JP2651561B2 - コ・ジェネレーションシステムの温度制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジン入口の熱源水
温度を高精度に制御できるコ・ジェネレーションシステ
ムの温度制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術のコ・ジェネレーションシステ
ムの制御ブロックの一例を図７に示す。この図におい
て、１は電力を発生する発電機、２は発電機１を駆動す
るエンジンである。配管１６から供給される熱源水はエ
ンジン２で発生する熱量により加熱される。さらに熱源
水はエンジン２から発生した排ガスを利用する排ガスボ
イラ３へと配管１３により送られて加熱される。加熱さ
れた熱源水は、ポンプ１１を介して熱源水を利用する温
水利用設備４に流れ、熱量を放出し、熱源水は冷却され
て配管１５を通って放熱器６に流れる。

【０００３】温水利用設備４の利用熱量を調節するのは
弁５である。温水利用設備４で吸収しきれなかった熱量
を外部に放出するため、放熱器６とその放出熱量を調節
する弁７が設けてある。放熱器６にて冷却された熱源水
は配管１６を通り、エンジン２に流入されている。この
弁７の弁開度はコントローラ８で制御されている。

【０００４】このコ・ジェネレーションシステムにおい
て、温度センサー９がエンジン２の入口温度を感知し、
その測定値をフィードバック値としてコントローラ８に
入力する。次に、コントローラ８の中のエンジン入口温
度の設定値と測定値との偏差をコントローラ８がＰＩＤ
演算して必要な弁開度を求める。同時に弁５の弁開度か
ら吸収するべき熱量を図２に示す折れ線関数１８から設
定すると共に、その熱量とエンジン２の定格発生熱量の
差をとって放熱するべき熱量を演算する。また、弁７の
弁開度を図３に示す折れ線関数１９から設定し、放熱す
るべき熱量をフィードフォワード値として出力する。そ
して、コントローラ８の出力と加算し、弁７の弁開度を
調節する。これらの動作によりエンジン２の入口温度が
設定値と一致するように制御される。コ・ジェネレーシ
ョンの多くは系統連系して使用されるため、通常は連続
して定格負荷で運転される。そのため、多くの場合エン
ジン２の発生熱量は、一定値の定格発生熱量として問題
はない。

【０００５】ここで、フィードバック制御のみのコ・ジ
ェネレーションシステムにおいて、エンジン発生熱量が
一定のときに、温水利用設備を停止させる場合を図８
（ａ）の特性図について考える。

【０００６】温水利用設備を停止するために利用熱量を
下げようとして、時間ｔ１で弁５の弁開度をバイパス側
に開けていったとき、放熱器６に接続されている弁７の
弁開度は応答が遅く、弁７は時間ｔ１’から動作する。
そのため必要な放熱量が温度上昇に伴わず、エンジン入
口温度が上昇する。同様に温水利用設備を運転する場
合、つまり時間ｔ２で温水利用設備の利用熱量を上げの
方向に弁５を閉めていったときにも、弁７は時間ｔ２か
ら遅れて時間ｔ２’のところから動作するため、放熱量
を小さくするのが遅れエンジン入口温度が低下し一定に
保てない。弁７の弁開度の応答が遅いのはコントローラ
８のフィードバック制御系のゲインが、温度センサ９の
応答により制限されるためである。その構造上、一般に
温度センサ９は１８０秒程度の応答時定数を持ち、フィ
ードバック制御ではコントローラ８の応答をそれ以上に
上げることはできない。そこで、応答速度を速くするた
めにコントローラ８の出力に、弁５の弁開度から演算し
た信号をフィードフォワード値として加算して応答性を
向上させている。図８（ｂ）の温水利用設備停止時の特
性図がその様子を示している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図８（ｂ）
の特性図において、時間ｔ１にて温水利用設備が停止し
たとき、応答性の改善効果でエンジン入口温度が一定に
保てている。しかし、時間ｔ２にて温水利用設備４が停
止から運転状態になったときは、逆に温度がオーバーシ
ュートする特性を示している。この原因は、弁７が開栓
時と閉栓時で応答が異なるためである。温水利用設備が
運転状態になると、フィードフォワード制御によって、
放熱器６の弁７はすぐに放熱しない方向に動作する。し
かし、弁７の応答が早い場合、温水利用設備４と放熱器
６との間の配管中には、温水利用設備４の運転前の高温
の熱源水があり、それが弁７によりバイパスされて、そ
のままエンジンに送られる。このためエンジン入口温度
は上昇してしまう。このシステムでは熱源水をエンジン
の冷却水としているため、熱源水のエンジン入口温度が
上昇するとエンジン内で部分的にベーパー現象を発生す
る危険があり、エンジンの故障の原因となる。

【０００８】また、温水利用設備と放熱器の間の配管が
非常に長い場合は、温水利用設備の停止時に、冷たいま
まの熱源水がエンジンに流入し、エンジン入口温度が低
下する。入口温度が下がると、エンジンや温水利用設備
側に悪影響を及ぼすので好ましくない。この現象は、弁
７の応答の開栓時と閉栓時の差にかかわりなく発生す
る。

【０００９】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的はエンジン入口温度を一定に制御すること
によってシステム全体の信頼性を向上させるコ・ジェネ
レーションシステムの温度制御装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、発電機を駆動するエンジンか
ら発生した熱でシステムを流れる熱源水を加熱し，その
加熱された熱源水を利用する温水利用設備と、前記温水
利用設備での吸収熱量を調節する第１の弁と、前記温水
利用設備で使用しきれなかった熱量を放出する放熱器
と、前記放熱器の放出熱量を調整する第２の弁と、前記
各システム構成機器間を熱源水が流れる配管で接続した
コ・ジェネレーションシステムの温度制御装置におい
て、熱源水のエンジン入口温度を検出する温度センサ
と、前記温度センサにより検出されたエンジン入口温度
が所定の温度となるよう前記第２の弁の弁開度設定値を
演算してフィードバック制御を行うコントローラと、前
記第１の弁の弁開度の信号からあらかじめ設定された所
定のパターンにより前記第２の弁の弁開度を演算して弁
開度指令信号とし、さらにその弁開度指令信号を所定の
むだ時間だけ遅らせた信号をフィードフォワード信号と
して、前記コントローラの弁開度設定値に加算して弁開
度基準信号とし、前記弁開度基準信号により前記第２の
弁の弁開度を調節することを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項２は、請求項１記載のコ・
ジェネレーションシステムの温度制御装置において、弁
開度指令信号を所定のむだ時間だけ遅らせる場合に、弁
開度を大きくする場合と弁開度を小さくする場合で異な
るむだ時間を持たせるように構成したことを特徴とす
る。

【００１２】本発明の請求項３は、請求項１または請求
項２記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装
置において、第１の弁の弁開度信号から算出された温水
利用設備の利用熱量とエンジン発生熱量との差の熱量か
ら、所定のパターンにより弁開度指令信号を演算するこ
とを特徴とする。

【００１３】本発明の請求項４は、請求項１または請求
項２記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装
置において、第１の弁の弁開度信号の代わりに、第１の
弁の出口の熱原水温度から、所定のパターンにより弁開
度指令信号を演算することを特徴とする。

【００１４】本発明の請求項５は、請求項１または請求
項２記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装
置において、第１の弁の弁開度信号の代わりに、エンジ
ンの熱源水出口温度と第１の弁の出口温度の差から、所
定のパターンにより弁開度指令信号を演算することを特
徴とする。

【００１５】本発明の請求項６は、請求項１乃至請求項
５記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装置
において、エンジンは排ガスボイラ装置を含む構成とし
たことを特徴とする。

【００１６】本発明の請求項７は、請求項１乃至請求項
６記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装置
において、エンジンが複数台で、それらを配管により並
列に接続した構成としたことを特徴とする。

【００１７】本発明の請求項８は、請求項１乃至請求項
７記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装置
において、エンジンは熱交換器を含み、熱源水はエンジ
ン冷却水から熱交換して熱を得る構成としたことを特徴
とする。

【００１８】本発明の請求項９は、請求項１乃至請求項
８記載のコ・ジェネレーションシステムの温度制御装置
において、温水利用設備及び第１の弁は複数設置され、
直列あるいは並列に接続される構成としたことを特徴と
する。

【００１９】

【作用】本発明のコ・ジェネレーションシステムの温度
制御装置によると、エンジン入口の熱源水温度を検出し
てフィードバック制御する制御系に、エンジン発生熱量
と温水利用設備での吸収熱量との熱量差から配管と放熱
用弁の応答のむだ時間を考慮したフィードフォワード信
号を作って組み込むことにより、放熱器の弁開度を最適
に制御することができ、エンジンの熱源水入口温度を一
定に保つことができる。また、エンジン発生熱量を一定
とすると、エンジンの出口温度も一定に保つことができ
る。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図１は本発明の一実施例のシステム制御ブロック図
である。同図において、既に説明した図７の従来例と同
一構成部分には同一符号を付してその説明は省略する。

【００２１】同図に示すように、温度センサ９がエンジ
ンの入口温度を検出し、コントローラ８がエンジン入口
温度の設定値との偏差をＰＩＤ演算して弁７の必要な弁
開度を求め、エンジン２の入口温度が設定値と一致する
ように弁７を制御する。１２はエンジン２の定格発生熱
量を演算する演算装置であり、この演算装置１２で求め
た値を基に弁７の弁開度を決定する設定値とする。ま
た、温水利用設備４用の弁５の弁開度から熱利用系の吸
収熱量−弁開度特性を表す折れ線関数１８は図２に示す
ような特性を持っている。この折れ線関数１８を用い
て、吸収熱量を演算し、エンジン２の定格発生熱量と吸
収熱量の差から放熱器６で放出すべき熱量を計算する。
折れ線関数１９は、放出熱量−弁開度特性を表す関数で
あり、図３に示すような特性を持っている。この折れ線
関数１９を用いて放熱器６の弁７の弁開度を決定する。

【００２２】この弁７の弁開度信号は、図４のブロック
図に示すように、フィードフォワード信号の生成ブロッ
ク２０を構成するむだ時間要素２１，２２の２系統を通
り、それらを合成する合成装置２３に入る。むだ時間
は、配管のむだ時間から弁７の応答時間を引いた時間を
セットする。弁７の応答は開栓時と閉栓時で異なるた
め、それぞれ所定のむだ時間を、むだ時間要素２１，２
２で持たせている。合成装置２３はむだ時間要素２１，
２２からの信号が、弁の開方向か閉方向かを判定して、
弁をバイパス方向に開き過ぎないように、各信号を合成
する。このフィードフォワード信号は、コントローラ８
のＰＩＤ演算結果に加算される。そして、フィードバッ
ク信号とフィードフォワード信号の和から最適な弁７の
弁開度を決定する。

【００２３】図５は、従来例の図８に示す特性図に対応
した本発明の制御装置の特性図である。この図におい
て、時間ｔ２において、操作員が温水利用設備４を停止
している状態から稼働させるために温水利用設備４の弁
５を開けていく。このとき、温水利用設備４で熱源水の
熱量を吸収するようになるので、今まで放熱器６で外部
に放出していた余剰熱量を、放出しないようにしなけれ
ばならない。

【００２４】そこで、エンジン２から発生する熱量と、
温水利用設備４の弁開度−吸収熱量特性を表す折れ線関
数１８（図２）で求められる吸収熱量との熱量差を求め
る。その熱量差は放熱器６にて放熱される放出熱量とな
る。次にその放出熱量から放熱系の放出熱量−弁開度特
性を示す折れ線関数１９（図３）を用いて、弁開度を計
算する。その値はフィードフォワード信号生成ブロック
２０に入力され、配管長と弁７に適したむだ時間を考慮
した弁信号になる。これをフィードフォワード値として
コントローラ８からのフィードバック信号に加えると、
最適な弁開度が得られる。従来のむだ時間を加えない制
御では、フィードフォワードにより弁７を即時に動作さ
せていたため、配管中に残った高温の熱源水がそのまま
エンジンに送られていた。適切なむだ時間を加えること
で、配管中の熱源水温度の低下に合わせて、弁７を動作
させるため、放熱器での放熱量の減少は、温水利用設備
の利用熱量の増加とバランスする。この結果、図５に示
すように一定のエンジン入口温度が得られる。

【００２５】本発明による制御装置では、通常、むだ時
間を考慮したフィードフォワード制御により弁７の弁開
度が最適に決定され、エンジン入口温度は一定に維持さ
れる。フィードフォワードの折れ線関数の誤差や、エン
ジン発電量の変化による外乱によりエンジン入口温度が
変化したときにのみフィードバック制御により補正がか
かる。放熱系の弁開度の検出はポテンショメータで行う
のが一般的であり、検出遅れはない。そのため、むだ時
間を考慮したフィードフォワード制御では適切な応答の
制御が可能である。

【００２６】本実施例によると、放熱器６の弁７をむだ
時間を考慮したフィードフォワード制御を組み込んだ制
御をすることによって、エンジン出口温度が一定に制御
され、エンジン発生熱量一定と考えるとエンジン入口温
度も一定に保つことができ、システムの信頼性と温水利
用設備の効率が向上する。

【００２７】なお、図４に示すフィードフォワード信号
の生成ブロック図では、弁７の開栓方向のむだ時間と閉
栓方向のむだ時間を、それぞれ別の値に設定している
が、弁７の特性が開方向でも閉方向でも同一であれば、
一つのむだ時間回路でも同様の効果が得られる。

【００２８】図６は本発明の他の実施例のシステム制御
ブロック図である。本実施例は、図１の実施例における
エンジンからの発生熱量を演算する演算装置１２の代り
に、温度センサ９，２４から検出された温度差に流量を
乗じてエンジン２の発生熱量を演算する演算装置１７を
用いた点が相違し、その他の構成部分は同一であるの
で、図１の実施例と同一構成部分には同一符号を付して
その説明は省略する。

【００２９】上記実施例では、定格発生熱量をエンジン
２の発生熱量として用いたが、発電機１の負荷が変化す
る場合においては、本実施例のようにエンジン２の入口
温度と出口温度との温度差と流量から演算したエンジン
発生熱量を用いて、フィードフォワード制御を行って
も、エンジン２の入口温度は、常に一定に制御すること
ができる。エンジン発生熱量の演算法はこれに限るもの
ではなく、発電機出力から所定のパターンにより演算し
たものでもよい。

【００３０】また、図１の実施例では、フィードフォワ
ード信号の源信号として弁５の弁開度を用いたが、それ
に限るものではなく、弁５の出口温度を検出して、その
信号によりフィードフォワード信号を生成しても同様の
効果が得られる。さらに、エンジン出口温度と弁５の出
口温度の差は、温水利用設備で利用する熱量に比例する
ため、この信号からフィードフォワード信号を生成して
もよい。さらにまた、図１の実施例では排ガスボイラが
あるシステムについて述べたが、排ガスボイラがないシ
ステムにおいても、あるいはエンジン内に熱交換器を含
むシステムや、エンジンや熱利用設備が複数あるシステ
ムでも、本発明は上記実施例と同様の効果を発揮する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
エンジン入口温度を一定に制御することによってコ・ジ
ェネレーションシステム全体の信頼性が向上するという
すぐれた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のコ・ジェネレーションシス
テムの制御ブロック図。

【図２】折れ線関数１８の特性図。

【図３】折れ線関数１９の特性図。

【図４】図１のフィードフォワード信号の生成ブロック
図。

【図５】本発明の制御装置による特性図。

【図６】本発明の他の実施例のコ・ジェネレーションシ
ステムの制御ブロック図。

【図７】従来技術のコ・ジェネレーションシステムの制
御ブロック図。

【図８】従来技術の制御装置による特性図であり、同図
（ａ）はフィードバック制御時の温度変化を示す図、同
図（ｂ）はフィードフォワード制御を組み込んだ時の温
度変化を示す図。

【符号の説明】

１…発電システム、２…エンジン、３…排ガスボイラ、
４…温水利用設備、５…弁、６…放熱器、７…弁、８…
コントローラ、９，２４…温度センサ、１１…ポンプ、
１２，１７…エンジンの発生熱量を演算する演算装置、
１３，１４，１５，１６…熱源水が流れているパイプ、
１８…放熱系の弁開度から熱量を求める折れ線関数、１
９…熱量から弁開度を求める折れ線関数、２０…フィー
ドフォワード信号生成ブロック、２１，２２…むだ時間
要素、２３…信号の合成装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 浩介 大阪府大阪市此花区酉島６丁目19番９号 大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者 佐藤 豊 兵庫県姫路市網干区浜田1000番地 西芝 電機株式会社内 (72)発明者 伊藤 整 兵庫県姫路市網干区浜田1000番地 西芝 電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−139426（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 発電機を駆動するエンジンから発生した
   熱でシステムを流れる熱源水を加熱し，その加熱された
   熱源水を利用する温水利用設備と、前記温水利用設備で
   の吸収熱量を調節する第１の弁と、前記温水利用設備で
   使用しきれなかった熱量を放出する放熱器と、前記放熱
   器の放出熱量を調整する第２の弁と、前記各システム構
   成機器間を熱源水が流れる配管で接続したコ・ジェネレ
   ーションシステムの温度制御装置において、熱源水のエ
   ンジン入口温度を検出する温度センサと、前記温度セン
   サにより検出されたエンジン入口温度が所定の温度とな
   るよう前記第２の弁の弁開度設定値を演算してフィード
   バック制御を行うコントローラと、前記第１の弁の弁開
   度の信号からあらかじめ設定された所定のパターンによ
   り前記第２の弁の弁開度を演算して弁開度指令信号と
   し、さらにその弁開度指令信号を所定のむだ時間だけ遅
   らせた信号をフィードフォワード信号として、前記コン
   トローラの弁開度設定値に加算して弁開度基準信号と
   し、前記弁開度基準信号により前記第２の弁の弁開度を
   調節することを特徴とするコ・ジェネレーションシステ
   ムの温度制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のコ・ジェネレーションシ
   ステムの温度制御装置において、弁開度指令信号を所定
   のむだ時間だけ遅らせる場合に、弁開度を大きくする場
   合と弁開度を小さくする場合で異なるむだ時間を持たせ
   るように構成したことを特徴とするコ・ジェネレーショ
   ンシステムの温度制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のコ・ジェ
   ネレーションシステムの温度制御装置において、第１の
   弁の弁開度信号から算出された温水利用設備の利用熱量
   とエンジン発生熱量との差の熱量から、所定のパターン
   により弁開度指令信号を演算することを特徴とするコ・
   ジェネレーションシステムの温度制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１または請求項２記載のコ・ジェ
   ネレーションシステムの温度制御装置において、第１の
   弁の弁開度信号の代わりに、第１の弁の出口の熱原水温
   度から、所定のパターンにより弁開度指令信号を演算す
   ることを特徴とするコ・ジェネレーションシステムの温
   度制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２記載のコ・ジェ
   ネレーションシステムの温度制御装置において、第１の
   弁の弁開度信号の代わりに、エンジンの熱源水出口温度
   と第１の弁の出口温度の差から、所定のパターンにより
   弁開度指令信号を演算することを特徴とするコ・ジェネ
   レーションシステムの温度制御装置。
6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５記載のコ・ジェネ
   レーションシステムの温度制御装置において、エンジン
   は排ガスボイラ装置を含む構成としたことを特徴とする
   コ・ジェネレーションシステムの温度制御装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６記載のコ・ジェネ
   レーションシステムの温度制御装置において、エンジン
   が複数台で、それらを配管により並列に接続した構成と
   したことを特徴とするコ・ジェネレーションシステムの
   温度制御装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７記載のコ・ジェネ
   レーションシステムの温度制御装置において、エンジン
   は熱交換器を含み、熱源水はエンジン冷却水から熱交換
   して熱を得る構成としたことを特徴とするコ・ジェネレ
   ーションシステムの温度制御装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８記載のコ・ジェネ
   レーションシステムの温度制御装置において、温水利用
   設備及び第１の弁は複数設置され、直列あるいは並列に
   接続される構成としたことを特徴とするコ・ジェネレー
   ションシステムの温度制御装置。