JP2671230B2 - ボイラー燃料自動配分装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば、コークス炉，高炉等の工業炉から
の副生ガスを主燃料とし、LPG,重油等を補助燃料として
燃焼させる複数のボイラーへの燃料の安定的，効率的な
配分装置に関する。

〔従来技術〕 各種工業炉から副生するガス、例えば、コークス炉ガ
ス（以下、COGという），高炉ガス（以下、BFGという）
等の発生量は各種工業炉の操業条件に基づいて変動す
る。従って、これら副生ガスを主燃料とし、該主燃料の
配分及び切替えの自由度を確保するために使用する重油
等を補助燃料として使用して複数のボイラーを操業する
場合、ボイラーで使用する燃料をｉ〔例:i＝１（BFG）,
2（COG），・・・〕で、ボイラー番号をｊとおき、ｉ燃
料ｊボイラーの燃料の上限値，下限値および１回当りの
燃料変更許容量をそれぞれFbmax（i,j）,Fbmin（i,j）
およびΔFmax（i,j）と、ボイラー負荷配分上限値およ
び下限値をそれぞれLmax（ｊ）およびLmin（ｊ）と、燃
料，ボイラー負荷の現状実績値，変更量および変更値を
それぞれＦ（i,j），ΔＦ（i,j）,F′（i,j）,L
（ｊ），ΔＬ（ｊ）およびＬ′（i,j）とおき、変更要
求量をΔFt（ｉ）と、燃料のボイラー負荷変換効率をＫ
（i,j）とおくと、燃料配分に当たっての基本的な制約
条件は下記の式で表現される。

１）各ボイラー燃料流量上下限制約 Fbmin（i,j）≦Ｆ′（i,j）≦Fbmax（i,j） ……（１） ２）各ボイラー負荷上下限制約 Lmin（ｊ）≦Ｌ′（ｊ）≦Lmax（ｊ） ……（２） ３）変更量制約 ｜ΔＦ（i,j）｜≦ΔFmax（ｊ） ……（３） ここで、 Ｆ′（i,j）＝Ｆ（i,j）＋ΔＦ（i,j） ……（４） ΔFt（ｉ）＝ΣＦ（i,j） ……（５） Ｌ′（ｊ）＝Ｌ（ｊ）＋ΣＫ（i,j）×ΔＦ（i,j） ……（６） この様に線形１次式で表現されるので、効率を評価関
数にした線形計画法（LP計算という）で解を算出するの
が一般的な方法であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、LP計算では実行可能解が存在する場合
には有効であるが、ボイラーの配分制約条件が複雑であ
ると、全ての制約条件を考慮した配分要求量を算出する
のは困難となり、解が存在しない配分要求量がきた場合
は計算不能になるという問題がある。

実行可能解が存在するようにするには、配分要求量が
少くなる様に制約条件を厳しくすれば可能であるが、こ
の際には逆にエネルギー配分上の問題が発生する。

又、例えばBFGを配分優先順位の高い特定のボイラー
に配分すべきかどうかを計算する際に、その特定のボイ
ラーには、BFGはバーナー能力的に配分可能であるが、
他燃料（COG,又は、重油）があるために、ボイラー負荷
が最大になっているケースでは、配分の方式として下記
のように２方式が存在する。

特定ボイラーのBFG以外の燃料（COG,又は、重油）を
他のボイラーに移動させて、BFGの増配分可能代を確保
しておいてBFGを増配分する方法。

BFGを特定ボイラーより優先度の低い、他の特定ボイ
ラーに配分する方法。

ここでの方法だと、BFGの配分変更に伴い本来変更
不要の他燃料（COG,又は、重油）の移動が発生するの
で、燃料の点消化回数が増大し、操業の不安定要因が増
大し、設備の短寿命化等が発生し好ましくない。

の方式の方が操業上良いが、LP計算はの方式を指
向したものであり、実際に必要な，両者を求めるの
に向いていない。

又、LP計算は時間がかかるという問題を有している。

尚、以下の説明では、上記のように、燃料の移動を
伴う配分処理を移動配分といい、のように、燃料の移
動を伴わない配分処理をボイラー内配分という。又、配
分要求量に対して一部又は全て配分できなかったことを
未達と呼び、その配分不能残量を未達量と呼ぶ。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は、これらの上記の問題点を解決すべく操業の
自由度を確保する為に、配分上の制約範囲を狭めること
なく、与えられた配分要求量において、燃料移動を最小
にしつつ効率のよいボイラーに配分し、且つ、要求が制
約条件をオーバーしている場合でも、未達量の最小化を
図った実行可能解を、効率よく算出するとの技術思想に
基づくものであって、その要旨は、 供給量の変動する複数の燃料を選択使用するボイラー
群装置の、燃料効率が異なる複数ボイラーへの供給全燃
料及びボイラー負荷の変更量を算出するエネルギー配分
手段と、 燃料配分制約条件及びボイラーでの燃料使用量及び負
荷の実績値の収集手段と、 前記エネルギー配分手段で算出された供給全燃料及び
ボイラー負荷の配分変更要求量と前記収集手段の燃料配
分制約条件及びボイラーでの燃料使用量及び負荷の実績
値に基づき、計算の集束性を良くするようにボイラー負
荷の高低に応じて燃料の配分及び減配分の計算順位を決
定し、各燃料の配分制約条件を徐々に拡張しながら、ボ
イラー間での燃料移動を伴わない燃料の増及び減配分を
実施し、その結果、配分変更要求量の配分不能残量が発
生した場合には、更にボイラー間での燃料移動を伴う燃
料の増及び減配分を実施し、これにより配分不能残量及
び各ボイラー合計の燃料移動の最小化を図るボイラー燃
料配分手段と、 配分計算結果を表示する手段と、 配分計算結果に基づきボイラー内でのバーナー単位の
燃料の配分及び切り替え計算を行う手段と、 からなることを特徴とするボイラー燃料自動配分装置
である。

〔作用〕

以下、本発明を、図面及び表に示した実施例に基づい
て具体的に説明する。

第１図は本発明の装置構成の概略を示すブロック図
で、１はエネルギー配分手段,2はボイラー配分制約条件
・実績値の収集手段,3はボイラー燃料配分手段,4は燃料
配分結果の表示手段,5はバーナー燃料配分及び切替え計
算手段である。

エネルギー配分手段１で算出された、複数のボイラー
への全燃料及びボイラー負荷の配分変更要求量情報６
と、ボイラー配分制約条件・実績値の収集手段２で収集
された、ボイラー配分計算制約条件及びボイラーでの燃
料使用量と負荷の実績値情報７に基づき、ボイラー燃料
配分手段３では、計算の収束性をよくするようにボイラ
ー負荷の高低に応じて燃料の増配分又は減配分の計算順
位を決定し、各燃料の配分上下限等の各ボイラーの配分
制約条件を徐々に拡張しながら、各燃料のボイラー内配
分処理を実施する。

その結果、未達が発生した場合には、さらに移動配分
処理を実施し、これにより未達量及び各ボイラー合計の
燃料移動量の最小化を図り、燃焼効率の高いボイラーに
多くの燃料を配分するための演算を行う。

このようにして算出されたボイラー燃料及び負荷配分
量8,9は、配分計算結果表示手段４を介して運転員にガ
イダンス出力されると共に、バーナー燃料切り替え計算
手段５に設定値として出力される。

本発明を製鉄所ボイラーに適用した場合の事例に基づ
いて説明すると、第１表にボイラーの負荷制約条件の一
例を、第２表に燃料の配分制約条件の一例を、第３表に
燃料の１回当りの変更量制約条件の一例を、第４表に燃
料配分優先順位の一例を、第５表に燃料のボイラーへの
配分優先順位の一例を示す。

本発明の目的としては、第１表〜第３表の、ボイラー
負荷制約条件，燃料制約条件,1回当たりの燃料変更許容
量の各条件を満たしつつ、第５表に示す効率の良いボイ
ラーに燃料を配分するものである。

この場合、要求が不適切で配分残が発生する場合に
は、第４表で示す燃料配分優先順位で配分する。

又、操業安定化の為に１回当りの燃料変更許容量は少
い方がよいが、未達の発生防止の方を優先するので、第
３表に示す通常制約条件で未達が発生した場合には、条
件を逐次拡張して再計算して対応する。

尚、第１表，第２表および第５表に示すように、６個
のボイラー群は３つのタイプ（１・2B,3・4B,5・6B）に
分類し、同一タイプのボイラーについては均等配分を行
なえば良いので以下の説明では、３グループで代表して
説明する。

燃料の配分変更要求量は、エネルギー配分計算手段１
より、例えば、BFG＋Q40,COG−Q50,OIL−Q40,負荷−Q50
のような形態で与えられる。しかし、この際どの燃料か
ら先に配分計算を実施するかが重要である。

即ち、上記配分要求量が全ボイラー負荷が最大近傍で
与えられた場合には、増負荷となるBFGの増配分は不能
となる。

従って、先ず、COGおよびOILの減負荷配分処理を実施
し、増負荷の余裕代を確保した後、BFGの増配分処理を
行なうと計算の収束性がよくなる。この事及び第４表に
示す燃料配分順位を考慮して、計算の収束性を良くする
ために配分要求量、及び、現状負荷実績から現状負荷が
高いときには減配分から行い、逆に低い時には増配分か
ら先に配分処理を行い計算の収束性をよくする。

又、あるボイラーに、一例としてｉ燃料をｊボイラー
に増配分を行なう際の制約条件は下記３項目の最小値で
ある。

バーナー能力制約 ΔFb＋（i,j）＝Fbmax（i,j）−Ｆ（i,j） ……（７） 負荷制約 ΔF1＋（i,j）＝〔Lmax（ｊ）−Ｌ（ｊ）〕/K（i,j） ……（８） １回当りの最大変更量制約 ΔFmax（i,j） ……（９） 即ち、増配分可能量ΔＦ＋（i,j）は下記の式で算出
される。

ΔＦ＋（i,j）＝MIN〔ΔFbmax（i,j）， ΔF1＋（i,j），ΔFmax（i,j）〕 ……（10） ここで、 バーナー能力制約ΔFb＋（i,j）についてはバーナー
の物理的な能力に基づき決定されるものであり変更でき
ない。

負荷制約ΔF1＋（i,j）については他燃料が同一ボイ
ラーに配分されている場合には、他燃料を他ボイラーに
移動させることにより増大可能で、 １回当りの最大変更量制約ΔFmax（i,j）も、第５表
に示すように変更可能である。

しかしながら，，の条件変更は操業上の不安定要
因となり好ましくないが、未達発生防止の方が優先する
ので、第２図に示すように、先ず、通常条件で計算を行
い、未達が発生した場合には、徐々に制約条件を拡張し
て操業への影響を少なくしつつ未達発生防止を図るもの
である。

尚、第３表に示す１回当りの燃料変更許容量拡大ステ
ップ及び第２図に示す計算手順は一例であって、操業方
針によって決定されるものであり、未達発生防止，燃料
配分効率及び燃料移動量最小化の優先順位付けに従って
決定すれば良い。

ボイラー内配分処理は移動量最小化の配分を実現する
ためのもので、移動を伴わない配分処理で、増配分と減
配分の２つの機能により構築されているが、基本的な考
え方、処理内容及び効果は同じなので、増配分で代表し
て説明を行なう。

増配分処理は、対象燃料毎に、第５表の燃料配分ボイ
ラー優先順位に従い、前記した（７）〜（10）の演算式
で増配分可能量を算出し、増配分要求量と比較して少な
い値を配分し、未達量がゼロになるまで、又は、全ボイ
ラーの処理を完了するまで繰り返し計算を行なうもので
ある。

具体的な配分例を第３図に示す、第３図の上列はボイ
ラーグループ（３グループ）の負荷状態を示しており、
ハッチング部分が負荷量である。中列はBFGバーナー能
力と使用状態を示しており、ハッチング部分が使用量で
ある。下列はCOGバーナー能力と使用状態を示してお
り、ハッチング部分が使用量である。尚、第３図では重
油を使用していない例示なので説明は省略した。

この例では、BFG配分優先順位の最も高い5,6Bボイラ
ーグループについてはBFGのバーナー能力制約及び１回
当りの変更量制約は問題ないが、他燃料（COG）を使用
しているためにボイラー負荷は最大となっていて増配分
不能であるので、次に優先度が高く負荷制約を含めて配
分可能な3,4Bボイラーグループに配分される。

一方、従来のLP計算的な配分手法では、配分結果を第
４図に示すように、BFGの配分優先順位の高い5,6Bボイ
ラーグループにBFGが配分され、その結果、最も優先順
位の低く本来不要なCOGの5,6Bボイラーグループから3,4
Bボイラーグループへの移動が発生し好ましくない。

この様に、ボイラー内配分処理は、従来のLP計算では
実現不能の効率を考慮した移動量最小化の配分がなされ
てしまう。

ボイラー内配分処理をBFG増配分,COG減配分の順番で
実施した場合には、COGの減配分の結果、当初BFGの増配
分を実施した時点ではなかった新たなボイラー負荷に余
裕が発生するので、最初のBFG増配分で未達となってい
ても再度BFG増配分を実施すれば未達発生防止が図れる
こととなる。そのためボイラー内配分処理では未達量が
一定量に収束するまで繰り返し計算を行っている。一
度、増配分又は減配分を行うと計算の前提条件が変わる
ので、更なる未達量の減少が起こりうるが、この減少量
が一定値以下になるように前記の繰返し計算を行うこと
により、計算前提の変化による未達量の変動および燃料
移動無しの条件での燃料配分不能量が最小化できる。

次に、移動配分について説明すると、移動配分につい
ても増配分と減配分の２つの機能により構築されてお
り、基本的な考え方，処理内容及び効果はほぼ同じなの
で、以下増配分で代表して説明を行なう。移動配分の増
処理については、バーナー制約及び１回当りの変更量制
約上は配分可能であるが、ボイラー負荷制約で配分不能
となる場合、ボイラー内配分処理ではそれ以上配分でき
なくなって未達となった場合に対処する処理法であり、
下記処理により構成されている。

（１）未達ｉ燃料についてバーナー制約及び１回当りの
変更量制約上は配分可能であるが、ボイラー負荷制約で
配分不能となっているボイラーを、第５表の燃料配分ボ
イラー優先順位に従って検索する。検索できた場合に
は、対象ボイラーを以下B0ボイラー，ボイラー制約で配
分不能となっているｉ燃料量をF1（ｉ）とする。

ここで、F1（ｉ）はB0ボイラーでのｉ燃料の受け入れ
可能最大量を意味する。尚、以下の説明で流量Ｆの添え
字（ｉ），（ｋ）は同一燃料量のそれぞれｉ燃料,k燃料
換算量を意味する。

（２）ボイラーにｉ燃料と異なる別のｋ燃料が配分され
ていれば、その燃料量F2（ｋ）と前述F1（ｋ）との最小
値を算出し、以下F3（ｋ）とする。ここで、F3（ｋ）は
B0ボイラーでのｉ燃料とｋ燃料との入れ替え可能なｋ燃
料換算値を意味する。

（３）B0ボイラー以外のボイラーでＫ燃料をバーナー制
約,1回当りの変更量制約，及びボイラー負荷制約上配分
可能なボイラーを，第５表の燃料配分ボイラー優先順位
に従って検索する。検索できた対象ボイラーを、以下B1
ボイラー，配分可能量をF4（ｋ）とする。ここでF4
（ｋ）はB0ボイラーｋ燃料のB1ボイラーでの受け入れ可
能量を意味する。

（４）ｉ燃料未達量のｋ燃料換算値,F3（ｋ）,F4（ｋ）
の最小値5F（ｋ）を算出し、ｋ燃料をF5（ｋ）量分だけ
B0ボイラーよりb1ボイラーに移動させる。これにより、
B0ボイラーにF5（ｉ）量だけｉ燃料の配分が可能にな
る。

（５）B0ボイラーにF5（ｉ）量の未達ｉ燃料を配分し、
未達量を減少させる。

第５図に具体的な配分例を示す。この例では、BFG増
配分要求に対してボイラー内増配分を行なった結果、未
達が発生したが、1,2Bボイラーグループ、3,4Bボイラー
グループについては負荷が最大のため配分不能。5,6Bボ
イラーグループについてはバーナー能力最大のため配分
不能となっている。従って、増負荷余裕のある5,6Bボイ
ラーグループに3,4BボイラーグループからCOGを移動さ
せ、3,4BボイラーグループにBFGの配分余裕代を確保し
た後、BFGを配分して未達解消を図っている。

この様に、移動配分処理により、ボイラー内配分処理
では未達が発生しても、配分要求量が適切で制約条件の
範囲内であれば、効率を考慮しつつ未達量をゼロにする
ことが可能である。仮に、制約条件をオーバーした配分
要求があった場合でも、LP計算では解の算出が不能にな
るのに対して、上記した本発明の処理によると、未達量
の最小化を図った実用可能解の算出が可能になる。

〔発明の効果〕 以上のように、本発明によると配分順位決定処理によ
り計算の収束性が改善されて、演算処理時間の短縮が図
れると共に燃料変更要求量が適切で制約条件範囲に入っ
ている場合には効率の良いボイラーより順に配分され、
かつ、未達量ゼロ，燃料移動量最小化が図れる。又、燃
料変更要求量が不適切で、制約条件をオバーしている場
合には、要求オバー量を除いて配分可能量については、
効率の良いボイラーに移動量最小を考慮順に配分される
ので操業上実用可能な解の算出が可能となる。

従って、本発明を実施すると、効率的で操業上安定的
な配分が可能となり自動化が達成できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するための装置構成の概略を示す
ブロック図、第２図は配分計算機能の概略を示すフロー
チャート、第３図はボイラー内配分計算の増配分機能の
概略を示す説明図、第４図はLP計算機能の概略を示す説
明図、および、第５図は移動配分機能の概略を示す説明
図である。 1:エネルギー配分手段、2:制約条件・実績値収集手段 3:ボイラー燃料配分手段、4:配分結果表示手段 5:バーナー燃料配分及び切替え計算手段 6:全ボイラー燃料及び負荷変更要求量 7:ボイラー配分計算制約条件・実績値 8,9:ボイラー燃料及び負荷配分量

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】供給量の変動する複数の燃料を選択使用す
   るボイラー群装置の、燃料効率が異なる複数ボイラーへ
   の供給全燃料及びボイラー負荷の変更量を算出するエネ
   ルギー配分手段と、 燃料配分制約条件及びボイラーでの燃料使用量及び負荷
   の実績値の収集手段と、 前記エネルギー配分手段で算出された供給全燃料及びボ
   イラー負荷の配分変更要求量と前記収集手段の燃料配分
   制約条件及びボイラーでの燃料使用量及び負荷の実績値
   に基づき、計算の集束性を良くするようにボイラー負荷
   の高低に応じて燃料の増配分及び減配分の計算順位を決
   定し、各燃料の配分制約条件を徐々に拡張しながら、ボ
   イラー間での燃料移動を伴わない燃料の増及び減配分を
   実施し、その結果、配分変更要求量の配分不能残量が発
   生した場合には、更にボイラー間での燃料移動を伴う燃
   料の増及び減配分を実施し、これにより配分不能残量及
   び各ボイラー合計の燃料移動の最小化を図るボイラー燃
   料配分手段と、 配分計算結果を表示する手段と、 配分計算結果に基づきボイラー内でのバーナー単位の燃
   料の配分及び切り替え計算を行う手段と、 からなることを特徴とするボイラー燃料自動配分装置。