(57)【要約】【課題】  需要者に対して安定した圧力でガスを供給することができると共に、減圧時に損失するエネルギーを可能な限り有効活用することができるガス供給装置を提供する。【解決手段】  高圧ガスが流れる一次側ガス管と、一次側ガス管を流れる高圧ガスを減圧した低圧ガスが流れる二次側ガス管と、両ガス管を繋ぐように配管されるガバナと、ガバナと並列させて両ガス管を繋ぐように配管されるタービンを有する膨張機と、膨張機のタービンと連動する発電機とを備えたガス供給装置において、二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力に応じて発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御することにより、膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むガスの流量を調整する。【選択図】  図１
2010031796.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスが流れる一次側ガス管と、一次側ガス管を流れる高圧ガスを減圧した低圧ガスが流れる二次側ガス管と、両ガス管を繋ぐように配管されるガバナと、ガバナと並列させて両ガス管を繋ぐように配管されるタービンを有する膨張機と、膨張機のタービンと連動する発電機とを備えており、二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力に応じて発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御することにより、膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むガスの流量を調整することを特徴とするガス供給装置。
【請求項２】
二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力が所定圧力範囲内にある状態において、該低圧ガスの圧力に応じて二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力が所定圧力範囲内の定められた所定圧力に近づくように発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御する請求項１記載のガス供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知の通り、都市ガス供給装置においては、ガスホルダーに貯留されたガスを需要者（例えば、一般の家庭、商業施設、工業施設等）まで導かれるガス管へ高圧にて送り出し、該ガス管の途中に設置されたガバナを通過させることによって需要者に辿り着くまでの間に段階的に圧力を低下させる。これにより、需要者まで達したガスは適度な圧力を保持した状態で供給されるようになっている。
【０００３】
ところで、前記都市ガス供給装置においては、ガス管を流れる高圧のガスをガバナに通過させて圧力を低下させた際に相当量のエネルギーを損失することになるが、当該エネルギーを利用して都市ガス供給装置全体のエネルギー効率を向上させる方法が多数開発されている。
【０００４】
例えば、後出特許文献１には、都市ガス供給系統中に介在され、一次側の圧力を減圧して予め定める二次側圧力に整圧するガバナと、ガバナと並列に、前記都市ガス供給系統に接続され、一次側からの都市ガスを膨張させて二次側圧力に減圧する膨張タービンと、二次側への都市ガス供給流量を検出し、予め設定される前記ガバナの安定作動流量を越える都市ガス供給流量分を、その変化に、膨張タービンが安定に動作可能な範囲内に予め定める変化率以下で追従させて、膨張タービンに流すように制御する流量制御手段とを含むエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置が開示されている。
【特許文献１】特開平７−２１７８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１記載のエネルギー回収装置付き都市ガス整圧装置においては、バイパスガバナの最低流量を越える流量であって発電機の発電能力を越えない流量のガスを予め設定された変化率以下で追従して膨張タービンに流し込むように制御されているため、二次側を流れるガスの急激な圧力変化に伴って膨張タービン及びバイパスガバナを最大限稼動させなければ対応できない状態においても、膨張タービンには予め設定れた変化率以下でしかガスが流れ込まず、発電機の発電能力が限界に達するまでに時間を要し、その間はバイパスガバナには最低流量のガスしか流れ込まないため、膨張タービン及びバイパスガバナを最大限稼動させるまでに大きなタイムラグが生じ、二次側を流れるガスの急激な圧力変化に対応できないという問題点があった。これにより、二次側を流れるガスに急激な圧力変化が生じた際に、二次側を流れるガスの圧力を即座に回復できないため、二次側を流れるガスの圧力に大きな変動が生じ、需要者に対して安定した圧力でガスを供給できないという問題点も生じていた。
【０００６】
そこで、本発明は、需要者に対して安定した圧力でガスを供給することができると共に、減圧時に損失するエネルギーを可能な限り有効活用することができるガス供給装置を提供することを技術的課題として、その具現化をはかるべく、試作・実験を繰り返した結果、高圧ガスが流れる一次側ガス管と、一次側ガス管を流れる高圧ガスを減圧した低圧ガスが流れる二次側ガス管と、両ガス管を繋ぐように配管されるガバナと、ガバナと並列させて両ガス管を繋ぐように配管されるタービンを有する膨張機と、膨張機のタービンと連動する発電機とを備えたガス供給装置において、二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力に応じて発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御することにより、膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むガスの流量を調整すれば、需要者に対して安定した圧力でガスを供給することができると共に、減圧時に損失するエネルギーを可能な限り有効活用することができるという刮目すべき知見を得、前記技術的課題を達成したものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記技術的課題は、次の通りの発明によって解決できる。
【０００８】
本発明は、前記ガス供給装置において、高圧ガスが流れる一次側ガス管と、一次側ガス管を流れる高圧ガスを減圧した低圧ガスが流れる二次側ガス管と、両ガス管を繋ぐように配管されるガバナと、ガバナと並列させて両ガス管を繋ぐように配管されるタービンを有する膨張機と、膨張機のタービンと連動する発電機とを備えており、二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力に応じて発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御することにより、膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むガスの流量を調整するものである。
【０００９】
また、本発明は、前記ガス供給装置において、二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力が所定圧力範囲内にある状態において、該低圧ガスの圧力に応じて二次側ガス管を流れる低圧ガスの圧力が所定圧力範囲内の定められた所定圧力に近づくように発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、二次側ガス管の圧力に応じて発電機の潮流量を制限して該発電機と連動するタービンのトルクの大きさを制御することにより、膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むガスの流量を調整しているので、二次側ガス管の圧力変化に対して即座に追従してタービンを流れるガスの流量を変更することができる。さらに、二次側ガス管の圧力が所定圧力範囲内にあってガス管の流量が所定流量以上である場合においては、二次側ガス管の圧力を常に監視しながら、該圧力が所定圧力範囲内で定められる所定圧力に近づくようにタービンのトルクの大きさを制御しているため、二次側ガス管を流れるガスの圧力の変動を極めて小さく抑制することができる。また、この場合には、ガバナよりも膨張機に優先してガスが流れ込み、発電機の発電能力が限界に達するまでは全てのガスが膨張機を介して一次側ガス管から二次側ガス管へ流れ込むので、エネルギー回収率が格段に向上する。
【００１１】
従って、本発明の産業上利用性は非常に高いといえる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１３】
実施の形態１．
【００１４】
図１は本実施の形態に係るガス供給装置の概要を示した配管図である。図２は図１に示すガバナを示した断面図である。図３は図１に示すガス供給装置の制御を示したフローチャートである。図４は本実施の形態に係るガス供給装置を用いて測定した潮流量、二次側ガス管の圧力及び膨張機を通過するガスの流量の時間変化を示したグラフである。図５は潮流量と膨張機を通過するガスの流量との関係を示したグラフである。図６はタービンの回転数と発電機の潮流量の関係を示したグラフである。これらの図において、１は、高圧ガスが流れる一次側ガス管２と、一次側ガス管２を流れる高圧ガスを減圧した低圧ガスが流れる二次側ガス管３と、両ガス管２，３を繋ぐように配管されたガバナ４と、ガバナ４と並列させて両ガス管２，３を繋ぐように配管される膨張機５と、膨張機５と連動する発電機６とを備えたガス供給装置である。
【００１５】
二次側ガス管３には、ガスの圧力を測定するための圧力計７が設置されていると共に、ガスの流量を測定するための流量計８が設置されている。なお、二次側ガス管３に設置された流量計８については一次側ガス管２に設置してもよい。
【００１６】
ガバナ４は、図２に示すように、内部に空間を有する本体９と、本体９の空間を上下に仕切るダイヤフラム１０と、ダイヤフラム１０によって仕切られた本体９の上部空間１１に位置付けられてダイヤフラム１０を上部空間１１側へ引っ張るバネ１２と、ダイヤフラム１０によって仕切られた本体９の下部空間１３に位置付けられてダイヤフラム１０に固定される弁体１４とから構成されている。そして、本体９の下部空間１３は、更に一次側ガス管２に繋がれる高圧空間１５と二次側ガス管３に繋がれる低圧空間１６とに区切られており、両空間１５，１６を仕切る仕切板１７に対して弁体１４がバネ１２に引っ張られた状態で低圧空間１６側から高圧空間１５側へ向かうように密着している。また、弁体１４は、一次側ガス管２から高圧空間１５へ高圧ガスが流れ込んで高圧空間１５の圧力が増加した際にバネ１２に抵抗して低圧空間１６側へと移動して仕切板１７との間に隙間を形成する構造となっている。従って、弁体１４を引っ張るバネの張力を変化させることにより、二次側ガス管３に流れるガスの圧力を調節できるようになっている。なお、ガバナ４は、図２の構造に限定されず、一般に使用される他の構造のものを使用することもできる。
【００１７】
膨張機５は、一次側ガス管２から流れ込む高圧ガスによってタービン１８を回転させることにより、高圧ガスのエネルギーを回転運動に変換する役割を果たしており、タービン１８は回転軸１９を介して発電機６と連動している。なお、膨張機５を一次側ガス管２に繋ぐガス管２０には、膨張機５へのガスの流入を制御する制御バルブ２１が設置されており、制御バルブ２１の開閉は、圧力計７及び流量計８によって測定された圧力及び流量に基づいて制御されている。また、膨張機５を一次側ガス管２に繋ぐガス管２０には、制御バルブ２１とは別にバルブ２２が設置されており、膨張機５を二次側ガス管３に繋ぐガス管２３には、バルブ２４が設置されている。なお、タービン１８は、ギアタービンが好ましいが、これに限定されない。
【００１８】
発電機６は、膨張機５のタービン１８の回転運動を利用して電気を発電するものであり、例えば、タービン１８の回転軸１９に固定された磁石２５の周囲にコイル線２６を配置した構造となっている。そして、発電された電気は発電機６のコイル線２６から伸びる送電線２７を通じて送電される。また、送電線２７の途中には制御部２８が設けられている。制御部２８は、圧力計７から送られる二次側ガス管３の圧力情報に基づいて送電線２７に対して送電される電気の潮流量を制御する。そして、制御部２８によって送電線２７に送電される電気の潮流量を制御すると、発電機６のコイル線２６に流れる電流量が制御され、これにより、回転軸１９のトルクを増減させることができる。送電線２７によって送電される電気は、制御部２８内のインバータ及び系統連系装置によって、電力会社の規格に合致した電力に変換する必要があり、その電気は、電力会社の電力と混合される。その一部は、ガス供給装置１自体の制御用やガス供給装置１が設置された所内電力に供給することが可能であり、さらに余剰となる電力は、電力会社に売却してもよい。また、発電機６の構造は、タービンの回転運動を利用して電気を発電できるものであればよく、前記構造に限定されない。
【００１９】
次に、本実施の形態に係るガス供給装置１の動作を図３に基づいて説明する。
【００２０】
先ず、二次側ガス管３を流れるガスの圧力を圧力計７で測定する（ステップＳ１）。そして、二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲よりも高い場合には制御バルブ２１が閉鎖される（ステップＳ２）。これは、需要者のガス使用量が少ないこと等が原因となって二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲よりも高くなっていることから、このような状態で制御バルブ２１を開放すると、膨張機５を介して一次側ガス管２から二次側ガス管３へガスが流れ続けて両ガス管２，３が等圧になる恐れがあるからである。従って、一次側ガス管２を流れるガスは全てガバナ４で減圧されて二次側ガス管３へ流れ込む。
【００２１】
一方、二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲以下の場合には、ガス管２，３を流れるガスの流量を流量計８で測定する（ステップＳ３）。そして、ガス管２，３の流量が所定流量以上になるまで制御バルブ２１は閉鎖された状態が保持される（ステップＳ４）。これは、ガス管２，３の流量が少ないと、膨張機５や発電機６が機械的に制御困難となって二次側ガス管３の圧力を調整できなくなるため、膨張機５や発電機６で制御可能な所定流量以上になるまで流量を増加させる必要があるからである。そして、ガス管２，３の流量が所定流量以上になると制御バルブ２１が開放される（ステップＳ５）。
【００２２】
次に、再度二次側ガス管３を流れるガスの圧力を圧力計７で測定する（ステップＳ６）。この時、二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲よりも低い場合には、制御部２８は発電機６の潮流量を制限せず、発電機６の発電能力が限界に達するまで膨張機５を介して一次側ガス管２から二次側ガス管３にガスが流れ込む。そして、発電機６の発電能力が限界に達すると、膨張機５に流れ込めなくなった余剰のガスはガバナ４へ流れ込む（ステップＳ７）。
【００２３】
これに対して、二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲内にある場合には、制御部２８は二次側ガス管３の圧力に基づいて発電機６の潮流量をフィードバック制御し、膨張機５のタービン１８に発電機６から負荷が掛けられてタービン１８のトルクの大きさが制御される（ステップＳ８）。具体的には、制御部２８は二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲内の所定圧力に近づくように発電機６の潮流量を制限しており、二次側ガス管３の圧力が所定圧力よりも低い場合には、膨張機５を通過するガスの流量を増加させるため、発電機６の潮流量を増加させてタービン１８が回転し易くなるようにタービン１８のトルクを増加させる制御を行う。一方、二次側ガス管３の圧力が所定圧力よりも高い場合には、膨張機５を通過するガスの流量を減少させるため、発電機６の潮流量を減少させてタービン１８が回転し難くなるようにタービン１８のトルクを減少させる制御を行う。これらの制御により、二次側ガス管３で急激な圧力変化が生じない限り、二次側ガス管３を流れるガスの圧力が所定圧力付近で変動して極めて安定した状態で維持される。なお、二次側ガス管３で急激な圧力変化が生じて二次側ガス管３の圧力が所定圧力範囲より高くなった場合には、制御バルブ２１が閉鎖される（ステップＳ２）。
【００２４】
所定圧力とは、所定圧力範囲内において定められる圧力であり、所定圧力範囲の中心に位置付けられる圧力であるとは限らない。
【００２５】
本実施の形態においては、ガバナ４を一つしか設置していなが、複数設置してもよい。ガバナ４を複数設置する場合には、並列させた状態で一次側ガス管２と二次側ガス管３とを繋ぐように配管すればよい。
【００２６】
ガス供給装置１を稼動した際における潮流量、二次側ガス管の圧力及び膨張機を通過するガスの流量の変化を図４に示しており、図中、潮流量の変化を点線、二次側ガス管の圧力の変化を実線、ガスの流量の変化を一点鎖線にて示している。図４によれば、発電機６で発電された電気の潮流量が変化すると、僅かなタイムラグの後に膨張機５を通過するガスの流量が変化していることが分かる。これは、潮流量の変化に伴ってタービン１８のトルクが変化したためである。また、膨張機５を通過するガスの流量が変化すると、僅かなタイムラグの後に二次側ガス管３の圧力がガスの流量に追従して変化していることが観測された。
【００２７】
また、潮流量と膨張機を通過するガスの流量の変化との関係を図５に示す。図５によれば、潮流量の変化に対して膨張機５を通過するガスの流量の変化が連動していることが分かる。これにより、発電機６で発電された電気の潮流量を変化させることによって膨張機５を通過するガスの流量を正確に変動させることできる。
【００２８】
さらに、タービンの回転数と発電機の潮流量の関係を図６に示す。図６によれば、発電機の潮流量を増加させたとしてもタービンの回転数は僅かしか変化せず、ほぼ一定の回転数に保持されることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施の形態１に係るガス供給装置の概要を示した配管図である。
【図２】図１に示すガバナを示した断面図である。
【図３】図１に示すガス供給装置の制御を示したフローチャートである。
【図４】実施の形態１に係るガス供給装置を用いて測定した潮流量、二次側ガス管の圧力及び膨張機を通過するガスの流量の時間変化を示したグラフである。
【図５】潮流量と膨張機を通過するガスの流量との関係を示したグラフである。
【図６】タービンの回転数と発電機の潮流量の関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３０】
１  ガス供給装置
２  一次側ガス管
３  二次側ガス管
４  ガバナ
５  膨張機
６  発電機
７  圧力計
８  流量計
９  本体
１０  ダイヤフラム
１１  上部空間
１２  バネ
１３  下部空間
１４  弁体
１５  高圧空間
１６  低圧空間
１７  仕切板
１８  タービン
１９  回転軸
２０，２３  ガス管
２１  制御バルブ
２２，２４  バルブ
２５  磁石
２６  コイル線
２７  送電線
２８  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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