(57)【要約】【課題】  ガスタービンを備えた発電システムにおいて、出力の時間変動が大きい発電設備の出力変動を制御して、発電システム全体のエネルギー効率向上と、他の発電設備の出力変動に対する出力平準化を同時に実現できるガスタービンシステムを提供する。【解決手段】  ガスタービンを備えたガスタービンシステムであって、前記ガスタービンの燃料を加熱する発熱体を有し、前記発熱体が、他の発電設備の出力変動分の電気エネルギーを熱エネルギーに変換するよう構成するガスタービンシステム。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンを備えたガスタービンシステムであって、
前記ガスタービンの燃料を加熱する発熱体を有し、
前記発熱体が、他の発電設備の出力変動分の電気エネルギーを熱エネルギーに変換するよう構成されていることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記発熱体が、前記他の発電設備で発生した電気エネルギーのうち、基準値として設定された出力値以上の電気エネルギーを、前記出力変動分の電気エネルギーとして熱エネルギーに変換するよう構成されていることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記発熱体が、前記他の発電設備で発生した電気エネルギーのうち、基準値として設定された周波数よりも高周波の時間変動成分の電気エネルギーを、前記出力変動分の電気エネルギーとして熱エネルギーに変換するよう構成されていることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項４】
請求項２又は３に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記ガスタービンの定格出力に対して５０％/分以上の変動を除去できるように、前記出力値又は前記周波数の基準値が設定されていることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記他の発電設備で発生した電気エネルギーから前記出力変動分の電気エネルギーが分離された残りの電気エネルギーと、前記ガスタービンで発生した電気エネルギーとを足し合わせたものを出力とすることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記他の発電設備の出力変動分の電気エネルギーを貯蔵できる蓄電システムを備えたことを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載のガスタービンシステムにおいて、
前記他の発電設備が、再生可能エネルギーを利用した発電設備であることを特徴とするガスタービンシステム。
【請求項８】
ガスタービンと、前記ガスタービンの燃料を加熱する発熱体とを備えたガスタービンシステムの運転方法であって、
他の発電設備の出力変動分の電気エネルギーを前記発熱体によって熱エネルギーに変換して、前記ガスタービン燃料を加熱することを特徴とするガスタービンシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンシステム及びガスタービンシステムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、風力や太陽光といった再生可能エネルギーを利用した発電システムが注目されている。再生可能エネルギーを利用した発電システム、例えば風力発電においては風速や風向の変化に伴って、出力が変動するという問題がある。この出力変動への対応策としては、以下のものが公知である。
【０００３】
特許文献１には、地中の蓄熱手段に蓄熱する技術が開示されており、「地中に蓄熱することにより、発熱手段で発生させた熱を効率良く安定的に長時間あるいは長期間に亘って蓄えることができ、電力需要変動に対応することができる」と記載されている。
【０００４】
特許文献２には、風力発電部と太陽光発電部とを備えた発電システムが開示されており、「出力の平準化を達成しつつ発電コストを低減することができる」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６９１７１号公報
【特許文献２】特開２０１２−０４７０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では蓄熱した熱エネルギーで蒸気を発生させ、その蒸気でタービン発電機を回転させて発電する構成に特化している。特許文献２においても同様で、蒸気タービンを用いた発電システムに特化している。また、特許文献１及び特許文献２において、発電システム全体の出力平準化を実現する具体的な制御手法については言及されていない。
【０００７】
本発明の目的は、ガスタービンを備えた発電システム全体のエネルギー効率向上と、他の発電設備の出力変動に対する出力平準化を同時に実現できるガスタービンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明のガスタービンシステムは、ガスタービンを備えたガスタービンシステムであって、前記ガスタービンの燃料を加熱する発熱体を有し、前記発熱体が、他の発電設備の出力変動分の電気エネルギーを熱エネルギーに変換するよう構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ガスタービンを備えた発電システム全体のエネルギー効率向上と、他の発電設備の出力変動に対する出力平準化を同時に実現できるガスタービンシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例１及び実施例２のガスタービンシステムの概略図を示す。
【図２】発電システム全体における他の発電設備７の出力の時間変化を示す。
【図３】実施例１における設定した出力値以上の出力の時間変化を示す。
【図４】実施例２における高周波変動を差し引いた出力の時間変化を示す。
【図５】実施例３のガスタービンシステムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に図面を用いて説明する本発明の各実施例によれば、ガスタービンを備えた発電システムにおいて、出力の時間変動が大きい発電設備の出力変動を制御して、発電システム全体のエネルギー効率向上と、他の発電設備の出力変動に対する出力平準化を同時に実現できるガスタービンシステムを提供することができる。
【００１２】
（実施例１）
第１の実施例を図１〜図３を用いて説明する。
【００１３】
図１を用いて、本実施例のガスタービンシステムを説明する。本実施例のガスタービンシステムは、ガスタービン１と、燃料加熱手段５と、燃料供給系統５ａと、電力変換装置６と、他の発電設備７と、他の発電設備７に連結する第１の発電手段１１と、ガスタービン１に連結する第２の発電手段１２と、送電設備１３と、電力変換装置６と第１の発電手段１１との間の送電手段２１と、電力変換装置６と送電設備１３との間の送電手段２２と、燃料加熱手段５と電力変換装置６との間の送電手段２３と、ガスタービン１と第２の発電手段１２との間の送電手段２４と、送電設備１３から外部への電力供給手段２５で構成される。以下、このガスタービンシステムの構成を詳しく説明する。
【００１４】
ガスタービン１の構成を、作動ガスの流れで説明する。ガスタービン１は、主として多段のタービン４と、このタービンに連結され、燃焼用の圧縮空気を得る圧縮機２、及び圧縮空気を高温・高圧ガスに変換する燃焼器３で構成される。燃焼器３で生成された高温・高圧ガスのエネルギーでタービン４が回転し、第２の発電手段１２が駆動される。なお、本実施例のガスタービンは、１軸式のものを想定しているが、パワータービンを配した２軸式ガスタービンであっても構わない。
【００１５】
従来、出力が１０ＭＷ以上級のガスタービンは、定格出力に対して１０〜５０％/分程度の負荷追従能力を有する。本実施例においては、このようなガスタービンを用いる場合を想定して説明する。
【００１６】
燃料加熱手段５は、ガスタービン１の燃焼器３の燃料供給系統５ａに備えられる。具体的な加熱手段としては、例えば電気ヒータを想定する。ガスタービン１内で燃焼させる前に燃料を加熱することによって、着火温度に達するのに必要な燃料消費量を減らすことができる。すなわち、ガスタービン１で目標の出力を得る際に、必要な燃料消費量を減らすことができる。したがって、ガスタービン１のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１７】
電力変換装置６は、第１の発電手段１１で発電された電気エネルギーを、送電手段２２と送電手段２３に、発電システム全体の高効率化を実現する送電を行うために備えられる。電力変換装置６は、他の発電設備７の出力変動がある場合でも、下流側の送電手段２２と送電手段２３に、電気エネルギーを調整して供給する能力を有する。
【００１８】
他の発電設備７は、基本的にガスタービン以外のものを想定し、特に出力変動が大きいとされる再生可能エネルギー、例えば風力発電や太陽光発電等を想定する。本実施例では、他の発電設備７には風力発電を想定したもので説明する。
【００１９】
第１の発電手段１１及び第２の発電手段１２は、例えば軸が回転することによって駆動される発電機を想定する。なお、各発電手段は複数の装置からなるものでも構わない。
【００２０】
送電設備１３は、第１の発電手段１１で発生し電力変換装置６で変換された電気エネルギーＰ１と、ガスタービン１に連結する第２の発電手段１２で発生した電気エネルギーＰ２を足し合わせ、安定した電気エネルギーを外部への電力供給手段２５に供給する能力を有する。送電設備１３から供給される電気エネルギーＰｔは出力変動が小さく、安定した電力として利用できることが望ましい。ただし、外部への電力供給手段２５に接続する機器に悪影響を及ぼさない程度の変動であれば、多少の出力変動があっても構わない。例えば数秒オーダーより長いタイムスケールの出力変動があっても、変動量が小さければ問題ない。
【００２１】
図２及び図３を用いて、電力変換装置６における電気エネルギーの調整について説明する。図２は他の発電設備７に連結する第１の発電手段１１の出力の時間変化の例である。出力変動が大きいまま送電することは、安定した電気エネルギー源としては使い難い。本実施例においては、第１の発電手段１１の出力に対する設定値Ｐｓを設定し、電力変換装置６でＰｓ以上の出力とＰｓ未満の出力に分割することを可能にする。Ｐｓ未満の出力については変動量が小さくなるようにＰｓの値を設定する。本実施例においては、ガスタービン１の定格出力に対して５０％/分より大きい変動が除去できるようにＰｓの値を基準値として設定している。それにより、発電システム全体の出力に対して平準化することが可能になる。
【００２２】
図３は、Ｐｓ以上の出力の時間変化の例である。Ｐｓ以上の出力については、ガスタービン１の燃料加熱手段５に電気エネルギーとして供給される。この電気エネルギーでガスタービン１の燃料を加熱してから燃焼器３で燃焼させることにより、ガスタービン１のエネルギー効率が向上するのは上述の通りである。ガスタービン１の出力は、第２の発電手段１２で発生した電気エネルギーＰ２として送電設備１３に供給される。
【００２３】
一方、Ｐｓ未満の出力については、第１の発電手段１１で発生し電力変換装置６で変換された電気エネルギーＰ１として送電設備１３に供給される。電気エネルギーＰ１は、ガスタービン１の定格出力に対して５０％/分より大きい変動が除去されている。
【００２４】
ガスタービン１で発生する電気エネルギーＰ２については、ガスタービン１の定格出力に対して５０％/分程度の出力調整が可能である。送電設備１３において、電気エネルギーＰ１と電気エネルギーＰ２を足し合わせる。したがって、送電設備１３から供給される電気エネルギーＰｔとしては、出力変動が小さくなる。つまり、発電システム全体の出力として、平準化された電気エネルギーを得ることができる。
【００２５】
本実施例によれば、ガスタービンのエネルギー効率の向上と、出力変動の大きい発電設備の出力平準化が同時に実現できる。つまり、ガスタービンを備えた発電システム全体の出力を平準化しつつ、総合的なエネルギー効率を向上させることができる。
【００２６】
（実施例２）
第２の実施例を図１、図２、及び図４を用いて説明する。
【００２７】
ガスタービンシステムの構成については実施例１と同様であり、同一内容の箇所については説明を省略する。本実施例は、第１の発電手段１１の出力に対して、電力変換装置６において設定した任意の周波数（以下、カットオフ周波数と呼称）よりも高周波の時間変動成分（高周波変動）と、この高周波変動を除去した出力とに分割することを可能としたものである。本実施例では、定格出力に対して１０〜５０％/分程度の負荷追従能力を有するガスタービンを用いる場合を想定し、基準値となるカットオフ周波数をガスタービン１の定格出力に対して５０％/分以上の変動を除去できるように設定している。
【００２８】
図４は、高周波変動を除去した出力の時間変化の例である。図４に示す通り、他の発電設備７の出力変動分として高周波変動を除去することにより、図２に示した高周波変動を除去する前と比較して、出力の変動を小さくする事ができる。外部への電力供給手段２５に接続する機器に悪影響を及ぼさない程度まで出力変動を除去できていれば、多少の時間変動があっても構わない。例えば数秒オーダーより長いタイムスケールの出力変動があっても、変動量が小さければ問題ない。
【００２９】
電力変換装置６で分離された高周波の時間変動成分については、ガスタービン１の燃料加熱手段５に電気エネルギーとして供給される。燃料加熱手段５は供給された電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、燃料の加熱に利用する。これにより、実施例１と同様、ガスタービン１のエネルギー効率の向上を図ることができる。
【００３０】
また、ガスタービン１の出力は、第２の発電手段１２で発生した電気エネルギーＰ２として送電設備１３に供給される。さらに、電力変換装置６によって高周波変動を差し引いた出力については、第１の発電手段１１で発生し電力変換装置６で変換された電気エネルギーＰ１として、送電設備１３に供給される。
【００３１】
そして、送電設備１３においてＰ１とＰ２を足し合わせることにより、出力となる電気エネルギーＰｔを、平準化された電気エネルギーとして得ることができる。
【００３２】
送電設備１３から供給される電気エネルギーＰｔが平準化されるようにカットオフ周波数を決定すると、発電システム全体に対する出力平準化の効果が大きい。また、高周波変動を実施例１より効果的に除去できていることから、出力平準化の効果が大きい。したがって、本実施例のシステムによれば、発電システム全体のエネルギー効率を最大限に高めつつ、安定した電気エネルギーを供給することができる。
【００３３】
なお、本実施例で示した手法と実施例１で説明した手法とを組合せて用いたり、これらを切り換えて用いてもよい。
【００３４】
（実施例３）
第３の実施例を図５を用いて説明する。
【００３５】
図５を用いて、本実施例のガスタービンシステムを説明する。本実施例のガスタービンシステムは、実施例１及び実施例２で説明した図１に示すガスタービンシステム内に、蓄電システム３１と、電力変換装置６と蓄電システム３１との間の送電手段３２と、蓄電システム３１とガスタービン１との間の送電手段３３を追加して構成される。以下、このガスタービンシステムの構成について詳しく説明する。実施例１及び実施例２と同一内容の箇所については説明を省略する。
【００３６】
蓄電システム３１は、電力変換装置６で変換された第１の発電手段１１で発電された電気エネルギーを、蓄電するために備えられる。また、蓄電システム３１に蓄電された電気エネルギーをガスタービン１で利用するために、蓄電システム３１とガスタービン１との間の送電手段３３を構成する。
【００３７】
実施例１及び実施例２では、他の発電設備７の出力から分割された電気エネルギーを逐次利用して、発電システム全体の出力平準化と、発電システム全体のエネルギー効率を向上できるように構成する。本実施例では他の発電設備７の出力から分割された電気エネルギーを蓄電することで、発電システム全体のさらなるエネルギー効率の向上を達成することができる。蓄電したエネルギーによって、例えばガスタービン１の起動時において圧縮機２の動力低減が可能になる。圧縮機２を電気エネルギーで駆動することを想定した場合、他の発電設備７の出力変動を平準化することと、ガスタービン１のエネルギー効率を高めることができるからである。
【００３８】
さらに、実施例１及び実施例２において説明したように、蓄電した電気エネルギーをガスタービンの運転状況に合わせて燃料加熱手段５で利用することで、ガスタービン１のエネルギー効率が向上するのは明らかである。
【００３９】
蓄電システム３１を備えることで、発電システム全体のエネルギー効率を向上させられるだけではなく、送電設備１３から供給される電気エネルギーＰｔを平準化することも、実施例１あるいは実施例２と比較して、より容易になる。
【００４０】
電力変換装置６における電気エネルギーの調整については、実施例１あるいは実施例２で説明した手法を用いればよい。蓄電システム３１を備えることにより、実施例１における第１の発電手段１１の出力に対する設定値Ｐｓ、あるいは実施例２におけるカットオフ周波数の設定がより容易になるのは自明である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ガスタービン
２  圧縮機
３  燃焼器
４  タービン
５  燃料加熱手段
５ａ  燃料供給系統
６  電力変換装置
７  他の発電設備
１１  第１の発電手段
１２  第２の発電手段
１３  送電設備
２１  電力変換装置６と第１の発電手段１１との間の送電手段
２２  電力変換装置６と送電設備１３との間の送電手段
２３  燃料加熱手段５と電力変換装置６との間の送電手段
２４  ガスタービン１と第２の発電手段１２との間の送電手段
２５  送電設備１３から外部への電力供給手段
３１  蓄電システム
３２  電力変換装置６と蓄電システム３１との間の送電手段
３３  蓄電システム３１とガスタービン１との間の送電手段
Ｐ１  第１の発電手段１１で発生し電力変換装置６で変換された電気エネルギー
Ｐ２  第２の発電手段１２で発生した電気エネルギー
Ｐｓ  第１の発電手段１１の出力に対する設定値（実施例１）
Ｐｔ  送電設備１３から供給する電気エネルギー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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