JP2004278468A - 燃料供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼機関に大きな改造や調整を行なうことなく、低カロリーガス燃料を用いて運転可能とする。
【解決手段】制御装置26は、設定値に基づいて各ガスの混合率を算出し、センサ16〜20からの情報に従って制御弁21〜24の開閉を制御し、各ガスの流量を調節する。これにより、ガスエンジン/ガスタービン30に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やLPG、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価(アンチノック性)の調整を行なう。
【選択図】 図1
【解決手段】制御装置26は、設定値に基づいて各ガスの混合率を算出し、センサ16〜20からの情報に従って制御弁21〜24の開閉を制御し、各ガスの流量を調節する。これにより、ガスエンジン/ガスタービン30に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やLPG、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価(アンチノック性)の調整を行なう。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスやLPGなどの気体を燃料とするガスエンジン、ガスタービン発電装置に対する燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスエンジン、ガスタービン発電装置(CGS:Cogeneration Systemを含む)は、一般に、高い発熱量を有する都市ガスやLPGなどの気体を燃料としている。該ガスエンジン、ガスタービンでは、取り込んだ空気とLPGなどの燃料とを混合し、燃焼室で燃焼させ、燃焼ガスでタービンを高速回転させるようになっている。
【0003】
また、近年、RPS(再生可能エネルギ証書)制度の制定により、バイオマス等の未利用エネルギ(低カロリーガス)の有効利用が注目されている。また、ガス燃料価格の高止まりにより、エネルギを有効利用するCGSの導入が進んでいない。また、導入済みCGSの収支も悪化している。そこで、低カロリーガス燃料を用いたガスタービンなどの発電装置が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−115564号公報
【特許文献2】
特開2002−4888号公報
【特許文献3】
特開2001−55932号公報
【特許文献4】
特開2000−314326号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、ガスエンジン、ガスタービンに対して、低カロリーガス燃料を用いることを前提にバイオガス専用の調整を行なっているため、ガスエンジン、ガスタービン本体に改造や調整が必要になり、簡単に対応することが難しい。
【0006】
そこで、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を用いる既存のガスエンジン、ガスタービン(CGSを含む)を、バイオガスなどの低カロリーガス燃料を用いて運転することが考えられる。しかしながら、バイオガスなどの低カロリーガスを燃料として既存のガスエンジン、ガスタービンを運転する場合、燃料の熱量および供給量が不安定なため運転が安定しないという問題がある。
また、バイオガスを燃料とした場合、熱量が低いために着火が不安定になるという問題がある。このように、既存のガスエンジン、ガスタービンを、バイオガスなどの低カロリーガス燃料に簡単に対応させることはできないという問題がある。
【0007】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、高カロリーガス燃料を燃料とする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができる燃料供給装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、請求項1記載の発明では、取り込んだ空気と燃料ガスとを混合し、燃焼室で燃焼させる燃焼機関に燃料ガスを供給する燃料供給装置において、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する混合手段を具備することを特徴とする。
【0009】
また、請求項2記載の発明では、請求項1記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との混合率を制御する混合率制御手段を具備することを特徴とする。
【0010】
また、請求項3記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との供給流量を補正する流量補正手段とを具備することを特徴とすることを特徴とする。
【0011】
また、請求項4記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力未満である場合、主として前記高カロリーガス燃料を燃料ガスとして用いる高カロリーガス運転モードとし、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力以上である場合、前記低カロリーガス燃料を主として燃料ガスとして用いる低カロリーガス運転モードとする運転モード切換手段とを具備することを特徴とする。
【0012】
また、請求項5記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料が安定供給されない場合、前記高カロリーガス燃料を希釈するための圧縮空気の流量を制御する希釈量制御手段を具備することを特徴とする。
【0013】
また、請求項6記載の発明では、請求項5記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの燃焼速度を調整すべく、前記燃料ガスに添加するための燃焼速度調整用ガスの添加量を制御する燃焼速度制御手段を具備することを特徴とする。
【0014】
また、請求項7記載の発明では、請求項6記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスのメタン価を調整すべく、前記燃料ガスに添加するためのメタン価調整用ガスの添加量を制御するメタン価制御手段を具備することを特徴とする。
【0015】
この発明では、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する。したがって、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて運転することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。図1において、低カロリーガス燃料供給系1は、低カロリーガスとして、メタンなどのバイオガスを燃料供給装置10に供給する。高カロリーガス燃料供給系2は、都市ガス(13A)やLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料供給装置10に供給する。メタン価調整用ガス(供給系)3は、ガスエンジンのバイオガスによる運転において生じる異常燃焼(ノッキング)を防止するため、すなわち供給燃料のメタン価を調整するために、供給燃料に添加される二酸化炭素やLPGなどである。燃焼速度調整用ガス(供給系)4は、供給燃料の燃焼速度を調整するために、供給燃料に添加される圧縮水素やLPG、ブタンガスなどである。高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系5は、低カロリーガス燃料であるバイオガスの圧力が最低使用圧力を下回る場合に、供給熱量を調整すべく、上記高カロリーガス燃料を希釈するための空気を燃料供給装置10に供給する。
【0017】
燃料供給装置10は、バルブ11,12,13,14,15、各種センサ(温度センサ、圧力センサ、流量センサ)16,17,18,19,20、制御弁21,22,23,24、アキュムレータ25および制御装置26からなる。
【0018】
バルブ11は、制御装置26の制御に従って、低カロリーガス燃料供給系1からのバイオガスの圧力、流量を調節する。バルブ12は、制御装置26の制御に従って、高カロリーガス燃料供給系2からの高カロリーガス燃料(都市ガス,LPG等)の圧力、流量を調節する。バルブ13は、制御装置26の制御に従って、メタン価調整用ガス供給系3からのメタン価調整用ガス(二酸化炭素,LPG,ブタンガス等)の圧力、流量を調節する。バルブ14は、制御装置26の制御に従って、燃料速度調整用ガス供給系4からの燃焼速度調整用ガス(水素等)の圧力、流量を調節する。バルブ15は、制御装置26の制御に従って、高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系5からの空気の流量を調節する。
【0019】
センサ16は、バルブ11を介して供給されるバイオガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ17は、バルブ12を介して供給される高カロリーガス燃料の温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ18は、バルブ13を介して供給されるメタン価調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ19は、バルブ14を介して供給される燃焼速度調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ20は、バルブ15を介して供給される空気の温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。
【0020】
制御弁21は、制御装置26の制御に従って、バルブ13、センサ18を介して供給されるメタン価調整用ガスとバルブ14、センサ19を介して供給される燃焼速度調整用ガスとの混合量を調節する。制御弁22は、制御装置26の制御に従って、バルブ15、センサ20を介して供給される空気に対する、上記制御弁21からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガスの混合量を調節する。制御弁23は、制御装置26の制御に従って、上記制御弁22からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気混合ガスに対する、バルブ12、センサ17を介して供給される高カロリーガス燃料の混合量を調節する。制御弁24は、制御装置26の制御に従って、バルブ11、センサ16を介して供給されるバイオガスに対する、上記制御弁23からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの混合量を調節する。制御弁(最終バルブ)は、制御装置26の制御に従って、アキュームレータ25から供給されるバイオガス・メタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの燃焼機関(ガスエンジン/ガスタービン)への供給量を調整する。
【0021】
アキュムレータ25は、最終的にガスエンジン/ガスタービン30に供給される燃料ガス(混合ガス)の流量調整に伴う圧力変化を緩衝するためのものである。制御装置26は、上述したセンサ(温度センサ、圧力センサ、流量センサ)16〜20からの各ガスの温度、圧力、流量に従って、バルブ11〜15を制御し、ガスエンジン/ガスタービン30への燃料ガスの混合比を調節する。該制御装置26には、設定項目として、目標供給熱量、低カロリーガス燃料熱量、高カロリーガス燃料熱量、低カロリーガス燃料最低使用圧力、燃焼速度およびメタン価が設定される。但し、燃料ガス供給先がガスエンジンであるか、ガスタービンであるかによって設定項目は変わる。
【0022】
すなわち、制御装置26は、燃料ガスの熱量を安定化するため、都市ガス13A、LPG等の高カロリーガス燃料をバイオガス等の低カロリーガス燃料に混合してガスエンジン/ガスタービン30に供給する。このとき、ガスエンジン/ガスタービン30の運転安定化のため、バイオガスの供給量が不足した場合には高カロリーガス燃料を自動的に供給する。また、ガスエンジンの異常燃焼(ノッキング)を防止するため、燃焼速度とメタン価とを調整する。本実施形態では、簡易にバイオガス燃料に対応するため、燃料供給装置をユニット化し燃料供給系に設置するだけで、ガスエンジン/ガスタービン30を全く調整する必要がない。
【0023】
次に、図2は、一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。図において、ガスとしては、水素、窒素、二酸化炭素、酸素、空気、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス13Aおよびバイオガスの各種特性を示している。
【0024】
次に、図3は、本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成例を示す図である。図において、バイオガスは、メタン「60.0vol%」、窒素「35.0vol%」、二酸化炭素「5.0vol%」からなっていることが分かる。
なお、バイオガスの組成は一例であって、発生源(下水、水質等)や発生状態によって異なる。すなわち、上記バイオガス組成はその概略を示すものである。
次に、空気は、酸素「21.0vol%」、窒素「78.8vol%」からなり、高カロリーガスである都市ガス13Aは、メタン「88.5vol%」、エタン「4.6vol%」、プロパン「5.4vol%」、ブタン「1.5vol%」からなっている。
【0025】
次に、図4は、混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。図示するように、バイオガス「45%」、都市ガス13A「55%」の混合ガスで、7942kcal/Nm3、都市ガス13A「79%」、空気「21%」の混合ガスで、78537942kcal/Nm3、バイオガス「45%」、都市ガス13A「35%」、プロパン「8%」、水素「6%」、空気「6%」の混合ガスで、7890kcal/Nm3、プロパン「35%」、水素「5%」、空気「60%」の混合ガスで、7923kcal/Nm3となっている。
【0026】
このように、ガスエンジン/ガスタービン30で必要とされる目標熱量を決めることにより、上述した図2ないし図5に示すテーブルから低カロリーガス燃料と、高カロリーガス燃料(希釈用の圧縮空気を含む)との流量、混合率を算出することができる。
【0027】
次に、図5は、混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。混合ガスの燃焼速度は、図6に示す燃焼速度計算用係数と混合ガスの組成(混合率)とを用いて算出することができる。言い換えると、バイオガスと高カロリーガスとを混合率から算出した燃焼速度が設定した燃焼速度に達しない場合には、燃焼速度調整用ガス(圧縮水素等)4の添加量を調整する。また、図8には、都市ガス13A、バイオガスおよび混合ガスの最大燃焼速度SMの一例を示した。
【0028】
実施形態の動作
次に、上述した実施形態の動作について説明する。まず、制御装置26に目標とする供給熱量(例えば6500kcal)、低カロリーガス燃料のCH4濃度(例えば60%)、高カロリーガス燃料熱量(例えば9940kcal)を設定する。制御装置26は、センサ16〜20からの情報と設定値とから各ガスの混合率を算出し、制御弁21〜24の開閉を制御し、各ガスの圧力、流量を調節する。これにより、ガスエンジン/ガスタービン30に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やLPG、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価(アンチノック性)の調整を行なう。
【0029】
次に、図8および図9に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。燃料供給装置10に電源が投入されると、まず、供給準備信号があるかないかを判断し(S10)、供給準備信号がなければ、スタンバイ状態で待機する(S12)。一方、供給準備信号があれば、確認設定項目を確認する(S14)。確認設定項目としては、目標供給熱量、熱量設定裕差、低カロリーガス熱量、低カロリーガス最低使用圧力、高カロリーガス熱量、高カロリーガス最低使用圧力、目標燃焼速度、燃焼速度設定裕度、目標メタン価、メタン価設定裕度および優先制御設定(後述)がある。
【0030】
次に、各種ガスのバルブ11〜15を開いて確認する(S16)。次に、燃焼速度調整用ガス(圧縮水素等)4の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S18)。そして、燃焼速度調整用ガス4の圧力が最低使用圧力以上であれば、メタン価調整用ガス(二酸化炭素、LPG,ブタンガス等)3の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S20)。
【0031】
そして、燃焼速度調整用ガス4の圧力が最低使用圧力未満であれば、燃焼速度が調整不可であるとし、メタン価調整用ガス3の圧力が最低使用圧力未満であれば、メタン価が調整不可であるとし(S22)、次へ進む。一方、燃焼速度調整用ガス4の圧力およびメタン価調整用ガス3の圧力の双方が最低使用圧力以上であれば、何もせずに、次へ進む。
【0032】
次に、低カロリーガス(バイオガス)1の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S24)。そして、低カロリーガス1の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガス運転モードとし(S26)、低カロリーガス1の圧力が最低使用圧力以上である場合には、低カロリーガス運転モードとする(S28)。
【0033】
次に、高カロリーガス(都市ガス,LPG)2の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S30)。そして、高カロリーガス2の圧力が最低使用圧力未満である場合には、供給不可とし(S32)、全てのバルブ11〜15を閉じ(S34)、上述したステップS10へ戻り、処理を継続する。
【0034】
一方、高カロリーガス2の圧力が最低使用圧力以上である場合には、希釈用圧縮空気5の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S36)。そして、希釈用圧縮空気5の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガスの場合と同様に、供給不可とし(S32)、全てのバルブ11〜15を閉じ(S34)、上述したステップS10へ戻り、処理を継続する。
【0035】
一方、高カロリーガス2および希釈用圧縮空気5の双方とも、最低使用圧力以上である場合には、優先制御モードを確認し(S38)、各系統のセンサ16〜20により温度を検出し、該温度に従って各系統の流量を補正する(S40)。
【0036】
なお、優先モードは、低カロリーガス運転、高カロリーガス運転の各々に対して、熱量−燃焼速度−メタン価、燃料−メタン価−燃焼速度、燃焼速度−熱量−メタン価、燃焼速度−メタン価−熱量、メタン価−熱量−燃焼速度、メタン価−燃焼速度−熱量といったように、いずれの設定値を優先して運転するかが選択可能になっており、優先順位に従って、各裕度内で調整を行なうようになっている。
【0037】
次に、各制御弁21〜24の制御値を算出し(S42)、該制御値が設定裕度内であるか否かを判断する(S44)。また、該制御値が設定裕度外である場合には、設定逸脱時の供給が許可されているか否かを判断する(S46)。そして、該制御値が設定裕度外で、かつ設定逸脱時の供給が許可されていない場合には、最終バルブを閉じて(S48)、上述したステップS10に戻り、処理を継続する。
【0038】
一方、各制御弁21〜24の制御値が設定裕度内であるか、あるいは制御値が設定裕度外であっても、設定逸脱時の供給が許可されている場合には、ガス要求信号があるか否かを判断する(S50)。そして、ガス要求信号がなければ、最終バルブを閉じて(S48)、上述したステップS10に戻る。これに対して、ガス要求信号があれば、最終バルブを開き、ガスエンジン/ガスタービン30へ燃料ガスの供給を開始(または継続)し(S60)、各系統のセンサ16〜20により圧力、および流量を検出し(S62)、上述したステップS24へ戻り、処理を継続する。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給するようにしたので、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図2】一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。
【図3】本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成を示す図である。
【図4】混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。
【図5】混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。
【図6】燃焼速度を算出する際に用いる燃焼速度計算用係数を示す図である。
【図7】都市ガス13A、バイオガスおよび混合ガス(一例)の最大燃焼速度SMの一例を示す図である。
【図8】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図9】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1 低カロリーガス燃料供給系
2 高カロリーガス燃料供給系
3 メタン価調整用ガス
4 燃焼速度調整用ガス
5 高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系
10 燃料供給装置
11〜15 制御弁(混合手段)
16〜20 センサ(温度検出手段、圧力検出手段、流量検出手段)
21〜24 制御弁(混合手段)
25 アキュムレータ
26 制御装置(混合率制御手段、流量補正手段、希釈量制御手段、燃焼速度制御手段、メタン価制御手段)
30 ガスエンジン/ガスタービン(燃焼機関)
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスやLPGなどの気体を燃料とするガスエンジン、ガスタービン発電装置に対する燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスエンジン、ガスタービン発電装置(CGS:Cogeneration Systemを含む)は、一般に、高い発熱量を有する都市ガスやLPGなどの気体を燃料としている。該ガスエンジン、ガスタービンでは、取り込んだ空気とLPGなどの燃料とを混合し、燃焼室で燃焼させ、燃焼ガスでタービンを高速回転させるようになっている。
【0003】
また、近年、RPS(再生可能エネルギ証書)制度の制定により、バイオマス等の未利用エネルギ(低カロリーガス)の有効利用が注目されている。また、ガス燃料価格の高止まりにより、エネルギを有効利用するCGSの導入が進んでいない。また、導入済みCGSの収支も悪化している。そこで、低カロリーガス燃料を用いたガスタービンなどの発電装置が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−115564号公報
【特許文献2】
特開2002−4888号公報
【特許文献3】
特開2001−55932号公報
【特許文献4】
特開2000−314326号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、ガスエンジン、ガスタービンに対して、低カロリーガス燃料を用いることを前提にバイオガス専用の調整を行なっているため、ガスエンジン、ガスタービン本体に改造や調整が必要になり、簡単に対応することが難しい。
【0006】
そこで、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を用いる既存のガスエンジン、ガスタービン(CGSを含む)を、バイオガスなどの低カロリーガス燃料を用いて運転することが考えられる。しかしながら、バイオガスなどの低カロリーガスを燃料として既存のガスエンジン、ガスタービンを運転する場合、燃料の熱量および供給量が不安定なため運転が安定しないという問題がある。
また、バイオガスを燃料とした場合、熱量が低いために着火が不安定になるという問題がある。このように、既存のガスエンジン、ガスタービンを、バイオガスなどの低カロリーガス燃料に簡単に対応させることはできないという問題がある。
【0007】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、高カロリーガス燃料を燃料とする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができる燃料供給装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、請求項1記載の発明では、取り込んだ空気と燃料ガスとを混合し、燃焼室で燃焼させる燃焼機関に燃料ガスを供給する燃料供給装置において、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する混合手段を具備することを特徴とする。
【0009】
また、請求項2記載の発明では、請求項1記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との混合率を制御する混合率制御手段を具備することを特徴とする。
【0010】
また、請求項3記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との供給流量を補正する流量補正手段とを具備することを特徴とすることを特徴とする。
【0011】
また、請求項4記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力未満である場合、主として前記高カロリーガス燃料を燃料ガスとして用いる高カロリーガス運転モードとし、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力以上である場合、前記低カロリーガス燃料を主として燃料ガスとして用いる低カロリーガス運転モードとする運転モード切換手段とを具備することを特徴とする。
【0012】
また、請求項5記載の発明では、請求項2記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料が安定供給されない場合、前記高カロリーガス燃料を希釈するための圧縮空気の流量を制御する希釈量制御手段を具備することを特徴とする。
【0013】
また、請求項6記載の発明では、請求項5記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの燃焼速度を調整すべく、前記燃料ガスに添加するための燃焼速度調整用ガスの添加量を制御する燃焼速度制御手段を具備することを特徴とする。
【0014】
また、請求項7記載の発明では、請求項6記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスのメタン価を調整すべく、前記燃料ガスに添加するためのメタン価調整用ガスの添加量を制御するメタン価制御手段を具備することを特徴とする。
【0015】
この発明では、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する。したがって、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて運転することが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。図1において、低カロリーガス燃料供給系1は、低カロリーガスとして、メタンなどのバイオガスを燃料供給装置10に供給する。高カロリーガス燃料供給系2は、都市ガス(13A)やLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料供給装置10に供給する。メタン価調整用ガス(供給系)3は、ガスエンジンのバイオガスによる運転において生じる異常燃焼(ノッキング)を防止するため、すなわち供給燃料のメタン価を調整するために、供給燃料に添加される二酸化炭素やLPGなどである。燃焼速度調整用ガス(供給系)4は、供給燃料の燃焼速度を調整するために、供給燃料に添加される圧縮水素やLPG、ブタンガスなどである。高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系5は、低カロリーガス燃料であるバイオガスの圧力が最低使用圧力を下回る場合に、供給熱量を調整すべく、上記高カロリーガス燃料を希釈するための空気を燃料供給装置10に供給する。
【0017】
燃料供給装置10は、バルブ11,12,13,14,15、各種センサ(温度センサ、圧力センサ、流量センサ)16,17,18,19,20、制御弁21,22,23,24、アキュムレータ25および制御装置26からなる。
【0018】
バルブ11は、制御装置26の制御に従って、低カロリーガス燃料供給系1からのバイオガスの圧力、流量を調節する。バルブ12は、制御装置26の制御に従って、高カロリーガス燃料供給系2からの高カロリーガス燃料(都市ガス,LPG等)の圧力、流量を調節する。バルブ13は、制御装置26の制御に従って、メタン価調整用ガス供給系3からのメタン価調整用ガス(二酸化炭素,LPG,ブタンガス等)の圧力、流量を調節する。バルブ14は、制御装置26の制御に従って、燃料速度調整用ガス供給系4からの燃焼速度調整用ガス(水素等)の圧力、流量を調節する。バルブ15は、制御装置26の制御に従って、高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系5からの空気の流量を調節する。
【0019】
センサ16は、バルブ11を介して供給されるバイオガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ17は、バルブ12を介して供給される高カロリーガス燃料の温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ18は、バルブ13を介して供給されるメタン価調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ19は、バルブ14を介して供給される燃焼速度調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。センサ20は、バルブ15を介して供給される空気の温度、圧力および流量を検知し、制御装置26に供給する。
【0020】
制御弁21は、制御装置26の制御に従って、バルブ13、センサ18を介して供給されるメタン価調整用ガスとバルブ14、センサ19を介して供給される燃焼速度調整用ガスとの混合量を調節する。制御弁22は、制御装置26の制御に従って、バルブ15、センサ20を介して供給される空気に対する、上記制御弁21からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガスの混合量を調節する。制御弁23は、制御装置26の制御に従って、上記制御弁22からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気混合ガスに対する、バルブ12、センサ17を介して供給される高カロリーガス燃料の混合量を調節する。制御弁24は、制御装置26の制御に従って、バルブ11、センサ16を介して供給されるバイオガスに対する、上記制御弁23からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの混合量を調節する。制御弁(最終バルブ)は、制御装置26の制御に従って、アキュームレータ25から供給されるバイオガス・メタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの燃焼機関(ガスエンジン/ガスタービン)への供給量を調整する。
【0021】
アキュムレータ25は、最終的にガスエンジン/ガスタービン30に供給される燃料ガス(混合ガス)の流量調整に伴う圧力変化を緩衝するためのものである。制御装置26は、上述したセンサ(温度センサ、圧力センサ、流量センサ)16〜20からの各ガスの温度、圧力、流量に従って、バルブ11〜15を制御し、ガスエンジン/ガスタービン30への燃料ガスの混合比を調節する。該制御装置26には、設定項目として、目標供給熱量、低カロリーガス燃料熱量、高カロリーガス燃料熱量、低カロリーガス燃料最低使用圧力、燃焼速度およびメタン価が設定される。但し、燃料ガス供給先がガスエンジンであるか、ガスタービンであるかによって設定項目は変わる。
【0022】
すなわち、制御装置26は、燃料ガスの熱量を安定化するため、都市ガス13A、LPG等の高カロリーガス燃料をバイオガス等の低カロリーガス燃料に混合してガスエンジン/ガスタービン30に供給する。このとき、ガスエンジン/ガスタービン30の運転安定化のため、バイオガスの供給量が不足した場合には高カロリーガス燃料を自動的に供給する。また、ガスエンジンの異常燃焼(ノッキング)を防止するため、燃焼速度とメタン価とを調整する。本実施形態では、簡易にバイオガス燃料に対応するため、燃料供給装置をユニット化し燃料供給系に設置するだけで、ガスエンジン/ガスタービン30を全く調整する必要がない。
【0023】
次に、図2は、一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。図において、ガスとしては、水素、窒素、二酸化炭素、酸素、空気、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス13Aおよびバイオガスの各種特性を示している。
【0024】
次に、図3は、本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成例を示す図である。図において、バイオガスは、メタン「60.0vol%」、窒素「35.0vol%」、二酸化炭素「5.0vol%」からなっていることが分かる。
なお、バイオガスの組成は一例であって、発生源(下水、水質等)や発生状態によって異なる。すなわち、上記バイオガス組成はその概略を示すものである。
次に、空気は、酸素「21.0vol%」、窒素「78.8vol%」からなり、高カロリーガスである都市ガス13Aは、メタン「88.5vol%」、エタン「4.6vol%」、プロパン「5.4vol%」、ブタン「1.5vol%」からなっている。
【0025】
次に、図4は、混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。図示するように、バイオガス「45%」、都市ガス13A「55%」の混合ガスで、7942kcal/Nm3、都市ガス13A「79%」、空気「21%」の混合ガスで、78537942kcal/Nm3、バイオガス「45%」、都市ガス13A「35%」、プロパン「8%」、水素「6%」、空気「6%」の混合ガスで、7890kcal/Nm3、プロパン「35%」、水素「5%」、空気「60%」の混合ガスで、7923kcal/Nm3となっている。
【0026】
このように、ガスエンジン/ガスタービン30で必要とされる目標熱量を決めることにより、上述した図2ないし図5に示すテーブルから低カロリーガス燃料と、高カロリーガス燃料(希釈用の圧縮空気を含む)との流量、混合率を算出することができる。
【0027】
次に、図5は、混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。混合ガスの燃焼速度は、図6に示す燃焼速度計算用係数と混合ガスの組成(混合率)とを用いて算出することができる。言い換えると、バイオガスと高カロリーガスとを混合率から算出した燃焼速度が設定した燃焼速度に達しない場合には、燃焼速度調整用ガス(圧縮水素等)4の添加量を調整する。また、図8には、都市ガス13A、バイオガスおよび混合ガスの最大燃焼速度SMの一例を示した。
【0028】
実施形態の動作
次に、上述した実施形態の動作について説明する。まず、制御装置26に目標とする供給熱量(例えば6500kcal)、低カロリーガス燃料のCH4濃度(例えば60%)、高カロリーガス燃料熱量(例えば9940kcal)を設定する。制御装置26は、センサ16〜20からの情報と設定値とから各ガスの混合率を算出し、制御弁21〜24の開閉を制御し、各ガスの圧力、流量を調節する。これにより、ガスエンジン/ガスタービン30に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やLPG、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価(アンチノック性)の調整を行なう。
【0029】
次に、図8および図9に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。燃料供給装置10に電源が投入されると、まず、供給準備信号があるかないかを判断し(S10)、供給準備信号がなければ、スタンバイ状態で待機する(S12)。一方、供給準備信号があれば、確認設定項目を確認する(S14)。確認設定項目としては、目標供給熱量、熱量設定裕差、低カロリーガス熱量、低カロリーガス最低使用圧力、高カロリーガス熱量、高カロリーガス最低使用圧力、目標燃焼速度、燃焼速度設定裕度、目標メタン価、メタン価設定裕度および優先制御設定(後述)がある。
【0030】
次に、各種ガスのバルブ11〜15を開いて確認する(S16)。次に、燃焼速度調整用ガス(圧縮水素等)4の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S18)。そして、燃焼速度調整用ガス4の圧力が最低使用圧力以上であれば、メタン価調整用ガス(二酸化炭素、LPG,ブタンガス等)3の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S20)。
【0031】
そして、燃焼速度調整用ガス4の圧力が最低使用圧力未満であれば、燃焼速度が調整不可であるとし、メタン価調整用ガス3の圧力が最低使用圧力未満であれば、メタン価が調整不可であるとし(S22)、次へ進む。一方、燃焼速度調整用ガス4の圧力およびメタン価調整用ガス3の圧力の双方が最低使用圧力以上であれば、何もせずに、次へ進む。
【0032】
次に、低カロリーガス(バイオガス)1の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S24)。そして、低カロリーガス1の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガス運転モードとし(S26)、低カロリーガス1の圧力が最低使用圧力以上である場合には、低カロリーガス運転モードとする(S28)。
【0033】
次に、高カロリーガス(都市ガス,LPG)2の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S30)。そして、高カロリーガス2の圧力が最低使用圧力未満である場合には、供給不可とし(S32)、全てのバルブ11〜15を閉じ(S34)、上述したステップS10へ戻り、処理を継続する。
【0034】
一方、高カロリーガス2の圧力が最低使用圧力以上である場合には、希釈用圧縮空気5の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する(S36)。そして、希釈用圧縮空気5の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガスの場合と同様に、供給不可とし(S32)、全てのバルブ11〜15を閉じ(S34)、上述したステップS10へ戻り、処理を継続する。
【0035】
一方、高カロリーガス2および希釈用圧縮空気5の双方とも、最低使用圧力以上である場合には、優先制御モードを確認し(S38)、各系統のセンサ16〜20により温度を検出し、該温度に従って各系統の流量を補正する(S40)。
【0036】
なお、優先モードは、低カロリーガス運転、高カロリーガス運転の各々に対して、熱量−燃焼速度−メタン価、燃料−メタン価−燃焼速度、燃焼速度−熱量−メタン価、燃焼速度−メタン価−熱量、メタン価−熱量−燃焼速度、メタン価−燃焼速度−熱量といったように、いずれの設定値を優先して運転するかが選択可能になっており、優先順位に従って、各裕度内で調整を行なうようになっている。
【0037】
次に、各制御弁21〜24の制御値を算出し(S42)、該制御値が設定裕度内であるか否かを判断する(S44)。また、該制御値が設定裕度外である場合には、設定逸脱時の供給が許可されているか否かを判断する(S46)。そして、該制御値が設定裕度外で、かつ設定逸脱時の供給が許可されていない場合には、最終バルブを閉じて(S48)、上述したステップS10に戻り、処理を継続する。
【0038】
一方、各制御弁21〜24の制御値が設定裕度内であるか、あるいは制御値が設定裕度外であっても、設定逸脱時の供給が許可されている場合には、ガス要求信号があるか否かを判断する(S50)。そして、ガス要求信号がなければ、最終バルブを閉じて(S48)、上述したステップS10に戻る。これに対して、ガス要求信号があれば、最終バルブを開き、ガスエンジン/ガスタービン30へ燃料ガスの供給を開始(または継続)し(S60)、各系統のセンサ16〜20により圧力、および流量を検出し(S62)、上述したステップS24へ戻り、処理を継続する。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給するようにしたので、都市ガスやLPGなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図2】一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。
【図3】本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成を示す図である。
【図4】混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。
【図5】混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。
【図6】燃焼速度を算出する際に用いる燃焼速度計算用係数を示す図である。
【図7】都市ガス13A、バイオガスおよび混合ガス(一例)の最大燃焼速度SMの一例を示す図である。
【図8】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図9】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
1 低カロリーガス燃料供給系
2 高カロリーガス燃料供給系
3 メタン価調整用ガス
4 燃焼速度調整用ガス
5 高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系
10 燃料供給装置
11〜15 制御弁(混合手段)
16〜20 センサ(温度検出手段、圧力検出手段、流量検出手段)
21〜24 制御弁(混合手段)
25 アキュムレータ
26 制御装置(混合率制御手段、流量補正手段、希釈量制御手段、燃焼速度制御手段、メタン価制御手段)
30 ガスエンジン/ガスタービン(燃焼機関)
Claims (7)
- 取り込んだ空気と燃料ガスとを混合し、燃焼室で燃焼させる燃焼機関に燃料ガスを供給する燃料供給装置において、
バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する混合手段を具備することを特徴とする燃料供給装置。 - 前記燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との混合率を制御する混合率制御手段を具備することを特徴とする請求項1記載の燃料供給装置。
- 前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との供給流量を補正する流量補正手段と
を具備することを特徴とすることを特徴とする請求項2記載の燃料供給装置。 - 前記低カロリーガス燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力未満である場合、主として前記高カロリーガス燃料を燃料ガスとして用いる高カロリーガス運転モードとし、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力以上である場合、前記低カロリーガス燃料を主として燃料ガスとして用いる低カロリーガス運転モードとする運転モード切換手段と
を具備することを特徴とすることを特徴とする請求項2記載の燃料供給装置。 - 前記低カロリーガス燃料が安定供給されない場合、前記高カロリーガス燃料を希釈するための圧縮空気の流量を制御する希釈量制御手段を具備することを特徴とする請求項2記載の燃料供給装置。
- 前記燃料ガスの燃焼速度を調整すべく、前記燃料ガスに添加するための燃焼速度調整用ガスの添加量を制御する燃焼速度制御手段を具備することを特徴とする請求項5記載の燃料供給装置。
- 前記燃料ガスのメタン価を調整すべく、前記燃料ガスに添加するためのメタン価調整用ガスの添加量を制御するメタン価制御手段を具備することを特徴とする請求項6記載の燃料供給装置。
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