JP6045383B2 - 自家発電用火力プラントシステム - Google Patents

Description

本開示は、工場所内の電力負荷に対して電力を供給するための自家発電用火力プラントシステムに関し、詳しくは、火力プラントとともに二次電池などの電力貯蔵手段を備える自家発電用火力プラントシステムに関する。

各々の工場所内における電力負荷に対して電力を供給するために、多くの企業において自家発電用の火力プラントが導入されている。自家発電用火力プラントは、各々の工場所内における電力負荷に追随してその発電量が変動するように構成されている。そして、火力プラントの発電量では供給しきれない電力負荷の不足分については、商用電力系統からの電力供給によって補われる。
例えば特許文献１には、自家発電用と買電の両系統を並列運転する電力系統の発電機制御装置に関する発明が開示されている。

特開平７−３３６９００号公報

ところで、自家発電用火力プラントでは、石炭、石油、ＬＮＧなどの燃料をボイラで燃焼して主蒸気を生成し、この主蒸気によって蒸気タービンを駆動することで発電を行っている。この際、電力負荷が急激に増加する場合には、火力プラントの出力制御が追い付かずに供給電力が不足する場合がある。不足分の電力負荷は商用電力系統からの買電によって補われるが、商用電源の買電契約では、不足電力のピークをカバーできるように契約電力が決定されるため、電力負荷が急増して不足電力のピークが大きくなると、大きな契約電力が必要となり、電力料金が高くなる。また、電力負荷が急減する場合には、火力プラントの出力制御が追い付かずに、燃料ロスが生じてしまう。
さらに、火力プラントにおける急激な発電量の変動は、火力プラントのトリップ（緊急停止）を招来する恐れもある。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、経済効率に優れるとともに、火力プラントの安定運転にも寄与する自家発電用火力プラントシステムを提供することにある。

本発明の少なくとも一実施形態は、
所内負荷に対して電力を供給するための自家発電用火力プラントシステムにおいて、
主蒸気を生成可能なボイラと、前記ボイラから供給された主蒸気によって回転する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの回転力によって発電可能な発電機とからなる火力プラントと、
前記発電機で発電された電力を充電可能であり、且つ充電した電力を放電可能な電力貯蔵手段と、
前記蒸気タービンに供給される主蒸気に関する主蒸気パラメータを検出する主蒸気パラメータ検出手段と、
前記火力プラントの火力発電量および前記電力貯蔵手段の充放電量を制御するための制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記所内負荷が要求する電力負荷と前記火力発電量および前記充放電量の合計との差分に応じて、前記火力プラントの火力発電量の目標値を設定する火力発電量設定部と、
前記主蒸気パラメータの変化度に応じて、前記電力貯蔵手段の充放電量の目標値を設定する充放電量設定部と、を含むことを特徴とする。

上記自家発電用火力プラントシステムは、例えば二次電池などの電力貯蔵手段と、電力貯蔵手段の充放電量を制御する制御装置を備えている。そして、制御装置は、主蒸気パラメータの変化度に応じて電力貯蔵手段の充放電量の目標値を設定する充放電量設定部を含んでおり、主蒸気パラメータの変化度に応じて電力貯蔵手段の充放電量が設定されるように構成されている。
火力プラントにおいて発電量が急激に変動する場合は、主蒸気パラメータも大きく変化するため、主蒸気パラメータの変化度に応じて電力貯蔵手段の充放電量を設定することで、不足電力のピークカットや火力プラントにおける燃料ロスを減らすことでき、経済性に優れた自家発電用火力プラントシステムとすることができる。また、火力プラントにおける発電量の急激な変動を緩和することができ、火力プラントの安定運転にも寄与する。

幾つかの実施形態では、前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータの変化度の大きさが予め設定された閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの変化度と前記予め設定された閾値との差分に相当する電力量を充放電量の目標値として設定するように構成されている。

また、幾つかの実施形態では、前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータが上昇する場合において、前記主蒸気パラメータの上昇度の大きさが予め設定された上側閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの上昇度と前記予め設定された上側閾値との差分に相当する電力量を放電量の目標値として設定するように構成されている。

このような構成によれば、電力負荷が急激に増加し、火力プラントの出力の急上昇に伴って主蒸気パラメータが急激に上昇する場合に、主蒸気パラメータの上昇度と予め設定された閾値との差分に相当する電力量が電力貯蔵手段から放電される。これにより、不足電力のピークがカットされるため契約電力を低くすることができ、電気料金を安く抑えることができる。また、火力プラントにおける発電量の急激な増加を緩和することができ、火力プラントの安定運転にも寄与する。

また、幾つかの実施形態では、前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータが低下する場合において、前記主蒸気パラメータの低下度の大きさが予め設定された下側閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの低下度と前記予め設定された下側閾値との差分に相当する電力量を充電量の目標値として設定するように構成されている。

このような構成によれば、電力負荷が急激に減少し、火力プラントの出力の急低下に伴って主蒸気パラメータが急激に低下する場合に、主蒸気パラメータの低下度と予め設定された下側閾値との差分に相当する電力量が電力貯蔵手段に充電される。このように、従来は無駄になっていた発電分を電力貯蔵手段の充電に利用することで、燃料ロスを減らすことができる。また、火力プラントにおける発電量の急激な低下を緩和することができ、火力プラントの安定運転にも寄与する。

上記実施形態において、前記主蒸気パラメータは、前記主蒸気の圧力、温度、又は流量の内のいずれか、からなる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、例えば二次電池などの電力貯蔵手段を備えるとともに、主蒸気パラメータの変化度に応じて電力貯蔵手段の充放電量が設定されるように構成されているため、経済効率に優れるとともに、火力プラントの安定運転にも寄与する自家発電用火力プラントシステムを提供することができる。

一実施形態にかかる自家発電用火力プラントシステムの概略的な構成を示す図である。 図１中の制御装置の機能的な構成を説明するための図である。 一実施形態にかかる自家発電用火力プラントシステムの制御フローを説明するための図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、一実施形態にかかる自家発電用火力プラントシステム１０の概略的な構成を示す図である。火力プラントシステム１０は、工場所内における所内負荷１２に電力を供給するように構成されており、図１に示すように、火力プラント１４、二次電池システム１６、及び火力プラント１４および二次電池システム１６を制御するための制御システム１８を備えている。

火力プラント１４は、ボイラ２０、蒸気タービン２２、発電機２４、及びボイラ２０と蒸気タービン２２とを接続する主蒸気配管２３からなる。そして、ボイラ２０で生成された主蒸気が供給されることで蒸気タービン２２が回転し、該蒸気タービン２２の回転力によって発電機２４が発電する。

二次電池システム１６は、電力貯蔵手段としての二次電池３０およびインバータ３２からなる。二次電池３０は、上述した発電機２４で発電された電力を充電可能であり、且つ充電した電力を放電可能に構成されている。インバータ３２は、充電時には、火力プラント１４が発電した交流電流を直流電流に変換して二次電池３０に供給し、放電時には、二次電池３０が放電した直流電流を交流電流に変換して所内負荷１２に供給する。すなわち、二次電池システム１６は、火力プラント１４が発電した余剰の電力を一時的に二次電池３０に貯蔵し、貯蔵した電力を放電して所内負荷１２に供給可能である。
電力貯蔵手段は充放電可能な構成であればよく、例えばコンデンサであってもよい。

なお、火力プラントシステム１０は、商用電力系統３４と接続しており、所内負荷１２への電力供給に過不足が生じた場合に、商用電力系統３４との間で受送電を行うことができるようになっている。上述した二次電池３０は、商用電力系統３４から供給される電力によっても充電可能である。

制御システム１８は、制御装置３６および複数のセンサを有し、制御装置３６は、センサによって計測された値に基づいて、火力プラント１４および二次電池システム１６を制御する。
制御装置３６は、例えばコンピュータによって構成され、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、外部記憶装置および出入力装置等からなる。

制御システム１８の複数のセンサのうちの一つは、発電機２４の発電量（火力発電量）を測定する発電量測定装置４０であり、他の一つは、所内負荷１２が要求する電力負荷を測定する電力負荷測定装置４２であり、更に他の一つは、二次電池３０の充放電量を測定する充放電測定装置４４である。これら発電量測定装置４０で測定された火力発電量、電力負荷測定装置４２で測定された電力負荷、及び充放電測定装置４４で測定された放電量／充電量は、制御装置３６に入力される。

また、制御システム１８は、上述した主蒸気配管２３に設置されている圧力センサ２５、温度センサ２６、及び流量計２７などの主蒸気パラメータ検出手段２８を有している。これら圧力センサ２５、温度センサ２６、及び流量計２７によって、主蒸気配管２３を流れて蒸気タービン２２に供給される主蒸気の圧力、温度、及び流量などの主蒸気パラメータが測定される。測定された圧力、温度、及び流量などの主蒸気パラメータは、制御装置３６に入力される。
なお、以下の説明では、主蒸気パラメータが主蒸気圧力である場合を例にして説明する。

図２は、制御装置３６の機能的な構成（制御ロジック）を説明するための図である。図３は、火力プラントシステム１０の制御フローを説明するための図である。
制御装置３６は、図２に示すように、第１演算部５０、火力発電量設定部５１、変化度算出部５２、変化度フィルタ部５３、変化度積分部５４、第２演算部５５、電力変換部５６、充放電量設定部５７、及び第３演算部５８からなる。

所内負荷１２が要求する電力負荷が制御装置３６に入力されると（Ｓ１）、第１演算部５０は、入力された電力負荷と、火力発電量および充放電量の合計との差分を演算する。火力発電量および充放電量の合計は、後述する第３演算部５８から出力された演算結果として第１演算部５０に入力される。火力発電量設定部５１は、第１演算部５０の演算結果を火力プラント１４の火力発電量の目標値として設定し、発電指令値を火力プラント１４に送信する（Ｓ２，Ｓ３）。

火力プラント１４では、発電機２４の発電量が火力発電量の目標値となるように、送信された発電指令値に基づいてボイラ２０の燃焼状態などの制御が行われる（Ｓ４）。ボイラ２０の燃焼状態などが制御されると、蒸気タービン２２に供給される主蒸気の圧力が変化する。主蒸気圧力は、上述した主蒸気パラメータ検出手段２８の圧力センサ２５によって継時的に測定される（Ｓ５）。測定された主蒸気圧力は、変化度算出部５２および第２演算部５５にそれぞれ入力される。変化度算出部５２では、入力された主蒸気圧力の値を微分してその変化度（ｖ）（単位：Ｍｐａ／ｓ）を算出する（Ｓ６）。算出した変化度は変化度フィルタ部５３に入力される。

Ｓ７では、算出された主蒸気圧力の変化度と閾値との比較結果に応じて、充放電量の目標値の設定を行う。この工程は、変化度フィルタ部５３、変化度積分部５４、第２演算部５５、電力変換部５６、及び充放電量設定部５７によって実行される。

変化度フィルタ部５３では、入力された主蒸気圧力の変化度の大きさ（絶対値）が予め定めた閾値以下の場合には、入力された主蒸気圧力の変化度をそのまま変化度積分部５４に出力する。一方、入力された主蒸気圧力の変化度の大きさが予め定めた閾値を上回る場合には、入力された主蒸気圧力の変化度に代えて、この予め定めた閾値を変化度積分部５４に出力する。

変化度積分部５４では、入力された主蒸気圧力の変化度または閾値を積分し、その積分値を第２演算部５５に出力する。第２演算部５５では、圧力センサ２５から入力された主蒸気圧力（単位：Ｍｐａ）と、変化度積分部５４から入力された積分値（単位：Ｍｐａ）との差分を演算し、その演算値を電力変換部５６に出力する。電力変換部５６では、入力された演算値（単位：Ｍｐａ）を電力量に換算する。すなわち、入力された演算値を、該演算値に相当する主蒸気圧力によって蒸気タービン２２が回転した場合の発電量に換算する。換算された電力量は、充放電量設定部５７に出力される。

充放電量設定部５７では、入力された換算電力量を充放電量の目標値として設定する。すなわち、充放電量設定部５７は、主蒸気パラメータの変化度の大きさが予め定めた閾値を上回る場合には、主蒸気パラメータの変化度と閾値との差分に相当する電力量を充放電量の目標値として設定する。これに対して、主蒸気パラメータの変化度の大きさが予め定めた閾値以下の場合は、第２演算部５５から出力される演算値が０となるため、充放電量設定部５７が設定する充放電量の目標値も０となる。

そして、充放電量設定部５７は、設定した充放電量の目標値に対応する二次電池出力指令値を二次電池システム１６に送信する（Ｓ８）。二次電池システム１６は、二次電池出力指令値に基づいて充放電を行う（Ｓ９）。第３演算部５８では、火力プラント１４の火力発電量と二次電池システム１６からの充放電量との合計を演算し、所内負荷１２に対して供給可能な電力量を算出する（Ｓ１０）。そして、演算結果を第１演算部５０に出力する。第１演算部５０は、この第３演算部５８から出力された演算結果を基にして、上述したように、所内負荷１２が要求する電力負荷と火力発電量および充放電量の合計との差分を演算する。

このように構成される自家発電用火力プラントシステム１０では、上述したように、主蒸気圧力の変化度に応じて二次電池３０の充放電量が設定されるように構成されている。充放電量設定部５７は、上述したように、主蒸気圧力の変化度の大きさが予め定めた閾値を上回る場合に、主蒸気圧力の変化度と予め定めた閾値との差分に相当する電力量を充放電量の目標値として設定するように構成されている。

火力プラント１４において発電量が急激に変動する場合は、主蒸気圧力も大きく変化するため、主蒸気圧力の変化度に応じて二次電池３０の充放電量を設定することで、不足電力のピークカットや火力プラント１４における燃料ロスを減らすことでき、経済性に優れた火力プラントシステム１０とすることができる。また、火力プラント１４における発電量の急激な変動を緩和することができ、火力プラント１４の安定運転にも寄与する。

幾つかの実施形態にかかる火力プラントシステム１０では、主蒸気圧力が上昇する場合において、上述した充放電量設定部５７は、主蒸気圧力の上昇度の大きさが予め定めた上側閾値を上回る場合に、主蒸気圧力の上昇度と予め定めた上側閾値との差分に相当する電力量を放電量の目標値として設定するように構成されている。

このような構成によれば、電力負荷が急激に増加し、火力プラント１４の出力の急上昇に伴って主蒸気圧量が急激に上昇する場合に、主蒸気圧量の上昇度と予め定めた上側閾値との差分に相当する電力量が二次電池３０から放電される。これにより、二次電池３０から放電される電力分だけ不足電力のピークがカットされる。このため、契約電力を低くすることができ、電気料金を安く抑えることができる。また、二次電池３０から放電されると、火力発電量設定部５１で設定される火力発電量の目標値がその分だけ小さくなる。このため、火力プラント１４における発電量の急激な増加を緩和することができ、火力プラント１４の安定運転にも寄与する。

また、幾つかの実施形態では、主蒸気圧力が低下する場合に、上述した充放電量設定部５７は、主蒸気圧力の低下度の大きさが予め定めた下側閾値を上回る場合に、主蒸気圧力の低下度と予め定めた下側閾値との差分に相当する電力量を充電量の目標値として設定するように構成されている。

このような構成によれば、電力負荷が急激に減少し、火力プラント１４の出力の急低下に伴って主蒸気圧力が急激に低下する場合に、主蒸気圧力の低下度と予め定めた下側閾値との差分に相当する電力量が二次電池３０に充電される。このように、従来は無駄になっていた発電分を二次電池３０の充電に利用することで、燃料ロスを減らすことができる。また、二次電池３０に充電される分だけ、火力発電量設定部５１で設定される火力発電量の目標値が大きくなるため、火力プラント１４における発電量の急激な低下が緩和され、火力プラント１４の安定運転にも寄与する。

なお、上記の説明では、主蒸気パラメータが主蒸気圧力である場合を例にして説明したが、主蒸気圧力に代えて、主蒸気の温度や流量を主蒸気パラメータとして採用することもできる。

以上のとおり、本発明の少なくとも一実施形態によれば、二次電池３０などの電力貯蔵手段を備えるとともに、主蒸気パラメータの変化度に応じて電力貯蔵手段の充放電量が設定されるように構成されているため、経済効率に優れるとともに、火力プラント１４の安定運転にも寄与する自家発電用火力プラントシステム１０を提供することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

本発明の少なくとも一つの実施形態にかかる自家発電用火力プラントシステムは、例えば製鉄所や製紙工場などの工場所内の電力負荷に対して電力を供給するための自家発電用火力プラントシステムとして好適に用いられる。

１０ 自家発電用火力プラントシステム
１２ 所内負荷
１４ 火力プラント
１６ 二次電池システム
１８ 制御システム
２０ ボイラ
２２ 蒸気タービン
２３ 主蒸気配管
２４ 発電機
２５ 圧力センサ
２６ 温度センサ
２７ 流量計
２８ 主蒸気パラメータ検出手段
３０ 二次電池（電力貯蔵手段）
３２ インバータ
３４ 商用電力系統
３６ 制御装置
４０ 発電量測定装置
４２ 電力負荷測定装置
４４ 充放電測定装置
５０ 第１演算部
５１ 火力発電量設定部
５２ 変化度算出部
５３ 変化度フィルタ部
５４ 変化度積分部
５５ 第２演算部
５６ 電力変換部
５７ 充放電量設定部
５８ 第３演算部

Claims (5)

1. 所内負荷に対して電力を供給するための自家発電用火力プラントシステムにおいて、
   主蒸気を生成可能なボイラと、前記ボイラから供給された主蒸気によって回転する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの回転力によって発電可能な発電機とからなる火力プラントと、
   前記発電機で発電された電力を充電可能であり、且つ充電した電力を放電可能な電力貯蔵手段と、
   前記蒸気タービンに供給される主蒸気に関する主蒸気パラメータを検出する主蒸気パラメータ検出手段と、
   前記火力プラントの火力発電量および前記電力貯蔵手段の充放電量を制御するための制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記所内負荷が要求する電力負荷と前記火力発電量および前記充放電量の合計との差分に応じて、前記火力プラントの火力発電量の目標値を設定する火力発電量設定部と、
   前記主蒸気パラメータの変化度に応じて、前記電力貯蔵手段の充放電量の目標値を設定する充放電量設定部と、を含むことを特徴とする自家発電用火力プラントシステム。
2. 前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータの変化度の大きさが予め定めた閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの変化度と前記予め定めた閾値との差分に相当する電力量を充放電量の目標値として設定するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自家発電用火力プラントシステム。
3. 前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータが上昇する場合において、
   前記主蒸気パラメータの上昇度の大きさが予め定めた上側閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの上昇度と前記予め定めた上側閾値との差分に相当する電力量を放電量の目標値として設定するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の自家発電用火力プラントシステム。
4. 前記充放電量設定部は、前記主蒸気パラメータが低下する場合において、
   前記主蒸気パラメータの低下度の大きさが予め定めた下側閾値を上回る場合に、前記主蒸気パラメータの低下度と前記予め定めた下側閾値との差分に相当する電力量を充電量の目標値として設定するように構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の自家発電用火力プラントシステム。
5. 前記主蒸気パラメータは、前記主蒸気の圧力、温度、又は流量の内のいずれか、からなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の自家発電用火力プラントシステム。

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