値２
１として与える際に、助燃用空気流量検出器１３
による流量検出値と、空気過剰率の上下限値等に
より、助燃用燃料流量設定値２１の範囲を制限す
る。リミツタ２５は、演算器１９の演算結果も助
燃用空気流量制御系２２の流量設定値２３として
与える際に、助燃用燃料流量検出器１０による流
量検出値と、空気過剰率の上下限値等により、助
燃用空気流量設定値２３の範囲を制限する。な
お、リミツタ２４，２５および演算器１９等の機
能については、燃焼制御を行なう際には当然であ
つたり、一般的に用いられるものである。

次に制御方法について説明する。助燃用燃料流
量検出器１０による流量検出値と助燃用燃料流量
設定値２１とに応じて、助燃用燃料流量制御系２
０は助燃用燃料調節弁９の開度を操作して助燃用
燃料配管８中を流れる助燃用燃料流量と流量設定
値２１とが等しくなるようにフイードバツク制御
する。同様に、助燃用空気流量制御系２２は、助
燃用空気流量検出器１３による流量検出値と助燃
用空気流量設定値２３とに応じて助燃用空気調節
弁１２の開度を操作して助燃用空気配管１１中を
流れる助燃用空気流量と流量設定値２３とが等し
くなるようにフイードバツク制御する。コンプレ
ツサ吐出空気圧力制御系１４はそれに対する圧力
設定値１５とコンプレツサ吐出空気圧力検出器４
による検出値とに応じて可変ノズル２ｃの角度ま
たは開度を操作してコンプレツサ吐出空気圧力が
圧力設定値１５に等しくなるようにフイードバツ
ク制御する。これは、例えばタービン入口ガス圧
力および温度が変動しなければ、可変ノズル２ｃ
の開度または角度を増加すればタービン２ａ動力
が増加し、コンプレツサ２ｂ吐出空気流量が増加
してコンプレツサ吐出空気圧力を増加させようと
するということに基く。また、タービン入口ガス
圧力制御系１６はそれに対する圧力設定値１７と
タービン入口ガス圧力検出器７の圧力検出値とに
応じて、助燃量指令値１８を操作してタービン入
口ガス圧力と圧力設定値１７とが等しくなるよう
にフイードバツク制御する。これは、例えば助燃
量指令値１８が増加されれば、リミツタ２４，２
５および演算器１９を介して助燃用燃料および助
燃用空気流量制御系２０，２２の流量設定値２
１，２３が増加し、助燃用燃料および助燃用空気
配管８，１１中を流れる助燃用燃料及び助燃用空
気流量が増加され助燃炉６での燃焼により、シス
テム排ガス配管５中のガスに加えられる燃焼排ガ
スの熱エネルギおよび流量が増大し、タービン入
口ガスの温度並びに圧力が増加するという理由に
基く。

以上により、システム排ガス配管５を通つて負
荷部分１から助燃炉６へ導かれるシステム排ガス
や、システム空気供給配管３を通つて負荷部分１
に導かれるシステム供給空気の流量や温度が変動
しても、常にタービン入口ガス圧力およびコンプ
レツサ吐出空気圧力は所定値または所定値付近に
保つことができるというものである。

〔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系の制
御方法では、助燃用燃料および助燃用空気流量は
タービン入口ガス圧力制御系１６による制御にの
み依存するため、例えば助燃炉６での燃焼量が増
加すると、タービン入口ガス温度が上がり、それ
に伴つてシステム排ガス配管５やタービン２ａ等
の温度が、特に過渡的に、耐熱限界温度を超える
可能性がある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、タービン入口ガス温度を所定
値以下に抑えると同時にタービン入口ガス圧力を
所定値以下に抑えることのできるターボコンプレ
ツサ系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系の制御方
法は、タービン入口ガス圧力制御系の操作出力で
ある助燃量指令値に対してある比率を乗算する演
算器を設け、その演算結果を必要とあらば換算し
て助燃用燃料および助燃用空気流量制御系の流量
設定値として与えるとともに、上記助燃量指令値
に対して乗算される比率はタービン入口ガス温度
を所定値にフイードバツク制御するタービン入口
ガス温度制御系によつて操作されるものとした。

〔作用〕

この発明におけるターボコンプレツサ系の制御
方法はタービン入口ガス温度が、タービン入口ガ
ス温度制御系への温度設定値よりも高（低）けれ
ば、タービン入口ガス温度制御系により、助燃量
指令値に乗算される比率を減少（増加）せしめ
る。一方、タービン入口ガス圧力が、タービン入
口ガス圧力制御系への圧力設定値よりも高（低）
ければタービン入口ガス圧力制御系により、助燃
量指令値を減少（増加）する。

上記操作により、助燃量指令値と比率とを乗算
する演算器の演算結果は増減され、この演算結果
が増加（減少）されれば、助燃用燃料及び助燃用
空気流量制御系への流量設定値は増加（減少）
し、助燃炉での燃焼量が増加（減少）すること
で、タービン入口ガス温度並びにタービン入口ガ
ス圧力は上昇（低下）する。

〔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２図におけると同一または相
当する部分には同一符号を付して説明を省略す
る。第１図において、助燃炉６とタービン２ａの
間のシステム排ガス配管５途上にタービン入口ガ
ス温度検出器２６を接続する。２８はタービン入
口ガス温度制御系２７に対する温度設定値であ
り、その値はタービン２ａ、助燃炉６等の耐熱限
界温度より低く、ターボコンプレツサ系の定常動
作時に達するタービン入口ガス温度の最高温度よ
りも高い。２９はタービン入口ガス温度制御系２
７の操作対象であり、助燃量指令値１８に乗算さ
れる比率である。この比率２９と助燃量指令値１
８とは演算器３０により乗算される。第１のリミ
ツタ３１は助燃量指令値１８に対するリミツタと
して機能し、第２のリミツタ３２は助燃量指令値
１８に乗算される比率２９に対するリミツタとし
て機能し、第３のリミツタ３３は演算器３０の演
算結果に対するリミツタとして機能する。

次に制御方法について説明する。タービン入口
ガス圧力制御系１６は、圧力設定値１７とタービ
ン入口ガス圧力検出器７による圧力検出値とに応
じて、助燃量指令値１８を第１のリミツタ３１を
介して操作する。例えば、圧力設定値１７が圧力
検出値よりも高（低）ければ助燃量指令値１８を
減少（増加）する。第１のリミツタ３１は助燃量
指令値１８の操作範囲を制限するもので助燃量指
令値１８が第１のリミツタ３１における上限また
は下限に達したとき、タービン入口ガス圧力制御
系１６は実際上機能しない。タービン入口ガス温
度制御系２７は、温度設定値２８とタービン入口
ガス温度検出器２６による温度検出値とに応じ
て、演算器３０にて、助燃量指令値１８に乗算さ
れる比率２９を第２のリミツタ３２を介して操作
する。例えば温度設定値２８が温度検出値よりも
高（低）ければ、比率２９を減少（増加）する。
第２のリミツタ３２は比率２９の操作範囲を制限
するもので、比率２９が第２のリミツタ３２にお
ける上限または下限に達したとき、タービン入口
ガス温度制御系２７は実際上機能しない。

また、第３のリミツタ３３は演算器３０によつ
て助燃量指令値１８と比率２９とを乗算した結果
に対して範囲を制限するものであり、演算器３０
の演算結果が第３のリミツタ機能３３における上
限または下限に達したとき、タービン入口ガス温
度制御系２７並びにタービン入口ガス圧力制御系
１６は実際上機能しない。演算器３０の演算結果
は、リミツタ３３，２４，２５または演算器１９
を介して助燃用燃料および助燃用空気の流量設定
値２１，２３として助燃用燃料および助燃用空気
の流量制御系２０，２２に与えられ、例えば、第
３のリミツタ３３を介した演算器３０の演算結果
が増加（減少）すれば助燃用燃料および助燃用空
気の配管８，１１中を流れる燃料及び空気流量が
増加（減少）して助燃炉６での燃焼によつてシス
テム排ガス配管５中のシステム排ガスに付加され
る熱エネルギー等が増加（減少）してタービン入
口ガス温度およびタービン入口ガス圧力は上昇
（低下）する。

タービン入口ガス温度検出器２６による温度検
出値がタービン入口ガス温度設定値２８よりも低
い状態（定常運転時はこの状態が長い）が長けれ
ば、助燃量指令値１８に乗算される比率２９はタ
ービン入口ガス温度制御系２７によつて増加さ
れ、第２のリミツタ３２における上限値に保持さ
れるため、流量設定値２１，２３は助燃量指令値
１８にのみ影響されることとなる。その結果、タ
ービン入口ガス圧力制御系１６は従来例で説明し
たと同様に働き、タービン入口ガス圧力を圧力設
定値１７付近にフイードバツク制御する。

一方、タービン入口ガス圧力検出器７による圧
力検出値がタービン入口ガス圧力設定値１７より
も低い状態（昇圧中等）が長ければ助燃量指令値
１８はタービン入口ガス圧力制御系１６によつて
増加され、第１のリミツタ３１における上限値に
保持されるため流量設定値２１，２３は助燃量指
令値１８に乗算される比率２９のみに影響される
ことになる。その結果、タービン入口ガス温度制
御系２７はその温度設定値２８とタービン入口ガ
ス温度検出器２６による温度検出値に応じて比率
２９を操作し、すなわち、助燃用燃料および助燃
用空気の流量設定値２１，２３を操作してタービ
ン入口ガス温度を温度設定値２８付近にフイード
バツク制御する。

なお、コンプレツサ吐出空気圧力制御系１４は
従来例に示した通り、可変ノズル２ｃの開度また
は角度を操作してコンプレツサ吐出空気圧力を圧
力設定値１５付近にフイードバツク制御する。

なお、上記実施例ではコンプレツサ吐出空気圧
力を所定値に制御する手段として、コンプレツサ
吐出空気圧力制御系１４による可変ノズル２ｃの
開度操作を示したが、システム空気供給配管３か
ら分岐された大気開放配管を設け、この大気開放
配管途上に大気開放調節弁を設けてこの大気開放
調節弁の開度操作によつてもよい。また、可変ノ
ズル２ｃの開度操作は、コンプレツサ吐出空気圧
力制御系１４によるコンプレツサ吐出空気圧力の
フイードバツク制御としているが負荷に応じたフ
イードフオワード制御であつてもよい、さらにタ
ービン２ａの入口が可変ノズル２ｂでないターボ
コンプレツサ２であつてもよい、さらには、コン
プレツサ吐出空気圧力を所定値に制御する手段を
持たないターボコンプレツサ系であつてもよい。

また、上記実施例におけるタービン入口ガス圧
力制御系１６を第１のタービン入口ガス圧力制御
系とし、システム排ガス配管５から分岐されたタ
ービンバイパス配管を設け、このタービンバイパ
ス配管途上にタービンバイパス調節弁を設けてそ
の開度を操作することによつてタービン入口ガス
圧力を所定値付近にフイードバツク制御する第２
のタービン入口ガス圧力制御系をもつていてもよ
い。この場合タービン入口ガス圧力をより早急に
所定値付近に近づけることができる。また、第２
のタービン入口ガス圧力制御系の圧力設定値は第
１のタービン入口ガス圧力制御系の圧力設定値よ
りも大とすることが望ましい。

〔発明の効果〕

この発明は、以上の説明から明らかなように、
タービン入口ガス圧力制御系により助燃量指令値
を操作し、タービン入口ガス温度制御系により助
燃量指令値に乗算する比率を操作し、助燃量指令
値と比率を乗算した結果を、必要とあれば換算し
て助燃用燃料および助燃用空気流量制御系への流
量設定値として与えるようにしたので、タービン
入口ガス圧力およびタービン入口ガス温度を共
に、常に、所定値または所定範囲内もしくは所定
値以下に積極的に抑制することができる。

また、助燃量指令値または比率もしくはそれら
を乗算した結果をリミツタ手段を用いて制限すれ
ば、助燃用燃料および助燃用空気流量制御系への
流量設定値が過大、過小になることを防ぐことが
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図は従来のターボコンプレツサ系の
制御方法を説明するための回路図である。 １……負荷部分、２……ターボコンプレツサ、
２ａ……タービン、２ｂ……コンプレツサ、５…
…システム排ガス配管、６……助燃炉、７……タ
ービン入口ガス圧力検出器、８……助燃用燃料配
管、９，１２……調節弁、１０，１３……流量検
出器、１１……助燃用空気配管、１６……タービ
ン入口ガス圧力制御系、１７……圧力設定値、１
８……助燃量指令値、２０……助燃用燃料流量制
御系、２１，２３……流量設定値、２２……助燃
用空気流量制御系、２６……タービン入口温度検
出器、２７……タービン入口ガス温度制御系、２
８……温度設定値、２９……比率、３０……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 空気を必要とする負荷部分からの排ガスによ
   つて駆動されるタービンおよびこのタービンに直
   結され上記負荷部分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コンプレツサと、
   上記負荷部分から上記タービンに排ガスを導くシ
   ステム排ガス配管途上に設けられ上記タービンの
   動力を補う助燃炉と、この助燃炉と上記タービン
   との間の上記システム排ガス配管途上に設けたタ
   ービン入口ガス圧力検出器およびタービン入口ガ
   ス温度検出器と、上記助燃炉での燃焼に必要な燃
   料および空気を上記助燃炉に供給する助燃用燃料
   配管および助燃用空気配管を備え、この助燃用燃
   料配管および助燃用空気配管途上にそれぞれ調節
   弁および流量検出器を備えたターボコンプレツサ
   系の制御方法において、上記流量検出器の流量検
   出値と流量設定値とに応じて上記調節弁の開度を
   操作して上記流量検出値と上記流量設定値が等し
   くなるようにフイードバツク制御する助燃用燃料
   流量制御系と助燃用空気流量制御系とを備え、タ
   ービン入口ガス圧力制御系により、上記タービン
   入口ガス圧力検出器の圧力検出値とタービン入口
   ガス圧力設定値とに応じて助燃量指令値を操作し
   て上記圧力検出値と上記圧力設定値とが等しくな
   るようにフイードバツク制御するとともに、ター
   ビン入口ガス温度制御系により、上記助燃量指令
   値に対してある比率を乗算した演算結果を換算し
   て上記助燃用燃料流量制御系並びに上記助燃用空
   気流量制御系に対する流量設定値とし、上記ター
   ビン入口ガス温度検出器の温度検出値と温度設定
   値とに応じて上記比率を操作して上記温度検出値
   と上記温度設定値とが等しくなるようにフイード
   バツク制御することを特徴とするターボコンプレ
   ツサ系の制御方法。 ２ タービン入口ガス圧力制御系及びタービン入
   口ガス温度制御系における操作出力である助燃量
   指令値およびこの助燃量指令値に乗算される比
   率、さらには上記助燃量指令値に対して比率を乗
   算した演算結果のいずれかに対して上限値および
   下限値を設け、リミツタ手段により操作範囲を制
   限する特許請求の範囲第１項記載のターボコンプ
   レツサ系の制御方法。 ３ システム排ガス配管から分岐されたタービン
   バイパス配管の途上にタービンバイパス調節弁を
   備え、第１のタービン入口ガス圧力制御系により
   助燃量指令値を操作して圧力検出値と圧力設定値
   が等しくなるようにフイードバツク制御するとと
   もに、第２のタービン入口ガス圧力制御系により
   上記圧力検出値と上記圧力設定値とに応じて上記
   タービンバイパス調節弁の開度を操作して上記圧
   力設定値と上記圧力検出値とが等しくなるように
   フイードバツク制御する特許請求の範囲第１項記
   載のターボコンプレツサ系の制御方法。 ４ 第２のタービン入口ガス圧力制御系の圧力設
   定値を第１のタービン入口ガス圧力制御系の圧力
   設定値よりも大きくした特許請求の範囲第３項記
   載のターボコンプレツサ系の制御方法。 ５ 助燃用燃料流量制御系における流量設定値に
   対して上限値並びに下限値を設定し、この上，下
   限値により上記流量設定値の範囲を制限する燃料
   リミツタ手段を備え、上記流量設定値はこの燃料
   リミツタ手段を経た値であり、上記上限値並びに
   下限値は助燃用空気配管途上の流量検出器による
   空気流量の検出値と空気過剰率の上，下限値によ
   つて演算される特許請求の範囲第１項記載のター
   ボコンプレツサ系の制御方法。 ６ 助燃用空気流量制御系における流量設定値に
   対して上限値並びに下限値を設定し、この上，下
   限値により上記流量設定値の範囲を制限する空気
   リミツタ手段を備え、上記流量設定値はこの空気
   リミツタ手段を経た値であり、上記上限値並びに
   下限値は助燃用燃料配管途上の流量検出器による
   燃料流量の検出値と、空気過剰率の上下限値によ
   つて演算される特許請求の範囲第１項記載のター
   ボコンプレツサ系の制御方法。 ７ タービン入口ガス温度制御系の温度設定値
   は、タービン，助燃炉，助燃炉からタービンまで
   のシステム排ガス配管等の耐熱限界温度より低
   く、ターボコンプレツサ系を組み込んだシステム
   が定常運転時に達するタービン入口ガス温度の最
   高温度よりは高くした特許請求の範囲第１項記載
   のターボコンプレツサ系の制御方法。