JP6163407B2 - プラント最適運転計画立案装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は複数の設備を有するプラントの最適運転計画立案装置および方法に関する。

プラントの最適運転計画は、設備機器のハードウェア制約等のルールを守った上で、運転コスト最小化や消費エネルギー最小化等、プラント運用者の目的に沿った運転計画を立案することを目的としており、様々な生産プラントや工場で導入されている。

特許文献１には、複数の熱源設備で構成される冷水供給プラントにおいて、運転コスト最小化を目的とした最適運転計画立案システムが提案されており、線形問題の解法である混合整数計画法を用いて非線形性能を持つ熱源設備の最適運転計画を立案する方法が開示されている。

特許文献２には、生産設備の低コスト化又は省エネ化を目的とした最適運転計画立案方法が記述されており、整数計画法の中で通常運転コスト・起動コスト・燃料削減コストの３通りを用意し、設備の状態(停止から稼動、稼動継続、稼動から停止)によってコスト計算を変更することによって運転計画を立案する方法が開示されている。

特許第３８８７５７８号 特許第５０３３７１０号

プラントの最適運転計画では、設備の稼動状態と停止状態の２つの状態、及び稼動状態における設備の負荷率を計画案としてガイダンスする方法が一般的である。しかし、熱源機器や発電機等、起動や停止、特に起動に要する時間やエネルギー生成・消費量が無視できない機器で構成されているプラントでは、停止中から運転中、又は運転中から停止中に至る遷移状態を考慮してプラントを運用する必要があるので、最終的な実運転は経験あるプラントオペレータに頼らざるを得ない状況であった。そこで、プラントの起動に要する時間やエネルギー生成・消費量を考慮した運転計画を立案することができれば、立案された運転計画の精度が向上し、さらにはオペレータを介さないプラント全体の最適自動制御にも応用が可能である。

特許文献１では、熱源設備の非線形モデルを線形モデルに変換し混合整数計画法を用いて概要計画を立案し、立案した概要計画を熱源設備の非線形モデルによって補正し、詳細計画を立案する方法が開示されている。しかし、設備の起動に要する時間やエネルギー生成・消費量は考慮されていない。

特許文献２では、起動に要するコストを定量的に評価し、評価したコストを整数計画法の中で定式化して最適化計算を行う方法が開示されているが、起動に要する時間が考慮されていない。また、起動中に要するエネルギーについてもエネルギー需給の側面からは考慮されていない。

例えば、需要エネルギーがある時間帯で急激に変化すると予想される場合は、供給側設備も急変する需要エネルギーに追従するために、可能な限り高速で起動停止動作を繰り返す必要があるが、この時間帯で起動停止に要する時間が考慮されなければ、運転計画は現実から大きく乖離する場合が懸念される。

起動時に費やすエネルギー量がプラントの需給エネルギーに影響を与える場合、特許文献２の提案手法では応用できない。例えば、コージェネレーションシステムのように発電機起動中に排出される熱エネルギーを排熱回収型熱源機器で使用する場合は、発電機起動中の時間とエネルギー生成量（例えば、排熱発生量）やエネルギー消費量（例えば、ガス消費量）を考慮する必要性がある。

単純に起動停止に要する時間だけを考慮するだけであれば、特許文献１の方法等で立案された最適運転計画から起動停止時間分差し引きして運転計画を立案すれば良いが、前述例のような事象がある場合は、起動停止時間と起動エネルギー両方を考慮するか否かで最適化演算結果が大きく変化するので、実際の運転に則した最適運転計画を立案することができない。

開示するプラント最適運転計画立案装置は、プラントを構成する設備の起動状態を最適化変数として定義し、設備の設備運転モード情報に含まれる運転モードを目的関数として設定し、設備の起動に要するエネルギーを加えた設備のエネルギー需給一致式及び設備運転モード情報で指定された制約を制約条件として設定する最適化パラメータ設定部、最適化パラメータ設定部により設定された、最適化変数、目的関数および制約条件の最適化パラメータを基に、混合整数計画法による最適化演算を実行する最適運転計画立案部、および、設備の起動状態に対応させて、最適運転計画立案部の演算結果を設備の起動に要する時間と共にガイダンス表示として出力する運転計画表示部を有する。

プラントの実際の運転に則した最適運転計画を立案できる。

開示する地域冷暖房プラント等の熱供給プラントの設備構成図である。 実施例１における最適運転計画立案装置の構成図である。 最適運転計画立案装置のフロー図である。 最適化計算における設備起動特性である。 最適運転計画のガイダンス表示画面例である。 実施例２における最適運転計画立案装置の構成図である。 帳票データから設備起動ネルギーを算出する概念図である。 設備起動停止特性情報の入力情報シートである。 最適運転計画立案から最終計画立案までのフロー図である。

開示する実施例は複数の熱源設備や発電設備を有する地域冷暖房プラント等の熱供給プラントで、このプラントの最適運転計画方法において設備の起動停止に要する時間と起動に要するエネルギー生成・消費量を混合整数計画法の中で評価する最適演算機能を持つ最適運転計画立案装置を備える。以下、実施例を、図面を用いて説明する。

図１に、熱供給プラントの設備構成の概略を示す。熱供給プラント101は、複数の発電設備、熱源設備を保有している。また、熱供給プラント101から供給されるエネルギーは需要家102に冷水・温水・蒸気の熱媒で送られる。熱源設備103は排熱から熱媒を生成する排熱回収型熱源機、熱源設備104は蒸気から熱媒を生成する蒸気焚熱源機、熱源設備105は電動式熱源機、熱源設備106はガス焚ボイラ、熱源設備107はガス焚熱源機、発電設備108はガスコージェネレーションシステムである。また、熱供給プラント101は商用電力109と商用ガス110(都市ガス)と接続している。

図２に、最適運転計画立案装置201の構成図を示す。最適運転計画立案装置201はデータ読込部202で、設備性能モデル情報203、設備起動停止特性情報204、設備運転モード情報205、および需要エネルギー情報206を読み込む。

これらの情報の内、設備起動停止特性情報204は、最適運転計画において設備の起動停止特性を考慮する為に必要な情報であり、図８に示すようにユーザーが入力する起動停止に要する時間とエネルギー生成・消費量である。本実施例ではユーザーが入力する場合を説明するが、実施例２では設備帳票から設備起動停止特性情報を得る場合を説明する。

設備性能モデル情報203は、設備の負荷率と消費エネルギーの関係を示す線形性能モデルや設備定格仕様情報を含んでいる。設備運転モード情報205は、目的関数の選択、制約条件の設定を含んでいる。需要エネルギー情報206は、需要家に送る熱媒である冷水・温水・蒸気の時刻毎の予測需要エネルギーを含んでいる。

データ読込部202で読み込んだ情報を基に、最適化パラメータ設定部207で最適化変数、目的関数、制約式を最適化パラメータとして設定する。最適化パラメータ設定部207は、最適化変数として、設備103〜108の起動停止状態を示すZ_j(t)、負荷率を示すX_j(t)を定義する。ここでjは設備番号、tは時刻である。最適化パラメータ設定部207は、目的関数として、設備運転モード情報205に含まれる運転モードを用いる。運転モードは、例えば、運転コスト最小化、消費エネルギー最小化、CO2排出量最小化等である。最適化パラメータ設定部207は、制約条件として、エネルギー需給一致式及び設備運転モード情報205で指定された制約を定義する。定義する制約は、例えば、設備メンテナンスの有無、優先運転設備の有無、設備起動停止回数制限等である。なお、エネルギー需給一致式とは、熱供給プラントのエネルギー供給量と需要家のエネルギー需要量の需給一致を示す式である。最適化パラメータ設定部207により設定された最適化パラメータを基に、最適運転計画立案部208は混合整数計画法による最適化演算を実行する。最適運転計画立案部208の演算結果は、運転計画表示部209で画面にガイダンス表示210として出力される。ガイダンスを表示する画面は、最適運転計画立案装置201に接続する入出力装置(図示略)の出力画面である。

図３に、最適運転計画立案装置201の全体フローチャートを示す。本フローチャートの各ステップS301〜S304は、図２の構成図の最適運転計画立案装置201が有する各部に相当している。なお、起動停止特性に関する以下の説明では、起動特性を最適演算で評価する場合について説明する。ただし、停止特性を評価する場合も同様の考え方となる。

最適運転計画立案装置201は、外部装置で用意された前述の各情報203〜206を、データ読込部によって最適運転計画立案装置201内の記憶領域に格納する（S301）。

最適運転計画立案装置201は、最適化パラメータを設定する（S302）。前述の通り、最適化変数として設備の稼動状態でZ_j(t)=1、起動停止遷移状態及び停止状態でZ_j(t)=0を示す起動停止整数変数Z_j(t)を設定するが、起動停止整数変数Z_j(t)を利用して設備が停止から稼動に変わる時刻tでのみZ’_j(t)=1となる整数変数Z’_j(t)を式（１）の通り定義する。

いま、時刻T1で整数変数Z’(T1)=1と仮定し、設備の起動中(起動を始めてから定格運転に到達するまで)の時間帯でZ_on_j(t)=1となる整数変数Z_on_j(t)を式（２）の通り定義する。このZ_on_j(t)を遷移状態変数と定義する。

式（２）においてT2は起動開始時刻、T_on_jは設備jの起動に要する時間、T_wは最適化計算の時間粒度を表す。

次に定義した遷移状態変数Z_on_j(t)を用いて式（３）に示す通り、起動に要するエネルギーを各用役に対するエネルギー需給一致の式に加える。エネルギー需給一致式は本熱供給プラントでは冷水・温水・蒸気・電力・排熱に関する一致式をそれぞれ定義する。

式（３）において、E_demand(t)は需要家の需要エネルギー量、E_supply(t)はプラントの供給エネルギー量、E_j(t)は設備jの通常運転時エネルギー量（正で生成量、負で消費量）、E_on_j(t)は設備jの起動時エネルギー量（正で生成量、負で消費量）、E_grid(t)は買電・買ガス等エネルギー量、Nはプラント内機器台数を示す。今回、起動エネルギーを評価する為に新たに定義する式は、式（３）の第２式右辺第２項の（ΣE_on_j(t)×Z_on_j(t)）である。以降、式（４）に示す冷水に関するエネルギー需給一致式を例に具体的な説明を行う。

式（４）において、C_demand(t)は需要家の冷水需要量、C_supply(t)はプラントの冷水供給量、C_N_jは設備ｊの定格冷水生成量、C_on_jは設備jの起動時冷水生成量を示す。(添字103は排熱回収型熱源機、104は蒸気焚熱源機、105は電動式熱源機、107はガス焚熱源機を仮定)。式（４）に示す各熱源設備の冷水生成量と設備状態を示す最適化変数Z(t),Z_on(t)の関係例を図４に示す。図４は、横軸が時刻、縦軸が冷水生成量で、各熱源設備の運転状況を示している。式（４）でZ_on_j(t)を用いて起動エネルギーを評価する項を定義したことにより、図４の例の場合、熱源設備107の起動時冷水生成量を考慮することが可能となり、その結果、プラント全体として設備の停止から稼動の状態遷移を考慮した冷水生成量のエネルギー需給一致式の評価が可能となる。従来では、熱源設備107の起動時冷水生成量が考慮されない為、同時間帯における他の熱源設備103〜105の冷水生成量の計算において、前記熱源設備107の起動時冷水生成量が加味されず、実際のプラント運転時は運転計画時に比べ冷水供給過多になることが想定される。この場合、実運用では冷水供給過多による熱源設備の一次エネルギー消費の無駄や需給不一致による設備のイレギュラー運転を避ける為、オペレータによる調整が必要であった。

上記で定義したエネルギー需給一致式の定式化を含む最適化パラメータ設定後、混合整数計画法による最適化演算をする（S303）。具体的にはS302で定義された目的関数を最小化する各設備の最適化変数Z_j(t),X_j(t)の組み合わせを決定する。このとき、式（３）の通り定義した起動停止エネルギーを含めたエネルギー需給一致式を満たすことを条件として演算を行う。

次に、S303で出力された演算結果をガイダンス表示画面207に表示する（S304）。図５に示す運転計画ガイダンス表示501のように、ガイダンスを、各設備の起動停止時間情報を含むガントチャートで表示する。図５では、最適化演算の時間粒度が３０分とした場合の例であるが、最適化演算の時間粒度は可変である。但し、時間粒度の設定は計算負荷と計算正確性のトレードオフ関係にある為、プラントの運転と整合性の取れる時間粒度が好ましい。

以上のように本実施例では、従来考慮されていなかった起動停止に要する時間とエネルギーを考慮することで、より信頼性・現実性の高い運転計画を立案し、プラントオペレータの負担を軽減することが可能となった。図９に示すように、最終的なプラント運転計画の決定はプラントオペレータを介する場合が一般的である。出力された最適運転計画ガイダンスは（S901）、誤差原因901〜904により現実モデルとの乖離が生じている為、プラントオペレータが誤差原因901〜904を経験的に考慮し（S902、Ｓ903）、最終的な運転計画の決定（S904）に至る。プラントの設備構成が複雑な場合は、プラント運用も煩雑化しオペレータへの依存性も増す為、最適計算上で起動停止特性を考慮することで、現実モデルと最適運転計画モデルとの乖離原因の一つを減らすことは非常に有効である。

本実施例は、図２の設備起動停止特性情報204を設備帳票データから算出する場合の実施例であり、図６は、本実施例の最適運転計画立案装置の構成図である。一般的なプラントは各設備に対して過去の運転実績である設備帳票データ604を備えている。本実施例では設備帳票データ604をデータ読込部602で読込み、設備起動停止特性演算部611で設備起動停止特性情報を算出する。設備帳票データ604は一般的に１時間間隔でデータが記録されている場合が多いが、設備帳票データ604の時間粒度と最適運転計画立案装置601で設定された時間粒度が異なる場合は、設備帳票データ604から近似的に起動エネルギーを算出する必要がある。例として図７に1時間粒度の設備帳票データ701から熱源設備104の起動時蒸気消費量を算出する場合を示す。なお、設備の起動開始時刻、定格到達時刻は設備帳票データ701に含まれているものとする。図７（1）は熱源設備の実際の起動特性を示している。設備帳票データ701には熱源設備104の蒸気消費量が記録されており、起動時蒸気消費量は式（４）の通り定義する。積算起動時蒸気消費量ΣG_on₁₀₄は帳票データ701に記録されたデータと熱源設備104の定格蒸気消費量から算出し、起動時蒸気消費量G_on₁₀₄はΣG_on₁₀₄を起動時間で按分することにより近似的に算出する。

図７（2）は算出した起動時蒸気消費量を基にした最適計算上の起動特性である。起動時蒸気消費量704と705は同量であるが、最適計算上の起動特性では各時刻において起動時蒸気消費量を等分に評価している。

以上、熱源設備104の起動時蒸気消費量の算出方法について記述したが、他設備や他用役の起動停止エネルギーについても同様の方法によって算出する。

本実施例では帳票データを用いて起動停止エネルギーを起動停止時間帯において等分に評価する方法を説明したが、帳票データの時間粒度により起動時エネルギーをさらに細かく算出することも可能である。

本実施形態のプラント最適運転計画立案装置によれば、複雑な設備群を要するプラントの最適運転計画において、設備の起動停止時間及び起動エネルギーを最適化手法の中で考慮することで、より正確で信頼性の高い最適運転計画立案が可能となる。すなわち、プラントの実際の運転に則した最適運転計画を立案できる。その結果、ユーザーへのガイダンスにおいても、従来の停止状態・運転状態に加えて起動中の状態も実際に則してガイダンスすることが可能になり、さらには立案された最適運転計画に従った自動運転にも応用できる。

201：最適運転計画立案装置、202：データ読込部、203：設備性能モデル情報、204：設備起動停止特性情報、205：設備運転モード情報、206：需要エネルギー情報、207：最適化パラメータ設定部、208：最適運転計画立案部、209：運転計画表示部、210：ガイダンス画面表示。

Claims (4)

1. プラントを構成する設備の起動状態を最適化変数として定義し、前記設備の設備運転モード情報に含まれる運転モードを目的関数として設定し、前記設備の起動に要するエネルギーを加えた前記設備のエネルギー需給一致式及び前記設備運転モード情報で指定された制約を制約条件として設定する最適化パラメータ設定部、
   前記最適化パラメータ設定部により設定された、前記最適化変数、前記目的関数および前記制約条件の最適化パラメータを基に、混合整数計画法による最適化演算を実行する最適運転計画立案部、および、
   前記設備の前記起動状態に対応させて、前記最適運転計画立案部の演算結果を前記設備の起動に要する時間と共にガイダンス表示として出力する運転計画表示部を有することを特徴とするプラント最適運転計画立案装置。
2. 前記設備の起動に要するエネルギーを、前記設備の過去の運転実績である帳票データから算出することを特徴とする請求項１のプラント最適運転計画立案装置。
3. プラント最適運転計画立案装置における最適運転計画立案方法であって、前記プラント最適運転計画立案装置は、
   プラントを構成する設備の起動状態を最適化変数として定義し、前記設備の設備運転モード情報に含まれる運転モードを目的関数として設定し、前記設備の起動に要するエネルギーを加えた前記設備のエネルギー需給一致式及び前記設備運転モード情報で指定された制約を制約条件として設定し、
   前記最適化変数、前記目的関数および前記制約条件の最適化パラメータを基に、混合整数計画法による最適化演算を実行し、
   前記設備の前記起動に対応させて、前記最適化演算の結果を前記設備の起動停止に要する時間と共にガイダンス表示として出力することを特徴とするプラント最適運転計画立案方法。
4. 前記プラント最適運転計画立案装置は、
   前記設備の起動に要するエネルギーを、前記設備の過去の運転実績である帳票データから算出することを特徴とする請求項３のプラント最適運転計画立案方法。

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