JP2005133561A

JP2005133561A - 常用ディーゼルエンジン発電機の運転方法及び装置

Info

Publication number: JP2005133561A
Application number: JP2003367329A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kurosawa; 淳黒沢; Shin Suzuki; 臣鈴木; Sadao Konishi; 貞男小西
Original assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering and Services Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】常用ディーゼルエンジン発電機のＮＯｘの低減効果が高い制御システムを提供する。
【解決手段】脱硝装置４を備えるディーゼルエンジン（ＤＥ）２と、発電機（ＡＣＧ）３を制御する制御装置１は、電力系統５から受電電力のアナログ信号９を受信し、受電電力が発電機起動電力を超えていれば、ＤＥ２及びＡＣＧ３を起動し、系統５に連系する。次に、脱硝装置４の運転信号１０を確認し、運転信号１０がＯＦＦであればＡＣＧ３を負荷８に依存することなく、高出力一定制御で運転する。脱硝装置４の運転信号１０がＯＮになると、受電電力一定制御、いわゆる負荷追従によるピークカット運転に移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、常用発電設備におけるディーゼル発電機の制御に係わり、特に排気ガス中の窒素酸化物の低減に好適な制御方式に関する。

工場やスーパーマーケット等の大電力需要家では、常用発電設備を備えておき、電力ピークカット方式を採用する場合が多い。電力ピークカット方式は、契約電力量を超える分について電力会社からの電力供給を絶ち、自動的に自家発電設備に切り替える。これにより、低電力契約が可能になり、電力料金の低減がはかられる。

常用発電設備には燃料費が安く、熱効率のよいディーゼルエンジンを使用することが多いが、排気ガスの浄化のために排煙脱硝設備の設置が必要になる。このような公知技術として、特許文献１の記載がある。この文献では、ガスタービンの起動時に回転数１００％で無負荷運転し、この排ガスで触媒を暖気運転して脱硝特性を安定化した後、ガスタービン負荷を併入するので、ＮＯｘ濃度を規定濃度以下に抑制できる。

特開平７−６３０７１号公報

常用発電設備の排煙脱硝設備として、近年は危険性がなく取扱いの容易な尿素水を還元剤とする尿素還元脱硝装置が採用されている。しかし、尿素水を還元剤として使用する方法では、最適触媒反応温度がアンモニア水を使用する場合に比べて高温となるため、ディーゼルエンジンの排気温度が最適触媒反応温度に達するまでの時間が長くなる。特に冬場においては、夜間にディーゼルエンジン発電機から電力会社供給電力に切り替えて運転した後は触媒反応層の温度が低下してしまい、翌日ピークカット運転を再開する場合に、反応温度に達するまでに長時間を要するので、ＮＯｘの低減が困難になる。また、特許文献１では、排ガス温度の高いガスタービン発電機を対象としているので無負荷運転でも暖機は可能であるが、ディーゼルエンジン発電機は排ガス温度が低いので暖機に長時間を要し、無負荷運転は採用できない。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたもので、ディーゼルエンジン発電機を常用発電設備とした場合、短時間で触媒反応層の温度を上昇させ、ＮＯｘの低減効果が高い制御方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明は、脱硝装置を備えるディーゼルエンジン発電機を電力系統に連系し電力ピークカット運転を行うディーゼルエンジン発電機の運転方法において、電力系統から系統負荷に供給される電力が予め定めた所定電力（起動電力）を超える時に前記ディーゼルエンジン発電機を系統に連系し、かつ前記脱硝装置が未運転状態であれば前記ディーゼルエンジン発電機の定格またはその近傍（定格の９０％以上）で前記ディーゼルエンジン発電機を運転し、脱硝装置が運転状態になると負荷追従による電力ピークカット運転に移行することを特徴とする。

本発明によれば、需要家の負荷に依存することなく、系統連系した時点で常用ディーゼル発電機を定格の近傍（９０％以上）の高出力で運転し、短時間で脱硝運転可能な温度に到達させ、脱硝装置が運転された後に、通常の受電電力ピークカット運転に移行する。このため、脱硝装置の運転開始時間が大幅に短縮されて、排気ガス中の含有ＮＯｘを低減できる効果がある。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の一実施例によるディーゼル発電機の運転システムを示す構成図である。ディーゼル発電機の運転システムは、脱硝装置４を備えるディーゼルエンジン（ＤＥ）２と、ＤＥ２によって発電される発電機（ＡＣＧ）３が制御装置１によって制御されるように構成されている。

制御装置１は電力系統５から受電電力のアナログ信号９を受信し、受電電力Ｗ_ｉが発電機起動電力よりＷ_ｓｔを超えていれば、ＤＥ２及びＡＣＧ３を起動し、系統５に連系する。系統５との連系は、ＡＣＧ３及びＤＥ２に信号を与えて受電と同期を取り、５２Ｇ同期投入遮断器７を投入して系統連系する。

次に、脱硝装置４の運転信号１０を確認し、運転信号１０がＯＦＦであればＡＣＧ３を負荷８に依存することなく、高出力一定制御で運転する。その後、脱硝装置４の運転信号１０がＯＮになると、受電電力一定制御、いわゆる負荷追従によるピークカット運転に移行する。

図２はディーゼルエンジンの構成を示す。発電機を連結したディーゼルエンジン２はその排気ガスのエネルギーにより過給機１５内のタービン１３を回転させる。タービン１３を出た排ガスは脱硝装置４によりＮＯｘが除去される。吸入空気２１はコンプレサ１４を介して圧縮空気２２となり空気冷却器１７を通過する。空気冷却器１７は冷却水１９によって空気を冷却するが、この冷却水配管のルートに混合型三方温度調節弁１８を設け、空気冷却器１７に通水される水量を調節する。

制御装置１の一部であるエンジン制御部２０は、尿素水１６を還元剤とする脱硝装置４の運転信号１０を受信した後、予め設定された温度と実際の排気ガス温度２０を比較する。排ガス温度２０が設定温度より低い場合には混合型三方温度調節弁１８を介して、空気冷却器１７への水量を絞り、ディーゼルエンジン２のシリンダへの吸入空気の温度を高める指令を出し、排気ガス温度を高くするよう制御する。設定温度より排気ガス温度２０が高くなれば、空気冷却器１７の冷却水量を多くしてシリンダへの吸入空気温度を低くし、排気ガス温度を設定値に導くよう制御する。

これにより、ディーゼルエンジン２は発電機３の出力変動においても追随し、排気ガス温度を極力一定に保持することができる。また制御装置１の起動指令は、運転信号１０のＯＦＦのみで制御を開始させ、過給機１５の出口の排気ガス温度２０とその設定値との偏差値によって制御する。

一方、運転信号１０によって冷却水量の制御も開始されるが、発電機３の軽負荷が長時間続く場合に、排気ガス温度を保持しようと空気冷却器１７への冷却水量を絞り続けると冷却なしに圧縮空気１２が通過し、ディーゼルエンジン２のシリンダに送り込まれる。エンジン制御部２０はディーゼルエンジン２の異常加熱を防止するため、潤滑油温度信号を検出し、設定温度よりも潤滑油温度が高くなる場合には、混合型三方温度調節弁１８を介して空気冷却器１７へ冷却水を全量通水する。

脱硝装置４は、例えば蜂の巣状のセラミック担体内部に触媒反応層を塗布し、ここを通過する排気ガスに触媒反応を起こさせ、ＮＯｘの低減を図るものであるが、熱容量が大きいため、最適反応温度に達するまでに時間を要する。

図３は尿素水を還元剤として使用する場合の、触媒温度と変換効率との関係を示すグラフである。反応温度の最適値は約３００℃であり、２６０℃が最低脱硝運転可能温度である。

図４は触媒反応層の温度に相当する脱硝反応器出口温度の時間的変化を示したグラフである。常温状態での触媒反応層が反応適正温度に到達するには時間を費やし、脱硝運転可能最低温度２６０℃付近での温度上昇率が飽和状態となってしまう。この状態でも時間をかければ反応温度に到達し脱硝運転となるが、脱硝効率が低いため、ＮＯｘの低減効果が少ない問題がある。また常用ディーゼル発電機の受電電力ピークカット運転方式においては、需要家の負荷に依存され発電機出力は系統連系した時点での出力が比較的軽負荷となり、反応適正温度に達しない。

図５はエンジンの負荷に対する排気温度の関係を示すグラフである。軽負荷の場合には排気温度が低く、尿素還元脱硝装置が有効に運転できる条件ではない。排気温度が２６０℃に到達する最低負荷は定格の６０％程度である。一方、約９０％以上の負荷であれば、ほぼ１００％負荷と同様に最適値３００℃に到達する。後述するように、本発明の暖機のための高出力一定制御では、定格負荷の９０％以上で運転を行い、短時間で触媒反応層を反応適正温度に到達させる。

図６は一実施例によるディーゼルエンジン発電機の運転制御方法を示すフロー図である。制御装置１はまず受電電力を計測する（ｓ１０１）。受電電力Ｗｉとして変成器ＶＴと変流器ＣＴの二次出力を電力変換器（Ｗ／ＴＤ）６に取り込み、アナログ信号を発信して制御装置１に取り込む。

次に、取り込んだ受電信号Ｗ_ｉを発電機起動電力Ｗ_ｓｔと比較し判定する（ｓ１０２）。受電信号Ｗ_ｉが発電機起動電力Ｗ_ｓｔ未満であれば、ＤＥ２、ＡＣＧ３（以下ではＤＥＧと総称することがある）は待機状態となる（ｓ１０３）。受電信号Ｗ_ｉが発電機起動電力Ｗ_ｓｔを超えていれば、一定時限後、ＤＥＧを起動する（ｓ１０４）。さらに、受電信号とＡＣＧ３の同期を取り系統連系する（ｓ１０５）。系統連系後、脱硝装置４の運転がなされているか否かを判定し（ｓ１０６）、運転信号１０がＯＦＦであればＡＣＧ高出力一定制御を行う（ｓ１０７）。

図７に高出力一定制御のフロー図を示す。まず、受電電力Ｗｉが解列電力以上あるか判定する（ｓ1071）。この判定は逆潮流防止のためで、発電機高出力運転の結果として、受電電力が下がり過ぎないようにするためである。この判定で、受電電力が解列電力以下の場合は発電機高出力運転を中止し（ｓ1072）、ＡＣＧ出力減少指令を出し、発電機の解列制御へ移行する（ｓ1073）。受電電力が解列電力以上の場合は、発電機高出力設定電力Ｗhgを目標として発電機出力Ｗdgを高出力一定に保つように、出力の増減調整を行う（ｓ1074−ｓ1077）。

そして、受電電力Ｗ_ｉと発電機電力Ｗ_ｄｇのトータルが発電機解列電力Ｗ_ｂｄを下回らない間（ｓ１０８）は、ステップｓ１０６に戻って上記の処理を繰り返す。一方、脱硝装置４の運転が確認（ＯＮ）されると（ｓ１０９）、ＡＣＧ出力受電一定制御、いわゆるピークカット運転に移行する（ｓ１１０）。

図８に受電電力一定制御のフロー図を示す。まず、受電電力Ｗｉが解列電力Ｗbd以上あるか判定する（ｓ1101）。この判定の理由は発電機高出力一定制御の場合と同様で、逆潮流防止である。この判定で、受電電力が解列電力以下であった場合は、受電電力一定制御を中止し（ｓ1102）、発電機解列制御へ移行する（ｓ1103）。受電電力が解列電力を超えている場合は、受電一定設定電力Ｗhiを目標として、受電電力を目標に保つように発電機出力の増減調整を行う（ｓ1104−ｓ1107）。

この受電電力一定制御は受電電力Ｗ_ｉと発電機電力Ｗ_ｄｇのトータルが発電機解列電力Ｗ_ｂｄを下回るまで持続する（ｓ１１１）。トータルの負荷電力が解列電力を下回った場合は、一定時限後、ＡＣＧ３を系統５から解列し（ｓ１１２）、ＤＥＧを停止する（ｓ１１３）。

図９は負荷と受電電力・発電機電力の時間的関係を示す特性図である。負荷電力が増加して受電電力が発電機起動電力Ｗ_ｓｔを超えると常用ディーゼル発電機を系統連系し、高出力一定制御運転を行う。この間のトータル負荷電力は発電機高一定高出力＋受電電力となり、負荷変動分は受電電力が担い、発電機出力は一定に制御される。

ディーゼルエンジン２の排気温度が脱硝装置４の運転可能な温度まで高まると、脱硝装置４が運転を開始し、運転ＯＮ信号が出力されるので、一定時限後に受電電力一定制御に切り替えられる。この場合のトータル負荷電力は受電一定電力＋発電機出力となり、負荷変動分は発電機出力が担う。

このように、脱硝装置４の暖機時にＤＥＧ出力を定格に近い高出力で運転するので、ディーゼルエンジン２の排気温度を短時間に脱硝装置の運転可能な温度に高めることができ、ディーゼルエンジン２から排出されるＮＯｘを低減できる。

図１０に従来方式と本発明実施例との発電機出力の比較を示す。この例では、従来は１４０分要していた脱硝装置の運転開始までの時間が、本発明の方式では６０分と、半分以下の時間に短縮できている。

図１１は脱硝装置反応器出口温度の従来方式と本発明との比較を示す。この例では、発電機を高出力とした場合、従来と同程度の含有ＮＯｘが大気に放出されるが、脱硝装置を早く運転させた方が、結果的には脱硝装置の運転効果によるＮＯｘ低減が大である。

本発明の一実施例による常用ディーゼル発電機運転システムの構成図。デーゼルエンジンシステムの構成図。触媒温度と変換効率との関係を示すグラフ。排気ガス温度一定制御を施したディーゼルエンジン発電機の発電出力と排気ガス温度の時間的変化を示すグラフ。エンジンの負荷に対する排気温度の関係を示すグラフ。本発明の一実施例による常用ディーゼル発電機運転方法を示すフロー図。発電機高出力一定制御のフロー図。受電電力一定制御のフロー図。負荷電力と受電電力・発電機出力の時間的変化を示すグラフ。脱硝装置反応器出口温度の従来方式と本方式との比較を示すグラフ。従来方式と本方式とのＮＯｘ値の比較を示すグラフ。

符号の説明

１…制御装置、２…ディーゼルエンジン（ＤＥ）、３…発電機（ＡＣＧ）、４…脱硝装置、５…系統、７…同期投入遮断器、８…負荷、９…受電電力信号、１０…脱硝装置運転信号、１１…ＤＥ制御部、１２…ＡＣＧ制御部、１３…タービン、１４…コンプレッサ、１５…過給機、１６…尿素水、１７…空気冷却器、１８…混合型三方温度調節弁。

Claims

脱硝装置を備えるディーゼルエンジン発電機を電力系統に連系し電力ピークカット運転を行う常用ディーゼルエンジン発電機の運転方法において、
電力系統から系統負荷に供給される電力が所定電力を超える時に前記ディーゼルエンジン発電機を系統に連系し、かつ前記脱硝装置が未運転状態であれば前記ディーゼルエンジン発電機の定格近傍の一定出力制御で前記ディーゼルエンジン発電機を運転し、前記脱硝装置が運転状態になると受電電力一定制御に移行し、前記ディーゼルエンジン発電機が負荷追従運転を行うことを特徴とする常用ディーゼルエンジン発電機の運転方法。
前記ディーゼル発電機の一定出力制御は、電力系統からの受電電力が発電機解列電力以上である場合に維持されることを特徴とする請求項１記載の常用ディーゼルエンジン発電機の運転方法。
脱硝装置を備えるディーゼルエンジン発電機を電力系統に連系し電力ピークカット運転を行う制御装置を備える常用ディーゼルエンジン発電機の運転装置において、
前記制御装置は、電力系統から系統負荷に供給される電力が起動電力を超える時に前記ディーゼルエンジン発電機を系統に連系し、かつ前記脱硝装置が未運転状態であれば前記ディーゼルエンジン発電機の定格の９０％以上の一定出力で前記ディーゼルエンジン発電機を運転し、前記脱硝装置が運転状態になると受電電力一定制御に移行して、前記ディーゼルエンジン発電機を負荷追従運転させることを特徴とする常用ディーゼルエンジン発電機の運転装置。