JP2017127092A

JP2017127092A - 電力調整方法

Info

Publication number: JP2017127092A
Application number: JP2016004221A
Authority: JP
Inventors: 裕樹杉; Hiroki Sugi
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-13
Also published as: JP6365553B2

Abstract

【課題】コスト増を抑制し、かつ、電力の損失をも抑制しながら、外部への電力供給量を制御する電力調整方法を提供する。【解決手段】製造プラントに設置されている加熱源として化石燃料および電力を用いる加熱炉を使用した電力調整方法であって、前記製造プラント内の電力変化に基づいて、前記加熱炉に前記化石燃料の使用量および使用電力を指示し、前記製造プラント内の使用電力を制御することで、外部への電力供給量を制御することを特徴とする電力調整方法。【選択図】図２

Description

本発明は、製造プラントにおける電力調整方法に関する。

製造プラント内に設置された発電所から託送供給により外部電力網へ電力を供給（売電）する場合は、電力系統を安定化させるため、外部への供給計画値と供給実績とを３０分間で一致させる（３０分同時同量）必要があった。供給計画値と供給実績との３０分同時同量を達成できない場合は、ペナルティが課せられる。すなわち、供給計画値に対して電力供給量が不足した場合には割高なインバランス料金の補填が必要となる。また、供給計画値に対して電力供給量が超過した場合、超過した電力については、通常よりも割安な料金で売電しなくてはならなかった。そのため、発電プラント内に蓄電設備を設け、当該蓄電設備に余剰電力を充電することで、発電プラント内の電力の運用を最適化する方法が提案されていた（特許文献１）。

特開２０１４−７９０９４号公報

しかしながら、蓄電設備を用いた方法は、製鉄所のように大規模な電力変動が発生する製造プラントでは大きな蓄電容量が必要となり、蓄電設備の製造コストが高くなるという課題がある。また、蓄電設備における電気の充放電効率は１００％ではないので、蓄電設備に充電する電力が多くなればなるほど、充電および放電によって損失する電力が多くなる。製鉄所のように大規模な電力変動が発生する製造プラントでは、蓄電設備に充電する電力も多くなるので、充放電によって損失する電力が多くなるという課題もある。本発明は、このような従来技術が抱える課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト増を抑制し、かつ、電力の損失をも抑制しながら、外部への電力供給量を制御する電力調整方法を提供することにある。

このような課題を解決するための本発明の特徴は、以下の通りである。
（１）製造プラントに設置されている加熱源として化石燃料および電力を用いる加熱炉を使用した電力調整方法であって、前記製造プラント内の電力変化に基づいて、前記加熱炉に前記化石燃料の使用量および使用電力を指示し、前記製造プラント内の使用電力を制御することで、外部への電力供給量を制御することを特徴とする電力調整方法。
（２）前記製造プラントは、製鉄所であることを特徴とする（１）に記載の製造プラントの電力調整方法。

本発明の電力調整方法を実施することで、製造プラント内の電力変動に対応させて、加熱炉における燃料使用量および使用電力を制御する。これにより、コスト増を抑制し、かつ、電力の損失をも抑制しながら外部への電力供給量を制御できる。

製鉄所における（ａ）使用電力と、（ｂ）発電電力と、（ｂ）外部供給電力の時間的変化の一例を示す。本実施形態に係る電力調整方法が実施される製造プラントの一例である製鉄所１０を示す。加熱炉２０におけるガスの使用量および使用電力を指示するか否かを判断する基準の一例を示すグラフである。８：００から８：３０までの電力調整方法を説明するグラフである。電力調整方法における電力調整処理を説明するフロー図である。

以下に製造プラントとして製鉄所を例にして本発明の実施形態を説明する。まず、製鉄所における電力変化について説明する。

図１は、製鉄所における（ａ）使用電力と、（ｂ）発電電力と、（ｃ）外部供給電力の時間的変化の一例を示す。図１（ａ）における縦軸は、使用電力（ＭＷ）、横軸は、時間（ｈ）を示す。プロファイル３０は、製鉄所における合計の使用電力の時間的変化を示す。また、プロファイル３２は、圧延工場における仕上圧延設備の使用電力の時間的変化を示し、プロファイル３４は、粗圧延設備の使用電力の時間的変化を示し、プロファイル３６は、電気炉の使用電力の時間的変化を示す。

図１（ａ）中段のプロファイル３２が示すように、仕上圧延設備の使用電力は、鋼材の圧延開始と同時に急増し、圧延終了後と同時に０に急減するというサイクルを繰り返す。また、プロファイル３４に示すように、粗圧延設備においても、同じように鋼材を圧延すると同時に使用電力は急増し、鋼材に圧延終了と同時に０になる。また、図１（ａ）下段のプロファイル３６が示すように、電気炉においては、電気炉の使用開始と同時に使用電力は急増し、電気炉の使用終了と同時に０になる。そして、図１（ａ）上段のプロファイル３０が示すように、これらの使用電力の変化を受けて、製鉄所における合計の使用電力は大きく変動する。

図１（ｂ）は、製鉄所内の発電所で発電される電力の時間的変化を示す。図１（ｂ）の縦軸は、使用電力（ＭＷ）、横軸は、時間（ｈ）を示す。図１（ｂ）に示すように、発電所で発電される電力は、ほぼ一定になる。

図１（ｃ）は、製鉄所の発電所で発電された電力のうち、外部に供給された電力の時間的変化を示す。外部に供給される電力は、製鉄所の発電所で発電される電力から使用電力を除いた電力になる。このように、発電所で発電される電力は一定であるが、製鉄所で使用される電力が大きく変動するので、この結果、外部に供給される電力も大きく変動する。

上述したように、外部への電力の供給（売電）は、予め外部の電力買取業者に連絡した３０分間毎の供給計画値と、外部への電力供給量とを一致しない場合にはペナルティが課せられる。図１（ｂ）に示すように、発電所において発電される電力は一定であることから、製鉄所で使用される電力を制御できれば、外部への電力供給量を供給計画値に一致できる可能性がある。

そこで、本実施形態においては、製鉄所に加熱源としてガスおよび電力を用いる加熱炉を設け、当該加熱炉を用いた電力調整方法を実施する。すなわち、製鉄所内の電力変化に基づいて、加熱炉のガスの使用量および使用電力を指示することで、製鉄所の使用電力を制御する。これにより、外部への電力供給量を制御でき、予め外部の電力買取業者に連絡した３０分毎の供給計画値に対して、外部への電力供給量を一致させることができる。以下にこの電力調整方法を、図を用いて詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る電力調整方法が実施される製鉄所１０を示す。製鉄所１０は、製造プラントの一例であって、鉄鉱石から鉄鋼製品を製造する工場である。製鉄所１０は、ガス発生設備１２と、ガス貯蔵設備１４と、発電所１６と、ガス供給配管１８と、加熱炉２０と、電気使用設備２２と、製鉄所内送電網２４と、外部電力量計２６と、外部送電網２８とを備える。

ガス発生設備１２は、燃料として使用できる可燃性ガス（以下、可燃性ガスを「ガス」と称する）を副生する設備である。製鉄所１０におけるガス発生設備１２は、例えば、高炉である。高炉は、コークスを用いて鉄鉱石を加熱・還元して溶銑を製造する炉であって、コークスの燃焼および鉄鉱石の還元により高炉ガスを副生する。なお、高炉ガスの主成分は、Ｎ_２、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｈ_２である。

ガス発生設備１２で副生されたガスは、ガス供給配管１８を通じてガス貯蔵設備１４、発電所１６または加熱炉２０へ搬送される。ガス貯蔵設備１４に搬送されたガスは、当該ガス貯蔵設備１４に貯蔵される。発電所１６に搬送されたガスは、発電用の燃料として使用される。また、加熱炉２０へ搬送されたガスは、加熱炉２０において加熱源の燃料として使用される。

発電所１６は、ガス発生設備１２において副生されたガスを燃料として発電する。発電所１６によって発電された電力は、製鉄所内送電網２４を通じて加熱炉２０、電気使用設備２２および外部送電網２８に供給される。なお、発電所１６で使用される燃料は、ガス発生設備１２で副生されたガスに限らず、都市ガスや重油等、製鉄所外部から購入された燃料を用いてもよい。

ガス供給配管１８は、ガスを搬送する配管であって、ガス発生設備１２と、ガス貯蔵設備１４と、発電所１６と、加熱炉２０とにそれぞれ接続されている。これにより、ガス発生装置１２で副生されたガスを、ガス貯蔵設備１４、発電所１６および加熱炉２０に搬送できるようにしている。また、ガス貯蔵設備１４に貯蔵されたガスも、ガス供給配管１８を通じて、発電所１６および加熱炉２０に供給できるようにしている。

加熱炉２０は、加熱源としてガスおよび電力を用いる加熱炉である。燃焼炉２０は、例えば、スラブを加熱する加熱炉である。加熱炉２０は、ガスを燃焼させるガス燃焼ヒータを用いてスラブを加熱することができ、また、電気ヒータを用いてスラブを加熱することもできる。加熱炉２０は、管理者からガスの使用量および使用電力の指示を受け付けて、スラブを加熱するために必要な加熱量に対して、ガス燃焼ヒータを稼動させてスラブを加熱する割合および電気ヒータを稼動させてスラブを加熱する割合を切り変える。

例えば、スラブを加熱するのに１０個のヒータが必要である場合に、加熱炉２０は、ガス燃焼ヒータを１０個と、電気ヒータを１０本とをそれぞれ備える。そして、管理者からの変更後のガス使用量および使用電力の指示を受け付けると、当該指示に対応したガス燃焼ヒータの稼動個数と、電気ヒータの稼動個数の稼動割合に変更する。なお、加熱炉２０は、ガス燃焼ヒータの稼動個数と、電気ヒータの稼動個数の割合を１０：０から０：１０までの範囲内の任意の割合に変更できてよい。

電気使用設備２２は、製鉄所１０において鉄鋼製品を製造するために電気を使用する設備である。電気使用設備２２は、例えば、図１（ａ）に使用電力の時間的変化のプロファイルを示した仕上圧延設備、熱延工場における粗圧延設備または電気炉等である。

製鉄所内送電網２４は、発電所１６と、加熱炉２０と、電気使用設備２２と、外部送電網２８とにそれぞれ接続されている。これにより、発電所１６で発電された電気を加熱炉２０、電気使用設備２２および外部送電網２８に供給できるようにしている。

外部送電網２８は、製鉄所１０で余剰となった電力を外部に供給する。すなわち、製鉄所１０から外部への電力の売電は、製鉄所の電力を外部送電網２８に供給することによって実行される。なお、外部送電網２８を通じて外部に供給された電力量は、外部電力量計２６によって計測される。

このように構成された製鉄所１０においては、図１に示したように、電気使用設備２２の使用電力の変動により、製鉄所１０の電力変化は大きくなる。このため、本実施形態においては、当該製鉄所１０内の電力変化に基づいて、加熱炉２０にガスの使用量および使用電力を指示して、製鉄所１０内の使用電力を制御する。

具体的には、電気使用設備２２の使用電力が増加した場合には、加熱炉２０に使用電力を減らして、ガスの使用量を増加させることを指示する。これにより、加熱炉２０における使用電力が急減するので、電気使用設備２２の使用電力が増加したとしても、製鉄所１０の合計の使用電力の急増は抑制される。一方、電気使用設備２２の使用電力が減少した場合には、加熱炉２０に使用電力を増やして、ガスの使用量を減少させることを指示する。これにより、加熱炉２０における使用電力は急増するので、電気使用設備２２の使用電力が減少したとしても、製鉄所１０内の合計の使用電力の急減は抑制される。

加熱炉２０にガスの使用量を減少させることが指示された場合において、ガス発生設備１２で副生されたガスの量よりも、加熱炉２０で使用されるガスの方が少なくなり、ガスが余剰になる場合がある。その場合において余剰となったガスは、ガス貯蔵設備１４に貯蔵される。ガス貯蔵設備１４に貯蔵されたガスは、その後、電気使用設備２２の使用電力が増えた場合であって、加熱炉２０のガスの使用量を増加することが指示された場合に加熱炉２０に供給される。

次に、電力調整方法の一例を説明する。図３は、加熱炉２０におけるガスの使用量および使用電力を指示するか否かを判断する基準の一例を示すグラフである。図３において、縦軸は、電力量（ＭＷｈ）を示し、横軸は時間を示す。

外部に供給する電力量の供給計画値４０は、予め３０分毎に、外部の電力買取業者に連絡する。なお、３０分毎の供給計画値は、必ずしも全て同じ値でなくてよく、３０分毎に任意の供給計画値を設定できる。また、売電時間も任意に定めることができ、図３に示した例においては、製鉄所１０は、８：００〜２２：００の間、外部に電力を供給するように定めている。そして、この供給計画値に対して電力供給量が、例えば、±３％以内に入らない場合にペナルティが発生する。すなわち、供給計画値に対して−３％を下回った場合には割高なインバランス料金の補填が必要となり、＋３％を上回った場合、超過した電力については、通常よりも割安な料金で売電することになる。

本実施形態の電力調整方法においては、例えば、図３に示すように、３０分毎の供給計画値４０ごとに、供給計画プロファイル４２を作成する。供給計画プロファイル４２は、予め外部の電力買取業者に連絡した供給計画値４０の点と、その３０分前の電力量が０の点とをそれぞれ結んだ直線である。そして、予め定められた時間毎に、外部に供給された電力量を確認し、供給計画プロファイル４２上の点と、外部に供給された電力量が一致しているか否かを判断する。

例えば、ある時刻における外部に供給された電力量が、その時刻における供給計画プロファイル４２上の点に対して±３％以内に入っている場合には、供給計画プロファイル４２上の点と、外部に供給された電力量とが一致すると判断する。この場合には、加熱炉２０における使用電力およびガス使用量を変更する指示を出さない。

一方、ある時刻における外部に供給された電力量が、その時刻における供給計画プロファイル４２上の点に対して±３％以内に入っていない場合には、供給計画プロファイル４２上の点と、外部に供給された電力量とが一致しないと判断する。この場合には、加熱炉２０における使用電力およびガス使用量を変更する指示を出す。なお、外部に供給された電力量は、外部電力量計２６によって算出される。

図４は、８：００から８：３０までの電力調整方法を説明するグラフである。図４においても、縦軸は、電力量（ＭＷｈ）を示し、横軸は時間を示す。図４を用いて、８：００から８：３０までの時間を例に、どのような場合に使用電力を増やしガス使用量を減らす指示を出し、どのような場合に使用電力を減らしガス使用量を増やす指示を出すのか説明する。なお、図４に示した電力量の変化はあくまで一例であり、図４に示した電力量の変化が８：００から８：３０までの間に常に起こることを意味するものではない。

図４（ａ）において、電力量４４は、８：００から時間Ｔ１までの時間に外部に供給された電力量を示す。図４（ａ）に示した例において、時間Ｔ１における外部に供給された電力量４４は、時間Ｔ１における供給計画プロファイル４２上の点の±３％の範囲を超えている。このため、加熱炉２０に対して、ガス使用量を減らして、使用電力を増やすように変更する指示を出す。この結果、製鉄所１０における使用電力が増加し、外部への電力供給量は減少する。

図４（ｂ）において、電力量４６は、８：００から時間Ｔ２までの時間に外部に供給された電力量を示す。図４（ｂ）に示した例において、時間Ｔ２における外部に供給された電力量４４は、時間Ｔ２における供給計画プロファイル４２上の点の±３％の範囲を下回っている。このため、加熱炉２０に対して、ガス使用量を増やして、使用電力を減らすように変更する指示を出す。この結果、製鉄所１０内における使用電力が減少し、外部への電力供給量は増加する。

図４（ｃ）において、電力量４８は、時間８：３０における電力量を示す。図４（ｃ）に示した例において、時間８：３０における外部に供給された電力量４８は、時間８：３０における供給計画値の±３％の範囲に含まれる。このように、本実施形態における電力調整方法は、製鉄所１０の電力変化によって定まる外部に供給された電力量４４に基づいて、加熱炉２０にガス使用量および使用電力を指示する。これにより、製鉄所１０内の使用電力が制御でき、図４に示した例においては、８：００〜８：３０において外部の電力買取業者に連絡した供給計画値４０に対して外部への電力供給量を一致させることができる。なお、図４に示した例においては、８：００から８：３０における電力調整方法について説明したが、８：３０以降も同様にして製鉄所１０内の使用電力を制御してよい。また、本実施形態において説明した電力調整方法は、管理者により実行されてもよく、当該電力調整方法を実行する制御装置により実行されてもよい。

図５は、電力調整方法における電力調整処理を説明するフロー図である。図５に示す電力調整処理は、例えば、外部に電力を供給する時間が８：００〜２２：００と定められている場合においては、８：００になり、管理者が電力調整処理を実行した場合に開始する。なお、制御装置により電力調整処理が実行される場合には、当該制御装置が管理者によって立ち上げられた場合に開始する。

ステップＳ１０１において、ある時間において外部に供給された電力量を確認する。外部に供給した電力量は、外部電力量計２６により計測される。

ステップＳ１０２において、外部に供給された電力量が供給目標値に一致しないか否かを判断する。例えば、外部に供給された電力値が、供給目標値の±３％の範囲外である場合に、外部に供給した電力量が供給目標値に一致しないと判断する（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）。

外部に供給した電力量が供給目標値に一致しないと判断した場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１０３に進め、供給目標値に対して、外部に供給した電力量がどのくらい超過または不足しているのかを計算する。超過電力量は、図４（ａ）に示した例においては、外部に供給した電力量から供給計画プロファイル４２上の供給目標値を除いた電力量である。また、不足電力量は、図４（ｂ）に示した例においては、供給計画プロファイル４２上の供給目標値から外部に供給した電力量を除いた電力量である。

ステップＳ１０４において、供給目標値に対する外部に供給した電力量の超過または不足量に対応させて、加熱炉２０における使用電力の変化量およびガス使用量の変化量を計算する。なお、電力量の超過または不足量に対応させたガス使用量の変化量および使用電力の変化量は、予め実験的に加熱炉２０のガス使用量および使用電力を変化させて、外部に供給される電力量がどのくらい変化するか確認し、当該確認に基づいて定めてよい。

ステップＳ１０５において、ステップＳ１０４で計算された変化量を反映させた変更後の使用電力およびガス使用量を加熱炉２０に指示する。この場合において、変更後の使用電力が変更前の使用電力より多い場合は、当該指示は、使用電力を増やす指示となる。一方、変更後の使用電力が変更前の使用電力より少ない場合は、当該指示は、使用電力を減らす指示となる。加熱炉２０は、当該指示を受け付けると、当該指示に基づいて、加熱炉２０における使用電力に対応した電気ヒータの稼動個数およびガス使用量に対応したガス燃焼ヒータの稼動個数の割合に切り替える。

一方、ステップＳ１０２において、外部に供給した電力量が、例えば、供給目標値の±３％以内であった場合に、外部に供給した電力量は供給目標値と一致すると判断し（Ｓ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０３〜ステップＳ１０５までを実行せずに、処理をステップＳ１０６へ進める。

ステップＳ１０６において、電力調整処理を終了するか否かを判断する。例えば、外部に電力を供給する時間が８：００〜２２：００と定められている場合においては、２２：００を過ぎた場合に当該処理を終了する（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）。なお、制御装置により電力調整処理が実行される場合には、当該制御装置が管理者によって終了された場合に終了する。一方、２２：００を過ぎていない場合には、当該処理を終了せず（Ｓ１０６：Ｎｏ）、処理をステップＳ１０１に戻す。そして、ステップＳ１０１以降の処理を繰り返し実行する。

以上説明したように、本実施形態に係る電力調整方法を実施することで、製鉄所１０内の電力変化に基づいて、使用電力を制御できる。そして、この結果、外部への電力供給量を制御でき、外部の電力買取業者に連絡した３０分毎の供給計画値に対して、外部への電力供給量を一致させることができる。

また、本実施形態における電力調整方法は、電気を蓄電設備に蓄電することに代えて、ガスをガス貯蔵設備１４に貯蔵することで、製鉄所１０の使用電力を制御する。製鉄所１０は、高炉等のガス発生設備を有することから、もともと十分なガス容量を有するガス貯蔵設備１４を備える。このため、既存設備を改造することなく、本実施形態に係る電力調整方法を実施できる。仮に、ガス貯蔵設備１４のガス容量が不足した場合であっても、ガス貯蔵設備１４は、内容積を増やすことで容易にガス貯蔵容量を増やすことができるので、図１に示したような、大きな電力変動が発生する製鉄所１０においても、コスト増を抑制しながら使用電力を制御できる。さらに、ガスは、ガス貯蔵設備１４に貯蔵しても、また、ガス貯蔵設備１４から放出してもエネルギーの損失がない。このように、本実施形態における電力調整方法は、エネルギーの損失を抑制しながら使用電力を制御できるので、電力の損失を抑制できる電力調整方法であるといえる。

なお、本実施形態において、ガスおよび電力を用いる加熱炉２０の例を示した。しかしながら、加熱炉２０に用いるのはガスに限られず、例えば、石炭、石油、天然ガス等の化石燃料であってよい。これらの化石燃料は、その貯蔵設備の容量の増大が容易であって、貯蔵および放出時のエネルギーの損失がないことから、ガス同様に本実施形態に係る電力調整方法に使用できる。

また、本実施形態において、ガス発生設備１２として高炉の例を示したがこれに限られない。例えば、ガス発生設備１２として、コークスガスを副生するコークス炉であってもよく、転炉ガスを副生する転炉であってもよい。特にコークス炉から副生されるコークスガスは、Ｈ_２およびＣＨ_４等の可燃性ガスを多く含むのでより好ましい。

また、本実施形態において、外部に供給する電力量の供給計画値が３０分毎の供給計画値である場合に対応させて説明したがこれに限られない。例えば、外部に供給する電力量の供給計画値が、６０分毎の供給計画値である場合には、当該供給計画値と、その６０分前の電力量が０の点とをそれぞれ結んだ供給計画プロファイルを作成し、使用電力を制御してよい。

また、本実施形態において、製造プラントとして製鉄所１０の例を示したがこれに限られない。本実施形態における電力調整方法は、加熱源として化石燃料および電力を用いる加熱炉が設けられている製造プラントであれば適用できる。なお、上述したように、本実施形態に係る電力調整方法は、大きな電力変動が発生する製鉄所に適用させることがより好ましい。

１０：製鉄所
１２：ガス発生設備
１４：ガス貯蔵設備
１６：発電所
１８：ガス供給配管
２０：加熱炉
２２：電気使用設備
２４：製鉄所内送電網
２６：外部電力量計
２８：外部送電網
４０：供給計画値
４２：供給計画プロファイル
４４：電力量
４６：電力量
４８：電力量

Claims

製造プラントに設置されている加熱源として化石燃料および電力を用いる加熱炉を使用した電力調整方法であって、前記製造プラント内の電力変化に基づいて、前記加熱炉に前記化石燃料の使用量および使用電力を指示し、前記製造プラント内の使用電力を制御することで、外部への電力供給量を制御することを特徴とする電力調整方法。
前記製造プラントは、製鉄所であることを特徴とする請求項１に記載の製造プラントの電力調整方法。