JP6127658B2 - ガスエンジンコージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガスエンジンと、このガスエンジンから排出される排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排ガスボイラと、を備えるガスエンジンコージェネレーションシステムに関する。

従来、発電機としてのガスタービンと、このガスタービンから排出される排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排ガスボイラと、を備えるコージェネレーションシステムが提案されている。このようなコージェネレーションシステムでは、ガスタービンから排出される排ガスを燃焼用空気として用いる追い焚きバーナを、ガスタービンと排ガスボイラとを接続するダクトに配置して排ガスを再加熱することで、排ガスボイラにおける蒸気の発生量を増加させている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−１５９４１１号公報

ところで、発電機としては、ガスタービンの他にガスエンジンも用いられている。ガスエンジンと排ガスボイラとによりコージェネレーションシステムを構成した場合には、ガスエンジンの特性上、以下のような問題が生じる。

まず第１に、ガスエンジンから排出される排ガスは、ガスタービンから排出される排ガスに比して温度が低い。具体的には、ガスタービンから排出される排ガスの温度が５００℃程度であるのに対して、ガスエンジンから排出される排ガスの温度は４００℃程度である。

第２に、ガスエンジンから排出される排ガス中に含まれる酸素濃度は、ガスタービンから排出される排ガス中に含まれる酸素濃度よりも低い。具体的には、ガスタービンから排出される排ガス中に含まれる酸素濃度が１６％程度であるのに対して、ガスエンジンから排出される排ガス中に含まれる酸素濃度は１０％程度である。
第３に、ガスエンジンから排出される排ガスの流量及び圧力は脈動する。

そのため、ガスエンジンと排ガスボイラとによるコージェネレーションシステムの構成では、燃焼用の空気を大気から取り込まず、ガスエンジンの排ガス中に含まれる酸素のみとする追い焚きバーナにより排ガスの温度を効率的に上昇させることが困難であった。

従って、本発明は、排ガスの温度及び酸素濃度が低いガスエンジンと排ガスボイラとによりコージェネレーションシステムを構成した場合において、燃焼用空気をガスエンジンの排ガスのみとする追い焚きバーナにより排ガスボイラに供給される排ガスの温度を効率よく上昇させてシステム効率を向上させられるガスエンジンコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスを燃焼させて発電を行うガスエンジンと、前記ガスエンジンから排出される排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排ガスボイラと、前記ガスエンジンと前記排ガスボイラとを接続する排気ダクトと、前記排気ダクトの内部に配置され、該排気ダクトを流通する排ガスを燃焼用空気として用いる追い焚きバーナと、前記追い焚きバーナに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、前記追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量が、前記ガスエンジンから排出される排ガスの量の４％以下となるように燃料供給装置を制御する制御部と、を備えるガスエンジンコージェネレーションシステムに関する。

また、前記制御部は、前記排ガスボイラの入口の温度が５００℃を超えないように前記燃料供給装置から追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記ガスエンジンの負荷率に基いて前記燃料供給装置から前記追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記ガスエンジンの負荷率が所定の閾値を下回った場合、前記燃料供給装置から前記追い焚きバーナへの燃料ガスの供給を停止させることが好ましい。

本発明によれば、ガスエンジンと排ガスボイラとによりコージェネレーションシステムを構成した場合において、排ガスボイラに供給される排ガスの温度を効率よく上昇させることによりシステム効率を向上させられる。

本発明の第１実施形態に係るガスエンジンコージェネレーションシステムの構成を示す図である。 第１実施形態のガスエンジンコージェネレーションシステムの追い焚きバーナの構成を示す拡大図である。 ガスエンジンの負荷率と、追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るガスエンジンコージェネレーションシステムの構成を示す図である。

以下、本発明のガスエンジンコージェネレーションシステム（以下、コージェネレーションシステムともいう）の好ましい各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、第１実施形態のコージェネレーションシステム１の全体構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。

第１実施形態のコージェネレーションシステム１は、ガスエンジン１０と、排ガスボイラ２０と、これらガスエンジン１０と排ガスボイラ２０とを接続する排気ダクト３０と、この排気ダクト３０の内部に配置される追い焚きバーナ４０と、この追い焚きバーナ４０に燃料ガスを供給する燃料供給装置５０と、これら各機器の動作を制御する制御部６０と、を備える。

ガスエンジン１０は、燃料ガスを燃焼させることで駆動して発電を行う。このガスエンジン１０からは、燃料ガスを燃焼させることで発生する燃焼ガスが排ガスとして排出される。

排ガスボイラ２０は、ガスエンジン１０から排出される排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる。この排ガスボイラ２０は、排ガス導入室２１と、熱交換室２２と、排ガス導出室２３と、を備える。
本実施形態では、排ガスボイラ２０の外形は、箱型の筐体を主体として構成され、排ガス導入室２１、熱交換室２２及び排ガス導出室２３は、横方向（水平方向）に並んで配置される。

排ガス導入室２１には、ガスエンジン１０から排出された排ガスが導入される。より具体的には、排ガス導入室２１の上部には、排ガスが導入される排ガス導入口２１１が形成され、排ガスは、この排ガス導入口２１１から下方に向かって導入される。

熱交換室２２は、排ガス導入室２１の下流側に配置される。この熱交換室２２は、複数の水管２２１が配置された蒸気生成部２２２と、この蒸気生成部２２２の下流側に位置し、給水加熱管２２３が配置された給水予熱部２２４と、を備える。蒸気生成部２２２では、排ガス導入室２１から導入された排ガスの熱と、複数の水管２２１の内部に供給された水との間で熱交換が行われ、蒸気が生成される。給水予熱部２２４では、蒸気生成部２２２において熱交換を行った排ガスと、給水加熱管２２３の内部を流通する給水との間で熱交換が行われ、複数の水管２２１に供給される給水が予熱される。

排ガス導出室２３は、熱交換室２２の下流側に配置される。この排ガス導出室２３には、熱交換室２２において熱交換を行った排ガスが導入される。排ガス導出室２３に導入された排ガスは、排ガス導出室２３の上面に形成された排ガス導出口２３１から、この排ガス導出口２３１に接続された排気筒２４に導出された後、外部に排出される。

排気ダクト３０は、基端側がガスエンジン１０の排気口（図示せず）に接続され、先端側が排ガスボイラ２０の排ガス導入口２１１に接続される。この排気ダクト３０は、ガスエンジン１０から排出された排ガスを排ガスボイラ２０に供給する。本実施形態では、排気ダクト３０は、円筒形状に構成される。そして、排気ダクト３０は、排ガス導入口２１１との接続部分に配置され、鉛直方向に延びる鉛直筒部３１を有する。

追い焚きバーナ４０は、図１及び図２に示すように、排気ダクト３０における鉛直筒部３１に配置される。追い焚きバーナ４０は、排気ダクト３０の内部を流通する排ガスを燃焼用空気として燃料ガスを燃焼させ、排ガスボイラ２０に導入される排ガスの温度を上昇させる。この追い焚きバーナ４０は、ノズル４１と、内筒部としての保炎筒４２と、外筒部としてのエアレジスタ４３と、パイロットバーナ４４と、を備える。

ノズル４１は、細筒状に形成され、先端部が下方を向いて配置される。ノズル４１からは、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）における排ガスの流通方向に沿って燃料ガスが噴出される。

保炎筒４２は、基端部から先端部に向かって徐々に拡径すると共に基端部及び先端部が開口した円錐台形状に形成される。そして、この保炎筒４２は、基端部がノズル４１の先端部に接続される。これにより、保炎筒４２は、先端側が排ガスの流通方向の下流側である下方に向かって拡径することとなる。この保炎筒４２の周面には、複数の貫通孔４２１が形成される。複数の貫通孔４２１の大きさ（径）は、保炎筒４２の基端側から先端側に向かって徐々に大きくなるように形成される。

エアレジスタ４３は、両端部が開口した円筒状に形成され、保炎筒４２の外側に配置される。より具体的には、エアレジスタ４３の内径Ｄ１は、保炎筒４２の先端部の外径Ｄ２よりもわずかに大きく構成される。これにより、保炎筒４２の外周面とエアレジスタ４３の内周面との間には、隙間が形成される。また、エアレジスタ４３の長さＬ１は、保炎筒４２の長さＬ２よりも長く構成される。そして、エアレジスタ４３の先端部（下端部）の位置は、保炎筒４２の先端部（下端部）の位置よりも低い位置に配置される。

パイロットバーナ４４は、追い焚きバーナ４０を着火する場合における種火を供給する。パイロットバーナ４４は、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）、エアレジスタ４３及び保炎筒４２を貫通するように挿入される。そして、パイロットバーナ４４の先端部は、保炎筒４２の内周面と略一致する位置に位置している。

以上の追い焚きバーナ４０において、ノズル４１、保炎筒４２及びエアレジスタ４３の中心軸は、鉛直筒部３１の中心軸と一致する位置に配置される。
このように、ノズル４１、保炎筒４２及びエアレジスタ４３の中心軸を、鉛直筒部３１の中心軸と略一致する位置に位置させることで、追い焚きバーナ４０を、排気ダクト３０の壁面から離間した位置に配置できる。また、エアレジスタ４３の外側と排気ダクト３０の壁面との間に、追い焚きバーナ４０により再加熱されていない排ガスの流通する層を形成できる。よって、追い焚きバーナ４０を配置することによる排気ダクト３０（鉛直筒部３１）の温度上昇を低減できるので、排気ダクト３０に特別な断熱等を施す必要がなくなる。

尚、エアレジスタ４３とノズル４１とは、ステー（図示せず）により固定される。ステー４５は、例えば、１２０度間隔で３箇所、又は９０度間隔で４箇所設けられる。また、エアレジスタ４３は、ステー（図示せず）により、鉛直筒部３１にも固定される。

以上の追い焚きバーナ４０によれば、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）を流通する排ガスのうちの一部が、まず、エアレジスタ４３の内側に導入される。そして、このエアレジスタ４３の内側に導入された排ガスの大部分（約９０％）は、複数の貫通孔４２１を通じて保炎筒４２の内部に導入される。保炎筒４２の内部では、ノズル４１から燃料ガスが噴出されると共に、パイロットバーナ４４により種火が供給される。そして、ノズル４１から噴出された燃料ガスは、複数の貫通孔４２１を通じて保炎筒４２の内部に供給される排ガスを燃焼用空気として燃焼する。また、エアレジスタ４３の内側に導入された排ガスのうちの一部は、エアレジスタ４３と保炎筒４２との間に形成された隙間を通って下方に流れる。このように、本実施形態では、燃料ガスの燃焼に用いられる排ガスの量を制限しつつ、排ガスを徐々に保炎筒４２の下流に行くに従って燃料用空気である排ガスの供給量を多くするようにして、ガスエンジン１０の排ガスを燃焼用空気として用いる追い焚きバーナ４０の保炎性を向上させている。

ここで、ガスエンジンコージェネレーションシステムにおいて、追い焚きバーナ４０における燃焼性を良好に保つ観点から、エアレジスタ４３の外径は、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）の内径の３０％〜５０％であることが好ましい。

尚、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）における追い焚きバーナ４０が配置された位置には、炎検出手段が設けられる。炎検出手段は、追い焚きバーナ４０における炎の有無を電気的に検出している。

燃料供給装置５０は、燃料ガスの供給源（図示せず）から追い焚きバーナ４０（ノズル４１）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ライン５１と、この燃料ガス供給ライン５１に設けられる流量調整弁５２と、を備える。
燃料ガスとしては、天然ガス（都市ガス）、プロパンガス、消化ガス等が用いられる。
流量調整弁５２は、例えば、モータバルブにより構成され、追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの流量を調整する。

制御部６０は、ガスエンジン１０から排出される排ガスの特性に応じて、コージェネレーションシステム１のシステム効率を向上させられるように、追い焚きバーナ４０に供給する燃料ガスの量を制御する。

即ち、ガスエンジン１０から排出される排ガスは、ガスタービンから排出される排ガスに比して、温度及び酸素濃度が低く、また、脈動する。そのため、ガスエンジン１０から排出される排ガスのみを燃焼用空気として追い焚きバーナ４０により燃料ガスを燃焼させる場合には、ガスタービンの排ガスのみを燃焼用空気として用いる場合よりも追い焚きバーナによる燃料ガスの良好な燃焼状態を維持することが困難となる。つまり、ガスエンジン１０から排出される排ガスのみを燃焼用空気とした場合には、排ガス中に含まれる二酸化炭素等の不活性ガスが外乱となって燃料ガスと酸素との結合が難しくなる。このため、ガスエンジン１０の排ガス中に含まれる酸素濃度と大気中の酸素濃度比よりも非常に低い燃料供給量でなければ、火炎が安定せず、良好な燃焼状態を保つことが難しい。

また、追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給量を多くしすぎた場合には、排ガスボイラ２０に導入される排ガスの温度が大きく上昇して、排気ダクト３０及び排ガス導入室２１の断熱機構を強化する必要が生じ、コージェネレーションシステム１の製造が複雑化すると共に、コージェネレーションシステム１の製造コストが上昇してしまう。

そこで、本実施形態では、制御部６０は、追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの量が、ガスエンジン１０から排出される排ガスの量の４％以下となるように燃料供給装置５０を制御する。これにより、ガスタービンの排ガスに比して温度が低く、かつ、酸素濃度の低いガスエンジン１０の排ガスを燃焼用空気とした場合も、追い焚きバーナ４０により効率よく燃焼させることができる。これにより、排ガスボイラ２０に供給される排ガスの温度を確実に上昇させることができるので、ガスエンジンコージェネレーション装置１のシステム効率を効果的に向上させられる。また、追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの量を排ガスの量の４％以下という少ない量にすることで、排ガスが脈動した場合における追い焚きバーナ４０に対する影響を低減でき、安定した燃焼を行うことができる。

尚、追い焚きバーナ４０に供給する燃料ガスのより好ましい量は、燃料ガスの種類によって異なる。例えば、燃料ガスとして都市ガス（例えば、１３Ａガス）を用いた場合には、制御部６０は、追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの量が、ガスエンジン１０から排出される排ガスの量の２％以下となるように制御することが好ましく、１％以下となるように制御することがより好ましく、０．３％以下となるように制御することが更に好ましい。

また、制御部６０は、排ガスボイラ２０の入口の温度が５００℃を超えないように燃料供給装置５０から追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの量を制御することが好ましい。これにより、追い焚きを行った後の排ガス温度が過度に上昇することを防止することができる。よって、排気ダクト３０及び排ガス導入室２１に特別な断熱加工を施すことなく、排ガスボイラ２０の効率を向上させることができるので、コージェネレーション装置１の製造（又は改造）にかかるコストを低減できる。

制御部６０による追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給量の具体的な制御方法としては、例えば、ガスエンジン１０の排ガス排出部に流量測定装置（図示せず）を配置し、この流量測定装置により測定される排ガスの流量に応じて、燃料供給装置５０の流量調整弁５２の開度を制御する方法が挙げられる。

また、ガスエンジン１０から排出される排ガスの流量は、ガスエンジン１０の負荷率に概ね比例する。そこで、ガスエンジン１０の負荷率が１００％の場合における排ガスの流量を求め、この求められた排ガスの流量に基いて１００％負荷時の燃料ガスの供給量を決定してもよい。そして、この場合には、制御部６０は、ガスエンジン１０の負荷率を取得し、図３に示すように、ガスエンジン１０の負荷率に比例して燃料ガスの供給量を制御する。また、この場合、ガスエンジン１０の負荷率が所定の閾値（例えば、５０％）を下回った場合、制御部６０は、燃料供給装置５０から追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給を停止させることが好ましい。

このように、ガスエンジン１０の負荷率に比例させて追い焚きバーナ４０に供給する燃料ガスの量を制御することで、コージェネレーションシステム１における追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給量の制御を容易に行える。
また、ガスエンジン１０の負荷率が所定の閾値（例えば、５０％）を下回った場合に、燃料供給装置５０から追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給を停止させることで、ガスエンジン１０の負荷率が低く、排ガスの温度が低くなる場合に追い焚きを停止させられる。よって、追い焚きによる効果が高くない場合に追い焚きを止められるので、コージェネレーションシステム１のシステム効率の低下を防げる。

ガスエンジン１０の負荷率は、ガスエンジン１０の発電出力を検出することにより求められる。

次に、本発明のガスエンジンコージェネレーションシステムの第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。
第２実施形態のコージェネレーションシステム１Ａは、排気ダクト３０と排気筒２４とを接続するバイパスダクト７０と、ダンパ８０と、を更に備える点で第１実施形態と異なる。

バイパスダクト７０の上流側の端部は、排気ダクト３０における追い焚きバーナ４０が配置された位置よりも上流側に接続される。
ダンパ８０は、バイパスダクト７０の上流側の端部を閉止して、排気ダクト３０を流通する排ガスを排ガスボイラ２０側に導く第１状態と、排気ダクト３０を閉止して、排ガスをバイパスダクト７０側に導く第２状態と、を変更可能に構成される。

ダンパ８０の動作は、制御部６０により制御される。例えば、制御部６０は、排ガスボイラ２０により生成される蒸気の圧力が所定の閾値を下回った場合に、追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給を開始させると共に、ダンパ８０を第１状態とする。また、制御部６０は、蒸気の圧力が所定の閾値を上回った場合には、追い焚きバーナ４０への燃料ガスの供給を停止させると共に、ダンパ８０を第２状態として、排ガスボイラ２０への排ガスの供給を停止する。

第２実施形態のコージェネレーションシステム１Ａによれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明のガスエンジンコージェネレーションシステムの好ましい各実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態では、燃料ガスとして都市ガスを用いた場合について説明したが、これに限らない。即ち、燃料ガスとして、例えば消化ガスを用いてもよい。消化ガスのような非燃焼成分を多く含む低位発熱量の低いガスを燃料ガスとして用いた場合には、追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量が、ガスエンジンから排出される排ガスの量の４％以下となるように燃料供給装置を制御することで、コージェネレーションシステムのシステム効率を好適に向上させられる。

１，１Ａ ガスエンジンコージェネレーションシステム
１０ ガスエンジン
２０ 排ガスボイラ
３０ 排気ダクト
４０ 追い焚きバーナ
５０ 燃料供給装置
６０ 制御部

Claims (4)

1. 燃料ガスを燃焼させて発電を行うガスエンジンと、
   前記ガスエンジンから排出される排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排ガスボイラと、
   前記ガスエンジンと前記排ガスボイラとを接続する排気ダクトと、
   前記排気ダクトの内部に配置され、該排気ダクトを流通する酸素濃度が１０％程度である排ガスのみを燃焼用空気として用いる追い焚きバーナと、
   前記追い焚きバーナに燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
   前記追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量が、前記ガスエンジンから排出される排ガスの量の４％以下となるように前記燃料供給装置を制御する制御部と、を備えるガスエンジンコージェネレーションシステム。
2. 前記制御部は、前記ガスエンジンから排出される温度が４００℃程度である前記排ガスの前記排ガスボイラの入口の温度が５００℃を超えないように前記燃料供給装置から追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量を制御する請求項１に記載のガスエンジンコージェネレーションシステム。
3. 前記制御部は、前記ガスエンジンの負荷率に基いて前記燃料供給装置から前記追い焚きバーナに供給される燃料ガスの量を制御する請求項１又は２に記載のガスエンジンコージェネレーションシステム。
4. 前記制御部は、前記ガスエンジンの負荷率が所定の閾値を下回った場合、前記燃料供給装置から前記追い焚きバーナへの燃料ガスの供給を停止させる請求項３に記載のガスエンジンコージェネレーションシステム。

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