JP3640686B2

JP3640686B2 - Cogeneration system

Info

Publication number: JP3640686B2
Application number: JP16575994A
Authority: JP
Inventors: 崇田中; 尚志炭矢; 努宇野
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JPH0814103A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市ガス等を燃料とするガスエンジン等を原動機とし、発電及び給湯（その他の熱媒体供給を含む）を行うコージェネレーションシステム（発電兼用給湯装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスを燃料とするガスエンジンを原動機として発電及び給湯を行うコージェネレーションシステムは、現在多数実用に供せられている。電気とともに大量の熱エネルギー（お湯、蒸気等）を消費する工場やホテル、病院、オフィスにおいては、コージェネレーションシステムを設置して電気とお湯等を得ることがなされている。この際、燃料のエネルギーの内、約３０％を電気に、約４０％をお湯や蒸気の熱エネルギーに変換することができる。したがって、総合熱効率は約７０％と、きわめて高い。なお、一般的な発電・送電システムにおける総合的な発電効率は約３５％である。
【０００３】
このコージェネレーションシステムの運転制御における基本的な考え方として、電主熱従運転と熱主電従運転とがある。前者はコージェネレーションシステムの設置された建築物における電力消費機器の全電気負荷（需要）に応じてコージェネレーションシステムの運転パターンが設定され、その運転に伴って発生する熱出力をできるだけ有効に利用しよう、という考え方である。後者はその逆の考え方である。一般的な建築物のコージェネレーションシステムの場合、電主熱従運転が多い。コージェネレーションシステムの熱出力よりも建築物の熱負荷（需要）が大きい場合は、コージェネレーションシステムとは別途のボイラーを焚いて不足の熱負荷を満たしている。
【０００４】
しかし、電気負荷が低いためコージェネレーションシステムの電気出力の余裕がある（コージェネレーションシステムの稼働率が低い）場合であって、その際の熱出力よりも熱負荷が大という場合がある。この場合、足りない熱出力を補うため別途のボイラーを運転することとなる。しかし、そのようなボイラーは意外と熱効率が低い（６５％〜７０％）場合もあり、コージェネレーションシステムの総合熱効率の方が高い場合もある。ところが、従来のコージェネレーションシステムの場合、余った電力を熱に変えて蓄えておく設備配慮が施されていなかった。そのため、コージェネレーションシステムの稼働率が低いにもかかわらず、別途のボイラーを運転せざるを得ないことも多かった。
【０００５】
本発明らは、余剰電力を熱エネルギーとして貯蔵することができ、総合的な省エネに貢献するとともに、負荷変動に対する対応能力の向上したコージェネレーションシステムを提供することを目的とし、貯湯槽内の温水を電気加熱する温水ヒータと、発電機から温水ヒータへ余剰電力を供給する余剰電力供給手段とを具備するコージェネレーションシステムを提案している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような提案のコージェネレーションシステムにあっては、電気と熱の負荷パターンを予測して、将来の熱供給不足が予想される局面においてコージェネレーションシステムの稼働率を上げ貯湯槽を利用した熱蓄積を行うことを含めて、運転パターンの最適化制御の必要性が生じている。特にその最適化プロセスにおいては、季節毎の負荷パターンを想定して、これを現実の負荷パターンと比較しながら常に現状を最も反映した負荷パターンモデルを構築しておくことが重要となる。
【０００７】
本発明は、上記提案のコージェネレーションシステムをさらに進歩させ、より熱効率の高い自己学習制御機能を有するコージェネレーションシステムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のコージェネレーションシステムは、
原動機と、
この原動機によって駆動される発電機と、
原動機の排熱（冷却除去熱含む）を利用して温水を製造する温水熱交換器と、
温水を貯留する貯湯槽と、
この貯湯槽内の温水を電気加熱する温水ヒータと、
上記発電機から温水ヒータへ余剰電力を供給する余剰電力供給手段と、
上記貯湯槽に温水を供給する、温水熱交換器とは別系統の温水器と、
使用者の電気負荷及び熱負荷のパターンに応じて、電気の負荷を基準に運転パターンを決定する（電主熱従運転）か、あるいは熱の負荷を基準に運転パターンを決定する（熱主電従運転）かを、エネルギの消費量、または使用者側のコストに基づいて決定して運転する電熱主従決定手段と、
設置当初は、予め決められた季節ごとに初期値として暫定的な負荷パターンを仮定する暫定負荷パターン仮定手段と、
該暫定的負荷パターンに基づいて暫定的な運転パターンを決定する暫定運転パターン仮定手段と、
予め決められた季節ごとに、所定期間にわたって、使用者の負荷の変動を記憶する負荷変動記憶手段と、
記憶された負荷パターンから運転に使用する第一次負荷パターンを決定する第一次負荷パターン決定手段と、
該第一次負荷パターンから、熱主電従運転か電主熱従運転かを含め第一次運転パターンを決定する第一次運転パターン決定手段と、
第一次運転パターンで運転を開始した直後から、第一次負荷パターンと現実の負荷パターンとの誤差を所定時間ごとに演算する誤差演算手段と、
演算された誤差を所定期間、記憶する誤差記憶手段と、
記憶された誤差から第一次負荷パターンを補正し第二次負荷パターンを決定する第二次負荷パターン決定手段と、
該第二次負荷パターンから第二次運転パターンを決定する第二次運転パターン決定手段と、
第二次運転パターンで運転されている間に、使用者の負荷が所定の変動範囲を逸脱した場合に、逸脱した度合いに応じて、再度誤差を所定期間記憶する記憶手段と、
第二次以降の運転パターンにおいて補正が必要となった場合には随時第二次運転パターンを補正する第二次補正手段と、
を具備することを特徴とする。
【０００９】
【作用】
まずコージェネレーションシステムをある建築物に設置してスタートアップするときは、初期値として暫定的運転パターンを仮定する。この暫定的運転パターンは、例えば、同種の建築物において測定した運転パターンに建築物の規模による修正を加えたものを利用する。この暫定的運転パターンと各種経済的な情報（燃料コスト、商用電力コスト等）を元に、暫定的運転パターンを決定する。この運転パターンは、電主熱従運転とするか熱主電従運転とするかの基本的パターンの如何及び発電出力、熱出力の定量的コントロール、熱補充のやり方（温水器運転か余剰電力利用温水ヒータ運転か）等を含む。
【００１０】
上記暫定的運転中に、なるべく速やかに第一次運転パターンを把握する。そのため、簡単な負荷の平均化処理でパターンを決定することとしてもよい。この第一次負荷パターンに基づいて最適と思われる第一次運転パターンを決定する。
【００１１】
その後、随時、実際の負荷の変動を検出しながら最適なパターンを作成するために第二次負荷パターンを決定する詳細なアルゴリズムが存在する。例えば、各時間ごとの負荷を検出して、第一次負荷パターンと比較して、誤差（仮決定された負荷と、実際の負荷との差）がある場合には、随時各時間ごとの集計（単純に誤差の積分値を用いても良い）を行い、その積分値が所定の値を超過した場合には、超過した積分値の平均値を仮決定した負荷に上乗せする形でその時間帯の負荷を決定する。決定された負荷によって再度ガスエンジンの運転パターンを決定して稼働する。再決定した際には、誤差の積分値はクリアーする。
【００１２】
第二次負荷パターンを決定した段階で最適化はされているが、所定期間内に仮決定されている負荷パターンを大幅に逸脱した回数が所定回数を超過した場合には、仮に誤差の積算値がパターンの再決定の条件を満たさなくても、補正を行う。補正を行う手段は、第二次負荷パターンを決定する場合と同じように、積分値の平均値でよい。所定期間内に所定回数を逸脱することが条件である理由としては、単なる突発的な負荷の変動は無視するためである。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図２は、本発明の一実施例に係るコージェネレーションシステムのハードウェア構成を示す系統図である。図２のコージェネレーションシステムは、ガスエンジン１、発電機３、温水熱交換器５、温水器１７、貯湯槽７等の主要設備から構成されている。
【００１４】
ガスエンジン１（原動機）は、往復動タイプの内燃機関であり、都市ガスライン２から都市ガスの供給を受けて稼働する。ガスエンジン１の出力軸は発電機３の入力軸に連結されており、発電機３が駆動され、発電が行われる。発電された電力は、電路６２を通じて、電力消費機器６３に送られる。電力消費機器６３の負荷が発電機３の能力をオーバーしている場合は、商用電路６５から商用電力の供給を受ける。また、発電機３の出力が電力消費機器６３の負荷を上回る場合は、余剰電力を、電路１３（余剰電力供給手段）を通じて貯湯槽７の温水ヒータ１１に送ることもできる。
【００１５】
ガスエンジン１のハウジング等には冷却水水路２１が設けられており、ガスエンジン１は水冷されている。この冷却水水路２１を出た冷却水は廃ガス熱交換器２５において、ガスエンジン１の廃ガスによって加熱される。なお、ガスエンジン１の廃ガスは、廃ガス排出路２３から廃ガス熱交換器２５に送られ、その後放出される。廃ガス熱交換器２５を出た冷却水は、高温冷却水路２７を通って、温水熱交換器５に送られる。
【００１６】
温水熱交換器５においては、高温冷却水の熱が、給水管３１から来る水や、各熱消費機器４７に送られる熱媒の加熱に用いられる。すなわち、水道から供給される水は、給水管３１から流量制御弁１５を通り、温水熱交換器５で約８０℃に加熱され、温水配管３５を通って貯湯槽７に送られる。
【００１７】
熱媒は、熱消費機器４７（暖房や吸収式冷房等）から熱媒ポンプ４３によって温水熱交換器５に送られて加熱され、熱媒管４９を通って各熱消費機器４７に送られる。場合によっては、熱消費機器４７から戻る熱媒は、三方切替弁４５から熱媒管５５を通って貯湯槽７に送られ、貯湯槽７で一次加熱された後に、熱媒管５３を通って温水熱交換器５で二次加熱される。
【００１８】
貯湯槽７には、電気加熱の温水ヒータ１１が設けられている。この温水ヒータ１１は、発電機３から余剰電力の供給を受け、貯湯槽内の温水を電気抵抗加熱するためのものである。つまり、余剰電力を熱エネルギーに替えて貯湯槽７内に貯蔵するのである。
【００１９】
貯湯槽７に温水を供給する設備として、温水熱交換器５から貯湯槽７に入る温水配管３５とは別系統で、温水器１７が設けられている。温水器１７は、都市ガス等を燃料として、給水管３１から供給される水を加熱して温水とし、貯湯槽７に送る。この温水器１７は、ガスエンジン１の出力が最大となっているのに温水が足らないような場合や、ガスエンジン１を稼働させるにはあまりに電力負荷が低くて効率が悪いような場合に、不足する温水を製造する。貯湯槽７の温水は、温水消費機器６１（風呂等）にポンプ６０によって送られて消費される。
【００２０】
次に、図２の実施例のコージェネレーションシステムの基本的な運転制御方法について説明する。
図３は、コージェネレーションシステムの電主熱従運転に係る運転制御状態の一例を示すグラフである。グラフ（Ａ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフであり、グラフ（Ｂ）は、時間（横軸）と熱負荷（縦軸）との関係を示すグラフである。
【００２１】
まず、図３（Ａ）において、山のような形の太い曲線は電気負荷を示す。水平に引かれている破線は、ガスエンジン・発電機系の最大電気出力を示す。電気負荷は、時間につれて、ＡからＢ、Ｃと上昇し、Ｃでピークを迎える。その後Ｄ、Ｅと下降する。ＡからＢ、及びＤからＥの部分は、電気負荷が最大出力を下回っており、ガスエンジンは部分負荷運転▲２▼（稼働率が１００％未満の運転）を行っている。Ｂ−Ｃ−Ｄの部分は、電気負荷が最大出力を上回っている。したがって、ガスエンジンは定格運転▲１▼（稼働率が１００％の運転）を行っていると同時に、商用電源補充▲３▼もなされている。
【００２２】
次に、図３（Ｂ）において、山のような形の太い曲線は熱負荷を示す。台形状の破線は、図３（Ａ）に示されている電気出力を出すためのコージェネレーションシステムの運転に伴って生じる熱出力を示す。熱負荷は、時間につれて、ａからｂ、ｃと上昇し、ｃでピークを迎える。その後ｄ、ｅと下降する。ａからｂ、及びｄからｅの部分は、熱負荷が熱出力を下回っており、その時現在としては熱が余っている。ｂ−ｃ−ｄの部分は、熱負荷が熱出力を上回っており、その時現在としては熱が不足している。熱は、電気と違って，貯蔵できるので、ａ−ｂ、ｄ−ｅ間の熱余剰（２）は、温水の熱エネルギの形で貯湯槽内に溜めておく。そして、ｂ−ｄ間等の熱不足（３）を、その貯蔵熱エネルギによって補うのである。
【００２３】
しかし、熱不足（３）がａ−ｂ間の熱余剰（２）で補い切れない場合もある。そのような事態に対処する方法として、上述したように、ガスエンジンの稼働率を上げて、ａ−ｂ間の熱余剰、すなわち熱貯蔵（図３（Ｂ）の斜線分）を多くして対処する方法と、熱不足（３）が生じた時点で温水器を運転して熱補充する方法との二つの方法がある。
【００２４】
次に、熱主電従運転について説明する。
図４は、コージェネレーションシステムの熱主電従運転に係る運転制御状態の一例を示すグラフである。グラフ（Ａ）は、時間（横軸）と熱負荷（縦軸）との関係を示すグラフであり、グラフ（Ｂ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフである。
【００２５】
図４（Ａ）において、山のような形の太い曲線は熱負荷を示す。水平に引かれている破線は、ガスエンジン・温水熱交換器系の最大熱出力を示す。熱負荷は、時間につれて、ＡからＢ、Ｃと上昇し、Ｃでピークを迎える。その後Ｄ、Ｅと下降する。ＡからＢ、及びＤからＥの部分は、熱負荷が最大出力を下回っており、ガスエンジンは部分負荷運転▲２▼（稼働率が１００％未満の運転）を行っている。Ｂ−Ｃ−Ｄの部分は、熱負荷が最大出力を上回っている。したがって、ガスエンジンは定格運転▲１▼（稼働率が１００％の運転）を行っていると同時に、貯湯槽からの熱補充▲３▼等もなされている。また必要に応じて、温水器の運転もなされている。
【００２６】
次に、図４（Ｂ）において、山のような形の太い曲線は電気負荷を示す。台形状の破線は、図４（Ａ）に示されている熱出力を出すためのコージェネレーションシステムの運転に伴って生じる電気出力を示す。電気負荷は、時間につれて、ａからｂ、ｃと上昇し、ｃでピークを迎える。その後ｄ、ｅと下降する。ａからｂ、及びｄからｅの部分は、電気負荷が電気出力を下回っており、その時現在としては電気が余っている。ｂ−ｃ−ｄの部分は、電気負荷が電気出力を上回っており、その時現在としては電気が不足しており、商用電源から電力を補充している。電気は、熱と違って，貯蔵できない（電池があればできるが一般的でない）ので、ａ−ｂ、ｄ−ｅ間の電気余剰（２）は、貯湯槽７の温水ヒータに送って温水の熱エネルギに変え、熱エネルギの形で貯湯槽内に溜めておく。そして、図４（Ａ）に示されているＢ−Ｄ間等の熱不足▲３▼を、その貯蔵熱エネルギによって補うのである。
【００２７】
しかし、熱不足▲３▼が、ａ−ｂ間の電気余剰（２）を変換した貯蔵熱で補い切れない場合もある。そのような事態に対処する方法として、上述したように、ガスエンジンの稼働率を上げて、ａ−ｂ間の電気余剰、すなわち貯蔵熱（図４（Ａ）の斜線部分）を多くして対処する方法と、熱不足▲３▼が生じた時点で温水器を運転して電気補充する方法との二つの方法がある。
【００２８】
次に、本発明のポイントである学習制御機能について説明する。
図１は、本発明の一実施例に係るコージェネレーションシステムにおける学習制御のフローを示すフロー図である。
【００２９】
まず、暫定的負荷パターン仮定ステップ１０１において、コージェネレーションシステムを設置して同システムが電力及び熱を供給することとなる建築物において予想される負荷パターン（図３の曲線ＡＢＣＤのような時間と負荷量の関係）を仮定する。具体的には、同種の建築物における負荷パターン実績に、建築物の規模に関する係数を乗じて暫定的負荷パターンを仮定する。この際、各曜日毎、各月毎、各季節毎というように様々なパターン分けを採用できる。
【００３０】
次に、暫定的運転パターン仮定ステップ１０２において、前ステップ１０１で仮定した暫定的負荷パターンに基づいて暫定的運転パターンを仮定する。図３（Ａ）の場合は、Ａ' −Ｂ’−Ｄ−Ｅが、予測される負荷パターンＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｅに対する、一応最適と思われる運転パターンと考えられる。
【００３１】
次に、暫定的運転ステップ１０３において、前ステップ１０２で仮定した暫定的運転パターンでコージェネレーションシステムの運転を行う。そして、運転を行いながら所定期間実負荷変動を把握して記憶する（ステップ１０４）。
【００３２】
次に、第一次負荷パターン決定ステップ１０５において、前ステップで把握した実負荷変動情報を元に、第一次負荷パターンを決定する。この際、なるべく速く第一次負荷パターン及び第一次運転パターンを決定して安定運転に入るために、簡単な負荷の平均化処理でパターンを決定する。つまり、５日間にわたり、ある時間帯における電気負荷がそれぞれａ₁, ａ₂ , ａ₃ ，ａ₄ ，ａ₅ KWH であった場合、第一次負荷パターンとしては、
（ａ₁ ＋ａ₂ ＋ａ₃ ＋ａ₄ ＋ａ₅ ）÷５＝ａ_NO1
を採用するのである。
【００３３】
次に、第一次運転パターン決定ステップ１０６において、前ステップ１０５で決定した第一次負荷パターンに基づいて第一次運転パターンを決定する。そして、その運転パターンでコージェネレーションシステムの第一次運転に入る（ステップ１０７）。
【００３４】
この第一次運転を行いながら、第一次負荷パターンと実負荷との誤差演算を行い（ステップ１０８）それを記憶する（ステップ１０９）。具体的には、ある時間帯の第一次負荷パターンによる負荷量がａ_NO1 であり、実際のその時間帯の負荷が各日についてａ₁₁，ａ₁₂, ａ₁₃, ａ₁₄，・・・・・であった場合、両負荷の差（ａ_NO1 −ａ₁₁），（ａ_NO1 −ａ₁₂），（ａ_NO1 −ａ₁₃），（ａ_NO1 −ａ₁₄），・・・・・を計算し、記憶し、積分して行くのである。
【００３５】
次に、第一次補正ステップ１１０及び第二次負荷パターン決定ステップ１１１において、第一次負荷パターンの補正を行い、第二次負荷パターンの決定を行う。具体的には、前述の負荷の誤差の積分値が所定値に達した段階で補正要と判定し、該積分値の平均値を第一次負荷パターンの負荷に上乗せして第二次負荷パターンを決定する。その際には、誤差の積分値はクリアーする。
【００３６】
次に、第二次運転パターン決定ステップ１１２において、前ステップ１１１で決定した第二次負荷パターンに基づいて第二次運転パターンを決定する。そして、第二次運転（ステップ１１３）に入る。
【００３７】
次に、第二次運転を行いながら第二次負荷パターンと実負荷の誤差を記憶する（ステップ１１４）。そして、誤差が所定値を越えた場合、これを負荷パターンの逸脱と捉えその回数を積算する（ステップ１１５）。そして、逸脱回数が所定回数を超過した場合には、仮に誤差の積算値がパターン再決定の条件を満たさなくても第二次補正１１６を行う。補正の具体的方法は、第一次補正（ステップ１１０）と同様に積分値の平均値を元の値に上乗せする方法でよい。所定期間内に所定回数を逸脱することを条件とする理由としては、単なる突発的な負荷の変動を無視するためである。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は以下の効果を発揮する。
▲１▼ 建築物全体の総合的熱効率が最も高く、エネルギー費用が最も低くなるよう学習制御を行うので、コージェネレーションシステムの経済性を最も発揮することができる。特に、家庭用の発電兼給湯装置においては通常の負荷パターンと異なり、変動が大きい。従って従来の負荷パターンの決定方法では、常に最適な運転が行われないが、本件技術のような随時、使用者の負荷の変動パターンを学習して運転方法を最適化することにより、最もエネルギーを節約した運転パターンで稼働させることができる。
【００３９】
▲２▼ 第一次補正と第二次補正を別のロジックで行うこともできるので、コージェネレーションシステム運転の安定性を保ちつつ様々な実負荷変動に対応した学習制御を行うことができる。
【００４０】
▲３▼ 上記第一次負荷パターン決定手段が、毎日の各時間帯ごとの負荷を平均化する演算手段を有する場合には、比較的短期間に第一次運転パターンを決定することができ安定運転に速やかに入ることができる。
【００４１】
▲４▼ 上記第二次負荷パターン決定手段が、該第二次負荷パターンを決定する際に、演算した誤差の積算値が所定値を超過した場合には、時間ごとに補正を行うとともに、補正を行う際に、積算値の平均値を用いて補正を行う補正手段と、運転パターンの補正を行った段階で、積算された誤差を削除する手段と、を有する場合には、負荷変動に過敏に反応することのない学習制御を行うことができる。
【００４２】
▲５▼ 上記第二次補正手段が、第二次運転パターンで稼働中で、かつ積算誤差が所定値に満たなくても、使用者の負荷が所定の変動範囲を逸脱した回数が所定時間内に所定の回数以上になった場合には補正を行う制御手段を有する場合には、単なる突発的な負荷の変動によって不安定化することのない学習制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るコージェネレーションシステムにおける学習制御のフローを示すフローチャートである。
【図２】本発明の一実施例に係るコージェネレーションシステムのハードウェア構成を示す系統図である。
【図３】コージェネレーションシステムの電主電気従運転に係る運転制御状態の一例を示すグラフである。グラフ（Ａ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフであり、グラフ（Ｂ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフである。
【図４】コージェネレーションシステムの電気主電従運転に係る運転制御状態の一例を示すグラフである。グラフ（Ａ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフであり、グラフ（Ｂ）は、時間（横軸）と電気負荷（縦軸）との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ガスエンジン２都市ガスライン
３発電機
７貯湯槽１１温水ヒータ
１３電路１５流量制御弁
１７温水器２１冷却水流路
２５廃ガス熱交換器４５三方弁
４７熱消費機器６１温水消費機器[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a cogeneration system (a power generation and hot water supply apparatus) that performs power generation and hot water supply (including supply of other heat medium) using a gas engine or the like that uses city gas as fuel as a prime mover.
[0002]
[Prior art]
Many cogeneration systems that generate power and supply hot water using a gas engine that uses city gas as a prime mover are in practical use. In factories, hotels, hospitals, and offices that consume a large amount of heat energy (hot water, steam, etc.) together with electricity, a cogeneration system is installed to obtain electricity and hot water. At this time, about 30% of the energy of the fuel can be converted into electricity, and about 40% can be converted into the thermal energy of hot water or steam. Therefore, the overall thermal efficiency is as high as about 70%. The overall power generation efficiency of a general power generation / transmission system is about 35%.
[0003]
As a basic concept in the operation control of this cogeneration system, there are an electric main heat subordinate operation and a heat main subordinate operation. In the former, the operation pattern of the cogeneration system is set according to the total electric load (demand) of the power consuming equipment in the building where the cogeneration system is installed, and let's use the heat output generated by the operation as effectively as possible. This is the idea. The latter is the opposite idea. In the case of a general building cogeneration system, there are many electric main heat followers. When the thermal load (demand) of a building is larger than the heat output of the cogeneration system, a shortage boiler is used to satisfy the insufficient heat load.
[0004]
However, since the electrical load is low, there is a case where there is a margin of electrical output of the cogeneration system (the operation rate of the cogeneration system is low), and the thermal load may be larger than the heat output at that time. In this case, a separate boiler is operated to compensate for the insufficient heat output. However, such boilers may have unexpectedly low thermal efficiency (65% -70%), and the overall thermal efficiency of the cogeneration system may be higher. However, in the case of a conventional cogeneration system, no consideration has been given to equipment for storing excess power by converting it into heat. For this reason, it was often the case that a separate boiler had to be operated despite the low utilization rate of the cogeneration system.
[0005]
It is an object of the present invention to provide a cogeneration system that can store surplus power as thermal energy, contributes to overall energy saving, and has improved ability to cope with load fluctuations. Has proposed a cogeneration system comprising a hot water heater that electrically heats the battery and surplus power supply means for supplying surplus power from the generator to the hot water heater.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a proposed cogeneration system, the load pattern of electricity and heat is predicted, and the cogeneration system is operated in a phase where a shortage of heat supply is expected in the future, and a hot water tank is used. There is a need for optimized control of operation patterns, including heat accumulation. In particular, in the optimization process, it is important to assume a load pattern for each season and to construct a load pattern model that always reflects the most current state while comparing this with an actual load pattern.
[0007]
It is an object of the present invention to provide a cogeneration system having a self-learning control function with higher thermal efficiency by further improving the proposed cogeneration system.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the cogeneration system of the present invention is:
Prime mover,
A generator driven by this prime mover;
A hot water heat exchanger that produces hot water using the exhaust heat of the prime mover (including heat of cooling removal),
A hot water tank for storing hot water,
A hot water heater that electrically heats the hot water in the hot water tank;
Surplus power supply means for supplying surplus power from the generator to the hot water heater;
A hot water supply system that is different from the hot water heat exchanger that supplies hot water to the hot water tank,
Depending on the user's electric load and heat load pattern, the operation pattern is determined based on the electric load (electric main heat slave operation), or the operation pattern is determined based on the heat load (thermal main electric power). Electric heating main / subordinate determining means for determining and operating based on energy consumption or cost on the user side,
At the beginning of installation, provisional load pattern assumption means for assuming a provisional load pattern as an initial value for each predetermined season;
Provisional operation pattern assumption means for determining a provisional operation pattern based on the provisional load pattern;
Load fluctuation storage means for storing fluctuations in the user's load over a predetermined period for each predetermined season;
Primary load pattern determining means for determining a primary load pattern to be used for driving from the stored load pattern;
From the primary load pattern, primary operation pattern determination means for determining a primary operation pattern including whether the main heat slave operation or the main heat slave operation,
Immediately after starting the operation in the primary operation pattern, error calculating means for calculating the error between the primary load pattern and the actual load pattern every predetermined time;
Error storage means for storing the calculated error for a predetermined period;
Secondary load pattern determination means for correcting the primary load pattern from the stored error and determining the secondary load pattern;
Secondary operation pattern determining means for determining a secondary operation pattern from the secondary load pattern;
Storage means for storing an error again for a predetermined period according to the degree of deviation when the load of the user deviates from a predetermined fluctuation range while being driven in the secondary operation pattern;
Secondary correction means for correcting the secondary operation pattern at any time when correction is necessary in the secondary and subsequent operation patterns;
It is characterized by comprising.
[0009]
[Action]
First, when installing a cogeneration system in a building and starting it up, a temporary operation pattern is assumed as an initial value. This provisional driving pattern uses, for example, a driving pattern measured in the same kind of building and modified by the scale of the building. Based on this temporary operation pattern and various economic information (fuel cost, commercial power cost, etc.), the temporary operation pattern is determined. This operation pattern is based on the basic pattern of whether to use electric main heat subordinate operation or heat main subordination operation, and the power generation output, quantitative control of heat output, and method of heat replenishment (water heater operation or use of surplus power Including hot water heater operation).
[0010]
During the temporary operation, the primary operation pattern is grasped as soon as possible. Therefore, the pattern may be determined by a simple load averaging process. Based on this primary load pattern, a primary operation pattern that is considered optimal is determined.
[0011]
Thereafter, there is a detailed algorithm for determining a secondary load pattern in order to create an optimum pattern while detecting actual load fluctuations. For example, the load for each time is detected and compared with the primary load pattern. If there is an error (difference between the tentatively determined load and the actual load), the data is aggregated for each hour as needed. (You may simply use the integrated value of the error), and if the integrated value exceeds a predetermined value, the average value of the excess integrated value is added to the tentatively determined load. Determine the load. The operation pattern of the gas engine is again determined according to the determined load, and the engine is operated. When redetermined, the integrated value of the error is cleared.
[0012]
Although the optimization is performed at the stage of determining the secondary load pattern, if the number of times that significantly deviates from the load pattern temporarily determined within a predetermined period exceeds the predetermined number, the integrated value of the error is temporarily Even if the condition for re-determining the pattern is not satisfied, correction is performed. The means for performing the correction may be an average value of the integral values as in the case of determining the secondary load pattern. The reason why it is necessary to deviate a predetermined number of times within a predetermined period is to ignore a mere sudden change in load.
[0013]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
FIG. 2 is a system diagram showing a hardware configuration of a cogeneration system according to an embodiment of the present invention. The cogeneration system shown in FIG. 2 includes main equipment such as a gas engine 1, a generator 3, a hot water heat exchanger 5, a hot water heater 17, and a hot water tank 7.
[0014]
The gas engine 1 (prime mover) is a reciprocating internal combustion engine, and operates upon receiving city gas supply from the city gas line 2. The output shaft of the gas engine 1 is connected to the input shaft of the generator 3, and the generator 3 is driven to generate power. The generated power is sent to the power consuming device 63 through the electric path 62. When the load of the power consuming device 63 exceeds the capacity of the generator 3, commercial power is supplied from the commercial power path 65. Moreover, when the output of the generator 3 exceeds the load of the electric power consumption apparatus 63, surplus electric power can also be sent to the hot water heater 11 of the hot water tank 7 through the electric circuit 13 (surplus electric power supply means).
[0015]
A cooling water channel 21 is provided in a housing or the like of the gas engine 1, and the gas engine 1 is water-cooled. The cooling water leaving the cooling water channel 21 is heated by the waste gas of the gas engine 1 in the waste gas heat exchanger 25. In addition, the waste gas of the gas engine 1 is sent from the waste gas discharge path 23 to the waste gas heat exchanger 25 and then released. The cooling water exiting the waste gas heat exchanger 25 is sent to the hot water heat exchanger 5 through the high temperature cooling water passage 27.
[0016]
In the hot water heat exchanger 5, the heat of the high-temperature cooling water is used to heat the water coming from the water supply pipe 31 and the heat medium sent to each heat consuming device 47. That is, the water supplied from the water supply passes through the flow control valve 15 from the water supply pipe 31, is heated to about 80 ° C. by the hot water heat exchanger 5, and is sent to the hot water tank 7 through the hot water pipe 35.
[0017]
The heat medium is sent from the heat consuming equipment 47 (heating, absorption cooling, etc.) to the hot water heat exchanger 5 by the heat medium pump 43 to be heated, and is sent to each heat consuming equipment 47 through the heat medium pipe 49. In some cases, the heat medium returning from the heat consuming device 47 is sent from the three-way switching valve 45 to the hot water tank 7 through the heat medium pipe 55, and after being primarily heated in the hot water tank 7, passes through the heat medium pipe 53. Secondary heating is performed by the hot water heat exchanger 5.
[0018]
The hot water tank 7 is provided with a hot water heater 11 for electric heating. The hot water heater 11 is supplied with surplus power from the generator 3 to heat the hot water in the hot water tank electrically. That is, surplus power is stored in the hot water tank 7 in place of thermal energy.
[0019]
As equipment for supplying hot water to the hot water tank 7, a hot water heater 17 is provided in a separate system from the hot water pipe 35 entering the hot water tank 7 from the hot water heat exchanger 5. The water heater 17 heats the water supplied from the water supply pipe 31 using city gas or the like as fuel to make warm water, and sends it to the hot water tank 7. This water heater 17 is used when the output of the gas engine 1 is maximized but the hot water is insufficient, or when the power load is too low to operate the gas engine 1 and the efficiency is low. Producing hot water shortage. The hot water in the hot water tank 7 is sent to the hot water consuming device 61 (bath etc.) by the pump 60 and consumed.
[0020]
Next, a basic operation control method of the cogeneration system of the embodiment of FIG. 2 will be described.
FIG. 3 is a graph showing an example of an operation control state related to an electric main heat slave operation of the cogeneration system. Graph (A) is a graph showing the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis), and graph (B) shows the relationship between time (horizontal axis) and thermal load (vertical axis). It is a graph.
[0021]
First, in FIG. 3A, a thick curve like a mountain indicates an electric load. The broken line drawn horizontally indicates the maximum electrical output of the gas engine / generator system. The electric load increases from A to B and C with time, and peaks at C. Then descends D and E. In the portions from A to B and from D to E, the electric load is less than the maximum output, and the gas engine performs the partial load operation (2) (operation with an operation rate of less than 100%). In the part B-C-D, the electric load exceeds the maximum output. Therefore, the gas engine is performing the rated operation (1) (operation with an operating rate of 100%), and at the same time, is supplemented with commercial power (3).
[0022]
Next, in FIG. 3B, a thick curve like a mountain indicates a heat load. The trapezoidal broken line indicates the heat output generated in association with the operation of the cogeneration system for outputting the electric output shown in FIG. The thermal load increases from a to b and c with time, and reaches a peak at c. Then d and e descend. In the portions a to b and d to e, the heat load is lower than the heat output, and at that time, the heat is surplus. In the portion of bcd, the heat load exceeds the heat output, and the heat is insufficient at that time. Since heat can be stored unlike electricity, the heat surplus (2) between ab and de is stored in the hot water tank in the form of thermal energy of hot water. And heat shortage (3) between b-d etc. is compensated with the stored heat energy.
[0023]
However, there is a case where the heat shortage (3) cannot be compensated by the heat surplus (2) between a and b. As a method of coping with such a situation, as described above, the operation rate of the gas engine is increased, and the heat surplus between a and b, that is, heat storage (shaded portion in FIG. 3B) is increased. There are two methods: a method of performing heat supplementation, and a method of operating the water heater and replenishing heat when the heat shortage (3) occurs.
[0024]
Next, the heat main operation will be described.
FIG. 4 is a graph showing an example of an operation control state related to the thermal main slave operation of the cogeneration system. Graph (A) is a graph showing the relationship between time (horizontal axis) and thermal load (vertical axis), and graph (B) shows the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis). It is a graph.
[0025]
In FIG. 4A, a thick curve like a mountain indicates a heat load. The broken line drawn horizontally indicates the maximum heat output of the gas engine / hot water heat exchanger system. The heat load increases from A to B and C with time, and peaks at C. Then descends D and E. In portions A to B and D to E, the heat load is less than the maximum output, and the gas engine is performing partial load operation (2) (operation with an operation rate of less than 100%). In the part B-C-D, the heat load exceeds the maximum output. Therefore, the gas engine is performing a rated operation (1) (operation with an operating rate of 100%), and at the same time, is supplemented with heat from a hot water tank (3). In addition, water heaters are operated as necessary.
[0026]
Next, in FIG. 4B, a thick curve like a mountain indicates an electric load. The trapezoidal broken line indicates the electric output generated in association with the operation of the cogeneration system for outputting the heat output shown in FIG. The electrical load increases from a to b and c with time and peaks at c. Then d and e descend. In the parts from a to b and from d to e, the electric load is lower than the electric output, and at that time, electricity is surplus. In the portion bcd, the electrical load exceeds the electrical output, and at that time, electricity is insufficient as of now, and power is replenished from the commercial power source. Electricity cannot be stored unlike heat (it can be done if there is a battery, but it is not common), so the electric surplus (2) between ab and de is sent to the hot water heater of the hot water tank 7 to send hot water. Instead of heat energy, it is stored in the hot water tank in the form of heat energy. Then, the shortage of heat (3) between B and D shown in FIG. 4 (A) is compensated by the stored heat energy.
[0027]
However, insufficiency of heat (3) may not be compensated by the stored heat obtained by converting the electrical surplus (2) between a and b. As a method for dealing with such a situation, as described above, the operating rate of the gas engine is increased, and the electrical surplus between a and b, that is, the stored heat (the hatched portion in FIG. 4A) is increased. There are two methods, that is, a method for replenishing electricity by operating a water heater when a lack of heat (3) occurs.
[0028]
Next, the learning control function that is the point of the present invention will be described.
FIG. 1 is a flowchart showing a learning control flow in a cogeneration system according to an embodiment of the present invention.
[0029]
First, in the provisional load pattern assumption step 101, a load pattern expected in a building in which a cogeneration system is installed and the system supplies power and heat (time and load such as curve ABCD in FIG. 3). Assuming quantity relationship). Specifically, a provisional load pattern is assumed by multiplying the load pattern performance in the same type of building by a coefficient related to the scale of the building. At this time, various pattern divisions such as every day of the week, every month, and every season can be adopted.
[0030]
Next, a provisional operation pattern assumption step 102 assumes a provisional operation pattern based on the provisional load pattern assumed in the previous step 101. In the case of FIG. 3A, A′-B′-DE is considered to be an operation pattern that seems to be optimal for the predicted load pattern ABCDE.
[0031]
Next, in the provisional operation step 103, the cogeneration system is operated with the provisional operation pattern assumed in the previous step 102. Then, the actual load fluctuation is grasped and stored for a predetermined period while driving (step 104).
[0032]
Next, in the primary load pattern determination step 105, the primary load pattern is determined based on the actual load fluctuation information grasped in the previous step. At this time, in order to determine the primary load pattern and the primary operation pattern as soon as possible and to enter the stable operation, the pattern is determined by a simple load averaging process. In other words, if the electrical load in a certain time zone is a ₁ , a ₂ , a ₃ , a ₄ , a ₅ KWH for 5 days, respectively, the primary load pattern is as follows:
(A ₁ + a ₂ + a ₃ + a ₄ + a ₅ ) ÷ 5 = a _NO1
Is adopted.
[0033]
Next, in the primary operation pattern determination step 106, the primary operation pattern is determined based on the primary load pattern determined in the previous step 105. Then, the primary operation of the cogeneration system is started with the operation pattern (step 107).
[0034]
While performing the primary operation, an error calculation between the primary load pattern and the actual load is performed (step 108) and stored (step 109). Specifically, the load amount according to the primary load pattern in a certain time zone is a _NO1 , and the actual load in that time zone is a ₁₁ , a ₁₂ , a ₁₃ , a ₁₄ ,.・ If it is, calculate the difference (a _NO1 -a ₁₁ ), (a _NO1 -a ₁₂ ), (a _NO1 -a ₁₃ ), (a _NO1 -a ₁₄ ), ... , Remember and integrate.
[0035]
Next, in the primary correction step 110 and the secondary load pattern determination step 111, the primary load pattern is corrected and the secondary load pattern is determined. Specifically, when the integral value of the load error reaches a predetermined value, it is determined that correction is necessary, and the average value of the integral value is added to the load of the primary load pattern to obtain the secondary load pattern. To decide. In that case, the integrated value of the error is cleared.
[0036]
Next, in the secondary operation pattern determination step 112, a secondary operation pattern is determined based on the secondary load pattern determined in the previous step 111. Then, the secondary operation (step 113) is entered.
[0037]
Next, the error between the secondary load pattern and the actual load is stored while performing the secondary operation (step 114). If the error exceeds a predetermined value, this is regarded as a deviation of the load pattern and the number of times is integrated (step 115). If the number of departures exceeds the predetermined number, the secondary correction 116 is performed even if the integrated error value does not satisfy the pattern re-determination condition. A specific method of correction may be a method of adding the average value of the integral values to the original value in the same manner as in the primary correction (step 110). The reason for deviating from the predetermined number of times within a predetermined period is to ignore a mere sudden change in load.
[0038]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the present invention exhibits the following effects.
(1) Since the learning control is performed so that the overall thermal efficiency of the entire building is the highest and the energy cost is the lowest, the economics of the cogeneration system can be exhibited most. In particular, in a power generation / hot water supply device for home use, the variation is large unlike a normal load pattern. Therefore, the conventional load pattern determination method does not always perform optimal driving, but as in the case of the present technology, learning the user's load fluctuation pattern and optimizing the driving method at any time makes the most energy saving. It can be operated in a saved driving pattern.
[0039]
(2) Since the primary correction and the secondary correction can be performed by different logics, it is possible to perform learning control corresponding to various actual load fluctuations while maintaining the stability of the cogeneration system operation.
[0040]
(3) When the primary load pattern determination means has a calculation means for averaging the load for each time zone every day, the primary operation pattern can be determined in a relatively short time and stable. You can get into driving quickly.
[0041]
(4) When the secondary load pattern determining means determines the secondary load pattern, if the calculated integrated error value exceeds a predetermined value, correction is performed at each time and the correction is made. In the case of having a correction means for correcting using the average value of the integrated value and a means for deleting the integrated error at the stage of correcting the operation pattern, it is sensitive to load fluctuation. It is possible to perform learning control that does not react to.
[0042]
(5) The number of times that the user's load deviates from the predetermined fluctuation range within the predetermined time even when the secondary correction means is operating in the secondary operation pattern and the integrated error does not reach the predetermined value. If the control means for performing the correction when the predetermined number of times is exceeded, learning control that does not become unstable due to mere sudden load fluctuations can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a flow of learning control in a cogeneration system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a system diagram showing a hardware configuration of a cogeneration system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing an example of an operation control state related to a main electric subordinate operation of the cogeneration system. Graph (A) is a graph showing the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis), and graph (B) shows the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis). It is a graph.
FIG. 4 is a graph showing an example of an operation control state related to an electric main power operation of a cogeneration system. Graph (A) is a graph showing the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis), and graph (B) shows the relationship between time (horizontal axis) and electrical load (vertical axis). It is a graph.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas engine 2 City gas line 3 Generator 7 Hot water tank 11 Hot water heater 13 Electric circuit 15 Flow control valve 17 Water heater 21 Cooling water flow path 25 Waste gas heat exchanger 45 Three-way valve 47 Heat consumption apparatus 61 Hot water consumption apparatus

Claims

Prime mover,
A generator driven by this prime mover;
A hot water heat exchanger that produces hot water using the exhaust heat of the prime mover (including heat of cooling removal),
A hot water tank for storing hot water,
A hot water heater that electrically heats the hot water in the hot water tank;
Surplus power supply means for supplying surplus power from the generator to the hot water heater;
A hot water supply system that is different from the hot water heat exchanger that supplies hot water to the hot water tank,
Depending on the user's electrical load and thermal load pattern, the operation pattern is determined based on the electrical load (electric main thermal slave operation), or the operation pattern is determined based on the thermal load (thermal main power). An electric heat master-slave determination means for determining and operating based on the energy consumption or the cost on the user side,
At the beginning of installation, provisional load pattern assumption means for assuming a provisional load pattern as an initial value for each predetermined season;
Provisional operation pattern assumption means for determining a provisional operation pattern based on the provisional load pattern;
Load fluctuation storage means for storing fluctuations of the user's load over a predetermined period for each predetermined season;
Primary load pattern determining means for determining a primary load pattern to be used for driving from the stored load pattern;
From the primary load pattern, primary operation pattern determination means for determining a primary operation pattern including whether the main heat slave operation or the main heat slave operation,
Immediately after starting the operation in the primary operation pattern, error calculating means for calculating the error between the primary load pattern and the actual load pattern every predetermined time;
Error storage means for storing the calculated error for a predetermined period;
Secondary load pattern determination means for correcting the primary load pattern from the stored error and determining the secondary load pattern;
Secondary operation pattern determining means for determining a secondary operation pattern from the secondary load pattern;
Storage means for storing an error again for a predetermined period according to the degree of deviation when the load of the user deviates from a predetermined fluctuation range while being driven in the secondary operation pattern;
Secondary correction means for correcting the secondary operation pattern at any time when correction is necessary in the secondary and subsequent operation patterns;
A cogeneration system comprising:

2. The cogeneration system according to claim 1, wherein the primary load pattern determination means has a calculation means for averaging the load for each time period of each day.

The error calculation means for calculating the error between the primary load pattern and the actual load pattern detects when the load is excessive and less than the assumed value for each predetermined time. The cogeneration system according to claim 1, further comprising means for calculating the amount and calculating the amount as a fluctuation ratio with respect to the load assumed in the time period.

When the secondary load pattern determining means determines the secondary load pattern, if the calculated error integrated value exceeds a predetermined value, the second load pattern determining means performs correction every time and performs correction. 2. The cogeneration system according to claim 1, further comprising: a correction unit that performs correction using an average value of the integrated values; and a unit that deletes the integrated error when the operation pattern is corrected.

Even if the secondary correction means is operating in the secondary operation pattern and the accumulated error does not reach the predetermined value, the number of times the load of the user deviates from the predetermined fluctuation range is determined within a predetermined time. The cogeneration system according to claim 1, further comprising a control unit that performs correction when the number of times exceeds.