JP6474075B2

JP6474075B2 - 発電設備

Info

Publication number: JP6474075B2
Application number: JP2015019682A
Authority: JP
Inventors: 吉葉　史彦; 史彦吉葉
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2019-02-27
Anticipated expiration: 2035-02-03
Also published as: JP2016142213A

Description

本発明は、電力系統に対して並列、解列が選択される発電設備であって、解列の状態の時に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて並列の状態にすることができる発電設備に関する。

また、本発明は、出力が低下する発電設備に対して、効率の低下を抑制して出力を高めるための運転を補助することができる外部発電設備に関する。

化石燃料を使用しない再生可能エネルギーを用いた再生エネルギー発電設備が導入されつつある。再生可能エネルギー発電設備は、自然環境により出力が大きく変化するため、電力需要に対応するためには、天然ガス等を燃料とした火力発電設備（単に火力発電設備と称する）を同時に用い、火力発電設備での出力を追従させる必要がある。自然環境の変化により再生可能エネルギー発電設備の出力が変化（低下）した場合、需用電力を賄うために、火力発電設備の出力を短時間で増加させる必要がある。

このため、再生可能エネルギー発電設備と火力発電設備を併用している電力供給システムでは、再生可能エネルギー発電設備で出力を得ている場合には、火力発電設備を解列状態にしている。そして、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化（低下）による電力需要に対応させる際には、解列状態にある火力発電設備の出力を上昇させてから並列状態にしているのが現状である。

このような状況から、系統の急激な負荷変化に対して、迅速に対応できる蒸気発電プラントが提案されている（特許文献１）。特許文献１に開示された技術は、ボイラで発生した蒸気をアキュムレータに貯蔵し、通常時にはアキュムレータからの蒸気により非常用蒸気タービンを無負荷もしくは低負荷で運転を行い、緊急に発電が必要になった時にはアキュムレータからの蒸気により全負荷の運転に移行するようにした技術である。

特許文献１の技術を適用することにより、系統の出力を短時間で上昇させることができ、再生可能エネルギー発電設備の出力が変化（低下）した場合でも、電力需要に追従させることができる。

しかし、系統（火力発電設備）を低い出力で運転するためには、天然ガス等の燃料を用いてボイラで蒸気を発生させ、低圧蒸気タービンを駆動する必要がある。このため、蒸気発生のための燃料が必要になり、火力発電設備の効率（燃費）が低下する問題があると共に、環境条件を守ることができない虞がある。

特開平８−２３２６０８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、電力系統に対して並列、解列が選択される発電設備であって、解列の状態の時に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて並列の状態にすることができる発電設備を提供することを目的とする。

また、出力が低下される発電設備に対して、効率の低下を抑制して出力を高めるための運転を補助する外部発電設備を提供することができる。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の発電設備は、電力系統に接続される並列、前記電力系統から遮断される解列が選択されて運転され、蒸気タービンの駆動により電力を得る第１発電手段と、前記電力系統に接続される前記第１発電手段とは独立して所望の需要負荷に電力を供給し、発電機器による発電の排熱により蒸気を発生させる蒸気発生手段を備え、前記第１発電手段が前記電力系統に対して解列された時に、前記蒸気発生手段で発生した蒸気を前記蒸気タービンに供給して前記蒸気タービンの暖機を行う外部発電手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、発電を行う外部発電手段により蒸気を発生させ、発生させた蒸気を第１発電手段の蒸気タービンに供給して蒸気タービンの暖機を実施することができる。このため、第１発電手段では、暖機のための燃料を必要とせず、別途発電を行っている外部発電手段の排熱を利用して、電力系統に対して解列の状態にある第１発電手段を短時間で出力を高めて、電力系統に並列させる状態にすることができる。

このため、電力系統に対して並列、解列が選択される発電設備であって、解列の状態の時に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて並列の状態にすることが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明の発電設備は、請求項１に記載の発電設備において、前記第１発電手段は、燃料を投入して蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラで発生した蒸気が導入されて駆動力を得る前記蒸気タービンと、前記蒸気タービンの排気蒸気が冷却されて凝縮水を得る復水手段と、前記復水手段で得られた凝縮水を前記ボイラに循環させる循環路とを有し、前記蒸気タービンは、前記外部発電手段の前記蒸気発生手段からの蒸気が導入される低圧蒸気タービンを有していることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、ボイラで発生した蒸気が導入されて駆動力を得る低圧蒸気タービンを備えた火力発電設備において、外部発電手段により蒸気を発生させた蒸気により低圧蒸気タービンの暖機運転を行うことができる。

また、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項２に記載の発電設備において、前記ボイラの燃料は石炭であり、前記外部発電手段による発電の排熱の一部により前記石炭を乾燥させることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、外部発電手段による発電の排熱の一部で、ボイラの燃料である石炭を乾燥させることができる。例えば、外部発電手段としてガスエンジンを適用した場合、ガスエンジンの排気ガス中には酸素がほとんど存在しないため、排熱により石炭を乾燥させても発火することがない。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電設備において、前記外部発電手段の発電機器は、ガスエンジンであり、前記外部発電手段の蒸気発生手段は、前記ガスエンジンの排熱により蒸気を発生させる排熱回収ボイラであることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、ガスエンジンの排熱により蒸気を発生させ、第１発電手段の蒸気タービンに供給することができる。

また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、前記電力系統には、再生可能エネルギー発電設備が接続され、前記第１発電手段は、前記再生可能エネルギー発電設備の出力で前記電力系統の要求電力の発電が行われている時に、前記電力系統から解列されることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、再生可能エネルギー発電設備の出力で電力系統の要求電力の発電が行われている時に、第１発電手段が電力系統から解列され、再生可能エネルギー発電設備の出力が低下した際に（脱落した際に）、第１発電手段の出力を高めて電力系統に並列して要求電力を発電する。つまり、再生可能エネルギー発電設備の出力が低下（脱落）して第１発電手段の出力を高めて電力系統に並列にする際に、専用の燃料を用いずに暖機運転されている、即ち、発電電力を得ている外部発電手段による熱エネルギーが用いられて暖機運転されている第１発電手段の出力を、短時間で高めることができる。

従って、自然環境により出力が変動する再生可能エネルギー発電設備が併用されている電力系統に電力を供給する第１発電手段であっても、暖機のための燃料を用いることなく待機運転を実施することができ、再生可能エネルギー発電設備の出力の低下（脱落）に対し、燃料使用効率を低下させることなく、第１発電手段の出力を高めて電力系統に並列させることができる。

また、外部発電設備は、発電出力を得る発電手段と、前記発電手段による発電の排熱により蒸気を発生させる蒸気発生手段と、他の発電設備が所定出力以下で運転されている時に、前記蒸気発生手段で発生した蒸気を前記他の発電設備に供給して前記他の発電設備の機器の暖機を行わせる供給系とを備えることができる。

これにより、他の発電設備が所定出力以下で運転されている時に、発生した蒸気を他の発電設備に供給して機器の暖機を行わせることができ、発電電力のエネルギーを生み出すと同時に、発電された電力以上のエネルギー価値（熱エネルギーによる暖機）を生み出すことができる。

このため、出力が低下される発電設備に対して、効率の低下を抑制するための運転を補助することが可能になる。

本発明の発電設備は、電力系統に対して並列、解列が選択される発電設備であって、解列の状態の時に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて並列の状態にすることが可能になる。

また、外部発電設備は、出力が低下される発電設備に対して、効率の低下を抑制して出力を高めるための運転を補助することが可能になる。

本発明の一実施例に係る発電設備の概略系統図である。第１発電手段の概略系統図である。電力の需要出力の経時変化を表すグラフである。電力の需要出力の経時変化を表すグラフである。

図１には本発明の一実施例に係る発電設備の全体の構成を説明する概略系統、図２には第１発電手段である火力発電設備の概略系統、図３には再生可能エネルギー発電設備による発電が充分な場合の電力の需要出力における電力供給分布を説明するグラフ、図４には再生可能エネルギー発電設備による発電が不充分な場合の電力の需要出力における電力供給分布を説明するグラフを示してある。

図１に示すように、発電設備１は、石炭を燃料とするボイラ２が備えられ、ボイラ２により生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービン３が備えられている。蒸気タービン３により発電機４が駆動され、電力が得られるようになっている（第１発電手段）。

また、発電設備１に対し、外部発電手段としてガスエンジン５が備えられ、ガスエンジン５により発電機６が駆動され、電力が得られるようになっている。ガスエンジン５の排気ガスの熱を回収する排熱回収ボイラ７が備えられ、排熱回収ボイラ７で発生した蒸気が蒸気タービン３に送られるようになっている（他の発電設備の機器の暖機を行わせる供給系）。

発電設備１は複数系統に備えられ、発電設備１の発電機４で発電された電力は、開閉手段８を介して電力系統９に接続されている。ガスエンジン５の発電機６で発電された電力は、所望の需要負荷に供給される（電力系統９に供給される場合もある）。電力系統９からは外部の負荷１０に電力が供給される。

開閉手段８が閉状態の時に、第１発電手段は電力系統９に接続されて並列の状態になり、開閉手段８が開状態の時に、第１発電手段は電力系統９から遮断されて解列の状態になる。開閉手段８の操作により、第１発電手段は電力系統９に対して並列の状態と解列の状態が選択されて運転される。

一方、電力系統９には、電力量検出手段１５を介して再生可能エネルギー発電設備１１からの電力が供給される。再生可能エネルギー発電設備１１は、例えば、複数の太陽光発電手段１２、複数の風力発電手段１３が適用される。尚、再生可能エネルギー発電設備１１の発電手段としては、水力、地熱、潮流、バイオマス燃料等、化石燃料を使用しない発電設備が適用される。

発電設備１と再生可能エネルギー発電設備１１は、多数の設備が並列して運用される。例えば、電力の需用状況により、夏季の日中は、再生可能エネルギー発電設備１１による電力が主に電力系統９に供給されて負荷１０の電力（要求電力）が賄われる。この場合、開閉手段８は開状態にされ、発電設備１の発電機４は電力系統９から解列された状態にされている。

電力量検出手段１５により電力の低下が検出されて、再生可能エネルギー発電設備１１の出力が脱落したと判断された際には、開閉手段８が閉状態にされて発電設備１の発電機４の電力が電力系統９に供給され（発電設備１が並列の状態にされ）、負荷１０の電力（要求電力）が発電設備１からの電力で賄われる。

このため、発電設備１は、再生可能エネルギー発電設備１１の発電出力に応じて、電力系統９に対し、並列の状態と解列の状態が選択して運転される。発電設備１を解列の状態から並列の状態にする場合、短時間で出力を高める必要があるため、発電設備１は、短時間で出力を高めることが可能な状態になっている。

図２に基づいて、発電設備１を具体的に説明する。

図２に示すように、ボイラ２には燃料として石炭（微粉炭）が投入され、石炭の燃焼により蒸気が生成される。蒸気タービン３は、高圧タービン２１、中圧タービン２２、低圧タービン２３を備え、ボイラで発生した蒸気が蒸気タービン３に導入されて駆動力が得られる。蒸気タービン３の排気蒸気は復水器２４で凝縮されて復水され、復水器２４からの復水はボイラ２に給水される。

一方、ガスエンジン５により発電機６が駆動され、ガスエンジン５の排気ガスの熱が排熱回収ボイラ７で回収される。復水器２４からの復水の一部が排熱回収ボイラ７に送られ、排熱回収ボイラ７で発生した蒸気は低圧タービン２３に供給可能とされている。また、ガスエンジン５の排気ガスの熱により、ボイラ２の燃料である石炭（微粉炭）が乾燥される。

再生可能エネルギー発電設備１１（図１参照）の出力で負荷１０の要求電力の発電が行われている時に、即ち、発電設備１が解列の状態の時に、ボイラ２の運転が停止され（停止とみなす運転状態とされ）、排熱回収ボイラ７で発生した蒸気が低圧タービン２３に供給されて低圧タービン２３が暖機運転される。

図３、図４に基づいて電力の需要（出力）の例を説明し、発電設備１、及び、再生可能エネルギー発電設備１１の運転状況を具体的に説明する。

図３に示すように、例えば、夏季の好天時では、再生可能エネルギー発電設備１１による発電が充分になるので、朝から昼間、夕方にかけて、電力の需要（出力）に対する再生可能エネルギー発電設備１１による発電の出力の割合が多くなる（図中網目で示してある）。この場合、発電設備１が電力系統９に対して解列の状態になり、朝から昼間にかけて、発電設備１による発電の割合が僅かとなる（図中斜線で示してある）。

発電設備１による発電の出力の割合が僅かとなる（図中斜線で示してある）時間帯では、再生可能エネルギー発電設備１１の出力で負荷１０の要求電力の発電が行われる。この時、ボイラ２の運転が停止されて排熱回収ボイラ７で発生した蒸気が低圧タービン２３に供給され、低圧タービン２３が暖機運転されている。

図４に示すように、例えば、１２時頃に天気が急変して、再生可能エネルギー発電設備１１による発電が不十分になった場合、即ち、電力量検出手段１５により電力の低下が検出されて、再生可能エネルギー発電設備１１の出力が脱落したと判断された際には、発電設備１による発電の出力の割合を急激に増加させて（発電設備１を電力系統９に並列の状態にして）図中網目で示してある割合を低くする必要がある。

発電設備１における蒸気タービン３の低圧タービン２３は、電力系統９に対して解列の状態にある時に暖機運転されているため、ボイラ２の運転を再開して蒸気を投入することにより、短時間で蒸気タービン３の出力を上昇させることができる。そして、電力系統９に対して並列の状態にすることができる。

つまり、再生可能エネルギー発電設備１１の出力で要求電力の発電が行われている時に、発電設備１は電力系統９から解列された状態で暖機運転されている。再生可能エネルギー発電設備１１の出力が低下して脱落した際に、発電設備１の出力を短時間で高め、電力系統９に対して並列状態にして要求電力が電力系統９に供給される。

発電設備１は、発電電力を得ているガスエンジン５による熱エネルギーが用いられて暖機運転されているので、専用の燃料を用いずに暖機運転させることができ、再生可能エネルギー発電設備１１の出力が脱落し、発電設備１を電力系統９に対して並列にする際に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めることができる。

発電設備１は、短時間で出力を高めることが可能な状態で、電力系統９に対して解列の状態とされているため、再生可能エネルギー発電設備１１による発電が脱落した場合、必要な需要（出力）に対する電力を短時間で得て電力系統９に対して並列の状態にすることができる。

従って、自然環境により出力が低下（脱落）する再生可能エネルギー発電設備１１が接続される電力系統９に用いられ、再生可能エネルギー発電設備１１で要求電力を賄っている場合には解列の状態にされる発電設備１であっても、暖機のための燃料を用いることなく待機運転を実施することができ、再生可能エネルギー発電設備１１の脱落に対し、燃料使用効率を低下させることなく、短時間で出力を高めて電力系統９に対して並列の状態にすることが可能になる。

上述した構成の発電設備１では、別途発電を行うガスエンジン５により蒸気を発生させ、発生させた蒸気を蒸気タービン３の低圧タービン２３に供給して蒸気タービン３の暖機を実施することができる。このため、発電設備１では、暖機のための燃料を必要とせず、別途発電を行っているガスエンジン５の排熱を利用して、発電設備１の出力を高めることができる。

従って、電力系統９に対して並列、解列が選択される発電設備であって、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて電力系統９に対して並列の状態にすることが可能になる。

そして、ガスエンジン５の排熱の一部で、ボイラ２の燃料である石炭を乾燥させることができるので、酸素がほとんど存在しない排熱により、発火の虞がない状態で石炭を乾燥させることができる。

外部発電設備である、ガスエンジン５、発電機６、排熱回収ボイラ７は、他の発電設備であるボイラ２、蒸気タービン３、発電機４が、電力系統９に対して解列の状態にされている時に（所定出力以下で運転されている時に）、発生した蒸気を蒸気タービン３に供給し機器の暖機を行わせることができる。このため、自身で発電電力のエネルギーを生み出すと同時に、発電された電力以上のエネルギー価値（熱エネルギーによる暖機）を生み出すことができる。

このため、出力が低下される発電設備に対して、効率の低下を抑制して出力を高めるための運転を補助することが可能になる。

尚、外部発電設備としては、ガスエンジン５に限らず、マイクロガスタービン、燃料電池発電機等、他の発電設備を適用することが可能である。

本発明は、電力系統に対して並列、解列が選択される発電設備であって、解列の状態の時に、効率を低下させることなく短時間で出力を高めて並列の状態にすることができる発電設備の産業分野で利用することができる。

また、本発明は、出力が低下される発電設備に対して、効率の低下を抑制して出力を高めるための運転を補助することができる外部発電設備の産業分野で利用することができる。

１発電設備
２ボイラ
３蒸気タービン
４、６発電機
５ガスエンジン
７排熱回収ボイラ
８開閉手段
９電力系統
１０負荷
１１再生可能エネルギー発電設備
１２太陽光発電手段
１３風力発電手段
１５電力量計測手段
２１高圧タービン
２２中圧タービン
２３低圧タービン
２４復水器

Claims

電力系統に接続される並列、前記電力系統から遮断される解列が選択されて運転され、蒸気タービンの駆動により電力を得る第１発電手段と、
前記電力系統に接続される前記第１発電手段とは独立して所望の需要負荷に電力を供給し、発電機器による発電の排熱により蒸気を発生させる蒸気発生手段を備え、前記第１発電手段が前記電力系統に対して解列された時に、前記蒸気発生手段で発生した蒸気を前記蒸気タービンに供給して前記蒸気タービンの暖機を行う外部発電手段とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１に記載の発電設備において、
前記第１発電手段は、
燃料を投入して蒸気を発生させるボイラと、
前記ボイラで発生した蒸気が導入されて駆動力を得る前記蒸気タービンと、
前記蒸気タービンの排気蒸気が冷却されて凝縮水を得る復水手段と、
前記復水手段で得られた凝縮水を前記ボイラに循環させる循環路とを有し、
前記蒸気タービンは、
前記外部発電手段の前記蒸気発生手段からの蒸気が導入される低圧蒸気タービンを有している
ことを特徴とする発電設備。
請求項２に記載の発電設備において、
前記ボイラの燃料は石炭であり、
前記外部発電手段による発電の排熱の一部により前記石炭を乾燥させる
ことを特徴とする発電設備。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電設備において、
前記外部発電手段の発電機器は、ガスエンジンであり、
前記外部発電手段の蒸気発生手段は、前記ガスエンジンの排熱により蒸気を発生させる排熱回収ボイラである
ことを特徴とする発電設備。
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電設備において、
前記電力系統には、
再生可能エネルギー発電設備が接続され、
前記第１発電手段は、
前記再生可能エネルギー発電設備の出力で前記電力系統の要求電力の発電が行われている時に、前記電力系統から解列される
ことを特徴とする発電設備。