JP4496587B2

JP4496587B2 - コジェネプラントの運転方法及びその装置

Info

Publication number: JP4496587B2
Application number: JP2000021820A
Authority: JP
Inventors: 修三山本; 俊太郎鈴木; 直央生田; 康雄酒井; 祥行安形
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-01-26
Also published as: JP2001211696A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電可変型コジェネユニットを用いて電力及び蒸気を供給するコジェネプラントの運転方法及びその装置に係り、特に、需要に応じつつ低い運用コストで供給を行い、プラント特有の運転制約条件をも満足させることのできるコジェネプラントの運転方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気噴射型ガスタービンを主機とし、そのガスタービンの排熱を利用して蒸気を発生させる排熱回収ボイラを付加して構成された熱電可変型コジェネユニットは、排熱回収ボイラからの蒸気をガスタービンに入力することによって発電効率（発電能力）を上げることができるので、単に電力と蒸気とを並行して供給できるだけでなく、電力出力量及び蒸気出力量を複合的に調節することができる。
【０００３】
図４に示されるように、コジェネユニットは、蒸気噴射型ガスタービンと排熱回収ボイラとから構成され、燃料と給水とを与え、電力と蒸気とを取り出すようになっている。需要先で消費されない余剰の蒸気は放蒸されるが、この余剰蒸気をガスタービンに噴射することで電力を多く発生できるため、蒸気を無駄にしない効率のよい運転が可能である。また、コジェネユニットは、ガスタービンに蒸気タービンを付加した発電設備に比べて、蒸気タービンを必要としないので、設備的にも省スペースで設置できるという利点も有する。
【０００４】
図５にコジェネユニットの特性の一例を示す。この特性図は、燃料消費量を縦軸に、蒸気量を横軸にとり、電力を等高線で示したものである。所望の電力出力量と所望の蒸気出力量とを組み合わせたものが運転ポイントとなる。同じ燃料を消費するのでも、前述のように噴射蒸気量を調節することで電力出力量及び蒸気出力量を複合的に調節できるため、運転ポイントが多数存在することになる。外部からの電力・蒸気の供給を加味することにより、運転ポイントの範囲は更に広がり燃料消費量も異なるので、運転ポイントを変動させると運用コストも変動することになる。電力等高線が運転可能範囲内にのみ示されている。この範囲外では運転することができない。ただし、この運転可能範囲は、大気温度・大気湿度等の環境的な要因（これらを運転条件と呼ぶ）によって変動する。
【０００５】
蒸気出力量と噴射蒸気量とは次式の関係を有する。従って、噴射蒸気量を増やすと蒸気出力量は減ることになる。
【０００６】
蒸気出力量＝ボイラで発生する蒸気量
−ガスタービンへの噴射蒸気量式１
熱電可変型コジェネユニットを用いた従来のコジェネプラントは、図６に示されるように、プラント全体の負荷需要のうち一定の部分をコジェネユニットで担い、残りの変動部分を外部（電力は商用電力、蒸気は補助ボイラ）からの供給で対応している。そして、従来のコジェネプラントでは、コジェネユニットが受け持つ一定の供給量は、例えば、夏季で電力需要が高い場合は電力を優先し、冬季で蒸気が需要が高い場合は蒸気を優先して設定している。即ち、図５に示されるように、燃料消費量に対する電力出力量及び蒸気出力量の相関関係が分かっているので、運用コストを抑えつつ電力を優先し最大の電力出力量を得たい場合は運転可能な範囲の中で最も電力出力量の高いポイントＡで運転し、運用コストを抑えつつ蒸気を優先し最大の蒸気出力量を得たい場合は運転可能な範囲の中で最も蒸気出力量の高いポイントＢで運転する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のコジェネプラントは、コジェネユニットをポイントＡ又はポイントＢで一定に運転するが、この運用方法では、コジェネプラントの全体的な運用コストが最小になるとは限らず、経済的なメリットは得られない。
【０００８】
ここで運用コストについて考察すると、コジェネプラントの全体的な運用コストは、コジェネユニットが消費する燃料、給水などの費用、買電費用、補助ボイラが消費する燃料、給水などの費用からなる。負荷需要に対応する電力・蒸気の供給量と運用コストは以下の式で算出できる。
【０００９】

運用コストを低減するには、コジェネユニットからの出力量と外部からの供給供給量とを変動させることが必要になる。このため運転ポイントを変動させることになる。しかし、最小の運用コストを与える運転ポイントを見つけるのは困難である。時々刻々と変化する負荷需要に対し適正な電力出力量及び蒸気出力量を追随させつつ、運用コストが最小になるようにオペレータがコジェネユニットを運転することは不可能に近い。
【００１０】
加えて、コジェネユニットはボイラを含んでいるため運転を開始してから最大出力（又は所望出力）に至るまでに有る程度の時間が必要である。従って、現在の負荷需要に即してコジェネユニットを運転しても過不足なく追随させることは不可能である。コジェネユニットを需要に対して追随させるには、将来の需要を予測して前もってコジェネユニットを運転制御する必要がある。例えば、既に運転しているコジェネユニットに追加して別のコジェネユニットを立ち上げる場合には、立ち上げるコジェネユニットの出力が必要になる時刻より、立ち上げに必要な時間だけ前に立ち上げなければならない。
【００１１】
また、コジェネプラントの運転に際しては前記した需要を単純にまかなうだけの運転を行えばよいわけではなく、種々の条件によって運転が制約されることがある。例えば、可視水蒸気防止、受電量一定、機器メンテナンスといった条件があり、このような制約条件を満足しつつ運転を行うことが求められる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、需要に応じつつ低い運用コストで供給を行い、プラント特有の運転制約条件をも満足させることのできるコジェネプラントの運転方法及びその装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の方法は、蒸気噴射型ガスタービンと排熱回収ボイラとで構成されて電力と蒸気とを複合的に供給する熱電可変型コジェネユニットを複数備えたコジェネプラントに対し、将来の電力需要及び蒸気需要が計画された需要計画に基づくと共に該コジェネプラントに求められる可視水蒸気防止の運転制約条件を満足してかつ運用コストが最小となるようにコジェネユニットの運転台数並びに運転されるコジェネユニットの電力出力量及び蒸気出力量からなる最適運用案を決定し、この最適運用案に従うと共に個々のコジェネユニットに求められる運転制約条件を加味して各コジェネユニット個別の運転内容を決定するものである。
【００１４】
前記最適運用案は、コジェネプラント外部からの電力購入を含めて決定しておき、各コジェネユニットからの電力出力量に購入電力量を加えることで需要が満たされるようにしてもよい。
【００１５】
前記最適運用案は、補助ボイラ等の補助蒸気機器からの蒸気供給を含めて決定し、この最適運用案に基づいて補助蒸気機器を運転してもよい。
【００１６】
前記需要計画は、需要先の現在の電力需要及び蒸気需要を過去の実績に対照することにより将来の電力需要及び蒸気需要を予測して計画してもよい。
【００１７】
前記運転内容をオペレータに対し表示してもよい。
【００１８】
また、本発明の装置は、蒸気噴射型ガスタービンと排熱回収ボイラとで構成されて電力と蒸気とを複合的に供給する熱電可変型コジェネユニットを複数備えたコジェネプラントに対し各コジェネユニット個別の運転内容を決定する装置であって、将来の電力需要及び蒸気需要が計画された需要計画に基づくと共に該コジェネプラントに求められる可視水蒸気防止の運転制約条件を満足してかつ運用コストが最小となるようにコジェネユニットの運転台数並びに運転されるコジェネユニットの電力出力量及び蒸気出力量からなる最適運用案を決定する最適運用計算部と、この最適運用案に従うと共に個々のコジェネユニットに求められる運転制約条件を加味して各コジェネユニット個別の運転内容を決定する個別ユニット指令部とを備えたものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２０】
図１に示したシステムは、本発明に係る運転装置を使用したコジェネプラント１とそのコジェネプラント１の対象になる需要プラント２とで構成される。コジェネプラント１は、複数の熱電可変型コジェネユニット３と各コジェネユニット３を実際に制御する個別制御装置４と補助ボイラ５等の補助蒸気機器とを備えると共に、電力会社６の送電線からの電力供給を受けられるようになっている。運転装置７は、全てのコジェネユニットを統括して制御することからコジェネ統括制御装置とも呼ばれる。各コジェネユニット３は、例えば、互いに同等能力のものであるが、異なる能力のものであってもよい。
【００２１】
この運転装置７は、需要計画部１１とプラント制約設定部１２と最適運用計算部１３と個別制約設定部１４と個別ユニット指令部１５とからなる。
【００２２】
需要計画部１１は、需要プラント２の現在の電力需要及び蒸気需要と、大気温度及び大気湿度（これらを運転条件という）の予測値とを入力とし、現在から所定の時間先までの将来の電力需要、蒸気需要及び運転条件の一定時間刻みの計画を最適運用計算部１３への出力とするものである。電力需要及び蒸気需要について過去の実績を蓄積しパターン分類しておき、現在の電力需要及び蒸気需要をパターンに対照して将来の電力需要及び蒸気需要を予測する方法が本出願人により既に提案されており、このような方法でもって需要計画を生成することが可能である。なお、オペレータが手動で需要計画を最適運用計算部１３に入力してもよい。また、需要計画は、負荷需要を予測したものでなく、予め計画したものでもよい。
【００２３】
プラント制約設定部１２は、コジェネプラント１に求められる運転制約条件を設定するものである。コジェネプラント１に求められる運転制約条件としては、例えば、排ガスを大気に放出したときに排ガス中の水蒸気が白煙化するのを防止する可視水蒸気防止、外部からの電力供給を一定値とする受電量一定がある。
【００２４】
可視水蒸気とは、蒸気噴射型ガスタービンにおいて蒸気がガスタービンに注入されるため、排ガスに通常以上の水蒸気が含まれ、この排ガスが煙突から排出されたときに大気の状態（温度や湿度）によって水蒸気が白煙として視認されるようになったものである。この可視水蒸気は、実害はないのであるが目視公害となるおそれがあり、都市部などに設けられるプラントでは特に問題となる。可視水蒸気を防ぐには、排ガス温度を上げる、蒸気噴射量を制限するなどの運転制約条件が必要になる。
【００２５】
また、受電量一定とは、電力会社との契約内容によってもたらされる運転制約条件であり、例えば、５００ｋｗ一定値を常に受電するという契約をしている場合であれば、その受電量を維持するという運転制約条件となる。受電量一定ではなく電力売買の累積がゼロになるという運転制約条件も有り得る。
【００２６】
最適運用計算部１３は、コジェネプラント１に求められる運転制約条件と電力需要、蒸気需要及び運転条件からなる需要計画とから、コジェネプラント１による電力出力及び蒸気出力と外部からの供給電力及び供給蒸気との組み合わせで運用コストが最小となる最適運用案を導出する。最適運用案の導出の際、各コジェネユニット３の運転状態も考慮してもよい。
【００２７】
具体的には、図２に示されるように、最適運用計算部は、需要計画として与えられる時間毎の変数（電力量、蒸気量、大気温度及び大気湿度）や前もって設定されている定数（燃料費、給水費、買電費の単価）を用いる。最適運用計算部内には、式１〜４等の数式、図５の特性をさらに温度もパラメータにして温度ごとの燃料対電力及び蒸気の関係を表したコジェネユニットの特性モデル、補助蒸気機器の特性モデル等を組み合わせた計算手順が設けられている。この計算手順により、コジェネユニットの電力出力量及び蒸気出力量と補助ボイラの蒸気出力量と外部からの買電量とが需要計画に合致し、かつ運転制約条件を満足し、運用コストが最小となる最適運用案を算出する。最適運用案は、コジェネユニットの運転台数、各コジェネユニットの運転ポイント（電力出力量と蒸気出力量との組み合わせ）、外部供給電力量、外部供給蒸気量からなる。コジェネユニットの運転台数が変更されるときには、コジェネユニットの立ち上げ・立ち下げ特性を考慮して滑らかに電力出力量及び蒸気出力量が変化するように最適運用案が決定される。
【００２８】
個別制約設定部１４は、個々のコジェネユニット３の運転における制約条件を設定するためのものである。運転制約条件には、例えば、いずれかのコジェネユニットが手動モードで運転されているために制御対象外となっていること、いずれかのコジェネユニットが故障によって制御対象外となっていること、いずれかのコジェネユニットがメンテナンス等のために所定時間後に停止しなければならないことなどがある。
【００２９】
個別ユニット指令部１５は、最適運用案に基づいて個別の運転制約条件と各コジェネユニット３における総運転時間・最近の停止時刻などの履歴情報とから、稼働すべきコジェネユニット３を選択すると共に起動／停止・運転ポイントなどの運転内容を決定し、その選択されたコジェネユニット３の個別制御装置４に対し、決定した運転内容を指令する。総運転時間を考慮することにより、例えば、各コジェネユニット３の総運転時間を均一にすることが可能であり、これによってメンテナンススケジュールを立てることが容易になる。また、最近の停止時刻を考慮することにより、例えば、ホットスタート（コジェネユニットが暖まった状態からの起動）が可能であり、これによって立上がり時間を調整することが可能となる。各個別制御装置４から得られる各コジェネユニット３の運転状態を考慮して運転内容を決定してもよい。
【００３０】
なお、個別ユニット指令部１５は、個別制御装置４に対して指令を出すだけでなく、運転内容をモニタ１６に表示してもよい。個別ユニット指令部１５が個別制御装置４から切り離され、運転内容をモニタ１６に表示することによってオペレータに指令を出し、オペレータが指令に従いコジェネユニット３を操作するような半自動のシステムを構成してもよい。
【００３１】
図１のシステムによれば、１時間もしくはそれより短い所定の時間毎に、その時点から例えば２４時間先までのコジェネユニット全体の運用案が得られ、各コジェネユニット毎に運転内容が指令される。この運用案は電力需要、蒸気需要及び運転条件の一定時間刻みの計画に基づくと共に、運転制約条件を満足し、しかも運用コストが最小となる最適運用案である。従って、時々刻々と変化する負荷需要に対し適正な電力出力量及び蒸気出力量を追随させつつ、運用コストが最小になるように図ることができる。
【００３２】
例えば、夜間なら買電費の単価が低いので、買電量の占める割合を高くし、コジェネユニットの稼働を抑制するという運用案が得られる。大気が冷え込んでいるときには、可視水蒸気が出ないような運用案の中で最小運用コストのものが得られる。
【００３３】
なお、買電量の調節には、特に機器を必要としない。コジェネユニットの電力出力量では足りない分が送電線から需要プラントに入ってくるようにしておけばよいからである。
【００３４】
図３に最適運用案の例を示す。折れ線は電力需要、バーグラフは３台のコジェネユニット＃１、＃２、＃３の電力出力量を示す。蒸気については省略した。この最適運用案は、時刻０時の負荷需要と運転条件予測値とにより、過去の実績パターンを参考にして時刻０時に作成されたものである。この最適運用案によれば、負荷需要の比較的少ない時刻６時までは＃２と＃３とを稼働し、負荷需要が増加しはじめる時刻７時には＃１を起動する。コジェネユニットの立上がり特性により、＃１の電力出力量はただちには増加しないが、需要ピークを迎える時刻８時には十分な出力量が見込まれる。時刻１３時における＃１の起動はホットスタートである。電力需要は、３台のコジェネユニット＃１、＃２、＃３のトータルの電力出力量よりも常に一定値だけ多い。その差の分が買電でまかなわれる。即ち、受電量一定の運転制約条件が用いられている。
【００３５】
時刻０時より後には、所定の時間毎にその時点での負荷需要に応じた計画が決定され、その計画に対しての最適運用案が決定される。このようにして、時々刻々と変化する負荷需要に対し適正な電力出力量及び蒸気出力量を追随させつつ、運用コストが最小になるように各コジェネユニットの動作ポイントを変動させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３７】
（１）需要に応じつつ低い運用コストで供給を行うことができるので、省資源に貢献すると共に運転経費を節約することができる。
【００３８】
（２）プラント特有の運転制約条件を満足させることができるので、例えば、都市部のプラントで可視水蒸気防止を優先した運転をできるだけ低運用コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すコジェネシステムの構成図である。
【図２】図１のコジェネシステムに使用する最適運用計算部の構成図である。
【図３】本発明により算出した最適運用案の例を示す運用スケジュールの図である。
【図４】熱電可変型コジェネユニットのモデルの図である。
【図５】熱電可変型コジェネユニットの燃料対電力及び蒸気特性図である。
【図６】従来の運用スケジュールの図である。
【符号の説明】
１コジェネプラント
２需要プラント
３コジェネユニット
４個別制御装置
５補助ボイラ
６電力会社
７運転装置
１１需要計画部
１２プラント制約設定部
１３最適運用計算部
１４個別制約設定部
１５個別ユニット指令部

Claims

蒸気噴射型ガスタービンと排熱回収ボイラとで構成されて電力と蒸気とを複合的に供給する熱電可変型コジェネユニットを複数備えたコジェネプラントに対し、将来の電力需要及び蒸気需要が計画された需要計画に基づくと共に該コジェネプラントに求められる可視水蒸気防止の運転制約条件を満足してかつ運用コストが最小となるようにコジェネユニットの運転台数並びに運転されるコジェネユニットの電力出力量及び蒸気出力量からなる最適運用案を決定し、この最適運用案に従うと共に個々のコジェネユニットに求められる運転制約条件を加味して各コジェネユニット個別の運転内容を決定することを特徴とするコジェネプラントの運転方法。
前記最適運用案は、コジェネプラント外部からの電力購入を含めて決定しておき、各コジェネユニットからの電力出力量に購入電力量を加えることで需要が満たされるようにしたことを特徴とする請求項１記載のコジェネプラントの運転方法。
前記最適運用案は、補助ボイラ等の補助蒸気機器からの蒸気供給を含めて決定し、この最適運用案に基づいて補助蒸気機器を運転することを特徴とする請求項１又は２記載のコジェネプラントの運転方法。
前記需要計画は、需要先の現在の電力需要及び蒸気需要を過去の実績に対照することにより将来の電力需要及び蒸気需要を予測して計画することを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のコジェネプラントの運転方法。
前記運転内容をオペレータに対し表示することを特徴とする請求項１〜４いずれか記載のコジェネプラントの運転方法。
蒸気噴射型ガスタービンと排熱回収ボイラとで構成されて電力と蒸気とを複合的に供給する熱電可変型コジェネユニットを複数備えたコジェネプラントに対し各コジェネユニット個別の運転内容を決定する装置であって、将来の電力需要及び蒸気需要が計画された需要計画に基づくと共に該コジェネプラントに求められる可視水蒸気防止の運転制約条件を満足してかつ運用コストが最小となるようにコジェネユニットの運転台数並びに運転されるコジェネユニットの電力出力量及び蒸気出力量からなる最適運用案を決定する最適運用計算部と、この最適運用案に従うと共に個々のコジェネユニットに求められる運転制約条件を加味して各コジェネユニット個別の運転内容を決定する個別ユニット指令部とを備えたことを特徴とするコジェネプラントの運転装置。