JP2013015244A - 配管凍結防止制御システム及びその凍結防止制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コージェネレーション・システムの配管凍結防止制御技術を提供する。
【課題手段】外気温（Ｔｅ）が凍結限界温度（Ｔ０）以下のときに、凍結防止回路Ｃ３の循環水を不凍結担保温度（Ｔｘ）に達するまでヒータ通電を行い加熱し、昇温後に所定時間（ΔＨｆ）ヒータ２ｄの通電を停止する。ここに、不凍結担保温度（Ｔｘ）は、当該外気温条件下で、ヒータ２通電停止から少なくとも所定時間（ΔＨｆ）は配管不凍結を担保する温度として定める。
【選択図】図１

Description

本発明は配管凍結防止制御技術に係り、特にコージェネレーション・システムの配管凍結防止制御技術に関する。

コージェネレーション・システムは、発電時に発生する排熱を回収して同時にお湯を作り、貯湯ユニットに貯めて給湯需要に対応するものであり、総合熱効率が高いシステムとして注目されている。
コージェネレーション・システムは屋外に設置されるケースも多く、この場合、冬期における外部配管（渡り配管）の凍結防止が必要となる。従来、配管に電熱ヒータを巻いて加熱する等の対策が取られている。しかしながら、ヒータ加熱については電力消費量が増大し、省エネの要請に反するという問題がある。

ヒータ加熱における消費電力低減策として、渡り配管の異なる２か所の温度を測定し、それらの値に基づいて循環量又はヒータ加熱量を制御する技術が提案されている（例えば特許文献１）。図６を参照して、具体的には特許文献１のコージェネレーション・システム１００は、発電ユニット１０１、熱交換器１０２、貯湯ユニット１０３、熱交換器１０２と貯湯ユニット１０３を結ぶ貯湯循環回路Ｃａを備えている。
貯湯循環回路Ｃａ経路中には温度センサ１０７ａ、１０７ｂが介装されており、内部を循環する水の温度Ｔａ、Ｔｂを計測可能としている。さらに、循環ポンプ１０５、三方弁１０４及びヒータ１０６ａ、１０６ｂが介装されている。三方弁１０４にはバイパス配管１０８が接続されており、貯湯タンク１０３ａをバイパスする凍結防止回路Ｃｂが形成されている。
運転停止時に循環水の温度Ｔａ、Ｔｂがともに所定の循環担保温度（Ｔｆ）以上となるように、ヒータ１０６ａ、１０６ｂの加熱量を制御する。また２か所の温度差が基準値以下となるようにポンプ循環量を制御する。

特開２００８−３２３２０号公報

特許文献１の制御技術によれば、ヒータを広範囲に配設することなく凍結防止が可能となり、消費電力の低減化が可能となる。しかしながら、上記技術にあっても凍結防止運転中に循環ポンプ等の補機やセンサ類等の電力供給が必要であり、省エネ性に一定の限界がある。

本発明は上記各課題を解決するためのものであって、コージェネレーション・システムにおいて省エネ性のさらなる向上を可能とする配管凍結防止技術を提供するものである。本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、

（１）コージェネレーション・システムの配管凍結防止制御システムであって、
発電ユニットと、発電ユニットで生じた発電排熱を外部に与える熱交換器と、該熱交換器の熱交換により得た発電排熱をお湯として蓄熱する貯湯タンクと、発電ユニットと、該熱交換器との間を配管で結び温水又は水を循環させる発電ユニット冷却回路と、該熱交換器と貯湯タンクとの間を配管で結び、貯湯タンク内の水を循環させる排熱回収回路と、該排熱回収回路において、配管凍結を防止するために貯湯タンクをバイパスする凍結防止回路と、外気温（Ｔｅ）及び凍結防止回路の循環水温度（Ｔ１）を、それぞれ計測する手段と、外気温（Ｔｅ）が配管凍結のおそれのある凍結限界温度（Ｔ０）以下のときに、凍結防止回路の循環水温度（Ｔ１）を所定の不凍結担保温度（Ｔｘ）まで加熱する加熱制御手段と、
を備えて成り、該不凍結担保温度（Ｔｘ）は、当該外気温（Ｔｅ）条件のときに、該加熱制御手段の稼働停止から少なくとも所定時間（ΔＨｆ）は配管不凍結を担保する温度として定めたものである、ことを特徴とする。

本発明において「不凍結担保温度（Ｔｘ）」の設定は、例えば以下の通り行うことができる。
凍結防止回路の配管内循環水温度（Ｔｉ）は、外部からの加熱がない場合、放熱により時間経過とともに温度降下していく。この場合、放熱冷却曲線は外気温により変化するが、例えば外気温が０、−１０、−１５℃の場合、放熱冷却曲線の凍結温度（０℃）の点を重ねて表示すると、図５（ａ）−（ｃ）に示す如くとなる。これより、この点（配管凍結時刻）をＨｆとすると、配管凍結時刻に至るまでに所定時間（ΔＨｆ）凍結防止を担保するためには、循環水を外気温の関数として定まる温度（不凍結担保温度）Ｔｘ＝Ｆ（Te）となるように昇温しておく必要がある。従って、予め各外気温に対応して不凍結担保温度Ｔｘを求めておき、循環水をこの温度まで加熱することにより、ポンプ循環を停止しても常に配管凍結を回避することが可能となる。

なお、不凍結担保温度（Ｔｘ）の設定は、上述の外気温ごとの放熱冷却曲線を用いる方法に限定されない。例えば図６に示すように、上記所定時間（ΔＨｆ）が規定されているとして、外気温Ｔｅ＝０℃、−１５℃のときの不凍結担保温度を予め求めておき、任意の外気温Ｔｅに対する不凍結担保温度Ｔｘ＝Ｆ（Te）につき、同図の二点Ａ，Ｂを結ぶ直線の内挿又は外挿演算による方法も可能である。
また、上記所定時間（ΔＨｆ）の具体的設定については、例えば、
（ａ）配管の許容温度を考慮して設定
（ｂ）配管の放熱特性と機器停止の間の省電力量を勘案した最適点を設定
（ｃ）システム保守のための動作（例えば、燃料処理装置の正圧維持運転）時間帯に合わせて設定
することができる。その際、気象庁等による各地域時間毎の予測温度低下勾配などを考慮して、凍結に対し余裕度を持った時間設定とすることが望ましい。

（２）上記（１）において、前記加熱制御手段が、前記発電ユニット冷却回路又は前記凍結防止回路経路内に配設したヒータであることを特徴とする。

（３）上記（２）において、前記貯湯タンクは、暖房回路を含む補助熱源機を、さらに備え、前記ヒータが、該暖房回路を熱源とすることを特徴とする。

本発明に係るコージェネレーション・システムの配管凍結防止制御方法は、
（４）上記各コージェネレーション・システムにおいて、
（ａ）外気温（Ｔｅ）が前記凍結限界温度（Ｔ０）以下のときに、凍結防止回路の循環水を前記不凍結担保温度（Ｔｘ）に達するまで加熱するステップと、
（ｂ）前記不凍担保温度（Ｔｘ）まで昇温後に、前記所定時間（ΔＨｆ）該加熱制御手段を稼働停止するステップと、
（ａ）、（ｂ）のステップを継続することにより、配管凍結を防止することを特徴とする。

本発明によれば、補機、センサ類等が所定時間（ΔＨｆ）稼働停止となるため、電力消費が間欠的となり、システム全体としての消費電力をより低下させることが可能となる。
さらに、例えば凍結防止監視用センサなど、常時通電を要する構成を独立させて持つ必要がないため回路構成を単純化でき、コストの低減に寄与するという効果がある。

第一の実施形態に係る配管凍結防止制御システム１の構成を示す図である。 第一の実施形態における凍結防止制御フローを示す図である。 第二の実施形態に係る配管凍結防止制御システム２０の構成を示す図である。 第二の実施形態における凍結防止制御フローを示す図である。 凍結防止担保温度（Ｔｘ）の設定概念を示す図である。 凍結防止担保温度（Ｔｘ）の他の設定概念を示す図である。 従来の配管凍結防止制御システム１００の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１乃至４を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。

＜第一の実施形態＞
図１を参照して、本実施形態に係るコージェネレーション・システム１は、都市ガスを改質して得られる水素を燃料として発電する燃料電池発電ユニット（以下、発電ユニットと略称）２と、発電ユニット２の発電排熱を貯湯タンク３ａにお湯として蓄熱する貯湯ユニット３と、発電ユニット２側の発電排熱を貯湯ユニット３側に移すための熱交換器２ｃと、発電ユニット２と熱交換器２ｃを結ぶ冷却水回路Ｃ１と、熱交換器２ｃと貯湯ユニット３とを結ぶ貯湯循環回路Ｃ２と、貯湯循環回路Ｃ２において貯湯タンク３ａをバイパス循環する凍結防止回路Ｃ３と、本実施形態の凍結防止運転制御を指令する制御部４と、を主要構成として備えている。

発電ユニット２は、原料である都市ガスを水素に改質する燃料処理装置２ａと、水素と酸素を反応させて発電するセルスタック２ｂと、発電排熱を回収する熱交換器（排熱回収装置）２ｃと、発電ユニット運転停止時に凍結防止回路Ｃ３側の水を系統電力５により加熱するヒータ２ｄと、循環ポンプ２ｅと、を主要構成として備えている。冷却水回路Ｃ１は、セルスタック２ｂ、ヒータ２ｄ、熱交換器２ｃ間を閉回路で結びポンプで循環させるように構成されている。

貯湯循環回路Ｃ２は、貯湯タンク３ａと熱交換器２ｃを結ぶ往き側配管３ｂ、戻り側配管３ｃと、配管内に介装される循環ポンプ３ｄと、三方弁３ｅと、により構成されている。さらに三方弁３ｅにはバイパス配管３ｆが接続されており、三方弁３ｅの切り替えにより貯湯タンク３ａをバイパスする凍結防止回路Ｃ３が形成されるように構成されている。
貯湯循環回路Ｃ２又は凍結防止回路Ｃ３の往き側配管３ｂには、温度センサＳ１が介装されており、内部を循環する水の温度Ｔ１を計測可能としている。
貯湯タンク３ａには給水配管３ｇ、給湯配管３ｈが接続されており、給湯配管３ｈを介してのお湯の消費に伴い、給水配管３ｇを介して貯湯タンク３ａ内に水道水が補給されるように構成されている。

制御部４には本実施形態の制御に必要なプログラム等が格納されている。また、図５又は図６に示す外気温−不凍結担保温度Ｔｘの関係テーブルが格納されている。なお、制御部４は、ＣＰＵ、クロック、ＲＡＭ、ＲＯＭ、バス、Ｉ／Ｏインターフェース等を備えたマイコンにより実装可能である。

以上の構成により、コージェネレーション・システム１は、通常運転時において貯湯循環回路Ｃ２側に設定されており、冷却水回路Ｃ１を介して熱交換器２ｃに運ばれる発電ユニット２の排熱は、貯湯循環回路Ｃ２を介して貯湯タンク３ａにお湯として蓄熱される。また、運転停止時において配管凍結のおそれがある場合には、水の循環は凍結防止回路Ｃ３側に切り替えられ、以下説明する凍結防止制御運転により配管凍結を防止する。

次に図２をも参照して、制御部４の指令により行われる本実施形態における配管凍結防止制御の具体的フローについて説明する。
初期状態において、発電ユニット２は運転スケジュールに従い通常運転制御が行われている状態を想定する（Ｓ１０１）。この状態で三方弁３ｅは貯湯循環回路Ｃ２側に設定されており、発電ユニット２の排熱は貯湯タンクにお湯として蓄熱される。
この状態から発電ユニット２が運転停止した場合には（Ｓ１０２においてＹＥＳ）、以下の配管凍結防止制御に移行する。まず、温度センサＳ１によりその時点における外気温度Ｔｅが計測され、さらにＴｅが凍結限界温度Ｔ０（例えば０℃）以下か否かが判定される（Ｓ１０３）。Ｔｅ＞Ｔ０の場合には（Ｓ１０３においてＮＯ）、配管凍結のおそれなしと判定されその状態が維持される。

Ｔｅ≦Ｔ０の場合には（Ｓ１０３においてＹＥＳ）、配管凍結のおそれがあると判定され、三方弁３ｅが凍結防止回路Ｃ３側に切り替えられる。また、排熱回収循環ポンプ３ｄが停止している場合には運転が開始される（Ｓ１０４）。さらに温度センサＳ１により熱交換入り温度Ｔ１が計測され、Ｔ１が不凍結担保温度Ｔｘ以下か否かが判定される（Ｓ１０４）。
Ｔ１≦Ｔｘの場合には（Ｓ１０５においてＹＥＳ）、冷却水循環ポンプ２ｅの運転開始、さらにヒータ２ｄの通電が開始され、冷却水回路Ｃ２の水が加熱・循環される。これに伴い凍結防止回路Ｃ３側の循環水も熱交換により加熱される。

このステップが所定のインターバルで継続的に行われ（同図※）、Ｔ１＞Ｔｘとなった場合には（Ｓ１０５においてＮＯ）、所定時間（ΔＨｆ）配管加熱を停止しても配管凍結のおそれなしと判定され、循環ポンプ３ｄの運転が停止される（Ｓ１０６）。さらに、循環ポンプ２ｅの運転停止、さらにヒータ２ｄの通電が停止される（Ｓ１０８）。
その後、加熱運転停止から所定時間（ΔＨｆ）経過した場合には（Ｓ１０９においてＹＥＳ）、三方弁３ｅが凍結防止回路側に切り替えられ、排熱回収ポンプの運転が停止される（Ｓ１０７）。次いで、冷却水循環ポンプの運転停止、ヒータ２ｄＯＦＦとなる。

配管凍結防止制御運転中に発電ユニット２の運転が再開されるまでは（Ｓ１１０においてＹＥＳ）、以上のフロー（Ｓ１０３−Ｓ１０９）が所定のインターバルで繰り返し行われる。発電運転が再開された場合は配管凍結防止制御運転を終了する（Ｓ１０１へ戻る）。
以上の工程を所定のインターバルで行うことにより、常に配管凍結を防止することができる。

なお、本実施形態ではヒータ２ｄを冷却水回路Ｃ１経路内に配置する例を示したが、凍結防止回路Ｃ２側に配置する態様とすることも可能である。

＜第二の実施形態＞
次に図３を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態に係るコージェネレーション・システム２０が上述のコージェネレーション・システム１と異なる点はヒータ加熱源の配設箇所及び貯湯ユニットの構成である。すなわち、本実施形態では貯湯ユニット２１は貯湯タンク３ａに加えて補助熱源機２２を備えている。補助熱源機２２は不図示の給湯回路と暖房回路２２ａを備えており、貯湯タンク３ａの貯湯温度が低い場合には給水管２４ａを介して供給される給水を給湯回路で加熱し、給湯配管２４ａを介して給湯可能に構成されている。
また、ヒータ２３は貯湯ユニット２１側に配設されている。さらに、上述の実施形態ではヒータ２ｄの加熱源として系統電力５を用いているのに対して、本実施形態ではヒータ２３の加熱源として暖房回路２２ａを加熱源として用いている。すなわち、暖房回路２２ａで加熱した温水を、循環配管２２ｂを介して循環ポンプ２２ｂによりヒータ２３に供給している。また、温度センサＳ１はヒータ２３の入側直前に配設されている。凍結防止を確実に行うためには、温水温度最低となる箇所で測定するのが好ましいからである。
その他の構成は上述のコージェネレーション・システム１と同様であるので、重複説明を省略する。

次に図４をも参照して、本実施形態における配管凍結防止制御の具体的フローについて説明する。初期状態において、発電ユニット２は運転スケジュールに従い通常運転制御が行われている状態を想定する（Ｓ２０１）。この状態で三方弁３ｅは貯湯循環回路Ｃ２側に設定されており、発電ユニット２の排熱は貯湯タンクにお湯として蓄熱される。
この状態から発電ユニット２が運転停止した場合には（Ｓ２０２においてＹＥＳ）、以下の配管凍結防止制御に移行する。まず、温度センサＳ１によりその時点における外気温度Ｔｅが計測され、さらにＴｅが凍結限界温度Ｔ０（例えば０℃）以下か否かが判定される（Ｓ２０３）。Ｔｅ＞Ｔ０の場合には（Ｓ２０３においてＮＯ）、配管凍結のおそれなしと判定されその状態が維持される。

Ｔｅ≦Ｔ０の場合には（Ｓ２０３においてＹＥＳ）、配管凍結のおそれがあると判定され、三方弁３ｅが凍結防止回路Ｃ３側に切り替えられる。また、排熱回収循環ポンプ３ｄが停止している場合には運転が開始される（Ｓ２０４）。
さらに温度センサＳ１により熱交換入り温度Ｔ１が計測され、Ｔ１が不凍結担保温度Ｔｘ以下か否かが判定される（Ｓ２０４）。
Ｔ１≦Ｔｘの場合には（Ｓ２０５においてＹＥＳ）、補助熱源機２２の暖房回路２２ａの運転開始、循環ポンプ２２ｃの駆動が開始される（Ｓ２０７）。これに伴い凍結防止回路Ｃ３側の循環水も熱交換により加熱される。

このステップが所定のインターバルで継続的に行われ（同図※）、Ｔ１＞Ｔｘとなった場合には（Ｓ２０５においてＮＯ）、所定時間（ΔＨｆ）凍結防止回路の加熱を停止しても配管凍結のおそれなしと判定され、循環ポンプ２ｅの運転停止（Ｓ２０６）及び暖房回路２２ａの運転が停止される（Ｓ２０８）。

その後、運転停止から所定時間（ΔＨｆ）経過した場合（Ｓ２０９においてＹＥＳ）、発電ユニット２の運転が再開されるまでは（Ｓ２１０においてＮＯ）、以上のフロー（Ｓ２０１−Ｓ２０９）が所定の時間間隔で繰り返し行われる。発電運転が再開された場合には（Ｓ２１０においてＹＥＳ）、配管凍結防止制御運転を終了する（Ｓ２０１へ戻る）。

本発明は、燃料電池を用いたコージェネレーション・システムのみならず、ガスエンジン等、他の駆動源を用いたコージェネレーション・システムに広く適用可能である。

１、２０・・・・コージェネレーション・システム
２・・・・発電ユニット
２ａ・・・燃料処理装置
２ｂ・・・セルスタック
２ｃ・・・熱交換器
２ｄ、２３・・・ヒータ
２ｅ・・・冷却水循環ポンプ
３、２１・・・・貯湯ユニット
３ａ・・・貯湯タンク
３ｄ・・・排熱回収循環ポンプ
３ｅ・・・三方弁
３ｆ・・・バイパス配管
４・・・・制御部
５・・・・系統電力
２２・・・補助熱源機
２２ａ・・・暖房回路
Ｃ１・・・冷却水回路
Ｃ２・・・排熱回収回路
Ｃ３・・・凍結防止回路
Ｓ１、Ｓ２・・・温度センサ

Claims (4)

1. コージェネレーション・システムの配管凍結防止制御システムであって、
   発電ユニットと、
   発電ユニットで生じた発電排熱を外部に与える熱交換器と、
   該熱交換器の熱交換により得た発電排熱をお湯として蓄熱する貯湯タンクと、
   発電ユニットと、該熱交換器との間を配管で結び温水又は水を循環させる発電ユニット冷却回路と、
   該熱交換器と貯湯タンクとの間を配管で結び、貯湯タンク内の水を循環させる排熱回収回路と、
   該排熱回収回路において、配管凍結を防止するために貯湯タンクをバイパスする凍結防止回路と、
   外気温（Ｔｅ）及び凍結防止回路の循環水温度（Ｔ１）を、それぞれ計測する手段と、
   外気温（Ｔｅ）が配管凍結のおそれのある凍結限界温度（Ｔ０）以下のときに、凍結防止回路の循環水温度（Ｔ１）を所定の不凍結担保温度（Ｔｘ）まで加熱する加熱制御手段と、
   を備えて成り、
   該不凍結担保温度（Ｔｘ）は、当該外気温（Ｔｅ）条件のときに、該加熱制御手段の稼働停止から少なくとも所定時間（ΔＨｆ）は配管不凍結を担保する温度として定めたものである、
   ことを特徴とする配管凍結防止制御システム。
2. 前記加熱制御手段が、前記発電ユニット冷却回路又は前記凍結防止回路経路内に配設したヒータであることを特徴とする請求項１に記載の凍結防止制御システム。
3. 前記貯湯タンクは、暖房回路を含む補助熱源機を、さらに備え、
   前記ヒータの熱源が、該暖房回路を循環する温水であることを特徴とする請求項２に記載の配管凍結防止制御システム。
4. 請求項１乃至３に記載のコージェネレーション・システムにおいて、
   （ａ）外気温（Ｔｅ）が前記凍結限界温度（Ｔ０）以下のときに、凍結防止回路の循環水を前記不凍結担保温度（Ｔｘ）に達するまで加熱するステップと、
   （ｂ）前記不凍担保温度（Ｔｘ）まで昇温後に、前記所定時間（ΔＨｆ）該加熱制御手段を稼働停止するステップと、
   （ａ）、（ｂ）のステップを継続することにより、配管凍結を防止することを特徴とする配管凍結防止制御方法。

Images