CN102918253B - 燃气发动机 - Google Patents

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Abstract

将以比空气的比重小的气体作为燃料且具备增压器前预混合装置的燃气发动机（1）中，其特征在于，利用位于增压器（3）的供气系统下游侧的供气冷却器（4）对由增压器（3）加压的预混合气体进行冷却，利用气液分离装置（7）将伴随着冷却而冷凝的冷凝水和伴随着该冷凝水而排出的预混合气体分离成冷凝水、空气、燃料气体，使燃料气体返回增压器（3）的供气系统上游侧，将冷凝水向大气排出。

Description

燃气发动机
技术领域
本发明涉及将天然气、生物气、或从煤矿坑内等排出的含甲烷气体作为吸气气体、燃料有效利用的具备供气冷却器的燃气发动机。
背景技术
对于甲烷CH4、二氧化碳CO2等的温室效应气体的排出限制的舆论的关注逐年升高。尤其是甲烷CH4具有二氧化碳CO2的21倍的温室效应，无法忽视甲烷CH4向大气中的排放。另一方面，在煤的开采时，从煤矿坑内，每一吨煤向大气排放10～40Nm3(纯甲烷换算)的大量的甲烷CH4。
从煤矿坑内排出的甲烷CH4含有气体混杂在石灰层中，有为了安全而从抽气钻孔利用真空泵回收的回收含甲烷气体CMM(Coal MineMethane：煤矿瓦斯。甲烷浓度30～50重量％)、及为了从坑道及采掘场进行换气而排出的换气含甲烷气体VAM(Ventilation Air Methane：通风瓦斯。甲烷浓度0.3～0.7重量％)。
因此，不将在煤矿坑内产生的含甲烷气体向大气排放而进行有效利用的情况的社会性且经济性的贡献极大。
在专利文献1中公开了一种燃气轮机：能够利用在垃圾的填埋处置厂产生的填埋气体、所述煤矿排出气体等那样甲烷浓度比可燃界限低的气体作为燃料。
在专利文献2中公开了一种使用从煤矿坑内排出的含甲烷气体作为燃料的发电用燃气发动机。相对于专利文献2的图5，基于附图4说明详细地公开了坑内状况的概要的燃气发动机发电设备。
图4示意性表示设置在煤矿坑内和煤矿坑内的附近的燃气发动机发电设备200。在图4中，在煤矿坑内，煤层C0和开采煤层C1形成为层状。
设有将煤矿坑内与外部连通的换气孔206。
在煤矿坑内的采掘场204中，在开采煤层C1穿设有抽气钻孔208，从抽气钻孔208排出的含甲烷气体CMM从设置在换气孔206内的管路210借助真空泵211向燃气发动机发电设备200传送。
另外，从煤矿坑内通过换气孔206排出的换气含甲烷气体VAM通过管路212向燃气发动机发电设备200传送。燃气发动机发电设备200运转而产生的电力E及蒸气S向煤矿坑内实用设备202或其他的需要目的地传送。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2010-19247号公报
【专利文献2】美国专利申请公开第2005/0205022号说明书
发明内容
以甲烷气体为燃料的燃气发动机是如下所述发动机：燃烧后的排出物仅有水H2O和二氧化碳CO2，因此具有环境污染极少的长处，期待着今后广泛普及。
在使用甲烷气体等低卡路里气体作为燃料时，来自设置于各气缸的燃料气体供给用电磁阀的燃料供给量不足，因此需要利用供气系统来补充不足量。进行所谓增压器前预混合，该增压器前预混合是指在增压器之前进行该不足量的燃料气体补给。
因此，在混合了燃料气体的预混合气体由增压器加压之后，由供气冷却器冷却，供气中含有的水蒸气发生冷凝而成为水滴。为了排出该水滴而预混合气体的一部分随着水滴作为排放物而被排出。
然而，如已述那样，甲烷CH4具有二氧化碳CO2的21倍的温室效应，并且由于将加压后的预混合气体排出，因此会导致发动机的增压效率及热机效率的下降。
本发明鉴于上述现有技术的课题，其目的是在使用低卡路里气体作为燃气发动机的燃料时，在具有使伴随着排放物排出的预混合气体成为冷凝点以下的压力的容量的容器中进行气液分离，将水分向外部排出并使燃料气体再次返回供气系统，由此来实现供气排放物中含有的燃料气体的再利用产生的发动机热效率的提高和有害气体的大气排放的削减。
本发明为了实现上述目的，涉及一种具备供气冷却器的燃气发动机，所述燃气发动机在对于向以气体为燃料的燃气发动机的供气进行加压的增压器的供气系统上游侧，具备将燃料气体与空气混合而生成预混合气体的增压器前预混合装置，其特征在于，具备：供气冷却器，其位于所述增压器的供气系统下游侧，对由所述增压器加压后的所述预混合气体进行冷却，且具有将伴随着所述预混合气体的冷却而冷凝的冷凝水排出的排放阀；及气液分离装置，其经由第一导管与所述排放阀连接，将伴随着所述冷凝水排出的所述预混合气体从所述冷凝水分离，由该气液分离装置分离后的所述预混合气体经由第二导管而流入至所述增压器的供气系统上游侧。
根据本发明装置，构造为，预混合了燃料气体的预混合气体未伴随着冷凝水排出到大气中，而分离成预混合气体和冷凝水，并使预混合气体流入增压器的供气系统上游侧，因此燃料气体的发动机热效率提高。
此外，由于未燃烧的燃料气体未排放到大气中，因此具有防止大气污染效果。
另外，在本申请发明中，优选的是，也可以，所述燃料气体是比空气的比重小的燃料，所述气液分离装置具有将伴随着所述冷凝水排出的所述预混合气体释放成大气压或接近大气压的压力的容量，并且所述气液分离装置在上部具备捕集所述预混合气体的捕集部。
通过形成为这种结构，由于将预混合气体释放成大气压或接近于大气压的压力，因此会促进预混合气体的气液分离，来自伴随着燃料气体返回供气系统的预混合气体的冷凝水消失，具有能够防止构成供气系统的构件的腐蚀的效果。
另外，在本申请发明中，优选的是，也可以，具备排放阀控制单元，所述排放阀控制单元基于由配置在所述增压器的上游侧的第一供气温度传感器检测到的所述预混合气体的增压器吸入温度(Tsuc)、由设置在所述供气冷却器出口侧的第二供气温度传感器及供气压力传感器检测到的所述预混合气体的供气温度(Ts)、以及供气压力(Ps)，对所述排放阀进行开闭控制。
通过形成为这种结构，在供气冷却器内未产生冷凝水时，将排放阀关闭，从而防止不需要的预混合气体的排出，能够将向燃气发动机的增压效率的减少抑制成最小限度。
另外，在本申请发明中，优选的是，也可以，具备排放阀控制单元，所述排放阀控制单元利用所述供气冷却器及所述增压器将所述供气冷却器出口侧的供气温度(Ts)及所述供气压力(Ps)控制为一定，并且在处于该一定的所述供气温度(Ts)及所述供气压力(Ps)时，基于映射算出在所述供气冷却器出口侧的预混合气体的相对湿度成为100％时的增压器侧的预混合气体的基准吸入温度(Tstd)，在实际检测到的所述吸入温度(Tsuc)的检测值比该算出的基准吸入温度(Tstd)低时，将所述排放阀维持成关闭状态。
通过形成为这种结构，基于映射算出增压器侧的预混合气体的基准吸入温度(Tstd)，在实际检测到的所述吸入温度(Tsuc)的检测值比该算出的基准吸入温度(Tstd)低时，通过控制排放阀的开闭而实现将向燃气发动机的增压效率的下降抑制成最小限度的效果。
另外，在本申请发明中，优选的是，也可以，所述气液分离装置的所述捕集部相对于所述增压器的供气系统上游侧的供气路径形成构件位于重力方向下侧。
通过形成为这种结构，由于燃料气体比空气的比重小，因此利用气液分离装置将预混合气体分离，此外，将燃料气体向上方分离，因此分离后的燃料气体自然地流入供气路径形成构件的供气路径，因此实现装置的简化，具有成本降低效果。
【发明效果】
根据本发明，从包含伴随着由供气冷却器冷凝的冷凝水而排出的燃料气体的供气，分离成燃料气体和水分，燃料气体返回供气系统，并且水分向大气排放，由此，对应于分离的燃料气体而发动机热效率提高，另一方面，未燃料气体未向大气排放，因此能够提高大气污染的防止效果。
此外，通过控制供气冷却器的排放阀的开闭，而减少加压后的预混合气体的排出时间，由此具有能够抑制向燃气发动机的增压效率下降的效果。
附图说明
图1表示本发明的实施方式的燃气发动机的概略结构图。
图2是在本发明的实施方式的燃气发动机中使用的排放阀开闭控制映射，(A)表示相对于供气压力Ps的供气露点温度Ts与绝对湿度Sh之间的关系，(B)表示相对于相对湿度的绝对湿度g/kg与增压器侧的基准吸入温度(Tstd)之间的关系。
图3表示本发明的实施方式的排放阀开闭控制流程图。
图4表示现有技术的说明图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式，详细说明本发明。
但是，本实施方式记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别特定的记载，就不是将本发明的范围仅限定于此，只不过是说明例。
基于图1～图3，说明本发明的燃气发动机的实施方式。
本实施方式的发电用燃气发动机1设置在煤矿附近，使用燃料气体及作为供应气体的从煤矿内排出的含甲烷气体。在图1中，在发电用燃气发动机1(以后记载为燃气发动机1)的输出轴15上连结有发电机10。
在与燃气发动机1连接的吸气路径形成构件即供气管6的供气系统上游侧设置有油浴式过滤器61。由煤矿内排出的为了从坑道及采掘场换气而排出的换气含甲烷气体VAM和外部气体被导入油浴式过滤器61。油浴式过滤器61是将钢纤维形成为棉状并浸渍有油的构造，主要将尘埃等除去。
在供气管6的中间部且在增压器3的上游侧安装有气体混合器5。气体混合器5是使燃料气体在增压器3的上游侧与来自油浴式过滤器61的供气混合而生成预混合气体的所谓增压器前预混合装置。
这是为了如下原因而进行：在以低卡路里气体为燃料时，仅向燃气发动机1直接供给气体燃料的话，所希望的燃料量产生不足。
另外，向气体混合器5的燃料气体供给通过从后述的向燃气发动机1供给燃料气体的燃料气体供给管92分支的预混合配管53来进行。52是燃料气体的流量计，将流量计52的检测结果向控制装置2发送。基于该结果，对于向气体混合器5的气体供给量由控制装置2进行向混合器阀51的流量调整。
在吸气管6的吸气系统下游侧，利用从燃气发动机1的集合排气管17排出的废气来驱动排气涡轮32，并设置有增压器3，该增压器3与排气涡轮32同轴地连结且具有对供气管6的预混合气体进行加压的压缩器31。
另外，在供气管6的气体混合器5与增压器3之间设置有测定预混合气体的温度的第一供气温度传感器11(Tsuc)。由第一供气温度传感器11(Tsuc)检测到的检测值向控制装置2发送。该检测值作为后述的排放阀81的控制要素使用。34是废气流量调整阀，该废气流量调整阀设置在使来自排气集合管17的废气绕过排气涡轮32的废气旁通管33上，且通过控制装置2进行动作。废气流量调整阀34进行向排气涡轮32的废气流量的调整并进行压缩器31的加压调整。
在增压器3的供气系统下游侧设置有对由增压器3加压后的预混合气体进行冷却的供气冷却器4。预混合气体中含有的水蒸气伴随着由供气冷却器4进行的冷却发生冷凝而成为水滴，从供气冷却器4的排放阀81经由作为第一导管的排放配管42而被导向气液分离装置7。供气冷却器4对预混合气体进行冷却，由此提高气体密度而实现燃气发动机1的输出提高，并使预混合气体中的水蒸气冷凝而将其除去，由此抑制形成供气系统的各构件的防锈。
在供气冷却器4的供气系统下游侧具有与燃气发动机1的各气缸连结的支管，并连结有将预混合气体导入到各气缸内的供气岐管16。在供气岐管16设置有第二供气温度传感器12和供气压力传感器13，该第二供气温度传感器12检测从供气冷却器4导入的预混合气体的供气温度Ts并将该检测值向控制装置2发送，该供气压力传感器13检测供气压力Ps并将该检测值向控制装置2发送。该各个检测值作为后述的排放控制单元8的控制要素而使用。
配置在燃料气体供给管92的上游侧的过滤器91是将作为燃料气体的含甲烷气体CMM(Coal Mine Methane。甲烷浓度30～50重量％)中含有的尘埃、水蒸气等除去的第一次除去装置。通过了过滤器91的燃料气体由作为第二次除去装置的燃料除雾器9再次将液体微粒子(雾)从燃料气体分离。
双重地设置净化装置是由于从煤矿排出的燃料气体中混入有大量的尘埃、水蒸气等，为了将燃料气体中的杂质除去而除去对燃气发动机1的坏影响。
通过了燃料除雾器9的燃料气体的一部分由从燃料气体供给管92分支的预混合配管53向气体混合器5进行燃料气体的供给，从而进行已述的增压器前预混合。
燃料气体的大部分经由燃料气体供给管92向燃气发动机1的各气缸供给。
控制装置2基于对设置于燃料气体供给管92的燃料气体的流量进行检测的燃料气体流量计93的检测值，对调整燃料气体的压力的调压阀14和在燃气发动机1的各气缸设置的气体供给电磁阀18进行控制，来调整向各气缸流入的燃料气体流量。
在供气冷却器4的下部安装有将冷凝后的排放物(水分)向供气冷却器4的外部排出的排放阀81。
排放控制单元8包括：在供气冷却器4的底部安装的排放阀81；使排放物与预混合气体分离的气液分离装置7；将排放阀81与气液分离装置7连通的作为第一导管的排放配管42；使分离后的燃料气体向供气管6返回的作为第二导管的返回配管73；第一供气温度传感器11；第二供气温度传感器12；供气压力传感器13；以及具备对排放阀81进行开闭控制的映射的控制装置2。
通过了供气冷却器4的排放阀81的排放物和加压后的预混合气体经由排放配管42而被导入至气液分离装置7。
气液分离装置7具有能够使被加压的预混合气体返回大气压或接近大气压的压力的容量的空间71，通过使预混合气体的压力下降而供气中含有的水蒸气发生冷凝，从而使水分从预混合气体分离。
此外，在气液分离装置7的上部设置具有圆锥状的空间的燃料气体收集部72。用于收集预混合气体中含有的甲烷气体。甲烷气体由于比重比空气小，因此在气液分离装置7内从空气分离而仅甲烷气体集中于上方(燃料气体收集部72)。在燃料气体收集部72的圆锥状的顶部设置有作为第二导管的返回管73，该返回管73的一端向该顶部开口而另一端向供气管6的气体混合器5与油浴式过滤器61的中间部开口。
另外，气液分离装置7的燃料气体收集部72的位置配置成在重力方向上比返回管73的另一端更靠下侧。其结果是，由燃料气体收集部72收集的甲烷气体和一部分的空气上升而自然地被导入至供气管6内，被作为燃料使用，因此相应地，发动机热效率提高。
需要说明的是，气液分离装置7内的其他的空气随着积存于气液分离装置7的排放物而被排出到大气中。
此外，由于燃料气体向供气管自然地导入，因此具有能够抑制作为装置的成本上升的效果，并且由于未将甲烷气体向大气排放，因此会防止温室效应。
图2表示本实施方式的排放阀开闭控制映射的一例。
排放阀开闭控制映射中，图2(A)是相对于供气压力Ps，纵轴表示供气露点温度Ts(供气温度)，横轴表示绝对湿度Sh(含有水蒸气量g/kg)，从而表示相对于供气压力Ps的供气露点温度Ts与绝对湿度Sh之间的关系。
对于供气冷却器出口侧的供气温度Ts及供气压力Ps，通过控制装置2将供气冷却器4及增压器3控制成一定(燃气发动机输出)。
另外，预混合气体由供气冷却器4冷却，多余的水蒸气冷凝而被排除，因此在所测定的供气温度Ts和供气压力Ps的状态下，预混合气体中的水蒸气成为未冷凝的状态(相对湿度为100％)，置换为供气温度Ts＝供气露点温度Ts。
另外，图2(B)的横轴表示绝对湿度Sh(含有水蒸气量)g/kg，纵轴表示增压器3吸入的基准吸入温度Tstd(干球温度)，表示了相对于相对湿度的绝对湿度g/kg与在增压器侧的基准吸入温度(Tstd)之间的关系。
本映射基于增压器3及供气冷却器4的性能，利用本实施方式的燃气发动机1的试验结果而求出。
例如，在图2中，在供气温度Ts＝40℃、供气压力Ps＝2kg/cm2(控制为一定)时，相对湿度100％时的增压器3的基准吸入温度Tstd成为22度。因此，增压器3吸入的实际的供气温度Tsuc≤基准吸入温度时，由于为绝对湿度Sh减小的方向，因此增压器3吸入的预混合气体中在供气冷却器4出口侧含有的水蒸气成为未冷凝的情况。
换言之，若由增压器3吸入的预混合气体的温度为22℃，相对湿度100％，则通过供气冷却器4后的供气温度Ts为40℃，供气压力Ps维持为2kg/cm2，预混合气体成为与供气露点温度Ts相同，因此在由增压器3吸入的预混合气体的温度(供气温度Tsuc)为22℃以下时，绝对湿度减小，因此预混合气体中含有的水蒸气在供气冷却器4中未冷凝。
因此，由于未产生排放物，所以排放阀81维持关闭状态，由此预混合气体未伴随着排放物从供气冷却器4排出，因此能够防止向燃气发动机1的增压效率下降。
基于图3，说明控制流程。
从步骤S1开始，在步骤S2中利用第二供气温度传感器12来检测预混合气体通过供气冷却器4后的供气温度Ts(发动机前)。在步骤S3中利用供气压力传感器13来检测预混合气体通过供气冷却器后的供气压力Ps(发动机前)。在步骤S4中利用第一供气温度传感器11来检测增压器3的预混合气体吸入前的供气温度(Tsuc)。
在步骤S5中根据供气温度(Ts)及供气压力(Ps)，根据映射算出绝对湿度(Sh)。〔图2(A)〕
在步骤S6中，根据映射，算出在由步骤S5算出的绝对湿度(Sh)中相对湿度(Rh)为100％时的基准吸入温度(Tstd)。〔图2(B)〕
在步骤S7中，比较是否在步骤S4中检测到的供气温度(Tsuc)≤基准吸入温度(Tstd)。
在为是时进入是，在步骤S8中排放阀Vd维持关闭，在步骤S10中返回。另一方面，在为否时进入否，在步骤S9中排放阀Vd成为将排放物(冷凝水)定期地向气液分离装置7排出的动作，在步骤S10中返回。
在本发明的实施方式中，构造为，利用供气冷却器4及气液分离装置7，将预混合气体中含有的燃料气体(甲烷)与冷凝水分离，使燃料气体(甲烷)向增压器的供气系统上游侧流入，并将冷凝水从气液分离装置7排出到大气中，因此能够提高燃料气体的发动机热效率，并且没有将未燃烧的甲烷气体排放到大气中，因此能得到大气污染抑制效果。
冷凝水由于从气液分离装置7排出到大气中，因此具有形成吸气系统路径的构件的防腐蚀效果。
此外，具备排放阀控制单元，在排放开时，由于与冷凝水相伴而伴随着被加压的预混合气体的排出，因此基于增压器3的吸入温度(Tsuc)、供气冷却器4的出口侧的供气温度(Ts)、供气压力(Ps)，在一定的条件下，在吸入温度(Tsuc)低于某阈值(基准吸入温度Tstd)时，没有排放物(冷凝水)的生成，因此控制成将排放物装置的排放阀维持成关闭状态，抑制加压后的预混合气体的排出而使向燃气发动机的增压效率的减少形成为最小限度。
【工业实用性】
能够适用于如下的燃气发动机，即：以低卡路里气体为燃料，实现抑制具有对燃料的一部分进行预混合的增压器前预混合装置的燃气发动机的因排放物装置产生的增压效率下降，并实现排放物含有的燃料气体的回收引起的燃料效率改善。

Claims (5)

1.一种燃气发动机，所述燃气发动机是以气体为燃料的燃气发动机，在对于供气进行加压的增压器的供气系统上游侧，具备将燃料气体与空气混合而生成预混合气体的增压器前预混合装置，其特征在于，
所述燃气发动机具备：
供气冷却器，其位于所述增压器的供气系统下游侧，对由所述增压器加压后的所述预混合气体进行冷却，且具有将伴随着所述预混合气体的冷却而冷凝的冷凝水排出的排放阀；及
气液分离装置，其经由第一导管与所述排放阀连接，将伴随着所述冷凝水排出的所述预混合气体从所述冷凝水分离，
由该气液分离装置分离后的所述预混合气体经由第二导管而流入至所述增压器的供气系统上游侧。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，
所述燃料气体是比空气的比重小的燃料，所述气液分离装置具有将伴随着所述冷凝水排出的所述预混合气体释放成大气压或接近大气压的压力的容量，并且所述气液分离装置在上部具备捕集所述预混合气体的捕集部。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机，其特征在于，
具备排放阀控制单元，所述排放阀控制单元基于由配置在所述增压器的上游侧的第一供气温度传感器检测到的所述预混合气体的增压器吸入温度(Tsuc)、由设置在所述供气冷却器出口侧的第二供气温度传感器及供气压力传感器检测到的所述预混合气体的供气温度(Ts)、以及供气压力(Ps)，对所述排放阀进行开闭控制。
4.根据权利要求3所述的燃气发动机，其特征在于，
具备排放阀控制单元，所述排放阀控制单元利用所述供气冷却器及所述增压器将所述供气冷却器出口侧的供气温度(Ts)及所述供气压力(Ps)控制为一定，并且在处于该一定的所述供气温度(Ts)及所述供气压力(Ps)时，基于映射算出在所述供气冷却器出口侧的预混合气体的相对湿度成为100％时的增压器吸入的预混合气体的基准吸入温度(Tstd)，在实际检测到的所述吸入温度(Tsuc)的检测值比该算出的基准吸入温度(Tstd)低时，将所述排放阀维持成关闭状态。
5.根据权利要求2所述的燃气发动机，其特征在于，
所述气液分离装置的所述捕集部相对于所述增压器的供气系统上游侧的供气路径形成构件位于重力方向下侧。
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