発電システムに用いるガス混合装置
【課題】副燃料ガスの変動があるときでも、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を適切に制御し、失火、ＮＯｘ濃度の増加を防止することができる発電システムに用いるガス混合装置を提供すること。
【解決手段】ガス混合装置６のガス混合コントローラ８は、次の読込手段８１、算出手段８２及び調整手段８３を備えている。読込手段８１は、電力計３１による発電出力Ｗ、圧力計７２による排気圧力Ｐ、及び温度計７３による排気温度Ｔを、所定の時間間隔で読み込む。算出手段８２は、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭより求めると共に、排気管２２の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒを求める。調整手段８３は、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁７１の開度を調整する。
【解決手段】ガス混合装置６のガス混合コントローラ８は、次の読込手段８１、算出手段８２及び調整手段８３を備えている。読込手段８１は、電力計３１による発電出力Ｗ、圧力計７２による排気圧力Ｐ、及び温度計７３による排気温度Ｔを、所定の時間間隔で読み込む。算出手段８２は、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭより求めると共に、排気管２２の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒを求める。調整手段８３は、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁７１の開度を調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに対して、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガス等の主燃料ガスと、バイオガス等の副燃料ガスとの２種類の燃料ガスを用いてガスエンジンを運転し、このガスエンジンの出力によって発電機を作動させるよう構成した発電システム（コージェネレーションシステム）においては、種々のシステム方式が採用されている。例えば、副燃料ガスの発熱量に応じて主燃料ガスと燃焼用空気との混合気の供給流量を調整し、２種類の燃料ガスを混合して燃焼を行う方式、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料を用い、空気比を制御しながら燃焼を行う方式等がある。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、バイオガス等の副燃料ガスと燃焼用空気との混合気、及び都市ガス等の主燃料ガスをガスエンジンに供給して、運転を行うよう構成したガスエンジンが開示されている。また、特許文献１においては、ガスエンジンの排気ガス中の酸素濃度又は窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を測定し、この濃度に基づいてガスエンジンへの主燃料ガスの供給流量を変更するバルブの開度を調節することにより、空気比を制御して、ガスエンジンの安定した運転を行っている。
【０００４】
また、特許文献２のガスエンジン用空燃比制御装置においては、排気ガスの質量流量変化に応じて変化する１つ以上の入力信号（例えば排気ガス圧力、温度、あるいは体積流量）を受け、調整出力信号を作り出すことによりエンジンの吸気量における空燃比を制御することが開示されている。これによれば、燃料成分が大幅に変動する可能性のあるガスエンジンにおいて、ＮＯｘを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３０２号公報
【特許文献２】特開２０００−２２０４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バイオガスには、一般的に、二酸化炭素、窒素等の不燃成分が多く含まれている。特許文献１において、排気ガス中の酸素濃度が一定になるようバルブの開度を調節すると、燃料ガス中におけるバイオガスの割合、バイオガス中の水素、二酸化炭素等の含有量等が変化したときに、排気ガスの排気量が変化し、ガスエンジンにおける燃焼温度が変化することになる。
【０００７】
具体的には、副燃料ガス中の不燃成分の増加により、混合燃料ガス中の不燃成分が増加したときには、排気ガスの排気量が増加して、排気ガス中の酸素濃度が低くなる。そのため、酸素濃度一定制御を行う場合には、排気ガス中の酸素濃度を高くするために、燃焼用空気の供給量を増加させることになり（特許文献１においては主燃料ガスのバルブの開度を減少させることになり）、ガスエンジンにおける燃焼が悪化して、失火等が発生する要因となる。
一方、副燃料ガス中の不燃成分の減少により、混合燃料ガス中の不燃成分が減少したときには、排気ガスの排気量が減少して、排気ガス中の酸素濃度が高くなる。そのため、酸素濃度一定制御を行う場合には、排気ガス中の酸素濃度を低くするために、燃焼用空気の供給量を減少させることになり（特許文献１においては主燃料ガスのバルブの開度を増加させることになり）、ガスエンジンにおける燃焼温度が上昇して、ＮＯｘの発生量が増加する要因となる。
【０００８】
また、特許文献２においては、ガスエンジンからの排気ガスを排熱回収装置等に用いるコージェネレーションシステムを構築する際には、そのまま採用することはできない。すなわち、この場合には、排気ガスの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいて、排気管における排気温度の違いにより排気圧力が大きく変動することがある。そのため、この場合には、ＮＯｘの発生量の抑制と失火の防止とを図ることができない。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、副燃料ガスの発熱量の変動がある場合、及び排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれの場合においても、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を適切に制御して、失火、ＮＯｘ濃度の増加を防止することができる発電システムに用いるガス混合装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
上記発電システムは、上記発電機の発電出力を測定する電力計と、空気配管から吸い込まれた燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電出力を所定の目標発電出力に制御するメインコントローラとを備えており、
上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給する上記混合燃料ガスの流量を調整するための混合ガス制御弁と、上記ガスエンジンの排気管における排気圧力を測定する圧力計と、上記排気管における排気温度を測定する温度計と、上記混合ガス制御弁の開度を調整して上記燃焼用空気に対する上記混合燃料ガスの混合比率を制御するガス混合コントローラとを備えており、
該ガス混合コントローラには、上記電力計によって測定される発電出力Ｗｍと、該発電出力Ｗｍを出力するときに上記圧力計によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップとして予め設定してあり、
上記ガス混合コントローラは、上記電力計によって測定した発電出力Ｗ、上記圧力計によって測定した排気圧力Ｐ、及び上記温度計によって測定した排気温度Ｔを読み込む読込手段と、
上記測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを上記関係マップより求めると共に、上記排気管の構造及び上記測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ上記排気圧力Ｐに上記煙突効果Ｚを加算して排気抵抗Ｒを求める算出手段と、
上記排気抵抗Ｒが上記目標排気抵抗Ｒｒになるよう上記混合ガス制御弁の開度を調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムに用いるガス混合装置においては、副燃料ガスの発熱量の変動があったときに、混合燃料ガスの発熱量に応じた混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切にして、ガスエンジンに失火が生じることを防止すると共に、ガスエンジンの排気ガス中のＮＯｘ濃度の増加を防止するための工夫を行っている。
本発明においては、発電機の発電出力と、排気ガスの排気量とが所定の相関関係にあることに着目し、所定の発電出力のときに、排気ガスの排気量とほぼ比例する排気管の排気抵抗が一定になるように混合ガス制御弁を制御して、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を変化させる。また、特に、ガスエンジンから排気される排気ガスの排熱を回収する際に、排気ガスの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいては、排気ガスの温度が大きく異なる。ガス混合コントローラは、実際に測定される排気圧力が、排気ガスが排気管内を上昇するときに生ずる煙突効果によって低くなっていることを考慮し、この煙突効果による補正を行って混合ガス制御弁の制御を行う。
【００１２】
本発明のガス混合装置は、混合ガス制御弁、圧力計、温度計及びガス混合コントローラを備えており、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料ガスを用いる際に、既存の発電システムに取り付けて使用することができるものである。
発電システムの運転を行う前には、発熱量の変動がほとんどない燃料ガス（主燃料ガス等を用いることができる。）を発電システムに供給し、所定の発電出力ごとに、実測する排気ガス中のＮＯｘ濃度が目標とするＮＯｘ濃度となる混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を設定する。この各混合比率を設定するときに、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを実際に測定すると共に煙突効果Ｚを算出し、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和である排気抵抗Ｒを求める。こうして、発電出力Ｗｍと排気抵抗Ｒｍとの関係マップを作成し、この関係マップをガス混合コントローラに設定しておく。
【００１３】
ガス混合装置のガス混合コントローラは、読込手段、算出手段及び調整手段を備えており、これらの手段によって混合ガス制御弁の制御を行う。
ガス混合コントローラは、読込手段によって、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを読み込む。このとき、これらの値は、所定の時間間隔で複数回読み込むことができる。ガス混合コントローラは、算出手段によって、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップより求めると共に、排気管の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求める。
【００１４】
そして、ガス混合コントローラは、調整手段によって、排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁の開度を調整する。
ここで、副燃料ガスの発熱量が低下したときには、発電機の発電出力Ｗが低下することになり、この発電出力Ｗの低下を補うためにスロットルバルブの開度が大きくなり、その結果、排気管における排気圧力Ｐが高くなっていると考えられる。スロットルバルブの開度が大きくなるときには、ガスエンジンへの混合燃料ガスの供給量が増加すると共に燃焼用空気の供給量も増加している。
【００１５】
このときには、発電機において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも高くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラの調整手段により、混合ガス制御弁の開度が大きくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスの発熱量が低下し、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率が低く、ガスリーン状態（混合燃料ガスの希薄状態）にあるガスエンジンの燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリーン状態を回避し、ガスエンジンに失火が生ずることを防止することができる。
【００１６】
一方、副燃料ガスの発熱量が上昇したときには、発電機の発電出力Ｗが上昇することになり、この発電出力Ｗの上昇を抑えるためにスロットルバルブの開度が小さくなり、その結果、排気管における排気圧力Ｐが低くなっていると考えられる。スロットルバルブの開度が小さくなるときには、ガスエンジンへの混合燃料ガスの供給量が減少すると共に燃焼用空気の供給量も減少している。このときには、発電機において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも低くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラの調整手段により、混合ガス制御弁の開度が小さくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスの発熱量が上昇し、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率が高く、ガスリッチ状態（混合燃料ガスの濃厚状態）にあるガスエンジンの燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリッチ状態を回避し、ガスエンジンの排気ガス中のＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【００１７】
ところで、発電システムが排気ガスの排熱を多く回収する場合には、排気ガスの温度が大幅に低くなる一方、排熱をほとんど回収しない場合には、排気ガスの温度が大幅に高くなる。これらの場合において、煙突効果Ｚの値には大きな差が生じる。
これに対し、本発明においては、煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めている。そのため、排気抵抗Ｒを正確に算出することができ、ガス混合コントローラの調整手段によって混合ガス制御弁を制御する精度を向上させることができる。これにより、混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切に制御することができ、排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれにおいても、失火の発生及びＮＯｘ濃度の増加を防止して、ガスエンジンの安定燃焼を行うことができる。
【００１８】
それ故、本発明のガス混合装置によれば、副燃料ガスの発熱量の変動がある場合、及び排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれの場合においても、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を適切に制御して、失火、ＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例にかかる、発電システム及びガス混合装置の構成を示す説明図。
【図２】実施例にかかる、横軸に発電出力Ｗをとり、縦軸に排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示すグラフ。
【図３】実施例にかかる、横軸に排気温度Ｔをとり、縦軸に煙突の煙突効果Ｚをとって、これらの関係を示すグラフ。
【図４】実施例にかかる、発電システムの制御を行う方法を示すフローチャート。
【図５】実施例にかかる、横軸に排気管の排気抵抗Ｒをとり、縦軸に排気ガス中のＮＯｘ濃度をとって、これらの関係を示すグラフ。
【図６】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスがメタンのみからなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図７】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスが水素のみからなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図８】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスがメタン及び二酸化炭素からなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図９】実施例にかかる、横軸に、混合燃料ガス全体に対する副燃料ガスの混焼率をとり、縦軸に、排気ガス中のＮＯｘ濃度及び排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上述した本発明の発電システムに用いるガス混合装置における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記読込手段は、上記発電出力Ｗ、上記排気圧力Ｐ、及び上記排気温度Ｔを所定の時間間隔で逐次読み込むよう構成されており、上記調整手段は、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量大きくし、一方、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量小さくするよう構成することが好ましい（請求項２）。
この場合には、発電出力Ｗの平均値Ｗａｖ、排気温度Ｔの平均値Ｔａｖ、排気圧力Ｐの平均値Ｐａｖを用いることにより、排気抵抗Ｒの算出精度を高めることができる。また、調整手段は、混合ガス制御弁の制御を容易に行うことができる。
【００２１】
また、上記算出手段は、上記排気抵抗Ｒを、上記排気温度Ｔを基準排気ガスの温度Ｔｓに換算した換算排気抵抗として求めるよう構成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、排気温度Ｔによって、排気ガスの密度、体積が変化することを考慮して、排気抵抗Ｒを補正して換算排気抵抗として用いる。これにより、排気抵抗Ｒを、排気温度Ｔの変動を考慮して、より正確に算出することができる。
【００２２】
また、上記発電システムは、上記排気管に対して、排熱回収装置の排熱回収部と該排熱回収部をバイパスするバイパス弁とを設けてなり、該バイパス弁の開度が調整されることによって上記排熱回収部から回収する熱量が変更される状態において使用することができる（請求項４）。
排気ガスの排熱回収量が大きく変動する場合でも、ガス混合装置において煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めていることにより、ガスエンジンの安定燃焼を行うことができる。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明の発電システムに用いるガス混合装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の発電システム１に用いるガス混合装置６は、図１に示すごとく、ガスエンジン２の運転を行って発電機３を作動させるよう構成した発電システム１に対して装備し、発電システム１へ都市ガス（１３Ａ）等の主燃料ガスＦ１とバイオガス等の副燃料ガスＦ２とを混合させた混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。
発電システム１は、発電機３の発電出力Ｗを測定する電力計３１と、空気配管４１から吸い込まれた燃焼用空気Ａと燃料配管４２に供給された混合燃料ガスＦ３とを混合させて混合気Ｇを作り出す混合気供給配管４３と、混合気供給配管４３に配設して、ガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するためのスロットルバルブ２１と、スロットルバルブ２１の開度を調整して発電機３の発電出力Ｗを所定の目標発電出力に制御するメインコントローラ５とを備えている。
【００２４】
ガス混合装置６は、燃料配管４２に供給する混合燃料ガスＦ３の流量を調整するための混合ガス制御弁７１と、ガスエンジン２の排気管２２における排気圧力Ｐを測定する圧力計７２と、排気管２２における排気温度Ｔを測定する温度計７３と、混合ガス制御弁７１の開度を調整して燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率を制御するガス混合コントローラ８とを備えている。
ガス混合コントローラ８には、図２に示すごとく、電力計３１によって測定される発電出力Ｗｍと、発電出力Ｗｍを出力するときに圧力計７２によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップＭとして予め設定してある。
【００２５】
図１に示すごとく、ガス混合コントローラ８は、次の読込手段８１、算出手段８２及び調整手段８３を備えている。読込手段８１は、電力計３１によって測定した発電出力Ｗ、圧力計７２によって測定した排気圧力Ｐ、及び温度計７３によって測定した排気温度Ｔを、所定の時間間隔（サンプリング間隔）ｔ１で読み込むよう構成されている。算出手段８２は、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭより求めると共に、排気管２２の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒを求めるよう構成されている。調整手段８３は、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁７１の開度を調整するよう構成されている。
【００２６】
以下に、本例のガス混合装置６につき、図１〜図９を参照して詳説する。
本例の発電システム１に用いるガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混合燃料ガスＦ３を発電システム１に供給するものであり、副燃料ガスＦ２の発熱量の変動があったときに、混合燃料ガスＦ３の発熱量に応じた混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を適切にして、ガスエンジン２に失火が生じることを防止すると共に、ガスエンジン２の排気ガスＨ中におけるＮＯｘ濃度の増加を防止するものである。
【００２７】
本例においては、発電機３の発電出力Ｗと、排気ガスＨの排気量とが所定の相関関係にあることに着目し、所定の発電出力Ｗのときに、排気ガスＨの排気量とほぼ比例する排気管の排気抵抗Ｒが一定になるように混合ガス制御弁７１を制御して、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率を変化させる。排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの流量をＱ、排気ガスＨの密度をρとしたとき、ρ×Ｑ2にほぼ比例することより、排気抵抗Ｒを一定に制御すれば、排気ガスＨの流量をほぼ一定にすることができる。この結果、本例のガス混合装置６は、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度に影響を与えるガスエンジン２の燃焼温度をほぼ一定に制御することができ、ＮＯｘ濃度を所定の目標値以下の適切な範囲内に維持することができる。また、排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの流量の二乗にほぼ比例するので、検知感度が高いといえる。
【００２８】
また、特に、ガスエンジン２から排気される排気ガスＨの排熱を回収する際に、排気ガスＨの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスＨの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいては、排気ガスＨの温度が大きく異なる。ガス混合コントローラ８は、実際に測定される排気圧力Ｐが、排気ガスＨが排気管２２内を上昇するときに生ずる煙突効果Ｚによって低くなっていることを考慮し、この煙突効果Ｚによる補正を行って混合ガス制御弁７１の制御を行う。
【００２９】
排気抵抗Ｒとは、排気管２２における排気ガスＨの流れ易さのことをいう。
排気管２２が長くなるほどガスエンジン２の出口（排気管２２の入口）に配設された圧力計７２による排気圧力Ｐは高くなる。つまり、排気管２２が長いほど排気抵抗Ｒは高くなる。一方、排気管２２の高さ寸法が大きいときには、排気ガスＨの排気温度Ｔが高いほど、排気ガスＨが上昇する力（排気ガスＨと、排気管２２の出口における大気との温度の違いによる比重差から生じる力）としての煙突効果Ｚが大きく作用することになる。これにより、圧力計７２によって測定する排気圧力Ｐは、煙突効果Ｚの分だけ低くなっている。
そこで、ガス混合コントローラ８においては、算出手段８２によって排気抵抗Ｒを、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和によって求める。
【００３０】
本例の主燃料ガスＦ１は、発熱量が一定である都市ガス（１３Ａ）であり、本例の副燃料ガスＦ２は、発熱量に変動を生じることがあるバイオガスである。
図１に示すごとく、本例の発電システム１において、ガスエンジン２は、複数の気筒を有して構成されており、混合気供給配管４３におけるスロットルバルブ２１は、その開度を調整してガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するよう構成されている。発電機３は、種々の負荷に対して電力を供給するよう構成されており、商用電源等と協調して動作することができる。
メインコントローラ５及びガス混合コントローラ８は、いずれもコンピュータを用いて構成されている。メインコントローラ５は、電力計３１から発電出力Ｗのデータを受け取って、スロットルバルブ２１の開度を調整して発電機３の発電出力Ｗを所定の目標発電出力に制御するよう構成することができる。なお、発電出力Ｗのデータの代わりに、発電機３に設けた回転速度計による回転速度のデータを用いることもできる。
【００３１】
外気に開放した空気配管４１の入口部には、ガスエンジン２への異物混入を防止するための吸気フィルタ４１１が設けてある。また、混合燃料ガスＦ３が流れる燃料配管４２と、燃焼用空気Ａが流れる空気配管４１との合流部には、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとを混合するミキサー４４が設けてある。このミキサー４４は、ベンチュリー４４１による吸引作用を利用して、燃焼用空気Ａがベンチュリー４４１を流れる際に、ベンチュリー４４１におけるスロート部４４２が負圧になり、この負圧による吸引力によって燃焼用空気Ａに対して混合燃料ガスＦ３を引き込んで、両者の混合気Ｇを作り出すものである。
【００３２】
図１に示すごとく、ガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１がその供給源から供給される主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２がバイオガス等の副燃料ガスＦ２のタンクから供給される副燃料配管６２とを合流させて、燃料配管４２へ混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。
本例の混合ガス制御弁７１は、主燃料配管６１と副燃料配管６２とが合流した混合燃料配管６３に設けてあり、ガス混合コントローラ８の指令を受けて、混合燃料ガスＦ３の流量を調整するよう構成されている。本例のガス混合装置６は、外気の温度を測定する外気温度計７４を有している。関係マップＭの作成時及び運転時において煙突効果Ｚを求める際には、外気の温度を用いて補正を行う。
【００３３】
また、図１に示すごとく、本例のガス混合装置６は、各構成部品７１、７２、７３、７４、８、配管６１、６２、６３等を一体化したユニットとして、既に設置した発電システム１に対して簡単に装備することができるよう構成してある。具体的には、ガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１を通過させる主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２を通過させる副燃料配管６２と、副燃料配管６２と主燃料配管６１とを合流させて混合燃料ガスＦ３を通過させる混合燃料配管６３と、混合燃料配管６３に配設した混合ガス制御弁７１と、排気管２２における排気圧力Ｐを測定する圧力計７２と、排気管２２における排気温度Ｔを測定する温度計７３と、外気の温度を測定する外気温度計７４と、ガス混合コントローラ８とを一体化したユニットとして構成してある。なお、ガス混合装置６に用いる圧力計７２、温度計７３、外気温度計７４は、発電システム１に予め装備されている場合には、予め装備されたものを使用することができる。
【００３４】
そして、ガス混合装置６は、発電システム１における燃料配管４２に混合燃料配管６３を接続し、発電機３に設けられている電力計３１の発電出力Ｗをガス混合コントローラ８に読み込むよう構成することによって、既に設置した発電システム１に対して簡単に装備することができる。これにより、発電システム１内の改造は、必要最小限にすることができる。
【００３５】
図２には、予めガス混合コントローラ８に設定した関係マップＭの一例を示す。同図は、横軸に発電出力Ｗをとり、縦軸に排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示す。
この関係マップＭは、目標とする所定のＮＯｘ濃度を実現する、所定の混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率で燃焼を行う際における、発電機３の発電出力Ｗと排気管２２における排気抵抗Ｒとの相関関係によって表される。
【００３６】
本例の関係マップＭを作成するに当たっては、発熱量の変動がほとんどない主燃料ガスＦ１を発電システム１のガスエンジン２に供給して発電機３を動作させる際に、所定の発電出力Ｗごとに、実測する排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が目標とするＮＯｘ濃度となる、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を手動で調整しながら設定する。この各混合比率を設定するときに、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを実際に測定すると共に煙突効果Ｚを算出し、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和である排気抵抗Ｒを求める。こうして、発電出力Ｗｍと排気抵抗Ｒｍとの関係マップＭを作成し、この関係マップＭをガス混合コントローラ８に設定しておく。
そして、電力計３１によって発電機３の所定の発電出力Ｗが測定されたときには、この発電出力Ｗを出力する際の目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭから読み取ることができる。
【００３７】
本例の発電システム１は、ビル等に設置するものが多く、ガスエンジン２から排気ガスＨを排気するための排気管２２は、上方に長く形成されている。
排気管２２の構造による煙突効果Ｚは、例えば、次の式によって求めることができる。すなわち、排気管２２の煙突高さをＨ（ｍ）、外気の温度をＴＧ（℃）、排気管２２内の排気ガスＨの入口出口平均温度をＴＨ（℃）としたとき、煙突効果Ｚ（Ｐａ）は、Ｚ＝Ｈ×９．８×｛３５３／（２７３＋ＴＧ）−３４２／（２７３＋ＴＨ）｝から求めることができる。そして、排気抵抗Ｒ（Ｐａ）は、排気管２２における排気圧力Ｐ（Ｐａ）と煙突効果Ｚとの和（Ｒ＝Ｐ＋Ｚ）から求めることができる。
ここで、入口出口平均温度ＴＨは、温度計７３によって測定した排気管２２の入口の排気温度（ガスエンジン２の出口の排気温度）Ｔと、排気管２２の出口の排気温度との平均値として示される。排気管２２の出口の排気温度は、排気管２２の入口の排気温度に基づいて推定して求める。なお、排気管２２の出口の排気温度は、測定することも可能である。
【００３８】
また、本例においては、煙突効果Ｚを、外気の温度ＴＧの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値ＴＧａｖ、入口出口平均温度ＴＨを、入口出口平均温度ＴＨの所定の平均値算出時間ｔ３内における複数の測定値の平均値ＴＨａｖを用いて求め、かつ排気抵抗Ｒを、排気圧力Ｐの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値Ｐａｖに煙突効果Ｚを加算して求めるよう構成してある。
【００３９】
さらに、排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの排気量を測定する代わりに求めるものであるため、排気温度Ｔの違いが排気抵抗Ｒに及ぼす影響を考慮し、１００〜５００℃の高温である排気ガスＨの温度を基準とする基準排気ガスの温度（例えば１２０℃）に換算したときの換算排気抵抗Ｒｓとして、算出手段８２における算出に用いることができる。
換算排気抵抗Ｒｓは、基準排気ガスの温度をＴｓ（℃）としたとき、Ｒｓ＝Ｒ×（２７３＋Ｔｓ）／（２７３＋Ｔ）から求めることができる。
なお、排気管２２が短い場合には、排気の際の抵抗が低くなり、十分な排気圧力Ｐを測定できなくなる。そのため、この場合には、排気管２２に絞り等を設けてガスエンジン２の許容範囲内の排気抵抗をかけることができる。
【００４０】
本例の算出手段８２は、目標排気抵抗Ｒｒを、発電出力Ｗの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値Ｗａｖを関係マップＭに照合して求めるよう構成してある。
また、本例の調整手段８３は、排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、混合ガス制御弁７１の開度を所定量大きくし、一方、排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、混合ガス制御弁７１の開度を所定量小さくするよう構成されている。
【００４１】
また、図１に示すごとく、本例の発電システム１は、ガスエンジン２の排気管２２から排気される排気ガスＨの排熱を排熱回収装置に回収できるよう構成されている。発電システム１は、排気管２２に対して、排熱回収装置の排熱回収部２３と、排熱回収部２３をバイパスするバイパス弁２４とを設けてなる。ガス混合装置６は、バイパス弁２４の開度が調整されることによって、排熱回収部２３から回収する熱量が変更される状態において使用するよう構成されている。
【００４２】
本例の排熱回収部２３及びバイパス弁２４は、ガスエンジン２の排気管２２の入口付近に配設してあり、圧力計７２及び温度計７３は、排気管２２において、排熱回収部２３及びバイパス弁２４の後流側に配設されている。圧力計７２又は温度計７３は、排気管２２の入口付近の排気圧力Ｐ又は排気温度Ｔを測定する。
排熱回収装置に回収した排熱は、種々の排熱利用装置に利用することができる。排熱回収装置は、排熱利用装置からの要求に応じて、排気ガスＨの排熱を回収する量を調整可能である。
【００４３】
副燃料配管６２には、この副燃料配管６２内の副燃料ガスＦ２の圧力を測定するための副燃料用圧力計を配設することができる。ガス混合コントローラ８は、副燃料用圧力計により測定した副燃料ガスＦ２の圧力を読み込み、副燃料ガスＦ２の圧力が、所定の設定圧力よりも低いときには、副燃料ガスＦ２の供給を停止すると共に主燃料ガスＦ１のみをガスエンジン２へ供給するよう構成することができる。
主燃料配管６１には、必要に応じて手動弁７５を設けることができる。この場合には、発電システム１の本運転を行う前に予め試運転を行って、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との初期設定の混合比率を、手動弁７５の開度を調整することにより決定しておくことができる。
【００４４】
また、手動弁７５は、ガス混合コントローラ８によって制御可能な制御弁７５とすることができる。この場合には、ガス混合コントローラ８は、混合ガス制御弁７１の開度に応じて制御弁７５の開度を調整し、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混合比率を変更可能に構成することができる。そして、例えば、副燃料ガス（バイオガス）Ｆ２の熱量が低くなりすぎて、混合ガス制御弁７１が全開でも排気抵抗Ｒが高すぎる場合には、ガス混合コントローラ８は、制御弁７５の開度を大きくして主燃料ガス（都市ガス）Ｆ１の割合を増加させることができる。これにより、ガスエンジン２に失火のおそれがあるガスリーン状態を回避し、混合燃料ガスＦ３の熱量を高め、排気抵抗Ｒを目標排気抵抗Ｒｒとすることができる。そのため、発電システム１に利用することができる副燃料ガス（バイオガス）Ｆ２の発熱量の幅を大きくすることができる。
【００４５】
図３には、横軸に排気温度Ｔをとり、縦軸に煙突（排気管２２）の煙突効果Ｚをとって、これらの関係の一例を示す。同図において、排気温度Ｔ（排気ガスＨの温度）が高くなるに連れて煙突効果も高くなっている。そして、排熱回収装置に排気ガスＨの排熱を多く回収する場合Ａには、排気温度Ｔは、左側の１２０〜２００℃の付近になり、排熱回収装置に排気ガスＨの排熱をほとんど回収しない、あるいは回収しない場合Ｂには、排気管２２内の排気温度Ｔは、右側の４００〜５００℃の付近になる。
【００４６】
次に、本例のガス混合装置６を発電システム１に取り付けて、発電システム１の制御を行う方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、ガス混合コントローラ８の読込手段８１は、所定の測定時間間隔ｔ１（例えば１秒）ごとに、電力計３１による発電出力Ｗ、圧力計７２による排気圧力Ｐ、温度計７３による排気温度Ｔ、外気温度計７４による外気温度ＴＧを測定し（図のステップＳ１）、この測定を所定の制御時間ｔ２（例えば１０秒）になるまで繰り返す（Ｓ２）。
次いで、ガス混合コントローラ８の算出手段８２は、所定の制御時間ｔ２が経過したときには、現計測時点から遡った所定の平均値算出時間ｔ３（例えば１分間）における発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ、排気温度Ｔ、外気温度ＴＧについての平均値Ｗａｖ、Ｐａｖ、Ｔａｖ、ＴＧａｖを求める（Ｓ３）。
【００４７】
次いで、算出手段８２は、煙突効果Ｚ（Ｐａ）を、排気管２２の煙突高さをＨ（ｍ）、入口出口平均温度ＴＨの所定の平均値算出時間ｔ３内の平均値ＴＨａｖ（℃）、外気温度ＴＧの平均値ＴＧａｖ（℃）を用いて、Ｚ＝Ｈ×９．８×｛３５３／（２７３＋ＴＧａｖ）−３４２／（２７３＋ＴＨａｖ）｝から求める（Ｓ４）。
次いで、算出手段８２は、排気抵抗Ｒ（Ｐａ）を、排気圧力Ｐの平均値Ｐａｖ（Ｐａ）と煙突効果Ｚ（Ｐａ）とを用いて、Ｒ＝Ｐａｖ＋Ｚから求める（Ｓ５）。
次いで、算出手段８２は、排気温度Ｔの違いが排気抵抗Ｒに及ぼす影響を考慮して、排気抵抗Ｒを補正した換算排気抵抗Ｒｓを、基準排気ガスＨの温度をＴｓ（℃）として、Ｒｓ＝Ｒ×（２７３＋Ｔｓ）／（２７３＋Ｔａｖ）から求める（Ｓ６）。
【００４８】
次いで、算出手段８２は、発電出力Ｗの平均値Ｗａｖを関係マップＭに照合し、この値Ｗａｖに対応する目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭから読み取る（Ｓ７）。
次いで、調整手段８３は、換算排気抵抗Ｒｓが、目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいか否かを判定し（Ｓ８）、Ｒｓ＞Ｒｒ＋Ｘである場合には、混合ガス制御弁７１の開度を所定量大きくする（Ｓ９）。
一方、調整手段８３は、Ｒｓ＞Ｒｒ＋Ｘでない場合には、換算排気抵抗Ｒｓが、目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいか否かを判定し（Ｓ１０）、Ｒｓ＜Ｒｒ−Ｘである場合には、混合ガス制御弁７１の開度を所定量小さくする（Ｓ１１）。なお、調整手段８３は、Ｒｓ＜Ｒｒ−Ｘでない場合には、混合ガス制御弁７１の開度を維持する。
こうして、ガス混合装置６によって発電システム１を安定して運転することができる。
【００４９】
ところで、副燃料ガスＦ２はバイオガスであり、バイオガスは、メタンの他に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含んでおり、その組成の変動によりその発熱量が変動し易い状態にある。
そして、副燃料ガスＦ２の発熱量が低下したときには、発電機３の発電出力Ｗが低下することになり、この発電出力Ｗの低下を補うためにスロットルバルブ２１の開度が大きくなり、その結果、排気管２２における排気抵抗Ｒが高くなっていると考えられる。スロットルバルブ２１の開度が大きくなるときには、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の供給量が増加すると共に燃焼用空気Ａの供給量も増加している。
【００５０】
このときには、発電機３において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも高くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラ８の調整手段８３により、混合ガス制御弁７１の開度が大きくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスＦ２の発熱量が低下し、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率が低く、ガスリーン状態（混合燃料ガスＦ３の希薄状態）にあるガスエンジン２の燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリーン状態を回避し、ガスエンジン２に失火が生ずることを防止することができる。
【００５１】
一方、副燃料ガスＦ２の発熱量が上昇したときには、発電機３の発電出力Ｗが上昇することになり、この発電出力Ｗの上昇を抑えるためにスロットルバルブ２１の開度が小さくなり、その結果、排気管２２における排気抵抗Ｒが低くなっていると考えられる。スロットルバルブ２１の開度が小さくなるときには、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の供給量が減少すると共に燃焼用空気Ａの供給量も減少している。このときには、発電機３において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも低くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラ８の調整手段８３により、混合ガス制御弁７１の開度が小さくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスＦ２の発熱量が上昇し、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率が高く、ガスリッチ状態（混合燃料ガスＦ３の濃厚状態）にあるガスエンジン２の燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリッチ状態を回避し、ガスエンジン２の排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【００５２】
ところで、発電システム１が、排気ガスＨの排熱を多く回収する場合には、排気ガスＨの温度が大幅に低くなる（１２０℃付近になる）一方、排熱を回収しない場合には、排気ガスＨの温度が大幅に高くなる（４００〜５００℃付近）。これらの場合において、煙突効果Ｚの値には大きな差が生じる。
これに対し、本例のガス混合コントローラ８においては、煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めている。そのため、排気抵抗Ｒを正確に算出することができ、ガス混合コントローラ８の調整手段８３によって混合ガス制御弁７１を制御する精度を向上させることができる。これにより、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を適切に制御することができ、排気ガスＨの排熱を多く回収する場合と回収しない場合とのいずれにおいても、失火の発生及びＮＯｘ濃度の増加を防止して、ガスエンジン２の安定燃焼を行うことができる。
【００５３】
図５には、横軸に排気管２２の排気抵抗Ｒをとり、縦軸に排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度（比率）をとって、これらの関係の一例を示す。
同図において、煙突効果Ｚを考慮した場合の関係ラインを求める際には、発電機３における発電出力Ｗが所定の値になるよう運転するときに、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を変化させ、各混合比率のときの排気圧力Ｐ、排気温度Ｔ等を測定して煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めると共に、各混合比率のときの排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度を実測した。同図において、丸、三角、菱形のプロット点は、混合比率が異なるときのＮＯｘ濃度をそれぞれ示す。そして、各プロット点を回帰分析して描いたものが関係ラインＣである。
【００５４】
また、発電機３における発電出力Ｗが所定の値になるよう運転する際に、煙突効果Ｚを無視して排気抵抗Ｒを求める場合には、排気ガスＨの排気温度Ｔが４５０℃一定であるとしたときには、排気抵抗Ｒと排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度との関係は、推定ラインＤになる。煙突効果Ｚを無視する場合には、排気温度Ｔが高くなるほど関係ラインＤは、関係ラインＣから左側にオフセットされる量が大きくなる。
【００５５】
排気管２２の煙突効果Ｚは、排気ガスＨの排気温度Ｔが高いほど大きく、排気温度Ｔが４００℃と１２０℃との間では、前者が０．０３〜０．０４（ｋＰａ）大きくなる（図３参照）。この程度の煙突効果Ｚの差であっても、図５からわかるように、ＮＯｘ濃度の目標値の設定によっては、ＮＯｘ濃度が大きく変化してしまうことがある。
煙突効果Ｚを無視した場合には、計算上、排気温度Ｔが高くなるほど排気抵抗が小さくなり、ガス混合コントローラ８が、排気抵抗を目標排気抵抗になるよう制御することによって、燃焼用空気Ａの割合が増加され、ＮＯｘ濃度が低下するが、ガスエンジン２の効率低下や失火の問題が生ずるおそれがある。
そのため、煙突効果Ｚを用いて排気抵抗Ｒを補正することにより、ガスエンジン２の効率低下、失火の発生を抑制できる。
【００５６】
（制御方法のシミュレーション）
本シミュレーションにおいては、ガスエンジン２に混合気Ｇを供給する、スロットルバルブ２１の後流側に設けた吸気マニホールドの圧力（混合気Ｇの圧力）を一定にしてガスエンジン２を運転する制御方法（吸気マニホールド圧力一定制御）を行う場合について、混合気Ｇの体積及び組成に対する排気ガスＨの体積及び組成の変化について示す。そして、この体積及び組成の変化に対して、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御（排気ガス量一定制御）を行う場合の効果、並びに吸気マニホールド圧力一定制御を行う場合の課題、及び排気管２２における排気ガスＨ中の酸素濃度を一定にしてガスエンジン２を運転する制御方法（酸素濃度一定制御）を行う場合の課題について検証する。
【００５７】
ここに、本シミュレーションにおいては、主燃料ガスＦ１及び副燃料ガスＦ２の多くはメタンで構成される一方、副燃料ガスＦ２としてのバイオガスには、水素、二酸化炭素等が含まれることを考慮し、混合燃料ガスＦ３が、メタンのみからなる場合、水素のみからなる場合、メタン及び二酸化炭素からなる場合について、完全燃焼を行ったときの体積及び組成の変化を示し、各制御方法による安定燃焼の妥当性を検討する。
【００５８】
以下に、ガスエンジン２に供給する混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合気Ｇの合計体積が５（Ｎｍ3）であると仮定したときの燃焼後の排気ガスＨの組成、体積（Ｎｍ3）の変化について示す。
ここで、水素の発熱量は、１０．７６（ＭＪ／Ｎｍ3）であり、メタンの発熱量は３５．８５（ＭＪ／Ｎｍ3）であるため、水素の発熱量と合わせるため、水素の体積は１（Ｎｍ3）メタンの体積は０．３（Ｎｍ3）（３５．８５×０．３＝１０．７６）とした。
【００５９】
図６に示すごとく、混合燃料ガスＦ３がメタンのみからなる場合、ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏの反応式からそれぞれの体積割合（Ｎｍ3）は、ＣＨ4が１、Ｏ2が２に対し、ＣＯ2が１、Ｈ2Ｏが２となる。この場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、メタンを０．３（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４．７（Ｎｍ3）含むとき、メタンの燃焼に使われる酸素は４．７（Ｎｍ3）のうちの０．６（Ｎｍ3）となる。そして、メタンの完全燃焼が行われたときには、全体の体積は５（Ｎｍ3）のままで、燃焼用空気Ａ中の酸素０．６（Ｎｍ3）が消費されると共に二酸化炭素が０．３（Ｎｍ3）、水が０．６（Ｎｍ3）生成され、残りが残存空気（燃焼用空気Ａのうち燃焼に消費された酸素以外の残りの気体）として４．１（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６０】
図７に示すごとく、混合燃料ガスＦ３が水素のみからなる場合、Ｈ2＋０．５Ｏ2→Ｈ2Ｏの反応式からそれぞれの体積割合（Ｎｍ3）は、Ｈ2が１、Ｏ2が０．５に対し、Ｈ2Ｏが１となる。この場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、水素を１（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４（Ｎｍ3）含むとき、水素の燃焼に使われる酸素は４（Ｎｍ3）のうちの０．５（Ｎｍ3）となる。そして、水素の完全燃焼が行われたときには、全体の体積が４．５（Ｎｍ3）に減少し、燃焼用空気Ａ中の酸素０．５（Ｎｍ3）が消費されると共に水が１（Ｎｍ3）生成され、残りが残存空気として３．５（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６１】
図８に示すごとく、混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素からなる場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、メタンを０．３（Ｎｍ3）、二酸化炭素を０．３（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４．４（Ｎｍ3）含むとき、メタンの燃焼に使われる酸素は４．４（Ｎｍ3）のうちの０．６（Ｎｍ3）となる。そして、メタンの完全燃焼が行われたときには、全体の体積は５（Ｎｍ3）のままで、燃焼用空気Ａ中の酸素０．６（Ｎｍ3）が消費されると共に二酸化炭素が０．３（Ｎｍ3）、水が０．６（Ｎｍ3）生成され、二酸化炭素の合計量は０．６（Ｎｍ3）となり、残りが残存空気として３．８（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６２】
混合燃料ガスＦ３が水素のみからなる場合に、吸気マニホールド圧力一定制御によってガスエンジン２の燃焼運転を行うと、体積が減少した分、排気ガスＨの温度が高くなり、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が増加することになる。つまり、吸気マニホールド圧力一定制御によると、副燃料ガスＦ２中に水素が含まれ、この水素量が増加すると、ＮＯｘ濃度が増加することを意味する。
【００６３】
混合燃料ガスＦ３がメタンのみからなる場合（図６参照）には、燃焼前の酸素量は、４．７×０．２１（空気中の酸素濃度）＝０．９８７（Ｎｍ3）であり、燃焼後の酸素量は、０．９８７−０．６＝０．３８７（Ｎｍ3）となるのに対し、混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素からなる場合（図８参照）には、燃焼前の酸素量は、４．４×０．２１（空気中の酸素濃度）＝０．９２４（Ｎｍ3）であり、燃焼後の酸素量は、０．９２４−０．６＝０．３２４（Ｎｍ3）となる。
【００６４】
酸素濃度一定制御によってガスエンジン２の燃焼運転を行う際に、二酸化炭素が含まれる場合について考える。
混合気Ｇ中に二酸化炭素が含まれないとした場合（図６の混合燃料ガスＦ３がメタンのみ含む場合）には、排気ガスＨ中の酸素濃度が０．３８７／５×１００％＝７．７４％となる。そのため、仮に排気ガスＨ中の目標酸素濃度が７％であることを想定すると、酸素濃度が７％となるよう、燃焼用空気Ａの混合割合が減らされ、ガスリッチになって、ＮＯｘ濃度が増加することになる。
一方、混合気Ｇ中に二酸化炭素が含まれる場合（図８の混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素を含む場合）には、排気ガスＨ中の酸素濃度が０．３２４／５×１００％＝６．４８％となる。そのため、仮に排気ガスＨ中の目標酸素濃度が７％であることを想定すると、酸素濃度が７％となるよう、燃焼用空気Ａの混合割合が増やされ、ガスリーンになって、失火が発生するおそれが生じる。
【００６５】
このように、吸気マニホールド圧力一定制御又は酸素濃度一定制御を行う場合に対し、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御を行う場合には、上記ＮＯｘ濃度の増加、失火の生じるおそれをなくすことができる。すなわち、排気抵抗一定制御を行う場合において、混合燃料ガスＦ３に水素が含まれる場合には、どのような組成であっても一定の熱量の混合燃料ガスＦ３の燃焼を行うとき（一定の発電出力Ｗを出力するとき）の排気ガスＨの排気量を一定にする制御を行うことにより、ガスエンジン２における燃焼温度が安定してＮＯｘ濃度の増加が防止される。この状態は、図７においては、２点鎖線で示すように、排気ガスの体積が５（Ｎｍ3）となるよう、混合気Ｇの体積が増加される状態として表される。
【００６６】
また、排気抵抗一定制御を行う場合において、混合燃料ガスＦ３に二酸化炭素が含まれる場合には、燃焼用空気Ａの供給量が維持されて燃焼前後における混合燃料ガスＦ３と排気ガスＨとの体積がほとんど変化しないように制御され、失火を生じることが防止される。
従って、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御を行うことにより、ＮＯｘ濃度の増加を防止し、失火の発生を防止できることがわかる。
【００６７】
図９には、横軸に、混合燃料ガスＦ３全体に対する副燃料ガスＦ２の混焼率（混合率）をとり、縦軸に、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度及び排気抵抗Ｒをとって、上記実施例１の排気抵抗一定制御を行う場合と、従来の酸素濃度一定制御を行う場合とについて、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度を実測し、排気抵抗Ｒの変化を算出した結果を示す。なお、副燃料ガスＦ２の組成は、メタンが６０％ｖｏｌ、二酸化炭素が４０％ｖｏｌであるとした。
酸素濃度一定制御を行う場合には、副燃料ガスＦ２の混焼率の変化に伴って、排気抵抗Ｒが変化する。特に、副燃料ガスＦ２の混焼率が低いときには、ガスエンジン２から排気される排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が増加することがわかる。これは、副燃料ガスＦ２の混焼率が低くなると、排気ガスＨの排気量が減少し、ガスエンジン２の燃焼温度が上昇することにより、ＮＯｘ濃度が増加したものと考えられる。
【００６８】
これに対し、排気抵抗一定制御を行う場合には、副燃料ガスＦ２の混焼率の変化に対して、排気抵抗Ｒがほぼ一定になる。そして、排気抵抗Ｒがほぼ一定であることにより、排気ガスＨの排気量がほぼ一定になり、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度をほぼ一定に保つことができることがわかる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 発電システム
２ ガスエンジン
２１ スロットルバルブ
２２ 排気管
３ 発電機
３１ 電力計
４１ 空気配管
４２ 燃料配管
４３ 混合気供給配管
５ メインコントローラ
６ ガス混合装置
７１ 混合ガス制御弁
７２ 圧力計
７３ 温度計
７４ 外気温度計
８ ガス混合コントローラ
８１ 読込手段
８２ 算出手段
８３ 調整手段
Ｆ１ 主燃料ガス
Ｆ２ 副燃料ガス
Ｆ３ 混合燃料ガス
Ａ 燃焼用空気
Ｇ 混合気
Ｈ 排気ガス
Ｍ 関係マップ
Ｗ 発電出力
Ｐ 排気圧力
Ｔ 排気温度
ＴＧ 外気温度
Ｚ 煙突効果
Ｒ 排気抵抗
Ｒｒ 目標排気抵抗
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに対して、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ガス等の主燃料ガスと、バイオガス等の副燃料ガスとの２種類の燃料ガスを用いてガスエンジンを運転し、このガスエンジンの出力によって発電機を作動させるよう構成した発電システム（コージェネレーションシステム）においては、種々のシステム方式が採用されている。例えば、副燃料ガスの発熱量に応じて主燃料ガスと燃焼用空気との混合気の供給流量を調整し、２種類の燃料ガスを混合して燃焼を行う方式、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料を用い、空気比を制御しながら燃焼を行う方式等がある。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、バイオガス等の副燃料ガスと燃焼用空気との混合気、及び都市ガス等の主燃料ガスをガスエンジンに供給して、運転を行うよう構成したガスエンジンが開示されている。また、特許文献１においては、ガスエンジンの排気ガス中の酸素濃度又は窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を測定し、この濃度に基づいてガスエンジンへの主燃料ガスの供給流量を変更するバルブの開度を調節することにより、空気比を制御して、ガスエンジンの安定した運転を行っている。
【０００４】
また、特許文献２のガスエンジン用空燃比制御装置においては、排気ガスの質量流量変化に応じて変化する１つ以上の入力信号（例えば排気ガス圧力、温度、あるいは体積流量）を受け、調整出力信号を作り出すことによりエンジンの吸気量における空燃比を制御することが開示されている。これによれば、燃料成分が大幅に変動する可能性のあるガスエンジンにおいて、ＮＯｘを低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３０３０２号公報
【特許文献２】特開２０００−２２０４８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バイオガスには、一般的に、二酸化炭素、窒素等の不燃成分が多く含まれている。特許文献１において、排気ガス中の酸素濃度が一定になるようバルブの開度を調節すると、燃料ガス中におけるバイオガスの割合、バイオガス中の水素、二酸化炭素等の含有量等が変化したときに、排気ガスの排気量が変化し、ガスエンジンにおける燃焼温度が変化することになる。
【０００７】
具体的には、副燃料ガス中の不燃成分の増加により、混合燃料ガス中の不燃成分が増加したときには、排気ガスの排気量が増加して、排気ガス中の酸素濃度が低くなる。そのため、酸素濃度一定制御を行う場合には、排気ガス中の酸素濃度を高くするために、燃焼用空気の供給量を増加させることになり（特許文献１においては主燃料ガスのバルブの開度を減少させることになり）、ガスエンジンにおける燃焼が悪化して、失火等が発生する要因となる。
一方、副燃料ガス中の不燃成分の減少により、混合燃料ガス中の不燃成分が減少したときには、排気ガスの排気量が減少して、排気ガス中の酸素濃度が高くなる。そのため、酸素濃度一定制御を行う場合には、排気ガス中の酸素濃度を低くするために、燃焼用空気の供給量を減少させることになり（特許文献１においては主燃料ガスのバルブの開度を増加させることになり）、ガスエンジンにおける燃焼温度が上昇して、ＮＯｘの発生量が増加する要因となる。
【０００８】
また、特許文献２においては、ガスエンジンからの排気ガスを排熱回収装置等に用いるコージェネレーションシステムを構築する際には、そのまま採用することはできない。すなわち、この場合には、排気ガスの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいて、排気管における排気温度の違いにより排気圧力が大きく変動することがある。そのため、この場合には、ＮＯｘの発生量の抑制と失火の防止とを図ることができない。
【０００９】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、副燃料ガスの発熱量の変動がある場合、及び排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれの場合においても、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を適切に制御して、失火、ＮＯｘ濃度の増加を防止することができる発電システムに用いるガス混合装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
上記発電システムは、上記発電機の発電出力を測定する電力計と、空気配管から吸い込まれた燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電出力を所定の目標発電出力に制御するメインコントローラとを備えており、
上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給する上記混合燃料ガスの流量を調整するための混合ガス制御弁と、上記ガスエンジンの排気管における排気圧力を測定する圧力計と、上記排気管における排気温度を測定する温度計と、上記混合ガス制御弁の開度を調整して上記燃焼用空気に対する上記混合燃料ガスの混合比率を制御するガス混合コントローラとを備えており、
該ガス混合コントローラには、上記電力計によって測定される発電出力Ｗｍと、該発電出力Ｗｍを出力するときに上記圧力計によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップとして予め設定してあり、
上記ガス混合コントローラは、上記電力計によって測定した発電出力Ｗ、上記圧力計によって測定した排気圧力Ｐ、及び上記温度計によって測定した排気温度Ｔを読み込む読込手段と、
上記測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを上記関係マップより求めると共に、上記排気管の構造及び上記測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ上記排気圧力Ｐに上記煙突効果Ｚを加算して排気抵抗Ｒを求める算出手段と、
上記排気抵抗Ｒが上記目標排気抵抗Ｒｒになるよう上記混合ガス制御弁の開度を調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムに用いるガス混合装置においては、副燃料ガスの発熱量の変動があったときに、混合燃料ガスの発熱量に応じた混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切にして、ガスエンジンに失火が生じることを防止すると共に、ガスエンジンの排気ガス中のＮＯｘ濃度の増加を防止するための工夫を行っている。
本発明においては、発電機の発電出力と、排気ガスの排気量とが所定の相関関係にあることに着目し、所定の発電出力のときに、排気ガスの排気量とほぼ比例する排気管の排気抵抗が一定になるように混合ガス制御弁を制御して、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を変化させる。また、特に、ガスエンジンから排気される排気ガスの排熱を回収する際に、排気ガスの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいては、排気ガスの温度が大きく異なる。ガス混合コントローラは、実際に測定される排気圧力が、排気ガスが排気管内を上昇するときに生ずる煙突効果によって低くなっていることを考慮し、この煙突効果による補正を行って混合ガス制御弁の制御を行う。
【００１２】
本発明のガス混合装置は、混合ガス制御弁、圧力計、温度計及びガス混合コントローラを備えており、主燃料ガスと副燃料ガスとの混合燃料ガスを用いる際に、既存の発電システムに取り付けて使用することができるものである。
発電システムの運転を行う前には、発熱量の変動がほとんどない燃料ガス（主燃料ガス等を用いることができる。）を発電システムに供給し、所定の発電出力ごとに、実測する排気ガス中のＮＯｘ濃度が目標とするＮＯｘ濃度となる混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を設定する。この各混合比率を設定するときに、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを実際に測定すると共に煙突効果Ｚを算出し、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和である排気抵抗Ｒを求める。こうして、発電出力Ｗｍと排気抵抗Ｒｍとの関係マップを作成し、この関係マップをガス混合コントローラに設定しておく。
【００１３】
ガス混合装置のガス混合コントローラは、読込手段、算出手段及び調整手段を備えており、これらの手段によって混合ガス制御弁の制御を行う。
ガス混合コントローラは、読込手段によって、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを読み込む。このとき、これらの値は、所定の時間間隔で複数回読み込むことができる。ガス混合コントローラは、算出手段によって、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップより求めると共に、排気管の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求める。
【００１４】
そして、ガス混合コントローラは、調整手段によって、排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁の開度を調整する。
ここで、副燃料ガスの発熱量が低下したときには、発電機の発電出力Ｗが低下することになり、この発電出力Ｗの低下を補うためにスロットルバルブの開度が大きくなり、その結果、排気管における排気圧力Ｐが高くなっていると考えられる。スロットルバルブの開度が大きくなるときには、ガスエンジンへの混合燃料ガスの供給量が増加すると共に燃焼用空気の供給量も増加している。
【００１５】
このときには、発電機において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも高くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラの調整手段により、混合ガス制御弁の開度が大きくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスの発熱量が低下し、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率が低く、ガスリーン状態（混合燃料ガスの希薄状態）にあるガスエンジンの燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリーン状態を回避し、ガスエンジンに失火が生ずることを防止することができる。
【００１６】
一方、副燃料ガスの発熱量が上昇したときには、発電機の発電出力Ｗが上昇することになり、この発電出力Ｗの上昇を抑えるためにスロットルバルブの開度が小さくなり、その結果、排気管における排気圧力Ｐが低くなっていると考えられる。スロットルバルブの開度が小さくなるときには、ガスエンジンへの混合燃料ガスの供給量が減少すると共に燃焼用空気の供給量も減少している。このときには、発電機において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも低くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラの調整手段により、混合ガス制御弁の開度が小さくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスの発熱量が上昇し、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率が高く、ガスリッチ状態（混合燃料ガスの濃厚状態）にあるガスエンジンの燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリッチ状態を回避し、ガスエンジンの排気ガス中のＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【００１７】
ところで、発電システムが排気ガスの排熱を多く回収する場合には、排気ガスの温度が大幅に低くなる一方、排熱をほとんど回収しない場合には、排気ガスの温度が大幅に高くなる。これらの場合において、煙突効果Ｚの値には大きな差が生じる。
これに対し、本発明においては、煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めている。そのため、排気抵抗Ｒを正確に算出することができ、ガス混合コントローラの調整手段によって混合ガス制御弁を制御する精度を向上させることができる。これにより、混合燃料ガスと燃焼用空気との混合比率を適切に制御することができ、排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれにおいても、失火の発生及びＮＯｘ濃度の増加を防止して、ガスエンジンの安定燃焼を行うことができる。
【００１８】
それ故、本発明のガス混合装置によれば、副燃料ガスの発熱量の変動がある場合、及び排気ガスの排熱を多く回収する場合とほとんど回収しない場合とのいずれの場合においても、燃焼用空気に対する混合燃料ガスの混合比率を適切に制御して、失火、ＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例にかかる、発電システム及びガス混合装置の構成を示す説明図。
【図２】実施例にかかる、横軸に発電出力Ｗをとり、縦軸に排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示すグラフ。
【図３】実施例にかかる、横軸に排気温度Ｔをとり、縦軸に煙突の煙突効果Ｚをとって、これらの関係を示すグラフ。
【図４】実施例にかかる、発電システムの制御を行う方法を示すフローチャート。
【図５】実施例にかかる、横軸に排気管の排気抵抗Ｒをとり、縦軸に排気ガス中のＮＯｘ濃度をとって、これらの関係を示すグラフ。
【図６】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスがメタンのみからなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図７】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスが水素のみからなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図８】制御方法のシミュレーションにかかる、混合燃料ガスがメタン及び二酸化炭素からなる場合について、混合燃料ガスから排気ガスが作られる際の組成、体積の変化を示す説明図。
【図９】実施例にかかる、横軸に、混合燃料ガス全体に対する副燃料ガスの混焼率をとり、縦軸に、排気ガス中のＮＯｘ濃度及び排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
上述した本発明の発電システムに用いるガス混合装置における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記読込手段は、上記発電出力Ｗ、上記排気圧力Ｐ、及び上記排気温度Ｔを所定の時間間隔で逐次読み込むよう構成されており、上記調整手段は、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量大きくし、一方、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量小さくするよう構成することが好ましい（請求項２）。
この場合には、発電出力Ｗの平均値Ｗａｖ、排気温度Ｔの平均値Ｔａｖ、排気圧力Ｐの平均値Ｐａｖを用いることにより、排気抵抗Ｒの算出精度を高めることができる。また、調整手段は、混合ガス制御弁の制御を容易に行うことができる。
【００２１】
また、上記算出手段は、上記排気抵抗Ｒを、上記排気温度Ｔを基準排気ガスの温度Ｔｓに換算した換算排気抵抗として求めるよう構成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、排気温度Ｔによって、排気ガスの密度、体積が変化することを考慮して、排気抵抗Ｒを補正して換算排気抵抗として用いる。これにより、排気抵抗Ｒを、排気温度Ｔの変動を考慮して、より正確に算出することができる。
【００２２】
また、上記発電システムは、上記排気管に対して、排熱回収装置の排熱回収部と該排熱回収部をバイパスするバイパス弁とを設けてなり、該バイパス弁の開度が調整されることによって上記排熱回収部から回収する熱量が変更される状態において使用することができる（請求項４）。
排気ガスの排熱回収量が大きく変動する場合でも、ガス混合装置において煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めていることにより、ガスエンジンの安定燃焼を行うことができる。
【実施例】
【００２３】
以下に、本発明の発電システムに用いるガス混合装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の発電システム１に用いるガス混合装置６は、図１に示すごとく、ガスエンジン２の運転を行って発電機３を作動させるよう構成した発電システム１に対して装備し、発電システム１へ都市ガス（１３Ａ）等の主燃料ガスＦ１とバイオガス等の副燃料ガスＦ２とを混合させた混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。
発電システム１は、発電機３の発電出力Ｗを測定する電力計３１と、空気配管４１から吸い込まれた燃焼用空気Ａと燃料配管４２に供給された混合燃料ガスＦ３とを混合させて混合気Ｇを作り出す混合気供給配管４３と、混合気供給配管４３に配設して、ガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するためのスロットルバルブ２１と、スロットルバルブ２１の開度を調整して発電機３の発電出力Ｗを所定の目標発電出力に制御するメインコントローラ５とを備えている。
【００２４】
ガス混合装置６は、燃料配管４２に供給する混合燃料ガスＦ３の流量を調整するための混合ガス制御弁７１と、ガスエンジン２の排気管２２における排気圧力Ｐを測定する圧力計７２と、排気管２２における排気温度Ｔを測定する温度計７３と、混合ガス制御弁７１の開度を調整して燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率を制御するガス混合コントローラ８とを備えている。
ガス混合コントローラ８には、図２に示すごとく、電力計３１によって測定される発電出力Ｗｍと、発電出力Ｗｍを出力するときに圧力計７２によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップＭとして予め設定してある。
【００２５】
図１に示すごとく、ガス混合コントローラ８は、次の読込手段８１、算出手段８２及び調整手段８３を備えている。読込手段８１は、電力計３１によって測定した発電出力Ｗ、圧力計７２によって測定した排気圧力Ｐ、及び温度計７３によって測定した排気温度Ｔを、所定の時間間隔（サンプリング間隔）ｔ１で読み込むよう構成されている。算出手段８２は、測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭより求めると共に、排気管２２の構造及び測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ排気圧力Ｐに煙突効果Ｚを加算して求めた排気抵抗Ｒを求めるよう構成されている。調整手段８３は、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒになるよう混合ガス制御弁７１の開度を調整するよう構成されている。
【００２６】
以下に、本例のガス混合装置６につき、図１〜図９を参照して詳説する。
本例の発電システム１に用いるガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混合燃料ガスＦ３を発電システム１に供給するものであり、副燃料ガスＦ２の発熱量の変動があったときに、混合燃料ガスＦ３の発熱量に応じた混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を適切にして、ガスエンジン２に失火が生じることを防止すると共に、ガスエンジン２の排気ガスＨ中におけるＮＯｘ濃度の増加を防止するものである。
【００２７】
本例においては、発電機３の発電出力Ｗと、排気ガスＨの排気量とが所定の相関関係にあることに着目し、所定の発電出力Ｗのときに、排気ガスＨの排気量とほぼ比例する排気管の排気抵抗Ｒが一定になるように混合ガス制御弁７１を制御して、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率を変化させる。排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの流量をＱ、排気ガスＨの密度をρとしたとき、ρ×Ｑ2にほぼ比例することより、排気抵抗Ｒを一定に制御すれば、排気ガスＨの流量をほぼ一定にすることができる。この結果、本例のガス混合装置６は、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度に影響を与えるガスエンジン２の燃焼温度をほぼ一定に制御することができ、ＮＯｘ濃度を所定の目標値以下の適切な範囲内に維持することができる。また、排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの流量の二乗にほぼ比例するので、検知感度が高いといえる。
【００２８】
また、特に、ガスエンジン２から排気される排気ガスＨの排熱を回収する際に、排気ガスＨの排熱を多く排熱回収装置等へ回収する場合と、排気ガスＨの排熱を少なく排熱回収装置等へ回収する場合とにおいては、排気ガスＨの温度が大きく異なる。ガス混合コントローラ８は、実際に測定される排気圧力Ｐが、排気ガスＨが排気管２２内を上昇するときに生ずる煙突効果Ｚによって低くなっていることを考慮し、この煙突効果Ｚによる補正を行って混合ガス制御弁７１の制御を行う。
【００２９】
排気抵抗Ｒとは、排気管２２における排気ガスＨの流れ易さのことをいう。
排気管２２が長くなるほどガスエンジン２の出口（排気管２２の入口）に配設された圧力計７２による排気圧力Ｐは高くなる。つまり、排気管２２が長いほど排気抵抗Ｒは高くなる。一方、排気管２２の高さ寸法が大きいときには、排気ガスＨの排気温度Ｔが高いほど、排気ガスＨが上昇する力（排気ガスＨと、排気管２２の出口における大気との温度の違いによる比重差から生じる力）としての煙突効果Ｚが大きく作用することになる。これにより、圧力計７２によって測定する排気圧力Ｐは、煙突効果Ｚの分だけ低くなっている。
そこで、ガス混合コントローラ８においては、算出手段８２によって排気抵抗Ｒを、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和によって求める。
【００３０】
本例の主燃料ガスＦ１は、発熱量が一定である都市ガス（１３Ａ）であり、本例の副燃料ガスＦ２は、発熱量に変動を生じることがあるバイオガスである。
図１に示すごとく、本例の発電システム１において、ガスエンジン２は、複数の気筒を有して構成されており、混合気供給配管４３におけるスロットルバルブ２１は、その開度を調整してガスエンジン２へ供給する混合気Ｇの流量を調整するよう構成されている。発電機３は、種々の負荷に対して電力を供給するよう構成されており、商用電源等と協調して動作することができる。
メインコントローラ５及びガス混合コントローラ８は、いずれもコンピュータを用いて構成されている。メインコントローラ５は、電力計３１から発電出力Ｗのデータを受け取って、スロットルバルブ２１の開度を調整して発電機３の発電出力Ｗを所定の目標発電出力に制御するよう構成することができる。なお、発電出力Ｗのデータの代わりに、発電機３に設けた回転速度計による回転速度のデータを用いることもできる。
【００３１】
外気に開放した空気配管４１の入口部には、ガスエンジン２への異物混入を防止するための吸気フィルタ４１１が設けてある。また、混合燃料ガスＦ３が流れる燃料配管４２と、燃焼用空気Ａが流れる空気配管４１との合流部には、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとを混合するミキサー４４が設けてある。このミキサー４４は、ベンチュリー４４１による吸引作用を利用して、燃焼用空気Ａがベンチュリー４４１を流れる際に、ベンチュリー４４１におけるスロート部４４２が負圧になり、この負圧による吸引力によって燃焼用空気Ａに対して混合燃料ガスＦ３を引き込んで、両者の混合気Ｇを作り出すものである。
【００３２】
図１に示すごとく、ガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１がその供給源から供給される主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２がバイオガス等の副燃料ガスＦ２のタンクから供給される副燃料配管６２とを合流させて、燃料配管４２へ混合燃料ガスＦ３を供給するよう構成してある。
本例の混合ガス制御弁７１は、主燃料配管６１と副燃料配管６２とが合流した混合燃料配管６３に設けてあり、ガス混合コントローラ８の指令を受けて、混合燃料ガスＦ３の流量を調整するよう構成されている。本例のガス混合装置６は、外気の温度を測定する外気温度計７４を有している。関係マップＭの作成時及び運転時において煙突効果Ｚを求める際には、外気の温度を用いて補正を行う。
【００３３】
また、図１に示すごとく、本例のガス混合装置６は、各構成部品７１、７２、７３、７４、８、配管６１、６２、６３等を一体化したユニットとして、既に設置した発電システム１に対して簡単に装備することができるよう構成してある。具体的には、ガス混合装置６は、主燃料ガスＦ１を通過させる主燃料配管６１と、副燃料ガスＦ２を通過させる副燃料配管６２と、副燃料配管６２と主燃料配管６１とを合流させて混合燃料ガスＦ３を通過させる混合燃料配管６３と、混合燃料配管６３に配設した混合ガス制御弁７１と、排気管２２における排気圧力Ｐを測定する圧力計７２と、排気管２２における排気温度Ｔを測定する温度計７３と、外気の温度を測定する外気温度計７４と、ガス混合コントローラ８とを一体化したユニットとして構成してある。なお、ガス混合装置６に用いる圧力計７２、温度計７３、外気温度計７４は、発電システム１に予め装備されている場合には、予め装備されたものを使用することができる。
【００３４】
そして、ガス混合装置６は、発電システム１における燃料配管４２に混合燃料配管６３を接続し、発電機３に設けられている電力計３１の発電出力Ｗをガス混合コントローラ８に読み込むよう構成することによって、既に設置した発電システム１に対して簡単に装備することができる。これにより、発電システム１内の改造は、必要最小限にすることができる。
【００３５】
図２には、予めガス混合コントローラ８に設定した関係マップＭの一例を示す。同図は、横軸に発電出力Ｗをとり、縦軸に排気抵抗Ｒをとって、これらの関係を示す。
この関係マップＭは、目標とする所定のＮＯｘ濃度を実現する、所定の混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率で燃焼を行う際における、発電機３の発電出力Ｗと排気管２２における排気抵抗Ｒとの相関関係によって表される。
【００３６】
本例の関係マップＭを作成するに当たっては、発熱量の変動がほとんどない主燃料ガスＦ１を発電システム１のガスエンジン２に供給して発電機３を動作させる際に、所定の発電出力Ｗごとに、実測する排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が目標とするＮＯｘ濃度となる、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を手動で調整しながら設定する。この各混合比率を設定するときに、発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ及び排気温度Ｔを実際に測定すると共に煙突効果Ｚを算出し、排気圧力Ｐと煙突効果Ｚとの和である排気抵抗Ｒを求める。こうして、発電出力Ｗｍと排気抵抗Ｒｍとの関係マップＭを作成し、この関係マップＭをガス混合コントローラ８に設定しておく。
そして、電力計３１によって発電機３の所定の発電出力Ｗが測定されたときには、この発電出力Ｗを出力する際の目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭから読み取ることができる。
【００３７】
本例の発電システム１は、ビル等に設置するものが多く、ガスエンジン２から排気ガスＨを排気するための排気管２２は、上方に長く形成されている。
排気管２２の構造による煙突効果Ｚは、例えば、次の式によって求めることができる。すなわち、排気管２２の煙突高さをＨ（ｍ）、外気の温度をＴＧ（℃）、排気管２２内の排気ガスＨの入口出口平均温度をＴＨ（℃）としたとき、煙突効果Ｚ（Ｐａ）は、Ｚ＝Ｈ×９．８×｛３５３／（２７３＋ＴＧ）−３４２／（２７３＋ＴＨ）｝から求めることができる。そして、排気抵抗Ｒ（Ｐａ）は、排気管２２における排気圧力Ｐ（Ｐａ）と煙突効果Ｚとの和（Ｒ＝Ｐ＋Ｚ）から求めることができる。
ここで、入口出口平均温度ＴＨは、温度計７３によって測定した排気管２２の入口の排気温度（ガスエンジン２の出口の排気温度）Ｔと、排気管２２の出口の排気温度との平均値として示される。排気管２２の出口の排気温度は、排気管２２の入口の排気温度に基づいて推定して求める。なお、排気管２２の出口の排気温度は、測定することも可能である。
【００３８】
また、本例においては、煙突効果Ｚを、外気の温度ＴＧの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値ＴＧａｖ、入口出口平均温度ＴＨを、入口出口平均温度ＴＨの所定の平均値算出時間ｔ３内における複数の測定値の平均値ＴＨａｖを用いて求め、かつ排気抵抗Ｒを、排気圧力Ｐの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値Ｐａｖに煙突効果Ｚを加算して求めるよう構成してある。
【００３９】
さらに、排気抵抗Ｒは、排気ガスＨの排気量を測定する代わりに求めるものであるため、排気温度Ｔの違いが排気抵抗Ｒに及ぼす影響を考慮し、１００〜５００℃の高温である排気ガスＨの温度を基準とする基準排気ガスの温度（例えば１２０℃）に換算したときの換算排気抵抗Ｒｓとして、算出手段８２における算出に用いることができる。
換算排気抵抗Ｒｓは、基準排気ガスの温度をＴｓ（℃）としたとき、Ｒｓ＝Ｒ×（２７３＋Ｔｓ）／（２７３＋Ｔ）から求めることができる。
なお、排気管２２が短い場合には、排気の際の抵抗が低くなり、十分な排気圧力Ｐを測定できなくなる。そのため、この場合には、排気管２２に絞り等を設けてガスエンジン２の許容範囲内の排気抵抗をかけることができる。
【００４０】
本例の算出手段８２は、目標排気抵抗Ｒｒを、発電出力Ｗの所定の平均値算出時間内における複数の測定値の平均値Ｗａｖを関係マップＭに照合して求めるよう構成してある。
また、本例の調整手段８３は、排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、混合ガス制御弁７１の開度を所定量大きくし、一方、排気抵抗Ｒが、目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、混合ガス制御弁７１の開度を所定量小さくするよう構成されている。
【００４１】
また、図１に示すごとく、本例の発電システム１は、ガスエンジン２の排気管２２から排気される排気ガスＨの排熱を排熱回収装置に回収できるよう構成されている。発電システム１は、排気管２２に対して、排熱回収装置の排熱回収部２３と、排熱回収部２３をバイパスするバイパス弁２４とを設けてなる。ガス混合装置６は、バイパス弁２４の開度が調整されることによって、排熱回収部２３から回収する熱量が変更される状態において使用するよう構成されている。
【００４２】
本例の排熱回収部２３及びバイパス弁２４は、ガスエンジン２の排気管２２の入口付近に配設してあり、圧力計７２及び温度計７３は、排気管２２において、排熱回収部２３及びバイパス弁２４の後流側に配設されている。圧力計７２又は温度計７３は、排気管２２の入口付近の排気圧力Ｐ又は排気温度Ｔを測定する。
排熱回収装置に回収した排熱は、種々の排熱利用装置に利用することができる。排熱回収装置は、排熱利用装置からの要求に応じて、排気ガスＨの排熱を回収する量を調整可能である。
【００４３】
副燃料配管６２には、この副燃料配管６２内の副燃料ガスＦ２の圧力を測定するための副燃料用圧力計を配設することができる。ガス混合コントローラ８は、副燃料用圧力計により測定した副燃料ガスＦ２の圧力を読み込み、副燃料ガスＦ２の圧力が、所定の設定圧力よりも低いときには、副燃料ガスＦ２の供給を停止すると共に主燃料ガスＦ１のみをガスエンジン２へ供給するよう構成することができる。
主燃料配管６１には、必要に応じて手動弁７５を設けることができる。この場合には、発電システム１の本運転を行う前に予め試運転を行って、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との初期設定の混合比率を、手動弁７５の開度を調整することにより決定しておくことができる。
【００４４】
また、手動弁７５は、ガス混合コントローラ８によって制御可能な制御弁７５とすることができる。この場合には、ガス混合コントローラ８は、混合ガス制御弁７１の開度に応じて制御弁７５の開度を調整し、主燃料ガスＦ１と副燃料ガスＦ２との混合比率を変更可能に構成することができる。そして、例えば、副燃料ガス（バイオガス）Ｆ２の熱量が低くなりすぎて、混合ガス制御弁７１が全開でも排気抵抗Ｒが高すぎる場合には、ガス混合コントローラ８は、制御弁７５の開度を大きくして主燃料ガス（都市ガス）Ｆ１の割合を増加させることができる。これにより、ガスエンジン２に失火のおそれがあるガスリーン状態を回避し、混合燃料ガスＦ３の熱量を高め、排気抵抗Ｒを目標排気抵抗Ｒｒとすることができる。そのため、発電システム１に利用することができる副燃料ガス（バイオガス）Ｆ２の発熱量の幅を大きくすることができる。
【００４５】
図３には、横軸に排気温度Ｔをとり、縦軸に煙突（排気管２２）の煙突効果Ｚをとって、これらの関係の一例を示す。同図において、排気温度Ｔ（排気ガスＨの温度）が高くなるに連れて煙突効果も高くなっている。そして、排熱回収装置に排気ガスＨの排熱を多く回収する場合Ａには、排気温度Ｔは、左側の１２０〜２００℃の付近になり、排熱回収装置に排気ガスＨの排熱をほとんど回収しない、あるいは回収しない場合Ｂには、排気管２２内の排気温度Ｔは、右側の４００〜５００℃の付近になる。
【００４６】
次に、本例のガス混合装置６を発電システム１に取り付けて、発電システム１の制御を行う方法について、図４のフローチャートを参照して説明する。
まず、ガス混合コントローラ８の読込手段８１は、所定の測定時間間隔ｔ１（例えば１秒）ごとに、電力計３１による発電出力Ｗ、圧力計７２による排気圧力Ｐ、温度計７３による排気温度Ｔ、外気温度計７４による外気温度ＴＧを測定し（図のステップＳ１）、この測定を所定の制御時間ｔ２（例えば１０秒）になるまで繰り返す（Ｓ２）。
次いで、ガス混合コントローラ８の算出手段８２は、所定の制御時間ｔ２が経過したときには、現計測時点から遡った所定の平均値算出時間ｔ３（例えば１分間）における発電出力Ｗ、排気圧力Ｐ、排気温度Ｔ、外気温度ＴＧについての平均値Ｗａｖ、Ｐａｖ、Ｔａｖ、ＴＧａｖを求める（Ｓ３）。
【００４７】
次いで、算出手段８２は、煙突効果Ｚ（Ｐａ）を、排気管２２の煙突高さをＨ（ｍ）、入口出口平均温度ＴＨの所定の平均値算出時間ｔ３内の平均値ＴＨａｖ（℃）、外気温度ＴＧの平均値ＴＧａｖ（℃）を用いて、Ｚ＝Ｈ×９．８×｛３５３／（２７３＋ＴＧａｖ）−３４２／（２７３＋ＴＨａｖ）｝から求める（Ｓ４）。
次いで、算出手段８２は、排気抵抗Ｒ（Ｐａ）を、排気圧力Ｐの平均値Ｐａｖ（Ｐａ）と煙突効果Ｚ（Ｐａ）とを用いて、Ｒ＝Ｐａｖ＋Ｚから求める（Ｓ５）。
次いで、算出手段８２は、排気温度Ｔの違いが排気抵抗Ｒに及ぼす影響を考慮して、排気抵抗Ｒを補正した換算排気抵抗Ｒｓを、基準排気ガスＨの温度をＴｓ（℃）として、Ｒｓ＝Ｒ×（２７３＋Ｔｓ）／（２７３＋Ｔａｖ）から求める（Ｓ６）。
【００４８】
次いで、算出手段８２は、発電出力Ｗの平均値Ｗａｖを関係マップＭに照合し、この値Ｗａｖに対応する目標排気抵抗Ｒｒを関係マップＭから読み取る（Ｓ７）。
次いで、調整手段８３は、換算排気抵抗Ｒｓが、目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいか否かを判定し（Ｓ８）、Ｒｓ＞Ｒｒ＋Ｘである場合には、混合ガス制御弁７１の開度を所定量大きくする（Ｓ９）。
一方、調整手段８３は、Ｒｓ＞Ｒｒ＋Ｘでない場合には、換算排気抵抗Ｒｓが、目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいか否かを判定し（Ｓ１０）、Ｒｓ＜Ｒｒ−Ｘである場合には、混合ガス制御弁７１の開度を所定量小さくする（Ｓ１１）。なお、調整手段８３は、Ｒｓ＜Ｒｒ−Ｘでない場合には、混合ガス制御弁７１の開度を維持する。
こうして、ガス混合装置６によって発電システム１を安定して運転することができる。
【００４９】
ところで、副燃料ガスＦ２はバイオガスであり、バイオガスは、メタンの他に、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等を含んでおり、その組成の変動によりその発熱量が変動し易い状態にある。
そして、副燃料ガスＦ２の発熱量が低下したときには、発電機３の発電出力Ｗが低下することになり、この発電出力Ｗの低下を補うためにスロットルバルブ２１の開度が大きくなり、その結果、排気管２２における排気抵抗Ｒが高くなっていると考えられる。スロットルバルブ２１の開度が大きくなるときには、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の供給量が増加すると共に燃焼用空気Ａの供給量も増加している。
【００５０】
このときには、発電機３において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも高くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラ８の調整手段８３により、混合ガス制御弁７１の開度が大きくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスＦ２の発熱量が低下し、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率が低く、ガスリーン状態（混合燃料ガスＦ３の希薄状態）にあるガスエンジン２の燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリーン状態を回避し、ガスエンジン２に失火が生ずることを防止することができる。
【００５１】
一方、副燃料ガスＦ２の発熱量が上昇したときには、発電機３の発電出力Ｗが上昇することになり、この発電出力Ｗの上昇を抑えるためにスロットルバルブ２１の開度が小さくなり、その結果、排気管２２における排気抵抗Ｒが低くなっていると考えられる。スロットルバルブ２１の開度が小さくなるときには、ガスエンジン２への混合燃料ガスＦ３の供給量が減少すると共に燃焼用空気Ａの供給量も減少している。このときには、発電機３において所定の目標発電出力を出力する際の排気圧力Ｐを含む排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒよりも低くなっていると考えられる。そこで、ガス混合コントローラ８の調整手段８３により、混合ガス制御弁７１の開度が小さくなるよう調整され、排気抵抗Ｒが目標排気抵抗Ｒｒに近づけられる。
これにより、副燃料ガスＦ２の発熱量が上昇し、燃焼用空気Ａに対する混合燃料ガスＦ３の混合比率が高く、ガスリッチ状態（混合燃料ガスＦ３の濃厚状態）にあるガスエンジン２の燃焼状態を最適な燃焼状態に戻すことができる。そのため、ガスリッチ状態を回避し、ガスエンジン２の排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度の増加を防止することができる。
【００５２】
ところで、発電システム１が、排気ガスＨの排熱を多く回収する場合には、排気ガスＨの温度が大幅に低くなる（１２０℃付近になる）一方、排熱を回収しない場合には、排気ガスＨの温度が大幅に高くなる（４００〜５００℃付近）。これらの場合において、煙突効果Ｚの値には大きな差が生じる。
これに対し、本例のガス混合コントローラ８においては、煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めている。そのため、排気抵抗Ｒを正確に算出することができ、ガス混合コントローラ８の調整手段８３によって混合ガス制御弁７１を制御する精度を向上させることができる。これにより、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を適切に制御することができ、排気ガスＨの排熱を多く回収する場合と回収しない場合とのいずれにおいても、失火の発生及びＮＯｘ濃度の増加を防止して、ガスエンジン２の安定燃焼を行うことができる。
【００５３】
図５には、横軸に排気管２２の排気抵抗Ｒをとり、縦軸に排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度（比率）をとって、これらの関係の一例を示す。
同図において、煙突効果Ｚを考慮した場合の関係ラインを求める際には、発電機３における発電出力Ｗが所定の値になるよう運転するときに、混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合比率を変化させ、各混合比率のときの排気圧力Ｐ、排気温度Ｔ等を測定して煙突効果Ｚを考慮して排気抵抗Ｒを求めると共に、各混合比率のときの排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度を実測した。同図において、丸、三角、菱形のプロット点は、混合比率が異なるときのＮＯｘ濃度をそれぞれ示す。そして、各プロット点を回帰分析して描いたものが関係ラインＣである。
【００５４】
また、発電機３における発電出力Ｗが所定の値になるよう運転する際に、煙突効果Ｚを無視して排気抵抗Ｒを求める場合には、排気ガスＨの排気温度Ｔが４５０℃一定であるとしたときには、排気抵抗Ｒと排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度との関係は、推定ラインＤになる。煙突効果Ｚを無視する場合には、排気温度Ｔが高くなるほど関係ラインＤは、関係ラインＣから左側にオフセットされる量が大きくなる。
【００５５】
排気管２２の煙突効果Ｚは、排気ガスＨの排気温度Ｔが高いほど大きく、排気温度Ｔが４００℃と１２０℃との間では、前者が０．０３〜０．０４（ｋＰａ）大きくなる（図３参照）。この程度の煙突効果Ｚの差であっても、図５からわかるように、ＮＯｘ濃度の目標値の設定によっては、ＮＯｘ濃度が大きく変化してしまうことがある。
煙突効果Ｚを無視した場合には、計算上、排気温度Ｔが高くなるほど排気抵抗が小さくなり、ガス混合コントローラ８が、排気抵抗を目標排気抵抗になるよう制御することによって、燃焼用空気Ａの割合が増加され、ＮＯｘ濃度が低下するが、ガスエンジン２の効率低下や失火の問題が生ずるおそれがある。
そのため、煙突効果Ｚを用いて排気抵抗Ｒを補正することにより、ガスエンジン２の効率低下、失火の発生を抑制できる。
【００５６】
（制御方法のシミュレーション）
本シミュレーションにおいては、ガスエンジン２に混合気Ｇを供給する、スロットルバルブ２１の後流側に設けた吸気マニホールドの圧力（混合気Ｇの圧力）を一定にしてガスエンジン２を運転する制御方法（吸気マニホールド圧力一定制御）を行う場合について、混合気Ｇの体積及び組成に対する排気ガスＨの体積及び組成の変化について示す。そして、この体積及び組成の変化に対して、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御（排気ガス量一定制御）を行う場合の効果、並びに吸気マニホールド圧力一定制御を行う場合の課題、及び排気管２２における排気ガスＨ中の酸素濃度を一定にしてガスエンジン２を運転する制御方法（酸素濃度一定制御）を行う場合の課題について検証する。
【００５７】
ここに、本シミュレーションにおいては、主燃料ガスＦ１及び副燃料ガスＦ２の多くはメタンで構成される一方、副燃料ガスＦ２としてのバイオガスには、水素、二酸化炭素等が含まれることを考慮し、混合燃料ガスＦ３が、メタンのみからなる場合、水素のみからなる場合、メタン及び二酸化炭素からなる場合について、完全燃焼を行ったときの体積及び組成の変化を示し、各制御方法による安定燃焼の妥当性を検討する。
【００５８】
以下に、ガスエンジン２に供給する混合燃料ガスＦ３と燃焼用空気Ａとの混合気Ｇの合計体積が５（Ｎｍ3）であると仮定したときの燃焼後の排気ガスＨの組成、体積（Ｎｍ3）の変化について示す。
ここで、水素の発熱量は、１０．７６（ＭＪ／Ｎｍ3）であり、メタンの発熱量は３５．８５（ＭＪ／Ｎｍ3）であるため、水素の発熱量と合わせるため、水素の体積は１（Ｎｍ3）メタンの体積は０．３（Ｎｍ3）（３５．８５×０．３＝１０．７６）とした。
【００５９】
図６に示すごとく、混合燃料ガスＦ３がメタンのみからなる場合、ＣＨ4＋２Ｏ2→ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏの反応式からそれぞれの体積割合（Ｎｍ3）は、ＣＨ4が１、Ｏ2が２に対し、ＣＯ2が１、Ｈ2Ｏが２となる。この場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、メタンを０．３（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４．７（Ｎｍ3）含むとき、メタンの燃焼に使われる酸素は４．７（Ｎｍ3）のうちの０．６（Ｎｍ3）となる。そして、メタンの完全燃焼が行われたときには、全体の体積は５（Ｎｍ3）のままで、燃焼用空気Ａ中の酸素０．６（Ｎｍ3）が消費されると共に二酸化炭素が０．３（Ｎｍ3）、水が０．６（Ｎｍ3）生成され、残りが残存空気（燃焼用空気Ａのうち燃焼に消費された酸素以外の残りの気体）として４．１（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６０】
図７に示すごとく、混合燃料ガスＦ３が水素のみからなる場合、Ｈ2＋０．５Ｏ2→Ｈ2Ｏの反応式からそれぞれの体積割合（Ｎｍ3）は、Ｈ2が１、Ｏ2が０．５に対し、Ｈ2Ｏが１となる。この場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、水素を１（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４（Ｎｍ3）含むとき、水素の燃焼に使われる酸素は４（Ｎｍ3）のうちの０．５（Ｎｍ3）となる。そして、水素の完全燃焼が行われたときには、全体の体積が４．５（Ｎｍ3）に減少し、燃焼用空気Ａ中の酸素０．５（Ｎｍ3）が消費されると共に水が１（Ｎｍ3）生成され、残りが残存空気として３．５（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６１】
図８に示すごとく、混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素からなる場合、ガスエンジン２に供給される混合気Ｇは、全体の体積を５（Ｎｍ3）として、メタンを０．３（Ｎｍ3）、二酸化炭素を０．３（Ｎｍ3）、燃焼用空気Ａを残りの４．４（Ｎｍ3）含むとき、メタンの燃焼に使われる酸素は４．４（Ｎｍ3）のうちの０．６（Ｎｍ3）となる。そして、メタンの完全燃焼が行われたときには、全体の体積は５（Ｎｍ3）のままで、燃焼用空気Ａ中の酸素０．６（Ｎｍ3）が消費されると共に二酸化炭素が０．３（Ｎｍ3）、水が０．６（Ｎｍ3）生成され、二酸化炭素の合計量は０．６（Ｎｍ3）となり、残りが残存空気として３．８（Ｎｍ3）残ることになる。
【００６２】
混合燃料ガスＦ３が水素のみからなる場合に、吸気マニホールド圧力一定制御によってガスエンジン２の燃焼運転を行うと、体積が減少した分、排気ガスＨの温度が高くなり、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が増加することになる。つまり、吸気マニホールド圧力一定制御によると、副燃料ガスＦ２中に水素が含まれ、この水素量が増加すると、ＮＯｘ濃度が増加することを意味する。
【００６３】
混合燃料ガスＦ３がメタンのみからなる場合（図６参照）には、燃焼前の酸素量は、４．７×０．２１（空気中の酸素濃度）＝０．９８７（Ｎｍ3）であり、燃焼後の酸素量は、０．９８７−０．６＝０．３８７（Ｎｍ3）となるのに対し、混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素からなる場合（図８参照）には、燃焼前の酸素量は、４．４×０．２１（空気中の酸素濃度）＝０．９２４（Ｎｍ3）であり、燃焼後の酸素量は、０．９２４−０．６＝０．３２４（Ｎｍ3）となる。
【００６４】
酸素濃度一定制御によってガスエンジン２の燃焼運転を行う際に、二酸化炭素が含まれる場合について考える。
混合気Ｇ中に二酸化炭素が含まれないとした場合（図６の混合燃料ガスＦ３がメタンのみ含む場合）には、排気ガスＨ中の酸素濃度が０．３８７／５×１００％＝７．７４％となる。そのため、仮に排気ガスＨ中の目標酸素濃度が７％であることを想定すると、酸素濃度が７％となるよう、燃焼用空気Ａの混合割合が減らされ、ガスリッチになって、ＮＯｘ濃度が増加することになる。
一方、混合気Ｇ中に二酸化炭素が含まれる場合（図８の混合燃料ガスＦ３がメタン及び二酸化炭素を含む場合）には、排気ガスＨ中の酸素濃度が０．３２４／５×１００％＝６．４８％となる。そのため、仮に排気ガスＨ中の目標酸素濃度が７％であることを想定すると、酸素濃度が７％となるよう、燃焼用空気Ａの混合割合が増やされ、ガスリーンになって、失火が発生するおそれが生じる。
【００６５】
このように、吸気マニホールド圧力一定制御又は酸素濃度一定制御を行う場合に対し、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御を行う場合には、上記ＮＯｘ濃度の増加、失火の生じるおそれをなくすことができる。すなわち、排気抵抗一定制御を行う場合において、混合燃料ガスＦ３に水素が含まれる場合には、どのような組成であっても一定の熱量の混合燃料ガスＦ３の燃焼を行うとき（一定の発電出力Ｗを出力するとき）の排気ガスＨの排気量を一定にする制御を行うことにより、ガスエンジン２における燃焼温度が安定してＮＯｘ濃度の増加が防止される。この状態は、図７においては、２点鎖線で示すように、排気ガスの体積が５（Ｎｍ3）となるよう、混合気Ｇの体積が増加される状態として表される。
【００６６】
また、排気抵抗一定制御を行う場合において、混合燃料ガスＦ３に二酸化炭素が含まれる場合には、燃焼用空気Ａの供給量が維持されて燃焼前後における混合燃料ガスＦ３と排気ガスＨとの体積がほとんど変化しないように制御され、失火を生じることが防止される。
従って、上記実施例１に示した排気抵抗一定制御を行うことにより、ＮＯｘ濃度の増加を防止し、失火の発生を防止できることがわかる。
【００６７】
図９には、横軸に、混合燃料ガスＦ３全体に対する副燃料ガスＦ２の混焼率（混合率）をとり、縦軸に、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度及び排気抵抗Ｒをとって、上記実施例１の排気抵抗一定制御を行う場合と、従来の酸素濃度一定制御を行う場合とについて、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度を実測し、排気抵抗Ｒの変化を算出した結果を示す。なお、副燃料ガスＦ２の組成は、メタンが６０％ｖｏｌ、二酸化炭素が４０％ｖｏｌであるとした。
酸素濃度一定制御を行う場合には、副燃料ガスＦ２の混焼率の変化に伴って、排気抵抗Ｒが変化する。特に、副燃料ガスＦ２の混焼率が低いときには、ガスエンジン２から排気される排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度が増加することがわかる。これは、副燃料ガスＦ２の混焼率が低くなると、排気ガスＨの排気量が減少し、ガスエンジン２の燃焼温度が上昇することにより、ＮＯｘ濃度が増加したものと考えられる。
【００６８】
これに対し、排気抵抗一定制御を行う場合には、副燃料ガスＦ２の混焼率の変化に対して、排気抵抗Ｒがほぼ一定になる。そして、排気抵抗Ｒがほぼ一定であることにより、排気ガスＨの排気量がほぼ一定になり、排気ガスＨ中のＮＯｘ濃度をほぼ一定に保つことができることがわかる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 発電システム
２ ガスエンジン
２１ スロットルバルブ
２２ 排気管
３ 発電機
３１ 電力計
４１ 空気配管
４２ 燃料配管
４３ 混合気供給配管
５ メインコントローラ
６ ガス混合装置
７１ 混合ガス制御弁
７２ 圧力計
７３ 温度計
７４ 外気温度計
８ ガス混合コントローラ
８１ 読込手段
８２ 算出手段
８３ 調整手段
Ｆ１ 主燃料ガス
Ｆ２ 副燃料ガス
Ｆ３ 混合燃料ガス
Ａ 燃焼用空気
Ｇ 混合気
Ｈ 排気ガス
Ｍ 関係マップ
Ｗ 発電出力
Ｐ 排気圧力
Ｔ 排気温度
ＴＧ 外気温度
Ｚ 煙突効果
Ｒ 排気抵抗
Ｒｒ 目標排気抵抗
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
上記発電システムは、上記発電機の発電出力を測定する電力計と、空気配管から吸い込まれた燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電出力を所定の目標発電出力に制御するメインコントローラとを備えており、
上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給する上記混合燃料ガスの流量を調整するための混合ガス制御弁と、上記ガスエンジンの排気管における排気圧力を測定する圧力計と、上記排気管における排気温度を測定する温度計と、上記混合ガス制御弁の開度を調整して上記燃焼用空気に対する上記混合燃料ガスの混合比率を制御するガス混合コントローラとを備えており、
該ガス混合コントローラには、上記電力計によって測定される発電出力Ｗｍと、該発電出力Ｗｍを出力するときに上記圧力計によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップとして予め設定してあり、
上記ガス混合コントローラは、上記電力計によって測定した発電出力Ｗ、上記圧力計によって測定した排気圧力Ｐ、及び上記温度計によって測定した排気温度Ｔを読み込む読込手段と、
上記測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを上記関係マップより求めると共に、上記排気管の構造及び上記測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ上記排気圧力Ｐに上記煙突効果Ｚを加算して排気抵抗Ｒを求める算出手段と、
上記排気抵抗Ｒが上記目標排気抵抗Ｒｒになるよう上記混合ガス制御弁の開度を調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記読込手段は、上記発電出力Ｗ、上記排気圧力Ｐ、及び上記排気温度Ｔを所定の時間間隔で逐次読み込むよう構成されており、
上記調整手段は、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量大きくし、一方、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量小さくするよう構成されていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記算出手段は、上記排気抵抗Ｒを、上記排気温度Ｔを基準排気ガスの温度Ｔｓに換算した換算排気抵抗として求めるよう構成されていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記発電システムは、上記排気管に対して、排熱回収装置の排熱回収部と該排熱回収部をバイパスするバイパス弁とを設けてなり、
該バイパス弁の開度が調整されることによって上記排熱回収部から回収する熱量が変更される状態において使用することを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項１】
ガスエンジンの運転を行って発電機を作動させるよう構成した発電システムに対して装備し、該発電システムへ都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混合させた混合燃料ガスを供給するよう構成したガス混合装置であって、
上記発電システムは、上記発電機の発電出力を測定する電力計と、空気配管から吸い込まれた燃焼用空気と燃料配管に供給された上記混合燃料ガスとを混合させて混合気を作り出す混合気供給配管と、該混合気供給配管に配設して、上記ガスエンジンへ供給する上記混合気の流量を調整するためのスロットルバルブと、該スロットルバルブの開度を調整して上記発電機の発電出力を所定の目標発電出力に制御するメインコントローラとを備えており、
上記ガス混合装置は、上記燃料配管に供給する上記混合燃料ガスの流量を調整するための混合ガス制御弁と、上記ガスエンジンの排気管における排気圧力を測定する圧力計と、上記排気管における排気温度を測定する温度計と、上記混合ガス制御弁の開度を調整して上記燃焼用空気に対する上記混合燃料ガスの混合比率を制御するガス混合コントローラとを備えており、
該ガス混合コントローラには、上記電力計によって測定される発電出力Ｗｍと、該発電出力Ｗｍを出力するときに上記圧力計によって測定される排気圧力Ｐｍに煙突効果Ｚｍを加算して求められる排気抵抗Ｒｍとの関係が関係マップとして予め設定してあり、
上記ガス混合コントローラは、上記電力計によって測定した発電出力Ｗ、上記圧力計によって測定した排気圧力Ｐ、及び上記温度計によって測定した排気温度Ｔを読み込む読込手段と、
上記測定した発電出力Ｗを出力するときの目標排気抵抗Ｒｒを上記関係マップより求めると共に、上記排気管の構造及び上記測定した排気温度Ｔを用いて煙突効果Ｚを求め、かつ上記排気圧力Ｐに上記煙突効果Ｚを加算して排気抵抗Ｒを求める算出手段と、
上記排気抵抗Ｒが上記目標排気抵抗Ｒｒになるよう上記混合ガス制御弁の開度を調整する調整手段とを備えていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記読込手段は、上記発電出力Ｗ、上記排気圧力Ｐ、及び上記排気温度Ｔを所定の時間間隔で逐次読み込むよう構成されており、
上記調整手段は、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒに所定の不感帯圧力幅Ｘを加算した値よりも大きいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量大きくし、一方、上記排気抵抗Ｒが、上記目標排気抵抗Ｒｒから所定の不感帯圧力幅Ｘを減算した値よりも小さいときには、上記混合ガス制御弁の開度を所定量小さくするよう構成されていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記算出手段は、上記排気抵抗Ｒを、上記排気温度Ｔを基準排気ガスの温度Ｔｓに換算した換算排気抵抗として求めるよう構成されていることを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システムに用いるガス混合装置において、上記発電システムは、上記排気管に対して、排熱回収装置の排熱回収部と該排熱回収部をバイパスするバイパス弁とを設けてなり、
該バイパス弁の開度が調整されることによって上記排熱回収部から回収する熱量が変更される状態において使用することを特徴とする発電システムに用いるガス混合装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−８２７９１（Ｐ２０１２−８２７９１Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３１３９５（Ｐ２０１０−２３１３９５）
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]