JP5598083B2 - 廃熱回収システムおよびコージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、原動機や燃料電池などの熱源の廃熱を回収する廃熱回収システムおよびそれを備えるコージェネレーションシステムに関する。

従来、エンジンからの高温の排ガスによってボイラへの給水を予熱し、予熱した給水をフラッシュさせて溶存酸素を除去した脱気水とし、この脱気水を前記排ガスによって更に予熱してボイラに供給するようにした廃熱回収システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４０３７６号公報

しかしながら、上記特許文献１の廃熱回収システムでは、エンジンからの排ガス通路に給水予熱流路を配置してボイラへの給水を排ガスによって予熱するものであるために、ボイラ内の水位が所定範囲内にあって、ボイラへ給水していないときには、給水予熱流路内に給水が滞留し、回収した廃熱を直ちにボイラで消費することができないので、回収した廃熱を無駄なく使用することができず、廃熱の利用効率が低下してしまう、という課題がある。

加えて、高燃焼や低燃焼といったボイラのバーナの燃焼状態、あるいは、ボイラへの給水の有無などによって、給水予熱流路内において、給水が排ガスによって加熱される熱量が変化し、水温が変動してしまうという、という課題もある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、廃熱の回収効率を高めると共に、廃熱回収における水温の変動を抑制できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、次のように構成している。

（１）本発明の廃熱回収システムは、熱源の廃熱を回収する廃熱回収システムであって、前記廃熱で水を加熱して温水を生成する熱交換器と、タンク内の水を前記熱交換器に供給する往き経路および前記熱交換器で生成される温水を前記タンクに戻す戻り経路を含む循環経路と、前記往き経路と前記戻り経路とを経路途中で連結する分岐経路と、前記戻り経路内の温水を、前記タンク側と前記分岐経路側とに分流する分流手段と、前記分流手段の分流を制御する制御手段と、前記タンク内の水を外部へ給水する給水経路と、を具備し、前記タンクは、前記タンクの底壁から立設されると共に下部に連通路が形成された仕切板によって仕切られた高温槽および低温槽を具備し、前記往き経路は、前記低温槽の下部に接続され、前記戻り経路は、前記仕切板よりも上方の位置において前記タンクに水平方向に接続され、前記給水経路は、前記高温槽の下部に接続され、前記タンク内の水位は、前記仕切板よりも上方に維持される。

熱源としては、ガスエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン等の原動機や燃料電池などを用いることができる。

戻り管路を介してタンクに戻されてタンク内に貯留される温水は、例えば、ボイラ給水、給湯あるいは暖房などに利用するのが好ましい。

本発明の廃熱回収システムによると、熱源からの廃熱を熱交換器で回収して温水を生成し、生成した温水をタンクに貯留してボイラ給水や給湯などに利用できる一方、ボイラに給水していないときや給湯していないときなどには、熱源からの廃熱を熱交換器で回収して循環経路を介してタンクに蓄熱することができるので、廃熱回収の効率を高めることができる。

更に、分流手段は、熱交換器で廃熱を回収した戻り経路内の高温の温水を、タンク側と分岐経路側とに分流するので、分岐経路側に分流された高温の温水は、分岐経路を介して往き経路へ至り、この往き経路において、タンクからの低温の水と混合されることになる。したがって、分流手段の分流比を制御することによって、往き経路において、タンクからの低温の水と分岐経路からの高温の温水とを混合する比率を制御して、熱交換器へ供給する水の温度を調整することが可能となる。これによって、タンク内に貯留された温水を利用するボイラや給湯機器等の使用状態、例えば、ボイラへの給水の有無などによってタンク内の温水の水温が変動しても、熱交換器へ供給する水温が変動するのを抑制することができる。

（２）本発明の廃熱回収システムの好ましい実施態様では、前記循環経路内を循環する水温を検出する水温センサを具備し、前記分流手段を、前記戻り経路と前記分岐経路との分岐連結部に設けた三方弁で構成し、前記制御手段は、前記水温センサの検出出力に基づいて、前記三方弁による分流比を制御するものである。

水温センサは、往き経路において、タンクからの低温の水と分岐経路からの高温の温水とが合流する合流点より下流側の水温を検出するのが好ましい。

この実施態様によると、水温センサで検出される水温が設定温度になるように、三方弁による分流比を制御することによって、熱交換器へ供給される低温の温水の温度を設定温度に制御することができる。

本発明の廃熱回収システムでは、前記タンクは、水温が高い高温槽と水温が低い低温槽との少なくとも２槽を具備する。

ボイラは、燃焼装置を有する標準ボイラであってもよいし、燃焼装置を有していない廃熱ボイラであってもよい。

高温槽と低温槽とは、各槽の水面が同一レベルを維持できるように連通路で連通されるのが好ましい。

タンクは、高温槽及び低温槽以外に中温槽など、３槽以上を具備するものであってもよい。

タンクを単一の槽で構成すると、熱交換器から戻り経路を介してタンクに戻る高温の温水が、タンク内の低温の水と混合して水温が均一化される結果、給水の水温が低下する一方、タンクから往き経路を介して熱交換器へ供給する水温が上昇することになり、廃熱の利用効率が低下する。

これに対して、本発明の廃熱回収システムによると、タンクは、高温槽と低温槽とを具備し、熱源の廃熱を熱交換器で回収して生成された高温の温水は、戻り経路を介して高温槽へ供給され、この高温槽からの高温の温水が給水経路を介してボイラに供給される一方、低温槽からの水温の低い水は、往き経路を介して熱交換器に供給されて熱源の廃熱によって加熱されることになり、廃熱の利用効率が向上する。

本発明の廃熱回収システムでは、前記高温槽と前記低温槽とが、前記タンクの底壁から立設された仕切板によって当該タンク内部が仕切られた各槽でそれぞれ構成され、前記仕切板には、前記両槽を連通する連通路が設けられている。これにより、タンクを、連通路を有する仕切板で仕切ることによって、高温槽と低温槽とを容易に構成することができる。

（３）本発明の廃熱回収システムの好ましい実施態様では、前記熱源が、発電機を駆動するエンジンであり、前記熱交換器が、前記エンジンの排気および前記エンジンの冷却媒体の少なくともいずれか一方と前記タンクから供給される水との間で熱交換を行うものである。この実施態様によると、エンジンによって発電機を駆動して発電する一方、エンジンの排気や冷却媒体から廃熱を回収してタンクに蓄熱することができるので、コージェネレーションシステムの総合効率を高めることができる。

（４）本発明のコージェネレーションシステムは、上記（１）ないし（３）にかかる本発明の廃熱回収システムと、エンジン等の原動機と、前記原動機によって駆動される発電機とを具備している。

本発明のコージェネレーションシステムによると、原動機によって発電機を駆動して発電する一方、原動機の廃熱を回収してタンクに蓄熱することができるので、総合効率を高めることができる。更に、廃熱を回収する熱交換器へ供給する水温の変動を抑制することができる。

本発明によれば、熱源からの廃熱を熱交換器で回収して温水を生成し、生成した温水をタンクに貯留してボイラ給水や給湯などに利用できる一方、ボイラに給水していないときや給湯していないときなどには、熱源からの廃熱を熱交換器で回収して循環経路を介してタンクに蓄熱することができるので、廃熱回収の効率を高めることができる。

更に、熱交換器で廃熱を回収した戻り経路内の高温の温水を、タンク側と分岐経路側とに分流する分流手段の分流比を制御することによって、熱交換器へ供給する水の温度を調整することが可能となるので、タンク内に貯留された温水を利用するボイラや給湯機器等の使用状態、例えば、ボイラへの給水の有無などによって、熱交換器へ供給する水温が変動するのを抑制することができる。

図１は本発明の実施形態に係る廃熱回収システムを備えるコージェネレーションシステムの概略構成を示す図である。

以下、図面によって本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る廃熱回収システムを備えるコージェネレーションシステムの構成の概略を示す。

コージェネレーションシステムは、燃料を用いて発電すると共に、その際に発生する廃熱を利用する省エネルギーシステムである。この実施形態におけるコージェネレーションシステムは、特に、一般家庭、あるいは、ホテル、病院、店舗等の業務用需要家を対象とする、発電出力が、例えば３００ｋＷ程度以下のマイクロコージェネレーションシステムである。

この実施形態のコージェネレーションシステム１は、システム本体２４として、エンジン２と、このエンジン２の出力軸２ａに連結され、エンジン２によって駆動されて交流電力を発生する発電機３と、エンジン２で発生する廃熱を回収して温水を生成する熱交換器４と、を備える。エンジン２は、例えば、都市ガスを燃料とするガスエンジンである。発電機３はエンジン２により駆動されて発電し、その発電電力を、図示しない系統連系インバータを介して負荷に供給する。

このコージェネレーションシステム１は、廃熱回収システムを備えており、この廃熱回収システムは、エンジン２の廃熱を回収して温水を生成する前記熱交換器４と、この熱交換器４で生成した温水をボイラ５への給水として貯留する給水タンク６と、この給水タンク６と熱交換器４とを接続する循環管路(循環経路)７と、給水タンク６から給水されて蒸気を生成するボイラ５と、を備えている。

熱交換器４には、エンジン２の水冷用ジャケット（図示せず）を流れる冷却水が、管路８，９を介して循環される。すなわち、水冷用ジャケットを流れる冷却水は、エンジン２の廃熱によって加熱されて高温の冷却水となり、管路８を介して熱交換器４に供給されて該熱交換器４で放熱した後、管路９を介して再び水冷用ジャケットに供給されてエンジン２を冷却する。

熱交換器４と給水タンク６とを接続する循環管路７は、循環ポンプ１０が設けられて往き経路を形成する往き管路７ａと、三方弁１１が設けられて戻り経路を形成する戻り管路７ｂとを備えている。往き管路７ａの循環ポンプ１０が駆動されることによって、給水タンク６からの低温の水は、往き管路７ａを介して分岐管路１２からの高温の温水と混合されて熱交換器４に供給され、熱交換器４でエンジン２の水冷用ジャケットからの高温の冷却水と熱交換されて昇温され、その昇温された高温の温水は、戻り管路７ｂの三方弁１１を介して給水タンク６に戻される。このような温水の循環は一定の流量で行われる。この温水の循環のため、循環ポンプ１０は、エンジン２が運転されている間は、駆動されてエンジン２の廃熱を回収する。

更に、この実施形態では、往き管路７ａを介して給水タンク６から熱交換器４へ供給される温水の水温変動を抑制するために、次のように構成している。

すなわち、循環管路７の往き管路７ａと戻り管路７ｂとは、上記のように分岐管路１２で連結されており、戻り管路７ｂの分岐管路１２との連結部分には、熱交換器４からの高温の温水を、給水タンク６側と分岐管路１２側とに分流する分流手段としての三方弁１１が設けられている。また、往き管路７ａの分岐管路１２との連結部分の下流側には、往き管路７ａ内の温水の水温を検出する水温センサ１３が設置されており、この水温センサ１３の検出出力に基づいて、三方弁１１を制御する制御手段としてのコントローラ１４が設けられている。

この三方弁１１によって、分岐管路１２を介して往き管路７ａ側に分流された高温の温水は、給水タンク６からの低温の水と混合されて水温が調整され、この水温が調整された温水が、循環ポンプ１０を介して熱交換器４に供給される。

コントローラ１４は、水温センサ１３によって検出される往き管路７ａ内の温水の温度が、予め設定されている温度になるように、三方弁１１による分流比を制御する。

したがって、この実施形態によると、例えば、給水タンク６から給水されるボイラ５のバーナの燃焼状態やボイラ５への給水の有無によって給水タンク６内に貯留する温水の水温が変動しても、該給水タンク６から往き管路７ａを介して熱交換器４に供給される温水の水温は、三方弁１１の分流比の制御によって、設定温度になるように調整されることになり、これによって、熱交換器４へ供給される水温の変動を抑制することができる。なお、水温センサ１３は、循環ポンプ１０の上流側に設けられているが、循環ポンプ１０の下流側に設けられてもよい。

この実施形態では、上述のように循環ポンプ１０による循環流量は一定であり、エンジン２の負荷が一定であるとすると、熱交換器４で昇温されて戻り管路７ｂを介して給水タンク６に戻る高温の温水の水温は、例えば、７５℃〜８５℃であり、給水タンク６から往き管路７ａに取り出される低温の水の水温は、例えば、２〜３０℃であり、この低温の水と三方弁１１によって分流された高温の温水とが混合されて、例えば、７０℃〜８０℃の設定温度に調整されて熱交換器４へ供給される。この実施形態では、熱交換器４の入口と出口との水温差Δｔは、略５℃となる。

この実施形態の廃熱回収システムでは、給水タンク６は、その内部空間が、上部の空間を除いて、底壁から立設されたＳＵＳ等の金属製の仕切板１５によって高温の温水が貯留される高温槽６ａと低温の温水が貯留される低温槽６ｂとの２槽に仕切られており、仕切板１５の下部には、両槽６ａ，６ｂを連通する連通孔１５ａが形成されている。

低温槽６ｂ下部には、循環管路７の往き管路７ａが接続される一方、高温槽６ａ上部には、循環管路７の戻り管路７ｂが接続されている。低温槽６ｂに貯留される低温の水は、往き管路７ａを介して熱交換器４に供給され、熱交換器４でエンジン２の水冷用ジャケットからの高温の冷却水で加熱されて昇温され、その昇温された高温の温水は、戻り管路７ｂを介して高温槽６ａへ戻るように構成されている。

給水タンク６の高温槽６ａ下部には、ボイラ５への給水管路１６が接続されており、この給水管路１６には、給水ポンプ２３が設置されている。この給水ポンプ２３が駆動されると、高温槽６ａの高温の温水は、ボイラ５へ給水される。

また、給水タンク６の低温槽６ｂ下部には、軟水器１７及び脱酸素装置１８が配置された補給水管路１９が接続されており、例えば、２℃〜３０℃の脱気された軟水が給水タンク６に補給される。

軟水器１７は、補給水を、例えばナトリウム型陽イオン交換樹脂により処理し、補給水に含まれる硬度分、すなわち、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンをナトリウムイオンに置換して軟化水するものである。また、脱酸素装置１８は、軟水器１７で得られた軟水中に含まれる溶存酸素を除去するものであり、例えば、分離膜（中空糸膜）を用いて溶存酸素を除去するものである。

給水タンク６には、図示しない水位検出器が設けられており、この水位検出器による検出信号に基づいて、脱酸素装置１８が制御されて給水タンク６内の水位が設定範囲に維持されるように補給水が給水される。この実施形態では、給水タンク６内の水位は、仕切板１５よりも上方に維持される。なお、給水タンク６の水面には、脱気された軟水が空気と接触することで、再び酸素が溶け込むのを防止するために、多数のビーズ２０が浮かべられている。

この実施形態では、給水タンク６は、仕切板１５によって高温槽６ａと低温糟６ｂとに仕切られ、熱交換器４で高温の冷却水によって加熱されて昇温した高温の温水は、高温槽６ａに戻されるので、高温槽６ａの高温の温水に、低温槽６ｂ下部の低温の水が混合するのを抑制して、高温の温水の水温が低下するのを抑制することができる。そして、高温槽６ａの高温の温水を、給水管路１６を介してボイラ５に供給することができる一方、低温槽６ｂの低温の水を、熱交換器４に供給して廃熱を回収できるので、廃熱の利用効率が向上する。なお、給水タンク６の上部空間は、上述のように仕切板１５で仕切られていないけれども、給水タンク６内の温水の水温は、上部ほど高温となっているので、仕切板１５の上方では、比較的高温の温水が流通するので、高温の温水の水温低下が抑制される。

給水タンク６から給水されるボイラ５は、蒸気圧に応じて、バーナの燃焼が高燃焼状態あるいは低燃焼状態に制御される。また、ボイラ５内の水位が検出され、この検出された水位に基づいて、上記給水ポンプ２３が駆動あるいは停止されて、給水タンク６からの給水が制御され、ボイラ５内の水位が所定の範囲内に維持される。ボイラ５で発生した蒸気は、スチームヘッダ２１に溜められた後、スチームヘッダ２１から蒸気を使用する熱交換器等の負荷機器２２に供給される。負荷機器２２では、蒸気の熱を使用するため、蒸気は熱を奪われて凝縮し、ドレンとなって負荷機器２２から排出される。この実施形態では、負荷機器２２から排出されたドレンを、給水タンク６内に回収するようにしている。

上記構成のコージェネレーションシステム１では、エンジン２を運転して発電機３を駆動して交流電力を発生させる。これと同時に、循環管路７の往き管路７ａに設置された循環ポンプ１０を駆動して給水タンク６から低温の水を、熱交換器４に供給する。熱交換器４では、往き管路７ａからの低温の水が、エンジン２の廃熱によって加熱された高温の冷却水と熱交換して昇温され、昇温された高温の温水が、循環管路７の戻り管路７ｂを介して給水タンク６に供給されて貯留される。このとき、戻り管路７ｂに設けられた三方弁１１によって、熱交換器４からの高温の温水が、分岐管路１２を介して往き管路７ａ側に分流され、給水タンク６からの低温の水と混合されて、熱交換器４へ供給される水の温度が設定温度に調整される。

給水タンク６に貯留された高温の温水は、給水ポンプ２３が駆動されることによって、ボイラ５に給水される。ボイラ５の燃焼中には、加熱によってボイラ水が沸騰し、蒸気を生成する。この蒸気は、スチームヘッダ２１を介して負荷機器２２へ供給される。負荷機器２２で生じたドレンは、給水タンク６に回収される。

以上のようにエンジン２の廃熱を回収する熱交換器４と給水タンク６とを循環管路７で接続し、給水タンク６から低温の水を熱交換器４に供給し、熱交換器４で廃熱によって加熱昇温された高温の温水を給水タンク６に戻すので、ボイラ５内の水位が所定範囲内にあって、ボイラ５へ給水していないときであっても、給水タンク６に蓄熱することができ、廃熱回収の効率が向上する。

また、給水タンク６から往き管路７ａを介して熱交換器４に供給される温水の水温は、三方弁１１による分流比を制御することによって、設定温度に調整されるので、例えば、ボイラ５のバーナの燃焼状態やボイラ５への給水の有無によって給水タンク６内に貯留されている温水の温度が変動しても、給水タンク６から熱交換器４に供給される温水の水温は、変動することなく、設定温度に制御されることになる。

更に、給水タンク６は、仕切板１５によって高温槽６ａと低温糟６ｂとに仕切られているので、熱交換器４から高温槽６ａに戻される高温の温水が、低温槽６ｂの低温の水と混合して温度が均一化するのが抑制され、高温槽６ａの高温の温水を、ボイラ５に給水することができる一方、低温槽６ｂの低温の水を、熱交換器４に供給して廃熱を回収できるので、廃熱の利用効率が向上する。

上述の実施形態では、分流手段として三方弁１１を設けたけれども、分流手段は、三方弁に限らず、例えば、通常の二方弁を２つ設けて分流比を制御してもよい。

上述の実施形態では、単一のタンクを仕切って高温槽と低温槽とを区画形成したけれども、本発明の他の実施形態として、二つの個別のタンクによって高温槽と低温槽とをそれぞれ構成してもよく、この場合、各タンクは、連通管で連通させるのが好ましい。

上述の実施形態では、エンジン２の冷却水の流路に熱交換器４を設けて熱交換したけれども、本発明の他の実施形態として、エンジン２の排ガスの流路に熱交換器を設けて排ガスと熱交換するようにしてもよく、あるいは、エンジン２の冷却水の流路及び排ガスの流路に熱交換器をそれぞれ設けて、冷却水及び排ガスと熱交換するようにしてもよい。

上述の実施形態では、給水タンク６に貯留した温水は、ボイラ給水としたけれども、給湯や暖房などに利用するようにしてもよい。

本発明は、廃熱回収システムやコージェネレーションシステムとして有用である。

１ コージェネレーションシステム
２ エンジン
３ 発電機
４ 熱交換器
５ ボイラ
６ 給水タンク
６ａ 高温槽
６ｂ 低温槽
７ 循環管路（循環経路）
７ａ 往き管路(往き経路)
７ｂ 戻り管路(戻り経路)
１０ 循環ポンプ
１１ 三方弁
１２ 分岐経路（分岐管路）
１３ 水温センサ
１４ コントローラ
１５ 仕切板

Claims (4)

1. 熱源の廃熱を回収する廃熱回収システムであって、
   前記廃熱で水を加熱して温水を生成する熱交換器と、
   タンク内の水を前記熱交換器に供給する往き経路および前記熱交換器で生成される温水を前記タンクに戻す戻り経路を含む循環経路と、
   前記往き経路と前記戻り経路とを経路途中で連結する分岐経路と、
   前記戻り経路内の温水を、前記タンク側と前記分岐経路側とに分流する分流手段と、
   前記分流手段の分流を制御する制御手段と、
   前記タンク内の水を外部へ給水する給水経路と、
   を具備し、
   前記タンクは、前記タンクの底壁から立設されると共に下部に連通路が形成された仕切板によって仕切られた高温槽および低温槽を具備し、
   前記往き経路は、前記低温槽の下部に接続され、
   前記戻り経路は、前記仕切板よりも上方の位置において前記タンクに水平方向に接続され、
   前記給水経路は、前記高温槽の下部に接続され、
   前記タンク内の水位は、前記仕切板よりも上方に維持されることを特徴とする廃熱回収システム。
2. 前記循環経路内を循環する水温を検出する水温センサを具備し、
   前記分流手段を、前記戻り経路と前記分岐経路との分岐連結部に設けた三方弁で構成し、前記制御手段は、前記水温センサの検出出力に基づいて、前記三方弁による分流比を制御する、
   請求項１に記載の廃熱回収システム。
3. 前記熱源が、発電機を駆動するエンジンであり、
   前記熱交換器が、前記エンジンの排気および前記エンジンの冷却媒体の少なくともいずれか一方と前記タンクから供給される水との間で熱交換を行う、
   請求項１または２に記載の廃熱回収システム。
4. 前記請求項１ないし３のいずれかに記載の廃熱回収システムと、
   エンジン等の原動機と、
   前記原動機によって駆動される発電機と、
   を具備することを特徴とするコージェネレーションシステム。

Images