A22 28kW マイクロガスタービンの排熱による吸収冷凍機の駆動に関する一考察 ○ 君島 真仁（東大工・科学技術振興事業団研究員） 笠木 伸英（東大工） 1. 緒言 の部分負荷特性を含む性能予測解析 (5) 等の研究が行われてい 近年，エネルギーの有効利用の観点から分散エネルギーシ ステムの普及に大きな期待が寄せられている (1)．分散エネル るが，ここでは以下の簡便な方法を採用した．温水回収の場 合については，向流型熱交換器として 83 → 88℃の 5℃の昇温 ギーシステムでは，原動機からの排熱を有効に利用すること によりエネルギーの総合的な利用効率を向上させることが可 幅が得られるような熱コンダクタンス （熱通過率×伝熱面積） を算出し，これを一定として解析を行う．水蒸気回収の場合 能である．このようなコージェネレーションの原理的な有効 性を実際の一次エネルギー消費量削減に寄与させるためには， には，水蒸気圧力を 784.5 kPa(gage)（＝ 8.0kg/cm2 (gage)）と し，排気ガス出口温度と水蒸気飽和温度との差が25℃となる システムの計画・設計の段階で電気・熱エネルギーの供給量 と導入対象のエネルギー需要との整合性に関する検討が不可 熱コンダクタンスを算出し，これを一定として解析を行う． なお，排熱ボイラーへの給水温度は 60℃で一定と仮定する． 欠である．特に冷熱需要に対して排熱駆動吸収冷凍機を利用 して供給を行う場合には，排熱回収特性ならびに吸収冷凍機 吸収冷凍機 吸収冷凍サイクルの解析方法については， 数多くの報告例 (6) がある．ここではサイクルを構成する個々 の特性を考慮したシステムの導入評価が必要となる． 一方，分散エネルギーシステムの中核を担う発電設備とし の熱交換器の物質収支，熱収支に基づく簡便なモデル (7) を利 用して吸収冷凍機の性能の推定を行う．解析に当たっては冷 て特にマイクロガスタービン（µGT）対する関心が高まって おり，様々な技術開発が活発に展開されている (2)．筆者らは， 房能力 10USRt（≒ 35.2kW）を想定し，各熱交換器の熱コン ダクタンスならびに溶液循環量を算出し，これらが一定であ µGTの技術評価ならびに導入評価のために運転特性に関する データを収集することを目的として定格発電出力 28kW の ると仮定し解析を行う．水蒸気回収の場合，高温再生器から 排出される凝縮液は圧力相当の飽和温度であると仮定する． µGT（Capstone 社製 Model330）の性能評価試験を実施してい る (3)．µGT の運転特性として吸気温度が発電特性に及ぼす影 なお，温水，冷却水ならびに冷水の流量は一定とする． 冷却塔 吸収冷凍機の吸収器と凝縮器からの放熱につい 響ならびに部分負荷特性を明らかにし，排気ガスの性状を含 めた分析を行っている． ては空冷方式も考えられるが，本報告では冷却水を利用して 冷却塔により放熱する方式とした．冷却塔で得られる冷却水 本報告では，上述のµGTの性能評価試験の結果に基づいて 排熱により駆動する吸収冷凍機のサイクル解析を行った結果 Air を示す．特に熱回収方式（温水回収，水蒸気回収）の差異を 明らかにし，外気温度の影響ならびにµGTの部分負荷運転時 Fuel (City gas 13A) G Hot water CC µGT の吸収冷凍機の特性に関する検討を行った結果を報告する． 2. 対象とするシステムと解析方法 2.1 システム構成 µGTの排熱により吸収冷凍機を駆動 Single-effect absorption refrigerator Heat exchanger Chilled water Hot water するシステムの構成を図 1 に示す．吸収冷凍サイクルの作動 媒体は，LiBr-H2O 系とする．図 1(a) は，熱交換器を設置し排 AHU 気ガスから温水の形態で熱回収を行い，これを利用して単効 用吸収冷凍機を駆動するシステムである．回収される温水は Cooling water Radiator 温熱需要（給湯，暖房）への供給も可能である．図 1(b) は，排 熱ボイラーで水蒸気を発生させ，これにより二重効用吸収冷 凍機を駆動するシステムである．温水回収の場合と同様に温 熱需要へは水蒸気を直接供給することも可能である．二重効 Exhaust Cooling tower (a) Hot water recovery + Single-effect absorption refrigerator Fuel (City gas 13A) Air 用吸収冷凍機の適用に関しては，排気ガスを直接高温再生器 に投入する方式に関する検討 (4) が行われているが，実際には 温熱供給との併用も想定されることから，ここでは水蒸気回 収とした．吸収冷凍機の構成は一般的な単効用型および二重 効用型とし， 二重効用サイクルはシリーズフロー方式とする． なお，本報告では冷房運転のみを検討対象としている． G 排熱回収熱交換器 µGTの排気ガスから温水あるいは水 蒸気の形態にて熱回収を行う場合には，熱交換器の設置が必 要となる．排気ガスからの熱回収については，排熱ボイラー 平成 13 年度日本冷凍空調学会学術講演会講演論文集（13 ／ 10 − 16 ∼ 18. 東京） − 85 − Steam CC µGT Double-effect absorption refrigerator Steam generator Steam Chilled water 2.2 解析方法 マイクロガスタービン µGT の特性は，既報 (3) の性能評 価試験の結果を適用する．特に排熱回収系の検討に必要な排 気ガスの温度，流量，ガス組成の特性については後述する． Exhaust Condensate Water supply AHU Cooling water Cooling tower (b) Steam recovery + Double-effect absorption refrigerator Fig. 1 Schematic diagram of µGT cogeneration system C 40 3. µGT の排熱について µGT（Capstone 社製 Model 330）の性能評価試験 (3) では，吸 Cooling water temp. o 35 ϕ ==0.9 0.9 30 25 気温度の影響ならびに部分負荷特性に関する検討を行ってい る．ここでは，排熱利用に着目していることから，µGT の排 ϕ=0.5 = 0.5 気ガスの性状について試験結果の一部を紹介する． 図3は全負荷運転時のµGT吸気温度の影響を整理したもの 20 であり， (a) 排気ガス温度，流量，(b) 排気ガス成分の濃度を 示している．図 3 から分かるように，吸気温度が低いほど排 15 10 10 15 20 25 30 35 o Ambient temperature C 気ガス流量は増加し温度は低下する．図 3 に示した温度範囲 では排気ガス温度の低下は小さく，280∼300℃程度であるこ 40 Fig. 2 Relation between ambient temperature and cooling water temperature ( Parameter : Relative humidity ) とがわかる．排気ガス中の H2O の割合は吸気温度が高い場合 に増加する傾向を有し，吸気温度 15℃∼ 28℃の範囲では 2 ∼ 温度は外気温度，湿度，圧力の影響を受ける．ここでは，簡 単のため，冷却水温度＝外気湿球温度（断熱飽和温度）＋ 5.0 5% 程度である．CO2 は，おおむね 1.5% 程度である．燃焼に 伴って生成されるガス成分については，CO，NOx，未燃焼の ℃として外気条件と冷却水温度との関係を与える (8)．図 2 は 標準大気圧（=101.325kPa）の下での外気温に対する冷却水温 CH4ならびに各種の炭化水素類 （THC : Thermal Hydro Carbon） が含まれるが，体積割合で最大 10ppm 程度である． 度の変化を相対湿度 ϕ を媒変数として 0.5 ∼ 0.9 の範囲で 0.05 毎に算出した結果を整理したものである．図 2 からわかるよ 図 4 に部分負荷運転時の試験結果として (a) 排気ガス温度， 流量，(b) 排気ガス成分の濃度をそれぞれ示す．同一電力負荷 うに，同一外気温度では相対湿度が低い程冷却水温度が低く なり，高温多湿の夏期には冷却水温度が高くなる．なお，冬 における試験結果のばらつきは，吸気温度にばらつき（12 ∼ 30℃）があることによるものである．電力負荷が小さい場合 期の低外気温度時に冷却水温度が 20℃未満となる場合には， 補助ヒーターで加熱・制御することを想定し，外気温度に関 に排気ガス温度が低くなり，流量が小さくなる傾向を示す． これは電力負荷に応じて燃焼制御ならびに回転数操作が行わ わらず冷却水温度 20℃にて一定と仮定する． 冷房負荷 ここでは，冷熱需要側に具体的な熱負荷を想 れていることによるものと予想される．排気中の H2O と CO2 の濃度は，負荷が小さくなると減少する傾向を示す．5kW か 定していないことから，吸収冷凍機の冷熱は7.0℃の冷水で取 り出すと仮定し解析を行う． ら 25kW の範囲で H2O が 1.5 ∼ 5.0%，CO2 が 1.0 ∼ 1.5% 程度 である．極端に負荷が小さい場合には燃焼の状態が定格負荷 補機類 実際のシステムの運転のためには，ポンプや補 助ヒーター等の補機類を使用する必要がある．ここでは，シ の場合と異なり，排気中のNOxならびに炭化水素類の割合が Table 1 Mole fraction of chemical species in exhaust gas N2 0.754 H2O 0.050 800 750 Temperature Flow rate 100 10 15 o Exhasut gas temperature 150 700 35 20 25 30 o Air inlet temperature C 800 250 600 500 10 10 10 10 5 10 15 20 Power output kW 300 200 30 25 (a) Exhaust gas temperature and volume flow rate 5 5 10 4 H2O CO2 CO NOx CH4 THC 3 2 1 4 10 H2O CO2 CO NOx CH4 THC 3 10 2 10 1 10 0 0 10 400 Temperature Flow rate 150 100 0 Concentration ppm Concentration ppm 10 700 200 (a) Exhaust gas temperature and volume flow rate 10 900 3 200 0.013 Exhaust gas flow rate Nm /h 850 CO2 C 250 0.183 O2 300 3 900 Exhaust gas flow rate Nm /h 300 o Exhaust gas temperature C ステムのエネルギー収支計算に当たり補機類の消費電力は無 視しうると仮定する． 15 20 25 Air inlet temperature 30 10 35 o C (b) Concentration of chemical species Fig. 3 Characteristic of µGT exhaust gas (Effect of air inlet temp.) 0 5 10 15 20 Power output kW 25 30 (b) Concentration of chemical species Fig. 4 Characteristic of µGT exhaust gas (Partial load operation) − 86 − 高くなるが，それらの濃度は各々 100ppm 以下である． これまでに，都市ガスを燃料とするボイラーの排気ガスか すると 23.9 の冷熱が得られる．このときの COP は 1.17 であ る．排気ガスの温度は 199.5℃，保有熱量は 47.0 となる． らの熱回収についての詳細な研究成果が報告されており，排 気ガス中の潜熱回収を含めた伝熱性能の評価が行われている 上述の通り，熱回収方法により回収熱量が大きな差が生ず る．これは熱回収温度の違いによるもので，高い温度レベル (9) ．µGT では空燃比が大きい（100 以上）ことから，排気ガス の主成分は空気であり，燃焼により発生する水蒸気の含有量 の熱回収を行うと回収できる熱量が小さくなる．二重効用で は単効用と比較してCOPが高くなるが，回収熱量が水蒸気回 は体積割合で 5% 程度である．これに対応する露点温度は 30 ℃程度となる．そのため，排熱利用の温度レベル（温水回収 収の場合の方が小さくなるため，その影響により冷房能力も 小さくなる．二重効用の利用が必ずしもより多くの冷熱取り で85℃程度）を考慮すると排熱回収を行う際に水蒸気の潜熱 を考慮する必要は無いと考えられる． 出しを可能とするわけではないと言える． しかし，水蒸気回収の場合には排気ガス温度が高くなるこ 以上の排気ガスの性状に関する試験結果から，本解析では µGT の排気ガスの組成を表 1 の通りに一定と仮定する． とから，さらに後段で90℃程度の温水が回収できると考えら れる．需要側の負荷パターンによっては並列に温水供給を行 4. µGT の排熱により駆動する吸収冷凍機の特性 4.1 システムのエネルギー収支 外気温度 30℃，相対 湿度 60%，標準大気圧の条件下でのエネルギー収支を整理し うことで総合的なエネルギー利用効率の向上が期待できる． また，冷熱需要が相対的に大きい場合には，回収した温水を 水蒸気と共に一重二重効用併用型吸収冷凍機(7)(10)に供給して， より多くの冷熱供給を行うことも可能であると考えられる． た結果を図 5 に示す．排気の熱量を算出する際の基準温度は 外気温度としている．図中の数値は燃料投入熱量（LHV基準） このように， いくつかの排熱利用方式の計画が可能であるが， 熱回収方法の選定に際しては，需要側の負荷の変動パターン を100とした割合で示しており，各部の温度を併記している． 温水回収＋単効用吸収冷凍機 温水回収の場合には，排気 を十分に考慮した評価を行うことが不可欠である． 4.2 外気温度の影響 相対湿度 60% として標準大気圧 ガスからの回収熱量が 51.5 であり，温水回収温度は 85.0℃で ある．この温水を単効用吸収冷凍機の駆動に利用すると 37.7 下で外気温度を変化させた場合の吸収冷凍機の特性を図 6 に 示す．外気（吸気）温度に対する µGT の排気ガス温度，流量 の冷熱が得られ，このときの COP が 0.73 となる．排気ガスが 持ち去る排熱は 20.9 で排気温度は 105.8℃となる． は図 3 の試験結果を温度の一次関数にて近似をして解析に組 み込んだ．図 6 から分かるように，外気温度が低下すると冷 水蒸気回収＋二重効用吸収冷凍機 水蒸気回収の場合には， 水蒸気圧力を8.0kg/cm2(gage)とすると排気ガスからの回収熱 却水温度の低下に起因して冷房能力は増加する．温水回収の 1.6 量は 27.9 である．この水蒸気にて二重効用吸収冷凍機を駆動 288.9 C Ambient temperature = 30 oC Relative humidity = 0.6 Atmospheric pressure = 101.3 kPa Hot water temp. = 85 oC 0.4 37.7 51.5 o 7.0 C o 89.2 105.8 C Exhaust gas Cooling water (a) Hot water heat recovery 23.2 Loss 4.4 Electric power 288.9 oC C o 23.9 74.9 Water supply 2.5 60.0 oC 7.0 oC 7.5 199.5 oC 47.0 Condensate 174.6 oC Single-effect 40 GT power output 30 20 Double-effect 100 Chilled water 20.4 50 10 Ambient temperature = 30 oC Relative humidity = 0.6 Atmospheric pressure = 101.3 kPa Steam pressure = 784.5 kPa (gage) 72.4 Cooling capacity Heat recovery 60 20.9 Fuel 100 0.6 Chilled water Loss 4.4 1.0 0.8 Heat exchange kW o 1.2 Temperature 72.4 Electric power COP 23.2 Fuel 100 Single-effect cycle Double-effect cycle 1.4 90 Hot water inlet Hot water outlet 80 70 44.3 60 15 Exhaust gas Cooling water (b) Steam heat recovery Fig. 5 Energy flow diagram of µGT cogeneration system 20 25 30 o Ambient temperature C 35 Fig. 6 Effect of ambient temperature on the characteristic of absorption refrigerator driven by µGT waste heat − 87 − 場合には温水流量を一定とすると外気温度の低下に伴って温 水温度が低下し回収熱量が増加するが，これも冷房能力増加 である．なお，実際に µGT の部分負荷運転を行う場合，極端 に電力負荷を小さくすると，発電効率が著しく低下するとと に寄与していると考えることができる．水蒸気回収では，外 気温度の低下に伴って排気ガス流量が減少することにより回 もに，排気ガス中の NOx 成分の増加などの問題が生ずる (3)． 筆者らの試験結果からは， 発電出力 15kW（出力／定格出力 収熱量が減少する．これは，水蒸気圧力を一定としているた めである．COP を比較すると，水蒸気回収の場合が高くなる ＝ 54%）未満で運転することは望ましくないとしている． が，冷房能力は温水回収の場合が大きくなる． 4.3 部分負荷運転時の特性 外気温度 30℃，相対湿度 5. 結言 本報告では，出力 28kW の µGT の性能評価試験の結果から 60%，標準大気圧の条件の下での µGT の部分負荷運転時の吸 収冷凍機の特性を解析した結果を図 7 に示す．部分負荷運転 排気ガスの特性を示し，これに基づいて吸収冷凍機のサイク ル解析を行い，µGT の排熱により駆動する吸収冷凍機の特性 時の排気ガスの温度，流量については図 4 中の 25 ∼ 30℃の吸 気温度範囲のデータに基づいて電力負荷との関係を一次関数 について検討を行った．得られた知見を以下に整理する． (1) µGTの性能評価試験から， 排気ガス特性に対する吸気温度 近似をして解析に組み込んだ．図 7 から温水回収ならびに水 蒸気回収のいずれの場合においても電力負荷の低下に伴って の影響と部分負荷運転時の排気ガス特性を明らかにした． (2) 温水回収と水蒸気回収について吸収冷凍機を含めたエネル 冷房能力が低下することが分かる．これは，電力負荷低下時 の排気ガス温度の低下，排気ガス流量の減少によるものであ る．水蒸気回収の場合には，極端に電力負荷が小さい場合に， 回収される水蒸気による吸収サイクルの作動が困難となる． ギー収支を示した．85℃の温水回収では 38kW，8.0kg/ cm2(gage) の水蒸気回収では 24kW の冷房能力となる． (3) 外気温度が低下した場合には吸収冷凍機の冷房能力が増加 する．温水回収では回収熱量も増加する．これには外気温 図 7 に示した例では，6.7kW 未満の電力負荷の場合には水蒸 気圧力8.0kg/cm2(gage)での回収熱量では吸収冷凍機の駆動は 度低下による温水温度低下が寄与していると考えられる． 水蒸気回収では，水蒸気圧力を一定とすると外気温度の低 不可能となる（冷房能力が 0 となる） ．COPに着目すると，電 力負荷12kW未満では二重効用の COPが単効用のそれよりも 下に伴って回収熱量は減少する．しかしながら，吸収サイ クルの COP が高くなり，冷房能力は増加する． 低くなる．温水回収の場合には，回収熱量が減少するため冷 房能力も低下するが，吸収冷凍機の駆動は可能であり，5kW (4) µGTの部分負荷運転時には，排気ガス温度が低下し流量が 減少することから，吸収冷凍機の冷房能力も減少する．極 の電力負荷の下でも 12kW の冷房能力が得られる． 以上のように，変動する電力需要に対応してµGTを部分負 端に電力負荷が低下するような場合には，二重効用サイク ルの作動が不可能となる場合も出てくる． 荷で運転するような場合には，排熱利用側の特性も十分に考 慮して，熱需要との整合性について検討しておくことが必要 Single-effect cycle Double-effect cycle COP 科技術官の浜名芳晴氏，大学院生の奥田英信君，三輪潤一君 に多大なるご支援を賜った．記して深く感謝の意を表する． 0.8 また，本研究は科学技術振興事業団との間で，戦略的基礎 研究推進事業の一環として契約された資源循環・エネルギー 0.4 ミニマム型システム技術研究領域内の「超小型ガスタービ ン・高度分散型エネルギーシステム」研究の成果である． 0.0 Heat exchange kW 60 Cooling capacity Heat recovery 50 参考文献 (1) 平田賢，空気調和・衛生工学，75-8 (2001)，659-665． (2) 笠木伸英，ターボ機械，28-9 (2000)，522-527． Single-effect 40 30 (3) 笠木伸英・浜名芳晴・奥田英信・三輪潤一・君島真仁，第 29 回ガスタービン定期講演会講演論文集（2000） ，83-88． 20 10 Double-effect (4) 坂内正明・藤田陽一・湯上洋，日本機械学会関東支部第 7 期総会講演会講演論文集（2001） ，275-276． 0 Temperature o C 100 (5) 圓島信也・池口隆，機論（B編） ，65-636 (1999)，2840-2846． (6) 小島弘・秋澤淳・柏木孝夫，冷論，14-2 (1997)，113-124． Hot water inlet Hot water outlet 90 (7) 君島真仁・藁谷至誠・植草常雄・中尾正喜・河合素直，冷 論，13-2 (1996)，187-197． 80 70 (8) 井上宇一 編，空気調和ハンドブック（改訂 4 版） ， （1996） ， 205，丸善． 60 50 謝辞 本報告の作成にあたり，µGT の性能評価試験の実施および 試験結果の整理・評価等において東京大学大学院工学系研究 1.6 1.2 5 10 15 20 Power output kW 25 30 Fig. 7 Characteristic of absorption refrigerator on partial load operation of µGT (9) 刑部真弘・田中収・川上昭典，機論（B編） ，66-649 (2000)， 2471-2477． (10) 齋藤潔・菅野直紀・河合素直・西山教之・本間立・脇水 広記，機論（B 編） ，60-573 (1994)，1770-1777． − 88 −
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