DE102011051673A1

DE102011051673A1 - Energieverwaltungssystem

Info

Publication number: DE102011051673A1
Application number: DE102011051673A
Authority: DE
Inventors: Peter N. Francino; Frederick C. Huff; David G. Foster
Original assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Current assignee: Emerson Process Management Power and Water Solutions Inc
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-01-12
Also published as: CA2745357A1; GB201111675D0; GB2482763A; HK1164472A1; GB2482763B; US20120010757A1; US9335748B2; CN102331758B; CA2745357C; CN102331758A

Abstract

Ein Energieverwaltungssystem verwendet eine Experten-Engine und einen numerischen Löser, um eine optimale Art der Verwendung und Steuerung der diversen Energie verbrauchenden, produzierenden und speichernden Einrichtungen in einer Anlage/Gemeinde zu bestimmen, um beispielsweise die Energiekosten innerhalb der Anlage zu reduzieren, und ist insbesondere auf Anlagen anwendbar, die verschiedene Arten von Energie zu verschiedenen Zeitpunkten erfordern oder in der Lage sind, diese zu verwenden und/oder zu produzieren. Das Energieverwaltungssystem betreibt die diversen Energie herstellenden und Energie nutzenden Bestandteile der Anlage, um die Energiekosten im Verlauf der Zeit oder zu diversen verschiedenen Zeitpunkten zu minimieren und dabei weiterhin gewisse Auflagen oder Anforderungen in dem Betriebssystem zu erfüllen, wie etwa die Produktion einer gewissen Wärme- oder Kühlungsmenge, ein gewisses Energieniveau, ein gewisses Produktionsniveau, usw. In manchen Fällen kann das Energieverwaltungssystem die Betriebseinrichtungen der Anlage dazu veranlassen, nicht benötigte Energie zu produzieren, die für später gespeichert und dann verwendet werden kann oder die an ein öffentliches Versorgungsunternehmen zurückverkauft werden kann, beispielsweise um die Gesamtenergiekosten innerhalb der Anlage zu reduzieren.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung nimmt laut 35 U. S. C. §119(e) die vorläufige US-Anmeldung mit der Seriennummer 61/363 060 unter dem Titel „Optimization System Using an Iteratively Coupled Expert Engine and Numerical Solver”, eingereicht am 9. Juli 2010, in Anspruch, deren gesamte Offenbarung hiermit ausdrücklich zur Bezugnahme übernommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Optimierungssysteme, wie etwa Energieverwaltungssysteme, und insbesondere ein Optimierungssystem, das in der Lage ist, die Betriebsmerkmale einer Anlage zu optimieren, wie etwa die Kosten/Erlöse, die mit der Produktion, der Verwendung und/oder dem Verkauf eines gewünschten Produkts, wie etwa Energie, in einer Anlage/Gemeinde, in der komplexe Optimierungsentscheidungen gegeben sind, verbunden sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Energieverwaltungssysteme werden im Allgemeinen verwendet, um die Produktion und Verwendung von Energie beispielsweise in einer industriellen Energieerzeugungsanlage, einer industriellen Herstellungs- oder Produktionsanlage, einer städtischen Anlage, usw., zu verwalten, in der Bemühung, einen angemessen Betrieb der Anlage/Gemeinde als Reaktion auf unvorhergesehene oder unerwartete Ereignisse sicherzustellen. Bei einigen begrenzten Fällen wurden grob vereinfachende Energieverwaltungssysteme verwendet, um die Verwendung, und demnach die Kosten, von Energie innerhalb einer Anlage zu verwalten. Vor der Deregulierung der Energieversorgungsunternehmen und dem Aufkommen des Programms der Unabhängigen Stromerzeuger („Independent Power Producer” = IPP) war die Energieverwaltung überwiegend Sache des industriellen Abnehmers. Daher sind Energieverwaltungssysteme, mit Ausnahme der industriellen Verwendungen, recht grob vereinfachend geschaffen, wobei sie beispielsweise in Form von programmierbaren Thermostaten vorliegen, die in Wohnhäusern, usw. verwendet werden.
Obwohl es derzeit industrielle Energieverwaltungssysteme in vielen Formen gibt, sind diese Energieverwaltungssysteme im Umfang eingeschränkt, weiterhin recht einfach beschaffen und nicht konfiguriert, um die Energieeinsparungen zu bestimmen, die man durch eine ausführliche Analyse von Energieproduktions- und Energienutzungskosten in einer bestimmten Anlagenkonfiguration oder Situation erzielen könnte. Somit erzielen auch die heutzutage verwendeten industriellen Energieverwaltungssysteme nicht die Energiekosteneinsparungen, die man in Situationen erreichen könnte, welche unter Verwendung diverser verschiedener Arten von Anlageneinrichtungen die Verwendung von Energie veranlassen und/oder Energie in diversen Formen verkaufen können.
Die häufigste Verwendung von industriellen Energieverwaltungssystemen ist als Lastabwurfsystem innerhalb von industriellen Herstellungsanlagen, die schon lange über automatische Lastabwurfsysteme verfügen. Im Allgemeinen bestimmen Lastabwurfsysteme die Lastmenge (Stromabnahme der Anlageneinrichtung), die nahezu augenblicklich aus dem Betrieb genommen werden muss, damit die übrigen Teile der Industrieanlage betriebsfähig bleiben. Die Lastreduzierung bzw. der Lastabwurf wird typischerweise als Reaktion auf eine Systemstörung (und die darauf folgenden eventuellen zusätzlichen Störungen, die sich aus einer primären Systemstörung ergeben) ausgeführt, woraus sich ein Mangelzustand bei der Stromerzeugung ergibt. Gewöhnliche Systemstörungen, die einen Lastabwurf verursachen können, umfassen Einrichtungsdefekte, Verlust von Stromerzeugungseinrichtungen, Schaltfehler, Blitzschläge, usw. Energieverwaltungssysteme von Industrieanlagen reagieren auf diese Bedingungen, indem sie eine beliebige Methode von einer Reihe von weiterentwickelten Methoden verwenden, die bestimmen, welche Lasten zu einem bestimmten Zeitpunkt als Reaktion auf eine bestimmte Art von Störung oder Ereignis abzuwerfen sind. In manchen Fällen werden basierend auf einer voreingestellten Priorität, die geändert werden kann, Lastblöcke ausgeschaltet oder Lasten abgeworfen. In manchen Fällen wurden Neuronennetze verwendet, um die Reihenfolge zu bestimmen, in der die Lasten abzuwerfen sind.
Energieverwaltungssysteme in Form von Lastabwurfsystemen beschränken sich jedoch im Allgemeinen auf das Ausschalten von Lasten innerhalb der Anlage und entscheiden nicht, wann und wie Lasten innerhalb der Anlage neu zu starten oder wieder anzuschließen sind. In der Tat wurden, nachdem die Unterbrecher automatisch von einem Lastabwurfsystem geöffnet wurden, das erneute Schließen von elektrischen Unterbrechern und das Wiederherstellen der Lasten in einer industriellen Anlage herkömmlicherweise manuell ausgeführt. Das manuelle Wiederherstellen der Lasten ist nicht allzu mühselig, wenn man es nur ausführen muss, wenn ein Lastabwurf durch eine elektrische Störung verursacht wurde, weil diese Ereignisse in der Betriebsumgebung einer industriellen Anlage nicht allzu häufig vorkommen.
In dem Maße, wie elektrische Energie zu einem immer größeren Teil der Produktionskosten innerhalb einer Industrieanlage wird, wird es notwendig sein, basierend auf den wirtschaftlichen Aspekten der Energieverwaltung zu entscheiden, wann die Produktionseinrichtungen der Anlage laufen und wann sie stillstehen sollen. Die zunehmenden Energiekosten (einschließlich der Kosten, die mit der Energieerzeugung auf der Grundlage von elektrischem und fossilem Kraftstoff verbunden sind) werden die derzeitigen Produktionsanlagen weniger konkurrenzfähig machen, wenn sich die industriellen Produzenten nicht anpassen. Beispielsweise kann es in manchen Situationen notwendig sein, die Produktion umzulegen oder zu drosseln und Vorgänge mit großem Energieverbrauch in einer Industrieanlage auf Schwachlastzeit, zu denen die Strompreise niedriger sind, zu verlegen, damit die Anlage weiter konkurrenzfähig bleiben kann. Derartige Bestimmungen werden dazu führen, dass Lasten häufiger abgeworfen und wiederhergestellt werden, da es, sobald der Strompreis sich auf einem Punkt befindet, an dem die Produktion in wirtschaftlicher Hinsicht wieder aufgenommen werden kann, vorteilhaft ist, die Produktion so schnell wie möglich zu starten und somit nicht warten zu müssen, bis die Bedienpersonen die Lasten manuell neu starten. Ebenso müssen, wenn die Wiederherstellung der Lasten beginnen kann, die kritischsten Lasten zuerst wiederhergestellt werden. Dieser Entscheidungsprozess macht den manuellen Prozess der Lastwiederherstellung noch langsamer, was zu Produktionsverlust führt.
Die meisten Industrieanlagen, so wie andere Energieverbraucher, die elektrische Energie verwenden, vertrauen typischerweise mindestens teilweise auf das öffentliche Stromnetz, das dazu ausgelegt ist, um jederzeit elektrische Leistung oder Energie bereitzustellen. Dieses Stromnetz wird wiederum von zahlreichen Kraftwerken oder anderen Stromversorgern gespeist, die tätig sind, um dem Netz basierend auf prognostiziertem Bedarf oder erforderlichen Lasten elektrische Energie bereitzustellen. Ein typisches Kraftwerk kann Energie unter Verwendung mehrerer verschiedener Arten von Energieerzeugungssystemen produzieren, zu den beispielsweise dampfgetriebene Turbinensysteme, Turbinensysteme mit fossilem Brennstoff, Atomkrafterzeugungssysteme, windbetriebene Generatoren, solarbetriebene Generatoren, usw. gehören. Derzeit funktionieren diese Energieerzeugungssysteme, indem sie einen gewünschten Bedarf produzieren, wie er derzeit prognostiziert oder vom Stromnetz benötigt wird. Im Allgemeinen verwenden diese Energieerzeugungsanlagen jedoch nur einfache Techniken, um den Betrieb des Kraftwerks zu optimieren, um die erforderliche Energie bereitzustellen. Diese Optimierungstechniken können beispielsweise darüber entscheiden, ob ein oder zwei Kessel funktionieren sollen, welches Kesselsystem zuerst funktionieren soll, basierend auf ihrem jeweiligen Leistungsvermögen, ob zum aktuellen Zeitpunkt überhaupt Energie bereitzustellen ist, basierend auf dem geltenden Tarif, der für die Elektrizität zu zahlen ist, usw. Im Allgemeinen werden die Entscheidungen, ob ein Kraftwerk betrieben werden soll und/oder welche spezifischen Bestandteile des Kraftwerks zu betreiben sind, um die elektrische Energie bereitzustellen, so wie über die zu produzierende elektrische Energiemenge von Kraftwerkbetreibern getroffen, die grundlegende oder allgemeine, wie etwa über den Daumen gepeilte Kriterien verwenden, um die beste oder „optimale” Art und Weise zu bestimmen, mit der die Anlage mit höchster Rentabilität betrieben wird. Diese Anlagen könnten jedoch aus einem Energieverwaltungssystem Nutzen ziehen, um die beste Gruppe von Einrichtungen zu bestimmen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt funktionieren sollen, um den Betriebserlös der Anlage zu optimieren.
Ähnlich können die Benutzer der elektrischen Energie aus dem Stromnetz, wie Industrieanlagen, städtische Anlagen, Wohn- oder Geschäftsimmobilien, usw., aus besseren Energieverwaltungssystemen Nutzen ziehen. In vielen Fällen sind diese Entitäten sowohl Energieverbraucher als auch Energieproduzenten. Beispielsweise produzieren viele Industrieanlagen zusätzlich dazu, dass sie elektrische Energie aus dem Stromnetz erhalten, einen Teil der Energie, die sie verwenden, wandeln Energie von einer Form in die andere um und/oder sind in der Lage, Energie in einem gewissen Maße zu speichern. Beispielsweise umfassen viele Industrieanlagen, städtische Anlagen, usw. Anlageneinrichtungen, die Dampf benötigen, um zu funktionieren. Somit umfassen diese Anlagen zusätzlich dazu, dass sie elektrische Energie aus dem Stromnetz erhalten, Energieerzeugungseinrichtungen, wie etwa Kesselsysteme, die zum Funktionieren andere Rohmaterialien verbrauchen, wie Erdgas, Heizöl, usw. Ebenso verfügen viele städtische Anlagen, wie etwa städtische Heizanlagen, Wasseraufbereitungsanlagen, usw., und viele Wohnanlagen, wie etwa Schulgelände, Geschäftsgebäude, Gebäudegruppen in Industrie- oder Forschungsgebieten, usw., sowohl über Energie erzeugende als auch Energie verbrauchende Einrichtungen. Beispielsweise verwenden zahlreiche Schulgelände, großstädtische oder andere städtische Systeme, usw. zu bestimmten Zeiten Dampf zu Heizzwecken, während sie zu anderen Zeiten elektrisch betriebene Klimaanlagen betreiben, um Kühlung bereitzustellen. Zu solchen Anlagen können Energieerzeugungseinrichtungen gehören, wie etwa öl- und gasbefeuerte Kessel, und diese Werke können zudem Energiespeichersysteme umfassen, wie etwa thermische Kühler, Batterien oder andere Einrichtungen, die in der Lage sind, Energie für eine spätere Verwendung zu speichern.
Bei derartigen Anlagen neigen die Betreiber allenfalls dazu, die Erstellung, Verteilung und Verwendung von Energie zu verwalten, indem sie eine Gruppe von recht elementaren oder grob vereinfachenden Faustregeln in der Bemühung, die Gesamtenergiekosten zu reduzieren, verwenden. Beispielsweise können Betreiber versuchen, Energiekosten einzusparen, indem sie bestimmte Systeme ausschalten oder diese Systeme auf einem Mindestniveau innerhalb der Anlage betreiben, wenn die Systeme nicht so viel benötigt werden. Bei einem Beispiel können die Kessel, die verwendet werden, um Dampf für Heizungszwecke auf einem Schulgelände zu erzeugen, ausgeschaltet werden oder können in den Sommermonaten, am Wochenende oder in den Frühjahrs- oder Semesterferien, wenn weniger Studenten anwesend sind, auf einem Mindestniveau betrieben werden. Weil die Betreiber dieser Systeme jedoch nur elementare oder grob vereinfachende Faustregeln verwenden, um den Betrieb der Anlage zu ändern, um Energiekosten einzusparen, verlieren die Betreiber schnell die Fähigkeit, die beste oder optimale Methodologie für den Betrieb der Anlageneinrichtungen (wozu Einrichtungen gehören, die Energie in diversen Formen erzeugen, Energie in diversen Formen verwenden, Energie von einer Form in eine andere umwandeln oder Energie in diversen Formen speichern können) zu bestimmen, um die Gesamtenergiekosten innerhalb der Anlage zu reduzieren. Dieses Problem verschlimmert sich dadurch, dass die Betreiber typischerweise nicht die genauen Kosten des Betriebs einer bestimmten Einrichtung oder Einrichtungsgruppe zu einem bestimmten Zeitpunkt kennen, weil die Kosten der Energie aus dem Stromnetz, die Erdgaskosten, usw. sich regelmäßig ändern und sich sogar innerhalb eines einzigen Tages erheblich ändern können.
Während ferner Kraftwerke spezifisch ausgelegt sind, um Energie zu erzeugen und an das Stromnetz zu verkaufen, können heutzutage viele andere Arten von Industrieanlagen, wie etwa Prozessanlagen, städtische Anlagen, usw., die von ihnen erzeugte Energie an ein Stromnetz oder an einen anderen Verbraucher verkaufen. Die Betreiber dieser Systeme haben jedoch typischerweise keine ausreichende Kenntnis oder Erfahrung, um bestimmen zu können, ob es kosteneffizienter ist, Lasten abzuwerfen, um den Energieverbrauch in einer Anlage zu reduzieren, Lasten beizubehalten oder Lasten wieder anzuschließen, um die Anlage mit optimaler Belastung zu Produktionszwecken zu betreiben, oder mehr Energie zu erzeugen als derzeit benötigt wird und diese Energie an einen Fremdabnehmer, wie etwa an das Stromnetz, zu verkaufen. Tatsächlich kann es in vielen Fällen für eine bestimmte Anlage eigentlich effizienter sein, die Produktion anzuhalten und stattdessen die Anlageneinrichtungen zu verwenden, um Energie zu erzeugen und diese Energie über das Stromnetz an einen Fremdabnehmer zu verkaufen.
Es versteht sich, dass zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen sind, wenn die Kosten von Energieerzeugung und Energienutzung in einer bestimmten industriellen, städtischen oder Wohnanlage optimiert (z. B. minimiert) werden, wozu die Energieformen (Strom, Dampf, usw.), die zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugt werden können oder müssen, die Energiemenge in jeder dieser Formen, die zu verwenden ist, um die Anlageneinrichtungen auf diversen Betriebsniveaus zu betreiben, die Betriebsniveaus, auf denen die Bestandteile der Anlage zu einem bestimmten Zeitpunkt funktionieren müssen, um die Geschäftszwecke der Anlage zu erfüllen, die Kosten der Rohmaterialien, die benötigt werden, um Energie in der Anlage zu erzeugen und/oder zu speichern, die Kosten der Energie, die vom Stromnetz oder anderen Fremdanbietern gekauft wird, ob die Möglichkeit besteht, in der Anlage Energie für eine spätere Verwendung oder einen späteren Verkauf zu speichern, die energetischen Wirkungsgrade der Anlageneinrichtungen (einschließlich eventueller Energiespeichereinrichtungen), usw., gehören. Die Energieoptimierung wird dadurch noch komplizierter gemacht, dass die Anlagenbedürfnisse und die Energiekosten sich innerhalb kurzer Zeit drastisch ändern können, und dass die Prognose von Energiekosten somit ein notwendiger Teil jedes Energieverwaltungssystems ist, das bemüht ist, Energiekosten im Verlauf der Zeit zu minimieren oder anderweitig zu optimieren. Da diese Faktoren ständig fluktuieren, verlieren die Anlagenbetreiber schnell die Fähigkeit, die komplizierten und sehr aufwändigen Berechnungen vorzunehmen, die benötigt werden, um die Gruppe von Anlagenbetriebsbedingungen zu bestimmen, welche die Kosten/Erlöse der Anlage optimieren, wenn man die Energienutzung innerhalb der Anlage berücksichtigt. Obwohl der Anlagenbetreiber somit grobe Änderungen an den Betriebsparametern einer Anlage vornehmen kann, in der Bemühung, die Energiekosten der Anlage zu reduzieren, kann der Betreiber in Wirklichkeit nicht die beste Art und Weise bestimmen, in der eine Anlage im Verlauf der Zeit zu betreiben ist, um die Energiekosten unter Verwendung der derzeitigen Energieverwaltungssysteme zu minimieren, da es nahezu unmöglich ist, die optimale Art und Weise des Betriebs der Anlage zu einem bestimmten Zeitpunkt manuell zu berechnen oder zu bestimmen, ganz zu schweigen eine Zeit lang hinweg, der bis in die Zukunft reicht.
KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Ein Energieverwaltungssystem verwendet eine Experten-Engine und einen numerischen Löser, um eine optimale Art und Weise der Verwendung und Steuerung der diversen Energie verbrauchenden, produzierenden und speichernden Einrichtungen in einer Anlage zu bestimmen, um Energiekosten innerhalb der Anlage zu reduzieren oder zu optimieren, und ist insbesondere auf Anlagen anwendbar, die verschiedene Energiearten zu verschiedenen Zeitpunkten verwenden und/oder produzieren müssen bzw. können. Insbesondere betreibt ein Energieverwaltungssystem die diversen Energie herstellenden und Energie verwendenden Bestandteile einer Anlage, um die Energiekosten im Verlauf der Zeit oder zu diversen verschiedenen Zeitpunkten zu minimieren und dabei weiterhin bestimmten Auflagen oder Anforderungen innerhalb des Betriebssystems, wie etwa der Produktion einer gewissen Heizungs- oder Kühlmenge, eines gewissen Energiepegels, eines gewissen Produktionsniveaus, usw., gerecht zu werden. In manchen Fällen kann das Energieverwaltungssystem die Betriebseinrichtungen der Anlage dazu veranlassen, nicht benötigte Energie zu produzieren, die für später gespeichert und dann verwendet werden kann, oder die an ein öffentliches Versorgungsunternehmen verkauft werden kann, beispielsweise um die Gesamtenergiekosten innerhalb der Anlage zu reduzieren oder die Erlöse innerhalb der Anlage zu maximieren.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Energieverwaltungssystem einen Optimierer oder einen numerischen Löser, der die Kosten der Erzeugung, Lagerung und Verwendung von Energie für jede Bedingung einer Gruppe von Betriebsbedingungen unter Verwendung der Anlageneinrichtungen bestimmt, und ein Expertensystem, das die Einstellungen überwacht und ändert, bevor es diese Einstellungen einem Controller innerhalb der Anlage bereitstellt. Die Ausgabe des Expertensystems kann dem Anlagen-Controller bereitgestellt werden, der dann die Anlage steuert, damit sie auf einem optimalen Punkt läuft, wie er von dem Optimierer definiert wird, um die Gesamtkosten der Energienutzung zu reduzieren oder zu minimieren. Bei einer Ausführungsform verwendet der numerische Löser (z. B. ein Optimierer) eine objektive Funktion und ein oder mehrere Modelle von Anlageneinrichtungen, um den besten oder optimalen Betriebspunkt der Anlage zu bestimmen, beispielsweise, um die Kosten pro Kilowatt-Stunde, die von der Anlage erzeugt wird, zu minimieren, oder um die Kosten der Produktion von Energie, wie etwa Dampfenergie, elektrische Energie, usw., zu minimieren. Im Rahmen der Bestimmung des optimalen Anlagenbetriebspunktes kann der numerische Löser die Energiesysteme bestimmen, die in der Anlage zu einem jedem von diversen Zeitpunkten laufen sollen, basierend auf erwarteten oder prognostizierten Energiekosten und -preisen zu diesen Zeitpunkten, die alle benötigt werden, um eine bestimmte Menge verschiedenartiger Energien zu produzieren, die innerhalb der Anlage benötigt werden. Das Expertensystem kann diese Ausgaben verwenden oder ändern, indem es bestimmt, welche Anlageneinrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich zu verwenden sind, beispielsweise basierend auf der Verfügbarkeit oder dem Betriebsstatus der Anlageneinrichtungen, dem Verschleiß der Anlageneinrichtungen, usw. Die Experten-Engine kann dann diese geänderten Ausgaben einem oder mehreren Anlagen-Controllern bereitstellen, welche die Anlage steuern, um auf dem optimalen Betriebspunkt zu funktionieren, wie er durch den numerischen Löser vorgegeben wird oder mit den Ausgaben desselben verbunden ist. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Experten-Engine die vorgeschlagene Steuer- und Betriebsmethodologie eines Anlagenbedieners zur Umsetzung durch diesen bereitstellen.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Energieverwaltungssystem zur Verwendung beim Betreiben einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, ein Expertensystem und einen numerischen Löser, der eine objektive Funktion umfasst. In diesem Fall funktioniert der numerische Löser auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung unter Verwendung der objektiven Funktion, um jede Konfiguration einer Vielzahl von Anlagenbetriebskonfigurationen zu analysieren, die mit verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, um eine optimale Anlagenbetriebskonfiguration zu bestimmen, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, wobei die objektive Funktion die Kosten der Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in Erwägung zieht, die mit den verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind. Die Experten-Engine speichert eine Gruppe von Regeln und führt diese Gruppe von Regeln auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung aus, um einen oder mehrere Betriebswerte für die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten zu bestimmen, die mit dem Betrieb der Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, um die optimale Anlagenbetriebskonfiguration umzusetzen. Insbesondere kann die Experten-Engine Signale ausgeben, die Aktivitäten zum Abwerfen und Herstellen von Lasten angeben, die auszuführen sind, um die optimale Anlagenbetriebskonfiguration umzusetzen.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Anlagenverwaltungssystem zur Verwendung beim Betreiben einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, eine Experten-Engine und einen numerischen Löser. Die Experten-Engine speichert eine Gruppe von Regeln und führt die Gruppe von Regeln auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung aus, um ein Anlagenbetriebsszenario oder mehrere Anlagenbetriebsszenarien zum Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage zu bestimmen, wobei das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien verschiedene Konfigurationen von Lastabwurf und Lastherstellung innerhalb der Anlage umfassen. Der numerische Löser, der mit der Experten-Engine gekoppelt ist und eine objektive Funktion umfasst, funktioniert auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung, um das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien zu analysieren, um eine oder mehrere optimale Anlagenbetriebskonfigurationen zu bestimmen, welche die objektive Funktion für das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien am besten erfüllt bzw. erfüllen. In diesem Fall verwendet der numerische Löser die objektive Funktion, um die Kosten der Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in Erwägung zu ziehen, die mit verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, die mit dem einen Anlagenbetriebsszenario oder den mehreren Anlagenbetriebsszenarien verbunden sind.
Bei noch einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, das Verwenden einer Computervorrichtung, um eine Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien zu bestimmen, wobei jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien eine Art des Betriebs der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage vorgibt und eine Computervorrichtung verwendet, um jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien zu analysieren unter Verwendung einer objektiven Funktion, um eine bestimmte Anlagenkonfiguration zu bestimmen, welche die objektive Funktion am besten erfüllt. In diesem Fall zieht die objektive Funktion die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in Erwägung, die mit jedem der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien verbunden sind. Das Verfahren umfasst auch das Bestimmen einer bestimmten Gruppe von Anlagensteuerungszielwerten, die bei der Steuerung der Anlage basierend auf der bestimmten Anlagenkonfiguration zu verwenden sind, wobei die bestimmte Gruppe von Anlagensteuerungszielwerten angestrebte Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage und das Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten der Anlage in Form von Signalen zum Lastabwurf und zur Lastherstellung umfasst.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines Energieverwaltungssystems, das bei diversen Anlagenarten verwendet werden kann, um den Anlagenbetrieb zu optimieren, und die Produktion, Speicherung und Verwendung von Energie innerhalb der Anlage berücksichtigt.
2 ein schematisches und mechanisches Diagramm von diversen Energiebestandteilen einer beispielhaften Industrieanlage.
3 ein Blockdiagramm eines Energieverwaltungssystems aus 1, wie es auf die Industrieanlage aus 2 angewendet wird, um die Produktionserlöse im Hinblick auf die Energiekosten zu optimieren.
4 ein schematisches und mechanisches Diagramm eines Kraftwerks, das mit einem beispielhaften Gelände einer Universität oder eines Industriegebiets verbunden ist.
5 ein Blockdiagramm eines Energieverwaltungssystems aus 1, wie es auf das Kraftwerk aus 4 angewendet wird, um eine optimale Belastung der Einrichtungen innerhalb des Kraftwerks zu bestimmen.
6 ein schematisches und mechanisches Diagramm eines beispielhaften Blockheizkraftwerks (CHP).
7 ein Blockdiagramm eines Energieverwaltungssystems aus 1, wie es auf das CHP-Werk aus 6 angewendet wird, um die Gasnutzung zu bestimmen, die zum höchsten Erlös bei der Anlage führt.
8 ein Blockdiagramm eines Energieverwaltungssystems aus 1, wie es auf ein Einzelwohnhaus, eine Eigentumswohnung oder ein Hotel angewendet wird, um Energiekosten zu minimieren.
9 ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren abbildet, das von einem Optimierer umgesetzt wird, der eine Experten-Engine aufweist, die iterativ einen numerischen Löser aufruft, um eine optimale Anlagen-/Gemeinde-Konfiguration zu bestimmen.
10 ein Blockdiagramm einer Energie- und Dampferzeugungsanlage einer Universität, bei der ein Optimierer, der eine iterativ gekoppelte Experten-Engine und einen numerischen Löser aufweist, verwendet werden kann, um die Energiekosten zu minimieren.
11 ein Blockdiagramm einer Entsalzungsanlage, bei der ein Optimierer, der eine iterativ gekoppelte Experten-Engine und einen numerischen Löser aufweist, verwendet werden kann, um die Betriebskosten zu minimieren und dabei einen bestimmten Megawatt-(MW)Bedarf und einen Bedarf an destilliertem Wasser zu produzieren.
12 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Optimiererkonfiguration, die eine iterativ gekoppelte Experten-Engine und einen numerischen Löser aufweist, die mehrere Gruppen von Anlagenmodellen verwendet.
13 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Optimiererkonfiguration, die eine iterativ gekoppelte Experten-Engine und einen numerischen Löser aufweist, die eine einzige umfassende Gruppe von Anlagenmodellen verwendet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Da Elektrizität eher ein Hauptbestandteil der Herstellungskosten ist, kann man Lastabwurf, oder allgemeiner gesagt Lastverwaltung, bei Industrieanlagen oder andersartigen Anlagen nicht nur einfach dazu verwenden, um sicherzustellen, dass die Anlagenbetriebseinrichtungen und die Frequenz beibehalten werden. Stattdessen kann man den Lastabwurf in Kombination mit der Lastwiederherstellung verwenden, um die Elektrizitäts- und andere Energiekosten der Anlage auf eine Art und Weise zu verwalten, welche die Energiekosten innerhalb der Anlage minimiert oder anderweitig optimiert, wodurch die Anlage dazu gebracht wird, mit größerem Erlös zu funktionieren. Insbesondere kann ein Energieverwaltungssystem, wie es hier beschrieben wird, verwendet werden, um eine Anlage zu steuern, oder einem Anlagen-/Gemeinde-Betreiber zu raten, welche Lasten (Einrichtungen) zu einem bestimmten Zeitpunkt anzuschließen oder zu betreiben sind, wann Lasten abzuwerfen sind, weil der Betrieb dieser Lasten zu diesem Zeitpunkt nicht profitabel oder weniger profitabel wäre, wann Lasten wiederherzustellen sind, welche Lasten zuerst wiederherzustellen sind, wenn die Lasten wieder eingeschaltet werden, usw., und zwar all dies, um die Energiekosten zu minimieren, die Erlöse zu maximieren oder um gewisse andere Optimierungskriterien zu erfüllen, die Energiekosten berücksichtigen. Unter gewissen Umständen kann das hier beschriebene Energieverwaltungssystem konfiguriert werden, so dass seine Empfehlungen automatisch über einen oder mehrere Controller umgesetzt werden.
Das hier beschriebene Energieverwaltungssystem kann auch verwendet werden, um bei der Prognose der erwarteten Energiekosten (beispielsweise innerhalb eines Produktionshorizonts) und dem benötigten Energiebedarf für eine industrielle, städtische oder andere Art von Prozess oder Anlage beizutragen. Beispielsweise haben viele Anlagen/Gemeinden Bedarf an Tiefkühlwasser. Wenn die Wetterprognose angibt, dass ein großer Bedarf an Tiefkühlwasser ansteht, kann das Energieverwaltungssystem die Kältekompressoren während der Schwachlastzeit betreiben und das Tiefkühlwasser kann zur Verwendung während der Spitzenzeit, wenn die Energiepreise typischerweise höher sind, in thermischen Speichertanks gelagert werden. Natürlich ist dies nur ein Beispiel, wie das hier ausführlich beschriebene Energieverwaltungssystem verwendet werden kann, um den Anlagenbetrieb zu optimieren, indem beispielsweise die Energiekosten in der Anlage optimiert werden. Zudem sind die hier besprochenen Konzepte nicht nur auf industrielle Prozesse anwendbar, sondern können zusätzlich auf städtische Verwendungen angewendet werden, wie etwa städtische Strom- oder Wasserversorgungsunternehmen, um es derartigen Anlagen zu ermöglichen, ihre Energierechnungen unter Kontrolle zu halten und bessere Stromverträge auszuhandeln. Das hier beschriebene Energieverwaltungssystem ist ferner bis auf einen individuellen Energiebenutzer herunter skalierbar, in dem Maße, wie eine weiter entwickelte Technologie zur Energieerzeugung und -speicherung, wie etwa elektrische Brennstoffzellen mit Mikroturbinenerzeugung, verfügbar wird. In der Tat wird die Entwicklung einer dezentralisierten Energieproduktion dazu führen, dass immer mehr Entscheidungen zu treffen sind, um die beste Art und Weise des Anschaffens und/oder Produzierens von Energie in einer Industrieanlage, einem Hotel, einem Wohnhaus, usw. zu bestimmen, wenn sie im Vergleich zu den damit verbundenen Preisen und Kosten von diversen Formen von Energieproduktion, die der Anlage, dem Hotel, dem Wohnhaus, usw., zur Verfügung stehen, gemessen wird.
1 bildet ein allgemeines Blockdiagramm eines beispielhaften Energieverwaltungssystems 10 ab, das in Zusammenhang mit einer Anlage 11 verwendet wird. Das Energieverwaltungssystem 10 umfasst im Allgemeinen eine Experten-Engine 12 und einen numerischen Löser 14 (auch als numerischer Löser oder Optimierer bezeichnet), die miteinander kommunizieren, um einen Anlagenbetriebszustand zu bestimmen (der in einer bestimmten industriellen, städtischen, Energie erzeugenden oder Wohnanlagenumgebung zu verwenden ist), der die Energiekosten optimiert, indem er beispielsweise die Energiekosten in der Anlage minimiert, die Erlöse der Anlage maximiert, usw. Dieser optimale Betriebszustand kann beispielsweise angeben, welche Anlageneinrichtungen (Lasten) zu betreiben sind oder zu einem bestimmten Zeitpunkt anzuschließen sind, und/oder kann andere Anlagenbetriebskriterien vorgeben, wie etwa die Betriebsparameter oder Einstellungen von bestimmten Lasten oder Anlageneinrichtungen (z. B. auf welchen Geschwindigkeiten Gebläse oder andere Einrichtungen laufen sollen, das Produktionsniveau von Anlageneinrichtungen, usw.) Somit kann bei einem einfachen Beispiel das Energieverwaltungssystem 10 das Expertensystem 12 und den numerischen Löser 14 verwenden, um zu entscheiden, welche Lasten zu einem bestimmten Zeitpunkt abzuwerfen oder wiederherzustellen sind, in welcher Reihenfolge die Lasten abzuwerfen oder wiederherzustellen sind, usw.
Die Blöcke 20, 22 und 24 aus 1 geben im Allgemeinen diverse verschiedene Einrichtungsarten an, die mit der Anlage 11 verbunden sind, in der das Energieverwaltungssystem 10 zu verwenden ist, wozu Energiebenutzer 20, Energie produzierende Systeme 22 und Energie speichernde Systeme 24 gehören. Die Energiebenutzer 20 können beliebige Anlageneinrichtungen umfassen, die Energie in einer beliebigen Form verwenden, einschließlich elektrische Energie, Dampf oder Heizenergie, Warmwasser, usw. Im Allgemeinen umfassen die Energiebenutzer 20 alle möglichen Produktionssysteme von Industrieanlagen, dampfgetriebene Systeme, die zum Heizen oder zum Bereitstellen anderer Versorgungstätigkeiten verwendet werden, elektrisch betriebene Systeme, die zum Betreiben von Pumpen, Beleuchtung, Klimageräten, Motoren, usw. verwendet werden, oder beliebige andere Anlageneinrichtungen, welche die Verwendung von Energie in der einen oder anderen Form benötigen.
Die Energie produzierenden Systeme 22 umfassen alle Arten von Anlageneinrichtungen, die Energie produzieren, indem sie beispielsweise eine Energieform in eine andere umwandeln. Diese Art von Einrichtungen kann beispielsweise beliebige elektrische Erzeugungseinrichtungen, Dampf erzeugende Einrichtungen, usw. umfassen. Insbesondere können die Energie produzierenden Systeme 22 beliebige bekannte Arten von Energieproduktionseinrichtungen umfassen, wozu beispielsweise gasbetriebene elektrische Generatoren, dampfgetriebene Turbinen, erdgasbetriebene Generatoren, Heizölgeneratoren, Atomkraftsysteme, Solarenergie-Kollektorsysteme, windbetriebene elektrische Erzeugungssysteme oder beliebige andere Arten von Energiegeneratoren, die Energie oder Strom in der einen oder anderen Form produzieren, oder die Energie von einer in die andere Form umwandeln, gehören. Die Energie produzierenden Systeme 22 könnten von Rohmaterialien ausgehen, wie etwa Erdgas, Heizöl, Energie aus dem Stromnetz, usw. ausgehen und Energie in einer anderen Form produzieren oder den Zustand der Energie von einem Zustand, wie etwa Erdgas, in einen anderen Zustand, wie etwa Wärme oder Dampf, umwandeln. Die Leistungsabgabe der Energieproduzenten 22 kann verwendet werden, um die Energiebenutzer 20 mit Strom zu versorgen, kann an einen Fremdabnehmer, wie etwa als elektrische Energie für das Stromnetz, verkauft werden, oder kann den Energiespeichersystemen 24 bereitgestellt und darin gespeichert werden.
Die gegebenenfalls vorhandenen Energiespeichersysteme 24 können beliebige Arten von Energiespeichereinrichtungen, wie etwa Fluid (z. B. Wasser), Kältekompressoren, Wärmehaltungssysteme, Batterien oder andere Einrichtungen, umfassen, die Energie, die von den Energieproduzenten 24 produziert wird, Energie aus dem Stromnetz, usw. speichern. Die Energiespeichersysteme 24 können zu einem gewünschten Zeitpunkt gespeicherte Energie beispielsweise an einen der Energiebenutzer 20 oder das Stromnetz usw. zurückgeben.
Selbstverständlich ändern sich die bestimmten Einrichtungen, die in einer Anlage vorhanden sind, je nach Art der Anlage oder des Systems, in der bzw. dem das Energieverwaltungssystem 10 verwendet wird. Die Anlage könnte beispielsweise eine Industrieanlage sein, die ein oder mehrere Produkte produziert oder herstellt, eine Verarbeitungsanlage, die Materialien verarbeitet, eine beliebige Energieerzeugungsanlage, eine städtische Anlage, wie etwa eine städtische Wasseraufbereitungsanlage, eine Abwasseraufbereitungsanlage, usw. Ferner könnte die Anlage eine gewisse Wohnanlage, wie etwa ein Kraftwerk eines Schulgeländes, ein Kraftwerk eines Hotels, einer Eigentumswohnung oder eines Wohnblocks oder sogar ein Einzelhaus, eine Eigentumswohnung oder ein anderes Wohnhaus sein. Im Allgemeinen umfassen viele derartige Anlagen Dampfproduktionseinrichtungen, die notwendig sind, um Dampfturbinen zu betreiben, Elektrizitäts-Erzeugungseinrichtungen, die notwendig sind, um Pumpen zu betreiben, und Energiespeichersysteme, zusätzlich zu Einrichtungen, die mit Elektrizität betrieben werden, die vom öffentlichen Stromnetz abgegeben wird. Beispielsweise umfassen viele Wohnungs- oder Universitätsanlagen typischerweise Kessel- oder Dampfsysteme, die für Heizungszwecke verwendet werden, elektrische Erzeugungssysteme, die zur Beleuchtung und Kühlung verwendet werden, Erdgassysteme, die Heißluft produzieren, usw., zusätzlich zu Einrichtungen, die elektrische Energie aus einem öffentlichen Stromnetz verwenden.
Wie es die gestrichelten Linien in 1 abbilden, umfasst das Energieverwaltungssystem 10 eine Gruppe von gespeicherten Einrichtungs- oder Prozessmodellen 30, die den Betrieb eines jeden der Energiebenutzer 20, der Energieproduzenten 22 und der Energiespeichersysteme 24 innerhalb der Anlage 11 modellieren, simulieren oder anderweitig beschreiben. Die Modelle 30 können die Form einer beliebigen Art von Einrichtungs- oder Prozessmodellen annehmen, wie etwa First-Principle-Modelle, statistische Modelle oder beliebige andere Arten von Modellen, die verwendet werden können, um die Einrichtungen zu modellieren, die mit den Energiebenutzern 20, den Energieproduzenten 22 und den Energiespeichersystemen 24 innerhalb der Anlage 11 verbunden sind. Die Modelle 30 sind an den numerischen Löser 14 angeschlossen und werden von diesem verwendet, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, um es dem numerischen Löser 14 zu ermöglichen, einen optimalen Betriebspunkt zu bestimmen oder die Anlage 11 mit Bezug auf die Energienutzung zu bestimmen.
Insbesondere können die Modelle 30 Einrichtungsmodelle sein, welche die Anlage 11, Teile der Anlage 11 und/oder bestimmte Anlageneinrichtungen modellieren. Im Allgemeinen ermöglichen es die Einrichtungsmodelle 30 dem numerischen Löser 14, den Betrieb der Anlage 11 oder eines Teils der Anlage 11, wie etwa der Kesselabteilungen, der Dampfzyklen, usw. der Anlage 11, als Reaktion auf diverse verschiedene Steuereingaben oder auf diversen verschiedenen Anlagenbetriebspunkten vorherzusagen oder zu schätzen. Die Einrichtungsmodelle 30 können separate Modelle für verschiedene Anlageneinrichtungen oder zusammengesetzte Einrichtungsmodelle sein, und die Modelle 30 können Bestandteilmodelle, Einheitenmodelle und/oder Regelkreismodelle sein, welche die Reaktion oder den Betrieb einer oder mehrerer einzelner Einrichtungen oder Einrichtungsgruppen innerhalb der Anlage 11 modellieren. Die Modelle 30 können jede beliebige geeignete Art von mathematischen Modellen sein, wozu immunologiebasierte Modelle, Modelle, die auf Neuronennetzen basieren, statistische Modelle, Regressionsmodelle, modellprädiktive Modelle, First-Principle-Modelle, lineare oder nicht lineare Modelle, usw. gehören.
Falls erwünscht, kann ein adaptiver Intelligenzblock 32 eine Routine umsetzen, die eine Rückmeldung von den Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 empfängt, wozu die Energiebenutzer 20, die Energieproduzenten 22 und die Energiespeichersysteme 24 gehören, und die funktioniert, um die Modelle 30 anzupassen oder zu ändern, um den tatsächlichen oder derzeitigen Betrieb dieser Einrichtungen basierend auf gemessenen Ausgaben oder anderen Rückmeldungen von den Anlageneinrichtungen mit größerer Genauigkeit wiederzugeben. Im Allgemeinen kann der adaptive Intelligenzblock 32 beliebige anwendbare adaptive Modellierungstechniken verwenden, um die Modelle 30 zu ändern oder abzuändern, um die Modelle 30 basierend auf dem gemessenen oder tatsächlichen Betrieb der Anlageneinrichtungen genauer zu machen.
Ferner umfasst das Energieverwaltungssystem 10 eine gespeicherte Auflagengruppe 34, die für jedes der Modelle 30 angelegt und gespeichert werden kann, wobei die Auflagen 34 die Einschränkungen angeben, denen jeder der Energiebenutzer 20, der Energieproduzenten 22 oder der Energiespeichereinheiten 24 unterliegen könnte. Die Auflagen 34 können sich im Verlauf der Zeit basierend auf dem adaptiven Modellierungsblock 32, basierend auf einer Benutzereingabe (die derart erfolgen kann, dass sie gewünschte Betriebseinschränkungen bestimmter Einrichtungen wiedergibt), oder basierend auf beliebigen anderen Kriterien, wie etwa um das Entfernen von Einrichtungen für die Instandhaltung, usw. wiederzugeben, ändern. Im Allgemeinen geben die Auflagen 34 die physikalischen Einschränkungen der Anlageneinrichtungen an und werden von dem numerischen Löser 14 verwendet, um die optimale Einstellung der Anlageneinrichtungen innerhalb der physikalischen Einschränkungen dieser Einrichtungen zu bestimmen.
Das Energieverwaltungssystem 10 umfasst oder empfängt auch eine Gruppe von Betriebsanforderungen 40, denen die Anlage 11 insgesamt oder bestimmte Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 zu einem bestimmten Zeitpunkt unterliegen kann bzw. können, wozu der aktuelle oder gegenwärtige Zeitpunkt sowie zukünftige Zeitpunkte gehören. Somit können die Anforderungen 40 eine oder mehrere aktuelle Bedürfnisse oder Anforderungen und/oder Prognosen von zukünftigen Bedürfnissen oder Anforderungen für die Anlage ausdrücken. Die Betriebsanforderungen könnten beispielsweise die notwendige Leistung oder die notwendigen Leistungsformen, die innerhalb der Anlage 11 abzugeben ist bzw. sind, basierend auf voreingestellten oder voretablierten Nutzungs- oder Betriebsanforderungen für die Anlageneinrichtungen ausdrücken. Beispielsweise können die Anforderungen 40 die zu produzierende Dampfmenge angeben, die zu produzierende Heizungs- oder Klimatisierungsmenge, oder die Elektrizitätsmenge, die zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen ist, um die Anlage 11 auf einem gewünschten Betriebsniveau betriebsfähig zu halten. Eine Prognose dieser Anforderungen kann eine Prognose der gewünschten oder benötigten Leistungsabgabe der Anlage 11 im Verlauf der Zeit umfassen, und natürlich könnten sich diese Prognosen im Verlauf der Zeit ändern. Falls erwünscht, können die Betriebsanforderungen 40 der Anlage als Bereiche vorliegen, so dass das Energieverwaltungssystem 10 eine optimale Gruppe von Anlagenanforderungen innerhalb eines oder mehrerer erlaubter Bereiche bestimmen kann, die zu der optimalen Einstellung der Anlage 11 führen könnte. Beispielsweise könnten die Betriebsanforderungen als Mindest- oder Höchstmenge von Heizung und/oder Klimatisierung vorliegen, die zu verschiedenen Zeitpunkten in einer Woche oder einem Monat auf einem Schulgelände benötigt wird, als Menge (oder Bereich) von Dampf, Strom oder einer anderen Form von Energie, die zu einer bestimmten Stunde, einem bestimmten Tag, einem bestimmten Monat, usw. verfügbar sein muss, um den Betriebsbedarf der Anlage zu decken, usw. Natürlich könnten sich die Bedürfnisse oder Anforderungen 40 der Anlage im Verlauf der Zeit ändern, und diese Anforderungen können als Prognose der Bedürfnisse zu zukünftigen Zeitpunkten ausgedrückt werden. In manchen Fällen können die Betriebsanforderungen 40 die höchsten und/oder niedrigsten Nutzungsniveaus angeben, auf welche die Anlage 11 oder bestimmte Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 zu diversen Zeitpunkten eingestellt werden kann bzw. können, und diese Anforderungen 40 ermöglichen es dem Energieverwaltungssystem 10, die besten optimalen Betriebseinstellungen der Anlageneinrichtungen im Verlauf der Zeit zu bestimmen, um die Energienutzung in der Anlage 11 effizienter zu verwalten. Natürlich können die Betriebsanforderungen 40 durch Benutzereingaben etabliert werden, können aus einer gespeicherten Datenbank stammen, die von einem Benutzer geändert werden könnte, können von dem Expertensystem 12 eingestellt werden, können auf dem vorheriger Nutzung in der Anlage 11 basieren, können auf einem Bedarfssignal oder einer Bedarfskurve basieren, das bzw. die mit einem Produktionsplan verbunden ist (der beispielsweise in einem Geschäftssystem entwickelt wird, das mit der Anlage 11 verbunden ist), oder können anderweitig eingestellt werden. Bei einer Ausführungsform könnten einige der Anforderungen aus einem Terminkalender stammen, wie etwa einem Computerterminkalender (z. B. einem Gutlook^®-Terminkalender), der mit dem persönlichen Terminkalendersystem, einem geschäftlichen Produktionssystem, usw. verbunden ist. Ein derartiger Terminkalender kann kommunikationsmäßig mit dem Energieverwaltungssystem 10 zusammenhängen und Nutzung oder Ereignisse der Anlage im Verlauf der Zeit angeben, die zu berücksichtigen wären, wenn die optimale Produktion oder der optimale Betrieb der Anlage geplant wird.
Das Energieverwaltungssystem 10 umfasst auch einen Block 42, der eine Gruppe von Energiekosten und/oder Energiepreisen speichert oder Zugriff darauf gibt. Die Energiekosten und/oder Energiepreise in Block 42 können die Kosten und Preise umfassen, die mit der Anschaffung oder dem Verkauf von Rohmaterialien, wie etwa Erdgas, Heizöl, usw., die in der Anlage 11 verwendet werden sollen, den Kosten von Elektrizität aus dem Stromnetz, falls sie in der Anlage 11 verwendet wird, oder beliebigen anderen Kosten von Energie, in der Anlage 11 verwendet wird, verbunden sind. Zudem können diese Kosten und Preise den Preis angeben, der von Fremdabnehmern für Energie gezahlt wird, die in der Anlage 11 produziert wird, wie etwa den Preis, der an die Anlage 11 für elektrische Energie zu zahlen ist, die dem Stromnetz bereitgestellt wird, den Preis, der für Dampf zu zahlen ist, der an einen Fremdabnehmer abgegeben wird, usw. In manchen Fällen, wie etwa bei einer Industrie- oder Herstellungsanlage, können die Kosten und Preise in Block 42 die Kosten von anderen Rohmaterialien umfassen, die verwendet werden, um ein Produkt in der Anlage 11 zu produzieren, sowie den Preis, der für das Produkt gezahlt wird, das an der Anlage 11 ausgegeben oder produziert wird. Diese Kosten und Preise ermöglichen es dem Energieverwaltungssystem 10 beispielsweise den Erlös der Anlage 11 mit einer beliebigen bestimmten Anlagenbetriebseinstellung zu bestimmen, welche die Energienutzung und die Produktionskosten sowie die Einnahmen, die durch den Verkauf von Anlagenleistungsabgaben erzeugt werden, berücksichtigt. Natürlich können die Kosten und Preise in Block 42 die Kosten und Preise zum aktuellen Zeitpunkt ausdrücken und/oder können eine Prognose der Kosten und Preise für jeden der Energiefaktoren, Rohmaterialien, Anlagenleistungsabgaben, usw. innerhalb eines gewissen Zeitraums in der Zukunft sein, d. h. über einen Prädiktions- oder Prognosehorizont hinweg. Rein beispielhaft kann der Block 42 den aktuellen Preis, zu dem Energie in Form von Elektrizität verkauft werden kann, falls dies in der Anlagenumgebung möglich ist, die Kosten von Energie aus dem Stromnetz, die aktuellen Kosten von Erdgas (das verwendet wird, um die Anlageneinrichtungen zu betreiben), das von dem Erdgaslieferanten geliefert wird, die Kosten von Heizöl und anderen Rohmaterialien, die zuvor angeschafft und in der Anlage 11 zur Verwendung durch die Anlageneinrichtungen, usw. gespeichert werden, speichern. Der Block 42 kann auch Preise umfassen, die für Elektrizität oder andere Energie (z. B. Dampf) bezahlt werden, die an Fremdabnehmer beispielsweise über das Stromnetz verkauft werden kann. Die Kosten und Preise, die in Block 42 gespeichert werden, können derzeitige energiebezogene Kosten und Preise sowie prognostizierte zukünftige energiebezogene Kosten und Preise umfassen. Natürlich kann Block 42 die Energiekosten und -preise online oder in Echtzeit von den diversen Energielieferanten (z. B. von dem öffentlichen Versorgungsanbieter, dem Erdgasanbieter, usw.) erhalten, kann Informationen aus einer Datenbank erhalten, welche die tatsächlichen Kosten für die Anlage für diverse Rohmaterialien speichert, die angeschafft und in Lagertanks gelagert wurden, usw., kann Kosten- und Preisinformationen direkt von einem Benutzer oder einer Benutzerschnittstelle erhalten, kann Kosten- und Preisinformationen erhalten, die in einer beliebigen anderen Datenbank gespeichert sind, und kann sogar Informationen von Geschäftssystemen erzielen, wie etwa einem Geschäftsterminkalender oder einem anderen Computersystem, in die ein Anlagenbetreiber oder anderes Personal die Kosten- und/oder Preisinformationen eingeben könnte.
Wie in 1 abgebildet, speichert die Experten-Engine 12 eine Regelgruppe 43 und eine Aktionsgruppe 45, wobei es sich um eine beliebige Art von Regeln und Aktionen handeln kann, welche die Experten-Engine 12 verwendet, um verschiedene mögliche Betriebsszenarien zu bestimmen, die unter Berücksichtigung der Anforderungen der Anlage 11, der Energiekosten, usw., in der Anlage 11 umgesetzt werden könnten, um eine Betriebseinstellung der Anlage zu bestimmen, die aus Sicht der Energieverwendung oder der Produktion optimal ist (oder mindestens lokal optimal). Die Regeln 43 können verwendet werden, um die beste oder eine optimale Anlageneinstellung zum aktuellen Zeitpunkt zu bestimmen, oder könnten bestimmen, wie die Anlage 11 über einen Zeithorizont hinweg zu betreiben ist, um Energiekosten zu minimieren oder Erlöse der Anlage 11 unter Berücksichtigung der Energiekosten zu maximieren. Die Aktionen 45 sind Funktionen, die als Reaktion auf die Bestimmung des optimalen Betriebspunktes oder einer Konfiguration, der bzw. die von dem numerischen Löser bestimmt wird, oder wenn dem numerischen Löser eventuelle Anlagenszenarien zur Auswertung bereitgestellt werden, umgesetzt oder angenommen werden können. Diese Aktionen können beispielsweise Prozeduren oder Auflagen umfassen, die verwendet werden, um Lastabwurf und Lastaufstellung (wie etwa die Reihenfolge, in der diese Tätigkeiten an bestimmten Einrichtungsgruppen auszuführen sind) innerhalb der miteinander verbundenen Prozesse durchzuführen. Diese Prozeduren oder anderen Aktionen können von den Anlagen-Controllern oder Benutzerschnittstellen, die mit dem Energieverwaltungssystem 10 verbunden sind, verwendet werden oder ihnen bereitgestellt werden.
Im Allgemeinen funktioniert die Experten-Engine 12 bei einer Ausführungsform, um ein oder mehrere allgemeine oder spezifische Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung der gespeicherten Regeln 43 zu entwickeln, und stellt diese Anlagenbetriebsszenarien dem numerischen Löser 14 bereit. Der numerische Löser 14 verwendet dann die Modelle 30, die Auflagen 34, die Betriebsanforderungen 40, die Kosten 42 sowie beliebige Daten von der Experten-Engine 12, die beispielsweise andere Betriebsanforderungen oder Grenzen angeben, um die Gesamtkosten der Energie zu bestimmen, die bei dem Szenario verwendet wird, oder um eine optimale Anlagenbetriebseinstellung zu bestimmen, die beispielsweise Anlagenerlöse maximiert. In letzterem Fall kann der numerische Löser eine objektive Funktion 46 verwenden, die darin gespeichert ist oder damit verbunden ist, um die optimale Anlageneinstellung zu bestimmen. Bei einigen Fällen kann der numerische Löser 14 Auflagen, Grenzen oder andere Faktoren, die mit dem Anlagenbetriebsszenario verbunden sind, ändern, in einem Bereich, der beispielsweise von dem Expertensystem 12 bereitgestellt wird, die bestimmte Gruppe von Betriebsparametern zu bestimmen, welche die objektive Funktion 46 minimiert oder maximiert. Natürlich kann der numerische Löser 14 eine beliebige gewünschte oder anwendbare objektive Funktion 46 verwenden und diese objektive Funktion 46 kann auf Wunsch vom Benutzer geändert oder ausgewählt werden. Im Allgemeinen wird die objektive Funktion 46 jedoch ausgelegt, um die Gesamtkosten der Energieverwendung in der Anlage 11 zu reduzieren, um Erlöse in der Anlage 11 unter Berücksichtigung der Energienutzung und der Kosten der Anlage, usw. zu maximieren.
Der numerische Löser 14 gibt Energiekosten (für ein bestimmtes Betriebsszenario) oder eine optimale Anlageneinstellung, wie sie unter Verwendung der objektiven Funktion 46 bestimmt wird bzw. werden, an die Experten-Engine 12 zurück, die dann die zurückgegebenen Energiekosten mit anderen Szenarien vergleichen kann, die von der Experten-Engine 12 in Betracht gezogen werden (und eventuell von dem numerischen Löser 14 analysiert werden), um das beste bzw. optimale Anlagenbetriebsszenario zu bestimmen, das beispielsweise Energiekosten minimiert, Erlöse unter Berücksichtigung der Energiekosten der Anlage 11 maximiert, usw. Natürlich kann die Experten-Engine 12 dem numerischen Löser 14 eine beliebige Anzahl von allgemeinen Anlagenbetriebsszenarien bereitstellen (wie etwa solche, die das Speichern von Energie im Verlauf der Zeit umfassen, die einen spezifischen Zeitraum in der Zukunft in Betracht ziehen, in dem die Energiekosten zu reduzieren sind, usw.), um einen optimalen Betriebspunkt oder Plan (im Verlauf der Zeit) der Anlage 11 mit Bezug auf Energieerzeugung, Energienutzung und Energiespeicherung zu bestimmen. Somit könnte die Experten-Engine 12 beispielsweise den optimalen Betriebspunkt der Anlage 11 zum aktuellen Zeitpunkt basierend auf aktuellen Preis- und Anlagenanforderungen bestimmen, und kann beispielsweise bestimmen, das eine oder mehrere Lasten oder Anlageneinrichtungen abzuwerfen oder wiederherzustellen sind, um den Anlagenbetrieb zu optimieren. Das heißt, dass die Experten-Engine 12 in diesem Fall bestimmen kann, dass es am besten ist, die Anlage oder einen Teil der Anlageneinrichtungen abzuschalten, um die Anlage zu optimieren, und kann später bestimmen, dass es wirtschaftlich ist, die Anlageneinrichtungen oder Lasten innerhalb der Anlage wiederherzustellen. In diesem Fall kann die Experten-Engine 12 unter Verwendung der Regeln 43 die Reihenfolge speichern oder bestimmen, in der die Anlageneinrichtungen für eine optimale Energieeffizienz oder Nutzung innerhalb der Anlage abzuwerfen oder wiederherzustellen sind. In einem anderen Fall kann die Experten-Engine 12 bestimmen, wie die Anlage 11 über einen bestimmten Zeitraum (Zeithorizont) hinweg zu betreiben ist, so dass mit der Anlagenproduktion verbundene Energiekosten minimiert, Erlöse maximiert werden, usw.
Wie in 1 abgebildet, kann ein Block 44 den Status eines jeden der Energiebenutzer 20, Energieproduzenten 22 und Energiespeichersysteme 24 verfolgen und speichern und kann diese Statusinformationen der Experten-Engine 12 bereitstellen, die diese Informationen verwendet, um die Anlagenbetriebsszenarien zu bestimmen, die von dem numerischen Löser 14 zu berücksichtigen oder zu analysieren sind, oder um die bestimmten Einrichtungen zu bestimmen, die zu verwenden sind, wenn eine Produktions- oder Betriebsplanung umgesetzt wird, die von dem numerischen Löser 14 bestimmt wird, um in gewisser Weise optimal zu sein. Wenn beispielsweise einige der Energieproduzenten 22 oder Energiespeichersysteme 24 nicht oder nur auf einem Mindestniveau betriebsfähig sind, kann die Experten-Engine 12 den numerischen Löser 14 daran hindern, diese Systeme in seinen Berechnungen als Teil eines bestimmten Energieverwaltungsszenarien zu berücksichtigen oder zu verwenden. In manchen Fällen kann die Experten-Engine 12 wählen, andere Einrichtungen laufen zu lassen, wenn sie einen Produktions- oder Betriebsplan umsetzt, der von dem numerischen Löser 14 entwickelt wurde und die Verwendung einer Teilgruppe der Anlageneinrichtungen verlangt. Natürlich kann die Experten-Engine 12 funktionieren, um die Energieverwaltungsszenarien, die dem numerischen Löser 14 bereitgestellt werden, auf eine beliebige Art und Weise, die auf dem Status der Anlageneinrichtungen basiert, zu ändern.
Es versteht sich somit, dass die Experten-Engine 12 den numerischen Löser 14 verwendet, um einen optimalen Energienutzungsplan zum aktuellen Zeitpunkt oder über einen bestimmten prognostizierten Zeitraum in der Zukunft zu entwickeln. Ein derartiges Szenario könnte das Konfigurieren der Anlage umfassen, um Energie zu produzieren oder um bestimmte Einrichtungen innerhalb der Anlage zum aktuellen Zeitpunkt zu betreiben, weil dies im Vergleich zu einem Zeitpunkt in der Zukunft, zu dem prognostiziert wird, dass die Energiepreise höher sind, zu dem das Wetter eventuell so ist, dass mehr Energie für die gleiche Produktionsmenge benötigt wird, usw. billiger ist. Alternativ kann die Experten-Engine 12 einen Anlagenproduktionsplan berücksichtigen und entwickeln, der Energie zum aktuellen Zeitpunkt produziert, die produzierte Energie in einer oder mehreren der Energiespeichereinheiten 24 speichert, und die gespeicherte Energie zu einem späteren Zeitpunkt verwendet, wenn die Energieproduktionskosten höher sind, und zwar alles in der Bemühung, die Gesamtkosten von Betriebsanlageneinrichtungen über einen bestimmten Zeitraum hinweg zu reduzieren und dabei weiterhin den Betriebsanforderungen der Anlage 11, wie sie etwa von Block 40 vorgeschrieben werden, gerecht zu werden bzw. diese zu erfüllen.
Sobald die Experten-Engine 12 und/oder der numerische Löser 14 einen Anlagenbetriebsplan entwickelt, der die Einrichtungen innerhalb der Anlage 11, die zu einem bestimmten Zeitpunkt laufen sollen, sowie die Betriebseinstellung dieser Einrichtungen, usw. vorgibt, kann die Experten-Engine 12 diesen Plan einem oder mehreren Anlagen-Controllern 50 und/oder einer Benutzerschnittstelle 52 bereitstellen. Die Anlagen-Controller 50 können den Betriebsplan für die Anlage 11 automatisch umsetzen, indem sie die Anlageneinrichtungen (z. B. die Energiebenutzer 20, die Energieproduzenten 22 und die Energiespeichersysteme 24) steuern, damit sie plangemäß funktionieren. Diese Steuerung kann das Ausführen von Lastabwurf und Lastwiederherstellung zu diversen Zeitpunkten basierend auf der Ausgabe der Experten-Engine 12 umfassen, kann das Ändern oder Abändern der Betriebseinstellungen von diversen Anlageneinrichtungen im Verlauf der Zeit, usw. umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebsplan der Benutzerschnittstelle 52 zum Visualisieren durch eine Bedienperson oder einen anderen Benutzer bereitgestellt werden, der entscheiden kann, den Plan manuell umzusetzen (oder nicht umzusetzen), oder der zulassen kann, dass der Plan von den Prozess-Controllern 50 automatisch umgesetzt wird.
Es versteht sich, dass der numerische Löser 14 eine beliebige gewünschte oder anwendbare Art von Optimierer, numerischem Löser, usw. sein kann, der bei einer Ausführungsform die gespeicherte objektive Funktion 46 verwendet, um zu bestimmen, welche der diversen verschiedenen möglichen Betriebspunkte der Anlage 11 aus Sicht der Energienutzung oder der Kosten basierend auf den aktuellen Bedingungen innerhalb der Anlage 11, den mit der Anlage 11 verbundenen Auflagen und den Modellen 30 der Anlage 11 optimal ist. Der numerische Löser 14 empfängt die Gruppe von Anlagen- oder Einrichtungsauflagen 34, die verschiedene Auflagen oder Grenzen vorgeben, mit denen der numerische Löser 14 funktionieren muss (z. B. Grenzen oder Auflagen, die der numerische Löser 14 nicht verletzen darf, wenn er einen optimalen Anlagenbetriebspunkt basierend auf der verwendeten objektiven Funktion 46 bestimmt). Diese Auflagen können beliebige Grenzen, Bereiche oder bevorzugte Betriebspunkte sein, die mit beliebigen Einrichtungen oder Prozessvariablen innerhalb der Anlage 11 verbunden sind, und können von einem Benutzer, einer Betriebsperson, einem Anlagendesigner, einem Einrichtungshersteller, usw. vorgegeben werden. Zu diesen Auflagen können beispielsweise Grenzen oder Bereiche gehören, die mit Wasserpegeln, Dampf- und Wassertemperaturen, Dampfdurchsatz, Brennstoffdurchsatz, Wasserdurchsatz und anderen Betriebsbereichen oder Sollwerten, die in der Anlage 11 zu verwenden sind, verbunden sind. Die Auflagen 34 können auch bestimmte Einrichtungen vorgeben oder identifizieren, die zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar oder nicht verfügbar sein können, um in der Anlage 11 verwendet zu werden. Beispielsweise können verschiedene der Energieeinrichtungen, Kessel, Turbinen, Gebläse, Luftverdichtereinheiten usw. zur Verwendung zu einem bestimmten Zeitpunkt eventuell nicht verfügbar sein, weil diese Einheiten außer Betrieb sein können, in der Reparatur sein können, usw. In diesem Fall können die Auflagen 34 einen Wartungsplan umfassen oder als solcher vorliegen und angeben, wann bestimme Anlageneinrichtungen gewartet werden, repariert werden oder anderweitig eingeplant sind, um außer Betrieb zu sein, wodurch vorgegeben wird, wann diese Einheiten verwendet werden können oder nicht. Zudem können die Auflagen 34 eine Angabe der Einheiten oder Einrichtungen innerhalb der Anlage 11, die in oder außer Betrieb sind, und die zulässigen Betriebsbereiche oder Parameter der Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 umfassen.
Einige der Betriebsauflagen 34 können die aktuellen Bedingungen in der Anlage 11 angeben oder durch diese beeinflusst werden, und die aktuellen Bedingungen können dem numerischen Löser 14 auch durch Block 34 oder das Expertensystem 12 als Betriebsauflagen bereitgestellt werden. Die aktuellen Anlagenbedingungen, die in der Anlage gemessen oder erfasst werden können oder von einem Benutzer oder einer Bedienperson eingegeben werden können, können beispielsweise den aktuellen Lastbedarf in der Anlage oder in einem Teil der Anlage (z. B. die Energie oder eine andere Last, die von der Anlage 11 oder einer bestimmten Einrichtung innerhalb der Anlage 11 zu produzieren ist), die Umgebungstemperatur, die betreffende Umgebungsfeuchtigkeit, Prognosen von Lastbedarf und Umgebungsbedingungen für die Zukunft, usw. umfassen. In manchen Fällen kann der Lastbedarf entweder als Wirkleistung (Megawatt) oder als Blindleistung (MVAR) oder beides vorgegeben werden, welche die Anlage 11 oder ein Teilbereich der Anlage 11 produzieren soll. Falls erwünscht könnte der Lastbedarf jedoch als andere Lastarten vorgegeben werden, wie etwa Turbinenenergiebedarf, Prozessdampfbedarf, Warmwasserbedarf, usw.
Im Allgemeinen verwendet der numerische Löser 14 im Betrieb die Einrichtungsmodelle 30, um den Betrieb der Anlage 11 an diversen verschiedenen Betriebspunkten zu simulieren oder zu modellieren, während er unter den aktuellen oder prognostizierten Umgebungsbedingungen und innerhalb der aktuellen oder vorhergesagten Auflagen 34 funktioniert. Der numerische Löser 14 berechnet oder löst dann die objektive Funktion 46 für jeden dieser Betriebspunkte, um zu bestimmen, welcher Betriebspunkt „optimal” ist, indem er die objektive Funktion 46 minimiert (oder maximiert). Die Einzelheiten des Betriebspunktes (z. B. Sollwerte, Brennstoffverbrennungsraten, Anzahl und Geschwindigkeit der zu betreibenden Gebläse, usw.), die mit dem optimalen Betriebspunkt verbunden sind, werden dann dem Expertensystem 12 bereitgestellt. Natürlich kann der numerische Löser 14 die Optimierungsberechnungen für den aktuellen Zeitpunkt und für eine beliebige Anzahl von Zeitpunkten in der Zukunft ausführen, um dadurch eine Trajektorie von Betriebspunkten bereitzustellen, die es angesichts bekannter zukünftiger Änderungen des Lastbedarfs, erwarteten Änderungen der Umgebungsbedingungen, Wartungstätigkeiten, die Anlageneinrichtungen ausschalten oder Anlageneinrichtungen wieder einschalten, usw., zu erreichen gilt.
Während die objektive Funktion 46 eine beliebige Art oder gewünschte Funktion sein kann, die ein Verfahren definiert zum Bestimmen eines optimalen Betriebspunktes der Anlage 11, wird in einer typischen Situation die objektive Funktion 46 einen erreichbaren Betriebspunkt der Anlage 11 bestimmen, der den aktuellen Lastbedarf der Anlage 11 unter den aktuellen Umgebungsbedingungen, mit den geringsten oder minimalen Energiekosten unter Berücksichtigung aller oder der meisten variablen Kosten beim Betrieb der Anlage 11 und gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines eventuellen Einkommens, das aus den Leistungsabgaben der Anlage 11 erzielt oder erwartet wird, deckt. Diese variablen Kosten können beispielsweise die Kosten des Brennstoffs, der in den Kessels eines Kraftwerks benötigt wird, die Kosten des Betreibens von Pumpen in den Umwälzsystemen der Anlage, die Kosten des Betreibens der Gebläse der luftgekühlten Kondensatoren der Anlage 11, usw. umfassen. Während der Optimierungsberechnungen kann der numerische Löser 14 den Betrieb der Anlage 11 (unter Verwendung der Einrichtungsmodelle 30) modellieren oder simulieren, um das optimale Brennstoff- und Luftgemisch oder die Verbrennungsraten, die optimale Geschwindigkeit der Gebläse oder Pumpen, die optimale Nutzung von Gebläsen oder anderen Einrichtungen innerhalb der Anlage zu bestimmen, indem er die bestimmte Kombination dieser und anderer Prozessvariablen bestimmt, die beispielsweise die objektive Funktion 46 minimiert oder reduziert und dabei die gewünschte Last weiter erzielt. Natürlich kann der numerische Löser 14 einen „optimalen Betriebspunkt” bestimmen, indem er diverse verschiedene Kombinationen der betreffenden Prozess- oder Anlagenvariablen berechnet, beispielsweise unter Verwendung eines iterativen Prozesses und durch Berechnen der objektiven Funktion 46 für jede modellierte Kombination, um zu bestimmen, welche Kombination (oder welcher Betriebspunkt) zum Minimieren (oder Maximieren) der objektiven Funktion 46 führt und dabei weiter einen Anlagenbetrieb ermöglicht, der den Lastbedarf unter den betreffenden Umgebungsbedingungen deckt, ohne eine der Betriebsauflagen 34 zu verletzen. Somit kann der numerische Löser 14 eine Brennstoffverbrennungsrate oder ein Brennstoff/Luft-Gemisch auswählen, um eine gewünschte Leistungsabgabe unter den aktuellen Umgebungsbedingungen zu erreichen und die Mindestanzahl von Einrichtungen oder die Einrichtungsart oder die Kombination von verschiedenen Einrichtungsarten zu bestimmen, die zu den minimalen Energiekosten führen und es der Anlage 11 weiterhin ermöglichen, den Lastbedarf unter den aktuellen oder zukünftigen Umgebungsbedingungen zu decken, ohne eine der Betriebsauflagen 34 zu verletzen. Der numerische Löser 14 kann dann die objektive Funktion 46 auf diesen Betriebspunkt anwenden, um einen objektiven Funktionswert für diesen Betriebspunkt zu bestimmen. Der numerische Löser 14 kann dann die Einstellung oder Kombinationen von Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 ändern, indem er beispielsweise die Verwendung oder die Frequenzen von bestimmten Einrichtungen erhöht oder erniedrigt, usw. und indem er wiederum die Anlagenbetriebskonfiguration bestimmt, die zu verwenden ist, um die gewünschte Last unter den betreffenden Umgebungsbedingungen und Betriebsauflagen 34 zu erreichen. Der numerische Löser 14 kann dann die objektive Funktion 46 auf diesen Betriebspunkt anwenden und den objektiven Funktionswert für diesen Betriebspunkt bestimmen. Der numerische Löser 14 kann weiterhin Änderungen an den modellierten Betriebspunkten vornehmen, indem er beispielsweise die Einrichtungsnutzung und die Betriebsparameterkombinationen (wie etwa Brennstoffverbrennung, Brennstoff/Luft-Gemische, Ein- und Ausschalten der Einrichtungen, usw.) ändert und jeden dieser Betriebspunkte unter Verwendung der objektiven Funktion 46 auswertet, um zu bestimmen, welcher Betriebspunkt zu dem minimalen (oder maximalen) objektiven Funktionswert führt. Der numerische Löser 14 kann den Betriebspunkt auswählen, der die objektive Funktion 46 als den optimalen Betriebspunkt zur Abgabe an das Expertensystem 12 minimiert oder maximiert.
Dabei ist zu beachten, dass der numerische Löser 14 eine beliebige gewünschte Routine verwenden kann, wie etwa eine iterative Routine, um diverse verschiedene Betriebspunkte zur Simulation für eine mögliche Verwendung als tatsächlicher optimaler Anlagenbetriebspunkt auszuwählen. Der numerische Löser 14 kann beispielsweise die Ergebnisse von vorherigen Simulationen verwenden, um die Art und Weise zu steuern, wie diverse Variablen geändert werden, um neue Betriebspunkte auszuwählen. Meistens modelliert der numerische Löser 14 jedoch nicht jeden möglichen Anlagenbetriebspunkt oder zieht diesen in Erwägung, weil der mehrdimensionale Raum, der von der Anzahl von Prozessvariablen geschaffen wird, die geändert werden können, zu zu vielen möglichen Betriebspunkten führt, als dass sie in der Praxis in Erwägung gezogen oder getestet werden könnten. Somit umfasst das Auswählen eines optimalen Betriebspunktes, wie es hier verwendet wird, das Auswählen eines lokalen optimalen Betriebspunktes (z. B. eines solchen, der in einem lokalen Bereich der Betriebspunkte der Anlage 11 optimal ist), und umfasst das Auswählen einer Gruppe von simulierten Betriebspunkten, welche die objektive Funktion 46 ohne Rücksicht auf nicht in Erwägung gezogene Betriebspunkte minimiert oder maximiert. Mit anderen Worten ist das Auswählen oder Bestimmen eines optimalen Betriebspunktes, wie es hier verwendet wird, nicht darauf beschränkt, den Betriebspunkt auszuwählen, der die objektive Funktion 46 über den gesamten mehrdimensionalen Betriebsraum der Anlage minimiert oder maximiert, obwohl dies in manchen Fällen eventuell möglich ist.
Falls erwünscht, kann der numerische Löser 14 eine Mindestquadrattechnik, eine lineare Programmiertechnik (LP), eine Regressionstechnik, eine gemischte ganzzahlige lineare Programmiertechnik, eine gemischte ganzzahlige nicht lineare Programmiertechnik oder eine beliebige andere bekannte Analyseart umsetzen, um den erreichbaren Betriebspunkt der Anlage 11 zu erreichen, der die objektive Funktion 46 unter den aktuellen Bedingungen, den Auflagen 34 und den Lastanforderungen oder Betriebsanforderungen 40, die dem numerischen Löser 14 bereitgestellt werden, minimiert (oder maximiert). Bei einem Beispiel ist der numerische Löser 14 ein linearer Programmierungs-(LP)Optimierer, der die objektive Funktion 46 verwendet, um eine Prozessoptimierung auszuführen. Alternativ könnte der numerische Löser 14 ein quadratischer Programmierungs-Optimierer sein, der ein Optimierer mit einem linearen Modell und einer quadratischen objektiven Funktion ist. Im Allgemeinen gibt die objektive Funktion 46 Kosten oder Erlöse vor, die mit jeder Stellgröße einer Reihe von Stellgrößen verbunden sind (die im Allgemeinen als Prozess- oder Anlagenvariablen bezeichnet werden), und der numerische Löser 14 bestimmt Zielwerte für diese Variablen, indem er eine Gruppe von Anlagenvariablenwerten bestimmt, welche die objektive Funktion 46 maximieren oder minimieren und dabei im Rahmen der Auflagen 34 funktionieren. Der numerische Löser 14 kann eine Gruppe von verschiedenen möglichen objektiven Funktionen (von denen jede mathematisch eine andere Art und Weise darstellt, wie der „optimale” Betrieb der Anlage 11 definiert wird) für eine mögliche Verwendung als objektive Funktion 46 speichern, und kann eine der gespeicherten objektiven Funktionen als objektive Funktion 46 verwenden, die während des Betriebs des numerischen Lösers 14 beispielsweise auf einer Benutzereingabe basierend verwendet wird. Beispielsweise kann eine der vorgespeicherten objektiven Funktionen 46 konfiguriert sein, um die Kosten des Betriebs der Anlage 11 zu reduzieren, eine andere der vorgespeicherten objektiven Funktionen 46 kann konfiguriert sein, um die Erzeugung von ungewünschten Schmutzstoffen oder Gasen innerhalb der Anlage 11 mit möglichst niedrigen Betriebskosten zu minimieren, während noch eine andere der vorgespeicherten objektiven Funktionen 46 konfiguriert sein kann, um die Anlagenerlöse unter Berücksichtigung der Energiekosten der Anlage 11 zu maximieren.
Ein Benutzer oder eine Bedienperson kann eine der objektiven Funktionen 46 auswählen, indem er bzw. sie auf dem Bediener- oder Benutzerendgerät 52 eine Angabe der zu verwendenden objektiven Funktion bereitstellt, wobei diese Auswahl dann dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird. Natürlich kann der Benutzer oder die Bedienperson die objektive Funktion 46, die während des Betriebs der Anlage 11 oder während des Betriebs des Energieverwaltungssystems 10 verwendet wird, ändern. Gegebenenfalls kann eine vorgegebene objektive Funktion verwendet werden, falls der Benutzer keine objektive Funktion bereitstellt oder auswählt.
Wie oben bemerkt, kann der numerische Löser 14 im Betrieb eine lineare Programmier-(LP)Technik verwenden, um eine Optimierung auszuführen. Bekanntlich ist die lineare Programmierung eine mathematische Technik zum Lösen einer Gruppe von linearen Gleichungen und Ungleichungen, welche die objektive Funktion 46 minimieren oder maximieren. Natürlich kann die objektive Funktion 46 wirtschaftliche Werte wie Kosten oder Erlöse ausdrücken, kann jedoch andere Ziele anstelle der oder zusätzlich zu den wirtschaftlichen Zielen ausdrücken. Unter Verwendung eines beliebigen bekannten oder standardmäßigen LP-Algorithmus oder einer entsprechenden Technik iteriert der numerische Löser 46 im Allgemeinen, um eine Gruppe von angestrebten Anlagenstellgrößen zu bestimmen, welche die ausgewählte objektive Funktion 46 maximieren oder minimieren und dabei, soweit möglich, zu einem Anlagenbetrieb führen, der die Auflagen erfüllt oder in ihrem Rahmen bleibt und dabei die erforderliche oder gewünschte Last, die Ausgangsleistung, den Prozessdampf, usw. produziert.
Sobald der numerische Löser 14 einen optimalen Betriebspunkt der Anlage 11 bestimmt, kann das Expertensystem 12 die Machbarkeit dieses Betriebspunktes von einem Sicherheits- und Umsetzungsstandpunkt aus bewerten und kann diese Lösung ändern oder diese Lösung gegebenenfalls weiter definieren, basierend auf der Gruppe von Regeln 43, die in dem Expertensystem 12 gespeichert ist oder Teil davon ist. In manchen Fällen kann das Expertensystem 12 Regeln 43 speichern, welche die Lösung untersuchen, die von dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird, um sicherzustellen, dass die Umsetzung dieser Lösung nicht zu einem gefährlichen Zustand entweder für die Menschen in oder um die Anlage 11 herum oder für die Einrichtungen innerhalb der Anlage 11 führt. Die Experten-Engine 12 kann auch Regeln 43 speichern, die der Experten-Engine 12 helfen, bestimmte Einrichtungen vorzugeben, die zu verwenden sind, um die Lösung umzusetzen, die von dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird. Beispielsweise kann die Experten-Engine 12 vorgeben, welche bestimmten Kessel, Turbinen, usw. zu verwenden sind, um zu einem bestimmten Zeitpunkt zu funktionieren, um die Lösung umzusetzen, die von dem numerischen Löser 14 vorgegeben wird. Die Experten-Engine 12 kann beispielsweise basierend auf den Einheiten, die zu dem bestimmten Zeitpunkt in Betrieb sind, bestimmen, welche Einrichtungen zu verwenden sind (wodurch verhindert wird, dass ein Anlagen-Controller versucht, eine Einrichtung zu verwenden, die gewartet wird oder außer Betrieb ist). Die Experten-Engine 12 kann auch die Verwendung von bestimmten Einrichtungen vorgeben, um einen übermäßigen Verschleiß oder einen übermäßigen Gebrauch einer oder mehrerer Einrichtungen zu verhindern, um dadurch die Lebensdauer der Anlageneinrichtungen zu verlängern. Somit kann die Experten-Engine 12 im Verlauf der Zeit versuchen auszugleichen, welche bestimmten Einrichtungen verwendet werden, um dadurch zu verhindern, dass eine der Einrichtungen (wie etwa eine Turbine) immer unbenutzt bleibt (was für die Turbine nicht gut ist) und/oder eine andere Turbine andauernd verwendet wird (was für die Turbine auch nicht gut ist). In diesem Fall kann die Experten-Engine 12 verhindern, dass der numerische Löser 14 immer die beste Turbine (d. h. die leistungsstärkste Turbine) verwendet, was zu einem übermäßigen Gebrauch dieser Turbine führen würde, und dabei auch sicherstellt, dass die schlechteste Turbine (d. h. die leistungsschwächste Turbine) auf einem gewissen Mindestniveau oder einer Mindestfrequenz betrieben wird. Die Experten-Engine 12 kann auch die Nutzung der Anlageneinrichtungen verfolgen und die geplante Wartung für die Anlageneinrichtungen verfolgen, und kann den Anlagen-Controller zwingen, bestimmte Einrichtungen, deren Wartung in näherer Zukunft geplant ist, mit einer höheren Last zu verwenden, um die Nutzung dieser Einrichtungen vor der Wartungs- oder Reparaturtätigkeit zu maximieren.
Zudem kann die Experten-Engine 12 zusätzliche Bedingungen für die Anlage 11 auferlegen, die nicht vom numerischen Löser 14 in Erwägung gezogen werden. Beispielsweise kann die Experten-Engine 12 in manchen Fällen einige oder alle Einrichtungen dazu veranlassen, auf einem Mindestniveau oder auf diversen Niveaus zu laufen, um diese Einrichtungen zu schützen (z. B. wenn es in der Anlage 11 friert), auch wenn der numerische Löser 14 vorgibt, dass beispielsweise nur die Hälfte der Einrichtungen bei der optimalen Lösung zu verwenden ist.
Zusätzlich zum Ändern der Ausgaben des numerischen Lösers 14 kann die Experten-Engine 12 Auflagen 34 hinzufügen oder vorgeben, die von dem numerischen Löser 14 bei der Bestimmung eines optimalen Betriebspunktes der Anlage 11 in Erwägung zu ziehen sind. Beispielsweise kann die Experten-Engine 12 eine reduzierte Anzahl von Turbinen, Kesseln, usw. vorgeben, die bei einer beliebigen Lösung verwendet werden können, die von dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird, weil die Experten-Engine 12 weiß, dass eine gewisse Anzahl dieser Einheiten außer Betrieb ist oder gewartet wird, um die Lebensdauer einiger Einheiten zu bewahren, die eine Zeit lang stark benutzt wurden, usw. Ebenso kann die Experten-Engine 12 die Geschwindigkeit einschränken, auf der eine oder mehrere der Anlageneinrichtungen unter gewissen Umständen laufen kann bzw. können, kann eine Mindestgeschwindigkeit vorgeben, auf der die Einrichtungen laufen müssen, usw. Natürlich kann die Experten-Engine 12 eine beliebige Anzahl verschiedenen Auflagen 34 bereitstellen und ändern, die von dem numerischen Löser 14 zu verwenden sind, um die Lösung, die von dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird, derart zu steuern, dass sie Kriterien oder Initiativen erfüllt, die von der Experten-Engine 12 oder den Regeln 43 der Experten-Engine 12 umgesetzt werden, wie etwa das Bewahren der Lebensdauer der Anlageneinrichtungen, das Ermöglichen der Wartung und Reparatur der Anlageneinrichtungen, während die Anlage 11 läuft, usw.
Bei einer Ausführungsform kann das Expertensystem 12 den numerischen Löser 14 zum Beispiel steuern, indem es eine angestrebte Anzahl von Kesseln, Turbinen, usw. oder einen Bereich dieser Elemente vorgibt, die bzw. der zu verwenden ist oder deren bzw. dessen Verwendung bei der Bestimmung eines optimalen Betriebspunktes in Erwägung zu ziehen ist. Als weiteres Beispiel kann die Experten-Engine 12 ein angestrebtes hilfsmäßiges Energiebudget oder einen Energiebereich für die Energieerzeugungseinrichtungen vorgeben (wie etwa 5000 ± 250 kW), um die Lösung einzuschränken, die von dem numerischen Löser 14 auf diese Art und Weise bestimmt wird. Diese Zielsetzung (Steuerung) kann erfolgen, indem diese Bereiche als Auflagen 34 bereitgestellt werden, die von dem numerischen Löser 14 im Betrieb anhand des Auflagenblocks 34 zu verwenden sind. In einem anderen Fall kann der numerische Löser 14 in dieser Hinsicht uneingeschränkt laufen, kann aber einen Bereich von betriebsmäßigen Variablenwerten hervorbringen, die man im Betrieb verwenden kann, und die Experten-Engine 12 kann Betriebspunkte innerhalb dieser Bereiche basierend auf den Regeln 43 der Experten-Engine 12 auswählen. Beispielsweise könnte der numerische Löser 14 den optimalen Betriebspunkt als einen Wertebereich vorgeben, wie etwa indem er die Verwendung von acht plus oder minus zwei Turbineneinheiten vorgibt. Die Experten-Engine 12 könnte dann einen spezifischeren Wert vorgeben, der im Betrieb der Anlage basierend auf den Regeln 43 oder anderen Informationen, die der Experten-Engine 12 zur Verfügung stehen, zu verwenden ist, und/oder könnte vorgeben, welche bestimmten Turbinen zu einem bestimmten Zeitpunkt zu verwenden sind. Natürlich könnte die Wechselwirkung zwischen dem numerischen Löser 14 und der Experten-Engine 12 mit diesen beiden Möglichkeiten umgesetzt werden, so dass diese Einheiten zusammenwirken, um einen optimalen oder nahezu optimalen Betriebspunkt der Anlage 11 basierend auf der objektiven Funktion 46 bestimmen, und dabei weiter die Ziele erfüllen, welche die Regeln 43 innerhalb der Experten-Engine 12 umzusetzen versuchen.
Bei einem Beispiel könnte die Experten-Engine 12 die Zukunftsprognose für Lastbedarf, Umgebungsbedingungen, Wartungsbedingungen, usw. verwenden, um einen spezifischen Wert innerhalb des Wertebereichs zu wählen, der von dem numerischen Löser 14 bereitgestellt wird. Wenn die Experten-Engine 12 beispielsweise weiß, dass der Lastbedarf für eine bestimmte Energieart in Zukunft abnimmt, kann die Experten-Engine 12 einen Wert zum unteren Ende des Bereichs hin auswählen, der von dem numerischen Löser 14 vorgegeben wird. Wenn die Experten-Engine 12 andererseits weiß, dass ein bestimmter Lastbedarf zunimmt, kann die Experten-Engine 12 einen Wert zum oberen Ende des Bereichs hin auswählen, der von dem numerischen Löser 14 ausgegeben wird.
Auf jeden Fall stellt die Experten-Engine 12 die (gegebenenfalls) geänderten Sollwerte und andere Anlagenvariablenwerte dem Anlagen-Controller 50 unter Verwendung der Aktionsgruppe 45 bereit, um die Anlage 11 zu steuern, damit sie mit dem optimalen Betriebspunkt funktioniert, der von dem numerischen Löser 14 bestimmt wird (und eventuell von der Experten-Engine 12 geändert wird). Gegebenenfalls können diese Aktionen natürlich das Ausgeben von Signalen umfassen, die den Lastabwurf und die Lasteinrichtung angeben, die auszuführen sind, um den optimalen Betriebspunkt oder die optimale Betriebskonfiguration der Anlage umzusetzen oder wirksam zu machen, wie er bzw. sie von dem numerischen Löser bestimmt wird. Der Lastabwurf umfasst nicht nur das Abschalten von Lasten oder ihr vollständiges Entfernen aus der Anlage, sondern umfasst auch das Reduzieren einer oder mehrerer spezifischer Lasten innerhalb der Anlage durch Reduzieren oder Absenken der Betriebseinstellungen von Anlageneinrichtungen, ohne die Einrichtungen ganz auszuschalten. Ähnlich umfasst die Lasteinrichtung nicht nur das Einschalten von Einrichtungen oder das erneute Anschließen von Einrichtungen innerhalb der Anlage, sondern umfasst auch das Anheben der Betriebseinstellungen von bestimmten Anlageneinrichtungen (die eventuell bereits auf einem gewissen Niveau laufen), um dadurch die Last zu erhöhen, die mit diesen Anlageneinrichtungen verbunden ist. Natürlich kann der Lastabwurf ausgeführt werden, indem Signale an Controller gesendet werden, um den Lastabwurf umzusetzen (Abschalten oder Reduzieren des Betriebsniveaus der Anlageneinrichtungen), oder indem elektrische Unterbrecher oder andere Schalteinrichtungen betätigt werden, um Einrichtungen aus dem Betrieb in der Anlage zu entfernen. Ähnlich kann die Lasteinrichtung umgesetzt werden, indem Signale an einen Controller gesendet werden, um eine Lasteinrichtung umzusetzen (Einschalten oder Erhöhen des Betriebsniveaus der Anlageneinrichtungen) oder indem Unterbrecher oder andere Schalteinrichtungen betätigt werden, um Einrichtungen innerhalb der Anlage anzufahren oder erneut anzuschließen. Die Signale aus der Experten-Engine, welche die auszuführenden Aktionen zum Lastabwurf oder zur Lasteinrichtung angeben, können direkt an die Steuereinrichtungen innerhalb der Anlage gesendet werden, um die Anlagen-Controller oder Schalteinrichtungen automatisch zu veranlassen, den Lastabwurf oder die Lasteinrichtung vorzunehmen. Alternativ können die Signale aus der Experten-Engine, die den auszuführenden Lastabwurf oder die auszuführende Lasteinrichtung angeben, an einen Benutzer gesendet werden, beispielsweise über eine Benutzerschnittstelle, um in Erwägung gezogen und manuell umgesetzt zu werden, oder um von einem Benutzer genehmigt zu werden, bevor sie verwendet werden, um den Lastabwurf oder die Lasteinrichtung automatisch auszuführen.
Falls erwünscht, kann der numerische Löser 14 und/oder die Experten-Engine 12 im Betrieb Lösungen, die für vergangene Durchgänge des numerischen Lösers 14 bestimmt wurden, zusammen mit den betreffenden Kennzeichen, die mit diesen Lösungen verbunden waren oder zu ihrer Bildung beisteuerten, wie etwa die Umgebungsbedingungen, der Lastbedarf, Auflagen, usw., in einem Speicher ablegen. Wenn anschließend die objektive Funktion 46 gelöst wird oder der numerische Löser 14 anderweitig betätigt wird, um einen neuen optimalen Betriebspunkt zu bestimmen, kann der numerische Löser 14 eine oder mehrere der gespeicherten früheren Lösungen bestimmen, die eine ähnliche oder die nächstgelegene Bedingungsgruppe aufweisen, und mit dieser Lösung als möglicher optimaler Betriebspunkt der Anlage für die aktuelle Gruppe von Bedingungen, Auflagen, usw. beginnen (z. B. diese Lösung zuerst versuchen). Dieses Merkmal hilft dem numerischen Löser 14 beim schnellen Eingrenzen auf eine optimale Lösung, wodurch der numerische Löser 14 schneller funktionieren kann, weil er mit der Iteration an einem Punkt beginnt, der zuvor als für eine ähnliche Gruppe von Bedingungen, Auflagen, Lastbedarf, usw. als optimal bestimmt wurde. Obwohl die neue optimale Lösung eventuell auf Grund von Änderungen an den Anlageneinrichtungen, Unterschieden bei den Bedingungen, Auflagen, usw., nicht die gleiche ist wie eine zuvor gespeicherte Lösung, kann die neue Lösung insbesondere relativ nahe an einer gespeicherten Lösung liegen (in einem mehrdimensionalen Raum), was es dem numerischen Löser 14 ermöglicht, die neue optimale Lösung durch das iterative Verfahren, das er beim Testen verschiedener Anlagenbetriebspunkte verwendet, schneller zu finden, um einen neuen optimalen Betriebspunkt zu bestimmen.
Es versteht sich, dass eine beliebige Optimierung, die von dem numerischen Löser 14 ausgeführt wird, Kompromisse umfasst und auf den Auflagen und Grenzen basiert, die den möglichen Lösungsbereich (d. h. die Betriebspunkte der Anlage 11) reduziert. Neben dem Lastbedarf und den physikalischen Grenzen der Geräte umfassen diese Auflagen praktische Überlegungen, wie etwa Einrichtungen, die nicht verfügbar sind, oder Einrichtungen, die in einen manuellen Modus eingestellt sind, und Einrichtungen, die aus anderen Betriebsgründen laufen müssen (z. B. um zu verhindern, dass die Einrichtungen einfrieren, usw.). Bei dem oben offenbarten Optimierungsmodell begrenzen die verschiedenen Lösungsansätze, welche die Anlagen-Designer verwenden, auch die möglichen Lösungen.
Natürlich bildet 1 ein stark verallgemeinertes Energieverwaltungssystem 10 ab, das eine Methodologie umsetzt, die bei vielen verschiedenen Anlagen verwendet werden kann, um den Anlagenbetrieb basierend auf den Kosten für Energieproduktion, Energienutzung und Energiespeicherung zu optimieren. Obwohl die folgende Erörterung ein paar spezifische Beispiele bereitstellt, bei denen das Energieverwaltungssystem 10 aus 1 anwendbar ist, versteht es sich, dass das Energieverwaltungssystem 10 aus 1 verwendet werden kann, um in vielen anderen Anlagen und auf verschiedene Art und Weise angewendet werden kann.
2 bildet ein Diagramm eines Produktionssystems für Dampf und elektrische Energie einer beispielhaften Industrieanlage 100 ab, bei der das Energieverwaltungssystem 10 aus 1 beispielsweise als Lastabwurf- und Wiederherstellungssystem verwendet werden kann, um die Gesamtkosten zu reduzieren, die mit der Energieproduktion und -verwendung in der Anlage 100 verbunden sind. Wie in 2 abgebildet, umfasst die Industrieanlage 100 eine Gruppe von Kesseln 102, die Rohmaterialien in Form von Erdgas, Heizöl, usw. verwenden, um Höchstdruck-(VHP)Dampf in einer Dampfleitung 104 zu produzieren. Ebenso umfasst die Industrieanlage 100 eine Gruppe von Dampfturbinengeneratoren (STG) 106, die den Höchstdruckdampf in der Dampfleitung 104 verwenden, um elektrische Energie zu produzieren, die an eine Stromleitung 108 abgegeben wird. Ein Teil der Dampfleistungsabgabe aus den Dampfturbinengeneratoren 106 wird einer Mitteldruck-(MP)Dampfleitung 110 und einer Niederdruck-(LP)Dampfleitung 112 bereitgestellt, die den Dampfbedarf anderer Stellen oder Einrichtungen innerhalb der Industrieanlage 100 (nicht gezeigt) speisen oder bereitstellen.
Die Industrieanlage 100 umfasst auch Dampferzeugungs-Einrichtungen in der Form einer Gruppe von Gasturbinengeneratoren (CTG) 120, die ebenfalls elektrische Energie auf der Stromleitung 108 produzieren. Die elektrische Stromleitung 108 kann an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sein und/oder kann elektrische Energie für andere Energiebenutzer innerhalb der Anlage 100 bereitstellen. Abwärme (in Form von Verbrennungsgasen), die von den Gasturbinengeneratoren 120 abgegeben wird, wird in einer Gruppe von Dampfgeneratoren mit Wärmerückgewinnung (HRSG) 122 verwendet, um Hochdruck-(HP)Dampf in einer Dampfleitung 124 und/oder Mitteldruckdampf in der Dampfleitung 110 zu produzieren. Ebenso umfasst die Anlage 100 eine Gruppe von Mehrzweckkesseln 126, die unter Verwendung beispielsweise von Heizöl, Erdgas oder anderen Rohmaterialien funktionieren, um Hochdruckdampf in der Dampfleitung 124 zu produzieren. Der Hochdruckdampf in der Dampfleitung 124 kann auch in der Anlage 100 verwendet werden, um Versorgungseinrichtungen oder andere Produktionseinrichtungen innerhalb der Anlage 100 zu betreiben.
Gegebenenfalls kann der Dampf in den Dampfleitungen 110, 112 und 124 als Prozessdampf verwendet werden, um andere Anlageneinrichtungen anzutreiben, kann bei anderen Prozessen in der Industrieanlage 100 verwendet werden oder kann anderen Benutzern außerhalb der Industrieanlage 100 bereitgestellt oder an diese verkauft werden. Ähnlich kann die elektrische Stromleitung 108 an andere Bestandteile oder Einrichtungen innerhalb der Industrieanlage 100, wie etwa Pumpen, Beleuchtung, Gebläse, usw., angeschlossen werden und diese mit elektrischer Energie versorgen, oder kann zusätzlich oder alternativ an das öffentliche Netz angeschlossen werden, so dass die innerhalb der Anlage 100 produzierte elektrische Energie über das öffentliche Stromnetz an Fremdabnehmer verkauft werden kann.
Es versteht sich somit, dass die Anlage 100 viele verschiedene Energieproduzenten umfasst, wozu die Kessel 102, die Dampfturbinengeneratoren 106, die Gasturbinengeneratoren 120, die Dampfgeneratoren mit Wärmerückgewinnung 122 und die Mehrzweckkessel 126 gehören. Natürlich produzieren diese Energieproduzenten Energie unter Verwendung von Rohmaterialien, wie etwa Erdgas, Heizöl, usw. In manchen Fällen kann ein Energieproduzent kann auch ein Energieverwender sein, wie es beispielsweise bei den Dampfturbinen 106 der Fall ist, die Dampf verwenden, der von einem anderen Energieproduzenten (den Kesseln 102) produziert wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
Natürlich bestimmen die Betriebsszenarien oder Einstellungen, mit denen die Anlage 100 zu betreiben ist, die Energiemenge in jeder der diversen Formen (VHP-Dampf, HP-Dampf, MP-Dampf, LP-Dampf, Elektrizität, usw.), die zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Anlage 100 benötigt wird. Zudem gibt es viele verschiedene Methodologien oder Möglichkeiten, die verschiedenen Energieproduzenten in der Anlage 100 aus 2 zu betreiben, um eine gewünschte Energiemenge in jeder der erforderlichen Formen (Strom, Dampf, usw.) zu produzieren. Die Lasten der Anlage 100 könnten als erforderlicher oder benötigter Strom auf der Stromleitung 108, Niederdruckdampf in der Leitung 112, Mitteldruckdampf in der Leitung 110 und Hochdruckdampf in der Leitung 124 ausgedrückt werden. Natürlich könnte die Energie, die von den Lasten verwendet wird, andere Anlageneinrichtungen basierend auf dem Bedarf, der von diesen zusätzlichen Einrichtungen zu einem bestimmten Zeitpunkt erfordert wird, betreiben.
Es gibt natürlich viele verschiedene Methodologien oder Möglichkeiten, um die diversen verschiedenen Anlageneinrichtungen in der Anlage 100 zu betreiben, um die erforderlichen Lasten zu einem bestimmten Zeitpunkt bereitzustellen oder zu produzieren, wozu das Ändern des Betriebs der Kessel 102 (durch Abschalten eines Kessels oder mehrerer Kessel 102, Betreiben der Kessel 102 mit geringeren Leistungsabgaben oder Kapazitäten usw.), das Ändern der Anzahl von Dampfturbinengeneratoren 106 oder Gasturbinengeneratoren 120, die zu einem bestimmten Zeitpunkt funktionieren, das Betreiben der Mehrzweckkessel 126 oder der Turbinen 106 und 120 mit höheren oder niedrigeren Leistungsabgaben oder Niveaus, usw. gehören. Ferner könnten einige der Energieerzeugungssysteme aus 2 effizienter als andere sein, und natürlich könnten diverse Systeme verschiedene Energiequellen (z. B. Erdgas, Heizöl, usw.) verwenden, die zu einem bestimmten Zeitpunkt höhere oder niedrigere Kosten haben könnten. Ferner könnte es in manchen Fällen kostengünstiger sein, elektrische Energie aus dem Stromnetz zu kaufen statt elektrische Energie in der Anlage 100 zu produzieren. Somit ist es möglich, dass es in der Anlage 100 aus 2 wünschenswert wäre, alle Anlagenenergiesysteme oder nur eine Teilgruppe dieser Energiesysteme zu einem bestimmten Zeitpunkt zu betreiben, um möglichst profitabel Energie und Leistung in der Anlage 100 zu produzieren, wenn man die Energiekosten in Erwägung zieht.
3 bildet ein beispielhaftes Energieverwaltungssystem 190 ab, das verwendet werden kann, um die Einrichtungen innerhalb der Industrieanlage 100 aus 2 optimal zu betreiben. Das Energieverwaltungssystem 190 wird als eine vereinfachte Form des in 1 beschriebenen Systems 10 abgebildet, wobei es sich versteht, dass das Energieverwaltungssystem 190 die diversen Bestandteile umfassen kann, die in 1 gezeigt werden. Ferner versteht es sich, dass alle hier beschriebenen Bestandteile der Energieverwaltungssysteme 10, 190, usw. bevorzugt als computerlesbare Anweisungen oder Programme auf einem oder mehreren computerlesbaren Datenträgern oder Speichern abgelegt sind und funktionieren, wie es hier beschrieben wird, wenn sie auf einem Computerprozessor ausgeführt werden. Bei dem spezifischen Fall aus 3 bestimmt das Energieverwaltungssystem 190, ob in der Anlage 190 Lasten abzuwerfen oder Lasten wiederherzustellen sind, indem diverse Energieerzeugungseinrichtungen aus 2 basierend auf den Energiekosten angehalten und gestartet werden. Dabei kann das Energieverwaltungssystem 190 bestimmen, ob die in der Anlage 100 zu einem bestimmten aktuellen Zeitpunkt Lasten abzuwerfen oder Lasten wiederherzustellen sind, basierend auf den wirtschaftlichen Aspekten, die mit den Energiekosten zum aktuellen Zeitpunkt verbunden sind, oder es kann einen Plan bestimmen, nach dem Lasten über einen Zeithorizont hinweg abzuwerfen oder wiederherzustellen sind, basierend auf vorhergesagten Energiekosten, die mit dem Betrieb der Energieerzeugungssysteme in der Anlage 100 verbunden sind.
Insbesondere, wie in 3 abgebildet, ist der numerische Löser 14 mit der Experten-Engine 12 gekoppelt und empfängt als Eingaben die Kosten von Energie (in diversen Formen, die von der Anlage 100 gekauft werden), die Kosten von Brennstoff (z. B. Erdgas und Öl) und den Energieverkaufspreis aus dem Stromnetz. Unter Verwendung dieser Faktoren (sowie von Modellen der Prozessanlageneinrichtungen) bestimmt der numerische Löser 14 ein Anlagenbetriebsszenario oder eine Einstellung der Anlageneinrichtungen, das bzw. die eine objektive Funktion minimiert oder maximiert (in 3 nicht gezeigt). Der numerische Löser 14 kann beispielsweise die Anlagenbetriebseinstellungen (in Form von zu betreibenden Einrichtungen oder auszuschaltenden Einrichtungen, ob Energie zu produzieren oder zu verwenden ist, Energie zu produzieren und zu verkaufen ist, keine Energie zu produzieren ist, oder eine Kombination davon) bestimmen, welche die Kosten der Energieproduktion für ein gewisses Anlagenbetriebsniveau minimieren (d. h. er betreibt die diversen Einrichtungen der Anlage auf einem vordefinierten Niveau bei optimalen oder reduzierten Kosten), das die Rentabilität der Anlage 100 maximiert, wenn man die Energiekosten in Erwägung zieht, die mit dem Betrieb der Anlage 100 verbunden sind, usw. Die Experten-Engine 12 verwendet dann das Anlagenbetriebsszenario, das von dem numerischen Löser 14 entwickelt wird, sowie die Prozessbedingungen, die vorliegen oder die zu einem bestimmten Zeitpunkt erwartet werden, um zu bestimmen, welche bestimmte(n) Gruppe(n) von Anlageneinrichtungen zu betreiben oder abzuschalten ist bzw. sind. Dabei kann die Experten-Engine 12 bestimmen, welche Teilgruppe von Einrichtungen zu entfernen oder wieder einzuschalten ist, basierend auf Prozessbedingungen, Wartungsplänen der Anlageneinrichtungen oder beliebigen anderen gewünschten Kriterien, wie sie von den Regeln 43 (1) ausgedrückt werden, die von der Experten-Engine 12 verwendet werden. Zudem kann die Experten-Engine 12 die Reihenfolge bestimmen, in der Lasten abzuwerfen sind oder Lasten wiederherzustellen sind, die zur optimalen Energienutzung oder zum optimalen Anlagenbetrieb führt. Die Reihenfolge von Lastabwurf oder Lastwiederherstellung kann in Form von Regeln 43 gespeichert werden oder kann unter Verwendung der Regeln 43 in diversen verschiedenen Situationen bestimmt werden. Auf jeden Fall gibt die Experten-Engine 12 Lastabwurf-Signale oder Lastwiederherstellungs-Signale aus, die zu verwenden sind, um den Betrieb von diversen Anlageneinrichtungen zu steuern, um dadurch die bestimmten Einrichtungen innerhalb der Anlage 100 zu steuern, um das allgemeine Betriebsszenario umzusetzen, das von dem numerischen Löser 14 entwickelt wurde. Wie oben angegeben, können die Ausgaben der Experten-Engine 12 natürlich den Anlagen-Controllern 50 bereitgestellt werden (1), die diese Signale verwenden können, um Lastabwurf- und Lastwiederherstellungs-Vorgänge umzusetzen, oder können als empfohlene Anlagenbetriebsstrategie an einen Benutzer gesendet werden.
In diesem Fall ermöglicht die Verwendung des numerischen Lösers 14 als Teil des Energieverwaltungssystems 190 innerhalb einer Industrieanlage Entscheidungen darüber, wann Energie zu erzeugen ist, wann Energie zu kaufen ist und wann Energie zu verkaufen ist, die mit einer objektiven Funktion aufzulösen sind, die einen maximalen Anlagenerlös erzielt. Beispielsweise kann es basierend auf dem Marktpreis von Energie manchmal vorteilhafter sein, die Produktion zeitweise zu drosseln und Energie zu verkaufen, statt Energie zu verwenden, um den Prozess 100 anzutreiben. In anderen Fällen kann es günstiger sein, Energie aus dem Stromnetz zu kaufen, statt Energie zu erzeugen, um die Anlageneinrichtungen zu betreiben. Natürlich können die bestimmten Arten von Überlegungen, die der numerische Löser 14 bei der Bestimmung der optimalen Anlagenbetriebseinstellung oder Konfiguration, in Erwägung ziehen oder analysieren kann, von der Experten-Engine 12 basierend auf den verfügbaren Anlageneinrichtungen, der erforderlichen Produktivität der Anlage 100, usw. gesteuert werden
Als weiteres Beispiel bildet 4 ein Anlagenkraftwerk 200 ab, das beispielsweise mit einem Universitäts- oder Schulgelände, einem Hotel, einem Wohngebäude oder einem anderen Energiebenutzer mit mehreren Einheiten oder mehreren Gebäuden verbunden ist. Das Kraftwerk 200 umfasst eine Gruppe von Gasturbinengeneratoren 210, die Elektrizität produzieren, indem sie Erdgas verbrennen, das über eine Versorgungsleitung 212 bereitgestellt wird, und welche die elektrische Energie einer Stromleitung 214 bereitstellen. Zudem verwenden Dampfgeneratoren mit Wärmezurückgewinnung 216 die Abwärme, die von den Gasturbinengeneratoren 216 produziert wird, zusätzlich zu der Wärme, die intern durch das Verbrennen von Erdgas aus der Leitung 212 produziert wird, um in einer Dampfleitung 220 Hochdruck-(HP)Dampf zu produzieren. Die Mehrzweckkessel 222 verbrennen ebenfalls Erdgas aus der Gasversorgungsleitung 212 und/oder Heizöl, das in einer Versorgungsleitung 224 bereitgestellt wird, um in der Dampfleitung 220 Hochdruck-Dampf zu produzieren. Der Hochdruck-Dampf in der Dampfleitung 220 wird dann von einer Reihe von Dampfturbinengeneratoren 230 verwendet, die elektrische Energie erzeugen und diese Energie der Stromleitung 214 bereitstellen. Die Stromleitung 214 kann verwendet werden, elektrische Systeme auf dem Gelände oder bei einer anderen Gebäudeanordnung zu betreiben (z. B. Beleuchtung, Pumpen, Rolltreppen, Fahrstühle, usw.). Ferner wird eine Zwischendruck-(IP)Dampfabgabe aus den Dampfturbinengeneratoren 230 einer Dampfleitung 240 bereitgestellt, und dieser Dampf wird beispielsweise verwendet, um Heizsysteme oder andere dampfbetriebene Systeme auf dem Gelände, in dem Gebäude, usw. anzutreiben oder zu betreiben.
Wie in 4 abgebildet, umfasst das Gelände oder ein anderes Gebäude eine Gruppe von elektrischen Kältekompressoren 250, die unter Verwendung von elektrischer Energie, die auf der Stromleitung 214 bereitgestellt wird, Wasser abkühlen. Das Tiefkühlwasser aus den Kältekompressoren 250 wird je nach Bedarf dem Gelände oder Gebäude zu Kühlzwecken (z. B. als Zufuhr von Kaltwasser für Klimaanlagen, usw.) bereitgestellt. Zudem kann das Tiefkühlwasser aus den Kältekompressoren 250 einer thermischen Speichereinheit 254 zugeführt werden, die als Energiespeichereinheit funktioniert. Später kann das Tiefkühlwasser, das in der thermischen Speichereinheit 254 gespeichert wurde, dem Gelände zur Klimatisierung oder dergleichen bereitgestellt werden. Zusammen mit dem thermischen Speicher 254 ermöglichen es die Kältekompressoren 250, dass Energie verwendet wird, um Tiefkühlwasser zu einem Zeitpunkt zu produzieren, zu dem das Erdgas, das Öl oder die Elektrizität, die verwendet werden, um die Kältekompressoren 250 zu betreiben, billiger sind, und dann das Tiefkühlwasser zu verwenden, um Klimaeinheiten oder andere mit Tiefkühlwasser betriebene Einheiten zu Zeitpunkten zu betreiben, zu denen die Kosten von elektrischer Energie, Erdgas oder Öl höher sind.
Nun wird mit Bezug auf 5 ein Energieverwaltungssystem 290 in der Form, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, abgebildet, wie es eine Experten-Engine 12 und einen numerischen Löser 14 umfasst. In diesem Fall kann das Energieverwaltungssystem 290 verwendet werden, um die Energiekosten zu minimieren, die mit dem Betrieb der Gelände- oder Gebäudeanlage 200 aus 4 verbunden sind. Insbesondere kann die Experten-Engine 12 Eingaben empfangen, wie etwa die aktuellen oder vorhergesagten zukünftigen Wetterbedingungen, die Art des Tages (wie etwa ob es sich um einen Wochentag oder Wochenende handelt, ob Schule ist oder Ferien sind, usw.), die Tageszeit, usw., oder beliebige andere Informationen, wie etwa eine Gruppe von geplanten Ereignissen, die auf dem Gelände, in dem Gebäude, usw. stattfinden sollen, die es der Experten-Engine 12 ermöglichen, die Verwendung von Tiefkühlwasser, Dampf und anderer Energie über einen bestimmten Zeitraum zu schätzen. Die Eingaben in die Experten-Engine 12 können sowohl die aktuellen Bedingungen als auch prognostizierte oder vorhergesagte zukünftige Bedingungen über einen Zeithorizont hinweg wiedergeben, für den die Energiekosten in der Anlage 200 optimiert werden. Die Experten-Engine 12 kann dann einen Tiefkühlwasserbedarf, einen Energie- und Dampfbedarf und andere Energiebedürfnisse, von denen man ausgeht, dass sie die Bedürfnisse des Geländes oder Gebäudes während des betreffenden bestimmten Zeitraums decken, entwickeln oder bestimmen. Das Expertensystem 12 stellt den Tiefkühlwasserbedarf und die anderen Energiebedürfnisse dem numerischen Löser 14 bereit, der diese Bedürfnisse, die Kosten von Brennstoffen (z. B. Erdgas, Heizöl, Elektrizität aus dem Stromnetz, usw.) zusammen mit Einrichtungsmodellen (nicht gezeigt) verwendet, um eine optimale Belastung der Anlageneinrichtungen aus Sicht der Energiekosten zu bestimmen. Der numerische Löser 14 kann diese Bestimmung vornehmen, indem er eine objektive Funktion 46 minimiert oder maximiert, welche die Art und Weise definiert oder ausdrückt, wie die optimale Anlageneinstellung aus Sicht der Energiekosten bewertet wird. Die optimale Belastung kann die Kombination ausdrücken, von welchen und wie vielen der Gas- und Dampfturbinengeneratoren 210 und 230, der Mehrzweckkessel 222, der Dampfgeneratoren 216 und der Kältekompressoren 214 zu einem bestimmten Zeitpunkt oder im Verlauf der Zeit zu betreiben sind, um den erforderlichen Bedarf mit den geringsten Energiekosten zu decken. Natürlich zieht die optimale Einstellung, die von dem numerischen Löser 14 bestimmt wird, die Kosten des Betriebs der diversen Arten von Energieerzeugungseinrichtungen (unter Verwendung der Modelle dieser Einrichtungen) in Erwägung, wozu die Kosten von Erdgas, elektrischer Energie, Heizöl, usw. gehören, um die gewünschten Lasten in der Anlage 200 zu erzielen, und kann die Option in Erwägung ziehen, Tiefkühlwasser zur Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt eine Zeit lang speichern. Tatsächlich kann der numerische Löser 14 in manchen Fällen eine optimale Anlagenbetriebseinstellung entwickeln, welche die Kältekompressoren 250 betreibt und Tiefkühlwasser eine Zeit lang speichert, und die dann das gespeicherte Wasser zu einem späteren Zeitpunkt verwendet, um den Lastbedarf zu decken. Auf jeden Fall empfängt die Experten-Engine 12 die Informationen, welche die optimale Belastung der Anlageneinrichtungen angeben und ändert den Betrieb der Kältekompressoren 250 und anderen Energieerzeugungseinrichtungen, um die Energieerzeugungseinrichtungen der Anlage basierend auf dem optimalen Anlagenbetriebspunkt, der von dem numerischen Löser 14 bestimmt wird, zu steuern.
Bei einem anderen Beispiel könnte das Energieverwaltungssystem 290 an einem industriellen Standort oder einer Anlage verwendet werden, der bzw. die eine Stadt mit Warm- oder Kaltwasser versorgt. Dabei kann eine Prognose-Software innerhalb des Expertensystems 12 erforderlich sein, um den Bedarf an Warm- oder Kaltwasser basierend auf der Wetterprognose, der Jahreszeit, der Tageszeit und der Art des Tages, wie etwa Wochenende oder Ferien, vorherzusagen. Wenn das Expertensystem 12 weiß, dass ein großer Bedarf an Tiefkühlwasser ansteht, können die Kältekompressoren in der Anlage am Standort eingeschaltet werden. Wenn jedoch kein großer Bedarf vorliegt, könnte das Tiefkühlwasser zur Schwachlastzeit erstellt und in einen thermischen Speicher gegeben und zur Spitzenlastzeit verwendet werden.
Als weiteres Beispiel zeigt 6 ein typisches Blockheizkraftwerk (CHP), ein Kraftwerk 300, bei dem ein Energieverwaltungssystem, wie es hier beschrieben wird, verwendet werden kann. Die Anlage 300 aus 6 umfasst drei separate Anlagenbereiche oder verfügt über verschiedene Gruppen von Energie produzierenden Einrichtungen, und diese Anlagenbereiche könnten sich an drei verschiedenen Standorten befinden. Die Anlagenbereiche umfassen ein erstes System 302, das elektrische Energie mit einer 10-Kilovolt-Energieversorgung 303 und Warmwasser in einer Versorgungsleitung 308 produziert, ein kombiniertes zyklisches System 304, das elektrische Energie mit einer 132-Kilovolt-Netzversorgungsleitung 305 und Warmwasser in der Versorgungsleitung 308 produziert, und ein zweites System 306, das elektrische Energie mit einer zweiten 10-Kilovolt-Lieutng 307 produziert und das Warmwasser in der Versorgungsleitung 308 und Dampf in einer Dampfversorgungsleitung 309 bereitstellt. Somit produziert das CHP 300 aus 6 Energie in diversen Formen, wozu elektrische Energie mit der 10-Kilovolt-Energieversorgung 303 (die zu einem ersten Preis verkauft werden kann), mit der 132-Kilovolt-Energieversorgung 305 (die beispielsweise an das öffentliche Versorgungsnetz zum Netzpreis verkauft werden kann) und mit der 10-Kilovolt-Energieversorgung 307 (die zu einem dritten Preis verkauft werden kann) gehört. Das CHP 300 aus 6 produziert auch Warmwasser in der Warmwasser-Versorgungsleitung 308, das an eine Stadt, eine Gemeinde oder einen anderen Benutzer verkauft werden kann, und produziert Dampf in der Dampfversorgungsleitung 309, der an einen Industriebenutzer, eine Gemeinde, ein Gebäude oder ein Wohnhaus, usw. verkauft werden kann.
Wie in 6 abgebildet, umfasst das System 302 sechs elektrische Generatoren 310, die funktionieren, indem sie eine Antriebskraft in elektrische Energie auf der Stromleitung 303 umwandeln. Brennkraftmaschinen 312 stellen die Antriebskraft für die Generatoren 310 bereit und funktionieren, indem sie Erdgas (aus einer Gasversorgung 314) als Brennstoff oder Verbrennungsquelle verbrennen. Abwärme aus den Brennkraftmaschinen 312 wird in Wärmetauschern 316 verwendet, um Wasser in einer Kaltwasserleitung 318 zu erwärmen, wobei das erwärmte Wasser einer Warmwasserleitung 319, die an die Wasserversorgungsleitung 308 angeschlossen ist, als Warmwasser bereitgestellt wird.
Ähnlich umfasst das System 304, das als kombiniertes zyklisches Gas- und Dampfturbinengenerator-System abgebildet ist, eine Gasturbine 320 und eine Dampfturbine 322, die einen Generator 326 antreiben, der 132 Kilovolt Elektrizität auf der elektrischen Stromleitung 305 produziert. Die Gasturbine 320 funktioniert, indem sie Erdgas verbrennt, um den Generator 326 anzutreiben, und produziert zusätzlich Wärme, die einem Wärmetauscher in einem Dampfgenerator mit Wärmerückgewinnung (HRSG) 328 bereitgestellt wird. Der HRSG 328 produziert Dampf, der bereitgestellt wird, um die Dampfturbine 322 anzutreiben. Eine Niederdruck-Dampfabgabe aus der Dampfturbine 322 wird über eine Leitung 330 dem System 306 bereitgestellt oder kann zum Verkauf an Fremdabnehmer direkt an die Dampfversorgung 309 angeschlossen werden. Die Dampfabgabe in der Leitung 330 kann dem System 306 beispielsweise auf 8,5 bar bereitgestellt werden. Zudem wird Wärme aus der Dampfturbine 322 einem Wärmetauscher 332 bereitgestellt, der Wasser in der Kaltwasser-Versorgungsleitung 318 erwärmt, und Warmwasser in der Warmwasserleitung 319 bereitstellt, das den Benutzern über die Warmwasserversorgung 308 bereitgestellt wird.
Das System 306 umfasst eine erste Gruppe von Kesseln 340, die mit Gas oder Öl oder sowohl Gas als auch Öl betriebene Dampfkessel sein können. Die Kessel 340 können verschiedene Kapazitätsnennleistungen aufweisen (wie etwa 10 Tonnen/Stunde, 20 Tonnen/Stunde, 50 Tonnen/Stunde, usw.) und können Dampf auf verschiedenen Ausgangsdrücken, wie etwa auf 8,5 bar und auf 40 bar produzieren. Der 8,5 bar-Ausgang des Kessels 340 ist direkt an die Dampfversorgung 309 angeschlossen. Bei zwei Kesseln 340, die Dampf auf 40 bar abgeben, kann die Leistungsabgabe des Kessels in einem Druckreduzierventil oder Regler 342 heruntergeschaltet oder druckreduziert werden, wodurch diese Kesseln Dampf für die Dampfversorgung 309 bereitstellen können. Das System 306 umfasst auch eine Gruppe von Warmwasserkesseln 344, die mit Gas, Öl oder beiden betrieben werden können, und die funktionieren, um Wasser aus der Kaltwasserleitung 318 zu erwärmen und warmes Wasser der Warmwasserleitung 319 bereitzustellen, das dann der Warmwasserversorgung 308 zugeführt wird.
Ferner wird der Hochdruck-Dampf (z. B. auf 40 bar), der von dem Dampfkessel 340 produziert wird, einer Dampfturbine 350 bereitgestellt, die einen Generator 352 antreibt, der seinerseits der Versorgungsleitung 307 10-Kilovolt-Leistung oder Energie bereitstellt. Eine Niederdruck-Dampfausgabe der Dampfturbine 350 wird in einem Wärmetauscher 354 verwendet, um aus kaltem Wasser aus der Leitung 318 warmes Wasser zu machen, das an die Leitung 319 abgegeben wird, um über die Warmwasserversorgung 308 verkauft zu werden. Ähnlich verwendet ein Wärmetauscher 356 Dampf auf dem Druck von 8,5 bar in der Leitung 330, um kaltes Wasser, das aus der Kaltwasser-Versorgungsleitung 318 bereitgestellt wird, zu warmem Wasser zu machen, das an die Warmwasserleitung 319 abgegeben wird, um über die Warmwasserversorgung 308 verkauft zu werden.
Somit umfasst die CHP-Anlage 300 aus 6 diverse verschiedene Arten von Energieerzeugungseinrichtungen, die diverse verschiedene Arten von energiebezogenen Leistungsabgaben produzieren, wozu elektrische Energie, Warmwasser und Dampf gehören. Jede dieser Formen von Energie oder Leistung kann zu diversen verschiedenen Preisen an diverse verschiedene Benutzer verkauft werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten verschiedene Bedürfnisse haben. Zudem verwenden die Einrichtungen der Anlage 300 zum Funktionieren verschiedene Arten von Rohmaterialien, wozu Erdgas und Öl gehören, und der Preis dieser Rohmaterialien kann sich im Verlauf der Zeit oder im Vergleich zueinander ändern. Alle diese Faktoren führen zu einer sehr komplizierten Analyse, wenn die beste Art und Weise bestimmt wird, um die Anlage 300 aus Sicht der Rentabilität zu betreiben. Insbesondere kann es in dem Kraftwerk 300 wünschenswert sein, die maximale oder beste Nutzung jeder der verschiedenen Einrichtungsarten basierend auf der maximalen Rentabilität der Anlage zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erzielen, basierend auf den (aktuellen oder prognostizierten) Bedürfnissen für jede der verschiedenen Energiearten, basierend auf den verschiedenen Preise, zu denen die verschiedenen Formen von Leistung oder Energie verkauft werden können (aktuell oder für die Zukunft prognostiziert), sowie basierend auf den Kosten der Rohmaterialien, wozu Gas und Öl gehören, die verwendet werden, um die Kessel, die Gasgeneratoren, die Dampfturbinen, usw. zu befeuern (aktuell oder für die Zukunft prognostiziert).
7 bildet ein Energieverwaltungssystem 390 ab, das verwendet werden kann, um ein optimales Verfahren zum Betreiben der diversen Einrichtungen in der Anlage 300 zu einem bestimmten Zeitpunkt oder eine Zeit lang, um beispielsweise die höchste Rentabilität der Anlage 300 zu erzielen, zu bestimmen. Das Energieverwaltungssystem 390 liegt in der Grundform vor, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wird, und umfasst das Expertensystem 12, das mit dem numerischen Löser 14 gekoppelt ist. In diesem Fall kann das Expertensystem 12 Wetterbedingungen (für diverse Benutzer, die Dampf, Warmwasser, usw. von der Anlage 300 erhalten) und Produktionspläne, die mit den Benutzern oder Käufern der diversen verschiedenen Energiearten, die von der Anlage 300 verkauft werden, verbunden sind, wozu Warmwasser, Dampf, elektrische Energie, usw. gehören, empfangen. Das Expertensystem 12 kann auch Eingaben über die Art des Tages (Jahreszeit, Wochenende oder Wochentag, Feiertag, usw.), die Tageszeit, usw. bestimmen oder empfangen. Das Expertensystem 12 kann dann einen aktuellen Bedarf oder einen Bedarfsplan (zum aktuellen Zeitpunkt oder über einen prognostizierten oder vorhergesagten Zeithorizont hinweg) für jede der verschiedenen Energiearten, die von der Anlage 300 verkauft werden, wozu ein Warmwasserbedarf, ein Dampfbedarf und gegebenenfalls ein Elektrizitätsbedarf für jede der Stromleitungen 303, 305, 307 gehören, bestimmen oder schätzen. Das Expertensystem 12 stellt diese Bedürfnisse, die in erwarteten Bedarfsbereichen liegen können, gegebenenfalls dem numerischen Löser 14 bereit. Der numerische Löser 14 kann auch Eingaben in Form der Energiekosten und des Energieverkaufspreises in den diversen Formen, sowie die Kosten von Brennstoff (z. B. Erdgas, Öl, usw.), der innerhalb der Anlage 300 verwendet wird, empfangen. Der numerische Löser 14 verwendet dann die objektive Funktion 46, um ein Anlagenbetriebsszenario zu bestimmen, das den erforderlichen Bedarf an Warmwasser und Dampf und gegebenenfalls den Elektrizitätsbedarf bereitstellt, der die Kosten von Erdgas und Öl minimiert, die in der Anlage 300 verwendet werden, oder der den Gesamterlös der Anlage 300 maximiert. In diesem Fall kann der numerische Löser 14 das Bereitstellen von zusätzlicher Energie für das Stromnetz oder eine oder beide der Stromleitungen 303 und 307 in Erwägung ziehen oder in der Lage sein, dies in Erwägung zu ziehen, um die Einnahmen der Anlage 300 zu erhöhen, oder alternativ um die Anlage 300 derart zu betreiben, dass diesen Quellen keine Energie bereitgestellt wird, wenn dies nicht wirtschaftlich ist. Wie es insbesondere in 7 abgebildet ist, könnte der numerische Löser 14 alternativ das Szenario oder die Konfiguration der Anlage mit der Mindestgasnutzung bestimmen, das bzw. die zum höchsten Erlös bei dem CHP-System 300 führt. Wie in 6 abgebildet, könnte das Expertensystem 12 natürlich das Betriebsszenario der Anlage, das zur Mindestgasnutzung für eine maximale Rentabilität der Anlage 300 führt, von dem numerischen Löser 14 empfangen und die Anlageneinrichtungen steuern, um dieses Szenario umzusetzen. Das Expertensystem 12 könnte das bestimmte Szenario auch ändern oder ausfüllen, indem es beispielsweise auswählt, welche bestimmten Einrichtungen funktionieren sollen, wenn das optimale Szenario nur den Betrieb einer Teilmenge einer bestimmten Art von Einrichtungen verlangt (wie etwa weniger als alle Kessel 340). Alternativ könnte das Expertensystem 12 dieses Szenario (wie es eventuell von dem Expertensystem 12 geändert wurde) einem Benutzer oder einer Bedienperson zum Umsetzen bereitstellen.
Als weiteres Beispiel bildet 8 ein Energieverwaltungssystem 490 in der Grundform, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wurde, ab, das in einem individuellen Wohnhaus, einem Gebäude mit mehreren Wohnungen, wie etwa Eigentumswohnungen, ein Hotel, ein Einkaufszentrum, usw. verwendet werden kann, um beispielsweise den Betrieb der Anlage zu bestimmen, der über einen bestimmten Zeitraum zu den Mindestenergiekosten führt und dabei weiterhin einen annehmbaren Betrieb der diversen Heiz- und Kühlsysteme und der anderen Systeme zur Energieerzeugung, Energienutzung und Energiespeicherung, die in der Anlage vorhanden oder damit verbunden sein können, bereitstellt. Wie in 8 abgebildet, könnte das Expertensystem 12 als Eingaben die Art des Tages, die Jahreszeit, die Tageszeit, usw. empfangen. Zudem kann das Expertensystem 12 Informationen über aktuelle und/oder prognostizierte Wetterbedingungen, eine Liste von Informationen über geplante Aktivitäten in der Anlage (z. B. Partys, Konferenzen, usw.) und Zeitpunkte und erforderliche Ressourcen für diese Aktivitäten empfangen. Ferner kann das Expertensystem 12 die Warmwasserbedürfnisse und/oder HLK-Bedürfnisse empfangen, wobei es sich um aktuelle Bedürfnisse oder für die Zukunft prognostizierte Bedürfnisse handeln kann. Unter Verwendung dieser Informationen kann das Expertensystem 12 eine vorliegende oder erwartete Nutzung oder einen Bedarf für jedes der energiebezogenen Systeme in der Anlage bestimmen, wozu der Strombedarf, Warmwasserbedarf, Dampfbedarf, usw. gehören, und das Expertensystem 12 stellt diesen Bedarf dem numerischen Löser 14 bereit. Natürlich können diese Bedürfnisse in einem Bereich von möglichen Leistungsausgaben für jedes dieser Bedürfnisse ausgedrückt sein, um dem numerischen Löser 14 bei der Bestimmung einer Anlagenkonfiguration, die zu maximalem Erlös oder minimaler Energienutzung führt, eine gewisse Flexibilität zu lassen. Natürlich könnte das Expertensystem 12 die Wasserbedürfnisse, die elektrischen Bedürfnisse oder die Dampfbedürfnisse, die dem numerischen Löser 14 bereitgestellt werden, im Verlauf der Zeit ändern oder kann eine Bedarfsprognose über einen Prädiktionshorizont hinweg bereitstellen, für den der numerische Löser 14 eine optimale Konfiguration bestimmen soll.
Auf jeden Fall kann der numerische Löser 14 auch Eingaben in Form des Netzstrombedarfs, der Kosten für Energie aus dem Netz, der Brennstoffkosten, wie etwa Erdgas, das in den Anlageneinrichtungen verwendet wird, und des Verkaufspreises von Energie, die beispielsweise an das Stromnetz abgegeben wird, empfangen. Der numerische Löser 14 kann auch Informationen empfangen oder darauf Zugriff haben, die mit der Verfügbarkeit von anderen Energiequellen zusammenhängen, wie etwa eine Photovoltaikanlage auf dem Dach, die eine gewisse Energie basierend auf dem Sonnenlicht bereitstellen kann, eine CHP-Mikroturbine, soweit sie in der Anlage zur Verfügung steht, Energiespeichereinheiten, wie etwa thermische Speichereinheiten, soweit verfügbar, usw. Der numerische Löser 14 verwendet dann die objektive Funktion 46 und die Eingaben wie oben besprochen, um eine Anlagenbetriebskonfiguration zu bestimmen, die funktioniert, um den Lastbedarf bereitzustellen, der den Bedarf deckt oder damit übereinstimmt, der von dem Expertensystem 12 vorgegeben wird und der die Energiekosten minimiert. Der numerische Löser 14 kann mit Informationen funktionieren, welche die aktuelle Situation angeben und einen optimalen Anlagenbetriebspunkt zum aktuellen Zeitpunkt bestimmen, oder kann mit prognostizierten Informationen über einen vorherbestimmten Zeitraum hinweg funktionieren, um eine Gruppe von Anlagenbetriebseinstellungen über diesen Zeitraum hinweg zu bestimmen, der die Energiekosten minimiert. Natürlich kann der numerische Löser 14 im letzteren Fall veranlassen, dass die Energie eine Zeit lang gespeichert und dann zu einem späteren Zeitpunkt während des Prädiktionshorizonts verwendet wird, der die Energiekosten minimiert, die während des gesamten Zeitraums entstehen. Obwohl der numerische Löser 14 abgebildet ist, wie er die bestimmte Betriebskonfiguration direkt einem oder mehreren Controller in der Anlage (Hotel, Eigentumswohnung, Wohnblock, Wohnhaus), usw. bereitstellt oder das optimale Szenario einem Benutzer zum manuellen Umsetzen oder zum Umsetzen über andere nicht automatische Mittel bereitstellt, könnte der numerische Löser 14 dieses bestimmte optimale Anlagenbetriebsszenario dem Expertensystem 12 bereitstellen, das dieses Szenario auf eine beliebige oben beschriebene Art und Weise ändern könnte, bevor es dieses an einen Controller oder an einen Benutzer sendet.
Zudem versteht es sich, dass es viele andere Energiebenutzer und Quellen für Energieproduktion und Speicherung in der Energieversorgungsumgebung eines Wohnhauses oder Gebäudes gibt, die von dem Energieverwaltungssystem 490 in Erwägung gezogen werden könnten. Beispielsweise umfassen viele Haushalte oder Gebäude gasbetriebene Reservegeneratoren, die man steuern könnte, um basierend auf den wirtschaftlichen Aspekten dafür zu einem bestimmten oder gewünschten Zeitpunkt Elektrizität zu produzieren. Zudem können Elektroautos in einem Haushalt aufgeladen werden, während die Stromkosten niedrig sind, und können entladen werden, während die Stromkosten hoch sind, was vorteilhaft sein kann, um die Energiekosten in einem Haushalt zu reduzieren. Ebenso kann eine Kombination aus Heizung/Kühlung und Strom mit einer Erdsonde ausgeführt werden, die man steuern kann, um je nach Bedarf kaltes oder warmes Wasser zu produzieren. Thermische Speichervorrichtungen können in einem Haushalt oder Gebäude während Zyklen mit niedrigen elektrischen Energiekosten gefüllt werden und können während Zyklen mit hohen elektrischen Kosten verwendet werden. Das System eines Haushalts oder Gebäudes kann gesteuert werden, um nachts Eis zu machen und an heißen Sommertagen Eis zum Abkühlen zu verbrauchen. Salzbäder können verwendet werden, um Wärme zu produzieren, wenn Strompreise hoch sind, und das Salz kann aufgetaut werden, wenn die Strompreise niedrig sind. Zudem können lokale Biogasanlagen, Wasserstofferzeuger und organische Abfallvergasungsanlagen verwendet werden, um mit diesen Einstellungen Energie zu produzieren.
Es versteht sich, dass die hier beschriebenen Energieverwaltungssysteme 10, 190, 290, 390, 490 auf zwei Betriebsarten funktionieren könnten, zu denen ein Beratungsmodus und ein Steuermodus gehören, und vorteilhaft in manchen Fällen in Kombination mit einem Optimierer funktionieren könnten. Die hier beschriebenen Energieverwaltungssysteme sind bis auf einen einzelnen Energieverbraucher herunter skalierbar, wenn die richtigen Einrichtungen vor Ort zur Verfügung stehen. Zudem ermöglichen die hier beschriebenen Lösungsansätze eine umfassende Energieverwaltung unter veränderlichen wirtschaftlichen Bedingungen, wozu es gehört, Entscheidungen über den Anlagenbetrieb basierend auf den Kosten der Energieverwendung oder der Verzögerung der Energieverwendung oder unter deren Erwägung zu treffen. Obwohl das Energieverwaltungssystem 10 hier im Allgemeinen beschrieben wurde, wie es entscheidet, ob Energie in diversen Formen (aus einer Energieversorgungsperspektive) zu kaufen oder zu verkaufen ist, könnte das Energieverwaltungssystem 10 zudem auch funktionieren, um einfach Anlageneinrichtungen eine Zeit lang leerlaufen zu lassen. Diese Bedingung könnte gegeben sein, wenn der Anreiz Energie zu produzieren derzeit nicht ausreicht, um die Einrichtungen anzufahren oder anzuhalten, das Expertensystem 12 jedoch eine kurzfristige Gelegenheit erkennt, die eine bessere Verkaufsgelegenheit oder Energieherstellungsgelegenheit bereitstellt.
Ein anderes Beispiel davon, wo das Energieverwaltungssystem 10 verwendet werden könnte, ist eine Aluminium-Herstellungsanlage, in der das Energieverwaltungssystem 10 verwendet werden kann, um zu bestimmen, ob es rentabler ist, die Produktion zu drosseln oder anzuhalten und stattdessen Energie zu verkaufen. In diesem Fall könnte der numerische Löser 14 mit dem Ziel, den Erlös zu maximieren, verwendet werden, und das Energieverwaltungssystem 10 könnte sowohl ein automatisches Entfernen einer elektrischen Last in der richtigen Reihenfolge als auch ein Wiederherstellen dieser Lasten umsetzen, sobald es rentabler ist, wieder mit der Aluminiumproduktion zu beginnen. In diesem Zusammenhang würde das Expertensystem 12 unter Verwendung der gespeicherten Regeln 43 funktionieren, um sicherzustellen, dass die Lasten in der richtigen Reihenfolge angehalten und angefahren werden, und dazu sollte das Expertensystem 12 Regeln oder Prozeduren speichern, welche die Prozesseinrichtungen und ihre Wechselbeziehungen definieren.
Natürlich sind die besonders nützlichen Bestandteile des Energieverwaltungssystems 10 das Expertensystem 12, das die Entscheidung zu kaufen/zu verkaufen oder zu produzieren/nicht zu produzieren basierend auf wirtschaftlichen Aspekten bestimmt, und der numerische Löser 14, der die Prozesskenntnisse rein mathematisch analysiert, um es dem Expertensystem 12 zu ermöglichen, Entscheidungen zu treffen. Das Expertensystem 12 kann auch genutzt werden, um zu entscheiden, ob der Zeithorizont für das Entfernen von Elementen aus dem Betrieb gewährleistet ist, und die Reihenfolge, in der die Einrichtungen ein- und auszuschalten sind, da das Entfernen oder Wiederherstellen von Lasten in der richtigen Reihenfolge zu erfolgen hat, die von den Kenntnissen des Expertensystems gesteuert wird.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Integrieren der Verwendung sowohl einer Experten-Engine als auch eines numerischen Lösers als Teil eines Optimierungssystems besteht darin, die Experten-Engine zu konfigurieren, damit sie den numerischen Löser iterativ (d. h. einmal oder mehrmals) aufruft, um es der Experten-Engine zu ermöglichen, eine optimale Lösung auszuarbeiten, indem sie den numerischen Löser steuert, um eine optimale Lösung in einem oder mehreren Durchgängen des numerischen Lösers zu identifizieren. In diesem Fall kann die Experten-Engine den numerischen Löser mehrmals aufrufen, indem sie dem numerischen Löser eine erste Gruppe von allgemeinen Auflagen oder Informationen zur Einrichtungskonfiguration bereitstellt, indem sie den numerischen Löser betätigt, um das System basierend auf diesen allgemeinen Auflagen oder Einrichtungskonfigurationen zu optimieren, und dann die Ergebnisse des numerischen Lösers verwendet, um eine neue oder weiterentwickelte Gruppe von Auflagen oder Informationen über Einrichtungskonfiguration zu bestimmen. Die Experten-Engine kann dann den numerischen Löser ein zweites Mal aufrufen, indem sie dem numerischen Löser eine weiterentwickelte Gruppe von Auflagen oder Parametern zur Einrichtungskonfiguration bereitstellt, um eine noch weiterentwickelte Optimierung basierend auf der weiterentwickelten Gruppe von Eingaben zu erzielen, die dem numerischen Löser bereitgestellt wird. Die Experten-Engine kann dann die Ausgabe des numerischen Lösers verwenden, um noch eine weitere Gruppe von Einrichtungsauflagen, usw. zu entwickeln und den numerischen Löser erneut aufzurufen. Die Experten-Engine kann diesen Prozess so oft wie nötig wiederholen, um eine optimale Lösung für die Anlage zu entwickeln. Wenn diese iterative Prozedur umgesetzt wird, kann die Experten-Engine verschiedene allgemeine Einrichtungskonfigurationen basierend auf verschiedenen Konfigurations-Methodologien (d. h. solchen, die wesentlich anders in ihrem Betriebslösungsansatz sind) in jedem der separaten Aufrufe des numerischen Lösers entwickeln und abgeben, um zu bestimmen, welche allgemeine Konfigurations-Methodologie optimal sein kann. Diese Art von iterativem Aufruf ist nützlich, wenn der numerische Löser nicht mühelos oder in Echtzeit alle verschiedenen möglichen Konfigurationsgruppen von Anlageneinrichtungen durchgehen kann, um eine globale optimale Einstellung zu bestimmen. Somit schränkt das Expertensystem in diesem Fall den Umfang der Erwägungen ein, die von dem numerischen Löser getroffen werden, um die Arbeitslast für den numerischen Löser zu reduzieren. Andererseits kann sich die Experten-Engine auf einen Bereich beschränken (z. B. einen Bereich von Einrichtungseinheiten, die zu einem bestimmten Zeitpunkt laufen sollen, einen Einrichtungs-Variablenbereich, usw.), indem sie dem numerischen Löser einen allgemeinen Bereich zuführt und die Ergebnisse des numerischen Lösers verwendet, um sich auf einen Teilbereich, der zu einer noch besseren Konfiguration der Anlageneinrichtungen führt, einzuschränken oder diesen auszuarbeiten. Dabei kann die Experten-Engine eine ausreichende Logik oder Regeln speichern, um in der Lage zu sein, die Erwägung des numerischen Lösers derart zu begrenzen, dass nur ein Aufruf des numerischen Lösers notwendig ist. Natürlich kann die Experten-Engine diese beiden Prozeduren in verschiedenen Gruppen von Aufrufen des numerischen Lösers anwenden.
9 bildet ein allgemeines Flussdiagramm 400 ab, das ein Verfahren zum Umsetzen von iterativen Interaktionen zwischen einer Experten-Engine und einem numerischen Löser abbildet, das verwendet werden kann, um eine optimale Anlagenlösung zu entwickeln, wobei die Optimalität der bestimmten Anlagenlösung durch eine objektive Funktion definiert ist, die in dem numerischen Löser verwendet wird. Obwohl die objektive Funktion, die bei den obigen Beispielen beschrieben wird, eine niedrigste oder optimale Energienutzungskonfiguration bestimmt, können zusätzlich oder stattdessen andere objektive Funktionen, zu denen solche gehören, die eine optimale Lösung, welche die Qualität eines Produkts optimiert, die Menge eines Endprodukts, das aus einer bestimmten Gruppe von Rohmaterialien produziert wird, die Kosten der verwendeten Rohmaterialien, die bei Verarbeitungstätigkeiten verwendete Energie, usw., bestimmen oder eine Kombination von zwei oder mehreren dieser oder anderer Ziele verwendet werden.
Auf jeden Fall sammelt, empfängt oder bestimmt ein Block 402 im Flussdiagramm 400 eine Gruppe von Prozesseingaben und Bedarfsanforderungen, für die eine Optimierung der Anlage bestimmt werden wird. Die Prozesseingaben können beispielsweise die Mengen und Eigenschaften der Rohmaterialien sein, die der Anlage bereitgestellt werden, die Umgebungsbedingungen (z. B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, usw.), denen die Einrichtungen in der Anlage ausgesetzt sind, oder andere aktuelle Bedingungen innerhalb der Anlage, wie etwa der Status von diversen Anlageneinrichtungen, und beliebige andere Eingaben oder Daten über die Anlage, welche die Anlagenoptimierung betreffen. Der Anlagenbedarf kann ein Bedarf an einer Menge einer Anlagenleistungsabgabe sein (z. B. Energie in diversen Formen, wie etwa elektrische Energie, Dampfenergie, usw., eine Menge von produziertem Material, wie etwa ein physikalisches Produkt oder ein verarbeitetes Produkt, wie etwa destilliertes Wasser in einer Entsalzungsanlage, usw.). Zusätzlich oder alternativ kann der Bedarf in Form einer Qualität einer Leistungsausgabe der Anlage (z. B. einer Material- oder Energiequalität, die von der Anlage produziert wird, wie sie durch messbare Kennzeichen des Materials oder der Energie definiert wird) oder einer beliebigen Kombination von Quantität und Qualität vorliegen.
Die Prozesseingaben und -bedürfnisse, die beispielsweise in einem Steuersystem, einem Benutzerschnittstellensystem, usw. entwickelt oder damit verbunden werden können, werden einem Block 404 bereitgestellt, der diese Eingaben aufbereitet, um eine aktuelle Prozessbewertung auszuführen und um Prozessfähigkeiten basierend auf Regeln oder einer anderen Wissensdatenbank, die in der Experten-Engine gespeichert ist, zu bestimmen. Im Allgemeinen kann der Block 404 von einer Experten-Engine ausgeführt werden, wie etwa eine von denen, die hier beschrieben werden. Ein Block 406 kann dann die aufbereiteten Daten speichern und stellt diese Daten einem numerischen Löser zur Verarbeitung bereit, wie etwa einem der oben beschriebenen numerischen Löser, um eine optimale Anlagenkonfiguration basierend auf den gespeicherten Daten und der objektiven Funktion, die von dem numerischen Löser verwendet wird, zu bestimmen. Die Analyse, die von dem numerischen Löser ausgeführt wird, kann unter Verwendung einer beliebigen Gruppe von Prozessmodellen, die für die Anlage oder eine andere Gruppierung von Einrichtungen gespeichert wird, und unter Verwendung der Auflagen und anderer aufbereiteter Informationen der Experten-Engine, welche die von dem numerischen Löser ausgeführte Analyse leitet, ausgeführt werden. Natürlich verwendet der numerische Löser auch eine objektive Funktion (die eine beliebige mathematische Beziehung sein kann, welche die relative Optimalität von verschiedenen Ergebnissen im Vergleich zueinander identifiziert). Die Verarbeitung, die von dem numerischen Löser ausgeführt wird, ist in einem Block 408 abgebildet, der seine Ergebnisse (d. h. ein optimales Ergebnis, wie es von dem numerischen Löser basierend auf den Eingaben und Auflagen, die diesem bereitgestellt werden, und auf der darin gespeicherten objektiven Funktion bestimmt wird) einem Block 410 bereitstellt, der von der Experten-Engine ausgeführt werden kann.
In Block 410 wertet die Experten-Engine die Ergebnisse des numerischen Lösers aus, die basierend auf den gespeicherten aufbereiteten Daten (von Block 406 ausgegeben) unter Verwendung einer Gruppe von Regeln, die in der Experten-Engine gespeichert ist, entwickelt werden. Die Experten-Engine kann dann die Eingaben oder Daten, die dem numerischen Löser bereitgestellt werden (d. h. in Block 408) gegebenenfalls ändern oder weiterentwickeln, um eine andere oder eine noch weiter entwickelte Optimierung zu erzielen. Unter Verwendung der Regeln in der Experten-Engine kann das Expertensystem in diesem Fall die Ergebnisse des numerischen Lösers auswerten (was eine optimale Anlagenkonfiguration basierend auf den vorherigen Gruppen von Eingaben, die dem numerischen Löser bereitgestellt wurden, anbelangt) und kann die Eingaben für den numerischen Löser ändern (auf eine Art und Weise, die von den Aktionen, die innerhalb der Experten-Engine gespeichert sind, definiert oder zugelassen ist), um dem numerischen Löser eine neue Gruppe von Eingaben und Parametern bereitzustellen. Der numerische Löser läuft oder funktioniert dann mit dieser neuen oder weiterentwickelten Gruppe von Eingaben, um eine neue oder andere optimale Anlagenkonfiguration oder Anlagenbetriebslösung zu bestimmen, die dann an den Block 410 zur Auswertung durch die Experten-Engine zurückgegeben wird. Es versteht sich, dass in manchen Fällen die Experten-Engine die Eingaben für den numerischen Löser ändern kann, indem sie bestimmte Eingaben (wie etwa Bereiche, Zahlen oder Variablenwerte, die in dem numerischen Löser verwendet werden) ändert. Die Experten-Engine kann diese Eingaben basierend auf den Ergebnissen der vorherigen Auswertung(en) des numerischen Lösers weiterentwickeln oder ändern, um einen Wert oder Bereich, der in der nächsten Gruppe von Eingaben für den numerischen Löser verwendet wird, zu bestimmen oder auszuwählen. Dabei wertet die Experten-Engine die Ergebnisse eines vorherigen Durchgangs des numerischen Lösers aus und verwendet diese, um die Eingaben zu bestimmen, die im nächsten Durchgang des numerischen Lösers zu verwenden sind, um eine optimale Anlagenlösung weiterzuentwickeln oder auszuarbeiten. Ansonsten kann die Experten-Engine wesentlich oder deutlich verschiedene Anlagenkonfigurationen, Auflagen oder Betriebsanweisungen für den numerischen Löser bestimmen und kann die Ausgaben des numerischen Lösers für jedes dieser verschiedenen Szenarien vergleichen, um zu bestimmen, welches Szenario optimal ist. In diesem Fall kann die Experten-Engine beispielsweise die Anlageneinrichtungen konfigurieren, um unterschiedlich zu funktionieren (wie etwa einen Brenner dazu zu veranlassen, Gas statt Öl zu verbrennen, eine Energieeinheit in einem kombinierten Zyklusmodus statt in einem Einzelzyklusmodus laufen zu lassen, usw.), um verschiedene mögliche (und nicht zusammenhängende) Möglichkeiten zum Konfigurieren der Anlage zu testen, und kann dann die Ergebnisse der verschiedenen Durchgänge vergleichen, um zu bestimmen, welche Anlagenkonfigurations-Methodologie besser ist oder optimale Ergebnisse bereitstellt. Natürlich kann das Expertensystem in den ersten Durchgängen des numerischen Lösers bestimmen, welche der möglichen allgemeinen Einrichtungskonfigurationen oder Einstellungen die besten sind, und kann dann bestimmte Variablenwerte oder -bereiche ausarbeiten oder bestimmen, die in der bestimmten Anlagenkonfigurations-Methodologie in den späteren Durchgängen des numerischen Lösers zu verwenden sind. Das Expertensystem (das Block 410 umsetzt) kann den numerischen Löser (der Block 408 umsetzt) beliebig oft je nach Bedarf aufrufen, um eine optimale Anlagenbetriebskonfiguration zu bestimmen. In manchen Fällen kann das Expertensystem über genügend darin gespeicherte Logik verfügen, um in der Lage zu sein, die mathematischen Erwägungen basierend auf dieser Logik effektiv einzuschränken (d. h. den Umfang des Optimierungsproblems einzuschränken, der von dem numerischen Löser in Erwägung gezogen wird), so dass der numerische Löser nur einmal aufgerufen werden muss.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt wird die Ausgabe von Block 410 einem Block 412 bereitgestellt (der typischerweise ebenfalls von der Experten-Engine umgesetzt wird), in dem die Experten-Engine eine Nachverarbeitung des optimalen Ergebnisses ausführt, das von dem numerischen Löser bestimmt wurde. Diese Nachverarbeitung kann beispielsweise durch das Auswählen bestimmter Einrichtungen oder Einstellungen von bestimmten Einrichtungen innerhalb der Anlage erfolgen (wiederum basierend auf den Regeln und Aktionen, die in der Experten-Engine gespeichert sind), und diese Einstellungen können einem Steuersystem oder einem Benutzer zur Verwendung beim Umsetzen der optimalen Anlagenkonfiguration bereitgestellt werden, die durch die iterativ angeschlossene Experten-Engine und den numerischen Löser bestimmt wird. Während die Nachverarbeitung ausgeführt werden kann, um die optimale Anlagenkonfiguration tatsächlich umzusetzen, die durch die iterativ angeschlossene Experten-Engine und den numerischen Löser bestimmt wird, um beispielsweise andere Ziele oder Auflagen des Systems umzusetzen (wie beispielsweise das gleiche Betreiben verschiedener Anlageneinrichtungen, das sichere Betreiben der Einrichtungen, das Ermöglichen des Abschaltens von in Reparatur befindlichen Einrichtungen, usw.), könnten die Ergebnisse der Nachverarbeitung zudem auch verwendet werden, um die Auflagen, die Bedürfnisse oder andere Anlagen-Eingabebedingungen neu zu definieren, die von dem Optimierer als erstes zu verwenden sind. Diese Aktion wird von Block 414 erläutert, der bestimmen kann, dass die Lastbedürfnisse unter den aktuellen Anlagenbedingungen nicht praktisch umsetzbar oder erzielbar sind, und der neue Lastbedürfnisse bestimmen oder vorschlagen kann, die praktischer sind. Block 414 kann beispielsweise auch Änderungen an Anlageneingaben oder Umgebungsbedingungen in der Anlage vorschlagen, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Auf jeden Fall kann Block 414 in diesem Fall dem Optimierer die neuen Anlagen-Lastbedingungen und/oder Anlageneingaben bereitstellen, die in einem weiteren Durchgang des Optimierers zu verwenden sind, um eine bessere oder optimale Lösung für die Anlage basierend auf neuen Lastbedürfnissen oder Anlagen-Eingabebedingungen zu entwickeln.
Die Kombination eines Expertensystems und eines aufrufbaren numerischen Lösers ermöglicht das Lösen von sehr komplizierten Optimierungsproblemen, bei denen viele Entscheidungen nahezu in Echtzeit zu treffen sind. Im Allgemeinen ist weder ein Expertensystem noch ein herkömmlicher Optimierer (numerischer Löser) an sich robust genug, um die Bedürfnisse dieser komplexen Herausforderung zu decken. Insbesondere ist das komplexe Optimierungsproblem gegeben, weil Modelle entwickelt werden, um den Betrieb und die Wechselwirkungen eines Systems, wie etwa einer Anlage/Gemeinde, wiederzugeben. Je nach der Komplexität der Systembedürfnisse muss jedoch im Allgemeinen eine gewisse Teilgruppe von Einrichtungen weiter laufen oder muss eingestellt werden, um zu laufen. Um dieser Notwendigkeit gerecht zu werden, enthält das Anlagenmodell gewöhnlich ganzzahlige Variablen, wie etwa binäre Variablen, die einen Wert von 0 oder 1 haben können, die angeben, ob eine Einrichtung ein- oder ausgeschaltet sein sollte. In diesem Fall gibt es im Allgemeinen eine Gleichung (ein Einrichtungsmodell) für beliebige Einrichtungen, die man laufen lassen könnte (um ein Produkt zu produzieren oder Lastbedürfnisse zu decken). Es gibt auch ein Modell, das den Verbrauch oder Betrieb der Einrichtungen während der Verwendung bei der Produktion definiert. In manchen Fällen können diese Beziehungen linear oder nicht linear sein.
Wenn einem numerischen Löser jedoch ein Optimierungsproblem vorgelegt wird, das nicht lineare Gleichungen enthält, dann muss ein nicht linearer Algorithmus verwendet werden, um die Gruppe von gleichzeitigen Gleichungen zu lösen. Wenn dieses Optimierungsproblem auch binäre oder ganzzahlige Variablen enthält, wird es komplizierter. Wenn ein Problem beispielsweise 10 binäre Variablen aufweist, muss der Löser, damit er weiß, dass er über die „globale optimale Lösung” verfügt, 2¹⁰ Problemkombinationen lösen und dann die beste Lösung wählen. Diese Gruppe von Berechnungen kann nicht in Echtzeit gelöst werden, insbesondere wenn die zugrundeliegenden Modellgleichungen oder Einrichtungsbeziehungen nicht linearer Art sind.
Obwohl der Löser, wenn er über genügend Verarbeitungszeit verfügt, eine gute mathematische Antwort zurückgibt, kann diese Antwort zudem bei einer wirklichen Anwendung eventuell nicht annehmbar sein. Beispielsweise kann der numerische Löser eine Gruppe von Dampf- und Energiebedürfnissen erhalten und kann eine Lösung finden, bei der die Kessel Nummer 3 und 5 einer Anlage einzuschalten sind. Anschließend kann der Energie- oder Dampfbedarf sehr geringfügig variieren, und als Reaktion auf diese Bedarfsänderung kann der Löser bestimmen, dass es am besten ist, den Kessel Nummer 3 auszuschalten und den Kessel Nummer 4 einzuschalten. Auch wenn diese Aktion eine Anlagenkonfiguration umsetzt, die zu einer „optimalen” Energiekostenlösung führt, würde eine Anlagenbedienperson in Wirklichkeit auf Grund einer geringfügigen Änderung des Prozessbedarfs wegen des Zeitaufwands, der Mühe, der Kosten und des Verschleißes für die Einrichtungen, die mit den Aktionen des schnell nacheinander erfolgenden Ein- und Ausschaltens der Kessel verbunden sind, niemals einen Kessel abschalten und einen anderen Kessel einschalten. Somit ist diese Lösung bei wirklichen Anwendungen nicht praktisch.
Ein iterativ angeschlossenes Expertensystem und ein numerischer Löser, wie sie hier beschrieben werden, können jedoch funktionieren, um diese beiden Probleme zu überwinden. Wenn nämlich die iterativ angeschlossene Experten-Engine und der numerischen Löser, wie sie zuvor beschrieben wurden, verwendet werden, funktioniert die Experten-Engine, um die Anlagendaten aufzubereiten und ruft dann den numerischen Löser ein- oder mehrmals auf, wobei sie den numerischen Löser jedes Mal veranlasst, eine beschränkte oder Teilgruppe des gesamten globalen Optimierungsproblems in Erwägung zu ziehen. Diese Aufbereitung kann auf eine Art und Weise ausgeführt werden, welche die Berechnungslast für den numerischen Löser erheblich reduziert, indem sie das Optimierungsproblem einschränkt, das zu einem bestimmten Zeitpunkt von dem numerischen Löser bestimmt oder berücksichtigt wird. Zudem wertet das Expertensystem die Ergebnisse des numerischen Lösers aus und kann dann die Anlagendaten ändern, die in den numerischen Löser eingegeben werden, um eine Lösung zu finden, die in wirklichen Situationen praktisch ist. Das iterativ angeschlossene Expertensystem und der numerische Löser funktionieren, um die wirklichen Probleme zu reduzieren oder zu beseitigen, die mit dem Finden einer optimalen Lösung verbunden sind und bei den Optimierern nach dem Stand der Technik vorliegen. Insbesondere wird das hier beschriebene Expertensystem verwendet, um einen eingeschränkten Optimierer (numerischen Löser) zu betreiben, und wertet dann die Ergebnisse der Optimierung aus, um in Erwägung zu ziehen, was als nächstes zu tun ist. In vielen Fällen besteht der nächste Schritt darin, die Eingaben des numerischen Lösers basierend auf den vorherigen Durchgängen des numerischen Lösers weiterzuentwickeln oder zu ändern, um eine noch weiter entwickelte oder eine andere Lösung zu erzielen, die in Wirklichkeit besser machbar ist und somit aus praktischer Sicht optimal ist. Beispielsweise kann das Expertensystem eine andere, noch weiter entwickelte Optimierung mit neuen oder zusätzlichen Auflagen oder Betriebseinstellungen ausführen, so dass das Expertensystem bei seinem iterativen Aufrufen des numerischen Lösers beim Steuern von Eingaben in den numerischen Löser beiträgt, um eine endgültige Lösung auf iterative Art und Weise zu entwickeln. Das hier beschriebene System integriert die Fähigkeit eines numerischen Lösers in ein Experten-System (bei dem der numerische Löser von dem Expertensystem je nach Bedarf oder iterativ aufgerufen werden kann), und ermöglicht es dabei, eine Expertenlogik zum Aufbereiten und Nachverarbeiten auf das Problem, das von dem numerischen Löser in Erwägung gezogen wird, und auf die Ergebnisse, die von dem numerischen Löser zurückgegeben werden, anzuwenden, um dadurch eine optimale Lösung zu bestimmen, die für praktische Anwendungen gültig ist.
Eine beispielhafte Anlage, bei der ein Optimierer mit einem iterativ angeschlossenen Expertensystem und einem numerischen Löser vorteilhaft verwendet werden kann, ist in 10 abgebildet, die ein Einliniendiagramm einer Dampf- und Energieanlage 500 einer Universität abbildet. Der Zweck der Anlage 500 ist es, den diversen Bereichen des Universitätsgeländes und einem damit verbundenen Krankenhaus Dampf und Energie zuzuführen. Zudem besteht der Zweck des Optimierungssystems darin, die optimale(n) Betriebsart(en) für alle Dampf und Energie produzierenden Einrichtungen zu bestimmen, so dass der Bedarf an Prozessdampf und Energie der Universität und des Krankenhauses zu den geringstmöglichen Kosten gedeckt wird.
Insbesondere umfasst die Anlage 500 aus 10 sechs Kessel 502, die entweder Gas oder Öl verbrennen können (aber nicht beides gleichzeitig). Die Kessel 502 erstellen Dampf, der ein 400 PSIG-Sammelrohr 504 speist. Zusätzlich zu den sechs Kesseln 502 umfasst die Anlage 500 zwei Einheiten 506 von Dampfgeneratoren mit Wärmezurückgewinnung (HRSG). Jede HRSG-Einheit 506 weist einen Verbrennungsturbogenerator (CTG) 508 auf, der entweder Gas oder Öl verbrennt und die Abwärme einem HRSG 510 zuführt. Die HRSGs 510 haben eine Hilfsbrennstofffeuerung, es kann aber nur Gas für diesen Brennstoff verwendet werden. Die HRSGs 510 speisen auch das 400 PSIG-Dampfsammelrohr 504 (zusätzlich zu den sechs Kesseln 502). Die theoretische Dampftemperatur im Sammelrohr 504 beträgt 399°C (750°F). Die tatsächliche Dampftemperatur und der Druck des Dampfes, der von dem Kessel 502 und den HRSGs 510 produziert wird, sind jedoch keine theoretisch bestimmten Werte. Die in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigten Werte stellen eine beispielhafte durchschnittliche Temperatur und einen durchschnittlichen Druck bereit, die aus den Anlagendaten bestimmt werden.

KESSEL TEMPERATUR DRUCK

1 718,9 403,08

2 722,43 403,19

3 710,79 392,1

4 715,0 406,3

5 629,26 396,5

6 751,96 402,98

HRSG 7 705,8 414,4

HRSG 8 721,09 404,47

Tabelle 1
Der 400 PSIG-Dampf am Sammelrohr 504 wird verwendet, um drei Dampfturbogeneratoren (STG) 512 zu speisen. Jeder der STGs 512 weist eine 60 LB-Hochdruckextraktion und eine 9 LB-Niederdruckextraktion auf. Wenn ein STG 512 läuft, muss es etwa 9 LB Abdampf geben, doch der 60 LB-Extraktionsdurchsatz kann gleich Null sein. Die STGs 512 sind Gegendruckturbinen, und ein Enthitzer ist an jede Turbinenextraktionsöffnung angeschlossen. Zusätzlich zu den STG-Extraktionsöffnungen funktionieren drei Druckreduzierventile (PRV) 514, um den 400 LB-Dampf auf 60 LB-Dampf zu reduzieren, und vier PRVs 516 funktionieren, um den 400 LB-Dampf auf 9 LB-Dampf zu reduzieren. Ein Enthitzer ist ebenfalls mit jeder der PRV-Extraktionen verbunden. Zudem gibt es einen luftgekühlten Kondensator 520 für den 9 PSIG-Turbinenabdampf. Ein Ventil (nicht gezeigt) muss geöffnet werden, um Dampf in den Kondensator 520 zu lassen, und dieser Dampf fließt nicht automatisch in den Kondensator, wenn der Druck auf das 9 LB-Sammelrohr ansteigt. Der Kondensator 520 kann verwendet werden, um zusätzliche interne Energie zu erzielen. Ein Teil der Energie wird jedoch von dem Kondensatorgebläse verbraucht. Wie es aus dem Diagramm aus 10 hervorgeht, produzieren die CTGs 508 und die STGs 512 elektrische Energie, die einer Stromleitung 530 bereitgestellt wird.
Das Hauptziel des Kraftwerks 500 ist es, den Dampfbedarf der Universität und des Krankenhauses zu decken, und die elektrische Energie, die in diesem System produziert wird, ist eigentlich ein Nebenprodukt der Dampfproduktion. Die Menge der elektrischen Energie, die als Ergebnis der Dampfproduktion produziert wird, ist im Allgemeinen nicht ausreichend, um den gesamten Energiebedarf des Geländes zu decken. Die restliche Energie, die von der Universität benötigt wird, wird jedoch beim lokalen Versorgungsunternehmen gekauft. Natürlich variiert der Preis der Energie, die bei dem lokalen Versorgungsunternehmen gekauft wird, mit der Tageszeit, und es ist manchmal möglich, Energie an das Netz zurück zu verkaufen.
Es versteht sich, dass ein Modell der Anlage 500, das den Betrieb und die Wechselwirkungen der Dampf- und Energieproduzenten wiedergibt, entwickelt und einem numerischen Löser bereitgestellt werden kann. Je nach dem Dampf- und Energiebedarf muss eine Teilgruppe von Einrichtungen laufen. Daher enthält das Anlagenmodell binäre Variablen, die Werte von 0 oder 1 haben können und angeben, ob eine Einrichtung ein- oder ausgeschaltet sein sollte. Zudem müssen die diversen Dampf und Energie produzierenden Einheiten modelliert werden. Beispielsweise muss es ein Einrichtungsmodell (z. B. eine Gleichung) für eine Gasturbine 508 geben, die Energie als Funktion von Wärme und Brennstoff produziert. Es muss auch ein Modell für die Kessel 502 geben, das den Dampfdurchsatz als Funktion von Brennstoffwärme modelliert. In manchen Fällen können diese Beziehungen linear oder nicht linear sein. Ebenso müssen die Wechselwirkungen von 400 PSIG-Dampf, von 60 PSIG-Dampf und von 9 PSIG-Dampf über die PRVs 514 und 516 modelliert werden, und zwar basierend darauf, ob die PRVs auf oder zu sind. Ebenso gibt es auch Modelle für den luftgekühlten Kondensator 520.
Wichtig ist, dass, wenn dem numerischen Löser ein Optimierungsproblem vorgelegt wird, das nicht lineare Gleichungen enthält, dann ein nicht linearer Algorithmus zu verwenden ist, um die Gruppe gleichzeitiger Gleichungen zu lösen. Wenn dieses Problem auch binäre oder ganzzahlige Variablen enthält (wie es für die diversen Einstellungen der Energie produzierenden Einheiten und Ventile in der Anlage 500 der Fall sein wird), wird das Optimierungsproblem komplizierter. Wenn das Problem beispielsweise 10 binäre Variablen aufweist, dann muss der Löser 2¹⁰ Kombinationen von Problemen oder Modellen lösen, um eine „globale optimale Lösung” zu bestimmen. Diese Berechnungen können nicht in Echtzeit gelöst werden. Auch wenn der Löser eine richtige Antwort zurückgibt, die aus mathematischer Sicht optimal ist, kann diese Antwort zudem bei einer wirklichen Anwendung eventuell nicht praktisch sein und kann somit eventuell nicht annehmbar sein. Beispielsweise kann der Löser eine Gruppe von Dampf- und Energiebedürfnissen erhalten und eine Lösung finden, bei der die Kessel Nummer 3 und 5 einzuschalten sind. Wenn anschließend der Energie- oder Dampfbedarf geringfügig variiert, kann der Löser angeben, dass der Kessel Nummer 3 ausgeschaltet und der Kessel Nummer 4 eingeschaltet wird. Auch wenn die endgültigen Lösungskosten in Wirklichkeit gut sind, würde die Anlagenbedienperson niemals für eine geringfügige Änderung des Prozessbedarfs einen Kessel ausschalten und einen anderen Kessel einschalten.
Wenn eben dieses Optimierungsproblem von der iterativ angeschlossenen Experten-Engine und dem numerischen Löser, wie sie zuvor beschrieben wurden, behandelt wird, kann das Expertensystem jedoch in der Lage sein, es dem numerischen Löser zu ermöglichen, bei allen linearen Gleichungen mit ganzzahligen Variablen zu funktionieren, oder derart zu funktionieren, dass es nicht notwendig ist, alle Konfigurationsmöglichkeiten der Anlageneinrichtungen von einem Optimierungsstandpunkt aus in Erwägung zu ziehen, was die Unstimmigkeit bei der Einrichtungsauswahl beseitigt. Insbesondere kann das Expertensystem Daten und Bedarf der Anlage aufbereiten, um die möglichen Anlagenkonfigurationen und Variablen, die bei der Optimierung innerhalb des numerischen Lösers in Erwägung zu ziehen sind, zu reduzieren, oder kann dem numerischen Löser derart Eingaben bereitstellen, die es dem Löser ermöglichen, unter Verwendung von einfacheren Modellen (z. B. linearen Gleichungen ohne binäre Einstellungen) zu funktionieren, oder derart zu funktionieren, dass der numerische Löser keine globale optimale Lösung finden muss. Stattdessen kann die Experten-Engine diverse verschiedene Anlagenkonfigurationen definieren, die an sich lokal sind (d. h. bei denen einige der Anlageneinrichtungen ausgeschaltet oder derart anderweitig konfiguriert sind, dass sie nicht den ganzen möglichen Betriebsbereich der dieser Einrichtungen umfassen), und das Expertensystem kann dem Löser iterativ alle oder eine Teilgruppe dieser Konfigurationen bereitstellen, um eine optimale Lösung für jede dieser lokalen Konfigurationen zu bestimmen. Die Experten-Engine kann dann die Ergebnisse des numerischen Lösers vergleichen, wie sie für jede dieser lokalen Anlagenkonfigurationen bestimmt werden, um eine der Anlagenkonfigurationen auszuarbeiten, die auf gewisse Weise optimal ist. Die Regeln in der Experten-Engine können aufgestellt werden, um es dem Expertensystem zu ermöglichen, die lokalen Anlagenkonfigurationen zu ändern oder auszuwählen, die Analyse bestimmter lokaler Anlagenkonfigurationen basierend auf den Ausgaben des numerischen Lösers für andere lokale Konfigurationen zu übergehen. Wenn die Experten-Engine beispielsweise aus mehreren Durchgängen des numerischen Lösers bestimmt, dass das Hinzufügen von bestimmten Anlageneinrichtungen einer gewissen Art nur die Gesamtbetriebskosten erhöht, kann das Expertensystem die Analyse weiterer lokaler Konfigurationen, bei denen mehrere dieser Einrichtungen betriebsfähig sind, übergehen. Auf diese Art und Weise kann die Experten-Engine den numerischen Löser zum Analysieren und Finden von optimalen Lösungen für lokale Konfigurationen steuern, die verhindern, dass der numerische Löser mathematisch komplexe Modelle umsetzen muss, die verhindern, dass der numerische Löser eine große Anzahl von Anlagenkonfigurationen analysieren muss, wenn er eine optimale Konfiguration entwickelt, die verhindern, dass er Anlagenkonfigurationen oder Szenarien analysiert, die auf keinen Fall praktisch umzusetzen sind, basierend auf den aktuellen physikalischen oder betriebsmäßigen Einstellungen der Anlage oder basierend auf anderen Einrichtungskennzeichen, die in Erwägung zu ziehen sind, wenn eine betriebsfähige Lösung umgesetzt wird, usw. Natürlich kann das Expertensystem in manchen Fällen genügend Regeln aufweisen, um es der Experten-Engine zu ermöglichen, den Umfang von Anlagenkonfigurationen einzuschränken, die von dem numerischen Löser in Erwägung gezogen werden, so dass der numerische Löser nur einmal aufgerufen werden muss.
Ebenso ist eine Optimierungslösung auch gültig, wenn die ganzzahligen Variablen aus dem nicht linearen Problem entfernt werden können. Durch die Verwendung eines Expertensystems zum Aufbereiten von Daten und dann zum Aufrufen des numerischen Lösers, um mit den aufbereiteten Daten zu funktionieren, und durch die Auswertung der Ergebnisse unter Verwendung von weiteren Regeln der Experten-Engine können die Probleme der Optimierer nach dem Stand der Technik reduziert oder beseitigt werden. Somit ermöglichen es das zuvor beschriebene iterativ angeschlossene Expertensystem und der numerische Löser einem Optimierer, die Fähigkeit eines numerischen Lösers in ein Expertensystem zu integrieren, das diesen numerischen Löser je nach Bedarf aufrufen kann und das eine Aufbereitungs- und Nachverarbeitungslogik ausführt, die auf die Ergebnisse angewendet wird, die von dem numerischen Löser zurückgegeben werden, um eine optimale Lösung zu bestimmen, die für praktische Anwendungen gültig ist.
Als weiteres Beispiel kann das Integrieren eines numerischen Lösers in das Expertensystem beim Ausführen der Optimierung in einer Entsalzungsanlage 600, wie in 11 gezeigt, nützlich sein. Der Zweck der Optimierung, die in der Anlage 600 auszuführen ist, liegt darin, die optimalen Megawatt-(MW)Zuteilungen für eine Gruppe von Gasturbinengeneratoren (GTG) 602 und eine Gruppe von Dampfturbinengeneratoren (STG) 604 sowie die optimalen Kanalbrenner-Brennstoffzuteilungen für eine Gruppe von Dampfgeneratoren mit Wärmezurückgewinnung (HRSG) 606 zu bestimmen, so dass der Nettobedarf an Energie und Wasser der Anlage zu den geringstmöglichen Kosten gedeckt wird. Diese Optimierung erfordert die Bestimmung der Gruppe(n) von Einrichtungen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt und bei dem gegebenen Lastbedarf und unter den gegebenen Umgebungsbedingungen ein- und auszuschalten ist bzw. sind, sowie die Kosten von Rohmaterialien, wie etwa Erdgas und Ammoniak.
Wie es aus 11 hervorgeht, kann man sich die Entsalzungsanlage 600 vorstellen, wie sie vier Energieblöcke enthält, die 10 Entsalzungseinheiten 610 antreiben, wobei jeder Energieblock zwei GTGs 602, zwei HRSGs 606 und einen einzigen STG 604 umfasst. Jeder GTG 602 weist einen Ansaugluftverdampfer auf, der verwendet werden kann, um die Ansauglufttemperatur des Kompressors zu verringern, was die MW-Kapazität des GTG 604 erhöht. Die heißen Abgase jedes GTG 602 speisen einen damit verbundenen HRSG 606, und jeder HRSG 606 verfügt über eine ergänzende Brennstoffbefeuerung, so dass zusätzliches Brennstoffgas verbrannt werden kann, um die Dampfmenge zu erhöhen, die von dem HRSG 606 produziert wird. Die HRSGs 606 der vier Energieblöcke speisen ein gemeinsames Hochdruck-Dampfsammelrohr 612. Die theoretischen Bedingungen dieses Dampfsammelrohrs 612 können 101 bara und 566 Grad Celsius sein. Wie es ersichtlich werden wird, sind drei Isolierventile 614 in dem Sammelrohr 612 nacheinander angeordnet, damit das Sammelrohr 612 in vier getrennte Teileinheiten unterteilt werden kann.

Wie in 11 abgebildet, sind die STGs 604 zudem jeweils an einen der Teilabschnitte des HP-Dampfsammelrohrs 612 angeschlossen und stellen einem Zwischendruck-(IP)Dampfsammelrohr 620 und einem Niederdruck-(LP)Dampfsammelrohr 622 Dampf bereit. Ähnlich wie das HP-Dampfsammelrohr 612 können das IP-Dampfsammelrohr 620 und das LP-Dampfsammelrohr 622 unter Verwendung von drei Isolierventilen 624 und drei Isolierventilen 626, die jeweils in den Sammelrohren 620 und 622 nacheinander angeordnet sind, in bis zu vier getrennte Teilabschnitte unterteilt werden. Zudem umfasst eine Gruppe von Druckreduzierventilen (PRV) 630 ein PRV 630, das zwischen jedem der Teilabschnitte des HP-Sammelrohrs 612 und der Teilabschnitte des IP-Sammelrohrs 620 angeordnet ist, während eine Gruppe von PRVs 632 ein PRV 632 umfasst, das zwischen jedem der Teilabschnitte des HP-Sammelrohrs 612 und des LP-Sammelrohrs 622 angeordnet ist. Es versteht sich, dass es die Isolierventile 614, 624 und 626 und die PRVs 630 und 632 ermöglichen, die Anlage 600 in bis zu vier Energieblöcke zu unterteilen, welche die Entsalzungseinheiten 610 betreiben. Beispielsweise ist das Steuersystem derart ausgelegt, dass jeder der HRSGs 606 dem STG 604 in seinem jeweiligen Energieblock Dampf zuführt. Insbesondere muss der Dampf, der für die Drosselklappe des STG13 erforderlich ist, von dem HRSG11 oder HRSG12 in 11 zugeführt werden, wenn die Isolierventile 614 geschlossen sind. Wenn HRSG11 und HRSG12 außer Betrieb sind, dann kann der STG13 nicht laufen (wenn man wieder davon ausgeht, dass die Ventile 614 geschlossen sind). Zudem speisen die IP- und LP-Extraktionen auf den STGs 604 und den Druckreduzierstationen in den Energieblöcken die IP- und LP-Dampfsammelrohre, so dass jeder der vier Energieblöcke einen Teilabschnitt von jedem des HP-Sammelrohrs 612, des IP-Sammelrohrs 620 und des LP-Sammelrohrs 622 umfasst. Die Entsalzungseinheiten 610 verbrauchen IP- und LP-Dampf aus den Sammelrohren 620 und 622. Ein gemeinsamer Betrieb kann darin bestehen, dass die Energieblöcke 1 und 3 normalerweise jeweils drei Entsalzungseinheiten 610 Dampf zuführen, und dass die Energieblöcke 2 und 4 jeweils zwei Entsalzungseinheiten 610 Dampf zuführen. Zu jeder bestimmten Zeit kann jedoch eine beliebige Kombination von Entsalzungseinheiten 610 in Betrieb sein, und die laufenden Energieblöcke werden eingestellt, um sicherzustellen, dass der Bedarf an IP- und LP-Dampf für diese Einheiten gedeckt wird. Diese normale Konfiguration bedeutet auch, dass eines oder alle der Ventile 624 und 626 in den HP-, IP- und LP-Sammelrohren geöffnet werden kann. Daraufhin sind aufgrund der Positionen der Isolierventile 624 und 626 in den IP- und LP-Sammelrohren acht Konfigurationen möglich, wie es in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigt wird (wenn man davon ausgeht, dass die Isolierventile 614 immer geschlossen bleiben). Dabei geht man auch davon aus, dass die Isolierventile 624 und 626 zwischen den diversen Teilabschnitten zusammen betrieben werden, so dass die Ventile 624 und 626 zwischen dem ersten Energieabschnitt und dem zweiten Energieabschnitt zusammen geöffnet oder geschlossen werden. Natürlich wäre dies nicht immer unbedingt der Fall.

KONFIGURATION	PB1–PB2 VENTIL	PB2–PB3 VENTIL	PB3–PB4 VENTIL
FALL 0	AUF	AUF	AUF
FALL 1	AUF	AUF	ZU
FALL 2	AUF	ZU	AUF
FALL 3	AUF	ZU	ZU
FALL 4	ZU	AUF	AUF
FALL 5	ZU	AUF	ZU
FALL 6	ZU	ZU	AUF
FALL 7	ZU	ZU	ZU

Tabelle 2

Zudem enthält jeder HRSG 606 ein SCR-System, um zur Reduzierung der NO_x-Emissionen beizutragen. Wässriges Ammoniak wird automatisch eingespritzt, so dass die produzierte NO_x-Menge dem erforderlichen Sollwert entspricht. Typischerweise beträgt dieser Sollwert 9 ppm, wenn ein GTG 602 mit einer Belastung von mehr als 60% betrieben wird. Das Optimierungsprogramm, das auf dem numerischen Löser läuft, funktioniert, um den Ammoniakdurchsatz für jede SCR-Einheit zu berechnen, und zieht die Ammoniakkosten bei der objektiven Funktion in Erwägung. Zudem wird, wie in 11 abgebildet, die Drosselklappe für jede STG-Einheit 604 von dem HP-Sammelrohr 612 gespeist, und jeder STG 604 enthält eine IP- und eine LP-Dampfextraktion und einen Kondensator. Der STG 604 muss jedoch bei einer Belastung von 50% oder mehr liegen, bevor die LP-Extraktion in Betrieb genommen werden kann.
Wie in 11 abgebildet, wird der IP-Dampf von allen STGs 604 in ein gemeinsames Sammelrohr 620 eingespeist. IP-Dampf kann auch in dem Sammelrohr 620 produziert werden, indem Dampf durch die PRVs 630 der Druckreduzierstationen gegeben wird. IP-Dampf wird an die Entsalzungseinheiten 610 gesendet, und ein Teil des IP-Dampfes ist für das Turbinendichtungssystem, den Dampfstrahler und die Entgasung während des Anfahrens der HRSGs 606 erforderlich, um die Anfahrzeit zu reduzieren.
Ebenso wird der LP-Dampf aus allen STGs 604 in ein gemeinsames Sammelrohr 622 eingespeist. Der LP-Dampf am Sammelrohr 622 kann auch erzielt werden, indem man HP-Dampf durch die Druckreduzierventile PRVs 632 gibt. Der LP-Dampf ist auch für die Entsalzungseinheiten 610 erforderlich.
Bei einem Beispiel ist die Entsalzungsanlage 600 für eine Nettoleistungsabgabe von 2730 MW und eine Nettowasserkapazität von 63 Millionen Gallonen pro Tag (MIGD) unter den nachstehend aufgeführten Referenzbedingungen ausgelegt:

• Umgebungslufttemperatur – 50°C
• Relative Feuchtigkeit – 35%
• Luftdruck – 1013 mbar
• Höhe < 10 m
• Meerwasser-Zufuhrtemperatur – 35°C

Die Anlage 600 kann eine Nettowasserkapazität von 63 MIGD produzieren, wenn der gesamte LP-Dampfzuführdurchsatz bei 1105 t/Std. (Tonnen/Stunde) auf einem Druck von 3,2 bara bei einer Temperatur von 135,8°C liegt. Dabei beträgt die Meerwasser-Ansaugtemperatur 35°C. Die Energieanlage 600 und die Entsalzungsanlage sind miteinander verbunden, obwohl sie als getrennte Einheiten funktionieren. Eine Entsalzungseinheit 610 läuft immer mit einer Belastung zwischen 60% und 100%, wenn sie in Betrieb ist. Die optimale Belastung liegt bei 100%. Wenn sich eine Entsalzungseinheit 610 im Lastbereich von 60% bis 100% befindet, beträgt die IP-Dampfmenge, die sie erfordert, 6,1 t/Std. Diese Menge bleibt über den Belastungsbereich konstant. Der LP-Dampfbedarf variiert, ist aber direkt proportional zur Wasserproduktion der Entsalzungseinheit. Eine Entsalzungseinheit 610 mit einer Wasserproduktion von 100% ist gleich 6,49 MIGD, und diese Belastung erfordert einen LP-Dampfdurchsatz von 110,5 t/Std. (10% des Maximums). Diese lineare Beziehung wird verwendet, um die LP-Dampfmenge zu berechnen, die von jeder Entsalzungseinheit 610 erfordert wird.
Diese Anlagenanwendung hat gewisse Probleme, die ähnlich wie das Universitätsbeispiel sind, indem es ganzzahlige Variablen gibt, um zu bestimmen, welche Einrichtungen ein- oder auszuschalten sind. Somit wird das Problem von binären Variablen in das Optimierungsproblem eingeführt. Es gibt jedoch in diesem Fall ein anderes Problem, das durch Auflagen verursacht wird. Insbesondere weist die Anlage 600 eine Betriebsauflage auf, die darin besteht, dass, wenn sich zwei GTGs 602 in demselben Energieblock in einem kombinierten Zyklusmodus befinden (d. h. sowohl der GTG 602 als auch der damit verbundene HRSG 606 sind eingeschaltet), die GTGs 602 dann gleichartig belastet sein müssen, und die Kanalbefeuerung an den HRSGs 606 ebenfalls gleich sein muss. Wenn sich die beiden Maschinen nicht in einem kombinierten Zyklus befinden, dann können sie mit unterschiedlichen Lasten betrieben werden. Somit braucht das Optimierungsproblem nur zu wissen, ob der GTG 602 und der HRSG 606 beide laufen, und wenn ja, dann muss es die verschiedenen Einheiten in demselben Energieblock einstellen, damit sie gleiche Lasten abgeben. Wenn ein herkömmlicher Optimierer verwendet würde, um zu bestimmen, welche Einrichtungen einzuschalten sind, wäre es notwendig, eine bedingte Anweisung auf die Auflage anzuwenden, je nachdem, ob der Optimierer sich entschieden hätte, sowohl die GTGs 602 als auch die HRSGs 606 in einem Energieblock in einen kombinierten Zyklusmodus zu versetzen. Es ist jedoch nicht möglich, eine bedingte Auflage in einem herkömmlichen Optimierer zu haben, da alle Auflagen festgelegt sein müssen, bevor der Löser startet. Sonst würden sich die Regeln ändern, während der numerische Löser läuft, und der Löser würde niemals konvergieren.
In diesem Fall kann das hier beschriebene Expertensystem verwendet werden, um eine Logik bereitzustellen, die vor dem Lösen bestimmt, ob sich die beiden Einheiten in einem Energieblock in einem kombinierten Zyklusmodus befinden sollten oder nicht. Auf diese Art und Weise kann die Auflage bestimmt werden, bevor der numerische Löser aufgerufen wird, um eine endgültige Optimierung auszuführen. In manchen Fällen kann das Expertensystem über eine ausreichende Logik oder Regeln verfügen, um zu bestimmen, ob der kombinierte Zyklusmodus zu verwenden ist oder nicht, bevor der numerische Löser aufgerufen wird. In anderen Fällen kann das Expertensystem den numerischen Löser ein- oder zweimal aufrufen, um zu bestimmen, ob es besser ist, den kombinierten Zyklusmodus zu verwenden oder nicht, und nachdem diese Bestimmung erfolgt ist, den numerischen Löser mit einer Gruppe von Anlagenkonfigurationsparametern aufrufen, die den identifizierten Modus umsetzen, um einen optimalen Anlagenbetriebspunkt unter Verwendung dieses Modus zu bestimmen. Somit kann das Expertensystem in diesem Fall iterativ verschiedene Anlagenkonfigurationen für den numerischen Löser bereitstellen, wozu Konfigurationen, die den kombinierten Zyklusmodus verwenden, und Konfigurationen, die den kombinierten Modus in diversen Energieblöcken nicht verwenden, gehören, um dadurch den numerischen Löser zu steuern, damit er nach einem lokalen Optimum auflöst. Indem sie den numerischen Löser mit verschiedenen Anlagenkonfigurationen, die den kombinierten Zyklusmodus verwenden, und denen, die das nicht tun, iterativ aufruft, kann die Experten-Engine somit zuerst bestimmen, ob die Anlage angesichts der aktuellen Bedingungen und Lastbedürfnisse unter Verwendung eines kombinierten Zyklusmodus oder nicht zu betreiben ist. Anschließend kann das Expertensystem den numerischen Löser dazu veranlassen, eine optimale Lösung auszuarbeiten, die entweder einen kombinierten Zyklusmodus verwendet oder nicht, basierend auf den Ergebnissen der anfänglichen Durchgänge des numerischen Lösers, der nach diesem allgemeinen oder anfänglichen Anlagenkonfigurationsparameter auflöst oder diesen bestimmt. Alternativ könnte das Expertensystem Regeln speichern, die es ihm ermöglichen, basierend auf anderen Bedingungen, wie etwa Anlagenbedingungen, Umgebungsbedingungen, Bedarf, usw., zu bestimmen, ob ein bestimmter Energieblock in einem kombinierten Zyklusmodus laufen soll oder nicht, und kann dann die Lösungen, die von dem numerischen Löser in Erwägung gezogen werden, auf diese Anlagenkonfigurationen einschränken, wodurch das Optimierungsproblem eingeschränkt wird, das von dem numerischen Löser gelöst wird.
12 und 13 bilden zwei verschiedene Verfahren zum Konfigurieren eines Optimierers 700 ab, der über ein Expertensystem verfügt, das iterativ einen numerischen Löser aufruft, um dadurch die zuvor beschriebenen Optimierungstechniken umzusetzen. Wie in 12 und 13 zu sehen ist, umfasst der Optimierer 700 ein Expertensystem 702, das mit einem numerischen Löser 704 gekoppelt ist und mit einem Anlagenbetriebssystem 706 gekoppelt ist. Das Anlagenbetriebssystem 706, das ein Anlagensteuersystem beliebiger gewünschter Art, eine Benutzerschnittstelle, usw., sein kann, stellt Informationen als aktuelle Anlagenkonfiguration oder Anlagenbedingungen bereit, zu denen beispielsweise Anlageneinstellungen, Einrichtungsbedingungen, z. B. Ventilpositionen oder -einstellungen, gehören, wobei diese Einrichtungen innerhalb der Anlage derzeit betriebsfähig sind, usw. Das Steuersystem 706 stellt dem Expertensystem 702 auch die umgebenden Anlagenbedingungen und Kosteninformationen bereit, die Kosten definieren, wie etwa die aktuellen Ammoniakkosten, Stromnetzkosten, Gaskosten und andere Materialkosten, die mit den Energieerzeugungseinrichtungen zum Betreiben der Entsalzungseinheiten 110 aus 11 verbunden sind. Ferner stellt das Steuersystem 706 dem Expertensystem 702 den Anlagenbedarf bereit, wie etwa die Menge von entsalztem Wasser, Leistungsabgaben, gegebenenfalls Dampfbedarf, usw. Das Expertensystem 702 verwendet dann diese Daten, um beispielsweise eine oder mehrere lokale oder nicht globale Anlagenkonfigurationen zu bestimmen, die dem numerischen Löser 704 bereitzustellen sind, um sie als Teil der Bestimmung von Kosten zu analysieren, die mit dieser lokalen Anlageneinstellung oder -konfiguration verbunden sind.
Beispielsweise kann die Experten-Engine 702 dem numerischen Löser 704 eine Anlagenkonfiguration bereitstellen, die als zu optimierende Anlagenkonfiguration entweder in einer oder mehreren der Energieeinheiten einen kombinierten Zyklusmodus verwendet oder nicht oder andere Ein/Aus-Variablen in den Energieeinheiten einstellen kann (wodurch definiert wird, ob gewisse Einrichtungen laufen sollen oder nicht). Das Expertensystem 702 kann diese Konfigurationen unter der Verwendung von Regeln bestimmen, welche die zuvor beschriebenen Betriebsauflagen oder Wechselbeziehungen umsetzen oder definieren, die auf die Anlage anwendbar sind und auf dem allgemeinen Wissen basieren, wie viele Energieeinheiten mindestens laufen müssen, um den Mindestlastbedarf zu decken. Auf jeden Fall kann der numerische Löser 704 dann die Anlagenkonfiguration optimieren, die von dem Expertensystem bereitgestellt wird, wobei jedes der acht möglichen verschiedenen Modelle bzw. jede der Einstellungen der Isolierventile in der Anlage, wie sie in der Tabelle 2 definiert sind, berücksichtigt wird, um allgemein zu bestimmen, welche Einstellung oder welches Modell angesichts des Lastbedarfs und der aktuellen Anlagenkonfigurationen optimal ist. Das Expertensystem 702 kann gegebenenfalls den numerischen Löser 704 steuern, damit er alle oder eine Teilgruppe der möglichen Konfigurationen gegebenenfalls in Erwägung zieht, um das Optimierungsproblem einzuschränken, das von dem numerischen Löser in einem einzigen Durchgang gelöst wird. Beispielsweise kann das Expertensystem 702 wissen, dass gewisse Einrichtungen in einem Energieblock nicht zur Verwendung verfügbar sind, oder kann wissen, dass gewisse Entsalzungseinheiten 610 nicht betrieben werden, und diese Informationen können die möglichen Einstellungen der Isolierventile der Anlage 600 auf eine Teilgruppe von denjenigen einschränken, die in der Tabelle 2 definiert sind. Dieser Vorgang begrenzt oder beschränkt dann die mathematische Arbeitslast des numerischen Lösers 704.
Auf jeden Fall kann der numerische Löser 704, wie in 12 abgebildet, eine Vielzahl von Prozessmodellen umfassen, die eine Gruppe von groben Modellen 710 und eine Gruppe von feinen Modellen 712 umfassen. Die groben Modelle 710 können beispielsweise weniger präzise oder weniger genaue Modelle sein, können jedoch mathematisch einfacher umzusetzen sein, während die feinen Modelle 712 präziser oder genauer sein können, aber mathematisch komplizierter sein können. Beispielsweise können die groben Modelle 710 lineare Modelle oder Näherungsmodelle erster Ordnung sein, während die feinen Modelle 712 nicht lineare Modelle sein können, wie etwa Modelle zweiter oder dritter Ordnung, komplexe erste Prinzipmodelle oder eine beliebige andere Modellart, die den Betrieb der Anlageneinrichtungen genau wiedergibt. Zusätzlich oder alternativ können sich die groben und feinen Modelle 710 und 712 dadurch unterscheiden, dass sie unter Verwendung von verschiedenen Auflagen betrieben werden können, wobei die groben Modelle 710 lockerere oder weniger strenge Auflagen und die feinen Modelle 712 strengere Auflagen umsetzen. Es versteht sich, dass die Verwendung von verschiedenen Modellen in dem numerischen Löser 704 in verschiedenen Iterationen in die Anfangsstadien der Entwicklung einer globalen optimalen Anlageneinstellung es dem numerischen Löser 704 ermöglicht, schneller zu laufen oder optimale Lösungen einfacher zu finden, und in den späteren Stadien der iterativen Optimierung feinere oder präzisere Modelle zu verwenden, um eine genauere endgültige Lösung bereitzustellen.
Bei dem Fall aus 12 kann das Expertensystem 702 dem numerischen Löser 704 zu verschiedenen Zeitpunkten iterativ verschiedene potentielle Konfigurationen oder zu lösende Probleme bereitstellen und kann die Ergebnissen dieser Optimierungsprobleme empfangen (wie es die mit 1 und 2 markierten Pfeile definieren). Das Expertensystem 702 kann die Ergebnisse von vorhergehenden Löserausgaben verwenden, um neue oder präzisere Auflagen oder Konfigurationen von Anlageneinrichtungen bei den nachfolgenden Aufrufen des numerischen Lösers zu entwickeln. Beispielsweise kann das Expertensystem 702 anfänglich über einen oder mehrere Aufrufe des numerischen Lösers 704 bestimmen, ob es besser ist, einen kombinierten Zyklusmodus für die Energieeinrichtungen in einem oder mehreren Energieabschnitten des Kraftwerks 600 zu verwenden oder nicht, und nachdem diese Bestimmung vorgenommen wurde, die nachfolgenden Aufrufe des numerischen Lösers verwenden, um eine bestimmte Konfiguration von Anlageneinrichtungen auszuarbeiten oder zu identifizieren, die unter Verwendung des bestimmten Modus dieser Energieeinheiten optimal ist. Ebenso kann das Expertensystem 702 weniger strenge Auflagen bei den anfänglichen Aufrufen des numerischen Lösers 704 bereitstellen und kann diese Auflagen im Laufe der Zeit verschärfen.
Wie es insbesondere durch die Pfeile 3 und 4 in 12 abgebildet wird, kann die Experten-Engine 702 nach der Entwicklung einer beschränkten Gruppe von zu verwendenden potentiellen Anlagenkonfigurationen bestimmen, welche die beste ist oder welche Einstellungen der Anlageneinrichtungen zu verwenden sind, basierend auf einem oder mehreren Aufrufen des numerischen Lösers 702, der die feineren Modelle 712 verwendet.
Natürlich kann das Expertensystem 702 die Ausgaben des numerischen Lösers 704 unter Verwendung von Regeln und Aktionen analysieren, um die tatsächlichen Anlageneinstellungen zu bestimmen (z. B. die genauen Anlageneinrichtungen und die Einstellungen dafür) zu bestimmen, um die optimale Konfiguration umzusetzen, wie sie von dem Expertensystem 702 und dem numerischen Löser 704 bestimmt wird. Diese Nachverarbeitung kann Sicherheit, Einrichtungsnutzung und andere praktische Erwägungen berücksichtigen, wenn bestimmt wird, wie die Anlage zu betreiben ist, um eine optimale Lösung umzusetzen.
Auf jeden Fall kann das Expertensystem 702 im Endeffekt dem Anlagensteuersystem 706 die optimale Konfiguration bzw. die Einstellungen der Anlagenbelastung bereitstellen, wie es durch den Pfeil 5 angegeben wird. Wie in 12 angegeben, kann der Anlagen-Controller oder das Betriebssystem 706 in einem automatischen Modus betrieben werden, in dem er bzw. es die Konfiguration bzw. die Einstellungen der Anlage, wie sie von dem Expertensystem 702 bereitgestellt wird bzw. werden, automatisch umsetzt, oder kann in einen Beratungsmodus versetzt werden, in dem beispielweise die endgültige Anlagenkonfiguration, die von dem Expertensystem 702 (bei Pfeil 5) bereitgestellt wird, einem Benutzer bereitgestellt wird, der diese zu genehmigen hat, bevor sie umgesetzt wird (z. B. so dass die Ausgabe des Expertensystems 702 in einem manuellen Modus oder einem anderen nicht automatischen Modus umgesetzt wird).
Der Optimierer aus 13 ist ähnlich aber geringfügig anders als derjenige aus 12, indem eine einzige Gruppe von umfassenden Modellen 716 in dem numerischen Löser 704 anstelle einer Gruppe von groben und feinen Modelle verwendet wird. In diesem Fall kann das Expertensystem 702 kann die Auflagen der Modelle 716 während einer oder mehreren verschiedenen Iterationen ändern, um auf eine endgültige optimale Lösung hinzusteuern oder diese auszuarbeiten. Im Allgemeinen kann die Experten-Engine 702 bei der Konfiguration aus 13 eine ausreichende Logik speichern, die in der Lage ist, eine ausreichende Aufbereitung der Anlagendaten auszuführen, um das Optimierungsproblem einzuschränken, so dass nur ein Aufruf des numerischen Lösers notwendig ist. Dies wird beispielhaft durch die Pfeile 1 und 2 abgebildet, wobei das Expertensystem 702 bei Pfeil 1 eine Gruppe von aufbereiteten Daten als Eingaben für den numerischen Löser bereitstellt, die das Optimierungsproblem einschränkt, das von dem Optimierer gelöst werden soll, so dass es nur eine beschränkte Anzahl von binären Variablen gibt, die in Erwägung gezogen werden müssen, und so dass es keine bedingten Formulierungen gibt. In diesem Fall kann der numerische Löser 704 einmal laufen, um eine optimale Lösung zu finden, und diese Lösung der Experten-Engine 702 bereitstellen (bei Pfeil 2). Das Expertensystem 702 führt dann eine Nachverarbeitung an diesen zurückgegebenen Daten aus, um eine praktische oder tatsächliche Lösung für den Betrieb der Anlage zu entwickeln, die dem Anlagensteuersystem bei Pfeil 5 bereitgestellt wird.
Es versteht sich, dass die Modelle 710, 712 und 716 auf beliebige Art und Weise bestimmt werden können, wozu die Verwendung von immunologischen Verfahren, Neuronennetz-Verfahren, statistischen Verfahren, Regressionsanalyse-Verfahren, usw. gehören. Zudem ist es durch die Kombination eines Expertensystems mit einem numerischen Löser und die Verwendung des numerischen Lösers als aufrufbare Routine, wie oben beschrieben, möglich, komplexe Optimierungsprobleme mühelos durch das Wissen eines Expertensystems einzuschränken und eine Optimierung auf eine Art und Weise bereitzustellen, die Lösungen praktisch ändern und entwickeln kann, und die in der Lage ist, Änderungen schnell zu einer optimalen Lösung zu entwickeln und darin zu integrieren. Somit ermöglicht es der hier beschriebene Lösungsansatz der Experten-Engine, die Ergebnisse des numerischen Lösers genau zu untersuchen, so dass Entscheidungen weiterentwickelt und eingeschränkt werden können, und neue Eingaben zu verwenden, um zusätzliche abhängige Prozessentscheidungen mit der Zeit während des Optimierungsprozesses zu entwickeln.
Obwohl der vorstehende Text eine ausführliche Beschreibung von zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung darlegt, versteht es sich, dass der Umfang der Erfindung durch die Formulierung der Ansprüche definiert ist, die am Ende dieses Patents dargelegt werden. Die ausführliche Beschreibung ist rein beispielhaft auszulegen und beschreibt nicht jede mögliche Ausführungsform der Erfindung, weil eine Beschreibung aller möglichen Ausführungsformen unpraktisch oder gar unmöglich wäre. Es könnten zahlreiche alternative Ausführungsformen umgesetzt werden, unter Verwendung entweder einer aktuellen Technologie oder einer Technologie, die nach dem Einreichungstag des vorliegenden Patents entwickelt wird, die trotzdem zum Umfang der die Erfindung definierenden Ansprüche gehören würde.
Somit können zahlreiche Änderungen und Variationen an den hier beschriebenen und abgebildeten Techniken und Strukturen vorgenommen werden, ohne Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Entsprechend versteht es sich, dass die hier beschriebenen Verfahren und Geräte rein beispielhaft sind und den Umfang der Erfindung nicht einschränken.

Claims

Energieverwaltungssystem zur Verwendung beim Betreiben einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, wobei das Energieverwaltungssystem Folgendes umfasst: einen numerischen Löser, der eine objektive Funktion umfasst, wobei der numerische Löser auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung funktioniert, welche die objektive Funktion verwendet, um jede einer Vielzahl von Anlagenbetriebskonfigurationen zu analysieren, die mit verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, um eine optimale Betriebskonfiguration zu bestimmen, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, wobei die objektive Funktion die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in Erwägung zieht, die mit den verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind; und eine Experten-Engine, die eine Gruppe von Regeln speichert und welche die Gruppe von Regeln auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung umsetzt, um einen oder mehrere Betriebswerte für die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten zu bestimmen, die mit dem Betrieb der Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, um die optimale Betriebskonfiguration umzusetzen, wobei die Experten-Engine Signale ausgibt, die den Lastabwurf und die Lastherstellung angeben, die auszuführen sind, um die optimale Betriebskonfiguration umzusetzen.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Gruppe von Einrichtungsmodellen, die den Betrieb von Einrichtungen innerhalb der Anlage modellieren, und wobei der numerische Löser die Einrichtungsmodelle verwendet, um den Betrieb der Anlage bei jeder der verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten vorherzusagen.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei der numerische Löser eine Gruppe von Auflagen empfängt, die mit Betriebsgrenzen der Anlageneinrichtungen verbunden sind, die jede der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten umfassen, und wobei der numerische Löser die verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten als Anlagenbetriebspunkte, die keine der Gruppe von Auflagen verletzt, bestimmt.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 3, wobei die Experten-Engine eine oder mehrere der Gruppe von Auflagen basierend auf den Regeln in der Experten-Engine bestimmt und dem numerischen Löser die eine oder die mehreren Auflage(n) der Gruppe von Auflagen bereitstellt.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei der numerische Löser eine Gruppe von Auflagen, die mit Betriebsgrenzen von Anlageneinrichtungen verbunden sind, eine Gruppe von Umgebungsbedingungen, die mit dem Betrieb der Anlageneinrichtungen verbunden sind, und eine Lastanforderung der Anlage empfängt, und wobei der numerische Löser die verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten als Anlagenbetriebspunkte bestimmt, bei denen die Anlage unter den Umgebungsbedingungen funktioniert, um die Lastanforderung zu produzieren, ohne eine der Gruppe von Auflagen zu verletzen.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage minimiert.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei eine der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten eine Energiespeichereinheit umfasst, und wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren, und das Speichern von Energie in der Energiespeichereinheit während eines ersten Teils des spezifischen Zeitraums und das Abgeben von Energie aus der Speichereinheit während eines zweiten Teils des spezifischen Zeitraums in Erwägung zieht.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage berücksichtigt werden.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage berücksichtigt werden.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum berücksichtigt werden, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei eine der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten eine Energiespeichereinheit umfasst, und wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum berücksichtigt werden, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren, und das Speichern von Energie in der Energiespeichereinheit während eines ersten Teils des spezifischen Zeitraums und das Abgeben von Energie aus der Speichereinheit während eines zweiten Teils des spezifischen Zeitraums in Erwägung zieht.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten einen ersten Energieproduzenten, der Energie in einer ersten Form produziert, und einen zweiten Energieproduzenten, der Energie in einer zweiten Form produziert, die sich von der ersten Form unterscheidet, umfasst.
Energieverwaltungssystem nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten einen ersten Energieproduzenten, der Energie in einer ersten Form produziert, und einen zweiten Energieproduzenten, der Energie in einer zweiten Form speichert, umfasst.
Anlagenverwaltungssystem zur Verwendung beim Betreiben einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, wobei das Anlagenverwaltungssystem Folgendes umfasst: eine Experten-Engine, die eine Gruppe von Regeln speichert und welche die Gruppe von Regeln auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung umsetzt, um ein Anlagenbetriebsszenario oder mehrere Anlagenbetriebsszenarien zum Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten innerhalb der Anlage zu bestimmen, wobei das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien verschiedene Konfigurationen von Lastabwurf und Lastherstellung innerhalb der Anlage umfasst bzw. umfassen; und einen numerischen Löser, der mit der Experten-Engine gekoppelt ist, wobei der numerische Löser eine objektive Funktion umfasst, wobei der numerische Löser auf einer Computer-Verarbeitungsvorrichtung funktioniert, um das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien zu analysieren und um eine oder mehrere optimale Anlagenbetriebskonfigurationen zu bestimmen, welche die objektive Funktion für das eine Anlagenbetriebsszenario oder die mehreren Anlagenbetriebsszenarien am besten erfüllt bzw. erfüllen, wobei der numerische Löser die objektive Funktion verwendet, um die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in Erwägung zu ziehen, die mit verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, die mit dem einen Anlagenbetriebsszenario oder den mehreren Anlagenbetriebsszenarien verbunden sind.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die Experten-Engine die eine oder die mehreren optimalen Anlagenbetriebskonfigurationen analysiert, um eine Betriebskonfiguration zu bestimmen, um die Anlage zu betreiben.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 17, wobei die Experten-Engine Signale, die auf der bestimmten Betriebskonfiguration basieren, einem Anlagen-Controller bereitstellt, der die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage steuert, damit sie gemäß der bestimmten Betriebskonfiguration funktionieren.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 17, wobei die Experten-Engine Signale, welche die bestimmte Betriebskonfiguration angeben, einem Benutzer über eine Benutzerschnittstellenvorrichtung bereitstellt.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, ferner umfassend eine Gruppe von Einrichtungsmodellen, die den Betrieb von Einrichtungen innerhalb der Anlage modellieren, und wobei der numerische Löser die Einrichtungsmodelle verwendet, um den Betrieb der Anlage bei jeder der verschiedenen Betriebskonfigurationen der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit dem einen Anlagenbetriebsszenario oder den mehreren Anlagenbetriebsszenarien verbunden sind, vorherzusagen.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei der numerische Löser eine Gruppe von Auflagen empfängt, die mit Betriebsgrenzen von Anlageneinrichtungen verbunden sind, die jede der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten umfassen, und wobei der numerische Löser die eine oder die mehreren optimalen Anlagenbetriebskonfigurationen als Anlagenbetriebspunkte bestimmt, die keine der Gruppe von Auflagen verletzen.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 21, wobei die Experten-Engine eine oder mehrere der Gruppe von Auflagen basierend auf den Regeln in der Experten-Engine bestimmt und die bestimmte eine oder die bestimmten mehreren Gruppen von Auflagen dem numerischen Löser bereitstellt.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei der numerische Löser eine Gruppe von Auflagen, die mit Betriebsgrenzen von Anlageneinrichtungen verbunden sind, eine Gruppe von Umgebungsbedingungen, die mit dem Betrieb der Anlageneinrichtungen verbunden sind, und eine Lastanforderung der Anlage empfängt, und wobei der numerische Löser die eine oder die mehreren optimalen Anlagenbetriebskonfigurationen als Anlagenbetriebspunkte bestimmt, bei denen die Anlage unter den Umgebungsbedingungen funktioniert, um die Lastanforderung zu produzieren, ohne eine der Gruppe von Auflagen zu verletzen.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage minimiert.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei eine der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten eine Energiespeichereinheit umfasst, und wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren, und wobei die Experten-Engine ein Anlagenbetriebsszenario bereitstellt, das während eines ersten Teils des spezifischen Zeitraums Energie in der Energiespeichereinheit speichert und während eines zweiten Teils des spezifischen Zeitraums Energie aus der Speichereinheit abgibt.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage berücksichtigt werden.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage berücksichtigt werden.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg berücksichtigt werden, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei eine der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten eine Energiespeichereinheit umfasst, und wobei die objektive Funktion eine Art der Auswertung eines Anlagenbetriebspunktes als einen Punkt vorgibt, der die Erlöse der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg maximiert, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg berücksichtigt werden, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren, und wobei die Experten-Engine ein Anlagenbetriebsszenario bestimmt, das während eines ersten Teils des spezifischen Zeitraums Energie in der Energiespeichereinheit speichert, und das während eines zweiten Teils des spezifischen Zeitraums Energie aus der Speichereinheit abgibt.
Anlagenverwaltungssystem nach Anspruch 16, wobei die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten einen ersten Energieproduzenten, der Energie in einer ersten Form produziert, und einen zweiten Energieproduzenten, der Energie in einer zweiten Form produziert, die sich von der ersten Form unterscheidet, umfasst.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage mit einer Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit einer oder mehreren Lasten gekoppelt sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verwenden einer Computervorrichtung, um eine Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien zu bestimmen, wobei jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien eine Art des Betreibens der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage vorgibt; Verwenden einer Computervorrichtung, um jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion zu analysieren, um eine bestimmte Anlagenkonfiguration zu bestimmen, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, wobei die objektive Funktion die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten, die mit jedem der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien verbunden sind, in Erwägung zieht; Bestimmen einer speziellen Gruppe von Anlagensteuerungszielwerten, die beim Steuern der Anlage basierend auf der bestimmten speziellen Anlagenkonfiguration zu verwenden sind, wobei die spezielle Gruppe von Anlagensteuerungszielwerten angestrebte Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage umfasst; und Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten für die Anlage in Form von Signalen für Lastabwurf und Lastherstellung.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten für die Anlage das Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten für einen Anlagen-Controller umfasst, der die Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage steuert, damit sie gemäß der bestimmten speziellen Anlagenkonfiguration funktionieren.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten für die Anlage das Bereitstellen der angestrebten Betriebswerte zur Verwendung beim Betreiben der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten für einen Benutzer über eine Benutzerschnittstellenvorrichtung umfasst.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien das Verwenden einer objektiven Funktion unter Verwendung einer Gruppe von Einrichtungsmodellen umfasst, die den Betrieb von Einrichtungen innerhalb der Anlage modellieren, um den Betrieb der Anlage für jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien vorherzusagen.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Empfangen einer Gruppe von Auflagen, die mit Betriebsgrenzen von Anlageneinrichtungen verbunden sind, die jede der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten umfassen, und das Bestimmen der speziellen Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als eine Betriebskonfiguration, die keine der Gruppe von Auflagen verletzt, umfasst.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien das Verwenden einer objektiven Funktion unter Verwendung einer Gruppe von Auflagen, die mit Betriebsgrenzen von Anlageneinrichtungen verbunden sind, einer Gruppe von Umgebungsbedingungen, die mit dem Betrieb der Anlageneinrichtungen verbunden sind, und einer Lastanforderung der Anlage und das Bestimmen der speziellen Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als eine Betriebskonfiguration, bei der die Anlage unter den Umgebungsbedingungen funktioniert, um die Lastanforderung zu produzieren, ohne eine der Gruppe von Auflagen zu verletzen, umfasst.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Verwenden der objektiven Funktion umfasst, um die spezielle Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als einen Anlagenbetriebspunkt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage minimiert, zu bestimmen.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Verwenden der objektiven Funktion umfasst, um die spezielle Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als einen Anlagenbetriebspunkt, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, zu bestimmen.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Verwenden der objektiven Funktion umfasst, um die spezielle Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als einen Anlagenbetriebspunkt zu bestimmen, der die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg minimiert, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Verwenden der objektiven Funktion umfasst, um die spezielle Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als einen Anlagenbetriebspunkt, der die Erlöse der Anlage maximiert, zu bestimmen, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage berücksichtigt werden.
Verfahren zum Optimieren des Betriebs einer Anlage nach Anspruch 33, wobei das Analysieren jedes der Vielzahl von Anlagenbetriebsszenarien unter Verwendung einer objektiven Funktion das Verwenden der objektiven Funktion umfasst, um die spezielle Anlagenkonfiguration, welche die objektive Funktion am besten erfüllt, als einen Anlagenbetriebspunkt, der die Erlöse der Anlage maximiert, zu bestimmen, wobei die Kosten von Energieerzeugung und -nutzung der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten in der Anlage über einen spezifischen Zeitraum hinweg berücksichtigt werden, während dessen die Kosten, die mit einer oder mehreren der Vielzahl von Energie produzierenden Einheiten verbunden sind, variieren.