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Jun 06, 2023

ブラック スタート: 送電網がどのように再起動されるか

Mentre scrivo questo articolo, stiamo vivendo un’ondata di caldo storica, ed è dura.

この記事を書いている時点で歴史的な熱波に見舞われている米国西部の人々にとって、寒さと氷が大地を支配していた時代を想像するのは難しい。 しかし実際には、その影響に対処する設備が整っていない地域も含め、国のほとんどの地域で再び異常気象が発生したのは、ほんの4か月ほど前のことだった。 今や伝説となった「2月の凍結」により、主にテキサス州の何百万人もの人々が、一連の連鎖的な工学的故障により送電網が郡ごとに部分的に分解され、暗闇と寒さの中で右往左往する事態となった。

このような広範囲に影響を与える出来事であるべきであるため、この出来事は多くの議論と分析が行われてきました。 最近の多くの議論と同様に、この事件について情報提供も市民的情報も提供されていないのは貴重なことであり、何が起こったのか、どうすれば再発を防ぐことができるのか、少なくとも影響をいくらか軽減できるのかを理解しようとしている人々にとっては良いニュースではありません。 災害によって人々が突然直面することになった生活を混乱させ、しばしば生命を脅かす状況を考えれば、その部分は理解できる。 また、その範囲と影響が非常に広範囲にわたる出来事について人々が議論することは困難です。誰もが頭の中に収めるにはあまりにも多くのことがありすぎます。

今回の議論をもう少しわかりやすくするために、私たちは、よく騒がれているもののほとんど説明されていない、2 月のグリッド崩壊の一側面に焦点を当てます。それは、テキサスのグリッドが完全に崩壊するまであとわずか数分であり、完全に崩壊するには数週間かかったであろうということです。うまく抜け出せたとしても修復には数か月かかります。 それは本当に可能ですか? 送電網は突然完全に「消滅」する可能性があるのでしょうか? 悲しいことに、答えは「はい」ですが、ありがたいことに、それが起こらないようにするだけでなく、「ブラックスタート」として知られることを実行することによって、もし起こった場合にすべてをやり直す方法についても、多くの考慮が払われてきました。

見方によっては、地球の送電網は、私たちがこれまでに構築した中で最大かつ最も複雑な機械です。 それは正当な主張のように思えます。 米国とカナダだけでも、大陸全体に広がる 120,000 マイル (190,000 km) 以上の送電網があります。 そしてそれは、大量の電力を生産場所から人口密集地の近くにある変電所に輸送するためのシステムにすぎません。 さらに、個々の顧客を接続する配信システムを形成する何百万マイルものケーブルを追加すると、システムの巨大さがわかります。 次に、このシステムには 10,000 を超える発電プラントがあり、各発電プラントは需要に関係なく他のすべてのプラントと同期する必要があり、それに伴う複雑さが明らかになり始めます。

これほど広範囲に送電網を機能させるためのあらゆる設備が整っているにもかかわらず、これが常にそうであったわけではないことを思い出すのは困難です。 今日の北米の送電網は、主に東部と中西部の人口密集地から始まり、まず都市部に電化され、その後農村部に広がりました。 既存のシステムを構築することで、電力会社は電線を張り、顧客を接続する際に何が機能し、何が機能しないのかについて苦労して得た知識を活用できるだけでなく、新世代の設備に必要な電力を供給することもできました。 単純な事実は、力を生み出すには力が必要であるということであり、それがブラックスタート問題の核心です。

発電は理論的には単純で、位置エネルギーを運動エネルギーに変換して大きなワイヤーのコイル内で磁石を回転させるという基本を誰もが一度は学びました。 しかし、複雑なのは細部にあります。 たとえば、石炭火力発電所では、原石炭をボイラーの燃料として使用する適切なサイズに粉砕するのに電力が必要であり、ボイラーに燃料を供給するコンベヤー、バルブを制御するアクチュエーター、センサーや制御システムも電力を必要とします。タービンの速度と、発電機を送電網に接続する開閉装置の速度を調整します。 電力を生み出すには電力が必要であり、発電所は自家発電のかなりの部分を使用できます。 プラントの出力が 700 メガワット以上になると、プラントの稼働 (または再起動) に必要なオーバーヘッド負荷が膨大になる可能性があります。

発電所に燃料を供給して制御するために必要な機器のほかに、暗黙のパズルのもう 1 つのピースが関与する可能性があります。それは励磁電流です。 ほとんどの発電所は自励式発電機を使用しています。つまり、生成される少量の電流が発電機の界磁コイルに電力を供給するために使用され、発電に必要な強力な磁場が生成されます。 自励式発電機の回転が停止すると、界磁コイルを励磁するために利用できる電流がなくなります。 短時間の停電の場合、発電機の回転子の鉄の残留磁気が弱い電流を流すのに十分なため、通常は問題になりません。これにより、界磁コイルが励磁され、発電機が最大容量に達することが可能になります。

ただし、停止が長引くとローターの磁場が弱まり、回転に多少の助けが必要になる可能性があります。 ブラックスタート手順では、外部電力で界磁巻線を「フラッシュ」する手段を提供することで、この不測の事態に対処する必要があります。 小型の発電機のプロセスも非常に似ており、発電機を実際に取り出したり使用したりせずに保管している人は、覚えておく価値があります。 発電所の場合、巻線をフラッシュするにはハンドドリル以上の時間がかかることを覚えておいてください。

停止中の発電所がまだ送電システムに接続されており、地域内の他の発電所がまだ稼働していると仮定すると、ブラックスタートのプロセスは非常に簡単です。発電所がこの目的のために備えている開閉装置と変圧器を使用して電力網から電力を取得するだけです。 。 しかし、地域的な大惨事の場合、天然ガスの坑口や発電所に供給するラインの凝縮水が凍り、数十の事業者に燃料が供給されなくなるテキサス州の冬の嵐のような場合には、広範囲の発電所が一斉にダウンする可能性がある。再起動に必要な電力を輸入することができなくなります。 この状態は「アイランディング」と呼ばれ、ここで発電所のブラックスタート手順が機能します。

電力会社が詳細を公にすることに消極的であるのは当然だが、島嶼発電所のブラックスタートは通常、主発電機をブラックスタートさせるのに十分な電力が利用可能になるまで、より大型の非常用発電機を連続的に稼働させる一連の動作である。 このプロセスは通常、発電所の照明と制御システムをオンにしておくのに十分な電力を生成するディーゼル発電機から始まります。 これにより、オペレータはより大型の発電機 (おそらくガスタービンコージェネレータ) を起動し、プラント内の主要発電機の 1 つのポンプ、バルブ、フィード、開閉装置を稼働させるのに十分な電力を供給できるようになります。 そのうちの 1 つが回転すると、プラント内の残りの発電機が起動し、サービスが復旧します。

黒人が島の発電所を開始するためのすべての手順は慎重に文書化されており、計画はすべてが機能することを確認するために定期的に実行されることになっています。 残念なことに、昨年 2 月にテキサス州に危機が到来し、複数の発電所が孤立状態になったとき、黒字スタートのプロセスは決してスムーズなものではありませんでした。 ある報告書によると、主ブラックスタート装置として指定された発電機13台のうち9台が動作していないことが判明し、主ブラックスタート発電機をバックアップするために指定された発電機15台のうち6台も停止したという。 発電機の問題は、凍結による損傷から、トラックが凍結した道路で燃料油を配送できないなどの燃料問題まで多岐にわたりました。

複雑で広範囲にわたる一連の出来事を過度に単純化する危険性があり、タイヤチェーンが不足していたために、テキサス州は数日間だけでなく、数週間、場合によっては数か月にわたって勢力を失うところまで驚くほど近づいた。 今回のケースではそれは起こりませんでしたが、ほんの数回の幸運がかろうじて起こっただけです。 消極的だったブラックスタート発電機を再び稼働させるには、多くのエンジニアリングスキルと創意工夫が費やされたことは疑いなく、大惨事を回避するために懸命に働いたすべての人々に敬意を表します。 これが警鐘として機能し、テキサス州だけでなく世界中のすべての発電所でブラックスタートシステム全体をより適切に設計する方法が検討されることを願っています。