JP2004278468A

JP2004278468A - Fuel supplying system

Info

Publication number: JP2004278468A
Application number: JP2003073686A
Authority: JP
Inventors: Hidetoshi Takada; 英俊高田; Hiromitsu Sahashi; 洋充佐橋; Teruhiko Ozawa; 照彦小澤
Original assignee: NTT Power and Building Facilities Inc
Current assignee: NTT Power and Building Facilities Inc
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel supplying system capable of enabling a combustion engine to operate on a low-calorie gas fuel without largely modifying or adjusting the same. <P>SOLUTION: A controller 26 calculates the mixing rate of each gas based on a set value and controls control valves 21 to 24 in valve travel according to information from sensors 16 to 20 to control the flow rate of each gas, thereby controlling the amount of heat supplied to a gas engine/turbine 30. For example, when the pressure of a low-calorie gas fuel is lower than the minimum working pressure, the controller 26 controls the amount of supplied heat by making use of compressed air as a diluent. In addition, if necessary, the controller 26 adds thereto carbon dioxide, compressed hydrogen, LPG or butane to control a combustion speed or a methane value (antiknock rating). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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：ＣｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ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／Ｎｍ^３、都市ガス１３Ａ「７９％」、空気「２１％」の混合ガスで、７８５３７９４２ｋｃａｌ／Ｎｍ^３、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／Ｎｍ^３、プロパン「３５％」、水素「５％」、空気「６０％」の混合ガスで、７９２３ｋｃａｌ／Ｎｍ^３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ＣＨ_４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）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas engine using gas such as city gas or LPG as fuel, and a fuel supply device for a gas turbine power generation device.
[0002]
[Prior art]
Gas engines and gas turbine power generators (including CGS: Cogeneration System) generally use gas having a high calorific value, such as city gas or LPG, as fuel. In the gas engine and the gas turbine, the taken air and a fuel such as LPG are mixed, burned in a combustion chamber, and the turbine is rotated at high speed by the combustion gas.
[0003]
In recent years, due to the establishment of the RPS (Renewable Energy Certificate) system, effective use of unused energy (low-calorie gas) such as biomass has attracted attention. In addition, due to high gas fuel prices, the introduction of CGS that effectively uses energy has not been advanced. In addition, the income and expenditure of the installed CGS is also deteriorating. Therefore, power generation devices such as gas turbines using low-calorie gas fuel have been proposed (for example, see Patent Literature 1, Patent Literature 2, Patent Literature 3, and Patent Literature 4).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-115564 A [Patent Document 2]
JP 2002-4888 A [Patent Document 3]
JP 2001-55932 A [Patent Document 4]
JP 2000-314326 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the prior art, gas engines and gas turbines are adjusted exclusively for biogas on the assumption that low-calorie gas fuel is used, so modifications and adjustments to the gas engine and gas turbine body are required. Difficult to respond easily.
[0006]
Therefore, it is conceivable to operate an existing gas engine or gas turbine (including CGS) using a high calorie gas fuel such as city gas or LPG using a low calorie gas fuel such as biogas. However, when an existing gas engine or gas turbine is operated using low-calorie gas such as biogas as fuel, there is a problem that the operation is not stable due to unstable heat and supply of fuel.
In addition, when biogas is used as fuel, there is a problem that ignition becomes unstable due to low heat value. Thus, there is a problem that existing gas engines and gas turbines cannot be easily adapted to low calorie gas fuels such as biogas.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fuel supply that can be easily operated using a low-calorie gas fuel without performing major modifications or adjustments to a power generator using high-calorie gas fuel. It is intended to provide a device.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, in the invention according to claim 1, in a fuel supply device that mixes intake air and a fuel gas and supplies the fuel gas to a combustion engine that burns in a combustion chamber, biogas is supplied. And a mixing means for mixing the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel and supplying the fuel gas to the combustion engine as the fuel gas.
[0009]
Further, in the invention according to claim 2, in the fuel supply device according to claim 1, the mixing ratio of the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel is controlled so as to control the amount of heat per unit volume of the fuel gas. It is characterized by comprising mixing ratio control means for controlling.
[0010]
Further, in the invention according to claim 3, in the fuel supply device according to claim 2, the temperature of the low calorie gas fuel and the temperature of the high calorie gas fuel are detected by the temperature detecting means, and the temperature is detected by the temperature detecting means. It is characterized by including flow rate correction means for correcting the supply flow rate of the low calorie gas fuel and the high calorie gas fuel based on the temperature.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel supply device according to the second aspect, a pressure detecting means for detecting a pressure of the low calorie gas fuel, and a pressure detected by the pressure detecting means is less than a minimum operating pressure. In some cases, the high calorie gas operation mode is mainly used in which the high calorie gas fuel is used as the fuel gas, and when the pressure detected by the pressure detecting means is equal to or higher than the minimum operating pressure, the low calorie gas fuel is mainly used as the fuel gas. Operating mode switching means for setting a low calorie gas operation mode.
[0012]
Further, in the invention according to claim 5, in the fuel supply device according to claim 2, when the low calorie gas fuel is not supplied stably, a dilution amount for controlling a flow rate of compressed air for diluting the high calorie gas fuel. It is characterized by comprising control means.
[0013]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fuel supply device of the fifth aspect, an amount of a combustion rate adjusting gas to be added to the fuel gas is controlled so as to adjust a combustion rate of the fuel gas. It is characterized by comprising combustion speed control means.
[0014]
According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel supply device according to the sixth aspect, an amount of a methane number adjusting gas to be added to the fuel gas is controlled to adjust a methane number of the fuel gas. It is characterized by comprising methane number control means.
[0015]
In this invention, in order to control the amount of heat per unit volume of the fuel gas, while controlling the mixing ratio of the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel, the low-calorie gas fuel containing the biogas and the high-calorie gas fuel are mixed. The mixture is supplied to the combustion engine as the fuel gas. Therefore, it is possible to operate using a low-calorie gas fuel such as biogas without performing a major modification or adjustment to a power generator that uses a high-calorie gas fuel such as city gas or LPG as a fuel gas.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a fuel supply device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, a low calorie gas fuel supply system 1 supplies a biogas such as methane to a fuel supply device 10 as a low calorie gas. The high calorie gas fuel supply system 2 supplies a high calorie gas fuel such as city gas (13A) or LPG to the fuel supply device 10. The methane number adjusting gas (supply system) 3 is used to prevent abnormal combustion (knocking) that occurs during operation of the gas engine with biogas, that is, to adjust the methane number of the supplied fuel. Such as carbon and LPG. The combustion rate adjusting gas (supply system) 4 is, for example, compressed hydrogen, LPG, or butane gas added to the supplied fuel in order to adjust the combustion rate of the supplied fuel. The compressed air supply system 5 for diluting the high calorie gas fuel is provided with an air for diluting the high calorie gas fuel in order to adjust the heat supply when the pressure of the biogas as the low calorie gas fuel falls below the minimum operating pressure. Is supplied to the fuel supply device 10.
[0017]
The fuel supply device 10 includes valves 11, 12, 13, 14, 15, various sensors (temperature sensors, pressure sensors, flow rate sensors) 16, 17, 18, 19, 20, control valves 21, 22, 23, 24, and accumulators. 25 and a control device 26.
[0018]
The valve 11 adjusts the pressure and flow rate of the biogas from the low calorie gas fuel supply system 1 under the control of the control device 26. The valve 12 adjusts the pressure and flow rate of the high-calorie gas fuel (city gas, LPG, etc.) from the high-calorie gas fuel supply system 2 under the control of the control device 26. The valve 13 adjusts the pressure and flow rate of the methane number adjusting gas (carbon dioxide, LPG, butane gas, etc.) from the methane number adjusting gas supply system 3 under the control of the control device 26. The valve 14 adjusts the pressure and flow rate of the combustion rate adjusting gas (such as hydrogen) from the fuel rate adjusting gas supply system 4 under the control of the control device 26. The valve 15 adjusts the flow rate of air from the high calorie gas fuel dilution compressed air supply system 5 under the control of the control device 26.
[0019]
The sensor 16 detects the temperature, pressure, and flow rate of the biogas supplied via the valve 11 and supplies the biogas to the control device 26. The sensor 17 detects the temperature, the pressure, and the flow rate of the high calorie gas fuel supplied through the valve 12 and supplies the fuel, to the control device 26. The sensor 18 detects the temperature, the pressure, and the flow rate of the methane number adjusting gas supplied via the valve 13 and supplies the gas to the control device 26. The sensor 19 detects the temperature, pressure, and flow rate of the combustion rate adjusting gas supplied via the valve 14 and supplies the detected gas to the control device 26. The sensor 20 detects the temperature, pressure, and flow rate of the air supplied through the valve 15 and supplies the air to the control device 26.
[0020]
The control valve 21 controls the mixed amount of the methane number adjusting gas supplied via the valve 13 and the sensor 18 and the combustion rate adjusting gas supplied via the valve 14 and the sensor 19 under the control of the control device 26. Adjust. The control valve 22 adjusts the mixed amount of the methane number adjusting gas and the combustion rate adjusting gas from the control valve 21 with respect to the air supplied via the valve 15 and the sensor 20 according to the control of the control device 26. The control valve 23 controls the high calorie gas fuel supplied via the valve 12 and the sensor 17 to the methane number adjusting gas, the combustion rate adjusting gas, and the air mixture gas from the control valve 22 under the control of the control device 26. Adjust the mixing amount of. The control valve 24 controls the methane number adjusting gas, the combustion rate adjusting gas, the air, and the high calorie gas from the control valve 23 with respect to the biogas supplied via the valve 11 and the sensor 16 under the control of the control device 26. Adjust the mixing amount of the mixed gas. The control valve (final valve) controls the combustion engine (gas engine / gas) of the mixed gas of biogas, methane number adjusting gas, combustion speed adjusting gas, air, and high calorie gas supplied from the accumulator 25 under the control of the control device 26. (Gas turbine).
[0021]
The accumulator 25 is for buffering a pressure change accompanying a flow rate adjustment of the fuel gas (mixed gas) finally supplied to the gas engine / gas turbine 30. The control device 26 controls the valves 11 to 15 in accordance with the temperature, pressure, and flow rate of each gas from the above-described sensors (temperature sensor, pressure sensor, flow rate sensor) 16 to 20, and supplies fuel to the gas engine / gas turbine 30. Adjust the gas mixture ratio. In the control device 26, target supply calorie, low calorie gas fuel calorie, high calorie gas fuel calorie, low calorie gas fuel minimum use pressure, combustion speed and methane number are set as setting items. However, the setting items vary depending on whether the fuel gas supply destination is a gas engine or a gas turbine.
[0022]
That is, in order to stabilize the calorific value of the fuel gas, the control device 26 mixes a high-calorie gas fuel such as the city gas 13A or LPG with a low-calorie gas fuel such as the biogas and supplies the mixture to the gas engine / gas turbine 30. . At this time, in order to stabilize the operation of the gas engine / gas turbine 30, when the supply amount of biogas is insufficient, high calorie gas fuel is automatically supplied. Further, in order to prevent abnormal combustion (knocking) of the gas engine, the combustion speed and the methane number are adjusted. In the present embodiment, in order to easily deal with biogas fuel, it is not necessary to adjust the gas engine / gas turbine 30 at all simply by unitizing the fuel supply device and installing it in the fuel supply system.
[0023]
Next, FIG. 2 is a diagram showing characteristics such as a calorific value of a general gas. In the figure, various characteristics of gases such as hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, oxygen, air, methane, ethane, propane, butane, city gas 13A and biogas are shown.
[0024]
Next, FIG. 3 is a diagram showing an example of a gas composition of a mixed gas used as a fuel gas in the present embodiment. In the figure, it can be seen that the biogas consists of methane “60.0 vol%”, nitrogen “35.0 vol%”, and carbon dioxide “5.0 vol%”.
Note that the composition of the biogas is an example, and varies depending on the generation source (sewage, water quality, etc.) and the generation state. That is, the above biogas composition shows the outline.
Next, the air is composed of oxygen "21.0 vol%" and nitrogen "78.8 vol%". The city gas 13A, which is a high calorie gas, has methane "88.5 vol%", ethane "4.6 vol%", It consists of propane “5.4 vol%” and butane “1.5 vol%”.
[0025]
Next, FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the amount of heat due to the difference in the mixing ratio of the mixed gas. As shown in the figure, a mixed gas of biogas “45%” and city gas 13A “55%” is 7942 kcal / Nm ³ , and a mixed gas of city gas 13A “79%” and air “21%” is 78537942 kcal / Nm. ³ , a mixed gas of biogas “45%”, city gas 13A “35%”, propane “8%”, hydrogen “6%”, air “6%”, 7890 kcal / Nm ³ , propane “35%”, It is 7923 kcal / Nm ³ with a mixed gas of hydrogen “5%” and air “60%”.
[0026]
As described above, by determining the target amount of heat required by the gas engine / gas turbine 30, the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel (compressed air for dilution) can be obtained from the tables shown in FIGS. ) And the mixing ratio can be calculated.
[0027]
Next, FIG. 5 is a calculation formula for calculating the combustion speed of the mixed gas. The combustion speed of the mixed gas can be calculated using the combustion speed calculation coefficient and the composition (mixing ratio) of the mixed gas shown in FIG. In other words, when the combustion speed calculated from the mixture ratio of the biogas and the high calorie gas does not reach the set combustion speed, the amount of the combustion speed adjusting gas (such as compressed hydrogen) 4 is adjusted. FIG. 8 shows an example of the maximum burning speed SM of the city gas 13A, the biogas, and the mixed gas.
[0028]
Next, the operation of the above-described embodiment will be described. First, a target calorific value (for example, 6500 kcal), a low calorie gas fuel CH ₄ concentration (for example, 60%), and a high calorie gas fuel calorie (for example, 9940 kcal) are set in the controller 26. The control device 26 calculates the mixing ratio of each gas from the information from the sensors 16 to 20 and the set value, controls the opening and closing of the control valves 21 to 24, and adjusts the pressure and flow rate of each gas. Thereby, the calorific value of the gaseous fuel supplied to the gas engine / gas turbine 30 is controlled. For example, when the pressure of the low-calorie gas fuel is lower than the minimum operating pressure, the supply heat amount is controlled using the compressed air for dilution. If necessary, carbon dioxide, compressed hydrogen, LPG, and butane are added to adjust the combustion rate and the methane number (anti-knock property).
[0029]
Next, a detailed description will be given with reference to the flowcharts shown in FIGS. When power is supplied to the fuel supply device 10, first, it is determined whether or not there is a supply preparation signal (S10). If there is no supply preparation signal, the fuel supply apparatus 10 waits in a standby state (S12). On the other hand, if there is a supply preparation signal, the confirmation setting item is confirmed (S14). Confirmation setting items include target calorific value, calorie setting tolerance, low calorie gas calorie, low calorie gas minimum operating pressure, high calorie gas calorie, high calorie gas minimum operating pressure, target combustion speed, combustion speed setting margin, target There are methane number, methane number setting allowance, and priority control setting (described later).
[0030]
Next, the valves 11 to 15 of various gases are opened and checked (S16). Next, it is determined whether the pressure of the combustion rate adjusting gas (compressed hydrogen or the like) 4 is lower than the minimum operating pressure or higher than the minimum operating pressure (S18). If the pressure of the combustion rate adjusting gas 4 is equal to or higher than the minimum operating pressure, the pressure of the methane number adjusting gas (carbon dioxide, LPG, butane gas, etc.) 3 is lower than the minimum operating pressure or equal to or higher than the minimum operating pressure. It is determined whether there is (S20).
[0031]
If the pressure of the combustion rate adjusting gas 4 is lower than the minimum operating pressure, the combustion rate cannot be adjusted. If the pressure of the methane number adjusting gas 3 is lower than the minimum operating pressure, the methane number cannot be adjusted. (S22), and proceed to the next step. On the other hand, if both the pressure of the combustion rate adjusting gas 4 and the pressure of the methane number adjusting gas 3 are equal to or higher than the minimum operating pressure, the process proceeds to the next step without doing anything.
[0032]
Next, it is determined whether the pressure of the low-calorie gas (biogas) 1 is lower than the minimum operating pressure or higher than the minimum operating pressure (S24). If the pressure of the low calorie gas 1 is lower than the minimum use pressure, the high calorie gas operation mode is set (S26). If the pressure of the low calorie gas 1 is higher than the minimum use pressure, the low calorie gas operation mode is set. The mode is set (S28).
[0033]
Next, it is determined whether the pressure of the high calorie gas (city gas, LPG) 2 is lower than the minimum operating pressure or higher than the minimum operating pressure (S30). If the pressure of the high-calorie gas 2 is lower than the minimum operating pressure, supply is disabled (S32), all valves 11 to 15 are closed (S34), and the process returns to step S10 to continue the process.
[0034]
On the other hand, if the pressure of the high calorie gas 2 is higher than the minimum operating pressure, it is determined whether the pressure of the dilution compressed air 5 is lower than the minimum operating pressure or higher than the minimum operating pressure (S36). When the pressure of the dilution compressed air 5 is lower than the minimum operating pressure, supply is disabled (S32), as in the case of high calorie gas, and all the valves 11 to 15 are closed (S34). Returning to step S10, the processing is continued.
[0035]
On the other hand, if both the high calorie gas 2 and the compressed compressed air 5 are higher than the minimum working pressure, the priority control mode is confirmed (S38), and the temperature is detected by the sensors 16 to 20 of each system. The flow rate of each system is corrected according to the temperature (S40).
[0036]
In the priority mode, the calorific value-burning rate-methane number, fuel-methane number-burning rate, burning rate-calorific value-methane number, burning rate-methane number for low calorie gas operation and high calorie gas operation, respectively. -It is possible to select which setting value to operate with priority, such as calorific value, methane number-calorific value-burning rate, methane number-burning rate-caloric value, and within each margin according to the priority order. Adjustments are made.
[0037]
Next, the control value of each of the control valves 21 to 24 is calculated (S42), and it is determined whether or not the control value is within the set margin (S44). If the control value is out of the set margin, it is determined whether or not supply at the time of setting deviation is permitted (S46). If the control value is outside the set margin and the supply at the time of the deviation from the setting is not permitted, the final valve is closed (S48), and the process returns to step S10 to continue the process.
[0038]
On the other hand, even if the control value of each of the control valves 21 to 24 is within the set allowance or the control value is outside the set allowance, if the supply at the time of setting deviation is permitted, the gas request signal It is determined whether or not there is (S50). If there is no gas request signal, the final valve is closed (S48), and the process returns to step S10. On the other hand, if there is a gas request signal, the final valve is opened, the supply of fuel gas to the gas engine / gas turbine 30 is started (or continued) (S60), and the pressure and the pressure are determined by the sensors 16 to 20 of each system. The flow rate is detected (S62), the process returns to step S24, and the process is continued.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in order to control the amount of heat per unit volume of the fuel gas, while controlling the mixing ratio of the low calorie gas fuel and the high calorie gas fuel, the low calorie gas containing biogas Since the fuel and the high calorie gas fuel are mixed and supplied as the fuel gas to the combustion engine, a major modification or adjustment is made to the power generator using the high calorie gas fuel such as city gas or LPG as the fuel gas. Therefore, there is an advantage that it can be easily operated using a low calorie gas fuel such as biogas.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a fuel supply device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing characteristics such as a calorific value of a general gas.
FIG. 3 is a diagram showing a gas composition of a mixed gas used as a fuel gas in the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a calorific value depending on a difference in a mixing ratio of a mixed gas.
FIG. 5 is a calculation formula for calculating a combustion speed of a mixed gas.
FIG. 6 is a diagram showing a combustion speed calculation coefficient used when calculating a combustion speed.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a maximum combustion speed SM of a city gas 13A, a biogas, and a mixed gas (an example).
FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation of the fuel supply device according to the present embodiment.
FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the fuel supply device according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 Low calorie gas fuel supply system 2 High calorie gas fuel supply system 3 Methane number adjusting gas 4 Burning speed adjusting gas 5 High calorie gas fuel dilution compressed air supply system 10 Fuel supply devices 11 to 15 Control valves (mixing means)
16-20 sensors (temperature detecting means, pressure detecting means, flow rate detecting means)
21-24 Control valve (mixing means)
25 accumulator 26 control device (mixing rate control means, flow rate correction means, dilution amount control means, combustion speed control means, methane number control means)
30 Gas engine / Gas turbine (combustion engine)

Claims

In a fuel supply device that mixes the taken air and fuel gas and supplies the fuel gas to a combustion engine that burns in a combustion chamber,
A fuel supply device, comprising: mixing means for mixing a low-calorie gas fuel containing biogas and a high-calorie gas fuel and supplying the mixed gas as the fuel gas to the combustion engine.

2. The fuel according to claim 1, further comprising a mixing ratio control unit that controls a mixing ratio of the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel so as to control the amount of heat per unit volume of the fuel gas. Feeding device.

Temperature detection means for detecting the temperature of the low-calorie gas fuel and the high-calorie gas fuel,
The apparatus according to claim 1, further comprising a flow rate correction unit configured to correct a supply flow rate of the low calorie gas fuel and the high calorie gas fuel based on the temperature detected by the temperature detection unit. 3. The fuel supply device according to 2.

Pressure detection means for detecting the pressure of the low calorie gas fuel,
When the pressure detected by the pressure detecting means is lower than the minimum working pressure, the high calorie gas operation mode is mainly used in which the high calorie gas fuel is used as fuel gas, and the pressure detected by the pressure detecting means is equal to or higher than the minimum working pressure. 3. The fuel supply device according to claim 2, further comprising an operation mode switching unit that sets a low calorie gas operation mode in which the low calorie gas fuel is mainly used as fuel gas.

3. The fuel supply device according to claim 2, further comprising a dilution amount control unit that controls a flow rate of compressed air for diluting the high-calorie gas fuel when the low-calorie gas fuel is not supplied stably.

6. The fuel supply device according to claim 5, further comprising a combustion rate control means for controlling an amount of a combustion rate adjusting gas to be added to the fuel gas in order to adjust a combustion rate of the fuel gas. .

7. The fuel supply device according to claim 6, further comprising methane number control means for controlling the amount of methane number adjusting gas to be added to the fuel gas in order to adjust the methane number of the fuel gas. .