JP2020118328A - ボイラ運転条件決定装置および方法、ならびにボイラ運転制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気の安定的な供給と省エネルギーを両立する。【解決手段】少なくとも、ボイラ設備２から蒸気の供給を受ける対象施設３における将来の蒸気の需要予測と、ボイラ設備２から対象施設３への現在の蒸気の流量Ｑｐｖとから、予め定められている複数の運転条件Ｍ１〜Ｍｍをそれぞれ評価し、この評価結果に基づいて運転条件Ｍ１〜Ｍｍの中から最適な運転条件を決定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ボイラ運転条件決定装置および方法ならびにボイラ運転制御装置に関し、特に蒸気を生成する複数のボイラで構成されるボイラ設備の運転条件を決定するボイラ運転条件決定装置および方法ならびにボイラ運転制御装置に関する。

従来より、大型のボイラを設置する代わりに、小型のボイラを複数台設置したボイラ設備として多缶設置ボイラが用いられている。一般に、この多缶設置ボイラに対しては、台数制御装置が設けられている。この台数制御装置は、各ボイラで発生した蒸気を集合させる蒸気集合部における蒸気圧を監視し、この蒸気圧が設定値Ｐｓｐに一致するように、ボイラの運転台数および各ボイラの燃焼状態を制御する。

台数制御装置には、例えば、図５（ａ）に示すような中燃焼状態を優先して燃焼移行を行う「省エネルギーモード」、図５（ｂ）に示すような低燃焼状態を優先して燃焼移行を行う「安定モード」など、複数の運転パターンが定められている。なお、図５において、「Ｌ」は低燃焼状態を示し、「Ｍ」は中燃焼状態を示し、「Ｈ」は高燃焼状態を示す。また、図５においては、低燃焼状態、中燃焼状態、高燃焼状態の順に火力が強くなり、中燃焼状態は低燃焼状態や高燃焼状態よりも燃焼効率がよい。また、Ｐｐｖは蒸気圧の計測値を示し、Ｐｓｐは蒸気圧の設定値を示す。

台数制御装置には、このような省エネルギーモードや安定モードなどの運転パターンが、負荷とボイラの運転台数と各ボイラの燃焼状態との関係を示す運転条件として選択可能に定められている。例えば、安定モードが運転パターンとして設定されると、台数制御装置は、この設定された運転パターン（安定モード）に従って、蒸気圧の計測値Ｐｐｖが蒸気圧の設定値Ｐｓｐに一致するように、多缶設置ボイラの運転状態（ボイラの運転台数および各ボイラの燃焼状態）を制御する。

既存の多缶設置ボイラの台数制御装置では、蒸気圧の情報だけを手掛かりとしてボイラの運転状態を制御するようにしており、蒸気を消費する設備の稼働状況など、蒸気圧が変化する要因を考慮していない。また、実際には、台数制御装置において運転パターンを逐一切り替えるのではなく、突発的な負荷増大に備えて、安定モードに固定されたままであることもある。このため、ボイラの運転台数が過大となる状況が存在し、蒸気の安定的な供給と省エネルギーの両立が難しいという問題があった。

多缶設置ボイラの効率を向上させる仕組みとして、たとえば、特許文献１には、所定期間の蒸気使用量をもとに複数の運転パターンをそれぞれ評価し、その評価結果に基づいて複数の運転パターンの中から最適な運転パターンを求め、最適な運転条件として設定するようにしたボイラ運転条件設定装置が開示されている。

しかしながら、この特許文献１に示されたボイラ運転条件設定装置では、過去の蒸気使用量の実績値等に基づいて運転パターンの評価を行うもので、時々刻々と変動する蒸気の需要を考慮して、運転中のボイラ設備に対してリアルタイムに最適な運転パターンを決定するものではない。したがって、ボイラ設備の運転中に生じる蒸気の需要の変動に対応することができず、蒸気の安定な供給と省エネルギーの両立を図ることは難しい。

また、特許文献２には、エネルギー使用量（燃料消費量と電力消費量との合計）の削減を目的として、運転パターンをタイムスケジュール等で切り替える技術が開示されている。しかしながら、特許文献２に開示された技術では、蒸気の圧力およびボイラの運転状況のみを用いて切り替えを判断しており、蒸気流量や蒸気消費設備の稼働状況などは運転パターンの切り替えには考慮されてはいない。

特開２０１４−１５３０１０号公報 特開２００８−１７０１１４号公報

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、蒸気の安定的な供給と省エネルギーを両立できるボイラ運転条件決定装置および方法ならびにボイラ運転制御装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、蒸気を生成する複数のボイラ（２１−１〜２１−ｎ）で構成されるボイラ設備（２）の運転条件として予め定められている複数の運転条件（Ｍ１〜Ｍｍ）を記憶するように構成された記憶部（１１）と、少なくとも、前記ボイラ設備から蒸気の供給を受ける対象施設（３）における将来の蒸気の需要予測と、前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の流量（Ｑｐｖ）とから、前記複数の運転条件をそれぞれ評価するように構成された評価部（１２）と、前記評価部による評価結果に基づいて前記複数の運転条件の中から最適な運転条件を決定するように構成された最適運転条件決定部（１４）とを備えることを特徴とする。

本発明において、対象施設における将来の蒸気の需要予測は、例えば、対象施設における蒸気を消費する設備に関連するタイムスケジュール、対象施設における蒸気の使用量の計画値（蒸気使用量計画値）、対象施設における蒸気を消費する設備の稼働情報（蒸気消費設備の稼働情報）などから求めるようにする。この場合、タイムスケジュール、蒸気使用量計画値、蒸気消費設備の稼働情報などの情報を将来予測情報とし、この将来予測情報をビルディングオートメーションシステム（以下、ＢＡシステムと呼ぶ。）から取得するようにすることが考えられる。タイムスケジュールや蒸気使用量計画値はボイラ運転条件決定装置に設定しておくようにしてもよく、対象施設における将来の蒸気の需要予測をＢＡシステムで求め、ボイラ運転条件決定装置に送るようにしてもよい。また、クラウド上の過去の稼働情報（実績）から、クラウド側で対象施設における将来の蒸気の需要予測を求めるようにし、その求めた将来の需要予測をクラウド側のサーバからボイラ運転条件決定装置へ送るようにしたり、クラウド上の過去の稼働情報をＢＡシステムが受け取って、ＢＡシステム側で対象施設における将来の蒸気の需要予測を求め、その求めた将来の需要予測をボイラ運転条件決定装置へ送るなどしてもよい。

また、本発明に係るボイラ運転条件決定装置に、最適運転条件決定部によって決定された運転条件をボイラ設備に対して設けられている台数制御装置（４）に指示するボイラ運転条件指示部（１５）を設けるようにしてもよい。また、本発明に係るボイラ運転条件決定装置をボイラ運転条件決定部とし、このボイラ運転条件決定部（５１）とボイラ運転状態制御部（５２）とによって、ボイラ運転制御装置（５）を構成するようにしてもよい。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

以上説明したように、本発明によれば、少なくとも、ボイラ設備から蒸気の供給を受ける対象施設における将来の蒸気の需要予測と、ボイラ設備から対象施設への現在の蒸気の流量とから、予め定められている複数の運転条件をそれぞれ評価し、その評価結果に基づいて複数の運転条件の中からリアルタイムに最適な運転条件を決定するようにしたので、蒸気の安定的な供給と省エネルギーを両立させることが可能となる。

図１は、本発明に係るボイラ運転条件決定装置の一実施の形態を用いたボイラシステムの要部を示す図である。 図２は、このボイラ運転条件決定装置における最適運転条件決定部で行われる処理の概要を示すフローチャートである。 図３は、本発明に係るボイラ運転制御装置を用いたボイラシステムの要部を示す図である。 図４は、ボイラ運転制御装置にボイラ運転条件指示部を設けておくようした例を示す図である。 図５は、ボイラの運転状態の制御に用いられる省エネルギーモードおよび安定モードを例示する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は本発明に係るボイラ運転条件決定装置を用いたボイラシステムの要部を示す図である。

このボイラシステム１００は、本発明に係るボイラ運転条件決定装置１と、ボイラ設備（多缶設置ボイラ）２と、ボイラ設備２から蒸気の供給を受ける対象施設３と、ボイラ設備２の運転状態を制御する台数制御装置４とから構成されている。

このボイラシステム１００において、ボイラ設備２は、多缶設置された複数の小型のボイラ２１−１〜２１−ｎと、このボイラ２１−１〜２１−ｎで発生した蒸気を集合させる蒸気ヘッダ２２とを備えている。

また、このボイラシステム１００において、対象施設３には蒸気吸収式冷凍機、空調用蒸気加湿器、突発負荷設備（滅菌器など）などの多数の蒸気消費設備が設けられており、これらの蒸気消費設備にボイラ設備２から蒸気が供給される。

ボイラ設備２において、蒸気ヘッダ２２に対しては、その蒸気ヘッダ２２内の蒸気の圧力を計測する圧力計２３が設けられている。また、蒸気ヘッダ２２から対象施設３への蒸気の供給路には、対象施設３への蒸気の流量を計測する流量計２４が設けられている。

また、このボイラシステム１００において、台数制御装置４には、省エネルギーモードや安定モードなどの運転パターンが、負荷とボイラの運転台数と各ボイラの燃焼状態との関係を示す複数の運転条件Ｍ１〜Ｍｍとして定められている。

また、このボイラシステム１００において、ボイラ運転条件決定装置１は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、記憶部１１と、評価部１２と、需要予測部１３と、最適運転条件決定部１４と、ボイラ運転条件指示部１５とを備えている。記憶部１１には、台数制御装置４に定められている運転条件Ｍ１〜Ｍｍと同じ運転条件Ｍ１〜Ｍｍが記憶されている。

ボイラ運転条件決定装置１には、流量計２４からの対象施設３への蒸気流量の計測値（現在の蒸気の流量）Ｑｐｖおよびボイラ２１−１〜２１−ｎのボイラ情報（定格能力や燃焼特性などの機器情報）が基幹情報として、また圧力計２３からの蒸気ヘッダ２２内の蒸気圧の計測値（現在の蒸気の圧力）ＰｐｖおよびＢＡシステム（図示せず）からの将来予測情報が補正情報として入力される。

なお、ボイラ情報については、ボイラ運転条件決定装置１に手動で入力するようにしてもよいし、ボイラ運転条件決定装置１が自動的に取得するようにしてもよい。また、ボイラ運転条件決定装置１に予め設定されていてもよい。また、ＢＡシステムからの将来予測情報には、対象施設３における蒸気消費設備に関連するタイムスケジュール（カレンダ情報）、対象施設３における蒸気使用量計画値、対象施設３における蒸気消費設備の稼働情報などが含まれている。

このボイラ運転条件決定装置１において、需要予測部１３は、ＢＡシステムからの将来予測情報に基づいて、対象施設３における将来の蒸気の需要予測を求める。例えば、１時間先までの蒸気の需要予測を求める（図２に示すステップＳ１０１）。

なお、この例では、蒸気の需要予測を１時間先までとしたが、必ずしも１時間先までとしなくてもよく、例えば数分先などとしてもよい。また、需要予測部１３において、対象施設３における将来の蒸気の需要予測を求める場合、必ずしもＢＡシステムからの将来予測情報に含まれている情報（タイムスケジュール、蒸気使用量計画値、蒸気消費設備の稼働情報）の全てを用いなくてもよい。また、タイムスケジュールや蒸気使用量計画値はボイラ運転条件決定装置１に設定しておくようにしてもよい。

また、対象施設３における将来の蒸気の需要予測は、必ずしもボイラ運転条件決定装置１で求めなくてもよく、ＢＡシステム側で求めるようにし、ボイラ運転条件決定装置１へ送るようにしてもよい。また、クラウド上の過去の稼働情報（実績）から、クラウド側で対象施設３における将来の需要予測を求めるようにし、その求めた将来の需要予測をクラウド側のサーバからボイラ運転条件決定装置１へ送るようにしたり、クラウド上の過去の稼働情報をＢＡシステムが受け取って、ＢＡシステム側で対象施設３における将来の蒸気の需要予測を求め、その求めた将来の需要予測をボイラ運転条件決定装置１へ送るなどしてもよい。

このボイラ運転条件決定装置１において、評価部１２は、需要予測部１３で求められた対象施設３における将来の蒸気の需要予測と、流量計２４からの対象施設３への現在の蒸気の流量Ｑｐｖと、ボイラ２１−１〜２１−ｎのボイラ情報と、圧力計２３からの対象施設３への現在の蒸気の圧力Ｐｐｖとから、記憶部１１に記憶されている運転条件Ｍ１〜Ｍｍをそれぞれ評価し（ステップＳ１０２）、その評価結果を最適運転条件決定部１４へ送る。

最適運転条件決定部１４は、評価部１２からの評価結果に基づいて、運転条件Ｍ１〜Ｍｍの中から、最適な運転条件を決定する（ステップＳ１０３）。このステップＳ１０１〜Ｓ１０３の動作を繰り返すことにより、運転中のボイラ設備２に対して、リアルタイムに最適な運転条件が決定される。

この最適な運転条件を決定するにあたって、評価部１２は、現在の蒸気の流量Ｑｐｖとボイラ情報とを基幹情報として、現在の蒸気の圧力Ｐｐｖと将来予測情報から求められた蒸気の需要予測を補正情報として、蒸気の安定的な供給と省エネルギーの観点から、運転条件Ｍ１〜Ｍｍのそれぞれのシミュレーション結果を評価する。そして、最適運転条件決定部１４は、評価部１２における評価結果に基づいて、運転条件Ｍ１〜Ｍｍの中から、蒸気の安定的な供給と省エネルギーを両立する運転条件を最適な運転条件として決定する。

なお、最適運転条件決定部１４で決定される最適な運転条件には、蒸気圧の設定値Ｐｓｐも含むものとする。例えば、蒸気消費設備の稼働状況によって、蒸気圧の設定値Ｐｓｐを下げて省エネルギーを図ることができる場合もある。このようなことを想定し、評価部１２での複数の運転条件Ｍ１〜Ｍｍの評価に際しては、蒸気圧の設定値Ｐｓｐも合わせて評価するものとし、最適運転条件決定部１４で決定される最適な運転条件に蒸気圧の設定値Ｐｓｐも含めるものとする。

この最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件はボイラ運転条件指示部１５へ送られる。ボイラ運転条件指示部１５は、最適運転条件決定部１４によって決定された最適な運転条件を台数制御装置４に指示する。台数制御装置４は、自己に定められている運転条件Ｍ１〜Ｍｍの中から、最適運転条件決定部１４から指示された最適な運転条件を選択し、この選択した運転条件に従ってボイラ設備２の運転状態を制御する。

このようにして、本実施の形態では、台数制御装置４がボイラ運転条件決定装置１の最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件に従って、ボイラ設備２の運転状態をフィードフォワードで制御するようになる。これにより、ボイラ運転条件決定装置１の最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件がボイラ設備２の運転状態の制御にリアルタイムで反映され、蒸気の安定的な供給と省エネルギーの両立が図られるものとなる。

〔実施の形態２〕
図３は、本発明に係るボイラ運転制御装置を用いたボイラシステムの要部を示す図である。同図において、図１を参照して説明した構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。

このボイラシステム１００’では、図１に示したボイラシステム１００で設けられていた台数制御装置４を用いずに、本発明に係るボイラ運転制御装置５を用いてボイラ設備２の運転状態を制御するようにしている。

ボイラ運転制御装置５は、ボイラ運転条件決定部５１と、ボイラ運転状態制御部５２とを備えている。ボイラ運転条件決定部５１は、図１に示したボイラシステム１００におけるボイラ運転条件決定装置１からボイラ運転条件指示部１５を除いた構成とされており、
記憶部１１と評価部１２と需要予測部１３と最適運転条件決定部１４とを備えている。このボイラ運転条件決定部５１において、最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件は、ボイラ運転状態制御部５２へ送られる。ボイラ運転状態制御部５２は、最適運転条件決定部１４から送られてくる最適な運転条件に従って、ボイラ設備２の運転状態を制御する。

このようにして、本実施の形態では、ボイラ運転条件決定部５１の最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件に従って、ボイラ設備２の運転状態がフィードフォワードで制御されるようになる。これにより、実施の形態２では、ボイラ運転条件決定部５１の最適運転条件決定部１４で決定された最適な運転条件がボイラ設備２の運転状態の制御にリアルタイムで反映され、蒸気の安定的な供給と省エネルギーの両立が図られるものとなる。

なお、図４に示すように、ボイラ運転条件決定部５１にボイラ運転条件指示部１５を設け、最適運転条件決定部１４によって決定された最適な運転条件を台数制御装置４に指示できるような構成としておくようにしてもよい。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１…ボイラ運転条件決定装置、２…ボイラ設備、３…対象施設、４…台数制御装置、５…ボイラ運転制御装置、１１…記憶部、１２…評価部、１３…需要予測部、１４…最適運転条件決定部、１５…ボイラ運転条件指示部、２１−１〜２１−ｎ…ボイラ、２２…蒸気ヘッダ、２３…圧力計、２４…流量計、５１…ボイラ運転条件決定部、５２…ボイラ運転状態制御部、１００，１００’…ボイラシステム。

Claims (10)

1. 蒸気を生成する複数のボイラで構成されるボイラ設備の運転条件として予め定められている複数の運転条件を記憶するように構成された記憶部と、
   少なくとも、前記ボイラ設備から蒸気の供給を受ける対象施設における将来の蒸気の需要予測と、前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の流量とから、前記複数の運転条件をそれぞれ評価するように構成された評価部と、
   前記評価部による評価結果に基づいて前記複数の運転条件の中から最適な運転条件を決定するように構成された最適運転条件決定部と
   を備えるボイラ運転条件決定装置。
2. 請求項１に記載されたボイラ運転条件決定装置において、
   前記評価部は、
   前記対象施設における将来の蒸気の需要予測と、前記対象施設への現在の蒸気の流量と、前記ボイラの機器情報と、前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の圧力とから、前記複数の運転条件をそれぞれ評価するように構成されている
   ことを特徴とするボイラ運転条件決定装置。
3. 請求項１または２に記載されたボイラ運転条件決定装置において、
   前記評価部は、
   前記対象施設への蒸気の安定的な供給と省エネルギーの観点から前記複数の運転条件を評価するように構成されている
   ことを特徴とするボイラ運転条件決定装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載されたボイラ運転条件決定装置において、
   前記最適運転条件決定部によって決定された運転条件を前記ボイラ設備に対して設けられている台数制御装置に指示するように構成されたボイラ運転条件指示部
   をさらに備えることを特徴とするボイラ運転条件決定装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載されたボイラ運転条件決定装置において、
   前記対象施設における蒸気を消費する設備に関連するタイムスケジュール、前記対象施設における蒸気の使用量の計画値、前記対象施設における蒸気を消費する設備の稼働情報の少なくとも１つから前記対象施設における将来の蒸気の需要予測を求めるように構成された需要予測部
   をさらに備えることを特徴とするボイラ運転条件決定装置。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載されたボイラ運転条件決定装置において、
   前記評価部は、
   前記対象施設における将来の蒸気の需要予測を外部から取得する
   ことを特徴とするボイラ運転条件決定装置。
7. 蒸気を生成する複数のボイラで構成されるボイラ設備の運転条件を決定するボイラ運転条件決定方法において、
   前記ボイラ設備から蒸気の供給を受ける対象施設における将来の蒸気の需要予測を求める需要予測ステップと、
   前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の流量を計測する蒸気流量計測ステップと、
   少なくとも、前記需要予測ステップによって求められた前記対象施設における将来の蒸気の需要予測と、前記蒸気流量計測ステップによって計測された前記対象施設への現在の蒸気の流量とから、予め定められている複数の運転条件をそれぞれ評価する評価ステップと、
   前記評価ステップによる評価結果に基づいて前記複数の運転条件の中から最適な運転条件を決定する最適運転条件決定ステップと
   を備えることを特徴とするボイラ運転条件決定方法。
8. 請求項７に記載されたボイラ運転条件決定方法において、
   前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の圧力を計測する蒸気圧力計測ステップをさらに備え、
   前記評価ステップは、
   前記需要予測ステップによって求められた前記対象施設における将来の蒸気の需要予測と、前記蒸気流量計測ステップによって計測された前記対象施設への現在の蒸気の流量と、前記ボイラの機器情報と、前記蒸気圧力計測ステップによって計測された現在の蒸気の圧力とから、前記複数の運転条件をそれぞれ評価する
   ことを特徴とするボイラ運転条件決定方法。
9. 少なくとも、蒸気を生成する複数のボイラで構成されるボイラ設備から蒸気の供給を受ける対象施設における将来の蒸気の需要予測と、前記ボイラ設備から前記対象施設への現在の蒸気の流量とから、予め定められている複数の運転条件をそれぞれ評価し、その評価結果に基づいて前記複数の運転条件の中から最適な運転条件を決定するように構成されたボイラ運転条件決定部と、
   前記ボイラ運転条件決定部によって決定された運転条件に基づいて、前記ボイラ設備の運転状態を制御するボイラ運転状態制御部と
   を備えるボイラ運転制御装置。
10. 請求項９に記載されたボイラ運転制御装置において、
    前記ボイラ運転条件決定部は、請求項１から６のいずれか１項に記載されたボイラ運転条件決定装置であることを特徴とするボイラ運転制御装置。

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