(57)【要約】【課題】コージェネレーションシステムの省エネ性向上及び稼働率向上を両立することである。【解決手段】エンジン３と、該エンジン３により駆動される発電機２と、該エンジン３の排熱を利用して温水を製造する温水熱交換器７と、温水を貯留する貯湯タンクを有するコージェネレーションシステム１において、前記コージェネレーションシステム１の省エネ率を演算し、前記省エネ率が目標省エネ率に収束するように、電主運転モード又は熱主運転モードに切換制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
該エンジンにより駆動される発電機と、
該エンジンの排熱を利用して温水を製造する熱交換器と、
温水を貯留する貯湯タンクを有する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システムの省エネ率を演算し、
前記省エネ率が目標省エネ率に収束するように、電主運転モード又は熱主運転モードに切換制御することを特徴とするコージェネレーションシステム。
【請求項２】
前記省エネ率の所定期間の平均値で前記目標省エネ率に収束したか否かを判定す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。
【請求項３】
前記所定期間を複数に分割し、
該分割した所定期間において目標省エネ率を補正することを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【請求項４】
冬季を含む第一分割所定期間の目標省エネ率を、夏季を含む第二分割所定期間の目標省エネ率より高くなるように補正することを特徴とする請求項３記載のコージェネレーションシステム。
【請求項５】
前記分割所定期間中に、積算運転時間が所定時間以下の場合は、電主運転モードに設定することを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【請求項６】
外部操作手段にて目標省エネ率を設定可能とすることを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【請求項７】
前記貯湯タンクの所定熱量が所定割合以上ならば熱主運転モードを解除することを特徴とする請求項２記載のコージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コージェネレーションシステム、詳しくは、省エネ性向上及び稼働率向上を両立するコージェネレーションシステムの運転制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
コージェネレーションシステムは、エンジン駆動による発電機の発電及び該エンジン排熱による熱供給を行なうシステムであり、現在多数実用化されている。一般に、コージェネレーションシステムの熱供給は、例えば、工場、ホテル又は病院では、熱交換器を利用して温水として供給されている。ここで、コージェネレーションシステムは、商用電源及びボイラと相互利用して、施設の電力及び熱需要を満たしている。
【０００３】
コージェネレーションシステムの運転方法には、電主運転及び熱主運転がある。前者は、電力需要があれば熱需要の有無に関わらず運転を行なう。後者は、電力需要だけでなく熱需要もあるときに運転を行なう。
【０００４】
電主運転モードだとコージェネレーションシステムの稼働率が悪くなる反面、熱需要のないときにも運転が行なわれるため排熱回収が行なわれない場合もあり、総合効率が低下しがちである。
一方、熱主運転モードだと必ず排熱回収が行なわれるので総合効率が向上する反面、コージェネレーションシステムの稼働率が低下する。なお、熱主運転の場合でもエンジンによる発電機を駆動するため、所定の電力需要の存在が稼動要件となっている。
つまり、コージェネレーションシステムの総合効率を高めて省エネ性を向上するには、熱主運転モードが適しており、稼働率を高めるには電主運転モードが適している。
【０００５】
特許文献１は、省エネ性を向上したコージェネレーションシステムを開示している。このコージェネレーションシステムは、所定期間の負荷変動を記憶し、該負荷変動により電主運転又は熱主運転の運転方法を予め決定し、該負荷変動と現在負荷を補正しながら、更に運転方法を決定していく自己学習制御機能を持つシステムである。
【特許文献１】特開平８−１４１０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、省エネ性のみの観点から運転モードを決定すれば熱主運転モードの割合が高くなりがちであり、例えば、熱需要が低下する夏季などは熱主運転モードで待機していれば全く運転されない事態も生じ得る。そのため、コージェネレーションシステムの稼働率が著しく低下するおそれもある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明の解決しようとする課題は、稼働率のある程度の維持と省エネ性の向上を両立することであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００８】
即ち、請求項１においては、エンジンと、該エンジンにより駆動される発電機と、該エンジンの排熱を利用して温水を製造する熱交換器と、温水を貯留する貯湯タンクを有する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システムの省エネ率を演算し、前記省エネ率が目標省エネ率に収束するように、電主運転モード又は熱主運転モードに切換制御する。
【０００９】
請求項２においては、前記省エネ率の所定期間の平均値で前記目標省エネ率に収束したか否かを判定する。
【００１０】
請求項３においては、前記所定期間を複数に分割し、該分割した所定期間において目標省エネ率を補正する。
【００１１】
請求項４においては、冬季を含む第一分割所定期間の目標省エネ率を、夏季を含む第二分割所定期間の目標省エネ率より高くなるように補正する。
【００１２】
請求項５においては、前記分割所定期間中に、積算運転時間が所定時間以下の場合は、電主運転モードに設定する。
【００１３】
請求項６においては、外部操作手段にて目標省エネ率を設定可能とする。
【００１４】
請求項７においては、前記貯湯タンクの所定熱量が所定割合以上ならば熱主運転モードを解除する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１においては、コージェネレーションシステムの省エネ性を、具体的に数値（省エネ率）化したものを基準とするので、具体的な省エネ性向上の目標設定が可能となる。
【００１７】
請求項２においては、所定期間（例えば、１年）の平均値での目標省エネ率への収束を判定するので目標省エネ率の未達期間が発生しても熱主運転モードでの待機のままコージェネレーションシステムが実質稼動されない状態が継続することの回避を図れる。
【００１８】
請求項３においては、所定期間（例えば、１年）をさらに分割して（例えば、月割）各分割期間で個別に目標省エネ率を補正できるので所定期間の平均値での目標省エネ率達成により省エネ性の向上を図れると共に、各分割期間の熱需要の有無やその多寡に応じて目標省エネ率の加減ができるので稼働率の維持も図れる。
【００１９】
請求項４においては、夏季の熱主運転モードでの待機状態継続を低減して稼働率の向上が図れると共に、冬季の目標省エネ率の回復によって所定期間（例えば、１年）での目標省エネ率の達成を図れる。
【００２０】
請求項５においては、各分割期間（例えば、月間）で最低限の稼働率の達成を図れる。
【００２１】
請求項６においては、現地状況等に合わせて目標省エネ率を適宜に修正可能となる。
【００２２】
請求項７においては、熱主運転の実効性の向上と共に、稼働率の向上も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るコージェネレーションの系統図、図２は月毎の月間目標省エネ率βを示した分布図、図３はコージェネレーションシステム１の制御フローを示したフローチャート図である。図４は本実施例の制御による月間の省エネ率の推移を示した図、図５は本実施例に係る給湯熱容量Ｑと貯湯タンク温度Ｔｔとの相関を示した図である。
【００２４】
図１に示すように、本発明に係るコージェネレーションシステム１は、本体１０、貯湯タンク８及び給湯設備９の３つの主要設備より構成されている。
【００２５】
前記本体１０には、発電機２、エンジン３、ラジエータ（図示なし）及び温水熱交換器７が設けられている。エンジン３は、都市ガスライン（図示なし）から都市ガスの供給を受けて稼動する。発電機２は、その入力軸がエンジン３の出力軸に直結されており、エンジン３によって駆動され発電を行なう。そして、発電された電力は、対象物件（コージェネレーションシステム１が設置されている建物）の電力消費機器６に送られる。電力消費機器６の電力需要が発電機２の供給能力を越えている場合は、商用電源５から商用電力の供給を受ける。
【００２６】
また、一次冷却水路１４は、冷却水ポンプ１１によって、前記エンジン３、温水熱交換器７及びラジエータ（図示なし）を循環する。前記一次冷却水路１４において、一次冷却水は、エンジン３の排熱を回収する。前記温水熱交換器７は、二次冷却水回路が設けられており、ここで、一次冷却水で回収されたエンジン３の排熱が二次冷却水に供給される。
【００２７】
前記貯湯タンク８は、二次冷却水を貯溜し、給湯回路１６が、内部に引き込まれている。二次冷却水は、循環ポンプ１２により、温水熱交換器７と貯湯タンク８間を循環する。貯湯タンク８内では、水道水が二次冷却水よりエンジン３の排熱を回収して温水となる。
【００２８】
前記給湯設備９では、ミキシングバルブ１３により、水道水と貯湯タンク８で温水となったものとを混合して、ユーザーの要求に見合う適温に調整して給湯を行なう。
【００２９】
コントローラ２０は、貯湯タンク８に設けられたタンク温度センサ２２が検出する貯湯タンク温度Ｔｔ、対象物件においてお湯を利用する設備が求める給湯設備の設定温度Ｔｓ（図示なし）及び対象物件の電力消費機器６が求める電力を検出する負荷検出器２１を基にして、発電機２、エンジン３、冷却水ポンプ１１及び循環ポンプ１２を駆動して総合的にコージェネレーション１の制御を行なう。さらに、外部より省エネ率を設定できる手動設定スイッチ２３が、コントローラ２０に接続されている。
【００３０】
ここで、省エネ率について説明する。本実施例では、省エネ率とは、「電力会社から購入した電力とガスで生成した熱」と「コージェネレーションシステム１で生成した電力と熱」とで比較した場合の省エネ性を数値化したものである。
具体的には、以下のようにして算出する。
まず、コージェネレーションシステム１において、エンジン３の排熱エネルギーをどれだけ利用できたかについての基準である排熱利用率を、以下のようにして算出する。
排熱利用率＝［｛（回収熱量／ガス熱量）×１００｝／排熱回収効率］×１００・・・・（１）
式（１）中、ガス熱量（Ｊ）はコージェネレーションシステム１にて使用したガスの熱量、回収熱量（Ｊ）は同じく利用できた熱量、排熱回収効率（％）は機種固有の効率を表している。
次に、コージェネレーションシステム１が電力負荷及び熱負荷に供給できた出力を基準一次エネルギーとして以下のようにして算出する。
基準１次エネルギー＝電力１次エネルギー＋ガス１次エネルギー×（排熱利用率／１００）・・・・（２）
基準１次エネルギーとはコージェネレーションで負荷に供給した電力と熱を商用電力やボイラ等で供給する際に必要な燃料（石油や天然ガス等、以下同じ）が有するエネルギーのことである。
式（２）中の電力１次エネルギー及びガス１次エネルギーは、それぞれ以下の式（３）及び式（４）で以下のようにエネルギー換算される。
電力１次エネルギー＝（発電出力−システム消費電力）×昼間買電１次エネルギー・・・・（３）
式（３）中にて、発電出力（ｋＷ）からシステム消費電力（ｋＷ）を差し引くことで、実際に電力負荷に供給した電力を算出している。また、昼間買電１次エネルギー（ｋｃａｌ／ｋＷｈ）は、通常、日中の電力会社が提供する電力を生み出すのに必要な燃料が有するエネルギーであり、定数である。即ち、電力１次エネルギーとはコージェネレーションで負荷に供給した電力を商用電力で供給する際に必要な燃料が有するエネルギーのことである。
ガス１次エネルギー＝（温水出力／比較温水ボイラ効率）×８６０ｋｃａｌ／ｋＷｈ・・・・（４）
式（４）中にて、熱出力である温水出力（ｋＷ）を、比較温水ボイラ効率という定数で除して、通常のボイラ等を利用して生み出すのに必要な燃料のエネルギーに換算している。
次に、コージェネレーションシステム１を利用した際の、実際のガス消費量に基づくエネルギー（ｋｃａｌ／ｈ）を以下の式（５）で表す。
システムガス量＝ガス消費量×ガス発熱量・・・・（５）
式（５）中にて、ガス消費量（ｍ３Ｎ／ｈ）は、実際のガスの消費量であり、それを定数であるガス発熱量（ｋｃａｌ／ｍ３Ｎ）にてエネルギー値に換算している。
そして、省エネ率（％）は、以上の式（２）及び式（５）より下記のように表される。
省エネ率＝（基準１次エネルギー−システムガス量）／基準１次エネルギー・・・・（６）
つまり、式（６）に表された省エネ率は、ある電力と熱を供給するために必要な燃料の有するエネルギーの節約係数を意味する。
【００３１】
熱主運転と電主運転の省エネ性を比較したとき、排熱回収を行なわない場合もある電主運転よりも、必ず排熱回収を行なう熱主運転の方が省エネ性は高い。これは、発電効率は商用電力の方が高いためである。
【００３２】
さらに、本実施例では、求められる電力供給が、コージェネレーションシステム１の定格発電電力の７５％以下であれば、コージェネレーションシステム１の運転を停止する。発電電力を消費できないからである。
【００３３】
本実施例では、電主運転又は熱主運転の運転モードの選択を、省エネ性を具体的に数値（省エネ率）化したものを基準として、対象物件の求める電力負荷と熱負荷の変化に応じて、適宜、最適な運転モードを選択する。
この省エネ率を、基準とするので具体的な省エネ性向上の目標設定が可能である。
【００３４】
本実施例では、コージェネレーションシステム１について、例えば、年間目標省エネ率αを設定して、コージェネレーションシステム１の１年間の省エネ率の平均値を算出し年間省エネ率とする。そして、省エネ性の確認を、年間省エネ率が年間目標省エネ率αに収束したか否かで判断する。
通常、特に、熱需要は年間を通じて大きく変動する。例えば、冬季では水温が低くなるため、給湯設備９より求められる熱負荷が大きくなり、一方、夏季では水温が高いため、給湯設備９より求められる熱負荷は小さくなる。そこで、省エネ性の目標達成を確認する期間を夏季と冬季を含む１年として、年間省エネ率αを用いることで、夏季の省エネ率が年間目標に未達でも、ある程度の稼働率を確保して、冬季の省エネ率で年間目標を達成するように運転して省エネ性と稼働率の向上が両立可能とする。
さらに、本実施例では、年間目標省エネ率αを、設置後でも設定できるようにする。例えば、コントローラ２０にテンキー等の設定手段を設けたりすることが考えられる。
【００３５】
また、本実施例では、夏季と冬季の熱需要の有無や多寡を考慮して、コージェネレーションシステム１の年間目標省エネ率αを月毎に分割した、月間目標省エネ率βを設定する。そして、月間目標省エネ率βは、各月毎に年間目標省エネ率αを補正した目標率としている。ただし、これらの平均は年間目標省エネ率αになるようにする。
ここで、冬季の月間目標省エネ率βは、夏季の月間目標省エネ率βよりも高い目標率となるように補正を行なう。前述したように、冬季は熱需要が大きく熱主運転時間を大きく取れることから省エネ率が高いので、夏季の省エネ率の悪化を回復する。
【００３６】
図２は、年間目標省エネ率αを月毎に補正した月間目標省エネ率βマップを示している。本実施例では、年間の月間平均外気温の変化割合を、そのまま補正値として、年間目標省エネ率αに加えて、月間目標省エネ率βを算出している。
図２のように夏季はβを抑えて電主運転を可能として稼働率の確保を優先する。冬季はβを厳しくして夏季の省エネ率の悪化を回復する。冬季は熱需要が大きいのでβを厳しくして熱主運転の割合を大きくしても稼働率が低下することは少ないからである。
【００３７】
図３に示すように、本実施例のコージェネレーションシステム１の具体的制御について説明する。
まず、ステップ１１０に示すように、月間の月間目標省エネ率βの達成に関わりなく、その月間の積算運転時間が１０時間以下であれば、強制的に電主運転を実施する。つまり、月間は最低でも１０時間は電主運転が実施されることになる。なお、月の始めに、この月間の積算運転時間はリセットされる。
次に、ステップ１２０に示すように、現在のコージェネレーションシステム１の省エネ率が、月間目標省エネ率β以下であれば、省エネ性の高い熱主運転を実施する。
さらに、ステップ１３０に示すように、現在のコージェネレーションシステム１の省エネ率が、月間目標省エネ率βより５％以上であれば、コージェネレーションシステム１の稼働率を向上するため、電主運転を実施する。
なお、ステップ１４０及びステップ１５０については後述する。
【００３８】
図４に示すように、本実施例の制御によると、月初めでは、電主運転が１０時間強制運転される。ただし、前述の如く、電力需要が、コージェネレーションシステム１の定格発電電力の７５％以下では運転しない。このように、月間の最低稼働率を制御によって確保することで、コージェネレーションシステム１の稼働率をある程度、確保できる。
そして、１０時間の電主運転終了後の省エネ率が、月間目標省エネ率β以下であれば熱主運転を行い、月間目標省エネ率β＋５％以上であれば、電主運転を行なうことで稼働率のさらなる向上を図っている。このようにして、月間の省エネ率が月間目標のβに収束するように電主運転と熱主運転を繰り返す。
【００３９】
ここで、図３に示した制御フロー中のステップ１４０及びステップ１５０について説明する。ステップ１４０では、給湯熱容量Ｑが５０％以下であれば、目標月間省エネ率βに関わりなく熱主運転を行なう。さらに、ステップ１５０では、給湯熱容量Ｑが８０％以上であれば、目標月間省エネ率βに関わりなく電主運転を行なう。
給湯熱容量Ｑは、貯湯タンク８がエンジン３の排熱を回収する能力を示す目安値であり、貯湯タンク８内のタンク温度センサ２２（図１参照）が検出する温度Ｔｔ及び給湯設備９の設定温度Ｔｓより、以下のように算出される。
Ｑ（％）＝｛（Ｔｔ−Ｔｓ）／（Ｔｍａｘ−Ｔｓ）｝×１００・・・・・（７）
式（７）中のＴｍａｘは、貯湯タンク８の許容上限温度を表しており、本実施例ではＴｍａｘを７５℃としている。なお、本実施例では、給湯熱容量Ｑの下限を０％、上限を１００％としている。
図５に示すように、貯湯タンク８の設定温度ＴＳが一定であれば、給湯熱容量Ｑは、貯湯タンク温度Ｔｔに比例する。しかし、実際には、貯湯設備９の設定温度Ｔｓは、給湯設備９よりお湯を供給する装置によって多様に設定されるので、常時一定の値を示すわけではない。
【００４０】
本実施例の給湯熱容量Ｑは、貯湯タンク８にどれだけの排熱回収能力が残っているかを数値化することができ、熱主運転を開始又は停止する判断精度を向上している。
例えば、貯湯タンク温度Ｔｔ自体がＴｍａｘに達するまで排熱回収を行なうとすれば、ＴｔがＴｍａｘに近づくにつれて温度差が小さくなり、排熱回収効率が低下する。ときには、排熱回収が行なわれずに熱主運転であるにも関わらず、エンジン３の冷却のためにラジエータで放熱する事態も発生する。
そこで、貯湯タンク８の熱需要（＝Ｔｍａｘ―Ｔｓ）と実際の排熱回収熱量（＝Ｔｔ―ｔｓ）の比を算出することにより、排熱回収が実質的に行なわれなくなる境界で排熱回収を停止して熱主運転を解除する。そして、熱需要にも対応しながらも電主運転の割合を増加して稼働率の向上も図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例に係るコージェネレーションの系統図。
【図２】月毎の月間目標省エネ率βを示した分布図。
【図３】コージェネレーションシステム１の制御フローを示したフローチャート図。
【図４】本実施例の制御による月間の省エネ率の推移を示した図。
【図５】本実施例に係る給湯熱容量Ｑと貯湯タンク温度Ｔｔとの相関を示した図。
【符号の説明】
【００４２】
１    コージェネレーションシステム
２    発電機
３    エンジン
７    温水熱交換器
８    貯湯タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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