JP2009036111A

JP2009036111A - ガスエンジンの燃料切替装置および燃料切替方法

Info

Publication number: JP2009036111A
Application number: JP2007201596A
Authority: JP
Inventors: Yohei Koishikawa; 洋平小石川; Toshihisa Fujita; 淑久藤田; Yoshihiko Asano; 義彦浅野; Takashi Kusano; 傑草野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】高カロリーガスと低カロリーガスとを安定して切替えることができ、さらに定常運転時の安定化を図ることができる。
【解決手段】制御装置７は、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンの燃料を切り替える際に、空燃比が目標値になるように高カロリーガスと低カロリーガスの供給量を制御しながら流量調節弁４Ａ、４Ｂで制御する。
また、制御装置７は、低カロリーガス単独によるガスエンジンの運転中に、空燃比がガスエンジンを安定駆動できる値に足りなくなった場合に低カロリーガスに高カロリーガスを適量加える制御をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジンに燃料ガスを供給する装置に係り、特に高カロリーガスと低カロリーガスを切り替えて供給する燃料切替装置および燃料切替方法に関する。

近年、生ゴミ等の有機廃棄物から発生するメタンガスや間伐材、建築廃材などの木質バイオマスをガス化炉で熱分解して得られる一酸化炭素等のバイオガスを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動し、発電するシステムが提案されている。

バイオガスは発生量や成分が変動し易く、低カロリーであるためガスエンジンを始動する際の点火が困難という問題がある。そこで、まず始めにプロパンガス等の高カロリーガスでエンジンを始動させてエンジンの回転数が安定した後に、高カロリーガスから低カロリーガス単体での運転へと切り替える方法が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

高カロリーガスから低カロリーガスヘの切替えは、特許文献１では、高カロリーガス単体でのエンジン立ち上げ後に、高・低カロリーガスの流量調節用のスロットル弁の開度を設定し、当該開度にした後、閉状態だった低カロリーガスの遮断弁を開、開状態だった高カロリーガスの遮断弁を閉として切り替え、始動を完了する。
特開２００４−２９３４６５

前記のように、高カロリーガスと低カロリーガスの切替えを、各遮断弁によって瞬時に行うと、エンジンに流入するガスの性状が急激に変化するためエンジンが失火してしまう場合がある。

この失火防止対策として、ガス流量を調整する２つの弁の開度を操作して、ガスエンジンに流入するガスを徐々に切替えていくことが考えられる。しかし、弁開度操作に際してガス切替え量に過不足があると、失火による切替え失敗を招く。例えば、切り替え途中で、高カロリーガス流量の減少に対して低カロリーガス流量の増加分がガスエンジンの運転を維持できるだけの量を満たさない場合、失火につながってしまう。特に、バイオガスは性状が急激に変化するなどガスが不安定であるため、切替え操作が困難である。

また、ガスエンジンは、その始動後に低カロリーガス単独の供給で定常運転に入るが、バイオガスは発生量が不足する場合があり、カロリーが足りないために低カロリーガス単独での運転が維持できない状態が続いたり、ガスの発生量が不安定で安定した運転が難しくなることがある。

本発明の目的は、高カロリーガスと低カロリーガスを安定して切替えることができ、さらに定常運転時の安定化を図ることができるガスエンジンの燃料切替装置および燃料切替方法を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、ガスエンジンが駆動可能な範囲の空燃比の値を空燃比の目標値として設定し、ガスエンジンへの供給燃料の高カロリーガスと低カロリーガスとを切り替えるときに、空燃比が目標値になるように両ガスの供給量を制御しながら燃料を切り替え、またガスエンジンの定常運転中にガスエンジンを安定駆動できる空燃比が得られない場合に低カロリーガスに高カロリーガスを適量加えるようにしたもので、以下の装置および方法を特徴とする。
なお、空燃比の目標値は数値範囲として設定しておいてもよい。

（装置の発明）
（１）高カロリーガスで駆動しているガスエンジンを低カロリーガス単独供給による運転へと移行させるガスエンジンの燃料切替装置であって、
ガスエンジンに供給する高カロリーガスを遮断および流量調節できる高カロリーガス用の弁と、
ガスエンジンに供給する低カロリーガスを遮断および流量調節できる低カロリーガス用の弁と、
前記弁の遮断および流量調節ができる制御装置を備え、
前記制御装置は、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンの燃料を切り替える際に、空燃比が目標値になるように高カロリーガスと低カロリーガスの供給量を制御しながら燃料を切り替えていく制御手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記制御装置は、低カロリーガス単独によるガスエンジンの運転中に、空燃比がガスエンジンを安定駆動できる値に足りなくなった場合に低カロリーガスに高カロリーガスを適量加える制御手段を備えたことを特徴とする。

（３）前記制御手段は、前記空燃比の目標値を理論空燃比に設定してガス供給量を制御することを特徴とする。

（４）前記制御手段は、前記空燃比の目標値を理論空燃比の値よりもリッチとなる値に設定してガス供給量を制御することを特徴とする。

（方法の発明）
（５）高カロリーガスで駆動しているガスエンジンを低カロリーガス単独供給による運転へと移行させるガスエンジンの燃料切替方法であって、
ガスエンジンに供給する高カロリーガスを遮断および流量調節できる高カロリーガス用の弁と、
ガスエンジンに供給する低カロリーガスを遮断および流量調節できる低カロリーガス用の弁と、
前記弁の遮断および流量調節ができる制御装置を備え、
前記制御装置は、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンの燃料を切り替える際に、空燃比が目標値になるように高カロリーガスと低カロリーガスの供給量を制御しながら燃料を切り替えていく制御手順を備えたことを特徴とする。

（６）前記制御装置は、低カロリーガス単独によるガスエンジンの運転中に、ガスエンジンを安定駆動できる空燃比の値に足りなくなった場合に低カロリーガスに高カロリーガスを適量加える制御手順を備えたことを特徴とする。

（７）前記制御手順は、前記空燃比の目標値を理論空燃比に設定してガス供給量を制御することを特徴とする。

（８）前記制御手順は、前記空燃比の目標値を理論空燃比の値よりもリッチとなる値に設定してガス供給量を制御することを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンへの供給燃料の高カロリーガスと低カロリーガスとを切り替えるときに、空燃比が目標値になるように両ガスの供給量を制御しながら燃料を切り替えていくため、失火することなく安定した切替えができる。

具体的には、ガスエンジンが駆動可能な範囲の空燃比の値を目標値として、目標値を基に各ガス供給弁の開度を自動で制御しながら切替えていくため、ガスの細かな性状変化にも柔軟に追従しながらカロリーの異なる２つのガス量を増減させて安定した切替えができる。

また、燃料がエンジン内にて過不足なく反応する理論空燃比の値を指標としておけば、それぞれのガスを効率的に使用しながら切り替えができるため、原料量の関係により一日に使えるガス量が限られているバイオマスガスの切替えに都合がよく、高カロリーガスの消費を節約できるため、システム全体のエネルギー効率の向上が望める。

また、本発明は、ガスエンジンの定常運転中にバイオガスの発生量不足などによって、空燃比がガスエンジンの安定駆動に必要な値を維持できなくなる場合に、低カロリーガスに高カロリーガスを適量加えるようにしたため、定常運転時の安定化を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態を示す燃料切替装置の構成図である。ガスエンジン１はその運転によって発電機２を駆動し、発電機２から電気負荷に電力を供給する。また、ガスエンジン１の排気ガスは給湯設備等の熱源として利用される。

ガスエンジン１の燃料ガスとして、低カロリーガス（例えばバイオガス）、高カロリーガス（例えばＬＰＧ、都市ガス）が供給される。これらのガス供給路には、遮断弁３Ａ、３Ｂと流量調節弁４Ａ、４Ｂをそれぞれ直列に設け、それぞれのガス遮断と流量を調節可能にする。

これら流量調節された高カロリーガスまたは低カロリーガスは、ミキサ５において空気と混合されてガスエンジン１に供給される。供給空気量は流量調節弁６によって調節され、高カロリーガスまたは低カロリーガスとの混合比が調節される。

制御装置７は、コンピュータ資源とこれを利用したソフトウェアによって機能構成され、ガスエンジン１の排気部に設けられる酸素センサ８を空燃比センサとし、速度センサ９をエンジン回転数センサとして、この空燃比を基に各遮断弁３Ａ，３Ｂの開閉制御および流量調節弁４Ａ，４Ｂ，６の流量制御をする。

なお、バイオガスとしては、木のチップを原料として図示しないガス化炉でガス化したものがあるが、このガスの主な燃焼成分は一酸化炭素であり、２番目の成分としてメタン、水素も存在している。ガス化炉で発生したバイオガスは一旦ガスホルダー内に納められたあとでガスエンジンに供給される。ガスのカロリーは通常運転時で１６００〜２２００ｋｃａｌ／ｍ３Ｎである。

以上の装置構成において、制御装置７によるガスエンジン始動時のガス切り替え制御フローの例を図２に示す。まず、高カロリーガス（ＬＰＧ）と空気の流量調節弁４Ａと６を初期設定開度まで開き（Ｓ１）、高カロリーガス（ＬＰＧ）流路に設けられる遮断弁３Ａを開く（Ｓ２）。そして、ＬＰＧ単独でエンジンを起動し、エンジン回転数を設定回転数に一致させる（Ｓ３、Ｓ４）。

このとき、酸素センサ８によって空燃比の値がわかるので、燃料が過不足なく反応するとされる理論空燃比の値（ここでは１４．５）を目標値として設定し、この目標値になるようにＬＰＧ流路の流量調節弁の開度を、例えば０．１％単位で調節する（Ｓ５、Ｓ５Ａ）。このときの最適の開度は、予めわかっているならば初めからその開度で開くよう設定しておくこともできる。

空燃比の値が目標値に達したとき、バイオガス流路の遮断弁３Ｂを開にし（Ｓ６）、バイオガスの流量調節弁４Ｂを所定量ずつ開けていく。バイオガスの弁が開かれると空燃比がリッチ側に振られ、目標値に戻るようにＬＰＧの流量調節弁を所定量ずつ閉じていく（Ｓ７〜Ｓ１１）。例えば、バイオガスの流量調節弁を０．５％ずつ開けると設定した場合、０．５％開けたときにリッチとなる空燃比に対し、ＬＰＧの流量調節弁４Ａの開度を所定量（例えば０．１％）閉じる方向に変化させる操作を目標値に戻るまでフィードバック制御にて行い、目標値に達したところでまたバイオガスの流量調節弁４Ｂを０．５％開ける。

以上の操作をＬＰＧの流量調節弁４Ａが全閉となるまで繰り返す（Ｓ１０）。ガスの切替え操作が完了した後は、バイオガスの流量調節弁４Ｂの制御を空燃比の目標値を維持する制御として定常運転へと移行する（Ｓ１２〜Ｓ１４）。

以上までの始動制御では、空燃比の目標値は燃料が過不足なく反応するとされる理論空燃比の値に設定するが、低カロリーのバイオガスが外乱によりその性状が急激に変化したときに投入ガスが一気にリーンになってしまい失火する可能性がある。これを避けるために、切替えの際は理論空燃比の値よりもリッチ（例えば空燃比の値が１３．０〜１４．５）になるように設定して、余裕を持たせておくのが好ましい。ただし、理論空燃比に近すぎるとバッファとして意味がなく、リッチすぎるとガスの利用効率が悪くなる場合や酸欠により失火する場合があるので注意が必要である。

また、図２ではガスエンジンの始動時のガス切替え制御フローの例を示すが、このガス切替え制御における空燃比を基にしたガス流量調節をガスエンジンの定常運転中に実行して、定常運転時の安定化を図ることができる。
この制御では、ガスエンジンの定常運転中に、ガス発生量の不足などによりガスエンジンを安定駆動させるだけの空燃比が得られない場合に、低カロリーガスに高カロリーガスを適量加えることでカロリー不足を補い、ガスエンジンに失火を起こすことなく、安定運転が維持できるようにする。

また、図１の構成では高カロリーガスの流量調節弁４Ａと低カロリーガスの流量調節弁４Ｂの開閉制御を個別に行う場合を示すが、これら流量調節弁４Ａと４Ｂを同時に制御するという連動させた制御にして同等の作用効果を得ることができる。例えば、流量調節弁４Ａを一定速度で閉じる制御を行うのに連動させて、流量調節弁４Ｂを空燃比に応じて速度を変化させながら開く制御を行う。

本発明の実施形態を示す燃料切替装置の構成図。制御装置の制御フロー。

符号の説明

１ガスエンジン
２発電機
３Ａ、３Ｂ遮断弁
４Ａ、４Ｂ流量調節弁
５ミキサ
６流量調節弁
７制御装置

Claims

高カロリーガスで駆動しているガスエンジンを低カロリーガス単独供給による運転へと移行させるガスエンジンの燃料切替装置であって、
ガスエンジンに供給する高カロリーガスを遮断および流量調節できる高カロリーガス用の弁と、
ガスエンジンに供給する低カロリーガスを遮断および流量調節できる低カロリーガス用の弁と、
前記弁の遮断および流量調節ができる制御装置を備え、
前記制御装置は、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンの燃料を切り替える際に、空燃比が目標値になるように高カロリーガスと低カロリーガスの供給量を制御しながら燃料を切り替えていく制御手段を備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料切替装置。
前記制御装置は、低カロリーガス単独によるガスエンジンの運転中に、空燃比がガスエンジンを安定駆動できる値に足りなくなった場合に、低カロリーガスに高カロリーガスを適量加える制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの燃料切替装置。
前記制御手段は、前記空燃比の目標値を理論空燃比に設定してガス供給量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジンの燃料切替装置。
前記制御手段は、前記空燃比の目標値を理論空燃比の値よりもリッチとなる値に設定してガス供給量を制御することを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジンの燃料切替装置。
高カロリーガスで駆動しているガスエンジンを低カロリーガス単独供給による運転へと移行させるガスエンジンの燃料切替方法であって、
ガスエンジンに供給する高カロリーガスを遮断および流量調節できる高カロリーガス用の弁と、
ガスエンジンに供給する低カロリーガスを遮断および流量調節できる低カロリーガス用の弁と、
前記弁の遮断および流量調節ができる制御装置を備え、
前記制御装置は、ガスエンジンの空燃比の目標値を設定し、ガスエンジンの燃料を切り替える際に、空燃比が目標値になるように高カロリーガスと低カロリーガスの供給量を制御しながら燃料を切り替えていく制御手順を備えたことを特徴とするガスエンジンの燃料切替方法。
前記制御装置は、低カロリーガス単独によるガスエンジンの運転中に、空燃比がガスエンジンを安定駆動できる値に足りなくなった場合に、低カロリーガスに高カロリーガスを適量加える制御手順を備えたことを特徴とする請求項５に記載のガスエンジンの燃料切替方法。
前記制御手順は、前記空燃比の目標値を理論空燃比に設定してガス供給量を制御することを特徴とする請求項５または６に記載のガスエンジンの燃料切替方法。
前記制御手順は、前記空燃比の目標値を理論空燃比の値よりもリッチとなる値に設定してガス供給量を制御することを特徴とする請求項５または６に記載のガスエンジンの燃料切替方法。