JP2009146145A - プラント最適運用システム、最適運転点計算方法及び最適運転点計算プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】自家用発電プラントの蒸気配管網での蒸気潮流を考慮して運転コストを最小化することのできるプラント最適運用システムを提供する。
【解決手段】本発明のプラント最適運用システムは、自家用発電プラント１０の最適運転点を計算する最適運転点計算部３と、最適運転点に基づいてプラントを自動制御する自動制御装置９とを備え、最適運転点計算部３が燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと蒸気潮流方程式と蒸気需給バランスとボイラーの入出力特性とタービン発電機の入出力特性と変数の上下限とを制約条件とし、内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出して自動制御装置に当該最適運転点を目標値として出力するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、自家用発電プラントの最適運用システム及びそれに使用する最適運転点計算方法及び最適運転点計算プログラムに関する。

一般に、工場内に電気と蒸気を供給する自家用発電プラントを最適運転点にて運転制御するプラント最適運用システムにおいては、ボイラー燃料や電力系統からの受電量にかかる運転コストを最小化するように、ボイラー出力や、タービン主蒸気量、抽気量、発電機出力を決定し、これを目標値とした制御が行われている。

このようなプラント最適運用システムは、例えば特開２０００−７８７４９号公報（特許文献１）、特開２００４−１９０６２０号公報（特許文献２）に記載されているように、プラントの蒸気圧力、流量や発電機出力を制御する自動制御装置と、この自動制御装置を介して入力されるプラントの状態量、プラントの最適化モデルおよびそのパラメータを用いて所定の演算式を演算してプラントの運転コストを最小化する最適運転点を算出し、上の自動制御装置の設定値として出力する最適運転点計算装置とを備えている。

そして、このようなプラント最適運用システムでの最適運転点は、下式のような最適化モデルを解くことによって計算している。

ここで、以下は最適化変数であり、

以下はパラメータである。

このような従来のプラント最適運用システムにおいては、工場内のプロセスで使用する蒸気についての制約条件として、（３）〜（５）式のように蒸気の需給バランスのみが考慮されていた。しかしながら、実際のプラントでは、工場内にプロセス蒸気を供給するための配管網があるため、プラント最適運用システムにおいて計算された各発電機の主蒸気量や抽気量を実際に出力可能であるかどうか、また、蒸気負荷を実際に供給できるかどうかは不明であった。
特開２０００−７８７４９号公報 特開２００４−１９０６２０号公報

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、蒸気配管網での蒸気潮流を考慮して運転コストを最小化することのできるプラント最適運用システム、またそれに使用する最適運転点計算方法、プログラムを提供することを目的とする。

本発明の１つの特徴は、自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算手段と、最適運転点に基づいてプラントを自動制御する自動制御手段とを備え、前記最適運転点計算手段は、燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出して前記自動制御手段に当該最適運転点を目標値として出力するプラント最適運用システムである。

本発明の別の特徴は、自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算方法であって、燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出す最適運転点計算方法である。

本発明のさらに別の特徴は、コンピュータを利用して、自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算プログラムであって、燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出する最適運転点計算プログラムである。

本発明によれば、蒸気配管網での蒸気潮流を考慮して運転コストを最小化したプラント運転ができるプラント最適運用システム、またそれに使用する最適運転点計算方法、プログラムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の１つの実施の形態のプラント最適運用システムの構成を示している。このプラント最適運用システムは、プラント最適運転制御システム１と、これにより運転制御される自家用発電プラント１０により構成されている。そしてプラント最適運転制御システム１は、データ入力部２、最適運転点計算部３、プラントモデル記憶部４、データ出力部５、自動制御装置９を備えている。

データ入力部２は、自家用発電プラント１０の電力負荷や蒸気負荷などの状態量を自動制御装置９を介して入力するためのものであり、入力された状態量を最適運転点計算部３へ送る。プラントモデル記憶部４は、所定の計算式としての蒸気潮流方程式を含むプラントの最適化モデルおよびそのパラメータを記憶するものであり、これらのモデルは最適運転点計算部３へ送られる。

最適運転点計算部３は、データ入力部２から送られるプラントの状態量と、プラントモデル記憶部４から送られる最適化モデルに基づき、後述する数理計画法などの最適化手法を用いてプラントの運転コストが最小となる運転点を最適運転点として計算し、計算された最適運転点を自動制御装置９へ送るとともに、データ出力部５によってディスプレイ（図示せず）の画面に表示させ、またプリンタ（図示せず）にてプリントアウトさせたりする。

自動制御装置９は、自家用発電プラント１０の状態量を取り込んでデータ入力部２に伝送し、また、最適運転点計算部３にて計算された最適運転点を受信し、これに基づいて自家用発電プラント１０の該当機器を最適運転点の目標値に追従するように制御する。

自家用発電プラント１０は、ボイラー１１，１２、タービン１３，１４、発電機１５，１６と、これらを接続する蒸気配管や電気母線などから成り、工場内へ電力負荷１７、高圧蒸気負荷１８、中圧蒸気負荷１９、低圧蒸気負荷２０を供給している。

図２は、工場内の高圧蒸気配管網３０を示している。ボイラー１１，１２によって供給される高圧蒸気は、タービン１３，１４によって消費されるほか、工場内の高圧蒸気負荷１８は、実際の工場内では配管網によって高圧蒸気負荷（１）２１、高圧蒸気負荷（２）２２として消費される。

次に、最適運転点計算部３において計算される最適化モデルについて説明する。自家用発電プラント１０の構成は上述した通りである。図２に示すように、ボイラー１１，１２からの供給点やタービン１３，１４への供給点、分岐点や負荷供給点をそれぞれ節点として○１〜７で示し、節点の間を管路として△１〜△６で示すと、高圧蒸気配管網３０は、７節点６管路のモデルとして示される。図３は損失水頭式を説明する図、図４は節点方程式を説明する図である。

以下、図２〜図４を用いて蒸気潮流方程式について説明する。図３において、節点○ｉおよび○ｊの蒸気圧力をそれぞれＰｉ，Ｐｊとし、管路Δｋの蒸気流量をＦｋとすると、管路の損失水頭式は、以下のように表すことができる。

ここで、Ｒｋは管摩擦を表す係数である。

また、図４において、節点○ｋに接続する管路から流出する蒸気流量Ｆｉの和は、節点○ｋへの蒸気供給量Ｑｋに等しいことから、節点方程式は、以下のように表すことができる。

したがって、図２の高圧蒸気配管網３０の蒸気潮流方程式は、以下のように表すことができる。

以上のような蒸気配管網を持つ自家用発電プラントにおいて、ボイラーおよびタービン発電機の入出力特性と、電力および蒸気の需給バランスおよび、蒸気の潮流方程式を制約条件とし、ボイラーの燃料コストを最小化するようなボイラーおよびタービン発電機の運転点は、次式のような最適化モデルを解くことによって計算する。

ここで、以下は最適化変数であり、

以下はパラメータである。

これらのパラメータのうち、電力負荷ＥＬ、高圧蒸気負荷ＳＨ１、ＳＨ２、中圧蒸気負荷ＳＭＬ、低圧蒸気負荷ＳＬＬはデータ入力部２から状態量として与えられ、他のパラメータはプラントモデル記憶部４から取り込む。

（１３）式から（２３）式で表される最適化問題は非線形計画問題であり、最適化手法として非線形計画法を適用する。特に、各機器の入出力特性（１９）式〜（２２）式を二次関数で近似することにより二次制約二次計画法を適用する。また、（１９）式〜（２２）式を逐次線形近似することにより、逐次線形計画法を適用する。

次に、本実施の形態におけるプラント最適運転制御システム１による自家用発電プラント１０の最適運転制御動作を、これに使用する最適運転方法、またこの最適運転方法を実施するべく当該システムに登録されている最適運転プログラムと共に説明する。図５は、本実施の形態のプラント最適運転制御システム１の処理を示すフローチャートである。

プラント最適運転制御システム１はまず、データ入力部２によって自動制御装置９を介してプラント１０の状態量を入力し、またプラントモデル記憶部４からデータを読み込むことによって、最適運転点計算部３で処理するデータを用意する（Ｓ２０１）。

そして最適運転点計算部３は、（１３）式〜（２３）式の蒸気潮流方程式を作成する（Ｓ２０２）。そして、この蒸気潮流方程式を用いて最適化計算を行い、最適運転点を計算する（Ｓ２０３）。計算された最適運転点は、データ出力部５によってディスプレイの画面などに表示し（Ｓ２０４３）、また、自動制御装置９へ最適運転点を出力する（Ｓ２０５）。

自動制御装置９は、最適運転点計算部３からの最適運転点を制御量とし、燃料流量を制御し、主蒸気流量、中圧蒸気の抽気流量、低圧蒸気の抽気流量を制御し、また発電機出力を制御することにより、最適運転を継続的に行う。

これにより、本実施の形態のプラント最適運用システムによれば、自家用発電プラント１０に対して蒸気配管網の蒸気潮流を考慮しながら運転コストを最小化した運転ができ、しかも得られたプラントの運転点は確実に運転可能であり、また蒸気負荷を確実に供給することができる。

本発明の１つの実施の形態のプラント最適運用システムのブロック図。 上記実施の形態のプラント最適運用システムにより運転制御される自家用発電プラントの高圧蒸気配管網を示す図。 上記実施の形態のプラント最適運用システムにおけるプラント最適運転制御システムにおいて最適運転点計算部が用いる損失水頭式を説明する図。 上記実施の形態のプラント最適運用システムにおけるプラント最適運転制御システムにおいて最適運転点計算部が用いる節点方程式を説明する図。 上記実施の形態のプラント最適運用システムにおけるプラント最適運転制御システムの処理を示すフローチャート。

符号の説明

１…プラント最適運転制御システム
２…データ入力部
３…最適運転点計算部
４…プラントモデル記憶部
５…データ出力部
９…自動制御装置
１０…自家用発電プラント

Claims (7)

1. 自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算手段と、
   最適運転点に基づいてプラントを自動制御する自動制御手段とを備え、
   前記最適運転点計算手段は、燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出して前記自動制御手段に当該最適運転点を目標値として出力することを特徴とするプラント最適運用システム。
2. 前記蒸気潮流方程式は、蒸気の圧力と流量の関係式からなることを特徴とする請求項１に記載のプラント最適運用システム。
3. 前記最適運転点計算手段は、非線形計画法を適用することを特徴とする請求項１又は２に記載のプラント最適運用システム。
4. 前記非線形計画法は、二次制約二次計画法であることを特徴とする請求項３に記載のプラント最適運用システム。
5. 前記非線形計画法は、逐次線形計画法であることを特徴とする請求項４のプラント最適運用システム。
6. 自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算方法であって、
   燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出すことを特徴とする最適運転点計算方法。
7. コンピュータを利用して、自家用発電プラントの最適運転点を計算する最適運転点計算プログラムであって、
   燃料コストを最小化することを目的関数とし、電力需給バランスと、蒸気潮流方程式と、蒸気需給バランスと、ボイラーの入出力特性と、タービン発電機の入出力特性と、変数の上下限とを制約条件として内蔵する所定の演算式を演算することにより最適運転点を見出することを特徴とする最適運転点計算プログラム。

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