JP4734769B2 - Cogeneration plant operation method and apparatus - Google Patents
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Description
【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for operating a cogeneration plant that supplies electric power and steam using a thermoelectric variable cogeneration unit, and in particular, has a visible water vapor prevention device to prevent visualization of water vapor contained in exhaust gas. The present invention relates to a method for operating a cogeneration plant and an apparatus for the same that can minimize the operating cost under constraints.
[0002]
[Prior art]
The thermoelectric variable cogeneration unit, which is composed of a steam-injection gas turbine as the main engine and added with an exhaust heat recovery boiler that generates steam using the exhaust heat of the gas turbine, gasses the steam from the exhaust heat recovery boiler. Since power generation efficiency (power generation capacity) can be increased by inputting to the turbine, not only power and steam can be supplied in parallel, but also the power output amount and steam output amount can be adjusted in a complex manner.
[0003]
As shown in FIG. 7, the cogeneration unit is composed of a steam
[0004]
As described above, the variable thermoelectric cogeneration unit can supply electric power and steam, and increases the power generation efficiency by injecting a part of the steam generated from the exhaust heat recovery boiler into the gas turbine. The amount of steam supplied and the amount of power generation can be made variable.
[0005]
FIG. 6 is a graph showing the fuel-feeding steam amount / power generation amount characteristic of the cogeneration unit.
[0006]
This characteristic diagram shows the characteristics of the amount of steam supplied and the amount of fuel consumed when the power generation amount is 1000 to 6000 kw.
[0007]
The air supply steam amount and the fuel consumption fuel characteristics are determined by the characteristics of the gas turbine and the exhaust heat recovery boiler and the constraint conditions, and the region connected by points A to F is the operation region. Here, the line connecting point A and point B is determined by the upper limit of the amount of steam injected into the gas turbine, and the line connecting point B and point C is determined by the limit of the gas turbine inlet temperature upper limit value. The line connecting D is determined by the limit of the generated steam amount upper limit value, and the line connecting point D, point E, and point F is determined by the gas turbine output lower limit value.
[0008]
Here, if the power demand and the steam demand are determined, even if the same fuel is consumed, the power output amount and the steam output amount can be adjusted in a composite manner by adjusting the injection steam amount as described above. There will be a lot of driving points. In addition, by taking into account the supply of electric power / steam from the outside, the range of operating points is further expanded and the amount of fuel consumption is also different. Therefore, if the operating points are varied, the operating cost will also vary. In addition, since the power demand and the steam demand change constantly, it is difficult to determine the operation point so as to minimize the operation cost.
[0009]
In view of this, the present applicant firstly performed load demand prediction of electric power and steam in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-212696 (title of the invention; method and apparatus for operating a cogeneration plant). Determine the power and steam output of the cogeneration unit that minimizes the operating cost under the given restrictions, and based on that, create an operation plan schedule under the given restrictions and decide whether to start or stop each cogeneration unit At the same time, we proposed a cogeneration plant operation method that commands start / stop and operation points to the individual control unit of the cogeneration unit.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the operation management system of the conventional cogeneration plant and the invention of the prior application, the operation point at which the operation cost is minimized is determined by giving priority to the operation efficiency of the plant (secondary energy generation amount with respect to the primary energy amount). However, the visible water vapor of exhaust gas discharged from the exhaust heat recovery boiler is not considered.
[0011]
Since this visible water vapor is harmless except for the point that damages the landscape, it has been ignored when operating in a power plant or a facility in a factory with a large site.
[0012]
However, in a cogeneration plant mainly in urban areas, it is an essential condition to prevent white smoke from the chimney so as not to cause inconvenience in the daily life of neighboring residents.
[0013]
Therefore, if a visible water vapor prevention device is added to the operation management system to prevent white smoke, energy loss occurs both when the exhaust gas temperature is raised and when the exhaust gas humidity is lowered. In an operation plan that ignores the characteristics of the water vapor prevention device, problems occur in operation efficiency and load demand followability.
[0014]
In addition, in the case of a system consisting of multiple cogeneration units, if it is operated without considering the energy loss due to the prevention of visible water vapor, there will be a problem that the unit startup will be delayed when the load demand increases and stable supply will not occur .
[0015]
As described above, in an environment where the prevention of visible water vapor is a limiting condition, the operation method that optimizes only the operation efficiency does not necessarily have the minimum operation cost and is not economically advantageous.
[0016]
Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and measure and predict the atmospheric temperature and humidity in addition to the prediction of power demand and steam demand, and perform an optimal operation plan with the constraint of preventing visible water vapor. Another object of the present invention is to provide a cogeneration plant operating method and apparatus capable of improving total energy efficiency and stably supplying power and steam.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above objectives, it is composed of a steam injection gas turbine as a main engine and a waste heat recovery boiler, and a thermoelectric variable cogeneration unit is equipped with a visible water vapor prevention device, and power and steam are supplied by the thermoelectric variable cogeneration unit. In the cogeneration plant operating method, the load demand amount of power and steam is predicted and the atmospheric conditions of atmospheric temperature and humidity are predicted, and based on the prediction result, the restriction that the water vapor contained in the exhaust gas is not visualized Determine the power and steam output of the cogeneration unit with the lowest operating cost under the control, and based on that, set up an operation plan schedule under the given restrictions, and start / stop each control unit to control each cogeneration unit. stop, upon commanding the operation point, thermoelectric variable Geoje at any atmospheric temperature and humidity conditions Modeling the relationship between the unit's fuel consumption, power generation amount, and generated steam, obtaining the operating point where the fuel consumption, generated steam amount, and power generation amount of the cogeneration unit to meet the power demand and steam demand are determined, and at that operating point Considering whether visible water vapor is generated at the temperature and humidity of the exhaust gas, when performing visible water vapor prevention, determine the operating point that minimizes operating costs by taking into account the heat loss due to the exhaust gas temperature rise due to the visible water vapor prevention device This is a method for operating a cogeneration plant.
[0019]
The invention of claim 2 comprises a steam injection type gas turbine as a main engine and an exhaust heat recovery boiler, and includes a thermoelectric variable cogeneration unit with a visible water vapor prevention device, and supplies electric power and steam by the thermoelectric variable cogeneration unit. Based on the demand and operation condition planning unit that predicts the atmospheric conditions of the atmospheric temperature and humidity, and the prediction result of the demand and operation condition planning unit in the cogeneration plant operation device Based on the plan determined by the optimal operation planning unit and the optimal operation planning unit that determines the power and steam output amount of the cogeneration unit that minimizes the operation cost under the restriction that the water vapor contained in the exhaust gas is not visualized, Establish an operation plan schedule under given restrictions, and start / stop each control unit that controls each cogeneration unit And a separate unit command unit for commanding the operation point, and optimal operation plan unit models the thermoelectric variable cogeneration unit consumption and power generation quantity and generation steam relation fuel at any atmospheric temperature and humidity conditions, power demand In order to meet the demand for steam and steam, the operating point where the fuel consumption of the cogeneration unit, the amount of generated steam and the amount of power generation are planned is obtained, and the visible water vapor is generated considering the temperature and humidity of the exhaust gas at that operating point. This is a cogeneration plant operating device that determines the operating point at which the operation cost is minimized in consideration of heat loss due to the exhaust gas temperature rise caused by the visible water vapor preventing device .
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0022]
FIG. 1 shows a cogeneration plant operating apparatus according to the present invention.
[0023]
First, there are a plurality of
[0024]
Each of the
[0025]
The power /
[0026]
The power demand / steam demand of the power /
[0027]
The cogeneration integrated control device 16 includes a demand and operation
[0028]
The demand and operating
[0029]
The cogeneration plant operation
[0030]
The individual unit
[0031]
The optimal
[0032]
The individual
[0033]
FIG. 2 shows details of the optimum
[0034]
The optimum operation plan based on the characteristics of the gas turbine cogeneration unit means that the gas turbine inlet temperature and the amount of injected steam are constrained, and the minimum cost operation pattern that satisfies the target power generation amount and steam generation amount under the restricted conditions is searched. It is to be.
[0035]
Here, the optimum
[0036]
The visible water vapor prevention condition is to measure or calculate the temperature and humidity of the exhaust gas, and determine whether the water vapor in the exhaust gas released into the atmosphere is visualized from these and the atmospheric temperature and humidity. Specifically, in the middle of transition from the exhaust gas temperature / humidity condition to the atmospheric temperature / humidity condition, the operation is performed so as not to pass the inside of the saturated water vapor curve.
[0037]
FIG. 3 is a diagram showing changes in state due to the visible water vapor prevention condition and the visible water vapor prevention device.
[0038]
In the air diagram of FIG. 3A, it is assumed that the state (temperature, humidity) of the exhaust gas discharged from the cogeneration unit is at point p and the state of the atmosphere is at point q. If the exhaust gas at this point p is released to the atmosphere as it is, as shown by the line l, it passes through the saturated water vapor curve s (liquid phase side) and is visualized to generate white smoke. Therefore, when the temperature of the exhaust gas to be discharged is raised and the absolute humidity is lowered and released to the atmosphere at the point r, it passes through the outside of the saturated water vapor curve s (gas phase side) as shown by the line m, and the visualization water vapor prevention operation Can be done.
[0039]
When water vapor is visualized at the actual control level of the
[0040]
FIG. 4 shows a specific example of the visible water
[0041]
First, exhaust gas from the
[0042]
As shown in FIGS. 4A and 4B, the visible water
[0043]
In addition to the illustration, the visible water
[0044]
The visible water
[0045]
In this visualization prevention method, since the absolute humidity of the exhaust gas does not change, in order to reduce energy loss, the cogeneration integrated control device 16 (see FIG. 1) needs to reduce the amount of steam injected into the gas turbine.
[0046]
The normal steam generation amount (air supply steam amount) is determined by Equation 1, but the steam generation amount (air supply steam amount) during operation of the visualized water
[0047]
Generated steam amount = Generated steam from boiler-Injection steam amount of gas turbine Formula 1
Steam generated = Steam generated in boiler-Gas turbine injection steam-Steam that should have been generated by bypassed exhaust gas Equation 2
The optimal
[0048]
(1) Draw a tangent line from the atmospheric temperature / humidity to the saturated water vapor curve to set the allowable range of exhaust gas temperature / humidity.
[0049]
(2) Add the gas turbine exhaust gas bypass model to the operation plan. That is, with the exhaust gas bypass amount as a variable, the exhaust gas temperature rise relative to the bypass amount and the decrease in the amount of steam generated from the exhaust heat recovery boiler are added to the operation evaluation formula.
[0050]
(3) Under the constraint of the original gas turbine cogeneration unit and the constraint of (1), a solution that minimizes the evaluation formula (operation cost calculation formula) is searched for in the operation pattern that takes into account (2).
[0051]
(4) A plan that takes into account future operating conditions is performed by using atmospheric temperature, humidity, power demand, and steam demand as predicted values.
[0052]
In addition, when the visualization water vapor prevention is not an absolute condition, how far the exhaust gas temperature / humidity state is from the tangent line of (1) can be added to the evaluation formula.
[0053]
Next, a specific example of the optimum operation plan under the visualization water vapor prevention condition will be described with reference to FIG.
[0054]
In FIG. 5, the area surrounded by points A, B, C, D, E, and F is the original gas turbine characteristics (fuel-steaming steam amount / power generation amount characteristics) of the cogeneration unit described in FIG. When visualizing water vapor is taken into account, the characteristics in any given atmospheric condition are the points A ′, B ′, C, D, E, and The region surrounded by F ′.
[0055]
The calculation of the operating point by the optimum
[0056]
(A) Now, for a certain power demand / steam demand, the optimum operating point not considering the prevention of visible water vapor is point H in the fuel-sending steam amount / power generation amount characteristic diagram of the cogeneration unit in FIG.
[0057]
(B) When the prevention of visible water vapor is taken into consideration, first, the range in which the gas turbine can be operated is narrowed within the region surrounded by A ′ to F ′ in FIG. 5 due to exhaust temperature / exhaust humidity restrictions.
[0058]
(C) To make the power generation amount the same as the point H in this range, the fuel is increased along the power amount constant line.
[0059]
(D) In this case, the amount of heat to the exhaust heat recovery boiler also increases. By using the increased amount of exhaust gas to increase the exhaust gas temperature, the amount of generated steam is eliminated, and the visible water vapor prevention condition is set. Make it easier to establish. However, since the fuel flow rate, exhaust gas bypass amount, exhaust temperature, and exhaust humidity are calculated as simultaneous equations, these values are uniquely obtained.
[0060]
(E) As a result, the (apparent) operating point I of the gas turbine cogeneration unit is determined. The actual generated steam is the same as the H point by the exhaust gas bypass.
[0061]
The operation point I is operated by the
[0062]
In addition, since the optimum operation point constantly changes due to the demand prediction change and the atmospheric prediction change, an optimum plan is created every time and the operation point is searched for operation.
[0063]
【The invention's effect】
In short, according to the present invention, the prevention of visible water vapor is a limiting condition, and the optimum operation plan is performed so that the operation cost is minimized under the restriction, thereby increasing the total energy efficiency and the power / steam according to the demand. Can be stably supplied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
2 is a detailed diagram of an optimum operation calculation unit in FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is an air line diagram for explaining the state change by the visible water vapor prevention condition and the visible water vapor prevention device in the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a specific example of a visible water vapor preventing apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of an operation plan under a visible water vapor prevention condition based on a fuel-send steam amount / power generation amount characteristic diagram in the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a fuel-sending steam amount / power generation amount characteristic diagram of a thermoelectric variable type gas turbine.
FIG. 7 is a diagram showing a cogeneration unit.
[Explanation of symbols]
10 Thermoelectric
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