三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010) 自動車関連技術特集

技 術 論 文44

再生エネルギーの増加に伴う既設火力発電プラントの運用性向上対応
Improvement of Operational Capability in Existing Thermal Power Stationsin response to the Growth of Renewable Energy

黒 石 卓 司 *1

松 岡 俊 規 *2

Takashi Kuroishi

Toshiki Matsuoka

西 垣 義 道 *3

松 井 信 正 *4

Yoshimichi Nishigaki

Nobumasa Matsui

温暖化ガス排出量削減中期目標に向け，太陽光や風力といった再生エネルギーの導入が加速してゆくことが予想される．再生エネルギーを最大限活用するために，今後の火力発電プラントには天候などに左右される再生エネルギー発電量の変動への追従性(負荷変化率の向上)と，運用可能負荷幅の拡大(最低負荷の切下げ)が求められる．本稿では，経済産業省発表の 2020 年と 2030 年の電力予測を基に，再生エネルギーの比率が高まる夏季昼間の電力を仮定し，再生エネルギーの発電量が大きく変動した場合の系統周波数変動をシミュレーションにより試算した．その結果，全ての火力発電プラント平均で５％/分以上の負荷追従性が必要になるという結果が得られた．

|1. はじめに我が国の温暖化ガス排出量削減への取組みとして，原子力発電の稼働率向上が急務であるとともに，再生エネルギーの導入が急速に拡大している．特に太陽光発電については 2009 年 11月より全量買取り制度が始まっており，ほかのエネルギーについても買取り制度の検討が行われている状況にある．太陽光，風力などの再生エネルギーは，発電時に CO2 を排出しないという利点がある一方，その出力は天候などの自然現象に強く依存するため，今後系統内に占める割合が増加するに伴い何らかの系統安定化対策が必要となる．ボイラ，タービンで構成されるコンベン
ショナル火力発電プラントは，ボイラの大きな保有熱量によって，比較的早い需要の変化に追従できるポテンシャルを持っている(図１)．

図１ コンベンショナル火力発電プラント*1 原動機事業本部サービス統括部次長 博士（工学） *2 原動機事業本部プラント事業部長崎プラント技術部主席チーム統括*3 原動機事業本部サービス統括部*4 長菱制御システム（株） システム技術部タスクマネージャー 博士（工学）三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)45

本稿では，火力発電プラントがどの程度の負荷追従性を持つ必要があるかを試算し，早急に求められる再生エネルギー増に対する既設コンベンショナル火力発電プラントの対応を示す．

|2. 2020 に向けた CO2 削減へのアプローチ
日本が世界に発信した，2020 年までに温暖化ガス排出量を 1990 年比で 25％削減するという中期目標を達成するために，全体の約 30％を占める発電由来の CO2 排出量を削減する効果は非常に大きい．当社では低炭素社会に向けた火力発電プラントに対する取組みとして，(1)高効率ガスタービンコンバインド発電の研究開発，(2)石炭火力でのバイオマス混焼，(3)石炭ガス化技術を含む石炭火力発電の高効率化，(4)既設火力発電プラントの運用性向上を主要なテーマと位置づけている(図２)．このうち(1)～(3)は直接的に CO2 排出量削減に寄与するものであるのに対し，(4)は原子力や再生可能エネルギーの比率が増加することに対する火力発電プラントとしての機能向上対策で，次の２つの機能がある．すなわち，①負荷変化率の向上，②最低負荷の切下げである．
① 負荷変化率の向上
再生エネルギーの急激な発電量の変動を吸収するものとしては，蓄電池による対応，スマートグリッドによる変動の平滑化といった様々な手段が研究・開発されている．しかし，一定規模の蓄電池をバッファとして持たせるために，電力系統の大きさに対する費用対効果や技術的な成熟度などを考慮すると，当面既存の技術で対応できる既設火力発電プラントの負荷変化率を高めるのが有効である．その中でもボイラで発生させた蒸気でタービンを回して発電するコン
ベンショナル火力発電プラントは，ボイラの大きな保有熱量を利用し，タービンへ流入する蒸気量を任意に変動させることができることから，急激な変動を吸収するのに適している．
② 最低負荷の切下げ
電力需要は昼夜あるいは季節によって大きく変動するとともに，今後全発電量に占める原子力や再生可能エネルギーの割合が増加することが予想されるが，現状の火力発電プラントには運用上の最低負荷が存在する．最低負荷を下げることで，原子力などクリーンなエネルギーの発電量を増やすことができるとともに，夜間ユニットを停止することなく運用することができるようになる．

図２ 火力発電設備の CO2 削減への取組み

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)46|3. 系統周波数シミュレーションによる過渡安定性の評価
火力発電プラントの負荷変化率がどの程度であれば安定的に系統周波数を制御できるかを，全国の電力系統の 1/10 を模擬したシミュレーションにより試算した．2020 年，2030 年のエネルギ
ー需要および電源構成には様々な予測が出されているが，本試算では経済産業省のデータ(1)を使用した．
中期目標の達成に向けた最大導入ケースでは，2020 年時点での太陽光発電は 2005 年比 20倍(2800MW)，風力発電は 5 倍(490MW)の導入が計画されている(2)．系統に占める再生エネルギーによる発電量が多いほど，系統安定化対策が必要になってくると予想される．そこで夏季昼間のピーク需要時の発電電力を図３のように設定した．本シミュレーションでは，この状態から突然のゲリラ雷雨などで急激な再生エネルギー発電量の低下(５分間で－30％)を想定し，変動分を火力発電プラントが補うとして系統周波数が適正に保たれるかを確認した．シミュレーションの概要を図４に示す．系統全体を一つの同期式回転子とみなし，負荷変動による過渡安定性を評価した．

図３ 夏季昼間最大電力（予測）

図４ シミュレーション概要

結果として，2020 年の電力構成において火力発電プラントの負荷変化率によらず大きな変動はなく制御されたのに対し，2030 年の構成においては負荷変化率の違いによって系統周波数に影響を与えるという結果が得られた(図５，６)．
本シミュレーションは多くの仮定を含む試算結果の一つであり，実際には様々な要因で結果も変わり得るものではあるが，系統安定化に寄与すべく火力発電プラントの負荷変化率を向上させることは有効であると考えられる．

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図５ シミュレーション結果（出力変化）

図６ シミュレーション結果（周波数）以下では，多くの既設コンベンショナル火力発電プラントで採用されている石炭焚変圧貫流ユニットにおける運用性向上対策の一部を紹介する．

|4. 負荷変化率の向上
新蒸気温度制御(3)の採用
貫流ユニットの負荷変化率を向上させる際に最初に問題となる蒸気温度制御偏差を緩和するため，制御対象を変更する．従来制御は，燃料量と過熱器スプレという２つの操作端が主蒸気温度を制御する干渉系であるが，新制御では燃料量が水冷壁出口温度を，過熱器スプレが主蒸気温度を制御することにより非干渉系となるため，制御性が向上する(図７)．蒸気温度偏差に余裕が生じることにより，負荷変化率を向上させる余地が生まれる．なお，石炭焚ユニットへ適用する際には，炭種や伝熱面汚れなどの条件で火炉の吸熱バランスが変化するため，水冷壁出口温度設定は炭種に応じて温度設定値を変化させるなど配慮が必要である．

図７ 新蒸気温度制御による負荷変化中の主蒸気温度偏差|5. 最低負荷の切下げ① ミル運転台数の変更
石炭焚ボイラでは，燃焼(着火)安定性の観点から当社では最低負荷でミル２台以上の運用を推奨してきたが，最低負荷はミル負荷の下限によっておのずと決定される．着火性能に優れる新型バーナへの更新することによって保炎性を確保することで，ミル運転台数を減らし運用の最低負荷を切り下げられる場合がある．

三菱重工技報 Vol.47 No.4 (2010)48② 小容量ミル又は小容量バーナ
ミル負荷の下限はミル容量によらず 20～30％のため，既設ミルの一部を小容量へ改造することにより，ボイラへの給炭量を下げ負荷を下げることが可能となる．ミルの小容量化によって定格が取れなくなる場合，小容量ミルを追加するという方法がある(図８左)．また，ミル１台につきバーナ１段が設置されている場合，ミル１台につきバーナ２段へ改造することで，着火安定性を確保しつつ給炭量を下げることができる(図８右)．

図８ 小容量ミルと小容量バーナ|6. まとめ
温暖化ガス削減のため，原子力や再生エネルギー導入量を増やし系統を安定化させる手段の一つとして，負荷変化率向上および最低負荷の切下げといった火力発電プラントの運用性向上が有効であることを述べ，既設石炭焚プラントに対する運用性向上対策の例を紹介した．
負荷変化率については，2020 年，2030 年夏季昼間の電力構成を想定し，再生エネルギーによる発電量が急激に変動した場合に系統周波数を安定に保つために必要な値をシミュレーショ
ンにより試算した結果，全ての火力発電プラント平均で５％/分以上の負荷変化率が必要になるという結果が得られた．

参考文献(1) 経済産業省 “長期エネルギー需給見通し(再計算)について”(平成 21 年 8 月)
http://www.meti.go.jp/report/data/g90902aj.html(2) 資源エネルギー庁 “長期エネルギー需給見通し(再計算)について”(平成 21 年 7 月)
http://www.meti.go.jp/report/data/g90727ej.html(3) 黒石卓司,超臨界圧貫流ボイラの蒸気温度制御方法に関する研究(平成 22 年 2 月)