JP2012007582A - ガスエンジンの給気冷却器のドレン装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】空気より比重が小さいガスを燃料とし、過給機前予混合装置を備えたガスエンジン1のドレン装置8において、過給機3の給気系下流側に位置し、過給機3にて加圧された予混合ガスを給気冷却器4にて冷却し、冷却に伴い凝縮する凝縮水と該凝縮水と伴に排出する予混合ガスを気液分離装置7にて凝縮水、空気、燃料ガスに分離して、燃料ガスを過給機3の給気系上流側に戻し、凝縮水は大気に排出することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
特許文献1には、ゴミの埋立処分場で発生するランドフィルガスや、前記炭鉱排出ガス
等のように、メタン濃度が可燃限界より低いガスを燃料として利用可能にしたガスタービンが開示されている。
図4は、炭鉱坑内と炭鉱坑内の近傍に設けられたガスエンジン発電設備200を模式的に示す。図4において、炭鉱坑内は、炭層C0と採掘炭層C1とが層状に形成されている。
炭鉱坑内と外部とを連通する換気孔206が設けられている。
また、炭鉱坑内から喚起孔206を通して排出される換気メタン含有ガスVAMは、管路212を通ってガスエンジン発電設備200に送られる。ガスエンジン発電設備200が稼動して生じた電力E及び蒸気Sは、炭鉱坑内ユーティリティ設備202又は、その他の需要先に送られている。
メタンガス等の低カロリーガスを燃料として使用する場合、各気筒に設けられた燃料ガス供給用電磁弁からの燃料供給量では不足するため、給気系統で不足分を補う必要がある。この不足分の燃料ガス補給を過給機の前で行う所謂、過給機前予混合と言われることが行われている。
ところが、既述のとおり、メタンCH4は二酸化炭素CO2の21倍の温室効果があると共に、加圧された予混合ガスが排出されるので内燃機関における過給効率及び、熱機関効率の低下をまねく。
更には、未燃焼の燃料ガスが大気中に放出されないので、大気汚染防止効果を有する。
更に、給気冷却器のドレンバルブの開閉を制御することにより、加圧された予混合ガスの排出タイミングを少なくすることにより、ガスエンジンへの過給効率低下を抑制できる効果を有している。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
本実施形態の発電用ガスエンジン1は炭鉱近傍に配設され、燃料ガス及び、給気ガスとして炭鉱構内から排出されるメタン含有ガスを用いる。図1において、発電用ガスエンジン1(以後ガスエンジン1と記載する)の出力軸15には発電機10が連結されている。
これは、低カロリーガスを燃料とする場合に、ガスエンジン1に直接ガス燃料を供給するだけでは所望燃料量に不足が生じるために行われる。
また、ガスミキサー5への燃料ガス供給は後述するガスエンジン1への燃料ガス供給管92から分岐した予混合配管53によって行われる。52は燃料ガスの流量計であり、流量計52の検出結果を制御装置2へ送信される。その結果に基づいてガスミキサー5へのガス供給量を制御装置2によってミキサーバルブ51への流量調整を行っている。
また、給気管6のガスミキサー5と過給機3との間には予混合ガスの温度を測定する第1給気温度センサ11(Tsuc)が配設されている。第1給気温度センサ11(Tsuc)にて検出された検出値は制御装置2へ送信している。該検出値は後述するドレンバルブ81の制御要素として使用する。34は排気集合管17からの排気ガスを排気タービン32に対してバイパスさせる排気ガスバイパス管33に配設され、制御装置2により作動する排気ガス流量調整バルブである。排気ガス流量調整バルブ34は排気タービン32への排気ガス流量調整を行いコンプレッサ31の加圧調整を行う。
二重に浄化装置を配設するのは、炭鉱から排出される燃料ガスには多くの埃、水蒸気等が混入されており、燃料ガス中の不純物を除去してガスエンジン1への悪影響を除去するためである。
配管53によってガスミキサー5へ燃料ガスの供給を行い、既述の過給機前予混合を行う。
燃料ガスの大部分は燃料ガス供給管92を介してガスエンジン1の各気筒に供給される。
制御装置2は、燃料ガス供給管92に配設された燃料ガスの流量を検知する燃料ガス流量計93の検出値に基づいて、燃料ガスの圧力を調整する調圧弁14とガスエンジン1の気筒毎に配設されたガス供給電磁弁18を制御して、各気筒へ流入させる燃料ガス流量を調整している。
ドレン制御手段8は、給気冷却器4の底部に取付けられたドレンバルブ81、ドレンと予混合ガスとを分離する気液分離装置7、ドレンバルブ81と気液分離装置7とを連通する第1導管であるドレン配管42、分離された燃料ガスを給気管6に戻す第2導管である戻し配管73、第1給気温度センサ11、第2給気温度センサ12、給気圧力センサ13及び、ドレンバルブ81を開閉制御するマップを備えた制御装置2で構成されている。
気液分離装置7は加圧された予混合ガスが大気圧又は、それに近い圧力に戻ることができる容量の空間71を有しており、予混合ガスの圧力が下がることにより給気中に含まれていた水蒸気が凝縮して予混合ガスから水分が分離される。
尚、気液分離装置7内の他の空気は気液分離装置7に溜まったドレンと伴に大気中に排出される。
更に、燃料ガスが給気管に自然に導入されるので、装置としてのコスト上昇を抑制できる効果を有すると共に、メタンガスを大気に放出しないので温室効果が防止される。
ドレンバルブ開閉制御マップは図2(A)は給気圧力Psに対し、縦軸に給気露点温度Ts(給気温度)、横軸に絶対湿度Sh(含有水蒸気量g/kg)を示し、給気圧力Psに対する給気露点温度Tsと絶対湿度Shの関係を示したものである。
給気冷却器出口側の給気温度Ts及び、給気圧力Psは給気冷却器4及び、過給機3を制御装置2によって一定(ガスエンジン出力)に制御される。
また、図2(B)は横軸に絶対湿度Sh(含有水蒸気量)g/kg、縦軸に過給機3が吸込む基準吸込み温度Tstd(乾球温度)を示し、相対湿度に対する絶対湿度g/kgと過給機側での基準吸込み温度(Tstd)との関係を示したものである。
本マップは過給機3及び給気冷却器4の性能に基づいて、本実施形態におけるガスエンジン1の試験結果により求めたものである。
言替えると、過給機3に吸込まれる予混合ガスの温度が22℃、相対湿度100%であれば、給気冷却器4通過後の給気温度Tsが40℃、給気圧力Psが2kg/cm2に維持され、予混合ガスは給気露点温度Tsと同じなので、過給機3に吸込まれる予混合ガスの温度(給気温度Tsuc)が22℃以下の場合、絶対湿度が小さくなるので、予混合ガスに含まれている水蒸気は給気冷却器4の中で凝縮しないことになる。
従って、ドレンが発生しないので、ドレンバルブ81は閉状態を維持することにより、予混合ガスがドレンと伴に給気冷却器4から排出されないので、ガスエンジン1への過給効率低下を防止できる。
ステップS1からスタートして、ステップS2において予混合ガスの給気冷却器4通過後の給気温度Ts(エンジン前)を第2給気温度センサ12にて検知する。ステップS3において予混合ガスの給気冷却器通過後の給気圧力Ps(エンジン前)を給気圧力センサ13にて検知する。ステップS4にて過給機3の予混合ガス吸込み前の給気温度(Tsuc)を第1給気温度センサ11にて検知する。
ステップS5において給気温度(Ts)及び給気圧力(Ps)から絶対湿度(Sh)をマップから算出する。〔図2(A)〕
ステップS7において、ステップS4で検知した給気温度(Tsuc)≦基準吸込み温度(Tstd)を比較する。
Yesの場合はYに進み、ステップS8にてドレンバルブVdは閉止を維持し、ステップS10でリターンする。一方、Noの場合はNに進み、ステップS9にてドレンバルブVdはドレン(凝縮水)を気液分離装置7へ定期的に排出する動作になり、ステップS10でリターンする。
凝縮水は気液分離装置7から大気中に排出させるため、吸気系路を形成する部材の腐食防止効果を有する。
更に、ドレン開時、凝縮水に伴って加圧された予混合ガスの排出を伴うので、過給機3の吸込み温度(Tsuc)と、給気冷却器4の出口側の給気温度(Ts)と、給気圧力(Ps)とに基づき、一定の条件下において、吸込み温度(Tsuc)がある閾値(規準吸込み温度Tstd)より低い場合にはドレン(凝縮水)の生成がないので、ドレン装置のドレンバルブを閉状態に維持するように制御するドレンバルブ制御手段を備え、加圧された予混合ガスの排出を抑制してガスエンジンへの過給効率の減少を最小限にする。
2 制御装置
3 過給機
4 給気冷却器
5 ガスミキサー
6 吸気管
7 気液分離装置
8 ドレン制御手段
11 第1給気温度センサ
12 第2給気温度センサ
13 給気圧力センサ
14 調圧弁
16 給気マニホールド
17 集合排気管
18 ガス供給電磁弁
31 コンプレッサ
32 排気タービン
42 ドレン配管(第1導管)
51 ミキサーバルブ
61 オイルバス式フィルタ
73 戻し管(第2導管)
81 ドレンバルブ
Claims (5)
- ガスを燃料とするガスエンジンへの給気を加圧する過給機の給気系上流側にて燃料ガスを空気に混合して予混合ガスを生成する過給機前予混合装置を備えた前記ガスエンジンのドレン装置において、前記過給機の給気系下流側に位置し、前記過給機にて加圧された前記予混合ガスを冷却すると共に、前記予混合ガスの冷却に伴い凝縮する凝縮水を排出するドレンバルブを有した給気冷却器と、前記ドレンバルブに第1導管を介して接続し、前記凝縮水と伴に排出される前記予混合ガスを前記凝縮水から分離する気液分離装置と、該気液分離装置にて分離された前記予混合ガスが第2導管を介して前記過給機の給気系上流側に流入されるようにしたことを特徴とするガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
- 前記燃料ガスは空気より比重が小さい燃料であって、前記気液分離装置は前記凝縮水に伴って排出される前記予混合ガスが大気圧又は、それに近い圧力に開放される容量を有すると共に、上部に前記予混合ガスを捕集する捕集部を備えていることを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
- 前記過給機の上流側に配置された第1給気温度センサにて検知された前記予混合ガスの過給機吸込み温度(Tsuc)と、前記給気冷却器出口側に配設された第2給気温度センサ及び、給気圧力センサにて検知された前記予混合ガスの給気温度(Ts)と、給気圧力(Ps)とに基づいて、前記ドレンバルブを開閉制御するドレンバルブ制御手段を備えたことを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
- 前記ドレンバルブ制御手段は前記給気冷却器出口側の給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)を前記給気冷却器及び、前記過給機によって一定に制御すると共に、該一定の前記給気温度(Ts)及び、前記給気圧力(Ps)時において、前記給気冷却器出口側での予混合ガスの相対湿度が100%となる場合の過給機が吸込む予混合ガスの基準吸込み温度(Tstd)をマップに基づいて算出し、該算出した基準吸込み温度(Tstd)に対し、実際に検出された前記吸込み温度(Tsuc)の検出値が低い場合には、前記ドレンバルブを閉止状態に維持するドレンバルブ制御手段を備えたことを特徴とする請求項3記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
- 前記気液分離装置の前記捕集部は前記過給機の給気系上流側の給気路形成部材に対し重
力方向下側に位置していることを特徴とする請求項2記載のガスエンジンの給気冷却器のドレン装置。
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