JP2017180169A - Auxiliary mechanism for exhaust gas turbine supercharger, power generation facility including auxiliary mechanism and control method of auxiliary mechanism - Google Patents
Auxiliary mechanism for exhaust gas turbine supercharger, power generation facility including auxiliary mechanism and control method of auxiliary mechanism Download PDFInfo
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関と発電機とを備えた発電設備において、前記内燃機関に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機の回転を補助する補助機構、補助機構を備えた発電設備及び補助機構の制御方法に関する。 The present invention relates to a power generation facility including an internal combustion engine and a generator, an auxiliary mechanism for assisting rotation of an exhaust gas turbocharger that supplies compressed gas to the internal combustion engine, a power generation facility including the auxiliary mechanism, and an auxiliary mechanism. Relates to the control method.
オフィスビル、工場、病院等の施設には、停電が発生したとしても施設の運用を持続可能とするために、独自の発電設備が備えられている。 Facilities such as office buildings, factories, and hospitals have their own power generation equipment so that the operation of the facilities can be sustained even if a power failure occurs.
このような発電設備は、ガスエンジン等の内燃機関と発電機とを備え、停電が発生すると内燃機関を稼働させ、その稼働力により発電機に発電をさせるように構成されている。内燃機関に排気ガスタービン過給機が備えられ省エネ化が図られ、内燃機関の排熱を利用して施設において利用するための温水や蒸気を得るコジェネレーション化が図られている。 Such a power generation facility includes an internal combustion engine such as a gas engine and a generator, and is configured to operate the internal combustion engine when a power failure occurs and to cause the generator to generate power using the operating power. An internal combustion engine is equipped with an exhaust gas turbine supercharger to save energy, and cogeneration to obtain hot water and steam for use in a facility using exhaust heat of the internal combustion engine is achieved.
例えば、特許文献1のように、排気ガスタービン過給機は、タービンとコンプレッサとを同軸上に備え、内燃機関の排気ガスのエネルギー(動圧、静圧及び熱エネルギー)を利用してタービンを回転させ、その回転力によりコンプレッサを稼働することによって内燃機関への給気ガスの密度を高めて、より多くの酸素を燃焼室に送り、より高い燃焼エネルギーを得る構成が開示されている。なお、コンプレッサと内燃機関の給気口までの間にはインタークーラ、スロットルバルブ等が適宜設けられている。 For example, as in Patent Document 1, an exhaust gas turbine supercharger includes a turbine and a compressor on the same axis, and uses the energy (dynamic pressure, static pressure, and thermal energy) of the exhaust gas of the internal combustion engine to operate the turbine. A configuration is disclosed in which a compressor is operated by the rotation force to increase the density of the supply gas to the internal combustion engine, thereby sending more oxygen to the combustion chamber and obtaining higher combustion energy. An intercooler, a throttle valve, and the like are appropriately provided between the compressor and the air supply port of the internal combustion engine.
しかし、このような内燃機関は、排気ガスタービン過給機によって内燃機関への給気ガスの密度を高めて所定の出力を得ているため、内燃機関の起動直後のような排気ガス量が少ない低負荷領域においては、排気ガスタービン過給機が十分に機能せず、回転数の変動や、過渡な負荷投入による内燃機関の異常停止が発生する虞があった。 However, since such an internal combustion engine obtains a predetermined output by increasing the density of the supply gas to the internal combustion engine by an exhaust gas turbine supercharger, the amount of exhaust gas is small just after the start of the internal combustion engine. In the low load region, the exhaust gas turbocharger does not function sufficiently, and there is a possibility that the engine speed may be fluctuated or the internal combustion engine may be abnormally stopped due to a transient load application.
そこで、排気ガスタービン過給機に電動機を備え、内燃機関の起動直後においては、電動機によってタービン(及びコンプレッサ)の回転を補助して排気ガス量が少ない低負荷領域における給気ガスの密度を高めることにより、内燃機関の起動直後における挙動を安定させている。 Therefore, the exhaust gas turbine supercharger is equipped with an electric motor, and immediately after the internal combustion engine is started, the electric motor assists the rotation of the turbine (and the compressor) to increase the density of the supply gas in the low load region where the amount of exhaust gas is small. This stabilizes the behavior immediately after the start of the internal combustion engine.
しかし、タービンの回転を補助するための電動機は、電動機自体が大きく、別に蓄電池や電気配線が必要なことから発電設備が大型化してしまう。また、発電設備で発電された電力を、電動機の駆動のために使用すると、コジェネレーションシステム全体としての実質的な発電効率が低下するという問題があった。 However, the electric motor for assisting the rotation of the turbine is large and the power generation facility is enlarged because a separate storage battery and electric wiring are required. Moreover, when the electric power generated by the power generation facility is used for driving the electric motor, there is a problem that the substantial power generation efficiency of the entire cogeneration system is lowered.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の起動直後における排気ガスタービン過給機の補助を可能な小型の補助機構、補助機構を備えた発電設備及び補助機構の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a small auxiliary mechanism capable of assisting an exhaust gas turbine supercharger immediately after startup of an internal combustion engine, a power generation facility including the auxiliary mechanism, and a method for controlling the auxiliary mechanism. The purpose is to provide.
上述の目的を達成するための、本発明に係る補助機構の特徴構成は、内燃機関と発電機とを備えた発電設備において、前記内燃機関に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機の回転を補助する補助機構であって、前記排気ガスタービン過給機のタービン及びコンプレッサの回転軸に連結されたエアモータと、前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給源とを備えている点にある。 In order to achieve the above-described object, the auxiliary mechanism according to the present invention is characterized in that, in a power generation facility including an internal combustion engine and a generator, rotation of an exhaust gas turbine supercharger that supplies compressed gas to the internal combustion engine. And an air motor connected to the turbine of the exhaust gas turbine supercharger and a rotation shaft of the compressor, and a supply source for supplying compressed air to the air motor.
上述の構成によると、エアモータ及びエアモータを稼働させる設備は、電動機及び電動機を稼働させる設備に比べて小型に構成することができる。また、エアモータは電動機のように補機動力が必要ない。 According to the above-described configuration, the air motor and the facility for operating the air motor can be made smaller than the motor and the facility for operating the motor. In addition, an air motor does not require auxiliary power like an electric motor.
本発明においては、前記供給源から前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給経路を備え、前記供給経路は圧力調整弁を備えていると好適である。 In the present invention, it is preferable that a supply path for supplying compressed gas from the supply source to the air motor is provided, and the supply path includes a pressure regulating valve.
圧力調整弁によりエアモータに供給される圧縮ガスの流量を調整することにより、エアモータの回転数が調整でき、したがって排気ガスタービン過給機の補助力を制御することができる。内燃機関の起動直後には、エアモータによる排気ガスタービン過給機に対する補助力を強め、内燃機関が定常運転するにつれてエアモータによる排気ガスタービン過給機に対する補助力を弱めることにより、内燃機関の起動直後から定常運転までの運転状態を安定させることができ、結果として停電が発生したあと、早期に安定した発電が可能となる。 By adjusting the flow rate of the compressed gas supplied to the air motor by the pressure adjusting valve, the rotational speed of the air motor can be adjusted, and thus the auxiliary force of the exhaust gas turbine supercharger can be controlled. Immediately after the start of the internal combustion engine, the assist force for the exhaust gas turbine supercharger by the air motor is strengthened, and the assist force for the exhaust gas turbine supercharger by the air motor is weakened as the internal combustion engine operates normally. As a result, after a power failure occurs, stable power generation becomes possible.
本発明においては、前記内燃機関を起動するためのエアスタータを備え、前記供給源は前記エアスタータにも圧縮ガスを供給すると好適である。 In the present invention, it is preferable that an air starter for starting the internal combustion engine is provided, and the supply source supplies the compressed gas to the air starter.
エアモータを稼働させるために備えられた圧縮ガスの供給源が有する圧縮ガスを、内燃機関の起動のためのエアスタータの稼働に利用することにより、発電設備全体の大型化を防止することができる。 By using the compressed gas included in the compressed gas supply source provided for operating the air motor for the operation of the air starter for starting the internal combustion engine, it is possible to prevent the power generation facility from being enlarged.
上述の目的を達成するための、本発明に係る発電設備の特徴構成は、上述したいずれか一つの特徴構成を有する補助機構を備えた点にある。 In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the power generation facility according to the present invention is that an auxiliary mechanism having any one of the above-described characteristic configurations is provided.
発電設備において、内燃機関の起動直後における排気ガスタービン過給機の補助が可能となる。 In the power generation facility, the exhaust gas turbocharger can be assisted immediately after the internal combustion engine is started.
本発明においては、停電の発生時に稼働すると好適である。 In the present invention, it is preferable to operate when a power failure occurs.
施設にこの発電設備を備えることにより、停電が発生したとしても施設の運用が持続可能となる。 By providing this power generation facility in the facility, the facility can be operated even if a power failure occurs.
上述の目的を達成するための、本発明に係る制御方法の特徴構成は、上述したいずれか一つの特徴構成を有する補助機構の制御方法であって、停電が発生して内燃機関が起動すると圧力調整弁を開いてエアモータを回転させ、前記エアモータが定常回転数に到達すると電力負荷が投入され、所定時間が経過すると前記圧力調整弁を徐々に閉じて前記エアモータを停止する点にある。 In order to achieve the above object, the characteristic configuration of the control method according to the present invention is a control method for an auxiliary mechanism having any one of the above-described characteristic configurations. The adjustment valve is opened to rotate the air motor. When the air motor reaches a steady rotation speed, a power load is applied. When a predetermined time elapses, the pressure adjustment valve is gradually closed to stop the air motor.
上述の構成によると、停電が発生したあと、早期に安定した電力の供給が可能である。 According to the above-described configuration, it is possible to supply stable power at an early stage after a power failure occurs.
以下、本発明に係る補助機構の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of an auxiliary mechanism according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、オフィスビル、工場、病院等の施設に備えられた発電設備の要部が示されている。発電設備は、停電が発生したとしても施設の運用を持続可能とするための設備であり、非常用の発電機(図示せず)と、発電機を稼動するための内燃機関1を備えている。 FIG. 1 shows a main part of power generation equipment provided in a facility such as an office building, a factory, or a hospital. The power generation facility is a facility for sustaining the operation of the facility even if a power failure occurs, and includes an emergency generator (not shown) and an internal combustion engine 1 for operating the generator. .
前記発電機は、内燃機関1の出力軸から出力される機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する機械であり、停電が発生したときに、施設に電気を供給してその運用を持続させるために備えられている。なお、発電機の具体的構成は公知であるため説明を省略する。 The generator is a machine that converts mechanical energy output from the output shaft of the internal combustion engine 1 into electrical energy, and is provided for supplying electricity to a facility and maintaining its operation when a power failure occurs. It has been. In addition, since the specific structure of a generator is well-known, description is abbreviate | omitted.
内燃機関1は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する機関であり、本実施形態においてガスエンジンである。なお、内燃機関1はディーゼルエンジンであってもよい。 The internal combustion engine 1 is an engine that converts thermal energy into mechanical energy, and is a gas engine in the present embodiment. The internal combustion engine 1 may be a diesel engine.
内燃機関1は、燃料ガスと空気を混合した混合気をシリンダ内で燃焼させ、そのときに発生する圧力によってピストンをシリンダ内において往復運動させ、これをクランクによって回転運動に変換して、出力軸から出力するように構成されている。 The internal combustion engine 1 combusts an air-fuel mixture in which fuel gas and air are mixed in a cylinder, reciprocates a piston in the cylinder by pressure generated at that time, converts this into rotational motion by a crank, and outputs an output shaft. Is configured to output from.
当該発電設備は、さらに、内燃機関1を起動させるためのエアスタータ2と、エアスタータ2に圧縮ガスを供給する供給源としての圧縮ガスタンク3が備えられている。なお、圧縮ガスとは、エアスタータ2や後述するエアモータ11を稼働し得る圧力を有するガスであり、ガスとしては空気や、窒素等の不活性ガスが好ましく例示できる。
The power generation facility further includes an
エアスタータ2は、内燃機関1の起動時に停止状態のクランクを回転させるための装置であり、圧縮ガスタンク3から供給される圧縮ガスにより稼働するエアモータ等により構成されている。
The
内燃機関1の給排気管には、排気ガスタービン過給機4が備えられている。 An exhaust gas turbine supercharger 4 is provided in a supply / exhaust pipe of the internal combustion engine 1.
排気ガスタービン過給機4は、内燃機関1の排気ガスのエネルギーによって回転するタービン5と、タービン5の回転を利用して給気ガスを圧縮するコンプレッサ6と、タービン5とコンプレッサ6とを接続するシャフト7を備えている。
The exhaust gas turbine supercharger 4 connects the turbine 5 that is rotated by the energy of the exhaust gas of the internal combustion engine 1, the
コンプレッサ6から内燃機関1に至る給気管8にはインタークーラ9とスロットルバルブ10が備えられている。
An
シャフト7にはエアモータ11の出力軸12が接続されている。エアモータ11は、圧縮ガスタンク3の圧縮ガスを動力源として稼働する装置であり、エアモータ11の回転により、排気ガスタービン過給機4のタービン5及びコンプレッサ6の回転が補助される。
An
圧縮ガスタンク3からエアモータ11に圧縮ガスを供給する供給経路13には圧力調整弁14が備えられている。圧力調整弁14によりエアモータ11に供給される圧縮ガスの流量を調整することにより、エアモータ11の回転数が調整できる。したがって、エアモータ11による排気ガスタービン過給機4の補助力を制御することができる。
A
なお、内燃機関1の回転数を計測する回転数計測機構と、これと圧力調整弁14を連動させる連動機構を備えていてもよい。当該連動機構は、回転数計測機構が計測した内燃機関1の回転数が目標回転数を下回ると圧力調整弁14の開度を増加し、内燃機関1の回転数が目標回転数を超えると圧力調整弁14の開度を減少させる。
In addition, you may provide the rotation speed measurement mechanism which measures the rotation speed of the internal combustion engine 1, and the interlocking mechanism which links this and the
内燃機関1の起動直後には、エアモータ11による排気ガスタービン過給機4に対する補助力を強め、内燃機関1が定常運転するにつれてエアモータ11による排気ガスタービン過給機4に対する補助力を弱めることにより、内燃機関1の起動直後から定常運転までの運転状態を安定させることができ、結果として停電が発生したあと、早期に安定した発電が可能となる。
Immediately after the internal combustion engine 1 is started, the auxiliary force for the exhaust gas turbine supercharger 4 by the
エアモータ11及び圧縮ガスタンク3は、従来のように排気ガスタービン過給機4の回転を補助するための電動機及び電動機を稼働させる設備を備える構成に比べて、小型に構成することができる。また、エアモータ11は電動機のように補機動力が必要ない。
The
本実施形態において発電設備は、エアモータ11を稼働させるために備えられた圧縮ガスの圧縮ガスタンク3が有する圧縮ガスを、内燃機関1の起動のためのエアスタータ2の回転に利用することにより、発電設備全体の大型化を防止することができる。
In the present embodiment, the power generation facility generates power by using the compressed gas included in the compressed gas tank 3 of the compressed gas provided for operating the
次に、上述のように構成された発電設備が備えるエアモータ11の制御方法について説明する。
Next, a method for controlling the
図2に示すように、施設に停電が発生すると、発電設備は圧縮ガスタンク3からエアスタータ2に圧縮ガスを供給し、エアスタータ2を回転させ、スロットルバルブ10を開き、内燃機関1に混合気を導入し、点火プラグにより点火して内燃機関1を起動する。なお、内燃機関1の起動時におけるスロットルバルブ10の開度は100%である。
As shown in FIG. 2, when a power failure occurs in the facility, the power generation facility supplies compressed gas from the compressed gas tank 3 to the
そして、内燃機関1の起動とともに、圧力調整弁14を徐々に開いてエアモータ11を起動させる。エアモータ11の起動により、無負荷状態にある内燃機関1にとっては、空気が供給過剰となるため、これを回避するためにスロットルバルブ10の開度が減少される。
As the internal combustion engine 1 is started, the
内燃機関1からの排気ガスとともに、エアモータ11からの稼働力により、排気ガスタービン過給機4のタービン5及びコンプレッサ6が回転させられる。
The turbine 5 and the
圧力調整弁14の制御によりエアモータ11が定常回転数となり、したがって、タービン5及びコンプレッサ6の回転速度が定常回転数となり、それにつれて内燃機関1が定常運転となる。
The
すると前記発電機による発電が可能となるため電力負荷が投入される。電力負荷の投入により内燃機関1の回転数は瞬間的に低下するため、スロットルバルブ10は、再び開度が100%程度にまで開かれる。なお、スロットルバルブ10は、電力負荷の投入直後に、例えば所定時間に亘って徐々に開度を増加させる態様で開かれるように制御される。これにより、内燃機関1の回転数は定常回転数に復帰する。その復帰までの所定時間の経過を待って、スロットルバルブ10及び圧力調整弁14を徐々に閉じ始め、エアモータ11が停止させられたあと、最終的に、スロットルバルブ10は開度が30%程度に維持される。なお、スロットルバルブ10及び圧力調整弁14は、電力負荷の投入後、例えば所定時間に亘って徐々に開度を減少させる態様で閉じるように制御される。
Then, since the generator can generate power, an electric load is applied. Since the rotational speed of the internal combustion engine 1 instantaneously decreases due to the input of electric power load, the
以上のようにして、停電が発生したあと、当該発電設備により早期に安定した電力の供給が可能である。 As described above, after a power failure occurs, stable power supply can be achieved early by the power generation facility.
上述した実施形態においては、排気ガスタービン過給機4が1段である場合について説明したが、同じ構成の排気ガスタービン過給機4を2段直列に備える構成であってもよい。この場合、2段の排気ガスタービン過給機4のそれぞれに共通の圧縮ガスタンク3から分岐供給される圧縮ガスにより稼動するエアモータ11が備えられる。
In the above-described embodiment, the case where the exhaust gas turbine supercharger 4 has one stage has been described. However, the exhaust gas turbine supercharger 4 having the same configuration may be provided in two stages in series. In this case, each of the two-stage exhaust gas turbine superchargers 4 is provided with an
上述した実施形態においては、内燃機関1の起動にエアスタータ2を用いる構成について説明したが、エアスタータ2に代えてセルモータを用いてもよい。この場合、発電設備は、セルモータを稼働するための蓄電池等を別に備える。
In the embodiment described above, the configuration in which the
なお、上述した実施形態は、いずれも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能である。 The above-described embodiments are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited by the description. The specific configuration of each part is appropriately changed and designed within the range where the effects of the present invention are exhibited. Is possible.
本発明に係る補助機構は、オフィスビル、工場、病院等の施設等の、停電により施設の運用が停止する状態の発生が好ましくない施設に備えられた発電設備に好ましく用いることができる。 The auxiliary mechanism according to the present invention can be preferably used for power generation equipment provided in facilities such as office buildings, factories, hospitals, and other facilities where operation of the facilities is stopped due to a power failure.
1 :内燃機関
2 :エアスタータ
3 :圧縮ガスタンク(供給源)
4 :排気ガスタービン過給機
5 :タービン
6 :コンプレッサ
11 :エアモータ
13 :供給経路
14 :圧力調整弁
1: Internal combustion engine 2: Air starter 3: Compressed gas tank (supply source)
4: Exhaust gas turbine supercharger 5: Turbine 6: Compressor 11: Air motor 13: Supply path 14: Pressure adjusting valve
Claims (6)
前記排気ガスタービン過給機のタービン及びコンプレッサの回転軸に連結されたエアモータと、
前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給源とを備えていることを特徴とする補助機構。 In a power generation facility including an internal combustion engine and a generator, an auxiliary mechanism that assists in rotation of an exhaust gas turbine supercharger that supplies compressed gas to the internal combustion engine,
An air motor connected to a rotating shaft of a turbine and a compressor of the exhaust gas turbine supercharger;
An auxiliary mechanism comprising a supply source for supplying compressed gas to the air motor.
前記供給経路は圧力調整弁を備えていることを特徴とする請求項1に記載の補助機構。 A supply path for supplying compressed gas from the supply source to the air motor;
The auxiliary mechanism according to claim 1, wherein the supply path includes a pressure regulating valve.
停電が発生して内燃機関が起動すると圧力調整弁を開いてエアモータを回転させ、
前記エアモータが定常回転数に到達すると電力負荷が投入され、
所定時間が経過すると前記圧力調整弁を徐々に閉じて前記エアモータを停止することを特徴とする制御方法。 A method for controlling an auxiliary mechanism according to any one of claims 1 to 3,
When a power failure occurs and the internal combustion engine starts, the pressure adjustment valve is opened and the air motor is rotated.
When the air motor reaches a steady rotational speed, a power load is turned on,
A control method comprising: gradually closing the pressure regulating valve and stopping the air motor when a predetermined time has elapsed.
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WO2019058903A1 (en) | 2017-09-20 | 2019-03-28 | 帝人株式会社 | Substrate for chromatography medium, chromatography medium, and strip for immunochromatograph |
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2016
- 2016-03-29 JP JP2016065492A patent/JP2017180169A/en active Pending
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