(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料を、当該燃料を使用する機器へ供給するための燃料供給装置において、燃料を使用する機器への燃料供給系にエジェクタを介装し、該エジェクタの駆動流側には前記組成の変動を生じる燃料の供給ラインが連通し、該エジェクタの２次側には組成変動を生じず且つ発熱量が既知の燃料の供給ラインが連通していることを特徴とする燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じ得る様な燃料（特に気体燃料）を、当該燃料を使用する機器（例えば燃焼器）へ供給するための燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バイオガス等のように燃料組成が変化する燃料ガスを、例えば燃焼器の燃料として使用した場合、燃料組成が変化して燃料の発熱量が低下した場合には、燃焼が不安定となり、定格出力が得られない等の問題が発生する。
一方、燃料組成が変化して燃料の発熱量が上昇した場合には、燃焼器が破損する等の問題が生じる。
【０００３】
係る不都合に対処して、上述した組成変動に対して燃焼器への投入熱量を一定にするために、従来技術では、例えば図４で示す様な構成を具備している。
図４においては、上流側から順に分析計６と、流量制御弁Ｖと、流量計８とを介装した燃料供給ラインＦＬを有する燃料供給装置において、前記分析計６で分析した燃料成分データと、流量計８で計測した燃料流量データと、負荷信号伝達ラインを介して伝達される負荷データに基づいて、制御装置１０が、前記流量制御弁Ｖによって、燃料流量を制御することが行われている。
尚、図４中、符号ＳＬ１、ＳＬ２は入力信号ラインを示し、ＳＬ５は出力信号ラインを示し、ＳＬＬは負荷信号伝達ラインを示す。
【０００４】
しかし、上述の方法は分析計が必要となり、設備コストが増大すると共に、システムが大型化、複雑化するという問題を含んでいる。
【０００５】
その他の従来技術として、例えば図５で示す様に、前述の図４に対して、新たに組成が略々一定で発熱量が既知の燃料（例えば都市ガス）の供給ラインＦＨＬ及びミキサ３を加え、前述（図４）の燃料組成が変化する燃料ガスの供給ラインＦＬＬ（図４では燃料供給ラインＦＬの一部）と前記発熱量が既知の燃料（例えば都市ガス）の供給ラインＦＨＬを前記ミキサ３において混合させる燃料供給方法がある。
【０００６】
図５で示す燃料供給方法は、前記発熱量が既知の燃料（例えば都市ガス）の供給ラインＦＨＬに上流から順に流量制御弁ＶＨと流量計８０を介装しており、燃料組成が変化する燃料ガスの燃料組成を分析し、制御装置１０によって発熱量を演算し、当該発熱量に対応して供給ラインＦＬＬ及び供給ラインＦＨＬの流量を制御出来るように構成されている。
尚、図５中、符号ＳＬ１〜ＳＬ３は入力信号ラインを示し、ＳＬ５、ＳＬ６は出力信号ラインを示し、ＳＬＬは負荷信号伝達ラインを示している。
【０００７】
しかし、図５で示す従来技術においても、図４の従来技術と同様に、分析計等の付加設備が必要となり、設備コストが増大するとともにシステムが大型化、複雑化するという問題を含んでいる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じ得る様な燃料（特に気体燃料）を、当該燃料を使用する機器（例えば燃焼器）へ供給するための燃料供給装置であって、分析計等の付加設備を必要とすることなく、燃料を供給するべき機器（例えば燃焼器）へ投入する熱量を一定に出来る様な燃料供給装置の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料供給装置は、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料（特に気体燃料：例えばバイオガス）を、当該燃料を使用する機器（例えば燃焼器２）へ供給するための燃料供給装置において、燃料を使用する機器（例えば燃焼器２）への燃料供給系（ＦＬ）にエジェクタ（５）を介装し、該エジェクタ（５）の駆動流（５ａＦ）側には前記組成の変動を生じる燃料（特に気体燃料：例えばバイオガス。発熱量が或る程度分かっている）の供給ライン（ＦＬＬ）が連通し、該エジェクタ（５）の２次（５ｂＦ）側には組成変動を生じず且つ発熱量が既知の燃料（組成変動が無視出来る程度に小さい燃料：例えば都市ガス）の供給ライン（ＦＨＬ）が連通している（請求項１）。
【００１０】
ここで、燃料なる文言は主として気体燃料を意味しているが、例えば液体燃料を霧化したものをも包含する趣旨で使用されている。
【００１１】
係る構成を具備する本発明によれば、組成変動を生じない燃料（例えば都市ガス）が、エジェクタ（５）により、可燃成分及び不燃成分を組成として含有しており、且つ、組成の変動を生じる燃料（特に気体燃料：例えばバイオガス）に混合される。
【００１２】
そして、駆動流（５ａＦ）側を流過する前記組成の変動を生じる燃料の組成が変動しても、エジェクタ（５）の作用により、当該燃料組成の変動に対応して、２次（５ｂＦ）側を流過する組成変動を生じない燃料の流量が変化して、混合燃料全体による機器への投入熱量が一定に維持されるのである。
【００１３】
エジェクタ（５）では、駆動流流量（Ｑａ）と２次流流量（Ｑｂ）との流量比は、駆動流（５ａＦ）を構成する流体の密度（ρａ）と、２次流（５ｂＦ）を構成する流体の密度（ρｂ）との比（密度比）の、関数となっている。
【００１４】
そのため、（後述する様に、）駆動流（５ａＦ）を構成する流体の密度（ρａ）が増加すると、２次流（５ｂＦ）を構成する流体の流量（Ｑｂ）が増加する。
【００１５】
ここで、駆動流（５ａＦ）の不燃成分が例えば二酸化炭素（ＣＯ２）であり、可燃成分がメタン（ＣＨ４）であれば、駆動流（５ａＦ）の不燃成分（ＣＯ２）濃度が増加すると、二酸化炭素は可燃成分であるメタンよりも重いので、駆動流（５ａＦ）の密度は増加する。
このとき、不燃成分が増加するため、駆動流（５ａＦ）を構成する燃料ガスの発熱量は減少する。
しかし、駆動流（５ａＦ）を構成する燃料ガスの発熱量が減っても、２次流（５ｂＦ）の流量が増加するので、混合ガス全体による投入熱量は略々一定になる。換言すれば、駆動流（５ａＦ）の発熱量の減少による投入熱量の減少分は、２次流（５ｂＦ）の流量の増加による投入熱量増加分により相殺される。
従って、投入熱量は略々一定に維持される。
【００１６】
本発明によれば、投入熱量を一定に維持するための設備としては、エジェクタ（５）のみが設けられており、分析計等の付加設備は必要としない。
そのため、図４、図５で示す従来技術の様な、設備コスト増大、システムの大型化、複雑化という問題は生じないのである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照して、本発明の実施形態を説明する。
図１において、燃焼器２は燃料供給ラインＦＬと連通しており、該燃料供給ラインＦＬには流量制御弁ＶＬと流量計８とエジェクタ５とが介装されている。流量計８の検出信号は、信号伝達ラインＳＬ２を介して制御装置２０に送出される。そして、制御装置２０の制御信号は、信号伝達ラインＳＬ５を介して、流量制御弁ＶＬのアクチュエータへ出力される。この制御自体は、従来公知の制御技術をそのまま適用すれば良い。
前記エジェクタ５は、駆動流流入口（エジェクタ入口）５ｄを有する駆動流流過管５ａと、２次流流入口５ｅを有する２次流流過管５ｂと、吐出口５ｃとにより構成されている。
【００１８】
前記エジェクタ５のエジェクタ入口５ｄは流量制御弁ＶＬを介装した低カロリーガス（例えばバイオガス）供給ラインＦＬＬに連通し、前記エジェクタ５の２次流流入口５ｅは高カロリーガス（例えば、都市ガス）供給ラインＦＨＬに連通している。
【００１９】
前記駆動流流過管５ａの後端及び２次流流過管５ｂの中ほど（駆動流流過管５ａの後端）から後部は細く絞られ、駆動流流過管５ａの後端から流速を増した駆動流（前述の低カロリーガス流）５ａＦが２次流流過管５ｂの中ほどに噴射され、２次流流過管５ｂを流下してきた２次流（前述の高カロリーガス流）５ｂＦと交じり合い混合ガスとなって、吐出口５ｃから前記混合ガス供給ラインＦＬを介して前記燃焼器２に供給される様に構成されている。
【００２０】
係る構成を具備する本実施形態の燃料供給装置によれば、エジェクタ５では、駆動流流量Ｑａと２次流流量Ｑｂとの流量比は、駆動流５ａＦを構成する流体の密度ρａと、２次流５ｂＦを構成する流体の密度ρｂとの比（密度比）の、関数となっている。そのため、図３を参照して後述する様に、駆動流５ａＦを構成する流体の密度ρａが増加すると、２次流５ｂＦを構成する流体の流量Ｑｂが増加する。
【００２１】
駆動流５ａＦの不燃成分（例えばＣＯ２）濃度が増加すると、ＣＯ２は可燃成分であるＣＨ４よりも重いので、駆動流５ａＦの密度ρａも増加する。
この場合、不燃成分が増加するため、駆動流５ａＦの発熱量は減少する。
【００２２】
駆動流５ａＦを構成する燃料の発熱量が減っても、２次流５ｂＦの流量Ｑｂが増加するので、混合ガス全体による投入熱量は略々一定になる。その場合、駆動流５ａＦの発熱量減少による投入熱量減少分は、２次流流量Ｑｂの増加による投入熱量増加分により、相殺される。
【００２３】
図１の実施形態において、駆動流５ａＦを構成する気体燃料の組成が変化した場合に、駆動流５ａＦ、２次流５ｂＦを構成する気体燃料による投入熱量と、混合気体燃料による投入熱量とが、どの様に変化するのかをシミュレーションした結果が、図２で示されている。なお、駆動流５ａＦを構成する気体燃料の組成の変化は、図２においては横軸の値、ＣＯ２含有率の変化で示されている。
【００２４】
図２では、予め混合気体燃料（駆動流５ａＦと２次流５ｂＦの混合気体燃料）の投入熱量が設定されている。駆動流５ａＦの不燃成分であるＣＯ２の含有率が増加するにつれて駆動流５ａＦによる投入熱量は減少していくが、２次流５ｂＦである添加気体燃料（都市ガス）の流量が増加し、２次流５ｂＦによる投入熱量が増加していくので、混合気体燃料による投入熱量が略々一定に保たれる。
【００２５】
次に、エジェクタのモデル及び駆動流、２次流、混合流の各位置関係、流路面積Ａ、密度ρ、速度ｖ、ゲージ圧Ｐの各物理量を示した図３を参照して、図２のシミュレーション結果を導き出す過程について説明する。
連続の式を式１に示す。（式１は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000002
運動量保存の式を式２に示す。（式２は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000003
式２において、摩擦抵抗Ｆｆ  をゼロとする。
２次流が吸引されると、図３のα断面位置での圧力は大気圧力より低くなり、従って式３が導かれる。（式３は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000004
式２と式３より式４が導かれる。（式４は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000005
ここで、Ｋａｒｍａｎによって定義された推力増大比ＫＴは式５で示される。（式５は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000006
ここで、Ｔ：推力
尚、一般的にＫＴ≒１．３５と言われている。
式５を式４に代入して、（式６は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000007
従って、（式７は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000008
ここで、駆動流体はｎ個の成分、２次流体はｍ個の成分からなるとし、
Ｍ：分子量
ｒ：モル分率  ［Σｒ１ｉ＝１、Σｒ２ｊ＝１］
ｑ：単位体積当たりの発熱量  ［ＭＪ／ｍ３Ｎ］
Ｒ：普遍気体定数  ［Ｊ／（ｋｍｏｌ・Ｋ）］
とすれば、
密度ρは、（式８、式９は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000009
ここで、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔとすると、式３によって式１０が導き出される。（式１０は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000010
投入熱量Ｑ１（駆動流）、Ｑ２（二次流）は式１１、式１２で表される。（式１１、式１２は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000011
従って混合気体Ｑ（＝Ｑ１＋Ｑ２）の投入熱量は下記の式１３で表される。
この様にして導き出された（式１３）に、次の計算条件を代入すれば、図２のシミュレーション結果が得られる。
0003781412.tif 000012
【００２６】
計算条件
（可燃性＋不燃性）気体燃料組成（駆動流）      ＣＨ４、ＣＯ２
添加気体燃料組成（２次流）                  ＣＨ４
駆動流流速                                  ２００ｍ／ｓ
駆動流体噴口部断面積                        ０．０００１ｍ２
駆動流体噴口部断面積／２次流体入口部断面積  ２．０
推力増大比                                  １．３５
ＣＨ４発熱量                                ３９．７ＭＪ／ｍ３Ｎ
ＣＨ４分子量                                １６
ＣＯ２分子量                                ４４
駆動流体温度                                ２７３Ｋ
２次流体温度                                ２７３Ｋ
【００２７】
この様にして得られたシミュレーション結果である図２を参照すれば明らかな様に、図示の実施形態では、駆動流を構成する気体燃料の組成が変化しても、混合気体燃料による投入熱量は、概略一定である。このことから、図示の実施形態では、上述した「発明が解決しようとする課題」を全て解決しており、技術的に極めて有効であることが理解出来る。
【００２８】
ここで、組成変動するガス（駆動流ガス）がメタンと二酸化炭素の混合ガスであり、組成が一定のガス（２次流ガス）がメタンである実施例を考える。
係る実施例においては、上述した式（８）〜式（１３）は、以下に示す様な式（８´）〜式（１３´）となる。（式８´〜式１３´は以下のイメージで表示される）
0003781412.tif 000013
【００２９】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、組成が変動するガスはバイオガスに限定されるものではなく、組成が一定のガスは都市ガスに限定されるものではない。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、駆動流の不燃成分（ＣＯ２等）が増加し、駆動流を構成する燃料ガスの発熱量が減少しても、２次流（例えば都市ガス）の流量が増加するので、混合ガス全体による投入熱量は一定に維持される。
その他の効果としては、本発明では、投入熱量を一定に維持する設備としては、エジェクタのみが設けられており、分析計等の付加設備を必要とせず、従って、設備コストの増大、システムの大型化、複雑化と言う問題は生じ得ない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態において、駆動流の組成が変化した場合の駆動流による投入熱量、２次流による投入熱量と、混合気体燃料による投入熱量の変化をシミュレーションしたグラフ。
【図３】投入熱量のシミュレーションに用いたエジェクタのモデルの諸元を示す図。
【図４】従来技術の構成を示すブロック図。
【図５】従来技術のその他の構成を示すブロック図。
【符号の簡単な説明】
２・・・燃焼器
５・・・エジェクタ
５ａ・・・駆動流流過管
５ｂ・・・２次流流過管
５ｃ・・・吐出口
５ｄ・・・エジェクタ入口
５ｅ・・・２次流入口
ＶＨ、ＶＬ・・・流量制御弁
ＦＨＬ・・・高カロリーガス（組成が一定のガス）供給管
ＦＬＬ・・・低カロリーガス（組成が変動するガス）供給管
【図１】
0003781412.tif 000014
【図２】
0003781412.tif 000015
【図３】
0003781412.tif 000016
【図４】
0003781412.tif 000017
【図５】
0003781412.tif 000018