JP4855921B2

JP4855921B2 - コージェネレーションシステム

Info

Publication number: JP4855921B2
Application number: JP2006351907A
Authority: JP
Inventors: 秀夫宮原
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2008164191A

Description

本発明は、電力と熱とを併給するコージェネレーションシステムに係り、特に、熱源機から熱を得た温水の温度低下を抑える技術の改良に関する。

燃料電池やガスエンジンに代表されるコージェネレーションシステムは、電気とともに温水等の熱を提供し、総合的に高い効率で運用することができる。一般的にコージェネレーションシステムの熱源機から熱を得た温水は、温水循環ポンプで温水タンクの上部へと導入され、温水タンク下部の冷水は再び熱源機へと導かれる。温水タンクの上部に貯められた温水は、家屋内の混合栓や浴槽などの熱利用装置に導入される。

従来、熱源機と温水タンクは分離されている。すなわち、温水タンクは温水利用場所での温水温度安定化の目的から浴槽や温水利用設備の近傍に設置され、熱源機は設置しやすい別の場所に据え付けられるのが一般的である。

また温水タンクは、１つ設置するのが一般的であるが目的に応じて複数台設置する場合もある。例えば、特許文献１〜４には、２つの温水タンクを備えたコージェネレーションシステムが開示されている。
特開２００５−１４０３９３号公報特開２００３−３３６９００号公報特開２００１−２１０３４３号公報特開２００１−２１０３４０号公報

ところで、図５に示すような従来のコージェネレーションシステムにおいては、熱源機と温水タンクが分離して構成されているため、熱源機から温水タンクまでの流路での放熱が課題となっていた。一般に、家庭用の燃料電池において、熱源機から温水タンクまでの距離を３ｍとした場合、この流路における放熱は１ｋＷ発電出力で運転しても３℃程度、２００Ｗで運転すると温度降下は１０℃程度と見積られる。

また、一般に温水タンクを含むユニットのメンテナンスを行う場合には、コージェネレーションシステム全体の稼動を停止しなければならず、利便性の面で課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コージェネレーションシステムの熱源機から熱を得た温水の温度低下を抑え熱源機の排熱を十分に活用することができるとともに、メンテナンスが容易で利便性の高いコージェネレーションシステムを提供することにある。

以上の課題を解決するため、本発明は、
発電装置と、この発電装置を冷却する冷却水を循環する冷却水ポンプと、前記冷却水を所定の温度に冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却水を熱源として温度上昇した排熱回収水を循環させる循環路と循環ポンプとを備えたコージェネレーションユニットと、前記コージェネレーションユニットからの排熱回収水を蓄える補助温水タンクを含む排熱利用ユニットと、を備えたコージェネレーションシステムにおいて、
前記コージェネレーションユニットと前記排熱利用ユニットとは分離して設けられ、
前記コージェネレーションユニット内に、前記熱交換器を通過し温度上昇した排熱回収水を蓄える主温水タンクを備え、
前記主温水タンクの出口側に、前記循環路の他に、前記排熱回収水を前記排熱利用ユニットの補助温水タンクへ導き、前記補助温水タンクにおいて排熱利用された排熱回収水を前記コージェネレーションユニットの熱交換器へ戻す配管を備え、
前記排熱回収水の流路を、前記循環路と前記配管とのいずれかに切り替える流路切替装置と、前記流路切替装置における前記循環路から前記配管へと流路の切替えを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記主温水タンクの蓄熱状況を測定し、前記主温水タンクが満蓄熱状態と判断した場合に、前記流路切替装置に前記循環路から前記配管へと流路の切替えを行わせることを特徴とする。

以上のような本発明によれば、排熱利用ユニットの補助温水タンクとは別に、コージェネレーションユニット内に、主温水タンクを設けたことにより、常用運転では、コージェネレーションユニット内の主温水タンクに温水を貯め、この温水タンクが満蓄熱状態になったときに、排熱利用ユニット内の補助温水タンクに短時間で温水を移送することで温水移動に際する放熱ロスを低減することができる。

また、コージェネレーションユニット内の主温水タンクが満蓄熱状態となるまでは排熱利用ユニット内の補助温水タンクは使用しないため、コージェネレーションユニットを停止することなく排熱利用ユニットのメンテナンスを行うことができる。

以上のような本発明によれば、熱源機から熱を得た温水の温度低下を抑え、十分に熱源機の排熱を活用するとともに、使い勝手の良いコージェネレーションシステムを提供することができる。

以下、本発明に係る代表的な実施形態について、図１〜図４を参照して具体的に説明する。

（１）第１の実施形態
本発明の第１の実施形態におけるコージェネレーションシステムにおける熱源機から温水タンクまでの流路での放熱低減手段を、図１を用いて説明する。

［構成］
図１に示すように、本実施形態のコージェネレーションシステムは、コージェネレーションユニット１０と、排熱利用ユニット２０とから構成される。

コージェネレーションユニット１０は、熱源機となる発電装置１と、発電装置１を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプ３と、発電装置１を通過する際に温度上昇した冷却水を冷却する熱交換器２とを備える。また、熱交換器２を通過する冷却水を熱源として、この排熱を排熱回収水に回収して、この排熱回収水を循環させる温水循環ポンプ５と、熱交換器２を通過した排熱回収水を蓄える主温水タンク４とを備える。また、この冷却水ポンプ３と、温水循環ポンプ５の吐出量や、後述する流路切替装置７の動作を制御する制御装置８が設けられている。

排熱利用ユニット２０は、コージェネレーションユニット１０と分離して設けられ、補助温水タンク６を内蔵している。

コージェネレーションユニット１０と、排熱利用ユニット２０とは、排熱回収水を循環させる２本の配管で接続されている。より具体的には、コージェネレーションユニット１０の主温水タンク４に貯留された排熱回収水を、排熱利用ユニット２０の補助温水タンク６へ導く配管Ａと、補助温水タンク６において排熱利用された排熱回収水をコージェネレーションユニット１０の熱交換器２へ戻す配管Ｂとからなる。また、配管ＡとＢとは、配管Ｃによって接続されている。

この配管Ａ、配管Ｂ及び配管Ｃには、コージェネレーションユニット１０内に、排熱回収水の流路切替を行う流路切替装置７が設けられている。流路切替装置７は、配管Ａの流路を開閉する流路切替弁Ｅと、配管Ｂの流路を開閉する流路切替弁Ｆと、配管ＡとＢとを繋ぐ流路切替弁Ｄとからなる。すなわち、排熱利用ユニット２０へ排熱回収水を循環させる場合には、流路切替弁Ｅ及びＦを開とし、流路切替弁Ｄを閉とし、排熱利用ユニット２０へ排熱回収水を循環させず主温水タンク４から熱交換器２へ再度循環させる場合には、流路切替弁Ｅ及びＦを閉とし、流路切替弁Ｄを開とするものである。

なお、この流路切替装置７は、本実施形態のようにコージェネレーションユニット１０内に設ける構成のみならず、排熱利用ユニット２０内に設ける構成や、コージェネレーションユニット１０と排熱利用ユニット２０間で排熱回収水を循環させる配管中に設ける構成を採用することも可能である。

［作用効果］
以上のような構成からなる本実施形態のコージェネレーションシステムは、次のように作用する。すなわち、通常運転時には、コージェネレーションユニット１０に内蔵された主温水タンク４に排熱回収水を蓄える。

主温水タンク４が、満蓄熱となった際に、流路切替装置７の流路切替弁ＥとＥとを開とし、流路切替弁Ｄを閉とする。これにより、排熱回収水は、配管ＡとＢとを介して、主温水タンク４から補助温水タンク６に移動する。

このとき、流路切替装置７の作用により、主温水タンク４から補助温水タンク６への排熱回収水の移動の流量を、通常運転時の主温水タンク通過流量よりも大きくする。具体的には、流路切替装置７により流路切替弁Ｅ及びＦを開とし流路切替弁Ｄを閉とし、これに基づいて、制御装置８が、温水循環ポンプ５の吐出量を増加させることにより行う。

以上のように、本実施形態によれば、排熱利用ユニット２０の補助温水タンク６とは別に、コージェネレーションユニット１０内に、主温水タンク４を設けたことにより、常用運転では、コージェネレーションユニット１０内の主温水タンク４に温水を貯め、この温水タンクが満蓄熱状態になったときに、排熱利用ユニット２０内の補助温水タンク６に短時間で温水を移送することで温水移動に際する放熱ロスを低減することができる。

また、コージェネレーションユニット１０内の主温水タンク４が満蓄熱状態となるまでは排熱利用ユニット２０内の補助温水タンク６は使用しないため、コージェネレーションユニット１０を停止することなく排熱利用ユニット２０のメンテナンスを行うことができる。

（２）第２の実施形態
第２の実施形態におけるコージェネレーションシステムは、コージェネレーションユニット１１の主温水タンク４から熱交換器２に至る配管及び主温水タンク４から補助温水タンク６に至る配管の構成、並びに流路切替装置９の構成に改良を加えたものである。

すなわち、コージェネレーションユニット１１の主温水タンク４に貯留された排熱回収水を、排熱利用ユニット２０の補助温水タンク６へ導く配管Ｇと、補助温水タンク６において排熱利用された排熱回収水をコージェネレーションユニット１０の熱交換器２へ戻す配管Ｈと、主温水タンク４から熱交換器２へ循環させるための配管Ｉとからなり、この配管Ｇと配管Ｉとが、主温水タンク４から２又に分かれるように構成されている。

流路切替装置９は、配管Ｇの流路を開閉する流路切替弁Ｊと、配管Ｈの流路を開閉する流路切替弁Ｋと、配管Ｉの流路を開閉する流路切替弁Ｌとから構成される。そして、この流路切替弁Ｊ及びＫは、電磁弁等の自動制御弁により構成され、この自動制御弁により配管ＡとＢそれぞれにおける流路の切替を制御動作として行えるようにしたものである。

ここで例えば、排熱回収水量は発電出力に比例する。そこで、本実施形態のように流路切替弁Ｅ及びＦを電磁弁等からなる自動制御弁により構成する。また、制御装置８が、発電出力と発電時間を監視し、発電出力と発電時間の関数から、主温水タンク４の満蓄熱を予測し、流路切替装置９を制御する。

これにより、主温水タンクが満蓄熱状態になったときに排熱利用ユニット内の温水タンクに温水を短時間で移送することができ、コージェネレーションユニット１１から排熱利用ユニット２０までの温水流路での排熱回収水の放熱を低減することができる。

（３）第３の実施形態
第３の実施形態におけるコージェネレーションシステムは、コージェネレーションユニット１２において、主温水タンク４の出口部分に温度センサＴを設け、これによる制御に特徴を持たせたものである。なお、その他の装置の構成は第２の実施形態と同様である。

この温度センサＴは、発電装置１の発電運転中において、制御装置８が温度センサＴの温度上昇を検出した場合に流路切替装置９を動作させ、主温水タンク４の温水を、補助温水タンク６に移送するように構成したものである。この場合の制御装置８による制御動作を、図４により詳しく説明する。

図４は、主温水タンク４の出口温度、流路切替弁Ｊ及びＬの開動作の有無、開動作時の温水ポンプ５の流量（Ｌ／分）を示したものである。縦軸左側は、温度センサＴにより測定される温度を表し、縦軸右側に流量切替装置１４における弁の開動作回数と、あわせて温水ポンプ５の流量を示している。

これによれば、主温水タンク４の出口温度を計測している温度センサＴにより、主温水タンク４から流れる温水の温度上昇が検知された場合に、制御装置８が、流路切替弁Ｌを閉止するとともに、流路切替弁Ｊを開することで、主温水タンク４の温水が補助温水タンク６に移送するラインを構成する。ここで、温水循環ポンプ５の出力を増加し、温水循環ポンプ流量を増加させる。これにより、コージェネレーションユニット１２から排熱利用ユニット２０までの温水流路での放熱を低減することが可能となる

（４）他の実施形態
本発明は、以上のような実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような態様も包含するものである。すなわち、上記実施形態形態のコージェネレーションシステムにおける装置構成において、コージェネレーションユニット１０〜１２における排熱利用ユニット２０に向かう配管ＡまたはＦを、排熱利用ユニット２０からコージェネレーションユニット１０〜１２に向かう配管ＢまたはＧと比較して、細く構成することも可能である。

これにより、配管ＡまたはＦ内の流速を上げて配管滞留時間を短縮することで放熱量の低減を図ることが可能であり、一方で、配管ＢまたはＧ内の流速を低減することで、システムの圧力損失を抑えることが可能となる。

本発明の第１の実施形態のコージェネレーションシステムの全体構成図。本発明の第２の実施形態のコージェネレーションシステムの全体構成図。本発明の第３の実施形態のコージェネレーションシステムの全体構成図。本発明の第３の実施形態におけるコージェネレーションシステム制御動作例。従来のコージェネレーションシステムの全体構成図。

符号の説明

１…発電装置
２…熱交換器
３…冷却水ポンプ
４…主温水タンク
５…温水循環ポンプ
６…補助温水タンク
７…流路切替装置
８…制御装置
９…流路切替装置
１０〜１３…コージェネレーションユニット
…流量切替装置１４
２０…排熱利用ユニット
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｇ，Ｈ，Ｉ…配管
Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｊ，Ｋ，Ｌ…流路切替弁
Ｔ…温度センサ

Claims

発電装置と、この発電装置を冷却する冷却水を循環する冷却水ポンプと、前記冷却水を所定の温度に冷却する熱交換器と、前記熱交換器で冷却水を熱源として温度上昇した排熱回収水を循環させる循環路と循環ポンプとを備えたコージェネレーションユニットと、前記コージェネレーションユニットからの排熱回収水を蓄える補助温水タンクを含む排熱利用ユニットと、を備えたコージェネレーションシステムにおいて、
前記コージェネレーションユニットと前記排熱利用ユニットとは分離して設けられ、
前記コージェネレーションユニット内に、前記熱交換器を通過し温度上昇した排熱回収水を蓄える主温水タンクを備え、
前記主温水タンクの出口側に、前記循環路の他に、前記排熱回収水を前記排熱利用ユニットの補助温水タンクへ導き、前記補助温水タンクにおいて排熱利用された排熱回収水を前記コージェネレーションユニットの熱交換器へ戻す配管を備え、
前記排熱回収水の流路を、前記循環路と前記配管とのいずれかに切り替える流路切替装置と、
前記流路切替装置における前記循環路から前記配管へと流路の切替えを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記主温水タンクの蓄熱状況を測定し、前記主温水タンクが満蓄熱状態と判断した場合に、前記流路切替装置に前記循環路から前記配管へと流路の切替えを行わせることを特徴とするコージェネレーションシステム。
前記流路切替装置は、流路を前記循環路と前記配管とに切り替える自動制御弁を備え、
前記制御装置は、前記発電装置の発電出力と発電時間を監視し、発電出力と発電時間の関数から前記主温水タンクの満蓄熱を予測し、前記主温水タンクが満蓄熱状態と判断した場合に、前記自動制御弁を制御して前記循環路から前記配管へと流路を切替えることを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
主温水タンク出口に温度センサを設け、
前記制御装置は、前記温度センサにより排熱回収水が所定の温度に達したことが検出された場合に、前記流路切替装置に前記循環路から前記配管へと流路の切替えを行わせることを特徴とする請求項１記載のコージェネレーションシステム。
前記制御装置は、前記循環路から前記配管へと流路の切替えにともなって、前記温水循環ポンプの出力を増加させ、前記排熱利用ユニットに流れる排熱回収水の流量を増加させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のコージェネレーションシステム。
前記配管は、前記排熱回収水を前記排熱利用ユニットの補助温水タンクへ導く第１の配管と、前記補助温水タンクにおいて排熱利用された排熱回収水を前記コージェネレーションユニットの熱交換器へ戻す第２の配管とからなり、
前記第１の配管の径は、前記第２の配管の径より細く構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のコージェネレーションシステム。