Method of operating a compact heat merged power generation system

本発明は、小型熱併合発電システムの運転方法に関し、より詳細には、熱併合発電機で生成された廃熱を暖房及び温水の両方に利用することができる小型熱併合発電システムの運転方法に関する。

小型熱併合発電（ＣＨＰ；Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｈｅａｔ ＆ Ｐｏｗｅｒ）とは、内燃機関、ガスタービン、燃料電池、スターリングエンジンなど各種原動機により燃料が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換生産し、この時に伴う廃熱を有効に活用する総合エネルギーシステムである。

このような発電方式は、既存の発電方式に比べて２倍以上エネルギー利用効率を向上させることができる高効率エネルギー技術であると同時に、地球温暖化に寄与度が最も高いＣＯの排出量を画期的に低減することができる親環境技術なので、各国でその導入を活発に推進している。

このような小型熱併合発電システムの１つとして、大韓民国登録特許第７１３６２０号が提示されている。

図１は、従来の熱併合発電と個別暖房統合システムを概略的に示す構成図であって、特許第７１３６２０号に開示されている。

従来の熱併合発電と個別暖房統合システムは、ガスを供給されて電気を生産する熱併合発電機１０と、内部には冷却水が流動しながら熱併合発電機１０の廃熱を回収する廃熱回収管４０と、下部の一側に連結された給水口３１を介して給湯水が供給される閉鎖された形状の給湯タンク３０と、給湯タンク３０の下部の側方に連結され、給湯タンク３０の内部に満たされた水を循環させながら熱交換器２０を介して廃熱回収管４０から熱を伝達され、給湯タンク３０の内部に熱を蓄積する給湯加熱管９０と、給湯タンク３０の上端部に連結され、給水口３１を介して給湯水が給湯タンク３０の内部に供給されれば、その圧力によって給湯水を排出する給湯供給管３２と、前記給湯供給管３２を介して供給された給湯水を加熱し、給湯管５０を介して水道弁６０に排出する個別ボイラー７０と、前記給湯供給管３２と給湯管５０との間に連結される分岐管８０と、前記給湯供給管３２の分岐管と個別ボイラーとの間に位置し、給湯水の供給を断続する断続弁３３と、前記給湯管５０上に位置する断続弁５１と、前記分岐管８０上に位置する任意の断続弁８１とで構成される。

前述のような従来の熱併合発電システムは、熱併合発電機１０で回収した廃熱を給湯水、すなわち温水を供給する温水運転時にのみ使用することができ、暖房運転時には使用することができないという問題点がある。

また、熱併合発電機１０で廃熱を回収するために、廃熱回収管４０の内部を循環する冷却水が必要であり、前記冷却水から熱を吸収するための熱交換器２０及び給湯タンク３０の内部の水を循環させるための給湯加熱管９０及び循環ポンプを追加に具備しなければならないので、全体的な構造が複雑であり、取付費用及びシステムの運転に所要される費用が増加する要因となる。

また、熱併合発電機１０及び個別ボイラー７０は、システム上、互いに分離していて、温水または暖房に前記廃熱を利用する場合、熱量を精密に制御することができないという問題点がある。

本発明は、前述したような諸問題点を解決するためになされたもので、その目的は、熱併合発電機とボイラーの熱媒体流路を連結することによって、熱併合発電機で回収した熱を暖房及び温水の両方に利用することができ、熱併合発電システムの運転に所要される費用を減少させることができ、暖房及び温水モード時に供給される熱量制御が容易な小型熱併合発電システムの運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の小型熱併合発電システムの運転方法は、電気の発電時に生成された廃熱を回収するために熱交換器１１０を具備する熱併合発電機１００が稼動し、前記熱併合発電機１００から供給された熱媒体は、前記熱交換器１１０に連結されたボイラー２００を経由した後、熱媒体貯蔵タンク３００に貯蔵され、前記熱媒体貯蔵タンク３００に貯蔵された熱媒体は、前記熱併合発電機１００の熱交換器１１０に循環するように制御され、暖房及び温水負荷がない場合には、前記熱併合発電機１００だけが稼動し、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部の熱媒体温度があらかじめ設定された温度に到達したと判断されれば、前記熱併合発電機１００の稼動が中断されることを備えてなる。

本発明によれば、熱併合発電機とボイラーの熱媒体流路を一体に連結することによって、システム構成を簡単にしながらも、熱併合発電機で回収した廃熱を暖房及び温水の両方に利用することができ、システム運転に所要される費用を節減することができるという長所がある。

また、熱併合発電機とボイラーの熱媒体流路が一体に連結された状態で熱媒体が循環するようにすることによって、暖房または温水に供給する熱量を精密に制御することができるという長所がある。

また、温水及び暖房負荷がない場合には、熱併合発電機だけを稼動し、熱エネルギーを蓄積することができるという長所があり、この蓄積された熱エネルギーを暖房及び温水の両方に利用可能なので、エネルギー効率を高めることができるという長所がある。

従来の熱併合発電と個別暖房統合システムを概略的に示す構成図である。

本発明の一実施例による小型熱併合発電システムを概略的に示す図である。

本発明の熱併合発電システムにおいて暖房及び温水負荷がない場合、熱媒体が循環する経路を示す図である。

暖房モード時に本発明の熱併合発電システムにおいて熱媒体が循環する経路を示す図である。

温水モード時に本発明の熱併合発電システムにおいて熱媒体が循環する経路を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例の構成及び作用を詳しく説明する。

図２は、本発明の一実施例による小型熱併合発電システムを概略的に示す図である。

本発明による熱併合発電システムは、電気の発電時に生成された熱媒体を利用して廃熱を回収する熱併合発電機１００と、前記熱併合発電機１００から供給された熱媒体を暖房所要先及び給湯熱交換器２３０のいずれか一方に選択的に循環させるボイラー２００と、前記循環する熱媒体を貯蔵する熱媒体貯蔵タンク３００とで構成される。

ここで、熱媒体は、暖房水である水を指称する。

前記熱併合発電機１００は、一例として、タービン（図示せず）によって駆動され、電気を発生させると同時に、前記タービンによって発生した廃熱を回収する装置である。 前記廃熱を回収するために、熱併合発電機１００には、熱交換器１１０が備えられている。 前記熱交換器１１０において、前記廃熱を回収するために熱媒体が内部を流れるようになっており、この熱媒体は、前記ボイラー２００を循環する。

前記ボイラー２００には、燃焼熱を発生させるバーナー(図示せず)と、前記バーナーで発生した燃焼熱と前記熱交換器１１０から供給された熱媒体との間に熱交換が行われる主熱交換器２１０と、前記主熱交換器２１０から供給された熱媒体を暖房所要先及び前記給湯熱交換器２３０のいずれか一方に選択的に循環させるための三方弁２２０と、温水モード時に前記三方弁２２０を通過した熱媒体と水道水との間に熱交換が行われる給湯熱交換器２３０と、前記熱媒体を循環させるために前記熱併合発電機１００の熱交換器１１０と出口側が連結された循環ポンプ２４０とを備える。

前記給湯熱交換器２３０には、水道水が流入され、前記水道水は、前記三方弁２２０を通過した熱媒体との間に熱交換が行われ、温水になった後、温水所要先に供給される。

前記熱媒体貯蔵タンク３００は、熱媒体を貯蔵して蓄熱するために、密閉された容器で構成される。 このような熱媒体貯蔵タンク３００には、暖房モード時に暖房所要先を循環した後、温度が下降した熱媒体（すなわち暖房還水）が流入され、温水モード時に給湯熱交換器２３０を通過しながら温度が下降した熱媒体が流入される。

このように流入された熱媒体は、循環ポンプ２４０の駆動によって熱交換器１１０に供給され、このために、熱媒体貯蔵タンク３００と循環ポンプ２４０との間は熱媒体が流れる配管で連結される。

このような構造によれば、熱併合発電機１００の熱交換器１１０とボイラー２００の暖房水循環回路が１つの連結された流路を形成するので、システムを非常に簡単に構成することができる。

また、熱併合発電機１００の熱交換器１１０を通過しながら廃熱を吸収した熱媒体は、暖房所要先側に供給されることもでき、給湯熱交換器２３０側に供給されることもでき、これにより、廃熱を暖房及び温水の両方に利用することができる。

また、熱併合発電機とボイラーの熱媒体流路（暖房流路と温水流路）を互いに連結されるようにしながらも、温水及び暖房負荷がない場合には、熱併合発電機だけを稼動し、熱エネルギーを蓄積することができ、この蓄積された熱エネルギーを暖房及び温水の両方に利用可能なので、エネルギー効率を高めることができる。

以下、本発明の運転方法を図３〜図５を参照して説明する。

図３は、本発明の熱併合発電システムにおいて暖房及び温水負荷がない場合、熱媒体が循環する経路を示す図である。

暖房及び温水負荷がない場合には、ボイラー２００の稼動は中断され、熱併合発電機１００だけが稼動する。

もちろん前記ボイラー２００の内部の循環ポンプ２４０は、熱媒体の循環のために作動する。

循環ポンプ２４０が作動すれば、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に貯蔵された熱媒体は、循環ポンプ２４０を経て熱併合発電機１００の熱交換器１１０の内部に流入される。

この場合、熱併合発電機１００が稼動し、電気を生産すると同時に、廃熱が発生し、この廃熱によって熱交換器１１０を通過する熱媒体に熱エネルギーを伝達する。

前記熱交換器１１０を通過した熱媒体は、主熱交換器２１０を経由した後、三方弁２２０に供給される。

前記三方弁２２０では、給湯熱交換器２３０側に弁が開放されているので、熱媒体は、給湯熱交換器２３０に供給される。 この場合、温水負荷がないので、水道水との熱交換は行われない。

前記給湯熱交換器２３０を通過した熱媒体は、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に流入される。

その後、前述の過程を繰り返して熱媒体は循環し、このように連結された閉回路は、熱媒体流路を形成する。

このように熱媒体の循環が行われれば、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部には熱エネルギーの蓄熱が行われ、前記熱媒体貯蔵タンク３００内部の熱媒体温度があらかじめ設定された温度に到達したと判断されれば、前記熱併合発電機１００の稼動を中断させる。

前記熱媒体温度の感知は、前記熱媒体貯蔵タンク３００に設けられた温度感知手段（図示せず）によって行われる。

図４は、暖房モード時に本発明の熱併合発電システムにおいて熱媒体が循環する経路を示す図である。

暖房モードになれば、ボイラー２００が稼動し、バーナー（図示せず）で燃焼が起き、三方弁２２０は、給湯熱交換器２３０側への熱媒体のフローが遮断され、暖房所要先側に熱媒体が流れるように設定される。

ここで、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部の熱媒体温度を測定し、測定結果、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部の熱媒体だけでは暖房要求量に達しないと判断される場合にのみ、前記ボイラー２００を稼動するもので構成することが好ましい。

循環ポンプ２４０が駆動されれば、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に貯蔵された熱媒体は、循環ポンプ２４０を経て熱併合発電機１００の熱交換器１１０の内部に流入される。

この場合、熱併合発電機１００は、稼動が停止されていてもよく、電気を生産するために稼動して発生した廃熱によって熱交換器１１０を通過する熱媒体に熱エネルギーを伝達してもよい。

前記熱交換器１１０を通過した熱媒体は、主熱交換器２１０を経由しながらバーナー（図示せず）の燃焼熱によって加熱された後、三方弁２２０に供給される。

前記三方弁２２０においては、暖房所要先側に弁が開放されているので、熱媒体は、暖房供給水として暖房所要先を通過しながら温度が下降した後、暖房還水になって、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に流入される。

その後、暖房モードでは、前述の過程を繰り返して熱媒体は循環し、このように連結された閉回路は、暖房流路を形成する。

以上では、バーナーで燃焼が起きる場合を説明したが、熱媒体貯蔵タンク３００に蓄熱された熱エネルギーだけで暖房が可能な場合には、前記バーナーで燃焼が起きないようにし、熱併合発電機１００だけを稼動するように制御することができる。

図５は、温水モード時に本発明の熱併合発電システムにおいて熱媒体が循環する経路を示す図である。

温水モードになれば、ボイラー２００が稼動し、バーナー(図示せず)で燃焼が起き、三方弁２２０は、暖房所要先側への熱媒体のフローが遮断され、給湯熱交換器２３０側に熱媒体が流れるように設定される。

ここで、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部の熱媒体温度を測定し、測定結果、前記熱媒体貯蔵タンク３００の内部の熱媒体だけでは温水要求量に達しないと判断される場合にのみ、前記ボイラー２００を稼動するもので構成することが好ましい。

温水モードで熱媒体のフローは、前記図３で説明した熱媒体の経路と同一である。

温水モードにおいては、前記熱併合発電機１００は、稼動が停止されていてもよく、電気を生産するために稼動して発生した廃熱によって熱交換器１１０を通過する熱媒体に熱エネルギーを伝達してもよい。

前記主熱交換器２１０においては、バーナー（図示せず）の燃焼熱によって熱媒体を加熱した後、三方弁２２０に供給する。

前記給湯熱交換器２３０では、水道水との熱交換によって熱媒体の温度が下降した後、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に流入される。

その後、温水モードでは、前述の過程を繰り返して熱媒体は循環し、このように連結された閉回路は、温水流路を形成する。

以上では、バーナーで燃焼が起きる場合を説明したが、熱媒体貯蔵タンク３００に蓄熱された熱エネルギーだけで温水供給が可能な場合には、前記バーナーで燃焼が起きないようにし、熱併合発電機１００だけを稼動するように制御することができる。

このように前記熱併合発電機１００とボイラー２００の熱媒体流路を一体に連結すれば、ボイラー２００の熱量制御システムを利用することができ、暖房及び温水供給に必要な熱量を精密に制御することができる。

また、熱媒体貯蔵タンク３００の内部に蓄熱された熱エネルギーを暖房または温水に利用し、暖房及び温水負荷がない場合には、熱併合発電機１００だけを稼動することによって、熱併合発電システム稼動による費用を節減することができる。

１００ 熱併合発電機１１０ 熱交換器２００ ボイラー２１０ 主熱交換器２２０ 三方弁２３０ 給湯熱交換器２４０ 循環ポンプ３００ 熱媒体貯蔵タンク