JP2013084174A

JP2013084174A - 機器相互間の省エネ装置

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Publication number: JP2013084174A
Application number: JP2011224622A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Takahashi; 俊秀高橋
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: JP5861368B2

Abstract

【課題】異なる工業単位のエネルギーを扱う複数機器を共通評価基準にて省エネ評価でき、設備全体としての省エネを図ることのできる機器相互間の省エネ装置を提供する。
【解決手段】それぞれ異なる工業次元のエネルギーを設備に供給する複数の機器を備える。前記複数の機器それぞれに関し、運転量とその運転量に応じて設備に供給するエネルギー量との関係を定めた運転特性について定格を１として正規化し、正規化された運転特性を重畳し、機器相互間の関係を表す重畳正規化データを求める。前記重畳正規化データに基づいて、前記複数の機器のうち１の機器について省エネ制御を実施した場合に他の機器に与える相互干渉度を、最適化手法により計測・分析する。前記相互干渉度に基づいて、前記設備全体としての大局的な最適解を算出する。
【選択図】図６

Description

この発明は、機器相互間の省エネ装置に係り、特に、複数の異なる工業単位をもつエネルギー（電気、ガス、空気、蒸気、水など）を供給するための各種機器を有する生産設備の省エネ制御に好適な機器相互間の省エネ装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００１−３８１２８号公報）に開示されるように、回転数を調整できる複数の換気ファンを備えた製造設備が知られている。また、本公報には、各ファンの風量−静圧特性に基づいて、全ファンの合成風量−静圧特性を求め、全ファン及び集塵配管の圧損からなる総合圧損特性を求め、合成風量−静圧特性及び総合圧損特性に基づいて、各ファンの回転数を設定する省エネ装置が記載されている。風量という単一の工業単位をもつエネルギーについて省エネ制御する技術である。

特開２００１−３８１２８号公報特開平９−１４４６６３号公報特開平９−２５１３０１号公報特開２００５−１５８７３号公報

ところで、設備には様々なエネルギーが投入される。例えば、鉄鋼プラントの所定の設備には、電気、ガス、空気、蒸気、水など、複数の異なる工業単位をもつエネルギーが、ファンやポンプ等の機器により供給される。

従来、設備制御では、設備に必要な状態を作り出すために各種エネルギーの基本制御が行われている。例えば、図９に示す設備運転用制御によるファンやポンプ等の流量制御が相当する。ところで、設備は様々な要素の集合体であることから、省エネ余地が必然的に内在する。そのため、機械諸元や運転状況からそのマージン量を推定し、機器効率を向上させるための省エネ制御が導入されることがある。図９では、基本制御である設備運転用制御に所定機器固有の省エネ制御が加えられ、結果として流量を減少させる省エネ制御が実現されている。

省エネ制御として、例えば、ファン、ポンプ等の機器に個別に着目した周波数制御や、台数制御がある。大容量の高圧ファンには、高圧インバータを使用した周波数制御による風量制御が適用される。複数台を並列運転させるポンプには、全てのポンプまたは限定台数にインバータを適用した周波数制御や、台数制御が適用される。

これらの省エネ制御は、設備に使用される様々なエネルギーに対し個別にのみなされることが一般的である（図１０）。これは、各種エネルギーの関係が直交系であり互いに影響しないものと考えられていたためである。しかしながら、設備には様々なエネルギーが供給されるため、各エネルギーは互いに影響するものと推察される。例えば、省エネ制御により燃焼用空気が少なくなれば必要な燃料ガスも少なくなり、そのエネルギーは減少するため、設備を冷却する冷却水も減少させうると推察される。とすれば、燃焼用空気を供給する高圧ファンの省エネに伴い、冷却水を供給するポンプの省エネも図られることが期待される。

同種の機器の省エネ制御はなされてきつつあるが、設備に投入される各種エネルギーや機器に着目し、あるエネルギーや機器の省エネ制御により、他のエネルギー消費にも影響を与え設備全体でのエネルギー効率として相互関係があることが予見されるにも関わらず、設備全体での省エネ制御はなされておらず、いわば局所的最適解であった。

また、種別の異なる機器間の省エネ制御に着目する場合であっても、所定の機器間に特化した制御であり、設備全体での省エネ制御のために、設備に用いられる各機器を統一した手法で共通評価基準にて省エネ評価できるものではなかった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、異なる工業単位のエネルギーを扱う複数機器を共通評価基準にて省エネ評価でき、設備全体としての省エネを図ることのできる機器相互間の省エネ装置を提供することを目的とする。

この発明は、上記の目的を達成するため、機器相互間の省エネ装置であって、
それぞれ異なる工業次元のエネルギーを設備に供給する複数の機器と、
前記複数の機器それぞれに関し、運転量とその運転量に応じて設備に供給するエネルギー量との関係を定めた運転特性について定格を１として正規化し、正規化された運転特性を重畳し、機器相互間の関係を表す重畳正規化データを求める正規化・重畳手段と、
前記重畳正規化データに基づいて、前記複数の機器のうち１の機器について省エネ制御を実施した場合に他の機器に与える相互干渉度を、最適化手法により計測・分析する相互干渉度推論手段と、
前記相互干渉度に基づいて、前記設備全体としての大局的な最適解を算出する省エネ評価手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、異なる工業単位のエネルギーを扱う複数機器を統一した手法で共通評価基準にて省エネ評価でき、１の機器の省エネ制御が他の機器に与える影響を分析して、設備全体としての大局的な省エネを図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る機器相互間省エネ制御装置のシステム構成を説明するための概念図である。設備に投入される３つの異なるエネルギーについて相互干渉度を示した図である。設備によって異なる干渉度の例を示した図である。ファンの空気風量−圧力特性を示す図である。台数制御される４つのポンプ１８のポンプ流量−電力消費量特性を示す図である。正規化・重畳による共通評価基準の作成について説明するための図である。本発明の実施の形態１の省エネ制御装置１０が実行する処理ルーチンのフローチャートである。設備における最小エネルギーの考え方を説明するための図である。設備に供給されるエネルギー、設備運転用制御、および省エネ制御との関係を示す図である。従来の機器単体の省エネ制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る機器相互間省エネ制御装置のシステム構成を説明するための構成概要図である。図１には、省エネ制御装置１０と、その対象領域の設定が表されている。図１に示すバウンダリの設定は一例であり、本発明におけるバウンダリの設定はこれに限られるものではない。

省エネ制御装置１０の評価・制御対象である設備１２には、空気、ガス、水、蒸気などの各種エネルギーが各種機器により供給される。設備１２の一例として鉄鋼プラントの加熱炉が挙げられる。設備１２には、高圧ファン１４により燃焼用空気が、ブロアー１６によりガスが、複数のポンプ１８により冷却水が供給される。また、設備１２には、補助的機能として低圧容量の低圧ファン２０により空気が供給される場合もある。

また、本システムには、省エネ制御装置１０の他、設備１２に必要な状態（例えば、加熱炉に必要な圧力・温度状態）を作り出すため、設備１２へのエネルギー供給を制御する各機器の基本制御装置（図示省略）が設けられている。機器によっては省エネ制御が採用されており、例えば、高圧ファン１４は高圧インバータに接続され、周波数制御による省エネ制御が可能となっている。また、ポンプ１８は並列に複数台接続されており台数制御による省エネ制御が可能となっている。ポンプ１８には更にＶＶＣＦ制御（可変電圧、可変周波数による速度可変制御）装置が採用されている場合もある。また、設備１２には、小容量の低圧ファン２０等も多数使用されているが、容量が小さいことなどから省エネ対象ではない場合が多く、ここでは商用周波数で動作するものとする。

従来、空気、ガス、水、蒸気などの各エネルギーは工業単位が異なるため、相互に影響しない直交系のエネルギーと考えられていた。そのため、これらのエネルギーを扱う機器は、個別に省エネ制御されていた。しかしながら、様々なエネルギーが使用する生産設備においては、各エネルギーは互いに影響するものと考えられる。例えば、燃焼空気に省エネ余地があり１００から８０に省エネ制御できる場合、燃焼に必要なガスも８０にでき、燃焼エネルギーは減少するため、設備の冷却水量も減らすことができると考えられる。そのため、高圧ファン１４の運転量を減らし燃焼空気を削減できる場合には、ブロアー１６やポンプ１８の運転量も減らすことができると考えられる。このように設備に投入される１つのエネルギーの省エネ制御により、他のエネルギー消費にも影響を与え、設備全体でのエネルギー効率として相互関係があることが予見される。そのため、機器単体ではなく、設備全体を統一した評価基準で省エネ評価し、大局的な最適解を求めることが望まれる。

そこで、本実施形態のシステムでは、異なる工業単位のエネルギーを扱う複数機器を共通評価基準にて省エネ評価し、機器相互の省エネ制御を図り、また、これまで省エネ制御の対象外であった機器についても省エネ評価を行うこととした。

（相互干渉度）
まず、相互干渉系について説明する。図２は、設備１２に投入される３つの異なるエネルギーについて相互干渉度を示した図である。破線は、Ｚ軸の変動がＸ軸やＹ軸に与える影響を示している。各エネルギーが独立した直交系であれば干渉はないが、設備は様々なエネルギーに基づいて動作するため相互に干渉し、Ｘ、Ｙ軸の変動も同様に他の軸に影響を与える。図３は、設備によって異なる干渉度の例を示した図である。設備に供給されるエネルギー、機器構成は異なるため相互干渉度は設備毎に異なる。例えば、ある設備では、空気風量を変化させるとガス流量やポンプ流量にも大きく影響するが、別の設備では、空気流量を変化させてもガス流量やポンプ流量にあまり影響しないということである。様々な設備に対して相互干渉度を求めるためには、各機器間の共通評価基準が必要となる。また、設備毎に機器は異なるため、この共通評価基準は統一した手法により作成できることが望まれる。

（共通評価基準）
この共通評価基準は、各機器の運転特性に基づいて作成できる。図４は、ファンの空気風量−圧力特性を示す図である。具体的には、機器Ａ（低圧ファン２０）は商用周波数５０Ｈｚによる固定運転を、機器Ｂ（高圧ファン１４）は４０〜５０Ｈｚ間で周波数制御運転をするものである。共に設備１２へ空気を供給するものであるが、空気風量の大きさとしてはかなりの差がある。従来の実運転では、機器Ｂで省エネ運転することで流量が減っている場合、その影響度が機器Ａに与える干渉度は不明で有ることが多い。

図５は、台数制御される４つのポンプ１８のポンプ流量−電力消費量特性を示す図である。従来の実運転では、ポンプ台数が多くても台数制御を実施していないケースや、実際に台数制御を実施しても、予想消費電力に対して実消費電力が多い場合や、台数を増加減するタイミングに問題がある場合がある。

図４で述べた空気風量−圧力特性と、図５で述べたポンプ流量−電力消費量特性とは、それぞれの軸の単位が異なり機器相互の関連を捉えることは容易ではないが、本発明では、各運転特性を正規化し重畳させるという統一した手法により、共通評価基準を作成することとした。

図６は、正規化・重畳による共通評価基準の作成について説明するための図である。まず、各機器の運転特性を定格（最大の能力が得られる点）を１として正規化する。具体的には、図４の高圧ファン１４の空気風量−圧力特性では、最大周波数５０Ｈｚにおけるファン特性曲線と抵抗曲線との交点αが定格であるためこれを１とする。すなわち、定格におけるファンの空気風量と圧力を１とする。また、図５の４台のポンプ１８のポンプ流量−電力消費量特性では、ポンプ４台で動作する場合に最大流量が生じるのでこれを定格とし、定格における４台のポンプの流量と電力を１とする。なお、抵抗曲線はポンプ、ファンともに共通するため抵抗曲線との交点の流量を１としている。

定格を１として無次元量化した後、２つの運転特性を共通軸上で重畳させて重畳正規化データを作成する。図６は、高圧ファン１４及びポンプ１８の運転特性を正規化し重畳させた重畳正規化データを表している。このように、設備１２に異種エネルギーを供給する各種機器の運転特性を、統一した手法にて共通評価基準を作成できるため比較することが可能となる。

図６の重畳正規化データに基づいて機器間の省エネ運転可能性を評価する。設備に供給される燃焼空気量に省エネ余地があり、高圧ファン１４による周波数制御にて５０Ｈｚから４０Ｈｚに運転量を変更したとする。この場合、ファンの運転状態は、点αから点βに変化する。重畳正規化データによれば、点βにおけるポンプ１８の台数は３台であることが得られる。即ち、高圧ファン１４の省エネ運転により、ポンプ台数を１台削減できる可能性が示される。実際にどの正規化流量でポンプ台数を切り替えるのが最適かは、機器相互の影響度である相互干渉度を分析することによる。相互干渉度は、重畳正規化データにより示された省エネ運転可能性に基づいて、機器毎の動作を変更しデータを計測・収集し、発見的最適化手法や、数理統計手法、データマイニングなどのデータ分析手法により求める。データ分析手法の詳細は本発明の主たる内容ではないため説明は省略する。相互干渉度によれば、図８に示すように、単独機器での省エネ最小値が、他の機器との組み合わせにて更に最小となる運転点が発見され、機器間ひいては設備全体での大局解を明確な境界領域のもとで求めることができる。

ここで特徴的なことは、設備は機器単独で稼動していることはないので、機器単独での省エネ効果に加えて、機器間での省エネ効果が予見されることである。また、省エネ対象になっていない機器（例えば、低圧ファン２０）も多数あることからこれらも正規化・重畳させて省エネ評価でき、今後の省エネ対象に取り込めることである。また、制御手法としても、台数制御という離散系と周波数制御という連続系での制御が同一の対象となるとともに、対象設備での制約条件が明確であることから、最適化における制約条件数が現実的になることもあり、上記手法の適用が容易になる。この結果、従来では省エネ制御などが適用されていなかった機器を含め、単なる「見える化装置」とはまったく異なる観点から、設備全体を俯瞰した省エネ運転を稼働させることができる。同様に、既に省エネ運転している機器の場合でも、現在の単独省エネ運転から設備全体を俯瞰した省エネ制御へ改善を実施することができる。

図７は、上述の動作を実現するために、省エネ制御装置１０が実行する処理ルーチンのフローチャートである。図１に示す省エネ制御装置１０は、その特徴的構成としてデータ収集機能２２、正規化機能２４、機器間共通省エネ評価機能２６を備え、各機能を実現する演算装置、記憶装置を当然に備える。以下の処理フローは、これらの機能により実現されている。

図７に示すルーチンでは、まず、機器毎に基本制御や省エネ制御を実施する（ステップＳ１００）。例えば、高圧ファン１４等の機器単位で基本制御と省エネ制御を実施する。機器毎に諸元や運転特性（エネルギー消費量、流量、周波数等の関係）を取得する（ステップＳ１１０）。各機器の諸元や運転特性は、図１のデータ収集機能２２に収集される。なお、各機器の諸元や運転特性は予め記憶されていることとしても良い。

データ収集機能２２に収集された各機器の運転特性は、上述の図６の例のように定格を１とする統一手法で正規化され重畳される（ステップＳ１２０）。この処理は、正規化機能２４により実施され、重畳正規化データが作成される。

重畳正規化データに基づいて機器間の省エネ運転可能性を評価する。機器間共通省エネ評価機能２６は、重畳正規化データに基づいて各機器の動作を変更し、１の機器の省エネが他の機器に与える省エネ余地等のデータを計測・収集し、上述の最適化手法等により相互干渉度グラフ（図３）を求める（ステップＳ１２５）。重畳正規化データ及び相互干渉度グラフから最適化手法等により機器相互でのエネルギー最小解を求める。この際、機器条件から大局解領域に制約設定がなされ、その制約内での大局的な最適解を求める（ステップＳ１３０、ステップＳ１４０）。初期値には、例えばステップＳ１００で取得した所定機器についての局所最適解が設定される。

更に望ましくは、上記大局解に基づいて、機器単独での省エネ効果との比較、また省エネ未実施機器に制御を加えた場合の省エネ効果を評価する（ステップＳ１５０）。このような評価により、設備全体としても新たな省エネ運転が示唆される。これに基づき、新たな周波数制御導入、台数制御導入、ＶＶＣＦ制御導入等を検討する。検討された新たな省エネ運転を実施する（ステップＳ１６０）。

以上説明したように、本発明によれば、各運転特性を正規化し重畳させるという統一した手法により、機器に設けられた各機器の省エネ可能性を共通評価基準で評価することができる。これにより、異なる工業単位のエネルギーを扱う複数機器を共通評価基準にて省エネ評価し、機器相互間の省エネ制御を図り、また、これまで省エネ制御の対象外であった機器についても省エネ評価を行うことができる。また、本制御装置は既設操業に影響を与えることなく、設備設計、運用者の経験、ノウハウの範囲で解の妥当性が判断できる制御パッケージ化機能として追加搭載することができる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、インバータを使用した制御や、台数制御を基本とした制御をベースに説明したが、設備によっては多くの小容量ポンプなどがあり、これらに対する省エネ制御として群管理による省エネなどを適用することが出来る。

また、上述した実施の形態１のシステムにおいては、設備１２として加熱炉を挙げて説明したが、設備はこれに限られるものではなく、粗圧延機・仕上圧延機・ＲＯＴ用の冷水循環設備などであってもよい。

１０省エネ制御装置
１２設備
１４高圧ファン
１６ブロアー
１８ポンプ
２０低圧ファン
２２データ収集機能
２４正規化機能
２６機器間共通省エネ評価機能

Claims

それぞれ異なる工業次元のエネルギーを設備に供給する複数の機器と、
前記複数の機器それぞれに関し、運転量とその運転量に応じて設備に供給するエネルギー量との関係を定めた運転特性について定格を１として正規化し、正規化された運転特性を重畳し、機器相互間の関係を表す重畳正規化データを求める正規化・重畳手段と、
前記重畳正規化データに基づいて、前記複数の機器のうち１の機器について省エネ制御を実施した場合に他の機器に与える相互干渉度を、最適化手法により計測・分析する相互干渉度推論手段と、
前記相互干渉度に基づいて、前記設備全体としての大局的な最適解を算出する省エネ評価手段と、
を備えることを特徴とする機器相互間の省エネ装置。
前記重畳正規化データは、離散系制御を実施する機器の運転特性と、連続系制御を実施する機器の運転特性とを含むこと、
を特徴とする請求項１記載の機器相互間の省エネ装置。