JP2010071220A - 発電システムに用いるガス混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気比を所定の目標空気比に維持することができ、ガスエンジンを安定して運転することができるガス混合装置を提供すること。
【解決手段】ガス混合装置６は、ガスエンジン２を備えた発電システム１に対して装備し、発電システム１へ主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。ガス混合用コントローラ８は、発電量Ｗ及び混合燃料ガスＦ３の流量Ｖを読み込む読込手段８１と、ガスエンジン２において消費される想定消費熱量Ｑｓを、発電量Ｗを用いて第１関係マップＢ１より算出し、混合燃料ガスＦ３の想定発熱量Ｈｓを、想定消費熱量Ｑｓと流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出し、燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを、想定発熱量Ｈｓを用いて第２関係マップＢ２より算出する算出手段８２と、燃料制御弁７１の開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する調整手段８３とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムにおけるガスエンジンに対して、２種類の燃料ガスからなる混合燃料ガスを所定の目標空気比に維持して供給するよう構成したガス混合装置に関する。

都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとの２種類の燃料ガスを用いてガスエンジンを運転し、このガスエンジンの出力によって発電機を作動させるよう構成した発電システム（コージェネレーションシステム）においては、種々のシステム方式が採用されている。例えば、副燃料ガスの発熱量に応じて主燃料ガスと燃焼用空気との混合気の供給流量を調整し、２種類の燃料ガスを混合して燃焼を行う方式、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料を用い、空気比を制御しながら燃焼を行う方式等がある。

例えば、特許文献１においては、バイオガス等の副燃料ガスと燃焼用空気との混合気、及び都市ガス等の主燃料ガスをガスエンジンに供給して、運転を行うよう構成したガスエンジンが開示されている。このガスエンジンにおいては、燃焼用空気がミキサーを通過する際に生じる負圧を利用し、ミキサー内へ副燃料ガスを吸引して、これらの混合気を生成しており、ガスエンジンの出力によって発電機を作動させている。また、特許文献１においては、ガスエンジンの排気ガス中の酸素濃度又は窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を測定し、この濃度に基づいてガスエンジンへの主燃料ガスの供給流量を変更するバルブの開度を調節することにより、空気比を制御して、ガスエンジンの安定した運転を行っている。

また、例えば、特許文献２においては、発熱量の異なる２種類の気体燃料を供給するために２つの供給系統を具備する気体燃料供給機構を備えたガスエンジンが開示されている。このガスエンジンにおいては、発熱量が低い方の気体燃料は、ガスエンジンへ直接供給し、発熱量が高い方の気体燃料は空気と合流させて混合気とした状態でガスエンジンへ供給するよう構成してある。そして、発熱量が低い方の気体燃料の種類又は組成が変更されたときには、発熱量が高い方の気体燃料と空気との混合比を変更して、ガスエンジンにおける空燃比を調整している。

特開２００５−３０３０２号公報 特開２００５−２５６６７４号公報

しかしながら、上記特許文献１のガスエンジンにおいては、酸素濃度又は窒素酸化物濃度を測定するセンサを取り付けるために、ガスエンジンに直接改造をする必要があり、既存のガスエンジンに直接適用ができない。また、上記特許文献２のガスエンジンにおいては、発熱量が低い方の気体燃料、及び発熱量が高い方の気体燃料と空気との混合気をガスエンジンへ供給するための設備が複雑で高価である。
また、実用化されているバイオガス専焼の小型コージェネレーションシステムにおいては、空気比の制御装置が装備されていない。そのため、バイオガスの熱量変動に伴う窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の増加、失火等が発生するおそれがあり、発熱量の変動幅が大きいバイオガス等は使用することができない。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な装置構成で既存の発電システムに必要最小限の設備変更で適用することができると共に、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができ、ガスエンジンを安定して運転することができるガス混合装置を提供しようとするものである。

本発明は、ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
上記発電システムは、上記発電機の発電量を測定する電力計と、空気配管から吸い込んだ燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電量を所定の目標発電量に制御するメインコントローラとを備えており、
上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給される上記混合燃料ガスの流量を測定する流量計と、上記燃料配管に供給される上記混合燃料ガスの流量を調整するための燃料制御弁と、上記流量計による測定値に基づいて上記燃料制御弁の開度を調整するよう構成したガス混合用コントローラとを備えており、
該ガス混合用コントローラには、上記発電機の発電量Ｗと該発電量Ｗを出力するために上記ガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑとの関係が第１関係マップとして予め設定してあると共に、上記ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持する際の上記混合燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｈと上記燃料制御弁の開度Ｃとの関係が第２関係マップとして予め設定してあり、
上記ガス混合用コントローラは、上記電力計によって測定した発電量Ｗを読み込むと共に、上記流量計によって測定した上記混合燃料ガスの流量Ｖを読み込む読込手段と、
上記測定時における発電量Ｗを出力するために上記ガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓを、上記測定時における発電量Ｗを用いて上記第１関係マップより算出し、上記測定時における上記混合燃料ガスの単位体積当たりの想定発熱量Ｈｓを、上記想定消費熱量Ｑｓと上記測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出する算出手段と、
上記燃料制御弁の目標開度Ｃｒを、上記想定発熱量Ｈｓを用いて上記第２関係マップより算出し、上記燃料制御弁の開度Ｃが上記目標開度Ｃｒとなるよう調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置にある（請求項１）。

本発明のガス混合装置は、既存の発電システムにおけるガスエンジンに対して、必要最小限の設備変更によって、２燃料混焼運転を安定して行うことができるようにしたものである。
具体的には、発電システムとしては、ガスエンジン、発電機、電力計、空気配管、燃料配管、混合気供給配管、スロットルバルブ、メインコントローラ等を備えた従来と同様の既存（既設）のものを用いることができる。そして、本発明においては、この既存の発電システムの燃料配管に対して、都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスを混合した混合燃料ガスを供給するためのガス混合装置を装備することによって、ガスエンジンにおける空気比（混合燃料ガスに対する燃焼用空気の過剰率）を所定の目標空気比に維持するための工夫を行っている。

より具体的には、ガス混合装置のガス混合用コントローラにおいては、発電機の発電量Ｗ（ｋＷ）と、この発電量Ｗを出力するためにガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑ（ＭＪ／ｈ）との関係を、第１関係マップとして予め設定しておく。この発電量Ｗと消費熱量Ｑとの第１関係マップは、例えば、ガスエンジンの機種によって定められた性能仕様を利用することができる。
また、ガス混合装置のガス混合用コントローラにおいては、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持する際における、混合燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｈ（ＭＪ／Ｎｍ³）と、燃料制御弁の開度Ｃとの関係を、第２関係マップとして予め設定しておく。この発熱量Ｈと燃料制御弁の開度Ｃとの第２関係マップは、例えば、発電システムにおけるガスエンジンに対してガス混合装置を装備したときに、空気比を一定に維持するときの発熱量Ｈと燃料制御弁の開度Ｃとを実際に測定することによって、関係グラフ、関係式等として求めることができる。

そして、ガス混合用コントローラは、読込手段、算出手段、調整手段の各手段を実行することによって、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができる。
ガス混合用コントローラにおける読込手段は、電力計によって測定した発電量Ｗ（ｋＷ）を読み込むと共に、流量計によって測定した混合燃料ガスの流量Ｖ（Ｎｍ³／ｈ）を読み込む。このとき、読込手段は、発電量Ｗ及び混合燃料ガスの流量Ｖを所定のサンプリング間隔で逐次読み込むことができる。

ガス混合用コントローラにおける算出手段は、まず、測定時における発電量Ｗを出力するためにガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓを、測定時における発電量Ｗを用いて第１関係マップより算出する。次いで、ガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑ（ＭＪ／ｈ）は、組成等によって決まる混合燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｈ（ＭＪ／Ｎｍ³）と混合燃料ガスの流量Ｖ（Ｎｍ³／ｈ）との積によって表されることを利用し、算出手段は、測定時における混合燃料ガスの単位体積当たりの想定発熱量Ｈｓを、測定時における単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓと、測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出する。そして、算出手段は、燃料制御弁の目標開度Ｃｒを、想定発熱量Ｈｓを用いて第２関係マップより算出する。
その後、ガス混合用コントローラにおける調整手段は、燃料制御弁の開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する。

これにより、本発明のガス混合装置によれば、例えば、副燃料ガスにおける組成の変化等によって混合燃料ガスの発熱量Ｈが変動した場合であっても、燃料制御弁の開度Ｃを調整することによって、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができる。そして、発電機の発電量を所定の目標発電量に維持するための混合燃料ガスをガスエンジンへ供給することができる。

次に、副燃料ガスの単位体積当たりの発熱量が変動した場合について説明する。
副燃料ガスの組成等の変化によりその発熱量が減少したときには、混合燃料ガスの発熱量Ｈが減少する。このとき、発電機による発電量Ｗが低下するため、この発電量Ｗを所定の目標発電量に維持するために、メインコントローラは、スロットルバルブの開度を増加させる。これにより、ガスエンジンへの混合燃料ガスの流量が増加し、ガスエンジンにおける空気比が目標空気比よりも大きくなってしまう（ガスリーンになってしまう）ことになる。

ここで、本発明においては、ガス混合用コントローラの動作によって、空気比が目標空気比となるよう調整される。すなわち、ガス混合用コントローラにおける算出手段は、読込手段により読み込んだ測定時の発電量Ｗを用い、測定時における想定消費熱量Ｑｓを算出し、この想定消費熱量Ｑｓと測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて想定発熱量Ｈｓを算出する。そして、算出手段は、想定発熱量Ｈｓを用いて燃料制御弁の目標開度Ｃｒを算出する。

これにより、目標開度Ｃｒは、測定時における燃料制御弁の開度Ｃよりも大きな値として算出される。そして、ガス混合用コントローラにおける調整手段は、燃料制御弁の開度Ｃを目標開度Ｃｒとなるよう調整する。
こうして、副燃料ガスの発熱量が減少した分は、燃料制御弁の開度Ｃを大きくして、燃料配管へ供給する混合燃料ガスの圧力を高くし、ガスエンジンへ混合燃料ガスが吸い込まれ易くすることによって補正する。これにより、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができる。

一方、副燃料ガスの組成等の変化によりその発熱量が増加したときには、混合燃料ガスの発熱量Ｈが増加する。このとき、発電機による発電量Ｗが上昇するため、この発電量Ｗを所定の目標発電量に維持するために、メインコントローラは、スロットルバルブの開度を減少させる。これにより、ガスエンジンへの混合燃料ガスの流量が減少し、ガスエンジンにおける空気比が目標空気比よりも小さくなってしまう（ガスリッチになってしまう）ことになる。

ここで、本発明においては、ガス混合用コントローラの動作によって、上記と同様に、燃料制御弁の目標開度Ｃｒを算出する。これにより、目標開度Ｃｒは、測定時における燃料制御弁の開度Ｃよりも小さな値として算出される。そして、ガス混合用コントローラにおける調整手段は、燃料制御弁の開度Ｃを目標開度Ｃｒとなるよう調整する。
こうして、副燃料ガスの発熱量が増加した分は、燃料制御弁の開度Ｃを小さくして、燃料配管へ供給する混合燃料ガスの圧力を低くし、ガスエンジンへ混合燃料ガスが吸い込まれ難くすることによって補正する。これにより、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができる。

このように、本発明においては、ガスエンジンにおいて、主燃料ガスと副燃料ガスとの２燃料混焼運転を行う際に、副燃料ガスの発熱量が変動したときでも、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができる。
また、本発明のガス混合装置は、流量計及び燃料制御弁を用いた簡単な装置構成によって実現することができ、既存の発電システムに必要最小限の設備変更で適用することができる。

なお、ガスエンジンにおける空気比がガスリーンの状態を継続すると、ガスエンジンにおいて失火が発生するおそれがある。これとは逆に、ガスエンジンにおける空気比がガスリッチの状態を継続すると、ガスエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が増加するおそれがある。これらに対し、本発明においては、上記のごとく、ガスエンジンにおける空気比を適切に制御することができ、失火の発生及び窒素酸化物濃度の増加を効果的に防止することができる。

それ故、本発明の発電システムに用いるガス混合装置によれば、簡単な装置構成で既存の発電システムに必要最小限の設備変更で適用することができると共に、ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持することができ、ガスエンジンを安定して運転することができる。また、ガスエンジンの排気ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低く維持し、失火等が発生することも効果的に防止することができる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記主燃料ガスとしては、メタン等を含有する都市ガス（１３Ａ等）を用いることができる。また、上記副燃料ガスとしては、有機性廃棄物（家畜糞尿、生ゴミ、有機性残さ、下水汚泥等）を発酵させて生成したバイオガス、木質系廃棄物（工場端材、建築廃材等）を熱分解させて発生させたバイオガス、工場等で発生する副生ガス等の燃料ガスを用いることができる。また、これ以外にも、副燃料ガスとしては、主燃料ガスと異なる一般的なガス体燃料を用いることもできる。

また、上記ガス混合装置は、上記空気配管へ吸い込まれる上記燃焼用空気の温度を測定する空気用温度計と、上記燃料配管へ供給される上記混合燃料ガスの温度を測定する燃料用温度計とを備えており、上記ガス混合用コントローラにおける上記算出手段は、上記空気用温度計によって測定した上記燃焼用空気の温度と、上記燃料用温度計によって測定した上記混合燃料ガスの温度との差を考慮して、上記想定発熱量Ｈｓを補正して算出するよう構成することが好ましい（請求項２）。
この場合には、例えば、夏期と冬期との差に代表されるように、外気温の変化によって燃焼用空気と混合燃料ガスとの温度差が大きくなったときでも、この温度差を考慮して想定発熱量Ｈｓを補正して算出することにより、上記目標空気比をより安定して維持することができる。

また、上記ガス混合装置は、上記主燃料ガスを通過させる主燃料配管と、上記副燃料ガスを通過させる副燃料配管と、該副燃料配管と上記主燃料配管とを合流させて上記混合燃料ガスを通過させる混合燃料配管と、該混合燃料配管に配設した上記流量計及び上記燃料制御弁と、上記ガス混合用コントローラとを一体化したユニットとして構成し、かつ、上記発電システムにおける上記燃料配管に上記混合燃料配管を接続することによって、既に設置した上記発電システムに対して装備するよう構成することが好ましい（請求項３）。
この場合には、ガス混合装置は、発電システムにおける燃料配管に混合燃料配管を接続することによって、既に設置した発電システムに対して簡単に装備することができる。これにより、発電システム内の改造を容易に必要最小限にすることができる。

以下に、本発明の発電システムに用いるガス混合装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
（実施例１）
本例の発電システム１に用いるガス混合装置６は、図１に示すごとく、ガスエンジン２の運転を行って発電機３を作動させるよう構成した発電システム１に対して装備し、発電システム１へ都市ガス（１３Ａ）等の主燃料ガスＦ１とバイオガス等の副燃料ガスＦ２とを混合させた混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。

発電システム１は、発電機３の発電量Ｗを測定する電力計３１と、空気配管４１から吸い込んだ燃焼用空気Ａと燃料配管４２に供給された混合燃料ガスＦ３とを混合させて混合気Ｇを作り出す混合気供給配管４３と、混合気供給配管４３に配設して、ガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するためのスロットルバルブ２１と、スロットルバルブ２１の開度を調整して発電機３の発電量Ｗを所定の目標発電量に制御するメインコントローラ５とを備えている。メインコントローラ５は、コンピュータを用いて構成してある。

ガス混合装置６は、燃料配管４２に供給される混合燃料ガスＦ３の流量Ｖを測定する流量計７２と、燃料配管４２に供給される混合燃料ガスＦ３の流量Ｖを調整するための燃料制御弁７１と、流量計７２による測定値に基づいて燃料制御弁７１の開度を調整するよう構成したガス混合用コントローラ８とを備えている。ガス混合用コントローラ８には、図２に示すごとく、発電機３の発電量Ｗと、この発電量Ｗを出力するためにガスエンジン２において消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑとの関係が、第１関係マップＢ１として予め設定してある。また、ガス混合用コントローラ８には、図４に示すごとく、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持する際における、混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの発熱量Ｈと燃料制御弁７１の開度Ｃとの関係が、第２関係マップＢ２として予め設定してある。

ガス混合用コントローラ８は、コンピュータによって、以下の読込手段８１、算出手段８２及び調整手段８３を構成してなる。
読込手段８１は、電力計３１によって測定した発電量Ｗ（ｋＷ）を読み込むと共に、流量計７２によって測定した混合燃料ガスＦ３の流量Ｖ（Ｎｍ³／ｈ）を所定の測定間隔（サンプリング間隔）で読み込むよう構成してある。

算出手段８２は、測定時における発電量Ｗを出力するために上記ガスエンジン２において消費される単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓ（ＭＪ／ｈ）を、測定時における発電量Ｗを用いて第１関係マップＢ１より算出し（図２参照）、次いで、測定時における混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの想定発熱量Ｈｓ（ＭＪ／Ｎｍ³）を、想定消費熱量Ｑｓと測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出し、その後、燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを、想定発熱量Ｈｓを用いて第２関係マップＢ２より算出するよう構成してある（図４参照）。
調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整するよう構成してある。

以下に、本例の発電システム１に用いるガス混合装置６につき、図１〜図４を参照して詳説する。
本例の主燃料ガスＦ１は、発熱量が一定である都市ガス（１３Ａ）であり、本例の副燃料ガスＦ２は、発熱量に変動を生じることがあるバイオガスである。
図１に示すごとく、本例の発電システム１において、ガスエンジン２は、複数の気筒を有して構成されており、混合気供給配管４３におけるスロットルバルブ２１は、その開度を調整してガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するよう構成されている。発電機３は、種々の負荷に対して電力を供給するよう構成されており、商用電源等と協調して動作することができる。

外気に開放した空気配管４１の入口部には、ガスエンジン２への異物混入を防止するための吸気フィルタ４１１が設けてある。また、混合燃料ガスＦ３が流れる燃料配管４２と、燃焼用空気Ａが流れる空気配管４１との合流部には、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとを混合するミキサー４４が設けてある。このミキサー４４は、ベンチュリー４４１による吸引作用を利用して、燃焼用空気Ａがベンチュリー４４１を流れる際に、ベンチュリー４４１におけるスロート部４４２が負圧になり、この負圧による吸引力によって燃焼用空気Ａへ混合燃料ガスＦ３を引き込んで、両者の混合気Ｇを作り出すものである。

図１に示すごとく、ガス混合装置６においては、主燃料ガスＦ１がその供給源から供給される主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２がバイオガス等の副燃料ガスＦ２のタンクから供給される副燃料配管６２とを合流させて、燃料配管４２へ混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。副燃料配管６２には、この副燃料配管６２内の副燃料ガスＦ２の圧力を測定するための圧力計７３が配設してある。ガス混合用コントローラ８は、圧力計７３により測定した副燃料ガスＦ２の圧力を読み込むよう構成してある。そして、副燃料ガスＦ２の圧力が、所定の設定圧力よりも低いときには、ガス混合用コントローラ８は、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混焼運転を行わないよう構成してある。

主燃料配管６１と副燃料配管６２とには、それぞれ手動弁７６が設けてあり、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との初期設定の混合比率は、発電システム１の運転を行う前に予め各手動弁７６の開度を調整することにより決定しておく。
本例の燃料制御弁７１は、主燃料配管６１と副燃料配管６２とが合流した混合燃料配管６３に設けてあり、ガス混合用コントローラ８の指令を受けて、混合燃料配管６３に対する開度を調整するよう構成されている。

本例の流量計７２は、標準状態（０℃、１気圧）における気体の体積（の測定値）を示すよう構成されている。なお、流量計７２による体積の測定値は、混合燃料ガスＦ３の温度及び圧力を測定し、ガス混合用コントローラ８において標準状態における体積に換算することもできる。

また、図１に示すごとく、本例のガス混合装置６は、各構成部品７１、７２、７３、８、配管６１、６２、６３等を一体化したユニットとして、既に設置した発電システム１に、簡単に装備することができるよう構成してある。具体的には、ガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１を通過させる主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２を通過させる副燃料配管６２と、副燃料配管６２と主燃料配管６１とを合流させて混合燃料ガスＦ３を通過させる混合燃料配管６３と、混合燃料配管６３に配設した流量計７２と、混合燃料配管６３に配設した燃料制御弁７１と、ガス混合用コントローラ８とを一体化したユニットとして構成してある。

そして、ガス混合装置６は、発電システム１における燃料配管４２に混合燃料配管６３を接続し、発電機３に設けられている電力計３１の発電量Ｗをガス混合用コントローラ８に読み込むよう構成することによって、既に設置した発電システム１に対して簡単に装備することができる。これにより、発電システム１内の改造は、必要最小限にすることができる。

図４には、予めガス混合用コントローラ８に設定した第２関係マップＢ２の一例を示す。この第２関係マップＢ２は、副燃料ガスＦ２の発熱量の変化によって混合燃料ガスＦ３の発熱量が変化したとき、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持する際における、混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの発熱量Ｈ（ＭＪ／Ｎｍ³）と、燃料制御弁７１の開度Ｃとの関係を示す。
同図においては、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持するときには、混合燃料ガスＦ３の発熱量Ｈと燃料制御弁７１の開度Ｃとの関係は一つのライン上に位置することを示しており、混合燃料ガスＦ３の発熱量Ｈが定まると、燃料制御弁７１の開度Ｃは必然的に定まることを示している。

本例のガス混合装置６は、既存の発電システム１におけるガスエンジン２に対して、必要最小限の設備変更によって、２燃料混焼運転を安定して行うことができるようにしたものである。
具体的には、発電システム１としては、ガスエンジン２、発電機３、電力計３１、空気配管４１、燃料配管４２、混合気供給配管４３、スロットルバルブ２１、メインコントローラ５等を備えた従来と同様の既存（既設）のものを用いることができる。そして、本例においては、この既存の発電システム１の燃料配管４２に対して、都市ガス等の主燃料ガスＦ１とバイオガス等の副燃料ガスＦ２を混合した混合燃料ガスＦ３を供給するためのガス混合装置６を装備することによって、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持するための工夫を行っている。

より具体的には、ガス混合装置６のガス混合用コントローラ８においては、発電機３の発電量Ｗ（ｋＷ）と、この発電量Ｗを出力するためにガスエンジン２において消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑ（ＭＪ／ｈ）との関係を、第１関係マップＢ１として予め設定しておく。本例の第１関係マップＢ１はガスエンジン２の機種によって定められた性能仕様を利用した。
また、ガス混合装置６のガス混合用コントローラ８においては、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持する際における、混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの発熱量Ｈ（ＭＪ／Ｎｍ³）と、燃料制御弁７１の開度Ｃとの関係を、第２関係マップＢ２として予め設定しておく。本例の第２関係マップＢ２は、発電システム１におけるガスエンジン２に対してガス混合装置６を装備したときに、空気比を一定に維持するときの発熱量Ｈと燃料制御弁７１の開度Ｃとを実際に測定することによって、関係グラフとして求めた。

そして、ガス混合用コントローラ８は、読込手段８１、算出手段８２、調整手段８３の各手段を実行することによって、ガスエンジン２における空気比（混合燃料ガスＦ３に対する燃焼用空気Ａの過剰率）を所定の目標空気比に維持することができる。
以下に、ガス混合装置６のガス混合用コントローラ８による制御動作を、図３のフローチャートを参照して説明する。
発電システム１を運転する際には、ガス混合用コントローラ８は、圧力計７３によって副燃料配管６２における圧力を測定し、副燃料ガスＦ２の圧力が所定の設定圧力以上であるかを判定する（図３のステップＳ１０１）。副燃料ガスＦ２の圧力が所定の設定圧力以上になった場合には、ガス混合用コントローラ８の読込手段８１は、電力計３１によって測定した発電量Ｗ（ｋＷ）と、流量計７２によって測定した混合燃料ガスＦ３の流量Ｖ（Ｎｍ³／ｈ）とを所定のサンプリング間隔で逐次読み込む（Ｓ１０２）。

次いで、ガス混合用コントローラ８における算出手段８２は、測定時における発電量Ｗを出力するためにガスエンジン２において消費される単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓを、測定時における発電量Ｗを用いて第１関係マップＢ１（図２参照）より算出する（Ｓ１０３）。
次いで、算出手段８２は、ガスエンジン２において消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑ（ＭＪ／ｈ）は、組成等によって決まる混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの発熱量Ｈ（ＭＪ／Ｎｍ³）と混合燃料ガスＦ３の流量Ｖ（Ｎｍ³／ｈ）との積によって表されることを利用し、測定時における混合燃料ガスＦ３の単位体積当たりの想定発熱量Ｈｓを、測定時における単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓと、測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出する（Ｓ１０４）。
そして、算出手段８２は、燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを、想定発熱量Ｈｓを用いて第２関係マップＢ２（図４参照）より算出する（Ｓ１０５）。
その後、ガス混合用コントローラ８における調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する（Ｓ１０６）。

これにより、本例のガス混合装置６によれば、副燃料ガスＦ２における組成の変化等によって混合燃料ガスＦ３の発熱量Ｈが変動した場合であっても、燃料制御弁７１の開度Ｃを調整することによって、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持することができる。そして、発電機３の発電量Ｗを所定の目標発電量に維持するための混合燃料ガスＦ３をガスエンジン２へ供給することができる。

次に、副燃料ガスＦ２の単位体積当たりの発熱量が変動した場合について説明する。
副燃料ガスＦ２の組成等の変化によりその発熱量が減少したときには、混合燃料ガスＦ３の発熱量Ｈが減少する。このとき、発電機３による発電量Ｗが低下するため、この発電量Ｗを所定の目標発電量に維持するために、メインコントローラ５は、スロットルバルブ２１の開度を増加させる。これにより、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の流量が増加し、ガスエンジン２における空気比が目標空気比よりも大きくなってしまう（ガスリーンになってしまう）ことになる。

ここで、本例においては、ガス混合用コントローラ８の動作によって、空気比が目標空気比となるよう調整される。すなわち、ガス混合用コントローラ８における算出手段８２は、読込手段８１により読み込んだ測定時の発電量Ｗを用い、測定時における想定消費熱量Ｑｓを算出し（Ｓ１０３）、この想定消費熱量Ｑｓと測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて想定発熱量Ｈｓを算出する（Ｓ１０４）。そして、算出手段８２は、想定発熱量Ｈｓを用いて燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを算出する（Ｓ１０５）。

このとき、目標開度Ｃｒは、測定時における燃料制御弁７１の開度Ｃよりも大きな値として算出される。そして、ガス混合用コントローラ８における調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃを大きくし、この開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する。これにより、燃料配管４２からミキサー４４へ吸い込まれる混合燃料ガスＦ３の圧力を高くすることができる。そのため、ミキサー４４内に燃焼用空気Ａが吸い込まれる際に、ミキサー４４内に混合燃料ガスＦ３が吸い込まれる量を増加させることができる。

こうして、副燃料ガスＦ２の発熱量が減少した分は、燃料制御弁７１の開度Ｃを大きくして、ミキサー４４へ供給する混合燃料ガスＦ３の圧力を高くし、ガスエンジン２へ混合燃料ガスＦ３が吸い込まれ易くすることによって補正する。これにより、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持することができる。

一方、副燃料ガスＦ２の組成等の変化によりその発熱量が増加したときには、混合燃料ガスＦ３の発熱量Ｈが増加する。このとき、発電機３による発電量Ｗが上昇するため、この発電量Ｗを所定の目標発電量に維持するために、メインコントローラ５は、スロットルバルブ２１の開度を減少させる。これにより、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の流量が減少し、ガスエンジン２における空気比が目標空気比よりも小さくなってしまう（ガスリッチになってしまう）ことになる。

ここで、本例においては、ガス混合用コントローラ８の動作によって、上記と同様に、燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを算出する（Ｓ１０３〜Ｓ１０５）。これにより、目標開度Ｃｒは、測定時における燃料制御弁７１の開度Ｃよりも小さな値として算出される。そして、ガス混合用コントローラ８における調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃを目標開度Ｃｒとなるよう調整する（Ｓ１０６）。

このとき、目標開度Ｃｒは、測定時における燃料制御弁７１の開度Ｃよりも小さな値として算出される。そして、ガス混合用コントローラ８における調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃを小さくし、この開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する。これにより、燃料配管４２からミキサー４４へ吸い込まれる混合燃料ガスＦ３の圧力を低くすることができる。そのため、ミキサー４４内に燃焼用空気Ａが吸い込まれる際に、ミキサー４４内に混合燃料ガスＦ３が吸い込まれる量を減少させることができる。

こうして、副燃料ガスＦ２の発熱量が増加した分は、燃料制御弁７１の開度Ｃを小さくして、ミキサー４４へ供給する混合燃料ガスＦ３の圧力を低くし、ガスエンジン２へ混合燃料ガスＦ３が吸い込まれ難くすることによって補正する。これにより、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持することができる。

以上のように、本例においては、ガスエンジン２において、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との２燃料混焼運転を行う際に、副燃料ガスＦ２の発熱量が変動したときでも、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持することができる。
また、本例のガス混合装置６は、流量計７２及び燃料制御弁７１を用いた簡単な装置構成によって実現することができ、既存の発電システム１に必要最小限の設備変更で適用することができる。

なお、ガスエンジン２における空気比がガスリーンの状態を継続すると、ガスエンジン２において失火が発生するおそれがある。これとは逆に、ガスエンジン２における空気比がガスリッチの状態を継続すると、ガスエンジン２の排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が増加するおそれがある。これらに対し、本例においては、上記のごとく、ガスエンジン２における空気比を適切に制御することができ、失火の発生及び窒素酸化物濃度の増加を効果的に防止することができる。

それ故、本例の発電システム１に用いるガス混合装置６によれば、簡単な装置構成で既存の発電システム１に必要最小限の設備変更で適用することができると共に、ガスエンジン２における空気比を所定の目標空気比に維持することができ、ガスエンジン２を安定して運転することができる。また、ガスエンジン２の排気ガス中における窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を低く維持し、失火等が発生することも効果的に防止することができる。

（実施例２）
本例のガス混合装置６は、図５に示すごとく、夏期と冬期との差に代表されるように、外気温の変化によって燃焼用空気Ａと混合燃料ガスＦ３との温度差が大きくなったときでも、この温度差を考慮して、ガス混合用コントローラ８において上記想定発熱量Ｈｓを補正して算出するよう構成した例である。
具体的には、本例のガス混合装置６は、同図に示すごとく、空気配管４１へ吸い込まれる燃焼用空気Ａの温度Ｔを測定する空気用温度計７４と、燃料配管４２へ供給される混合燃料ガスＦ３の温度Ｔｇを測定する燃料用温度計７５とを備えている。空気用温度計７４は、空気配管４１の入口部、空気配管４１の周辺等に設けることができる。燃料用温度計７５は、混合燃料配管６３内の混合燃料ガスＦ３の温度Ｔｇを測定するよう、混合燃料配管６３に設けてあり、ガス混合装置６とユニット化してある。

本例のガス混合用コントローラ８における読込手段８１は、空気用温度計７４によって測定した燃焼用空気Ａの温度Ｔと、燃料用温度計７５によって測定した混合燃料ガスＦ３の温度Ｔｇとを読み込むよう構成してある。
そして、本例のガス混合用コントローラ８における算出手段８２は、空気用温度計７４によって測定した燃焼用空気Ａの温度Ｔと、燃料用温度計７５によって測定した混合燃料ガスＦ３の温度Ｔｇとの差を考慮して、上記想定発熱量Ｈｓを補正した補正想定発熱量Ｈｓ’を算出するよう構成してある。

より具体的には、図６のフローチャートに示すように、本例のガス混合用コントローラ８の制御動作においては、算出手段８２は、上記実施例１と同様に、第１関係マップＢ１より想定消費熱量Ｑｓを算出し（Ｓ１０３）、想定消費熱量Ｑｓと流量Ｖとの関係に基づいて想定発熱量Ｈｓを算出する（Ｓ１０４）。
そして、本例においては、補正想定発熱量Ｈｓ’を、燃焼用空気Ａの温度をＴ（℃）とすると共に、混合燃料ガスＦ３の温度をＴｇ（℃）として、次の式（１）に基づいて算出する（Ｓ１０４’）。
Ｈｓ’＝Ｈｓ×｛（２７３＋Ｔｇ）／（２７３＋Ｔ）｝^１／２ ・・・（１）

次いで、算出手段８２は、燃料制御弁７１の目標開度Ｃｒを、補正想定発熱量Ｈｓ’を用いて第２関係マップＢ２より算出する（Ｓ１０５）。その後、調整手段８３は、燃料制御弁７１の開度Ｃが目標開度Ｃｒとなるよう調整する（Ｓ１０６）。
なお、本例の図６のフローチャートにおいて、特に説明のない事項については上記実施例１の図３の場合と同様である。

これにより、本例においては、外気温の変化によって燃焼用空気Ａと混合燃料ガスＦ３との温度差が大きくなったときでも、この温度差を考慮して想定発熱量Ｈｓを補正した補正想定発熱量Ｈｓ’を用いることにより、上記混合燃料ガスＦ３の流量Ｖ及び上記目標空気比をより安定して維持することができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例１と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、発電システム及びガス混合装置の全体の構成を示す説明図。 実施例１における、発電量と消費熱量との第１関係マップを示す説明図。 実施例１における、ガス混合用コントローラによる制御動作を示すフローチャート。 実施例１における、横軸に混合燃料ガスの単位体積当たりの発熱量をとり、縦軸に燃料制御弁の開度をとって、両者の関係を示す説明図。 実施例２における、発電システム及びガス混合装置の全体の構成を示す説明図。 実施例２における、ガス混合用コントローラによる制御動作を示すフローチャート。

符号の説明

１ 発電システム
２ ガスエンジン
２１ スロットルバルブ
３ 発電機
３１ 電力計
４１ 空気配管
４２ 燃料配管
４３ 混合気供給配管
５ メインコントローラ
６ ガス混合装置
６１ 主燃料配管
６２ 副燃料配管
６３ 混合燃料配管
７１ 燃料制御弁
７２ 流量計
７３ 圧力計
７４ 空気用温度計
７５ 燃料用温度計
８ ガス混合用コントローラ
８１ 読込手段
８２ 算出手段
８３ 調整手段
Ｆ１ 主燃料ガス
Ｆ２ 副燃料ガス
Ｆ３ 混合燃料ガス
Ａ 燃焼用空気
Ｇ 混合気
Ｂ１、Ｂ２ 関係マップ
Ｗ 発電量
Ｖ 流量
Ｑ 消費熱量
Ｑｓ 想定消費熱量
Ｈ 発熱量
Ｈｓ 想定発熱量

Claims (3)

1. ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
   上記発電システムは、上記発電機の発電量を測定する電力計と、空気配管から吸い込んだ燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電量を所定の目標発電量に制御するメインコントローラとを備えており、
   上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給される上記混合燃料ガスの流量を測定する流量計と、上記燃料配管に供給される上記混合燃料ガスの流量を調整するための燃料制御弁と、上記流量計による測定値に基づいて上記燃料制御弁の開度を調整するよう構成したガス混合用コントローラとを備えており、
   該ガス混合用コントローラには、上記発電機の発電量Ｗと該発電量Ｗを出力するために上記ガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの消費熱量Ｑとの関係が第１関係マップとして予め設定してあると共に、上記ガスエンジンにおける空気比を所定の目標空気比に維持する際の上記混合燃料ガスの単位体積当たりの発熱量Ｈと上記燃料制御弁の開度Ｃとの関係が第２関係マップとして予め設定してあり、
   上記ガス混合用コントローラは、上記電力計によって測定した発電量Ｗを読み込むと共に、上記流量計によって測定した上記混合燃料ガスの流量Ｖを読み込む読込手段と、
   上記測定時における発電量Ｗを出力するために上記ガスエンジンにおいて消費される単位時間当たりの想定消費熱量Ｑｓを、上記測定時における発電量Ｗを用いて上記第１関係マップより算出し、次いで、上記測定時における上記混合燃料ガスの単位体積当たりの想定発熱量Ｈｓを、上記想定消費熱量Ｑｓと上記測定時における流量Ｖとの関係（Ｈｓ＝Ｑｓ／Ｖ）に基づいて算出し、次いで、上記燃料制御弁の目標開度Ｃｒを、上記想定発熱量Ｈｓを用いて上記第２関係マップより算出する算出手段と、
   上記燃料制御弁の開度Ｃが上記目標開度Ｃｒとなるよう調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
2. 請求項１において、上記ガス混合装置は、上記空気配管へ吸い込まれる上記燃焼用空気の温度を測定する空気用温度計と、上記燃料配管へ供給される上記混合燃料ガスの温度を測定する燃料用温度計とを備えており、
   上記ガス混合用コントローラにおける上記算出手段は、上記空気用温度計によって測定した上記燃焼用空気の温度と、上記燃料用温度計によって測定した上記混合燃料ガスの温度との差を考慮して、上記想定発熱量Ｈｓを補正して算出するよう構成してあることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
3. 請求項１又は２のいずれか一項において、上記ガス混合装置は、上記主燃料ガスを通過させる主燃料配管と、上記副燃料ガスを通過させる副燃料配管と、該副燃料配管と上記主燃料配管とを合流させて上記混合燃料ガスを通過させる混合燃料配管と、該混合燃料配管に配設した上記流量計及び上記燃料制御弁と、上記ガス混合用コントローラとを一体化したユニットとして構成してあり、
   かつ、上記発電システムにおける上記燃料配管に上記混合燃料配管を接続することによって、既に設置した上記発電システムに対して装備するよう構成してあることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。

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