特許第6532253号(P6532253)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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特許6532253蒸気発生型コージェネレーションシステム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6532253
(24)【登録日】2019年5月31日
(45)【発行日】2019年6月19日
(54)【発明の名称】蒸気発生型コージェネレーションシステム
(51)【国際特許分類】
   F02G 5/04 20060101AFI20190610BHJP
   F01N 5/02 20060101ALI20190610BHJP
【FI】
   F02G5/04 U
   F02G5/04 H
   F01N5/02 A
【請求項の数】4
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2015-58159(P2015-58159)
(22)【出願日】2015年3月20日
(65)【公開番号】特開2016-176425(P2016-176425A)
(43)【公開日】2016年10月6日
【審査請求日】2017年12月13日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000284
【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】000004123
【氏名又は名称】JFEエンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】特許業務法人R&C
(72)【発明者】
【氏名】板屋 貴大
(72)【発明者】
【氏名】坂口 義美
(72)【発明者】
【氏名】望月 祥平
(72)【発明者】
【氏名】藤野 正幸
(72)【発明者】
【氏名】杉本 誠也
【審査官】 種子島 貴裕
(56)【参考文献】
【文献】 特開2014−034924(JP,A)
【文献】 特開2012−132355(JP,A)
【文献】 特開2011−085112(JP,A)
【文献】 特開2008−240557(JP,A)
【文献】 特開平11−210553(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02G 5/04
F01N 5/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させて回転動力を発生させて当該回転動力により発電機を駆動する内燃機関と、
前記内燃機関から排出される排ガスの熱を熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラとを備えた蒸気発生型コージェネレーションシステムであって、
前記発電機にて発生した電力を少なくとも駆動電力の一部として駆動可能に構成されると共に、前記内燃機関の冷却水循環回路を循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
発電効率を高くする電力優先運転において、前記蒸気発生装置への電力の供給を停止すると共に、前記排ガスボイラ及び前記蒸気発生装置で発生する蒸気の回収効率としての排熱回収効率を高くする蒸気優先運転において、前記発電機にて発電した電力の少なくとも一部を駆動電力の少なくとも一部として前記蒸気発生装置を働かせる制御を実行する制御装置とを備え
前記内燃機関は、
燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させるエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記吸気路で前記コンプレッサの下流側を通流する新気を冷却用媒体と熱交換する形態で冷却する冷却用熱交換器とを備え、
前記制御装置は、前記電力優先運転における前記冷却用熱交換器における新気の冷却度である電力優先冷却度を、前記蒸気優先運転における新気の冷却度である蒸気優先冷却度よりも低下側に設定する蒸気発生型コージェネレーションシステム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記電力優先運転における点火時期である電力優先点火時期を、前記蒸気優先運転における蒸気優先点火時期よりも進角側に設定する請求項1に記載の蒸気発生型コージェネレーションシステム。
【請求項3】
前記制御装置は、前記電力優先運転における空燃比である電力優先空燃比を、前記蒸気優先運転における空燃比である蒸気優先空燃比よりも大きく設定する請求項1又は2に記載の蒸気発生型コージェネレーションシステム。
【請求項4】
前記蒸気発生装置は、前記内燃機関の冷却水循環回路を循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生器と、当該蒸気発生器にて発生した蒸気を目標蒸気圧力まで圧縮して昇圧する蒸気圧縮機とから成り、
前記制御装置は、前記蒸気優先運転において、前記発電機にて発電した電力の少なくとも一部を駆動電力の少なくとも一部として前記蒸気圧縮機を運転する請求項1〜3の何れか一項に記載の蒸気発生型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、燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させて回転動力を発生させて当該回転動力により発電機を駆動する内燃機関と、前記内燃機関から排出される排ガスの熱を熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラとを備えた蒸気発生型コージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、100℃以上の温度で、常圧(0.1MPa)以上の圧力の過熱蒸気は、蒸気の潜熱加熱より短時間での被加熱対象物の加熱が可能であることから、例えば、食品加工の分野において、食品の焼成や乾燥等に用いられる。
このような過熱蒸気を生成する装置としては、燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させて回転動力を発生させて当該回転動力により発電機を駆動する内燃機関としてのエンジンと、当該内燃機関から排出される排ガスの熱を熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラとを備えたものが知られている(特許文献1を参照)。
当該構成により、特許文献1に開示の技術にあっては、エンジンを働かせることで、発電機を回転駆動することにより電力を発生させると共に、エンジンからの排ガスを排ガスボイラに導いて当該排ガスの保有する熱により高温の蒸気を発生させる、所謂、蒸気発生型のコージェネレーションシステムとして有効に機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2014−199009号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記特許文献1に開示の技術にあっては、エンジンの点火時期等の設定条件を変動する点については開示及び示唆されておらず、通常、このようなコージェネレーションシステムにおける設定条件は、設置時に設定された以降は、一定の固定値に維持される。
更に、上記特許文献1に開示の技術にあっては、蒸気は、排ガスボイラから発生するものに限られていた。
このような状況であったので、上記特許文献1に開示の技術にあっては、当該蒸気発生量としての熱量と発電機にて発生する電力量との比である供給熱電比を変更することはできなかった。このため、例えば、蒸気発生型コージェネレーションシステムを定格で運転している条件では、電力出力及び熱出力(蒸気出力)が一定となるため、夏季の日中等で電力需要が多くなる場合でも、電力出力を電力需要に追従させることはできないし、夏季以外の特に冬季で日中の熱需要(蒸気需要)が多くなる場合でも、熱出力を熱需要(蒸気需要)に追従させることができなかった。
結果、外部から購入する電力量を増加させたり、熱需要(蒸気需要)の高い場合にのみ駆動させるための蒸気ボイラ設備を別途用意したりする必要があり、設備コストの増加を招いていたという問題があった。
【0005】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、供給熱電比を可変に設定することができると共に、当該供給熱電比の変動幅を大きくし得る蒸気発生型コージェネレーションシステムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的を達成するための蒸気発生型コージェネレーションシステムは、
燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させて回転動力を発生させて当該回転動力により発電機を駆動する内燃機関と、
前記内燃機関から排出される排ガスの熱を熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラとを備えた蒸気発生型コージェネレーションシステムであって、その特徴構成は、
前記発電機にて発生した電力を少なくとも駆動電力の一部として駆動可能に構成されると共に、前記内燃機関の冷却水循環回路を循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生装置と、
発電効率を高くする電力優先運転において、前記蒸気発生装置への電力の供給を停止すると共に、前記排ガスボイラ及び前記蒸気発生装置で発生する蒸気の回収効率としての排熱回収効率を高くする蒸気優先運転において、前記発電機にて発電した電力の少なくとも一部を駆動電力の少なくとも一部として前記蒸気発生装置を働かせる制御を実行する制御装置とを備え
前記内燃機関は、
燃料と燃焼用空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させるエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記吸気路で前記コンプレッサの下流側を通流する新気を冷却用媒体と熱交換する形態で冷却する冷却用熱交換器とを備え、
前記制御装置は、前記電力優先運転における前記冷却用熱交換器における新気の冷却度である電力優先冷却度を、前記蒸気優先運転における新気の冷却度である蒸気優先冷却度よりも低下側に設定する点にある。
【0007】
上記特徴構成を有する蒸気発生型コージェネレーションシステムは、まずもって、発電機にて発生した電力を少なくとも駆動電力の一部として駆動可能に構成されると共に、内燃機関の冷却水循環回路を循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生装置を備えているから、例えば、熱需要(蒸気需要)が大きい場合に、発電機にて発生した電力にて蒸気発生装置を駆動させて蒸気を発生させ、熱出力(蒸気出力)を増加させることができる。
更に、制御装置は、発電効率を高くする電力優先運転において、蒸気発生装置への電力の供給を停止すると共に、排ガスボイラ及び蒸気発生装置で発生する蒸気の回収効率としての排熱回収効率を高くする蒸気優先運転において、発電機にて発電した電力の少なくとも一部を蒸気発生装置の駆動電力の少なくとも一部として供給する制御を実行するように構成されているから、電力優先運転にあっては、発電機にて発電した電力を蒸気発生装置で消費されることを禁止して正味の電力発生量(蒸気発生型コージェネレーションシステムからシステム外部へ供給される電力量)を増加させるから、高い発電効率で運転できる。これにより、供給熱電比を小さくできる。
一方、蒸気優先運転にあっては、発電機にて発電した電力を蒸気発生装置で消費して正味の電力発生量を減少させると共に、蒸気発生装置にて発生される蒸気を排ガスボイラにて発生される蒸気に加える形態で熱発生量を増加させるから、高い排熱回収効率で運転できると共に、発電電力を発生熱量(発生蒸気量)へ変換する形態で、供給熱電比を大きくとることができる。
更に、上記特徴構成によれば、制御装置は、電力優先運転においては、冷却用熱交換器による新気の冷却度を低下させ、燃焼室に導かれる燃焼用空気の温度を高めて燃焼温度のピークを高める形態で、発電効率を高めることができると共に、蒸気優先運転においては、冷却用熱交換器による新気の冷却度を高め、燃焼室に導かれる燃焼用空気の温度を低下させて、燃焼温度のピークを低くする形態で、排ガスへの排熱量、エンジン冷却水への排熱量を増加させて、更なる排熱(蒸気)回収効率の向上を図ることができる。
以上の如く、本発明にあっては、供給熱電比を可変に設定することができると共に、当該供給熱電比の変動幅を大きいものにし得る蒸気発生型コージェネレーションシステムを実現できる。
【0008】
本発明の蒸気発生型コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記電力優先運転における点火時期である電力優先点火時期を、前記蒸気優先運転における蒸気優先点火時期よりも進角側に設定する点にある。
【0009】
上記特徴構成によれば、制御装置は、電力優先運転における点火時期である電力優先点火時期を、蒸気優先運転における蒸気優先点火時期よりも進角側に設定するから、電力優先運転においては、燃焼室内での燃焼を急峻なものとして、内燃機関の軸出力を増加させて、更なる発電効率の向上を図ることができると共に、蒸気優先運転においては、燃焼室内での燃焼を緩慢なものとして、排ガスへの排熱量、エンジン冷却水への排熱量を増加させて、蒸気優先運転における更なる蒸気発生効率の向上を図ることができる。
【0010】
本発明の蒸気発生型コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、
前記制御装置は、前記電力優先運転における空燃比である電力優先空燃比を、前記蒸気優先運転における空燃比である蒸気優先空燃比よりも大きく設定する点にある。
【0011】
上記特徴構成によれば、制御装置は、電力優先運転における空燃比である電力優先空燃比を、蒸気優先運転における空燃比である蒸気優先空燃比よりも大きく設定するから、電力優先運転においては、空燃比を増加させて希薄燃焼を行うことで、更なる発電効率の向上を図ることができると共に、蒸気優先運転においては、空燃比を減少させて燃焼室で発生する熱量を増加させ、排ガスへの排熱量、エンジン冷却水への排熱量を増加させて、更なる排熱(蒸気)回収効率の向上を図ることができる。
【0014】
本発明の蒸気発生型コージェネレーションシステムの更なる特徴構成は、
前記蒸気発生装置は、前記内燃機関の冷却水循環回路を循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生器と、当該蒸気発生器にて発生した蒸気を目標蒸気圧力まで圧縮する蒸気圧縮機とから成り、
前記制御装置は、前記蒸気優先運転において、前記発電機にて発電した電力の少なくとも一部を駆動電力の少なくとも一部として前記蒸気圧縮機を運転する点にある。
【0015】
上記特徴構成によれば、制御装置は、蒸気優先運転において、発電機にて発電した電力の少なくとも一部を駆動電力の少なくとも一部として、比較的消費電力の大きい蒸気圧縮機を駆動するように構成されているから、例えば、発電機からの電力供給が電力需要を上回っており、余剰の電力が発生している場合において、余剰の電力を蒸気圧縮機で適切に消費して蒸気を発生する形態で、供給熱電比を大きくとることができる。
また、蒸気発生装置として蒸気圧縮機を備えることで、当該蒸気発生装置にて供給する蒸気の圧力を、所望の蒸気圧力に調整して供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】蒸気発生型コージェネレーションシステムの概略構成図
図2】蒸気優先運転と電力優先運転とにおける電力出力と蒸気出力とを示すグラフ図
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明の実施形態に係る蒸気発生型コージェネレーションシステム100は、供給熱電比を可変に設定することができると共に、当該供給熱電比の変動幅を大きくし得るものに関する。
以下、本発明の実施形態に係る蒸気発生型コージェネレーションシステム100に関し、図1図2に基づいて説明を加える。
【0018】
図1に示す蒸気発生型コージェネレーションシステム100は、ターボ過給式エンジンと、ターボ過給式エンジンから排出される排ガスの熱を熱源として蒸気を発生させる排ガスボイラ60と、ターボ過給式エンジンの回転動力により駆動される同期発電機28にて発生した電力を少なくとも駆動電力の一部として駆動可能に構成されると共にターボ過給式エンジンの冷却水循環路Cを循環する冷却水が保有する熱を熱源として蒸気を発生させる蒸気発生装置50と、それらを制御する制御装置70(エンジンの制御装置としてのECUを含む概念)とを、備えて構成されている。
尚、エンジン本体26の回転軸に接続される同期発電機28は、発電電力の周波数を、商用電力系統72から供給される電力の周波数と同じ周波数に調整可能に構成されている。また、当該同期発電機28には、電圧を調整する自動電圧調整器が備えられており、当該自動電圧調整器により、発電電力の電圧が商用電力系統72から供給される電力の電圧と同じ電圧に調整される。同期発電機28と商用電力系統72との間には、分電盤71が設けられて、当該分電盤71からは、システム内の電力負荷(図示せず)に電力が供給されるように構成されている。
【0019】
〔ターボ過給式エンジンに係る構成〕
ターボ過給式エンジンは、天然ガス等の燃料F(燃料の一例)と燃焼用空気Aとの混合気Mを燃焼室26aにおいて圧縮して燃焼させることにより回転軸40を回転させる形態で回転動力を発生させて当該回転動力により発電機28を駆動するエンジン本体26と、エンジン本体26の排気路27に設けられるタービン32に燃焼室26aから排出される排ガスEを供給し、タービン32に連結される状態で吸気路20に設けられるコンプレッサ31によって燃焼室26aに吸気される新気としての混合気Mを圧縮する過給機30とを備えている。
【0020】
この種のターボ過給式エンジンは、詳細な図示は省略するが、吸気路20から燃焼室26aに新気として吸気された混合気Mを、ピストンの上昇により圧縮した状態で点火プラグ(図示せず)にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて回転軸40から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスEは、燃焼室26aから排気路27へ押し出され、外部に排出される。
【0021】
吸気路20には、燃焼用空気Aを浄化するエアクリーナ21、燃焼用空気Aに燃料Fを適切な比率で混合するベンチュリー式のミキサ14、及びミキサ14にて混合された混合気Mを圧縮するコンプレッサ31、混合気Mを冷却するインタークーラ25(冷却用熱交換器の一例)、開度調整により燃焼室26aへの混合気Mの吸気量を調整可能なスロットル弁24が、その上流側から記載順に導入されている。
即ち、吸気路20において、ミキサ14で燃料Fと燃焼用空気Aとを混合して生成された混合気Mは、コンプレッサ31により圧縮された後に、スロットル弁24を介して所定の流量に調整され、インタークーラ25にて冷却されて、エンジン本体26の燃焼室26aに導入される。
【0022】
ちなみに、インタークーラ25には、それを出た後でエンジン本体26の燃焼室26aに導入される前の混合気Mの温度を測定する温度センサ(図示せず)が設けられおり、制御装置70は、当該温度センサの測定温度に基づいて、インタークーラ25による混合気Mの冷却度合を調整可能に構成されている。
【0023】
ミキサ14に燃料Fを導く燃料供給路11には、ミキサ14の上流側の吸気路20における燃焼用空気Aの圧力と燃料供給路11の燃料Fの圧力の差を一定に保つ差圧レギュレータV1、ミキサ14を介して燃焼室26aへ供給される燃料Fの供給量を調整する燃料供給量調整弁V2が設けられている。
【0024】
エンジン本体26には、そのシリンダヘッドにエンジンジャケット26bが設けられており、当該エンジンジャケット26bと当該エンジン本体26の外部に設けられる排熱回収熱交換器51aとの間でエンジン冷却水を循環する冷却水循環路Cと、当該冷却水循環路Cにエンジン冷却水を循環させる冷却水循環ポンプPとが設けられている。
尚、詳細については後述するが、本発明の実施形態に係る蒸気発生型コージェネレーションシステム100にあっては、排熱回収熱交換器51aは後述する蒸気発生装置50において、エンジン冷却水と給水とを熱交換する形態で、給水を蒸発させる目的で設けられている。
当該目的から、排熱回収熱交換器51aへ流入するエンジン冷却水Cの温度は、100℃以上となっていることが好ましい。この観点から、冷却水循環ポンプPは、エンジン冷却水を昇圧する昇圧ポンプとしての機能も果たすように構成されている。本実施形態では、排熱回収熱交換器51aの入口でのエンジン冷却水の温度は、例えば、113℃程度となり、排熱回収熱交換器61の出口でのエンジン冷却水の温度は、例えば、109℃程度となるように、冷却水循環ポンプPの回転数が制御される。尚、エンジン冷却水として、沸点の高いクーラントを用いる場合には、冷却水循環ポンプPにて昇圧しない構成を採用することもできる。
【0025】
過給機30は、エンジン本体26の排気路27に設けられるタービン32に燃焼室26aから排出される排ガスEを供給し、タービン32に連結される状態で吸気路20に設けられるコンプレッサ31により燃焼室26aに吸気される混合気Mを圧縮するターボ式の過給機30として構成されている。即ち、当該過給機30は、排気路27を通過する排ガスEの運動エネルギによりタービン32を回転させ、当該タービン32の回転力により吸気路20に配置されたコンプレッサ31を回転駆動する形態で、吸気路20を通流する新気としての混合気Mを圧縮した状態で燃焼室26aに供給する、所謂過給を行う。
【0026】
回転軸40には、回転軸40の回転速度をエンジン本体26の回転速度として計測する回転速度センサ(図示せず)が設けられており、制御装置70は、当該回転速度センサにて計測されたエンジン本体26の回転速度に基づいて、燃料供給量調整弁V2の開度を制御して燃焼室26aへの燃料Fの供給量を調整することによって、エンジン本体26の回転速度を所望の目標回転速度に維持する回転速度維持制御を実行可能に構成されている。
【0027】
また、排気路27には、排ガスEの酸素濃度を検出する酸素センサS1が設けられており、制御装置70は、酸素センサS1で検出された排ガスEの酸素濃度に基づいて、スロットル弁24の開度を制御することにより、ミキサ14に供給された燃料Fに対する燃焼用空気Aの混合割合を調整して、ミキサ14で生成される混合気Mの空燃比を所望の空燃比に維持する空燃比制御を実行可能に構成されている。
【0028】
更に、制御装置70は、燃焼室26aに設けられている点火プラグ(図示せず)により、燃焼室26a内の混合気Mへの点火時期を所望の時期に制御する点火時期制御を実行する可能に構成されている。
【0029】
〔排ガスボイラ〕
排気路27でタービン32の下流側には、排ガスボイラ60が設けられている。
説明を追加すると、排ガスボイラ60には、タービン32を通過した後の排ガスEを通流させる排ガス通流室27aが設けられており、当該排ガス通流室27aには、複数の蒸気生成管62aが配設された蒸気生成部62と、当該蒸気生成部62の下流側に配置されると共に複数の給水加熱管61aが配置された給水予熱部61とが設けられており、給水予熱部61の給水加熱管61aは蒸気生成部62の蒸気生成管62aに連通接続されている。
これにより、給水予熱部61の給水加熱管61aへ流入した給水は、給水予熱部61にて排ガスEの排熱にて予熱された後、蒸気生成部62の蒸気生成管62aへ流入し、排ガスEの排熱にてさらに加熱されて蒸発した後、第1蒸気St1として排出される。
ここで、蒸気生成部62から排出された第1蒸気St1を通流する流路には、当該流路を通流する第1蒸気St1の圧力を測定する第1蒸気圧力計S2と、流路を通流する第1蒸気St1の流量を制御する流量制御弁V3とが設けられている。制御装置70は、第1蒸気St1の圧力を、所望の圧力(例えば、0.7MPa程度の圧力)とするように、流量制御弁V3の開度を調整する。尚、第1蒸気St1の供給量については、排ガスEの温度(排ガスEの保有する排熱量)に従って決定される。
【0030】
〔蒸気発生装置〕
蒸気発生装置50は、エンジン本体26の排熱により給水Wを加熱する蒸気発生器51と、蒸気発生器51にて発生した蒸気を目標蒸気圧力(例えば、0.7MPa程度の圧力)まで圧縮して昇圧する蒸気圧縮機52とから構成されている。
説明を追加すると、蒸気発生器51は、エンジン本体26の冷却水循環路Cの排熱回収熱交換器51aが設けられており、当該排熱回収熱交換器51aにてエンジン冷却水と給水Wとを熱交換する形態で、エンジン冷却水がエンジンジャケット26bにて回収したエンジン排熱にて給水Wを加熱して、蒸気を発生させる。
蒸気圧縮機52は、蒸気発生器51で発生させた蒸気を圧縮して昇圧するコンプレッサ52aと、当該コンプレッサ52aを回転駆動させる電動式のモータ52bとを備えて構成されている。蒸気発生器51にて発生した蒸気は、モータ駆動式のコンプレッサ52aにて圧縮され目標蒸気圧力まで昇圧されて、第2蒸気St2として排出される。詳細な説明は後述するが、当該コンプレッサ52aの駆動源としてのモータ52bには、商用電力系統72からの商用電力を駆動電力とする以外に、ターボ過給式エンジンの発電機28にて発電した発電電力の少なくとも一部を駆動電力として駆動可能に構成されている。即ち、当該実施形態にあっては、分電盤71から蒸気圧縮機52のモータ52bへ駆動電力が供給される。
ここで、蒸気圧縮機52から排出された第2蒸気St2を通流する流路には、当該流路を通流する第2蒸気St2の圧力を測定する第2蒸気圧力計S3と、流路を通流する第2蒸気St2の流量を制御する流量制御弁V4とが設けられている。制御装置70は、第2蒸気St2の圧力を、所望の圧力(例えば、0.7MPa程度の圧力)とするように、モータ駆動式のコンプレッサ52aの回転数を調整すると共に、流量制御弁V4の開度を調整する。尚、第2蒸気St2の供給量については、蒸気発生器51の排熱回収熱交換器51aによる排熱回収量に従って決定される。
そして、排ガスボイラ60から供給される第1蒸気St1と、蒸気発生装置50から供給される第2蒸気St2との双方が、供給蒸気St1、St2として、外部へ供給される。
【0031】
本発明の実施形態に係る蒸気発生型コージェネレーションシステム100は、供給熱電比を可変に設定可能に構成されていると共に、当該供給熱電比の変動幅を大きく設定できるものである。以下、その具体的構成について、図2に基づいて説明する。
尚、図2に示すように、当該実施形態に係る蒸気発生型コージェネレーションシステム100が備えられている工場等の設備においては、電気駆動式発電機52bを含む電力負荷(図示せず)への供給電力として、商用電力系統72から買電可能に構成されていると共に、蒸気を供給する設備として天然ガス等を燃料とする蒸気ボイラ(図示せず)をシステム100とは別置きで備え、熱負荷(図示せず)への供給蒸気として当該蒸気ボイラから蒸気を供給可能に構成されている。
このような設備においては、年間の電力供給及び熱供給のランニングコストを低減させるため、負荷の平準化を図ることが好ましく、本発明の蒸気発生型コージェネレーションシステム100は、負荷の平準化を図るためのシステムとして好適に利用される。
ここで、図2において、左上のグラフ図は、蒸気優先運転時の電力需要量と電力供給量との関係を示すグラフ図であり、左下のグラフ図は、蒸気優先運転時の蒸気需要量と蒸気供給量との関係を示すグラフ図であり、右上のグラフ図は、電力優先運転時の電力需要量と電力供給量との関係を示すグラフ図であり、右下のグラフ図は、電力優先運転時の蒸気需要量と蒸気供給量との関係を示すグラフ図である。
尚、図2では、説明を簡便にすべく、昼間(図2でt1で示す期間)における需要と供給の関係を中心に示している。
図2の左上のグラフ図のP1w及び右上のグラフ図のP1sは、買電電力量にて賄う電力需要を示しており、これらの値は、買電電力量を平準化する目的で、図示するように、蒸気優先運転と電力優先運転とで同一の値としている。また、図2の左上のグラフ図のP2w及び右上のグラフ図のP2sは、昼間(図2でt1で示す期間)における電力需要の合計量を示している。
図2の左下のグラフ図のS1w及び右下のグラフ図のS1sは、システム100とは別置きの蒸気ボイラから供給される外部蒸気により賄う熱需要(蒸気需要)を示しており、これらの値は、別置きの蒸気ボイラにて供給する外部蒸気量を平準化する目的で、図示するように、蒸気優先運転と電力優先運転とで同一の値としている。また、図2の左下のグラフ図のS2w及び図2の右下のグラフ図のS2sは、昼間(図2でt1で示す期間)における熱需要量(蒸気需要量)を示している。
【0032】
制御装置70は、排ガスボイラ60及び蒸気発生装置50で発生する蒸気の回収効率としての排熱回収効率(エンジン本体26の排ガス及びエンジン冷却水への熱出力/エンジン本体26への投入エネルギ量)を高くする蒸気優先運転において、ターボ過給式エンジンの発電機28にて発電した電力の少なくとも一部を蒸気発生装置50のモータ52bの駆動電力の少なくとも一部として蒸気発生装置50を働かせる制御を実行する。
即ち、当該蒸気優先運転では、図2の左上のグラフ図に示すように、コージェネ発電電力量のうちΔP1で示す発電電力が、蒸気発生装置50のモータ52bの駆動電力として消費されることで、蒸気優先運転における買電電力量と正味のコージェネ発電電力量(蒸気発生型コージェネレーションシステム100の外部へ供給される発電電力量)との合計量が、電力需要量P2wに一致するように制御される。
また、図2の左下のグラフ図に示すように、蒸気発生装置50へターボ過給式エンジンの発電機28から供給される供給電力により蒸気発生装置50にて発生する蒸気量が増加する形態で、コージェネ蒸気量のうちΔS1で示す蒸気量が増加することで、蒸気優先運転における外部蒸気量とコージェネ蒸気量との合計量が、熱需要量(蒸気需要量)S2wと一致するように制御される。
これにより、当該蒸気優先運転では、蒸気発生型コージェネレーションシステム100における供給熱電比が高い側へ調整されることとなる。
【0033】
一方、制御装置70は、発電効率(エンジン本体26の回転軸40の軸出力/エンジン本体26への投入エネルギ量)を高くする電力優先運転において、蒸気発生装置50のモータ52bへの電力の供給を停止する制御を実行する。
当該制御により、図2の左上のグラフ図及び図2の右上のグラフ図に示されるように、電力優先運転におけるコージェネ発電電力量は、蒸気優先運転における正味のコージェネ発電電力量よりも、ΔP1で示す分増加する。
また、当該制御により、図2の左下のグラフ図及び図2の右下のグラフ図に示されるように、電力優先運転におけるコージェネ蒸気量は、蒸気優先運転におけるコージェネ蒸気量よりも、ΔS1で示す分低下することとなる。
【0034】
更に、制御装置70は、電力優先運転における点火時期である電力優先点火時期を、蒸気優先運転における蒸気優先点火時期よりも進角側に設定(例えば、1°〜2°進角側に設定)し、且つ、電力優先運転における空燃比である電力優先空燃比を、蒸気優先運転における空燃比である蒸気優先空燃比よりも大きく設定(例えば、0.1〜0.2程度大きく設定)し、且つ、電力優先運転におけるインタークーラ25における新気(混合気M)の冷却度である電力優先冷却度を、蒸気優先運転における新気(混合気M)の冷却度である蒸気優先冷却度よりも低下側に設定する制御を実行する。
ここで、一例としては、蒸気優先点火時期は、17.5°BTDCであり、蒸気優先空燃比は、空気過剰率換算で1.6であり、蒸気優先冷却度は、インタークーラ25の出口での新気(混合気M)の温度を40℃程度とする冷却度であるとする。
尚、上述した点火時期、空燃比、及び冷却度の具体的な値は、都市ガス(例えば、13A)を燃料として用いるSIエンジンの場合の一例であり、これらの値は、エンジンの種類や大きさに応じて変動する値である。
【0035】
制御装置70は、空燃比を調整する場合、燃料供給量調整弁V2の開度を調整する形態で空燃比を制御し、新気(混合気M)の冷却度を調整する場合、冷媒としてインタークーラ25へ供給される外気の流量を調整する形態で、新気(混合気M)の冷却度を制御する。
因みに、上述の如く、空燃比を変動する場合、エンジン本体26の軸出力を略一定に保つように、エンジン本体26の回転数が制御される。
当該制御により、図2の左上のグラフ図及び図2の右上のグラフ図に示されるように、電力優先運転におけるコージェネ発電電力量は、蒸気優先運転における正味のコージェネ発電電力量よりも、ΔP2で示す分増加する。
また、当該制御により、図2の左下のグラフ図及び図2の右下のグラフ図に示されるように、電力優先運転におけるコージェネ蒸気量は、蒸気優先運転におけるコージェネ蒸気量よりも、ΔS2低下することとなる。
以上より、当該電力優先運転では、蒸気発生型コージェネレーションシステム100における供給熱電比は低い側へ調整されることとなる。
【0036】
結果、制御装置70は、電力優先運転におけるコージェネ発電電力量は、蒸気優先運転における正味のコージェネ発電電力量よりもΔPだけ多くなり、且つ、電力優先運転におけるコージェネ蒸気量は、蒸気優先運転におけるコージェネ蒸気量よりもΔSだけ小さくする形態で、供給熱電比の変動幅を大きく設定することとなる。
【0037】
〔別実施形態〕
(1)上記実施形態においては、蒸気発生装置50の蒸気発生器51の他の例としては、ヒートポンプ装置の蒸発器と凝縮器とを介する状態で、エンジン冷却水と給水Wとを熱交換して、給水Wを過熱して蒸気を生成する構成を採用しても構わない。
当該構成により、蒸気発生器51に導かれるエンジン冷却水の温度が比較的低温であっても、良好に給水Wを過熱することができる。
【0038】
(2)上記実施形態では、制御装置70が、電力優先運転における点火時期である電力優先点火時期を、蒸気優先運転における蒸気優先点火時期よりも進角側に設定(例えば、1°〜2°進角側に設定)し、且つ、電力優先運転における空燃比である電力優先空燃比を、蒸気優先運転における空燃比である蒸気優先空燃比よりも大きく設定(例えば、0.1〜0.2程度大きく設定)し、且つ、電力優先運転におけるインタークーラ25における新気(混合気M)の冷却度である電力優先冷却度を、蒸気優先運転における新気(混合気M)の冷却度である蒸気優先冷却度よりも低下側に設定する制御を実行する例を示した。
しかしながら、蒸気優先冷却度よりも低下側に設定する制御以外の制御は、何れも実行しない場合であっても、蒸気発生型コージェネレーションシステム100の供給熱電比の変動幅を大きく設定できる。このため、本発明の権利範囲には、点火時期の制御及び空燃比の制御の何れも実行しないものも含むものとする。
また、点火時期の制御及び空燃比の制御は、何れか一つ以上を実行する構成であっても構わない。
【0039】
(3)蒸気発生装置50の蒸気圧縮機52としては、モータ52bにて駆動される電動式のコンプレッサ52aの他、吸収式ヒートポンプや、エジェクタ―等としても構わない。
【0041】
)上記実施形態では、エンジン本体26の回転軸に接続される発電機28として、同期発電機が備えられる例を示したが、別に同期発電機以外の誘導発電機等を備える構成を採用しても構わない。
この場合、誘導発電機と分電盤71との間には、誘導発電機にて発電された電力を、商用電力系統72から供給される電力と同じ電圧で同じ周波数に調整する系統連係用のインバータ29を設ける構成が採用されることとなる。
【0042】
)上記実施形態では、給水予熱部61の給水加熱管61aへ流入した給水は、給水予熱部61にて排ガスEの排熱にて予熱される構成を例示したが、別に、エンジン冷却水にて予熱する構成を採用しても構わない。
【0043】
)上記実施形態において、空燃比制御は、酸素センサS1で検出された排ガスEの酸素濃度に基づいて、スロットル弁24の開度を制御することにより、ミキサ14に供給された燃料Fに対する燃焼用空気Aの混合割合を調整して、ミキサ14で生成される混合気Mの空燃比を所望の空燃比に維持する構成例を示した。
当該空燃比制御としては、吸気路20においてスロットル弁24とエンジン本体26との間に圧力センサ(図示せず)を設け、当該圧力センサにて検出された圧力を目標の混合気圧に調整する形態で、燃料供給量調整弁V2の開度を制御することにより、空燃比を所望の値に調整する構成を採用しても構わない。
説明を追加すると、制御装置70には、特定のエンジン回転数において混合気圧が発電出力(空燃比に対応)に略正比例するマップを記憶している。そこで、制御装置70は、上述の圧力センサにて測定される圧力が、設定された空燃比からマップにより一意に決定される混合気圧となるように、燃料供給量調整弁V2を制御することにより、スロットル弁24出口の混合気圧を適正な値に制御する形態で、空燃比制御を実行する。
【0044】
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【0045】
本発明の蒸気発生型コージェネレーションシステムは、供給熱電比を可変に設定することができると共に、当該供給熱電比の変動幅を大きくし得る蒸気発生型コージェネレーションシステムとして、有効に利用可能である。
【符号の説明】
【0046】
20 :吸気路
25 :インタークーラ
26a :燃焼室
27 :排気路
28 :発電機
30 :過給機
31 :コンプレッサ
32 :タービン
50 :蒸気発生装置
51 :蒸気発生器
51a :排熱回収熱交換器
52 :蒸気圧縮機
60 :排ガスボイラ
70 :制御装置
100 :蒸気発生型コージェネレーションシステム
A :燃焼用空気
C :冷却水循環路
E :排ガス
F :燃料
M :混合気
図1
図2