(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気噴射型ガスタービンを主機とし排熱回収ボイラとで構成されると共に熱電可変型コジェネユニットに可視水蒸気防止装置を備え、熱電可変型コジェネユニットで電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転方法において、電力及び蒸気の負荷需要量の予測を行うと共に大気温度及び湿度の大気条件予測を行い、その予測結果に基づいて、排気ガスに含まれる水蒸気が可視化しないような制限下における運用コストが最小となるコジェネユニットの電力及び蒸気出力量を決定し、それに基づいて、与えられた制限下における運転計画スケジュールを立て、各々のコジェネユニットを制御する個別制御装置に、起動／停止、運転ポイントを指令するに際し、任意の大気温度・湿度条件における熱電可変型コジェネユニットの燃料消費・発電量・発生蒸気の関係をモデル化し、電力需要と蒸気需要を満たすためのコジェネユニットの燃料消費と発生蒸気量と発電量を計画した運転ポイントを求めると共にその運転ポイントでの排ガスの温度・湿度で可視化水蒸気が発生するかを考慮し、可視水蒸気防止を行う際に、可視水蒸気防止装置による排ガス温度上昇分による熱損失を考慮して運用コストが最小となる運転ポイントを決定することを特徴とするコジェネプラントの運転方法。
【請求項２】
蒸気噴射型ガスタービンを主機とし排熱回収ボイラとで構成されると共に熱電可変型コジェネユニットに可視水蒸気防止装置を備え、熱電可変型コジェネユニットで電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転装置において、電力及び蒸気の負荷需要量の予測を行うと共に大気温度及び湿度の大気条件予測を行う需要及び運転条件計画部と、その需要及び運転条件計画部の予測結果に基づいて、排気ガスに含まれる水蒸気が可視化しないような制限下における運用コストが最小となるコジェネユニットの電力及び蒸気出力量を決定する最適運用計画部と、最適運用計画部で求めた計画に基づいて、与えられた制限下における運転計画スケジュールを立て、各々のコジェネユニットを制御する個別制御装置に、起動／停止、運転ポイントを指令する個別ユニット指令部とを備え、かつ最適運用計画部は、任意の大気温度・湿度条件における熱電可変型コジェネユニットの燃料消費・発電量・発生蒸気の関係をモデル化し、電力需要と蒸気需要を満たすためのコジェネユニットの燃料消費と発生蒸気量と発電量を計画した運転ポイントを求めると共にその運転ポイントでの排ガスの温度・湿度で可視化水蒸気が発生するかを考慮し、可視水蒸気防止を行う際に、可視水蒸気防止装置による排ガス温度上昇分による熱損失を考慮して運用コストが最小となる運転ポイントを決定することを特徴とするコジェネプラントの運転装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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の運転方法及びその装置に係り、特に、可視水蒸気防止装置を有し、排気中に含まれる水蒸気の可視化を防止する制約下で運用コストを最小とすることができるコジェネプラントの運転方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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排熱回収ボイラを付加して構成された熱電可変型コジェネユニットは、排熱回収ボイラからの蒸気をガスタービンに入力することによって発電効率（発電能力）を上げることができるので、単に電力と蒸気とを並行して供給できるだけでなく、電力出力量及び蒸気出力量を複合的に調節することができる。
【０００３】
図７に示すようにコジェネユニットは、蒸気噴射型ガスタービン５０と排熱回収ボイラ５１とから構成され、給気をコンプレッサ５３で圧縮して燃焼室５４に送り、燃焼室５４に供給された燃料を燃焼させてタービン５５を駆動して発電機Ｇによる発電を行い、燃焼排ガスを、排熱回収ボイラ５１に供給して熱回収し、排熱回収ボイラ５１に給水して得られた蒸気を、需要系５８に送ると共に、蒸気の一部を、ガスタービンケース噴射蒸気として燃焼室５４に、またノズル５６を介して圧縮空気と共にタービン５５に供給して電力量と蒸気量を調整する。
【０００４】
このように、熱電可変型コジェネユニットでは、電力と蒸気を供給することができ、排熱回収ボイラから発生した蒸気の一部をガスタービンに噴射することにより発電効率を上げるものであり、同じ燃料量で、送気蒸気量と発電量を可変とすることができる。
【０００５】
図６はコジェネユニットの燃料−送出蒸気量・発電量特性図を示したものである。
【０００６】
この特性図は、発電量１０００〜６０００ｋｗにおける送気蒸気量と燃料消費量の特性を示したものである。
【０００７】
送気蒸気量と燃料消費燃料特性は、ガスタービンと排熱回収ボイラの特性及び制約条件により決定され、点Ａ〜Ｆで結んだ領域が運転域となる。ここで点Ａと点Ｂを結ぶ線は、ガスタービンに噴射する蒸気量上限で決定され、点Ｂと点Ｃで結ぶ線は、ガスタービン入口温度上限値の制限で決定され、点Ｃと点Ｄを結ぶ線は、発生蒸気量上限値の制限で決定され、点Ｄと点Ｅと点Ｆを結ぶ線は、ガスタービン出力下限値により決定される。
【０００８】
ここで、電力需要と蒸気需要とが決まっているとすると、同じ燃料を消費するのでも、前述のように噴射蒸気量を調節することで電力出力量及び蒸気出力量を複合的に調節できるため、運転ポイントが多数存在することになる。また、外部からの電力・蒸気の供給を加味することにより、運転ポイントの範囲は更に広がり燃料消費量も異なるので、運転ポイントを変動させると運用コストも変動することになる。また電力需要と蒸気需要とは、常時変化するため、最小の運用コストとなるように運転ポイントを決定するのは困難である。
【０００９】
そこで、本出願人は、先に、特開２００１−２１１６９６号公報（発明の名称；コジェネプラントの運転方法及びその装置）にて、先ず電力及び蒸気の負荷需要予測を行い、それに基づいて、与えられた制限下における運用コストが最小となるコジェネユニットの電力及び蒸気出力量を決定し、それに基づいて、与えられた制限下における運用計画スケジュールを立て、各々のコジェネユニットを起動・停止を決定すると共にコジェネユニットの個別制御装置に、起動／停止、運転ポイントを指令するコジェネプラントの運転方法を提案した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のコジェネレーションプラントの運転管理システムでも、先願の発明でも、プラントの運転効率（一次エネルギー量に対する二次エネルギー発生量）を優先して運転コストが最小となる運転ポイントを決定しているが、排熱回収ボイラから排出される排ガスの可視水蒸気については考慮されていない。
【００１１】
この可視水蒸気は、景観を損なう点を除けば無害であるため、広大な敷地をもつ発電プラントや工場内での施設で運用する場合には、無視されてきた。
【００１２】
しかし、主に都市部におけるコジェンレーションプラントでは、近隣住民の日常生活に不都合が生じないように煙突から出る白煙を防止することが必須条件となる。
【００１３】
そこで、運転管理システムに可視水蒸気防止装置を追加し白煙化を防止するとすると、白煙化防止で、排ガス温度を上げる場合も、排気ガスの湿度を下げる場合もエネルギーロスが発生するため、可視水蒸気防止装置の特性を無視した運用計画では、運転効率や負荷需要追従性に問題が発生する。
【００１４】
また、複数台のコジェネユニットで構成されるシステムの場合、可視水蒸気防止によるエネルギーロスを考慮しないで運転していると負荷需要増加時のユニット立ち上げに遅れが生じて安定供給できない問題が発生する。
【００１５】
以上のように、可視水蒸気防止を制約条件とする環境では、運転効率のみを最適とする運用方法では必ずしも運用コストが最小ではなく、経済的にメリットがあるとはいえない。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、電力需要と蒸気需要の予測の他に、大気温度と湿度を計測・予測し、可視水蒸気防止を制約条件とした最適運転計画を行うことにより、トータルのエネルギー効率を上げ、電力・蒸気を安定供給できるコジェネプラントの運転方法及びその装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、蒸気噴射型ガスタービンを主機とし排熱回収ボイラとで構成されると共に熱電可変型コジェネユニットに可視水蒸気防止装置を備え、熱電可変型コジェネユニットで電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転方法において、電力及び蒸気の負荷需要量の予測を行うと共に大気温度及び湿度の大気条件予測を行い、その予測結果に基づいて、排気ガスに含まれる水蒸気が可視化しないような制限下における運用コストが最小となるコジェネユニットの電力及び蒸気出力量を決定し、それに基づいて、与えられた制限下における運転計画スケジュールを立て、各々のコジェネユニットを制御する個別制御装置に、起動／停止、運転ポイントを指令するに際し、任意の大気温度・湿度条件における熱電可変型コジェネユニットの燃料消費・発電量・発生蒸気の関係をモデル化し、電力需要と蒸気需要を満たすためのコジェネユニットの燃料消費と発生蒸気量と発電量を計画した運転ポイントを求めると共にその運転ポイントでの排ガスの温度・湿度で可視化水蒸気が発生するかを考慮し、可視水蒸気防止を行う際に、可視水蒸気防止装置による排ガス温度上昇分による熱損失を考慮して運用コストが最小となる運転ポイントを決定するようにしたコジェネプラントの運転方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、蒸気噴射型ガスタービンを主機とし排熱回収ボイラとで構成されると共に熱電可変型コジェネユニットに可視水蒸気防止装置を備え、熱電可変型コジェネユニットで電力と蒸気を供給するコジェネプラントの運転装置において、電力及び蒸気の負荷需要量の予測を行うと共に大気温度及び湿度の大気条件予測を行う需要及び運転条件計画部と、その需要及び運転条件計画部の予測結果に基づいて、排気ガスに含まれる水蒸気が可視化しないような制限下における運用コストが最小となるコジェネユニットの電力及び蒸気出力量を決定する最適運用計画部と、最適運用計画部で求めた計画に基づいて、与えられた制限下における運転計画スケジュールを立て、各々のコジェネユニットを制御する個別制御装置に、起動／停止、運転ポイントを指令する個別ユニット指令部とを備え、かつ最適運用計画部は、任意の大気温度・湿度条件における熱電可変型コジェネユニットの燃料消費・発電量・発生蒸気の関係をモデル化し、電力需要と蒸気需要を満たすためのコジェネユニットの燃料消費と発生蒸気量と発電量を計画した運転ポイントを求めると共にその運転ポイントでの排ガスの温度・湿度で可視化水蒸気が発生するかを考慮し、可視水蒸気防止を行う際に、可視水蒸気防止装置による排ガス温度上昇分による熱損失を考慮して運用コストが最小となる運転ポイントを決定するコジェネプラントの運転装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２２】
図１は、本発明に係るコジェネプラントの運転装置を示したものである。
【００２３】
先ず、コジェネユニット１０は、電力・蒸気需要プラント１１に所望の電力・蒸気を供給すべく複数台あり、これらは同等能力または異なる能力であってもよい。
【００２４】
この各コジェネユニット１０，１０は、それぞれ個別制御装置１２で運転制御される。このコジェネユニット１０は、白煙化防止のための可視水蒸気防止装置１３を備えており、個別制御装置１２は、その可視水蒸気防止装置１３をも制御できるようになっている。
【００２５】
電力・蒸気需要プラント１１は、運転状況に応じた電力需要・蒸気需要を満たすべく、コジェネユニット１０，１０から電力・蒸気の供給を受けると共に補助ボイラ等１４から蒸気を、電力会社等１５から電力の供給を受ける。
【００２６】
この電力・蒸気需要プラント１１の電力需要・蒸気需要は、コジェネ総括制御装置１６に出力される。
【００２７】
コジェネ統括制御装置１６は、需要及び運転条件計画部１７とコジェネプラント制約設定部１８と個別制約設定部１９と最適運用計算部２０と個別ユニット指令部２１とを備えている。
【００２８】
需要及び運転条件計画部１７は、現在から一定時間先までの電力需要・蒸気需要変化及び大気温度及び湿度の変化に基づく運転条件の変化を計画する。電力需要・蒸気需要計画は、過去の実績から自動的に予測する場合とオペレータが手動で入力する方法或いは予め計画したものを入力する方法であってもよい。大気温度及び湿度の変化は、気象予測データもしくは過去の実績に基づいて大気予想を行う。オペレータが手入力する方法或いは予め計画したものを入力する方法であってもよい。
【００２９】
コジェネプラント運転制約設定部１８は、プラントを運転するに当たっての制約条件を設定する。例としては、電力会社等１５からの電力供給を一定値とすることや、その他、プラントを運転する上での制約条件が設定される。
【００３０】
個別ユニット制約設定部１９は、個別コジェネユニットにおける制約条件を設定する。一例としては、手動モードや故障によって制御対象外となっているプラントやメンテナンスなどのために所定時間後に停止していなければならないプラント等の情報が設定される。
【００３１】
最適運用計算部２０は、需要及び運転条件計画部１７からの電力需要・蒸気需要計画及び大気予想とコジェネプラント運転制約設定部１８からの制約条件に基づいて、コジェネユニット１０による電力・蒸気発生と電力会社等１５や補助ボイラ等１４の外部からの供給電力・供給蒸気の組合せで運用コストが最小となるものを導出し、これに基づいて、コジェネユニット１０の運転台数・運転ポイントを算出する。この場合、最適運用計算部２０は、各コジェネユニット１０での可視水蒸気防止装置１３の運転状態を加味して運用コストが最小となるものを算出する。
【００３２】
個別ユニット指令部２１は、最適運用計算部２０からの起動／停止、運転ポイントに基づいて、個別ユニット制約と個別コジェネユニット１０における総運転時間・最近の停止時刻などにより稼動すべきプラントを選択し、起動／停止、及び運転ポイントを個別ユニット制御装置１２に指令する。この場合、総運転時間を考慮することにより、例えば、各コジェネユニット１０の運転時間を均一にすることが可能で、メンテナンススケジュールを立てることができる。
【００３３】
図２は、最適運用計算部２０の詳細を示したもので、最適運用計算部２０は、コジェネユニット１０の消費燃料・送出蒸気量・発電量の関係をモデル化し、更に補助ボイラ等１４を含むプラントで、入力される大気温度・湿度、電力需要、蒸気需要、燃料費、給水費、買電費に基づいて、電力需要と蒸気需要を満たすためのガスタービンコジェネユニットの特性に則って、コスト最小運転パターン（蒸気量、発電量、運転台数ｎ・ガスタービン熱電比率、補助ボイラ蒸気量、買電電力量）を計画する。
【００３４】
ガスタービンコジェネユニットの特性に則った最適運用計画とは、すなわちガスタービン入口温度や噴射蒸気量に制約をかけ、その制限条件下で、目標発電量・蒸気発生量を満たす最小コスト運転パターンを探索することである。
【００３５】
ここで、最適運用計算部２０は、ガスタービンコジェネユニットモデルから、任意の運転状態における排ガス温度・排ガス湿度を計算することが可能である。また、排ガス温度・排ガス湿度に制約をかけ、その制約条件下でコスト最小となる運転パターンを計画することも可能である。
【００３６】
可視水蒸気防止条件は、排ガスの温度と湿度を計測もしくは計算し、これらと大気温度・湿度から、大気中に放出した排ガス中の水蒸気が可視化するか判定する。具体的には、排ガス温度・湿度条件から大気温度・湿度条件に遷移する途中で、飽和水蒸気曲線の内側を通らない条件になるように運転することである。
【００３７】
図３は可視水蒸気防止条件と可視水蒸気防止装置による状態変化を示す図である。
【００３８】
図３（ａ）の空気線図において、コジェネユニットから排出される排ガスの状態（温度、湿度）が点ｐにあり、大気の状態が点ｑにあるとする。この点ｐの排ガスをそのまま大気に放出すれば、線ｌで示すように、飽和水蒸気曲線ｓの内側（液相側）を通り可視化し白煙が発生する。そこで、排出する排ガスの温度を高くすると共に絶対湿度を下げて点ｒの状態で大気に放出すると、線ｍで示すように飽和水蒸気曲線ｓの外側（ガス相側）を通り、可視化水蒸気防止運転が行える。
【００３９】
実際のコジェネユニット１０の制御レベルで水蒸気が可視化する場合は、ローカルで制御される可視水蒸気防止装置１３を起動させて排熱回収ボイラでの排ガスからの熱回収を制限して、放出する排ガス温度を上昇させることで可視化水蒸気防止運転を行う。すなわち、図３（ｂ）の空気線図に示すように、排ガスを点ｐの状態から絶対湿度を変えずに温度を上げて点ｔの状態とし、その状態で大気に放出することで、線ｎで示すように飽和水蒸気曲線ｓの外側（ガス相側）を通り、可視化水蒸気の発生を防止できる。
【００４０】
図４は、コジェネユニット１０における可視水蒸気防止装置１３の具体例を示したものである。
【００４１】
先ず、ガスタービン２５の排ガスが、１次排熱回収ボイラ２６を通り、２次排熱回収ボイラ２７を通って集合煙突２８で排気され、１次排熱回収ボイラ２６と２次排熱回収ボイラ２７で発生した蒸気がドラム２９より送気蒸気３０としてプラント側に、また一部はノズル蒸気やケース蒸気としてガスタービン２５に供給されてガスタービン熱電比率が制御されているとする。
【００４２】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示すように、可視水蒸気防止装置１３は、１次排熱回収ボイラ２６からの排ガスを集合煙突２８にバイパスするバイパス回路３１からなり、図４（ａ）に示すように、バイパス回路３１の入口側にダンパ３２を設けて、１次排熱回収ボイラ２６からの排ガスを、バイパス回路３１を通して集合煙突２８に排気するもの、また図４（ｂ）に示すように、バイパス回路３１の出口側にダンパ３３を設けて、１次排熱回収ボイラ２６からの排ガスを、バイパス回路３１を通し、２次排熱回収ボイラ２７を通った排ガスと混合して集合煙突２８に排気するものなどがある。
【００４３】
また可視水蒸気防止装置１３は、図示の他に排熱回収ボイラの後流に復水器を設置するものがあるが、復水器のみによる可視水蒸気防止では、冷却コストがかかるため、温度上昇と併用する方法が好ましい。
【００４４】
可視水蒸気防止装置１３は、排ガスの湿度（直接計測できない場合は、ガスタービン運転条件から計算）と、大気温度湿度から、大気中に放出した排気ガス中の水蒸気が可視化しないための排気ガス温度を計算し、現在の排気ガス温度が、この値より低い場合には、作動されて可視化水蒸気を防止すべく放出する排ガス温度を上昇させる。
【００４５】
この可視化防止方法は、排ガスの絶対湿度は変化しないため、エネルギーロスを少なくするためには、コジェネ統括制御装置１６（図１参照）は、ガスタービンへの蒸気噴射量を少なくする必要がある。
【００４６】
通常の蒸気発生量（送気蒸気量）は、式１で決定されるが、可視化水蒸気防止装置１３の運転中の蒸気発生量（送気蒸気量）は式２となる。
【００４７】
発生蒸気量＝ボイラの発生蒸気  −  ガスタービンの噴射蒸気量    式１
発生蒸気量＝ボイラの発生蒸気  −  ガスタービンの噴射蒸気量
−バイパスした排ガスによって発生するはずだった蒸気量  式２
最適運用計算部２０は、可視水蒸気防止を考慮した場合、以下の処理が行われる。
【００４８】
（１）大気温度・湿度から飽和水蒸気曲線に接線を引き、排ガス温度・湿度の許容範囲を設定する。
【００４９】
（２）ガスタービン排気ガスバイパスモデルを運転計画に加味する。すなわち、排ガスバイパス量を変数とし、バイパス量に対する排気ガス温度上昇と排熱回収ボイラからの蒸気発生量の減少を運転評価式に追加する。
【００５０】
（３）本来のガスタービンコジェネユニットの制約と（１）の制約条件下で、（２）を加味した運転パターンの中で、評価式（運転コスト計算式）を最小とする解を探索する。
【００５１】
（４）大気温度・湿度及び電力需要・蒸気需要を予測値とすることにより、将来の運転状態も考慮した計画を行う。
【００５２】
なお、可視化水蒸気防止を絶対条件としない場合には、排ガス温度・湿度状態が（１）の接線からどのぐらい離れているかを評価式に加えることができる。
【００５３】
次に、可視化水蒸気防止条件下での最適運用計画の具体例を図５を用いて説明する。
【００５４】
図５において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆで囲った領域は、図６で説明したコジェネユニットの本来のガスタービン特性（燃料−送出蒸気量・発電量特性）であるが、可視化水蒸気を考慮した場合、任意のある大気状態での特性は、可視化水蒸気防止のために排ガスをバイパスして排ガス温度を上昇させるため、図示の点Ａ’，Ｂ’，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ’で囲った領域となる。
【００５５】
最適運用計算部２０による運転ポイントの計算は以下のように行われる。
【００５６】
（ａ）今、ある電力需要・蒸気需要に対して、可視水蒸気防止を考慮しない最適運転ポイントを、図５のコジェネユニットの燃料−送出蒸気量・発電量特性図中、点Ｈとする。
【００５７】
（ｂ）可視水蒸気防止を考慮する場合は、まず排気温度・排気湿度制約から図５のＡ’〜Ｆ’で囲んだ領域内にガスタービン運転可能範囲が狭まる。
【００５８】
（ｃ）この範囲で発電量を点Ｈと同じにするには、電力量一定ラインに沿って燃料を増やすことになる。
【００５９】
（ｄ）この場合、排熱回収ボイラへの熱量も増加するが、その増加分の排ガスをバイパスして排気ガス温度上昇に用いることにより、発生蒸気量の余剰をなくし、かつ可視水蒸気防止条件を成立しやすくする。但し、燃料流量・排気ガスバイパス量・排気温度・排気湿度は連立方程式として計算されるためこれらの値は一意に求められる。
【００６０】
（ｅ）結果として、ガスタービンコジェネユニットの（見かけの）運転ポイントＩが求められる。実際の発生蒸気は排ガスのバイパスによってＨ点と同じである。
【００６１】
この運転ポイントＩは、個別ユニット指令部２１より個別制御装置１２によって、コジェネユニット１０を、この運転ポイントＩを基準とした運転（燃料消費、、給水量、熱電率調整）がなされると共に可視水蒸気防止装置１３によるバイパス蒸気量の制御がなされて、需要予測に応じた電力負荷追従・蒸気負荷追従が、自動もしくはオペレータに指示を出すことによる半自動で行われる。
【００６２】
また、需要予測変化や大気予測変化により、最適運転ポイントは、常時変化するため、その都度最適計画をたてて運転ポイントを探しだして運転を行う。
【００６３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、可視水蒸気防止を制約条件とし、その制約下で運用コストが最小となるように最適運転計画を行うことにより、トータルエネルギー効率をを上げ、需要に応じた電力・蒸気を安定供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】図１における最適運用計算部の詳細図である。
【図３】本発明において、可視水蒸気防止条件と可視水蒸気防止装置による状態変化を説明する空気線図である。
【図４】本発明における可視水蒸気防止装置の具体例を示す図である。
【図５】本発明において、燃料−送出蒸気量・発電量特性図を基に、可視水蒸気防止条件下における運転計画の例を説明する図である。
【図６】熱電可変型ガスタービンの燃料−送出蒸気量・発電量特性図を示す図である。
【図７】コジェネユニットを示す図である。
【符号の説明】
１０  熱電可変型コジェネユニット
１２  個別制御装置
１３  可視水蒸気防止装置
１７  需要及び運転条件計画部
２０  最適運用計画部
２１  個別制御ユニット指令部
【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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【図６】
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【図７】
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