JP2004019576A - コジェネレーションプラントの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンの能力変化による不具合を防止するコジェネプラントの制御装置を提供する。
【解決手段】電気と蒸気との出力配分を任意に設定できる熱電可変型のコジェネレーションユニットを１乃至複数台備え、電気及び蒸気の需要を予測し、その予測を満たすよう運転台数及び出力配分を計画して上記コジェネレーションユニットを運転するコジェネレーションプラントにおいて、上記ガスタービンの入力条件から理論的に算出される入口温度と実測される入口温度とが乖離したとき、当該ガスタービンに出力能力の変化が生じたことを認識し、この能力変化を上記計画に反映させる能力変化反映手段１を設けた。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電可変型のコジェネレーションユニットから電力及び蒸気を出力するコジェネレーションプラントに係り、特に、ガスタービンの能力変化による不具合を防止するコジェネレーションプラントの制御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（以下、ガスタービンという）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のコジェネレーションユニット（以下、コジェネユニットという）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出力するだけでなく、それぞれの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５０と排熱回収ボイラ５１とから構成され、蒸気噴射型ガスタービン５０では、給気をコンプレッサ５３で圧縮して燃焼室５４に送り、燃焼室５４に供給された燃料を燃焼させてタービン５５を駆動し、発電機Ｇによる発電を行い、タービン５５からの燃焼排ガスを排熱回収ボイラ５１に供給して熱回収し、排熱回収ボイラ５１に給水して得られた蒸気を需要先につながる配管５８に送ると共に、その蒸気の一部を噴射蒸気として燃焼室５４に供給し、またノズル５６を介して圧縮空気と共にタービン５５に供給する。
【０００４】
このようにコジェネユニットは、排熱回収ボイラから発生した蒸気の一部をガスタービンに噴射することにより発電効率を上げるものであり、同じ量の燃料を消費するという入力条件（例えば、定格運転）のもとで電気と蒸気との出力配分を任意に設定して電力量と蒸気量とを調整することができる。
【０００５】
本出願人は、先に特願平２０００−２１８２０号において、１乃至複数台のコジェネユニットを備えたコジェネレーションプラント（以下、コジェネプラントという）を提案した。このコジェネプラントでは、個々のコジェネユニットを制御する個別制御装置の上位に統括制御装置を設けて、各個別制御装置に指令を出すようになっている。詳しくは、上記文献に記載されているとおりであるが、要約すると、統括制御装置は、電気及び蒸気の需要を予測する需要予測部（文献では、需要計画部）と、その需要予測をミニマムコストで満たすよう運転台数及び出力配分を計画する運転計画部（文献では、最適運用計算部）とを備える。
【０００６】
運転計画部は、電力需要及び蒸気需要を問題として入力したことに対してコジェネユニットの運転台数及び運転されるコジェネユニットの運転ポイントを解答として出力するもので、その計算中において、燃料消費量に対する電力及び蒸気の出力量を求めるために、燃料消費量と電力及び蒸気の出力量との関係を設定したガスタービンのモデルを使用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、本出願人は、ガスタービンを長らく使用していると、その特性に変化が生じることに気が付いた。即ち、当初と同じ量の燃料を投入しても出力が当初より低いものとなってしまう。この経年変化として現れる能力低下が顕著になる時期や変化の大きさはガスタービン１台毎に個体差が著しく、前もっていつ頃から始まるのか、どの程度の変化が生じるのか予測することはできない。
【０００８】
このように、ガスタービンの実機は経年変化による能力変化が予期不能に発生するのに対して、上記運転計画用に用意したモデルは時間が経っても不変であるため、能力変化が起き始めるとモデルと実機とが合致しなくなる。その結果、次のような不具合が生じる。
【０００９】
例えば、１００の電力需要予測に対し運転計画で１台のコジェネユニットを定格運転して１００の電力出力により需要を賄おうとしているとき、そのコジェネユニットの実機は経年変化による出力低下のため当初の９５％しか出力能力がないとする。すると、このコジェネユニットは定格運転において９５の電力量しか出力できないため、電力需要を賄いきれず、外部（商用電源など）からの受電をしない場合、発電周波数が下がるなどの不具合が生じる。また、外部からの受電が可能なプラントの場合、上記５％の不足を補うために予定よりも多めの電力を買ってしまうことになる。しかし、従来のコジェネプラントでは、受電量が契約電力を超えることがないように運転計画を作成しているため、コジェネユニットの出力低下によって受電量が契約電力を超えて、超過金が課金されてしまう。なお、売電が認可されていないプラントでは、需要を上回る余剰な発電をしてしまうと無駄になるので、需要より少なめに見積もった発電を行い、不足分を受電で補っているが、電気料金を抑えるために、極力低い契約電力としている。つまり、受電量は、電力需要と発電量とのマージンを埋めるに十分であって、かつ契約電力を超えないような値で終日（或いは少なくとも電力契約対象の時間帯の間）一定しているのが望ましい。
【００１０】
このように、ガスタービンの実機に能力変化が生じると、受電量が契約電力を超えたり、需要先で電力が不足するなどの不具合が生じる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ガスタービンの能力変化による不具合を防止するコジェネプラントの制御装置を提供することにある。
【００１２】
【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は、電気と蒸気との出力配分を任意に設定できる熱電可変型のコジェネレーションユニットを１乃至複数台備え、電気及び蒸気の需要を予測し、その予測を満たすよう運転台数及び出力配分を計画して上記コジェネレーションユニットを運転するコジェネレーションプラントにおいて、上記ガスタービンの入力条件から理論的に算出される入口温度と実測される入口温度とが乖離したとき、当該ガスタービンに出力能力の変化が生じたことを認識し、この能力変化を上記計画に反映させる能力変化反映手段を設けたものである。
【００１３】
上記能力変化反映手段は、入力条件から入口温度を算出する理論式を設定したモデルと、このモデルにおける入口温度の理論値を計算するモデル計算部と、この理論値に対する実測による入口温度のずれに応じて上記モデルを修正するモデル修正部としてもよい。
【００１４】
上記計画が外部からの受電量を一定値に収めるように計画されてもよい。
【００１５】
【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。
【００１６】
図１に示されるように、本発明に係るコジェネプラントの制御装置は、実機の能力変化を運転計画に反映させる能力変化反映手段１を備える。この能力変化反映手段１は、入力条件から入口温度を算出する理論式を設定した物理モデル２と、この物理モデルにおける入口温度の理論値を計算するモデル計算部３と、この理論値に対する実測による入口温度のずれに応じて物理モデル２を修正するモデル修正部４とを有する。この実施形態では、モデル修正部４は、物理モデル２の理論式に含まれている定数・係数などのパラメータを補正するのでパラメータ補正部ともいう。５は、電気及び蒸気の需要を予測して時系列化した将来の需要パターンを生成する需要予測部である。６は、需要予測をミニマムコストで満たすよう運転台数及び出力配分を計画して将来の運転パターンを生成する運転計画部である。
【００１７】
この制御装置に入力される計測データは、タービンの入口温度、燃料流量（燃料消費量）・吸気温度などの入力条件、現在の電気需要及び蒸気需要・大気温度などの運転条件である。ただし、タービンの入口温度は、直接、実測することができないので、出口温度を温度センサで計測し、この出口温度計測値から入口温度を推定したものを入口温度の実測値とする。
【００１８】
この制御装置は、前述した文献；特願平２０００−２１８２０号に記載されているコジェネプラントの統括制御装置に組み込むことができる。図２は、そのコジェネプラントの構成図であり、統括制御装置８など各部の符号は変えてあるが、各部に従来からある機能は文献に記載のとおりであるので、ここでは説明を省略する。
【００１９】
ただし、本実施形態では、売電が認可されていないプラントを対象としており、需要を上回る発電をしてしまうと、その余剰電力は全く無駄になってしまうので、常に若干量の受電を行うのが適切である。即ち、予測される需要にぴったり合わせて発電するのではなく、常に需要より若干少ない発電を行い、不足分を受電する。これにより、実際の需要が予測値よりずれて少なくなっても、受電分を減らすことで、発電分が余剰になることがない。制御としては、予測される需要よりも一定値少ない値を目標として発電を行うことになる。このような制御を最小受電量一定制御と呼ぶ。具体的には、運転計画部６において、外部からの受電量を一定値に収めるようにコジェネユニットの運転が計画される。
【００２０】
運転計画部（文献では、最適運用計算部）６は、要求される出力を満足するための燃料投入量を演算するために、燃料消費量と電力及び蒸気の出力との関係を設定した物理モデルを使用するが、この物理モデルは図１に示したのと同じ物理モデル２である。
【００２１】
図１の制御装置の動作を説明する前に、コジェネユニットの出力低下が起きる原因を説明しておく。コジェネユニットは、所定の入力条件（燃料消費量）に対して所定の出力を得ることができる。例えば、定格運転したときに１００の出力があるとする。定格運転では、ガスタービンの入口温度がガスタービンの正常動作を保障できる上限温度に設定されており、もし、入口温度が上限温度を超えるとリミッタにより運転が制限される。運転が制限されると燃料消費量が抑えられ、出力は低下する。本出願人の調査によると、ガスタービンは経年変化により同じ入力条件に対する入口温度が上昇する傾向にある。同じ入力条件に対して入口温度が上昇すると、上記リミッタが働いて出力が低下することになる。このリミッタは、個々のコジェネユニットの個別制御装置に組み込まれている。個別制御装置は、統括制御装置より１００の出力が得られる定格運転を指令されていても、出力が９５のところでリミッタが働けば定格運転よりも能力を落としてガスタービンを運転する。よって、従来の問題点で述べたように、運転計画では定格運転が求められているのに、実際には９５の出力しか得られない事態となる。
【００２２】
そこで、本発明では、ガスタービンの入力条件から理論的に算出される入口温度と実測される入口温度とを比較し、その差が所定値を超えるようであれば、乖離が生じたと判定する。或いは、入口温度の理論値と実測値との差分値を乖離の大きさの指標としてもよい。入口温度の理論値と実測値とに格差が生じていれば、統括制御装置で当該コジェネユニットを定格運転させているつもりでも、当該コジェネユニットではリミッタが働いて定格未満の運転をしているという状態が認識できることになる。
【００２３】
図１の制御装置では、モデル計算部３から得られた入口温度の理論値と出口温度のセンサ計測から得られた入口温度の実測値とがモデル修正部４に入力される。モデル修正部４は、理論値と実測値とのずれに応じて物理モデル２の理論式に含まれている定数・係数などのパラメータを補正する。なお、物理モデル２の理論式の具体的な構成やそのパラメータの補正方法については、特開平５−１４３１０７号公報等に公開されており、自明であるからここでは言及しない。
【００２４】
本発明では、モデルから算出される理論値と実機から計測される実測値とのずれを運転計画に反映させる。
【００２５】
このパラメータが補正された理論式をモデル計算部３で参照し、再び計算に使用したとき、モデル修正部４に入力される理論値と実測値とが一致するようであれば、物理モデル２は実機の変化に対応した変化をしたことになる。よって、燃料投入量等の入力条件に対して物理モデル２により算出する電圧及び蒸気の出力の値は、実機が出力する値に等しくなる。運転計画部６は、需要を満足する運転計画を算出する際にこの物理モデル２から導かれる入出力値を参照することになる。
【００２６】
このようにして、ガスタービンの経年変化による能力低下が統括制御装置内で運転計画にフィードバック（反映）されると、例えば、１台のコジェネユニットを定格運転させて１００の出力を得ようとしていた計画が、２台目のコジェネユニットを追加して定格の５％の運転をさせるように変更される。能力低下した１台目のコジェネユニットの定格運転による９５の出力と２台目のコジェネユニットによる５の出力とにより、１００の出力が得られることになる。
【００２７】
図３に、コジェネユニットの運転台数の制御の流れ図を示す。台数はｎとして一般化してあるので、コジェネプラント内に設けられるコジェネユニットの総台数がいくつであっても、この流れ図が適用できる。図示のように、需要予測のステップ３１に続いて発電量計画のステップ３２を実行すると、必要な発電量が求まる。次いで、ステップ３３で各コジェネユニットの最大出力を計算する。最大出力とは、定格運転により得られる発電量のことである。ただし、ここでは蒸気の計画は省いているので、運転ポイントは適宜なポイントに固定して考える。
【００２８】
次のステップ３４では、上記で求めた必要な発電量と各コジェネユニットの最大出力とを用い、発電量と現在稼働しているｎ台トータルの最大出力とを比較し、必要な発電量に満たなければステップ３５で稼働台数を増加させる。必要な発電量が満たされるならば、ステップ３６にすすみ、必要な発電量と１台を減らした場合のトータル最大出力とを比較する。稼働台数を減らすと必要な発電量が満たされないのであれば、ステップ３７のように稼働台数を維持する。稼働台数を減らしても必要な発電量が満たされるのであればステップ３８で稼働台数を減少させる。
【００２９】
ステップ３３の最大出力計算に際して、モデルのパラメータを補正するステップ３９が実行されていると、経年変化によるタービンの入口温度の上昇によりリミッタが働いて燃料投入が規制された状態での最大出力が計算されることになるので、必要な発電量を満たす適正な台数コントロールが実現される。
【００３０】
このように、コジェネユニットが新規に設置した当初より能力低下した場合でも、その能力低下を補って需要を満たす運転計画が実行されるので、発電電力が不足して周波数や電圧が低下したり、受電量が予定した契約電力を超えてしまうことがなくなる。受電量が契約電力を超えたことによる超過金がなくなるだけでも、多額の運用コストが節約されることになる。
【００３１】
なお、これまでの説明では、ガスタービンの能力変化による電圧出力の変化を例にとったが、蒸気出力も同じように能力変化の影響を受けているので、入口温度の相違に基づいて蒸気需要を満足するよう運転計画を修正するようにしてもよいことは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００３３】
（１）ガスタービンの能力変化をガスタービンの入口温度の変化で捉えて運転計画に反映させるので、能力変化による不具合を防止することができる。
【００３４】
（２）外部からの受電量の望まない増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す制御装置のブロック構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示すコジェネプラントの構成図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す制御の流れ図である。
【図４】コジェネユニットの構成図である。
【符号の説明】
１　能力変化反映手段
２　物理モデル
３　モデル計算部
４　モデル修正部
５　需要予測部
６　運転計画部

Claims (3)

1. 電気と蒸気との出力配分を任意に設定できる熱電可変型のコジェネレーションユニットを１乃至複数台備え、電気及び蒸気の需要を予測し、その予測を満たすよう運転台数及び出力配分を計画して上記コジェネレーションユニットを運転するコジェネレーションプラントにおいて、上記ガスタービンの入力条件から理論的に算出される入口温度と実測される入口温度とが乖離したとき、当該ガスタービンに出力能力の変化が生じたことを認識し、この能力変化を上記計画に反映させる能力変化反映手段を設けたことを特徴とするコジェネレーションプラントの制御装置。
2. 上記能力変化反映手段は、入力条件から入口温度を算出する理論式を設定したモデルと、このモデルにおける入口温度の理論値を計算するモデル計算部と、この理論値に対する実測による入口温度のずれに応じて上記モデルを修正するモデル修正部とを有す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プラントの制御装置。
3. 上記計画が外部からの受電量を一定値に収めるように計画されることを特徴とする請求項１又は２記載のコジェネレーションプラントの制御装置。

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