JP3173408U - 電気グリッドに供給される電力の調整範囲が広げられたエネルギー・システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力調整範囲が広げられたエネルギー・システムを提供する。
【解決手段】エネルギー・システムは、発電プラントにおいて、電気発生源または電気と熱の発生源を備え、発生源からの電気を発生源から電気グリッドに送電する。発生源と電気グリッドへの接続位置との間において発生源に接続された電気機器を更に備え、電気機器の作動により、発電プラントの前記発生源を安定して動作させることができる最小の発電出力よりも低い電力出力で電気グリッドへの接続位置を介して電気グリッドに送電する。
【選択図】図１

Description

本考案は、電気グリッドに供給される電力の調整範囲が広げられたエネルギー・システムに関する。

電気の使用に関係する最大の問題の１つは、電気を元のエネルギー形態で貯めておくことができないことである。したがって、電気の発生と消費のバランスを常に保たなければならない。あらゆる電気グリッドにおいて、これは、システム・オペレータの任務であり、システム・オペレータは、発電プラントおよび熱供給プラントにサポート・サービスを依頼する。サポート・サービスとは、出力の変更を求めるシステム・オペレータの要求に対して電気発生源が非常に迅速に応答することができることを意味する。

本出願においては、発電プラントおよび熱供給プラントを、本特許出願の本文で「発生源」とも呼ぶ。

サポート・サービスは、特定のタイプの発生源でしか提供することができない。例えば、通常、原子力発電プラントは、サポート・サービスを提供しない、または最低限の範囲でしか提供しない。石炭またはガスから電気および熱を発生する熱供給プラントおよび発電プラントでは、サポート・サービスがより有意に提供される。しかし、サポート・サービスの提供の範囲は、上限では、発生源の設備出力によって制限され、下限では、技術的最小出力によって制限される。技術的最小出力とは、依然として安定して発生源を動作させることができる出力を意味する。いくつかの発生源の場合には、熱を供給しなければならないことにより、この範囲がさらに制限される。

単にタービンの出力を減少させるだけでは発電用の熱源の出力を減少させることができない理由は、タービンおよび蒸気ボイラの動作の特定の調整範囲にあり、その範囲でしかタービンおよびボイラを動作させることができない。さらに、抽出凝縮タービンからの熱の消費が大きい場合、タービンの高圧部分を通る熱供給および消費先による熱抽出のために実現しなければならない高い流量により、抽出前にタービンの高圧部分で高い強制発電が引き起こされる。蒸気タービンを停止させて、ボイラで発生される蒸気の減少（高い圧力および温度パラメータでの絞りおよび冷却）を利用して、熱供給を達成することができる。しかし、タービンを停止させる場合、その再始動に時間がかかり、タービンの寿命を縮め、停止状態から所要の出力までの始動に関係するかなりの損失をもたらす。

最終消費先に送達される熱の発生は、燃料の燃焼およびボイラ内での蒸気の発生によって熱および電気を発生するほとんどの発生源において保証される。高い圧力および温度パラメータを有する蒸気が、蒸気タービンを通過し、作業および発電を行った後にタービンから出たとき、その蒸気を、熱交換器内で最終消費先のための熱を発生させるために使用することができる。タービンからの蒸気が熱の発生のために抽出されるレベルは、熱供給プラントの特定の場所および技術的レイアウトに依存する。原理的には、蒸気の一部のみが抽出され、残りが例えば凝縮部分に進むこともあり（抽出タービン）、またはタービンを通過する蒸気が全て抽出されることもある（背圧タービン）。通常、最終消費先のための熱エネルギー媒体として使用される熱水または温水が、熱交換器から出る。冷めた水が消費先から戻り、熱交換器内で再び蒸気によって出力温度まで加熱されて、最終消費先に流れる。タービン内での発電中、その永久的に持続可能な出力の特定の最小限度があり、タービンのこの最小出力限度は、多くの場合、タービン出口からの熱供給の必要性によって増加される。電力調整の必要性のためにタービンの出力を減少させる必要がある場合、この減少が、タービンの最小出力未満のレベルになることがある。しかし、タービンの技術的能力に基づくタービンの動作範囲しか使用することができず、この動作範囲は、さらに、熱供給による強制発電の影響を受ける（複合型の発生モードでの強制的な発電増加）。

電気グリッドのより大きい調整範囲の必要性が、近年高まっている。この理由の１つは、風力発電プラントでの設備出力の増加であり、風力発電プラントの動作は気候条件に左右され、それらの動作の予測可能性はかなり低い。以上のことから分かるように、既存の電気発生源の欠点は、発生源の安定な動作を維持しながら、発生された電気の一部を消滅させる必要なく、グリッドに供給される電力の範囲を変えることが十分にできないことである。

本考案の狙いは、電気グリッドに供給される電力の調整範囲が広げられたエネルギー・システムを提案することである。

本考案の狙いは、広げられた電力調整範囲を有するエネルギー・システムであって、電気発生源または電気と熱の発生源によって発生される電気を電気グリッドへの接続位置に供給することができ、発生源の調整範囲が、上限では、最大設備電気出力によって制限され、下限では、依然として安定して発生源を動作させることが可能な発生源の最小電気出力によって制限されるエネルギー・システムにおいて、このエネルギー・システムの本質として、電気グリッドへの接続位置の前で、発生源に接続された電気機器を備えるエネルギー・システムによって実現される。

有利には、電気機器として、熱搬送媒体の電気加熱器を使用することができる。

別の有益な実施形態によれば、電気グリッドへの接続位置での電気出力を発生源の最小出力未満に減少させることが必要な場合に水を加熱する電気温水器が、蒸気によって熱媒水を加熱するように設計された発生源の熱交換器に接続される。

電気温水器は、（１つまたは複数の）熱消費先からの返送水の少なくとも一部を、蒸気熱交換器に入る前に加熱するように設計することができ、または、熱交換器から（１つまたは複数の）熱消費先に流れる水の少なくとも一部をさらに加熱するように設計することもでき、これら両方の代替形態を組み合わせることもできる。

以下、本考案のいくつかの有利な実施形態を説明し、それらの１つを、添付図面１を参照して説明する。

本考案によるエネルギー・システムの一部を成す電気機器の可能なレイアウトの１つの略図である。

電気グリッドは、電気余剰の状態になることが非常に多く、出力の減少が必要である。電気が発生されないとは即ち、電気の消費または電気の消滅を意味する。電気発生源または電気と熱の発生源の調整範囲は、電気システム内に電気機器を組み込むことによって広げることができ、したがって、その電気システムは、発生源の他に、この電気機器も含む。電力は消滅されず、所要の熱を発生させるために使用される。

本考案は、電気または電気と熱を発生するための熱源（本明細書では以後、単に「発生源」とも呼ぶ）において熱の発生と電気消費の増加との複合を利用し、電気は消滅されず、効率的に使用される。

内部消費の増加は、例えば、消費先に供給される、または発生源の内部要求のために使用される水または他の熱搬送媒体の電気加熱を開始することによって実現することができる。このようにすると、電気の一部が熱の発生のために消費され、同時に、タービンは、最小出力未満にならないので、より広い範囲で動作可能である。内部消費を増加させ、それにより、エネルギー・システムの総出力をタービン・ポイントからの持続可能なレベル未満に減少させるというこの解決策では、電気温水器が、熱媒水を加熱するために使用される既存の蒸気または温水熱交換器（本明細書では以後、単に「交換器」とも呼ぶ）に接続される。温水器のレイアウトおよび特定の設計は、各特定の発生源に応じて決まる。発生源のレイアウト、加熱媒体のパラメータ、現地の熱市場の詳細などの制限因子が存在する。

特定の瞬間に、エネルギー・システムからの電気出力をタービンの調整範囲（調整範囲は、現時点での熱供給にも基づいている）未満に急減させることが必要な場合、消費先から返送された冷めた水が、熱交換器に入る前に、電気ボイラ内で、またはパイプラインもしくは別の流通領域に直接設置された加熱コイルによって加熱される。同様に、消費先に流れる水をさらに加熱することもできる。交換器を通る流れが維持され、水を加熱するための蒸気の消費は、最終消費先への質の高い熱供給を求める要求に関わる追加の加熱に従って制御される。可能な接続様式の１つの略図が、図１に示される。

電気ボイラは、大きな加熱面を有する貫流ボイラとして設計することができ、エネルギー・システムの一部として発生源に接続される。交換器のみを用いた（電気の内部消費を増加させる必要がない）動作中、電気ボイラは、この技術から隔離され、発生源の動作に何も影響を及ぼさない。電気ボイラを使用する場合に水が電気ボイラを通って流れることによる水の圧力損失をなくすために、熱媒水の循環ポンプの出力が増加されることがある。電気ボイラを通る流れを調整するために、閉止弁が設置されることがあり、この閉止弁は、圧力比を設定することによって電気ボイラを通る流れに影響を及ぼす。また、電気ボイラは、冷却媒体を用いない操作から加熱面を保護するための技術を装備されることもある。

消費先からの返送水の全てではなく、その一部のみが流れるレイアウトも、同様に有効である。そのような場合、新たに設置される機器を隔離するための閉鎖システムも存在する。

上述した電気ボイラ設計は、エネルギー・システムの総出力、したがってサポート・サービスの範囲に影響を及ぼすために電気の内部消費を増加させる多くの技術的に可能なエネルギー・システムの１つである。

上述したように、これまでの従来技術と比べた、本考案に基づくエネルギー・システムの主な利点および特徴は、提案したエネルギー・システムにより、熱供給の目的で電気を効率良く使用しながら電気の消費を増加させることによって、発生源だけで提供される電気出力に比べて、電気グリッドへの接続位置での電気出力を減少させることができるようにすることである。エネルギーの単純な消滅または発生源の完全な停止に比べて、この解決策は、調整範囲を広げることに加え、燃料のエネルギーの効率的な使用も保証し、より環境に優しいものとなる。

Claims (5)

1. 広げられた電力調整範囲を有するエネルギー・システムであって、電気発生源または電気と熱の発生源によって発生される電気を前記電気グリッドへの接続位置に供給することができ、前記発生源の前記調整範囲が、上限で、最大設備電気出力によって制限され、下限で、依然として安定して前記発生源を動作させることが可能な前記発生源の最小電気出力によって制限されるエネルギー・システムにおいて、前記電気グリッドへの接続位置の前で、前記発生源に設置された電気機器を備えることを特徴とするエネルギー・システム。
2. 前記電気機器が、熱搬送媒体の電気加熱器であることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー・システム。
3. 水を加熱するように設計された前記発生源の蒸気または温水熱交換器（１）に対して、電気温水器（２）が設置されて、必要な場合には、前記電気グリッドへの接続位置での前記電気出力を前記発生源の最小電気出力未満に減少させることを特徴とする請求項２に記載のエネルギー・システム。
4. 前記電気温水器（２）が、（１つまたは複数の）前記熱消費先から返送された冷めた水の少なくとも一部を、前記熱交換器（１）に入る前に加熱するように設計されることを特徴とする請求項に３に記載のエネルギー・システム。
5. 前記電気温水器（２）が、前記熱交換器（１）から（１つまたは複数の）前記熱消費先に流れる水の少なくとも一部をさらに加熱するように設計されることを特徴とする請求項３または４に記載のエネルギー・システム。

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