JP2004005250A - プロセス最適化制御システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ボイラータービン一発電機群で構成されるプロセス系において、最適な方法で最適燃料流量を計算し、より低い１次エネルギ消費コストで安定に最適制御するプロセス最適化制御システムである。
【解決手段】プロセス最適化制御システム１は、１次エネルギから需要を満たす２次エネルギを生成するエネルギ生成機器と２次エネルギが供給されるエネルギ消費負荷とから構成されるプロセス系６と、主制御量に分配ゲインを与え各エネルギ生成機器に分配する比例分配量を計算する機能を有する分配ゲイン設定手段と比例分配量にバイアスを与えるバイアス設定手段を具備した統括制御手段３と、最適化計算手段２とを備える。最適化計算手段２は、プロセス系６のエネルギ生成機器の運転制約条件のもとに、１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題を解くことにより最適条件を計算し、この最適条件から分配ゲインおよびバイアスを決定し、統括制御手段３に与える。
【選択図】 図１
【解決手段】プロセス最適化制御システム１は、１次エネルギから需要を満たす２次エネルギを生成するエネルギ生成機器と２次エネルギが供給されるエネルギ消費負荷とから構成されるプロセス系６と、主制御量に分配ゲインを与え各エネルギ生成機器に分配する比例分配量を計算する機能を有する分配ゲイン設定手段と比例分配量にバイアスを与えるバイアス設定手段を具備した統括制御手段３と、最適化計算手段２とを備える。最適化計算手段２は、プロセス系６のエネルギ生成機器の運転制約条件のもとに、１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題を解くことにより最適条件を計算し、この最適条件から分配ゲインおよびバイアスを決定し、統括制御手段３に与える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギ生成プロセス系において消費エネルギコストを低減し、安定した制御をするプロセス最適化制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプロセス最適化制御システムとして、図５に示す特公平７−８１６８４号公報に記載されたものがある。
【０００３】
図５において、従来のプロセス最適化制御システムＡは、プロセス量の最適化計算を行なう最適化計算手段Ｂと統括制御手段Ｃで構成される。統括制御手段Ｃは、蒸気圧力設定部Ｄ、加減算部Ｅ、比例積算部Ｆとｎ個のゲイン部Ｇを具備する。
【０００４】
一方、プロセス系Ｈは、ｎ台のボイラＩと蒸気負荷施設Ｊで構成される。
【０００５】
最適化制御の目的は蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋを満足するように蒸気を供給する際、各ボイラＩの合計消費燃料が最小となるように、各ボイラＩの燃料流量を決定することである。そのためには、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍを蒸気負荷Ｋに一致させ安定に保つことが必要である。蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍは各ボイラＩで生成され供給された各ボイラＩの出口の蒸気流量Ｎの総和で決定される。
【０００６】
統括制御手段Ｃは、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍが蒸気圧力設定部Ｄに設定される蒸気圧力設定値Ｏと等しくなるように、各ボイラＩの燃料流量を制御する。
【０００７】
統括制御手段Ｃによる各ボイラＩの燃料流量制御方法の詳細について説明する。
【０００８】
統括制御手段Ｃの加減算部Ｅは蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍの値と蒸気圧力設定部Ｄに設定された蒸気圧力設定値Ｏとを読み込み計算することにより、蒸気圧力偏差Ｐを比例積算部Ｆに与える。比例積分部Ｆは与えられた蒸気圧力偏差Ｐを用いて燃料流量マスタＱを計算し、各ゲイン部Ｇに与える。さらに各ゲイン部Ｇは与えられた燃料流量マスタＱと設定された燃料制御最適ゲインＲとにより燃料流量制御出力Ｓを各ボイラＩに与え燃料流量を制御する。
【０００９】
プロセス系Ｈの系が平衡状態から、蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋが増える（減る）と、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍは低下（上昇）する。蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍの値が低下（上昇）すると、加減算部Ｅで計算される蒸気圧力偏差Ｐは正（負）の偏差となり、比例積分部Ｆで計算される燃料流量マスタＱは増加（減少）する。
【００１０】
さらに統括制御手段Ｃの各ゲイン部Ｇは燃料流量制御出力Ｓを増加（減少）させることにより、各ボイラＩの燃料流量を増加（減少）させる。そして、各ボイラＩの出口の蒸気流量Ｎを増加させ（減少させ）、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍが蒸気圧力設定部Ｄに設定される蒸気圧力設定値Ｏと等しくなるように燃料流量が制御される。
【００１１】
次に最適化計算手段Ｂの作用について説明する。
【００１２】
統括制御手段Ｃの各ゲイン部Ｇのゲイン同士をそれぞれ同値に設定すると、プロセス系Ｈの各ボイラＩに出力される燃料流量制御出力Ｓはそれぞれ同値となり、各ボイラＩには負荷が等配分される。そこで最適化計算手段Ｂは、各ボイラＩの最適燃料流量を計算し、さらに数１に示す式で計算して得た最適燃料流量に対応する燃料制御最適ゲインＲを各ゲイン部Ｇに与える。
【００１３】
数１でＹｉ ＊は第ｉボイラＩ（ｉ＝１…ｎ）の最適燃料流量、αｉ ＊は第ｉゲイン部（ｉ＝１…ｎ）に設定する燃料制御最適ゲインＲである。すなわち最適化計算手段Ｂは、各ゲイン部Ｇに燃料制御最適ゲインＲを設定し、各ボイラＩに最適な負荷が配分されることを可能にする。
【００１４】
【数１】
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す従来のプロセス最適化制御システムＡでは、一般に、最適化計算手段Ｂの計算時間が統括制御手段Ｃの計算時間よりも長い。このため、統括制御手段Ｃの制御周期より最適化計算手段Ｂの計算周期のほうが長い。
【００１６】
したがって、最適化計算手段Ｂの計算実行後から次の計算実行までの間に、蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋの変動がなければ各ボイラＩは最適制御されるが、蒸気負荷Ｋに変動がある場合は、最適化計算手段Ｂで式（１）により計算された最適燃料流量Ｙｉ ＊および燃料制御最適ゲインＲαｉ ＊はもはや最適ではない。このため、例えば燃料流量の不足が発生するようなことも起こり、各ボイラＩは最適制御されない。
【００１７】
また、最適化計算手段Ｂによる計算実行時に、エネルギ消費負荷の量がエネルギ生成機器の運転制約を超える場合等の運転制約条件を満たす最適解が存在しない場合もあり、この場合も安定した最適制御がされず、１次エネルギ消費コストの増加につながる。
【００１８】
したがって、より低い１次エネルギ消費コストで安定に最適制御するためには、より最適な別の方法で最適燃料流量を計算し、各ボイラＩを最適制御することが重要である。
【００１９】
本発明は従来の事情に対処するためになされたものであり、１次エネルギから２次エネルギを生成するエネルギ生成機器とエネルギ消費負荷で構成されるプロセス系において、最適な方法で最適燃料流量を計算し、より低い１次エネルギ消費コストで安定に最適制御するプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２０】
また、１次エネルギが不足しても、不足する１次エネルギの消費量が減少するようにエネルギ生成機器を制御することが可能なプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２１】
また、プロセス系に必要なエネルギあるいは燃料流量の最適値に実行可能な解が存在しない場合でも柔軟に安定した制御が可能であるプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、１次エネルギから需要を満たす２次エネルギを生成するエネルギ生成機器と２次エネルギが供給されるエネルギ消費負荷とから構成されるプロセス系と、主制御量に分配ゲインを与え各エネルギ生成機器に分配する比例分配量を計算する機能を有する分配ゲイン設定手段と前記比例分配量にバイアスを与えるバイアス設定手段を具備した統括制御手段と、最適化計算手段とを備え、この最適化計算手段は、前記プロセス系からプロセスデータを入力し、前記プロセス系のエネルギ生成機器の運転制約条件のもとに、１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題を解くことにより最適化計算結果および最適条件を計算し、この最適条件から分配ゲインおよびバイアスを決定し前記最適化計算結果とともに前記統括制御手段に与える一方、前記統括制御手段は最適化計算結果と分配ゲインおよびバイアスとプロセス制御入力に基づき各エネルギ生成機器が生成する２次エネルギの最適目標値を設定し、前記プロセス系にプロセス制御出力を行うことにより、プロセス系を最適に制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記最適化計算手段が最適化問題を解くことにより得た最適条件が各エネルギ生成機器の１次エネルギ消費の増加に対する２次エネルギ生成のそれぞれの勾配が等しくなるという条件であり、前記最適化計算手段が、前記１次エネルギ消費と２次エネルギ生成それぞれの勾配が等しくなるように分配ゲインとバイアスを決定するようにしたことを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記最適化計算手段に複数運転制約セット記憶手段を設け、この複数運転制約セット記憶手段は、前記プロセス系の多種多様な運転制約条件を複数の運転制約セットとして記憶し、記憶した複数の運転制約セットの中から、ある運転制約セットを選択して前記最適化計算手段に与え、この最適化計算手段に与えられた運転制約セットの条件で前記最適化計算結果が存在しなければ、前記最適化計算結果が存在する運転制約セットが前記最適化計算手段に与えられるまで、残りの運転制約セットを順次選択し前記最適化計算手段に繰り返し与えることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記統括制御手段に最適目標値修正手段を設け、この最適目標値修正手段は、前記１次エネルギが不足状態の場合、前記エネルギ消費負荷に必要な２次エネルギの生成量を維持しつつ、前記最適化計算手段が計算する前記不足状態の１次エネルギを消費するエネルギ生成機器の最適目標値を前記不足状態の１次エネルギの消費が減少する方向に修正し、１次エネルギの不足状態を解消させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記最適化計算手段が、前記最適条件の時間的変動により発生する分配ゲインのバラツキを表す量を用いて分配ゲインを統計学に基づいて計算し、前記バラツキの影響を低減させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態を示す構成図である。
【００２９】
図１でプロセス最適化制御システム１は、最適化計算手段２、統括制御手段３、複数運転制約セット記憶手段４と最適目標値修正手段５で構成され、プロセス系６を制御する。
【００３０】
複数運転制約セット記憶手段４は予め設定されたプロセス系６の運転制約条件である運転制約セット７を最適化計算手段２に与える。最適化計算手段２はプロセス系６からプロセス量などのプロセスデータ８を入力し、複数運転制約セット記憶手段４から入力された運転制約セット７を制約条件とし、最適化計算結果９を決定し、統括制御手段３に与える。
【００３１】
一方、最適目標値修正手段５は、プロセス系６から目標値修正用プロセスデータ１０を入力し、最適目標値修正量１１を統括制御手段３に与える。
【００３２】
統括制御手段３は、最適化計算結果９、最適目標値修正量１１およびプロセス系６から入力されるプロセス制御入力１２を基に、プロセス制御出力１３を発生し、プロセス系６に入力することによりプロセス系６を制御する。
【００３３】
図２は、図１に示すプロセス系６の例を示す構成図である。
【００３４】
プロセス系６はエネルギ生成機器２０とエネルギ消費負荷２１で構成される。エネルギ生成機器２０は、ボイラ２２、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４より構成される。
【００３５】
ボイラ２２は、１次エネルギとしてのボイラ燃料２５からボイラ主蒸気２６を生成する。生成されたボイラ主蒸気２６は高圧蒸気ヘッダ２７へ流れて分配され、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４の入力エネルギであるタービン主蒸気２８として利用される。
【００３６】
１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４は、それぞれ、タービン２９、復水器３０、発電機３１、抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３により構成される。１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４は流入されるタービン主蒸気２８を入力エネルギとして、２次エネルギである発電機出力３４と抽気３５とを生成する。
【００３７】
１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４で生成された抽気３５は低圧蒸気ヘッダ３６へ流れる。低圧蒸気ヘッダ３６の低圧蒸気ヘッダ圧力３７は、蒸気負荷としてエネルギ消費負荷２１に供給される。
【００３８】
一方、発電機出力３４は電力系統３８から購入される買電力３９と共に電力負荷に必要な発電出力４０として、エネルギ消費負荷２１に供給される。
【００３９】
次に、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４におけるタービン主蒸気２８の量および発電機出力３４と抽気３５生成量の制御について説明する。
【００４０】
抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の操作により、抽気３５の量と発電機出力３４の量が制御される。抽気制御弁３２の開度を一定にして、主蒸気加減弁３３の開度を増加（減少）させると、供給されるタービン主蒸気２８、抽気３５、低圧蒸気ヘッダ３６の流量と発電機出力３４の量は共に増加（減少）する。
【００４１】
一方、主蒸気加減弁３３の開度を一定にして、抽気制御弁３２の開度を増加（減少）させると、供給されるタービン主蒸気量２８と発電機出力量３４は共に増加（減少）するが、抽気３５と低圧蒸気ヘッダ３６の流量は減少（増加）する。
【００４２】
プロセス系６において低減すなわち最適化すべき対象は、１次エネルギ消費コストであるボイラ燃料２５と電力系統３８から購入される買電力３９のコストである。したがって、プロセス系６の１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題は数２に示す式で表すことができる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
数２の式において、式（２−１）は目的関数、式（２−２）から式（２−１０）までは制約条件である。ここで、ｆＦはボイラ燃料２５流量、ｗＰは電力系統３８から購入される買電力３９、ｆＳはボイラ主蒸気２６流量、ｆＨｉはｉ号タービン主蒸気２８流量、ｆＭｉはｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量、ｗｉはｉ号タービン発電機出力３４、ｆＭＤは低圧蒸気ヘッダ３６の流量、ｗＤは発電出力４０である。ｋは係数であり、ｋＦはボイラのコスト変換係数、ｋＰは電力系統のコスト変換係数、ｋＢａ、ｋＢｂ、ｋＢｃはボイラモデルの係数、ｋａｉ、ｋｂｉ、ｋｃｉ、ｋｄｉ、ｋｅｉ、ｋｆｉはｉ号タービン発電機モデルの係数である。上付添字の＋は各変数の上限値、上付添字の−は各変数の下限値を表す。また、ｉの値はタービンの号機を表すため、１または２である。
【００４５】
式（２−１）は目的関数であり、プロセス系６において、１次エネルギであるボイラ燃料２５流量ｆＦと電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰとを、それぞれボイラのコスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰとにより変換したコストの和、すなわち総コストが最適化すべき対象であることを表す。
【００４６】
式（２−１）でコスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰの設定方法を変えることにより、総コストを１次エネルギの金額、消費量あるいは排出ＣＯ２量に設定することができる。総コストを１次エネルギの金額に設定する場合には、コスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰは金額に換算する係数に、１次エネルギの消費量あるいは排出ＣＯ２量に設定する場合には、コスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰは消費原油量に換算する係数に設定される。
【００４７】
式（２−２）はボイラモデルで与えられるボイラ主蒸気２６流量ｆＳ生成に必要なボイラ燃料２５流量ｆＦを表す式である。
【００４８】
式（２−３）はボイラ主蒸気２６流量ｆＳが１号タービン主蒸気２８流量ｆＨ１と２号タービン主蒸気２８流量ｆＨ２の和であることを表す式である。
【００４９】
式（２−４）はタービン発電機モデルで与えられるｉ号タービンで生成される抽気３５流量ｆＭｉとｉ号タービン発電機出力３４ｗｉに必要なｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉを表す式である。
【００５０】
式（２−５）は１号タービン発電機２３で生成される抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン２４で生成される抽気３５流量ｆＭ２の和が低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤに等しくなることを、式（２−６）は１号タービン発電機出力３４ｗ１、２号タービン発電機出力３４ｗ２および電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰの総和が発電出力４０ｗＤに等しくなることをそれぞれ表す。
【００５１】
式（２−７）から式（２−１０）までは各変数の上下限制約条件式である。ボイラ主蒸気２６流量ｆＳ、ｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量ｆＭｉ、ｉ号タービン発電機出力３４ｗｉおよび電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰが上限値と下限値の間にあることを表す。すなわち、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳはボイラ２２の運転制約条件により、ｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量ｆＭｉとｉ号タービン発電機出力３４ｗｉはタービン発電機２３、２４の運転制約条件により、また、電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰには制約があることにより上下限値があることを表す。
【００５２】
図１に示す最適化計算手段２は数２に示す最適化問題を計算するためにプロセス系６からプロセスデータ８を入力し、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳ、ボイラ燃料２５流量ｆＦ、ｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉ、ｉ号タービンで生成される抽気３５流量ｆＭｉおよびｉ号タービン発電機出力３４ｗｉの最適値を計算し最適化計算結果９を求め、プロセス系６におけるｉ号タービン発電機２３、２４の制御に必要なデータである最適化計算結果９を統括制御手段３に与える。
【００５３】
次に統括制御手段３の構成について説明する。
【００５４】
図３は統括制御手段３の例を示す構成図である。
【００５５】
統括制御手段３は蒸気圧力を制御する低圧蒸気圧力設定部５０、加減算部５１、比例積分部５２、１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５４と、発電力を制御する発電出力設定部５５、加減算部５１、比例積分部５２、１号タービン発電制御部５６、２号タービン発電制御部５７および１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４をそれぞれ制御する１号タービン制御部５８、２号タービン制御部５９で構成される。
【００５６】
統括制御手段３の蒸気圧力制御信号の流れについて説明する。
【００５７】
低圧蒸気圧力設定部５０には、最適化計算手段２で計算された最適化計算結果９を基に、要求される蒸気負荷に対応する低圧蒸気圧力設定値６１が設定される。プロセス系６からのプロセス制御入力１２である、低圧蒸気ヘッダ３６の低圧蒸気ヘッダ圧力３７が統括制御手段３の蒸気圧力を制御する加減算部５１に入力されると、加減算部５１は低圧蒸気圧力設定部５０から入力される低圧蒸気圧力設定値６１と低圧蒸気ヘッダ圧力３７の偏差を計算し、偏差信号６２を比例積分部５２に与える。
【００５８】
次に、統括制御手段３の加減算部５１から与えられた偏差信号６２を基に、比例積分部５２は低圧蒸気主制御量６３を１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４に与える。比例積分部５２の比例積分制御定数は、一般的な制御理論に基づいて、制御系が安定であるように、すなわち偏差信号６２が０に近づくように設定されるが、ここでは詳細の説明を省略する。
【００５９】
また、１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４は分配ゲイン設定部およびバイアス設定部を具備し、比例積分部５２から与えられた低圧蒸気主制御量６３に分配ゲインおよびバイアスを設定し、最適目標値としての１号タービン抽気目標値６４および２号タービン抽気目標値６５を計算する。さらに、１号タービン抽気制御部５３は、１号タービン抽気目標値６４を１号タービン制御部５８に、２号タービン抽気制御部５４は、２号タービン抽気目標値６５を２号タービン制御部５９にそれぞれ出力する。
【００６０】
次に、統括制御手段３の発電力制御信号の流れについて説明する。
【００６１】
プロセス最適化制御システム１の最適目標値修正手段５は高圧蒸気ヘッダ２７から得られる高圧蒸気ヘッダ圧力６６を入力し、最適目標値修正量１１を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【００６２】
一方、プロセス系６からのプロセス制御入力１２である、電力負荷６０に必要な発電出力４０が統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に入力される。
【００６３】
さらに、発電出力設定部５５には、最適化計算手段２で計算された最適化計算結果９を基に、必要な電力負荷６０に対応して設定された発電出力設定値６７が発電力を制御する加減算部５１に入力される。
【００６４】
発電力を制御する加減算部５１は、入力された最適目標値修正量１１、発電出力４０および発電出力設定値６７により、偏差信号６２を計算し比例積分部５２に与える。加減算部５１から与えられた偏差信号６２を基に、比例積分部５２は発電主制御量６８を１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７に与える。
【００６５】
また、１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７は分配ゲイン設定部とバイアス設定部を具備し、発電主制御量６８に分配ゲインおよびバイアスを設定する機能を有する。比例積分部５２から与えられた発電主制御量６８に分配ゲインおよびバイアスを設定することにより、１号タービン発電制御部５６は、最適目標値としての１号タービン発電目標値６９を１号タービン制御部５８に、２号タービン発電制御部５７は２号タービン発電目標値７０を２号タービン制御部５９にそれぞれ計算し出力する。
【００６６】
次に統括制御手段３の、１号タービン制御部５８および２号タービン制御部５９の作用について説明する。
【００６７】
１号タービン制御部５８は１号タービン抽気制御部５３から入力された１号タービン抽気目標値６４と１号タービンが生成する抽気３５の差および、１号タービン発電制御部５６から入力された１号タービン発電目標値６９と１号タービンが生成する発電機出力３４の差が共に０に近づくように、一般的な多変数制御理論に基づいて、１号タービン加減弁制御量７１と１号タービン抽気弁制御量７２を計算する。
【００６８】
さらに、１号タービン制御部５８は、計算した１号タービン加減弁制御量７１と１号タービン抽気弁制御量７２をプロセス制御出力１３として１号タービン発電機２３に与え、図２に示す１号タービン発電機２３の抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の制御を行う。
【００６９】
１号タービン制御部５８と同様な手段で、２号タービン制御部５９はプロセス制御出力１３である２号タービン加減弁制御量７３と２号タービン抽気弁制御量７４を計算し、２号タービン発電機２４に与えることにより、図２に示す２号タービン発電機２４の抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の制御を行う。
【００７０】
また、図２に示したように、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４で生成された抽気３５は低圧蒸気ヘッダ３６へ、発電機出力３４は電力系統３８からの買電力３９と共に電力負荷６０に供給される。
【００７１】
統括制御手段３の蒸気圧力および発電力の制御方法について説明する。
【００７２】
図２および図３において消費されるエネルギ消費負荷２１の蒸気負荷が増加し（減少し）、低圧蒸気ヘッダ圧力３７が減少（増加）すると、低圧蒸気圧力設定値６１との偏差が正（負）となり正（負）の偏差信号６２が比例積分部５２に出力される。これに伴い比例積分部５２から１号タービン抽気制御部５３と２号タービン抽気制御部５４への出力である低圧蒸気主制御量６３が増加（減少）する。
【００７３】
低圧蒸気主制御量６３が増加（減少）すると、１号タービン抽気制御部５３により設定される１号タービン抽気目標値６４および２号タービン抽気制御部５４により設定される２号タービン抽気目標値６５が増加（減少）する。さらに、１号タービン制御部５８および２号タービン制御部５９はそれぞれ、１号タービン加減弁制御量７１、１号タービン抽気弁制御量７２および２号タービン加減弁制御量７３と２号タービン抽気弁制御量７４を計算し、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４の抽気３５量を増加（減少）させる。
【００７４】
また、蒸気負荷が増減した場合と同様な手段で、電力負荷６０が増加（減少）すると、発電機出力３４が増加（減少）する。
【００７５】
次に、１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９の構成について説明する。
【００７６】
１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９は同じ構成である。
【００７７】
図４は１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部の構成例を示す図である。
【００７８】
１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９は、それぞれ主制御入力手段８０、分配ゲイン設定手段８１、バイアス設定手段８２、加減算部８３および制御目標値出力手段８４により構成される。
【００７９】
分配ゲイン設定手段８１は主制御入力手段８０から入力される主制御量８５に分配ゲインを設定し比例分配量８６を計算する。さらに比例分配量８６は加減算部８３でバイアス設定手段８２に設定されたバイアス量８７と加減算され制御目標値８８を計算する。
【００８０】
分配ゲイン設定手段８１に設定される分配ゲインをαＭｉ、バイアス設定手段８２に設定されるバイアス量８７をβＭｉ，主制御量８５をｍＭ、制御目標値８８をｒＭｉとすると、分配ゲインおよびバイアスの設定は数３に示す式で表すことができる。
【００８１】
【数３】
ｒＭｉ＝αＭｉｍＭ＋βＭｉ （３）
但し、ｉ＝１は１号タービン抽気制御部５３、ｉ＝２は２号タービン抽気制御部５５を表す。
【００８２】
図３および図４において、ｉ号タービン抽気制御部５３、５５では、主制御量８５ｍＭは低圧蒸気主制御量６３に、制御目標値８８ｒＭｉはｉ号タービン抽気目標値６４、６５である。また、ｉ号タービン抽気制御部５３，５５の分配ゲイン設定手段８１に設定される分配ゲインαＭｉ、とバイアス設定手段８２に設定されるバイアス量８７βＭｉは、図１に示す最適化計算手段２により数２に示す最適化問題から計算される。
【００８３】
次に、最適化計算手段２によるｉ号タービン抽気制御部５３，５５の分配ゲインαＭｉとバイアス量８７βＭｉの計算方法について説明する。
【００８４】
１号タービン抽気制御部５３の制御目標値８８ｒＭ１は１号タービン抽気目標値６４、すなわち１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１に、２号タービン抽気制御部５５の制御目標値８８ｒＭ２は同様に２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に、また、主制御量８５ｍＭは低圧蒸気主制御量６３である生成すべき抽気３５流量ｆＭｉの和、すなわち低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤに対応する。
【００８５】
分配ゲインαＭｉは、生成すべき低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配する際の比を意味する。また、バイアス量８７βＭｉは、生成すべき抽気３５流量ｆＭｉの理想値と分配比のみにより分配された抽気３５流量ｆＭｉとの差分を意味する。
【００８６】
抽気３５を生成する際に、最適化すべき対象は、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳであり、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳは式（２−３）で表すように１号タービン主蒸気２８流量ｆＨ１と２号タービン主蒸気２８流量ｆＨ２との和であり、これらｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉは式（２−４）で決定される。
【００８７】
すなわち、蒸気圧力の制御についての最適化問題は、式（２−３）で表すボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となるように、式（２−５）で示す生成すべき低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配することである。
【００８８】
式（２−３）、式（２−４）および式（２−５）から数理計画法により、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となる条件を求めると、数４に示す式が導かれる。
【００８９】
【数４】
【００９０】
式（４−１）は、１号タービン発電機２３において生成される抽気３５流量と必要なタービン主蒸気２８流量ｆＨ１の単位変化に対する勾配が、２号タービン発電機２４において生成される抽気３５流量と必要なタービン主蒸気２８流量ｆＨ１の単位変化に対する勾配と等しくなることを表す。
【００９１】
したがって、１号タービン主蒸気流量対抽気傾斜特性が２号タービン主蒸気流量対抽気傾斜特性に等しくなるように、低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配すれば、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となることがわかる。
【００９２】
また、式（４−２）および式（４−３）は式（２−４）から式（４−１）の両辺を計算したものである。式（４−２）および式（４−３）は１次式で、式の勾配の逆数は最適な分配比となるため、この勾配の逆数を分配ゲインαＭｉに設定し、さらに、式（４−１）の等式が成立するように、バイアス量８７βＭｉを設定すれば、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となるように、低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配することができる。
【００９３】
したがって、ＡＭｉを分配逆ゲインとすると、式（４−２）および式（４−３）より数５の式（５−１）に示すように、分配逆ゲインＡＭｉを設定できる。
【００９４】
【数５】
【００９５】
さらに、式（４−１）の等式が成立するように、式（４−２）と式（４−３）の右辺のそれぞれの変数部の平均値からの差分をバイアス量８７βＭｉとして設定することができる。
【００９６】
したがって、分配ゲインαＭｉとバイアス量８７βＭｉは、数６に示す式（６−１）および式（６−２）で設定することができる。ただし、ＢＭｉは、式（６−３）で求められる値であり、ｆ＊ Ｍｉ（ｉ＝１，２）は最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解くことにより得られる最適化計算結果９のうちのｉ号タービン発電機抽気３５である。
【００９７】
【数６】
【００９８】
式（６−１）は分配ゲインαＭｉと逆ゲインＡＭｉの関係を示す式である。また式（６−３）に示すＢＭｉは、式（４−２）および式（４−３）の右辺の変数部を示す。式（６−２）の右辺は、ＢＭｉの平均値からの差分を表し、式（４−１）の等式を成立させるために、この差分をバイアス量８７βＭｉに設定することを表す。
【００９９】
最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解く際に必要となる、式（２−４）の各係数ｋａｉ，ｋｂｉ，ｋｃｉ，ｋｄｉ，ｋｅｉ，ｋｆｉは一般に最小二乗法により、タービン主蒸気２８の流量、抽気３５および発電機出力３４の実運転データより求められる。しかし、これら実運転データにはプロセス系６の動特性や季節などの影響により変動するため、各係数ｋａｉ，ｋｂｉ，ｋｃｉ，ｋｄｉ，ｋｅｉ，ｋｆｉには時間的なバラツキが存在する。
【０１００】
逆ゲインＡＭｉは式（５）で表されるように係数ｋａｉで決定されるため、時間的なバラツキをもつ。逆ゲインＡＭｉの平均値をμＡＭｉ、標準偏差をσＡＭｉとし、統計学的に分配ゲインαＭｉを数７に示す式（７−１）で計算すれば、逆ゲインＡＭｉの時間的なバラツキにより発生する、設定された逆ゲインＡＭｉと実際に設定されるべき逆ゲインＡＭｉの誤差の影響を低減することができる。
【０１０１】
また、逆ゲインＡＭｉの分散をＶとすると、分散Ｖは式（７−２）で表される。
【０１０２】
【数７】
【０１０３】
式（７−２）で逆ゲインＡＭｉの分散Ｖが正規化されるものとすると、分散Ｖの値が大きくなると、分配ゲインαＭｉはより小さな値に設定される。すなわち、逆ゲインＡＭｉのバラツキ量を表す分散Ｖが大きく時間的な変動が大きいほど、ｉ号タービン抽気目標値６４，６５がより小さく設定され、時間的なバラツキによる理想値との誤差の影響を減少させることができる。この効果は、式（４−１）の条件に、より近い状態で１号タービン発電機２３および２号タービン２４を制御できることを可能にする。
【０１０４】
式（４−２）および式（４−３）で求められる式（４−１）の両辺値が近似すればするほど、消費されるタービン主蒸気２８の流量ｆＨｉの合計であるボイラ主蒸気２６流量ｆＳは低減される。
【０１０５】
したがって、式（６−１）の代わりに、偏差の影響を考慮した式（７−１）により分配ゲインαＭｉを計算すれば、分配ゲインαＭｉの時間的バラツキで発生する理想値との誤差が大きい場合でも、制御量の幅を小さく設定し安定した制御ができ、かつ、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳを低減させることができる。
【０１０６】
最適化計算手段２は式（６−１）あるいは式（７−１）により分配ゲインαＭｉを、式（６−２）によりバイアス量８７βＭｉをそれぞれ計算し、統括制御手段３の１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４に与える。
【０１０７】
次に、最適化計算手段２による１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉの計算方法について説明する。
【０１０８】
１号タービン発電制御部５６の制御目標値８８ｒＭ１は１号タービン発電機２３において生成すべき発電機出力３４ｗ１に、２号タービン発電制御部５６の制御目標値８８ｒＭ２は２号タービン発電機２４において生成すべき発電機出力３４ｗ２に、また、主制御量８５ｍＭは、これら生成すべき発電機出力３４ｗｉの和、すなわち発電出力４０ｗＤから買電力３９ｗＰを引いた値に対応する。
【０１０９】
最適化計算手段２による１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉの計算方法についても、１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４における計算方法と同様に、式（４−１）と同等の条件、すなわち１号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜と２号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜が等しいという条件から、分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉを設定する。
【０１１０】
さらに、分配ゲインαＭｉを式（７−１）と同様な統計学的にバラツキを考慮した計算式で決定することにより、分配ゲインαＭｉの時間的バラツキで発生する理想値との誤差の影響を低減するように、制御量の幅を小さく設定し安定した制御ができる。
【０１１１】
最適化計算手段２は統括制御手段３の１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉをそれぞれ計算し、与える。
【０１１２】
すなわち、統括制御手段３は、１号タービン主蒸気流量対抽気傾斜と２号タービン主蒸気流量対抽気傾斜、及び、１号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜と２号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜のそれぞれが等しくなるように制御を行うことにより、蒸気負荷としてエネルギ消費負荷２１に供給される低圧蒸気ヘッダ圧力３７を安定に保ちながら、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４に消費されるタービン主蒸気２８の合計であるボイラ主蒸気２６流量を最小限に抑えることができる。この結果、１次エネルギであるボイラ燃料２５を削減することができる。
【０１１３】
次に最適目標値修正手段５による最適目標値修正量１１の計算方法とその作用について説明する。
【０１１４】
図３において、最適目標値修正手段５は、高圧蒸気ヘッダ２７の高圧蒸気ヘッダ圧力６６が、最適目標値修正手段５に記憶される高圧蒸気圧力最低設定値ｐｌ１より低い場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝ｗ０＞０を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【０１１５】
また、最適目標値修正手段５に記憶される高圧蒸気圧力低設定値ｐｌ２（ｐｌ１＜ｐｌ２）より高圧蒸気ヘッダ２７の高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高くなる場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝０を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【０１１６】
統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１は数８に示す式（８）で偏差ｅを計算し、偏差信号６２として発電力を制御する比例積分部５２に出力する。
【０１１７】
【数８】
【０１１８】
式（８）でｗ１とｗ２は数２で定義したように、ｗ１は１号タービン発電機出力３４、ｗ２は２号タービン発電機出力３４である。また、ｗ＊ １とｗ＊ ２はそれぞれ最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解くことにより得られる最適化計算結果９である、１号タービン発電機出力３４ｗ１およびと２号タービン発電機発電出力３４ｗ２の最適値である。
【０１１９】
式（８）において、ｗ＊ １＋ｗ＊ ２は最適化計算手段２から発電出力設定部５５に設定される発電出力設定値６７を表している。すなわち、式（８）は発電力を制御する加減算部５１が発電出力設定部５５から入力される発電出力設定値６７、最適目標値修正手段５から入力される最適目標値修正量１１ｗｒおよび実際の１号タービン発電機出力３４ｗ１と２号タービン発電機出力３４ｗ２で偏差ｅを計算することを表している。
【０１２０】
式（８）により最適目標値修正手段５は、高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高圧蒸気圧力低設定値ｐｌ２（ｐｌ１＜ｐｌ２）より高い場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝０として、発電出力設定値６７の修正をせず、高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高圧蒸気圧力最低設定値ｐｌ１より低い場合は、発電出力設定値６７から最適目標値修正量１１ｗｒ＝ｗ０＞０を引くことにより発電出力設定値６７を修正する機能を有する。
【０１２１】
すなわち、最適目標値修正手段５は、ボイラ主蒸気２６流量が不足し、高圧蒸気ヘッダ２７の圧力が低くなる場合に、蒸気負荷に要求される低圧蒸気ヘッダ圧力３７を満足させ、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４に消費されるタービン主蒸気２８流量が最小となるように発電機出力３４を抑える制御を可能とする。
【０１２２】
次に、図１に示す複数運転制約セット記憶手段４の作用について説明する。
【０１２３】
複数運転制約セット記憶手段４は、式（２−７）、式（２−８）、式（２−９）および式（２−１０）で示す各変数の上下限制約式である運転制約条件を１つの運転制約セットとすると、この運転制約セットをｎ個記憶する。
【０１２４】
すなわち複数運転制約セット記憶手段４は、数９で示す式を記憶する。
【０１２５】
【数９】
【０１２６】
数９で上付括弧内の数字は運転制約セットの番数を示す。つまり、式（９−１）から式（９−４）で示す運転制約式の１番目の運転制約セットから式（９−５）から式（９−８）で示すｎ番目の運転制約セットまでを複数運転制約セット記憶手段４は記憶する。
【０１２７】
但し、数９でｆＳ − （ｎ）≦…≦ｆＳ − （１），ｆＳ ＋（１）≦…≦ｆＳ ＋（ｎ），ｆＭｉ − （ｎ）≦…≦ｆＭｉ − （１），ｆＭｉ ＋（１）≦…≦ｆＭｉ ＋（ｎ），ｗｉ − （ｎ）≦…≦ｗｉ − （１），ｗｉ ＋（１）≦…≦ｗｉ ＋（ｎ），ｗＰ − （ｎ）≦…≦ｗＰ − （１），ｗＰ ＋（１）≦…≦ｗＰ ＋（ｎ）である。
【０１２８】
すなわち、運転制約式の１番目の運転制約セットは最も制約条件である値のとり得る幅が小さく、運転制約セットの番数の増加に伴って、値のとり得る幅が増加する。
【０１２９】
最適化計算手段２は複数運転制約セット記憶手段４から式（９−１），式（９−２）、式（９−３）および式（９−４）の１番目の運転制約セット７を入力し、この運転制約セット７により、数２の最適化問題を計算し最適化計算結果９を得る。
【０１３０】
しかし、実行可能な解がない場合、例えばｆＭ１ ＋（１）＋ｆＭ２ ＋（１）＜ｆＭＤのような場合、１番目の運転制約セット７より制約条件幅が大きい２番目の運転制約セット７を入力し、２番目の運転制約セット７により、数２の最適化問題を計算し最適値を決定する。
【０１３１】
さらに２番目の運転制約セット７で実行可能な解がない場合は３番目の運転制約セット７で、というように、実行可能な解が存在するまで、最大ｎ回の繰り返し処理で最適値を決定する。
【０１３２】
すなわち、複数運転制約セット記憶手段４は、ボイラ２２、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４に許容される運転制約範囲外の低圧蒸気ヘッダ圧力３７や発電出力４０が必要とされ、最適化計算結果９を計算できない場合、計算上の運転制約範囲を広げる機能を有する。この計算上の運転制約範囲の拡張により、運転制約範囲外の低圧蒸気ヘッダ圧力３７や発電出力４０が必要とされる場合でも、最適化計算結果９を求めることができ、より柔軟性の高い最適化制御を実現できる。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明に係るプロセス最適化制御システムにおいては、１次エネルギから２次エネルギを生成するエネルギ生成機器とエネルギ消費負荷で構成されるプロセス系において、プロセス系の最適化問題を解くことで得られた条件を満たすように制御することにより、エネルギ消費負荷に必要とされる２次エネルギを安定に供給し、かつ１次エネルギ消費コストを最小とすることができる。
【０１３４】
また、プロセス系の最適化問題に実行可能な解が存在しない場合でも、エネルギ生成機器の運転制約条件を段階的に緩和し、制約範囲を拡張することができるため、実行可能な解を求めることが可能となり、より柔軟性の高い最適化制御を実現できる。
【０１３５】
また、複数種の１次エネルギの中で、ある１次エネルギが不足する場合、エネルギ消費負荷に必要なエネルギを供給しつつ、不足する１次エネルギの消費量が減少するようにエネルギ生成機器の最適目標値を修正することが可能であるため、全体としての１次エネルギ消費コストの削減を図り、また、プロセス系を安定させることができる。
【０１３６】
バラツキの量を表す偏差量を制御目標値の計算に導入することにより、バラツキによる出力の変動を抑制し、より安定な制御を可能とし、かつ、１次エネルギ消費コストを低減させる効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態を示す構成図。
【図２】図１に示すプロセス系の例を示す構成図。
【図３】統括制御手段の例を示す構成図。
【図４】図３に示す分配ゲインバイアス制御部の構成例を示す図
【図５】従来のプロセス最適化制御システムの構成図。
【符号の説明】
１ プロセス最適化制御システム
２ 最適化計算手段
３ 統括制御手段
４ 複数運転制約セット記憶手段
５ 最適目標値修正手段
６ プロセス系
７ 運転制約セット
８ プロセスデータ
９ 最適化計算結果
１０ 目標値修正用プロセスデータ
１１ 最適目標値修正量
１２ プロセス制御入力
１３ プロセス制御出力
２０ エネルギ生成機器
２１ エネルギ消費負荷
２２ ボイラ
２３ １号タービン発電機
２４ ２号タービン発電機
２５ ボイラ燃料
２６ ボイラ主蒸気
２７ 高圧蒸気ヘッダ
２８ タービン主蒸気
２９ タービン
３０ 復水器
３１ 発電機
３２ 抽気制御弁
３３ 主蒸気加減弁
３４ 発電機出力
３５ 抽気
３６ 低圧蒸気ヘッダ
３７ 低圧蒸気ヘッダ圧力
３８ 電力系統
３９ 買電力
４０ 発電出力
５０ 低圧蒸気圧力設定部
５１ 加減算部
５２ 比例積分部
５３ １号タービン抽気制御部
５４ ２号タービン抽気制御部
５５ 発電出力設定部
５６ １号タービン発電制御部
５７ ２号タービン発電制御部
５８ １号タービン制御部
５９ ２号タービン制御部
６０ 電力負荷
６１ 低圧蒸気圧力設定値
６２ 偏差信号
６３ 低圧蒸気主制御量
６４ １号タービン抽気目標値
６５ ２号タービン抽気目標値
６６ 高圧蒸気ヘッダ圧力
６７ 発電出力設定値
６８ 発電主制御量
６９ １号タービン発電目標値
７０ ２号タービン発電目標値
７１ １号タービン加減弁制御量
７２ １号タービン抽気弁制御量
７３ ２号タービン加減弁制御量
７４ ２号タービン抽気弁制御量
８０ 主制御入力手段
８１ 分配ゲイン設定手段
８２ バイアス設定手段
８３ 加減算部
８４ 制御目標値出力手段
８５ 主制御量
８６ 比例分配量
８７ バイアス量
８８ 制御目標値
【発明の属する技術分野】
本発明はエネルギ生成プロセス系において消費エネルギコストを低減し、安定した制御をするプロセス最適化制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプロセス最適化制御システムとして、図５に示す特公平７−８１６８４号公報に記載されたものがある。
【０００３】
図５において、従来のプロセス最適化制御システムＡは、プロセス量の最適化計算を行なう最適化計算手段Ｂと統括制御手段Ｃで構成される。統括制御手段Ｃは、蒸気圧力設定部Ｄ、加減算部Ｅ、比例積算部Ｆとｎ個のゲイン部Ｇを具備する。
【０００４】
一方、プロセス系Ｈは、ｎ台のボイラＩと蒸気負荷施設Ｊで構成される。
【０００５】
最適化制御の目的は蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋを満足するように蒸気を供給する際、各ボイラＩの合計消費燃料が最小となるように、各ボイラＩの燃料流量を決定することである。そのためには、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍを蒸気負荷Ｋに一致させ安定に保つことが必要である。蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍは各ボイラＩで生成され供給された各ボイラＩの出口の蒸気流量Ｎの総和で決定される。
【０００６】
統括制御手段Ｃは、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍが蒸気圧力設定部Ｄに設定される蒸気圧力設定値Ｏと等しくなるように、各ボイラＩの燃料流量を制御する。
【０００７】
統括制御手段Ｃによる各ボイラＩの燃料流量制御方法の詳細について説明する。
【０００８】
統括制御手段Ｃの加減算部Ｅは蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍの値と蒸気圧力設定部Ｄに設定された蒸気圧力設定値Ｏとを読み込み計算することにより、蒸気圧力偏差Ｐを比例積算部Ｆに与える。比例積分部Ｆは与えられた蒸気圧力偏差Ｐを用いて燃料流量マスタＱを計算し、各ゲイン部Ｇに与える。さらに各ゲイン部Ｇは与えられた燃料流量マスタＱと設定された燃料制御最適ゲインＲとにより燃料流量制御出力Ｓを各ボイラＩに与え燃料流量を制御する。
【０００９】
プロセス系Ｈの系が平衡状態から、蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋが増える（減る）と、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍは低下（上昇）する。蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍの値が低下（上昇）すると、加減算部Ｅで計算される蒸気圧力偏差Ｐは正（負）の偏差となり、比例積分部Ｆで計算される燃料流量マスタＱは増加（減少）する。
【００１０】
さらに統括制御手段Ｃの各ゲイン部Ｇは燃料流量制御出力Ｓを増加（減少）させることにより、各ボイラＩの燃料流量を増加（減少）させる。そして、各ボイラＩの出口の蒸気流量Ｎを増加させ（減少させ）、蒸気ヘッダＬの蒸気圧力Ｍが蒸気圧力設定部Ｄに設定される蒸気圧力設定値Ｏと等しくなるように燃料流量が制御される。
【００１１】
次に最適化計算手段Ｂの作用について説明する。
【００１２】
統括制御手段Ｃの各ゲイン部Ｇのゲイン同士をそれぞれ同値に設定すると、プロセス系Ｈの各ボイラＩに出力される燃料流量制御出力Ｓはそれぞれ同値となり、各ボイラＩには負荷が等配分される。そこで最適化計算手段Ｂは、各ボイラＩの最適燃料流量を計算し、さらに数１に示す式で計算して得た最適燃料流量に対応する燃料制御最適ゲインＲを各ゲイン部Ｇに与える。
【００１３】
数１でＹｉ ＊は第ｉボイラＩ（ｉ＝１…ｎ）の最適燃料流量、αｉ ＊は第ｉゲイン部（ｉ＝１…ｎ）に設定する燃料制御最適ゲインＲである。すなわち最適化計算手段Ｂは、各ゲイン部Ｇに燃料制御最適ゲインＲを設定し、各ボイラＩに最適な負荷が配分されることを可能にする。
【００１４】
【数１】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示す従来のプロセス最適化制御システムＡでは、一般に、最適化計算手段Ｂの計算時間が統括制御手段Ｃの計算時間よりも長い。このため、統括制御手段Ｃの制御周期より最適化計算手段Ｂの計算周期のほうが長い。
【００１６】
したがって、最適化計算手段Ｂの計算実行後から次の計算実行までの間に、蒸気負荷施設Ｊに必要な蒸気負荷Ｋの変動がなければ各ボイラＩは最適制御されるが、蒸気負荷Ｋに変動がある場合は、最適化計算手段Ｂで式（１）により計算された最適燃料流量Ｙｉ ＊および燃料制御最適ゲインＲαｉ ＊はもはや最適ではない。このため、例えば燃料流量の不足が発生するようなことも起こり、各ボイラＩは最適制御されない。
【００１７】
また、最適化計算手段Ｂによる計算実行時に、エネルギ消費負荷の量がエネルギ生成機器の運転制約を超える場合等の運転制約条件を満たす最適解が存在しない場合もあり、この場合も安定した最適制御がされず、１次エネルギ消費コストの増加につながる。
【００１８】
したがって、より低い１次エネルギ消費コストで安定に最適制御するためには、より最適な別の方法で最適燃料流量を計算し、各ボイラＩを最適制御することが重要である。
【００１９】
本発明は従来の事情に対処するためになされたものであり、１次エネルギから２次エネルギを生成するエネルギ生成機器とエネルギ消費負荷で構成されるプロセス系において、最適な方法で最適燃料流量を計算し、より低い１次エネルギ消費コストで安定に最適制御するプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２０】
また、１次エネルギが不足しても、不足する１次エネルギの消費量が減少するようにエネルギ生成機器を制御することが可能なプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２１】
また、プロセス系に必要なエネルギあるいは燃料流量の最適値に実行可能な解が存在しない場合でも柔軟に安定した制御が可能であるプロセス最適化制御システムを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、１次エネルギから需要を満たす２次エネルギを生成するエネルギ生成機器と２次エネルギが供給されるエネルギ消費負荷とから構成されるプロセス系と、主制御量に分配ゲインを与え各エネルギ生成機器に分配する比例分配量を計算する機能を有する分配ゲイン設定手段と前記比例分配量にバイアスを与えるバイアス設定手段を具備した統括制御手段と、最適化計算手段とを備え、この最適化計算手段は、前記プロセス系からプロセスデータを入力し、前記プロセス系のエネルギ生成機器の運転制約条件のもとに、１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題を解くことにより最適化計算結果および最適条件を計算し、この最適条件から分配ゲインおよびバイアスを決定し前記最適化計算結果とともに前記統括制御手段に与える一方、前記統括制御手段は最適化計算結果と分配ゲインおよびバイアスとプロセス制御入力に基づき各エネルギ生成機器が生成する２次エネルギの最適目標値を設定し、前記プロセス系にプロセス制御出力を行うことにより、プロセス系を最適に制御するようにしたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記最適化計算手段が最適化問題を解くことにより得た最適条件が各エネルギ生成機器の１次エネルギ消費の増加に対する２次エネルギ生成のそれぞれの勾配が等しくなるという条件であり、前記最適化計算手段が、前記１次エネルギ消費と２次エネルギ生成それぞれの勾配が等しくなるように分配ゲインとバイアスを決定するようにしたことを特徴とするものである。
【００２４】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記最適化計算手段に複数運転制約セット記憶手段を設け、この複数運転制約セット記憶手段は、前記プロセス系の多種多様な運転制約条件を複数の運転制約セットとして記憶し、記憶した複数の運転制約セットの中から、ある運転制約セットを選択して前記最適化計算手段に与え、この最適化計算手段に与えられた運転制約セットの条件で前記最適化計算結果が存在しなければ、前記最適化計算結果が存在する運転制約セットが前記最適化計算手段に与えられるまで、残りの運転制約セットを順次選択し前記最適化計算手段に繰り返し与えることを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記統括制御手段に最適目標値修正手段を設け、この最適目標値修正手段は、前記１次エネルギが不足状態の場合、前記エネルギ消費負荷に必要な２次エネルギの生成量を維持しつつ、前記最適化計算手段が計算する前記不足状態の１次エネルギを消費するエネルギ生成機器の最適目標値を前記不足状態の１次エネルギの消費が減少する方向に修正し、１次エネルギの不足状態を解消させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２６】
また、本発明に係るプロセス最適化制御システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記最適化計算手段が、前記最適条件の時間的変動により発生する分配ゲインのバラツキを表す量を用いて分配ゲインを統計学に基づいて計算し、前記バラツキの影響を低減させるようにしたことを特徴とするものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２８】
図１は本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態を示す構成図である。
【００２９】
図１でプロセス最適化制御システム１は、最適化計算手段２、統括制御手段３、複数運転制約セット記憶手段４と最適目標値修正手段５で構成され、プロセス系６を制御する。
【００３０】
複数運転制約セット記憶手段４は予め設定されたプロセス系６の運転制約条件である運転制約セット７を最適化計算手段２に与える。最適化計算手段２はプロセス系６からプロセス量などのプロセスデータ８を入力し、複数運転制約セット記憶手段４から入力された運転制約セット７を制約条件とし、最適化計算結果９を決定し、統括制御手段３に与える。
【００３１】
一方、最適目標値修正手段５は、プロセス系６から目標値修正用プロセスデータ１０を入力し、最適目標値修正量１１を統括制御手段３に与える。
【００３２】
統括制御手段３は、最適化計算結果９、最適目標値修正量１１およびプロセス系６から入力されるプロセス制御入力１２を基に、プロセス制御出力１３を発生し、プロセス系６に入力することによりプロセス系６を制御する。
【００３３】
図２は、図１に示すプロセス系６の例を示す構成図である。
【００３４】
プロセス系６はエネルギ生成機器２０とエネルギ消費負荷２１で構成される。エネルギ生成機器２０は、ボイラ２２、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４より構成される。
【００３５】
ボイラ２２は、１次エネルギとしてのボイラ燃料２５からボイラ主蒸気２６を生成する。生成されたボイラ主蒸気２６は高圧蒸気ヘッダ２７へ流れて分配され、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４の入力エネルギであるタービン主蒸気２８として利用される。
【００３６】
１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４は、それぞれ、タービン２９、復水器３０、発電機３１、抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３により構成される。１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４は流入されるタービン主蒸気２８を入力エネルギとして、２次エネルギである発電機出力３４と抽気３５とを生成する。
【００３７】
１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４で生成された抽気３５は低圧蒸気ヘッダ３６へ流れる。低圧蒸気ヘッダ３６の低圧蒸気ヘッダ圧力３７は、蒸気負荷としてエネルギ消費負荷２１に供給される。
【００３８】
一方、発電機出力３４は電力系統３８から購入される買電力３９と共に電力負荷に必要な発電出力４０として、エネルギ消費負荷２１に供給される。
【００３９】
次に、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４におけるタービン主蒸気２８の量および発電機出力３４と抽気３５生成量の制御について説明する。
【００４０】
抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の操作により、抽気３５の量と発電機出力３４の量が制御される。抽気制御弁３２の開度を一定にして、主蒸気加減弁３３の開度を増加（減少）させると、供給されるタービン主蒸気２８、抽気３５、低圧蒸気ヘッダ３６の流量と発電機出力３４の量は共に増加（減少）する。
【００４１】
一方、主蒸気加減弁３３の開度を一定にして、抽気制御弁３２の開度を増加（減少）させると、供給されるタービン主蒸気量２８と発電機出力量３４は共に増加（減少）するが、抽気３５と低圧蒸気ヘッダ３６の流量は減少（増加）する。
【００４２】
プロセス系６において低減すなわち最適化すべき対象は、１次エネルギ消費コストであるボイラ燃料２５と電力系統３８から購入される買電力３９のコストである。したがって、プロセス系６の１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題は数２に示す式で表すことができる。
【００４３】
【数２】
数２の式において、式（２−１）は目的関数、式（２−２）から式（２−１０）までは制約条件である。ここで、ｆＦはボイラ燃料２５流量、ｗＰは電力系統３８から購入される買電力３９、ｆＳはボイラ主蒸気２６流量、ｆＨｉはｉ号タービン主蒸気２８流量、ｆＭｉはｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量、ｗｉはｉ号タービン発電機出力３４、ｆＭＤは低圧蒸気ヘッダ３６の流量、ｗＤは発電出力４０である。ｋは係数であり、ｋＦはボイラのコスト変換係数、ｋＰは電力系統のコスト変換係数、ｋＢａ、ｋＢｂ、ｋＢｃはボイラモデルの係数、ｋａｉ、ｋｂｉ、ｋｃｉ、ｋｄｉ、ｋｅｉ、ｋｆｉはｉ号タービン発電機モデルの係数である。上付添字の＋は各変数の上限値、上付添字の−は各変数の下限値を表す。また、ｉの値はタービンの号機を表すため、１または２である。
【００４５】
式（２−１）は目的関数であり、プロセス系６において、１次エネルギであるボイラ燃料２５流量ｆＦと電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰとを、それぞれボイラのコスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰとにより変換したコストの和、すなわち総コストが最適化すべき対象であることを表す。
【００４６】
式（２−１）でコスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰの設定方法を変えることにより、総コストを１次エネルギの金額、消費量あるいは排出ＣＯ２量に設定することができる。総コストを１次エネルギの金額に設定する場合には、コスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰは金額に換算する係数に、１次エネルギの消費量あるいは排出ＣＯ２量に設定する場合には、コスト変換係数ｋＦと電力系統のコスト変換係数ｋＰは消費原油量に換算する係数に設定される。
【００４７】
式（２−２）はボイラモデルで与えられるボイラ主蒸気２６流量ｆＳ生成に必要なボイラ燃料２５流量ｆＦを表す式である。
【００４８】
式（２−３）はボイラ主蒸気２６流量ｆＳが１号タービン主蒸気２８流量ｆＨ１と２号タービン主蒸気２８流量ｆＨ２の和であることを表す式である。
【００４９】
式（２−４）はタービン発電機モデルで与えられるｉ号タービンで生成される抽気３５流量ｆＭｉとｉ号タービン発電機出力３４ｗｉに必要なｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉを表す式である。
【００５０】
式（２−５）は１号タービン発電機２３で生成される抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン２４で生成される抽気３５流量ｆＭ２の和が低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤに等しくなることを、式（２−６）は１号タービン発電機出力３４ｗ１、２号タービン発電機出力３４ｗ２および電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰの総和が発電出力４０ｗＤに等しくなることをそれぞれ表す。
【００５１】
式（２−７）から式（２−１０）までは各変数の上下限制約条件式である。ボイラ主蒸気２６流量ｆＳ、ｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量ｆＭｉ、ｉ号タービン発電機出力３４ｗｉおよび電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰが上限値と下限値の間にあることを表す。すなわち、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳはボイラ２２の運転制約条件により、ｉ号タービン発電機２３、２４で生成される抽気３５流量ｆＭｉとｉ号タービン発電機出力３４ｗｉはタービン発電機２３、２４の運転制約条件により、また、電力系統３８から購入される買電力３９ｗＰには制約があることにより上下限値があることを表す。
【００５２】
図１に示す最適化計算手段２は数２に示す最適化問題を計算するためにプロセス系６からプロセスデータ８を入力し、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳ、ボイラ燃料２５流量ｆＦ、ｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉ、ｉ号タービンで生成される抽気３５流量ｆＭｉおよびｉ号タービン発電機出力３４ｗｉの最適値を計算し最適化計算結果９を求め、プロセス系６におけるｉ号タービン発電機２３、２４の制御に必要なデータである最適化計算結果９を統括制御手段３に与える。
【００５３】
次に統括制御手段３の構成について説明する。
【００５４】
図３は統括制御手段３の例を示す構成図である。
【００５５】
統括制御手段３は蒸気圧力を制御する低圧蒸気圧力設定部５０、加減算部５１、比例積分部５２、１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５４と、発電力を制御する発電出力設定部５５、加減算部５１、比例積分部５２、１号タービン発電制御部５６、２号タービン発電制御部５７および１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４をそれぞれ制御する１号タービン制御部５８、２号タービン制御部５９で構成される。
【００５６】
統括制御手段３の蒸気圧力制御信号の流れについて説明する。
【００５７】
低圧蒸気圧力設定部５０には、最適化計算手段２で計算された最適化計算結果９を基に、要求される蒸気負荷に対応する低圧蒸気圧力設定値６１が設定される。プロセス系６からのプロセス制御入力１２である、低圧蒸気ヘッダ３６の低圧蒸気ヘッダ圧力３７が統括制御手段３の蒸気圧力を制御する加減算部５１に入力されると、加減算部５１は低圧蒸気圧力設定部５０から入力される低圧蒸気圧力設定値６１と低圧蒸気ヘッダ圧力３７の偏差を計算し、偏差信号６２を比例積分部５２に与える。
【００５８】
次に、統括制御手段３の加減算部５１から与えられた偏差信号６２を基に、比例積分部５２は低圧蒸気主制御量６３を１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４に与える。比例積分部５２の比例積分制御定数は、一般的な制御理論に基づいて、制御系が安定であるように、すなわち偏差信号６２が０に近づくように設定されるが、ここでは詳細の説明を省略する。
【００５９】
また、１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４は分配ゲイン設定部およびバイアス設定部を具備し、比例積分部５２から与えられた低圧蒸気主制御量６３に分配ゲインおよびバイアスを設定し、最適目標値としての１号タービン抽気目標値６４および２号タービン抽気目標値６５を計算する。さらに、１号タービン抽気制御部５３は、１号タービン抽気目標値６４を１号タービン制御部５８に、２号タービン抽気制御部５４は、２号タービン抽気目標値６５を２号タービン制御部５９にそれぞれ出力する。
【００６０】
次に、統括制御手段３の発電力制御信号の流れについて説明する。
【００６１】
プロセス最適化制御システム１の最適目標値修正手段５は高圧蒸気ヘッダ２７から得られる高圧蒸気ヘッダ圧力６６を入力し、最適目標値修正量１１を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【００６２】
一方、プロセス系６からのプロセス制御入力１２である、電力負荷６０に必要な発電出力４０が統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に入力される。
【００６３】
さらに、発電出力設定部５５には、最適化計算手段２で計算された最適化計算結果９を基に、必要な電力負荷６０に対応して設定された発電出力設定値６７が発電力を制御する加減算部５１に入力される。
【００６４】
発電力を制御する加減算部５１は、入力された最適目標値修正量１１、発電出力４０および発電出力設定値６７により、偏差信号６２を計算し比例積分部５２に与える。加減算部５１から与えられた偏差信号６２を基に、比例積分部５２は発電主制御量６８を１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７に与える。
【００６５】
また、１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７は分配ゲイン設定部とバイアス設定部を具備し、発電主制御量６８に分配ゲインおよびバイアスを設定する機能を有する。比例積分部５２から与えられた発電主制御量６８に分配ゲインおよびバイアスを設定することにより、１号タービン発電制御部５６は、最適目標値としての１号タービン発電目標値６９を１号タービン制御部５８に、２号タービン発電制御部５７は２号タービン発電目標値７０を２号タービン制御部５９にそれぞれ計算し出力する。
【００６６】
次に統括制御手段３の、１号タービン制御部５８および２号タービン制御部５９の作用について説明する。
【００６７】
１号タービン制御部５８は１号タービン抽気制御部５３から入力された１号タービン抽気目標値６４と１号タービンが生成する抽気３５の差および、１号タービン発電制御部５６から入力された１号タービン発電目標値６９と１号タービンが生成する発電機出力３４の差が共に０に近づくように、一般的な多変数制御理論に基づいて、１号タービン加減弁制御量７１と１号タービン抽気弁制御量７２を計算する。
【００６８】
さらに、１号タービン制御部５８は、計算した１号タービン加減弁制御量７１と１号タービン抽気弁制御量７２をプロセス制御出力１３として１号タービン発電機２３に与え、図２に示す１号タービン発電機２３の抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の制御を行う。
【００６９】
１号タービン制御部５８と同様な手段で、２号タービン制御部５９はプロセス制御出力１３である２号タービン加減弁制御量７３と２号タービン抽気弁制御量７４を計算し、２号タービン発電機２４に与えることにより、図２に示す２号タービン発電機２４の抽気制御弁３２と主蒸気加減弁３３の制御を行う。
【００７０】
また、図２に示したように、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４で生成された抽気３５は低圧蒸気ヘッダ３６へ、発電機出力３４は電力系統３８からの買電力３９と共に電力負荷６０に供給される。
【００７１】
統括制御手段３の蒸気圧力および発電力の制御方法について説明する。
【００７２】
図２および図３において消費されるエネルギ消費負荷２１の蒸気負荷が増加し（減少し）、低圧蒸気ヘッダ圧力３７が減少（増加）すると、低圧蒸気圧力設定値６１との偏差が正（負）となり正（負）の偏差信号６２が比例積分部５２に出力される。これに伴い比例積分部５２から１号タービン抽気制御部５３と２号タービン抽気制御部５４への出力である低圧蒸気主制御量６３が増加（減少）する。
【００７３】
低圧蒸気主制御量６３が増加（減少）すると、１号タービン抽気制御部５３により設定される１号タービン抽気目標値６４および２号タービン抽気制御部５４により設定される２号タービン抽気目標値６５が増加（減少）する。さらに、１号タービン制御部５８および２号タービン制御部５９はそれぞれ、１号タービン加減弁制御量７１、１号タービン抽気弁制御量７２および２号タービン加減弁制御量７３と２号タービン抽気弁制御量７４を計算し、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４の抽気３５量を増加（減少）させる。
【００７４】
また、蒸気負荷が増減した場合と同様な手段で、電力負荷６０が増加（減少）すると、発電機出力３４が増加（減少）する。
【００７５】
次に、１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９の構成について説明する。
【００７６】
１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９は同じ構成である。
【００７７】
図４は１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部の構成例を示す図である。
【００７８】
１号タービン抽気制御部５３、２号タービン抽気制御部５５、１号タービン発電制御部５８および２号タービン発電制御部５９は、それぞれ主制御入力手段８０、分配ゲイン設定手段８１、バイアス設定手段８２、加減算部８３および制御目標値出力手段８４により構成される。
【００７９】
分配ゲイン設定手段８１は主制御入力手段８０から入力される主制御量８５に分配ゲインを設定し比例分配量８６を計算する。さらに比例分配量８６は加減算部８３でバイアス設定手段８２に設定されたバイアス量８７と加減算され制御目標値８８を計算する。
【００８０】
分配ゲイン設定手段８１に設定される分配ゲインをαＭｉ、バイアス設定手段８２に設定されるバイアス量８７をβＭｉ，主制御量８５をｍＭ、制御目標値８８をｒＭｉとすると、分配ゲインおよびバイアスの設定は数３に示す式で表すことができる。
【００８１】
【数３】
ｒＭｉ＝αＭｉｍＭ＋βＭｉ （３）
但し、ｉ＝１は１号タービン抽気制御部５３、ｉ＝２は２号タービン抽気制御部５５を表す。
【００８２】
図３および図４において、ｉ号タービン抽気制御部５３、５５では、主制御量８５ｍＭは低圧蒸気主制御量６３に、制御目標値８８ｒＭｉはｉ号タービン抽気目標値６４、６５である。また、ｉ号タービン抽気制御部５３，５５の分配ゲイン設定手段８１に設定される分配ゲインαＭｉ、とバイアス設定手段８２に設定されるバイアス量８７βＭｉは、図１に示す最適化計算手段２により数２に示す最適化問題から計算される。
【００８３】
次に、最適化計算手段２によるｉ号タービン抽気制御部５３，５５の分配ゲインαＭｉとバイアス量８７βＭｉの計算方法について説明する。
【００８４】
１号タービン抽気制御部５３の制御目標値８８ｒＭ１は１号タービン抽気目標値６４、すなわち１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１に、２号タービン抽気制御部５５の制御目標値８８ｒＭ２は同様に２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に、また、主制御量８５ｍＭは低圧蒸気主制御量６３である生成すべき抽気３５流量ｆＭｉの和、すなわち低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤに対応する。
【００８５】
分配ゲインαＭｉは、生成すべき低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配する際の比を意味する。また、バイアス量８７βＭｉは、生成すべき抽気３５流量ｆＭｉの理想値と分配比のみにより分配された抽気３５流量ｆＭｉとの差分を意味する。
【００８６】
抽気３５を生成する際に、最適化すべき対象は、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳであり、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳは式（２−３）で表すように１号タービン主蒸気２８流量ｆＨ１と２号タービン主蒸気２８流量ｆＨ２との和であり、これらｉ号タービン主蒸気２８流量ｆＨｉは式（２−４）で決定される。
【００８７】
すなわち、蒸気圧力の制御についての最適化問題は、式（２−３）で表すボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となるように、式（２−５）で示す生成すべき低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配することである。
【００８８】
式（２−３）、式（２−４）および式（２−５）から数理計画法により、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となる条件を求めると、数４に示す式が導かれる。
【００８９】
【数４】
式（４−１）は、１号タービン発電機２３において生成される抽気３５流量と必要なタービン主蒸気２８流量ｆＨ１の単位変化に対する勾配が、２号タービン発電機２４において生成される抽気３５流量と必要なタービン主蒸気２８流量ｆＨ１の単位変化に対する勾配と等しくなることを表す。
【００９１】
したがって、１号タービン主蒸気流量対抽気傾斜特性が２号タービン主蒸気流量対抽気傾斜特性に等しくなるように、低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配すれば、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となることがわかる。
【００９２】
また、式（４−２）および式（４−３）は式（２−４）から式（４−１）の両辺を計算したものである。式（４−２）および式（４−３）は１次式で、式の勾配の逆数は最適な分配比となるため、この勾配の逆数を分配ゲインαＭｉに設定し、さらに、式（４−１）の等式が成立するように、バイアス量８７βＭｉを設定すれば、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳが最小となるように、低圧蒸気ヘッダ３６の流量ｆＭＤを、１号タービン発電機２３において生成すべき抽気３５流量ｆＭ１と２号タービン発電機２４において生成すべき抽気３５流量ｆＭ２に分配することができる。
【００９３】
したがって、ＡＭｉを分配逆ゲインとすると、式（４−２）および式（４−３）より数５の式（５−１）に示すように、分配逆ゲインＡＭｉを設定できる。
【００９４】
【数５】
さらに、式（４−１）の等式が成立するように、式（４−２）と式（４−３）の右辺のそれぞれの変数部の平均値からの差分をバイアス量８７βＭｉとして設定することができる。
【００９６】
したがって、分配ゲインαＭｉとバイアス量８７βＭｉは、数６に示す式（６−１）および式（６−２）で設定することができる。ただし、ＢＭｉは、式（６−３）で求められる値であり、ｆ＊ Ｍｉ（ｉ＝１，２）は最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解くことにより得られる最適化計算結果９のうちのｉ号タービン発電機抽気３５である。
【００９７】
【数６】
式（６−１）は分配ゲインαＭｉと逆ゲインＡＭｉの関係を示す式である。また式（６−３）に示すＢＭｉは、式（４−２）および式（４−３）の右辺の変数部を示す。式（６−２）の右辺は、ＢＭｉの平均値からの差分を表し、式（４−１）の等式を成立させるために、この差分をバイアス量８７βＭｉに設定することを表す。
【００９９】
最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解く際に必要となる、式（２−４）の各係数ｋａｉ，ｋｂｉ，ｋｃｉ，ｋｄｉ，ｋｅｉ，ｋｆｉは一般に最小二乗法により、タービン主蒸気２８の流量、抽気３５および発電機出力３４の実運転データより求められる。しかし、これら実運転データにはプロセス系６の動特性や季節などの影響により変動するため、各係数ｋａｉ，ｋｂｉ，ｋｃｉ，ｋｄｉ，ｋｅｉ，ｋｆｉには時間的なバラツキが存在する。
【０１００】
逆ゲインＡＭｉは式（５）で表されるように係数ｋａｉで決定されるため、時間的なバラツキをもつ。逆ゲインＡＭｉの平均値をμＡＭｉ、標準偏差をσＡＭｉとし、統計学的に分配ゲインαＭｉを数７に示す式（７−１）で計算すれば、逆ゲインＡＭｉの時間的なバラツキにより発生する、設定された逆ゲインＡＭｉと実際に設定されるべき逆ゲインＡＭｉの誤差の影響を低減することができる。
【０１０１】
また、逆ゲインＡＭｉの分散をＶとすると、分散Ｖは式（７−２）で表される。
【０１０２】
【数７】
式（７−２）で逆ゲインＡＭｉの分散Ｖが正規化されるものとすると、分散Ｖの値が大きくなると、分配ゲインαＭｉはより小さな値に設定される。すなわち、逆ゲインＡＭｉのバラツキ量を表す分散Ｖが大きく時間的な変動が大きいほど、ｉ号タービン抽気目標値６４，６５がより小さく設定され、時間的なバラツキによる理想値との誤差の影響を減少させることができる。この効果は、式（４−１）の条件に、より近い状態で１号タービン発電機２３および２号タービン２４を制御できることを可能にする。
【０１０４】
式（４−２）および式（４−３）で求められる式（４−１）の両辺値が近似すればするほど、消費されるタービン主蒸気２８の流量ｆＨｉの合計であるボイラ主蒸気２６流量ｆＳは低減される。
【０１０５】
したがって、式（６−１）の代わりに、偏差の影響を考慮した式（７−１）により分配ゲインαＭｉを計算すれば、分配ゲインαＭｉの時間的バラツキで発生する理想値との誤差が大きい場合でも、制御量の幅を小さく設定し安定した制御ができ、かつ、ボイラ主蒸気２６流量ｆＳを低減させることができる。
【０１０６】
最適化計算手段２は式（６−１）あるいは式（７−１）により分配ゲインαＭｉを、式（６−２）によりバイアス量８７βＭｉをそれぞれ計算し、統括制御手段３の１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４に与える。
【０１０７】
次に、最適化計算手段２による１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉの計算方法について説明する。
【０１０８】
１号タービン発電制御部５６の制御目標値８８ｒＭ１は１号タービン発電機２３において生成すべき発電機出力３４ｗ１に、２号タービン発電制御部５６の制御目標値８８ｒＭ２は２号タービン発電機２４において生成すべき発電機出力３４ｗ２に、また、主制御量８５ｍＭは、これら生成すべき発電機出力３４ｗｉの和、すなわち発電出力４０ｗＤから買電力３９ｗＰを引いた値に対応する。
【０１０９】
最適化計算手段２による１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉの計算方法についても、１号タービン抽気制御部５３および２号タービン抽気制御部５４における計算方法と同様に、式（４−１）と同等の条件、すなわち１号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜と２号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜が等しいという条件から、分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉを設定する。
【０１１０】
さらに、分配ゲインαＭｉを式（７−１）と同様な統計学的にバラツキを考慮した計算式で決定することにより、分配ゲインαＭｉの時間的バラツキで発生する理想値との誤差の影響を低減するように、制御量の幅を小さく設定し安定した制御ができる。
【０１１１】
最適化計算手段２は統括制御手段３の１号タービン発電制御部５６および２号タービン発電制御部５７における分配ゲインαＭｉおよびバイアス量８７βＭｉをそれぞれ計算し、与える。
【０１１２】
すなわち、統括制御手段３は、１号タービン主蒸気流量対抽気傾斜と２号タービン主蒸気流量対抽気傾斜、及び、１号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜と２号タービン主蒸気流量対発電出力傾斜のそれぞれが等しくなるように制御を行うことにより、蒸気負荷としてエネルギ消費負荷２１に供給される低圧蒸気ヘッダ圧力３７を安定に保ちながら、１号タービン発電機２３と２号タービン発電機２４に消費されるタービン主蒸気２８の合計であるボイラ主蒸気２６流量を最小限に抑えることができる。この結果、１次エネルギであるボイラ燃料２５を削減することができる。
【０１１３】
次に最適目標値修正手段５による最適目標値修正量１１の計算方法とその作用について説明する。
【０１１４】
図３において、最適目標値修正手段５は、高圧蒸気ヘッダ２７の高圧蒸気ヘッダ圧力６６が、最適目標値修正手段５に記憶される高圧蒸気圧力最低設定値ｐｌ１より低い場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝ｗ０＞０を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【０１１５】
また、最適目標値修正手段５に記憶される高圧蒸気圧力低設定値ｐｌ２（ｐｌ１＜ｐｌ２）より高圧蒸気ヘッダ２７の高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高くなる場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝０を統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１に出力する。
【０１１６】
統括制御手段３の発電力を制御する加減算部５１は数８に示す式（８）で偏差ｅを計算し、偏差信号６２として発電力を制御する比例積分部５２に出力する。
【０１１７】
【数８】
式（８）でｗ１とｗ２は数２で定義したように、ｗ１は１号タービン発電機出力３４、ｗ２は２号タービン発電機出力３４である。また、ｗ＊ １とｗ＊ ２はそれぞれ最適化計算手段２により数２に示す最適化問題を解くことにより得られる最適化計算結果９である、１号タービン発電機出力３４ｗ１およびと２号タービン発電機発電出力３４ｗ２の最適値である。
【０１１９】
式（８）において、ｗ＊ １＋ｗ＊ ２は最適化計算手段２から発電出力設定部５５に設定される発電出力設定値６７を表している。すなわち、式（８）は発電力を制御する加減算部５１が発電出力設定部５５から入力される発電出力設定値６７、最適目標値修正手段５から入力される最適目標値修正量１１ｗｒおよび実際の１号タービン発電機出力３４ｗ１と２号タービン発電機出力３４ｗ２で偏差ｅを計算することを表している。
【０１２０】
式（８）により最適目標値修正手段５は、高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高圧蒸気圧力低設定値ｐｌ２（ｐｌ１＜ｐｌ２）より高い場合は、最適目標値修正量１１ｗｒ＝０として、発電出力設定値６７の修正をせず、高圧蒸気ヘッダ圧力６６が高圧蒸気圧力最低設定値ｐｌ１より低い場合は、発電出力設定値６７から最適目標値修正量１１ｗｒ＝ｗ０＞０を引くことにより発電出力設定値６７を修正する機能を有する。
【０１２１】
すなわち、最適目標値修正手段５は、ボイラ主蒸気２６流量が不足し、高圧蒸気ヘッダ２７の圧力が低くなる場合に、蒸気負荷に要求される低圧蒸気ヘッダ圧力３７を満足させ、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４に消費されるタービン主蒸気２８流量が最小となるように発電機出力３４を抑える制御を可能とする。
【０１２２】
次に、図１に示す複数運転制約セット記憶手段４の作用について説明する。
【０１２３】
複数運転制約セット記憶手段４は、式（２−７）、式（２−８）、式（２−９）および式（２−１０）で示す各変数の上下限制約式である運転制約条件を１つの運転制約セットとすると、この運転制約セットをｎ個記憶する。
【０１２４】
すなわち複数運転制約セット記憶手段４は、数９で示す式を記憶する。
【０１２５】
【数９】
数９で上付括弧内の数字は運転制約セットの番数を示す。つまり、式（９−１）から式（９−４）で示す運転制約式の１番目の運転制約セットから式（９−５）から式（９−８）で示すｎ番目の運転制約セットまでを複数運転制約セット記憶手段４は記憶する。
【０１２７】
但し、数９でｆＳ − （ｎ）≦…≦ｆＳ − （１），ｆＳ ＋（１）≦…≦ｆＳ ＋（ｎ），ｆＭｉ − （ｎ）≦…≦ｆＭｉ − （１），ｆＭｉ ＋（１）≦…≦ｆＭｉ ＋（ｎ），ｗｉ − （ｎ）≦…≦ｗｉ − （１），ｗｉ ＋（１）≦…≦ｗｉ ＋（ｎ），ｗＰ − （ｎ）≦…≦ｗＰ − （１），ｗＰ ＋（１）≦…≦ｗＰ ＋（ｎ）である。
【０１２８】
すなわち、運転制約式の１番目の運転制約セットは最も制約条件である値のとり得る幅が小さく、運転制約セットの番数の増加に伴って、値のとり得る幅が増加する。
【０１２９】
最適化計算手段２は複数運転制約セット記憶手段４から式（９−１），式（９−２）、式（９−３）および式（９−４）の１番目の運転制約セット７を入力し、この運転制約セット７により、数２の最適化問題を計算し最適化計算結果９を得る。
【０１３０】
しかし、実行可能な解がない場合、例えばｆＭ１ ＋（１）＋ｆＭ２ ＋（１）＜ｆＭＤのような場合、１番目の運転制約セット７より制約条件幅が大きい２番目の運転制約セット７を入力し、２番目の運転制約セット７により、数２の最適化問題を計算し最適値を決定する。
【０１３１】
さらに２番目の運転制約セット７で実行可能な解がない場合は３番目の運転制約セット７で、というように、実行可能な解が存在するまで、最大ｎ回の繰り返し処理で最適値を決定する。
【０１３２】
すなわち、複数運転制約セット記憶手段４は、ボイラ２２、１号タービン発電機２３および２号タービン発電機２４に許容される運転制約範囲外の低圧蒸気ヘッダ圧力３７や発電出力４０が必要とされ、最適化計算結果９を計算できない場合、計算上の運転制約範囲を広げる機能を有する。この計算上の運転制約範囲の拡張により、運転制約範囲外の低圧蒸気ヘッダ圧力３７や発電出力４０が必要とされる場合でも、最適化計算結果９を求めることができ、より柔軟性の高い最適化制御を実現できる。
【０１３３】
【発明の効果】
本発明に係るプロセス最適化制御システムにおいては、１次エネルギから２次エネルギを生成するエネルギ生成機器とエネルギ消費負荷で構成されるプロセス系において、プロセス系の最適化問題を解くことで得られた条件を満たすように制御することにより、エネルギ消費負荷に必要とされる２次エネルギを安定に供給し、かつ１次エネルギ消費コストを最小とすることができる。
【０１３４】
また、プロセス系の最適化問題に実行可能な解が存在しない場合でも、エネルギ生成機器の運転制約条件を段階的に緩和し、制約範囲を拡張することができるため、実行可能な解を求めることが可能となり、より柔軟性の高い最適化制御を実現できる。
【０１３５】
また、複数種の１次エネルギの中で、ある１次エネルギが不足する場合、エネルギ消費負荷に必要なエネルギを供給しつつ、不足する１次エネルギの消費量が減少するようにエネルギ生成機器の最適目標値を修正することが可能であるため、全体としての１次エネルギ消費コストの削減を図り、また、プロセス系を安定させることができる。
【０１３６】
バラツキの量を表す偏差量を制御目標値の計算に導入することにより、バラツキによる出力の変動を抑制し、より安定な制御を可能とし、かつ、１次エネルギ消費コストを低減させる効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロセス最適化制御システムの実施の形態を示す構成図。
【図２】図１に示すプロセス系の例を示す構成図。
【図３】統括制御手段の例を示す構成図。
【図４】図３に示す分配ゲインバイアス制御部の構成例を示す図
【図５】従来のプロセス最適化制御システムの構成図。
【符号の説明】
１ プロセス最適化制御システム
２ 最適化計算手段
３ 統括制御手段
４ 複数運転制約セット記憶手段
５ 最適目標値修正手段
６ プロセス系
７ 運転制約セット
８ プロセスデータ
９ 最適化計算結果
１０ 目標値修正用プロセスデータ
１１ 最適目標値修正量
１２ プロセス制御入力
１３ プロセス制御出力
２０ エネルギ生成機器
２１ エネルギ消費負荷
２２ ボイラ
２３ １号タービン発電機
２４ ２号タービン発電機
２５ ボイラ燃料
２６ ボイラ主蒸気
２７ 高圧蒸気ヘッダ
２８ タービン主蒸気
２９ タービン
３０ 復水器
３１ 発電機
３２ 抽気制御弁
３３ 主蒸気加減弁
３４ 発電機出力
３５ 抽気
３６ 低圧蒸気ヘッダ
３７ 低圧蒸気ヘッダ圧力
３８ 電力系統
３９ 買電力
４０ 発電出力
５０ 低圧蒸気圧力設定部
５１ 加減算部
５２ 比例積分部
５３ １号タービン抽気制御部
５４ ２号タービン抽気制御部
５５ 発電出力設定部
５６ １号タービン発電制御部
５７ ２号タービン発電制御部
５８ １号タービン制御部
５９ ２号タービン制御部
６０ 電力負荷
６１ 低圧蒸気圧力設定値
６２ 偏差信号
６３ 低圧蒸気主制御量
６４ １号タービン抽気目標値
６５ ２号タービン抽気目標値
６６ 高圧蒸気ヘッダ圧力
６７ 発電出力設定値
６８ 発電主制御量
６９ １号タービン発電目標値
７０ ２号タービン発電目標値
７１ １号タービン加減弁制御量
７２ １号タービン抽気弁制御量
７３ ２号タービン加減弁制御量
７４ ２号タービン抽気弁制御量
８０ 主制御入力手段
８１ 分配ゲイン設定手段
８２ バイアス設定手段
８３ 加減算部
８４ 制御目標値出力手段
８５ 主制御量
８６ 比例分配量
８７ バイアス量
８８ 制御目標値
Claims (5)
- １次エネルギから需要を満たす２次エネルギを生成するエネルギ生成機器と２次エネルギが供給されるエネルギ消費負荷とから構成されるプロセス系と、主制御量に分配ゲインを与え各エネルギ生成機器に分配する比例分配量を計算する機能を有する分配ゲイン設定手段と前記比例分配量にバイアスを与えるバイアス設定手段を具備した統括制御手段と、最適化計算手段とを備え、この最適化計算手段は、前記プロセス系からプロセスデータを入力し、前記プロセス系のエネルギ生成機器の運転制約条件のもとに、１次エネルギ消費コストを最小とする最適化問題を解くことにより最適化計算結果および最適条件を計算し、この最適条件から分配ゲインおよびバイアスを決定し前記最適化計算結果とともに前記統括制御手段に与える一方、前記統括制御手段は最適化計算結果と分配ゲインおよびバイアスとプロセス制御入力に基づき各エネルギ生成機器が生成する２次エネルギの最適目標値を設定し、前記プロセス系にプロセス制御出力を行うことにより、プロセス系を最適に制御するようにしたことを特徴とするプロセス最適化制御システム。
- 前記最適化計算手段が最適化問題を解くことにより得た最適条件が各エネルギ生成機器の１次エネルギ消費の増加に対する２次エネルギ生成のそれぞれの勾配が等しくなるという条件であり、前記最適化計算手段が、前記１次エネルギ消費と２次エネルギ生成それぞれの勾配が等しくなるように分配ゲインとバイアスを決定するようにしたことを特徴とするプロセス最適化制御システム。
- 前記最適化計算手段に複数運転制約セット記憶手段を設け、この複数運転制約セット記憶手段は、前記プロセス系の多種多様な運転制約条件を複数の運転制約セットとして記憶し、記憶した複数の運転制約セットの中から、ある運転制約セットを選択して前記最適化計算手段に与え、この最適化計算手段に与えられた運転制約セットの条件で前記最適化計算結果が存在しなければ、前記最適化計算結果が存在する運転制約セットが前記最適化計算手段に与えられるまで、残りの運転制約セットを順次選択し前記最適化計算手段に繰り返し与えることを特徴とする請求項１記載のプロセス最適化制御システム。
- 前記統括制御手段に最適目標値修正手段を設け、この最適目標値修正手段は、前記１次エネルギが不足状態の場合、前記エネルギ消費負荷に必要な２次エネルギの生成量を維持しつつ、前記最適化計算手段が計算する前記不足状態の１次エネルギを消費するエネルギ生成機器の最適目標値を前記不足状態の１次エネルギの消費が減少する方向に修正し、１次エネルギの不足状態を解消させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプロセス最適化制御システム。
- 前記最適化計算手段が、前記最適条件の時間的変動により発生する分配ゲインのバラツキを表す量を用いて分配ゲインを統計学に基づいて計算し、前記バラツキの影響を低減させるようにしたことを特徴とする請求項１記載のプロセス最適化制御システム。
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