(57)【要約】【課題】燃料ガスを安定的に燃焼させられる追い焚きバーナを備えるガスエンジンコージェネレーション装置を提供すること。【解決手段】ガスエンジン１０と、排ガスボイラ２０と、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、排気ダクト３０の内部に配置される追い焚きバーナ４０と、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、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置１であって、追い焚きバーナ４０は、排気ダクト３０における排ガスの流通方向に沿って燃料ガスを噴出するノズル４１と、基端部がノズル４１に接続されると共に先端部が排ガスの流通方向の下流側に向かって拡径する円錐台状の内筒部４２と、内筒部４２の周面に形成される複数の貫通孔４２１と、内筒部４２の外側に配置される円筒状の外筒部４３と、を備える。【選択図】図２
2014206095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置であって、
前記追い焚きバーナは、
前記排気ダクトにおける排ガスの流通方向に沿って燃料ガスを噴出するノズルと、
基端部が前記ノズルに接続されると共に先端部が排ガスの流通方向の下流側に向かって拡径する円錐台状の内筒部と、
前記内筒部の周面に形成される複数の貫通孔と、
前記内筒部の外側に配置される円筒状の外筒部と、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置。
【請求項２】
前記ノズル、前記内筒部及び前記外筒部の中心軸は、前記排気ダクトの中心軸と略一致する位置に配置される請求項１に記載のガスエンジンコージェネレーション装置。
【請求項３】
前記外筒部の先端部は、前記内筒部の先端部よりも排ガスの流通方向の下流側に配置される請求項１又は２に記載のガスエンジンコージェネレーション装置。
【請求項４】
前記複数の貫通孔の径は、前記内筒部の基端側から先端側に向かって徐々に大きくなる請求項１〜３のいずれかに記載のガスエンジンコージェネレーション装置。
【請求項５】
前記外筒部の内径は、前記排気ダクトの内径の３０〜５０％である請求項１〜４のいずれかに記載のガスエンジンコージェネレーション装置。
【請求項６】
前記内筒部の先端部の外周面と前記外筒部の内周面との間には、隙間が形成される請求項１〜５のいずれかに記載のガスエンジンコージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、ガスエンジンから排出された排ガスを再加熱する追い焚きバーナと、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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装置が提案されている。このようなコージェネレーション装置では、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）。
【０００３】
また、排ガスの流通方向に交差する方向に延びて配置され内部に燃料ガスが供給される筒状のヘッダと、このヘッダの長手方向に所定間隔をあけて形成され燃料ガスを噴出する複数のノズル孔と、複数のノズル孔を挟むように配置されると共に、基端側から排ガスの流通方向の下流側に向かうにつれて拡開した一対の保炎板と、一対の保炎板に形成された複数の通気孔と、を備え、保炎性を向上させた追い焚きバーナ装置も提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１５９４１１号公報
【特許文献２】実開平４−１２２９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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装置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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
そのため、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装置を構成した場合には、従来のガスタービンの排ガスを燃焼用空気として用いる追い焚きバーナでは、燃料ガスを安定的に燃焼させられない。
【０００９】
従って、本発明は、燃料ガスを安定的に燃焼させられる追い焚きバーナを備えるガスエンジンコージェネレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、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、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置であって、前記追い焚きバーナは、前記排気ダクトにおける排ガスの流通方向に沿って燃料ガスを噴出するノズルと、基端部が前記ノズルに接続されると共に先端部が排ガスの流通方向の下流側に向かって拡径する円錐台状の内筒部と、前記内筒部の周面に形成される複数の貫通孔と、前記内筒部の外側に配置される円筒状の外筒部と、を備えるガスエンジンコージェネレーション装置に関する。
【００１１】
また、前記ノズル、前記内筒部及び前記外筒部の中心軸は、前記排気ダクトの中心軸と略一致する位置に配置されることが好ましい。
【００１２】
また、前記外筒部の先端部は、前記内筒部の先端部よりも排ガスの流通方向の下流側に配置されることが好ましい。
【００１３】
また、前記複数の貫通孔の径は、前記内筒部の基端側から先端側に向かって徐々に大きくなることが好ましい。
【００１４】
また、前記外筒部の内径は、前記排気ダクトの内径の３０〜５０％であることが好ましい。
【００１５】
また、前記内筒部の先端部の外周面と前記外筒部の内周面との間には、隙間が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガスエンジンコージェネレーション装置によれば、追い焚きバーナにおいて安定的に燃料ガスを燃焼させられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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装置の構成を示す図である。
【図２】第１実施形態のガスエンジンコージェネレーション装置の追い焚きバーナの構成を示す拡大図である。
【図３】追い焚きバーナを図２の矢印Ａ方向に視た図である。
【図４】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装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のガスエンジンコージェネレーション装置（以下、コージェネレーション装置ともいう）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装置１の全体構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。
【００１９】
第１実施形態のコージェネレーション装置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、を備える。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
追い焚きバーナ４０は、図１〜図３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。より詳細には、追い焚きバーナ４０は、鉛直筒部３１における下部（排ガスボイラ２０寄り）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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
保炎筒４２の外周面とエアレジスタ４３の内周面との間に形成される隙間は、追い焚きバーナ４０における燃料ガスの燃焼状態（保炎性）を好適に保つ観点から、エアレジスタ４３の内側に導入される排ガスのうちの８％〜１２％が通過する程度の大きさであることが好ましい。
【００３０】
また、エアレジスタ４３の先端部（下端部）と、保炎筒４２の先端部（下端部）との間の距離Ｌ３は、追い焚きバーナ４０における燃料ガスの燃焼状態（保炎性）を好適に保つ観点から、エアレジスタ４３の外径Ｄ３の３０％〜１００％であることが好ましい。
【００３１】
更に、エアレジスタ４３の外径Ｄ３は、追い焚きバーナ４０における燃料ガスの燃焼状態（保炎性）を好適に保つ観点から、排気ダクト３０（鉛直筒部３１）の内径Ｄ４の３０％〜５０％であることが好ましい。
【００３２】
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（図３参照）。
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４５により固定される（図２参照）。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
次に、第１実施形態のコージェネレーション装置１の動作につき説明する。
コージェネレーション装置１では、まず、ガスエンジン１０に燃料ガス及び燃焼用空気が供給されて燃料ガスが燃焼され、発電が行われる。ガスエンジン１０において燃料ガスが燃焼して発生した燃焼ガスは、排ガスとして排気ダクト３０に排出される。
排気ダクト３０に排出された排ガスは、排ガスボイラ２０に向かって鉛直筒部３１を下方に向かって流れる。
【００３７】
鉛直筒部３１には、追い焚きバーナ４０が配置されており、この追い焚きバーナ４０により排ガスは再加熱される。
より詳細には、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。
【００３８】
即ち、酸素濃度が低く、温度の低いガスエンジン１０の排ガスを燃焼用空気とする場合、多量の排ガスをノズル４１部近傍で燃料ガスに接触させると、ノズル４１から噴出される燃料ガスの一部は燃焼するものの、排ガス中に含まれる酸素の濃度が低いため、酸素と燃料ガスとの接触による燃焼よりも大量の温度の低い排ガスによる火炎の冷却が優位となって、安定的に燃焼させる温度にならない。そこで、エアレジスタ４３を配置して、追い焚きバーナ４０による燃料ガスの燃焼に用いられる排ガスの量を制限した上で、このエアレジスタ４３の内側に導入された排ガスを、複数の貫通孔４２１を通じて徐々に円錐台形状の保炎筒４２の内部に供給させた。このように、燃焼用空気としての排ガス量を保炎筒４２の下流側に進むに従って徐々に多くなるように供給するようにすることにより、燃焼火炎の冷却を抑制して、保炎筒４２内で高温の燃焼が安定的に維持することができるようにすることができる。
【００３９】
また、ガスエンジン１０の排ガス中に含まれる酸素濃度は、ガスタービンの排ガス中に含まれる酸素濃度よりも低い。そこで、追い焚きバーナ４０に供給される燃料ガスの量は、ガスエンジン１０から排出される排ガスの量の４％以下になるようにすることが好ましい。これにより、ガスタービンの排ガスに比して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に、追い焚きバーナ４０により効率よく燃焼させる量の燃料ガスを供給できる。
【００４０】
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、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％以下となるようにすることが好ましく、１％以下となるようにすることがより好ましく、０．３％以下となるようにすることが更に好ましい。
【００４１】
追い焚きバーナ４０により再加熱されて温度が上昇した排ガスは、下方に向かって流れ排ガス導入口２１１から排ガス導入室２１に導入される。追い焚きバーナ４０において再加熱され温度が上昇した排ガス（主として排気ダクト３０の中央部を流通する排ガス）と、エアレジスタ４３の外側を流通し、追い焚きバーナ４０により再加熱されていない温度の低い排ガス（主として排気ダクト３０の外側を流通する排ガス）とは、排ガス導入室２１から略水平方向に流れの向きが変更され、熱交換室２２に流入する過程で混合して温度が平均化される。これにより、熱交換室２２において、好適に熱交換を行わせられる。
【００４２】
熱交換室２２において、複数の水管２２１及び給水加熱管２２３と熱交換を行い温度が低下した排ガスは、排ガス導出室２３に導入された後、排ガス導出口２３１、排気筒２４を通って外部に排出される。
【００４３】
次に、本発明のガスエンジンコージェネレーション装置の第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装置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。
【００４４】
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。
【００４５】
第２実施形態のコージェネレーション装置１Ａによれば、第１実施形態と同様の効果を奏する他、以下のような効果を奏する。
コージェネレーション装置１Ａを、バイパスダクト７０及びダンパ８０を含んで構成した。これにより、排ガスボイラ２０による蒸気の生成が必要ない場合には、ダンパ８０を第２状態とすることにより、排ガスボイラ２０に排ガスを導入することなく外部に排出できる。よって、コージェネレーション装置１Ａが電気及び蒸気を供給する負荷設備における要求負荷に応じてより柔軟にコージェネレーション装置１Ａを稼動させられる。
【００４６】
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、上述した実施形態では、保炎筒４２に形成した複数の貫通孔４２１の大きさを、基端側から先端側に向かって徐々に大きくしたが、これに限らない。即ち、複数の貫通孔の大きさは同じとしつつ、単位面積あたりに形成する貫通孔の数を、基端側から先端側に向かって多くしてもよい。
【００４７】
また、上述した実施形態では、排ガス導入室２１、熱交換室２２及び排ガス導出室２３を水平方向に並べて配置したが、これに限らない。即ち、排ガス導出室を鉛直方向に沿うように配置してもよく、また、熱交換室の一部（給水予熱部）及び排ガス導出室を鉛直方向に沿うように配置してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１，１Ａ  ガスエンジンコージェネレーション装置
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
４１  ノズル
４２  保炎筒（内筒部）
４３  エアレジスタ（外筒部）
５０  燃料供給装置
４２１  貫通孔
【図１】
2014206095.tif 000003
【図２】
2014206095.tif 000004
【図３】
2014206095.tif 000005
【図４】
2014206095.tif 000006