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公開番号2021042908
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210318
出願番号2019165736
出願日20190911
発明の名称燃料供給装置およびガスエンジンシステム
出願人株式会社日立パワーソリューションズ
代理人特許業務法人磯野国際特許商標事務所
主分類F23K 5/00 20060101AFI20210219BHJP(燃焼装置;燃焼方法)
要約【課題】燃焼効率が高い改質燃料を供給して内燃機関のエネルギ効率を向上させることができる燃料供給装置、および、これを備えたガスエンジンシステムを提供する。
【解決手段】燃料供給装置10は、ガス燃料の単位供給量に対する内燃機関の燃焼効率を改質燃料の供給によって向上させるものであって、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、改質燃料となる反応生成物を生成する改質ユニットを備え、改質ユニットは、改質能力が内燃機関の燃焼特性に応じて調整される。ガスエンジンシステム1は、ガスエンジンの起動カーブに応じて燃料が切り替えられるものであって、燃料供給装置10とガスエンジン20とを備え、ガス燃料の供給を開始してガスエンジン20を起動する起動モードと、ガス燃料の供給量を減らすと共に改質燃料の供給量を増やしながらガスエンジン20を運転する燃料切替モードと、改質燃料でガスエンジン20を運転する定格速度モードとを有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
ガス燃料の単位供給量に対する内燃機関の燃焼効率を改質燃料の供給によって向上させる燃料供給装置であって、
前記ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、前記改質燃料となる反応生成物を生成する改質ユニットを備え、
前記改質ユニットは、前記改質燃料を生成する改質能力が前記内燃機関の燃焼特性に応じて調整される燃料供給装置。
続きを表示(約 4,700 文字)【請求項2】
請求項1に記載の燃料供給装置であって、
前記改質ユニットは、前記混合ガスを水蒸気改質して前記反応生成物を生成する複数の改質器を備え、
前記改質能力は、前記複数の改質器の構成本数を変えることによって調整される燃料供給装置。
【請求項3】
請求項2に記載の燃料供給装置であって、
前記複数の改質器のそれぞれには、前記混合ガスを取り込むための取込路と、前記反応生成物を排出するための排出路と、が接続されており、
前記改質器毎の前記取込路に、開度を連続的に変化させることが可能な調節弁を備える燃料供給装置。
【請求項4】
請求項3に記載の燃料供給装置であって、
前記取込路に、前記改質器毎に取り込まれる前記混合ガスの圧力を均等化させるヘッダ器を備え、前記複数の改質器は、前記ヘッダ器において集約され、前記排出路は、主排出管にて集約される燃料供給装置。
【請求項5】
請求項3に記載の燃料供給装置であって、
前記改質ユニットは、前記改質能力を構成する改質器に含まれない前記改質器の前記調節弁の開度を全閉に保持し、
前記改質能力を構成する前記改質器の前記調節弁の開度を全開に保持し、または、何れかの改質器の調節弁の開度を全開の保持を解除して調節する燃料供給装置。
【請求項6】
請求項1に記載の燃料供給装置であって、
前記改質ユニットの後段に、前記反応生成物を熱交換する熱交換ユニットを備え、
前記熱交換ユニットは、
前記改質ユニットから前記反応生成物が供給される第1熱交換部と、
前記第1熱交換部から前記反応生成物が供給され、前記第1熱交換部よりも小さい交換熱量で運転される第2熱交換部と、
前記第2熱交換部から前記反応生成物が供給され、前記第1熱交換部よりも大きい交換熱量で運転される第3熱交換部と、を有し、
前記熱交換ユニットは、前記反応生成物を熱交換により冷却して、前記反応生成物中に含まれる蒸気を液化分離して、含水量が低下した液化分離反応生成物を前記内燃機関で許容可能な最高相対湿度以下となるまで再加熱して前記内燃機関に供給可能な前記改質燃料を生成する燃料供給装置。
【請求項7】
請求項6に記載の燃料供給装置であって、
前記第1熱交換部は、中空構造の胴部と、前記胴部内に並列した複数の細管と、を備え、
前記胴部内には、気体冷媒が充満するように流され、前記複数の細管内には、細管入口から導入した前記反応生成物が分流して流され、
前記反応生成物を、前記気体冷媒との熱交換で放熱し、前記細管の下流で一つの細管出口に合流させて前記第2熱交換部に送出する燃料供給装置。
【請求項8】
請求項6に記載の燃料供給装置であって、
前記第2熱交換部は、筒状の内筒と、前記内筒の外周面を囲む筒状の外筒と、を備え、
前記内筒内には、内筒入口から導入した前記反応生成物が流され、前記外筒内には、前記第3熱交換部から供給される前記液化分離反応生成物が充満するように流され、
前記反応生成物は、前記液化分離反応生成物との熱交換により、前記液化分離反応生成物を、前記最高相対湿度以下となるまで再加熱して前記改質燃料を生成した後に、内筒出口から前記第3熱交換部に送出される燃料供給装置。
【請求項9】
請求項6に記載の燃料供給装置であって、
前記第3熱交換部は、シール部材によって熱交換室と貯留室とに上下に区画された中空構造の胴部と、前記熱交換室内に並列しており、前記シール部材を貫通して前記貯留室に開口した複数の細管と、を備え、
前記熱交換室内には、液体冷媒が充満するように流され、前記複数の細管内には、細管入口から導入した前記反応生成物が分流して流され、
前記反応生成物は、前記液体冷媒との熱交換で放熱してから前記反応生成物に含まれる前記蒸気が液化分離した後、前記液化分離反応生成物と水とが生成されて前記貯留室に流入し、
前記液化分離反応生成物を、前記貯留室において前記複数の細管の最下端部より下側に設けられた気体出口から前記第2熱交換部に送出し、前記水を前記貯留室の底部に設けられた液体出口から排出する燃料供給装置。
【請求項10】
ガスエンジンの起動カーブに応じて燃料が切り替えられるガスエンジンシステムであって、
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の燃料供給装置と、
ガスエンジンと、を備え、
前記ガスエンジンに供給される燃料は、ガス燃料、前記燃料供給装置が前記ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを水蒸気改質して生成した改質燃料、または、前記ガス燃料と前記改質燃料とが混合された混合燃料であり、
前記ガスエンジンシステムは、
前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を開始して前記ガスエンジンを起動する起動モードと、
前記ガスエンジンが定格回転速度に到達した後に、前記ガスエンジンへの前記改質燃料の供給を開始し、前記ガス燃料の供給量を減らすと共に前記改質燃料の供給量を増やしながら前記混合燃料で前記ガスエンジンを運転する第1燃料切替モードと、
前記改質燃料が所定の燃焼力に到達した後に、前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を停止し、前記改質燃料で前記ガスエンジンを運転する定格速度モードと、を有するガスエンジンシステム。
【請求項11】
請求項10に記載のガスエンジンシステムであって、
前記ガスエンジンが運転している間に、前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を再開し、前記混合燃料で前記ガスエンジンを一定時間運転した後に前記改質燃料の供給を停止する第2燃料切替モードと、
前記ガスエンジン内の前記改質燃料が全焼するまで継続運転した後、前記ガス燃料の供給量を減らして前記ガスエンジンを停止し、前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を停止する停止モードと、を有するガスエンジンシステム。
【請求項12】
請求項11に記載のガスエンジンシステムであって、
前記ガス燃料の供給元から前記ガスエンジンに供給される前記ガス燃料の流量を調整するためのガス燃料供給弁と、
前記燃料供給装置から前記ガスエンジンに供給される前記改質燃料の供給量を調整するための改質燃料供給弁と、
前記ガス燃料と前記改質燃料とを合流させて前記ガスエンジンに供給する燃料混合部、とを備えるガスエンジンシステム。
【請求項13】
請求項12に記載のガスエンジンシステムであって、
前記燃料供給装置が生成した前記改質燃料を前記ガスエンジンと前記ガスエンジンシステムの外部とに分配する燃料分配部と、
前記燃料分配部から前記ガスエンジンシステムの外部に放出される前記改質燃料の放出量を調整するための放出弁と、を備えるガスエンジンシステム。
【請求項14】
請求項13に記載のガスエンジンシステムであって、
前記起動モードにおいて、前記ガス燃料供給弁が開方向、前記改質燃料供給弁が全閉、前記放出弁が全開に制御され、
前記第1燃料切替モードにおいて、前記ガス燃料供給弁が閉方向、前記改質燃料供給弁が開方向、前記放出弁が閉方向に制御され、
前記定格速度モードにおいて、前記ガス燃料供給弁が全閉、前記改質燃料供給弁が全開、前記放出弁が全閉に制御され、
前記第2燃料切替モードにおいて、前記ガス燃料供給弁が開方向、前記改質燃料供給弁が閉方向、前記放出弁が開方向に制御され、
前記停止モードにおいて、前記ガス燃料供給弁が閉方向から全閉、前記改質燃料供給弁が全閉、前記放出弁が全開に制御されるガスエンジンシステム。
【請求項15】
請求項10に記載のガスエンジンシステムであって、
前記燃料供給装置に過熱蒸気を供給する過熱蒸気生成装置と、
前記過熱蒸気生成装置に水を供給する給水部と、を備え、
前記燃料供給装置は、前記改質ユニットの後段に、前記反応生成物を熱交換する熱交換ユニットを備え、
前記熱交換ユニットは、
前記改質ユニットから前記反応生成物が供給される第1熱交換部と、
前記第1熱交換部から前記反応生成物が供給され、前記第1熱交換部よりも小さい交換熱量で運転される第2熱交換部と、
前記第2熱交換部から前記反応生成物が供給され、前記第1熱交換部よりも大きい交換熱量で運転される第3熱交換部と、を有し、
前記過熱蒸気生成装置は、前記給水部から供給される前記水を前記ガスエンジンから排出される排気ガスで加熱して前記過熱蒸気を生じ、
前記改質ユニットは、前記第1熱交換部から供給されるガス燃料と前記過熱蒸気生成装置から供給される過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、前記混合ガスを水蒸気改質して前記改質燃料となる反応生成物を生じ、
前記第1熱交換部は、前記改質ユニットから供給される前記反応生成物と、前記ガス燃料の供給元から供給される前記ガス燃料との間で熱交換を行い、予熱された前記ガス燃料を生じ、
前記第2熱交換部は、前記第1熱交換部から供給される前記反応生成物と、前記第3熱交換部から供給される含水量が低下した液化分離反応生成物との間で熱交換を行い、前記液化分離反応生成物を内燃機関で許容可能な最高相対湿度以下となるまで再加熱して前記改質燃料を生じ、
前記第3熱交換部は、前記第2熱交換部から供給される前記反応生成物と、冷媒保存庫から供給される液体冷媒との間で熱交換を行い、前記反応生成物に含まれる蒸気を冷却して液化分離し、前記蒸気が液化分離した水と、前記液化分離反応生成物と、を生じるガスエンジンシステム。
【請求項16】
請求項15に記載のガスエンジンシステムであって、
前記第3熱交換部は、
熱交換した前記反応生成物に含まれる前記蒸気が液化分離した後、前記液化分離反応生成物と前記水とが流入する貯留室と、
前記貯留室の底部と給水部との間を接続する排水管と、
前記排水管上に設けられたドレン弁と、を有し、
前記貯留室は、
前記貯留室の前記底部に設けられ、前記排水管に前記水を排出するための液体出口と、
前記貯留室の上部に設けられ、前記液化分離反応生成物を排出するための気体出口と、
前記貯留室の下部に設けられた第1水位検出器と、
前記第1水位検出器よりも上方、且つ、前記気体出口よりも下方に設けられた第2水位検出器と、を備え、
前記第1水位検出器が前記水を検出しないとき、前記ドレン弁が全閉に制御され、
前記第2水位検出器が前記水を検出したとき、前記ドレン弁が全開に制御されるガスエンジンシステム。
【請求項17】
請求項10に記載のガスエンジンシステムであって、
前記燃料供給装置と前記ガスエンジンとの間に、前記ガスエンジンに供給される燃料の供給量を調整するための調速弁を備えるガスエンジンシステム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスエンジン等の内燃機関に改質燃料を供給する燃料供給装置、および、これを備えたガスエンジンシステムに関する。
続きを表示(約 5,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、定置式のガスエンジンを備えた発電システムが、工場、公共施設、商業施設をはじめ、電力需要が高い大型の施設、建物等に導入されている。ガスエンジンは、内燃機関の中でも燃焼温度が高く、発電効率が高いことが知られている。近年では、発電した電力と共に燃料の燃焼による廃熱を利用するコジェネレーションシステムとしての導入も拡大している。
【0003】
ガスエンジンの燃料としては、メタンを主成分とし、液化天然ガス(Liquefied Natural Gas:LNG)から生産される都市ガス、プロパンやブタンを主成分とする液化石油ガス(Liquefied Petroleum Gas:LPG)、圧縮天然ガス(Compressed Natural Gas:CNG)、バイオガス等が利用されている。都市ガスは、一般に、LNGを気化させた天然ガスにLPG等を混合することによって生産されている。
【0004】
ガスエンジンの燃料として代表的な都市ガスは、CO

やNO

の生成量が比較的少ないクリーンな燃料として知られている。また、現在、都市ガスを燃料としたガスエンジンによる発電効率は、40〜50%程度まで向上しており、発電システム全体としてのエネルギ変換効率も大幅に改善されている。その一方で、近年では、水素燃料の普及も進められている。
【0005】
水素燃料は、CO

等の有害物質を排出しないクリーンエネルギであり、化学的に変換できる炭化水素等の原料も豊富に存在している。そのため、各種の分野において、既存エネルギの水素燃料への代替や、水素燃料を利用するためのインフラの整備が進められている。従来、水素燃料の生産法としては、大規模生産をはじめとして、水蒸気改質が利用されている。
【0006】
水蒸気改質は、メタン等の炭化水素を、触媒の存在下、過熱蒸気で接触酸化させる方法である。水蒸気改質の原料としてメタンを用いる場合、改質反応は、次の反応式(I)で表される。
CH

+ H

O → CO + 3H

・・・(I)
【0007】
また、反応式(I)によって生成した一酸化炭素は、主反応に付随する転化反応(シフト反応)によって二酸化炭素に変換される。転化反応は、次の反応式(II)で表される。
CO + H

O → CO

+ H

・・・(II)
【0008】
現在、水蒸気改質の原料としては、メタンを主成分とする都市ガスの利用も検討されている。反応式(I)で表される改質反応は吸熱反応であり、反応式(II)で表される転化反応は発熱反応である。しかし、全体としては、吸熱的に反応が進むため、水蒸気改質には加熱が必要である。一般的な水蒸気改質は、600〜700℃、最高で900℃程度の温度範囲で行われている。
【0009】
水蒸気改質を行う一般的な水素生成装置は、原料中の硫黄分を除去する脱硫器、原料を接触酸化させる改質器等を備えている。脱硫器では、都市ガスに添加される付臭剤等の硫黄分が、300〜500℃程度で脱硫されている。水素生成装置には、改質反応で生成した一酸化炭素を二酸化炭素に酸化する変成器、一酸化炭素を除去する除去器等が備えられることもある。
【0010】
例えば、特許文献1には、改質器や水添脱硫器を備えた水素生成装置と、発電装置と、を備える発電システムが記載されている(図9参照)。水蒸気改質により生成した水素を利用する発電装置としては、燃料電池の他にガスエンジンが挙げられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
特開2014−139125号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
近年、各所に導入されている新型のガスエンジンは、エンジン構造の改良、燃焼技術の進展等によって、従来以上に燃焼性能やエネルギ変換効率が向上している。そのため、新型のガスエンジンによると、旧型のガスエンジンと比較して、高い燃焼効率の運転が可能になっている。ガスエンジンの定格出力によっては、都市ガスを燃料として50%に近い発電効率を実現することも可能になっている。
【0013】
しかし、現在においても、旧型のガスエンジンが引き続き使用されるケースがある。旧型のガスエンジンは、新型のガスエンジンと比較して、燃焼性能やエネルギ変換効率が劣っているため、低い燃焼効率で運転せざるを得ない現状がある。低い燃焼効率の運転では、取り出したい仕事量、電力量等に対して多量の燃料を要するため、燃料コストがかかったり、プロセス全体がエネルギ的に非効率化したりする問題を生じている。
【0014】
一方、ガスエンジンの燃料としては、特許文献1に記載されているように、水素ガスを利用することも考えられる。水素ガスは、メタン等の炭化水素と比較して、燃焼速度が速い特徴がある。そのため、内燃機関の燃料として水素ガスを含む燃料(改質燃料)を用いると、高い燃焼効率で運転することが可能になり、旧型のガスエンジンを使用する場合であっても、省エネルギ性やエネルギ変換効率が改善するといえる。
【0015】
しかし、特許文献1に記載されている改質器における反応温度は、600〜700℃程度の高温であると想定される。特許文献1では、このような高温で生成した水素ガスを、リサイクルガス流路で脱硫器に戻して熱的に利用している。このような高温の水素ガスは、熱的な利用や改質反応の反応効率の向上には資するものの、ガスエンジンの燃焼室に導入する燃料としては不適切である。また、リサイクル流路の閉塞を防止する対策には、多大なコストがかかるという問題もある。
【0016】
そこで、本発明は、燃焼効率が高い改質燃料を供給して内燃機関のエネルギ効率を向上させることができる燃料供給装置、および、これを備えたガスエンジンシステム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】
【0017】
前記課題を解決するために本発明に係る燃料供給装置は、ガス燃料の単位供給量に対する内燃機関の燃焼効率を改質燃料の供給によって向上させる燃料供給装置であって、前記ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、前記改質燃料となる反応生成物を生成する改質ユニットを備え、前記改質ユニットは、前記改質燃料を生成する改質能力が前記内燃機関の燃焼特性に応じて調整される。
【0018】
また、本発明に係るガスエンジンシステムは、ガスエンジンの起動カーブに応じて燃料が切り替えられるガスエンジンシステムであって、前記の燃料供給装置と、ガスエンジンと、を備え、前記ガスエンジンに供給される燃料は、ガス燃料、前記燃料供給装置が前記ガス燃料を水蒸気改質して生成した改質燃料、または、前記ガス燃料と前記改質燃料とが混合された混合燃料であり、前記ガスエンジンシステムは、前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を開始して前記ガスエンジンを起動する起動モードと、前記ガスエンジンが定格回転速度に到達した後に、前記ガスエンジンへの前記改質燃料の供給を開始し、前記ガス燃料の供給量を減らすと共に前記改質燃料の供給量を増やしながら前記混合燃料で前記ガスエンジンを運転する第1燃料切替モードと、前記改質燃料が所定の燃焼力に到達した後に、前記ガスエンジンへの前記ガス燃料の供給を停止し、前記改質燃料で前記ガスエンジンを運転する定格速度モードと、を有する。
【発明の効果】
【0019】
本発明によると、燃焼効率が高い改質燃料を供給して内燃機関のエネルギ効率を向上させることができる燃料供給装置、および、これを備えたガスエンジンシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
本発明の実施形態に係る燃料供給装置の構成を模式的に示す図である。
本発明の実施形態に係るガスエンジンシステムの構成を示す図である。
ガスエンジンの起動−停止カーブの一例を示す図である。
ガスエンジンシステムに対する燃料供給装置の接続を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
<燃料供給装置>
はじめに、本発明の一実施形態に係る燃料供給装置について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【0022】
図1は、本発明の実施形態に係る燃料供給装置の構成を模式的に示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係る燃料供給装置10は、水蒸気改質を行う改質ユニット100と、水蒸気改質により生成した改質反応生成物(反応生成物)を熱交換する熱交換ユニット(110,120,130)と、を備えている。
【0023】
熱交換ユニット(110,120,130)は、改質ユニット100の後段に備えられており、三段の熱交換器によって構成されている。熱交換ユニット(110,120,130)は、前段側から順に、第1熱交換器(第1熱交換部)110と、第2熱交換器(第2熱交換部)120と、第3熱交換器(第3熱交換部)130と、によって構成されている。
【0024】
燃料供給装置10は、水蒸気改質によって改質燃料を生成する機能と、生成した改質燃料を内燃機関に供給する機能と、を有している。燃料供給装置10は、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを水蒸気により水素改質(水蒸気改質)して、水素ガスを含む改質燃料を生成する。そして、生成した改質燃料を内燃機関に供給する。
【0025】
燃料供給装置10は、内燃機関の前段側に備えられる燃料供給系統に設置することによって、内燃機関の燃料を従来のガス燃料から改質燃料に切り替えることができる。燃料供給装置10は、ガス燃料の単位供給量に対する内燃機関の燃焼効率を、改質燃料の供給によって向上させることを可能とするものである。
【0026】
水蒸気改質によって生成する水素は、従来のガス燃料の主成分であるメタン等の炭化水素と比較して、燃焼速度が速く、燃焼の安定性が高い性質を有している。そのため、内燃機関の燃料を従来のガス燃料から改質燃料に切り替えると、内燃機関の燃焼特性が劣っている場合であっても、内燃機関における燃焼効率が向上し、本来供給されるはずのガス燃料の単位供給量に対して、内燃機関で生じる燃焼エネルギ(発熱量)の合計を増大させることができる。
【0027】
燃料供給装置10によって改質燃料を供給する内燃機関としては、例えば、ガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等が挙げられる。以下の説明では、燃料供給装置10の後段にガスエンジンを設置する場合を例にとり、燃料供給装置10等の実施形態について説明を行う。
【0028】
燃料供給装置10には、図1に示すように、改質燃料の原料として、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスが供給される。混合ガスは、内燃機関の前段側に備えられる燃料供給系統上において、炭化水素を主成分とするガス燃料と、所定の温度に過熱された過熱蒸気とが、互いに混合されることによって生成される。
【0029】
ガス燃料としては、好ましくはメタンを主成分とする炭化水素系の燃料を用いることができる。炭化水素系の燃料としては、例えば、13A、12A等の都市ガスが挙げられる。代表的な都市ガスである「13A」は、約90%のメタンと、約10%未満のエタン、プロパン、ブタンを含有している。ガス燃料としては、LPG、CNG、バイオガス等や、これらを混合した混合ガスが用いられてもよい。
【0030】
過熱蒸気としては、例えば、290〜300℃付近まで過熱された水蒸気を用いることができる。このような比較的低温の過熱蒸気は、ガスエンジンから排出される排気ガスの廃熱で容易に生成させることができる。このような比較的低温の過熱蒸気によると、改質反応の反応効率は低くなるものの、ガスエンジンの燃焼室への導入に適合した許容最大温度以下の改質燃料を生成させることができる。
(【0031】以降は省略されています)

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