JP4133628B2 - コージェネレーションシステム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、コージェネレーションシステムに係り、特に排熱回収システムの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、コージェネレーションの1例として、燃料電池と、燃料電池の排熱を熱回収する排熱回収熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる蓄熱槽から構成されたものがある。
【0003】
また、従来、コージェネレーションの他例として、熱電併給装置と、熱電併給装置の排熱を熱回収する熱交換器と、この熱交換器で熱回収された熱は温水として蓄えられる貯湯タンクとから構成され、給湯需要に速やかに応じるため、特定時刻例えば浴槽内へのお湯張りのとき高温モードとして運転し、それ以外のときは低温モードとして運転するように貯湯式給湯システムがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−343159号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の熱回収システムにおける排熱回収量は、燃料電池の発電出力によるところが多く、発電出力が高い場合には排熱回収量は多く、逆に発電出力が低い場合には排熱回収量は少ない。しかしながら、燃料電池の実運用において、電力需要と熱需要は同じタイミングであるとは限らず、一時的に蓄熱槽内が熱余り、あるいは熱不足の状態となることがあり得る。
【0006】
このようなことから、熱余りの際には、例えば熱交換器及び冷却ファンを組合わせた冷却モジュールにて熱を放出し、燃料電池の発電運転を継続するように構成したシステムが公知である。しかしながら、このシステムは熱を回収しない点と、冷却ファンの動力を消費する点から熱回収システムとして好ましくない。
【0007】
また、熱余り時には発電を停止する運転方法も公知であるが、短時間で熱需要が発生する場合もあり、プラント停止・起動を頻繁に繰り返すことによる停止・起動電力を消費することからも好ましくない。
【0008】
さらに、前述した特許文献1の貯湯式給湯システムは、安定した運転を継続し、回収熱量の面では、十分とはいえず、未だ改善の余地があると考えられる。
【0009】
本発明は、以上のような問題点を改善するためになされたもので、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステム
を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための、請求項1に対応する発明は、電力の発生と該電力の発生に伴う排熱を発生する熱電併給装置と、前記熱電併給装置からの排熱を回収する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器で回収した排熱を熱媒体に代えて蓄える蓄熱槽と、前記排熱回収熱交換器で回収した熱媒体を前記蓄熱槽に移送するポンプと、前記蓄熱槽の熱利用状況を検知する熱利用状況検知部と、前記排熱回収熱交換器と前記蓄熱槽の間の熱媒体通路に設けられた排熱回収温度検知部と、前記熱利用状況検知部からの検知信号により前記排熱回収温度検知部における設定温度を演算し、当該排熱回収温度検知部での計測温度が前記設定温度となるよう前記ポンプの吐出流量を調整するものであって、前記熱利用状況検知部からの検知信号により熱利用状況が前記排熱回収熱交換器からの排熱回収量と比較して過小である場合には、前記熱媒体流量を減少することで排熱回収温度を上げる制御を行う制御装置と、を具備したコージェネレーションシステムである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0013】
(1) 第1の実施の形態
図1および図2は、第1の実施形態を説明するための概略構成図であり、これは次のように、熱電併給装置例えば燃料電池プラント30と、蓄熱槽9と、ポンプ7と、熱利用状況検知部11、13、14、15と、制御装置(制御手段)20から構成されている。
【0014】
燃料電池プラント30は、図2に示すように、脱硫器1、水蒸気分離器2、複合CO(一酸化炭素)変成・除去器3、改質器4、燃料電池5、排熱回収熱交換器6A、6Bと、ポンプ17、23、25、22、26、27、28、弁18、19、21、熱交換器20、24を備えている。
【0015】
一般に燃料電池発電システムでは、燃料電池5に加え、都市ガスやLPGなどの原燃料ガスから水素リッチガスを生成する燃料処理装置、燃料電池5からの排熱を回収する排熱回収熱交換器6A、6Bが含まれている。
【0016】
ここでは、燃料処理装置は、都市ガスやLPGなどの原燃料ガスを供給し、脱硫器1で原燃料中に含まれる硫黄分を除去した後に水蒸気分離器2からの水蒸気と混合し改質器4に導入することで改質ガスを生成する。改質ガス中には燃料電池で許容される以上の一酸化炭素を含んでいるため、複合CO変成・除去器3で数ppmオーダー以下まで一酸化炭素濃度を低減し、燃料電池5に供給する。
【0017】
燃料電池5内部で空気中の酸素と反応した後の燃料排ガスは、改質器4の燃焼バーナ部へと導入され、前述の改質反応の熱源となる。この燃焼排ガスの一部は改質用水蒸気生成の熱源として使用され、残りの熱は排熱回収熱交換器6A、6Bで燃料電池5の空気極出口排ガス熱と共に熱回収され、後述する蓄熱槽9に蓄えられる。
【0018】
蓄熱槽9は、排熱回収熱交換器6A、6Bで回収した排熱を熱媒体に代えて蓄えるものであり、蓄熱槽9は水,エチレングリコール・プロピレングリコール等の不凍液を溶解した水,潜熱を利用したパラフィン・脂肪酸,化学潜熱を利用した化学蓄熱材料,吸着熱を利用したゼオライト等を媒体としてエネルギーを保持するもので、燃料電池5をコージェネレーションとして使用する場合に組み合わせて使用される。
【0019】
ポンプ7は、排熱回収熱交換器6A、6Bで回収した熱媒体を蓄熱槽9に移送するものである。ここで、排熱回収熱交換器6Aは、図2の改質器4の排熱の熱交換を行なうものであり、排熱回収熱交換器6Bは図2の燃料電池5の排熱の熱交換を行なうものである。図1に記載の熱源機には、燃料電池5及び改質器4の両方を含むことは言うまでもない。
【0020】
熱利用状況検知部11は例えば熱量計であり、熱の使用量と燃料電池5の発電量の比較により熱余りか否かを判断する。また、ポンプ7の吐出流量は流量調整弁8の開度設定あるいはポンプ7の動力電流・電圧制御、PWM制御、交流位相制御等による出力制御により行う。
【0021】
熱利用状況検知部13は、蓄熱槽9内部の上部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽9内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部14は、蓄熱槽9内部の下部の温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽9内部の温水の熱利用状況を検知するものである。熱利用状況検知部15は、蓄熱槽9とポンプ7との間の熱媒体通路内における温度又は熱量を検知し、結果として蓄熱槽9内部の温水の熱利用状況を検知するものである。
【0022】
前記温度を検知する温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対,サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチのいずれかを使用する。
【0023】
制御装置(制御手段)20は、熱利用状況検知部11、13、14、15のいずれからの信号及び燃料電池5と蓄熱槽9の間の熱媒体伝送路に配設され、排熱回収部の温度を調整する排熱回収温度調整部10からの信号によりポンプ7の吐出流量を変化させたり、これ以外に燃料電池プラント30の燃料量、空気量、水量等を制御するために、ポンプ17、23、22、26、27、28、流量調整弁8、弁18、19、21、29、に指令信号を与えるものである。
【0024】
以上述べた第1の実施形態は、熱媒流量調整を弁8を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ12の出力調整により行う構成となっている。
【0025】
第1の実施形態によれば、例えば熱利用状況検知部11からの信号によりポンプ7の吐出流量を変化させ、排熱回収熱交換器で回収する排熱温度を可変に制御する排熱回収システムであり、熱利用状況が燃料電池5からの排熱回収量と比較して過小である場合には、排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽9内の熱飽和を遅延させることができる。また熱不足の時には排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増やすことで比較的急速の熱補給が実現できる。この結果、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【0026】
図1及び図2の作用の概略についてまとめて記載する。
【0027】
1.ポンプ7は、熱利用状況検知部11、13、14、15の信号が制御装置20に入力されることから、制御装置20の機能によりその出力が可変となる。
【0028】
(1)熱利用状況検知部13の温度が低くなって熱不足となった場合には、ポンプ7の出力を上げ、低温水を大量回収することになる(急速熱回収状態となる)
(2)熱利用状況検知部14の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ7の出力を下げ、高温水を小量回収することになる(高温熱回収状態となる)
(3)熱利用状況検知部15の温度が高くなって熱余りとなった場合には、ポンプ7の出力を下げ、高温水を小量回収することになる(高温熱回収状態となる)
(4)熱利用状況検知部11の熱量が低減し熱余りとなった場合には、ポンプ7の出力を下げ、高温水を小量回収することになる(高温熱回収状態となる)
(5)熱利用状況検知部11の熱量が増加し熱不足となった場合には、ポンプ7の出力を上げ、低温水を大量回収することになる(急速熱回収状態となる)
2.ポンプ7の出力は、排熱回収温度検知部10が設定値となるように、制御装置20は制御を行なう。
【0029】
3.排熱回収温度検知部10の設定値は熱利用状況検知部13、14、15の信号により、制御装置20は演算する。ここで一例を示す。例えば、標準時では、熱利用状況検知部15の温度が15℃で、排熱回収温度検知部10の設定温度が60℃である。また、熱飽和時では、熱利用状況検知部15の温度が40℃で、排熱回収温度検知部10の設定温度が70℃である。運転限界時では、熱利用状況検知部15の温度が60℃で、発電停止を行なう。
【0030】
図3は、前述した第1の実施形態の変形例を説明するための図である。ここでは、熱媒流量調整を流量調整弁8を使用せずに出力可変制御に対応したポンプ12の出力調整により行う構成である。
【0031】
(2) 第2の実施の形態
図4及び図5は、本発明の2の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部11の機能を蓄熱槽9に熱利用状況検知部13、熱利用状況検知部14に代表する温度計測器として配設したものである。
【0032】
熱利用状況検知部14は熱利用状況検知部13よりも蓄熱槽内の比較的低温部に配設されており、蓄熱槽9が熱飽和しそうか否かの判断に使用する。
【0033】
一方、熱利用状況検知部13は熱利用状況検知部14よりも蓄熱槽内の比較的高温部に配設されており、蓄熱槽9が熱不足か否かの判断に使用する。熱利用状況検知部13と熱利用状況検知部14は蓄熱槽9内の1点で兼用することも可能であり、また、いずれか一方でも運用は可能である。熱利用状況検知部の設置数を増やすことにより熱利用状況をより詳細に把握できるようになる。
【0034】
以上のように構成された第2の実施の形態では、熱利用状況検知部13にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器6で回収する排熱温度排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽9内に導入する熱量を増加させる。
【0035】
一方熱利用状況検知部14にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器6で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽9内の熱飽和を遅延させる。
【0036】
熱利用状況検知部13および熱利用状況検知部14の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図5に示す。ここでは、熱利用状況検知部13(蓄熱槽上部温度)が35℃まで上昇するまでは排熱回収温度設定を40℃とし、以降60℃で熱回収した後に、熱利用状況検知部14(蓄熱槽下部温度)が40℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を70℃と設定している。
【0037】
以上述べた第2の実施の形態によれば、第1の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【0038】
なお、図4の熱利用状況検知部13ないしは熱利用状況検知部14の温度検知器は、図4に限らず少なくとも1つを蓄熱部9に配設してもよい。この場合、蓄熱槽9の比較的低温部に配設した熱利用状況検知部14で熱余り(温度高)と検知した場合には排熱回収設定温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽9内の熱飽和を遅延させる。一方、蓄熱槽9の比較的高温部に配設した熱利用状況検知部13で熱不足(温度低)と検知した場合には排熱回収設定温度を下げ、熱媒流量を増やすことで蓄熱槽9内に導入する熱量を増加させる。排熱回収熱交換器6は熱媒流量を増加させると排熱回収温度は低下するものの回収熱量は増加する性質を持つ。熱利用状況検知部13、熱利用状況検知部14の温度検知器は、例えば温度スイッチ等を使用する。
【0039】
(3) 第3の実施の形態
図6及び図7は、第3の実施の形態を説明するための図である。ここでは熱利用状況検知部15の機能を得るため、蓄熱槽9から排熱回収熱交換器6のまでの熱媒流路に熱利用状況検知部15として温度検知器を配設したものである。温度検知器は例えば設定温度を検知する温度スイッチや熱電対,サーミスタ等の温度計を使用する。
【0040】
このように構成した第3の実施の形態において、熱利用状況検知部15にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器6で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽9内に導入する熱量を増加させる。
【0041】
熱利用状況検知部15を使用した場合の排熱回収温度設定例を図7に示す。ここでは、熱利用状況検知部15(排熱利用戻り温度)が35℃まで上昇した場合には排熱回収温度設定を70℃と設定している。
【0042】
以上述べた第3の実施の形態によれば、第1の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【0043】
(4)第4の実施の形態
図8及び図9は、第4の実施の形態を説明するための図である。ここでは、熱利用状況検知部13、熱利用状況検知部14、熱利用状況検知部15として温度検知が可能な熱電対,サーミスタ等の温度計を使用する。また、温度計測器は例えば熱電対,サーミスタ等の温度計、あるいは熱媒の温度変化による比重の変化を利用した浮子スイッチである。
【0044】
このように構成した第4の実施の形態によれば、熱利用状況検知部13にて温度低下を検知した場合に、熱不足であると判断し、排熱回収熱交換器6で回収する排熱回収温度を下げ、熱媒流量を増加することで蓄熱槽9内に導入する熱量を増加させる。
【0045】
一方熱利用状況検知部14にて温度上昇を検知した場合に、熱余りであると判断し、排熱回収熱交換器9で回収する排熱回収温度を上げ、熱媒流量を減らすことで蓄熱槽9内の熱飽和を遅延させる。
【0046】
熱利用状況検知部13および熱利用状況検知部14の両方を使用した場合の排熱回収温度設定例を図8に示す。ここでは、熱利用状況検知部13(蓄熱槽上部温度)が35℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を40℃とし、以降、熱利用状況検知部13(蓄熱槽上部温度)が55℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次60℃まで上昇し、熱利用状況検知部14(蓄熱槽下部温度)が35℃以上に上昇した場合には、45℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次70℃まで上昇している。
【0047】
熱利用状況検知部15を使用した場合の排熱回収温度設定例を第8図に示す。ここでは、熱利用状況検知部15(排熱利用戻り温度)が35℃まで上昇するまでは排熱回収設定温度を60℃とし、以降、熱利用状況検知部15(排熱利用戻り温度)が45℃まで上昇する間、排熱回収設定温度は漸次70℃まで上昇している。
【0048】
以上述べた第4の実施の形態によれば、第1の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【0049】
(4) 第5の実施の形態
図10及び図11は、本発明の第5の実施形態を説明するための図である。ここでは、前述した図1の熱利用状況検知部13、熱利用状況検知部15に第2、第3の温度設定値を次のように定めるようにしたものである。
【0050】
熱利用状況検知部13ないしは熱利用状況検知部14の検知温度が第2の設定温度を超えた場合、あるいは第2の設定温度を超えて設定時間経過した場合、燃料電池の発電を停止する。燃料電池5の発電運転の開始(再起動)は熱利用状況検知部13ないしは熱利用状況検知部14の検知温度が第3の設定温度以下になった場合にこれを行う。
【0051】
以上述べた第5の実施の形態によれば、第1の実施形態と同様な作用効果が得られる。
【0052】
<変形例>
本発明は、前述の実施形態では、熱電併給装置として、燃料電池を例にあげて説明したが、これは例えばガスエンジンやガスタービンのごとき熱電併給装置であれば何でもよい。
【0053】
また、前述した図2の実施形態では、排熱回収熱交換器6A、6Bを2個備えた例を説明し、図2以外の実施形態では排熱回収熱交換器を1個備えた例について説明したが、これに限らず排熱回収熱交換器は何個備えても前述の実施形態と同様に実施できる。
【0054】
さらに、前述の第1の実施形態に、新たに発電運転停止手段と発電運転開始手段を追加し、発電運転停止手段は熱利用状況検知部の信号により蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第1の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を停止するものであり、また発電運転開始手段は蓄熱槽内の温度或いは蓄熱槽から排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第1の設定値より低い第2の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を開始するようにしたものである。
【0055】
また、前述した実施形態の1の設定値と、第2の設定値の少なくとも一方は、熱需要の予測演算によって変更されるように構成してもよい。熱需要の予測演算は、具体的には次のように行なう。▲1▼前日あるいは1週間前の実際の熱需要データを事前に制御装置のメモリーに保存しておく。▲2▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲1▼データと比較し、過剰と判断される場合には、排熱回収温度設定値を上方修正する。▲3▼熱利用状況検知部の信号から算出した現状の蓄熱量が、▲1▼データと比較し、不足と判断される場合には、排熱回収温度設定値を下方修正する。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、安定した運転が継続でき、回収熱量を増加させることができるコージェネレーションシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるコージェネレーションシステムの第1の実施の形態を示す構成図。
【図2】本発明におけるコージェネレーションシステムの第1の実施の形態の詳細を示す構成図。
【図3】本発明におけるコージェネレーションシステムの第1の実施形態の変形例の要部のみを示す構成図。
【図4】本発明におけるコージェネレーションシステムの第2の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図5】本発明におけるコージェネレーションシステムの第2の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図6】本発明におけるコージェネレーションシステムの第3の実施の形態の要部のみを示す構成図。
【図7】本発明におけるコージェネレーションシステムの第3の実施の形態で想定される排熱回収温度設定例を示す図。
【図8】本発明におけるコージェネレーションシステムの第4の実施の形態で想定される1つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図9】本発明におけるコージェネレーションシステムの第4の実施の形態で想定される2つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図10】本発明におけるコージェネレーションシステムの第5の実施の形態で想定される1つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【図11】本発明におけるコージェネレーションシステムの第5の実施の形態で想定される2つ目の排熱回収温度設定例を示す図。
【符号の説明】
1…脱硫器、2…水蒸気分離器、3…CO変成・除去器、4…改質器、5…燃料電池、6A、6B、6…排熱回収熱交換器、7…ポンプ、8…流量調整弁、9…蓄熱槽(蓄熱部)、10…排熱回収温度調整部、11…熱利用状況検知部、12、17、23、22、26…ポンプ、13、14、15…熱利用状況検知部、18、19…弁、20…制御装置、20.24…熱交換器、30…燃料電池プラント。
Claims (9)
- 電力の発生と該電力の発生に伴う排熱を発生する熱電併給装置と、
前記熱電併給装置からの排熱を回収する排熱回収熱交換器と、
前記排熱回収熱交換器で回収した排熱を熱媒体に代えて蓄える蓄熱槽と、
前記排熱回収熱交換器で回収した熱媒体を前記蓄熱槽に移送するポンプと、
前記蓄熱槽の熱利用状況を検知する熱利用状況検知部と、
前記排熱回収熱交換器と前記蓄熱槽の間の熱媒体通路に設けられた排熱回収温度検知部と、
前記熱利用状況検知部からの検知信号により前記排熱回収温度検知部における設定温度を演算し、当該排熱回収温度検知部での計測温度が前記設定温度となるよう前記ポンプの吐出流量を調整するものであって、前記熱利用状況検知部からの検知信号により熱利用状況が前記排熱回収熱交換器からの排熱回収量と比較して過小である場合には、前記熱媒体流量を減少することで排熱回収温度を上げる制御を行う制御装置と、
を具備したコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部は前記蓄熱槽内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する温度検出器又は熱量検出器である請求項1記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部は前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度又は熱量を検出する温度検出器又は熱量検出器である請求項1記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部は、前記蓄熱槽内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する第1温度検出器又は第1熱量検出器及び前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の熱媒体の温度又は熱量を検出する第2温度検出器又は第2熱量検出器である請求項1記載のコージェネレーションシステム。
- 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第1の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を停止する発電運転停止手段と、
を更に具備した請求項1記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第1の設定値より小さくなったとき前記熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項1記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が前記第1の設定値より低い第2の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項1記載のコージェネレーションシステム。 - 前記熱利用状況検知部の信号により前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が第1の設定値に達したとき前記熱電併給装置の発電運転を停止する発電運転停止手段と、
前記蓄熱槽内の温度或いは前記蓄熱槽から前記排熱回収熱交換器までの熱媒体流路内部の温度が前記第1の設定値より低い第2の設定値に達したとき熱電併給装置の発電運転を開始する発電運転開始手段と、
を更に具備した請求項1記載のコージェネレーションシステム。 - 前記第1の設定値と、前記第2の設定値の少なくとも一方は、熱需要の予測演算によって変更される請求項5〜8のいずれかに記載のコージェネレーションシステム。
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