CN104114954A - 热电联供系统的控制装置和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的热电联供系统中，将利用发电机的废热加热的热水存储于储热水箱，抑制从冻结抑制控制到通常控制的恢复期间的水循环通路的水的冻结，同时快速恢复到通常控制，抑制系统的效率下降。当散热部等处水循环通路的水有冻结可能的冻结条件成立时，执行冻结抑制控制。冻结抑制控制的解除条件成立时，将发电机出口的热回收温度的目标值(第一恢复目标值)SVTf2设定为最小目标温度SVTf2_min，之后，直到实际的热回收出口温度(实际温度)PVTf2达到标准目标值Tf2_std的期间，每当实际温度PVTf2达到从第一恢复目标值SVTf2减去规定温度x的值时，将第一恢复目标值SVTf2更新为加上规定温度y(>x)的值。

Description

热电联供系统的控制装置和控制方法
技术领域
本发明涉及回收来自燃料电池等的发电装置的热(排热)并加热水，在储热水箱存储热水的热电联供系统，尤其涉及从冻结抑制控制恢复到通常控制时的控制技术，所述冻结抑制控制在回收热的水有可能冻结的状況下执行。
背景技术
在这种具有在发电装置和储热水箱之间进行水循环的水循环路的热电联供系统中，寒冷时水循环路内的水的冻结成为问题。尤其是，用于将储热水箱底部的水供给到发电装置的流路的冷却用的散热器部的本身不能由隔热材料等覆盖，因此暴露于低温外部大气中变得过冷却而容易发生水的冻结。
因此，专利文献1中公开了，寒冷时，用发电装置(燃料电池)加热的水以储热水箱为旁路在散热器中循环的冻结抑制。
又，专利文献2中公开了，寒冷时，当储热水箱的水温较高时，以储热水箱为旁路在散热器中循环，当储热水箱的水温较低时，储热水箱内的水在散热器内循环并以辅助热源加热，谋求冻结抑制。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特开2009－257656号公报
专利文献1:特开2007－278579号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，专利文献1、2中，具有以下问题。
通过提高水温的冻结抑制控制暂时解决了冻结的情况的话，虽然解除冻结抑制控制进入到通常控制，但是一旦恢复为通常控制，提供给发电装置的水的温度(热交换部入口温度)就会下降。
通常控制中，为将发电装置出口侧的水温(热交换部出口温度)维持于一定的高温，在发电装置出口侧的温度较低时，进行控制使得水循环量减少，在发电装置入口侧的温度较高时，进行控制使得水循环量增大。因此，由于从冻结抑制控制恢复到通常控制引起发电装置入口侧的温度的下降，随之水循环量减少。
这里，在刚解除冻结抑制之后，如上所述下降了的发电装置入口侧温度和发电装置出口侧温度的目标值之差较大。因此，需要使得水温快速上升，循环路内的水循环装置的水循环量大幅减少。
但是，刚解除冻结抑制控制后的循环水仍在低温状态，循环量大幅减少的话，就会转换为容易再度冻结的状态。尤其在风吹的状况下散热器部中放热继续，水循环路内的循环水再冻结的可能性升高。
又，为了避免上述的状況，一旦提高冻结抑制控制的解除条件(将外部大气温度、循环水温的解除温度设定为较高)，那么冻结抑制控制延长、系统的运行效率下降。
专利文献1中，没有给出解除冻结抑制控制切换到通常控制时，避免上述发电装置入口侧温度的下降导致再冻结的手段。
专利文献2中，不参照发电装置入口侧温度而基于储热水箱内的水温确定水循环通路，因此基于旁路循环的冻结抑制控制达到较长时间，系统效率低下。又，固体氧化物型燃料电池(SOFC)用作为发电装置的系统中，可能由于冷却水温度的上升导致重整水不足。
本发明的目的在于提供热电联供系统的控制装置和控制方法，其着眼于解决以往的课题，在冻结抑制控制被解除并转换到通常控制时，通过进行适当的恢复控制，抑制再冻结并快速恢复通常控制，抑制系统的效率下降。
解决问题的手段
因此，本发明提供一种热电联供系统的控制装置，包括：随着发热而发电的发电装置；存储水的储热水箱；将该储热水箱内的水提供给所述发电装置的热交换部的第1流路；将在所述发电装置的热交换部加热的热水提供给所述储热水箱内的第2流路；使得水在包括所述发电装置、所述储热水箱、所述第1流路和所述第2流路的水循环路内循环的水循环装置；计测所述第2流路的水温的温度计测部；执行通常控制、冻结抑制控制和恢复控制的控制部，其中所述通常控制使得所述水循环装置动作以使所述第2流路的规定地点的水温接近标准目标值；所述冻结抑制控制在所述水循环路的冻结条件成立时，抑制所述水循环路内的水的冻结；所述恢复控制在从所述冻结抑制控制转换到所述通常控制时，使得所述第2流路的规定地点的水温的第1恢复目标值阶段地上升到所述通常控制用的标准目标值。
本发明还提供一种热电联供系统的控制方法，所述热电联供系统包括：随着发热而发电的发电装置；存储水的储热水箱；将该储热水箱内的水提供给所述发电装置的热交换部的第1流路；将在所述发电装置的热交换部被加热的热水提供到所述储热水箱内的第2流路；在由所述发电装置、所述储热水箱、所述第1流路和所述第2流路构成的水循环路内使水循环的水循环装置，该控制方法进行如下动作：执行通常控制，其将发电装置出口的热回收温度作为目标值；在所述水循环路的冻结条件成立时执行冻结抑制控制；当所述冻结条件被解除，从所述冻结抑制控制向所述通常控制转换时，进行控制，以使所述水温的目标值逐渐上升到所述通常控制时用的标准目标值。
发明效果
对于第2流路的规定地点的水温，从冻结抑制控制转换到通常控制时，进行控制，以使用于该转换时设定的第1的恢复目标值阶段性上升达到通常控制时的最终标准目标值。由此，随着水温阶段性上升水循环量逐渐减少，所以可抑制水循环路的再冻结并转换到通常控制。
又，由于不需要将水温的目标值设定为超过需要的高温作为冻结抑制控制的解除条件，因此不延长冻结抑制控制，可抑制系统的效率下降。
附图说明
图1是显示本发明的热电联供系统的概略框图。
图2是判断同系统中冻结抑制控制的实施的有无的控制的第1实施方式的流程图。
图3是显示恢复控制中在蓄电池中存储剩余电力的实例的框图。
图4是判断同系统中冻结抑制控制的实施的有无的控制的第2实施方式的流程图。
具体实施方式
下面，基于图说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明的实施方式的热电联供系统100的概略图。
本系统100包括：随着发热而发电的发电装置1、存储水的储热水箱2、将积存于储热水箱2下部的较低温的水通过散热器3供给到发电装置1的热交换部的第1流路4、将在发电装置1的热交换部加热的热水提供给储热水箱2的上部的第2流路5。然后，通过被夹设于第2流路5的水循环装置6使得水在发电装置1和储热水箱2之间循环的水循环路被构成。
作为发电装置1，除了固体高分子型燃料电池(PEFC)或固体氧化物型燃料电池(SOFC)等的燃料电池，也可包括以燃气轮机为驱动源的装置。
储热水箱2的上部连接有取出热水的出热水管7，下部连接有补给上水(常温水)的给水管8。
所述散热器3包括风扇3a和加热器3b，与储热水箱2一起被收纳在箱壳体9内的上部中。箱壳体9的上部开有通气孔9a。
本实施方式中，水循环装置6收纳于发电装置1的壳体1a内，但不限于本配置例。
又，为了水循环装置6的控制等，配设有检测散热器入口温度Tr1的第1温度传感器10、检测散热器出口温度Tr2的第2温度传感器11、检测发电装置1出口温度Tf2的第3温度传感器12、检测储热水箱2的入口温度Ts1的第4温度传感器13、和检测环境温度(外部大气温度)的第5温度传感器14。然后，这些传感器的温度计测值输入到控制器21。
具有所述构成的热电联供系统100中，冬季等寒冷时，对水循环路尤其是暴露在外部大气容易发生过度冷却的散热器3部中水的冻结进行抑制的控制(冻结抑制控制)通过控制器21执行。
又，通过上述冻结抑制控制的执行，如果没有水循环路的水冻结的担心，则解除该冻结抑制控制，恢复为通常控制。
然后，包括从上述冻结抑制控制转换到通常控制的恢复控制的系统100的控制以如下方式被执行。
图2显示上述控制的流程。
步骤S1中，发生放置的话，判断水循环路的水，尤其是散热器部的水有冻结可能的冻结条件是否成立。该冻结条件可以为环境温度(外部大气温度)在规定值以下等公知的条件，也可将风量的增大或循环量的减少导致散热器上下游的温度差等的增大加到条件中。
冻结条件成立时，进入到步骤S2执行冻结抑制控制。具体来说，暂时增大水循环装置6的驱动量进行水循环量增大的控制。这样增大水循环量的话，每单位水量的冷却量减少，可抑制水循环路的水的冻结。另外，在发电装置加热的热水的至少一部分，也可不经过储热水箱2提供给第1流路4，或并用使加热器3b动作的控制。
执行冻结抑制控制后，步骤S3中判断规定的冻结抑制控制解除条件是否成立。具体来说，判断从冻结抑制控制的执行开始是否经过规定时间。或，判断散热器3的散热器入口温度Tr1和散热器出口温度Tr2的温度差ΔT(＝Tr1－Tr2)是否变为规定值以下，散热器3的冷却效果是否减少。又，可将上述冻结条件不成立作为冻结解除条件，也可例如，将散热器3的上下流的温度差为规定值ΔT1以上时作为冻结条件的成立要件的组成部分时，以使得控制稳定(防止摆动)。这样，也可将冻结解除条件的成立要件设为，同温度差为规定值ΔT2(＜ΔT1)以下等，以赋予延时(ヒステリシス)。
步骤S3中判定冻结抑制控制解除条件成立时，进到步骤S4。
步骤S4中，将位于第2流路5的规定地点的发电装置1出口的发电装置出口侧温度的目标值(以下，称为目标温度)SVTf2(第1恢复目标值)设为最小目标温度SVTf2＿min。这里，最小目标温度SVTf2＿min例如设定为55℃左右。或，也可以将当前的实际温度PVTf2加上规定温度ΔTf2(例如8℃)的温度设定为最小目标温度SVTf2＿min。
步骤S5中，判断第4温度传感器13检测到的实际的发电装置出口侧温度(以下称为实际温度)PVTf2是否在从当前的目标温度(第1的恢复目标值)SVTf2减去规定温度x的值(第2的恢复目标值)以上。规定温度x设定为例如3℃左右。
刚解除冻结抑制控制之后，根据水循环量的增大，相对于发电装置1的发热量的水温的上升量减少，因此，通常来说，实际温度PVTf2相比于最小目标温度SVTf＿min，更加低温。
因此，步骤S5的判定为否的话，就NO进到步骤S6，再度判断冻结条件是否成立，不成立时，返回步骤S5。
然后，根据目标温度SVTf2的增大，水循环量减少实际温度PVTf2上升，步骤S5中，当判断实际温度PVTf2为第2恢复目标值(＝SVTf2－x)以上，进到步骤S7。
步骤S7中，判定实际温度PVTf2是否达到通常控制中发电装置出口侧的标准温度(标准目标值)Tf2＿std。标准目标值Tf2＿std为通常控制中最终的(稳定状态中的)目标值，例如，设定为85℃左右。
向通常控制转换的恢复控制开始后不久，由于实际温度PVTf2小于标准目标值Tf2＿std，所以步骤S7的判定为NO，进到步骤S8，再度判断冻结条件是否成立，当不成立时进到步骤S9。
步骤S9中，第1的恢复目标值SVTf2更新为仅加上规定温度y后的值。这里，规定温度y(＞x＞0)设定为例如8℃左右。
然后，再度返回步骤S5重复上述的判定。即，步骤S6、8中冻结条件不成立的通常的情况下，首先向通常控制转换的恢复控制开始后，实际温度PVTf2达到比最小目标温度SVTf2＿min低规定值x(3℃)的温度时，第1恢复目标值SVTf2增大规定值y(8℃)地进行更新。然后，以后每次确认实际温度PVTf2达到比更新后的第1恢复目标值SVTf2低x度(3℃)的第2恢复目标值时，将第1恢复目标值SVTf2每次增大规定值y(8℃)地进行更新。重复上述动作(即，确认每y－x＝5℃的水温上升)，逐渐接近标准目标值Tf2＿std。
简单来说，步骤S5中，也可不特别设定规定值x(x＝0℃)而确认规定值y(例如5℃)的上升，并更新为规定值y上升后的值。另一方面，可通过设定规定值x(＜y)，维持接近刚更新后的升温速度的速度，使得温度迅速升温。
这样，步骤S7中，判断逐渐上升的实际温度PVTf2达到标准目标值Tf2＿std后，继续基本上将实际温度PVTf2维持为标准目标值Tf2＿std的控制。
如上，从冻结抑制控制转换到通常控制之间的恢复控制中，并不将目标温度SVTf2从一开始就一下子切换到通常控制时的最终标准目标值Tf2＿std，而是将最小目标温度SVTf2＿min作为初始值逐渐使恢复目标值上升，以收束于标准目标值Tf2＿std。因此，伴随着实际温度PVTf2的水温逐渐上升，水循环量也逐渐减少。这样，可抑制水循环路的水的再冻结，并快速转换到通常控制。
尤其是，本实施方式中构成为，一边确认实际温度PVTf2追随标准目标值SVTf2的上升而上升，一边更新标准目标值SVTf2的上升，由此可获得稳定的冻结抑制功能。但是，简单来说，也可每隔规定时间逐渐增加标准目标值SVTf2。
具体来说，根据上述恢复控制，由于可确保水循环量为规定量以上，所以不需要将冻结抑制控制的解除条件(外部大气温度或循环水温)设定地过高。由此，由于可缩短冻结抑制控制的持续时间，能够良好地维持系统100的运行效率。
又，通过冻结抑制控制的持续时间的缩短，可至少抑制储热水箱2内的热水温度下降。
另一方面，由于可快速进到通常控制，所以可以使暂时下降的储热水箱2内的热水温度迅速上升恢复。
尤其是，在采用固体氧化物型燃料电池(SOFC)作为发电装置的系统时，由于长时间连续运行，可以以高水温进行热回收，所以一些水温下降的影响可减小。
又，恢复控制中(或冻结抑制控制中)，通过增大发电装置1的发电量而增大发热量，从而促进水的升温，可更提前向通常控制转换的恢复(或者说，可缩短冻结抑制控制时间)。此时，也可预先将发电装置1的发电量增大设定，系统100内具有蓄电池时，也可以将剩余电力充电入该蓄电池。又，也可将发电装置1与系统100外的蓄电池或搭载于停车中的电动车或者混合动力车的蓄电池连接，使上述剩余电力充入该蓄电池。
图3示出上述恢复控制中在蓄电池存储剩余电力的实例。
PCS(功率调节器)31取出发电装置1中产生的直流电力，转换为交流电力，提供给家庭内负荷32。又，发电装置1的发电电力小于家庭内负荷32的需要电力时，作为不足的部分，将系统电源33的系统电力提供到家庭内负荷32。
电力计测器34设于本系统100(PCS31)和系统电源33之间的电力线，对从PCS31和系统电力33向家庭内负荷32供给的电力进行计测。
从连接电力计测器34和家庭内负荷32的电力线介由开关35配置有蓄电池36。蓄电池36可采用图示单点划线所示配置于系统100外的蓄电池(家庭内蓄电池、电动车或搭载于混合动力车的蓄电池等)或，图示双点划线所示的配置于系统101内的蓄电池(系统启动时也使用的蓄电池等)中任何一个。
进行上述冻结抑制控制和恢复控制的控制器21，基于来自电力计测器34的计测值，根据家庭内负荷32的需要电力控制发电装置1的发电电力，作为基本控制。又，基于发电电力的目标值通过PCS31，对从发电装置1取出的电流进行设定·控制。进一步的，由于家庭内负荷32的需用电力急剧减少等，基于电力计测器34的计测值预测供给电力相对于需要电力过剩这样的逆潮流的发生。然后，当预测出逆潮流的发生时，由于该逆潮流的抑制，所以一边对来自发电装置1的发电电力进行减少控制，一边使开关35为ON，暂时将过剩电力存储于蓄电池36。
具有蓄电池的上述构成中，控制器21在解除上述冻结抑制控制并转换到通常控制的恢复控制中(或冻结抑制控制中)使发电装置1的发电电力暂时增大。然后，通过PCS31的控制来增大取出电流，使开关35为ON，将剩余电力存储于蓄电池36。这样，可一边抑制逆潮流，一边充分增大发电量，尽可能缩短恢复到通常控制的恢复时间(或冻结抑制控制时间)。
本实施方式中，为了控制第2流路5中发电装置出口侧的水温，将由第3温度传感器12检测出的发电装置出口温度控制为目标温度。另外，也可将第2流路5中上述以外的位置的水温控制为目标温度。例如，也可将由第4温度传感器13检测出的储热水箱2的入口温度Ts1控制为目标温度。
即使在具有上述的冻结抑制功能的恢复控制中和恢复后的通常控制中，也考虑通过强风增加散热器3的冷却量等原因导致冻结条件成立的情况。
因此，本实施方式中，在恢复控制中和恢复后的通常控制中也判断冻结条件是否成立(步骤S1，步骤S6，步骤S8)。然后，冻结条件成立时，返回步骤S2，执行冻结抑制控制。
像这样，时常对冻结条件进行监视，并在该条件的成立时执行冻结抑制控制，由此可更确实地抑制冻结。
另一方面，如作为发电装置使用固体高分子型燃料电池(PEFC)的系统那样地，在以间歇地进行每日规定时间的运行和停止为基本的系统中，在系统处于停止时，水循环路的水有冻结的情况。
又，如使用固体氧化物型燃料电池(SOFC)作为发电装置的系统那样地，在以连续运行为基本的系统中，通过判定上述的水循环路的水有冻结可能的状況并执行冻结抑制控制，通常能够抑制冻结。但是，系统长时间停止后的重新运行时等，可能在停止中发生水循环路的水冻结。
图4是示出包括如此冻结状态的判定的第2实施方式的控制流程。
步骤S11中，判断发电装置1出口侧的温度(实际温度)Tf2是否超过上限设定温度Tf2＿max。又，循环水的发电装置出口温度Tf2可例如兼用测定来自回收燃料电池系统的废气的热的热交换部16中循环水的出口温度的传感器。
当判定超过上限设定温度Tf2＿max时，步骤S12中判定水循环路的水冻结可能性较大。
即，一旦水循环路的水冻结，水循环路(主要是散热器3)闭塞，水不循环，或由于水循环路的流路截面积减小，第2流路5内的水，尤其是滞留在发电装置1的出口附近的水持续接受来自发电装置1的热而过度温度上升。结果，由于实际温度Tf2超过上限设定温度Tf2＿max，可判断为冻结的可能性较大的状況。
然后，当判断水循环路的水冻结了的可能性较大时，为了抑制强行运行导致的对系统100的不良影响，进而抑制故障的发生，在步骤S13中输出系统100的运行停止的指示。
另一方面，步骤S11中，当判断出实际温度Tf2没有超过上限设定温度Tf2＿max时，判断为水循环路的水没有冻结，并进到步骤S1之后。然后，与第1实施方式相同的，判断冻结条件，当水循环路的水有可能冻结时执行冻结抑制控制。
又，以上基于附图对本发明的实施方式进行说明，但图示的实施方式指示对本发明进行例示，本发明，除了通过实施方式直接示出的，本领域技术人员可在专利请求范围内进行各种改良，变更。
例如，本发明的实施方式中，示出了水循环装置收纳于发电装置1的壳体1a内的实例，但也可收纳于箱壳体9内。又，本发明的实施方式中，示出了加热器3b设于散热器3的旁边，加热通过散热器3的水的实例，但也可设置于水循环路的附近加热水循环路内的水。
符号说明
1…发电装置
2…储热水箱
3…散热器
4…第1流路
5…第2流路
6…水循环装置
7…出热水管
8…给水管
9…箱壳体
9a…通气孔
10…第1温度传感器
11…第2温度传感器
12…第3温度传感器
13…第4温度传感器
14…第5温度传感器
21…控制器
100、100’…热电联供系统。

Claims (8)

1.一种热电联供系统的控制装置，其特征在于，包括：
随着发热而发电的发电装置；
存储水的储热水箱；
将该储热水箱内的水提供给所述发电装置的热交换部的第1流路；
将在所述发电装置的热交换部被加热的热水提供到所述储热水箱内的第2流路；
在由所述发电装置、所述储热水箱、所述第1流路和所述第2流路构成的水循环路内使水循环的水循环装置；
计测所述第2流路的水温的温度计测部；以及
执行通常控制、冻结抑制控制和恢复控制的控制部，其中所述通常控制使得所述水循环装置动作以使所述第2流路的规定地点的水温接近标准目标值；所述冻结抑制控制在所述水循环路的冻结条件成立时，抑制所述水循环路内的水的冻结；所述恢复控制在从所述冻结抑制控制转换到所述通常控制时，使得所述第2流路的规定地点的水温的第1恢复目标值阶段地上升到所述通常控制用的标准目标值。
2.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，所述控制部在所述恢复控制中，每当确定由所述温度计测部取得的所述第2流路的水温达到了设定为在所述第1恢复目标值附近的、比所述第1恢复目标值小的第2恢复目标值时，就将所述第1恢复目标值更新为每次增加了规定量的值。
3.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，所述控制部在所述恢复控制中，每当确认由所述温度计测部取得的所述第2流路的水温达到了所述第1恢复目标值时，就将所述第1恢复目标值更新为每次增加了规定量的值。
4.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，所述第1流路上夹设有冷却用的散热器，作为所述冻结条件的解除条件包括：所述散热器的入口温度和出口温度的温度差减小为规定值以下。
5.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，所述控制部在所述通常控制中还包括以下控制：当所述第2流路的规定地点的水温的计测值比所述标准目标值高时，使所述水循环装置动作使得所述水循环路的水循环量增大，当所述计测值比所述标准目标值低时，使水循环装置动作使得所述水循环路的水循环量减少。
6.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，所述控制部在所述恢复控制中，使得所述发电装置的发电量增大，并将剩余电力存储到本系统内或系统外的蓄电池中。
7.如权利要求1所述的热电联供系统的控制装置，其特征在于，当所述第2流路的规定地点的水温为设定上限温度以上时，所述控制部判定所述水循环路产生了冻结。
8.一种热电联供系统的控制方法，所述热电联供系统包括：随着发热而发电的发电装置；存储水的储热水箱；将该储热水箱内的水提供给所述发电装置的热交换部的第1流路；将在所述发电装置的热交换部被加热的热水提供到所述储热水箱内的第2流路；在由所述发电装置、所述储热水箱、所述第1流路和所述第2流路构成的水循环路内使水循环的水循环装置，所述热电联供系统的控制方法进行如下动作：
执行使得所述第2流路的规定地点的水温接近标准目标值的通常控制；
在所述水循环路的冻结条件成立时执行冻结抑制控制；
当所述冻结条件被解除，从所述冻结抑制控制向所述通常控制转换时，执行使所述水温的目标值逐渐上升到所述通常控制时用的标准目标值的恢复控制。
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