(57)【要約】【課題】内燃機関の起動直後における排気ガスタービン過給機の補助を可能な小型の補助機構を提供する。【解決手段】停電の発生時に稼働する、内燃機関１と発電機とを備えた発電設備において、内燃機関１に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機４の回転を補助する補助機構であって、排気ガスタービン過給機４のタービン５及びコンプレッサ６の回転軸７に連結されたエアモータ１１と、エアモータ１１に圧縮ガスを供給する供給源としての圧縮ガスタンク３とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関と発電機とを備えた発電設備において、前記内燃機関に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機の回転を補助する補助機構であって、
前記排気ガスタービン過給機のタービン及びコンプレッサの回転軸に連結されたエアモータと、
前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給源とを備えていることを特徴とする補助機構。
【請求項２】
前記供給源から前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給経路を備え、
前記供給経路は圧力調整弁を備えていることを特徴とする請求項１に記載の補助機構。
【請求項３】
前記内燃機関を起動するためのエアスタータを備え、前記供給源は前記エアスタータにも圧縮ガスを供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の補助機構。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の補助機構を備えたことを特徴とする発電設備。
【請求項５】
停電の発生時に稼働することを特徴とする請求項４に記載の発電設備。
【請求項６】
請求項１から３のいずれか一項に記載の補助機構の制御方法であって、
停電が発生して内燃機関が起動すると圧力調整弁を開いてエアモータを回転させ、
前記エアモータが定常回転数に到達すると電力負荷が投入され、
所定時間が経過すると前記圧力調整弁を徐々に閉じて前記エアモータを停止することを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関と発電機とを備えた発電設備において、前記内燃機関に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機の回転を補助する補助機構、補助機構を備えた発電設備及び補助機構の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
オフィスビル、工場、病院等の施設には、停電が発生したとしても施設の運用を持続可能とするために、独自の発電設備が備えられている。
【０００３】
このような発電設備は、ガスエンジン等の内燃機関と発電機とを備え、停電が発生すると内燃機関を稼働させ、その稼働力により発電機に発電をさせるように構成されている。内燃機関に排気ガスタービン過給機が備えられ省エネ化が図られ、内燃機関の排熱を利用して施設において利用するための温水や蒸気を得るコジェネレーション化が図られている。
【０００４】
例えば、特許文献１のように、排気ガスタービン過給機は、タービンとコンプレッサとを同軸上に備え、内燃機関の排気ガスのエネルギー（動圧、静圧及び熱エネルギー）を利用してタービンを回転させ、その回転力によりコンプレッサを稼働することによって内燃機関への給気ガスの密度を高めて、より多くの酸素を燃焼室に送り、より高い燃焼エネルギーを得る構成が開示されている。なお、コンプレッサと内燃機関の給気口までの間にはインタークーラ、スロットルバルブ等が適宜設けられている。
【０００５】
しかし、このような内燃機関は、排気ガスタービン過給機によって内燃機関への給気ガスの密度を高めて所定の出力を得ているため、内燃機関の起動直後のような排気ガス量が少ない低負荷領域においては、排気ガスタービン過給機が十分に機能せず、回転数の変動や、過渡な負荷投入による内燃機関の異常停止が発生する虞があった。
【０００６】
そこで、排気ガスタービン過給機に電動機を備え、内燃機関の起動直後においては、電動機によってタービン（及びコンプレッサ）の回転を補助して排気ガス量が少ない低負荷領域における給気ガスの密度を高めることにより、内燃機関の起動直後における挙動を安定させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２５７５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、タービンの回転を補助するための電動機は、電動機自体が大きく、別に蓄電池や電気配線が必要なことから発電設備が大型化してしまう。また、発電設備で発電された電力を、電動機の駆動のために使用すると、コジェネレーションシステム全体としての実質的な発電効率が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の起動直後における排気ガスタービン過給機の補助を可能な小型の補助機構、補助機構を備えた発電設備及び補助機構の制御方法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】
上述の目的を達成するための、本発明に係る補助機構の特徴構成は、内燃機関と発電機とを備えた発電設備において、前記内燃機関に圧縮ガスを供給する排気ガスタービン過給機の回転を補助する補助機構であって、前記排気ガスタービン過給機のタービン及びコンプレッサの回転軸に連結されたエアモータと、前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給源とを備えている点にある。
【００１１】
上述の構成によると、エアモータ及びエアモータを稼働させる設備は、電動機及び電動機を稼働させる設備に比べて小型に構成することができる。また、エアモータは電動機のように補機動力が必要ない。
【００１２】
本発明においては、前記供給源から前記エアモータに圧縮ガスを供給する供給経路を備え、前記供給経路は圧力調整弁を備えていると好適である。
【００１３】
圧力調整弁によりエアモータに供給される圧縮ガスの流量を調整することにより、エアモータの回転数が調整でき、したがって排気ガスタービン過給機の補助力を制御することができる。内燃機関の起動直後には、エアモータによる排気ガスタービン過給機に対する補助力を強め、内燃機関が定常運転するにつれてエアモータによる排気ガスタービン過給機に対する補助力を弱めることにより、内燃機関の起動直後から定常運転までの運転状態を安定させることができ、結果として停電が発生したあと、早期に安定した発電が可能となる。
【００１４】
本発明においては、前記内燃機関を起動するためのエアスタータを備え、前記供給源は前記エアスタータにも圧縮ガスを供給すると好適である。
【００１５】
エアモータを稼働させるために備えられた圧縮ガスの供給源が有する圧縮ガスを、内燃機関の起動のためのエアスタータの稼働に利用することにより、発電設備全体の大型化を防止することができる。
【００１６】
上述の目的を達成するための、本発明に係る発電設備の特徴構成は、上述したいずれか一つの特徴構成を有する補助機構を備えた点にある。
【００１７】
発電設備において、内燃機関の起動直後における排気ガスタービン過給機の補助が可能となる。
【００１８】
本発明においては、停電の発生時に稼働すると好適である。
【００１９】
施設にこの発電設備を備えることにより、停電が発生したとしても施設の運用が持続可能となる。
【００２０】
上述の目的を達成するための、本発明に係る制御方法の特徴構成は、上述したいずれか一つの特徴構成を有する補助機構の制御方法であって、停電が発生して内燃機関が起動すると圧力調整弁を開いてエアモータを回転させ、前記エアモータが定常回転数に到達すると電力負荷が投入され、所定時間が経過すると前記圧力調整弁を徐々に閉じて前記エアモータを停止する点にある。
【００２１】
上述の構成によると、停電が発生したあと、早期に安定した電力の供給が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】補助機構を備えた発電設備の要部説明図である。
【図２】補助機構による排気ガスタービン過給機の回転の補助を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る補助機構の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１には、オフィスビル、工場、病院等の施設に備えられた発電設備の要部が示されている。発電設備は、停電が発生したとしても施設の運用を持続可能とするための設備であり、非常用の発電機（図示せず）と、発電機を稼動するための内燃機関１を備えている。
【００２５】
前記発電機は、内燃機関１の出力軸から出力される機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する機械であり、停電が発生したときに、施設に電気を供給してその運用を持続させるために備えられている。なお、発電機の具体的構成は公知であるため説明を省略する。
【００２６】
内燃機関１は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する機関であり、本実施形態においてガスエンジンである。なお、内燃機関１はディーゼルエンジンであってもよい。
【００２７】
内燃機関１は、燃料ガスと空気を混合した混合気をシリンダ内で燃焼させ、そのときに発生する圧力によってピストンをシリンダ内において往復運動させ、これをクランクによって回転運動に変換して、出力軸から出力するように構成されている。
【００２８】
当該発電設備は、さらに、内燃機関１を起動させるためのエアスタータ２と、エアスタータ２に圧縮ガスを供給する供給源としての圧縮ガスタンク３が備えられている。なお、圧縮ガスとは、エアスタータ２や後述するエアモータ１１を稼働し得る圧力を有するガスであり、ガスとしては空気や、窒素等の不活性ガスが好ましく例示できる。
【００２９】
エアスタータ２は、内燃機関１の起動時に停止状態のクランクを回転させるための装置であり、圧縮ガスタンク３から供給される圧縮ガスにより稼働するエアモータ等により構成されている。
【００３０】
内燃機関１の給排気管には、排気ガスタービン過給機４が備えられている。
【００３１】
排気ガスタービン過給機４は、内燃機関１の排気ガスのエネルギーによって回転するタービン５と、タービン５の回転を利用して給気ガスを圧縮するコンプレッサ６と、タービン５とコンプレッサ６とを接続するシャフト７を備えている。
【００３２】
コンプレッサ６から内燃機関１に至る給気管８にはインタークーラ９とスロットルバルブ１０が備えられている。
【００３３】
シャフト７にはエアモータ１１の出力軸１２が接続されている。エアモータ１１は、圧縮ガスタンク３の圧縮ガスを動力源として稼働する装置であり、エアモータ１１の回転により、排気ガスタービン過給機４のタービン５及びコンプレッサ６の回転が補助される。
【００３４】
圧縮ガスタンク３からエアモータ１１に圧縮ガスを供給する供給経路１３には圧力調整弁１４が備えられている。圧力調整弁１４によりエアモータ１１に供給される圧縮ガスの流量を調整することにより、エアモータ１１の回転数が調整できる。したがって、エアモータ１１による排気ガスタービン過給機４の補助力を制御することができる。
【００３５】
なお、内燃機関１の回転数を計測する回転数計測機構と、これと圧力調整弁１４を連動させる連動機構を備えていてもよい。当該連動機構は、回転数計測機構が計測した内燃機関１の回転数が目標回転数を下回ると圧力調整弁１４の開度を増加し、内燃機関１の回転数が目標回転数を超えると圧力調整弁１４の開度を減少させる。
【００３６】
内燃機関１の起動直後には、エアモータ１１による排気ガスタービン過給機４に対する補助力を強め、内燃機関１が定常運転するにつれてエアモータ１１による排気ガスタービン過給機４に対する補助力を弱めることにより、内燃機関１の起動直後から定常運転までの運転状態を安定させることができ、結果として停電が発生したあと、早期に安定した発電が可能となる。
【００３７】
エアモータ１１及び圧縮ガスタンク３は、従来のように排気ガスタービン過給機４の回転を補助するための電動機及び電動機を稼働させる設備を備える構成に比べて、小型に構成することができる。また、エアモータ１１は電動機のように補機動力が必要ない。
【００３８】
本実施形態において発電設備は、エアモータ１１を稼働させるために備えられた圧縮ガスの圧縮ガスタンク３が有する圧縮ガスを、内燃機関１の起動のためのエアスタータ２の回転に利用することにより、発電設備全体の大型化を防止することができる。
【００３９】
次に、上述のように構成された発電設備が備えるエアモータ１１の制御方法について説明する。
【００４０】
図２に示すように、施設に停電が発生すると、発電設備は圧縮ガスタンク３からエアスタータ２に圧縮ガスを供給し、エアスタータ２を回転させ、スロットルバルブ１０を開き、内燃機関１に混合気を導入し、点火プラグにより点火して内燃機関１を起動する。なお、内燃機関１の起動時におけるスロットルバルブ１０の開度は１００％である。
【００４１】
そして、内燃機関１の起動とともに、圧力調整弁１４を徐々に開いてエアモータ１１を起動させる。エアモータ１１の起動により、無負荷状態にある内燃機関１にとっては、空気が供給過剰となるため、これを回避するためにスロットルバルブ１０の開度が減少される。
【００４２】
内燃機関１からの排気ガスとともに、エアモータ１１からの稼働力により、排気ガスタービン過給機４のタービン５及びコンプレッサ６が回転させられる。
【００４３】
圧力調整弁１４の制御によりエアモータ１１が定常回転数となり、したがって、タービン５及びコンプレッサ６の回転速度が定常回転数となり、それにつれて内燃機関１が定常運転となる。
【００４４】
すると前記発電機による発電が可能となるため電力負荷が投入される。電力負荷の投入により内燃機関１の回転数は瞬間的に低下するため、スロットルバルブ１０は、再び開度が１００％程度にまで開かれる。なお、スロットルバルブ１０は、電力負荷の投入直後に、例えば所定時間に亘って徐々に開度を増加させる態様で開かれるように制御される。これにより、内燃機関１の回転数は定常回転数に復帰する。その復帰までの所定時間の経過を待って、スロットルバルブ１０及び圧力調整弁１４を徐々に閉じ始め、エアモータ１１が停止させられたあと、最終的に、スロットルバルブ１０は開度が３０％程度に維持される。なお、スロットルバルブ１０及び圧力調整弁１４は、電力負荷の投入後、例えば所定時間に亘って徐々に開度を減少させる態様で閉じるように制御される。
【００４５】
以上のようにして、停電が発生したあと、当該発電設備により早期に安定した電力の供給が可能である。
【００４６】
上述した実施形態においては、排気ガスタービン過給機４が１段である場合について説明したが、同じ構成の排気ガスタービン過給機４を２段直列に備える構成であってもよい。この場合、２段の排気ガスタービン過給機４のそれぞれに共通の圧縮ガスタンク３から分岐供給される圧縮ガスにより稼動するエアモータ１１が備えられる。
【００４７】
上述した実施形態においては、内燃機関１の起動にエアスタータ２を用いる構成について説明したが、エアスタータ２に代えてセルモータを用いてもよい。この場合、発電設備は、セルモータを稼働するための蓄電池等を別に備える。
【００４８】
なお、上述した実施形態は、いずれも本発明の一例であり、該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲で適宜変更設計可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明に係る補助機構は、オフィスビル、工場、病院等の施設等の、停電により施設の運用が停止する状態の発生が好ましくない施設に備えられた発電設備に好ましく用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１        ：内燃機関
２        ：エアスタータ
３        ：圧縮ガスタンク（供給源）
４        ：排気ガスタービン過給機
５        ：タービン
６        ：コンプレッサ
１１      ：エアモータ
１３      ：供給経路
１４      ：圧力調整弁
【図１】
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【図２】
2017180169.tif 000004