JP2008175151A - 液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガス等の液化ガスが有する冷熱エネルギーを利用すると共に、スターリングエンジンにガスエンジンを組み合わせることで、液化ガスが有する冷熱エネルギーを有効に利用し、かつガスエンジンの排ガスをスターリングエンジンの温熱に利用して高効率に発電する。
【解決手段】発電機１を回転させるスターリングエンジン２と、液化ガス３を気化して、燃料ガスを生成する気化器４と、発電機１を回転させるために、燃料ガスで駆動するガスエンジン５とを備え、スターリングエンジン２を駆動する冷熱は、液化ガス３が有する冷熱エネルギーを利用し、温熱はガスエンジン５の排ガスを利用する。
【選択図】図３

Description

本発明は、スターリングエンジンから成るコージェネレーションシステムに係り、特に天然ガス等の液化ガスが有する冷熱エネルギーを利用するスターリングエンジンで発電することができる液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム及びその運転方法に関するものである。

スターリングエンジンは、往復式のピストンとシリンダとからなる内燃機関と同様な構成からなる。このシリンダ内に封入された作動ガスを外部から加熱、冷却することによりピストン運動させる構造のエンジンである。このスターリングエンジンは、スターリングエンジンは、爆発音が発生しないので、極めて静かである。スターリングエンジンは爆発を行わずスムーズに気体を変化させるので、原理的に非常に熱効率の高いエンジンである。スターリングエンジンでは、燃料を使う場合でも爆発によって発生する有害成分は出ない。静かに燃焼させクリーンな排気ガスを得ることができる。スターリングエンジンは、温度差を作り出せば動くので、バイオマスなどあらゆる可燃物、地熱、太陽熱など、色々な熱源の利用が可能である。

このスターリングエンジンで発電機を回転させて発電するコージェネレーションシステムが提案されている。図５の説明図に示すように、スターリングエンジン２の作動ガスを外部から加熱する高温熱源として、燃料をバーナ等で燃焼してヒータ部７で「温熱」を生成し、一方外気を「冷熱」として利用したスターリングエンジン２を駆動して発電機１で発電するコージェネレーションシステムがある。

一方、図６の説明図に示すように、都市ガス等でガスエンジン５を駆動して発電機１を回転して発電する方式では、このガスエンジン５の排熱でボイラ８を加熱し、エネルギーを有効に活用するコージェネレーションシステムがある。

このようなスターリングエンジンから成るコージェネレーションシステムの発電効率を高める技術が種々提案されている。例えば、特許文献１の特開２０００−２１３４１８公報「低温蒸気利用の熱源システム及びそれを用いたコージェネレーションシステム」に示すように、「スターリングエンジンにおいて、低温室及び高温室を含む全作動ガス空間が最小となる付近で低温室に対し作動ガスとする低温蒸気を吹き込み、かつ、その全作動ガス空間が最大となる付近とそれに続く空間縮小過程で低温室から作動ガスとしての内部蒸気の一部を排出する蒸気エンジン化用の弁手段を設け、このスターリングエンジンを駆動源とする別置の圧縮機により低温蒸気発生装置からの送出低温蒸気を圧縮することで、その低温蒸気を昇温して熱需要先に対し供給する高温蒸気を生成するとともに、低温蒸気発生装置からの送出低温蒸気の一部を弁手段によるスターリングエンジンへの吹き込み蒸気として用いる構成にしてある低温蒸気利用の熱源システムが提案されている。
特開２０００−２１３４１８公報

同様に、特許文献２の特開２０００−２１３４１９公報「低温熱利用の熱源システム、及び、それを用いたコージェネレーションシステム」に示すように、高温加熱器を備える高温吸熱室と、低温加熱器を備える低温吸熱室と、高温放熱器を備える高温放熱室と、低温放熱器を備える低温放熱室とを各室間に再生熱交換器を介在させて連通させた状態で、作動ガスを再生熱交換器を通じて高温放熱室及び低温放熱室から高温吸熱室及び低温吸熱室に移動させる吸熱側作動ガス移動過程と、高温加熱器及び低温加熱器からの採熱を伴う作動ガス膨張過程と、作動ガスを再生熱交換器を通じて高温吸熱室及び低温吸熱室から高温放熱室及び低温放熱室に移動させる放熱側作動ガス移動過程と、高温放熱器及び低温放熱器への放熱を伴う作動ガス圧縮過程とを、その順に繰り返してスターリングサイクルと逆スターリングサイクルとを併行実施するサイクル実行部を設け、高温加熱器において熱入力用の高温熱媒と作動ガスとを熱交換させ、低温加熱器において利用対象の低温熱を保有する低温熱媒と作動ガスとを熱交換させ、高温放熱器において熱需要先へ供給する温熱出力用熱媒と作動ガスとを熱交換させ、低温放熱器において放熱用冷却熱媒と作動ガスとを熱交換させる構成にしてある低温熱利用の熱源システムが提案されている。
特開２０００−２１３４１９

しかし、上述した都市ガス等でガスエンジン５を駆動して発電機１を回転させて発電する方式では、このガスエンジン５の排熱は主としてボイラ８の加熱に使用されているだけで、効率の良い発電システムではなかった。

また、特許文献１の「低温蒸気利用の熱源システム及びそれを用いたコージェネレーションシステム」又は特許文献２の「低温熱利用の熱源システム及びそれを用いたコージェネレーションシステム」は、低温熱の利用に特徴を有するもので、液化ガスを有効に利用するものではなかった。更に、要求される電力量とボイラによる蒸気量を調整するものではなかった。

本発明の発明者は、液化ガスが有する冷熱エネルギーをスターリングエンジンの冷熱として利用すると共に、機器からの排熱もスターリングエンジンの温熱に利用することに着目した。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、天然ガス等の液化ガスが有する冷熱エネルギーを利用すると共に、スターリングエンジンにガスエンジンを組み合わせることで、液化ガスが有する冷熱エネルギーを有効に利用し、かつガスエンジンの排ガスをスターリングエンジンの温熱に利用して高効率に発電することができる液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム及びその運転方法を提供することにある。

本発明のシステムによれば、発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）と、
液化ガス（３）を気化して、燃料ガスを生成する気化器（４）と、発電機（１）を回転させるために、前記燃料ガスで駆動するガスエンジン（５）と、を備え、前記スターリングエンジン（２）を駆動する冷熱は、前記液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、該スターリングエンジン（２）を駆動する温熱は、前記ガスエンジン（５）の排ガスを利用するように構成した、ことを特徴とする液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムが提供される。

前記ガスエンジン（５）の排ガスを用いて加熱するボイラ（８）を更に備えることが好ましい。
前記液化ガス（３）として、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）又はＮＧＨ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ）等の天然ガスを利用することができる。

本発明の運転方法によれば、発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）の冷熱は液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、その温熱は別個に設置した発電機（１）を回転させるガスエンジン（５）の排ガスを利用して発電すると共に、ボイラ（８）を加熱するコージェネレーションシステムにおける運転方法であって、前記スターリングエンジン（２）を駆動する際に、前記ボイラ（８）の使用蒸気量に応じて、前記ガスエンジン（５）の排ガスをボイラ（８）へ供給し、又は前記ガスエンジン（５）の排ガスを前記スターリングエンジン（２）へ分配供給する、ことを特徴とするコージェネレーションシステムにおける運転方法が提供される。
例えば、前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）の使用蒸気量が所定値より多いときは、該排ガスの全量をボイラ（８）へ供給し、前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）の使用蒸気量が所定値より少ないときは、該排ガスの全量を前記スターリングエンジン（２）の冷熱として利用することができる。

また、発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）の冷熱は液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、その温熱は別個に設置した発電機（１）を回転させるガスエンジン（５）の排ガスを利用して発電すると共に、ボイラ（８）を加熱するコージェネレーションシステムにおける運転方法であって、前記液化ガス（３）を気化して冷却した冷媒と、前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）で温めた温熱媒体との温度差を監視し、所定値以上の温度差がある場合は、これらを事前に熱交換してから「冷熱」、「温熱」として利用することが好ましい。

上記構成のシステムでは、発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）を駆動する「冷熱」は、気化器（４）で液化ガス（３）を気化して燃料ガスを生成する際に生じる冷熱エネルギーを利用し、「温熱」は発電機（１）を回転させるガスエンジン（５）の排ガスの熱エネルギーを利用している。「冷熱」と「温熱」共に排熱を利用するシステムであるので高効率の発電が可能にある。特に、液化ガス（３）の冷熱エネルギーを有効に利用することができ、地球規模でみると環境負荷の低減に寄与する。

上記構成の運転方法では、ガスエンジン（５）の排ガスは、蒸気負荷（ボイラ使用蒸気量）の高いときは、ボイラ（８）へ供給し、その他はスターリングエンジン（２）へ供給するという分配機能を持つことで、高効率で発電することができる。即ち、要求される電気出力が小さいときは、ガスエンジン（５）の排ガスの全量をボイラ（８）に供給する。逆に、要求される電気出力が大きいときは、ガスエンジン（５）の排ガスの全量をスターリングエンジン（２）に供給して発電する。これによりボイラ（８）の使用蒸気量に応じて変動することができる。

また、スターリングエンジン（２）の装置規模が大きいときは、液化ガス（３）の冷熱エネルギーとガスエンジン（５）の排熱、ボイラ（８）の温熱等の高温度差を採用することができるので、必要な温度差を容易に設定することができる。例えば、スターリングエンジン（２）の素材金属が冷熱と温熱の熱差に耐えられないときは、その耐えられる温度差に容易に設定することができる。
液化ガス（３）の消費量が大きく変動するときにも、スターリングエンジン（２）とガスエンジン（５）との発電量を調整することで、必要量の電力を常時供給することができる。

本発明の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムは、発電機を回転させるスターリングエンジンと、液化ガスを気化して、燃料ガスを生成する気化器と、発電機を回転させるために、燃料ガスで駆動するガスエンジンとを備えシステムである。このスターリングエンジンを駆動する冷熱は、液化ガスが有する冷熱エネルギーを利用し、また温熱はガスエンジンの排ガスを利用する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実施例１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムを示す回路図である。
本発明の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムは、発電機１を回転させるスターリングエンジン２と、液化ガス３を気化して、燃料ガスを生成する気化器４と、発電機１を回転させるために燃料ガスで駆動するガスエンジン５とを備えた装置である。

スターリングエンジン２は、ヘリウム等の作動ガスが用いられ、往復式のピストンとシリンダとからなる内燃機関と同様な構成からなる。このシリンダ内に封入された作動ガスを外部からの温熱で加熱し、冷熱で冷却することによりピストン運動させる。このスターリングエンジン２により回転して電力を発生させる発電機１を備えている。

気化器４は、ＬＮＧ又はＮＧＨ等の液化ガス３を加温して再ガス化する装置である。再ガス化する方法には種々のものがある。例えば、中間熱媒体や水を熱源として気化する方式のシェル＆チューブ方式や、垂直方向の管を１列に並べたパネルを多数組み合わせ、その管中を下から上に流れるＬＮＧ等の液化ガス３を外側よりバーナ６等で温媒を流下させ加温気化するオープン・ラック方式等の気化器４を用いることができる。

また、液化ガス３としては、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）、ＮＧＨ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ）等がある。これらの液化ガス３は、その輸送効率を高めるために、ＬＮＧでは、−１６２℃の温度にまで冷却している。また、ＮＧＨは、−２０℃の温度にまで冷却している。本発明では、これらの冷却された液化ガス３を気化する際の熱交換で生じする冷熱エネルギーを利用するものである。なお、冷却状態にした液化ガス３であれば、これらのＬＮＧ又はＮＧＨ以外のガスを用いることも可能である。

ガスエンジン５は、燃料ガスで駆動するエンジンで、このガスエンジン５により回転して電力を発生させる発電機１を備えている。この燃料ガスには、上記気化器４で液化ガス３を気化したものを用いる。この発電機１は、スターリングエンジン２により駆動される発電機１とは別個のものでそれぞれで発電する。

このように構成したシステムでは、スターリングエンジン２を駆動する冷熱は、液化ガス３が有する冷熱エネルギーを利用する。一方、このスターリングエンジン２を駆動する温熱は、ガスエンジン５の排ガスを利用する。図１に示すように、液化ガス３からの冷熱エネルギーは、気化した−１０℃の燃料ガスをそのまま、スターリングエンジン２の「冷熱」として利用する。このスターリングエンジン２で熱交換されて常温になった燃料ガスはバーナ６で燃焼してヒータ部７で「温熱」としてスターリングエンジン２の駆動に利用する。

本発明のスターリングエンジン２の発電機１と、ガスエンジン５の発電機１の２基の発電機で発電量を調整できるようになっている。一般的にスターリングエンジン２では数十から数百ｋＷ程度の出力しかないので、このガスエンジン５の発電機１でこれを補充することができる。このガスエンジン５の排ガスが増大すると、その排熱を利用してスターリングエンジン２の出力も上げることができ、発電量を高めることができる。

図２は実施例１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムの変形例を示す回路図である。
液化ガス３からの冷熱エネルギーは、図２に示すように冷媒を介在して、スターリングエンジン２の「冷熱」として利用することができる。冷媒としては、例えば空気、ヘリウムガス等がある。このように冷媒を利用することで「冷熱」の温度を正確に調整することが可能になる。この冷媒は気化器４とスターリングエンジン２との間に設けた調整装置９によりその温度・供給量を制御する。

図３は実施例２のボイラを備えた液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムを示す回路図である。図４は実施例２のボイラの要求量と要求発電量のバランスを考慮した説明フロー図である。
実施例２のコージェネレーションシステムでは、ガスエンジン５の排ガスで加熱するボイラ８を更に備えた。ガスエンジン５の排ガスの送出側（下流）にダンパ１０を介在してボイラ８を配置した。このボイラ８から温媒をスターリングエンジン２へ「温熱」として供給する。この温媒は温度・供給量を制御する調整装置９を設けている。また、気化器４の冷媒の送出管にも温度・供給量を制御する調整装置９を設けている。単純に供給量の調整は、ダンパ１０の開閉角度の可変により行う。

そこで、実施例２のコージェネレーションシステムでは、スターリングエンジン２を駆動する際に、ボイラ８の使用蒸気量に応じて、ガスエンジン５の排ガスをボイラ８へ供給し、又はガスエンジン５の排ガスをスターリングエンジン２へ分配供給する。

例えば、ガスエンジン５の排ガスで加熱するボイラ８の使用蒸気量が所定値より多いときは、排ガスの全量を図３における点線矢印Ｅ１の流路でボイラ８へ供給する。このとき、スターリングエンジン２の「冷熱」は常温であり、「温熱」は−１００℃である。即ち、２０℃と−１００℃で温度差が１２０℃しかならないので、発電機１の電気出力は小さい。

一方、ガスエンジン５の排ガスで加熱するボイラ８の使用蒸気量が所定値より少ないときは、排ガスの全量を図３における点線矢印Ｅ２の流路でスターリングエンジン２へ供給する。このときは、スターリングエンジン２の「温熱」は４００℃であり、「冷熱」は−１００℃である。即ち、４００℃と−１００℃で温度差が５００℃になるので、発電機１の電気出力が大きくなる。
なお、この−１００℃の「冷熱」、４００℃の「温熱」の数字は一例であり、この数字に限定されないことは勿論である。

このように、要求される電気出力が大きいときは、ガスエンジン５の排ガスの全量をスターリングエンジン２に供給して発電する。これによりボイラ８の使用蒸気量に応じて変動することができる。図３におけるガスエンジン５による発電量（ＡｋＷ）とスターリングエンジン２による発電量（ＢｋＷ）とを調整するようになっている。このとき、要求電力量について、スターリングエンジン２による発電量（ＢｋＷ）を主で制御し、ガスエンジン５による発電量（ＡｋＷ）が従になるように制御する。

本発明の運転方法では、ＬＮＧ等の液化ガス３の消費量が大きく変動するときにも、スターリングエンジン２とガスエンジン５との発電量を調整することで、常に必要量の電力を供給することができる。

なお、本発明は、天然ガス等の液化ガス３が有する冷熱エネルギーを利用すると共に、スターリングエンジン２にガスエンジン５を組み合わせることで、液化ガス３が有する冷熱エネルギーを有効に利用し、かつガスエンジン５の排ガスをスターリングエンジン２の温熱に利用して高効率に発電することができるシステム又は運転方法であれば、上述した発明の実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム及びその運転方法は、一般家庭用の発電設備として利用することができる。また、このシステムを複数台配置することで大容量の電力を供給でき、工場等の発電設備としても利用することができる。

本発明の実施例１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムを示す回路図である。 実施例１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムの変形例を示す回路図である。 実施例２のボイラを備えた液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステムを示す回路図である。 実施例２のボイラの要求量と要求発電量のバランスを考慮した説明フロー図である。 従来のスターリングエンジンから成るコージェネレーションシステムの説明図である。 従来のガスエンジンから成るコージェネレーションシステムの説明図である。

符号の説明

１ 発電機
２ スターリングエンジン
３ 液化ガス
４ 気化器
５ ガスエンジン
８ ボイラ

Claims (6)

1. 発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）と、
   液化ガス（３）を気化して、燃料ガスを生成する気化器（４）と、
   発電機（１）を回転させるために、前記燃料ガスで駆動するガスエンジン（５）と、を備え、
   前記スターリングエンジン（２）を駆動する冷熱は、前記液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、該スターリングエンジン（２）を駆動する温熱は、前記ガスエンジン（５）の排ガスを利用するように構成した、ことを特徴とする液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム。
2. 前記ガスエンジン（５）の排ガスを用いて加熱するボイラ（８）を更に備えた、ことを特徴とする請求項１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム。
3. 前記液化ガス（３）として、ＬＮＧ（Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）又はＮＧＨ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ）等の天然ガスを利用する、ことを特徴とする請求項１の液化ガスの冷熱を利用したコージェネレーションシステム。
4. 発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）の冷熱は液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、その温熱は別個に設置した発電機（１）を回転させるガスエンジン（５）の排ガスを利用して発電すると共に、ボイラ（８）を加熱するコージェネレーションシステムにおける運転方法であって、
   前記スターリングエンジン（２）を駆動する際に、前記ボイラ（８）の使用蒸気量に応じて、
   前記ガスエンジン（５）の排ガスをボイラ（８）へ供給し、又は前記ガスエンジン（５）の排ガスを前記スターリングエンジン（２）へ分配供給する、ことを特徴とするコージェネレーションシステムにおける運転方法。
5. 前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）の使用蒸気量が所定値より多いときは、該排ガスの全量をボイラ（８）へ供給し、
   前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）の使用蒸気量が所定値より少ないときは、該排ガスの全量を前記スターリングエンジン（２）の冷熱として利用する、ことを特徴とする請求項４のコージェネレーションシステムにおける運転方法。
6. 発電機（１）を回転させるスターリングエンジン（２）の冷熱は液化ガス（３）が有する冷熱エネルギーを利用し、その温熱は別個に設置した発電機（１）を回転させるガスエンジン（５）の排ガスを利用して発電すると共に、ボイラ（８）を加熱するコージェネレーションシステムにおける運転方法であって、
   前記液化ガス（３）を気化して冷却した冷媒と、前記ガスエンジン（５）の排ガスで加熱するボイラ（８）で温めた温熱媒体との温度差を監視し、所定値以上の温度差がある場合は、これらを事前に熱交換してから「冷熱」、「温熱」として利用する、ことを特徴とするコージェネレーションシステムにおける運転方法。

Images