JP2006084056A - コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱需要優先型コジェネレーション装置において、発電出力を得るために熱需要がない場合にも運転可能にすること。
【解決手段】 熱要求出力部４５は熱要求を出力するとともに熱需要が大きいときには特別に追い焚き要求を出力する。エンジン制御部４６は、熱要求が入力されるとエンジン１１を始動させる。ボイラ制御部４７は、ポンプＰ１を駆動して管路１８に冷却水を循環させるとともに、ポンプＰ２を駆動して管路２３に水を循環させる。停電検出部５０は系統の停電を検出して熱要求出力部４５に熱要求および追い焚き要求を強制的に出力させる。強制的な追い焚き要求に対して、追い焚きボイラ２５はファン４４のみを運転する。管路２３の循環水はファン４４によって冷却されるので、熱需要が発生するのでエンジン１１の運転が可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、都市ガスを燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯を行うコジェネレーション装置に関し、特に、熱需要があるときに発電を行う熱需要優先型コジェネレーション装置に関する。

近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。この種のコジェネレーション装置では、発電に伴う熱出力を同時に消費できない場合も多いため、エネルギを無駄なく使用する観点で、消費できない熱量を発生させないようにした熱需要優先型の装置が提案されている。例えば、特開２０００−８７８０１号公報に記載されているコジェネレーション装置では、熱負荷からの熱要求があったときにだけ運転することによって、運転効率を上げるようにしている。また、特開２０００−２９７９６３号公報には、熱需要優先型でありながら、さらに熱出力および熱需要の緩衝器としての給湯タンクを備え、熱出力と熱需要とが一致していないときに、給湯タンク内の温水として熱量を一旦蓄えるようにした装置が提案されている。この装置によれば、コジェネレーション装置の運転時以外でも熱需要に応じて温水を通じて熱量を利用できるようにして熱エネルギの無駄が生じないようにすることができる。
特開２０００−８７８０１号公報 特開２０００−２９７９６３号公報

上述の特許文献に記載された従来のコジェネレーション装置は、熱需要に応じて運転するように構成された熱需要優先型（電気従動型）であるので、熱需要がない場合には運転することができず、したがって発電出力も得られない。すなわち、停電などの非常時に電力が必要となっても、熱需要なしに運転することができない。したがって、例えば家庭にも設置可能な小型のコジェネレーション装置においては、せっかく所有しているこの発電設備を、停電という非常時に直ちに使用できないという不便さがある。

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、熱需要優先型のコジェネレーション装置において、熱需要がない場合にも停電等の非常時においては特別な措置として発電出力を得ることができるコジェネレーション装置を提供することにある。

本発明は、エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンから回収された排熱を回収して外部熱負荷に熱エネルギを供給する熱交換器と、前記外部熱負荷から熱要求が入力されたときに前記エンジンを運転可能にする制御装置とを有するコジェネレーション装置において、前記外部熱負荷への熱供給回路中に、前記エンジンから供給される熱量が不足するときに運転されるボイラを備え、前記ボイラが、バーナおよび燃焼空気供給用のファンを有するとともに、バーナの運転を行わないで前記ファンのみを運転することにより前記熱供給回路を冷却可能に構成されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記発電機の発電出力を系統に連系するとともに、前記系統の停電時に発電出力を系統から解列する切り替え手段と、前記系統の停電時に、前記制御装置に入力される熱要求を強制的に発生させる手段とを具備し、前記系統の停電時に、前記ボイラの前記ファンのみの運転を開始可能にした点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記エンジンの停止中に前記系統の停電が検出されたときには、前記ボイラのファンのみを運転開始するように構成されている点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記系統の停電が発生したときに、前記ファンの運転を開始するように構成した点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記熱交換器が、前記エンジンの排熱を回収する第１熱交換器と、該第１熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する第２熱交換器とからなり、前記第２熱交換器を含む熱供給回路上に前記第２熱交換器および前記ボイラが配置されているとともに、外部負荷としての貯湯タンクを備え、前記貯湯タンク内の水温が設定水温以下のときに熱要求を発生させるようにした点に第５の特徴がある。

第１の特徴によれば、熱需要優先型コジェネレーション装置において、ボイラのバーナを停止して燃焼空気供給用のファンのみを運転することができるので、外部負荷への熱供給回路の一部を形成するボイラ中を通過する熱媒体をファンによって強制的に冷却可能である。したがって、現実の熱需要なしにエンジンを運転しても、エンジンで発生した熱は放出可能であるだけでなく、新たに放熱装置等の熱消費機能を設ける必要がない。

第２の特徴によれば、停電時に、コジェネレーション装置の運転が系統に影響を及ぼすことがないようにし、かつ熱要求を強制的に発生させることができるので、熱需要優先型コジェネレーション装置を非常用発電装置として運転することができる。

第３の特徴によれば、熱の需要がないか熱エネルギに余剰がある状態で運転停止している間に系統の停電が発生した場合であっても、前記ボイラがエンジン冷却水の放熱装置として機能するので、エンジンを運転して発電出力を得ることが可能となる。

第４の特徴によれば、停電発生時に、ファンのみの運転を開始することにより、熱供給回路が冷却されて熱需要が維持されるので、熱需要が低減したり無くなったりしたとしても、発電機は電力負荷に対する電力供給を持続させることができる。したがって、熱需要に応じて発電が停止されるのを防止して、安定した電力供給を行うことができる。

第５の特徴によれば、水温が設定水温以下の場合にのみエンジン発電機が運転されるので、エンジン発電機で発生する熱量は貯湯タンク内の温水として無駄なく蓄積することができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図２はエンジン発電機を商用電力系統に連系させたコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。コジェネレーション装置は、コジェネレーションユニット１００、ボイラユニット２００およびコントローラ３００からなる。コジェネレーションユニット１００は、互いに機械的に連結された（内燃）エンジン１１と発電機１２とからなるエンジン発電機１０を含み、発電機１２はエンジン１１で駆動されてエンジン回転数に応じた交流電力を発生する。エンジン１１は、例えば、都市ガスを燃料とするガスエンジンである。

電力変換装置１３は発電機１２から出力された交流電力を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統の位相と同期をとって連系させる機能を有する。具体的には、発電機１２から出力された交流を直流に変換するコンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するインバータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等の機能を有している（いずれも図示しない）。系統連系用電力変換装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。電力変換装置１３で変換された発電機１２の出力交流は商用電力系統１４と連系して電気負荷１５に接続されている。通常は発電機１２の発電電力のみで電気負荷１５に対応することができるが、大きい電力需要が生じて発電機１２による発電電力に不足が生じた場合は、商用電力系統１４からの電力で不足分をまかなうことができる。

エンジン１１は発電機１２の運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジン１１の水冷装置（第１熱交換器）１６で熱交換により回収されてボイラユニット２００に供給される。エンジン１１からの熱回収はエンジン１１のマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ましい。

ボイラユニット２００は、貯湯タンク１７と、貯湯タンク１７内を通る水（以下、「熱媒体」という）を加温するための第１熱交換器である熱交換器２０，２２、および補助熱源機としての追い焚きボイラ２５を備える。熱媒体の管路（熱供給回路）２３上には、温度上昇した熱媒体つまり温水の利用機設備である風呂追い焚き装置２４、暖房装置２６，２７が設けられる。

図示しない水供給源と貯湯タンク１７との間には給水管３７が設けられ、給水管３７には給水バルブ３８が設けられる。給水バルブ３８は、貯湯タンク１７内の水量が基準値以下になったときに開かれて給水を可能にする。また、貯湯タンク１７の上部からは、貯湯タンク内で熱媒体によって加温された温水を外部の給湯器（図示しない）に引き出す温水経路３３が接続される。この温水経路３３には、温水を給湯器または排水に導く三方弁２１が設けられる。貯湯タンク１７内には、貯湯タンク１７内の水の温度を検出する水温センサ３６と、貯湯タンク内１７の水位が設定水位以下かどうかを検出する水位センサ３９とが設けられる。

冷却水の循環経路つまりエンジン１１の水冷装置１６を通過する管路１８には、冷却水を循環させるポンプＰ１が設けられる。ポンプＰ１は、ボイラユニット２００側に設けてもよいしコジェネレーションユニット１００側に設けてもよい。ポンプＰ１はエンジン発電機１０の運転に連動して起動する一方、エンジン発電機１０が停止されると、その時点から予定時間（タイマによって設定される）経過後に停止するようにするのがよい。ポンプＰ１は、エンジン１１側の温度が貯湯タンク１７側より高くなった時に起動してもよいし、気温が低いときにはエンジン１１を貯湯タンク１７の温水で暖めるために先行して起動してもよい。

エンジン１１の水冷装置１６を通過する冷却水は管路１８内を循環する。エンジン１１の熱を回収して温度が上がった冷却水は、第２熱交換器の一つである熱交換器２０で管路２３を通る熱媒体と熱交換して熱媒体の温度を上昇させる。熱交換器２０で熱交換されて温度が低下した冷却水は、暖房装置２７を経てエンジン１１の水冷装置１６に戻る。

熱交換器２０で温度が上げられた熱媒体は、貯湯タンク１７内のもう一つの第２熱交換器である熱交換器２２を通って貯湯タンク１７内の水を加温する。熱媒体は、ポンプＰ２で風呂追い焚き装置２４および暖房装置２６に給送される。風呂追い焚き装置２４および暖房装置２６を通過して温度が低下した熱媒体は熱交換器２０に戻される。

コントローラ３００は熱需要に応じてエンジン１１の制御を行う。すなわち、コントローラ３００は、水温センサ３６によって検出された水温Ｔが予め設定された設定温度Ｔ１以下のときに熱要求を出力してエンジン１１を駆動し、熱量を発生させる。

また、大きい熱需要が発生したとき、例えば、エンジン発電機１０の連続運転で得られる熱量を超えたような場合や、システムの立上げ時には、貯湯タンク１７内の温水の温度は低下し、給水された水の温度が熱需要に応じられる温度になっていないことがある。このような場合、特別に駆動される追い焚きボイラ２５で加温されて、熱媒体は所望温度に維持される。コントローラ３００は、水温センサ３６によって検出された水温Ｔが水温Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）以下になったときに、追い焚きボイラ２５に追い焚き指令を出力する。例えば、貯湯タンク１７内の温水の温度をエンジン発電機１０からの回収熱のみでは基準温度に維持できないときに、コントローラ３００は追い焚きボイラ２５に運転を指示する。

また、コントローラ３００は、水位センサ３９で検出された貯湯タンク１７内の水位が設定水位より低い場合は、給水のために給水バルブ３８を開く機能を備える。さらに、コントローラ３００は、三方弁２１を切り替えて貯湯タンク１７から排水するための排水制御機能を有する。

コジェネレーションユニット１００は、このように、通常は水温が設定水温より低い場合に熱需要が発生したと判断して熱要求を出力し、エンジン発電機１０はこの熱要求に応答して運転開始される。しかし、このような熱需要優先型コジェネレーション装置においてもエンジン発電機１０を、停電等の非常時に特別措置として運転したいときがある。そこで、非常時には熱要求を強制的に発生させてエンジン発電機１０を運転できるようにする。熱需要が無いときに熱要求を強制的に発生させるのであるから、エンジン１１から発生する熱を消費させる放熱手段を設ける。

本実施形態では、放熱手段として追い焚きボイラ２５を利用する。図３は、追い焚きボイラ２５の構成を示す模式図である。追い焚きボイラ２５は、熱交換器４２、バーナ４３、およびボイラ燃焼空気供給用のファン４４を備える。熱交換器４２は、貯湯タンク１７の熱交換器２２を出た熱媒体が通過する熱供給回路の一部で構成される。熱交換器４２を通過した熱媒体は風呂追い焚き装置２４および暖房装置２６に給送される。

熱要求を強制的に発生させる非常時には、上記追い焚き指令が出力される条件を満足しているかどうかに拘わらず、エンジン１１の運転を開始できるようにし、エンジン１１の運転を開始したならば、バーナ４３を点火せずにファン４４だけを駆動させる。また、エンジン発電機１０および追い焚きボイラ２５が運転中に、系統の停電等の非常事態が生じたときには、バーナ４３を消火してファン４４の運転のみを持続する。

このような、追い焚きボイラ２５のファンのみの運転によって、エンジン１１から回収された熱で温度が上昇している熱媒体が、熱交換器４２でファン４４からの送風によって冷却される。その結果、熱需要がないかもしくは小さい場合にも、放熱により新たな熱需要を発生させ続けることができるため、エンジン１１の始動が可能であるし、エンジン１１が稼働中は停電後もその運転を継続することができる。

図１は、コジェネレーション装置の要部機能ブロック図である。熱要求出力部４５は、例えば、上述のように、貯湯タンク１７内の水温Ｔが設定水温Ｔ１より低いときに熱要求を出力するとともに、外部負荷へ供給する熱量が大きく不足したとき、例えば、暖房装置が稼働する等して貯湯タンク１７の水温Ｔが設定水温Ｔ２より低くなったときに追い焚き要求を出力する。エンジン制御部４６は、熱要求が入力されるとエンジン１１のスタータモータを兼用する発電機１２に電圧を印加してエンジン１１を回転させ、エンジン発電機１０を始動させる。

また、ボイラ制御部４７は、熱要求に応答してポンプＰ１を駆動して管路１８に冷却水を循環させるとともに、ポンプＰ２を駆動して管路２３に熱媒体を循環させる。さらに、ボイラ制御部４７は、追い焚き要求が入力されると、バーナ点火部４８とファン駆動部４９を付勢して追い焚きボイラ２５のバーナ４３に点火すると共にファン４４を駆動する。

本実施形態では、系統１４の停電時に、熱需要がないか熱需要が小さい場合にも、特別な措置としてコジェネレーションユニット１００やボイラユニット２００の運転を可能にする。エンジン１１で発生する熱を放出するために追い焚きボイラ２５は次のように制御される。

停電検出部５０は、系統１４の停電を検出すると停電検出信号をバーナ点火部４８およびファン駆動部４９に入力する。これによって、バーナ点火部４８はバーナ４３の点火を禁止し、ファン駆動部４９はファン４４の運転を可能にする。これによって、ボイラ制御部４７からバーナ点火部４８とファン駆動部４９とに付勢信号が入力された場合であっても、ファン４４のみが運転され、バーナ４３は点火されない。

また、停電検出部５０は、系統１４の停電を検出すると、電力変換装置１３に停電検出信号を入力し、電力変換装置１３は、その内部に含まれるスイッチを切り替えて発電機１２と系統１４とを解列する。

さらに、停電検出部５０は、熱要求出力部４５に停電検出信号を入力する。熱要求出力部４５は、停電検出信号を入力されると、熱要求および追い焚き要求を強制的に出力する。具体的には、前記設定水温Ｔ１およびＴ２を高温側に移動させる。これによって貯湯タンク１７内の水温Ｔは容易に設定水温Ｔ１，Ｔ２を下回るようになるので、熱要求および追い焚き要求が出力される。追い焚き要求が出力された場合でも、停電時は、バーナ点火部４８は点火されないでファン４４のみが運転されるので、水温は低下させられる。

このように、停電時は、追い焚きボイラ２５の熱交換器４２を介して熱媒体から放熱されるので、貯湯タンク１７内での熱回収量が少ないものの、管路２３内の熱媒体は冷却される。そして、管路１８内のエンジン冷却水も熱交換器２０で熱媒体で熱交換されるので、エンジン１１の運転が可能になり、非常時に電力確保できる。

停電検出部５０は、周知のものを使用することができる。例えば、特開２００２−７０６０６号公報に記載した技術を使用することができる。

コジェネレーション装置各部の動作電源は、コジェネレーションユニット１００内に設けられる図示しないバッテリから得ることができる。また、エンジン１１が始動されて発電機１２が制御用の設定電圧を出力するようになれば、発電機１２の出力電圧をコジェネレーション装置各部の動作電源とすることができる。

強制的に熱要求を出力させ、かつ追い焚きボイラ２５をファン４４のみで運転する機能（「自立運転機能」という）は、停電検出時に自動的に作動するものに限定されない。例えば、自立運転機能を選択できるスイッチ５１を設けて選択的にこの機能を使用することができる。このスイッチ５１で自立運転機能が選択されたときに、前電検出信号と同等の信号を熱要求出力部４５とボイラ制御部４７に入力するように構成する。

なお、熱需要がなくなるか低減したときにエンジン１１は停止されるが、そのときに電気負荷１５への電力供給は停止される。このように熱需要優先型の装置では、電気負荷１５に対して安定して電力を供給できない場合があり得る。停電時には系統１４からの電力補充もできないし、バッテリを使用するにしても大きい負荷には対応できない。そこで、エンジン１１が停止したときに、上述のように自立運転機能を発生させるようにしておくことで、電気負荷１５に対して、エンジン１１を継続的に運転可能にすることができる。

また、前記ファン４４のみの運転では、放熱能力が足りずに貯湯タンク１７内の水量が温度的に飽和してしまうことが考えられる。そこで、次のような制御を加えることができる。

前記ボイラユニット２００は、貯湯タンク１７内の水位が設定水位以下になると給水バルブ３８を開いて貯湯タンク１７に給水可能に構成される。そこで、ファン４４の運転みでは放熱が困難になった場合に、三方弁２１を排水側に切り替えて排水し、水位を設定水位以下に下げる。例えば、三方弁２１は、貯湯タンク１７内の水温が予め設定された温度以上になったときに排水側に切り替えられて排水を可能にする。こうして水位が下がることによって、給水バルブ３８が開かれて給水され、結果的に水温を低下させることができる。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部機能を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 追い焚きボイラの構成を示す図である。

符号の説明

１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発電機、 １３…電力変換装置、 １４…商用電力系統、 １７…貯湯タンク、 １６…水冷装置（第１熱交換器）、 ２０，２２…第２熱交換器、 ２１…三方弁、 ２５…追い焚きボイラ、 ３６…水温センサ、 ３９…水位センサ、 ３８…給水バルブ、 ４３…バーナ、 ４４…ファン

Claims (5)

1. エンジンと、このエンジンで駆動される発電機と、前記エンジンから回収された排熱を回収して外部熱負荷に熱エネルギを供給する熱交換器と、前記外部熱負荷から熱要求が入力されたときに前記エンジンを運転可能にする制御装置とを有するコジェネレーション装置において、
   前記外部熱負荷への熱供給回路中に、前記エンジンから供給される熱量が不足するときに運転されるボイラを備え、
   前記ボイラが、バーナおよび燃焼空気供給用のファンを有するとともに、バーナの運転を行わずに前記ファンのみを運転することにより前記熱供給回路を冷却可能に構成されていることを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記発電機の発電出力を系統に連系するとともに、前記系統の停電時に発電出力を系統から解列する切り替え手段と、
   前記系統の停電時に、前記制御装置に入力される熱要求を強制的に発生させる手段とを具備し、
   前記系統の停電時に、前記ボイラの前記ファンのみの運転を開始可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のコジェネレーション装置。
3. 前記エンジンの停止中に前記系統の停電が検出されたときには、前記ボイラのファンのみを運転開始するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載のコジェネレーション装置。
4. 前記系統の停電が発生したときに、前記ファンの運転を開始するように構成したことを特徴とする請求項２記載のコジェネレーション装置。
5. 前記熱交換器が、前記エンジンの排熱を回収する第１熱交換器と、該第１熱交換器で回収された熱エネルギを外部熱負荷に供給する第２熱交換器とからなり、
   前記第２熱交換器を含む熱供給回路上に前記第２熱交換器および前記ボイラが配置されているとともに、外部負荷としての貯湯タンクを備え、
   前記貯湯タンク内の水温が設定水温以下のときに熱要求を前記制御装置へ入力するように構成したことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。

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