WO2010092945A1 - ガスエンジンシステムおよびその制御方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas engine system in which an exhaust turbine for power recovery is attached to a gas engine, and a control method therefor.
- a gas engine is an internal combustion engine that uses a gas such as LNG (liquefied natural gas) as fuel, and has the advantage that the amount of CO 2 contained in the exhaust gas is small, and has recently been put into practical use as a driving means for generators and the like. It is being advanced.
- LNG liquefied natural gas
- a turbo compound system is a system that can effectively utilize surplus exhaust energy in a gas engine.
- an exhaust turbine 21 for power recovery is attached to the gas engine 1 to which the supercharger 10 is connected, and surplus exhaust gas supplied to the turbine 11 of the supercharger 10 is obtained.
- the exhaust energy is sent to the exhaust turbine 21 through the branch passage 3 to effectively recover the exhaust energy.
- a generator 22 is connected to the exhaust turbine 21 as shown in FIG. 5, or a crankshaft of the gas engine 1 is connected via a speed reducer 23 as shown in FIG. In this way, the recovered power is converted into electric power (FIG. 5) or returned to the gas engine (FIG. 6).
- the air-fuel ratio ratio of air supply amount to fuel amount, mixing ratio
- the air supply amount is determined by engine output (for example, power generation amount). It is necessary to control accurately according to the amount of fuel determined by. However, even if the engine output is always constant, the appropriate air supply amount changes according to changes in ambient conditions such as the atmospheric temperature. Therefore, in order to properly control the air supply amount, it is necessary to adjust the exhaust amount supplied to the turbine of the supercharger. For this reason, the surplus part which is not sent to the turbine of a supercharger generate
- the supercharger 10 includes a turbine 11 and a blower 12, and the blower 12 is rotated by the turbine 11 driven by the exhaust energy, whereby the necessary air supply to the gas engine 1 is increased.
- Supply pressurize and supply
- reference numeral 8 in the figure is a generator driven by the gas engine 1, 6 is an air cooler for cooling the supply air, and V3 is a throttle valve for controlling the amount of excess exhaust.
- the turbo compound engine 1 ′ includes a low pressure turbine 21 ′ together with a high pressure turbine 11 ′ of the supercharger 10 ′, and exhaust of the engine 1 ′ is discharged from the high pressure turbine 11 ′ and the low pressure turbine 21 ′.
- the exhaust energy is recovered by continuously flowing it.
- 5' denotes an air supply passage
- a throttle valve V3 is provided in the branch flow path 3 in order to control the exhaust amount supplied to the turbine 11 of the supercharger 10, and hence the surplus exhaust amount.
- a so-called throttle loss L occurs, and the effective use of exhaust energy is hindered.
- the entire amount of exhaust gas is supplied to the high-pressure turbine (supercharger turbine) 11 ', and then the exhaust gas is supplied to the low-pressure turbine 21'.
- the energy recovery rate of the low-pressure turbine is low and the exhaust energy is low. It is difficult to significantly improve the recovery efficiency.
- the system of FIG. 7 that sends the entire amount of exhaust gas to the turbine 11 ′ of the supercharger 10 ′ cannot be applied smoothly to a gas engine with a narrow allowable air-fuel ratio range as described above.
- An object of the present invention is to solve the above problems and to obtain a gas engine system and a control method therefor that can make maximum use of exhaust energy in a turbo compound system (gas engine system) using a gas engine. To do.
- the present invention has a gas engine and a supercharging turbine that is driven by being supplied with exhaust gas from the gas engine, and the supercharging that supercharges the gas engine by driving the supercharging turbine. And a power recovery exhaust turbine connected to the gas engine and driven by a part of the exhaust gas supplied from the gas engine to the turbocharger turbine.
- the exhaust turbine is a gas engine system having variable nozzles each having an adjustable opening.
- the gas engine system of the present invention is -A gas engine with a turbocharger is equipped with an exhaust turbine for power recovery, and the exhaust from the gas engine is supplied separately to the turbocharger turbocharger and the power recovery exhaust turbine described above.
- -Each of the supercharging turbine and the power recovery exhaust turbine of the supercharger has a variable nozzle capable of adjusting the opening (that is, changing the nozzle cross-sectional area).
- the exhaust of the gas engine is supplied separately (that is, in parallel) to the supercharging turbine and the power recovery exhaust turbine of the supercharger.
- the exhaust energy can be effectively recovered by the two turbines.
- the two turbines each have variable nozzles whose opening degrees can be adjusted, there is no need to use a throttle valve that causes a throttle loss. Therefore, the energy recovered by each turbine can be increased. That is, since the exhaust turbine for power recovery has the variable nozzle, power recovery from surplus exhaust can be made more efficient without causing a throttle loss.
- the turbocharger turbocharger also has a variable nozzle, so the amount of exhaust flowing to the power recovery exhaust turbine can be increased or decreased to optimize the output of the entire system including the gas engine and power recovery exhaust turbine. Can be realized.
- the present invention is a gas engine system characterized in that a generator is connected to the gas engine, and another generator different from the generator or a gas engine is connected to the power recovery exhaust turbine. .
- the gas engine is connected to the generator and the exhaust turbine for power recovery is connected to another generator or gas engine.
- the system shown in FIGS. 1 and 2 is an example.
- the output of the gas engine does not fluctuate greatly in a short time, and therefore quick control is not necessary for efficiently recovering exhaust energy. For this reason, when these are connected in order for a gas engine to drive a generator, the opening degree adjustment of each variable nozzle in said two turbines can be performed comparatively easily.
- the exhaust turbine for power recovery is connected to other generators or gas engines and drives them, the main output can be collected as electric power, and energy can be obtained in an easy-to-use form.
- an exhaust passage for supplying exhaust gas from the gas engine to the supercharging turbine is connected between the gas engine and the supercharging turbine, and the exhaust passage is connected to the exhaust turbine for power recovery.
- the first branch channel is branched, and the second branch channel capable of releasing the exhaust gas flowing through the exhaust channel to the atmosphere is branched.
- the first branch channel can be opened and closed with respect to the first branch channel.
- a gas engine system characterized in that a first stop valve is provided, and a second stop valve capable of opening and closing the second branch channel is provided in the second branch channel.
- a first stop valve is provided in the exhaust flow path (first branch flow path) to the power recovery exhaust turbine separated from the exhaust gas reaching the supercharge turbine of the supercharger.
- the flow path (second branch flow path) including the second stop valve that can release part of the exhaust gas to the atmosphere when the 1 stop valve is fully closed is connected to the flow path of the exhaust gas from the gas engine.
- the system of FIG. 3 is an example.
- the opening adjustment of each variable nozzle of the turbine of the supercharger and the exhaust turbine for power recovery is performed.
- a predetermined air-fuel ratio is realized in the gas engine,
- the total output of the gas engine and power recovery exhaust turbine increases. It is preferable to be performed as follows.
- the amount of exhaust gas supplied to the power recovery exhaust turbine is always 10% or more of the total displacement of the gas engine regardless of the outside temperature (and therefore regardless of the season). It is preferable that the opening degree of the variable nozzle is adjusted.
- the present invention greatly changes such a conventional exhaust amount distribution. For example, more than 10% of the total exhaust amount is supplied to the exhaust turbine for power recovery in the winter. This brings about the following effects. That is, ⁇ Active energy recovery can be performed in a power recovery exhaust turbine that always supplies more than 10% of the total displacement, so the total output of the gas engine and power recovery exhaust turbine is maximized (optimum). This makes it possible to efficiently use exhaust energy. ⁇ The exhaust turbine for power recovery, which has not been used in the past when exhaust is not supplied, such as in summer, can be effectively used continuously regardless of the season, and equipment costs can be recovered early.
- the pressure of the exhaust gas in the gas engine is equivalent to the pressure of the supply air (same as or slightly lower than the supply air pressure). It is preferable to be performed as follows.
- the exhaust pressure in the gas engine increases, while the flow velocity in the turbocharger turbocharger increases.
- the energy can be increased.
- the amount of exhaust gas supplied to the power recovery exhaust turbine can be increased.
- the variable nozzle of the turbocharger turbocharger is throttled until the exhaust pressure becomes equal to the supply air pressure, the amount of exhaust supplied to the power recovery exhaust turbine is about 20% of the total exhaust (summer season) 20% and 30% in winter). For this reason, the above-described effect of increasing the total output of the system can be made remarkable. If the exhaust pressure exceeds the supply air pressure, the exhaust gas may flow back into the gas engine and the gas engine may become unstable, but the exhaust pressure is the same as or slightly higher than the supply air pressure. Since it is low, there is no inconvenience in the operation of the gas engine.
- the adjustment of the opening of the variable nozzle in the power recovery exhaust turbine maximizes the output from the exhaust to the power recovery exhaust turbine (separated from the exhaust to the turbocharger turbocharger). Preferably, it is done.
- variable nozzle By making maximum use of such functions of the variable nozzle, as described above, the energy recovery in the power recovery exhaust turbine is increased, and the total output of the gas engine and the power recovery exhaust turbine is maximized. It becomes possible.
- the exhaust energy of the gas engine can be efficiently recovered in both the turbocharger turbocharger and the power recovery exhaust turbine.
- the main output by the system is collected as electric power so that the gas engine drives the generator.
- energy recovery can be easily controlled, and energy can be easily obtained.
- the gas engine can be smoothly operated even when the exhaust turbine for power recovery and its variable nozzle do not function normally due to a failure or the like.
- FIG. 1 to 3 show a gas engine system as an embodiment of the present invention. Each of them shows a kind of turbo compound system (TCS), and an exhaust turbine 21 for power recovery is attached to the gas engine 1.
- TCS turbo compound system
- the generator 8 is connected to the output shaft of the gas engine 1.
- a supercharger 10 is connected to the gas engine 1 through an exhaust passage 2 and an air supply passage 5, and a fuel supply pipe 7 that sends LNG as fuel gas to the gas engine 1 is connected.
- the supercharger 10 has a turbocharger turbine 11 and a blower 12 provided on one axis, and rotates the turbocharger 11 by the energy of the exhaust gas from the gas engine 1 supplied from the exhaust passage 2. Then, the blower 12 is driven with the motive power, and the gas engine 1 is supercharged through the air supply passage 5.
- the air supply channel 5 is provided with an air cooler 6 for cooling the supply air.
- the first branch flow path 3 for exhaust gas is connected so as to branch from the exhaust flow path 2 of the gas engine 1, and the power recovery exhaust turbine 21 is provided at the end thereof. That is, in the gas engine system of FIGS. 1 to 3, the exhaust from the gas engine 1 is sent to the exhaust passage 2 to drive the supercharger 10 and the first branch passage 3 branched from the exhaust passage 2. Then, the exhaust gas from the gas engine 1 is diverted to drive the exhaust turbine 21 for power recovery.
- a generator 22 is connected to the exhaust turbine 21 for power recovery, and energy is recovered from the shunted exhaust as electric power.
- the output shaft of the power recovery exhaust turbine 21 is connected to the output shaft of the gas engine 1 via the speed reducer 23, and a part of the energy of the divided exhaust gas is transferred to the gas engine 1. I'm trying to reduce it.
- a supercharger 10 By operating the variable nozzle 11a of the supercharging turbine 11 of the supercharger 10 to make the nozzle area appropriate, A supercharger 10 supercharges the gas engine 1 with an appropriate amount of air supply according to the amount of fuel to achieve a predetermined air-fuel ratio suitable for the operation of the gas engine 1; The amount of exhaust from the first branch flow path 3 to the power recovery exhaust turbine 21 is increased or decreased to control the total output of the gas engine 1 and the power recovery exhaust turbine 21 to the maximum. . If the variable nozzle 11a of the supercharging turbine 11 is throttled, the exhaust pressure of the gas engine 1 may increase and the output of the gas engine 1 may decrease. However, the total value with the output of the power recovery exhaust turbine 21 is Because it increases, it is not a problem.
- variable nozzle 21a of the power recovery exhaust turbine 21 adjusts the opening so as to maximize the output by the exhaust gas sent to the first branch flow path 3. This is to make maximum use of such a function of the variable nozzle 21a not provided in the throttle valve.
- the amount of exhaust gas supplied to the power recovery exhaust turbine 21 is 10% or more of the total displacement of the gas engine 1 even in summer (about 20% or more in winter). ), The opening degree of each of the variable nozzles 11a and 21a is adjusted. If it does in this way, energy recovery in the exhaust turbine 21 for power recovery can be made active, and the total output of the gas engine 1 and the exhaust turbine 21 for power recovery can be increased easily.
- the opening degree of the variable nozzle 11a of the turbocharger 11 of the supercharger 10 is set so that the exhaust pressure of the gas engine 1 is equal to the supply pressure (supply pressure). Until it is equal to or slightly lower than If the variable nozzle 11a of the turbocharging turbine 11 is throttled in this way, the amount of exhaust gas supplied to the power recovery exhaust turbine 21 can be increased to more than the level of d), and the total output of the system can be further increased. it can.
- the gas engine system of FIG. 3 is based on the system of FIG. 2, but the following configuration is added to enhance practicality. That is, the first stop valve V1 is provided in the first branch flow path 3 of the exhaust gas that reaches the power recovery exhaust turbine 21, and the exhaust gas flow path 2 that leads to the supercharge turbine 11 of the supercharger 10 leads to the atmosphere. Another second branch flow path 4 is connected, and the second branch flow path 4 is provided with a second stop valve V2.
- This system can advantageously cope with a case where the exhaust turbine 21 for power recovery or its variable nozzle 21a breaks down. That is, first, during normal operation without failure, the first stop valve V1 of the first branch flow path 3 is fully opened and the second stop valve V2 of the second branch flow path 4 is fully closed. Operate the system in the same system. On the other hand, if a failure occurs in the power recovery exhaust turbine 21 or the like, the first stop valve V1 is fully closed to stop the supply of exhaust gas to the power recovery exhaust turbine 21 (further, the speed reducer 23 and the power recovery At the same time, the degree of opening of the second stop valve V2 is adjusted, and surplus exhaust not used in the supercharger 10 is discharged from the second branch flow path 4 into the atmosphere. While the power recovery exhaust turbine 21 is not used, the energy recovery efficiency is inevitably lowered, but repair of the power recovery exhaust turbine 21 and the like can proceed while the gas engine 1 continues to operate smoothly.
- the output shaft of the power recovery exhaust turbine 21 may be connected to a generator as in the example of FIG. In such a case as well, it is possible to advantageously cope with the case where the variable nozzle 21a breaks down.
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Abstract
[課題]ガスエンジンによるターボコンパウンドシステム(ガスエンジンシステム)において、排気のエネルギーを最大限に活用することを目的とする。 [解決手段]本発明によるガスエンジンシステムは、ガスエンジン1と、このガスエンジン1からの排気が供給されて駆動される過給用タービン11を有し、この過給用タービン11が駆動されることによりガスエンジン1に給気を過給する過給機10とを備えている。また、ガスエンジン1に、ガスエンジン1から過給用タービン11に供給される排気の一部が供給されて駆動される動力回収用排気タービン12が接続されている。これらの過給用タービン11および動力回収用排気タービン12は、開度調整可能な可変ノズルをそれぞれ有している。
Description
本発明は、ガスエンジンに動力回収用排気タービンが付設されたガスエンジンシステムとその制御方法に関するものである。
ガスエンジンは、LNG(液化天然ガス)等のガスを燃料とする内燃機関であり、排気中に含まれるCO2量が少ない等の利点を有し、発電機等の駆動手段として近年実用化が進められている。
ガスエンジンにおける余剰排気エネルギーを有効活用できるシステムとして、ターボコンパウンドシステム(TCS)がある。このシステムは、図5のように、過給機10が接続されたガスエンジン1に、動力回収用の排気タービン21が付設され、過給機10のタービン11に供給された排気の余剰分を、分岐流路3を通して排気タービン21に送ることにより排気エネルギーの有効回収を図るシステムである。排気タービン21には図5のように発電機22が接続され、または図6のように減速機23を介してガスエンジン1のクランク軸が接続されている。このようにして、回収した動力を電力に変換したり(図5)ガスエンジンに還元したり(図6)している。
ガスエンジンでは、円滑な運転を行うための空燃比(給気量と燃料量との比。混合比)が特定の狭い範囲に限られるため、給気量は、エンジン出力(例えば、発電量)で定まる燃料量に応じて正確に制御される必要がある。しかしながら、エンジン出力が常に一定であっても、大気温度など周囲の条件の変化に応じて適正な給気量は変化する。そこで、給気量を適正に制御するためには、過給機のタービンに供給される排気量を調整する必要がある。このため、ガスエンジンからの排気のうち、過給機のタービンには送られない余剰分が発生する。そこで、図5および図6に示すターボコンパウンドシステムは、そうした余剰排気のエネルギーを排気タービン21で回収するようになっている。
なお、図示の通り過給機10は、タービン11とブロア12とを有し、排気エネルギーで駆動されるタービン11によってブロア12を回転させ、このことにより、ガスエンジン1に必要な給気を過給(加圧して供給)する。そのほか、図中の符号8は、ガスエンジン1が駆動する発電機、同6は給気を冷却する空気冷却器、同V3は余剰排気の量をコントロールする絞り弁である。
ガスエンジンに限らないターボコンパウンドシステムに関しては、図7に示すものが特許文献1に記載されている。図7の例では、ターボコンパウンドエンジン1’が、過給機10’の高圧タービン11’とともに低圧タービン21’を具備しており、エンジン1’の排気をそれら高圧タービン11’と低圧タービン21’とに連続して流すことにより排気エネルギーの回収を行う。なお、図7において、符号2’は排気流路、同5’は給気流路、同12’は過給機10’のブロアである。
図5および図6の例では、過給機10のタービン11に供給する排気量、したがって余剰の排気量を制御するために、分岐流路3に絞り弁V3が設けられている。しかし、このように絞り弁V3によって余剰の排気量を制御する場合には、いわゆる絞り損失Lが発生し、排気エネルギーの有効活用が阻害される。
図7の例では、排気の全量が高圧タービン(過給機のタービン)11’に供給され、さらにその後に排気が低圧タービン21’に供給される。しかし、高圧タービン11’と低圧タービン21’とがこのように直列的に接続されて排気が双方のタービン11’、21’を経由するシステムでは、低圧タービンのエネルギー回収率が低く、排気エネルギーの回収効率を大幅に改善することは難しい。また、排気の全量を過給機10’のタービン11’に送る図7のシステムは、上述のように空燃比の許容幅が狭いガスエンジンには円滑に適用することができないと考えられる。
本発明は、以上のような課題を解決し、ガスエンジンによるターボコンパウンドシステム(ガスエンジンシステム)において排気のエネルギーを最大限に活用することができるガスエンジンシステムおよびその制御方法を得ることを目的とするものである。
本発明は、ガスエンジンと、ガスエンジンからの排気が供給されて駆動される過給用タービンを有し、この過給用タービンが駆動されることによりガスエンジンに給気を過給する過給機と、ガスエンジンに接続され、このガスエンジンから過給用タービンに供給される排気の一部が供給されて駆動される動力回収用排気タービンと、を備え、過給用タービンおよび動力回収用排気タービンは、開度調整可能な可変ノズルをそれぞれ有していることを特徴とするガスエンジンシステムである。
すなわち、本発明のガスエンジンシステムは、
・ 過給機を有するガスエンジンに動力回収用排気タービンが付設されていて、ガスエンジンの排気が、過給機の過給用タービンと上記の動力回収用排気タービンとに分けて供給されること、および、
・ 上記した過給機の過給用タービンと動力回収用排気タービンとがそれぞれ、開度調整(すなわちノズル断面積の変更)が可能な可変ノズルを有するものであること――を特徴とする。
・ 過給機を有するガスエンジンに動力回収用排気タービンが付設されていて、ガスエンジンの排気が、過給機の過給用タービンと上記の動力回収用排気タービンとに分けて供給されること、および、
・ 上記した過給機の過給用タービンと動力回収用排気タービンとがそれぞれ、開度調整(すなわちノズル断面積の変更)が可能な可変ノズルを有するものであること――を特徴とする。
このようなガスエンジンシステムでは、まず、ガスエンジンの排気が過給機の過給用タービンと動力回収用排気タービンとに分けて(つまり並列的に)供給されることから、図5および図6の例と同様、排気のエネルギーを上記二つのタービンで有効に回収することができる。
しかもこのシステムでは、上記二つのタービンがそれぞれ開度調整可能な可変ノズルを有するため、絞り損失が生じる絞り弁を使用する必要がない。このめ、各タービンで回収するエネルギーを増大させることができる。すなわち、動力回収用排気タービンが可変ノズルを有するので、絞り損失を生じさせることなく余剰排気からの動力回収を効率化することができる。また、過給機の過給用タービンも可変ノズルを有するので、動力回収用排気タービンへ流れる排気の量を増減させて、ガスエンジンと動力回収用排気タービンとを含むシステム全体での出力を最適化することが可能となる。
また、本発明は、ガスエンジンに発電機が接続され、動力回収用排気タービンに、発電機とは異なる他の発電機、またはガスエンジンが接続されていることを特徴とするガスエンジンシステムである。
すなわち、ガスエンジンが発電機に接続されていて、動力回収用排気タービンが、他の発電機またはガスエンジンに接続されていることが、特に好ましい。図1および図2に示すシステムがその例である。
通常はガスエンジンの出力が短時間に大きく変動することがなく、したがって排気エネルギーを効率的に回収するうえで迅速な制御は必要でない。このため、ガスエンジンが発電機を駆動するためにこれらが接続されている場合、上記二つのタービンにおける各可変ノズルの開度調整を比較的容易に行うことができる。そして動力回収用排気タービンが他の発電機またはガスエンジンに接続されていてそれらを駆動する場合、主要な出力を電力としてまとめることができ、利用しやすい形でエネルギーを得ることができる。
また、本発明は、ガスエンジンと過給用タービンとの間に、ガスエンジンから過給用タービンに排気を供給する排気流路が接続され、排気流路から、動力回収用排気タービンに接続された第1分岐流路が分岐するとともに、排気流路を流れる排気を大気に放出可能な第2分岐流路が分岐しており、第1分岐流路に、第1分岐流路を開閉可能な第1ストップ弁が設けられ、第2分岐流路に、第2分岐流路を開閉可能な第2ストップ弁が設けられていることを特徴とするガスエンジンシステムである。
すなわち、過給機の過給用タービンに至る排気から分けられた動力回収用排気タービンに至る排気の流路(第1分岐流路)に、第1ストップ弁が設けられているとともに、この第1ストップ弁が全閉にされたとき排気の一部を大気に放出できる第2ストップ弁を含む流路(第2分岐流路)が、ガスエンジンからの排気の流路に接続されていることが、更に好ましい。たとえば図3のシステムがその例である。
このようなガスエンジンシステムでは、動力回収用排気タービン(またはその可変ノズル等)が故障等によって正常に機能しない場合にも、ガスエンジンを円滑に運転することができる。すなわち、通常は第1ストップ弁を全開にし第2ストップ弁を全閉にしてシステムを運転するが、動力回収用排気タービンが故障等した場合には、第1ストップ弁を全閉にして動力回収用排気タービンに排気が供給されないようにし、第2ストップ弁の開度を調整して余剰の排気が大気中に適宜放出される。そのようにすれば、動力回収用排気タービンを修理する間にも、過給機の過給用タービンを適切に駆動してガスエンジンの円滑な運転を継続することができる。
また、本発明のガスエンジンシステムおよびその制御方法では、過給機のタービンおよび動力回収用排気タービンの各可変ノズルの開度調整が、
・ ガスエンジンにおいて所定の空燃比が実現するとともに、
・ 上記したガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値が増大する、
ように行われることが好ましい。
・ ガスエンジンにおいて所定の空燃比が実現するとともに、
・ 上記したガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値が増大する、
ように行われることが好ましい。
ガスエンジンシステムをこのように制御すれば、空燃比の許容幅の狭いガスエンジンを円滑に運転できるとともに、排気のエネルギーを効率的に活用することができる。先に紹介した図5および図6の例では、全ての排気のうち過給機のタービンに供給される排気を除いた余剰排気からエネルギーの回収を図るにすぎなかったが、本発明によれば、ガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値が最大になることを目指し、ガスエンジンの出力を多少低下させてでも動力回収用排気タービンにおいて積極的なエネルギー回収が行われる。
また、特に、動力回収用排気タービンへ供給される排気の量が、外気温にかかわらず(したがって季節等をも問わず)、常にガスエンジンの全排気量の10%以上となるように、各可変ノズルの開度調整が行われることが好ましい。
ここで、図5および図6に示す従来のシステムは、過給機の過給用タービンに供給された排気を除く余剰排気が動力回収用排気タービンに供給されるものであった。したがって、給気の過給に必要なエネルギーが比較的少ない冬季には、動力回収用排気タービンに供給される排気の量が全排気量の10%程度ある一方、過給に多めのエネルギーが必要な夏季には動力回収用排気タービンへの排気量がほとんどゼロになるよう設定されていた。
本発明は、そうした従来の排気量配分を大きく変更するものであり、たとえば夏季でも全排気量の10%以上、冬季には更に多くの排気を動力回収用排気タービンに供給する。このようにすると次のような作用効果がもたらされる。すなわち、
・ 常に全排気量の10%以上が供給される動力回収用排気タービンにおいて積極的なエネルギー回収を行うことができるので、ガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値を最大(最適)にするという、排気エネルギーの効率的な活用を行うことができる。
・ 夏季など排気が供給されない時期には従来使用されることがなかった動力回収用排気タービンを、季節を問わず連続して有効活用することができ、設備コストの早期回収が図れる。
・ 常に全排気量の10%以上が供給される動力回収用排気タービンにおいて積極的なエネルギー回収を行うことができるので、ガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値を最大(最適)にするという、排気エネルギーの効率的な活用を行うことができる。
・ 夏季など排気が供給されない時期には従来使用されることがなかった動力回収用排気タービンを、季節を問わず連続して有効活用することができ、設備コストの早期回収が図れる。
また、過給機の過給用タービンの可変ノズルの開度調整は、特に、ガスエンジンにおける排気の圧力が給気の圧力と同等(給気圧力と同一か、それよりやや低い程度)になるように行われることが好ましい。
過給機の過給用タービンの可変ノズルの開度を強めに絞ってノズル面積を小さくすると、ガスエンジンにおける排気の圧力が高くなる一方、過給機の過給用タービン内の流速を上げてそのエネルギーを高めることができる。このことにより、動力回収用排気タービンに供給される排気の量を増やすことができる。排気の圧力が給気の圧力と同等になるまで過給機の過給用タービンの可変ノズルを絞ると、動力回収用排気タービンへ供給される排気の量を全排気量の20%程度(夏季で20%、冬季で30%の程度)以上にすることができる。そしてそのために、システムの合計出力を増やすという上記の作用効果を顕著にすることができる。なお、排気の圧力が給気の圧力を超えてしまうと排気がガスエンジン内に逆流することがありガスエンジンが不安定になりやすいが、排気の圧力が給気の圧力と同一かそれよりやや低いため、ガスエンジンの運転に不都合は生じない。
また、動力回収用排気タービンにおける可変ノズルの開度調整は、動力回収用排気タービンに至る排気(過給機の過給用タービンに至る排気と分けられたもの)による出力を最大化するように行われることが好ましい。
可変ノズルが有するこのような機能を最大限に活用することにより、上述した通り、動力回収用排気タービンにおけるエネルギー回収を増大させ、ガスエンジンおよび動力回収用排気タービンによる出力の合計値を最大にすることが可能になる。
本発明によれば、過給機の過給用タービンと動力回収用排気タービンとの双方において効率的にガスエンジンの排気エネルギーを回収することができる。
また、本発明によれば、ガスエンジンが発電機を駆動するようにして、システムによる主要出力が電力としてまとめられる。このことにより、エネルギー回収の制御を容易に行うことができ、利用しやすい形でエネルギーを得ることができる。また、排気の流路やストップ弁を適宜付加することにより、動力回収用排気タービンやその可変ノズルが故障等によって正常に機能しないときも、ガスエンジンを円滑に運転できるようになる。
さらに、本発明によれば、空燃比の許容幅の狭いガスエンジンを円滑に運転するとともに、動力回収用排気タービンにおけるエネルギー回収を含めて、排気のエネルギーを効率的に活用することができる。
特に、動力回収用排気タービンへ供給される排気の量がガスエンジンの全排気量の常に10%以上となるように各タービンの可変ノズルの開度調整を行う場合、システム全体でみてさらに効率的なエネルギー活用を実現できる。この場合、設備コストの回収の面でも有利である。また、ガスエンジンの排気圧が給気圧と同等になるよう開度調整を行う場合、上記の利点は一層顕著になる。
以下、図1乃至図4を用いて、本発明のガスエンジンシステムおよびその制御方法について説明する。
図1~図3のそれぞれに、本発明の実施形態としてのガスエンジンシステムが示されている。いずれのものもターボコンパウンドシステム(TCS)の一種を示しており、ガスエンジン1に、動力回収用の排気タービン21が付設されている。
ガスエンジン1の出力軸に、発電機8が連結されている。また、ガスエンジン1に、排気流路2と給気流路5を介して過給機10が接続されるとともに、ガスエンジン1に燃料ガスとしてLNGを送る燃料供給管7が接続されている。過給機10は、一軸上に設けられた過給用タービン11とブロア12とを有しており、排気流路2から供給されるガスエンジン1の排気のエネルギーによって過給用タービン11を回転させ、その動力でブロア12を駆動して、給気流路5を通してガスエンジン1に給気を過給する。給気流路5には、給気を冷却するための空気冷却器6が設けられている。
ガスエンジン1の排気流路2から分岐する形で排気の第1分岐流路3が接続され、その先に上記の動力回収用排気タービン21が設けられている。すなわち、図1~図3のガスエンジンシステムでは、ガスエンジン1からの排気を排気流路2に送って過給機10を駆動するとともに、この排気流路2から分岐した第1分岐流路3にガスエンジン1からの排気を分流させて、動力回収用排気タービン21を駆動する。
図1のガスエンジンシステムでは、動力回収用排気タービン21に発電機22が接続され、分流された排気から電力としてエネルギーを回収することとしている。また、図2のシステムでは、動力回収用排気タービン21の出力軸が、減速機23を介してガスエンジン1の出力軸に連結されており、分流された排気のエネルギーの一部をガスエンジン1に還元するようにしている。
こうした図1および図2のガスエンジンシステムでは、排気のエネルギーをできるだけ多く回収してエネルギー利用率を高めるよう、次のような工夫を施している。
a) 過給機10の過給用タービン11と動力回収用排気タービン21とのそれぞれに、ノズル面積の変更が可能な可変ノズル式のものを採用した。これにより、タービンの上流側で、絞り損失が生じる絞り弁を使用する必要がなく、各タービン11、21で回収されるエネルギーを増大させることができる(図4参照)。
a) 過給機10の過給用タービン11と動力回収用排気タービン21とのそれぞれに、ノズル面積の変更が可能な可変ノズル式のものを採用した。これにより、タービンの上流側で、絞り損失が生じる絞り弁を使用する必要がなく、各タービン11、21で回収されるエネルギーを増大させることができる(図4参照)。
b) 過給機10の過給用タービン11の可変ノズル11aを操作してそのノズル面積を適切にすることにより、
・ 燃料量に応じた適切な量の給気を過給機10がガスエンジン1に過給するようにして、ガスエンジン1の運転に適した所定の空燃比を実現し、また、
・ 第1分岐流路3から動力回収用排気タービン21へ至る排気の量を増減させて、ガスエンジン1と動力回収用排気タービン21との合計の出力が最大になるように制御するものとする。なお、過給用タービン11の可変ノズル11aを絞るとガスエンジン1の排気圧が高くなってガスエンジン1の出力が低下することがあるが、動力回収用排気タービン21の出力との合計値が増大するため、問題としない。
・ 燃料量に応じた適切な量の給気を過給機10がガスエンジン1に過給するようにして、ガスエンジン1の運転に適した所定の空燃比を実現し、また、
・ 第1分岐流路3から動力回収用排気タービン21へ至る排気の量を増減させて、ガスエンジン1と動力回収用排気タービン21との合計の出力が最大になるように制御するものとする。なお、過給用タービン11の可変ノズル11aを絞るとガスエンジン1の排気圧が高くなってガスエンジン1の出力が低下することがあるが、動力回収用排気タービン21の出力との合計値が増大するため、問題としない。
c) 上記b)の制御を行うため、動力回収用排気タービン21の可変ノズル21aは、第1分岐流路3に送られる排気による出力を最大化するように開度調整を行う。絞り弁には備わっていない可変ノズル21aのこのような機能を最大限に活用するためである。
d) やはり上記b)の制御を実現するため、動力回収用排気タービン21へ供給される排気の量が、夏季においてもガスエンジン1の全排気量の10%以上(冬季には20%程度以上)となるよう、上記各可変ノズル11a、21aの開度を調整する。このようにすると、動力回収用排気タービン21におけるエネルギー回収を積極化して、ガスエンジン1と動力回収用排気タービン21との合計出力を容易に増大させることができる。
e) 上記d)のようにするため、場合によっては、過給機10の過給用タービン11の可変ノズル11aの開度を、ガスエンジン1の排気圧力が給気圧力と同等(給気圧力と同一か、それよりやや低い程度)になるまで絞る。過給用タービン11の可変ノズル11aをこのように絞ると、動力回収用排気タービン21へ供給される排気の量を上記d)の程度以上に増やし、システムの合計出力をより一層増大させることができる。
図3のガスエンジンシステムは、図2のシステムを基本にするものだが、実用性を高めるためにつぎの構成が付加されている。すなわち、動力回収用排気タービン21に至る排気の第1分岐流路3に第1ストップ弁V1が設けられるとともに、過給機10の過給用タービン11へ至る排気流路2に、大気に通じる別の第2分岐流路4が接続され、この第2分岐流路4に第2ストップ弁V2が設けられている。
このシステムでは、動力回収用排気タービン21またはその可変ノズル21aが故障等した場合の対応を有利に行うことができる。すなわち、まず故障等のない通常運転時には、第1分岐流路3の第1ストップ弁V1を全開にし、第2分岐流路4の第2ストップ弁V2を全閉にして、実質上図2と同じ系統にしてシステムを運転する。その一方、動力回収用排気タービン21等に故障が発生した場合には、第1ストップ弁V1を全閉にして動力回収用排気タービン21への排気供給を止める(さらに減速機23と動力回収用排気タービン21との接続を解く)とともに、第2ストップ弁V2の開度を調整して、過給機10に使用しない余剰の排気を第2分岐流路4から大気中に放出する。動力回収用排気タービン21を使用しない間、エネルギー回収効率が低下するのはやむを得ないが、ガスエンジン1の円滑な運転を継続しながら、動力回収用排気タービン21等の修理を進めることができる。
なお、図3のシステムにおいて、動力回収用排気タービン21の出力軸が、図1の例のように発電機に接続されてもよい。その場合も、可変ノズル21aが故障等した場合の対応をやはり有利に行うことができる。
1 ガスエンジン
2 排気流路
3 第1分岐流路
5 給気流路
8 発電機
10 過給機
11 過給用タービン
11a 可変ノズル
12 ブロア
21 動力回収用排気タービン
21a 可変ノズル
22 発電機
2 排気流路
3 第1分岐流路
5 給気流路
8 発電機
10 過給機
11 過給用タービン
11a 可変ノズル
12 ブロア
21 動力回収用排気タービン
21a 可変ノズル
22 発電機
Claims (11)
- ガスエンジンと、
前記ガスエンジンからの排気が供給されて駆動される過給用タービンを有し、当該過給用タービンが駆動されることにより前記ガスエンジンに給気を過給する過給機と、
前記ガスエンジンに接続され、当該ガスエンジンから前記過給用タービンに供給される排気の一部が供給されて駆動される動力回収用排気タービンと、を備え、
前記過給用タービンおよび前記動力回収用排気タービンは、開度調整可能な可変ノズルをそれぞれ有していることを特徴とするガスエンジンシステム。 - 前記ガスエンジンに発電機が接続され、
前記動力回収用排気タービンに、前記発電機とは異なる他の発電機、または前記ガスエンジンが接続されていることを特徴とする請求項1に記載のガスエンジンシステム。 - 前記ガスエンジンと前記過給用タービンとの間に、当該ガスエンジンから当該過給用タービンに排気を供給する排気流路が接続され、
前記排気流路に、前記動力回収用排気タービンに接続された第1分岐流路が接続されるとともに、当該排気流路を流れる排気を大気に放出可能な第2分岐流路が接続されており、
前記第1分岐流路に、当該第1分岐流路を開閉可能な第1ストップ弁が設けられ、
前記第2分岐流路に、当該第2分岐流路を開閉可能な第2ストップ弁が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のガスエンジンシステム。 - 前記過給用タービンおよび前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、前記ガスエンジンにおいて所定の空燃比が実現するとともに、当該ガスエンジンおよび前記動力回収用排気タービンによる出力の合計値が増大するように調整されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のガスエンジンシステム。
- 前記過給用タービンおよび前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、当該動力回収用排気タービンに供給される排気の量が、外気温にかかわらず常に前記ガスエンジンの全排気量の10%以上となるように調整されることを特徴とする請求項4に記載のガスエンジンシステム。
- 前記過給用タービンの前記可変ノズルの開度は、前記ガスエンジンから排出される排気の圧力が当該ガスエンジンに過給される給気の圧力と同等になるように調整されることを特徴とする請求項5に記載のガスエンジンシステム。
- 前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、当該動力回収用排気タービンの出力を最大化するように調整されることを特徴とする請求項4乃至6のいずれかに記載のガスエンジンシステム。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載のガスエンジンシステムの制御方法において、
前記過給用タービンおよび前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、前記ガスエンジンにおいて所定の空燃比が実現するとともに、当該ガスエンジンおよび前記動力回収用排気タービンによる出力の合計値が増大するように調整されることを特徴とするガスエンジンシステムの制御方法。 - 前記過給用タービンおよび前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、当該動力回収用排気タービンに供給される排気の量が、外気温にかかわらず常に前記ガスエンジンの全排気量の10%以上となるように調整されることを特徴とする請求項8に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
- 前記過給用タービンの前記可変ノズルの開度は、前記ガスエンジンから排出される排気の圧力が当該ガスエンジンに過給される給気の圧力と同等になるように調整されることを特徴とする請求項9に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
- 前記動力回収用排気タービンの前記可変ノズルの開度は、当該動力回収用排気タービンの出力を最大化するように調整されることを特徴とする請求項8乃至10のいずれかに記載のガスエンジンシステムの制御方法。
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