JPH05328666A - コンバインドサイクル発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスエンジンの排熱の特性を有効に利用した
コンバインドサイクル発電設備を得る。 【構成】 ガスエンジン２、このガスエンジン２を動力
源とする同期発電機４、スターリングエンジン３、この
スターリングエンジン３を動力源とする誘導発電機５及
び燃焼装置１０を備え、ガスエンジン３の排ガス路１１
に、スターリングエンジン３の高温側熱交換器１２と外
気を吸引して熱交換により予熱する空気予熱器１３とを
記載順に配設するとともに、空気予熱器１３により予熱
された予熱空気を燃焼装置１０に燃焼用空気として導く
予熱空気路１４と、燃焼装置１０からの燃焼排ガスを、
排ガス路１１におけるガスエンジン２と高温側熱交換器
１２との間に導く燃焼排ガス路１５を設けてコンバイン
ドサイクル発電設備を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガスエンジンを動力源
として備えた発電設備に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、このようなガスエンジンを備えた
発電設備においては、ガスエンジンから動力を得て発電
機によって電気として出力が取り出されるとともに、ジ
ャケット冷却水と排気ガス内に保有されるガスエンジン
の排熱は、電力としては取り出されず、給湯、暖房等の
熱源として熱のまま利用されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、給湯、
暖房等に利用する場合に必要とされる媒体温度は、ジャ
ケット水と同じ１００℃以下で充分であるが、排気ガス
温度は低い場合で４５０℃、高い場合で８００℃程度あ
り、この熱落差分はムダにされていた。特に、最近ＮＯ
ｘ低減の必要から三元触媒法を使用し、空気比１．０の
運転に対する要求が増大しているが、この場合は、エン
ジン発電効率が低く、排ガス温度が高くなる傾向にあ
る。結果、コジェネレーション設備として用いる場合に
於いても、発電効率の低さは経済性の成立を困難として
いる。従って、本発明の目的は、ガスエンジンの排熱の
特性を有効に利用したコンバインドサイクル発電設備を
得ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本願第一発明のコンバインドサイクル発電設備の特徴
構成は、これが ガスエンジン、ガスエンジンを動力源
とする第一発電装置、スターリングエンジン、スターリ
ングエンジンを動力源とする第二発電装置及び燃焼装置
を備え、 ガスエンジンの排ガス路に、スターリングエ
ンジンの高温側熱交換器と外気を吸引して熱交換により
予熱する空気予熱器とを記載順に配設するとともに、空
気予熱器により予熱された予熱空気を前記燃焼装置に燃
焼用空気として導く予熱空気路と、燃焼装置からの燃焼
排ガスを、排ガス路におけるガスエンジンと高温側熱交
換器との間に導く燃焼排ガス路を設けたことにあり、さ
らに、本願第二発明のコンバインドサイクル発電設備の
特徴構成は、ガスエンジン、ガスエンジンを動力源とす
る第一発電装置、スターリングエンジン、スターリング
エンジンを動力源とする第二発電装置を備え、ガスエン
ジンの排ガス路に、スターリングエンジンの高温側熱交
換器を配設するとともに、第一発電器を同期発電機と、
第二発電器を誘導発電機としたことにある。そして、そ
の作用・効果は以下のとおりである。

【０００５】

【作用】本願第一発明の設備は、ガスエンジンについて
はほぼ従来どおりに運転される。スターリングエンジン
は、前述のガスエンジンの排熱と燃焼装置より供給され
る熱によって運転される。ここで、スターリングエンジ
ンの高温部が、従来より８００℃程度なのでガスエンジ
ンの排ガスの温度とよく適合する。従って、前述の熱落
差を有効に利用でき、系全体として排熱の有効利用がす
すむ。さらに、従来熱としてしか回収できなかったガス
エンジンの排熱が、スターリングエンジンにより効率よ
く動力として取り出されることとなる。さらに、空気予
熱器を設けて、予熱された燃焼用空気を燃焼装置に送り
こみ、この燃焼排ガスをもガスエンジンの排ガス路に導
入することにより、スターリングエンジン高温部より出
た排ガスが保有する熱が利用される。即ち、ガスエンジ
ンの排熱が、カスケード的に利用されることとなる。

【０００６】次に本願第二発明の設備においては、スタ
ーリング側に誘導発電機を用いることにより無効電力の
供給が可能となるとともに、設備コストの低下を図るこ
とができる。この場合、ガスエンジンがトリップすれば
誘導発電機も（独立運転でかつ、コンデンサ等の妨害物
のない場合）ただちに発電を停止する。

【発明の効果】従って、以下のような効果を得ることが
できる。 第一発明関係 （１）この構成においては、両エンジンの回転数の適合
性が良好なため、既開発のスターリングエンジンを利用
すれば少ない設計変更でシステムが構築できる。 （２）燃焼装置から排ガス路に供給できる燃焼排ガスの
量を容易に調節できるため、システム全体で熱電比可変
運転が実現できる。 （３）発電効率が高いため、空燃比をλ＝１程度として
低ＮＯｘ運転を実現しつつ、なお比較的高い発電効率を
維持できる。 （４）発電機制御は基本的にはガスエンジン側のみです
み、簡単である。 （５）スターリングエンジン特有の応答性の悪さは、ガ
スエンジンがメインなのでそれ程問題とならない。従っ
てスターリングエンジン単独より発電に適している。

【０００７】第二発明関係 スターリングエンジン側に、発電機として安価な誘導発
電機を利用でき、特殊な発電機制御装置を使用する必要
がないのでコストダウンにつながる。

【０００８】

【実施例】本願の実施例を図面に基づいて説明する。図
１には本願のコンバインドサイクル発電設備１の構成が
示されている。この設備１は、ガスエンジン２とスター
リングエンジン３を備えて構成されており、夫々のエン
ジンに第一発電機としての同期発電機４、第二発電機と
しての誘導発電機５が備えられている。ガスエンジン２
はその混合ガス導入路６にミキサー７と出力調整用のス
ロットル８を備えている。一方、前述のスターリングエ
ンジン３に対しては、ブロアー９より供給される燃焼用
空気により燃料を燃焼させて燃焼排ガスを得る燃焼装置
としてのバーナ１０が備えられている。さて、夫々の装
置の結合構成に関して説明すると、ガスエンジン２の排
ガス路１１に、ガスエンジン側からスターリングエンジ
ンの高温側熱交換器１２が配設され、スターリングエン
ジン３の高温側熱源として、ガスエンジンの排熱が利用
される。さらに、この高温側熱交換器１２の下流側に前
記ブロアー９により吸引された空気を予熱する空気予熱
器１３が配設されている。そして、この空気予熱器１３
により予熱された予熱空気をバーナに導く予熱空気路１
４が設けられ、バーナ１０の燃焼排ガスを、ガスエンジ
ン２と高温側熱交換器１２との間の排ガス路１１内に導
く燃焼排ガス路１５が設けられている。また、燃焼装置
１０からの燃焼排ガスの供給量を調節する供給燃焼排ガ
ス量調節装置１６が備えられている。従って、ガスエン
ジン２の排ガス路１１に供給される燃焼排ガス量の調整
により、スターリングエンジン３の出力調整が行われ
る。同期発電機４、誘導発電機５の出力は、ワットトラ
ンスデューサ１７で調整されて負荷１８に導かれる。

【０００９】この設備構成により、ガスエンジン２の排
熱がスターリングエンジン３により利用されるととも
に、燃焼装置１０から供給される燃焼排ガスの保有する
熱も発電に利用される。従って、この系は、ガスエンジ
ン２による発電系とその排熱を有効利用した効率の比較
的高い発電系となっている。さらに、燃焼装置１０から
供給される燃焼排ガス量を調節することにより、スター
リングエンジン３の発電量を制御できため、全システム
として見た場合、熱電比可変運転可能となっている。

【００１０】上記のようにガスエンジン２が保有する排
熱を動力として回収する場合に、スチームタービン（図
外）を採用することも考えられるが、複水器（図外）、
純水処理装置（図外）等が必要となり設備が極めて複雑
になる。さらに、このような小型のタービン効率は極め
て悪く（１０％以下、これに対してスターリングエンジ
ンの効率は２５％程度を維持できる。）、応答性も悪
い。また、ガスタービンとして回収するにはガスエンジ
ン排ガスの圧力が不足するのみならず、回転数の適合性
の問題もある。

【００１１】さらに、この設備１における発電機につい
て説明すると、発電機には、いずれのタイプを用いても
良いが、ガスエンジン２には一般に同期発電機が採用さ
れる。この場合、無効電力の供給が可能となるので、ス
ターリング側には誘導発電機５を用いてコストダウンを
計るのが良い。従って、ガスエンジンがトリップすれば
誘導発電機５も（独立運転でかつ、コンデンサ等の妨害
物のない場合）ただちに発電を停止する。ガスエンジン
２の回転数は通常１２００ｏｒ１８００ｒｐｍあり、特
に増速又は減速装置を使わなくとも誘導発電機５を１２
００ｒｐｍに設計して、回転数の適合が図れる。

【００１２】以下に、このコンバインドサイクル発電設
備の運転について説明する。ガスエンジン２の運転につ
いては、ほぼ従来と同様である。すなわち、独立運転に
於いては、周波数センサー（図外）又は回転センサー
（図外）によって、回転数一定になるべくスロットル８
を制御し、ＡＶＲ（図外）で電圧を一定に保つ。系統連
系後は、ワットトランスデューサ１７の出力と設定出力
を一致させる様スロットル８を制御する。ガスエンジン
起動後、排ガス温度が上昇した段階で、スターリングエ
ンジン３の作動流体圧力を上げると、自動的にスターリ
ングエンジン３は動き出す。所定量以上の出力がほしい
時は、バーナー１０の燃焼量を増やすと共に、ブロア９
のたとえば回転数を変えて、λを調整すれば良い。誘導
発電機５は出力に応じたスリップ率で運転される。独立
運転では負荷−同期発電機出力＝誘導発電機出力とな
る。

【００１３】〔別実施例〕さらに、熱電比可変を積極的
に利用したい場合、又は、スターリングエンジン３を使
用しない時、排ガス熱回収をしたい場合は、図２に示す
ようにスターリングエンジンの高温熱交換器１２と空気
予熱装置１３の間に、熱回収熱交換器２０を設けても良
い。さらに、スターリングエンジン３の低温側熱源とし
て比較的適切な温度域にあるガスエンジンジャケット水
を、スターリングエンジン３の低温部側２１熱源として
もよい。この構成が図３に示されている。

【００１４】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンバインドサイクル発電設備の構成を示す図

【図２】熱回収用熱交換器を装備した別実施例の図

【図３】ガスエンジンのジャケット水を低温側熱源とし
て利用する別実施例を示す図

【符号の説明】

２ ガスエンジン ３ スターリングエンジン ４ 第一発電機 ５ 第二発電機 １０ 燃焼装置 １１ 排ガス路 １２ 高温側熱交換器 １３ 空気予熱器 １４ 予熱空気路 １５ 燃焼排ガス路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスエンジン（２）、前記ガスエンジン
   （２）を動力源とする第一発電装置（４）、スターリン
   グエンジン（３）、前記スターリングエンジン（３）を
   動力源とする第二発電装置（５）及び燃焼装置（１０）
   を備え、 前記ガスエンジン（３）の排ガス路（１１）に、前記ス
   ターリングエンジン（３）の高温側熱交換器（１２）と
   外気を吸引して熱交換により予熱する空気予熱器（１
   ３）とを記載順に配設するとともに、 前記空気予熱器（１３）により予熱された予熱空気を前
   記燃焼装置（１０）に燃焼用空気として導く予熱空気路
   （１４）と、前記燃焼装置（１０）からの燃焼排ガス
   を、前記排ガス路（１１）における前記ガスエンジン
   （２）と前記高温側熱交換器（１２）との間に導く燃焼
   排ガス路（１５）を設けたコンバインドサイクル発電設
   備。
2. 【請求項２】 ガスエンジン（２）、前記ガスエンジン
   （２）を動力源とする第一発電装置（４）、スターリン
   グエンジン（３）、前記スターリングエンジン（３）を
   動力源とする第二発電装置（５）を備え、 前記ガスエンジン（３）の排ガス路（１１）に、前記ス
   ターリングエンジン（３）の高温側熱交換器（１２）を
   配設するとともに、 前記第一発電器（４）を同期発電機と、前記第二発電器
   （５）を誘導発電機としたコンバインドサイクル発電設
   備。