JP3765031B2 - コジェネレーション装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコジェネレーション装置に関し、特に複数台のエンジン発電ユニットを同時に運転する場合の、廃熱回収構造の簡素化に好適なコジェネレーション装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の必要性が喧伝され、自家エネルギ供給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。図７はエンジン発電ユニットを含んだコジェネレーション装置の冷却水回路図である。このコジェネレーシン装置は、図示しない発電機を駆動するための水冷エンジン１００、および該水冷エンジン１００の廃熱を回収するための冷却水管２００を有している。水冷エンジン１００には水冷回路１１０および排気熱交換器１２０、ならびに混合気を吸入して燃焼させ、排気ガスを排出する周知の吸排気系１３０が設けられている。前記冷却水管２００は排気熱交換器１２０で前記吸排気系１３０と接触し、かつ、水冷回路１１０を通過して水冷エンジン１００の廃熱を回収する。
【０００３】
前記冷却水管２００には液−液熱交換器３００と水ポンプ４００とが設けられており、前記液−液熱交換器３００の二次側つまり温水管５００には熱負荷６００が接続されている。水ポンプ４００によって冷却水管２００を循環した冷却水は水冷エンジン１００の水冷回路および排気熱交換器で廃熱を回収して昇温する。温度が上がった冷却水の熱は液−液熱交換器３００で温水管５００内の水の温度を上昇させ、結果的に熱負荷６００に熱が供給される。
【０００４】
特開平４−２７７４７号公報には、複数台の発電ユニットを同時に運転する場合において、それぞれの冷却水管を連結した廃熱利用装置が提案されている。この廃熱利用機器では、熱負荷と液−液熱交換器との間で水を循環させるポンプを複数台の発電ユニットで共用している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のコジェネレーション装置を複数台同時に運転する場合に次の問題点があった。コジェネレーション装置に接続された負荷（電力負荷や熱負荷）は多種多様であり、個々の負荷に応じた最適な発電ユニットを予め揃えておくことは困難である。この場合、上記公報に開示されているように複数の発電ユニットを連結して使用することが考えられる。
【０００６】
しかしながら、通常、発電ユニットは個々に独立した冷却水回路を有しているため、複数台の発電ユニットを連結して同時運転させる場合に、各冷却水回路の配管が大掛かりとなる。したがって、連結の作業や配管部材の準備の見地から、負荷側の要求に合わせて発電ユニットを任意の台数分適宜連結するということが容易ではない。
【０００７】
本発明の目的は、発電ユニットを適宜連結して幅広い負荷要求に容易に対応することができるようにしたコジェネレーション装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンおよび該エンジンで駆動される発電機からなる発電ユニットを複数台設け、前記それぞれの発電ユニット内に設けられた冷却水回路を互いに連結することにより前記各発電ユニットに冷却水を循環させて廃熱を回収するコジェネレーション装置において、前記複数台の発電ユニットのうちの１台が、前記冷却水の循環ポンプと、前記冷却水で回収した熱量を取り出す熱交換器とを有する親機であって、前記親機を除く他の発電ユニットが、自己の冷却水回路が前記親機の冷却水回路に連結された状態で運転可能となる子機である点に特徴がある。
【０００９】
この特徴によれば、親機のポンプによって給送された冷却水は、親機の廃熱を回収するとともに、子機に含まれる冷却水回路を通じて子機の廃熱を回収し、親機の熱交換器に還流される。この熱交換器では冷却水から熱量を取り出して熱負荷に供給する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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１は、複数台のエンジン発電ユニット、特に、１台の親機とｎ台の子機を連結して同時運転するようにしたコジェネレーション装置の構成を示す冷却水系統図である。親機Ｐは図示しない発電機を駆動するための水冷エンジン（以下、単に「エンジン」という）１、およびエンジン１の廃熱を回収するための冷却水回路をなす冷却水管２を有している。エンジン１にはエンジン冷却回路１Ａおよび排気熱交換器１Ｂ、ならびに混合気を吸入して燃焼させ、排気ガスを排出する周知の吸排気系１Ｃが設けられている。エンジン冷却回路１Ａは、一般にエンジン１を覆って設けられるウォータジャケットを含む管路であり、排気熱交換器１Ｂは前記吸排気系１Ｃのマフラに隣接配置される冷却水管である。冷却水管２は排気熱交換器１Ｂで吸排気系１Ｃと接触し、かつ、エンジン冷却回路１Ａを通過してエンジン１の廃熱を回収する。冷却水管２には液−液熱交換器３と水ポンプ（以下、単に「ポンプ」という）４とが設けられており、前記液−液熱交換器３の二次側つまり温水管５には熱負荷（図示せず）が接続されている。
【００１１】
ポンプ４および排気熱交換器１Ｂを連結する冷却水管２はその途中で分岐し、出口６に結合されている。出口６は子機の冷却水管の入口（後述する）との連結に適するように規格化されたニップル等の金具またはねじ孔で構成するのがよい。また、エンジン１から出て液−液熱交換器３に向かう冷却水管２もその途中で分岐し、入口７に結合されている。入口７は、出口６と同様、子機の冷却水管の出口（後述する）との連結に適するように規格化されたニップル等の金具またはねじ孔で構成するのがよい。
【００１２】
子機Ｃは、親機Ｐと同様のエンジン１と、エンジン冷却回路１Ａおよび排気熱交換器１Ｂで廃熱を回収する冷却水管２を有する。但し、子機Ｃは親機Ｐと異なり、冷却水を給送するポンプや液−液熱交換器を有していない。冷却水管２のうち、エンジン１から出た部分は途中で分岐して第１出口（復路用出口）８と第１入口（復路用入口）９とにそれぞれ結合されている。一方、冷却水管２のうち、エンジン１の排気熱交換器１Ｂに連結される部分も、途中で分岐して第２入口（往路用入口）１０と第２出口（往路用出口）１１とにそれぞれ結合されている。第１出口８および第１入口９、ならびに第２入口１０および第２出口１１は、それぞれ親機Ｐや他の子機との連結に適するように規格化されたニップル等の金具またはねじ孔で構成するのがよい。
【００１３】
さらに、子機Ｃｎは親機Ｐや子機Ｃと同様のエンジン１と、エンジン冷却回路１Ａおよび排気熱交換器１Ｂで廃熱を回収する冷却水管２を有する。但し、該子機Ｃｎは子機Ｃと異なり、冷却水の入口および出口はそれぞれ１か所にのみ設けられている。出口１２と入口１３とである。
【００１４】
前記子機Ｃおよび子機Ｃｎとの間には、子機Ｃと同様の発電ユニットを負荷に応じて必要な台数連結することができる。なお、発電ユニットつまり親機Ｐと子機Ｃ〜子機Ｃｎをできるだけ小さいスペースに設置できるようにするため、各発電ユニットを隣接して設置したときにそれぞれの冷却水の出口と入口が互いに近接するように、つまり、互いができるだけ短距離で連結されるように該出口および入口を配置するのがよい。例えば、親機Ｐと子機Ｃとの関係で説明すると、それぞれの設置面（底面）Ｐｂ，Ｃｂから出口６および第２入口１０までのそれぞれの高さは同一になるようにし、底面Ｐｂ，Ｃｂから入口７および第１出口８までのそれぞれの高さは同一になるようにするのがよい。各子機同士の関係でも同様に設定するのがよい。なお、各出口および入口は図示のように高さ方向にずれていなくても、同一レベルにあって水平方向にずれていてもよいし、一方を大径管、他方を小径管として同軸に配置してもよい。
【００１５】
なお、中間に配置される子機Ｃと端部に配置される子機Ｃｎとでは、冷却水管の構成や出口および入口の数等が異なっているが、これは必ずしも異ならせることはない。例えば子機Ｃｎを子機Ｃと同一に構成し（鎖線部分）、使用しない入口１４および出口１５には栓をするようにすればよい。
【００１６】
動作時に、ポンプ４を駆動すると、冷却水は各発電ユニットＰ，Ｃ，Ｃｎの各エンジン１に対して並列的に流入する。そして、冷却水は各エンジン１の排気熱交換器１Ｂとエンジン冷却回路１Ａとで廃熱を回収した後、再び合流して親機Ｐの液−液熱交換器３に流入する。液−液熱交換器３に流入する冷却水はすべての発電ユニットＰ，Ｃ，Ｃｎの廃熱を回収して高温になっており、該液−液熱交換器３の２次側つまり温水管５の温水と熱交換して該温水の温度を上昇させる。この熱交換によって温度が低下した冷却水はポンプ４に戻って、再び各エンジン１に給送される。以上の動作を繰り返すことにより、冷却水で回収した熱は液−液熱交換器３の２次側に接続された熱負荷で有効に利用される。なお、図示しない発電機で得られた電力は、電気負荷に供給されて利用される。
【００１７】
本実施形態のコジェネレーション装置では、同時運転される複数台の発電ユニットのうち１つを親機とし、他を子機として連結することができる。特に、冷却水の出口および入口を互いの発電ユニットを最短で連結できるように位置決めすることによって配管が短くてすむため管路抵抗や熱損失を低減することができ、かつ設置スペースも狭小化できるという利点がある。
【００１８】
また、発電ユニットの冷却水管の連結や取り外しが容易であることから、システムでの負荷の状態に応じて発電ユニットの連結台数を容易に変更することができる。換言すれば、連結台数を容易に変更できることから、多種多様な負荷要求に柔軟に対応することができる。さらに、コジェネレーション装置の移転に際しても、発電ユニット毎に運搬が可能であるため輸送手段の自由度や設置のための作業性が向上する。
【００１９】
以下、他の実施形態を説明する。図２は第２実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図であり、図１と同符号は同一または同等部分を示す。この実施形態では、次のように冷却水回路を形成する。ここでは、排気熱交換器１Ｂとエンジン冷却回路１Ａとに冷却水を続けて通過させていない。すなわち、ポンプ４から出た冷却水を各発電ユニットＰ，Ｃ，Ｃｎのエンジン冷却回路１Ａに接続し、それぞれのエンジン冷却回路１Ａを通過した冷却水を一旦合流させる。そして、この合流させた冷却水を各排気熱交換器１Ｂに並列的に導入し、該排気熱交換器１Ｂを通過した冷却水を合流させて液−液熱交換器３に給送する。
【００２０】
エンジン冷却回路１Ａと排気熱交換器１Ｂとに別々に通過させた冷却水をすべての発電ユニットに連結させるため、冷却水の出入口を増やした。すなわち、各エンジン冷却回路１Ａに冷却水を供給するため、および各エンジン冷却回路１Ａから冷却水を戻すための出入口のほか、排気熱交換器１Ｂに冷却水を供給するため、および各排気熱交換器１Ｂから冷却水を戻すための出入口１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３を設けている。
【００２１】
次に、第３実施形態を説明する。図３は第３実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。この実施形態ではエンジン冷却回路１Ａで廃熱を回収する冷却水回路（第１回路）と、排気熱交換器１Ｂで廃熱を回収する水回路（第２回路）とを別々に設けた。そして、第１回路は液−液熱交換器３の一次側に冷却水を循環させるようにする一方、第２回路は液−液熱交換器３の二次側に冷却水を循環させるようにした。すなわち、第１回路の冷却水は発電ユニット内に限って循環させられるが、第２回路の水は熱負荷にまで直接循環させられる。ここで、子機Ｃｎは第２実施形態と同様であるため、図示を省略する。
【００２２】
液−液熱交換器３の一次側に循環させる冷却水はポンプ４から親機Ｐおよび子機Ｃ，Ｃｎのエンジン冷却回路１Ａに並列的に給送され、該エンジン冷却回路１Ａを通過した後、合流して液−液熱交換器３に流入する。一方、液−液熱交換器３の二次側の管路（温水管）５は親機Ｐおよび子機Ｃ，Ｃｎの排気熱交換器１Ｂに連結されていて、該管路２４内の水は液−液熱交換器３を通過した後、各排気熱交換器１Ｂに並列的に給送され、該排気熱交換器１Ｂを通過した後、合流して液−液熱交換器３に流入する。
【００２３】
なお、温水管５内に水を循環させるためのポンプはこの温水管５上の適宜の箇所に設けられる。それは親機Ｐ内であってもよいし熱負荷側であってもよい。同様に、液−液熱交換器３も熱負荷側に設けることができる。この第３実施形態では、温水管５の水は液−液熱交換器３内で冷却水管２内を給送される冷却水と熱交換されて温度上昇させられた後、各排気熱交換器１Ｂでさらに温度上昇させられた後、図示しない熱負荷に搬送される。
【００２４】
次に、第４実施形態を説明する。図４は第４実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。ここでは、第３実施形態と同様、エンジン冷却回路１Ａで廃熱を回収する冷却水回路（第１回路）と、排気熱交換器１Ｂで廃熱を回収する水回路（第２回路）とを別々に設けた。さらに、前記第１回路および第２回路毎に液−液熱交換器を設けて２つの熱負荷に温水を供給することができるようにした。ここで、子機Ｃｎは第２実施形態と同様であるため、図示を省略する。
【００２５】
液−液熱交換器３に循環させる冷却水はポンプ４から親機Ｐおよび子機Ｃ，Ｃｎのエンジン冷却回路１Ａに並列的に給送され、該エンジン冷却回路１Ａを通過した後、合流して液−液熱交換器３に流入する。
【００２６】
一方、液−液熱交換器２４に循環させる冷却水はポンプ２５から管路２７により親機Ｐおよび子機Ｃ，Ｃｎの排気熱交換器１Ｂに並列的に給送され、該排気熱交換器１Ｂを通過した後、合流して液−液熱交換器３に流入する。液−液熱交換器２４は液−液熱交換器３から独立した温水管２６を有している。したがって、温水管５によって第１の熱負荷に温水が給送されるとともに、温水管２６によって第１の熱負荷とは別の第２の熱負荷に温水が給送される。
【００２７】
上記コジェネレーション装置では、いずれもポンプから吐出された水は複数の廃熱回収部つまり各発電ユニットの水冷回路１Ａや排気熱交換器１Ｂに並列的に導入されるように冷却水回路を設定した。しかし、必ずしもこのような並列回路に限らず複数の廃熱回収部に直列的に水を給送して廃熱を回収するようにしてもよい。図５は、冷却水を複数の廃熱回収部へ直列に接続したシステムの一例を示す冷却水系統図である。同図に示すように、ポンプ４から吐出された冷却水は、順に、親機Ｐ、子機Ｃ，Ｃｎのエンジン１を通過して各排気熱交換器１Ｂおよびエンジン冷却回路１Ａで廃熱回収をする。そして、最後に、子機Ｃｎのエンジン１で廃熱回収をした冷却水は液−液熱交換器３に給送され、温水管５の温水と熱交換した後、ポンプ４に還流される。
【００２８】
以上、本発明をその実施形態に沿って説明した。しかし、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば発電ユニットつまり親機Ｐや子機Ｃ，Ｃｎを必ずしも一列に配列することなく、設置現場に適合させて、種々に変形させてもよい。例えば、図６のような、各種の配置が可能である。同図は連結された発電ユニットの平面図であり、符号Ｃｏｎｎは冷却水管の連結部である。同図（ａ）は発電ユニットＧＵを一列に配列した例、図６（ｂ）は発電ユニットＧＵを矩形に配列した例、図６（ｃ）は発電ユニットＧＵをＬ字状に配列した例である。
【００２９】
以上の説明から明らかなように、発電ユニットは親機のみでも使用できるし、任意の台数の子機を連結して使用することができる。また、一旦設置した後でも、必要な容量に応じたポンプや液−液熱交換器の見直し、つまり親機の変更のみで、子機の構造は変更することなく容易に連結台数を変更できる。したがって、容量負荷の要求に応じて連結台数を設定して最適なシステムを構成することができる。
【００３０】
さらに、複数の発電ユニットのうち任意のものを稼働させて回収熱量を変化させることにより、負荷に応じた運転も可能である。また、冷却水管上に流量調節弁を設け、冷却水の流量を調節することによって回収熱量の制御をすることもできる。
【００３１】
また、負荷の除去や新設により発電ユニットを移動させる必要が生じた場合にも、各発電ユニットは小型・軽量であるため、大型の輸送手段や重機を必要とせず、比較的簡単に設置および移動の作業を行うことができる。
【００３２】
なお、冷却水回路上におけるエンジン冷却回路および排気熱交換器の連結形態は図を参照して説明したものに限らず、例えば、第４実施形態のものにおいてポンプ４，２５および熱交換器３，２４をそれぞれ単一にすることができる。要は、連続した冷却水回路上にエンジン冷却回路および排気熱交換器をすべて含むように連結されればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１〜請求項９の発明によれば、親機のポンプによって給送された冷却水は、親機の廃熱を回収するとともに、子機に含まれる冷却水回路を通じて子機の廃熱を回収し、親機の熱交換器に還流される。複数の発電ユニットのうち、親機となるもののみに循環ポンプと冷却水から熱量を取り出す熱交換器が設けられているので、子機は構造が簡単となり、冷却水回路同士の連結が容易であることから、必要な出力に応じて容易に連結台数を変更することができる。
【００３４】
特に、請求項６〜請求項９の発明によれば、発電ユニットの側面同士が対向するように配置をした場合にそれぞれの入口および出口同士を短距離で連結が可能となる。したがって、連結用材料が少なくなるほか、複数台の発電ユニットを隣接して配置できるので設置スペースが削減される。
【００３５】
また、請求項２〜請求項５の発明では、冷却水回路を並列接続したのでどの発電ユニットからも効率良く廃熱回収を行うことができる。さらに、請求項１〜９の発明によれば、子機の構造を同一にすることかできるため、発電ユニットの量産効果が高められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。
【図２】 第２実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。
【図３】 第３実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。
【図４】 第４実施形態に係るコジェネレーション装置の冷却水系統図である。
【図５】 冷却水回路に直列に廃熱回収部を接続した一例を示す冷却水系統図である。
【図６】 複数の発電ユニットの配置を平面図である。
【図７】 従来使用されている単体の発電ユニットからなるコジェネレーション装置の冷却水系統図である。
【符号の説明】
１…水冷エンジン、 ２…冷却水管、 ３…液−液熱交換器、 ４…循環ポンプ、 ５…温水管、 ６，１１…往路用出口、 ７，９…復路用入口、 ８，１２…復路用出口、 １０，１３…復路用出口、 １Ａ…エンジン冷却回路、 １Ｂ…排気熱交換器

Claims (10)

1. エンジンおよび該エンジンで駆動される発電機からなる発電ユニットを複数台設け、前記それぞれの発電ユニット内に設けられたエンジン熱交換部を通る冷却水回路を互いに連結することにより前記各発電ユニットに冷却水を循環させて廃熱を回収するコジェネレーション装置において、
   前記複数台の発電ユニットのうちの１台が、前記冷却水の循環ポンプと、前記冷却水で回収した熱量を取り出す熱交換器とを有する親機であって、
   前記親機を除く他の発電ユニットが、自己の冷却水回路が前記親機の冷却水回路に連結された状態で運転可能となる子機であることを特徴とするコジェネレーション装置。
2. 前記親機および子機を連結した状態の冷却水回路には、前記各エンジン熱交換部が並列接続されていることを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
3. 前記エンジン熱交換部が、エンジン冷却回路および排気熱交換器からなり、
   前記親機および子機を連結した状態の冷却水回路には、
   各発電ユニットのエンジン冷却水回路を並列接続した第１並列回路と、各発電ユニットの排気熱交換器を並列接続した第２並列回路とを有するとともに、
   前記第１並列回路および第２並列回路をさらに直列接続したことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
4. 前記エンジン熱交換部が、エンジン冷却回路および排気熱交換器からなるとともに、
   前記親機および子機を連結した状態の冷却水回路に、各発電ユニットのエンジン冷却水回路を並列接続し、
   前記熱交換器の二次側温水回路に各発電ユニットの排気熱交換器を並列接続したことを特徴とする請求項１記載のコジェネレーション装置。
5. 前記熱交換器および循環用ポンプを２組設け、
   前記エンジンが、エンジン冷却回路および排気熱交換器からなる熱交換部を有するとともに、
   前記親機および子機を連結した状態で１組の熱交換器および循環用ポンプを含む冷却水回路に、各発電ユニットのエンジン冷却水回路を並列接続し、
   前記親機および子機を連結した状態で前記他の１組の熱交換器および循環用ポンプを含む冷却水回路に、各発電ユニットの排気熱交換器を並列接続したことを特徴とする、請求項１記載のコージェネレーション装置。
6. 前記子機の一側面には、循環する冷却水の往路用入口および復路用出口を設けるとともに、前記子機の他側面には、循環する冷却水の往路用出口および復路用入口を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
7. 前記子機の内部において前記往路用入口および往路用出口を連通させて往路用回路を形成し、かつ、前記復路用入口および復路用出口を連通させて復路用回路を形成するとともに、
   前記エンジンを経由させて前記往路用回路および復路用回路を連通させる分岐回路を形成したことを特徴とする請求項６記載のコジェネレーション装置。
8. 前記親機には、その側面に往路用出口および復路用入口を設けるとともに、
   前記エンジンを経由させて前記往路用出口および復路用入口間を連通させる分岐回路を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
9. 前記往路用入口および往路用出口を他の発電機ユニットの往路用出口および往路用入口にそれぞれ接続し、前記復路用入口および復路用出口を他の発電機ユニットの復路用出口および復路用入口にそれぞれ接続したことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のコジェネレーション装置。
10. 前記各発電ユニットを対向配置したとき、前記往路用出口が他方の往路用入口と、復路用出口が他方の復路用入口とほぼ対向するように構成されたことを特徴とする請求項９記載のコジェネレーション装置。

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