JP3713221B2 - 熱源再利用システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自立分散型電源設備における発電機の駆動源として用いられているエンジンやガスタービンなどの熱機関からの排ガスが含んでいる熱エネルギを再利用するための熱源再利用システムに関し、特に熱機関の内部圧力が低い場合に好適である熱源再利用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱機関からの排ガスに含まれる熱エネルギを再利用する熱源再利用システムないしコージェネレーションシステムについては、排ガスの熱エネルギを直接的に利用する方式と間接的に利用する方式がある。後者の間接利用方式は、排ガスの熱エネルギを燃料燃焼用空気の昇温に利用する排気再燃式であり、直接利用方式に比べて再利用の効率を２倍近いものにすることができる。このことから最近は排気再燃式が主流になっている。
【０００３】
排気再燃式については、例えば「大阪ガスTECHNICAL REPORT 排ガス再燃バーナ」や特開平１０−１９６９３３号公報あるいは特開平９−２３６２０１号公報などに開示の例が知られている。また特開平１０−４７０７８号、特開平９−２８７４１５号、特開２０００−４５７１０号などの各公報に開示の例も知られている。特に特開平１０−１９６９３３号公報における図２の例や特開平９−２３６２０１号公報における図２の例は従来の排気再燃式における一つの典型的な構造である。
【０００４】
すなわち従来の排気再燃式熱源再利用システムでは、燃焼器を排ガス利用のために備えており、発電機などの駆動源として用いられている熱機関からの排ガスを燃焼器における燃焼用空気の昇温に利用することで排ガスに含まれている熱エネルギを再利用できるようにしている。このような排ガスの利用形態においては、排ガスの酸素含有量が例えば１３〜１５％程度と通常の空気よりも低いことから、排ガスとともに新鮮な空気も燃焼器に送り込んでやる必要がある。この排ガスと新鮮空気の混合供給のための従来における一般的な構造は、特開平１０−１９６９３３号公報や特開平９−２３６２０１号公報、特願２０００−２０７７５１号公報にも記載されているように、押込通風機により新鮮空気を昇圧し、この昇圧された新鮮空気を排ガスと混合させて燃焼器に送り込むようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような従来の排気再燃式熱源再利用システムにおいては、押込通風機による昇圧で排ガス源である熱機関の背圧が上昇するという問題がある。この押込通風機による背圧の上昇は熱機関の内部圧力が十分に大きい場合であればそれほど悪影響をもたらすことがないといえる。
しかし比較的小型の自家用発電設備などにおいて今後ますます多用されると考えられる、例えば３００ｋｗ以下といった出力レベルのガスタービンであり、一般的にマイクロガスタービンと呼ばれる熱機関などの場合には、その内部圧力が通常の押込通風機の昇圧能に比べて、非常に低い。このため押込通風機による背圧の上昇によって熱機関はその効率に大きく悪影響を受けるおそれがある。
【０００６】
前記特開平１０−１９６９３３号公報には、熱機関からの排ガスを圧送するファンを設けることが記載されている。この圧送ファンは、排ガス利用後の排気のために従来のシステムで設けられていた誘引通風機を不要とすることを目的としているものであるが、結果的に熱機関の背圧上昇を防止することにも機能している。
しかしこの技術では、排ガスを圧送ファンで圧送した後に新鮮空気と混合させる構成としているため、圧送ファンは熱機関からの排ガスが伴っている数百°Ｃいった非常な高温に直接的に曝されることになる。このことは圧送ファンの材質選択や設計などに際して大きな負担となり、ひいてはシステムの安定作動を損なう原因となったり、またシステムのコストアップにつながることにもなる。
【０００７】
また前記特願２０００−２０７７５１号公報では、熱機関からの排ガスと新鮮空気とを混合させながら吸引し、かつ混合した気体を昇圧して燃焼器へ供給する昇圧手段の設けられた熱源再利用システムが記載されている。
しかしこのシステムの場合、排ガス全量に新鮮空気を加えて吸引昇圧するため、大型の吸気ファンを必要としてシステムのコストアップにつながると共に、熱機関からの排ガス量と熱源再利用システムの燃焼器の容量が固定されてしまうため、コージェネレションシステムの熱電比率が固定されてしまうなどの制約がある。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の事情を背景になされたものであり、排ガスと新鮮空気との混合供給を排ガス源である熱機関に対する背圧の上昇を伴うことなく行なえ、しかも熱機関からの排ガスにおける高温の影響を直接的に受けることなくこれを行なえるようにした排気再燃式熱源再利用システムの提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の排気再燃式熱源再利用システムは、熱機関からの排ガスを燃焼用空気の昇温に利用する燃焼器を備えた熱源再利用システムにおいて、熱機関からの排ガスを新鮮空気と混合させながら吸引すると共に、排ガスと前記新鮮空気との混合気体を昇圧して燃焼器に供給する吸引昇圧手段が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
前記目的を達成するため本発明の排気再燃式熱源再利用システムは、熱機関からの排ガスを燃焼用空気の昇温に利用する燃焼器を備えた熱源再利用システムにおいて、前記熱機関からの排ガスの一部を吸引して、燃焼用空気の昇温に利用し、残りの排ガスは直接前記燃焼器の燃焼室で再燃焼させることを特徴としている。
【００１１】
前記目的を達成するため本発明の排気再燃式熱源再利用システムは、排ガスと新鮮空気との混合割合を調節するための調節用ダンパーが設けられている。
【００１２】
前記目的を達成するため本発明の排気再燃式熱源再利用システムは、吸引昇圧手段が燃焼器に近接させて設けられている。
【００１３】
前記目的を達成するため本発明の排気再燃式熱源再利用システムは、燃焼器の燃焼用空気として、熱機関からの排ガスの代わりに新鮮空気を吸引する補助外気導入口が設けられている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１は第１の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。本実施形態による熱源再利用システムは、例えば自家用発電設備などとして用いられる自立分散型電源設備からの排ガスを再利用する例である。排ガス源（排熱源）となる発電設備は、図外の発電機と、これを駆動する熱機関であるガスタービン１とを備えている。
【００１５】
一方、熱源再利用システムの本体部分は、ガスタービン１に接続する第１の排気ダクト２、排気ダクト２に一端を接続する第１の導気路３、第１の導気路３の他端に接続する吸引昇圧手段である吸気ファン４、吸気ファン４に一端を接続する第２の導気路５、第２の導気路５に接続する燃焼器６、燃焼器６に接続する熱交換器であるボイラ７、およびボイラ７に接続する第２の排気ダクト８を備えている。
【００１６】
第１の排気ダクト２を介して排出されるガスタービン１からの排ガスＧｅは、吸気ファン４の吸引力により第１の導気路３に導かれる。その際に、第１の排気ダクト２の大気側への開放端から新鮮空気Ｇｆも吸引・給気されて排ガスＧｅと混合する。この場合に、ガスタービン１が大気圧よりも高い内部圧力を有していることから、まず排ガスＧｅが優先的に吸引され、吸気ファン４の吸引量がガスタービン１からの排気量を超えた範囲について新鮮空気Ｇｆが一定量で吸引される。
【００１７】
従って排ガスＧｅと新鮮空気Ｇｆの混合割合は、吸気ファン４の吸引容量に応じて定まる。吸気ファン４の吸引容量は、吸気ファン４に近接させて第１の導気路３に設けてある流量制御ダンパー９の開度を変えることで調節可能であるし、また吸気ファン４における羽根車の回転速度を変えることでも調節可能であるが、通常は流量制御ダンパー９で調節する。ただ吸気ファン４で実際に必要とする吸引容量は、燃焼器６で必要とする空気量により決まるものである。従って通常は燃焼器６の仕様に応じて要求される空気量（酸素量）を供給できるように、吸気ファン４の吸引容量を固定的に設定する。このため排ガスＧｅと新鮮空気Ｇｆの混合割合も固定的なものとなる。
【００１８】
排ガスＧｅと新鮮空気Ｇｆの混合気体は、吸気ファン４により所定の圧力以上に昇圧され、第２の導気路５を介して燃焼器６に供給される。ここで前記所定の圧力は燃焼器６の仕様により定まるものである。燃焼器６には燃料供給管１１を介してガスや油などの燃料Ｆが供給され、この燃料Ｆが前記のようにして供給される混合気体の下で燃焼する。燃焼器６からの排ガスは第２の排気ダクト８から最終的に大気中に放出される。
【００１９】
この燃焼で発生する熱エネルギはボイラ７の熱源として利用される。ボイラ７は熱エネルギの利用目的に応じた形態をとることになる。例えば蒸気や温水を得るために熱エネルギを利用する場合であれば、蒸気や温水を発生させるための形態となり、例えば吸収式冷温水器の冷媒再生用として熱エネルギを利用する場合であれば、吸収式冷温水器の高温再生器の形態をとることになる。
【００２０】
本発明による熱源再利用システムは、以上のように吸気ファン４によりガスタービン１からの排ガスを吸引・昇圧して燃焼器６に供給するようにしている。このため燃焼器６に混合気体を昇圧させて供給するに際してガスタービン１の背圧上昇を招くことがない。したがってガスタービン１が例えば３００ｋｗ以下といった出力レベルのいわゆるマイクロガスタービンであり、その内部圧力がきわめて低い場合であっても、ガスタービン１の効率を低下させることなく排熱利用を図ることが可能となる。
【００２１】
また本発明では、排ガスを新鮮空気と混合させた後に吸気ファン４で吸引・昇圧するようにしている。このため吸気ファン４を通過する気体の温度は大気中から取り込んだ新鮮空気が排ガスに混合させられる比率に応じて低下していることになる。例えば通常そうであるように、新鮮空気の混合比率を５０％以上にすると、排ガスの温度が例えば３００℃程度であっても、吸気ファン４を通過する混合気体の温度は１５０℃以下にすることができる。
【００２２】
このことは、前記の特開平１０−１９６９３３号公報におけるように排ガスだけをファンで吸引し、そのために３００℃といった非常に高温な気体がそのままファンを通過する構成に比べ、実用上できわめて有意である利点をもたらす。具体的には、吸気ファン４の各部材を比較的低レベルの耐熱材で構成することが可能となり、また吸気ファン４の設計に関してもそれほど高い耐熱設計を要求せずに済ませることができ、したがって低コスト化を図ることができる。
【００２３】
図２は第２の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。本実施形態は、第１の排気ダクト２に外気吸入量調整ダンパー２１を設けていること、第１の導気路３に遮断用ダンパー２２を設けていること、および第１の導気路３に外気吸入量調整ダンパー２３付きの補助外気導入口２４を接続してあることを除いて、基本的には第１の実施形態と同様である。第１の排気ダクト２に外気吸入量調整ダンパー２１を設けてある本実施形態の場合には、排ガスＧｅと新鮮空気Ｇｆの混合割合を外気吸入量調整ダンパー２１により調節することが可能である。
【００２４】
具体的には、外気吸入量調整ダンパー２１を制御することにより、新鮮空気Ｇｆの吸入抵抗を調節し、このことで新鮮空気Ｇｆの吸入量を変えることができ、これによって排ガスＧｅと新鮮空気Ｇｆの混合割合を変えることができる。外気吸入量調整ダンパー２１の制御は、ガスタービン１からの排ガスＧｅの状態に応じてなす。
【００２５】
排ガスＧｅの状態に関する情報はガスタービン１の制御装置から得ることが可能であるし、必要ならば専用の排ガス監視手段を設けるようにしてもよい。このような調節機能は、ガスタービン１の運転状態が変化しても安定的に燃焼器６を稼働させることに役立ち、またガスタービン１からの排ガスＧｅに含まれる酸素量に応じて新鮮空気Ｇｆの混合量を必要最小限にすることで、排ガスの利用効率を高めることなどにも役立つ。
【００２６】
遮断用ダンパー２２は、何らかの理由で排ガスＧｅの吸引を停止する必要のある場合に用いる。そして排ガスＧｅの吸引を停止した状態で燃焼器６を稼働させる場合には、補助外気導入口２４から新鮮空気Ｇｆだけを吸引して燃焼器６に供給する。この場合の新鮮空気Ｇｆの吸入量は燃焼器６での要求に応じて外気吸入量調整ダンパー２３で調節する。このような機能もガスタービン１の運転状態の変動に対する熱源再利用システム本体部分の安定性を高めるのに役立つ。
【００２７】
図３は第３の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。本実施形態は、吸気ファン４を燃焼器６に直結している点を除いて第２の実施形態と同様である。つまり本実施形態では第１の実施形態や第２の実施形態における第２の導気路５を省略している。このような構成とすることにより、システム全体の小型化を図ることができる。
【００２８】
図４は第４の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。本実施形態は、第２の排気ダクト２に外気吸入量調整ダンパー２１を設けていること、第１の導気路３と並列に第２の導気路１５を設けていること、第１の導気路３の入口に遮断用ダンパー２２を設けていること、および第１の導気路３と第２の導気路１５の分岐点より下流側の第１の導気路３に外気吸入量調整ダンパー２３付きの補助外気導入口２４を接続してあることを除いて、基本的には第３の実施形態と同様であり、第２の導気路１５の下流側は燃焼器６に直接接続してある。
【００２９】
排熱再利用時には、第１の導気路３に設けた遮断用ダンパー２２が開、第１の導気路３に設けた外気吸入量調整ダンパー２１が閉となり、第１の排気ダクト２を介して排出されるガスタービン１からの排ガスＧｅは、第１の導気路３と第２の導気路１５に分岐される。
一方燃焼器６には、燃料供給配管１１を介してガスや油などの燃料Ｆが供給され、この燃料の燃焼に必要とする空気量が遮断用ダンパー２２で調整されて燃焼器６に供給される。
【００３０】
従って、第１の導気路３で吸引される排ガス量は、燃焼器６で必要とする空気量により決定し、残りの排ガスは第２の導気路１５から燃焼器６の燃焼室に導かれて燃焼され、燃焼火炎により加熱・再燃焼される。
そして燃焼器６からの排ガスは、第２の排気ダクト８から最終的に大気中に放出されるが、この燃焼で発生する熱エネルギはボイラ７の熱源に利用される。ボイラ７は熱エネルギの利用目的に応じた形態をとることになる。
例えば蒸気や温水を得るために熱エネルギを利用する場合であれば、蒸気や温水を発生させるための形態となり、例えば吸収式冷温水機の冷媒再生用として熱エネルギを利用する場合であれば、吸収式冷温水機の高温再生器の形態をとることとなる。
【００３１】
第１の導気路３には外気吸込量調整ダンパー２３付きの補助外気導入口２４が設けてあり、ガスタービン１からの排ガスの酸素含有量や吸気ファン４の耐熱仕様に応じて、吸気ファン４に吸引される排ガスと新鮮空気の混合割合を外気吸込量調整ダンパー２３を制御することにより調節可能である。
【００３２】
一方何らかの理由で、ガスタービン１から排出される排ガスの排熱を利用せずに熱源再利用システムの単独運転を行う場合には、第１の導気路３の入口に設けてある遮断用ダンパー２２が閉、外気吸入量調整ダンパー２１が開となり、第１の導気路３および第２の導気路１５への排ガスＧｅ流入が遮断される。
ガスタービン１からの排ガスの吸引を遮断した状態で燃焼器６を稼動させると、吸気ファン４は補助外気導入口２４から新鮮空気Ｇｆを吸引して燃焼器６に供給するが、このときの新鮮空気Ｇｆの吸込量は、燃焼器６での要求に応じて外気吸入量調整ダンパー２３で調整された新鮮空気Ｇｆが燃焼器６に供給される。
このような単独運転機能もガスタービン１の運転状態の変動に対する熱源再利用システムやコージェネレーションシステム全体の安定性を高めるのに役立つ。
【００３３】
ガスタービン１で発電のみを行い、排ガス排熱の再利用を行わない場合には、第１の導気路３の入口に設けてある遮断用ダンパー２２が閉、外気吸入量調整ダンパー２１が開となり、ガスタービン１からの排ガスＧｅは第１の排気ダクト２から外気吸入量調整ダンパー２１を介して大気に放出される。このとき遮断用ダンパー２２が全閉位置にあっても、隙間からの排ガスが少量リークしてボイラ７の異常加熱や、伝熱面への結露による腐食の原因となるのを防止するため、ガスタービン１の運転中は吸気ファン４は常時運転され、補助外気導入口２４から新鮮空気Ｇｆを吸引してボイラ７内に供給することで、内部の空気を常に外気で置換し温度上昇と結露を防止する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明しように本発明によれば、熱機関からの排ガスを新鮮空気と混合させながら吸引して昇圧する吸引昇圧手段を設けるようにしているので、排ガスと新鮮空気との混合供給を、排ガス源である熱機関に対する背圧の上昇を伴うことなく、しかも熱機関からの高温な排ガスの影響を吸引昇圧手段に直接的に与えることなく行なうことができる。このため内部圧力の低い熱機関、例えばいわゆるマイクロガスタービンと呼ばれる熱機関についてもその効率を低下させることなく排ガスを高い効率で再利用することが可能となる。
【００３５】
また熱機関からの排ガスの一部を吸引して、燃焼用空気の昇温に利用し、残りの排ガスは直接前記燃焼器の燃焼室で再燃焼させるようにしたことから、排ガスの全量を吸引するものに比べて小型の吸気ファンが使用できる上、排熱を利用するボイラなどの必要容量に応じて燃焼器の容量が自由に選定できるため、システム全体のコストダウンが図れる。
【００３６】
しかも燃焼器の燃焼用空気として、熱機関からの排ガスの代わりに新鮮空気を吸引する補助外気導入口を設けたことから、熱機関の運転中は吸気ファンにより排ガスを吸引することにより、排気圧力損失の削減が図れると共に、何等かの理由で熱機関が停止した場合でも、吸気ファンにより外気を燃焼器へ供給することにより、熱源再利用システムの単独運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。
【図４】本発明の第４の実施形態による熱源再利用システムのフロー図である。
【符号の説明】
１ ガスタービン（熱機関）
４ 吸気ファン（吸引昇圧手段）
６ 燃焼器
２１ 外気吸入量調整ダンパー（調節用ダンパー）
２４ 補助外気導入口
Ｇｅ 排ガス
Ｇｆ 新鮮空気

Claims (5)

1. 熱機関からの排ガスを燃焼用空気の昇温に利用する燃焼器を備えた熱源再利用システムにおいて、前記熱機関からの前記排ガスを新鮮空気と混合させながら吸引すると共に、前記排ガスと前記新鮮空気との混合気体を昇圧して前記燃焼器に供給する吸引昇圧手段が設けられていることを特徴とする熱源再利用システム。
2. 熱機関からの排ガスを燃焼用空気の昇温に利用する燃焼器を備えた熱源再利用システムにおいて、前記熱機関からの排ガスの一部を吸引して、燃焼用空気の昇温に利用し、残りの排ガスは直接前記燃焼器の燃焼室で再燃焼させることを特徴とする熱源再利用システム。
3. 前記排ガスと前記新鮮空気との混合割合を調節するための調節用ダンパーが設けられている請求項１または２に記載の熱源再利用システム。
4. 前記吸引昇圧手段が前記燃焼器に近接させて設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱源再利用システム。
5. 前記燃焼器の燃焼用空気として、前記熱機関からの排ガスの代わりに新鮮空気を吸引する補助外気導入口が設けられている請求項２に記載の熱源再利用システム。

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