(57)【要約】【課題】燃焼機関に大きな改造や調整を行なうことなく、低カロリーガス燃料を用いて運転可能とする。【解決手段】制御装置２６は、設定値に基づいて各ガスの混合率を算出し、センサ１６〜２０からの情報に従って制御弁２１〜２４の開閉を制御し、各ガスの流量を調節する。これにより、ガスエンジン／ガスタービン３０に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やＬＰＧ、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価（アンチノック性）の調整を行なう。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り込んだ空気と燃料ガスとを混合し、燃焼室で燃焼させる燃焼機関に燃料ガスを供給する燃料供給装置において、
バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する混合手段を具備することを特徴とする燃料供給装置。
【請求項２】
前記燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との混合率を制御する混合率制御手段を具備することを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
【請求項３】
前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との供給流量を補正する流量補正手段と
を具備することを特徴とすることを特徴とする請求項２記載の燃料供給装置。
【請求項４】
前記低カロリーガス燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力未満である場合、主として前記高カロリーガス燃料を燃料ガスとして用いる高カロリーガス運転モードとし、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力以上である場合、前記低カロリーガス燃料を主として燃料ガスとして用いる低カロリーガス運転モードとする運転モード切換手段と
を具備することを特徴とすることを特徴とする請求項２記載の燃料供給装置。
【請求項５】
前記低カロリーガス燃料が安定供給されない場合、前記高カロリーガス燃料を希釈するための圧縮空気の流量を制御する希釈量制御手段を具備することを特徴とする請求項２記載の燃料供給装置。
【請求項６】
前記燃料ガスの燃焼速度を調整すべく、前記燃料ガスに添加するための燃焼速度調整用ガスの添加量を制御する燃焼速度制御手段を具備することを特徴とする請求項５記載の燃料供給装置。
【請求項７】
前記燃料ガスのメタン価を調整すべく、前記燃料ガスに添加するためのメタン価調整用ガスの添加量を制御するメタン価制御手段を具備することを特徴とする請求項６記載の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、都市ガスやＬＰＧなどの気体を燃料とするガスエンジン、ガスタービン発電装置に対する燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスエンジン、ガスタービン発電装置（ＣＧＳ：Ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍを含む）は、一般に、高い発熱量を有する都市ガスやＬＰＧなどの気体を燃料としている。該ガスエンジン、ガスタービンでは、取り込んだ空気とＬＰＧなどの燃料とを混合し、燃焼室で燃焼させ、燃焼ガスでタービンを高速回転させるようになっている。
【０００３】
また、近年、ＲＰＳ（再生可能エネルギ証書）制度の制定により、バイオマス等の未利用エネルギ（低カロリーガス）の有効利用が注目されている。また、ガス燃料価格の高止まりにより、エネルギを有効利用するＣＧＳの導入が進んでいない。また、導入済みＣＧＳの収支も悪化している。そこで、低カロリーガス燃料を用いたガスタービンなどの発電装置が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１５５６４号公報
【特許文献２】
特開２００２−４８８８号公報
【特許文献３】
特開２００１−５５９３２号公報
【特許文献４】
特開２０００−３１４３２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、ガスエンジン、ガスタービンに対して、低カロリーガス燃料を用いることを前提にバイオガス専用の調整を行なっているため、ガスエンジン、ガスタービン本体に改造や調整が必要になり、簡単に対応することが難しい。
【０００６】
そこで、都市ガスやＬＰＧなどの高カロリーガス燃料を用いる既存のガスエンジン、ガスタービン（ＣＧＳを含む）を、バイオガスなどの低カロリーガス燃料を用いて運転することが考えられる。しかしながら、バイオガスなどの低カロリーガスを燃料として既存のガスエンジン、ガスタービンを運転する場合、燃料の熱量および供給量が不安定なため運転が安定しないという問題がある。
また、バイオガスを燃料とした場合、熱量が低いために着火が不安定になるという問題がある。このように、既存のガスエンジン、ガスタービンを、バイオガスなどの低カロリーガス燃料に簡単に対応させることはできないという問題がある。
【０００７】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、高カロリーガス燃料を燃料とする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができる燃料供給装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した問題点を解決するために、請求項１記載の発明では、取り込んだ空気と燃料ガスとを混合し、燃焼室で燃焼させる燃焼機関に燃料ガスを供給する燃料供給装置において、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する混合手段を具備することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との混合率を制御する混合率制御手段を具備することを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３記載の発明では、請求項２記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記低カロリーガス燃料と前記高カロリーガス燃料との供給流量を補正する流量補正手段とを具備することを特徴とすることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載の発明では、請求項２記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料の圧力を検出する圧力検出手段と、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力未満である場合、主として前記高カロリーガス燃料を燃料ガスとして用いる高カロリーガス運転モードとし、前記圧力検出手段により検出された圧力が最低使用圧力以上である場合、前記低カロリーガス燃料を主として燃料ガスとして用いる低カロリーガス運転モードとする運転モード切換手段とを具備することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５記載の発明では、請求項２記載の燃料供給装置において、前記低カロリーガス燃料が安定供給されない場合、前記高カロリーガス燃料を希釈するための圧縮空気の流量を制御する希釈量制御手段を具備することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスの燃焼速度を調整すべく、前記燃料ガスに添加するための燃焼速度調整用ガスの添加量を制御する燃焼速度制御手段を具備することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７記載の発明では、請求項６記載の燃料供給装置において、前記燃料ガスのメタン価を調整すべく、前記燃料ガスに添加するためのメタン価調整用ガスの添加量を制御するメタン価制御手段を具備することを特徴とする。
【００１５】
この発明では、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給する。したがって、都市ガスやＬＰＧなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて運転することが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。図１において、低カロリーガス燃料供給系１は、低カロリーガスとして、メタンなどのバイオガスを燃料供給装置１０に供給する。高カロリーガス燃料供給系２は、都市ガス（１３Ａ）やＬＰＧなどの高カロリーガス燃料を燃料供給装置１０に供給する。メタン価調整用ガス（供給系）３は、ガスエンジンのバイオガスによる運転において生じる異常燃焼（ノッキング）を防止するため、すなわち供給燃料のメタン価を調整するために、供給燃料に添加される二酸化炭素やＬＰＧなどである。燃焼速度調整用ガス（供給系）４は、供給燃料の燃焼速度を調整するために、供給燃料に添加される圧縮水素やＬＰＧ、ブタンガスなどである。高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系５は、低カロリーガス燃料であるバイオガスの圧力が最低使用圧力を下回る場合に、供給熱量を調整すべく、上記高カロリーガス燃料を希釈するための空気を燃料供給装置１０に供給する。
【００１７】
燃料供給装置１０は、バルブ１１，１２，１３，１４，１５、各種センサ（温度センサ、圧力センサ、流量センサ）１６，１７，１８，１９，２０、制御弁２１，２２，２３，２４、アキュムレータ２５および制御装置２６からなる。
【００１８】
バルブ１１は、制御装置２６の制御に従って、低カロリーガス燃料供給系１からのバイオガスの圧力、流量を調節する。バルブ１２は、制御装置２６の制御に従って、高カロリーガス燃料供給系２からの高カロリーガス燃料（都市ガス，ＬＰＧ等）の圧力、流量を調節する。バルブ１３は、制御装置２６の制御に従って、メタン価調整用ガス供給系３からのメタン価調整用ガス（二酸化炭素，ＬＰＧ，ブタンガス等）の圧力、流量を調節する。バルブ１４は、制御装置２６の制御に従って、燃料速度調整用ガス供給系４からの燃焼速度調整用ガス（水素等）の圧力、流量を調節する。バルブ１５は、制御装置２６の制御に従って、高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系５からの空気の流量を調節する。
【００１９】
センサ１６は、バルブ１１を介して供給されるバイオガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置２６に供給する。センサ１７は、バルブ１２を介して供給される高カロリーガス燃料の温度、圧力および流量を検知し、制御装置２６に供給する。センサ１８は、バルブ１３を介して供給されるメタン価調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置２６に供給する。センサ１９は、バルブ１４を介して供給される燃焼速度調整用ガスの温度、圧力および流量を検知し、制御装置２６に供給する。センサ２０は、バルブ１５を介して供給される空気の温度、圧力および流量を検知し、制御装置２６に供給する。
【００２０】
制御弁２１は、制御装置２６の制御に従って、バルブ１３、センサ１８を介して供給されるメタン価調整用ガスとバルブ１４、センサ１９を介して供給される燃焼速度調整用ガスとの混合量を調節する。制御弁２２は、制御装置２６の制御に従って、バルブ１５、センサ２０を介して供給される空気に対する、上記制御弁２１からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガスの混合量を調節する。制御弁２３は、制御装置２６の制御に従って、上記制御弁２２からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気混合ガスに対する、バルブ１２、センサ１７を介して供給される高カロリーガス燃料の混合量を調節する。制御弁２４は、制御装置２６の制御に従って、バルブ１１、センサ１６を介して供給されるバイオガスに対する、上記制御弁２３からのメタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの混合量を調節する。制御弁（最終バルブ）は、制御装置２６の制御に従って、アキュームレータ２５から供給されるバイオガス・メタン価調整用ガス・燃焼速度調整用ガス・空気・高カロリーガス混合ガスの燃焼機関（ガスエンジン／ガスタービン）への供給量を調整する。
【００２１】
アキュムレータ２５は、最終的にガスエンジン／ガスタービン３０に供給される燃料ガス（混合ガス）の流量調整に伴う圧力変化を緩衝するためのものである。制御装置２６は、上述したセンサ（温度センサ、圧力センサ、流量センサ）１６〜２０からの各ガスの温度、圧力、流量に従って、バルブ１１〜１５を制御し、ガスエンジン／ガスタービン３０への燃料ガスの混合比を調節する。該制御装置２６には、設定項目として、目標供給熱量、低カロリーガス燃料熱量、高カロリーガス燃料熱量、低カロリーガス燃料最低使用圧力、燃焼速度およびメタン価が設定される。但し、燃料ガス供給先がガスエンジンであるか、ガスタービンであるかによって設定項目は変わる。
【００２２】
すなわち、制御装置２６は、燃料ガスの熱量を安定化するため、都市ガス１３Ａ、ＬＰＧ等の高カロリーガス燃料をバイオガス等の低カロリーガス燃料に混合してガスエンジン／ガスタービン３０に供給する。このとき、ガスエンジン／ガスタービン３０の運転安定化のため、バイオガスの供給量が不足した場合には高カロリーガス燃料を自動的に供給する。また、ガスエンジンの異常燃焼（ノッキング）を防止するため、燃焼速度とメタン価とを調整する。本実施形態では、簡易にバイオガス燃料に対応するため、燃料供給装置をユニット化し燃料供給系に設置するだけで、ガスエンジン／ガスタービン３０を全く調整する必要がない。
【００２３】
次に、図２は、一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。図において、ガスとしては、水素、窒素、二酸化炭素、酸素、空気、メタン、エタン、プロパン、ブタン、都市ガス１３Ａおよびバイオガスの各種特性を示している。
【００２４】
次に、図３は、本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成例を示す図である。図において、バイオガスは、メタン「６０．０ｖｏｌ％」、窒素「３５．０ｖｏｌ％」、二酸化炭素「５．０ｖｏｌ％」からなっていることが分かる。
なお、バイオガスの組成は一例であって、発生源（下水、水質等）や発生状態によって異なる。すなわち、上記バイオガス組成はその概略を示すものである。
次に、空気は、酸素「２１．０ｖｏｌ％」、窒素「７８．８ｖｏｌ％」からなり、高カロリーガスである都市ガス１３Ａは、メタン「８８．５ｖｏｌ％」、エタン「４．６ｖｏｌ％」、プロパン「５．４ｖｏｌ％」、ブタン「１．５ｖｏｌ％」からなっている。
【００２５】
次に、図４は、混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。図示するように、バイオガス「４５％」、都市ガス１３Ａ「５５％」の混合ガスで、７９４２ｋｃａｌ／Ｎｍ３、都市ガス１３Ａ「７９％」、空気「２１％」の混合ガスで、７８５３７９４２ｋｃａｌ／Ｎｍ３、バイオガス「４５％」、都市ガス１３Ａ「３５％」、プロパン「８％」、水素「６％」、空気「６％」の混合ガスで、７８９０ｋｃａｌ／Ｎｍ３、プロパン「３５％」、水素「５％」、空気「６０％」の混合ガスで、７９２３ｋｃａｌ／Ｎｍ３となっている。
【００２６】
このように、ガスエンジン／ガスタービン３０で必要とされる目標熱量を決めることにより、上述した図２ないし図５に示すテーブルから低カロリーガス燃料と、高カロリーガス燃料（希釈用の圧縮空気を含む）との流量、混合率を算出することができる。
【００２７】
次に、図５は、混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。混合ガスの燃焼速度は、図６に示す燃焼速度計算用係数と混合ガスの組成（混合率）とを用いて算出することができる。言い換えると、バイオガスと高カロリーガスとを混合率から算出した燃焼速度が設定した燃焼速度に達しない場合には、燃焼速度調整用ガス（圧縮水素等）４の添加量を調整する。また、図８には、都市ガス１３Ａ、バイオガスおよび混合ガスの最大燃焼速度ＳＭの一例を示した。
【００２８】
実施形態の動作
次に、上述した実施形態の動作について説明する。まず、制御装置２６に目標とする供給熱量（例えば６５００ｋｃａｌ）、低カロリーガス燃料のＣＨ４濃度（例えば６０％）、高カロリーガス燃料熱量（例えば９９４０ｋｃａｌ）を設定する。制御装置２６は、センサ１６〜２０からの情報と設定値とから各ガスの混合率を算出し、制御弁２１〜２４の開閉を制御し、各ガスの圧力、流量を調節する。これにより、ガスエンジン／ガスタービン３０に供給する気体燃料の熱量を制御する。例えば、低カロリーガス燃料の圧力が最低使用圧力を下回る場合には、希釈用圧縮空気を利用して供給熱量を制御する。また、必要に応じて、二酸化炭素、圧縮水素やＬＰＧ、ブタンを添加し燃焼速度やメタン価（アンチノック性）の調整を行なう。
【００２９】
次に、図８および図９に示すフローチャートを参照して詳細に説明する。燃料供給装置１０に電源が投入されると、まず、供給準備信号があるかないかを判断し（Ｓ１０）、供給準備信号がなければ、スタンバイ状態で待機する（Ｓ１２）。一方、供給準備信号があれば、確認設定項目を確認する（Ｓ１４）。確認設定項目としては、目標供給熱量、熱量設定裕差、低カロリーガス熱量、低カロリーガス最低使用圧力、高カロリーガス熱量、高カロリーガス最低使用圧力、目標燃焼速度、燃焼速度設定裕度、目標メタン価、メタン価設定裕度および優先制御設定（後述）がある。
【００３０】
次に、各種ガスのバルブ１１〜１５を開いて確認する（Ｓ１６）。次に、燃焼速度調整用ガス（圧縮水素等）４の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する（Ｓ１８）。そして、燃焼速度調整用ガス４の圧力が最低使用圧力以上であれば、メタン価調整用ガス（二酸化炭素、ＬＰＧ，ブタンガス等）３の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する（Ｓ２０）。
【００３１】
そして、燃焼速度調整用ガス４の圧力が最低使用圧力未満であれば、燃焼速度が調整不可であるとし、メタン価調整用ガス３の圧力が最低使用圧力未満であれば、メタン価が調整不可であるとし（Ｓ２２）、次へ進む。一方、燃焼速度調整用ガス４の圧力およびメタン価調整用ガス３の圧力の双方が最低使用圧力以上であれば、何もせずに、次へ進む。
【００３２】
次に、低カロリーガス（バイオガス）１の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する（Ｓ２４）。そして、低カロリーガス１の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガス運転モードとし（Ｓ２６）、低カロリーガス１の圧力が最低使用圧力以上である場合には、低カロリーガス運転モードとする（Ｓ２８）。
【００３３】
次に、高カロリーガス（都市ガス，ＬＰＧ）２の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する（Ｓ３０）。そして、高カロリーガス２の圧力が最低使用圧力未満である場合には、供給不可とし（Ｓ３２）、全てのバルブ１１〜１５を閉じ（Ｓ３４）、上述したステップＳ１０へ戻り、処理を継続する。
【００３４】
一方、高カロリーガス２の圧力が最低使用圧力以上である場合には、希釈用圧縮空気５の圧力が最低使用圧力未満であるか、最低使用圧力以上であるかを判断する（Ｓ３６）。そして、希釈用圧縮空気５の圧力が最低使用圧力未満である場合には、高カロリーガスの場合と同様に、供給不可とし（Ｓ３２）、全てのバルブ１１〜１５を閉じ（Ｓ３４）、上述したステップＳ１０へ戻り、処理を継続する。
【００３５】
一方、高カロリーガス２および希釈用圧縮空気５の双方とも、最低使用圧力以上である場合には、優先制御モードを確認し（Ｓ３８）、各系統のセンサ１６〜２０により温度を検出し、該温度に従って各系統の流量を補正する（Ｓ４０）。
【００３６】
なお、優先モードは、低カロリーガス運転、高カロリーガス運転の各々に対して、熱量−燃焼速度−メタン価、燃料−メタン価−燃焼速度、燃焼速度−熱量−メタン価、燃焼速度−メタン価−熱量、メタン価−熱量−燃焼速度、メタン価−燃焼速度−熱量といったように、いずれの設定値を優先して運転するかが選択可能になっており、優先順位に従って、各裕度内で調整を行なうようになっている。
【００３７】
次に、各制御弁２１〜２４の制御値を算出し（Ｓ４２）、該制御値が設定裕度内であるか否かを判断する（Ｓ４４）。また、該制御値が設定裕度外である場合には、設定逸脱時の供給が許可されているか否かを判断する（Ｓ４６）。そして、該制御値が設定裕度外で、かつ設定逸脱時の供給が許可されていない場合には、最終バルブを閉じて（Ｓ４８）、上述したステップＳ１０に戻り、処理を継続する。
【００３８】
一方、各制御弁２１〜２４の制御値が設定裕度内であるか、あるいは制御値が設定裕度外であっても、設定逸脱時の供給が許可されている場合には、ガス要求信号があるか否かを判断する（Ｓ５０）。そして、ガス要求信号がなければ、最終バルブを閉じて（Ｓ４８）、上述したステップＳ１０に戻る。これに対して、ガス要求信号があれば、最終バルブを開き、ガスエンジン／ガスタービン３０へ燃料ガスの供給を開始（または継続）し（Ｓ６０）、各系統のセンサ１６〜２０により圧力、および流量を検出し（Ｓ６２）、上述したステップＳ２４へ戻り、処理を継続する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料ガスの単位体積当たりの熱量を制御すべく、低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料との混合率を制御しつつ、バイオガスを含む低カロリーガス燃料と高カロリーガス燃料とを混合して前記燃料ガスとして前記燃焼機関に供給するようにしたので、都市ガスやＬＰＧなどの高カロリーガス燃料を燃料ガスとする発電装置に大きな改造や調整を行なうことなく、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いて容易に運転することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による燃料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図２】一般的なガスの発熱量などの特性を示す図である。
【図３】本実施形態で燃料ガスとして用いる混合ガスのガス組成を示す図である。
【図４】混合ガスの混合比の違いによる熱量例を示す図である。
【図５】混合ガスの燃焼速度を算出するための算出式である。
【図６】燃焼速度を算出する際に用いる燃焼速度計算用係数を示す図である。
【図７】都市ガス１３Ａ、バイオガスおよび混合ガス（一例）の最大燃焼速度ＳＭの一例を示す図である。
【図８】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図９】本実施形態による燃料供給装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１  低カロリーガス燃料供給系
２  高カロリーガス燃料供給系
３  メタン価調整用ガス
４  燃焼速度調整用ガス
５  高カロリーガス燃料希釈用圧縮空気供給系
１０  燃料供給装置
１１〜１５  制御弁（混合手段）
１６〜２０  センサ（温度検出手段、圧力検出手段、流量検出手段）
２１〜２４  制御弁（混合手段）
２５  アキュムレータ
２６  制御装置（混合率制御手段、流量補正手段、希釈量制御手段、燃焼速度制御手段、メタン価制御手段）
３０  ガスエンジン／ガスタービン（燃焼機関）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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