JP5372859B2

JP5372859B2 - Ｃｏ２回収型発電システム及びその運転制御方法

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Publication number: JP5372859B2
Application number: JP2010164857A
Authority: JP
Inventors: 康晴川端
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-07-22
Also published as: JP2012026342A

Description

本発明は発電システムに係り、特に、エンジン排気ガス中のＣＯ２を分離回収しながら発電と熱回収を行ない、ＣＯ２フリーの熱電併給を可能とする、ＣＯ２回収型発電システムの起動及び停止時の運転制御技術に関する。

従来、エンジンを駆動源とする発電システム又はコージェネレーション・システムにおいて、エンジン排気ガスは大気中に排出することが一般的である。しかしながら、近年、地球温暖化防止が叫ばれ、ＣＯ２排出量削減が全世界的な課題となっていることから、この分野においても排気ガスのＣＯ２削減が求められている。
本願発明者は、この問題に関してバイオマスを燃料とするコージェネレーション・システムにおいて、ＣＯ２を分離回収して固定化処理する技術を提案している（特許文献１）。
この技術は、図７に示すようにバイオマス燃料と純酸素を、混合器（ミキサー）１０２で予混合してガスエンジン１０１に供給し、これを駆動源として発電機１０３で発電して電力供給する。また、酸化剤として純酸素を用いることにより、ＣＯ２とＨ２Ｏのみとなった排気ガスを、熱交換器１０５において冷却してＨ２Ｏ成分を除去する。これにより、ＣＯ２を効率良く回収するとともに、排気ガスからの熱回収により熱供給を可能とする。さらに、熱交換器１０５通過後のＣＯ２ガスを、モータ１０６駆動の圧縮機１０７により圧縮して、地中注入井１０８に圧送する。以上のフローにより、ＣＯ２フリーの電力及び熱併給を可能とするものである。

特開２０１０−１３３３３号公報

酸化剤として純酸素を用いる上記システムにおいては、起動・停止時にエア供給に切り替えたり、パージのためのエアを導入する必要があるが、急激な供給ガス組成の変化はエンジン内での燃焼を悪化させ、エンジンやＣＯ２圧縮装置の損傷を招く恐れがある。また、排気ガス中のＣＯ２濃度が低下するため、ＣＯ２を昇圧する際の圧縮効率が低下する。
さらに、回収ＣＯ２の処理方法としてＣＯ２回収用パイプラインに圧送するシステムを採用する場合には、ＣＯ２濃度の低下はパイプライン内への不純ガス混入を意味し、パイプラインの処理効率の低下に加え、パイプラインの損傷を招く恐れもある。

本願発明者は、上記課題についてさらに検討を重ね、ＣＯ２フリーの発電システムにおいて、安定的に起動・停止が可能な制御技術に関する発明を完成した。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るＣＯ２回収型発電システムは、
（１）エンジン動力による発電と排熱回収による温熱を、系外に供給する発電システムにおいて、ピストン内に供給される炭化水素系燃料と、純酸素と、再循環ＥＧＲガス又は／及びエアと、の混合気を、シリンダ内において成層状態で燃焼可能に構成したエンジンと、エンジン排気ガスの一部を再循環するＥＧＲ系統と、再循環以外の排気ガス中のＨ２Ｏ成分を冷却除去してＣＯ２ガスを高濃度化した後に、圧縮機により昇圧するＣＯ２回収系統と、ＥＧＲ系統内に、再循環ガス量を調整可能とするＥＧＲガス量制御手段と、ＣＯ２回収系統内に、排気ガス中のＣＯ２濃度を検知するＣＯ２濃度検知手段と、エンジン吸気を、エア吸気側又は／及びＥＧＲガス吸気側に切り替え可能とする吸気三方弁と、該圧縮機の上流側に、排気ガス流路を圧縮機側又は／及び大気開放側に切り替え可能とする排気三方弁と、を備えて成り、エンジン起動時又は停止時において、排気ガス中のＣＯ２濃度に基づく、該ＥＧＲガス量制御手段、該吸気三方弁又は該排気三方弁のいずれか一以上の操作により、安定的な起動・停止と高濃度ＣＯ２ガス回収担保を可能に構成したことを特徴とする。

「成層状態で燃焼可能」とする手段としては、例えばスワール流若しくはタンブル流又はこれらの組み合わせを好適に用いることができる。
「ＣＯ２濃度検知手段」としては、ＣＯ２センサにより直接、ＣＯ２濃度を計測するもののみならず、これに替えて又はこれに加えて、残留Ｏ２濃度、残留ＣＯ濃度、残留Ｈ２濃度、あるいは残留炭化水素(ＨＣ)濃度等の計測により間接的にＣＯ２濃度を検知するものも含む。
（２）上記発明において、前記ＥＧＲガス量制御手段が、前記ＥＧＲ系統に配設した流量調整弁であることを特徴とする。
（３）上記（１）の発明において、前記ＥＧＲガス量制御手段が、吸・排気のバルブタイミングを調整可能とする可変バルブタイミング機構であることを特徴とする。

また、本発明に係るＣＯ２回収型発電システムの起動時運転制御方法は、
（４）上記（１）乃至（３）の発明において、前記吸気三方弁をエア吸気側、前記排気三方弁を大気開放側の流路に設定した状態で、前記エンジンを始動するステップと、前記ＥＧＲガス量制御手段を操作して、前記エンジンに供給するＥＧＲガス割合を増加させつつ、前記吸気三方弁を操作して、エア吸気側からのエア吸気量を段階的に減少させるステップと、エア吸気量の減少分に相当する純酸素の供給量を増加させて、燃焼に必要な酸素量を維持しつつ運転を継続するステップと、前記吸気三方弁を完全にＥＧＲガス吸気側に切り替えて、ＥＧＲガスと純酸素の混合気で燃料を燃焼させるステップと、エンジン燃焼状態が安定し、かつ、回収ＣＯ２濃度が所定の閾値を超えた段階で、前記排気三方弁を操作して、排気ガス流路を前記大気開放側から前記圧縮機側に段階的に切り替えて、回収ＣＯ２を圧縮するステップと、を含むことを特徴とする。

（５）上記（１）乃至（３）の発明において、燃料及び酸素の供給を徐々に減らすステップと、ＣＯ２濃度が所定の閾値以下になった段階で、前記排気三方弁を操作して、排気ガス流路を前記圧縮機側から前記大気開放側に切り替えるステップと、燃料及び酸素の供給が停止した段階で、前記吸気三方弁を操作して吸気流路をエア吸気側に切り替えて、惰性運転している前記エンジン内部及び前記圧縮機内部をエアにより置換するステップと、前記エンジンにおけるエア吸気と、前記圧縮機における大気開放側からの排気と、前記エンジン及び前記圧縮機ＣＯ２の惰性運転により全流路を空気で置換した後に、運転停止に至るステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、システムの起動・停止工程において、エア供給に切り替えたり、エアを混入する場合であっても、燃焼悪化によるエンジンやＣＯ２圧縮装置の損傷を回避でき、安定的な起動・停止を担保するという効果がある。
また、回収したＣＯ２を処理パイプラインに圧送して処理する際に、空気混入による排気ガス中のＣＯ２濃度低下を回避することができるため、パイプライン注入のためにＣＯ２を昇圧する際の圧縮効率の低下や、パイプラインに不純ガスが混入することによる、パイプラインの処理効率低下リスクや、パイプラインの損傷を防止できるという効果がある。
さらに、ＣＯ２ガスを高濃度化する過程において、熱交換により得られる温熱を回収することにより、熱電併給可能なコージェネレーション・システムを構築することもできる。

本発明の一実施形態に係るＣＯ２回収型コージェネレーション（ＣＧ）・システム１の全体構成（側断面）を示す図である。同上断面構成を示す図である。エンジン２の燃焼室内における成層燃焼の態様を示す図である。起動時初期段階における吸気及び排気の流れを示す図である。起動時途中段階における吸気及び排気の流れを示す図である。定常運転時における吸気及び排気の流れを示す図である。ＣＧシステム１の起動時運転制御フローを示す図である。停止時初期段階における吸気及び排気の流れを示す図である。停止直前段階における吸気及び排気の流れを示す図である。ＣＧシステム１の停止時運転制御フローを示す図である。従来のＣＯ２回収型コージェネレーション・システム１００の構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るＣＯ２回収型コージェネレーション・システム（以下、ＣＧシステムと略記）について、図１乃至６を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の各実施形態に限定されないことはいうまでもない。
＜システム構成＞
図１、図２を参照して、本実施形態に係るＣＯ２回収型ＣＧシステム１は、エンジン２を駆動源とする駆動系統３と、エンジン２に燃料及び酸素を供給する燃料供給系統７と、排気ガスをエンジン２に再循環するＥＧＲ系統５と、及び、ＥＧＲ系統５から分岐して排気ガス中のＣＯ２を回収するＣＯ２回収系統６と、起動・停止時及び定常運転時におけるエンジン２の燃焼状態の監視・燃焼制御を行う燃焼制御系統８と、を主要構成として備えている。

駆動系統３は、駆動源であるエンジン２と、エンジン２とクランクシャフト２ｂを介して連結する発電機９、及び変速ギア２ｃを介して連結する圧縮機４と、を主要構成とする。エンジン２は４つのシリンダ２ａを備えた４気筒４サイクルエンジンであり、クランクシャフト２ｂの一端側は、変速ギア２ｃを介して圧縮機側シャフト４ａに連結しており、他端側は発電機９に直結している。これらの伝達装置により、エンジン駆動力を発電機９及び圧縮機４に伝達するように構成されている。
エンジン２のシリンダ２ａ、吸気・排気バルブカムシャフト２ｉ、２ｊ、ピストンカムシャフト２ｆ、及び圧縮機４は一体としてシリンダブロック２ｅ内に格納されている。各シリンダのピストンヘッド２ｈにはキャビティ（図示せず）が設けられ、また、吸気ポート５ｇにはスワールコントロールバルブ（図示せず）が配設されており、シリンダ内でスワール流形成を促進するように構成されている。

圧縮機４は、２連の２サイクル・往復式圧縮機４ａ、４ｂにより構成されている。圧縮機４ａ、４ｂの流路間には、排気ＣＯ２ガス冷却のためのインタークーラー４ｃが介装されている。上述のように、圧縮機４及びエンジン２はともに往復式であるため、吸気及び排気バルブカムシャフト２ｉ、２ｊを共用している。すなわち、エンジン２の吸気及び排気のバルブカムと、圧縮機４のバルブカムとは、カムプロファイルはそれぞれ異なるものの、両者のカムを共有カムシャフト上に構成することで、それぞれ独立のカムシャフトを備える場合と比較して、装置のコンパクト化と簡素化を可能にしている。

燃料供給系統７は、炭化水素系液体燃料を供給する燃料供給ライン７ｃの末端部に液体燃料インジェクタ７ａと、酸化剤である純酸素を供給する酸素供給ライン７ｄの末端部に酸素インジェクタ７ｂを、それぞれ独立に備えている。液体燃料を用いているため、酸化剤（酸素又はエア）との混合に難があることを考慮して、吸気ポート５ｇ内の最適混合ポイントに燃料を噴射可能とするためである。なお、図１（ａ）では１系統のシリンダ以外については図示を省略しているが、他の系統についても同様に構成されている。

ＥＧＲ系統５は、排気マニホールド５ｊに集めたエンジン排気ガスを各シリンダに再循環させるＥＧＲライン５ａと、ＥＧＲライン５ａ経路中にタービン５ｄａ及びこれを駆動源とするコンプレッサ５ｄｂから成るターボ過給機５ｄと、タービン５ｄａとコンプレッサ５ｄｂ間に介装され、再循環ガスを冷却して水分を凝縮除去するための（第二）熱交換器（インタークーラー）５ｃと、を主要構成として備えている。
ＥＧＲ系統５には、さらに、後述するように起動・停止時にエアを吸気するためのエア吸気ライン５ｆと、吸気をＥＧＲライン側／エア吸気ライン側に切り替え可能とする吸気三方弁５ｅが設けられている。

ＣＯ２回収系統６は、タービン５ｄａの下流側でＥＧＲライン５ａから分岐し、エンジン排気ガスを圧縮機４に導くＣＯ２回収ライン６ｂと、ＣＯ２回収ライン６ｂ経路中に介装され、排気ガスと熱交換して温熱を取り出す（第一）熱交換器６ａと、回収したＣＯ２ガスをＣＯ２回収パイプライン６ｃの圧力に昇圧する圧縮機４と、昇圧後のＣＯ２ガスをパイプライン６ｃに圧送するための圧送用配管６ｆと、を主要構成として備えている。
ＣＯ２回収系統６には、さらに、後述するように起動・停止時にＣＯ２ガスを放散するための大気開放ライン６ｅと、排気を圧縮機側／大気開放ライン側に切り替え可能とする排気三方弁６ｄが設けられている。

燃焼制御系統８は、酸素供給ライン７ｄの経路中に介装される流量制御弁７ｅと、ＥＧＲライン５ａ経路中に介装される流量調整弁５ｂと、吸気三方弁５ｅと、排気三方弁６ｄと、ＣＯ２回収ライン６ｂ経路中に介装されているＣＯ２センサＳ３と、シリンダ２ａ内に配設される筒内圧センサＳ１及び温度センサＳ２と、各センサの検出値に基づいて各調整弁・三方弁の開度調整を指令し、定常運転時及び起動・停止時のシステム運転制御を行う燃焼制御装置８ａと、を主要構成として備えている。
さらに、燃焼制御装置８ａには、燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、エンジンの吸排気バルブ（図示せず）の開閉時期を調整する機能（可変バルブタイミング機構）を備えている。なお、燃焼制御装置８ａは、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装できる。

＜定常運転時燃焼態様＞
ＣＧシステム１は以上のように構成されており、次に図２をも参照して、定常運転時のエンジン２内部における燃料、酸素及びＥＧＲガスの挙動について説明する。定常運転時においては、吸気三方弁５ｅはＥＧＲライン５ａ側、排気三方弁６ｄは圧縮機４側の流路に設定されている。この状態で、酸素インジェクタ７ｂを介して酸素が吸気ポート５ｇに噴射され、さらにシリンダ中央部に流入する。一方、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｈに戻されたＥＧＲガスは、吸気ポート５ｇを経由してシリンダ２ａ内壁面に沿って渦流を形成する。これにより、シリンダ中央部に燃焼用の酸素、外周部にＥＧＲガスとして成層化されたガスが形成され、シリンダ内でスワール流を形成することにより成層状態が維持される。この状態で、液体燃料が燃料インジェクタ７ｄにより直接シリンダ中心部に噴射され、噴射された燃料はシリンダ中央部の酸素と反応し、ディーゼル着火して燃焼する。この場合、内層側の混合気は燃焼するが、外層側はＥＧＲガスが存在するために、未反応燃料ガスや残酸素のシリンダ２ａ内壁面への付着が防止される。燃焼完結により、排気ガスの組成はＣＯ２とＨ２Ｏのみとなり、排気マニホールド５ｊに集められた後、ＥＧＲ系統５及びＣＯ２回収系統６に導かれる。

次に、定常運転時におけるＥＧＲ系統５での排気再循環の態様について説明する。排気マニホールド５ｊ出の排気ガスは、ターボ過給機５ｄのタービン５ｄａにおいて減圧・低温化され、一部がＥＧＲライン５ａに導かれる。なお、タービン５ｄａにおける減圧・低温化の際に排ガス中の水分が一部凝縮し、ドレン水として回収される。続いて、排気ガスはインタークーラー５ｃで冷却され、さらに、水分除去されてＣＯ２を主成分とするＥＧＲガスは、コンプレッサ５ｄｂにおいて再度昇圧され、ＥＧＲライン５ａを介して吸気マニホールド５ｈ入口に還流される。

次に、ＣＯ２回収系統６におけるＣＯ２ガス回収の態様について説明する。ＥＧＲ系統５から分岐した排気ガスは、熱交換器６ａにおいて冷却、水分除去されて高濃度ＣＯ２ガスとなり、一方、ここで回収された熱は温水等として系外で利用される。熱交換器６ａ出のＣＯ２ガスは圧縮機４に導かれ、段階的にＣＯ２回収パイプライン６ｃへの圧入のための要求圧力まで昇圧される。昇圧過程において、ＣＯ２ガスはインタークーラー４ｃで冷却され、ここで回収した温熱は系外で利用される。昇圧されたＣＯ２ガスは回収パイプライン６ｃに送出される。以上のフローにより、エンジン排気ガスは大気中に放散されることなくＣＯ２回収が実現される。

＜起動時運転制御＞
次に、図３、４を参照して、ＣＧシステム１の起動時運転制御の態様について説明する。
図３（ａ）を参照して、起動前においては、流量調整弁５ｂは閉、吸気三方弁５ｅはエア吸気ライン５ｆ側、排気三方弁６ｄは大気開放ライン６ｅ側の流路に設定されている（Ｓ１０１）。この状態で、運転管理者による運転指令があると（Ｓ１０２においてＹ）、エア吸気ライン５ｆを介して空気が吸気され、空気中の酸素により燃料が燃焼してエンジン２が始動する（Ｓ１０３）。排気ガスは、大気開放ライン６ｅを介して排出される。
エンジン始動後は、シリンダ内の筒内圧センサＳ１、温度センサＳ２により燃焼が安定状態に至ったか否かが判定され（Ｓ１０４）、不安定状態が継続する場合には、燃料噴射量、燃料噴射時期、圧縮比の調整、等の燃焼改善制御が行われる（Ｓ１０５）。

図３（ｂ）を参照して、燃焼が過渡状態から安定燃焼状態に至った段階で（Ｓ１０４においてＹ）、運転モードの切り替えが行われる（Ｓ１０６）。すなわち、流量調整弁５ｂを徐々にＥＧＲライン５ａ側に切り替えることにより、ＥＧＲガス割合を増加させつつ、エア吸気ライン５ｆ側からのエア吸気量を減少させる（Ｓ１０６）。減少分に相当する酸素は、酸素インジェクタ７ｂからの酸素吸気量の増加により補う。
以上の運転制御により、最終的にはエア吸気ライン５ｆを閉鎖し、この閉鎖に伴う空気減少量のうち、主に窒素（Ｎ２）分に相当する給気量はＥＧＲラインからの還流ＣＯ２で補い、酸素（Ｏ２）分に相当する流量は酸素インジェクタ７ｂを介して流量調整して補うことで、循環排気ガスと純酸素の混合気で燃料を燃焼させる。
定常運転中は、筒内圧Ｓ１、温度センサＳ２、ＣＯ２センサＳ３の計測値に基づいてエンジン燃焼状態の判定が行われる（Ｓ１０７）。具体的には、圧力異常、ノッキング発生、筒内温度異常の有無を監視し、燃焼速度が適正か否かが判定される。

Ｓ１０７において燃焼速度過剰と判定された場合には、燃焼緩慢化制御が適宜実行される（Ｓ１０８）。具体的には、
（ａ）点火、燃料噴射時期を遅らせる。
（ｂ）燃料又は酸素噴射量を絞る。
（ｃ）圧縮比を下げる。
（ｄ）燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、可変バルブタイミング機構の操作により、成層混合気の成層度を低下させ、ＥＧＲガスとの均一化を図る。
（ｅ）ＥＧＲ熱交換量を増加させて、ＥＧＲガス温度を低下させる。

また、Ｓ１０７において燃焼速度緩慢と判定された場合、及び、Ｓ１１０においてＣＯ２濃度が所定の閾値を下回る場合には（Ｓ１１０においてＮ）、以下の燃焼促進化制御（Ｓ１０６）が適宜実行される（Ｓ１０９）。具体的には、以下の各操作を単独又は組み合わせて行う。
（ａ）点火、燃料噴射時期を早める。
（ｂ）燃料又は酸素噴射量を増加させる。
（ｃ）圧縮比を上げる。
（ｄ）燃料又は酸素の噴射時期や噴射時間の調整、可変バルブタイミング機構の操作により、成層混合気の成層度を上げる。
（ｅ）ＥＧＲ熱交換量を減少させて、ＥＧＲガス温度を上昇させる。

図３（ｃ）を参照して、Ｓ１０７−Ｓ１１０の制御により運転状態が安定し、回収ＣＯ２濃度が所定のレベルを超えた段階で、徐々に排気三方弁６ｄを操作してＣＯ２圧縮機側６ｂに流路を切り替え、圧縮機４によりＣＯ２を圧縮し、回収したＣＯ２を圧送用配管６ｆを介してＣＯ２処理パイプライン６ｃに送出する（Ｓ１１１）。

＜停止時運転制御＞
次に、図５、図６を参照して、ＣＧシステム１の停止時運転制御フローについて説明する。
定常運転モードにおいては（上述の図３（ｃ）参照）、流量調整弁５ｂは全開、吸気三方弁５ｅはＥＧＲライン５ａ側、排気三方弁６ｄは圧縮機４側の流路に設定されている（Ｓ２０１）。運転管理者による運転停止指令があると（Ｓ２０２においてＹ）、定常運転モードから停止運転モードに切り替えられる（Ｓ２０３）。具体的には、流量調整弁５ｂは段階的に閉、吸気三方弁５ｅは段階的にエア吸気ライン５ｆ側に切り替えられる。同時に、酸素インジェクタ７ｂからの酸素供給量が段階的に減少される（図５（ａ）参照）。

運転モード切り替え中は、ＣＯ２センサＳ３によりＣＯ２濃度が計測され、ＣＯ２濃度が所定の閾値以上に維持されているか否かが判定される（Ｓ２０４）。ＣＯ２濃度が閾値を下回っている場合には（Ｓ２０４においてＮ）、排気三方弁６ｄが大気開放ライン６ｅ側に切り替えられる（Ｓ２０５）（図５（ｂ）参照）。これにより、エア混入によりＣＯ２濃度が低下した排気ガスがＣＯ２パイプライン６ｃに流入することを防止できる。
所定のＣＯ２濃度が維持されている場合には（Ｓ２０４においてＹ）、さらに運転モード移行時の安定燃焼を担保するため、起動時のＳ１０７−Ｓ１０９と同様の燃焼安定化制御が行われる（Ｓ２０６−Ｓ２０８）。

運転モード切替完了後に（Ｓ２０９においてＹ）、エンジン停止操作が開始される。具体的には以下のステップで行われる。
（ａ）停止判断後に、燃料と酸素の供給を徐々に減らす（Ｓ２１０）。
（ｂ）燃料と酸素の供給を停止しつつ、吸気三方弁５ｅをＥＧＲライン５ａ側からエア吸気ライン側５ｆ側に切り替え、エアによりシリンダ２ａ内及び圧縮機４内を置換する（Ｓ２１１）。
（ｃ）エンジン２の駆動軸と発電機の軸の連結を切り離す。これにより、燃料及び酸素供給停止後も、エンジン２および圧縮機４を暫時、惰性で回転継続させることができる（Ｓ２１２）。
（ｄ）エンジン２への空気吸気、圧縮機４の大気開放ライン６ｅからの排気、及びエンジン２および圧縮機４の惰性運転により、システム全体がエアパージされ（Ｓ２１３）、やがて回転が止まってシステム停止に至る（Ｓ２１４）。

なお、本実施形態では燃料供給系統について、液体燃料インジェクタと酸素インジェクタを独立して設ける例を示したが、これに替えて、
（１）予混合気インジェクション＋火花点火(または液体燃料微量噴射着火)
（２）純酸素インジェクション＋液体燃料噴霧着火
（３）(ガスまたは液体)燃料インジェクション＋純酸素インジェクション＋火花点火（又は液体燃料
微量噴射着火）
等、他の燃料及び酸素供給形態を採用することもできる。

また、エンジンシリンダ内でスワール流を形成して成層燃焼させる例を示したが、これに替えてタンブル流を形成して成層燃焼させる形態とすることもできる。
また、ＣＯ２圧縮機として往復式圧縮機を用いる例を示したが、これに替えて単段もしくは多段の軸流、又はスクロ―ル式圧縮機を用いる形態とすることもできる。
また、ＣＯ２回収ラインのＣＯ２濃度検知手段として、ＣＯ２センサを用いる例を示したが、これに替えて、又は、これに加えてＯ２センサ、ＣＯセンサ、Ｈ２センサ、あるいは炭化水素(ＨＣ)センサ等を用いて間接的にＣＯ２濃度を検知する形態とすることもできる。
また、エンジンの燃焼状態又は回収ＣＯ２濃度に応じて、流量調整弁５ｂの開度調整により排ガス再循環量を制御することにより、起動・停止時の過渡期燃焼安定化制御を行う例を示したが、これに替えて、可変バルブタイミング機構により、吸排気バルブの開閉タイミングを調整することにより燃焼制御を行う形態とすることもできる。

本発明は、ＣＯ２回収型コージェネレーション・システムのみならず、エンジン排気ガス中のＣＯ２を回収するＣＯ２フリーのシステムとして広く応用可能である。

１・・・・ＣＯ２回収型コージェネレーション（ＣＧ）・システム
２・・・・エンジン
２ａ・・・シリンダ
２ｉ・・・吸気バルブカムシャフト
２ｊ・・・排気バルブカムシャフト
３・・・・駆動系統
４・・・・圧縮機
５・・・・ＥＧＲ系統
４ｃ、５ｃ・・・インタークーラー（熱交換器）
５ｄ・・・ターボ過給機
５ｅ・・・吸気三方弁
５ｆ・・・エア吸気ライン
６・・・ＣＯ２回収系統
６ａ・・・熱交換器
６ｃ・・・ＣＯ２回収パイプライン
６ｄ・・・排気三方弁
６ｅ・・・大気開放ライン
７・・・・燃料供給系統
７ａ・・・液体燃料インジェクタ
７ｂ・・・酸素インジェクタ
８・・・・燃焼制御系統
９・・・・発電機
Ｓ１・・・筒内圧センサ
Ｓ２・・・温度センサ
Ｓ３・・・ＣＯ２センサ

Claims

エンジン動力による発電電力を系外に供給する発電システムにおいて、
ピストン内に供給される炭化水素系燃料と、純酸素と、再循環ＥＧＲガス又は／及びエアと、の混合気を、シリンダ内において成層状態で燃焼可能に構成したエンジンと、
エンジン排気ガスの一部を再循環するＥＧＲ系統と、
再循環以外の排気ガス中のＨ２Ｏ成分を冷却除去してＣＯ２ガスを高濃度化した後に、圧縮機により昇圧するＣＯ２回収系統と、
ＥＧＲ系統内に、再循環ガス量を調整可能とするＥＧＲガス量制御手段と、
ＣＯ２回収系統内に、排気ガス中のＣＯ２濃度を検知するＣＯ２濃度検知手段と、
エンジン吸気を、エア吸気側又は／及びＥＧＲガス吸気側に切り替え可能とする吸気三方弁と、
該圧縮機の上流側に、排気ガス流路を圧縮機側又は／及び大気開放側に切り替え可能とする排気三方弁と、を備えて成り、
エンジン起動時又は停止時において、排気ガス中のＣＯ２濃度に基づく、該ＥＧＲガス量制御手段、該吸気三方弁又は該排気三方弁のいずれか一以上の操作により、安定的な起動・停止と高濃度ＣＯ２ガス回収担保を可能に構成したことを特徴とするＣＯ２回収型発電システムにおいて、
前記吸気三方弁をエア吸気側、前記排気三方弁を大気開放側の流路に設定した状態で、前記エンジンを始動するステップと、
前記ＥＧＲガス量制御手段を操作して、前記エンジンに供給するＥＧＲガス割合を増加させつつ、前記吸気三方弁を操作して、エア吸気側からのエア吸気量を段階的に減少させるステップと、
エア吸気量の減少分に相当する純酸素の供給量を増加させて、燃焼に必要な酸素量を維持しつつ運転を継続するステップと、
前記吸気三方弁を完全にＥＧＲガス吸気側に切り替えて、ＥＧＲガスと純酸素の混合気で燃料を燃焼させるステップと、
エンジン燃焼状態が安定し、かつ、回収ＣＯ２濃度が所定の閾値を超えた段階で、前記排気三方弁を操作して、排気ガス流路を前記大気開放側から前記圧縮機側に段階的に切り替えて、回収ＣＯ２を圧縮するステップと、
を含むことを特徴とするＣＯ２回収型発電システムの起動時運転制御方法。
請求項１に記載のＣＯ２回収型発電システムにおいて、
燃料及び酸素の供給を徐々に減らすステップと、
ＣＯ２濃度が所定の閾値以下になった段階で、前記排気三方弁を操作して、排気ガス流路を前記圧縮機側から前記大気開放側に切り替えるステップと、
燃料及び酸素の供給が停止した段階で、前記吸気三方弁を操作して吸気流路をエア吸気側に切り替えて、惰性運転している前記エンジン内部及び前記圧縮機内部をエアにより置換するステップと、
前記エンジンにおけるエア吸気と、前記圧縮機における大気開放側からの排気と、前記エンジン及び前記圧縮機ＣＯ２の惰性運転により全流路を空気で置換した後に、運転停止に至るステップと、
を含むことを特徴とするＣＯ２回収型発電システムの停止時運転制御方法。