JP3936397B2 - 熱・電力複合生成システムの熱出力を調整する方法と装置 - Google Patents

Description

本方法は、熱・電力複合生成システム、特に発熱ブロックおよび発電部の熱出力が、回転速度に応じて調整（dosing）されるものに関する。
発熱ブロック（block heating）および発電部（＝ＢＨＰＳ）は、電流と熱を発生させる比較的小さな発電プラントであり、電流は熱機関（たとえば、往復エンジン、ワンケルエンジン、スターリングエンジンまたはガスタービン）により駆動された発電機により生成される。熱は冷却水および排気ガスの熱を利用して生成する。この種のエネルギ生成は熱・電力複合体（ＣＨＰ）とも呼ばれる。
一方で、以前のＢＨＰＳは、一定の回転速度（たとえば、１５００ｒｐｍ）で運転され、発電機を介して必要とする主周波数（たとえば５０Ｈｚ）を生成し維持する。他方で、今日のＢＨＰＳは、通常、最高負荷で、すなわちスロットル弁を全開にして運転される。これは所定の回転速度での効率を最大にするためである。
一定の回転速度と最高負荷という上記２つの要件のために今日のプラントは、たとえば室内加熱システムの熱要求の変化に適用できない。回転速度または負荷を変えれば熱機関の出力は変えられることは周知である。たとえば、一定の回転速度を維持しながらスロットル弁を一定量閉めることで熱出力を減らそうとする場合には、この手段は部分的にしか成功しない。軸にかかるトルクの低下によりスロットル弁の位置の関数として発電機の出力は低下するが、熱エミッションの低下は不適切なものにしかならない。これは熱機関のスロットル弁が絞られると、熱機関のスロットル弁の損失と熱機関における平均圧力の低下の結果効率が劣化するからである。
したがって、ＢＨＰＳは複数の熱機関発電機装置と１台の加熱ボイラーから構成されることが珍しくない。そのため個々の装置を切り替えて年間プロフィール（すなわち、１年間にわたって消費者単位の熱出力要求の累積周波数分布）にできるだけ近づくようにＢＨＰＳのパワー放射を調整する。
図４に示す特定の家庭単位に対する例示のようなこの種の年間プロフィールは、１年にわたって取られた熱出力要求のバラツキが多いことを明瞭に示している。ＢＨＰＳを計画するときには、年間プロフィールが、複数の熱機関発電機装置と最高負荷ボイラー間に導入される容量を配分するのに使用できる。たとえば、図４では、最高出力の５０％に対しては５台の熱機関発電機装置（Ｍ１ないしＭ５）が相当し、残りの５０％に対しては１台の従来の加熱ボイラー（斜線領域）が相当し、複数の最高出力をカバーし、１年にわたって必要な１００％の熱出力（Ｑ）を生成する。部分出力に対して描かれた矩形は、最高負荷（０ないし８７６０ｈ／ａ＝一年当たりの加熱時間）下での年間仕事または時間を示している。図４の個別のエンジンは総出力の１０％の容量しかカバーできないことが分かる。好ましい年間プロフィールでは、このパーセンテージは技術革新に応じて１５％に増加可能である。
図５は、熱出力（Ｑ）の３０％（斜線領域）を生成可能な１台の熱機関発電機を備えた従来のＢＨＰＳに対する他の年間プロフィールを示す。２つの非斜線部分では、従来の加熱システムは付加的に利用され、熱要求が３０％よりも大なるときにはＢＨＰＳを補足し、熱要求が３０％よりも小なるときには熱生成を引き受けてＢＨＰＳは止まる。
驚くべきことに、熱機関の最高効率の領域での負荷制御（たとえば、スロットル弁）の位置を維持したまま、好ましくは一般電線への電力の放出を調節することで熱機関または発電機の回転速度を変えれば熱出力の調整は実行可能なことが現在分かっている。
したがって、本発明の処理過程により運転される熱・電力複合生成システムでは、特に、ＢＨＰＳは上記の弊害を被ることはない、というのは、わずか１台の熱機関発電機装置しか備えてない場合でさえもこうしたシステムの電力出力は、熱エミッションの制御により年間プロフィールに常に適用可能なためである。
これは、たとえば一般の電線への電気の放出量を変えることで回転速度のレベルを増減しさえすれば、熱機関を最高負荷位置（スロットル弁開）または最適効率に維持するといった処理により達成される。
電流調整器を介して発電機が励起し一般の電線に一層多くの電流を放出する場合には、その負荷が増加するので、熱機関発電機装置の回転速度が低下する。これが、スロットル弁を常に開いた状態で出力を望ましいレベルに調整する方法である。電流調整は、主電圧のレベルを電圧が越えると電流が増加するという通常の方法である。
したがって、最高負荷の下におけるＢＨＰＳの熱エミッションの調整は、発電機を主供給源としその後回転速度を調整させることで実行可能になる。
エンジンの回転速度の変化はエンジンが生み出す電流の周波数も変えるので、（これは消費者にとっては５０Ｈｚの均一な交流電流周波数を要求しているので望ましくない。）たとえば、周波数変換器による従来のＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換により電流は主周波数に保持される。
本発明による処理過程と本発明を実行する装置が以下により詳細に示してある。
図１は、たとえば、独立家屋用のＢＨＰＳの基本構成図である。
図２ａは、本発明による熱調整された発電機の出力と熱生成を示し、図２ｂは、従来の調整、すなわち、発電機を一定の回転速度で保った状態での発電機の出力と熱生成を示す。
図３は、本発明により調整されたＢＨＰＳを備えた、たとえば独立家屋の熱要求のカバー状態を示す。
図１は中央暖房（１）とＢＨＰＳ（２）を示す。ＢＨＰＳ（２）は、燃焼機関（３）と０ないし３７０Ｖ／０ないし１５００Ｈｚ発電機（４）を含む。家屋と一般電線（５０Ｈｚ）に一定の周波数の電気を供給可能にするために、整流器（５）と、±３７０Ｖ ＤＣステップアップ変圧器（６）と、電流調整器（７）が統合された３×４００Ｖ ＡＣ／５０ＨｚインバータとがＢＨＰＳに組み込まれている。次に、電力はＡＣ４００Ｖ×３で一般電線（８ａないしｃ）に放出される。たとえば、温度差センサ（１１）は中央暖房（１）の流入パイプ（９）と流出パイプ（１０）に装着され、加熱システムの熱要求を制御機構（１２）に送る。熱出力は、たとえば一定の温度差を維持することで適応できる。代わりに、必要な熱出力を外部温度センサ（１３）で設定することもできる。制御機構（１２）は、ＢＨＰＳにより配送されるエンジン出力を判定し、インバータ（７）を介した一般電線（８ａないしｃ）への電流供給を調整し、発電機（４）の負荷を一層またはゆるやかに低下させるので、回転速度が平準化し、それにより加熱システムにより設定された値に対してエンジン出力も一定になる。スロットル弁（１４）はこの処理過程で制御装置により常に開かれている。８ｄないしｆは、一般電線監視および同期化用のソケットである。中央暖房（１）からの冷却水は流出パイプ（１０）を介して熱交換器（１５）に送られ、交換器では、冷却水が再び熱を吸収し、加熱流入パイプ（９）を介して戻る。
図２ａに示す発電機の出力と熱生成（０ないし１５ｋＷ）の関係は、本発明による方法と本発明を実行するのに必要な装置との手段により得られる。ここでは、ＢＨＰＳは最高負荷の下で様々な回転速度で運転され、エンジン出力（Ｐ）は１００％、５０％、２５％および１０％に調整される。斜線で示されたｋＷ単位の熱出力（Ｑ）は、非斜線で示されたｋＷ単位の発電機出力（Ｐ）に正比例して低下する。熱出力は広い範囲内で可変となる。ただし、エンジンの効率ηは容量３０％（水平線）にとどまる。
比較のために、発電機の回転速度を一定に保っての従来の調整が図２ｂに類推で示されている。ここでは、出力は回転速度を一定に保った状態でエンジンのスロットル弁により調整される。再び、非斜線により示されたｋＷ単位の発電機出力（Ｐ）は低下するが、エンジン効率ηも同時に減少する（傾斜線）。これは、斜線で示されたｋＷ単位の熱出力（Ｑ）がわずかにしか減少しないからである。熱出力は狭い範囲内でしか変動できない。
図３は、本発明による処理過程で運転されたＢＨＰＳの容易かつ広範に変動する熱出力（０ないし１００％）（Ｑ）により、年間プロフィールの家屋の全熱要求（０ないし８７６０ｈ／ａ）は、単一のエンジン発電機装置（斜線領域）によりカバーされる。

Claims (5)

1. 発電機及び負荷制御手段に接続された熱機関を有する熱・電力複合生成システムの熱出力を調整する方法であって、
   前記発電機は、周波数変換器によって、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換を介して外部網に電気的に接続されており、
   前記方法は、
   前記熱機関のスロットル弁を開位置に維持するステップと、
   前記熱・電力複合システムの所望の熱出力を達成するために、前記外部網に放出される電力の量を制御して、前記熱機関の回転速度を変化させるステップと、を備えることを特徴とする熱出力の調整方法。
2. 前記発電機の電力が、周波数変換器を用いたＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換により、一定の周波数に保持されることを特徴とする請求項１に記載の調整方法。
3. 前記熱出力が、該当の消費者単位の年間データにわたって単一の熱機関発電機で制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の調整方法。
4. 発熱ブロックおよび発電部（ＢＨＰＳ）に適用されることを特徴とする請求項３に記載された調整方法。
5. 熱機関（３）、発電機（４）、整流器（５）、ステップアップ変圧器（６）、電流調整器統合インバータ（７）および制御機構（１２）を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載された方法を実施する発熱ブロックおよび発電部。

Images