JP2016183840A

JP2016183840A - 発電設備

Info

Publication number: JP2016183840A
Application number: JP2015065102A
Authority: JP
Inventors: 長谷川　武治; Takeji Hasegawa; 武治長谷川; 高橋　毅; Takeshi Takahashi; 高橋　　毅
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP6482021B2

Abstract

【課題】再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、運転中の発電設備の出力を細かく追従させる。
【解決手段】再生可能エネルギー発電設備２０の出力が低下した場合、電力系統９の要求出力を賄うために、ボイラ２、燃焼器１２にアンモニアが投入され、蒸気タービン３、タービン１３の出力を上げて、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の低下に追従させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、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併用された発電設備に関する。

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、火力発電設備を同時に用い、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変化（増加）させる必要がある。

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。

再生可能エネルギー発電設備と火力発電設備を同時に用いた設備では、通常時に、再生可能エネルギー発電設備及び火力発電設備を併用し、電力需要に対する電力を賄う設備もある。このような場合、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、運転中の火力発電設備の出力を迅速に対応させる必要がある。

しかし、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、運転中の火力発電設備の出力を細かく追従させるためには、微粉炭等の燃料の供給を細かく制御する必要がある。しかし、微粉炭等の燃料の供給を細かく制御するためには、燃料供給手段が大掛りになる等の問題があり、実現は困難であるのが現状であった。

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、再生可能エネルギー発電設備と火力発電設備を同時に用いた発電設備において、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、運転中の火力発電設備の出力を細かく追従させることができる発電設備を提供することを目的とする。

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、燃料が投入される燃焼手段と、前記燃焼手段により得られるエネルギーにより発電を行う発電手段と、前記発電手段で発電された電力が送られる電力系統と、前記電力系統に接続される再生可能エネルギー発電設備と、前記燃焼手段にアンモニアを投入するアンモニア投入手段と、前記再生可能エネルギー発電設備の出力の変動に応じて前記アンモニア投入手段による前記アンモニアの投入を制御するアンモニア調整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、再生可能エネルギー発電設備の出力が変化した時に、アンモニア調整手段により、アンモニア投入手段からのアンモニアの燃焼手段への投入を制御し、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し発電手段の出力を追従させる。これにより、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、燃焼手段に投入される主燃料の供給に影響を与えずに、運転中の発電手段（火力発電設備）の出力を細かく追従させることができる。

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、系内の熱源を用いて、前記アンモニア投入手段から投入される前記アンモニアから水素を得る水素発生手段と、前記水素発生手段で発生した水素を前記燃焼手段に供給する水素供給手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、水素発生手段により、系内の熱源を用いてアンモニアから水素を得て、水素供給手段により水素を燃焼手段に供給するので、外部のエネルギーを用いることなく燃焼手段で窒素酸化物を還元することができる。

また、請求項３に係る本発明の発電設備は、請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、前記燃焼手段は、炉内で燃料が燃焼されることで蒸気を発生させるボイラであり、前記発電手段は、前記ボイラで発生した蒸気を膨張して発電動力を得る蒸気タービンであることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、ボイラで発生した蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う火力発電設備の出力を細かく追従させることができる。

また、請求項４に係る本発明の発電設備は、請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、前記燃焼手段は、燃料が投入されて燃焼ガスを得る燃焼器であり、前記発電手段は、前記燃焼器で得られた燃焼ガスを膨張して発電動力を得るガスタービンであることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、燃焼器で得られた燃焼ガスによりガスタービンを駆動して発電を行う火力発電設備の出力を細かく追従させることができる。

また、請求項５に係る本発明の発電設備は、請求項３もしくは請求項４に記載の発電設備において、前記燃焼手段の排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、前記アンモニア投入手段は、前記脱硝手段に供給されるアンモニアを前記燃焼手段に投入する手段であることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、系の内部に備えられた脱硝手段に用いられるアンモニアを燃焼手段に投入することができ、別途、アンモニアを供給するための設備を必要としない。

本発明の発電設備は、再生可能エネルギー発電設備と火力発電設備を同時に用いた発電設備において、再生可能エネルギー発電設備の出力の変化に対し、運転中の火力発電設備の出力を細かく追従させ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。蒸気タービンを備えた火力発電設備の概略系統図である。ガスタービンを備えた火力発電設備の概略系統図である。ガスタービンを備えた火力発電設備の概略系統図である。電力の要求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には蒸気タービンを備えた火力発電設備の概略系統、図３にはガスタービンを備えた火力発電設備の概略系統、図４には他の実施例に係る火力発電設備の概略系統図、図５には要求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、石炭を燃料とする燃焼手段としてのボイラ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（発電手段）。発電機４で発電された電力は電力系統９に送られる。電力系統９からは外部の負荷１０に電力が供給される。

また、発電設備１１は、例えば、石炭ガス化ガスを燃料とする燃焼手段としての燃焼器１２が備えられ、燃焼器１２で生成された燃焼ガスを駆動源とするタービン１３を備えたタービン設備１４が備えられている。タービン１３により発電機１５が駆動され、電力が得られるようになっている（発電手段）。発電機１５で発電された電力は電力系統９に送られる。

一方、電力系統９には、再生可能エネルギー発電設備２０からの電力が供給される。再生可能エネルギー発電設備２０は、例えば、複数の太陽光発電手段２１、複数の風力発電手段２２が適用される。尚、再生可能エネルギー発電設備２０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、１１と再生可能エネルギー発電設備２０は、多数の設備が並列して運用される。例えば、電力の要求出力により、再生可能エネルギー発電設備２０による電力、及び、発電設備１、１１の電力が電力系統９に供給されて負荷１０の電力（要求出力）が賄われる。再生可能エネルギー発電設備２０は、自然環境により出力が大きく変化するため、安定した電力需要（要求出力）に対応する必要がある。

このため、再生可能エネルギー発電設備２０の出力が低下した場合、電力系統９の要求出力を賄うために、ボイラ２、燃焼器１２にアンモニアが投入され（アンモニア投入手段）、蒸気タービン３、タービン１３の出力（発電手段の出力）を上げて、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の低下に追従させる。つまり、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の低下に応じて、アンモニアの投入を制御し（アンモニア調整手段）、蒸気タービン３、タービン１３の出力（発電手段の出力）を上昇させる。

これにより、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の変化に対し、ボイラ２、燃焼器１２に投入される主燃料の供給に影響を与えずに、運転中の発電設備１、１１（火力発電設備）の出力を細かく追従させることができ、負荷１０の要求出力を維持することができる。

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。ボイラ２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が駆動することにより、発電機４で発電出力が得られる。蒸気タービン３の排気蒸気は復水器５で凝縮されて復水され、復水器５からの復水はボイラ２に給水される。

ボイラ２の排気ガスは、脱硝装置３１（脱硝手段）でＮＯ_ｘが除去された後、煙突から大気に放出される。脱硝装置３１にはアンモニア供給装置３２からアンモニアが供給され、排ガス中にアンモニアが投入されてＮＯ_ｘが浄化される。アンモニア供給装置３２からは、燃料としてアンモニアをボイラ２に供給できるようになっている（アンモニア投入手段）。

アンモニア供給装置３２からは、アンモニア調整装置３３の指令により、アンモニアが燃料としてボイラ２に供給される。つまり、アンモニア調整装置３３には再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力変動の情報が入力され、出力の変動に応じて、ボイラ２にアンモニアを投入する指令が出力される。

例えば、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力が低下した場合、電力系統９（図１参照）の要求出力を賄うために、ボイラ２にアンモニアが投入されるようにアンモニア調整装置３３から指令が出力される。アンモニア供給装置３２からアンモニアがボイラ２に追加の燃料として供給され、蒸気タービン３の出力を上げて、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の低下に追従させる。つまり、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の低下に応じて、アンモニアの投入を制御し、蒸気タービン３の出力を上昇させる。

これにより、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の変化に対し、ボイラ２に投入される主燃料の供給に影響を与えずに、運転中の発電設備１の出力を細かく追従させることができ、負荷１０の要求出力を維持することができる。

尚、アンモニア供給装置３２からのアンモニアの一部から、系内の熱を用いて水素を発生させ、水素をボイラ２に供給することも可能である（水素供給手段）。水素をボイラ２に供給することで、外部のエネルギーを用いることなくボイラ２で窒素酸化物を還元することができる。

図３に基づいて、発電設備１１を具体的に説明する。

図３に示すように、発電設備１１は圧縮機１６及びタービン１３を備え、圧縮機１６で圧縮された圧縮空気と燃料（ガスもしくは液体）が燃焼器１２に送られる。燃焼器１２からの燃焼ガスはタービン１３で膨張されて動力が得られ、発電機１５が駆動される。タービン１３の排気ガスは排熱回収ボイラ１７で熱回収され、脱硝装置１８（脱硝手段）でＮＯ_ｘが除去された後、煙突から大気に放出される。

脱硝装置１８にはアンモニア供給装置２５からアンモニアが供給され、排ガス中にアンモニアが投入されてＮＯ_ｘが浄化される。アンモニア供給装置２５からは、燃料としてアンモニアを燃焼器１２に供給できるようになっている（アンモニア投入手段）。

アンモニア供給装置２５からは、アンモニア調整装置２６の指令により、アンモニアが燃料として燃焼器１２に供給される。つまり、アンモニア調整装置２６には再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力変動の情報が入力され、出力の変動に応じて、燃焼器１２にアンモニアを投入する指令が出力される。

例えば、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力が低下した場合、電力系統９（図１参照）の要求出力を賄うために、燃焼器１２にアンモニアが投入されるようにアンモニア調整装置２６から指令が出力される。アンモニア供給装置２５からアンモニアが燃焼器１２に追加の燃料として供給され、タービン１３の出力を上げて、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の低下に追従させる。つまり、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の低下に応じて、アンモニアの投入を制御し、タービン１３の出力を上昇させる。

これにより、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の変化に対し、燃焼器１２に投入される主燃料の供給に影響を与えずに、運転中の発電設備１１の出力を細かく追従させることができ、負荷１０の要求出力を維持することができる。

尚、図４に示したように、アンモニア供給装置２５からのアンモニアの一部を排熱回収ボイラ１７で加熱して水素を発生させ、排熱回収ボイラ１７で発生させた水素を燃焼器１２に供給することも可能である（水素供給手段）。排熱回収ボイラ１７で発生させた水素を燃焼器１２に供給することで、外部のエネルギーを用いることなく燃焼器１２で窒素酸化物を還元することができる。高温の水素を燃焼器１２に供給するので、再生可能エネルギー発電設備２０（図１参照）の出力の変化に対して追従しやすい。

また、燃焼手段を備えた再燃型の排熱回収ボイラを適用した場合、排熱回収ボイラ１７で加熱されて得られた水素の一部（もしくは全部）を排熱回収ボイラの燃焼手段に投入することも可能である（図中点線で示してある）。この場合、アンモニア供給装置２５からのアンモニアの一部を排熱回収ボイラ１７の燃焼手段に投入することも可能である（図中点線で示してある）。

上述したように、再生可能エネルギー発電設備２０の出力が低下した場合、電力系統９の要求出力を賄うために、ボイラ２、燃焼器１２にアンモニアが投入され、蒸気タービン３、タービン１３の出力を上げて、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の低下に追従させている。

図５に基づいて電力の要求出力の経時変化を説明する。

自然環境の変化により、１日の中で再生可能エネルギー発電設備２０による発電が不安定になった場合、要求出力（実線で示してある）に対して、出力が低下して不安定な状況になる（点線で示してある）。発電設備１、１１で、アンモニアの投入を制御し（アンモニア調整手段）、蒸気タービン３、タービン１３の出力（発電手段の出力）を上昇させることで、図５に実線で示した要求出力と、点線で示した低下出力との間の部分（網目部分）の出力を賄うことができる。

つまり、アンモニアを燃料として追加投入することにより、ボイラ２、燃焼器１２に投入される主燃料の供給に影響を与えずに、運転中の発電設備１、１１の出力を細かく追従させることができ、負荷１０の要求出力を維持することができる。

従って、再生可能エネルギー発電設備２０と火力発電設備（発電設備１、１１）を同時に用いた発電設備において、再生可能エネルギー発電設備２０の出力の変化に対し、運転中の発電設備１、１１の出力を細かく追従させることが可能になる。

本発明は、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併用された発電設備の産業分野で利用することができる。

１、１１発電設備
２ボイラ
３蒸気タービン
４、１５発電機
５復水器
９電力系統
１０負荷
１２燃焼器
１３タービン
１６圧縮機
１７排熱回収ボイラ
１８、３１脱硝装置
２０再生可能エネルギー発電設備
２１太陽光発電設備
２２風力発電設備
２５、３２アンモニア供給装置
２６、３３アンモニア調整装置

Claims

燃料が投入される燃焼手段と、
前記燃焼手段により得られるエネルギーにより発電を行う発電手段と、
前記発電手段で発電された電力が送られる電力系統と、
前記電力系統に接続される再生可能エネルギー発電設備と、
前記燃焼手段にアンモニアを投入するアンモニア投入手段と、
前記再生可能エネルギー発電設備の出力の変動に応じて前記アンモニア投入手段による前記アンモニアの投入を制御するアンモニア調整手段とを備えた
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、
系内の熱源を用いて、前記アンモニア投入手段から投入される前記アンモニアから水素を得る水素発生手段と、
前記水素発生手段で発生した水素を前記燃焼手段に供給する水素供給手段とを備えた
ことを特徴とする発電設備。
請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、
前記燃焼手段は、炉内で燃料が燃焼されることで蒸気を発生させるボイラであり、
前記発電手段は、前記ボイラで発生した蒸気を膨張して発電動力を得る蒸気タービンである
ことを特徴とする発電設備。
請求項１もしくは請求項２に記載の発電設備において、
前記燃焼手段は、燃料が投入されて燃焼ガスを得る燃焼器であり、
前記発電手段は、前記燃焼器で得られた燃焼ガスを膨張して発電動力を得るガスタービンである
ことを特徴とする発電設備。
請求項３もしくは請求項４に記載の発電設備において、
前記燃焼手段の排気ガスの脱硝を行う脱硝手段を備え、
前記アンモニア投入手段は、前記脱硝手段に供給されるアンモニアを前記燃焼手段に投入する手段である
ことを特徴とする発電設備。