JP4119851B2 - コジェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジン、タービン等の原動機を駆動させて発電機により発電すると共に該原動機の排気の排熱を回収して利用するコジェネレーションシステムに関するものである。

一般に、コジェネレーションシステムは、エンジンやタービン等の原動機を駆動させて発電機により発電すると共に、当該エンジン、タービン等の排熱により水を加熱して蒸気や温度を取り出し、電気と熱エネルギーを得るシステムである。このようなシステムでは総合効率は最終的に排出される排気温度と残存酸素濃度で決まる。

（１）原動機としてタービン若しくは希薄燃焼エンジンを用いるシステムでは、図１０に示すように原動機１で発電機２を駆動して発電し、原動機１の排気を排熱ボイラー３ａに通して排出すると共に排熱ボイラー３ａで蒸気を得るようになっており、最終的な排気温度は１４０℃程度となっている。そのときの残存酸素濃度は、タービンの場合、約１５％であり、希薄燃焼エンジンの場合は約１２％となる。ところが、残存酸素濃度が高い状態で排出するということは排気の空気比が高くて排気の持ち去る熱量が多くなり、上記総合効率が悪くなる（総合効率は８０〜８５％程度である）問題がある。

（２）この総合効率を向上するため図１１に示すように原動機１の排気の残存酸素を利用して排気再燃バーナ４′を用いて排熱ボイラー３ａの蒸気量を増量するシステム（例えば、特許文献１参照）も提供されており、このシステムでは、残存酸素濃度をさらに数％低減することができ、排熱ボイラーで単に熱交換するものに比べて総合効率を向上する（総合効率は９０％前後である）ことができる。

（３）また原動機として三元触媒方式でＮＯｘ対策を行うエンジンを用いる場合は、排気の残存酸素濃度はほぼ０％であり、エンジンの排気は排熱ボイラーを通して排出して蒸気または温水として熱回収する場合が多い。このシステムの総合効率は９０％前後である。

なお、先に述べた総合効率はいずれも最適な運転状態時の値であって、実際には常時この効率を保つのは困難である。
特開２００２−５４１２号公報

ところが、上記のようなコジェネレーションシステムでは、電気と熱（蒸気）を運転時に同時に取り出す構造であるため、電気と熱の需要の比率が変化したときどちらかの需要の多い方に合わせて運転し、需要が少ない方は利用せずに捨てるしかなく、結果的に総合効率の低下を招くことが多々あった。つまり、熱の需要が少ないのに電気の需要が多いときには発生した蒸気を利用することなく、放散せざるを得ないことがある。

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、電気と熱を取り出すタイミングを変化させることができるため、どちらかのエネルギーを捨てることなく効率のよい運転ができるコジェネレーションシステムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明に係るコジェネレーションシステムは、エンジン、タービン等の原動機１を駆動させて発電機２により発電すると共に該原動機１の排気の排熱を回収して利用するコジェネレーションシステムであって、原動機１の排気を蓄熱槽５に通して排出することで排熱を蓄熱槽５に蓄熱して排熱を回収すると共に原動機１の駆動とは関係なく熱需要のある時間帯に蓄熱槽５に空気を通して得た予熱空気をボイラー３に供給して蒸気または温水を得るようにしたことを特徴とする。このようにすることで、発電時の排熱を回収して蓄熱槽５に蓄熱しておき、熱の需要のある時間帯に蓄熱槽５から取り出した熱をボイラー３に供給して蒸気または温水を得ることができる。このために電気と熱の取り出すタイミングを変化させることができ、電気と熱のどちらかのエネルギーを捨てることなく、効率のよい運転ができる。

また熱需要のある時間帯に蓄熱槽５に空気を通して空気を予熱し、この予熱した空気を燃焼用空気としてボイラー３のバーナ４を燃焼させてボイラー５にて蒸気または温水を得るようにしたことを特徴とすることも好ましい。この場合、蓄熱槽５を通すことで予熱した空気を燃焼用の空気としてボイラー５で燃焼させることによりバーナ４に供給する空気量や燃料量を変えてバーナ４の燃焼量を変えることができ、蒸気または温水の発生量を可変できて電気と熱のバランスを大きく変化させることができる。

また複数の蓄熱槽５を有し、そのうち１つに原動機１の排気を流し、その蓄熱槽５から出る排気の温度が所定値以上になると次の蓄熱槽５に排気を流すようにしたことを特徴とすることも好ましい。この場合、複数の蓄熱槽５に順次排気を流して蓄熱することで蓄熱槽５の平均温度を下げると共に排気の流路抵抗を低減できるのに加え、一の蓄熱槽に蓄熱しながら他の蓄熱槽の空気を通して空気を予熱でき、発電しながら蒸気または温水の発生量を可変して取り出すことができる。

本発明は叙述の如く発電時の排熱を回収して蓄熱槽に蓄熱しておき、熱の需要のある時間帯に蓄熱槽から取り出した熱をボイラーに供給して蒸気まはた温水を得ることができるものであって、電気と熱の取り出すタイミングを変化させることができるため、電気と熱のどちらかのエネルギーを捨てることなく、効率のよい運転ができるという効果を奏し得るものである。

また蓄熱槽を通すことで予熱した空気を燃焼用の空気としてボイラーで燃焼させるようにすると、バーナに供給する空気量や燃料量を変えてバーナの燃焼量を変えることができ、蒸気または温水の発生量を可変できて電気と熱のバランスを大きく変化させることができるという効果を奏し得るものである。

また複数の蓄熱槽５を有すると、複数の蓄熱槽に順次排気を流して蓄熱することで排気の流路抵抗を低減できるのは勿論、一の蓄熱槽に蓄熱しながら他の蓄熱槽の空気を通して空気を予熱でき、発電しながら蒸気または温水の発生量を可変して取り出すことができるという効果を奏し得るものである。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１に示すコジェネレーションシステムの例から述べる。原動機１はタービンまたはエンジンであって、都市ガスのような燃料と空気とを供給することで駆動されるようになっている。この原動機１には発電機２を付設してあり、原動機１で発電機２を駆動することにより電気を発生することができるようになっている。蓄熱槽５は、側壁に断熱材を貼って放熱を抑えた槽に、耐火レンガやアルミナのボール、セラミック若しくはメタルのハニカム等を充填して構成されている。原動機１の排気を排出する経路６は開閉弁７を介して蓄熱槽５の入口に連通させてあり、外気をブロア８にて取り入れる経路９は開閉弁１０を介して蓄熱槽５の入口に連通させてある。排熱ボイラーのようなボイラー３には熱を回収する熱交換器１１を有すると共に燃焼するバーナ４を有している。蓄熱槽５の出口とボイラー３のバーナ４とは経路１２にて連通している。

上記のコジェネレーションシステムで発電する場合は、図２（ａ）のように空気と燃料と供給して原動機１を駆動すると、発電機２が駆動されて発電される。原動機１からの排気は蓄熱槽５に通されて蓄熱槽５の蓄熱材に熱が回収され、蓄熱槽５に熱が回収されて温度が下がった排気はボイラー３を介して排出される。このとき、例えば、排気の残存酸素は１５％で、排気の温度が６０℃である場合、効率は９０〜９５％である。また蒸気を発生して熱を取り出す場合、図２（ｂ）に示すように原動機１を駆動せずにブロア８を駆動して外気の空気を取り入れてこの空気を蓄熱槽５に通す。蓄熱槽５に空気を通すことで蓄熱材と熱交換して空気が予熱され、予熱された空気がバーナ４の燃焼用空気として供給されてバーナ４に供給された燃料がボイラー３で燃焼させられる。ボイラー３で燃焼させられることにより、熱交換器１１に供給された水が加熱されて蒸気が発生させられる。この場合、ボイラー３から排出される排気は例えば残存酸素が３％で温度が１４０℃であると、効率は９０〜９５％である。本例の場合、ボイラー５の燃焼で蒸気を取り出しているが、温水を取り出すものでもよい。

上記のように発電と蒸気の発生が行われるがこの状態をグラフに示すと図３のようなグラフのようになる。このように発電と蒸気の発生を行うようにすると、電気と熱を取り出すタイミングを変化させることができるので、どちらかのエネルギーを捨てることなくシステム運転ができ、高効率を保つことができる。蓄熱槽５から排出される排気は蓄熱槽５の設計を適正に行えば、常温付近まで低減させることができ、背景技術の（１）で述べた通常のコジュネレーションシステムの理想運転時の総合効率と比較しても総合効率の低下を数％に抑えることができる。さらに蓄熱槽５と熱交換した予熱空気をバーナ４の燃焼に利用することで蒸気量を可変できるので、電気と熱のバランスを大きく変化させることができる。また、従来、三元触媒方式のエンジンでは背景技術の（３）の通り排気の残存酸素濃度が低くて排気再燃方式で熱を得ることができず、背景技術の（２）のような排気再燃方式では蒸気量を増加側で制御することができなかったが、上記のような本発明の方式では熱量をほぼ保ったまま排気と燃焼用空気との熱の変換ができるので、排気再燃方式のようにボイラー３で燃焼させるようにしても蒸気量を制御できる。また排気再燃方式の場合、ボイラーのバーナとしては低濃度（１５％）の酸素で燃焼できるような特殊な形式のものが必要であるが、本発明では外気の空気を取り入れて燃焼する方式であるため、ボイラー３のバーナ４として大気で燃焼する通常の形式のものが使用可能である。

なお、図２（ａ）のように原動機１を駆動して発電しているとき、蒸気も取り出したい場合は、蓄熱槽５を通った後の排気をボイラー３のバーナ４で再燃させることにより蒸気を得ることができる。このとき、原動機１がタービンのように残存酸素濃度が比較的高いことが条件である。このようにすると、電気と同時に蒸気を得ることができるが、効率が悪いと共にバーナ４として低濃度の酸素で燃焼し得る特殊なもの用いる必要がある。

図４は蓄熱槽５を複数設置した例である（本例も上記例と基本的に同じであり、同じ箇所には同一の符号を付して詳しい説明は省略する）。本例の場合、複数個の蓄熱槽５を並設してある。本例の場合４個の蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを並設してある。原動機１の排気を排出する経路６は開閉弁７，１３を介して各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの入口に連通させてあり、外気をブロア８にて取り入れる経路９は開閉弁１０，１３を介して蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの入口に連通させてある。各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの出口とボイラー３のバーナ４とは経路１２にて連通させてあり、蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの出口には温度センサー１４を設けてある。

上記のコジェネレーションシステムで発電する場合は、図５（ａ）のように空気と燃料と供給して原動機１を駆動すると、発電機２が駆動されて発電される。原動機１からの排気は蓄熱槽５に通されて蓄熱槽５の蓄熱材に熱が回収されるが、複数の蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに順に排気が通されて各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに順次蓄熱される。つまり、各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに順に排気を流して蓄熱するとき温度センサー１４にて排気の温度を測定し、排気の温度が所定温度になると、排気を流す蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを切り替えるようになっている。図６は各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに蓄熱するときの切り替えの状態を示し排気温度が１６０℃以上になると、蓄熱する蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを切り替えるようになっている。蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに蓄熱されることにより熱が回収されて温度が下がった排気はボイラー３を介して排出される。また蒸気を発生して熱を取り出す場合、図５（ｂ）に示すように原動機１を駆動せずにブロア８を駆動して外気の空気を取り入れてこの空気を蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに通す。蓄熱槽５ａ．５ｂ．５ｃ，５ｄに空気を通すことで蓄熱材と熱交換して空気が予熱され、予熱された空気がバーナ４の燃焼用空気として供給されてバーナ４に供給された燃料がボイラー３で燃焼させられる。ボイラー３で燃焼させられることにより、熱交換器１１に供給された水が加熱されて蒸気が発生させられる。本例の場合、ボイラー５の燃焼で蒸気を取り出しているが、温水を取り出すものでもよい。蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに空気を予熱するとき予熱空気の温度は図７のグラフのように変化する。

上記のように発電と熱の取り出しを行う場合も、図１に示す例と同じように優れた性能がある上、複数の蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに順に排気を流して蓄熱することで蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの蓄熱材の平均温度が下がると共に排気の流れの流路抵抗を低減できる。

また図８は複数の蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えたものにおいて、電気と熱を同時に取り出すことができるようにしたものである。各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄは２つの入口と２つの出口を有しており、原動機１の排気を排出する経路６は開閉弁７，１３を介して各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの一方の入口に連通させてあり、外気をブロア８にて取り入れる経路９は開閉弁１０，１５を介して蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの他方の入口に連通させてある。各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの一方の出口とボイラー３のバーナ４とは経路１２にて連通させてあり、この経路１２に出口の近傍で開閉弁１６を設けてある、また各蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの他方の出口からは排気を大気に排出する経路１７を夫々導出してあり、各経路１７に夫々開閉弁１８と温度センサー１４を設けてある。

上記のように構成せるコジェネレーションシステムでも発電だけをするときや蒸気だけを発生するときは上記の例と同様に動作するが、電気と熱としての蒸気を同時に取り出すときは原動機１の排気を複数の蓄熱槽５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのうち適宜の蓄熱槽に通して蓄熱し、蓄熱に供した排気を経路１７から排出する。一方、ブロア８から取り入れた空気を排気を通さない残りの蓄熱槽に通して空気を予熱し、予熱した空気をボイラー３のバーナ４に供給してバーナ４を燃焼させ、ボイラー５の熱交換器１１で熱交換して蒸気を得る。このようにすると、電気と熱とを同時に得ることができると共に電気と熱の比率をリアルタイムで変化させることができる。

従来のコジェネレーションシステムでは図９（ａ）に示すように必要な熱（蒸気）負荷変動が最小をポイントを越えないように運転しており、発電量及び蒸気発生量が常に一定であり、電気の電気の使用量の変動に対して買電で賄い、必要蒸気負荷の変動に対しては他の熱源で賄わなければならないが、本発明の図８の例に示すものでは図９（ｂ）に示すように電気の使用量に合せて発電しても必要蒸気負荷が少ないときに蓄熱槽５に蓄熱し、必要蒸気負荷が多いときに蓄熱槽５で蓄熱した熱を多く取り出してバーナ４を負荷に合せて燃焼させることで電気及び蒸気をコジェネレーションシステムで全て賄うことができる。つまり、蓄熱槽５が熱負荷変動のバッファの機能を果たすようになり、より大容量のコジェネレーションシステムを構築することが可能になる。

本発明の一例を示す系統図である。 （ａ）（ｂ）は同上の動作を説明する系統図である。 同上の運転パターンを説明するグラフである。 同上の他の例を示す系統図である。 （ａ）（ｂ）は同上の動作を説明する系統図である。 同上の蓄熱槽への蓄熱状態を説明するグラフである。 同上の空気の予熱温度の変化を説明するグラフである。 同上のさらに他の例を説明するグラフである。 （ａ）（ｂ）は同上の例の効果を説明するグラフである。 一従来例を示す系統図である。 他の従来例を示す系統図である。

符号の説明

１ 原動機
２ 発電機
３ ボイラー
４ バーナ
５ 蓄熱槽

Claims (3)

1. エンジン、タービン等の原動機を駆動させて発電機により発電すると共に該原動機の排気の排熱を回収して利用するコジェネレーションシステムであって、原動機の排気を蓄熱槽に通して排出することで排熱を蓄熱槽に蓄熱して排熱を回収すると共に原動機の駆動とは関係なく熱需要のある時間帯に蓄熱槽に空気を通して得た予熱空気をボイラーに供給して蒸気または温水を得るようにしたことを特徴とするコジェネレーションシステム。
2. 熱需要のある時間帯に蓄熱槽に空気を通して空気を予熱し、この予熱した空気を燃焼用空気としてボイラーのバーナを燃焼させてボイラーにて蒸気または温水を得るようにしたことを特徴とする請求項１記載のコジュネレーションシステム。
3. 複数の蓄熱槽を有し、そのうち１つに原動機の排気を流し、その蓄熱槽から出る排気の温度が所定値以上になると次の蓄熱槽に排気を流すようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のコジェネレーションシステム。
   

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