JP3765031B2 - コジェネレーション装置 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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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