JP2006177213A - ガスエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 設備費を少なくして液化天然ガスを気化した天然ガスを燃料とするガスエンジンの効率を向上する。
【解決手段】 液化天然ガスタンク１と発電機付きのガスエンジン２とを、液化天然ガスを水加熱方式により気化する気化器３を備えた燃料供給管６と、ガスミキサー７と、燃焼用空気の供給量を増加させる過給機８を備えた燃料混合空気供給管１０とを介して接続する。ガスミキサー７に、空気冷却器１３を備えた燃焼用空気供給管１５を接続し、燃焼用空気と天然ガスとを混合した燃料混合空気をガスエンジン２に供給する。気化器３と空気冷却器１３とを、第１の水配管１６と第１のポンプ１７を介装した冷水供給路としての第２の水配管１８とを介して接続し、気化器３での気化により冷却された冷水を冷却熱源として過給機８に供給される燃焼用空気を冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液化天然ガスを水加熱方式により気化し、その気化された天然ガスを燃料としてガスエンジンを駆動するとともに、そのガスエンジンに供給する燃焼用空気の供給量を過給機で増加するように構成したガスエンジンシステムに関する。

液化天然ガスを気化するものとして、従来、次のようなものが知られている。 液化天然ガスを導入外気によって気化する深冷器が設けられ、その深冷器よりも上流側に、前段予冷器と後段予冷器と除湿器とが、外気の流動方向に順に設けられ、予冷して除湿した外気によって液化天然ガスを加熱して気化するように構成されている。また、その気化によって冷却された外気をガスエンジンなどに供給するように構成されている（特許文献1参照）。

また、ガスタービンの吸気冷却装置として、次のようなものもあった。 圧縮機、燃焼器、タービンおよび発電機が一軸に結合されてガスタービン発電機が構成され、圧縮機の入口に吸気冷却用熱交換器が設けられ、その吸気冷却用熱交換器と液化天然ガス気化用熱交換器とが熱媒体ポンプを設けた循環系を介して接続され、水などの循環熱媒体を液化天然ガス気化用熱交換器での蒸発潜熱により冷却し、冷却された循環熱媒体との顕熱熱交換によりガスタービンへの吸気を冷却するように構成されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１４８８４５号公報（図１） 特開平６−４２３６９号公報（図４）

しかしながら、前者の従来例の場合、液化天然ガスを気化するために外気を導入するものであり、除湿器で除湿した外気を用いたとしても、極低温の液化天然ガスの気化潜熱により導入外気が著しく冷却され、年間を通じて、残存した水分の結露・凍結を生じる。このような事態を防止するために、温度制御構成や凍結して成長した氷を除去するための構成などが複雑化し、設備費が高価になる欠点があった。 また、液化天然ガスの気化設備は、安全上、法規制からも内燃機関と十分な離隔距離が必要とされており、その間をダクト（吸気量は一般に多いため大風量になり、口径も大きい）でつなぐことは、設備レイアウトおよび経済性の面で問題があった。 また、気化器の破損により吸気に天然ガスが混入し、ダクト内で何らかの着火源で爆発する危険性もあり、それを回避する手段も必要であった。 また、後者の従来例の場合、ガスタービンへの吸気を冷却するものであり、過給機を備えたガスエンジンシステムに適用したものではない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、設備費を少なくして液化天然ガスを気化した天然ガスを燃料とするガスエンジンの効率を向上できるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、冬期でも気化器の気化性能を低下させないようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、ガスエンジンの有用な排熱量を低減させないようにすることを目的とし、請求項４および５に係る発明は、ガスエンジンの有用な排熱量を低減させないようにしながら、起動後に迅速に気化器の熱源として利用できるようにすることを目的とし、請求項６に係る発明は、ガスエンジンの効率をより良好に向上できるようにすることを目的とする。

請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、
液化天然ガスを水加熱方式により気化する気化器と、
前記気化器で気化された天然ガスを燃料として駆動するガスエンジンと、
前記ガスエンジンに供給する燃焼用空気の供給量を増加させる過給機と、
を備えたガスエンジンシステムにおいて、
前記過給機への給気路に設けられて、前記気化器での気化により冷却された冷水を冷却熱源として前記過給機に供給される燃焼用空気を冷却する空気冷却器を備えて構成する。

（作用・効果）
請求項１に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、水加熱方式の気化器で液化天然ガスを気化する際の蒸発潜熱により冷却して冷水を得、その冷水を冷却熱源として過給機に供給される燃焼用空気を冷却する。 したがって、水加熱方式により液化天然ガスを気化するから、外気により加熱して液化天然ガスを気化させる場合に比べ、外気温度の変動による影響が少なくて温度制御構成や、結露水や凍結して成長した氷を除去するための構成を簡単に、かつ安全に、更に、設備レイアウトも容易に、かつ経済的にできる。また、その気化によって得られる冷水を利用して過給機に供給される燃焼用空気を冷却するから、ガスエンジンに供給する燃焼用空気の密度を高くでき、全体として、設備費を少なくして液化天然ガスを気化した天然ガスを燃料とするガスエンジンの効率を向上できる。 また、燃焼用空気を冷却するに伴って含有水分をドレンとして回収でき、燃焼用空気を除湿でき、エンジンシリンダー内での燃焼温度の低下を抑制できてガスエンジンの効率を向上できる。 更に、夏期や春秋の中間期においては、燃焼用空気の冷却で得られた熱を液化天然ガスの気化に利用することになり、省エネルギーを図ることができてランニングコストを低減できる。

請求項２に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載のガスエンジンシステムにおいて、
空気冷却器から気化器への冷水供給路に熱交換器を設け、前記熱交換器に、ガスエンジンに付帯の冷却機構に供する冷却水循環配管を接続して構成する。
ここで、ガスエンジンに付帯の冷却機構とは、エンジンジャケットの冷却構成、エンジンオイルの冷却構成、過給機を出た空気を冷却するインタークーラー、発電機の変速機用クーラーなどが挙げられる。

（作用・効果）
請求項２に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、ガスエンジンに付帯の冷却機構に対する冷却で得られるエンジン排熱を利用して液化天然ガスを気化することができる。 したがって、エンジン排熱を利用するから、外気温度が低い冬期でも気化器の気化性能を低下させることが無い。また、ガスエンジンの排熱量は十分多いため、ガスエンジンに供給するのに必要な天然ガスを気化するための熱量の全量を賄うことができ、バックアップ用の温水ボイラなどを設けたりせずに済み、経済的である。

請求項３に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項２に記載のガスエンジンシステムにおいて、
熱交換器に供給される冷却水が８０℃以下である。

（作用・効果）
請求項３に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、従来一般に冷却塔に捨てていた８０℃以下のエンジン排熱を液化天然ガスの気化に利用する。 したがって、ガスエンジンの排熱回収効率を向上できる。また、ジャケット冷却水のように８０℃を越えるエンジン排熱は気化に利用せず、吸収式冷凍機の熱源など他の用途に有効に利用することができる。更に、冷却塔に捨てる熱量を減少できるから、冷却塔の熱負荷を低減できてランニングコストを低減できる。

請求項４に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載のガスエンジンシステムにおいて、
過給機からの燃焼用空気を冷却するインタークーラーを備え、
前記インタークーラーに供する冷却水循環配管を熱交換器に接続して構成する。

（作用・効果）
請求項４に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、従来一般に冷却塔に捨てていたインタークーラーの排熱を液化天然ガスの気化に利用する。 したがって、ガスエンジンの排熱回収効率を向上できる。また、冷却塔に捨てる熱量を減少できるから、冷却塔の熱負荷を低減できてランニングコストを低減できる。更に、インタークーラーの排熱は、ジャケット冷却に対する排熱に比べ、ガスエンジンの起動後短時間で発生し始めるため、起動後に迅速に気化器の熱源として利用できる。

請求項５に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載のガスエンジンシステムにおいて、
過給機からの燃焼用空気を冷却する前段インタークーラーと後段インタークーラーとを備え、
前記後段インタークーラーに供する冷却水循環配管を熱交換器に接続して構成する。

（作用・効果）
請求項５に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、従来一般に冷却塔に捨てていた後段インタークーラーの排熱を液化天然ガスの気化に利用する。 したがって、ガスエンジンの排熱回収効率を向上できる。また、冷却塔に捨てる熱量を減少できるから、冷却塔の熱負荷を低減できてランニングコストを低減できる。更に、後段インタークーラーの排熱は、ジャケット冷却に対する排熱に比べ、ガスエンジンの起動後短時間で発生し始めるため、起動後に迅速に気化器の熱源として利用できる。

請求項６に係る発明は、前述のような目的を達成するために、
請求項２、３、４、５のいずれかに記載のガスエンジンシステムにおいて、
気化器からの出口に設けられて前記気化器から取出される冷水の温度を測定する温度センサと、
空気冷却器からの燃焼用空気冷却後の冷水の、熱交換器に供給する流量と前記熱交換器に供給しない流量とを分配する分配機構と、
前記温度センサで測定される冷水温度が一定になるように前記分配機構を作動する分配量制御手段とを備えて構成する。

（作用・効果）
請求項６に係る発明のガスエンジンシステムの構成によれば、気化器から取出される冷水の温度が一定に維持されるように制御する。 したがって、過冷却によって気化器からの冷水が凍結したり、その気化器からの冷水の配管の外面に結露を生じたりすることを回避して燃焼用空気を良好に冷却でき、ガスエンジンの効率をより良好に向上できる。
また、熱交換器により過度に冷水が加熱され、気化器出口の冷水の水温が上昇してしまい、燃焼用空気の冷却が不十分になってしまうことも防止できる。

以上説明したように、請求項１に係る発明のガスエンジンシステムによれば、水加熱方式により液化天然ガスを気化するから、外気により加熱して液化天然ガスを気化させる場合に比べ、外気温度の変動による影響が少なくて温度制御構成や、結露水や凍結して成長した氷を除去するための構成を簡単に、かつ安全に、更に、設備レイアウトも容易に、かつ経済的にできる。また、その気化によって得られる冷水を利用して過給機に供給される燃焼用空気を冷却するから、ガスエンジンに供給する燃焼用空気の密度を高くでき、全体として、設備費を少なくして液化天然ガスを気化した天然ガスを燃料とするガスエンジンの効率を向上できる。 また、燃焼用空気を冷却するに伴って含有水分をドレンとして回収でき、燃焼用空気を除湿でき、エンジンシリンダー内での燃焼温度の低下を抑制できてガスエンジンの効率を向上できる。 更に、夏期や春秋の中間期においては、燃焼用空気の冷却で得られた熱を液化天然ガスの気化に利用することになり、省エネルギーを図ることができてランニングコストを低減できる。

次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係るガスエンジンシステムの実施例１を示す全体概略構成図であり、オンサイト型のエンジン発電機を設置した現場に、タンクローリーなどによって搬入される液化天然ガスを貯留する液化天然ガスタンク１が設けられ、その液化天然ガスタンク１と天然ガスを燃料として駆動する発電機付きのガスエンジン２とが、液化天然ガスを水加熱方式により気化する気化器３、クッションタンク４および減圧弁５を備えた燃料供給管６と、ガスミキサー７と、ガスエンジン２に供給する燃焼用空気の供給量を増加させる過給機８およびインタークーラー９を備えた燃料混合空気供給管１０とを介して接続されている。

ガスミキサー７には、吸気ファン１１、フィルター１２、空気冷却器１３およびミストセパレータ１４を備えた燃焼用空気供給管１５が接続され、燃焼用空気と天然ガスとを混合した燃料混合空気をガスエンジン２に供給するように構成されている。燃焼用空気供給管１５と過給機８に至るまでの燃料混合空気供給管１０部分をして過給機への給気路と称する。

気化器３と空気冷却器１３とが、第１の水配管１６と第１のポンプ１７を介装した冷水供給路としての第２の水配管１８とを介して接続され、気化器３での気化により冷却された冷水を冷却熱源として過給機８に供給される燃焼用空気を冷却するように構成されている。

第２の水配管１８に熱交換器１９が設けられるとともに、その熱交換器１９に、インタークーラー９と冷却塔２０とにわたる、第２のポンプ２１を介装した冷却水循環配管２２が接続されている。これにより、冷却塔２０からの冷水により気化器３に供給する冷水を昇温させ、それに伴って冷却された冷却水をインタークーラー９に供給し、冷却塔２０に戻される冷却水の温度を低下させて冷却塔２０での負荷を低減し、実質的にインタークーラー９から回収されるエンジン排熱を気化器７での気化用に利用できるようになっている。

第２の水配管１８に、分配比を変更可能な三方弁２３を備えたバイパス配管２４が接続され、空気冷却器１３からの燃焼用空気冷却後の冷水の、熱交換器１９に供給する流量と熱交換器１９に供給しない流量とを分配するように構成されている。上記三方弁２３とバイパス配管２４とから成る構成をして分配機構と称する。

気化器３からの出口に、気化器３から取出される冷水の温度を測定する温度センサ２５が設けられ、その温度センサ２５に、分配量制御手段としてのコントローラ２６が接続されるとともに、コントローラ２６に、三方弁２３を開閉駆動する電動モータ２７が接続されている。

コントローラ２６には、図２の制御系のブロック図に示すように、比較手段２８と開き信号出力手段２９と閉じ信号出力手段３０とが備えられている。比較手段２８では、温度センサ２５で測定される冷水温度と設定温度（例えば、５℃）とを比較し、測定冷水温度が設定温度よりも高いときには温度下降信号を出力し、一方、測定冷水温度が設定温度よりも低いときには温度上昇信号を出力するようになっている。

開き信号出力手段２９では、温度下降信号に応答して電動モータ２７に開き信号を出力し、三方弁２３を設定開度だけ開き、バイパス配管２４に流す冷水流量を増加するようになっている。閉じ信号出力手段３０では、温度上昇信号に応答して電動モータ２７に閉じ信号を出力し、三方弁２３を設定開度だけ閉じ、バイパス配管２４に流す冷水流量を減少するようになっている。

上記構成により、冬期のように過給機８に供給される外気の温度が低い場合に、気化器３に供給される冷水の温度が低下し過ぎ、気化に伴って凍結を生じたり、第１の水配管１６の表面に結露を生じたりすることを回避できるようになっている。また、夏期においては、空気冷却器１３での燃焼用空気に対する冷却不足を防止できるようになっている。

上記実施例１では、燃焼用空気供給管１５に吸気ファン１１を設け、空気冷却器１３での圧力損失を補い、過給機８の入口での圧力低下を防止できるようにしているが、この吸気ファン１１を設けないものでも良い。また、空気冷却器１３と過給機８との間にミストセパレータ１４を設け、燃焼用空気供給管１５や過給機８に至る燃料混合空気供給管１０でのドレンの発生やガスエンジン２のシリンダーへの水滴の流入を防止できるようにしているが、このミストセパレータ１４を設けないものでも良い。

図３は、本発明に係るガスエンジンシステムの実施例２の要部を示す概略構成図であり、実施例１と異なるところは次の通りである。

すなわち、燃料混合空気供給管１０に、過給機８からの燃焼用空気を冷却する前段インタークーラー４１と後段インタークーラー４２とが備えられ、その後段インタークーラー４２と冷却塔２０とにわたる冷却水循環配管２２が熱交換器１９に接続されている。

前段インタークーラー４１には、ジャケット冷却水の第１の循環配管４３に第１の熱交換器４４を介して接続された、第３のポンプ４５を介装した第２の循環配管４６が接続され、第１の熱交換器４４と第３のポンプ４５との間において、第２の循環配管４６に、吸収式冷凍機などの熱源用としてジャケット冷却水の排熱を取出す第２の熱交換器４７が設けられている。他の構成は、実施例１と同じであり、同じ図番を付すことにより、その説明は省略する。

この実施例２の構成によれば、冷却塔２０からの冷水により気化器３に供給する冷水を昇温させ、それに伴って冷却された冷却水を後段インタークーラー４２に供給し、冷却塔２０に戻される冷却水の温度を低下させて冷却塔２０での負荷を低減し、実質的に後段インタークーラー４２から回収されるエンジン排熱を気化器７での気化用に利用できるようになっている。

次に、夏期および冬期の条件下で行った比較実験結果について説明する。

本発明のシステムとしては、実施例２のものを用い、一方、比較例としては、実施例１のものにおいて、吸気ファン１１、空気冷却器１３、ミストセパレータ１４および熱交換器１９を付設せず、温水ボイラーと温水ボイラー用熱交換器を付設し、温水ボイラーの温水で加熱するように構成したものを用いた。

先ず、実施例での夏期の試験条件としては、外気が、温度３５℃、湿度５６％、水分量２６．５ｇ／ｍ³Ｎ（乾燥状態換算）であった。ガスエンジンの定格出力は３３０ｋＷであり、気化器３の出口での冷水温度は５℃になるように制御した。流量は２．４ｍ³／ｈとした。クッションタンクの容量は３ｍ³で、カロリー（低位基準）は、実用されている範囲の中から４０．６ＭＪ／ｍ³Ｎとした。熱交換器１９では、４０℃程度の冷却水で冷水を加熱できるようにした。前段インタークーラー４１は８３℃の冷却水を用いて冷却した。その冷却水の流量は２５ｍ³／ｈであった。

上記の結果、天然ガス流量が７８．２ｍ³Ｎ／ｈ、燃焼流量が１４０３ｍ³Ｎ／ｈ（乾燥状態換算）であった。空気冷却器１３の出口での燃焼空気は、温度２３℃、湿度９０％、水分量２０．７ｇ／ｍ³Ｎ（乾燥状態換算）であった。後段インタークーラー４２の出口での燃焼用空気は、温度４４℃、ゲージ圧力０．１２ＭＰaであった。

本条件では外気の温度が高く、水分量が多いため、空気冷却器１３での冷水の加熱量で気化器７の出口での冷水の温度は６℃（設定温度は５℃）になっていた。つまり、熱交換器１９への冷水の流量は実質的に無かった。発電効率は３７．４％と高い値を示し、燃焼用空気の冷却除湿の効果が大きいことがわかった。また、起動時を含め良好に運転することができ、温水ボイラーは必要が無いことがわかった。

一方、実施例での冬期の試験条件としては、外気が、温度５℃、湿度６０％、水分量４．２ｇ／ｍ³Ｎ（乾燥状態換算）であった。その他の条件は夏期の場合と同じにした。

その結果、天然ガス流量が７７．６ｍ³Ｎ／ｈ、燃焼流量が１３９２ｍ³Ｎ／ｈ（乾燥状態換算）であった。空気冷却器１３の出口での燃焼空気は外気と同じ条件になった。後段インタークーラー４２の出口での燃焼用空気は、温度４３℃、ゲージ圧力０．１３ＭＰaであった。

本条件では外気の温度が低くて水分量が少ないため、空気冷却器１３での冷水の加熱量が小さく、三方弁２３が駆動開閉され、熱交換器１９により加熱されていることが見出された。発電効率は３７．７％であった。また、起動時を含め良好に運転することができ、熱交換器１９によって必要な加熱を行うことができ、温水ボイラーは必要が無いことがわかった。

比較例での夏期条件での実験の結果、過給機８の出口での燃焼用空気の温度が高温のため、その圧力が低下し、定格出力を得ることができなかった。そこで、過給機８の排気ガス側にあるタービンの入口ノズルの隙間を小さくするなど、その設計を変更し、過給機８の出口での燃焼用空気の圧力を実施例の夏期の場合と同じ程度（ゲージ圧力０．１２ＭＰａ）に高め、定格出力が得られるようにした。その結果、天然ガス流量が７９．５ｍ³Ｎ／ｈ、燃焼流量が１４２６ｍ³Ｎ／ｈ（乾燥状態換算）で、発電効率は３６．８％であった。

一方、比較例での冬期条件での実験でも、夏期条件の場合と同じ設計変更を維持し、その他は、実施例の冬期の場合と同じ条件で試験した。
その結果、後段インタークーラー４２の出口での燃焼用空気は、温度４５℃、ゲージ圧力０．１４ＭＰaであった。また、天然ガス流量が７８．２ｍ³Ｎ／ｈ、燃焼流量が１４０３ｍ³Ｎ／ｈ（乾燥状態換算）で、発電効率は３７．４％であった。

上記結果から明らかなように、本発明により、夏期において発電効率が０．６％向上した。これにより、一次エネルギー使用量を１．６％削減できた。一方、冬期において発電効率が０．４％向上した。これにより、一次エネルギー使用量を０．８％削減できた。また、冬期と夏期の効果を平均し、年間８０００時間運転した場合に、天然ガスの使用量を７６００ｍ³Ｎ余り削減できる。更に、温水ボイラーが不要になるとともに、起動時も安
定的に気化器３での気化に必要な冷水の加熱が可能であった。

本発明に係るガスエンジンシステムの実施例１を示す全体概略構成図である。 制御系を示すブロック図である。 本発明に係るガスエンジンシステムの実施例２の要部を示す概略構成図である。

符号の説明

２…ガスエンジン
３…気化器
８…過給機
９…インタークーラー
１３…空気冷却器
１８…第２の水配管（冷水供給路）
１９…熱交換器
２０…冷却塔
２２…冷却水循環配管
２３…三方弁（分配機構）
２４…バイパス配管（分配機構）
２５…温度センサ
２６…コントローラ（分配量制御手段）
４１…前段インタークーラー
４２…後段インタークーラー

Claims (6)

1. 液化天然ガスを水加熱方式により気化する気化器と、
   前記気化器で気化された天然ガスを燃料として駆動するガスエンジンと、
   前記ガスエンジンに供給する燃焼用空気の供給量を増加させる過給機と、
   を備えたガスエンジンシステムにおいて、
   前記過給機への給気路に設けられて、前記気化器での気化により冷却された冷水を冷却熱源として前記過給機に供給される燃焼用空気を冷却する空気冷却器を備えたことを特徴とするガスエンジンシステム。
2. 請求項１に記載のガスエンジンシステムにおいて、
   空気冷却器から気化器への冷水供給路に熱交換器を設け、前記熱交換器に、ガスエンジンに付帯の冷却機構に供する冷却水循環配管を接続してあるガスエンジンシステム。
3. 請求項２に記載のガスエンジンシステムにおいて、
   熱交換器に供給される冷却水が８０℃以下であるガスエンジンシステム。
4. 請求項３に記載のガスエンジンシステムにおいて、
   過給機からの燃焼用空気を冷却するインタークーラーを備え、
   前記インタークーラーに供する冷却水循環配管を熱交換器に接続してあるガスエンジンシステム。
5. 請求項３に記載のガスエンジンシステムにおいて、
   過給機からの燃焼用空気を冷却する前段インタークーラーと後段インタークーラーとを備え、
   前記後段インタークーラーに供する冷却水循環配管を熱交換器に接続してあるガスエンジンシステム。
6. 請求項２、３、４、５のいずれかに記載のガスエンジンシステムにおいて、
   気化器からの出口に設けられて前記気化器から取出される冷水の温度を測定する温度センサと、
   空気冷却器からの燃焼用空気冷却後の冷水の、熱交換器に供給する流量と前記熱交換器に供給しない流量とを分配する分配機構と、
   前記温度センサで測定される冷水温度が一定になるように前記分配機構を作動する分配量制御手段と、
   を備えてあるガスエンジンシステム。

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