JP2005269841A - 複数操業設備の稼動設備決定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】再起動遅延時間制約を遵守して、起動に時間のかかる複数操業設備の稼動設備を決定する。
【解決手段】好ましい優先稼動順位を決定し、一定時間毎の生産量目標値と各操業設備の生産量上限値から再起動遅延時間制約が無い場合の最低稼動設備台数を決定し、各稼動設備の再起動遅延制約時間内か制約外かを検証する。
【選択図】図７

Description

本発明は、少なくとも出力に上下限制約と一旦停止した後に再び起動するのにある一定の時間を要するという再起動遅延時間制約を有する複数の操業設備を有する事業者が、ある定められた期間において一定時間毎に変動し得る目標値の生産量を需要家に供給する場合であって、該ある定められた期間における該一定期間毎の出力目標値を該複数の操業設備のうち、いずれかの操業設備の上限値稼動の組合せで求まる最低台数運転では該ある定められた期間中に渡って少なくともその中の一つの操業設備の停止と再起動が必要となり、その再起動までに必要な時間が、該再起動を要請される操業設備の再起動遅延時間以内となって実際上再起動できない場合が生じる場合の該複数の操業設備の稼動設備の決定方法に係り、特に、電力託送の発電設備に用いるのに好適な、再起動遅延時間制約を守りつつ稼動設備を決定することが可能な、起動に時間のかかる複数操業設備の稼動設備決定方法に関する。

図１に示すように、発電設備１２を備えた発電事業者１０が、電力会社２０の送電網２２を利用して電力を供給先４０に供給することを電力託送と称する。この電力託送においては、電力会社２０との契約で、ある定められた時間単位で託送量が事前に決められる。ある定められた時間単位で、この託送量が供給先４０の需要電力量より少なすぎると電力会社２０からペナルティ料金を請求されるし、多すぎると発電にかかった料金よりも安価な料金で、多すぎた電力を電力会社２０に買い取られてしまう。従って、電力託送において発電事業者１０が経済性を追求する上では、この過不足を生じないようにすることが非常に重要である。

電力を供給する側は、図１に示したように、自らの発電設備１２で発電する電力以外に、製鉄所３２や清掃工場３４等で得られる余剰電力や、電力会社２０からの購入電力も用いることができる。余剰電力は、例えば製鉄所３２では、製鉄所で発電した電力のうち生産に必要な電力を引いた残りの電力であるので、その電力量を特定の値に制御することはできない。又、清掃工場３４においても、ゴミを焼却して得られた電力のうち、工場内で使用した残りが余剰電力であって、その電力量を特定の値に制御することは原則としてできない。従って、これら余剰電力は、出力制御できない成り行き電力であり、この成り行き電力を供給する設備は、出力制御不可能な発電設備３０ということになる。又、供給電力として、電力会社２０からの購入電力も組み合わせることができるが、その値は前日に電力会社２０に通知しなければならないので、当日に上述の過不足を生じさせないための制御には使用できない。

即ち、電力託送において、ある定められた時間単位で需給の過不足を生じないということは、次式を守ることであり、この式（１）が成り立つように制御することが課題となる。

発電量＋成り行き電力量＋購入電力量＝需要電力量 …（１）

この（１）式を変形すると次式になる。

発電量＝需要電力量−成り行き電力量−購入電力量 …（２）

成り行き電力量は変動するが、最小でも、これだけの電力が得られるという値を成り行き電力量最小値（そのような値がわからなければ０）とすると、次式が成立しなければならない。

発電設備の可能発電量≧需要電力量−成り行き電力量最小値−購入電力量
…（３）

このような制約を満足させるべく、特許文献１乃至４が提案されている。

特開２００２−２４７７６８号公報 特開２００２−３５９９２２号公報 特開２００３−８７９７１号公報 特開２００３−１５３４５１号公報

発電設備は複数あるが、ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）等の効率の高い発電設備は、停止後は、ある時間休めて、それから起動し通常運転に入るまで、前記のある定められた時間単位よりも長い時間が必要となる。例えば、ＧＴＣＣでは、天然ガスや重油を燃焼させてガスタービンを回して発電し、更にガスタービンから出る高温の排ガスをボイラーに送り得られる蒸気を蒸気タービンに送って発電させるので、その起動（立ち上げてから通常運転に入るまで）には約１時間必要である。又、停止したときに直ぐに再起動させると大きな温度変化を急激に与えることになり、設備に悪影響を及ぼしてしまう。そのため停止後は、ある程度の時間を置く必要があり、その結果、停止後は起動まで数時間かかる。従って、ある定められた時間単位で受給の不足が生じそうだと分かったときに、急に設備を起動させても間に合わない。それ故、どの発電設備を、どのタイミングで起動させるかは、前もって計画する必要がある。

しかしながら従来は、このような起動に時間がかかる発電設備の再起動遅延時間制約を考慮した計画は検討されていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、起動に時間のかかる操業設備の再起動遅延時間制約を考慮して稼動設備を決定することを課題とする。

本発明は、少なくとも出力に上下限制約と一旦停止した後に再び起動するのにある一定の時間を要するという再起動遅延時間制約を有する複数の操業設備を有する事業者が、ある定められた期間において一定時間毎に変動し得る目標値の生産量を需要家に供給する場合であって、該ある定められた期間における該一定期間毎の出力目標値を該複数の操業設備のうち、いずれかの操業設備の上限値稼動の組合せで求まる最低台数運転では該ある定められた期間中に渡って少なくともその中の一つの操業設備の停止と再起動が必要となり、その再起動までに必要な時間が該再起動を要請される操業設備の再起動遅延時間以内となって実際上再起動できない場合が生じる場合の該複数の操業設備の稼動設備の決定方法であって、好ましい優先稼動順位を決定する工程と、該一定時間毎の生産量目標値と各操業設備の生産量上限値から再起動遅延時間制約が無い場合の最低稼動設備台数を決定する工程と、各稼動設備の再起動遅延時間制約内か制約外かを検証する工程とを含むようにして、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、起動に時間のかかる操業設備の再起動遅延時間制約を考慮して稼動設備を決定することが可能となる。

以下図面を参照して、電力託送の発電設備に適用した本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明を実施する際には、まず、発電設備の優先稼動順位（以下、単に優先順位と称する）を決定する。

優先順位の決定方法としては、経済性の高い順（定格運転に対して発電単価の小さい順）や、設備の大きい順（運動台数が少なくなる順）や、再起動にかかる時間が長い順（停止と起動を頻繁に繰返さない方が好ましい順）が自然であるが、これらを基本として、これまでに長時間連続運転している設備は、寿命を長く持たせるため、優先順位を低くするとか、長時間停止している設備に対しては、停止状態が続くことによる不具合を防止するため、必ず起動させるよう優先順位を高くする等の修正が考えられる。

ある定められた期間における一定時間毎のタイミングを時刻ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mとし、各タイミングでの目標値をｆ（ｔ₁）、ｆ（ｔ₂）、…、ｆ（ｔ_M）とする。発電設備が優先順位に従って番号が付けられているとし、設備ｉの最大出力をＰmax(i)とする。ｎ＝１、…、Ｎ（Ｎは稼動可能な設備数）に対して、次式（４）を計算し、ｊ＝１、…、Ｍに対し、次の（５）式となるｎを求める。

これは、時間帯ｔ_j-1からｔ_jまでは設備１からｎまで稼動させるべきであるということを意味している。又、このｎが、優先順位に従う稼働設備台数になる。

上記のｎは各タイミング毎に決まるので、どのタイミングの時かが分かるように、ｎ＝Ｋ（ｔ_j）と表わすことにする。ｊ＝１、…、Ｍに対し、｛１、２、…、Ｋ（ｔ_j）｝をタイミングｔ_jにおける稼動設備の暫定集合とする。タイミングｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mの順に稼動設備の暫定集合を調べ、時刻ｔ_iには稼動設備の暫定集合に入っているが、その後入っておらず、時刻ｔ_jに再び入っているような稼動設備ｋが存在するかどうかを調べる。このような設備ｋが存在した場合、この設備ｋの再起動遅延時間をＴ（ｋ）とすると、ｔ_j−ｔ_i＞Ｔ（ｋ）ならば制約を満たしており、ｔ_j−ｔ_i＜Ｔ（ｋ）ならば制約に違反している。

最低稼動設備台数では各稼動発電設備の再起動遅延時間制約を満たすことができない場合、即ち、条件ｔ_j−ｔ_i＜Ｔ（ｋ）を満たす発電設備ｋが見つかった場合、以下の方法で稼動設備を決定する。但し、タイミングｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mに対応する稼動設備暫定集合の中で最大のものを見つけ、そのＫ（ｔ_i）をＫmaxとし、稼動可能な設備数をＮとして、Ｕ＝｛１、２、…、Ｋmax｝を使用設備集合、Ｖ＝｛Ｋmax＋１、Ｋmax＋２、…、Ｎ｝を未使用設備集合とする。

ある定められた期間でＫmaxより多い台数の設備を稼動しても良く、稼動可能な新たな設備がある場合は、未使用設備集合が空集合ではなく、タイミングｔ_j以降の稼動設備暫定集合の中で、設備ｋを未使用設備集合Ｖの中の設備ｋ’に置き換えても電力目標値条件をクリアできる場合である。この場合は、タイミングｔ_j以降の稼動設備暫定集合の中の設備ｋをｋ’に置き換え、集合Ｖから要素ｋ’を削除する。

一方、ある定められた期間で、Ｋmaxより多い台数の設備を稼動しても良いが稼動可能な新たな設備が無い場合や、Ｋmaxより多い台数の設備を稼動してはいけない場合は、タイミングｔ_i+1以後ｔ_j-1まで設備ｋを停止するのを止めるしかない。即ち、タイミングｔ_i+1以降タイミングｔ_j-1までの稼動設備暫定集合の中に設備ｋを加える。

この操作を繰返すことにより、各タイミングで優先順位の高い設備の最小台数により再起動遅延時間制約を満たすことが可能となる。

なお、各発電設備の能力が同じで優先順位が全て同じ場合は、各設備の区別が無くなるので、稼動設備暫定集合は、その要素を把握する必要がなく、要素数だけ把握しておけばよい。従って、前記の内容は関数が極小値を持たないようにすることに対応する。アルゴリズム的に見ると、集合のチェックや操作に比較して、関数が極小値を持たないようにする操作の方が、より簡単になる。

現在の電力取引における基準時間単位は３０分であり、３０分毎の需給電力量に応じて金額精算がされる。又、一般に電力需要はマクロに見ると、昼間多く夜間は少ないというパターンで、これが繰り返される。従って、１日を周期と見て、稼動設備の優先順位を決定するのが自然であり、ある定められた期間を１日とするのが良い。

稼動可能な発電設備を５台有する発電所を考える。計画期間１〜１２において、発電設備には優先順位が付けられ、この優先順位に従って発電設備に番号ｋが付けられているとする。

計画期間において、ある定められた時間単位毎のインタバル時刻をｔ₁、ｔ₂、…、ｔ₁₂とする。発電設備ｋの最大発電量をＰmax(k)とすると、次式が成立する。

インタバル時刻ｔ_iにおける（３）式の右辺をｆ（ｔ_i）とすると、（６）式は次のように書ける。

図２は、（７）式を図示したものであるが、設備１から設備ｋまでを全て稼動させると、その合計の可能発電量はｆ（ｔ_i）を上回ることを示している。設備ｋ−１まででは上回ることはできないし、設備ｋ＋１を稼動させるのは無駄になる。このように、各インタバル時刻ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ₁₂で稼動させるべき設備を優先順位に従って求めると、例えば図３のようなタイムチャートが得られる。

Δ＝ｔ_i+1−ｔ_iとし、発電設備ｋの再起動遅延時間制約時間Ｔ（ｋ）は、Ｔ（ｋ）＝２．５Δであるとすると、図４に示すように、設備３で再起動遅延時間制約違反が２箇所発生する。即ち、時刻ｔ7で、２Δ休止後の再起動が必要となり、時刻ｔ9で、１Δ休止後の再起動が必要となる。

これに対し、この計画期間において、更に設備６が使用可能で、設備６の最大発電量が設備３と同じであるとすると、本発明による再起動遅延時間制約違反を解消したタイムチャートは、図５のようになる。

この計画期間において、設備３の代替になる設備が無い場合、あるいは、有っても新たな設備を使いたくない場合は、本発明による再起動遅延時間制約違反を解消したタイムチャートは図６のようになる。

特に、発電設備が全て同一の場合は、図３の上のグラフを発電台数のグラフと見なして発電台数に着目したグラフ（図７）を考える。Ｔ＝Ｔ（ｋ）として、タイミング時刻ｔ₁〜ｔ₁＋Ｔの間に発電台数グラフが極小値を持たないか、ｔ₂〜ｔ₁＋Ｔの間で発電台数グラフが極小値を持たないか、・・・を順番に調べていく。そうすると、ｔ₅〜ｔ₇の間、及び、ｔ₈〜ｔ₉の間で極小値を持つことが分かるので、新たな設備６が使用できる場合は、本発明により図５のタイムチャートが得られるし、設備６を使用しない場合は、本発明の極小値を解消するアルゴリズムにより、図６のタイムチャートが得られる。

なお、前記説明においては、本発明が発電設備を例にとって説明されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、大型の複数設備を有するプラントにおける操業設備一般に広く適用できる。

電力託送を説明するための構成図 稼動設備と可能発電量の関係を示す図 計画期間における各設備の稼動状態と可能発電量の関係を示すタイムチャート 同じく再起動遅延時間制約違反が発生している状態を示すタイムチャート 本発明により再起動遅延時間制約違反を解消したタイムチャート 同じく本発明の他の方法により再起動遅延時間制約違反を解消したタイムチャート 本発明の実施例を示すタイムチャート

符号の説明

１０…発電事業者
１２…発電設備
２０…電力会社
２２…送電網
３０…出力制御不可能な発電設備
３２…製鉄所
３４…清掃工場
４０…供給先

Claims (11)

1. 少なくとも出力に上下限制約と一旦停止した後に再び起動するのにある一定の時間を要するという再起動遅延時間制約を有する複数の操業設備を有する事業者が、ある定められた期間において一定時間毎に変動し得る目標値の生産量を需要家に供給する場合であって、
   該ある定められた期間における該一定期間毎の出力目標値を該複数の操業設備のうち、いずれかの操業設備の上限値稼動の組合せで求まる最低台数運転では該ある定められた期間中に渡って少なくともその中の一つの操業設備の停止と再起動が必要となり、その再起動までに必要な時間が該再起動を要請される操業設備の再起動遅延時間以内となって実際上再起動できない場合が生じる場合の該複数の操業設備の稼動設備の決定方法であって、
   好ましい優先稼動順位を決定する工程と、
   該一定時間毎の生産量目標値と各操業設備の生産量上限値から再起動遅延時間制約が無い場合の最低稼動設備台数を決定する工程と、
   各稼動設備の再起動遅延時間制約内か制約外かを検証する工程と、
   を含むことを特徴とする複数操業設備の稼動設備決定方法。
2. 前記最低稼動設備台数では各稼動設備の再起動遅延時間制約を満たすことができない場合に、稼動設備台数を最低台数増やして、各稼動設備の再起動遅延時間制約を満たすことを特徴とする請求項１に記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
3. 前記複数操業設備の稼動設備決定を、操業設備ｋの停止後起動完了までに必要な時間をＴ(k)、その最大操業量をＰmax(k)、定められた期間内の一定時間ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mにおいて要求される操業量をｆ(ｔ₁)、ｆ(ｔ₂)、・・・ｆ(ｔ_M)、各操業設備の稼動優先順位が番号順とし、
   

   

   を満たす最小の整数Ｋ（ｔ_i）を求め、｛１，２，…，Ｋ(ｔ_i)｝をインタバル時刻ｔ_iにおける稼動設備の暫定集合とするステップ１と、
   インタバル時刻ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mに対応する稼動設備の暫定集合の中で最大のものを見つけ、そのＫ（ｔ_i）をＫmaxとするステップ２と、
   インタバル時刻ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mの順に稼動設備の暫定集合を調べ、ある操業設備ｋがインタバル時刻ｔ_iには稼動設備の暫定集合に入っていてその後入っておらず、インタバル時刻ｔ_jに再び入っていることがわかった場合、ｔ_j−ｔ_i≧Ｔ（ｋ）ならば特に何もしないが、ｔ_j−ｔ_i＜Ｔ（ｋ）ならばインタバル時刻ｔ_iまでの稼動設備の暫定集合の中のｋをこれまでに割り当てていない操業設備のうちステップ１のところで示した必要操業量条件を満たす新たな操業設備に置き換えることで稼動設備の暫定集合を修正するステップ３と、
   ステップ３を繰り返し、稼動設備の暫定集合を修正する必要が無くなれば終了して、得られた稼動設備の暫定集合や各インタバル時刻における稼動設備の集合とするステップ４と、
   によって各インタバル時刻ｔ₁、ｔ₂、…、ｔ_Mにおける稼動発電設備を決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
4. 前記ステップ３で操業設備ｋを新たな設備で置き換えることができない場合、及び、定められた期間で稼動させる操業設備の組合せを最小にしたい場合は、インタバル時刻ｔ_i+1からｔ_j-1までの稼動設備の暫定集合の中にｋを加えることにより稼動設備の暫定集合を修正し、この操作を繰り返して最終的に稼動設備の集合を得ることを特徴とする請求項３に記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
5. 各操業設備の能力が同じで稼動優先順位が全て同じ場合、各インタバル時刻における稼動設備の暫定集合を各インタバル時刻における稼動設備台数の暫定値に置き換え、これを時間の関数と見たとき、定められた期間で最小値を持たないように修正することにより、定められた期間での操業設備の稼動台数を決定することを特徴とする請求項４に記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
6. 前記最低稼動設備台数では各稼動設備の再起動遅延時間制約を満たすことができない場合に、前記操業設備の停止を中止して、各稼動設備の再起動遅延時間制約を満たすことを特徴とする請求項１に記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
7. 前記操業設備の優先稼動順位を、単位生産量当たりの操業コストが最低となる順に決めることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
8. 前記複数の操業設備が、生産量変化率に制約のある操業設備であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
9. 前記一定時間毎に変動し得る目標値の生産量が、一定期間毎に前もって決定される可変の購入量を含めて一定時間毎に変動し得る目標値の生産量であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
10. 前記操業設備が発電設備であり、前記生産量が電力であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。
11. 前記ある定められた期間が１日であり、一定時間が３０分であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の複数操業設備の稼動設備決定方法。

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