JP4594196B2

JP4594196B2 - 圧力最適化装置および圧力最適化方法

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Publication number: JP4594196B2
Application number: JP2005249076A
Authority: JP
Inventors: 研一松岡; 康央鈴木; 賢一今福
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007064046A

Description

本発明は、動力プラントの低圧コレクタから蒸気消費プラントに供給する蒸気の低圧コレクタ圧力を最適化する圧力最適化装置および圧力最適化方法に関するものである。

一般に、コンビナート内プラント、鉄鋼プラント、製紙プラントなど、蒸気を熱源または圧力源として使用するプラントでは、蒸気を使用する蒸気消費プラントとともに、その蒸気を生成する動力プラントが設けられている（例えば、特許文献１参照。）。この動力プラントは、通常、複数のボイラおよび複数の蒸気タービンが設けられており、蒸気消費プラント側に所定の圧力の蒸気を送出するとともに、この蒸気を利用して電力を生成し、この電力をプラントで用いたり電力会社へ売却したりしている。このような動力プラントを有するプラントの一例を図５に示す。この図５において、プラント１は、動力プラント２０と、この動力プラント２０から供給される蒸気を使用する複数の蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎとから構成される。なお、蒸気消費プラント３０−ｎは、蒸気消費プラント３０−１と同等の構成を有する。したがって、蒸気消費プラント３０−ｎにおいて、蒸気消費プラント３０−１と同等の構成要素には同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

動力プラント２０は、複数のボイラ２１−１〜２１−ｌと、これらのボイラ２１−１〜２１−ｌにより生成された高温・高圧の蒸気を収集する高圧コレクタ２２と、この高圧コレクタ２２から供給される蒸気により駆動する複数の蒸気タービン２３−１〜２３−ｍと、各蒸気タービンに接続され蒸気タービンが駆動することにより発電を行う発電機２４−１〜２４−ｍと、各蒸気タービン２３−１〜２３−ｍから排気された蒸気を収集する低圧コレクタ２５とから構成される。このような動力プラント２０で生成された蒸気は、一端が低圧コレクタ２５に接続されたヘッダ配管４０−１〜４０−ｎを介して各蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎに供給される。

蒸気消費プラント３０−１は、ヘッダ配管４０−１の他端を介して供給される蒸気の流量を計測する流量計３１と、ヘッダ配管４０−１からの蒸気をプロセス装置毎に供給するサブヘッダ配管３２−１〜３２−３と、各サブヘッダ配管３２−１〜３２−３に設けられた流量計３３−１〜３３−３および制御弁３４−１〜３４−３と、各サブヘッダ配管３２−１〜３２−３から供給される蒸気の熱や圧力を用いて各種作業を行うプロセス装置３５−１〜３５−３とから構成される。ここで、制御弁３４−１〜３４−３は、対応するプロセス装置３５−１〜３５−３に供給する蒸気の流量を制御している。

このようなプラント１において、動力プラント２０から各蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎに供給する蒸気、すなわち動力プラント２０の低圧コレクタ２５から送出される蒸気の圧力（以下、「低圧コレクタ圧力」と呼ぶ。）は、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎが必要とする圧力または流量にマージンを付加した値に基づいて設定している。これにより、各蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎにおいて使用する蒸気が不足するのを防ぐことができる。

特許第２６９５９７４号公報天谷賢治、［online］、［平成１７年８月２９日検索］、インターネット、<URL:http://www.a.mei.titech.ac.jp/~kamaya/ss2001/note10.pdf>

上述したようなプラントにおいてコスト削減を図るには、一例として、動力プラントの発電機による発電量を増加させることが行われる。この発電量の増加は、低圧コレクタ圧力を低下させ、高圧コレクタと低圧コレクタとの間の圧力差を大きくすることにより実現することができる。

しかしながら、従来のプラントでは、低圧コレクタ圧力を蒸気消費プラント側が実際に必要とする圧力値にマージンを付加した値に設定しているため、低圧コレクタ圧力を低下させることができず、結果として、十分なコスト削減を行うことができなかった。

そこで、本願発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、蒸気の供給源から供給される蒸気の最適な圧力を算出することができる圧力最適化装置および圧力最適化方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明にかかる圧力最適化装置は、蒸気の供給源と、この供給源から供給される蒸気を消費するプロセス装置との間の圧力バランスに関するプロセスモデルを記憶する記憶手段と、プロセスモデルに基づいて、プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力を満足する、供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。

上記圧力最適化装置において、プロセスモデルは、少なくとも、供給源が供給する蒸気の圧力と、プロセス装置における蒸気の流量または圧力と、供給源からプロセス装置に蒸気を供給する流路に設けられた蒸気の流量を制御する制御弁の開度との関係を表すようにしたものである。

上記圧力最適化装置において、演算手段は、プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力、および、制御弁が取り得る弁開度を制約条件として供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算するようにしてもよい。

上記圧力最適化装置において、供給源が供給する蒸気の圧力を、演算手段により演算された圧力とすることにより得られる利益を算出する利益算出手段をさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明にかかる圧力最適化方法は、蒸気の供給源と、この供給源から供給される蒸気を消費するプロセス装置との間の圧力バランスに関するプロセスモデルを記憶する記憶ステップと、プロセスモデルに基づいて、プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力を満足する、供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する演算ステップとを有することを特徴とする。

上記圧力最適化方法において、プロセスモデルは、少なくとも、供給源が供給する蒸気の圧力と、プロセス装置における蒸気の流量または圧力と、供給源からプロセス装置に蒸気を供給する流路に設けられた蒸気の流量を制御する制御弁の開度との関係を表すようにしたものである。

上記圧力最適化方法において、演算手段は、プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力、および、制御弁が取り得る弁開度を制約条件として供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算するようにしてもよい。

上記圧力最適化方法において、供給源が供給する蒸気の圧力を、演算ステップにより演算された圧力とすることにより得られる利益を算出する利益算出ステップをさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、蒸気の供給源と、この供給源から供給される蒸気を消費するプロセス装置との間の圧力バランスに関するプロセスモデルに基づいて、上記プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力を満足する、上記供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算することにより、上記供給源が供給する蒸気の最適な圧力を算出することができる。

以下、図面を参照して本実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる圧力最適化装置１０を適用したプラントの電気的な接続関係を示す構成図である。なお、本実施の形態では、図５を参照して背景技術の欄で説明したプラント１に圧力最適化装置１０を適用した場合を例に説明する。したがって、本実施の形態において、背景技術の欄で説明したのと同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。

プラント１は、圧力最適化装置１０と、動力プラント２０と、複数の蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎと、リアルタイムＤＢ５０とから構成される。

圧力最適化装置１０は、図２に示すように、記憶部１１と、機器パラメータ設定部１２と、基本シミュレータ１３と、最適化シミュレータ１４と、利益算出部１５とを備える。このような圧力最適化装置１は、ＣＰＵ等の演算装置と、メモリ、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）等の記憶装置と、キーボード、マウス、ポインティングデバイス、ボタン、タッチパネル等の外部から情報の入力を検出する入力装置と、インターネット、ＬＡＮ(Local Area Network)、ＷＡＮ(Wide Area Network)等の通信回線を介して各種情報の送受信を行うＩ/Ｆ装置と、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)またはＦＥＤ(Field Emission Display)等の表示装置を備えたコンピュータと、このコンピュータにインストールされたプログラムとから構成される。すなわちハードウェア装置とソフトウェアとが協働することによって、上記のハードウェア資源がプログラムによって制御され、上述した記憶部１１、機器パラメータ設定部１２、基本シミュレータ１３、最適化シミュレータ１４および利益算出部１５が実現される。なお、上記プログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供されるようにしてもよい。

記憶部１１は、プロセスモデルデータ１１ａと、機器データ１１ｂと、制約条件データ１１ｃと、コストデータ１１ｄとを少なくとも記憶するデータベースである。ここで、プロセスモデルデータ１１ａとは、プラントに配設されたタービン、ボイラ、配管、制御弁等の各構成要素の特性に基づいて、プラント内の圧力のバランスを数式化したプロセスモデルに関する情報である。図５に示すプラント１の場合、上記の供給源となる低圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎのプロセス装置３５−１〜３５−３までの間のプロセスモデルは、後述する式（１）〜（２０）で表される。また、機器データ１１ｂとは、プラント１に配設されたタービン、ボイラ、配管、制御弁等の各機器の特性に関する情報である。また、制約条件データ１１ｃとは、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各制御弁３４−１〜３４−３の弁開度の運用可能な範囲に関する情報である。また、コストデータ１１ｄとは、動力プラント２０の発電機２４−１〜２４−ｍにより発電された電気の電力会社への売却価格に関する情報である。これらのデータは、予め記憶部１１に記憶されている。

機器パラメータ設定部１２は、プロセスモデルデータ１１ａ、機器データ１１ｂおよびリアルタイムＤＢ５０に記憶されたデータに基づき、図５に示すプラント１における圧力バランスをモデル化したプロセスモデルの各パラメータの更新および推定を行う機能部である。

基本シミュレータ１３は、機器パラメータ設定部１２により更新および推定されたプロセスモデルのパラメータに基づいて発電機２４−１〜２４〜ｎによる発電量を算出する演算処理部である。

最適化シミュレータ１４は、機器パラメータ設定部１２により更新および推定が行われたプロセスモデルのパラメータと、制約条件データ１１ｃとに基づき、低圧コレクタ２５の低圧コレクタ圧力値の下限値を算出する演算処理部である。また、最適化シミュレータ１４は、算出した低圧コレクタ圧力値の下限値に基づいて発電機２４−１〜２４−ｍによる発電量も算出する。

利益算出部１５は、基本シミュレータ１３および最適化シミュレータ１４により算出された各発電量とコストデータ１１ｄとに基づいて利益向上額を算出する演算処理部である。

動力プラント２０は、図５に示すように、複数のボイラ２１−１〜２１−ｌと、高圧コレクタ２２と、複数の蒸気タービン２３−１〜２３−ｍと、複数の発電機２４−１〜２４−ｍと、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎへ蒸気を供給する供給源となる低圧コレクタ２５とを備える。また、図１に示すように、電気的な構成要素として、計測器Ｉ／Ｆ(Interface)２６と、制御弁Ｉ／Ｆ２７と、制御装置２８と、ＧＷ(Gate Way)２９とを備える。

計測器Ｉ／Ｆ２６は、動力プラント２０の各構成要素や配管における駆動状態、圧力、流量、温度等の各種パラメータを測定する計測器に接続され、各計測器による測定値を制御装置２８に送出するインターフェース装置である。

制御弁Ｉ／Ｆ２７は、動力プラント２０の構成要素や配管に配設された各制御弁に接続され、制御装置２８の指示に基づいて各制御弁の開度を制御するインターフェース装置である。

制御装置２８は、計測器Ｉ／Ｆ２６が取得した各計測器による測定値や圧力最適化装置１０による演算結果に基づいて動力プラント２０の各構成要素の動作を制御する演算処理部である。

ＧＷ２９は、通信回線を介してリアルタイムＤＢ５０と各種情報の送受信を行うインターフェース装置である。リアルタイムＤＢ５０に送信する情報としては、計測器Ｉ／Ｆ２６および制御弁Ｉ／Ｆ２７が取得した情報などが含まれる。

蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎは、流量計３１と、サブヘッダ配管３２−１〜３２−３と、流量計３３−１〜３３−３と、制御弁３４−１〜３４−３と、プロセス装置３５−１〜３５−３とを備える。また、電気的な構成要素として、計測器Ｉ／Ｆ３６と、制御弁Ｉ／Ｆ３７と、制御装置３８と、ＧＷ３９とを備える。

計測器Ｉ／Ｆ３６は、少なくとも流量計３１，３３−１〜３３−３を含む蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各構成要素や配管における駆動状態、圧力、流量、温度等の各種パラメータを測定する計測器に接続され、各計測器による測定値を制御装置３８に送出するインターフェース装置である。なお、計測器Ｉ／Ｆ３６は、ユーザの操作入力やプロセス装置３５−１〜３５−３の駆動状態に基づいて、プロセス装置３５−１〜３５−３が必要とする蒸気の流量または圧力も測定する。

制御弁Ｉ／Ｆ３７は、少なくとも制御弁３４−１〜３４−３を含む蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの構成要素や配管に配設された各制御弁に接続され、制御装置３８の指示に基づいて各制御弁の開度を制御するインターフェース装置である。

制御装置３８は、計測器Ｉ／Ｆ３６が取得した各計測器による測定値や圧力最適化装置１０による演算結果に基づいて蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各構成要素の動作を制御する演算処理部である。

ＧＷ３９は、通信回線を介してリアルタイムＤＢ５０と各種情報の送受信を行うインターフェース装置である。リアルタイムＤＢ５０に送信する情報には、計測器Ｉ／Ｆ３６および制御弁Ｉ／Ｆ３７が取得した情報などが含まれる。

リアルタイムＤＢ５０は、動力プラント２０の各計測器による測定値および各制御弁の開度、並びに、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各計測器が取得した測定値および各制御弁の開度など、動力プラント２０および蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎに関するデータをそれぞれから受信して記憶するデータベース装置である。

次に、本実施の形態にかかる圧力最適化装置１０の動作について図３を参照して説明する。まず、予め記憶部１１のプロセスモデルデータ１１ａには、圧力最適化装置１０を適用するプラントのプロセスモデル記憶されている。例えば、図５に示すプラント１に圧力最適化装置１０を適用する場合、以下に示すようなプロセスモデルが構築され、プロセスモデルデータ１１ａに記憶される。なお、以下においては、プラント１の低圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１の間のプロセスモデルについて説明するが、低圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−ｎの間のプロセスモデルについては、上記低圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１の間のプロセスモデルと同等であるので、適宜説明を省略する。

プラント１の低圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１の間のプロセスモデルは、図５に示すように、［１］定圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１入口の間、［２］蒸気消費プラント３０−１入口から制御弁３４−１〜３４−３の間、［３］制御弁３４−１〜３４−３からプロセス装置３５−１〜３５−３の間、という３つの部分に分けた圧力バランス式で表現することができる。各バランス式について以下に示す。

［１］定圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１入口の間の圧力バランスは、下式（１）で表される。このとき、定圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１入口の間の蒸気平均密度は、下式（２）で表される。

上式（１）、（２）において、「Ｐ０」は、低圧コレクタ２５における蒸気の圧力、すなわち低圧コレクタ圧力［ｋｇ／ｃｍ²］である。「Ｐａ」は、蒸気消費プラント３０−１の入口における蒸気の圧力［ｋｇ／ｃｍ²］である。「ρ_a」は、定圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１入口の間の蒸気平均密度［ｋｇ／ｍ³］である。「Ｔ０」は、低圧コレクタ２５における蒸気温度［Ｋ］であり、低圧コレクタ圧力Ｐ０と平衡温度として算出される。「ｆ」は、ヘッダ配管４０−１の抵抗係数である。「ｕ_a」は、定圧コレクタ２５から蒸気消費プラント３０−１入口の間の蒸気の流速［ｍ／ｓｅｃ］である。「ｇ_c」は、重力換算係数［ｋｇ・ｍ／（Ｋｇ・ｓｅｃ²）］である。「Ｌ_a」は、ヘッダ配管４０−１の長さ［ｍ］である。「Ｄ_a」は、ヘッダ配管４０−１の内径［ｍ］である。ＭＷは、水の分子量［ｋｇ／ｋｇ−ｍｏｌ］である。「Ｒ」は、気体定数［（（Ｋｇ／ｃｍ²）・ｍ³）／（ｋｇ−ｍｏｌ・Ｋ）］である。「ΔＰｏｒｉｆｉｃｅ_a」は、流量計３１による圧力損失［ｋｇ／ｃｍ²］である。なお、上式（１）の「ρ_aｕ_a ²」の項は運動エネルギーを意味し、［｛（Ｆ_a1＋Ｆ_a2＋Ｆ_a3）²／ρ_a｝×（１／Ａ²）］により算出される。ここで、「Ｆ_a1」，「Ｆ_a2」，「Ｆ_a3」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の蒸気流量［ｋｇ／ｈ］を意味する。また、「Ａ」は、ヘッダ配管４０−１の断面積［ｍ²］を意味する。

［２］蒸気消費プラント３０−１入口から制御弁３４−１〜３４−３の間の圧力バランスは、それぞれ下式（３）〜（５）で表される。このとき、蒸気消費プラント３０−１入口から制御弁３４−１〜３４−３の間の蒸気平均密度は、それぞれ下式（６）〜（８）で表される。

上式（３）〜（８）において、「Ｐ_a11」，「Ｐ_a12」，「Ｐ_a13」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の入口圧力［ｋｇ／ｃｍ²］である。「ρ_a11」，「ρ_a12」「ρ_a13」は、それぞれ蒸気消費プラント３０−１入口から制御弁３４−１〜３４−３の間の蒸気平均密度［ｋｇ／ｍ³］である。「ｕ_a11 ²」，「ｕ_a12 ²」「ｕ_a13 ²」は、それぞれ蒸気消費プラント３０−１入口から制御弁３４−１〜３４−３の間の蒸気の流速［ｍ／ｓｅｃ］である。「Ｌ_a11」，「Ｌ_a12」「Ｌ_a13」は、それぞれサブヘッダ配管３２ａ〜３２ｃの長さ［ｍ］である。「Ｄ_a11」，「Ｄ_a12」，「Ｄ_a13」は、それぞれサブヘッダ配管３２ａ〜３２ｃの内径［ｍ］である。

［３］制御弁３４−１〜３４−３からプロセス装置３５−１〜３５−３の間の圧力バランスは、それぞれ下式（９）〜（２０）で表される。具体的には、制御弁３４ａとプロセス装置３５−１との間の圧力バランスは、下式（１１）を満足する場合は下式（９）、下式（１２）を満足する場合は下式（１０）で表される。また、制御弁３４ｂとプロセス装置３５−２との間の圧力バランスは、下式（１５）を満足する場合は下式（１３）、下式（１６）を満足する場合は下式（１４）で表される。また、制御弁３４ｃとプロセス装置３５−３との間の圧力バランスは、下式（１９）を満足する場合は下式（１７）、下式（２０）を満足する場合は下式（１８）で表される。

上式（９）〜（２０）において、「Ｆ_a1」，「Ｆ_a2」，「Ｆ_a3」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３からの蒸気流量［ｋｇ／ｈ］である。「Ｐ_a21」，「Ｐ_a22」，「Ｐ_a32」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の出口圧力［Ｋｇ／ｃｍ²］である。「ＣＶ_a1」，「ＣＶ_a2」，「ＣＶ_a3」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の定格ＣＶ値である。「α_a1」，「α_a2」，「α_a3」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３のレンジアビリティである。「Ｘ_a1」，「Ｘ_a2」，「Ｘ_a3」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の弁開度である。「Ｋ」は、（１．０＋０．００１３＋加熱度［℃］）で表される。

上式（１）〜（２０）で表すようなプロセスモデルは、プラントの構成毎に、一般的な化学工学の理論に基づいて構築することができる。

このようなプロセスモデルに対して、機器パラメータ設定部１２は、各パラメータの更新および推定を行う（ステップＳ３０１）。具体的には、機器パラメータ設定部１２は、現在のプラント１の動力プラント２０および蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各構成要素の駆動状態、圧力、流量、温度、各制御弁の開度等に関する情報、並びに、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各プロセス装置３５−１〜３５−３が現在必要とする蒸気の流量または圧力をリアルタイムＤＢ５０から取得し、この取得した情報と記憶部１１のプロセスモデルデータ１１ａおよび機器データ１１ｂとに基づいて、プロセスモデルの対応するパラメータに数値を代入したり、近似式に基づいて算出した数値を対応するパラメータに代入することにより、プロセスモデルの各パラメータの更新および推定を行う。

上述したような圧力バランス式からなるプロセスモデルの各パラメータの更新および推定が行われると、基本シミュレータ１３は、発電機２４−１〜２４〜ｍによる現状の発電量を算出する（ステップＳ３０２）。具体的には、基本シミュレータ１３は、プロセスモデルの各パラメータと、機器データ１１ａに記憶されているボイラ２１−１〜２１−ｌ、高圧コレクタ２２、タービン２３−１〜２３−ｍ、発電機２４−１〜２４−ｍおよび低圧コレクタ２５の特性とに基づいて、発電機２４−１〜２４〜ｍによる発電量を算出する。このとき、基本シミュレータ１３は、従来の場合と同様、低圧コレクタ圧力の値を、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎが現在必要とする蒸気の流量または圧力にマージンを付加した値に設定して、上記発電量の算出を行う。なお、設定した低圧コレクタ圧力および算出した発電量は、圧力最適化装置１０の表示装置に表示するようにしてもよい。

また、プロセスモデルの各パラメータの更新および推定が行われると、最適化シミュレータ１４は、パラメータの更新および推定が行われたプロセスモデルと制約条件データ１１ｃとに基づき、低圧コレクタ２５のコレクタ圧力値の下限値を算出し、この下限値に基づいて発電機２４−１〜２４−ｍによる発電量を算出する（ステップＳ３０３）。このとき、最適化シミュレータ１４は、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各プロセス装置３５−１〜３５−３が必要とする蒸気の流量または圧力を供給することができる最低の低圧コレクタ圧力を、プロセスモデルおよび制約条件データ１１ｃに基づいて演算する。この制約条件データ１１ｃは、図５に示すプラント１の場合、下式（２１）〜（２３）で表される。

上式（２１）〜（２３）において、「Ｘ_a1，min」，「Ｘ_a2，min」，「Ｘ_a3，min」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の弁開度の運用下限値である。「Ｘ_a1，max」，「Ｘ_a2，max」，「Ｘ_a3，max」は、それぞれ制御弁３４−１〜３４−３の弁開度の運用上限値である。

最適化シミュレータ１４は、上式（１）〜（２０）を、上式（２１）〜（２３）の制約条件および蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各プロセス装置３５−１〜３５−３が必要とする蒸気の流量または圧力に基づいて演算し、制御弁３４−１〜３４−３の弁開度をできるだけ大きくなるようにして制御弁３４−１〜３４−３による圧力損失を小さくすることにより、低圧コレクタ２５の低圧コレクタ圧力が最小となる値を演算する。この演算は、逐次二次計画法（例えば、非特許文献１参照。）により行うことができる。また、他の解析的な最適化手法として、最急降下法や動的計画法などを用いて上記演算を行うようにしてもよい。また、確率的な手法として、アニーリングやニューラルネットワークなどを用いて上記演算を行うようにしてもよい。

最小となる低圧コレクタ圧力を算出すると、最適化シミュレータ１４は、算出した低圧コレクタ圧力と、機器データ１１ａに記憶されているボイラ２１−１〜２１−ｌ、高圧コレクタ２２、タービン２３−１〜２３−ｍ、発電機２４−１〜２４−ｍおよび低圧コレクタ２５の特性とに基づいて、発電機２４−１〜２４〜ｍによる発電量を算出する。なお、算出した低圧コレクタ圧力および発電量は、圧力最適化装置１０の表示装置に表示するようにしてもよい。

基本シミュレータ１３および最適化シミュレータ１４により発電量が算出されると、利益算出部１５は、算出された発電量と記憶部１１のコストデータ１１ｄとに基づいて、低圧コレクタ圧力を最小とすることにより得られる利益を算出する（ステップＳ３０４）。具体的には、利益算出部１５は、基本シミュレータ１３により算出された発電量と最適化シミュレータ１４により算出された発電量との差分に電力会社へ売電価格を乗じることにより、電力会社から得られる金額を算出する。これにより、圧力最適化装置１０により算出された低圧コレクタ圧力で動力プラント２０を運転することにより得られる利益を認識することができる。なお、算出した金額は、圧力最適化装置１０の表示装置に表示するようにしてもよい。これにより、圧力最適化装置１０のユーザは、圧力最適化装置１０を導入することにより得られる利益を容易に確認することができる

一例として、圧力最適化装置１０による演算結果を図４に示す。図４は、動力プラントの出力が約６６．５ＭＷの７０ＭＷ級のプラントにおける圧力最適化装置１０の演算結果である。従来では、低圧コレクタ圧力を０．３４［ＭＰａ］と設定していたところ、圧力最適化装置１０によれば、低圧コレクタ圧力を約０．３［ＭＰａ］まで下げることができるとの演算結果が得られた。これにより、算出した発電量に基づくエネルギー削減率は約１．５％となり、図４に示すプラントにおけるコスト削減は、売電価格を１０［円／ｋＷｈ］、製造電力単価を４［円／ｋＷｈ］とすると、下式（２４）より年間約５０００万円となる。

コスト削減概算＝電力単価差×電力製造量＝６［円／ｋＷｈ］×６６５００［ｋＷ］×８０００［ｈ／年］×１．５［％］≒５０００［万円／年］・・・（２４）

このように、本実施の形態によれば、蒸気の供給源となる低圧コレクタ２５と、この低圧コレクタ２５から供給される蒸気を消費する蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎとの間の圧力バランスに関するプロセスモデルに基づいて、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各プロセス装置３５−１〜３５−３が必要とする蒸気の流量または圧力を供給することができる最低の低圧コレクタ圧力を演算することにより、最適な低圧コレクタ圧力を算出することができる。

なお、本実施の形態において、図５に示すプラント１のように、蒸気消費プラントが複数存在する場合、最適化シミュレータ１４は、各蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎの各プロセス装置３５−１〜３５−３への蒸気の供給を制御する全ての制御弁３４−１〜３４−３に関する制約条件データ１１ｃ、および、各プロセス装置３５−１〜３５−３が必要とする蒸気の流量または圧力に基づいてプラント１のプロセスモデルを演算し、低圧コレクタ２５の低圧コレクタ圧力が最小となる値を算出する。これにより、蒸気消費プラントが複数存在する場合も最小となる低圧コレクタ圧力を算出することができる。

また、圧力最適化装置１０による最適な低圧コレクタ圧力および利益の算出は、連続的や所定時間毎に行うようにしてもよい。これにより、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎにより消費される蒸気の量の変化に応じて最適な低圧コレクタ圧力を算出することができ、最大の利益を上げることができる。

また、本実施の形態では、リアルタイムＤＢ５０から取得した現時点におけるプラント１の各構成要素の状況に基づいて最適な低圧コレクタ圧力を算出するようにしたが、過去のデータや未来を予測したデータに基づいて、最適な低圧コレクタ圧力を算出するようにしてもよい。この場合、例えば、リアルタイムＤＢ５０に過去の履歴を記憶させたり、圧力最適化装置１０に外部から過去のデータや予測したデータを入力することより実現することができる。これにより、過去や未来における利益のシミュレーションなどが可能となる。

また、本実施の形態にかかる圧力最適化装置１０は、蒸気を供給する動力プラントを有するプラントであるならば図５に示すプラントに限定されず、各種プラントに適用することができる。したがって、動力プラント２０のボイラ２１−１〜２１−ｌ、蒸気タービン２３−１〜２３−ｍ、発電機２４−１〜２４−ｍ、蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎ、ヘッダ配管４０−１〜４０−ｎの数量も適宜自由に設定することができる。また、各蒸気消費プラント３０−１〜３０−ｎのサブヘッダ配管３２ａ〜３２ｃ、流量計３３ａ〜３３ｃ、制御弁３４−１〜３４−３およびプロセス装置３５−１〜３５−３の数量も適宜自由に設定することができる。

本発明にかかる圧力最適化装置を適用したプラントの電気的な接続関係を示す構成図である。圧力最適化装置の構成図である。圧力最適化装置の動作を示すフローチャートである。圧力最適化装置による演算結果の一例を示す図である。動力プラントを有するプラントを示す構成図である。

符号の説明

１…プラント、１０…圧力最適化装置、１１…記憶部、１１ａ…プロセスモデルデータ、１１ｂ…機器データ、１１ｃ…制約条件データ、１１ｄ…コストデータ、１２…機器パラメータ設定部、１３…基本シミュレータ、１４…最適化シミュレータ、１５…利益算出部、２０…動力プラント、２１−１〜２１−ｌ…ボイラ、２２…高圧コレクタ、２３−１〜２３−ｍ…蒸気タービン、２４−１〜２４−ｍ…発電機、２５…低圧コレクタ、２６…計測器Ｉ／Ｆ、２７…制御弁Ｉ／Ｆ、２８…制御装置、２９…ＧＷ、３０−１〜３０−ｎ…蒸気消費プラント、３１…流量計、３２ａ〜３２ｃ…サブヘッダ配管、３３ａ〜３３ｃ…流量計、３４−１〜３４−３…制御弁、３５ａ〜３５ｃ…プロセス装置、３６…計測器Ｉ／Ｆ、３７…制御弁Ｉ／Ｆ、３８…制御装置、３９…ＧＷ、４０−１〜４０−ｎ…ヘッダ配管。

Claims

蒸気の供給源と、この供給源から供給される蒸気を消費するプロセス装置との間の圧力バランスに関するプロセスモデルを記憶する記憶手段と、
前記プロセスモデルに基づいて、前記プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力を満足する、前記供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する演算手段と
を備えたことを特徴とする圧力最適化装置。
前記プロセスモデルは、少なくとも、前記供給源が供給する蒸気の圧力と、前記プロセス装置における蒸気の流量または圧力と、前記供給源から前記プロセス装置に蒸気を供給する流路に設けられた蒸気の流量を制御する制御弁の開度との関係を表す
ことを特徴とする請求項１記載の圧力最適化装置。
前記演算手段は、前記プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力、および、前記制御弁が取り得る弁開度を制約条件として前記供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する
ことを特徴とする請求項２記載の圧力最適化装置。
前記供給源が供給する蒸気の圧力を、前記演算手段により演算された圧力とすることにより得られる利益を算出する利益算出手段
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧力最適化装置。
蒸気の供給源と、この供給源から供給される蒸気を消費するプロセス装置との間の圧力バランスに関するプロセスモデルを記憶する記憶ステップと、
前記プロセスモデルに基づいて、前記プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力を満足する、前記供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する演算ステップと
を有することを特徴とする圧力最適化方法。
前記プロセスモデルは、少なくとも、前記供給源が供給する蒸気の圧力と、前記プロセス装置における蒸気の流量または圧力と、前記供給源から前記プロセス装置に蒸気を供給する流路に設けられた蒸気の流量を制御する制御弁の開度との関係を表す
ことを特徴とする請求項５記載の圧力最適化方法。
前記演算ステップは、前記プロセス装置が必要とする蒸気の流量または圧力、および、前記制御弁が取り得る弁開度を制約条件として前記供給源が供給する蒸気の最低の圧力を演算する
ことを特徴とする請求項６記載の圧力最適化方法。
前記供給源が供給する蒸気の圧力を、前記演算ステップにより演算された圧力とすることにより得られる利益を算出する利益算出ステップ
をさらに備えることを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の圧力最適化方法。