Cogeneration apparatus

本発明は、都市ガスを燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯を行うコジェネレーション装置に関し、特に、熱需要があるときに発電を行う熱需要型のコジェネレーション装置に関する。

近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等のエンジンを動力源として発電および給湯等を行う自家発電設備としてのコジェネレーション装置が注目されている。 この種のコジェネレーション装置では、発電に伴う熱出力を同時に消費できない場合も多いため、エネルギを無駄なく使用する観点で、消費できない熱量を発生させないようにした熱需要優先型の装置が提案されている。 例えば、特開２０００−８７８０１号公報に記載されているコジェネレーション装置では、熱負荷からの熱要求があったときにだけ運転することによって、運転効率を上げるようにしている。 また、特開２０００−２９７９６３号公報には、熱需要優先型でありながら、さらに熱出力と熱需要の緩衝器としての給湯タンクを備え、熱出力と熱需要とが一致していないときに、給湯タンク内の温水として熱量を一旦蓄えるようにした装置が提案されている。 この装置によれば、コジェネレーション装置の運転時以外でも熱需要に応じて温水を通じて熱量を利用できるようにして熱エネルギの無駄が生じないようにすることができる。

特開２０００−８７８０１号公報

特開２０００−２９７９６３号公報

上述の特許文献に記載された従来のコジェネレーション装置では、熱需要に応じて運転するように構成された熱需要優先型（電気従動型）であるので、熱需要がない場合には運転することができず、したがって、発電出力も得られない。 すなわち、停電などの非常時に電力が必要となっても、熱需要なしに運転することがない。 したがって、例えば、家庭にも設置可能な小型のコジェネレーション装置においては、せっかく所有しているこの発電設備を、停電という非常時に直ちに使用できないという不便さがある。

本発明は、このような不都合を解消するためになされたものであり、その目的は、熱需要優先型のコジェネレーション装置において、熱需要がない場合にも、停電等の非常時においては、特別な措置として発電出力を得ることができるコジェネレーション装置を提供することにある。

本発明は、エンジン駆動発電機のエンジンから回収された排熱で貯湯タンク内の水を加温する熱交換器と、前記貯湯タンク内の水温が設定温度以下のときに前記エンジンを運転可能に制御するコジェネレーション装置において、前記水温が設定温度以上のときに前記貯湯タンク内の水温を低下させる手段を具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、貯湯タンク内の水温が設定温度以上のときに貯湯タンク内に給水することによって貯湯タンク内の水温を低下させる点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記貯湯タンク内の水位が設定レベル以下になったときに、貯湯タンクに給水する給水手段を具備し、前記貯湯タンク内の水温を低下させる手段が、前記貯湯タンクから排水して水位を前記設定レベル以下に下げる手段である点に第３の特徴がある。

また、本発明は、前記発電機の発電出力が系統に連系されており、系統の停電時に、前記水温を低下させる手段を作動させるように構成されている点に第４の特徴がある。

また、本発明は、前記系統の停電時に発電機を系統から解列するスイッチ手段を具備した点に第５の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明では、熱負荷である貯湯タンク内の水温が設定水温以下になったとき、つまり熱需要が生じたときに駆動されるエンジン発電機を有する熱需要優先型のコジェネレーション装置において、熱需要がない場合、貯湯タンク内の水温を設定水温以下に低下させることによって強制的に熱需要を発生させる。 これによって、熱需要優先型の運転システムをそのまま利用しつつ、非常時においては、特別な措置としてコジェネレーション装置のエンジン発電機を運転可能にすることができる。

第２の特徴によれば、貯湯タンクへの給水手段を用いて、外部から水道水等の低温の水を給水することによって水温を低下させて熱需要を発生させることができる。 したがって、熱需要優先型の運転システムでありながらも、水回路の簡単な制御で非常時の運転に対応することが可能になる。

第３の特徴によれば、貯湯タンク内の水位が設定水位に下がったときに給水する制御手段を利用し、水温が設定水温以下になったときに貯湯タンクから排水する。 これによって、水位が下がって外部から水道水等の低温の水が給水され、結果的に水温を設定水温以下に低下させて熱需要を発生させることができる。 したがって、第２の特徴と同様の効果を発揮するとともに、さらに、この第３の特徴を有する発明は、貯湯タンクの容量が小さくて水温を十分に低下させるだけのさらなる給水が困難なときに有効である。

第４の特徴によれば、系統が停電のときに、貯湯タンク内の水温を低下させて自動的にエンジン発電機の駆動を可能にすることができる。 また、第５の特徴によれば、停電時に、発電機が系統に対して解列されるので、系統に影響を及ぼすことなくエンジン発電機を非常用発電装置として運転することができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。 図２はエンジン発電機を商用電力系統に連系させた熱需要優先型コジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。 エンジン発電機１０は、互いに機械的に連結された（内燃）エンジン１１と発電機１２とを含み、発電機１２はエンジン１１で駆動されてエンジン回転数に応じた交流電力を発生する。 エンジン１１は、例えば、都市ガスを燃料とするガスエンジンである。

電力変換装置１３は発電機１２から出力された交流電力を商用電力系統と同じ品質（電圧、周波数、ノイズ等に関して）の交流に変換し、商用電力系統の位相と同期をとって連系させる機能を有する。 具体的には、発電機１２から出力された交流を直流に変換するコンバータ、およびコンバータで変換された直流を商用電力系統の周波数、電圧に合致した交流に変換するインバータ、ならびにノイズフィルタおよび連系スイッチ等の機能を有している。 系統連系用電力変換装置の一例は特公平４−１０３０２号公報に開示されている。 電力変換装置１３で変換された発電機１２の出力交流は商用電力系統１４と連系して電気負荷１５に接続されている。 通常は発電機１２の発電電力のみで電気負荷１５に対応することができるが、大きい電力需要が生じて発電機１２による発電電力に不足が生じた場合は、商用電力系統１４からの電力で不足分をまかなうことができる。

エンジン１１は発電機１２の運転に伴って熱を発生し、この熱はエンジン１１の水冷装置１６で熱交換により回収される。 この熱回収はエンジン１１のマフラー等の高温部分全てを対象とすることが好ましい。 水冷装置１６を通過する管路１８内の冷却水はポンプ１９で循環され、この冷却水を媒体として貯湯タンク１７に熱量が運搬される。 貯湯タンク１７には管路１８に接続された第１熱交換器２０が設けられ、図示しない水供給源から貯湯タンク１７に供給された水はこの第１熱交換器２０からの熱で温水に加熱される。 貯湯タンク１７に蓄えられた温水は、第１の温水経路３３を通じて第１熱負荷としての給湯器２１に供給されて利用される。 貯湯タンク１７内には、貯湯タンク１７内の水の温度を検出する水温センサ３６と、貯湯タンク内１７の水の量を検出する水位センサ３７とが設けられる。

ポンプ１９はエンジン発電機１０の運転に連動して起動する一方、エンジン発電機１０が停止されると、その時点から予定時間（タイマによって設定される）経過後に停止するようにするのがよい。 ポンプ１９は、エンジン１１側の温度が貯湯タンク１７側より高くなった時に起動してもよいし、気温が低いときにはエンジン１１を貯湯タンク１７の温水で暖めるために始動に先行して起動してもよい。

図示しない水供給源と貯湯タンク１７との間には給水管３８が設けられ、給水管３８には給水バルブ３９が設けられる。 給水バルブ３９は、貯湯タンク１７内の水量が基準値以下になったときに開かれて給水を可能にする。

第１の温水経路３３は、排水管４０に分岐する。 排水管４０の途中には、排水バルブ４１が設けられ、この排水バルブ４１は、通常のメンテナンスのときに排水のために開放されるほか、強制的に熱需要を発生させる特別な措置として排水のために開放される。

第１熱交換器２０の上方には第２熱交換器２２が設けられる。 第２熱交換器２２には、第１の温水経路３３とは独立した第２の温水経路２３が接続される。 第２の温水経路２３にはセントラルヒーティングシステムや床暖房システム等、第２熱負荷としての暖房装置２４が設けられ、第２熱交換器２２から出た温水が暖房装置２４を通って貯湯タンク１７内の第２熱交換器２２に戻る循環路を形成する。 第２の温水経路２３によって、貯湯タンク１７から２次的に熱を回収することができる。

第２熱交換器２２を第１熱交換器２０よりも上方の位置に配置したのは、第１熱交換器２０から熱量を得た温度の高い水が、対流によって第１熱交換器２０よりも上方に移動しているためである。 第１熱交換器２０よりも第２熱交換器２２を上方に配置することにより、対流して上方に移動した高温の温水から多くの熱量を取出すことができる。

第２の温水経路２３には追い焚きボイラ２５と三方弁２６とが設けられている。 追い焚きボイラ２５には第２の温水経路２３内で温水を循環させるためのポンプ２７が設けられている。 また、第２の温水経路２３を管路２８側に切り換えて温水をバイパスさせて暖房装置２４への温水の給送を停止させるための切り替え手段三方弁２６が設けられる。

コントローラ２９は熱需要に応じてエンジン１１の始動および停止の制御を行う。 すなわち、コントローラ２９は、水温センサ３６によって検出された水温Ｔが予め設定された設定温度Ｔ１以下のときにエンジン１１を駆動して熱量を発生させる。

エンジン発電機１０の連続運転で得られる熱量を熱消費量が超えたような場合や、システムの立上げ時には、貯湯タンク１７内の温水の温度は低下し、給水された水の温度が熱需要に応じられる温度になっていないことがある。 貯湯タンク１７内の温水の温度をエンジン発電機１０からの回収熱のみでは基準温度に維持できないときに、温水コントローラ３０で追い焚きボイラ２５を運転する。 温水コントローラ３０は、水温センサ３６によって検出された水温Ｔが水温Ｔ２（Ｔ１＞Ｔ２）以下になったときに、追い焚きボイラ２５に追い焚き指令Ｂを出力すると共に、三方弁２６に切替指令Ｃを出力する。 切替指令Ｃがオンのとき三方弁２６は温水が管路２８に流れるように切り替えられる。

本実施形態では、停電発生等の非常時には、熱需要がない場合にも電力需要に応えられるように特別の措置として強制的に熱需要を発生させ、エンジン発電機１０を運転できるようにする。 熱需要がない場合にもエンジン発電機１０を運転できるようにするコントローラ２９の機能を説明する。 図１において、熱要求発生部４２は、水温Ｔが温度Ｔ１以下になったとき、つまり熱需要があるときに熱要求信号を出力する。 熱需要がない場合には、強制的に熱需要を発生させて熱要求発生部４２から熱要求信号を発生させる。 熱要求発生部４２から出力される熱要求信号に従ってエンジン１１が駆動される。

強制的な熱需要の発生手段は次のように構成できる。 水温Ｔが設定温度Ｔ１以下にならないと熱要求発生部４２は熱要求信号を出力しない。 そこで、熱需要を発生させるために、水温Ｔを設定温度Ｔ１以下に低下させる。 例えば、第１給水指示部４３を設けることができる。 第１給水指示部４３は、水温Ｔが設定温度Ｔ１以上のときに給水指令を給水バルブ３９に入力して給水バルブ３９を開くように制御する。 給水バルブ３９が開かれると貯湯タンク１７に外部から冷水が給水されて水温Ｔが低下する。 水温Ｔが設定水温Ｔ１以下に低下すると、熱要求発生部４１は、入力される水温値によって熱需要が形成されたことを認識して熱要求信号を出力し、エンジン１１が起動される。

また、次のようにして熱需要を発生させることができる。 例えば、排水指示部４４を設けることができる。 排水指示部４４は、水温Ｔが設定温度Ｔ１以上になったときに排水指令を排水バルブ４１に入力して排水バルブ４１を開くように制御する。 排水バルブ４１が開かれると貯湯タンク１７の温水は貯湯タンク１７外へ排水されて水位Ｌが低下する。 第２給水指示部４５は、貯湯タンク１７内の水位Ｌが予め設定されて水位Ｌ１以下になると給水指令を給水バルブ３９に入力して給水バルブ３９を開く。 給水バルブ３９が開かれると貯湯タンク１７に給水されて水温Ｔが低下する。 これによって、熱需要が形成され、熱要求発生部４１が熱要求信号を出力してエンジン１１が起動される。

上述の機能により、貯湯タンク内の水温や水位に基づいて強制的に熱需要が発生されるようにして自動的に単独運転可能にしているので、冷蔵庫やコンピュータ等、継続して電源を供給する必要がある電気負荷に好適な熱需要優先型コジェネレーション装置を提供することができる。

強制的に熱需要を発生させる機能は、系統の停電時等非常時に電力需要を賄うために必要となることが想定される。 したがって、停電検出器４６を設けて、この停電検出器４６で停電が検出されたときにのみ、第１給水部４３または排水指示部４５が動作するように構成できる。

また、強制的に熱需要を発生させる機能は、選択可能な機能としてもよい。 例えば、通行の動作モードとは別に、強制的に熱需要を発生させて電力需要に応える自立運転モードを選択可能な選択スイッチ４７を設ける。 そして、この選択スイッチ４７が自立運転モードに切り替えられたときに、第１給水部４３または排水指示部４５が動作するように構成できる。

停電検出器４６は、周知のものを使用することができる。 例えば、停電は系統１４の移送の跳躍の有無によって判断できる。 商用電力系統１４の停電時や異常時には、連系スイッチを制御して系統１４からエンジン発電機１０を解列する。 停電検出や異常検出、ならびに商用電力系統から解列に関しては、例えば、特開２００２−７０６０６号公報に記載した技術を使用することができる。

図３は、コントローラ２９の要部動作の一例を示すフローチャートである。 同図において、ステップＳ１では、エンジン発電機１０の運転開始指示がなされたか否かが判別される。 運転開始指示があれば、ステップＳ２に進んで、水温Ｔが設定水温Ｔ１以下かどうかを判別する。 水温Ｔが設定水温Ｔ１以下であれば、ステップＳ２Ａに進んでエンジンが運転中か否かが判断され、運転中であれば、ステップＳ５に進み、運転中でなければ（停止していれば）、ステップＳ３に進んでエンジン１１を始動させる。 一方、水温Ｔが設定水温Ｔ１以下でなければ、ステップＳ４に進んで給水バルブ３９を開き、貯湯タンク１７に給水する。 給水バルブ３９を開いたならば、ステップＳ２に進む。 給水によって水温Ｔが設定水温Ｔ１以下になれば、ステップＳ２は肯定になり、ステップＳ３でエンジン１１が始動される。 つまり、エンジン発電機１０は、水温Ｔのいかんにかかわらず、運転開始指示がなされれば、エンジン１１の始動が可能な状態になる。

ステップＳ５では、給水バルブ３９を開く指令をオフにする。 このオフ指令によって、給水バルブ３９が開いていれば閉じられるし、閉じているときには給水バルブ３９は現状に維持される。 ステップＳ６では、運転停止指示の有無を判別する。 運転停止指示があればステップＳ７に進んで、エンジン１１に停止指示を与えてエンジン１１を停止する。 運転停止指示がなければ、ステップＳ８に進んで水温Ｔが設定水温Ｔ１以下かどうかを判別する。 水温Ｔが設定水温Ｔ１以下でなければ、ステップＳ４に進む。

図４，図５は、コントローラ２９の要部動作の他の例を示すフローチャートである。 図４は、貯湯タンク１７の給水制御に係るフローチャートである。 ステップＳ１０は、貯湯タンク１７内の水位Ｌが設定水位Ｌ１以下のときは、ステップＳ１１に進んで給水バルブ３９を開くための指令をオンにする。 一方、貯湯タンク内１７の水位Ｌが設定水位Ｌ１以下でないときは、ステップＳ１２に進んで給水バルブ３９を開くための指令をオフにする。 こうして、貯湯タンク１７の設定水位を維持するように給水バルブ３９が制御される。

図４の処理に加えて図５の処理を行うことにより貯湯タンク１７内の水温Ｔが設定水温Ｔ１になり、強制的に熱需要が形成されてエンジン発電機１０の運転が可能になる。

図５において、ステップＳ２１では、エンジン発電機１０の運転開始指示がなされたか否かが判別される。 運転開始指示があれば、ステップＳ２２に進んで、水温Ｔが設定水温Ｔ１以下かどうかを判別する。 水温Ｔが設定水温Ｔ１以下であれば、ステップＳ２２Ａに進んでエンジンが運転中か否かが判断され、運転中であれば、ステップＳ２５に進み、運転中でなければ（停止していれば）、ステップＳ２３に進んでエンジン１１を始動させる。

一方、水温Ｔが設定水温Ｔ１以下でなければ、ステップＳ２４に進んで排水バルブ４１を開き、貯湯タンク１７から排水する。 排水バルブ４１を開いたならば、ステップＳ２２に進む。 排水によって水位Ｌが設定水位Ｌ１以下に下がれば、図４の処理によって給水バルブ３９が開かれる。

この給水により、水温Ｔが設定水温Ｔ１以下になれば、ステップＳ２２は肯定になり、ステップＳ２３でエンジン１１が始動される。 つまり、エンジン発電機１０は、水温Ｔのいかんにかかわらず、運転開始指示がなされれば、エンジン１１の運転が可能な状態になる。

ステップＳ２５では、排水バルブ４１を開く指令をオフにする。 このオフ指令によって、排水バルブ４１が開いていれば閉じられるし、閉じているときには排水バルブ４１は現状に維持される。 ステップＳ２６では、運転停止指示の有無を判別する。 運転停止指示があればステップＳ２７に進んで、エンジン１１に停止指示を与えてエンジン１１を停止する。 運転停止指示がなければ、ステップＳ２８に進んで水温Ｔが設定水温Ｔ１以下かどうかを判別する。 水温Ｔが設定水温Ｔ１以下でなければ、ステップＳ２４に進む。

図４に示した水位維持制御は、使用された水量を補給するために給湯設備には通常用いられる。 また、排水バルブも、貯湯タンク１７のような設備には通常に設けられる。 したがって、この実施形態では、既存の設備を制御して、熱需要がないときに熱需要を発生させてエンジン発電機１０を運転可能とすることができる。 例えば、商用電力系統１４が停電のときには、この系統１４から発電機１２は解列されるとともに、前記停電検出器４６で停電が検出されて熱需要を強制的に発生させる特別な措置が施されるので、必要な電力需要に応えることができる。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の要部機能を示すブロック図である。

本発明の一実施形態に係るコジェネレーション装置の構成を示すブロック図である。

単独モードでの一動作例を示すフローチャートである。

水位制御のフローチャートである。

水位制御を前提とした動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン発電機、 １１…エンジン、 １２…発電機、 １３…電力変換装置、 １４…商用電力系統、 １７…貯湯タンク、 ２０…第１熱交換器、 ２１…給湯器、 ２２…第２熱交換器、 ２４…暖房装置、 ２９…コントローラ、 ３６…水温センサ、 ３７…水位センサ、 ３９…給水バルブ、 ４１…排水バルブ、