JP2006118367A - ジメチルエーテルを燃料とする燃焼機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を気化して燃料とするガスタービン等の燃焼機関において、燃焼器官の停止時にＤＭＥの燃料供給管路内で液化するのを防止し、燃焼機関の円滑な再起動を行う。
【解決手段】燃料供給管路１０に燃料のＤＭＥを大気中に放出する放出弁１４を接続し、燃焼機関への燃料の供給を遮断しこれを停止するときに、その放出弁１４を開放する。放出弁１４の開放によって燃料供給管路１０内の圧力は大気圧に低下し、ＤＭＥは大気圧の下では低温となっても液化しないので、管路中で液化することはない。したがって、燃料管路中の機器等に液体として付着して管路を閉塞することはなく、次の起動を円滑に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料として使用する燃焼機関、特に、気体状態のＤＭＥを燃料とするガスタービン装置、にＤＭＥを供給するための燃料供給装置に関するものである。

エネルギーの安定供給あるいはエネルギー源となる燃料の多様化等の観点から、近年、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）が燃焼機関の燃料として注目を浴びている。ＤＭＥは天然ガス、石炭またはバイオマスなどから製造され、人体には無害であり、燃焼によって煤やＳＯｘ等を排出することはなく、環境面でも優れた燃料である。

ＤＭＥは化学式がＣＨ₃ＯＣＨ₃の構造を有するエーテルであって、加圧又は低温とすることによって容易に液化することが可能で、２０℃、２気圧で液体となる。このため、輸送及び貯蔵が簡便であり、民生用に広く用いられるＬＰＧと同等の取扱いをすることができる。ＤＭＥを燃焼機関、つまりエンジン用の燃料として利用する研究開発も精力的に行われており、ＤＭＥが容易に液化可能であり排気ガス中の有害成分が少ないという特性から、例えば、特開２００１−１１５９０８号公報に示されるように、これをディーゼルエンジン用の燃料に使用する開発が実用化に向け推進されている。

燃焼機関の中には、ディーゼル機関等の往復動式内燃機関以外にガスタービンも存在する。最近では、電力事情の変化に伴って商用電力の利用について見直しが行われ、小規模工場あるいは店舗等では、分散電力となる自家用発電設備を設置する事例が増加しているが、自家用発電設備としては、ガスタービンにより発電機を駆動する発電設備、ことに、マイクロガスタービンと呼ばれる小型のガスタービンにより駆動される高速発電機を備えた発電設備が増加している。

ガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンを備え、圧縮機により圧縮された空気中で燃料を連続的に燃焼させ、発生した燃焼ガスによりタービンを回転させる連続燃焼式内燃機関である。ガスタービンは、ディーゼルエンジン又はガソリンエンジンと比べると、小型軽量であり、かつ、排気ガス中の有害成分の量が少なく環境特性にも優れている。また、各種の燃料が使用可能であって、気体燃料を燃焼させるガスタービンでは、基本的な機器を殆ど代えることなくＤＭＥを燃料とすることができる。ガスタービンの燃料としてＤＭＥを使用することは従来から知られており、一例として特開２００４−２２５５４６号公報に開示されている。
特開２００１−１１５９０８号公報 特開２００４−２２５５４６号公報

マイクロガスタービンを有する自家発電設備では、ＬＰＧ等の気体燃料を使用することが多い。ＤＭＥはＬＰＧと類似の性質を備えているので、このようなガスタービンにおいてＤＭＥを燃料とするときは、気体燃料として燃焼器に供給することが望ましい。ところが、ＤＭＥは液化し易く、ガスタービンの燃焼器に至る燃料供給管路が低温であるときは容易に液体となってしまう。そこで、上記の特許文献2には、ガスタービンの起動時に燃料供給管路でＤＭＥが液化するのを防止するため、起動時には軽油等の通常燃料を用いてガスタービンを作動させ、その間にＤＭＥの燃料供給管路に高温の蒸気を注入して管路のウォーミングを図る技術が記載されている。しかし、この液化防止技術は、蒸気の発生源を必要とするとともに、注入された蒸気が管内に残留し燃料供給管路の機器に悪影響を及ぼし、さらに、燃焼器で失火する恐れを生じるという問題がある。

また、ＤＭＥの液化は、ガスタービンが停止し燃料供給管路が冷却されると、その時点から始まることとなる。例えば、昼間に運転を行い夜間は停止する自家発電設備では、夜間にＤＭＥが液化して長時間液体として燃料供給管路中に滞留する。燃料供給管路中には、燃料遮断弁や減圧弁が配置されており、これらは燃料の圧力に応動させるための細い通路又はオリフィスなどを備えた精密機器である。液化したＤＭＥがこれらの機器に長時間滞留すると、細い通路等に液体のまま付着して、次の起動の際に弁が作動せず燃料が供給できないことがあり、また、シール材等を傷めてしまうことがある。本発明は、ＤＭＥの液化に起因するこうした課題を解決するものである。

上記の課題に鑑み、本発明は、ＤＭＥを燃料とするガスタービン等の燃焼機関において、ＤＭＥの燃料管路内での液化防止を目的とし、燃焼機関の停止時には燃料管路内のＤＭＥを大気中に放出するものである。すなわち、本発明は、
「ジメチルエーテルを気体とし燃焼機関の燃料として供給する燃料供給装置において、
前記燃料供給装置は、燃料を供給する管路を有するとともに、その管路には管路内の燃料を大気中に放出する放出弁が接続されており、
前記燃料供給装置は、前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときに、前記放出弁を開放する制御装置を備えている」
ことを特徴とする燃料供給装置となっている。

請求項２に記載のように、本発明の燃料供給装置では、燃料タンクの近傍に置かれたタンク出口弁と、前記燃焼機関の近傍に置かれた燃料遮断弁とを配置し、前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときに、前記制御装置が、前記燃料遮断弁及び前記タンク出口弁を閉鎖した後、前記放出弁を開放するように構成することができる。

この構成においては、請求項３に記載のように、前記制御装置が、前記燃料供給管路内の圧力が大気圧となったときに前記放出弁を閉鎖するように制御することが好ましい。

請求項４に記載のように、前記燃料供給装置の管路には、電熱線によるヒーターを設置することができる。

請求項５に記載のように、本発明は、ＤＭＥを燃料とするガスタービンに好適であり、ガスタービンに適用したときは、前記燃料供給装置はその燃焼器に燃料を供給することとなる。

また、本発明は方法の発明として実施することができる。この場合には、請求項６に記載のように、
「ジメチルエーテルを気体とし燃焼機関の燃料として供給する燃料供給方法において、
燃料を供給する管路に管路内の燃料を大気中に放出する放出弁を接続し、
前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときは、前記放出弁を開放し管路内の燃料を大気中に放出する」
ことを特徴とする燃料供給方法となる。

ＤＭＥを燃料とする本発明の燃料供給装置では、燃料供給管路に燃料のＤＭＥを大気中に放出する放出弁を接続し、燃焼機関への燃料の供給を遮断しこれを停止するときに、その放出弁を開放する。放出弁の開放によって管路の圧力は大気圧に低下し、ＤＭＥは大気圧の下では低温となっても液化しないので、管路中で液化することはない。したがって、燃料管路中の減圧弁あるいは燃料遮断弁の細い通路中に液体として残留することはなく、これらの機器に不具合が生じない。

本発明では、放出弁からＤＭＥを放出した後は、燃料管路中には大気圧状態の気体のＤＭＥが充満している。このため、燃料管路中に空気等が侵入することが防止され、ガスタービン等の次回の起動が円滑に行われる。必要があれば、ＤＭＥの放出が完了し燃料管路が大気圧となった時点で、放出弁を閉鎖し空気の侵入を防ぐように構成してもよい。このような効果は、方法の発明として本発明を実施しても同様に達成することができる。

請求項２の発明のように、燃料タンクの近傍に置かれたタンク出口弁と、燃焼機関の近傍に置かれた燃料遮断弁とを配置したときは、放出弁を開放に際してこれらの弁を閉じることにより、燃料タンク及び燃焼機関に影響を及ぼすことなく、燃料供給管路のＤＭＥを放出できる。また、このときに請求項３の発明のように、燃料供給管路内の圧力が大気圧となったときに前記放出弁を閉鎖する制御を行うと、燃料供給管路内に空気が入り込むことが回避される。

請求項４の発明は、燃料供給装置の管路に電熱線によるヒーターを設置したものであり、これによって燃焼機関の運転中または起動前に燃料管路を加熱しＤＭＥの液化を確実に防止できる。具体的にはヒーターで管路を常時３０℃以上に維持するのが好ましい。この発明では電熱線により加熱を行っているので、特許文献２に記載の技術のように、残留蒸気が燃焼器に入り失火を起こすような恐れはない。

請求項５の発明は、ガスタービンに適用したものであり、ことにマイクロガスタービンを備えた自家用発電設備に適用した場合は、ＬＰＧ燃料との併用も可能となり、燃料の多様化の効果がより向上することとなる。

以下、図面によって本発明の燃料供給装置の実施例について説明する。図１は、ＤＭＥを燃料とするマイクロガスタービンにより駆動される発電機を備えた自家発電設備に、本発明を適用したときの概略図である。

ガスタービンは、圧縮機１及びタービン２を備え、これらを連結する軸に発電機３が直結され、例えば９００００ｒｐｍを超える回転数で駆動されている。発電機３の出力電力は、整流器４及びインバータ５によってその周波数が変換され、自家発電設備の電力を使用する照明、空調等の電力負荷６に供給される。また、インバータ５は商用電力にも接続されており、電力負荷６には商用電力も供給可能であるとともに、発電機３の余剰電力は商用電力側に提供することが可能である。

このガスタービンは、熱効率の向上の目的でいわゆる再生サイクルとして構成されており、圧縮機１で圧縮された空気は、燃焼器７に導かれる前に再生熱交換器８においてタービン２の排気ガスが保有する熱によって昇温される。ガスタービンの燃焼器７には、温風による気化装置を備えたＤＭＥ燃料タンク９から、燃料供給管路１０を経て気体のＤＭＥが供給される。燃焼器７の中で、ＤＭＥは圧縮機１からの圧縮空気によって燃焼し、生じた燃焼ガスはタービン２の作動流体となってこれを駆動して圧縮機１と発電機３を回転させる。

燃料供給管路１０には、燃焼器７の近傍に燃料遮断弁１２が、また、ＤＭＥ燃料タンク９の出口にタンク出口弁１３が配置され、その管路の途中には放出弁１４が接続されている。この放出弁１４は、管路中のドレンを排出するドレンブロー弁としての機能も果たすものである。また、ガスタービンの停止時に、燃料遮断弁１２、タンク出口弁１３及び放出弁１４の開閉を制御する制御装置１５が設けられる。

実際の燃料供給管路１０には、図２に示すように、これらの弁の他に多数の機器が取付けられる。具体的には、ＤＭＥ燃料タンク９内の高圧ＤＭＥの圧力を低下させてガスタービンに供給する減圧弁１６、緊急時に燃料を遮断する緊急遮断弁１７、異常高圧時にＤＭＥを放出する高圧側安全弁１８ａ及び低圧側安全弁１８ｂが配置してある。また、ＤＭＥの供給状況を監視・制御する計測器として、高圧側圧力計１９ａ及び低圧側圧力計１９ｂ並びに流量計２０が配置される。そして、ガスタービン停止時にＤＭＥを放出する放出弁は、高圧側放出弁１４ａと低圧側放出弁１４ｂとが、減圧弁１６の上流と下流にそれぞれ取付けられている。

燃料供給管路１０には、電熱線による加熱及び保温の手段が施されている。すなわち、図３に示すように、耐熱被覆された電熱線によるヒーター２１（トレース・ヒーター）が、ＤＭＥの流れる管１０ａの表面に接触させて長さ方向に沿って設けられるとともに、外側周囲にはグラスウール等の断熱材２２が配置され、これらは鉄板等の被覆材２３に覆われている。ヒーター２１は管１０ａに巻きつけるようにしてもよい。この加熱及び保温の手段は、図２において２点鎖線を付した、ＤＭＥタンク９の出口部からガスタービン入口部まで燃料供給管路１０のほぼ全長に亘って施されている。

次いで、本発明の制御方法について図４のフローチャートを参照しながら説明する。ガスタービンを停止するため停止ボタンが押され停止信号が入力されると（Ｓ１）、ガスタービンの直前に置かれた燃料遮断弁１３が閉となり、さらに、タンク出口弁１２も閉となる（Ｓ２、Ｓ３）。これらの弁の閉鎖が検出されると、放出弁１４（高圧側放出弁１４ａ及び低圧側放出弁１４ｂ）を開放し（Ｓ４）、燃料供給管路１０からＤＭＥを大気中に放出する。大気中への放出が好ましくないときは、容器に回収するようにしてもよい。その後、高圧側圧力計１９ａ及び低圧側圧力計１９ｂにより燃料供給管路１０内の圧力が大気圧となったことが検出されると（Ｓ５）、放出弁１４を閉鎖して（Ｓ６）、燃料供給管路１０内に空気が侵入するのを防止する。なお、ガスタービンの燃料遮断後であっても、タービン等の冷却のため、タービン２は暫くは回転を継続する。これにより、燃料遮断弁１３から燃焼器７に至る管路中のＤＭＥは、燃焼器７から大気中に放出される。

このようにして、ガスタービンの停止後は燃料供給管路１０内の圧力は大気圧となり、ＤＭＥの液化を回避することができる。この実施例で使用される燃料遮断弁１３は、ダイヤフラムの弁座を有しその上下に作用する燃料圧の差圧によって開閉するタイプであり、そのダイヤフラムには小孔が形成されているが、本発明の装置では、細い通路等が存在したとしても液体のＤＭＥが付着し閉塞を起こすことはなく、次回の起動をスムースに行うことができる。また、電熱線のヒーターによる加熱を行った場合には、より確実にＤＭＥの液化を防ぐことが可能となる。

以上詳述したように、本発明は、ＤＭＥを燃料とする燃焼機関において、ＤＭＥの燃料供給管路内での液化防止のため、燃焼機関の停止時には燃料管路内のＤＭＥを大気中に放出するものであり、さらには、燃料供給管路を電熱線ヒーターによって加熱保温するものである。したがって、燃焼機関としては上記のガスタービンに限らず、例えばＤＭＥを燃焼させる往復動式内燃機関に適用することができ、蒸気タービンやスターリングエンジンのような外燃機関にも適用できることは明らかである。

本発明によるガスタービン発電設備の概要を示す図である。 本発明に基づく燃料供給管路の詳細を示す図である。 本発明の電熱線ヒーターを示す図である。 本発明の作動を表すフローチャートである。

符号の説明

１ 圧縮機
２ タービン
７ 燃焼器
９ ＤＭＥ燃料タンク
１０ 燃料供給管路
１２ タンク出口弁
１３ 燃料遮断弁
１４ 放出弁
１５ 制御装置
２１ ヒーター
２２ 断熱材

Claims (6)

1. ジメチルエーテルを気体とし燃焼機関の燃料として供給する燃料供給装置において、
   前記燃料供給装置は、燃料を供給する燃料供給管路（１０）を有するとともに、その燃料供給管路（１０）には管路内の燃料を大気中に放出する放出弁（１４）が接続されており、
   前記燃料供給装置は、前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときに、前記放出弁（１４）を開放する制御装置（１５）を備えていることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記燃料供給装置は、燃料タンク（９）とその近傍に置かれたタンク出口弁（１２）とを備え、かつ、前記燃焼機関の近傍には燃料遮断弁（１３）を備えており、
   前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときに、前記制御装置（１５）が、前記燃料遮断弁（１３）及びタンク出口弁（１２）を閉鎖した後、前記放出弁（１４）を開放するよう制御する請求項1に記載の燃料供給装置。
3. 前記制御装置（１５）が、前記燃料供給管路（１０）内の圧力が大気圧となったときに前記放出弁（１４）を閉鎖するよう制御する請求項２に記載の燃料供給装置。
4. 前記燃料供給装置の管路には、電熱線によるヒーター（２１）が設置されている請求項1乃至請求項３のいずれかに記載の燃料供給装置。
5. 前記燃焼機関はガスタービンであり、前記燃料供給装置は、ガスタービンの燃焼器（７）に燃料を供給する請求項1乃至請求項４のいずれかに記載の燃料供給装置。
6. ジメチルエーテルを気体とし燃焼機関の燃料として供給する燃料供給方法において、
   燃料を供給する燃料供給管路（１０）に管路内の燃料を大気中に放出する放出弁（１４）を接続し、
   前記燃焼機関への燃料の供給を遮断し前記燃焼機関を停止するときは、前記放出弁を開放して管路内の燃料を大気中に放出することを特徴とする燃料供給方法。

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