(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱負荷条件が夫々異なる複数の区画を有する熱需要装置に於いて、前記各区画に温度検出器を備えた温度制御装置とタービン排ガスを供給する発電バーナとを夫々設け、各温度制御装置により各発電バーナの熱出力を調整して各区画内の温度を設定温度に制御すると共に、各発電バーナの発生電力を直流電力に交換して重畳したあと、交流電力に変換して電力負荷へ供給するようにしたことを特徴とする複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法。
【請求項２】
発電バーナを、前後に開孔を有する円筒状ケーシングと、円筒状ケーシング内に配設した空気圧縮機と、圧縮空気と燃料の混合体を燃焼させる燃焼室と、空気圧縮機の駆動軸に連結した高温燃焼ガスの断熱膨脹により作動するガスタービンと、ガスタービンの駆動軸に連結した発電機と、から構成した発電バーナとした請求項１に記載の複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法。
【請求項３】
発電バーナを、熱需要装置の壁面外方へ一端を固定した円筒状の防音シュラウド内に支持金具を介して懸架するようにした請求項１に記載の複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法。
【請求項４】
各発電バーナからのタービン排ガス内へ温調用空気ブロアから外部空気を供給すると共に、温度制御装置により前記温調用空気ブロアの運転を制御するようにした請求項１に記載の複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法。
【請求項５】
各発電バーナに対して１基のＡＣ／ＤＣコンバータを設けて発電バーナの発生電力を直流電力に変換したあと、各ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を並列状に１基のＤＣ／ＡＣインバータへ入力し、当該ＤＣ／ＡＣインバータにより直流電力を交流電力に変換するようにした請求項１に記載の複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、食品や木材、繊維、窯業、化学、廃棄物処理等の各産業分野で使用される乾燥機等の熱需要装置の技術分野に属するものであり、より詳しくは、複数基の発電バーナを熱源機器として設置した乾燥機等の熱需要装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
乾燥機等の熱需要装置の熱源機器としては、従前から都市ガスやＬＰＧ等の気体燃料、灯油や軽油、重油等の液体燃料を用いる燃焼器（バーナ）が広く利用されている。また近年、省エネルギーを図ると云う観点から所謂発電バーナを熱源機器として用い、タービン排ガスを熱源として熱需要装置へ供給すると共に発生電力を装置・設備用の電力として使用する技術が採用されだしている。
【０００３】
ところで、後者の熱需要装置に於ける発電バーナとしては、例えば空気圧縮機と燃焼室とガスタービンと発電機とを本体ケーシング内に収納し、燃焼室内へ供給した燃料ガスと空気圧縮機からの圧縮空気との混合ガスを燃焼室内で燃焼させ、発生した高温燃焼ガスの断熱膨脹を利用して、ガスタービンとタービン軸に連結した空気圧縮機と発電機とを回転させると共に、本体ケーシング内から前記ガスタービンからの高温排ガスを熱源として外方へ導出するようにした構成のものが開発中である。
【０００４】
而して、前記発電バーナを乾燥機等の熱需要装置の熱源機器として使用する際に、設置する発電バーナが一基の場合には、乾燥機等の熱負荷の変動に応じて発電バーナの出力を調整すると共に、発生電力を適宜に変圧並びに周波数変換して電力負荷へ供給するだけで良く、発電バーナの運転制御や電力負荷への発生電力の供給制御も比較的簡単に行なうことができ、高い実用的効用を奏することができる。
【０００５】
しかし、熱需要装置である乾燥機が大容量になると、乾燥機内部の熱負荷や温度に大きな斑が生ずることになり、一基の発電バーナでは内部を均一な温度に保持することが困難となる。
また、熱需要装置である乾燥機が大容量になると、上記とは逆に、被乾燥物の物性の変化に応じて、乾燥機内部の熱負荷や温度に部分的な差異を強制的に設けたり、或いは前記熱負荷や温度を時間的に変化させたりする必要が生じてくる。
【０００６】
このような場合、一般には、複数基の発電バーナを乾燥機の各部へ適宜に分散設置すると共に、各発電バーナの熱出力を調整することにより乾燥機内部の各部の熱負荷や温度の要求に対応するようにしている。
しかし、前記並列的に運転される複数の発電バーナは、夫々熱出力や発生電力、電力周波数等が異なったものになるため、これ等の運転を統一的に制御することが著しく困難となり、特に各発電バーナからの発生電力を単一の交流電力として電力負荷へ供給することは、簡単且つ容易でないと云う問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発電バーナを熱源機器として用いた従前の乾燥機等の熱需要装置に於ける上述の如き問題、即ち、ａ乾燥機等が大容量になると、一基の発電バーナでは、乾燥機内部の各部に於ける熱負荷や温度に対する要求に迅速且つ高精度に対応することができないこと及びｂ複数基の発電バーナを分散設置するようにした場合には、各発電バーナの運転制御が複雑になり過ぎると共に、発生電力を電力負荷へ供給するための制御に手数が掛かり過ぎること、等の問題を解決せんとするものであり、熱需要装置の各部の熱的要求に対して迅速且つ容易に対応できると共に、各発電バーナからの発生電力を一つの交流電力として電力負荷へ容易に供給できるようにした、複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の運転方法を提供せんとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、熱負荷条件が夫々異なる複数の区画を有する熱需要装置に於いて、前記各区画に温度検出器を備えた温度制御装置とタービン排ガスを供給する発電バーナとを夫々設け、各温度制御装置により各発電バーナの熱出力を調整して各区画内の温度を設定温度に制御すると共に、各発電バーナの発生電力を直流電力に交換して重畳したあと、交流電力に変換して電力負荷へ供給するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて発電バーナを、前後に開孔を有する円筒状ケーシングと、円筒状ケーシング内に配設した空気圧縮機と、圧縮空気と燃料の混合体を燃焼させる燃焼室と、空気圧縮機の駆動軸に連結した高温燃焼ガスの断熱膨脹により作動するガスタービンと、ガスタービンの駆動軸に連結した発電機と、から構成した発電バーナとしたものである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて発電バーナを、熱需要装置の壁面外方へ一端を固定した円筒状の防音シュラウド内に支持金具を介して懸架して成る発電バーナとしたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１の発明に於いて、各発電バーナからのタービン排ガス内へ温調用空気ブロアから外部空気を供給すると共に、温度制御装置により前記温調用空気ブロアの運転を制御するようにしたものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１の発明に於いて、各発電バーナに対して１基のＡＣ／ＤＣコンバータを設けて発電バーナの発生電力を直流電力に変換したあと、各ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電力を並列状に１基のＤＣ／ＡＣインバータへ入力し、当該ＤＣ／ＡＣインバータにより直流電力を交流電力に変換するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明で使用する発電バーナの適用例を示す系統図であり、図２は、発電バーナを熱需要装置へ取付けした状態の一例を示す断面概要図である。また、図３は、本発明を実施した複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の構成系統図であり、図４は発電バーナを用いた熱需要装置の一例を示す横断面概要図である。
【００１４】
図１に於いて、Ｂは発電バーナ、Ａは燃焼用空気、Ｆは燃料、Ｇはタービン排ガス、Ｅは商用電源、１は発電バーナの円筒状ケーシング、２はガス圧縮器、３はガスタービン、４は燃焼室、５は空気フィルタ、６は空気圧縮機、７は発電機、８はＡＣ／ＤＣコンバータ、９は蓄電池、１０はＤＣ／ＡＣインバータ、１１は変圧器、１２は遮断器、１３は継電器、１４はバーナノズル、１５は乾燥機（熱需要装置）、１６は電力負荷である。
【００１５】
図１を参照して、発電バーナＢは、円筒状ケーシング１とガスタービン３と燃焼室４と圧縮機６及び発電機７等から形成されており、後述するように、前後両端部を開放した円筒状ケーシング１の内部にガスタービン３、燃焼室４、圧縮機６及び発電機７を同軸芯状に配設すると共に、各機器３、６、７を同軸に連結することにより形成されている。
【００１６】
燃料Ｆには都市ガス１３Ａ（９，９３０ｋｃａｌ／Ｎｍ３  ）が使用されており、ガス圧縮器２を経てガスタービン３の燃焼室４へ送入される。また、燃焼用空気Ａは、空気フィルタ５を経て発電機７を冷却したあと圧縮機６で圧縮され、ガスタービン３の燃焼室４へ送入される。
燃焼室４では、燃料Ｆと燃焼用空気Ａとの混合ガスが燃焼され、生成した高温燃焼ガス（約８００℃）によりガスタービン３及びこれに直結した発電機７が高速回転（約９６０００ｒｐｍ）され、入力の約１５〜２５％に相当する電力（１６００Ｈｚ）が発電される。
【００１７】
発電機７の発生電力はＡＣ／ＤＣコンバータ８により直流に変換されたあと、蓄電池９とＤＣ／ＡＣインバータ１０の何れか一方又は両方へ送られ、ＤＣ／ＡＣインバータ１０により商用周波数の交流電力に変換されたあと、遮断器１２及び継電器１３を経て電力負荷１６へ供給される。
【００１８】
前記断熱膨脹によりガスタービン３を駆動した後の高温燃焼ガスは、約３００〜６００℃のタービン排ガスＧとしてバーナノズル１４を通して乾燥機（熱需要装置）１５内へ供給されて行く。前記タービン排ガスＧの成分は、通常ＣＯ２  （約１．５％）、ＣＯ（５〜１０ｐｐｍ）、ＮＯｘ（約９ｐｐｍ・０％Ｏ２  換算）、炭化水素（約０％）であって、環境を著しく汚損する虞れは全くない。また、乾燥機１５内へ供給するタービン排ガスＧの熱量や温度は、発電バーナ１の出力制御を行なうことにより自動制御されており、乾燥機１５内の温度は、その運転条件に応じて予かじめ設定された設定温度等に自動制御されている。
【００１９】
尚、前記図１の実施形態に於いては、燃料Ｆとして都市ガス１３Ａを使用しているが、ＬＰＧや灯油等の化石燃料を燃料Ｆとして用いてもよい。
また、本実施形態では熱需要装置１５として乾燥機を挙げているが、熱需要装置は乾燥機１５以外のものであってもよいことは勿論である。
【００２０】
図２を参照して、発電バーナＢは、前述の如く前・後に開孔を有する円筒状ケーシング１の内部に、ガスタービン３と燃焼室４と圧縮機６と発電機７とを同軸芯状に配設し、且つ前記ガスタービン３と圧縮機６と発電機７とを同軸に直結することにより形成されており、燃焼室４からの高温燃焼ガスの断熱膨脹によりガスタービン３が回転駆動される。
又、前記円筒状ケーシング１の前方の開孔にはタービン排ガスＧを噴出するバーナノズル１４が、またケーシング１の後方の開孔には空気導入路１ａが夫々設けられており、更に円筒状ケーシング１の前方部外周には、燃料Ｆの導入路１ｂが設けられている。
【００２１】
前記発電バーナＢは、熱需要装置（乾燥機）１５の側壁へ固定した円筒形防音シュラウド１７内に、支持金具１８を介して着脱自在に懸架されており、燃料入口１７ａより導入した燃料Ｆが、ケーシング１の燃料導入路１ｂを通して燃焼室（図示省略）内へ供給される。
また、前記円筒形防音シュラウド１７の後方開口は燃焼用空気Ａの取入口１７ｃとなっており、ここに１次空気フィルタ５ａ及び２次空気フィルタ５ｂが夫々挿着されている。
尚、図２に於いて、１９は防音シュラウド１７の内壁面に設けた防音材、２０は取付用フランジ、２１は乾燥機１５の側壁に設けた熱源導入口である。
【００２２】
図３は、熱負荷条件が夫々異なる複数の区画を有する熱需要装置（例えば乾燥機）１５に本発明を適用した場合を示すものであり、熱需要装置１５の内部には熱量負荷や温度、熱量負荷や温度の時間的変化率、温度や熱量負荷の制御精度等の差異に応じて複数の区画（若しくは部分）１５ａ〜１５ｎが設けられており、前記各区画１５ａ〜１５ｎに対して夫々発電バーナＢ１  〜Ｂｎ  と、温度検出器２２ａ〜２２ｎを備えた温度制御装置２３ａ〜２３ｎと、調温用空気ブロア２４ａ〜２４ｎとが設けられている。
【００２３】
前記複数の区画１５ａ〜１５ｎ内の温度は温度検出器２２ａ〜２２ｎによって連続的に検出されており、温度制御装置２３ａ〜２３ｎを介して自動的に或いは予かじめ定めたプログラムに従って発電バーナＢ１  〜Ｂｎ  の出力即ち区画内への入熱量を制御することにより、区画内の温度が設定温度に制御されている。
【００２４】
また、バーナノズル１４からのタービン排ガスＧが高温度（約６００℃）の故に、乾燥機１５内の各区画１５ａ〜１５ｎの温度を均一に保持し難い場合には、調温用空気ブロア２４ａ〜２４ｎが適宜に運転され、バーナノズル１４からのタービン排ガスＧ内へ外部空気を混入することによりタービン排ガスＧの温度を下降させると共に、区画内へ噴出するガス量を増加させ、これによって区画内の温度がより均一になるようにする。
【００２５】
尚、図３の実施形態に於いては、熱需要装置である乾燥機１５の内部を複数の区画に区分するようにしているが、当該区画は間仕切壁等によって明確に仕切りしたものであっても、或いは間仕切り壁のないものであってもよく、例えば被乾燥物の物性や乾燥レベルに応じて間仕切り壁を設けることなしに適宜に室内を複数の部分にゾーン化しただけのものでもよい。
また、図３の実施形態では各区画１５ａ〜１５ｎ毎に１基の発電バーナＢ及び温度制御装置２３を設けているが、必要に応じて各区画に２基若しくはそれ以上の発電バーナＢ及び温度制御装置２３を設けるようにしてもよく、更に各発電バーナを容量が適宜に異なるものにしたり、或いは１基の温度制御装置２３でもって複数基の発電バーナＢを制御するようにしてもよい。
【００２６】
更に、図３の実施形態では、乾燥機１５に被乾燥物の搬入口と搬出口を夫々１ケ所づつ設けているが、各区画１５ａ〜１５ｎ毎に搬入口と搬出口があっても良い。また、乾燥機１５内の被乾燥物は固定状に配設されていても、或いは、各区画間をコンベアー等により移動可能な状態に配設されていても良い。更に、各区画１５ａ〜１５ｎ内の温度を均等にするために、攪拌機（図示せず）を適宜に設けるようにしてもよい。
【００２７】
前記各発電バーナＢ１  〜Ｂｎ  に対しては、夫々独立したＡＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｎが対状に配設されており、各発電バーナＢ１  〜Ｂｎ  の発電機出力は先ずＡＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｎにより直流電力に変換されたあと、夫々１基のＤＣ／ＡＣインバータ１０へ重畳して入力される。即ち、各ＡＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｎからの直流出力を重畳したものがＤＣ／ＡＣインバータの入力となり、各ＡＣ／ＤＣコンバータ８ａ〜８ｎからの合計入力に相当する商用周波数の交流電力がＤＣ／ＡＣインバータ１０から出力される。
尚、上記ＡＣ／ＤＣコンバータ８やＤＣ／ＡＣインバータは公知であるため、ここではその説明は省略されているが、本実施形態に於いては、所謂ＤＰＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｒ）が用いられている。
【００２８】
図４は、発電バーナＢを用いた乾燥機や乾燥炉（１５０℃〜３００℃）１５の横断面概要図であり、熱需要装置である乾燥機や乾燥炉１５が５００℃〜８００℃の加熱炉の場合であっても、その構成は略同一である。
図４に於いて、２６はタービン排ガス導入ダクト、２７は助燃バーナ、２８は温調用ダンパ、２８ａはダンパ駆動装置、２９は排気ダクト、３０は誘引通風機である。
熱需要装置１５が加熱炉等であり、タービン排ガスＧのみでは熱量が不足する際には、助燃バーナ２７が作動され、熱量の不足分が供給される。尚、タービン排ガスＧ内には約１６〜１８％の酸素が残存しているため、助燃バーナ２７による追焚が可能である。
また、熱需要装置１５が約１５０℃〜３００℃の乾燥炉等であり、温度が上昇し過ぎる場合には、温調用ダンパ２８が開放され、冷却用空気を供給することにより乾燥炉等の温度が調整される。
【００２９】
【発明の効果】
本発明では、熱需要装置の熱負荷条件が異なる複数の区画に、発電バーナと温度検出器を備えた温度制御装置を夫々設け、又各発電バーナからの交流電力を夫々独立して直流電力に交換すると共に、当該独立して変換した直流電力を重畳したものをＤＣ／ＡＣインバータへ入力して、交流電力に変換する構成としている。
その結果、熱需要装置内の各区画毎の熱需要量の差異や熱需要量の変動により各発電バーナの熱出力が変動し、各発電バーナの発電電力や電力周波数に変動が生じても、これ等の変動は全てＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータによる電力変換の過程で吸収されることになり、各発電バーナの出力の合計に相当する交流電力を容易に出力することができると共に、熱需要装置の各区画内の温度も設定温度に容易に制御することが出来る。
【００３０】
また、本発明では発電バーナを空気圧縮機と発電機とガスタービンとを同軸に連結した構成としているため、燃焼に必要とする圧縮空気をガスタービンの駆動力を用いて生成することができるうえ、前述の如くＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＤインバータの組み合せにより各発電バーナの合計出力に相当する交流電力を出力するようにしているため、発電機の回転数即ちガスタービンの回転数を高速度に選定することができる。
その結果、発電バーナの大幅な小型化が図れるだけでなく、発電効率の大幅な向上も可能となる。
【００３１】
更に、本発明では、調温用空気ブロアを設け、必要な場合には外部空気をタービン排ガス内へ混合させる構成としているため、熱需要装置の各区画内の温度等をより迅速に均一化することができる。
【００３２】
本発明は上述の通り、熱需要装置に設けた複数の発電バーナの大幅な小型化及び高効率化が図れると共に、発電バーナの運転制御も簡素化され、安定した交流電力の出力と熱需要装置の高精度な温度制御が可能になると云う、優れた実用的効用を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で使用する発電バーナの適用例を示す系統図である。
【図２】発電バーナを熱需要装置へ取付けした状態の一例を示す断面概要図である。
【図３】本発明を実施した複数基の発電バーナを設置した熱需要装置の構成系統図である。
【図４】発電バーナを用いた乾燥機の一例を示す横断面概要図である。
【符号の説明】
Ｂは発電バーナ、Ａは燃焼用空気、Ｆは燃料ガス、Ｇはタービン排ガス、Ｅは商用電源、１は円筒状ケーシング、１ａは空気導入路、１ｂは燃料導入路、２はガス圧縮器、３はガスタービン、４は燃焼室、５は空気フィルタ、５ａは１次空気フィルタ、５ｂは２次空気フィルタ、６は空気圧縮機、７は発電機、８はＡＣ／ＤＣコンバータ、９は蓄電池、１０はＤＣ／ＡＣインバータ、１１は変圧器、１２は遮断器、１３は継電器、１４はバーナノズル、１５は乾燥機（熱需要装置）、１５ａ〜１５ｎは区画又は部分、１６は電力負荷、１７は防音シュラウド、１７ａは燃料入口、１７ｂは電線取出口、１７ｃは空気取入口、１８はバーナ支持金具、１９は防音材、２０は取付用フランジ、２１は熱源導入口、２２は温度検出器、２３は温度制御装置、２４は調温用空気ブロア。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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