JPH0786329B2 - 熱電併給装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は電力と蒸気および温水とを供給する熱電併給装
置に係り、特に、内燃機関の排熱により温水を発生させ
る排熱熱交換器の二次側（受熱側）の二次遅れの解消を
図った熱電併給装置に関する。

（従来の技術） 一般に、熱電併給装置は、発電機を駆動する内燃機関を
排熱熱交換器の冷水により冷却する一方で、その排熱に
より加熱された冷水を温水に変えると共に、この温水を
内燃機関の排ガスにより排ガス熱交換器で、さらに加熱
して蒸気に変え、これら温水、蒸気を貯湯槽、蓄熱タン
クにそれぞれ蓄蔵して熱負荷装置により温水、蒸気負荷
にそれぞれ供給するようになっている。

そして、従来の熱電併給装置の蓄熱制御としては、蓄熱
タンクに蓄蔵される蒸気の圧力が一定となるように、排
ガス熱交換器の出口側の蒸気圧力の検出値に基づいて、
この排ガス熱交換器の受熱側入口に供給される温水流量
を制御している。

また、従来の温水負荷制御としては、温水熱交換器およ
び貯湯槽から温水負荷に供給される温水の温度が一定と
なるように、排熱熱交換器からの温水を温水熱交換器と
排ガス熱交換器とに分配する温水ヘッダ内の温度検出値
に基づいて、排熱熱交換器の受熱側（二次側）入口に供
給される冷水流量を、設定値で一定となるように制御し
ている。

さらに、その排熱は貯湯槽内の温度検出値に基づいて一
定となるように各給水弁、温水弁により温水負荷へ供給
される温水供給流量を制御している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の熱電併給装置では内燃
機関の負荷が変動する場合は、一次系の排ガス流量が変
動することと、排ガス熱交換器出口の蒸気圧力に基づい
て温水流量調整弁の開度制御が行なわれることにより排
熱熱交換器の熱交換効率が低下し、熱交換量が減少す
る。

また、内燃機関を冷却する排熱熱交換器も同様に電気、
熱負荷変動に対して、二次遅れのために熱交換熱量を低
下させる問題がある。

さらに、温水ヘッダに供給される温水は、内燃機関を冷
却する排熱熱交換器の冷水の流量が内燃機関の負荷変動
に伴なって変動し、排熱熱交換器の二次遅れにより熱交
換量が実質上減少し、排熱熱交換器の受熱側（二次側）
出口から温水が供給される温水ヘッダの温度が設定値に
対して変動し、しかも、その温水は、一次系の排ガス流
量変動に伴って、排熱熱交換器の二次遅れ原因により、
同様に熱交換熱量が実質上減少し、排ガス熱交換器出口
の蒸気圧力が設定値に対して変動幅が大きくなるという
問題点がある。

また、熱負荷追従運転時の場合、排熱、排ガス各熱交換
器の二次遅れ原因による熱交換量の変動が設定値に対し
て大きくなる問題点がある。

そこで本発明は上記事情を考慮してなされたもので、そ
の目的は内燃機関の負荷変動時の排熱、排ガス熱交換器
の二次遅れの低減と、その熱交換効率の低下の防止とを
図ることができる熱電併給装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は電気負荷追従運転と熱負荷追従運転のいずれか
の運転モードを選択する切換器と、内燃機関の負荷変動
分を修正する修正量を演算する修正量演算回路とを主に
設けたものである。

すなわち本発明は、発電機を駆動する内燃機関と、この
内燃機関に供給される燃料の供給流量を検出、調整する
燃料流量検出器および燃料流量調整弁と、上記内燃機関
からの排熱により冷水を加熱して温水を発生させる排熱
熱交換器と、この排熱熱交換器の受熱側に供給される上
記冷水の温度を検出する冷水温度検出器およびこの冷水
供給流量を調整する冷水流量調整弁と、上記排熱熱交換
器の受熱側からの温水を上記内燃機関からの排ガスによ
り排ガス熱交換器でさらに加熱して発生させた蒸気を蓄
蔵する蓄熱タンクと、上記排熱熱交換器の受熱側から温
水熱交換器の与熱側に供給される温水の供給流量を調整
する第１の温水流量調整弁と、上記温水熱交換器の与熱
側から貯湯槽の与熱側に供給される温水の供給流量を調
整する第２の温水流量調整弁と、上記温水熱交換器およ
び貯湯槽の各受熱側から温水負荷にそれぞれ供給される
温水供給流量をそれぞれ検出する第１、第２の温水流量
検出器と、上記蓄熱タンクから蒸気負荷に供給される蒸
気の供給流量を検出する蒸気流量検出器とを有する熱電
併給装置において、上記燃料流量検出器により検出され
た検出値により上記発電機の出力を推定する出力推定回
路と、この出力推定回路により推定された推定出力を電
力設定値と比較し偏差を出力する比較器と、上記第１、
第２の温水流量検出器により検出された温水供給流量検
出値および上記蒸気流量検出器により検出された蒸気供
給流量検出値を電力に換算する電力負荷出力演算回路
と、この電力負荷出力演算回路からの電力換算信号およ
び上記比較器からの偏差信号を運転モードに応じて切換
自在に出力する切換器と、この切換器からの出力信号の
一部を燃料流量調整弁の開度に調節して燃料流量調整弁
に与える調節計と、上記切換器からの出力信号の一部お
よび上記排熱熱交換器の受熱側出口と入口とにおける上
記冷水の温度差に基づいて上記内燃機関の負荷変動を修
正する修正量を演算し、この修正信号をバイアス信号と
して上記冷水流量調整弁および上記第１、第２の温水流
量調整弁にそれぞれ与え、これらの弁開度を調整させる
修正量演算回路とを設けたことを特徴とする。

（作用） まず、熱電併給装置の電気負荷追従運転を行なう場合に
は切換器の運転モードを電気負荷追従運転モードに選択
する。

すると、内燃機関に供給される燃料の供給量を調整する
燃料流量調整弁の開度が、その燃料供給流量を検出する
燃料流量検出器の検出値と電力設定値との偏差を零にす
るように調整され、電気負荷追従運転が行なわれる。

すなわち、燃料流量検出器により検出された燃料供給流
量検出値は出力推定回路により発電機の電気出力として
推定され、比較器で電力設定値と比較されて偏差が算出
される。

この偏差信号は、電気負荷追従運転モードに切換えられ
ている切換器により選択的に出力されて、調節器と修正
量演算回路とにそれぞれ与えられ、調節器ではこの偏差
が零になるような燃料流量調整弁の開度に調節され、燃
料流量調整弁に与えられる。

したがって、燃料流量調整弁は電力設定値で一定となる
ように開度制御されるので、内燃機関による駆動される
発電機の電気出力は電力設定値で一定に制御される。

一方、修正量演算回路に与えられた切換器からの出力信
号の一部は、ここで、排熱熱交換器の受熱側出口と同入
口とにおける冷水の温度差を示す温度信号とに基づい
て、内燃機関の負荷変動分を修正する修正量が演算さ
れ、この修正量はバイアス信号として冷水流量調整弁お
よび第１、第２の温水流量調整弁とにそれぞれ与えられ
る。

すなわち、本発明によれば、内燃機関の負荷の変動を修
正する修正信号がバイアス信号として冷水流量調整弁お
よび第１、第２の温水流量調整弁とにそれぞれ先行的に
与えられるので、内燃機関の負荷変動に伴なう排熱熱交
換器の熱交換効率の低下を防止することができると共
に、二次系の熱負荷変動に対しても先行的に設定値とな
る様に制御することができる。

一方、熱電併給装置の熱負荷追従運転を行なう場合には
切換器の運転モードを熱負荷追従運転モードに選択す
る。

すると、内燃機関に供給される燃料の供給流量を制御す
る燃料流量調整弁の開度が、蒸気負荷および温水負荷の
熱負荷の変動に追従して制御される。

すなわち、熱負荷の蒸気負荷と温水負荷とにそれぞれ供
給される蒸気供給流量と温水供給流量とをそれぞれ検出
する蒸気流量検出器と第１、第２の温水流量検出器の検
出値は電力負荷出力回路により電力に換算される。

この電力換算信号は切換器により選択的に出力されて調
節器に与えられ、ここで所要の操作信号に調節されて燃
料流量調整弁に与えられ、その開度が熱負荷の変動に応
じて制御され、内燃機関が熱負荷に追従して運転され
る。

また、熱負荷追従運転時においても電気負荷追従運転時
と同様に、内燃機関の負荷変動を修正する修正分が修正
量演算回路により演算され、バイアス信号として冷水流
量調整弁および第１、第２の温水流量調整弁にそれぞれ
与えられ、それらの弁開度が調整される。

（実施例） 以下本発明の一実施例を第１図および第２図に基づいて
説明する。

第２図は本発明の一実施例の全体構成を示す系統図であ
り、図において、発電機１を駆動する内燃機関２に供給
される燃料の供給流量は燃料流量調整弁３の開度により
制御され、燃料流量検出器４により検出される。

内燃機関２はウォータジャット等の排熱熱交換器５によ
り冷却され、排ガスを与熱側胴内に通す排ガス熱交換器
６を付設している。

排熱熱交換器５の受熱側（二次側）の冷水入口には冷水
管5aを介して貯湯槽７の与熱側出口を連結しており、冷
水管5aには上流側から下流側に向けて、貯湯槽三方弁
（第２の温水流量調整弁）８、図示しない冷水源に接続
された冷水ヘッダ９、冷水ポンプ10、冷水流量調整弁1
1、冷水温度を検出する冷水温度検出器12を順次設置
し、排熱熱交換器５の受熱側入口に冷水を供給するよう
になっている。

排熱熱交換器５の受熱側出口は温水管13を介して温水熱
交換器14の与熱側入口に接続され、温水管13の途中には
温水ヘッダ15が介在され、この温水ヘッダ15にはその内
部の温度を検出するヘッダ温度検出器15aが付設されて
いる。

温水ヘッダ15の一出口端は配管16を介して排ガス熱交換
器６の与熱側入口に接続され、配管16には上流側から下
流側に向けて温水ポンプ17、流量調整弁18が介在されて
おり、温水ポンプ17により排ガス熱交換器６に供給され
た温水を内燃機関２からの排ガスにより加熱して蒸気を
発生させるようになっている。

排ガス熱交換器６の受熱側出口は蒸気管19を介して蒸気
負荷20に連結されており、蒸気管19の途中には、蓄熱タ
ンク21が介在され、蓄熱タンク21の前後には蒸気圧力検
出器22、蒸気流量検出器23が設置されている。

また、温水熱交換器14の受熱側入口には冷水を供給する
冷水供給管24が接続される一方、受熱側出口は第１の温
水供給管25を介して第１の温水負荷26に接続され、第１
の温水供給管25の途中には第１の温水温度検出器27、第
１の温水流量検出器28が設置されている。

一方、貯湯槽７の受熱側の胴部は第２の温水供給管29を
介して第２の温水負荷30に接続され、第２の温水供給管
29の途中には第２の温水温度検出器31、第２の温水流量
検出器32が設置されている。

貯湯槽三方弁８の一端は連絡管33を介して温水熱交換器
14の与熱側出口に接続され、連絡管33の途中には温水熱
交三方弁（第２の温水流量調整弁）34が介在され、この
温水熱交三方弁34の一端は温水管13の途中に連通されて
いる。

そして制御装置35は燃料流量調整弁３、燃料流量検出器
４、貯湯槽三方弁（第２の温水流量調整弁）８、冷水流
量調整弁11、冷水温度検出器12、温水ヘッダ温度検出器
15a、流量調整弁18、蒸気圧力検出器22、蒸気流量検出
器23、第１の温水温度検出器27、第１の温水流量調整弁
28、第２の温水温度検出器31、第２の温水流量検出器32
および温水熱交三方弁（第１の温水流量調整弁34）に図
中破線で示す信号線により電気的に接続され、各種検出
器からの検出値を受けて各種調整弁の開度を制御するよ
うになっている。

制御装置35は第１図に示すように構成され、燃料流量検
出器４に、この燃料流量検出器４により検出された内燃
機関２へ供給される燃料供給流量検出値を発電機１の電
気出力に換算し推定する出力推定回路36、この出力推定
回路36からの出力を電力設定値と比較する電力比較器3
7、電気負荷追従運転と熱負荷追従運転の運転モードを
切換える切換器38、PID（比例積分微分）制御器39およ
び電気空気変換器40よりなる調節計、燃料流量調整弁１
をこの順に順次電気的に直列に接続している。

すなわち、燃料流量検出器４により検出された検出値
と、電力設定値との偏差を電力比較器37により算出し、
この偏差を零にするような燃料流量調整弁３の開度に調
節計で調整し、この調整信号を電気空気変換器40により
所要の空気圧に変換して、ダイヤフラム弁等よりなる燃
料流量調整弁３に与え、その開度を制御するようになっ
ている。

上記切換器38の他の切換端ｃには電力負荷出力演算回路
41を介して蒸気流量検出器23、第１の温水流量検出器28
および第２の温水流量検出器32に電気的に接続され、こ
れら検出器23,28,32の各検出値を電力負荷出力演算回路
41にて電力に換算するようになっている。

また、切換器38の出力端ｂには第１図で示す発電機１を
駆動する内燃機関２の負荷変動を修正する修正量を演算
する修正量演算回路42の一入力端が接続されている。

修正量演算回路42の他の入力端には加算器43を介して、
温度電流変換機44,45をそれぞれ付設する冷水温度検出
器12、温水ヘッダ温度検出器15aにそれぞれ接続され、
両温度検出器12,15aにより検出された温度差、すなわ
ち、排熱熱交換器５の受熱側に通水される冷水の出口側
と入口側との温度差を加減算器43により算出するように
なっている。

冷水温度検出器12の温度電流変換器44からの出力端は温
度比較器46、PID制御器47を介して加減算器48に接続さ
れ、修正量演算回路42にて演算された内燃機関１の負荷
変動分を修正する修正量をバイアス信号として、この加
減算器48にて冷水温度検出器12からの検出値の調節信号
に加算し、電気空気変換器49により所要の空気圧に換算
し、ダイヤフラム弁の冷水流量調整弁11の開度を制御す
るようになっている。

また、第１の温水温度検出器27は温度電流変換器50、温
度比較器51、PID制御器52、加減算器53、電気空気変換
器54、温水熱交三方弁（第１の温水流量調整弁）34に順
次直列に接続され、加減算器53の一入力端には修正量演
算回路42の出力端が接続され修正量演算回路42からの修
正信号がバイアス信号として温水熱交三方弁34に与えら
れるようになっている。

また、第２の温水温度検出器31も温度電流変換器55、温
度比較器56、PID制御器57、加減算器58、電気空気変換
器59、貯湯槽三方弁（第２の温水流量調整弁）８に順次
直列に接続され、加減算器58の一入力端には修正量演算
回路42の出力端が接続され、修正量演算回路42からの修
正信号がバイアス信号として貯湯槽三方弁８に与えられ
るようになっている。

次に本実施例の作用を説明する。

まず、熱電併給装置について電気負荷追従運転を行なう
場合は切換器38の運転モードが電気負荷追従運転モード
に切換えられ、燃料流量調整弁３の開度が燃料流量検出
器４の検出値に基づいて制御され、電気負荷追従運転が
行なわれる。

すなわち、燃料流量検出器４の検出値が出力推定回路36
により発電機１の電気出力に推定換算され、電力比較器
37にて電力設定値と比較され、偏差が出力される。

この偏差信号は、切換器38の運転モードが電気負荷追従
運転モードに切換えられているので、ａ端子からｂ端子
に流れ、PID制御器39と修正量演算回路42とにそれぞれ
与えられる。

PID制御器39に与えられた偏差信号はここでPID（比例積
分微分）制御され、その偏差を零にするような燃料流量
調整弁３の開度に調整されてから、電気空気変換器40に
て所要圧の空気圧に変換され、燃料流量調整弁３に与え
られて、その開度を制御する。

したがって、内燃機関２には発電機１の電気出力を電力
設定値で一定にするように運転するための燃料流量が燃
料流量調整弁３を介して与えられる。

一方、修正量演算回路42には切換器38からの偏差信号
と、冷水温度検出器12と温水ヘッダ温度検出器15aとの
両検出値の温度差とに基づいて内燃機関１の負荷変動分
を修正する修正量を検出する。

この修正量はバイアス信号として加減算器48,53,58にそ
れぞれ加えられてから、冷水流量制御弁11、温水熱交三
方弁第１の温水流量調整弁）34、貯湯槽三方弁（第２の
温水流量調整弁）８にそれぞれ与えられ、これらの弁開
度が制御される。

すなわち、内燃機関２の負荷変動分がバイアス信号とし
て上記各弁11,34,8に先行的に与えられるので、排熱熱
交換器５の二次遅れを防止し、その熱交換効率の低下の
防止を図ることができる。

一方、熱電併給装置について熱負荷追従運転を行なう場
合は切換器38の運転モードが熱負荷追従運転に切換えら
れ、燃料流量調整弁３の開度が、蒸気流量検出器23、第
１の温水流量検出器28、第２の温水流量検出器32の各検
出値に基づいて制御され、熱負荷追従運転が行なわれ
る。

すなわち、蒸気流量検出器23、第１の温水流量検出器2
8、第２の温水流量検出器32の各検出値は電力負荷出力
演算回路41により電力負荷にそれぞれ換算され、熱負荷
追従運転モードに切換えられている切換器38をｃ端子か
らｂ端子へ流れて、PID制御器39と電気空気変換器40よ
りなる調節器と、修正量演算回路42とにそれぞれ与えら
れ、調節器から燃料流量調整弁３に与えられ、その開度
が制御され、熱負荷追従運転が行なわれる。

また、修正量演算回路42では切換器38からの電力換算信
号と、冷水温度検出器12と温水ヘッダ温度検出器15aと
の再検出値の温度差とに基づいて、内燃機関２の負荷変
動分を修正する修正量が検出される。

この修正量はバイアス信号として加減算器48,53,58にそ
れぞれ加えられてから、冷水流量制御弁11、温水熱交三
方弁34、貯湯槽三方弁８にそれぞれ与えられ、これらの
弁開度が制御される。

すなわち、内燃機関２の負荷変動分がバイアス信号とし
て上記各弁11,34,8に先行的に与えられるので、排熱熱
交換器５の二次遅れを防止し、その熱交換効率の低下の
防止を図ることができる。

したがって本実施例によれば、電気負荷追従運転および
熱負荷追従運転のいずれにおいても排熱熱交換器５の二
次遅れを防止し、その熱交換効率の低下の防止を図るこ
とができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、切換器の切換操作により
電気負荷追従運転と熱負荷追従運転との運転モードの切
換えを行なうことができ、しかも、発電機を駆動する内
燃機関の負荷変動分を修正する修正量を修正量演算回路
により演算し、この修正量をバイアス信号として蒸気流
量調整弁、第１、第２の温水流量調整弁にそれぞれ与
え、その開度を、上記負荷変動に先行して制御するの
で、内燃機関の排熱を熱源とする排熱熱交換器の二次遅
れを防止し、その熱交換効率の低下の防止を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱電併給装置の一実施例の要部ブ
ロック図、第２図は第１図で示す制御装置を含む熱電併
給装置の全体構成を示すブロック図である。 １……発電機、２……内燃機関、３……燃料流量調整
弁、４……燃料流量検出器、５……排熱熱交換器、７…
…貯湯槽、８……貯湯槽三方弁（第２の温水流量調整
弁）、11……冷水流量制御弁、12……冷水温度検出器、
14……温水熱交換器、15……温水ヘッダ、15a……温水
ヘッダ温度検出器、20……蒸気負荷、21……蓄熱タン
ク、23……蒸気流量検出器、26……第１の温水負荷、27
……第１の温水温度検出器、28……第１の温水流量検出
器、31……第２の温水温度検出器、32……第２の温水流
量検出器、34……温水熱交三方弁（第１の温水流量調整
弁）、35……制御装置、36……出力推定回路、38……比
較器、41……電力負荷出力演算回路、42……修正量演算
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発電機を駆動する内熱機関と、この内燃機
   関に供給される燃料の供給流量を検出、調整する燃料流
   量検出器および燃料流量調整弁と、上記内燃機関からの
   排熱により冷水を加熱して温水を発生させる排熱熱交換
   器と、この排熱熱交換器の受熱側に供給される上記冷水
   の温度を検出する冷水温度検出器およびこの冷水供給流
   量を調整する冷水流量調整弁と、上記排熱熱交換器の受
   熱側からの温水を上記内燃機関からの排ガスにより排ガ
   ス熱交換器でさらに加熱して発生させた蒸気を蓄蔵する
   蓄熱タンクと、上記排熱熱交換器の受熱側から温水熱交
   換器の与熱側に供給される温水の供給流量を調整する第
   １の温水流量調整弁と、上記温水熱交換器の与熱側から
   貯湯槽の与熱側に供給される温水の供給流量を調整する
   第２の温水流量調整弁と、上記温水熱交換器および貯湯
   槽の各受熱側から温水負荷にそれぞれ供給される温水の
   供給流量をそれぞれ検出する第１、第２の温水流量検出
   器と、上記蓄熱タンクから蒸気負荷に供給される蒸気の
   供給流量を検出する蒸気流量検出器とを有する熱電併給
   装置において、上記燃料流量検出器により検出された検
   出値により上記発電機の出力を推定する出力推定回路
   と、この出力推定回路により推定された推定出力を電力
   設定値と比較し偏差を出力する比較器と、上記第１、第
   ２の温水流量検出器により検出された温水供給流量検出
   値および上記蒸気流量検出器により検出された蒸気供給
   流量検出値を電力に換算する電力負荷出力演算回路と、
   この電力負荷出力演算回路からの電力換算信号および上
   記比較器からの偏差信号を運転モードに応じて切換自在
   に出力する切換器と、この切換器からの出力信号の一部
   を燃料流量調整弁の開度に調節して燃料流量調整弁に与
   える調節計と、上記切換器からの出力信号の一部および
   上記排熱熱交換器の受熱側出口と入口とにおける上記冷
   水の温度差に基づいて上記内燃機関の負荷変動を修正す
   る修正量を演算し、この修正信号をバイアス信号として
   上記冷水流量調整弁および上記第１、第２の温水流量調
   整弁にそれぞれ与え、これらの弁開度を調整させる修正
   量演算回路とを設けたことを特徴とする熱電併給装置。