JP2020129338A - Kpi改善支援システム及びkpi改善支援方法 - Google Patents

Kpi改善支援システム及びkpi改善支援方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リアルタイムに応答特性を予測しながら、リアルタイムに変化する目標値に追従して最適に操作することで、トータルで最適な運転を可能とするKPI改善支援システム及びKPI改善支援方法を提供する。【解決手段】一定運転状態と変動運転状態が繰り返し実行される適用対象からの運転データを得、前記適用対象の操作条件を与えるKPI改善支援システムであって、少なくとも変動運転状態における操作条件と運転データを用いて適用対象の変動運転状態におけるKPIの動特性を評価する動特性評価手段と、動特性評価手段における評価結果から適用対象の操作条件を学習する学習手段と、学習手段による学習結果に従って適用対象の操作条件を生成する操作条件信号生成手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。【選択図】図1

Description

本発明は各種機器のKPI改善を支援するKPI改善支援システム及びKPI改善支援方法に関する。
近年、ICT(Information and Communication Technology )、IoT(Internet of Thing)の技術革新に伴い、高速な計算機やネットワーク通信、大容量なデータ保存装置を利用できる環境が整いつつある。多くの産業分野で大量に蓄積したデータの利活用に注目が集まるなか、機器の計測データや点検・保全データなどの現地サイトで収集したデータと、企業の経営及び資産情報を管理するシステムの統合により、重要業績評価指標(KPI:Key Performance Indicators)を改善する運用が求められている。
例えば発電事業の分野では、風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーの利用増加に伴う発電量の変動が電力系統の安定性を低下させるという懸念から、バックアップ電源としての火力発電プラントの重要性が増している。また、火力発電プラントは負荷調整としての役割だけでなく、ベースロード電源としての役割も担っており、効率、環境性能、稼働率などの運用性能をKPIとして考慮した運用が求められている。
火力発電プラントの運用性能を改善するため、特許文献1、特許文献2には環境性能である窒素酸化物濃度、一酸化炭素濃度を低減させる制御装置が開示されている。
特開2012−141862号公報 特開2009−244933号公報
先行技術文献に記載した技術では、静特性を模擬するモデルと、このモデルを対象に最適な操作方法を学習する学習手段を組み合わせて、操作信号を生成する。この技術を用いることで、機器で使用する燃料の種類、生成する製品の内容、製造量が変化して最適な操作条件の変化に追従して、操作条件を最適値に移動させることができる。しかし、移動時の過渡的な変化を考慮していないため、一時的にKPIが悪化して、トータルでは最適な運転にならない場合がある。
本発明の目的は、リアルタイムに応答特性を予測しながら、リアルタイムに変化する目標値に追従して最適に操作することで、トータルで最適な運転を可能とするKPI改善支援システム及びKPI改善支援方法を提供することにある。
以上のことから本発明においては、「一定運転状態と変動運転状態が繰り返し実行される適用対象からの運転データを得、前記適用対象の操作条件を与えるKPI改善支援システムであって、少なくとも変動運転状態における操作条件と運転データを用いて適用対象の変動運転状態におけるKPIの動特性を評価する動特性評価手段と、動特性評価手段における評価結果から適用対象の操作条件を学習する学習手段と、学習手段による学習結果に従って適用対象の操作条件を生成する操作条件信号生成手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム」としたものである。
また本発明においては、「一定運転状態と変動運転状態が繰り返し実行される適用対象からの運転データを用いて、適用対象の操作条件を与えるKPI改善支援方法であって、少なくとも変動運転状態における操作条件と運転データを用いて適用対象の変動運転状態におけるKPIの動特性を評価し、動特性の評価結果から適用対象の操作条件を学習し、学習結果に従って適用対象の操作条件を生成することを特徴とするKPI改善支援方法」としたものである。
本発明のKPI改善支援システム及びKPI改善支援方法を用いることで、各種機器のKPIを改善できる。特に、火力、発電プラントへ適用した場合、プラント効率を改善し、石炭消費量を削減できる。
本発明の実施例に係るKPI改善支援システムの構成例を説明するブロック図。 KPI改善支援システムにおける学習動作を説明するフローチャート図。 KPI改善支援システムにおける学習結果に基づいて操作条件信号を生成するフローチャート図。 適用対象100の運転とKPIの関係を説明する図。 静特性評価手段300をニューラルネットワークモデルで構築することを示す図。 ニューラルネットワークモデルの入力と出力の関係を示す図。 学習手段400を動作させた結果の実施例を示す図。 運転データベースDB1に保存されるデータの態様を説明する図。 運転計画データベースDB2に保存されるデータの態様を説明する図。 図2の処理をさらに静特性側と動特性側に分けて具体的に示したフローチャート。 評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例を示す図。 評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例を示す図。 評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例を示す図。 評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例を示す図。 適用対象100の実施例である石炭火力プラントの構成を示す概略図。 操作条件変更幅とプロセス値のオーバーシュート幅の関係を示す図。 静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例を示す図。 静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した場合を示す図。 運転計画連携手段620で用いる運転計画データSg6の内容を説明する図。 運転計画連携評価手段620を動作させた評価値を用いて学習手段400を動作させた結果を説明する図。
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図1は本発明の実施例に係るKPI改善支援システム200の構成例を説明するブロック図である。本実施例では、KPI改善支援システム200は本システムの適用対象100及び外部装置900と接続されている。
図1のKPI改善支援システム200は、一般には計算機装置により構成されており、その演算装置における処理機能を模式的に示すならば、静特性評価手段300、学習手段400、評価値計算手段500、動特性評価手段600、操作条件信号生成手段700を備えたものということができる。さらに動特性評価手段600には、過渡特性評価手段610と運転計画連携評価手段620が備えられている。KPI改善支援システム200における各部の動作については、図2以降で説明する。
KPI改善支援システム200は、データベースDBとして運転データデータベースDB1、運転計画データベースDB2、学習結果データベースDB3を備える。データベースDBには、電子化された情報が保存されており、通常電子ファイル(電子データ)と呼ばれる形態で情報が保存される。
またKPI改善支援システム200は、外部とのインターフェイスとして外部入力インターフェイス210及び外部出力インターフェイス220を備え、インターフェイスを介して本システムの適用対象100及び外部装置900に接続している。
係るインターフェイス構成により、外部装置900に備えられている外部入力装置910(キーボード910及びマウス920)の操作で作成する外部入力信号Sg1と、外部入力インターフェイス210を介して適用対象100にて収集している運転データSg2がKPI改善支援システム200に取り込まれる。
適用対象100は制御装置180と機器190で構成され、機器190から制御装置180に計測信号Sg70が送信され、制御装置180から機器190には操作信号Sg80を送信する。先に述べた運転データSg2は、計測信号Sg70及び操作信号Sg80を含むデータである。KPI改善支援システム200に取り込まれた運転データSg2及び外部入力信号Sg1に含まれる運転に関するデータは運転データSg3として運転データデータベースDB1に保存され、外部入力信号Sg1に含まれる運転計画に関するデータは運転計画データSg4として運転計画データベースDB2に保存される。
ここで運転計画データSg4は、適用対象100の運転計画に関するデータであり、例えば適用対象100で使用する燃料の種類、適用対象100で生成する製品の内容、製造量の計画値である。
またKPI改善支援装置200は、外部出力インターフェイス220を介して、操作条件信号Sg14を適用対象100内の制御装置180と適用対象100内の画像表示装置940に出力する。
なお、本実施例のKPI改善支援システム200においては、計算機装置を構成する演算装置、およびデータベースDBがKPI改善支援システム200の内部に備えられている例を示しているが、これらの一部の装置をKPI改善支援システム200の外部に配置し、データのみを装置間で通信するようにしてもよい。
また、各データベースDBに保存されている信号である信号データベース情報50は、その全ての情報が外部出力インターフェイス220を介して画像表示装置940に表示でき、これらの情報は外部入力装置910を操作して生成する外部入力信号Sg1で修正できる。
本実施例では、外部入力装置910をキーボード920とマウス930で構成しているが、音声入力のためのマイク、タッチパネルなど、データを入力するための装置であれば良い。
また、本発明の実施形態として、運転支援装置あるいは方法としても実施可能であることは言うまでもない。また、本実施例ではKPI改善支援システム200の適用対象をプラントとしているが、適用対象をプラント以外の設備としても実施可能であることは言うまでもない。
図2(a)と図2(b)は、KPI改善支援システム200の動作を説明するフローチャート図である。このうち図2(a)はKPI改善方法を学習する際のフローチャート図である。
図2(a)における学習フローの最初の処理ステップS100では、図1の学習手段400で生成する操作条件Sg7の初期値を設定し、操作条件Sg7を静特性評価手段300と動特性評価手段600に送信する。
処理ステップS110では、静特性評価手段300にて、操作条件Sg7の入力に基づいて静特性評価結果Sg8を計算し、静特性評価結果Sg8を評価値計算手段500に送信する。
処理ステップS120では、動特性評価手段600にて、操作条件Sg7の入力に基づいて動特性評価結果Sg9を計算し、動特性評価結果Sg9を評価値計算手段500に送信する。
動特性評価手段600には、操作条件Sg7の変化幅もしくは変化率の少なくとも1つと、KPIの動的な変化の関係を評価する過渡特性評価手段610が備えられており、本評価結果が動特性評価結果Sg9に含まれる。
また、動特性評価手段600には、適用対象100で使用する燃料の種類、適用対象で生成する製品の内容、製造量の計画値の少なくとも1つを含む運転計画を変更した際に、現在の操作条件Sg7に近い操作条件Sg7の評価値を高くする運転計画連携評価手段620が備えられており、本評価結果が動特性評価結果Sg9に含まれる。
処理ステップS130では、評価値計算手段500にて、静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の入力に基づいて評価値Sg10を計算し、評価値Sg10を学習手段400に送信する。
処理ステップS140では、学習手段400にて、評価値Sg10が最大となるような操作条件Sg7の生成方法を学習する。そして、次の操作条件Sg7を生成し、操作条件Sg7を静特性評価手段300と動特性評価手段600に送信する。
学習手段400では、適用対象100の運用性が所望の特性となるような操作量の算出方法を学習する。学習手段400は強化学習、遺伝的アルゴリズム、非線形計画法などの最適化アルゴリズムを用いて実装できるが、本発明では学習手段400の実装方法を限定しない。
学習手段400で参照する評価値Sg10は評価値計算手段500で計算するが、計算方法は静特性評価結果Sg8に基づいて計算する(1)式の方法、動特性評価結果Sg9に基づいて計算する(2)式の方法、静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方に基づいて計算する(3)式の方法の3種類がある。尚、Rは評価値Sg10、pは静特性評価結果Sg8、qは動特性評価結果Sg9、w1、w2は重み係数である。
[数1]
R=Σp (1)
[数2]
R=∫qdt (2)
[数3]
R=w1×Σp+w2×∫qdt (3)
処理ステップS150では、処理ステップS140の動作回数が予め定めた閾値を超えるかどうかを判定し、超えない場合は処理ステップS110に戻り、超えた場合は処理ステップS160に進む。
処理ステップS160では、処理ステップS100の動作回数が予め定めた閾値を超えるかどうかを判定し、超えない場合は処理ステップS100に戻り、超えた場合は終了に進む。
尚、各処理ステップで演算装置を動作させた結果は、処理結果Sg11として処理結果データベースDB3に送信され、保存する。また、各処理ステップで演算装置を動作させる際、必要に応じて処理結果データベースDB3に保存されている情報を使用できる。
図2(b)は学習結果に基づいて操作条件信号を生成する際のフローチャート図である。
図2(b)において処理ステップS170では、操作条件信号生成手段700にて、処理結果Sg12の入力に基づいて操作条件信号Sg13を計算し、外部出力インターフェイス220に送信する。その後、操作条件信号Sg14は制御装置180と画像表示装置940に送信する。操作条件信号Sg14を用いて、直接適用対象100を操作することが可能である。また、操作条件信号Sg14の値を操作ガイダンスとして画像表示装置940に表示することが可能である。
また、処理ステップS140で学習した3種類の学習結果について、各操作条件信号Sg14の値を画像表示装置940に表示し、任意の操作条件を選択できるようにしても良い。
図1、図2(a)、図2(b)に示すように、本発明の実施例においては静特性と動特性に分けて適用対象100のKPIを予測的に評価しようとしている。そのため以降の説明の前提として適用対象100の運転とKPIの関係について図3を用いて説明する。
図3において横軸は時間、縦軸は適用対象100の例えば負荷を表している。この図に示すように本発明が適用される適用対象100は、負荷が一気に100%まで増加されるわけではなく、例えば増加段階の途中で一定を保持する段階を1つ以上有する。この増加段階において、一定を保持する段階のタイミングt1、t2、t3において適用対象100の静特性を評価して静特性評価結果Sg8を得、増加段階の期間T1、T2、T3において適用対象100の動特性を評価して動特性評価結果Sg9を得る。なお図3では増加段階において一定を保持する段階を設けた例を示しているが、この一定を保持する段階は、負荷の減少段階においても同様に設定される。
なお静特性評価結果Sg8及び動特性評価結果Sg9は、適用対象100のKPIを示す指標であり、例えば効率、環境性能、稼働率などの運用性能を直接的にあるいは間接的に示す指標である。これらの指標は計測対象とした時点、期間ごとに求められ、かつ各時点、期間での指標はそれぞれにおいて複数のものが設定されていてもよい。
また図2の学習手段400が与える操作条件Sg7は、図3に例示される負荷の増加、減少段階である負荷パターンを定めたものであり、あるいはその場合の各種のプロセス量や操作量を定めたものである。これらの操作条件Sg7は、その後の学習により適正な操作条件Sg7に収束をしていくことになり、この結果として最初に与えた操作条件Sg7としての負荷パターンは、学習後の別の負荷パターンとされる。本発明の実施例に係るKPI改善支援システム200は、KPIを最適化するための運転態様を追求するものということができる。
上記したように本発明のKPI改善支援システム200は、例えば図3の起動前の段階において定格負荷に達するまでの負荷パターンとして実線で示す操作条件Sg7の初期値(各段階の負荷の大きさ、継続時間や変化幅もしくは変化率など)が与えられ、操作条件に従って運転した時の運転状態を予測しかつ静特性並びに動特性を評価し、双方の観点から評価した最適な評価値に基づいて作成した新たな負荷パターンとして点線で示す操作条件Sg13により適用対象100を制御することを提案していくことになる。
なおKPI改善支援システム200における上記予測に基づく制御は、起動前に予測負荷パターンとして操作条件Sg13を決定していまい、以降は操作条件Sg13に従い運転するものとすることもできるし、あるいは起動過程において次段階あるいは次々段階までの予測を行い逐次予測負荷パターンとして操作条件Sg13を決定しながら運転していくものとすることもできる。
次に、図4(a)、図4(b)、図4(c)により、静特性評価手段300と学習手段400の動作を説明する。
図4(a)、図4(b)は、静特性評価手段300の実施例を説明する図である。静特性評価手段300は、図4(a)に示すようなニューラルネットワークモデルで構築し、例えば空気流量設定値などの操作量の入力に対して、効率、環境負荷物質などの運用性を評価する指標を出力する。
図4(b)は、ニューラルネットワークモデルの入力と出力の関係を示す図であり、ニューラルネットワークモデルによれば入力である運転データを補間し、任意の操作条件に対する運用性を評価する指標の値を求めることができる。本実施例では、運用性を評価する指標を燃料の消費量、環境負荷物質の排出量と仮定しており、この指標が低い程KPIは高くなるという関係にあるものとする。
図4(c)は、学習手段400を動作させた結果の実施例である。本実施例では、現在の操作条件と操作条件の変化幅の関係を学習した結果を示している。図4(c)の例では、現在の操作量が領域Aにある時は操作条件を増加させ、領域Bにある時は操作条件を減少させる。このように操作条件を変化させることで、図4(b)の運用性を評価する指標が極小値となり、KPIを向上できる。
なお以上の説明においては、図4(a)、図4(b)、図4(c)により、静特性評価手段300と学習手段400の動作を説明したが、同様にして動特性評価手段600をニューラルネットワークモデルそのほかの技術により構築できることは言うまでもない。なお本発明は動特性評価手段600の具体的な構成手法に係る発明ではないので、動特性評価手段600の詳細な説明は割愛する。
図5(a)、図5(b)は、KPI改善支援システム200に備えられているデータベースDBに保存されるデータの態様を説明する図である。
図5(a)は運転データベースDB1に保存されるデータの態様を説明する図である。図5(a)に示すようにセンサで計測した項目A、B、Cなどの運転データがサンプリング周期毎に保存される。運転データのトレンドグラフは、画像表示装置940に表示可能である。
図5(b)は運転計画データベースDB2に保存されるデータの態様を説明する図である。図5(b)に示すように、運転条件A、B、Cとしてプラントで使用する材料、プラントで生成する製品などの計画などが時系列的に保存される。なお運転計画データベースDB2に保存される、プラントで使用する材料、プラントで生成する製品などの計画データは、図3の負荷一定状態あるいは負荷変化状態として例えば各段階の負荷の大きさ、継続時間や変化幅もしくは変化率などを反映した時系列的なデータである。
尚、図示していないが、処理結果データベースDB3には図4(a)に示したニューラルネットワークモデルの重み係数、図4(b)、図4(c)に示した結果を得るために必要な情報などが保存されている。
図6は、図2の処理をさらに静特性側と動特性側に分けて具体的に示したフローチャートである。
図6のフローによれば、最初の処理ステップS200において、運転データデータベースDB1と運転計画データベースDB2からKPI算出に必要な各種のデータSg5、Sg6を取り込む。これは例えば適用対象100の過去の運転経験からデータベースDBに蓄積されたデータの中から、図3に示す運転区間に関与して得られたデータを以降の演算のために取り込んだものである。あるいは、適用対象100の現在の運転状態を反映するオンライン情報である。
これらのデータは、処理ステップS201S、S201Dにおいて、静特性側データと動特性側データに振り分けられる。ごく簡便には、静特性側データとは、図3の静止状態にある時刻t1、t2、t3において入手されたデータであり、動特性側データとは、図3の動作状態にある時間帯T1、T2、T3において入手されたデータである。なお、図6では右側の処理が動特性側の処理(Dを付して記載)、左側が静特性側の処理(Sを付して記載)、中央部が共通して行われる処理を表している。
次に処理ステップS202S、S202Dにおいて、静特性モデルと動特性モデルについての操作条件Sg7を設定する。初期状態であれば、例えば静止状態にある時刻t1、t2、t3について、この時の負荷パターンである時刻や負荷の大きさなどが例えば設定され、動作状態にある期間T1、T2、T3について、この時の負荷パターンである変化幅もしくは変化率、負荷の大きさなどが例えば設定される。なお、必要に応じて他のファクターが設定されるものであってもよい。
処理ステップS203S、S203Dでは、与えられたデータおよび操作条件の下で静特性モデルと動特性モデルによる演算を実行し、静特性評価と動特性評価をおこなう。この処理は図1の静特性評価手段300と動特性評価手段600に対応する。処理ステップS203S、S203Dの処理結果として、それぞれ静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9が得られるが、これらはいずれも1つまたは複数であってもよい。例えば効率、環境性能、稼働率などの複数の運用性能をKPIとして考慮するのであれば、静特性評価と動特性評価の夫々において、効率、環境性能、稼働率などの観点でのKPIを求めるものであってもよい。
処理ステップS204では、静特性評価と動特性評価の観点で算出した複数のKPIについて例えば(3)式により複数のKPIを1つのKPIに束ね、あるいは重要ないくつかの指標を代表指標とする。この代表指標は、静特性評価と動特性評価の双方を考慮した指標である。
処理ステップS205では、代表指標を達成する新たな操作条件Sg7を生成し、再度それぞれ処理ステップS202S、S202Dに条件設定を行い、以降当初目的としたKPIを達成するまで繰り返し処理を実行する。処理ステップS206では、満足すべき結果が得られた場合に外部出力する。なお、最終的に得られた結果は、例えば新たな負荷パターンを設定するものであり、例えば図3の負荷パターンを点線のようにすべきことを教示するものである。点線の負荷パターンは、図1の操作信号Sg13に対応する。
次に図7(a)、図7(b)、図7(c)、図7(d)により、本発明の効果について説明する。
図7(a)、図7(b)は、評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例である。図7(c)、図7(d)は、評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値10を計算した時のプラントの操作結果例である。
図7(a)はKPI(縦軸)の時間推移(横軸)を示したものであり、KPIを静的な状態(KPIが一定な状態)において評価してその後の動作に反映させたことを表している。この例では最初の静的な状態において操作条件をSp10からSp11に変更し、次の静的な状態において操作条件をSp11からSp20に変更している。この結果としてKPIは次の静的な状態に移行するにあたり、まず低下傾向を示しその後に増加して安定状態に推移した。
図7(b)は、例えば起動時における前後する操作条件間の関係を示しており、操作条件を状態A(100%負荷)の最適ポイントであるSp10から状態B(80%負荷)の最適ポイントであるSp20に移行するにあたり、運転上の制限などを考慮して中間ポイントを設定し、その操作条件としてSp11を選択し、経由したことを表している。
この事例に示すように、静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した場合、KPI改善支援システム200を動作させた結果に基づいて操作条件を変更することによりKPIは改善する。図7(b)に示すように、1回の操作で変更できる操作条件幅に制限、制約があるため、何回か操作条件を変更してKPIを改善させている。
なお操作を繰り返すことでKPIは改善するが、操作条件を変更したタイミングに一時的にKPIが悪化する。これは、適用対象のプロセス値が過渡的に変動することに伴い、KPIも変動するためである。
これに対し、静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値10を計算した時には、以下のようである。
図7(c)はKPI(縦軸)の時間推移(横軸)を示したものであり、KPIを動的な状態(KPIが一定な状態)において評価してその後の動作に反映させたことを表している。この例では最初の状態において操作条件をSp10からSp12に変更し、次の状態において操作条件をSp12からSp20に変更している。この結果としてKPIは次の状態に移行するにあたり、まず低下傾向を示しその後に増加して安定状態に推移しているが、図7(a)に示すような大幅な低下傾向は軽減されていることがわかる。
図7(d)は、例えば起動時における前後する操作条件間の関係を示しており、操作条件を状態A(100%負荷)の最適ポイントであるSp10から状態B(80%負荷)の最適ポイントであるSp20に移行するにあたり、運転上の制限などを考慮して中間ポイントを設定し、その操作条件としてSp12を選択し、経由したことを表している。Sp12を経由するこの操作ルートは、動特性が優れた操作ルートである。
これらの比較によれば、図7(c)に示すように、静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した場合、KPI改善支援システム200を動作させた結果に基づいて操作条件を変更することにより図7(a)と同様にKPIは改善する。最終的なKPIの値は図7(a)と図7(c)とで同じであるが、過渡的なKPIの悪化は図7(c)の方が小さく、時間積分するとトータルでは図7(a)と比較して図7(c)の方が優れる。これは、図7(c)では動特性評価結果Sg9も用いて評価値Sg10を計算するため過渡的なKPI低下を抑制するように操作条件を決定しているためである。
このように、本発明のKPI改善支援システム200を用いることで、過渡的なKPI低下を抑制するように操作条件を決定でき、時間積分したトータルでの最適化が可能となる。
本発明に係るKPI改善支援システム及びKPI改善支援方法についての基本概念を実施例1で説明したので、実施例2では適用対象が石炭火力プラントである場合について説明する。
図8は適用対象100の実施例である石炭火力プラントの構成を示す概略図である。まず、石炭火力プラントによる発電の仕組みについて簡単に説明する。
図8において、適用対象100である石炭火力プラントを構成するボイラ101には、ミル134で石炭を細かく粉砕した燃料である微粉炭と、微粉炭搬送用の1次空気及び燃焼調整用の2次空気とを供給する複数のバーナ102が設けられており、このバーナ102を通じて供給した微粉炭を、ボイラ101の内部で燃焼させる。バーナ102の構造は、図示しているようにボイラ101の前後に複数段配置され、各段は複数のバーナが1列に配置される。図8に示されたバーナ構造、配置により、ボイラ101の内部ではボイラの前面(以降、缶前と表記)と背面(以降、缶後と表記)から微粉炭を燃焼させる。缶前後のバーナ燃焼バランスを改善することにより、ボイラの熱回収効果が向上し、プラントの熱効率も改善する。
尚、微粉炭と1次空気は配管139から、2次空気は配管141から夫々バーナ102に導かれる。1次空気は、ファン120から配管130に導かれ、途中でボイラ101の下流側に設置されたエアーヒーター104を通過する配管132と、エアーヒーター104を通過せずにバイパスする配管131とに分岐するが、エアーヒーター104の下流側に配設した配管133となって再び合流し、バーナ102の上流側に設置された微粉炭を製造するミル134に導かれる。エアーヒーター104を通過する1次空気は、ボイラ101を流下する燃焼ガスと熱交換することによって加熱される。この加熱された1次空気と共に、エアーヒーター104をバイパスした1次空気は、ミル134において粉砕した微分炭をバーナ102に搬送する。
ミル134は各バーナ段に対応するように配置され(図8では4台)、各段を構成するバーナへ微粉炭と1次空気を供給する。すなわち、発電出力低下時など石炭供給量を低下させる場合にはミルを停止してバーナ段毎にバーナ休止させることができる。ミル134では、ボイラ101の燃焼性を考慮し、使用する石炭の性質に応じて望ましい粒度の微粉炭が得られるよう、ミルの回転数を調整する。また、石炭バンカ136に貯蔵された石炭は石炭コンベア137を経由して給炭機135へ導かれ給炭機135によって供給量を調整される。その後、石炭コンベア138を介してミル134に供給される。
また、ボイラ101には、2段燃焼用の空気をボイラ101に投入するアフタエアポート103が設けられている。2段燃焼用の空気は、配管142からアフタエアポート103に導かれる。図8に示したボイラ101において、ファン121を用いて配管140から投入された空気は、エアーヒーター104で同様にして加熱された後に、2次空気用の配管141とアフタエアポート用の配管142とに分岐して、夫々、ボイラ101のバーナ102とアフタエアポート103とに導かれる。この、バーナ102及びアフタエアポート103へ供給される空気流量は、夫々の配管141及び142に設置された空気ダンパ(図示せず)の操作によって調整できる。
ボイラ101の内部で微粉炭を燃焼することによって発生した高温の燃焼ガスは、ボイラ101の内部の経路に沿って下流側に流下して、ボイラ101の内部に配置された熱交換器106で給水と熱交換して蒸気を発生させた後に、排ガスとなってボイラ101の下流側に設置されたエアーヒーター104に流入し、このエアーヒーター104で熱交換してボイラ101に供給する空気を昇温する。
そして、このエアーヒーター104を通過した排ガスは、図示していない排ガス処理を施した後に、煙突から大気に放出される。
ボイラ101の熱交換器106を循環する給水は、給水ポンプ105を介して熱交換器106に供給され、熱交換器106においてボイラ101を流下する燃焼ガスによって過熱され、高温高圧の蒸気となる。尚、本実施例では熱交換器の数を1つとしているが、熱交換器を複数配置するようにしてもよい。
熱交換器106で発生した高温高圧の蒸気は、タービンガバナ107を介して蒸気タービン108に導かれ、蒸気の持つエネルギーによって蒸気タービン108を駆動して発電機109で発電する。
上記した実施例2の適用対象100である石炭火力プラントには、その運転状態を示す状態量を検出する様々な計測器が配置されている。
前記適用対象100に配置された計測器から取得された石炭火力プラントの計測信号は、図1に示すよう運転データデータベースDB1に保存される。
計測器としては、例えば図8に示すように、熱交換器106から蒸気タービン108に供給される高温高圧の蒸気の温度を計測する温度計測器151、蒸気の圧力を計測する圧力計測器152、発電機109で発電される電力量を計測する発電出力計測器153がある。
蒸気タービン108の復水器(図示せず)によって蒸気を冷却して生じた給水は、給水ポンプ105によってボイラ101の熱交換器106に供給されるが、この給水の流量は流量計測器150によって計測されている。
ボイラ101から排出する燃焼ガスである排ガス中に含まれている成分(窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)、及び硫化水素(HS)など)の濃度に関する状態量の計測信号は、ボイラ101の下流側に設けた濃度計測器154によって計測される。
また、給炭系統に関する計測器としては、配管133を通ってミル134へ供給される1次空気の流量を計測する1次空気流量計155、給炭機135より石炭コンベア138を通りミル134へ供給される石炭の給炭量を計測する給炭量計156、及びミル134の回転数を計測する回転数計157があり、夫々のミル及び給炭機について上記情報を計測できる構成となっている。
即ち、本発明の運転データデータベースDB1には、上記各計測器によって計測した適用対象100である石炭火力プラントの状態量であるボイラ101に供給される石炭流量、ミル134の回転数、ボイラ101に供給される1次及び2次空気流量、ボイラ101の熱交換器106に供給される給水流量、ボイラ101の熱交換器106で発生して蒸気タービン108に供給される蒸気温度、ボイラ101の熱交換器106に供給される給水の給水圧力、ボイラ101から排出される排ガスのガス温度、前記排ガスのガス濃度、及びボイラ101から排出される排ガスの一部をボイラ101に再循環させる排ガス再循環流量等が含まれる。
尚、一般的には図8に図示した以外にも多数の計測器が石炭火力適用対象100に配置されるが、ここでは図示を省略する。
火力発電プラントにKPI改善支援システム200を適用した場合、具体的なKPIとしては、以下のものを考慮するのがよい。これらは例えば火力発電プラントで消費する石炭流量、火力発電プラントから排出される灰中未燃分、一酸化炭素、窒素酸化物、硫化酸化物、水銀、フッ素、煤塵またはミストから成る微粒子類、揮発性有機化合物のいずれかの状態量であり、これらの値を低減することがKPI改善に繋がる。
図9(a)、図9(b)、図9(c)は、図1の過渡特性評価手段610の動作を説明する図である。過渡特性評価手段610では、操作条件である空気流量の変化幅、変化率と、石炭流量、灰中未燃分、一酸化炭素、窒素酸化物、硫化酸化物、水銀、フッ素、煤塵またはミストから成る微粒子類、揮発性有機化合物のいずれかの状態量の動的な変化の関係を評価する。
図9(a)に示すように、過渡特性評価手段610には操作条件変更幅とプロセス値のオーバーシュート幅の関係が保存されている。この関係は、過去のプラントの操作結果、プラントの特性を模擬するモデルを用いたシミュレーションの結果に基づいて作成する。
オーバーシュート幅が大きいとKPI低下の要因となるため、評価値が下がる。その結果、学習手段400ではオーバーシュートが小さい操作を学習できる。
図9(b)は、評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例である。また、図9(c)は、評価値計算手段500にて静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した時のプラントの操作結果例である。
図9(b)に示すように、静特性評価結果Sg8のみを用いて評価値Sg10を計算した場合、KPI改善支援システム200を動作させた結果に基づいて操作条件を変更することによりKPIは改善する。操作を繰り返すことでCO濃度が低下するが、操作条件を変更したタイミングに一時的にCO濃度が上昇する。
図9(c)に示すように、静特性評価結果Sg8と動特性評価結果Sg9の両方を用いて評価値Sg10を計算した場合、KPI改善支援システム200を動作させた結果に基づいて操作条件を変更することにより図9(b)と同様にCO濃度は改善する。最終的なCO濃度の値は図9(b)と図9(c)とで同じであるが、過渡的なCO濃度の上昇は図9(c)の方が小さく、時間積分するとトータルでは図9(b)と比較して図9(c)の方が優れる。これは、図9(c)では動特性評価結果Sg9も用いて評価値Sg10を計算するため過渡的なKPI低下、すなわちCO濃度の上昇を抑制するように操作条件を決定しているためである。
図10(a)、図10(b)は、運転計画連携評価手段620の動作を説明する図である。
図10(a)は運転計画連携手段620で用いる運転計画データSg6の内容を説明する図である。発電プラントでは、電力の需要に合わせて負荷を調整しており、負荷条件が変わるとプラントに供給する石炭の流量を変更する。この変更に伴い、火炉内の燃焼状態も変化し、最適な操作条件も変化する。運転計画データSg6には、時間と負荷の計画の関係が含まれる。
図10(b)は、運転計画連携評価手段620を動作させた評価値を用いて学習手段400を動作させた結果を説明する図である。80%負荷の運転時間が短い場合、最適ポイントに到達させるために複数回操作条件を変更して時間をかけるよりも、準最適な条件でも早く到達した方がトータルではKPIが高くなる。
本発明の運転計画連携手段620を用いることで、トータルで良い操作方法を見つけることが可能となる。また、複数の操作ルートを画像表示装置940に表示し、操作ルートを選択できる構成としても良い。
実施例1、2には本発明のKPI改善支援装置をプラントに適用した場合について述べたが、適用対象はプラントに限定されない。
例えば、熱サイクルを有する機器を運用する際には、環境への負荷をできるだけ下げ、燃料使用量を削減をすることが求められている。車両においては、排ガスに含まれる環境負荷物質を低減すること、燃費を向上させことを両立したいという課題がある。このような課題についても、本発明のKPI改善支援システムを用いた操作量を決定することで、環境負荷物質、燃費などのKPIを改善することが可能となる。
本発明は、各種機器のKPI改善支援システムとして、幅広く活用可能である。
Sg1:外部入力信号、Sg2:運転データ、Sg3:運転データ、Sg4:運転計画データ、Sg5:運転データ、Sg6:運転計画データ、Sg7:操作条件、Sg8:静特性評価結果、Sg9:動特性評価結果、Sg10:評価値、Sg11:処理結果、Sg12:処理結果、Sg13:操作条件信号、Sg14:操作条件信号、Sg70:計測信号、Sg80:操作信号、100:適用対象、180:制御装置、190:機器、200:KPI改善支援システム、210:外部入力インターフェイス、220:外部出力インターフェイス、DB1:運転データDB、DB2:運転計画DB、DB3:処理結果DB、300:静特性評価手段、400:学習手段、500:評価値計算手段、600:動特性評価手段、610:過渡特性評価手段、620:運転計画連携評価手段、700:操作条件信号生成手段、900:外部装置、910:外部入力装置、920:キーボード、930:マウス、940:画像表示装置

Claims (20)

  1. 一定運転状態と変動運転状態が繰り返し実行される適用対象からの運転データを得、前記適用対象の操作条件を与えるKPI改善支援システムであって、
    少なくとも前記変動運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の変動運転状態におけるKPIの動特性を評価する動特性評価手段と、前記動特性評価手段における評価結果から前記適用対象の操作条件を学習する学習手段と、前記学習手段による学習結果に従って前記適用対象の操作条件を生成する操作条件信号生成手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。
  2. 請求項1に記載のKPI改善支援システムであって、
    少なくとも前記一定運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の一定運転状態におけるKPIの静特性を評価する静特性評価手段と、前記動特性評価手段における評価結果と前記静特性評価手段における評価結果とから静特性と動特性についての評価結果を得る評価値算出手段とを備え、
    前記学習手段は、前記評価値算出手段が与える評価結果から前記適用対象の操作条件を学習することを特徴とするKPI改善支援システム。
  3. 請求項1に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は、前記学習手段における学習の結果定められた前記変動運転状態における操作条件を用いて、適用対象の前記変動運転状態におけるKPIの動特性を評価することを特徴とするKPI改善支援システム。
  4. 請求項2に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記静特性評価手段は、前記学習手段における学習の結果定められた前記一定運転状態における操作条件を用いて、適用対象の前記一定運転状態におけるKPIの静特性を評価することを特徴とするKPI改善支援システム。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は、前記操作条件として変化幅もしくは変化率の少なくとも1つと、KPIの動的な変化の関係を評価する過渡特性評価手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。
  6. 請求項5に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は、前記適用対象で使用する燃料の種類、前記適用対象で生成する製品の内容、製造量の計画値の少なくとも1つを含む運転計画を変更した際に、現在の操作条件に近い操作条件の評価値を高くする運転計画連携評価手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。
  7. 前記一定運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の一定運転状態におけるKPIの静特性を評価する静特性評価手段を備えた請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記学習手段で参照する評価値は、前記静特性評価手段における静特性評価結果に基づいて計算する場合、前記動特性評価手段における動特性評価結果に基づいて計算する場合、前記静特性評価結果と前記動特性評価結果の両方に基づいて計算する場合の3種類があり、3種類の計算方法に対して評価結果が最大もしくは最小となる操作条件を3種類生成し、任意の操作条件を選択できるようにすることを特徴とするKPI改善支援システム。
  8. 前記一定運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の一定運転状態におけるKPIの静特性を評価する静特性評価手段を備えた請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記前記静特性評価手段および動特性評価手段は、それぞれ複数のおよびKPIを評価し、前記学習手段は複数のKPIの評価結果の代表値を評価結果として学習を行うことを特徴とするKPI改善支援システム。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記適用対象が火力発電プラントであり、
    前記KPIは火力発電プラントで消費する石炭流量、火力発電プラントから排出される灰中未燃分、一酸化炭素、窒素酸化物、硫化酸化物、水銀、フッ素、煤塵またはミストから成る微粒子類、揮発性有機化合物のいずれかの状態量であることを特徴とするKPI改善支援システム。
  10. 請求項9に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は、空気流量の変化幅または変化率と、石炭流量、灰中未燃分、一酸化炭素、窒素酸化物、硫化酸化物、水銀、フッ素、煤塵またはミストから成る微粒子類、揮発性有機化合物のいずれかの状態量の動的な変化の関係を評価する過渡特性評価手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。
  11. 請求項10に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は、石炭運用計画、負荷計画を変更した際、現在の操作条件に近い操作条件の評価値を高くする運転計画連携評価手段を備えることを特徴とするKPI改善支援システム。
  12. 請求項9から請求項11のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    火力発電プラントの静特性を予測して静定時のKPIを評価する静特性評価手段を備え、前記学習手段で参照する評価値は、前記静特性評価手段における静特性評価結果に基づいて計算する場合、前記動特性評価手段における動特性評価結果に基づいて計算する場合、前記静特性評価結果と前記動特性評価結果の両方に基づいて計算する場合の3種類があり、3種類の計算方法に対して評価結果が最大もしくは最小となる操作条件を3種類生成し、任意の操作条件を選択できるようにすることを特徴とするKPI改善支援システム。
  13. 請求項9から請求項12のいずれか1項に記載のKPI改善支援システムであって、
    前記動特性評価手段は過去のプラントの操作結果、プラントの特性を模擬するモデルを用いたシミュレーションの結果に基づいて、操作条件変更幅から状態量のオーバーシュート幅を計算することを特徴とするKPI改善支援システム。
  14. 一定運転状態と変動運転状態が繰り返し実行される適用対象からの運転データを用いて、前記適用対象の操作条件を与えるKPI改善支援方法であって、
    少なくとも前記変動運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の変動運転状態におけるKPIの動特性を評価し、前記動特性の評価結果から前記適用対象の操作条件を学習し、前記学習の結果に従って前記適用対象の操作条件を生成することを特徴とするKPI改善支援方法。
  15. 請求項14に記載のKPI改善支援方法であって、
    少なくとも前記一定運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の一定運転状態におけるKPIの静特性を評価し、前記動特性の評価結果と前記静特性の評価結果とから静特性と動特性についての評価結果を得、前記評価から前記適用対象の操作条件を学習することを特徴とするKPI改善支援方法。
  16. 請求項14に記載のKPI改善支援方法であって、
    前記学習の結果定められた前記変動運転状態における操作条件を用いて、適用対象の前記変動運転状態におけるKPIの動特性を評価することを特徴とするKPI改善支援方法。
  17. 請求項15に記載のKPI改善支援方法であって、
    前記学習の結果定められた前記一定運転状態における操作条件を用いて、適用対象の前記一定運転状態におけるKPIの静特性を評価することを特徴とするKPI改善支援方法。
  18. 請求項14から請求項17のいずれか1項に記載のKPI改善支援方法であって、
    前記動特性を評価するにあたり、前記操作条件として変化幅もしくは変化率の少なくとも1つと、KPIの動的な変化の関係を評価することを特徴とするKPI改善支援方法。
  19. 請求項18に記載のKPI改善支援方法であって、
    前記動特性を評価するにあたり、前記適用対象で使用する燃料の種類、前記適用対象で生成する製品の内容、製造量の計画値の少なくとも1つを含む運転計画を変更した際に、現在の操作条件に近い操作条件の評価値を高くすることを特徴とするKPI改善支援方法。
  20. 前記一定運転状態における操作条件と前記運転データを用いて適用対象の一定運転状態におけるKPIの静特性を評価する請求項14から請求項19のいずれか1項に記載のKPI改善支援方法であって、
    前記学習において参照する評価値は、前記静特性の評価結果に基づいて計算する場合、前記動特性の評価結果に基づいて計算する場合、前記静特性の評価結果と前記動特性の評価結果の両方に基づいて計算する場合の3種類があり、3種類の計算方法に対して評価結果が最大もしくは最小となる操作条件を3種類生成し、任意の操作条件を選択できるようにすることを特徴とするKPI改善支援方法。
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