JP4389266B2

JP4389266B2 - コジェネプラントとその運転方法

Info

Publication number: JP4389266B2
Application number: JP2004193633A
Authority: JP
Inventors: 恵子中村; 康弘大牧; 俊太郎鈴木; 茂樹村山; 幸哉村野; 貴之阿久津; 智之大石
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: JP2006017340A

Description

本発明は、複数の熱電可変型コジェネユニットを用いて電力及び蒸気を供給するコジェネプラントとその運転方法に関する。

蒸気噴射型ガスタービンを主機とし、そのガスタービンの排熱を利用して蒸気を発生させる熱電可変型コジェネユニットとして、例えば、特許文献１〜７が知られている。
図７に一例として特許文献１の構成図を示す。この図において、５１はガスタービン、５２は発電機、５３は排熱回収ボイラ、５４は外部に供給する蒸気である。

また、このような熱電可変型コジェネユニット、すなわち蒸気噴射ガスタービン発電装置を複数備えたコジェネプラントに対して、将来の電力・蒸気の需要計画に基づき、運用制約条件を満足してかつ運用コストが最小となるようにコジェネユニットの運転台数と電力・蒸気出力量を決定する手段が、特許文献８に開示されている。

特許第２７５１８３７号公報、「二流体サイクルガスタービン」特許第２８０６３３８号公報、「ガスタービン発電装置」特許第３２２１１２３号公報、「ＬＰＧ混合水用蒸発器を備えたガスタービン装置」特公平８−２６７８０号公報、「部分再生式二流体ガスタービン」特開２００２−４８１４号公報、「再生式蒸気噴射ガスタービン発電装置」特開２００２−３７１８６１号公報、「蒸気噴射ガスタービン発電装置」特開２００３−１２０３２２号公報、「蒸気噴射ガスタービン発電装置」特開２００１−２１１６９６号公報、「コジェネプラントの運転方法及びその装置」

電力及び蒸気を供給する蒸気噴射ガスタービン発電装置を、以下、「熱電可変型コジェネユニット」又は単に「コジェネユニット」と呼ぶ。
コジェネユニットは、特許文献１〜７のように、種々の構成が提案されており、それぞれその特性が大きく異なる。

しかし、特許文献８の手段は、複数のコジェネユニットを有するコジェネプラントを運転できるが、各コジェネユニットの特性の相違を考慮していない。そのため、複数のコジェネユニットの特性が同一または同一に近い場合には、その運用コストを最適化できるが、複数のコジェネユニットの特性が大きく相違する場合には、その運用コストを最適化ができない問題点があった。また、最適化する評価値は、運用コストのみであり、総合効率、ＣＯ_２排出量等の最適化はできなかった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数のコジェネユニットの特性が大きく相違する場合でも、その運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量のいずれかを選択的に最適化することができるコジェネプラントとその運転方法を提供することにある。

本発明によれば、蒸気噴射型ガスタービンと該ガスタービンの排熱で蒸気を発生させる蒸気発生器とをそれぞれ有する複数の熱電可変型コジェネユニットと、燃料を用いて蒸気を発生する補助ボイラと、外部から電力の供給を受ける買電ラインと、前記複数の熱電可変型コジェネユニットと補助ボイラの運転状態を制御するコジェネプラント統合制御装置とを備え、所定の需要プラントに電力と蒸気を供給するコジェネプラントであって、
コジェネプラント統合制御装置は、複数設けられた前記熱電可変型コジェネユニットごとに運転制約条件を設定するとともに、補助ボイラ及び買電ラインに運転制約条件を設定する制約条件設定部と、前記各構成機器の運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つを線形計画法により最適とする運転計画部とを有し、前記運転計画部は、複数の熱電可変型コジェネユニット、補助ボイラ、買電ラインの前記各評価値Ｆｉ（ｉ＝１，２，．．．ｎ）を、発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表し、需要プラントの電力需要Ｐと蒸気需要Ｓに応じて、各機器の運転制約条件範囲内において、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋．．．＋Ｐｎ，Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋．．．＋Ｓｎを満たし、かつ各評価値の和Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋．．．＋Ｆｎを最適にするように各機器の発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉを設定する、ことを特徴とするコジェネプラントが提供される。

また本発明によれば、蒸気噴射型ガスタービンと該ガスタービンの排熱で蒸気を発生させる蒸気発生器とをそれぞれ有する複数の熱電可変型コジェネユニットと、燃料を用いて蒸気を発生する補助ボイラと、外部から電力の供給を受ける買電ラインと、前記複数の熱電可変型コジェネユニットと補助ボイラの運転状態を制御するコジェネプラント統合制御装置とを備え、所定の需要プラントに電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転方法であって、複数設けられた前記熱電可変型コジェネユニットごとに運転制約条件を設定するとともに、補助ボイラ及び買電ラインに運転制約条件を設定し、前記各構成機器の運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つを線形計画法により最適とする運転計画を行い、この運転計画において、複数の熱電可変型コジェネユニット、補助ボイラ、買電ラインの前記各評価値Ｆｉ（ｉ＝１，２，．．．ｎ）を、発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表し、需要プラントの電力需要Ｐと蒸気需要Ｓに応じて、各機器の運転制約条件範囲内において、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋．．．＋Ｐｎ，Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋．．．＋Ｓｎを満たし、かつ各評価値の和Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋．．．＋Ｆｎを最適にするように各機器の発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉを設定する、ことを特徴とするコジェネプラントの運転方法が提供される。

上記本発明の装置および方法によれば、コジェネプラントの各構成機器の評価値（運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量）を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つを線形計画法により最適とするので、複数のコジェネユニットの特性が異なる場合でも、運転計画を行うことができ、かつ状況に応じて、評価値を運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量から選択できる。従って、コジェネプラント統合制御装置の適用対象が広がる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明のコジェネプラントの構成図である。この図に示すように、本発明のコジェネプラント１０は、複数の熱電可変型コジェネユニット１２（１２−１，１２-２，．．．，１２-ｎ）、補助ボイラ１４、買電ライン１６、およびコジェネプラント統合制御装置２０を備え、所定の需要プラント１に電力と蒸気を供給するようになっている。なおこの出願において、ｎは正の整数である。
複数の熱電可変型コジェネユニット１２は、それぞれ蒸気噴射型ガスタービンとガスタービンの排熱で蒸気を発生させる蒸気発生器とを有する。また各熱電可変型コジェネユニット１２を個別に制御する個別制御装置１３（１３-１，１３-２，．．．，１３-ｎ）が並列して別個に設けられる。
補助ボイラ１４は、燃料を燃焼させて蒸気を発生する通常のボイラである。この補助ボイラ１４はこの例では１台であるが、複数台を備えてもよい。
買電ライン１６、外部の電力会社２から不足分の電力の供給を受ける。

コジェネプラント統合制御装置２０は、複数の熱電可変型コジェネユニット１２の個別制御装置１３と補助ボイラ１４にそれぞれ指令を発し、それぞれの運転状態を個別に制御する。
コジェネプラント統合制御装置２０は、制約条件設定部２２、評価値選択部２３、および運転計画部２４からなる。
制約条件設定部２２は、各構成機器（コジェネユニット１２、補助ボイラ１４、買電ライン１６）の運転制約条件を予め設定する。また、コジェネプラント全体に要求される制約条件（例えば白煙防止）を設定する。さらに燃料単価、水単価、買電単価等も予め設定する。
評価値選択部２３は、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のうちの１つを選択する。評価値はこれらに限定されず、その他の評価値（例えばＮＯｘ排出量）等を含めてもよい。
運転計画部２４は、需要プラント１からの電力需要と蒸気需要の指令を受け、制約条件設定部２２の制約の下で、評価値選択部２３で選択した評価値を最適にするように各構成機器にそれぞれ指令を発する。

図２は、本発明を構成する運転計画部の説明図である。運転計画部２４には、評価値選択部２３から選択した評価値（運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量、等）、外気温度、需要プラント１から電力需要と蒸気需要、制約条件設定部２２から、燃料単価、水単価、買電単価、等が入力される。
運転計画部２４では、各構成機器の運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、選択した評価値（運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つ）を線形計画法により最適とする。
またこの最適条件を満たす各コジェネユニット１２の電力量１，２，．．．，ｎ、蒸気量１，２，．．．，ｎ、補助ボイラ１４の補助蒸気量、買電電力量、等を算出し、各構成機器にそれぞれ指令を発する。
また、各コジェネユニット１２（１２−１，１２-２，．．．，１２-ｎ）のいずれかの総合効率を最大にするように線形計画法により設定してもよい。

図３は、本発明のコジェネプラント運転方法のフロー図である。この図に示すように、本発明の方法はステップＳ１〜Ｓ７からなる。
ステップＳ１では、需要プラント１から電力需要と蒸気需要、制約条件設定部２２から燃料単価、水単価、買電単価、等を入力する。ステップＳ２では評価値選択部２３で評価値（運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量、等）を選択する。
ステップＳ３では、全体を最適化するか部分最適（一部の機器を最適化する）かを選択する。全体を最適化する場合には、ステップＳ４で全機器の出力配分を最適化する。
また部分最適の場合には、ステップＳ５で指定機器の出力配分を最適化し、ステップＳ６でその他の機器の出力配分を最適化する。例えば各コジェネユニット１２（１２−１，１２-２，．．．，１２-ｎ）のいずれかの総合効率を最大にするように線形計画法により設定する。
ステップＳ７では最適化した各機器の目標値を出力する。

図４は、熱電可変型コジェネユニットの特性例である。この図において、（Ａ）（Ｂ）はある熱電可変型コジェネユニット（コジェネユニット１と呼ぶ）の性能特性図であり、（Ｃ）（Ｄ）は別の熱電可変型コジェネユニット（コジェネユニット２と呼ぶ）の性能特性図である。
各図において、横軸は送出蒸気量、縦軸は燃料消費量、図中の多角形の外郭は内側が運転範囲である。また、（Ａ）（Ｃ）には発電量一定の特性を直線で示し、（Ｂ）（Ｄ）には総合効率一定の特性を直線で示している。

これらの特性は、コジェネプラントを構成する各熱電可変型コジェネユニット１２毎に予め単独試験等で求められている。従ってこれらの特性から、多角形の外郭に相当する各コジェネユニット１２の運転制約条件を予め設定することができる。同様に補助ボイラ１４、買電ライン１６の運転制約条件も予め設定することができる。

またこれらの特性から、各コジェネユニットにおいて、送出蒸気量と燃料消費量が決まると、発電量と総合効率も一意に定まることがわかる。従って、コジェネプラント全体の運用コスト、総合効率、等の評価値は、これらの送出蒸気量、燃料消費量、発電量、総合効率から求めることができる。
すなわち、複数の熱電可変型コジェネユニット１２の評価値（例えば運用コスト）Ｆｉ（ｉ＝１，２，．．．ｎ）は、それぞれの発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表わすことができる。また補助ボイラ１４、買電ライン１６の評価値も同様に発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表わすことができる。

コジェネプラント統合制御装置２０の運転計画部２４では、需要プラント１の電力需要Ｐと蒸気需要Ｓに応じて、各機器の運転制約条件範囲内において、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋．．．＋Ｐｎ，Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋．．．＋Ｓｎを満たし、かつ各評価値の和Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋．．．＋Ｆｎを最適にするように各機器の発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉを設定する。

図５は、本発明の実施例による最適運転計画例である。この例は、図１においてコジェネユニット１２として図４に示した特性（Ａ）（Ｂ）と（Ｃ）（Ｄ）のコジェネユニット１２をそれぞれ１台ずつ（計２台）使用した場合である。また、評価値としてユニット総合効率を選択し、コジェネユニット全体の総合効率を最大にする運転計画を示している。
図５（Ａ）（Ｂ）は、蒸気需要を一定として電力需要を増加させた場合の各機器の発電量と蒸気量の変化を示している。図５（Ａ）は、蒸気需要を一定として発電量を増加させた場合の各機器の発電量であり、ユニット総合効率を最大にする運転計画では、コジェネユニット１がほぼ一定発電量を保持し、コジェネユニット２が不足分を補い、更に不足分を買電量で補う結果を示している。
また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に対応する出力範囲での、各機器の蒸気量であり、同様にコジェネユニット１がほぼ一定蒸気量を保持し、コジェネユニット２が不足分を補い、更に不足分を補助ボイラで補う結果となっている。

図６は、図５の例における熱電可変型コジェネユニットの特性図である。この図は、図４に示した特性図と同一である。この図において、実線矢印は、蒸気需要が高い場合である。この図から、蒸気需要が高い場合、コジェネユニット１は、総合効率が最大点近傍で運転され、ボイラ２は、その不足分を満たす範囲で総合効率を常に最大にする運転がされていることがわかる。
図６において、破線矢印は、蒸気需要が低い場合である。この場合には、コジェネユニット１は、必要な蒸気量を満たす範囲で総合効率を常に最大にする運転がされ、コジェネユニット２は、その不足分を満たす範囲で運転がされていることがわかる。

上述したように、本発明において、コジェネプラント統合制御装置２０は、特性の異なる熱電可変型コジェネユニット１２を複数備えたコジェネプラント１０に対して、電力・蒸気需要を満たし、運転制約条件を満足してかつ運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量のいずれかの評価値を最適にするコジェネユニットの電力・蒸気出力量を決定する。
従って、複数のコジェネユニットの特性が大きく相違する場合でも、その運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量のいずれかを選択的に最適化することができ、かつ状況に応じて、評価値を運用コスト、総合効率、ＣＯ_２排出量から選択できる。従って、コジェネプラント統合制御装置の適用対象を広げることができる。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明のコジェネプラントの構成図である。本発明を構成する運転計画部の説明図である。本発明のコジェネプラント運転方法のフロー図である。熱電可変型コジェネユニットの特性例である。本発明の実施例による最適運転計画例である。図５の例における熱電可変型コジェネユニットの特性図である。特許文献１の熱電可変型コジェネユニットの構成図である。

符号の説明

１需要プラント、２電力会社、
１０コジェネプラント、
１２（１２−１，１２-２，．．．，１２-ｎ）熱電可変型コジェネユニット、
１３（１３-１，１３-２，．．．，１３-ｎ）個別制御装置、
１４補助ボイラ、１６買電ライン、
２０コジェネプラント統合制御装置、
２２制約条件設定部、２３評価値選択部、２４運転計画部

Claims

蒸気噴射型ガスタービンと該ガスタービンの排熱で蒸気を発生させる蒸気発生器とをそれぞれ有する複数の熱電可変型コジェネユニットと、燃料を用いて蒸気を発生する補助ボイラと、外部から電力の供給を受ける買電ラインと、前記複数の熱電可変型コジェネユニットと補助ボイラの運転状態を制御するコジェネプラント統合制御装置とを備え、所定の需要プラントに電力と蒸気を供給するコジェネプラントであって、
コジェネプラント統合制御装置は、
複数設けられた前記熱電可変型コジェネユニットごとに運転制約条件を設定するとともに、補助ボイラ及び買電ラインに運転制約条件を設定する制約条件設定部と、
前記各構成機器の運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つを線形計画法により最適とする運転計画部とを有し、
前記運転計画部は、複数の熱電可変型コジェネユニット、補助ボイラ、買電ラインの前記各評価値Ｆｉ（ｉ＝１，２，．．．ｎ）を、発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表し、需要プラントの電力需要Ｐと蒸気需要Ｓに応じて、各機器の運転制約条件範囲内において、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋．．．＋Ｐｎ，Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋．．．＋Ｓｎを満たし、かつ各評価値の和Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋．．．＋Ｆｎを最適にするように各機器の発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉを設定する、ことを特徴とするコジェネプラント。
蒸気噴射型ガスタービンと該ガスタービンの排熱で蒸気を発生させる蒸気発生器とをそれぞれ有する複数の熱電可変型コジェネユニットと、燃料を用いて蒸気を発生する補助ボイラと、外部から電力の供給を受ける買電ラインと、前記複数の熱電可変型コジェネユニットと補助ボイラの運転状態を制御するコジェネプラント統合制御装置とを備え、所定の需要プラントに電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転方法であって、
複数設けられた前記熱電可変型コジェネユニットごとに運転制約条件を設定するとともに、補助ボイラ及び買電ラインに運転制約条件を設定し、
前記各構成機器の運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量を線形モデルで表現し、需要プラントの電力需要と蒸気需要に応じて、運用コスト、総合効率、及びＣＯ_２排出量の評価値のいずれか１つを線形計画法により最適とする運転計画を行い、
この運転計画において、複数の熱電可変型コジェネユニット、補助ボイラ、買電ラインの前記各評価値Ｆｉ（ｉ＝１，２，．．．ｎ）を、発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉの関数ｆｉ（Ｐｉ，Ｓｉ）として表し、需要プラントの電力需要Ｐと蒸気需要Ｓに応じて、各機器の運転制約条件範囲内において、Ｐ＝Ｐ１＋Ｐ２＋．．．＋Ｐｎ，Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋．．．＋Ｓｎを満たし、かつ各評価値の和Ｆ＝Ｆ１＋Ｆ２＋．．．＋Ｆｎを最適にするように各機器の発生電力Ｐｉと発生蒸気量Ｓｉを設定する、ことを特徴とするコジェネプラントの運転方法。