JP2011523583A - Ｃｏ２の回収および圧縮を用いた発電プラント - Google Patents

Abstract

ＣＯ２は主たる温室効果ガスとして認識されているため、その回収及び貯留は、地球温暖化の管理に必要不可欠である。ＣＯ２の回収及び圧縮設備の柔軟な運転は、ＣＯ２の回収及び圧縮用に設計された発電プラント（１）の競合性を増大させ、この種のプラントの早期導入を可能にする。本発明の主な課題は、ＣＯ２の回収及び圧縮システムの電力消費を制御することにより達せられる補助的な柔軟性を利用することによって発電プラントの周波数応答を改良することでことである。特別な目的の一つは、部分負荷に対して発電プラント（１）をデローディングすることなく不足周波数事象のための予備電力を供給することである。このことはＣＯ２回収システムの電力消費が発電プラント（１）の正味出力（Ｄ）を制御するために使用される運転方法により達せられる。この方法に加えて、この方法に従って運転するように設計された発電プラント（１）が本発明の課題である。

Description

本発明は、ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラント、ならびに周波数応答時の発電プラントの運転に関する。

近年、温室効果ガスの発生により地球温暖化が起こることや、また温室効果ガスの生成の増大により、さらに地球温暖化が加速することが明らかとなっている。ＣＯ２（二酸化炭素）は主たる温室効果ガスとして認識されているため、ＣＣＳ（炭素回収および貯留）は、温室効果ガスの大気中への放出を減少させ、地球温暖化を制御する有力な手段のうちの１つと見なされている。この文脈においては、ＣＣＳは、ＣＯ２の回収、圧縮、輸送及び貯留の工程と定義する。回収は、炭素系燃料の燃焼後の煙道ガスのいずれかからＣＯ２を除去する工程、もしくは燃焼前の炭素の除去及び処理と定義する。あらゆる吸収剤、吸着剤の再生、もしくは炭素のＣＯ２を煙道ガスもしくは燃料ガス流から除去する他の手段は、回収処理の一部と見なす。発電プラントにおけるＣＯ２回収には、いくつかの可能なアプローチがある。ＣＯ２回収に関する検討中の主な技術は、いわゆる燃焼前回収、酸素燃焼（ｏｘｙｆｉｒｉｎｇ）、ケミカルループ及び燃焼後回収である。

燃焼前炭素回収は、燃料を燃やす前の全炭素含有量もしくはその一部の除去を含む。天然ガスに関しては、これは一般に蒸気で改質し、その後シフト反応によってＣＯ２及び水素を生成することによって行われる。ＣＯ２は、得られたガス混合物から回収及び除去することが出来る。その後水素を使用して、有用なエネルギーを生成することが出来る。この処理は、合成ガスアプローチとしても知られている。石炭もしくはあらゆる化石燃料に同じアプローチを使用することが出来る。まず燃料をガス化し、次に天然ガスと同じ方法で処理する。ＩＧＣＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：ガス化複合発電）と組み合わせたこのアプローチの用途が予見されている。

オキシファイアリング（別名 純酸素燃焼（ｏｘｙｆｕｅｌ ｆｉｒｉｎｇ）もしくは酸素燃焼（ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ））は、石炭もしくは他の化石燃料を、空気中ではなく、酸素と再循環したＣＯ２の混合物中で燃やす技術である。この技術は、濃縮ＣＯ２の煙道ガス及び蒸気を生成する。これより、単に、燃焼反応の副生成物である水蒸気を凝縮することによってＣＯ２を分離することが出来る。

化学ループ燃焼法は、金属酸化物、一般的には燃焼空気から燃料へ酸素を伝達する金属酸化物を、酸素担体として用いる。燃焼による生成物は、ＣＯ２、還元金属酸化物及び蒸気である。水蒸気を凝縮した後、輸送及び貯留のためＣＯ２流を圧縮してもよい。

現在大規模な工業的応用に最も近いとされているＣＣＳ技術は、圧縮、輸送及び貯留と組み合わせた燃焼後回収である。燃焼後回収では、煙道ガスからＣＯ２を除去する。残っている煙道ガスは大気中に放出され、ＣＯ２は輸送及び貯留のため圧縮される。煙道ガスからＣＯ２を除去する、吸収、吸着、膜分離、及び深冷分離等の、いくつかの既知の技術が存在する。

ＣＯ２回収圧縮のための既知の技術は全て、比較的大量のエネルギーを必要とする。これらの処理を発電プラントとして統合することによる異なる処理及び電力及び性能ペナルティーの最適化に関する多くの出版物がある。

燃焼後回収によるＣＣＳの場合、さらなる処理、つまり、輸送及び貯留を行うためのＣＯ２回収及びＣＯ２の圧縮は、ＣＣＳの無い従来の発電プラントに対する、発電プラントの正味電力出力の減少に関する主たる理由である。

特許文献１は、燃焼後回収やＣＯ２吸収による電力出力ペナルティーを減少させる方法や吸収液の再生の実施例をそれぞれ挙げている。ここでは、吸収剤を再生するため、発電プラントの蒸気タービンの異なる段落から蒸気を抽出して、タービンの出力の低下を最小限に抑えることが提案されている。

同じ背景において、特許文献２は、吸収剤を再生するためのＣＯ２流を圧縮することから生じる圧縮熱を用いることを提案している。

これらの方法は、特定のＣＯ２回収設備の所要電力を減少させることを目的とするが、しかしながら、提案されたＣＯ２回収方法を用いると、常に、プラント容量、つまり、プラントが送電網へ出力可能な最大電力の大幅な低下が起こる。

ＣＯ２回収がプラント出力に及ぼす影響（ｉｍｐａｃｔ）を軽減する第一の試みが、特許文献３に記載されている。ここでは、煙道ガスからＣＯ２を回収するための吸収剤を利用する発電プラントが記載されており、このプラントでは、再生機を電力需要が高い時間はオフにし、これらの時間に吸収剤タンクに保管した吸収剤を用いることによってＣＯ２回収を続けることを記載している。特許文献３は、ＣＯ２回収設備の１つの電力消費減の単純なＯＮ／ＯＦＦモードを記載している。それは、比較的高コストで非常にわずかな運転柔軟性しか得られない。

周波数応答は発電プラントの運転にとって重要な問題であり、さらにＣＯ２の回収および圧縮による発電プラントのために考慮される必要がある。特許文献４には周波数応答の基本原理が記載されており、配電網（ｇｒｉｄ）は公称周波数周辺で変動するグリッド周波数（ｇｒｉｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有している。制御周波数が公称周波数以下に低下すると電力出力が増加し、他方では制御周波数が前記公称周波数以上に上昇すると電力出力が減少するように、前記発電プラントの電力出力は制御周波数の関数として制御される。グリッド周波数は連続的に測定される。特許文献４にはグリッド周波数を平均化し、かつ制御周波数として測定されたグリッド周波数を使用するための有利な方法が記載されているが、この方法はガスタービンの電力出力制御の従来の制御機構に対して限定されている。不足周波数事象に対する応答を可能にするために、発電プラントはいつも部分負荷運転をしなければならない。

欧州特許公開公報第１６８８１７３号 国際特許出願公開第２００７／０７３２０１号明細書 欧州特許公開公報第号０５３７５９３号 欧州特許公開公報第号０８５８１５３号

本発明の主たる課題は、ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラントのための運転方法の周波数応答を最適化することである。本発明の別の課題は、最適化された運転方法に従い運転するために設計されたＣＯ２の回収および圧縮システムを用いた発電プラントである。

課題の一つは、プラントの柔軟性を増し、従ってＣＯ２の回収が無くとも従来の発電プラントに対して競争力を高めるために、ＣＣＳ（炭素回収貯留）の長所を利用することである。本発明によれば、ＣＯ２の回収システムの電力消費は、不足周波数事象時の発電プラントの正味電力出力（Ｄ）のための制御パラメータとして使用される。これに関連して、例えば直接のＣＯ２圧縮機駆動の面に関する電気的電力消費、機械的電力消費、ならびに別のやり方では蒸気タービン内で電気エネルギーに転換できる生蒸気の消費は、ＣＯ２の回収システムの電力消費としてみなされている。さらに不足周波数エクスカーションもしくは低周波数事象とも呼ばれる不足周波数事象は、公称周波数より下の電力グリッド周波数の減少である。特に発電プラントの周波数応答容量は、電力を変更するためにＣＯ２の回収および圧縮設備の電力消費の高速変動を使用して改善され、発電プラントは不足周波数事象時に配電網に電力を供給することができる。

本発明の真髄は、ＣＯ２の回収システムの電力消費を低減するか、あるいはこのＣＯ２の回収システムを停止して、グリッド周波数の低下に対する反動として発電プラントの正味を増大させる発電プラント運転方法である。この発明の背景において、ＣＯ２の回収システムは補助設備を全て備え、圧縮システムを加えた完全なＣＯ２の回収システムとして定義される。この発電プラント運転方法により、発電プラントの現行の制御に加えて、補足柔軟性がもたらされる。この方法を用いて、ＣＯ２の回収システムを発電プラントに統合したことにより、発電プラントの正味出力は不足周波数事象時に極めて高い比率で増大させることができ、部分負荷運転は全く必要とされず、周波数応答のための正味電力容量が保証される。高い比率の電力変動はＣＯ２の回収システムの電力消費の変化率を速くすること（ｆａｓｔ ｇｒａｄｉｅｎｔｓ）により達せられる。従って発電プラントはベース負荷での最適な効率でもって、もしくはベース負荷に近い最適な効率でもって運転することができる。

従来の発電プラントにおいて、発電プラントの総電力出力を増やすことにより、および発電プラントの補助設備あるいは寄生電力消費、および発電プラントのシステムのどれかを減らすことにより、発電プラントの正味出力は不足周波数事象に対応して増大させることができる。総電力出力の増大は電力イプラントのベース負荷に限定されている。さらに発電プラントの総電力出力を増大させることができる比率は、発電プラントの過度電流とイナーシャ時に生じる熱負荷のために限定されている。従来の発電プラントにおいて、さらにいずれの系あるいは補助設備の寄生電力消費を減らす可能性は極めて限定される。一般的に、蒸気あるいは複合発電プラントのための最大の消費設備は、供給水ポンプ、冷却水ポンプおよび冷却設備であり、これらは連続運転の間は電源を切ることができない。

発電プラントの安全な連続運転には要求されない、ＣＯ２の回収および圧縮の大きな電力消により、状況は変わり、かつ発電プラントに関する限界に直面することなく、正味電力の短時間でなされる過渡的変化のための新たな可能性が得られる。事実上、ＣＯ２の回収システムの電力消費は発電プラントの正味電力出力のための制御パラメータとして使用することができる。特にＣＯ２の回収および圧縮のための電力消費は変えることができ、電力グリッド周波数応答要件を満たすために使用することができる。さらに不足周波数事象に応じた発電プラントの高速過渡負荷を消費する長期間は回避でき、あるいはこの長時間は正味電力出力の変更が、ＣＯ２の回収システムの電力消費を制御することにより対処されるとこの新たな設計概念により低減できる。

ＣＯ２の回収および圧縮による周波数応答の別の長所の一つは、予備周波数（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｅｒｖｅ）のための容量がこれ以上全く使用できない場合に配電網により要求されるかもしれない発電プラントの容量を下げた運転を回避できることである。配電網次第で、一部の発電プラントは、不足周波数事象のための予備電力（ｐｏｗｅｒ ｒｅｓｅｒｖｅ）を残しておくために、一部の負荷で、例えば９０％の負荷で運転することを要求されるかもしれない。９０％での運転により、効率は低下する恐れがあり、かつ生産されるＭＷｈ当たりの資本と運転コストは上がる。ここでは、本発明により発電プラントが最適な効率でベース負荷で、あるいはほぼベース負荷で運転することができ、かつＣＯ２の回収システムの電力消費がオフになりかつ周波数応答のために使用されることがあったときでも、尚不足周波数事象の間、固有の予備電力を有している。

正味電力出力のための制御パラメータとしてのＣＯ２の回収システムを使用することの第一のアプローチにおいて、ＣＯ２の回収およびＣＯ２の圧縮の設備あるいはその設備の主たる電力消費設備は、不足周波数事象時に簡単にスイッチが切れることがある。選択された技術とは独立して、ＣＯ２の分離を停止させ、プラントを、ＣＯ２を煙道ガスに排出する従来のプラントのように稼働させる。これによって、寄生電力需要を伴うＣＯ２圧縮が必要とならない。

ＣＯ２の回収および圧縮ユニットを単に停止あるいはさらには遮断させることとは関係なく、ＣＯ２の回収および圧縮設備の低減した容量に対する負荷軽減（ｄｅｌｏａｄｉｎｇ）あるいは部分負荷運転を周波数応答運転（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）のために提案する。低減される容量は、満足できるＣＯ２の回収率を達成するのに必要とされる容量以下のＣＯ２の回収システムの構成設備少なくとも一つを運転することにより実現できる。その結果、回収率は周波数応答時に低減される。

不足周波数事象は本当にまれに、かつ短時間にわたってしか起こらないので、この運転モードのために回収されないＣＯ２の蓄積量は一般に少量であり、かつ無視出来る。配電網に依存して、このような短時間のＣＯ２排出を導く不足周波数事象は、数年に一度しか起こらず、かつほんの数分あるいは２０〜３０分続くにすぎない。

しかしながら、回収設備と圧縮ユニットの柔軟な運転により、ＣＯ２の回収および圧縮による発電プラントの競争力は増す。従ってこれにより、単なるパイロットプラント計画を超えてこの種のプラントを競争力のある市場に早期に発表することができ、結果として
ＣＯ２の排出は減少する。

以下において、ＣＯ２の吸収の例を用いてＣＯ２の回収及び圧縮による周波数サポートのための方法を説明する。この方法と以下に記載したその様々な変形はすべて、ＣＯ２の吸収、吸収剤の再生および回収されたＣＯ２の圧縮を含むＣＯ２の回収方法のために同等に適用できる。

ＣＯ２回収及び圧縮処理の運転は、ＣＯ２の吸収、吸収剤の再生及び回収したＣＯ２の圧縮から成るが、プラント運転の柔軟性を増大させる主な選択肢を三つ提供する。それらは、１つずつ、もしくは全て同時に行うことが出来る。それらは以下の通りである：
１．ＣＯ２圧縮ユニットを停止、もしくは低減容量で運転させる。
２．再生ユニットを停止、もしくは低減容量で運転させる。
３．吸収ユニットを停止、もしくは低減容量で運転させる。

第一の選択肢で既に寄生電力消費を大幅に減少させるが、大量の非圧縮ＣＯ２は経済上保管出来ないため、非常に短期間内にＣＯ２を大気中に放出することになる。従って回収したＣＯ２の一部あるいは全ては、例えば不足周波数事象時にはＣＯ２圧縮のバイパスを経由して放出できる。回収したＣＯ２の安全な処分に関しては、例えば、ＣＯ２吸収ユニットの下流で煙道ガスと混合し、発電プラントのスタックを介して放出することが出来る。

さらに大幅な寄生電力消費の低減が、第二の選択肢によって実現することが出来る。再生は、一般に吸収剤の「再沸騰」によって行うが、これは、ＣＯ２を放出するために吸収剤を蒸気によって加熱することを意味する。そのため、蒸気はそれ以上電力生産のために利用出来ない。一旦ピーク電力需要の間に再生を停止させると、余分な蒸気を電力生産のために利用出来る。

第三の選択肢もまた、吸収工程を停止させるかあるいは行なうものであるが、これにより補助設備の電力消費はさらに低減される。この電力消費の低減は、先の二つの選択肢において達成される節約より大幅に小さい。吸収ユニットに依存して、煙道ガスの一部もしくは全てはこの運転モード時に回収設備の周囲でバイパスされる。

従来の配置における吸収剤は急速に飽和し、それ以上ＣＯ２を回収出来なくなるため、吸収工程の運転自体は、さらなる対策なしには意味をなさない。しかしながら、吸収剤の貯留タンクの大きさに依存して、再生のないＣＯ２の回収とＣＯ２の圧縮は限定された期間の間は可能である。

ＣＯ２の回収と圧縮の遮断がシステムの負荷軽減に比べて極めて速くかつ安全である場合が多いので、システムの少なくとも一部の遮断をプラントの負荷制御と組合せることを提案する。システムの少なくとも一部が遮断されると、結果としての正味電力出力は周波数応答に関するものに比べて大きいことがある。この場合、プラントの総電力出力は、従来のプラント制御を用いて低減でき、配電網毎に要求される適正な正味電力出力は保証される。

ＣＯ２の回収システムの構成設備の停止に加えて、構成設備の部分負荷運転が可能である。例えばＣＯ２の圧縮ユニットの質量流は入口案内翼のような制御手段により低減できる。二つあるいはそれ以上の平行な圧縮機トレインを含む圧縮ユニットの場合、少なくとも一つの圧縮機の停止により、ＣＯ２の圧縮ユニットの電力消費が低減するのも明白である。フル容量で運転している二つの平行な圧縮機トレインの場合、圧縮機トレインの一方の停止により、５０％分だけ電力消費は減り、同様に回収したＣＯ２の５０％が圧縮でき、かつ一般に煙突までバイパスされることを示す。代替えとして、再吸収率を低減することができる。このことは例えば再生ユニットを流れる吸収剤流を低減することにより、そして残留している流れをバイパスし、さらに前記２つの流れが吸収ユニットに入る前に二つの流れを混合することにより達せられる。流れの一部だけが再生ユニットを通過すると、再生に必要とされる蒸気は低減し、余分な蒸気は電力生産に使用できる。再生された吸収剤を再生されない吸収剤を混合した結果として、ＣＯ２を吸収するための結果としての混合は低減し、低割合のＣＯ２は煙道ガスから回収され、より少ないＣＯ２は再生ユニットの圧縮のために放出される。最初にＣＯ２を回収し、次いでバイパスするのはあまり経済的ではないので、回収システムの構成設備全ての容量を同時に低減することを提案する。

不足周波数事象時に、再生せずにもしくは吸収剤を低減した容量で再生せずに、吸収ユニットを運転するための別の可能性は、この不足周波数事象時にＣＯ２のために貯留した吸収剤を使用することである。

限界的配電網状況が生じた場合、周波数が限界の敷居値以下に落ちる前に、指令センターからの信号がＣＯ２の回収システムの電力消費の上記低減をすでに開始することができ、従って配電網を安定化させるのに役立つ。

ＣＯ２回収システムの異なる制御方法が可能である。一実施例は、ＣＯ２回収システムの異なる構成設備の開ループ制御である。これは特に、異なる構成設備のＯＮ／ＯＦＦ制御のみを使用する場合に適している。

また開ループ制御は、ＣＯ２回収システムの連続的な電力消費制御、つまり、異なる構成設備のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによる電力出力における急な段階のない制御を実現する、より高度な運転処理にも考えられる。この実施例では、ＣＯ２回収システムの連続的な電力消費制御は、一度に１つの構成設備の電力消費を変化させることによって実現され、一方、残りの構成設備は、一定の負荷で動作する。しかしながら、閉ループ制御は、例えば、過渡的な運転もしくは変動する境界条件下での運転で有利であることがある。

異なる構成設備の低減容量での運転が予測される場合、閉ループ制御は、負荷分布のさらなる最適化を可能にする。これは特に、ＣＯ２回収率の制御を実行する場合、有利であるである。この場合、ＣＯ２回収システムの電力消費は、一度に１つの構成設備を制御することによっては変化せず、一方、残りの構成設備は、一定の負荷で動作する。異なる構成設備の容量の低下は、協調させねばならない。このため、各構成設備の現在の動作条件のフィードバックは有利であり、閉ループ制御が好ましい。

本発明の別の課題は、ＣＯ２回収システムによるカーボンベースの燃料を燃焼させるための火力発電プラントであり、このプラントは上記の周波数応答方法に従った運転のために設計されている。相応したＣＯ２回収システムにより高速のシステム負荷軽減（ｄｅｌｏａｄｉｎｇ）が可能になっている。

本発明の一実施例は、カーボンベースの燃料を燃焼させている発電プラントであり、この発電プラントは少なくとも一つの煙道ガス流を有している。本発明による発電プラントは、電力発生に関して知られている従来の設備に加えて、煙道ガス流からＣＯ２を除去するためのＣＯ２回収ユニットとＣＯ２圧縮ユニットを備えている。ＣＯ２回収ユニットは、煙道ガス流からＣＯ２を除去する回収設備、ＣＯ２を吸収剤から取除くための再生ユニット、吸収剤あるいは煙道ガスからのＣＯ２を結合するための他の手段、そして搬送に関してＣＯ２の状態を調節するための処理システムを備えているのが一般的である。圧縮ユニットはＣＯ２を圧縮するための少なくとも一つの圧縮機から成る。さらに圧縮ユニットは、圧縮時および／または圧縮後、圧縮されたＣＯ２を再冷却するための少なくとも一つの冷却装置あるいは熱交換器から成っているのが一般的である。

提案された運転構想により運転を可能にするために、発電プラントの蒸気タービンは、最大蒸気流を、ＣＯ２回収ユニットのスイッチを切った状態で発電プラントにより生産されるエネルギーに転換するように設計されている。

別の実施例において、発電機と電気システムはＣＯ２回収ユニットのスイッチを切った状態で生産される最大パワーを電力に転換し、この電力を配電網に送るように設計されている。

このような発電プラントを上記のように運転するのを容易にするために、発電プラントはさらにＣＯ２圧縮機のバイパスを備えていてもよく、このバイパスはＣＯ２を安全に出すことができ、例えばＣＯ２回収ユニットの煙道ガススタック下流部に案内する。

別の実施例において、ＣＯ２回収ユニット、例えば吸収ユニットは運転中ではない場合にでも煙道ガスに耐性があるように設計されている。

代替えとして、ＣＯ２回収ユニットのバイパスを見越してもよく、このバイパスにより
ＣＯ２回収ユニットとは独立した発電プラントを運転することができる。さらにこのバイパスは発電プラントの操業を始めたり、あるいは停止したりするのに有利なだけでなく、
ＣＯ２回収システムのメンテナンス時の発電プラントの運転にも有利である。

他の実施例において、一定の期間ＣＯ２吸収材を供給するために採寸された貯留タンクが設けられており、この貯留タンクによりＣＯ２の圧縮と再吸収が不足周波数時に止まった場合にでも連続的なＣＯ２の回収が可能となる。

ＣＯ２回収システムが複雑なシステムであると、上記の様々な制御方法に関して論議されるような適切な制御システムが要求される。この制御システムは発電プラントの電力制御に依存しているかあるいは影響を与えている。電力制御は発電プラント制御システムの真髄の部分なので、ＣＯ２回収システムの制御を発電プラント制御システムに集約するか、あるいは発電プラント制御システムによりＣＯ２回収システムの制御を調整し、かつ関連があるデータラインをすべて発電プラント制御システムに接続することが長所である。発電プラントが幾つかのユニットから成り、発電プラント制御システムが発電プラント制御装置とユニットマスタ制御装置から成る階層制の構造を有していると、このようにＣＯ２回収システムの制御を各ユニットのマスタ制御装置に統合するかあるいは一元化することが有利である。

代替えとして、ＣＯ２回収システムは、それ専用の制御装置を有し、制御装置は直接のデータリンクを介してプラント制御システムに接続されている。プラント制御システムもしくはユニットの主制御装置は、少なくとも１つの信号をＣＯ２回収プラントの制御装置に送信せねばならない。この信号は、例えば、指令された電力消費信号であるか、もしくは指令された回収率であってもよい。

上記の場合では、ＣＯ２回収制御装置は、必ずしも１つのハードウェア装置ではなく、１つ以上の制御装置によって協調させる駆動装置とグループ制御装置に分散化することが出来る。

ＣＯ２回収システムの制御を発電プラント制御システムによって協調させる場合、高レベルな制御装置は、例えば、指令された質量流量の合計をＣＯ２圧縮ユニットのグループ制御装置に送信することが出来、実際の質量流量の合計を、このグループ制御装置からの入力として受信することが出来る。この実施例における圧縮ユニットは、数列の圧縮機を含む。圧縮機の各列は、それ専用の装置制御装置を有する。グループ制御装置は、異なる圧縮機列における指令されたＣＯ２圧縮質量流量の合計のもっと良い分布方法を決定するアルゴリズムを有し、指令された質量流量を圧縮機各列の装置制御装置に送信する。代わりに、グループ制御装置は、圧縮機各列の実際のＣＯ２圧縮質量流量を取得する。圧縮機各列の装置制御装置は、より低いレベルで従属する制御装置で再び作動することが出来る。

同種の階層を、ＣＯ２回収システムの全ての構成設備の制御に適用することが出来る。

本発明、本発明の本質ならびに長所を、添付した図を利用して以下に詳細に説明する。

ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラントの概略図である。 不足周波数応答事象時の、ＣＯ２の回収および圧縮のための柔軟な運転方法による発電プラントのための電力出力変動を概略的に示した図である。 発電プラントの総出力の補正と組合せた状態の、不足周波数応答事象時の、ＣＯ２の回収および圧縮のための柔軟な運転方法による発電プラントのための電力出力変動を概略的に示した図である。 配電網のさらなる正味電力要求値がＣＯ２の回収及び圧縮システムの中断（ｔｒｉｐ）により満たされた、ＣＯ２の回収および圧縮のための柔軟な運転方法による発電プラントのための電力出力変動を概略的に示した図である。

提案された方法を実行するための発電プラントは、主としてＣＯ２の回収ユニット２とＣＯ２の圧縮ユニット９を加えた従来発電プラント１から成る。

燃焼後回収における代表的な配置を、図１に示す。発電プラント１には、空気３及び燃料４が供給される。その主出力は、プラント総電力Ａ及び煙道ガス１５である。さらに、蒸気をプラント１から抽出し、蒸気管路１３及び蒸気制御弁１４を介してＣＯ２回収ユニット２に供給する。蒸気は、低下した温度で、もしくは凝縮物として、戻り管路６を介してプラント１へ戻され、そこで蒸気サイクルへ再導入される。ＣＯ２回収ユニット２は一般に、ＣＯ２を煙道ガスから吸収剤によって除去するＣＯ２吸収ユニット、及びＣＯ２を吸収剤から放出する再生ユニットから成る。煙道ガスの温度及びＣＯ２吸収ユニットの運転温度範囲によっては、煙道ガス冷却器が必要な場合もある。

ＣＯ２を除去された煙道ガス１６は、ＣＯ２回収ユニットからスタックへ放出される。ＣＯ２回収ユニット２が動作していない場合、煙道ガスバイパス１１を介してバイパスさせることが出来る。

通常の運転では、回収したＣＯ２は、ＣＯ２圧縮機９内で圧縮され、圧縮されたＣＯ２ １０は、貯留するため、もしくはさらに処理を行うため先に送られる。

ＣＯ２回収ユニット２の補助設備を駆動するために電力７が必要であり、ＣＯ２圧縮機９を駆動するために電力８を使用する。従って、送電網Ｄへの正味電力出力は、プラント補助設備１７用の電力によって減少し、ＣＯ２圧縮ユニット８用の電力によって減少し、またＣＯ２回収ユニット７用の電力によって減少した総プラント出力Ａである。

また、発電プラントの制御によってＣＯ２回収及び圧縮に必要な追加の構成設備の制御を統合した、対応する制御システム１８を図１に示す。制御システム１８は、発電プラント１との少なくとも一本の必要な制御信号２２線を有し、ＣＯ２圧縮ユニット９との少なくとも一本の制御信号線を有する。さらに、煙道ガスバイパス１１を含むＣＯ２回収ユニット２との少なくとも一本の制御信号線１９を表示する。回収ユニット２が吸収もしくは吸着を基本原理としている場合、再生ユニットはシステムの一部であり、対応して、再生ユニットへの少なくとも１つの信号線２０を必要とする。また回収ユニット２が、吸着剤／吸収剤２１用の少なくとも１つの貯留タンクを含む場合、貯留システムへの制御信号線を必要とする。蒸気１３を再生に使用する図示の実施例では、蒸気制御弁２４を、制御信号線２４を介して制御する。この制御線は、回収ユニット２の一部である再吸収ユニットに接続されているか、もしくは制御システム１８に直接接続されている。

正味電力Ｄの制御は二つの例を使用しながら説明される。正味電力Ｄの増加は、構成部分がすべてフル運転する運転点から始まる周波数応答のために必要とされる。

単純なアプローチでは、まず、ＣＯ２圧縮機ユニット９の電力消費を制御して低下させることによって、正味出力（Ｄ）を増大させる。圧縮機ユニット９の電力消費電力消費が低下すると、ＣＯ２再生ユニット２から放出されるＣＯ２の量が一定となる。結果的に、ＣＯ２流の一部は、ＣＯ２圧縮ユニットバイパス１２を通ってＣＯ２圧縮機ユニット９をバイパスさせねばならない。一度ＣＯ２圧縮機ユニット９が完全にオフにされると、ＣＯ２再生ユニットの電力消費が低下するよう制御することによって、正味出力Ｄが増大する。最終的には、ＣＯ２再生ユニットが完全にオフにされた場合、ＣＯ２吸収ユニット及び、該当する場合は、煙道ガス冷却器の電力消費を低下するよう制御することで、正味出力Ｄが増大する。ＣＯ２吸収ユニット２が空になるように設計されていない場合、つまり、吸収剤を流し、及び／もしくは煙道ガスの冷却を追加で行わないと、ＣＯ２吸収ユニットを煙道ガス１５に暴露することが出来ない場合、ＣＯ２回収ユニット２用の煙道ガスバイパス１１は、吸収ユニットに利用可能な電力の機能として開くようになっていなければならない。

より高度なアプローチでは、ＣＯ２回収ユニット２及び圧縮ユニット９の全ての構成設備の電力消費が低下するよう制御し協調させることによって、正味出力Ｄを増大させる。目的は、電力消費が低下した状態でのＣＯ２回収率を最大にすることである。この目的のため、全ての構成設備の容量を同時に同じ率で低下させ、全ての構成設備を通るＣＯ２流は同じにする。そのため、電力消費は回収率の関数として変化する。異なる構成設備の流量が確実に一致するようにするため、これらの構成設備からのフィードバックが必要であり、閉ループ制御は有利である。非常に低い回収率では、また、ＣＯ２吸収ユニット２が空になるように設計されていない場合、例えば、吸収剤を流し、及び／もしくは煙道ガスの冷却を追加で行わないと、ＣＯ２吸収ユニットを煙道ガス１５に暴露することが出来ない場合、ＣＯ２回収ユニット１１用の煙道ガスバイパスは、吸収ユニット２に利用可能な電力の機能として開かねばならない。

発電プラントの電力出力に関するＣＯ２の回収システムの主要電力消費設備の影響が図２および４に示してある。さらに発電プラントの補助設備の電力消費の影響はそれ自体これらの図に示されている。

図２には、ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラントの最適化された運転方法による不足周波数事象に関する事例が長い時間をかけて示してある。時間Ｔ＝０秒において、は運転の面でＣＯ２の回収および圧縮システムによるベースロードで通常の運転状態にある。の新しい電力出力Ｄに関するＣＯ２の回収システムのプラント補助設備と主たる電力消費設備の影響は、発電プラントの異なる段階での相対出力Ｐ_ｒを表示することにより示してある。この図で示した電力出力は全て、再吸収のための抽気を伴うベース負荷におけるプラントの総電力出力Ａにより正常化されている。Ａ’は再吸収のための抽気が無い総電力出力である。Ｂはプラント補助設備により低減した総電力出力である。ＣはＢがＣＯ２の圧縮によりさらに低減した後の総電力出力である。ＤはＣが電力消費により低減した後の結果として生じたプラントの正味電力出力である。正常化されたグリッド周波数Ｆ_Ｇは定格のグリッド周波数により正常化された周波数であり、一般的に５０Ｈ_Ｚあるいは６０Ｈ_Ｚである。

提案された運転方法によれば、ＢからＣおよびＣからＤへの電力低減、ならびにＡからＡ’への総電力の増大は、不足周波数事象時の正味電力出力を制御するために使用される。この事例において、正味電力Ｄは、２０から３０秒までの期間の間に正常化されたグリッド周波数Ｆ_Ｇが１００から９９．８％に落ちる時に一定に保たれる。なぜなら制御装置が設計の周波数からの逸脱に対して反応しない０．２％の不感帯域を有しているからである。周波数がＴ＝３５秒で９９．３％に落ち続けると、周波数応答は活発になり、正味電力出力ＤはＴ＝３０秒とＴ＝３５秒の間でＣＯ２の圧縮の制御された運転停止により増大する。正常化されたグリッド周波数Ｆ_ＧがＴ＝３５秒とＴ＝４０秒の間で９８％まで落ち続けると、ＣＯ２再生はさらに停止され、蒸気はそれ以上再吸収のために抽出されない。従って、総電力はＡからＡ’まで増大し、正味電力出力Ｄはそれに応じて落ちる。正味電力出力Ｄを増大させるための最終工程において、ＣＯ２の吸収はＴ＝４０秒とＴ＝４５秒の間で停止され、周波数Ｆ_Ｇは９７．５％で安定する。

図３において、ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラントの最適化された運転方法による不足周波数事象を時間外で示した。Ｔ＝０秒の際に、発電プラントは運転にあたり
ＣＯ２の回収および圧縮によるベース負荷で正常運転状態にある。

この事例において、正常化されたグリッド周波数Ｆ_ＧはＴ＝２０秒とＴ＝３０秒の期間の間で１００％から９９．８％に落ちる。０．２％の不感帯域のために、３０秒までは何の制御動作も起こらない。周波数がＴ＝３０秒とＴ＝３５秒の間に９９．３％まで落ち続けると、正味電力出力Ｄは周波数応答として、ＣＯ２の圧縮の制御された停止により増大する。正常化されたグリッド周波数Ｆ_ＧはＴ＝３５秒とＴ＝４０秒の間に９７．８％まで落ち続けるので、ＣＯ２再生はさらに停止され、蒸気はそれ以上再吸収のために抽出されない。従って、総電力はＡからＡ’まで増大し、正味電力出力Ｄはそれに応じて落ちる。Ｔ＝４０秒とＴ＝４５秒の間で正常化されたグリッド周波数Ｆ_Ｇは９８％まで回復し、正味電力Ｄは総電力Ａ’の低減により減り、不足周波数に相当しているグリッド正味電力要求を満たす。同時に正常化されたグリッド周波数Ｆ_Ｇは９８％で安定する。

図４は不足周波数応答事象時のＣＯ２の回収および圧縮のための柔軟な運転方法による発電プラントの電力出力のばらつきのための第三の事例を示している。この事例において、グリッドの別の正味電力要求がＣＯ２の回収および圧縮システムの構成設備の突然の停止により満たされる。

さらに、Ｔ＝０秒で、発電プラントは運転にあたりＣＯ２の回収および圧縮によるベース負荷で正常運転状態にある。正味プラント電力出力Ｄに関するＣＯ２の回収および圧縮システムの補助設備と主たる消費設備の影響は、発電プラントの様々な工程において相対出力Ｐｒを知らせることにより示してある。この図で示した電力出力はすべて、再吸収のための抽気によるベース負荷においてプラント総電力出力Ａにより正常化されている。Ａ’は再吸収のための抽気が無い総電力出力である。Ｂはプラント補助設備により低減した総電力出力である。ＣはＢがＣＯ２の圧縮によりさらに低減した後の総電力出力である。ＤはＣが電力消費により低減した後の結果として生じたプラントの正味電力出力である。

０．２％の不感帯域を呈していて、正味出力Ｄが正常化されたグリッド周波数として一定であると、Ｆ_ＧはＴ＝２０秒とＴ＝３０秒の期間の間で１００から９９．８％まで落ちる。周波数の逸脱が０．２％を一度超えると、周波数応答は活発になり、正味出力ＤはＴ＝３０秒でＣＯ２の圧縮の突然の停止あるいは中断により増大する。それ以上の制御動作は全く起こらないが、周波数Ｆ_ＧはＴ＝３５秒で９９％まで落ち続ける。正常化されたグリッド周波数Ｆ_Ｇが９９％まで落ち続けると、ＣＯ２の再生はさらに中断（ｔｒｉｐ）され、蒸気はそれ以上再吸収のために抽出されない。従って、総電力はＡからＡ’まで増大し、正味電力出力Ｄはそれに応じて増大する。それ以上の制御動作は何も起こらないが、周波数Ｆ_ＧはＴ＝３５秒とＴ＝４０秒の間で９８％まで落ち続ける。正味電力出力Ｄを増大させるための最終工程において、正味周波数が一度Ｔ＝４０秒で９８％まで落ちると、ＣＯ２の吸収は中断される。さらに正味周波数ＦＧは安定すると９７．５％に落ちる。

先に記載されかつ図に示した好適な実施例は、当業者に対しては、好適実施例とは異なっていてかつ本発明の範囲内に含まれている実施例を開示している。

低温のＣＯ２を分離する場合に、あるいは上昇した圧力レベルでの吸収の場合に使用されるような、煙道ガスを再圧縮するために使用される電力を、電力に関する高い要求がある時間に節約するかあるいは低減することができる。もしくは冷却アンモニアを用いてＣＯ２を分離する場合に、不足周波数事象時に冷却電力を節約するかあるいは低減することができる。さらに方法およびＣＯ２の圧縮が無い相当する発電プラントも想到可能である。

ここで与えられた事例において、グリッド周波数の低下と制御動作の間の時間差を示してある。測定速度、信号の伝送速度および制御装置の速度次第で、秒のオーダー内にある著しい時間の遅延がありえる。

さらにガスタービンベースの発電プラントにおいて、あるいは組合せた発電プラントにおいて、対策が全くとられていないと、不足周波数事象により、ガスタービンの総電力出力が減ってしまうことになる。一般的に設計温度を超えた高いガス温度の上昇である過大加熱は、ガスタービン内の周波数応答のために行なわれる。周波数応答のための標準的な対策は、ＣＯ２の回収および圧縮を用いた発電プラントのために記載された特徴と組合せることができる。

１ 発電プラント
２ ＣＯ２の回収ユニット
３ 空気
４ 燃料
６ 戻り管
７ ＣＯ２の回収ユニットのための電力
８ ＣＯ２の圧縮ユニットのための電力
９ ＣＯ２の圧縮
１０ 圧縮されたＣＯ２
１１ ＣＯ２の回収ユニットのための煙道ガスバイパス
１２ ＣＯ２の圧縮ユニットバイパス
１３ ＣＯ２の回収ユニットへの蒸気
１４ 蒸気制御弁
１５ ＣＯ２の回収ユニットへの煙道ガス
１６ ＣＯ２を除去された煙道ガス
１７ ＣＯ２の回収および圧縮は除外した、発電プラントの補助設備のための電力
１８ 制御システム
１９ ＣＯ２の回収ユニットおよび煙道ガスバイパスとの制御信号交換
２０ 再生ユニットとの制御信号交換（該当する場合）
２１ 吸収剤／吸着剤貯留システムとの制御信号交換（該当する場合）
２２ 総電力及び正味電力を含むＣＯ２回収を行わない従来の発電プラントに関する発電プラント制御信号の交換
２３ ＣＯ２圧縮ユニット及び圧縮機バイパスとの制御信号交換
２４ 制御システムから直接来る、もしくは再生ユニットを介して来る蒸気制御弁への制御信号の交換（該当の場合）
Ａ ＣＯ２再吸収用の蒸気抽気を伴うプラントの総電力出力
Ａ’ ＣＯ２再吸収用の蒸気抽気を伴うプラントの総電力出力
Ｂ ＣＯ２回収及び圧縮がなしでプラント補助設備によって低減されたＡ
Ｃ 配電網の電力需要によって変化する、ＣＯ２圧縮用の所要電力によって低減されたＢ。
Ｄ ＣＯ２回収プラントの正味電力出力（配電網の電力需要によって変化する、吸収用の所要電力によって低減されたＣ）
ＦＧ 正常化されたグリッド周波数

Claims (17)

1. 制御システム（１８）とＣＯ２回収システムにより発電プラント（１）を運転するための方法において、
   ＣＯ２回収システムの電力消費が、不足周波数事象時に正味電力出力（Ｄ）のための制御パラメータとして使用されることを特徴とする方法。
2. ＣＯ２回収システムが、配電網に補助的電力を供給するために低減された容量で運転されるかあるいは停止されること、および
   この補助的電力が不足周波数事象時に電力配電網の周波数応答必要条件を満たすように使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ＣＯ２回収システムが運転中であり、ＣＯ２回収システムの電力消費が発電プラントの周波数応答に関して使用できる場合に、発電プラント（１）がほぼベース負荷であるいはベース負荷で運転されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ＣＯ２回収率が不足周波数事象時にＣＯ２回収システムの電力消費を制御するために変化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
5. ＣＯ２圧縮回収ユニット（９）が不足周波数事象時に低減された容量で停止されるかあるいは運転されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
6. ＣＯ２圧縮ユニット（９）が低減された容量で停止されるかあるいは運転されること、および
   回収されたＣＯ２の一部あるいは全てが不足周波数事象時に前記ＣＯ２圧縮ユニットのバイパス（１２）を経由して放出されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
7. ＣＯ２回収システム（２）に構成された再生ユニットが不足周波数事象時に低減された容量で停止されるかあるいは運転されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
8. ＣＯ２回収システム（２）に構成された吸収ユニットが不足周波数事象時に低減された容量で停止されるかあるいは運転されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
9. ＣＯ２回収システム（２）に構成された吸収ユニットが低減された容量で停止されるかあるいは運転されること、および
   煙道ガスの一部あるいは全てが、不足周波数事象時にＣＯ２回収設備の周りでバイパスされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法。
10. ＣＯ２回収システム（２）に構成された再生ユニットの蒸気（１３）の消費が、低減された容量で停止されるかあるいは運転されるために低減されること、および
    余分な蒸気が不足周波数事象時に補助的電力生産のために発電プラント（１）の現行の蒸気タービンに供給されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
11. 不足周波数事象時に、再生が停止されるかあるいは低減された容量で吸収剤もしくは吸収剤のある場所が停止されること、および
    貯留された吸収剤、あるいは吸収剤が不足周波数事象時に使用されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. ＣＯ２回収システムが閉ループ制御システム（１８）により制御され、この閉ループ制御システムが発電プラント制御システムに集約されるか、あるいは発電プラント制御システムにより調整されるか、もしくは発電プラント制御システムに対して直接のデータリンク（２２）を備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の方法。
13. ＣＯ２回収システム（２）を備えた発電プラント（１）において、
    発電プラント（１）が請求項１の方法に従って運転するように設計されていることを特徴とする発電プラント（１）。
14. 少なくとも一つの蒸気タービンが最大の蒸気流を、ＣＯ２回収ユニットのスイッチを切った状態で発電プラントにより生産されるエネルギーに転換するように設計されていることを特徴とする請求項１３に記載の発電プラント（１）。
15. 少なくとも一つの発電機と電気システムが、ＣＯ２回収ユニットのスイッチを切った状態で生産される最大パワーを電力に転換し、この電力を配電網に送るように設計されていることを特徴とする請求項１３または１４に記載の発電プラント。
16. ＣＯ２圧縮ユニット（９）および／または吸収ユニットのバイパス（１２，１１）が設けられていることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一つに記載の発電プラント。
17. 吸収ユニットが、運転中ではない場合にでも煙道ガス（１５）に耐性があるように設計されていることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一つに記載の発電プラント。

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