KR20130058760A - 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치 - Google Patents

가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

가스 공급관(35)이 과급기측 가스 공급관(33)과 실린더측 가스 공급관(37)으로 분기되며, 각각의 통로 유량을 제어하는 과급기측 가스량 조정 밸브(43)와 실린더측 가스량 조정 밸브(45)를 구비한 가스 엔진에 있어서, 연료 가스의 농도 변화 시에, 가스 공급 컨트롤러(63)에 의해서, 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급관(37)의 연료 가스량(Q2)의 비율(Q1/Q)을 일정 관계를 가지면서, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록, 처음에 실린더측 가스량 조정 밸브(45)를 제어하고, 다음에 일정 비율에 근거하는 연료 가스량(Q1)이 되도록 과급기측 가스량 조정 밸브(43)를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치{FUEL GAS SUPPLY METHOD AND DEVICE FOR GAS ENGINE}
본 발명은 연료 가스 통로를 거쳐서 공급되는 연료 가스와 공기를 혼합하여 혼합 가스를 연소실에 공급해서 연소하게 하는 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치에 관한 것이다.
종래, 가스 엔진 중 특히 소형 가스 엔진에서는, 일반적으로 과급기 상류에서 연료 가스와 공기를 혼합시켜 연소실에 공급하는 과급기 전 흡입 방식을 채용하고 있었다.
이와 같은 전량 가스를 과급기 전 흡입 방식으로 공급하는 경우, 연료 가스의 칼로리 변동과 함께 급기실에서의 가스 농도도 변동하고, 급기실 내 가스의 농도에 따라서는 급기실 내에서 자기 착화 등의 이상 연소를 일으킬 우려가 있어서, 급기실 내의 안전도가 연료 가스 칼로리에 의존하게 된다.
한편, 종래의 대형 가스 엔진의 상당수는, 연료 가스와 공기의 혼합비(공연비) 및 가스 투입량을 각 실린더에 의해 균일화할 필요가 있기 때문에, 각 실린더의 직전에 설치한 연료 가스 조정 밸브에 의해 연소실로 연료 가스를 공급하고 있다. 이 방식을 채용함으로써, 각 실린더에 공급되는 공연비 및 가스 투입량이 균일화되는 동시에, 각 실린더에 있어서의 일이 효율화되고, 또한, 실린더 직전에서 연료 가스와 공기를 혼합하는 구성이기 때문에, 혼합 가스 공급로에 있어서의 가연 영역을 짧게 할 수 있어서 안전성이 향상된다.
또한, 상기한 2개의 방식을 조합한 기술로서 특허문헌 1(일본 특허 공개 제 2001-132550 호 공보)의 기술이 알려져 있으며, 이 기술에서는, 가스 컴프레서에 의한 승압 전의 연료 가스를 과급기 상류의 급기 통로에 공급하는 공급 수단과, 가스 컴프레서에 의해 승압된 연료 가스를 실린더실로의 급기 통로 또는 실린더 내에 분사 공급하는 공급 수단을 구비하고, 과급기 상류의 급기 통로에 공급하는 공급 수단이 공급 작용 상태와 정지 상태로 전환 가능하게 마련되어 있다.
그렇지만, 특허문헌 1에 나타난 기술에 있어서는, 가스 컴프레서에 의해 가압된 연료 가스를 실린더 내에 공급하는 연료 가스 공급계에서는, 연료 가스를 과급 공기압보다 고압으로 압축할 필요가 있지만, 연료 가스로서 탄광 메탄 가스 등의 저칼로리 가스(발열량이 낮은 가스)를 이용하는 경우에는, 저압으로 대유량의 가스를 압축하기 위해서 대형이며 대용량인 가스 컴프레서를 필요로 한다. 또한, 연료 가스를 과급기 상류의 급기 통로에 공급하는 공급계에서는, 급기 통로에서 연료 가스가 가연 하한계 이상의 가스 농도가 되어 자기 착화 등의 이상 연소를 일으킬 우려가 있다.
그래서, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제 2006-2449954 호 공보)에서는, 연료 가스의 한쪽을 과급기 입구 공기와 혼합하고 이 혼합기를 과급기에 공급하는 동시에, 연료 가스의 다른 쪽을 실린더마다의 급기 통로 내의 급기와 혼합하고 이 혼합기를 엔진의 각 실린더에 공급하도록 구성하고, 과급기측 가스 공급 통로의 가스 유량을 조정하는 과급기측 가스량 조정 밸브와 각 실린더측 가스 공급 통로의 가스 유량을 조정하는 실린더측 가스량 조정 밸브를 마련하며, 과급기측 가스량 조정 밸브의 개방도를 제어하여, 과급기측 가스 공급 통로로의 연료 가스량을, 과급기에 공급하는 혼합기 중의 연료 가스 농도가 가연 하한계 가스 농도 이하로 보지되도록 조정하는 가스량 컨트롤러를 마련한 구성을 개시하고 있다.
이것에 의하면, 과급기 출구에서의 연료 가스의 자기 착화 등의 이상 연소의 가능성을 완전히 없애는 동시에, 저칼로리 가스(발열량이 낮은 가스) 연료를 이용하는 경우에 있어서도 실린더마다의 급기 통로로의 연료 가스 압축용의 가스 컴프레서의 동력을 저감하여 해당 가스 컴프레서를 소형화, 소용량화 하는 것이 가능해진다.
이 특허문헌 2와 마찬가지의 연료 가스의 공급 구성이 나타난 것으로서 특허문헌 3(일본 특허 공개 제 2009-144626 호 공보)도 알려져 있다.
일본 특허 공개 제 2001-132550 호 공보 일본 특허 공개 제 2006-2449954 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-144626 호 공보
상기한 바와 같이, 특허문헌 2, 3에 의하면, 저칼로리 가스라도 충분한 연료 가스의 공급량을 확보할 수 있고, 또한 연료 가스 압축용의 가스 컴프레서를 소형화, 소용량화 하는 것이 가능하며, 또한, 과급기에 공급하는 혼합기 중의 연료 가스 농도가 가연 하한계 가스 농도 이하로 보지되도록 조정함으로써, 급기 통로에서 연료 가스가 가연 하한계 이상의 가스 농도가 되어 자기 착화 등의 이상 연소가 생기지 않도록 하고 있다.
그렇지만, 이 자기 착화 등의 이상 연소의 방지를 실행하는 제어 및 구성에 대해서는 구체적으로는 개시되어 있지 않다. 또한, 연료 가스가 칼로리 변동하는 경우라도, 연료 가스의 농도를 직접 계측하는 농도계를 이용하지 않으며 간단한 구성에 의해서, 또한 확실하게 급기 통로 내에서 가연성의 연료 가스가 이상 연소를 일으키는 일이 없는 제어 방법이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점에 감안하여, 저칼로리이며 발열량이 변동하기 쉬운 연료 가스에 있어서, 연료 가스량의 공급 제어에 의해서, 확실하고 또한 간단하게 과급기 출구를 포함한 급기 통로 내에서의 연료 가스의 자기 착화 등의 이상 연소를 방지하여 안전성을 확보할 수 있는 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그래서, 본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서, 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로가, 과급기의 공기 입구측에 설치된 믹서에 접속되는 과급기측 가스 공급 통로와, 실린더로의 급기 통로에 접속되는 동시에 상기 연료 가스를 압축하는 가스 컴프레서가 개재된 실린더측 가스 공급 통로로 분기되며, 상기 과급기측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 1 연료 가스 조정 밸브와, 상기 실린더측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 2 연료 가스 조정 밸브를 구비한 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법에 있어서,
상기 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 보지하고, 연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하여 상기 연료 가스량(Q2)을 조정하고, 그 후, 상기 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 산출하며, 해당 연료 가스량(Q1)으로부터 상기 제 1 연료 가스 조정 밸브를 조정하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면, 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 관계를, 유량 비율(Q1/Q)이 일정값으로 보지되도록 설정하고, 연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록, 우선 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하여 연료 가스량(Q2)을 조정한다. 그 후, 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 해당 연료 가스량(Q1)으로부터 제 1 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 조정한다.
이와 같이, 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)을, 유량 비율(Q1/Q2)을 일정하게 제어하는 동시에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 처음에 제 2 연료 가스 조정 밸브를 제어하고, 다음에 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 제어함으로써, 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 연료 가스의 농도를 급기관 내에서 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 농도로 상승시키는 것을 방지할 수 있다. 그 결과 안전성이 향상된다.
또한, 본 발명에 있어서는, 가스 농도계를 설치하는 일 없이, 연료 가스량(Q1 및 Q2)을 제어함으로써, 급기관 내에서의 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 방지하여 안전성을 확보할 수 있으므로, 제어 장치가 간단화되어, 시스템 전체를 경량 컴팩트하게 구성할 수 있다.
저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스는, 예컨대, 탄광 메탄 가스(Caol Mine Methane, CMM 가스)나, 매립 가스(landfill gas; 바이오 가스) 등과 같은 공기와 메탄 가스의 혼합에 의해 성립하고 있는 것이며, 메탄 가스 농도가 변화했을 경우에는, 그 변화에 따라서, 농도가 높아지면 엔진 출력이 상승하고, 농도가 저하하면 엔진 출력은 저하한다.
이 때문에, 메탄 가스 농도의 변화 시에 엔진 출력을 일정하게 하기 위해서는, 메탄 가스 농도가 높아졌을 때에는 연료 가스 유량을 저하시키고, 메탄 가스 농도가 낮아졌을 때에는 연료 가스 유량을 증가시키도록 하고 있다.
따라서, 이 연료 가스 유량의 증감 시에, 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)과 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 연료 가스량(Q1)과의 관계를 어떻게 설정할지가 문제가 된다.
과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 연료 가스량(Q1)을 항상 일정하게 하는 제어를 하고 있는 경우에는, 연료 가스의 메탄 가스 농도가 높아졌을 경우에, 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 메탄 가스 성분이 증대하여, 급기관 내에서 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 농도에 도달하기 쉬워지는 위험성을 갖고 있다.
그러나, 본 발명에 있어서는, 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)을, 유량 비율(Q1/Q2)을 일정 비율의 관계로 설정하여 제어한다. 또한, 엔진 출력을 일정하게 하도록 제어하는 동시에, 우선 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 연료 가스량(Q2)으로부터 제어하는 것을 특징으로 하고 있다.
따라서, 메탄 가스 농도가 높아졌을 때에는, 일정 출력이 되도록 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)을 저하시키는 동시에, 일정 비율에 의해서, 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)도 저하시키므로, 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 메탄 성분이 증대하여, 급기관 내에서 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 위험성이 회피된다.
즉, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 연료 가스의 가스 농도가 상승했을 때, 상기 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 저하시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 저하시켜서, 상기 믹서에 의해 혼합되어 과급기에 도입되는 혼합 연료 가스의 가스 농도의 상승을 억제하여 대략 일정값으로 보지하면 좋다. 또한, 이 상기 대략 일정값으로 보지되는 가스 농도가 연료 가스의 공기에 대해서 가연 하한계 가스 농도 미만의 소정의 농도라도 좋다.
또한, 연료 가스의 가스 농도가 저하했을 때는, 상기 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 증가시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 증가시켜서, 상기 믹서에 의해 혼합되어 과급기에 도입되는 혼합 연료 가스의 가스 농도의 저하를 억제하여 대략 일정값으로 보지하면 좋다.
이와 같이, 연료 가스의 가스 농도가 저하했을 때에는, 상기 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 증가하는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 증가시키므로, 일정 출력으로 신속히 도달할 수 있다.
또한, 상기 가스 엔진은 발전용 엔진이며, 상기 엔진 출력이 일정하게 유지되는 것에 의해 해당 가스 엔진에 의한 발전 출력이 일정하게 되도록 운전되면 좋다.
또한, 상기 연료 가스가, 발열량이 낮으며 또한 변동하기 쉬운 탄광 메탄 가스인 경우에 적절하다.
또한, 본 발명의 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법을 실시하기 위한 공급 장치는, 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로가, 과급기의 공기 입구측에 설치된 믹서에 접속되는 과급기측 가스 공급 통로와, 실린더로의 급기 통로에 접속되는 동시에 상기 연료 가스를 압축하는 가스 컴프레서가 개재된 실린더측 가스 공급 통로로 분기되며, 상기 과급기측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 1 연료 가스 조정 밸브와, 상기 실린더측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 2 연료 가스 조정 밸브를 구비한 가스 엔진의 연료 가스 공급 장치에 있어서,
상기 제 1 연료 가스 조정 밸브와 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 제어하는 가스 공급 컨트롤러를 구비하고, 해당 가스 공급 컨트롤러에는, 상기 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 보지하는 유량 비율 보지 수단과, 연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하여 상기 연료 가스량(Q2)을 조정하는 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단과, 그 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단에 의한 연료 가스량(Q2)의 조정 후에, 상기 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 해당 연료 가스량(Q1)으로부터 상기 제 1 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 조정하는 제 1 연료 가스 조정 밸브 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이러한 발명에 의하면, 가스 공급 컨트롤러의 유량 비율 보지 수단에 의해서, 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 관계가, 유량 비율(Q1/Q2)의 일정값으로 보지되고, 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단에 의해서, 연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 우선 엔진 출력을 일정하게 유지하도록, 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하고, 그 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단에 의한 연료 가스량(Q2)의 조정 후에, 제 1 연료 가스 조정 밸브 제어 수단에 의해 연료 가스량(Q2)의 조정량과 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 해당 연료 가스량(Q1)으로부터 제 1 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 조정한다.
이와 같이, 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)을, 유량 비율(Q1/Q)을 일정하게 제어하는 동시에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 처음에 제 2 연료 가스 조정 밸브를 제어하고, 다음에 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 제어함으로써, 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 연료 가스의 농도를 급기관 내에서 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 농도로 상승시키는 것을 방지하여 안전성을 향상시킬 수 있다.
상기 기재와 같이 방법 발명 및 장치 발명 각각에 있어서, 저칼로리이며 발열량이 변동하기 쉬운 연료 가스에 있어서, 연료 가스량의 공급 제어에 의해서, 확실하고 또한 간단하게 과급기 출구를 포함한 급기 통로 내에서의 연료 가스의 자기 착화 등의 이상 연소를 방지하여 안전성을 확보할 수 있다.
즉, 과급기측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)을, 유량 비율(Q1/Q)을 일정하게 제어하는 동시에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 처음에 제 2 연료 가스 조정 밸브를 제어하고, 다음에 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 제어함으로써, 과급기측 가스 공급 통로로부터 도입되는 연료 가스의 농도를 급기관 내에서 자기 착화나 인화나 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 농도로 상승시키는 것을 방지할 수 있다. 그 결과 안전성이 향상된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 가스 엔진의 연료 가스 공급 장치의 전체 구성도,
도 2는 가스 공급 컨트롤러 내의 유량 밸브 조정 수단에 있어서의 유량과 개방도의 일 예를 도시하는 특성으로서, (a)는 제 1 연료 가스 조정 밸브, (b)는 제 2 연료 가스 조정 밸브를 도시함,
도 3은 흡급 포트로의 연료 가스의 유입 상태를 도시하는 설명도,
도 4는 가스 공급 컨트롤러에 있어서의 제어 흐름도,
도 5는 연료 가스량(Q1, Q2, Q3)의 관계와, 급기관 내의 급기 가스 농도(H)를 설명하는 모식도,
도 6은 비교예와의 대비를 나타내는 그래프로서, (a)는 유량(Q1)을 나타내고, (b)는 유량(Q2)을 나타내고, (c)는 Q1/Q2의 비율 상태를 나타내며, (d)는 급기 통로 내에서의 가스 농도를 나타냄.
이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시형태를 이용하여 상세하게 설명한다.
다만, 이 실시형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
도 1을 참조하여, 본 실시형태의 가스 엔진의 연료 공급 장치의 전체 구성에 대해 설명한다. 도 1에 있어서, 엔진(가스 엔진; 1)은 실린더 블록(3)과 실린더 헤드(5)로 이루어지며, 또한, 해당 엔진(1)에는 플라이 휠(7)을 거쳐서 직결 구동되는 발전기(9)가 장착되어 있다.
또한, 배기 터빈(11a) 및 컴프레서(11b)로 이루어지는 과급기(11)가 구비되고, 상기 각 실린더 헤드(5)의 급기 입구에 급기 지관(13)이 접속되며, 상기 컴프레서(11b)의 급기 출구와 상기 각 급기 지관(13)을 접속하는 급기관(15), 및 해당 급기관(15)을 흐르는 급기를 냉각하는 급기 냉각기(17)가 마련되어 있다.
각 실린더 헤드(5)의 배기 출구에 접속된 각 배기관(19)은 배기 집합관(21)에 접속되고, 해당 배기 집합관(21)은 배기 터빈(11a)에 접속되며, 배기 터빈(11a)의 배기 가스 출구로부터의 배기 가스를 배출하기 위한 배기 출구관(23)이 장착되어 있다.
또한, 배기 집합관(21)의 배기 터빈(11a)의 입구측으로부터 분기되어 해당 배기 터빈(11a)을 바이패스하고, 해당 배기 터빈(11a)의 출구측의 배기 출구관(23)에 접속되는 배기 바이패스관(25)가 마련되어 있다. 그리고 해당 배기 바이패스관(25)에는 통로 면적을 변화시키는 배기 바이패스 밸브(27)가 마련되어 있다.
외부로부터 공기를 상기 과급기(11)의 컴프레서(11b)에 도입하기 위한 과급기 입구 공기 통로(29)가 마련되고, 과급기 입구 공기 통로(29)에는 믹서(31)가 마련되며, 해당 믹서(31)에는 과급기측 가스 공급관(과급기측 가스 공급 통로; 33)이 접속되어 있다.
또한, 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스를 수용하는 연료 가스 탱크(도시 생략)로부터 연료 가스가 도입되는 가스 공급관(연료 가스 공급 통로; 35)은, 도중에, 해당 가스 공급관(35)으로부터 상기 과급기측 가스 공급관(33)과 실린더측 가스 공급관(실린더측 가스 공급 통로; 37)으로 분기되고, 또한, 실린더측 가스 공급관(37)은 도중에 실린더마다 분기되어 가스 공급 지관(39)이 되며 각 급기 지관(13)에 접속되어 있다. 또한, 실린더측 가스 공급관(37)에는 해당 실린더측 가스 공급관(37)을 흐르는 연료 가스를 압축하는 가스 컴프레서(41)가 마련되어 있다.
또한, 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스는, 탄광 메탄 가스(CMM 가스)나, 매립 가스(바이오 가스) 등이며, 본 실시형태에서는 탄광 메탄 가스가 이용되는 예를 나타낸다. 이 탄광 메탄 가스(Coal　Mine　Methane, CMM 가스)는 공기와 메탄 가스의 혼합에 의해 구성되어 있다. 탄광 메탄 가스란, 석탄층 중에는 그 생성 과정에서 생긴 메탄 가스가 함유되어 있으며, 석탄 채굴시에 탄층 및 그 주변으로부터 용출되는 메탄 가스를 말하며, 일반적으로 탄광 메탄 가스 농도의 변동폭은 15% 내지 50%이다.
과급기측 가스 공급관(33)에는 과급기 입구 공기 통로(29)로의 연료 가스 유량(Q1)을 제어하는 과급기측 가스량 조정 밸브(제 1 연료 가스 조정 밸브; 43)가 마련되어 있다. 또한, 각 가스 공급 지관(39)에는 해당 각 가스 공급 지관(39)을 흐르는 연료 가스 유량(Q2')을 제어하는 실린더측 가스량 조정 밸브(제 2 연료 가스 조정 밸브; 45)가 마련되어 있다. 그리고, 각 가스 공급 지관(39)을 흐르는 연료 가스 유량(Q2')의 전체 기통 수 분량의 합계로 하여 실린더측 가스 공급관(37)에 의해 공급되는 연료 가스 유량(Q2)이 제어된다.
또한, 도 1의 급기 지관(13)의 A 부분에 있어서의 연료 가스의 유입 상태를 도 3에 도시한다.
도 3의 급기 포트(47)에는, 급기 지관(13)을 통해서, 과급기(11)에서 가압된 연료 가스가 공급된다. 이 연료 가스는, 과급기 입구 공기 통로(29)를 통과하여 믹서(31)로 인도되는 공기(Qai)와 과급기측 가스 공급관(33)을 통과하여 믹서(31)에 인도되는 연료 가스 유량(Q1)이 혼합된 것이며 합계 유량(Q3)이 유입한다.
한편, 각 급기 지관(13)에 접속된 각 가스 공급 지관(39)을 흐르는 연료 가스 유량(Q2')은, 급기 밸브(49)의 밸브축(51)과 실린더 헤드(5)와의 슬라이딩부, 또는 슬라이딩부에 형성된 홈(53) 등의 통로를 통해서 급기 포트(47)에 인도되도록 되어 있다.
엔진 회전수를 검출하는 회전수 센서(55), 발전기(9)의 부하 즉 엔진 부하를 검출하는 부하 검출기(57), 급기관(15)에 있어서의 급기 압력을 검출하는 급기 압력 센서(59), 급기관(15)에 있어서의 급기 온도를 검출하는 급기 온도 센서(61)가 각각 마련되어 있다. 또한, 이들 센서로부터의 신호는 가스 공급 컨트롤러(63)에 입력되고 있다.
이 가스 공급 컨트롤러(63)에는, 과급기측 가스량 조정 밸브(43)에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)과, 실린더측 가스량 조정 밸브(45)에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급관(37)의 연료 가스량(Q2)의 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 보지하는 유량 비율 보지 수단(65)과, 연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 실린더측 가스량 조정 밸브(45)를 조정하여 연료 가스량(Q2)을 조정하는 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단(67)과, 그 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단(67)에 의한 연료 가스량(Q2)의 조정 후에, 설정된 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 해당 연료 가스량(Q1)으로부터 과급기측 가스량 조정 밸브(43)의 개방도를 조정하는 제 1 연료 가스 조정 밸브 제어 수단(69)을 구비하고 있다.
엔진(1)의 운전 시에 있어서, 가스 공급관(35)으로부터의 연료 가스는 해당 가스 공급관(35)의 도중에서 분기된다. 그리고 분기된 연료 가스의 한쪽은 과급기측 가스 공급관(33)을 통해서 믹서(31)에 도입되고, 해당 믹서(31)에서 과급기 입구 공기 통로(29)로부터의 공기와 혼합되며 이 혼합기 연료 가스는 과급기(11)의 컴프레서(11b)에 도입된다.
그리고, 해당 컴프레서(11b)에서 고온, 고압으로 가압된 혼합기 연료 가스는 급기 냉각기(17)에서 냉각되어 강온하고, 급기관(15)을 통해서 각 실린더의 급기 지관(13) 내에 유입한다.
또한, 분기된 연료 가스의 다른 쪽은 실린더측 가스 공급관(37)에 들어가, 가스 컴프레서(41)에서 압축되고, 각 실린더의 각 가스 공급 지관(39)을 통과하며, 각 급기 지관(13)에 들어가, 도 3과 같이 급기 포트(47) 내에서, 급기관(15)을 통해서 각 실린더의 급기 지관(13) 내에 유입한 혼합기 연료 가스에 혼입하여, 각 실린더 내에 송입된다.
그리고, 엔진(1)의 각 실린더 내에서 연소한 연료 가스는, 연소 후에 배기 가스로서 배기관(19)을 통해서 배기 집합관(21)에서 합류되고, 과급기(11)의 배기 터빈(11a)에 공급되어 해당 배기 터빈(11a)을 구동한 후, 배기 출구관(23)을 통해서 외부로 배출된다.
다음에, 상기한 구성을 갖는 가스 엔진의 연료 가스의 공급 장치에 있어서, 연료 가스인 탄광 메탄 가스(CMM 가스)의 메탄 농도가 변화했을 때의 제어 방법에 대해서, 도 4를 참조하여 이하에 설명한다.
우선, 단계(S1)에서, 탄광 메탄 가스(CMM 가스)의 메탄 농도가 변화하면, 단계(S2)에서, 연료 가스의 발열 칼로리가 변동하기 때문에, 엔진(1)의 출력이 변동한다. 그것에 따라, 발전기(9)로부터의 발전 출력이 변동하며, 그 변동값을 회전수 센서(55) 또는 부하 검출기(57)에 의해 검출한다.
그리고, 단계(S3)에서, 이 발전기 출력 변화에 대하여, 발전기 출력을 변화 전의 상태로 되돌리도록 출력 조정을 실행한다. 이 출력 조정은, 크게 보아 단계(S3)의 실린더측 가스량 조정 밸브(제 2 연료 가스 조정 밸브; 45)에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급관(37)의 연료 가스량(Q2)의 조정과, 단계(S7)의 과급기측 가스량 조정 밸브(43)에 의해 조정되는 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)에 의해 실행된다.
단계(S3)에서는, 통상의 전자 거버너 기능을 실행하여, 회전수 센서(55)로부터의 엔진 회전수의 검출값에 근거하여 설정된 목표 회전수가 되도록, 또는, 부하 검출기(57)로부터의 부하 검출값에 근거하여 설정된 발전 출력이 되도록 각 실린더측 가스량 조정 밸브(45)의 개방도를 제어한다.
즉, 연료 가스의 가스 농도가 상승했을 때는, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 연료 가스량(Q2)을 저하시키도록 각 실린더측 가스량 조정 밸브(45)의 개방도를 제어하고, 또한, 연료 가스의 가스 농도가 저하했을 때는, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 연료 가스량(Q2)을 증가시키는 각 실린더측 가스량 조정 밸브(45)의 개방도를 제어한다.
다음에, 단계(S4)에서, 단계(S3)의 각 실린더측 가스량 조정 밸브(45)의 밸브 개방도로부터 각 가스 공급 지관(39)을 흐르는 연료 가스 유량(Q2')을 산출한다. 이 산출 시에는, 도 2의 (b)에 도시하는 가스 공급 컨트롤러(63) 내의 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단(67)에 있어서의 유량과 밸브 개방도와의 특성 관계를 기초로 산출한다. 그리고, 각 가스 공급 지관(39)을 흐르는 연료 가스 유량(Q2')의 전체 기통 수 분량의 합계로 하여 실린더측 가스 공급관(37)에 의해 공급되는 연료 가스 유량(Q2)이 산출된다.
다음에, 단계(S5)에서, 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 유지하는 유량 비율 보지 수단(65)에 설정되어 있는 일정 비율값(예컨대, 1보다 작은 값)에 따라서, 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)을 산출한다.
다음에, 단계(S6)에서, 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)으로부터, 과급기측 가스량 조정 밸브(43)의 개방도를 산출한다. 그리고, 단계(S7)에서는, 그 산출 개방도에 근거하여 과급기측 가스량 조정 밸브(43)의 개방도 조정을 실행한다.
다음에, 단계(S8)에서, 발전기(9)의 출력이 유지되었는지의 여부를 회전수 센서(55) 또는 부하 검출기(57)의 검출값에 근거하여 판정한다. 보지되어 있지 않은 경우에는, 단계(S3)로 되돌아와, 재차, 각 실린더측 가스량 조정 밸브(45)의 개방도 제어부터의 단계를 반복한다.
그리고, 단계(S8)에서, 발전기(9)의 출력이 일정 상태를 보지하고 있을 경우에는 종료한다. 또한 동시에, 단계(S9)로 진행되고, 발전 출력이 일정 상태를 보지하고 있는 경우에는 과급기 출구 유량(Q3)은 일정하게 보지되어 있다고 판정하여, 배기 바이패스 밸브(27)의 제어는 실행하지 않는다. 이 배기 바이패스 밸브(27)의 제어는, 외기 온도나 압력이 변화했을 경우에는, 공연비의 변화를 회피하고 안정 연소를 유지하기 위해서 과급기 출구 유량(Q3)을 일정하게 하도록 제어한다. 이 과급기 출구 유량(Q3)의 일정 제어는 급기 압력 센서(59) 및 급기 온도 센서(61)로부터의 신호에 근거하여 실행된다.
연료 가스량(Q1, Q2, Q3)의 관계를 기초로, 믹서(31)로부터 컴프레서(11b), 또한 컴프레서(11b)의 급기 출구로부터 각 급기 지관(13)과 접속하는 급기관(15) 내의 급기 가스 농도(H)에 대해서, 도 5의 모식도를 참조하여 설명한다.
과급기측 가스 공급관(33)으로부터의 연료 가스량(Q1)에 있어서, 메탄 농도를 m%로 하면, 메탄량은 Q1×m, 공기량은 Q1×(1-m)이 된다. 마찬가지로, 실린더측 가스 공급관(37)으로부터의 연료 가스량(Q2)에 있어서, 메탄 농도를 m%로 하면, 메탄량은 Q2×m, 공기량은 Q2×(1-m)이 된다.
컴프레서(11b)의 하류측의 유량(Q3)은, Q3=Qai＋Q1이 된다. 또한, 이 컴프레서(11b)의 하류측의 급기 가스 농도(H)는, H=(Q1×m)/(Q1＋Qai)로 나타낼 수 있다.
여기서, 발전기(9)의 발전 출력 일정(부하 일정)의 조건, 즉, 메탄량에 근거하는 칼로리량이 일정한 것에 의해, (Q1＋Q2)×m=일정=K1이 된다[메탄 농도 변화에 비해서 효율(출력)의 변화는 매우 작기 때문에 일정으로 한다].
또한, 컴프레서(11b)의 출구 가스량이 일정한 경우에는, Q3=Qai＋Q1=일정=K2가 된다.
또한, 본 발명의 특징 사항인 유량 비율(Q1/Q2)=일정=K3가 된다.
이들, K1, K2, K3의 조건을 기초로, 이 컴프레서(11b)의 하류측의 급기 가스 농도(H)의 H=(Q1×m)/(Q1＋Qai)의 식을 고쳐쓰면 하기 (1)과 같이 된다.
H=(Q1×m)/(Q1＋Qai)
=(Q1×m)/(Q1＋Q3-Q1)
=(Q1/Q3)×m
=(Q1×m)/Q3
=(K1/(1＋K3))×1/K2 … (1)
가 된다.
따라서, 컴프레서(11b)의 하류측의 급기 가스 농도(H)는 일정하게 되는 것이 나타난다. 또한, 도 6을 참조하여, 확인 시험 결과를 설명한다.
도 6은 연료 가스로서 공급되는 CMM 가스의 메탄 농도를 가로축에 나타내고, (a)는 세로축에 유량(Q1)을 나타내며, (b)는 세로축에 유량(Q2)을 나타내고, (c)는 세로축에 Q1/Q2의 비율을 나타내며, (d)는 세로축에 급기관 내에서의 가스 농도를 나타낸다.
또한, 비교예는, 과급기 전 가스 공급량의 유량(Q1)을 일정하게 하는 제어를 한 경우를 나타내고, 도 6의 (a) 내지 (d) 중 점선으로 표시한다. 이 비교예의 경우에는, 유량(Q1)이 일정하기 때문에 연료 가스 중의 메탄 농도가 높아졌을 경우에, 엔진 출력이 일정한 제어를 실행하기 위해서 유량(Q2)은 저하시키지만, 유량(Q1)은 일정 상태로 유지되기 때문에, Q1/Q2의 비율은 (c)와 같이 커지는 동시에, 유량(Q1) 중의 메탄 농도가 상승하는 것에 의해서, 급기관 내의 메탄 농도가 상승하고, (d)에 도시하는 바와 같이, 메탄이 자기 착화를 일으켜 폭발 등의 위험 영역까지 농도가 상승할 위험성이 있다.
본 실시형태에서는, 연료 가스량 중의 메탄 농도가 높아졌을 경우에는, 유량(Q2)을 엔진 출력이 일정하게 되도록 감소시키고[도 6의 (b)], 그 후에, 일정 비율[도 6의 (c)]에 따라 유량(Q1)을 감소시킨다[도 6의 (a)].
이와 같이 Q1/Q2의 일정 비율, 출력 일정 제어의 기초에서는, 식 (1)에서 나타낸 바와 같이, 컴프레서(11b)의 하류측의 급기 가스 농도(H)는 일정하게 되며[도 6의 (d)], 급기관 내의 메탄 농도가 상승하고 메탄이 자기 착화하여 폭발 등의 위험 영역으로의 상승이 확실하게 방지된다.
이와 같이, 과급기측 가스 공급관(33)의 연료 가스량(Q1)과 실린더측 가스 공급관(37)의 연료 가스량(Q2)의 유량을 제어하기만 하는 간단한 제어에 의해서, 과급기측 가스 공급관(33)으로부터 도입되어 급기관(15) 내에 인도된 연료 가스의 농도를 급기관 내에서 착화하여, 폭발 등의 이상 연소를 일으키는 농도로 상승시키는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 그 결과 안전성을 향상시킬 수 있다.
또한, 반대로 연료 가스의 가스 농도가 저하했을 때에는, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 연료 가스량(Q2)을 증가시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 연료 가스량(Q1)을 증가시키고, 믹서(31)에 의해 혼합되어 과급기(11)의 컴프레서(11b)에 도입되는 혼합 연료 가스의 가스 농도의 저하를 억제하여 대략 일정값으로 유지하도록 작용하지만, 또한, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 증가시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 증가시키므로, 일정 출력에 신속히 도달할 수 있는 작용도 갖는다.
본 발명에 의하면, 저칼로리이며 발열량이 변동하기 쉬운 연료 가스에 있어서, 연료 가스량의 제어에 의해서, 확실하고 또한 간단하게 과급기 출구를 포함한 급기 통로 내에서의 연료 가스의 착화나 폭발 등의 이상 연소를 방지하여 안전성을 확보할 수 있으므로, 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법 및 장치에 이용하는데 적합하다.

Claims (7)

  1. 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로가, 과급기의 공기 입구측에 설치된 믹서에 접속되는 과급기측 가스 공급 통로와, 실린더로의 급기 통로에 접속되는 동시에 상기 연료 가스를 압축하는 가스 컴프레서가 개재된 실린더측 가스 공급 통로로 분기되고,
    상기 과급기측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 1 연료 가스 조정 밸브와, 상기 실린더측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 2 연료 가스 조정 밸브를 구비한 가스 엔진의 연료 가스 공급 방법에 있어서,
    상기 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 보지하고,
    연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하여 상기 연료 가스량(Q2)을 조정하고,
    그 후, 상기 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 상기 연료 가스량(Q1)에 의해 상기 제 1 연료 가스 조정 밸브를 조정하는 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    연료 가스의 가스 농도가 상승했을 때, 상기 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 저하시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 저하시켜서, 상기 믹서에 의해 혼합되어 과급기에 도입되는 혼합 연료 가스의 가스 농도의 상승을 억제하여 대략 일정값으로 보지하는 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    연료 가스의 가스 농도가 저하했을 때, 상기 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 연료 가스량(Q2)을 증가시키는 동시에, 상기 일정한 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 증가시켜서, 상기 믹서에 의해 혼합되어 과급기에 도입되는 혼합 연료 가스의 가스 농도의 저하를 억제하여 대략 일정값으로 보지하는 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 대략 일정값으로 보지되는 가스 농도가 연료 가스의 공기에 대해서 가연 하한계 가스 농도 미만의 소정의 농도인 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 엔진은 발전용 엔진이며, 상기 엔진 출력이 일정하게 유지되는 것에 의해 상기 가스 엔진에 의한 발전 출력이 일정하게 되도록 운전되는 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 가스가, 발열량이 낮고 또한 변동하기 쉬운 탄광 메탄 가스인 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 방법.
  7. 저칼로리이며 변동이 있는 연료 가스를 공급하는 연료 가스 통로가, 과급기의 공기 입구측에 설치된 믹서에 접속되는 과급기측 가스 공급 통로와, 실린더로의 급기 통로에 접속되는 동시에 상기 연료 가스를 압축하는 가스 컴프레서가 개재된 실린더측 가스 공급 통로로 분기되고,
    상기 과급기측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 1 연료 가스 조정 밸브와, 상기 실린더측 가스 공급 통로의 유량을 제어하는 제 2 연료 가스 조정 밸브를 구비한 가스 엔진의 연료 가스 공급 장치에 있어서,
    상기 제 1 연료 가스 조정 밸브와 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 제어하는 가스 공급 컨트롤러를 구비하고,
    상기 가스 공급 컨트롤러에는,
    상기 제 1 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 과급기 공급 통로의 연료 가스량(Q1)과, 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브에 의해 조정되는 실린더측 가스 공급 통로의 연료 가스량(Q2)의 유량 비율(Q1/Q2)을 일정값으로 보지하는 유량 비율 보지 수단과,
    연료 가스의 가스 농도가 변화했을 때에, 엔진 출력을 일정하게 유지하도록 상기 제 2 연료 가스 조정 밸브를 조정하여 상기 연료 가스량(Q2)을 조정하는 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단과,
    그 제 2 연료 가스 조정 밸브 제어 수단에 의한 연료 가스량(Q2)의 조정 후에, 상기 유량 비율에 근거하여 상기 연료 가스량(Q1)을 산출하고, 상기 연료 가스량(Q1)으로부터 상기 제 1 연료 가스 조정 밸브의 개방도를 조정하는 제 1 연료 가스 조정 밸브 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는
    가스 엔진의 연료 가스 공급 장치.
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