JP3781412B2 - 燃料供給装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じ得る様な燃料(特に気体燃料)を、当該燃料を使用する機器(例えば燃焼器)へ供給するための燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
バイオガス等のように燃料組成が変化する燃料ガスを、例えば燃焼器の燃料として使用した場合、燃料組成が変化して燃料の発熱量が低下した場合には、燃焼が不安定となり、定格出力が得られない等の問題が発生する。
一方、燃料組成が変化して燃料の発熱量が上昇した場合には、燃焼器が破損する等の問題が生じる。
【0003】
係る不都合に対処して、上述した組成変動に対して燃焼器への投入熱量を一定にするために、従来技術では、例えば図4で示す様な構成を具備している。
図4においては、上流側から順に分析計6と、流量制御弁Vと、流量計8とを介装した燃料供給ラインFLを有する燃料供給装置において、前記分析計6で分析した燃料成分データと、流量計8で計測した燃料流量データと、負荷信号伝達ラインを介して伝達される負荷データに基づいて、制御装置10が、前記流量制御弁Vによって、燃料流量を制御することが行われている。
尚、図4中、符号SL1、SL2は入力信号ラインを示し、SL5は出力信号ラインを示し、SLLは負荷信号伝達ラインを示す。
【0004】
しかし、上述の方法は分析計が必要となり、設備コストが増大すると共に、システムが大型化、複雑化するという問題を含んでいる。
【0005】
その他の従来技術として、例えば図5で示す様に、前述の図4に対して、新たに組成が略々一定で発熱量が既知の燃料(例えば都市ガス)の供給ラインFHL及びミキサ3を加え、前述(図4)の燃料組成が変化する燃料ガスの供給ラインFLL(図4では燃料供給ラインFLの一部)と前記発熱量が既知の燃料(例えば都市ガス)の供給ラインFHLを前記ミキサ3において混合させる燃料供給方法がある。
【0006】
図5で示す燃料供給方法は、前記発熱量が既知の燃料(例えば都市ガス)の供給ラインFHLに上流から順に流量制御弁VHと流量計80を介装しており、燃料組成が変化する燃料ガスの燃料組成を分析し、制御装置10によって発熱量を演算し、当該発熱量に対応して供給ラインFLL及び供給ラインFHLの流量を制御出来るように構成されている。
尚、図5中、符号SL1〜SL3は入力信号ラインを示し、SL5、SL6は出力信号ラインを示し、SLLは負荷信号伝達ラインを示している。
【0007】
しかし、図5で示す従来技術においても、図4の従来技術と同様に、分析計等の付加設備が必要となり、設備コストが増大するとともにシステムが大型化、複雑化するという問題を含んでいる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じ得る様な燃料(特に気体燃料)を、当該燃料を使用する機器(例えば燃焼器)へ供給するための燃料供給装置であって、分析計等の付加設備を必要とすることなく、燃料を供給するべき機器(例えば燃焼器)へ投入する熱量を一定に出来る様な燃料供給装置の提供を目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料供給装置は、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料(特に気体燃料:例えばバイオガス)を、当該燃料を使用する機器(例えば燃焼器2)へ供給するための燃料供給装置において、燃料を使用する機器(例えば燃焼器2)への燃料供給系(FL)にエジェクタ(5)を介装し、該エジェクタ(5)の駆動流(5aF)側には前記組成の変動を生じる燃料(特に気体燃料:例えばバイオガス。発熱量が或る程度分かっている)の供給ライン(FLL)が連通し、該エジェクタ(5)の2次(5bF)側には組成変動を生じず且つ発熱量が既知の燃料(組成変動が無視出来る程度に小さい燃料:例えば都市ガス)の供給ライン(FHL)が連通している(請求項1)。
【0010】
ここで、燃料なる文言は主として気体燃料を意味しているが、例えば液体燃料を霧化したものをも包含する趣旨で使用されている。
【0011】
係る構成を具備する本発明によれば、組成変動を生じない燃料(例えば都市ガス)が、エジェクタ(5)により、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料(特に気体燃料:例えばバイオガス)に混合される。
【0012】
そして、駆動流(5aF)側を流過する前記組成の変動を生じる燃料の組成が変動しても、エジェクタ(5)の作用により、当該燃料組成の変動に対応して、2次(5bF)側を流過する組成変動を生じない燃料の流量が変化して、混合燃料全体による機器への投入熱量が一定に維持されるのである。
【0013】
エジェクタ(5)では、駆動流流量(Qa)と2次流流量(Qb)との流量比は、駆動流(5aF)を構成する流体の密度(ρa)と、2次流(5bF)を構成する流体の密度(ρb)との比(密度比)の、関数となっている。
【0014】
そのため、(後述する様に、)駆動流(5aF)を構成する流体の密度(ρa)が増加すると、2次流(5bF)を構成する流体の流量(Qb)が増加する。
【0015】
ここで、駆動流(5aF)の不燃成分が例えば二酸化炭素(CO2)であり、可燃成分がメタン(CH4)であれば、駆動流(5aF)の不燃成分(CO2)濃度が増加すると、二酸化炭素は可燃成分であるメタンよりも重いので、駆動流(5aF)の密度は増加する。
このとき、不燃成分が増加するため、駆動流(5aF)を構成する燃料ガスの発熱量は減少する。
しかし、駆動流(5aF)を構成する燃料ガスの発熱量が減っても、2次流(5bF)の流量が増加するので、混合ガス全体による投入熱量は略々一定になる。換言すれば、駆動流(5aF)の発熱量の減少による投入熱量の減少分は、2次流(5bF)の流量の増加による投入熱量増加分により相殺される。
従って、投入熱量は略々一定に維持される。
【0016】
本発明によれば、投入熱量を一定に維持するための設備としては、エジェクタ(5)のみが設けられており、分析計等の付加設備は必要としない。
そのため、図4、図5で示す従来技術の様な、設備コスト増大、システムの大型化、複雑化という問題は生じないのである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図3を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図1において、燃焼器2は燃料供給ラインFLと連通しており、該燃料供給ラインFLには流量制御弁VLと流量計8とエジェクタ5とが介装されている。流量計8の検出信号は、信号伝達ラインSL2を介して制御装置20に送出される。そして、制御装置20の制御信号は、信号伝達ラインSL5を介して、流量制御弁VLのアクチュエータへ出力される。この制御自体は、従来公知の制御技術をそのまま適用すれば良い。
前記エジェクタ5は、駆動流流入口(エジェクタ入口)5dを有する駆動流流過管5aと、2次流流入口5eを有する2次流流過管5bと、吐出口5cとにより構成されている。
【0018】
前記エジェクタ5のエジェクタ入口5dは流量制御弁VLを介装した低カロリーガス(例えばバイオガス)供給ラインFLLに連通し、前記エジェクタ5の2次流流入口5eは高カロリーガス(例えば、都市ガス)供給ラインFHLに連通している。
【0019】
前記駆動流流過管5aの後端及び2次流流過管5bの中ほど(駆動流流過管5aの後端)から後部は細く絞られ、駆動流流過管5aの後端から流速を増した駆動流(前述の低カロリーガス流)5aFが2次流流過管5bの中ほどに噴射され、2次流流過管5bを流下してきた2次流(前述の高カロリーガス流)5bFと交じり合い混合ガスとなって、吐出口5cから前記混合ガス供給ラインFLを介して前記燃焼器2に供給される様に構成されている。
【0020】
係る構成を具備する本実施形態の燃料供給装置によれば、エジェクタ5では、駆動流流量Qaと2次流流量Qbとの流量比は、駆動流5aFを構成する流体の密度ρaと、2次流5bFを構成する流体の密度ρbとの比(密度比)の、関数となっている。そのため、図3を参照して後述する様に、駆動流5aFを構成する流体の密度ρaが増加すると、2次流5bFを構成する流体の流量Qbが増加する。
【0021】
駆動流5aFの不燃成分(例えばCO2)濃度が増加すると、CO2は可燃成分であるCH4よりも重いので、駆動流5aFの密度ρaも増加する。
この場合、不燃成分が増加するため、駆動流5aFの発熱量は減少する。
【0022】
駆動流5aFを構成する燃料の発熱量が減っても、2次流5bFの流量Qbが増加するので、混合ガス全体による投入熱量は略々一定になる。その場合、駆動流5aFの発熱量減少による投入熱量減少分は、2次流流量Qbの増加による投入熱量増加分により、相殺される。
【0023】
図1の実施形態において、駆動流5aFを構成する気体燃料の組成が変化した場合に、駆動流5aF、2次流5bFを構成する気体燃料による投入熱量と、混合気体燃料による投入熱量とが、どの様に変化するのかをシミュレーションした結果が、図2で示されている。なお、駆動流5aFを構成する気体燃料の組成の変化は、図2においては横軸の値、CO2含有率の変化で示されている。
【0024】
図2では、予め混合気体燃料(駆動流5aFと2次流5bFの混合気体燃料)の投入熱量が設定されている。駆動流5aFの不燃成分であるCO2の含有率が増加するにつれて駆動流5aFによる投入熱量は減少していくが、2次流5bFである添加気体燃料(都市ガス)の流量が増加し、2次流5bFによる投入熱量が増加していくので、混合気体燃料による投入熱量が略々一定に保たれる。
【0025】
次に、エジェクタのモデル及び駆動流、2次流、混合流の各位置関係、流路面積A、密度ρ、速度v、ゲージ圧Pの各物理量を示した図3を参照して、図2のシミュレーション結果を導き出す過程について説明する。
連続の式を式1に示す。(式1は以下のイメージで表示される)
運動量保存の式を式2に示す。(式2は以下のイメージで表示される)
式2において、摩擦抵抗Ff をゼロとする。
2次流が吸引されると、図3のα断面位置での圧力は大気圧力より低くなり、従って式3が導かれる。(式3は以下のイメージで表示される)
式2と式3より式4が導かれる。(式4は以下のイメージで表示される)
ここで、Karmanによって定義された推力増大比KTは式5で示される。(式5は以下のイメージで表示される)
ここで、T:推力
尚、一般的にKT≒1.35と言われている。
式5を式4に代入して、(式6は以下のイメージで表示される)
従って、(式7は以下のイメージで表示される)
ここで、駆動流体はn個の成分、2次流体はm個の成分からなるとし、
M:分子量
r:モル分率 [Σr1i=1、Σr2j=1]
q:単位体積当たりの発熱量 [MJ/m3 N]
R:普遍気体定数 [J/(kmol・K)]
とすれば、
密度ρは、(式8、式9は以下のイメージで表示される)
ここで、T1=T2=Tとすると、式3によって式10が導き出される。(式10は以下のイメージで表示される)
投入熱量Q1(駆動流)、Q2(二次流)は式11、式12で表される。(式11、式12は以下のイメージで表示される)
従って混合気体Q(=Q1+Q2)の投入熱量は下記の式13で表される。
この様にして導き出された(式13)に、次の計算条件を代入すれば、図2のシミュレーション結果が得られる。
【0026】
計算条件
(可燃性+不燃性)気体燃料組成(駆動流) CH4、CO2
添加気体燃料組成(2次流) CH4
駆動流流速 200m/s
駆動流体噴口部断面積 0.0001m2
駆動流体噴口部断面積/2次流体入口部断面積 2.0
推力増大比 1.35
CH4発熱量 39.7MJ/m3 N
CH4分子量 16
CO2分子量 44
駆動流体温度 273K
2次流体温度 273K
【0027】
この様にして得られたシミュレーション結果である図2を参照すれば明らかな様に、図示の実施形態では、駆動流を構成する気体燃料の組成が変化しても、混合気体燃料による投入熱量は、概略一定である。このことから、図示の実施形態では、上述した「発明が解決しようとする課題」を全て解決しており、技術的に極めて有効であることが理解出来る。
【0028】
ここで、組成変動するガス(駆動流ガス)がメタンと二酸化炭素の混合ガスであり、組成が一定のガス(2次流ガス)がメタンである実施例を考える。
係る実施例においては、上述した式(8)〜式(13)は、以下に示す様な式(8´)〜式(13´)となる。(式8´〜式13´は以下のイメージで表示される)
【0029】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、組成が変動するガスはバイオガスに限定されるものではなく、組成が一定のガスは都市ガスに限定されるものではない。
【0030】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、駆動流の不燃成分(CO2等)が増加し、駆動流を構成する燃料ガスの発熱量が減少しても、2次流(例えば都市ガス)の流量が増加するので、混合ガス全体による投入熱量は一定に維持される。
その他の効果としては、本発明では、投入熱量を一定に維持する設備としては、エジェクタのみが設けられており、分析計等の付加設備を必要とせず、従って、設備コストの増大、システムの大型化、複雑化と言う問題は生じ得ない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の構成を示すブロック図。
【図2】本発明の実施形態において、駆動流の組成が変化した場合の駆動流による投入熱量、2次流による投入熱量と、混合気体燃料による投入熱量の変化をシミュレーションしたグラフ。
【図3】投入熱量のシミュレーションに用いたエジェクタのモデルの諸元を示す図。
【図4】従来技術の構成を示すブロック図。
【図5】従来技術のその他の構成を示すブロック図。
【符号の簡単な説明】
2・・・燃焼器
5・・・エジェクタ
5a・・・駆動流流過管
5b・・・2次流流過管
5c・・・吐出口
5d・・・エジェクタ入口
5e・・・2次流入口
VH、VL・・・流量制御弁
FHL・・・高カロリーガス(組成が一定のガス)供給管
FLL・・・低カロリーガス(組成が変動するガス)供給管
Claims (1)
- 可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料を、当該燃料を使用する機器へ供給するための燃料供給装置において、燃料を使用する機器への燃料供給系にエジェクタを介装し、該エジェクタの駆動流側には前記組成の変動を生じる燃料の供給ラインが連通し、該エジェクタの2次側には組成変動を生じず且つ発熱量が既知の燃料の供給ラインが連通していることを特徴とする燃料供給装置。
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