JP6427317B2

JP6427317B2 - 熱源設備制御システム、および熱源設備制御方法

Info

Publication number: JP6427317B2
Application number: JP2013271361A
Authority: JP
Inventors: 亮介中村; 勉河村; 正教神永; 孝宣鈴木; 雅史坂齊; 真紀子市ヶ谷; 理國友
Original assignee: Hitachi Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: WO2015098536A1; JP2015125692A

Description

本発明は、熱需要家に向けて温冷熱を供給する熱源設備に対して、その運転計画を最適化する熱源設備の運転制御システム、および熱源設備制御方法に関するものである。

従来から、熱源設備の運転計画を作成するため様々な技術がある。例えば、特許文献１では、プラントの運転条件の変更に追従した最適な運転計画を立案するとともに、プラントの温度特性を反映したプラント最適運転計画装置を提供することを目的として、取得部がプラントの状況をリアルタイムに取得すると、計画作成部が、取得されたプラントの状況をプラントモデルに適応させることにより、プラントの運転計画をリアルタイムに作成し、計画提示部が、作成された運転計画を提示し、設備能力運転効率補正部が、定義した入力パラメータからプラントの設備定格出力を計算するとともに、プラントの運転効率補正値を計算し、パラメータ設定シートに出力している。

また、特許文献２では、システム導入時や熱源機の増設時において、台数制御装置における人手による調整を不要とすることを目的として、並列に接続された複数の熱源機と、複数の熱源機の起動及び停止を制御するとともに、起動している熱源機に対して要求負荷に応じた負荷を割り当てる台数制御装置とを備え、各熱源機は、運転状況と成績係数と負荷率との関係を示した各熱源機固有のCOPマップをそれぞれ保有しており、各熱源機は該COPマップから運転状況に応じた適正運転範囲を決定して台数制御装置へ通知し、台数制御装置は各熱源機から通知された適正運転範囲に基づいて熱源機の台数制御及び負荷の割り当てを行っている。

特開２０１１−２８４１６号公報特開２０１１−１０６６９９号公報

熱源設備の運転計画を立案する運転計画立案システムは、与えられる熱需要に対して、複数の熱源設備の出力を決定する。しかし、この時に考慮する熱需要は各熱源設備が通常運転を行える程度の量を持つ場合に限られる。一方で、冷暖房を行う場合の熱需要を例にとると、特に冷房で考えれば熱需要が複数の熱源設備全てを使うような状況は夏の昼間のピーク時しかなく、夏でも夜間、あるいは中間期（春・秋）等にはその熱需要が非常に低いものとなる。そのため、どの熱源設備も通常運転を行えない場合がある。このような負荷に対しては、通常運転とは異なり、最低負荷率での運転と出力なしの状態を繰り返すことで低熱需要を満たす発停運転と呼ばれる運転を行う。これまでの運転計画立案システムでは、熱源設備が通常運転する場合のみを対象としていたため、こうした発停運転を行う領域における適切な運転計画は立てられていなかった。そのため、この発停運転の状態も含んだ運転計画を立案することで、コストやCO2排出量をさらに削減する余地が存在する。

特許文献１では、プラントの運転条件の変更に追従して最適な運転計画を立案する。しかし、特許文献1に記載された装置では、プラント運転条件の変更に追従してその特性を変化させるのは通常運転領域に限られており、発停運転時の運転が考えられていない。また、特許文献２には、システム導入時や熱源機の増設時において、台数制御装置における人手による調整を不要とする方法が記されている。しかし、特許文献２に記載された装置では、台数制御装置が制御を行うための特性は通常運転領域に限られている。

そこで、本発明の熱源設備の運転制御システムでは、熱源設備の通常運転領域のみでなく、熱負荷が低く発停運転を行う領域も含めた熱源設備の運転計画の最適化を行うことを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる熱源設備運転制御システムは、複数の熱源設備の運転計画を最適化する熱源設備運転制御システムであって、時間ごとに取得された各熱源設備の消費エネルギーと熱源設備の負荷率とを対応付けた実績データを記憶する記憶部と、前記実績データに記憶されている消費エネルギーと負荷率とに基づいて、所定値を基準として前記負荷率が低い発停運転時の熱源設備の消費エネルギー特性である発停運転時特性を前記熱源設備毎に求める演算部と、前記熱源設備毎の発停運転時特性の組み合わせとプラント総消費エネルギー(熱源設備だけではなく、冷却塔やポンプ、コジェネを含むプラント全体の消費エネルギー)、コストまたは総CO2排出量を最小化する目的関数とに基づいて、前記熱源設備毎の発停運転時特性のうち、消費エネルギーが最小となる熱源設備の発停運転時特性を選択し、前記各熱源設備の最適運転計画を作成するモデル作成部と、を備えることを特徴とする熱源設備運転制御システムとして構成される。

また、本発明は、上記熱源設備運転制御システムで行われる熱源設備運転制御方法として把握される。

本発明によれば、熱源設備の通常運転領域のみでなく、熱負荷が低く発停運転を行う領域も含めた熱源設備の運転計画の最適化を行うことで、従来以上の省エネ・CO2削減が可能となる。

本実施例における熱源設備の運転制御システムが対象とする熱源設備の発停運転について示した図の例である。本実施例における熱源設備の運転制御システムの構成図の例である。本実施例における熱源設備の運転制御システムの処理を説明するフローチャートの例である。本実施例における熱源設備が発停運転を行う負荷領域を示すと共に、消費エネルギー実績データベースに蓄積される実績データを示す例である。低負荷時エネルギー特性導出部によって得られる発停運転時のエネルギー特性を示す例である。最適演算用熱源設備モデル作成部が作成する熱源設備の特性曲線を最適演算設備モデルに区分線形近似したものを示す例である。本実施例における熱源設備の運転制御システムを適用することで省エネ・CO2削減を図る例を示す図である。本実施例における熱源設備の運転制御システムを適用することで省エネ・CO2削減を図る例を示す図である。本実施例における熱源設備の運転制御システムの変形例における構成図の例である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる熱源設備制御システムおよび熱源設備制御方法の実施の形態を詳細に説明する。

本実施例では、熱源設備の通常運転領域のみでなく、熱負荷が低く発停運転を行う領域も含めた熱源設備の運転計画の最適化を行う熱源設備の運転制御システム201の例を示す。まず、発停運転について図1に示す。発停運転とは、ある熱源設備に対してその負荷が通常運転を行える最低負荷時供給熱量101以下の場合の運転で、最低負荷での運転と停止状態を交互に繰り返すことで、最低負荷以下の需要を満たすための運転である。図の熱需要102に対しては、熱源設備供給熱量103のように熱を供給する。

図２は、本実施の形態における熱源設備制御システム201の構成図の例である。熱源設備の運転制御システム201は、低負荷時エネルギー特性導出部204と、最適演算用データ作成部207と、最適演算用熱源設備モデル作成部208と、最適演算部211とを有して構成されている。

低負荷時エネルギー特性導出部204は、熱源設備202の運転情報を取得して、その出力と消費エネルギーとの相関を記録する消費エネルギー実績データベース（以下消費エネルギー実績DB）203から、低負荷の発停運転時における熱源設備の負荷率とエネルギー消費量との相関を求めその特性式を導出する。最適演算用データ作成部207は、気温等外部データ205と熱源設備パラメータ206が有する情報を用いて、最適演算の対象でない設備（例えば、自然エネルギーによるものや、その他運転計画が予め定められている設備等、運転計画にその出力等が情報として必要なもの）の出力を求める。

最適演算用熱源設備モデル作成部208は、低負荷時エネルギー特性導出部204によって得られる発停運転時の消費エネルギー特性と、気温等外部データ205と熱源設備パラメータ206と最適演算用データ作成部207から得られる情報を用いて従来からの熱源設備最適演算用の熱源設備モデルに加え、発停運転時のエネルギー特性を伴った熱源設備モデルを生成する。最適演算部211は、最適演算用熱源設備モデル作成部208で得られる熱源設備モデルと最適演算用データ作成部207によって得られる最適運転計画外の熱源設備の出力等と予測熱需要209（例えば、時刻と需要が見込まれる熱エネルギーとの相関関係を示すグラフデータであり、それぞれの時刻で必要とされる熱エネルギーがプロットされているもの）を用いて、ユーザ210が指定する目的関数（エネルギーやコストを最小化するもの）に基づいて、数理計画法を用いた最適演算を行い運転計画を求め、演算により得られた運転計画212を出力する。なお、熱源設備とは冷熱供給設備である遠心冷凍機や吸収冷凍機だけでなく、温熱供給設備である各種温水機等、それから排熱利用吸収冷凍機等やコジェネレーションシステム、関連するさまざまな設備（ポンプや冷却塔）等の様々な熱源設備を含む。

次に、熱源設備の運転制御システム201の処理を説明するフローを図３に示す。まず、熱源設備制御システム201は、熱源設備202の運転負荷率とそれに対する消費エネルギーのデータの組を取得して、消費エネルギー実績DB203に格納する(S301)。これらのデータの組は、例えば、熱源設備１が現時点における自身の運転負荷率および消費エネルギーを一定間隔で送信し、消費エネルギー実績DB203に格納される。例えば、消費エネルギー実績DB203には、カンマ形式で、取得された時刻（２０１３年５月３１日１３時００分）、運転負荷率（８０％）、消費エネルギー（１００ＭＷ）等の情報を含むレコードとして格納される。

次に、低負荷時エネルギー特性導出部204は、低負荷時における負荷率と消費エネルギーの関係性からその特性式を導出する(S302)。次に、最適演算用データ作成部207は、気温等外部データ205と熱源設備パラメータ206（後述）を利用して、熱源設備モデルに関係する冷却水温度や、計画対象外だが熱供給を行う設備の熱出力等を最適演算用データ作成部207によって生成する(S303)。なお、S301,S302は連続して行うが、S303については並列に実施することも可能である。

次に、最適適演算用熱源設備モデル作成部208により、気温等外部データ205や熱源設備パラメータ206によって生成される最適演算に用いる従来の設備モデルを作成すると共に、低負荷時エネルギー特性導出部204の結果を利用した低負荷時のエネルギー消費特性の最適演算モデルを作成する(S304)。次に、最適演算部211が、最適演算用熱源設備モデル作成部208が演算した熱源設備モデルの情報を用いて、予測熱需要209等の外部条件を制約としてユーザ208によって提示される目的関数に沿った運転計画の最適化を行い、運転計画を出力する(S305)。各種条件（例えば、目的関数の係数αとβ）を変化させて計算するか否かを判定し（S306）、その場合には（S306；Yes）、設備パラメータ更新し(S307)、その後再度最適演算を行う。

続いて、各ステップの詳細を以下に示す。まずS301では消費エネルギーの実績データを取得し、低負荷時エネルギー特性を生成する。データの例を、図４を用いて示す。グラフ401は、熱源設備の負荷率(＝出力/定格出力)に対する消費エネルギーを示したグラフである。従来の運転計画では、通常運転の負荷領域403が対象となるが、最低負荷率402以下の発停運転領域404についてデータを取得する。得られるデータは、405に示されているような点群として与えられる。発停運転時は連続運転の場合とは運転方法が異なるため、使用エネルギーが大きくなり通常運転の特性とは不連続となる。

S302では、低負荷時エネルギー特性導出部204は、このデータより図５のグラフ501に示すエネルギー特性を導出する。このエネルギー特性は、適当と思われる曲線を用いて最小二乗法等によりフィッティングしたものである。

S303では、最適演算用データ作成部207は、冷却水の温度（例えば、２０１３年５月３１日、２８．５℃のように測定時刻とその時の冷却水の温度とを対応付けたデータ）等の気温等外部データ205を取得し、さらに熱源設備パラメータ206(熱源設備のエネルギー消費特性を定めるパラメータ)を利用して、熱源設備モデルに関係する冷却水温度や、計画対象外だが熱供給を行う設備の熱出力等を最適演算用データ作成部207によって生成する。

次にS304では、最適演算用熱源設備モデル作成部208が、気温等外部データや熱源設備パラメータを使用して、従来からの熱源設備の最適運転で用いる通常運転領域の設備モデルを作成し、低負荷時エネルギー特性導出部204によって得られた低負荷時のモデルと組み合わせて最適演算用の熱源設備モデルを作成する。一般的には、最適演算部で混合整数計画法を用いるために得られた特性曲線を、図６に示すような区分線形近似を行う。しかし、それに限定されることはなく、非線形最適化が可能であれば非線形の式を利用することも可能である。

次にS305では、最適演算部211により、最適演算用熱源設備モデル作成部201から得られた熱源設備モデルの情報と、その他予測熱需要等の情報を用いて運転計画の最適化を行う。最適演算部211には、予め式１〜３に示すような目的関数や熱源設備モデル式の基本となる式が埋め込んである。

ここで、式１においてJは目的関数、etotalは電力総消費量、Ftotalはガス・油の総消費量、Hは他者から受け取る熱(蒸気や温水)、Wは水、eはその他の目的関数への寄与を表す。α,β,γ,ηは係数であり、ユーザ２１０からの指定によってこの値を変えることによりJをコストやCO2として計算するためのものである。式２においてenormal(t)は時刻tにおける熱源設備の通常運転領域の電力消費量、eonoff(t)は時刻tにおける発停運転による熱源設備の電力消費量を示している。式３において、enormal(t)とeonoff(t)をそれぞれ区分線形近似した場合の式を示している。kは熱源設備の番号を表し、この和を取ることで全体の電力としている。添字mとnはさらに、ある設備kの特性を考えた際の区分線形近似の区間の番号を表し、和をとることで1台の熱源設備の電力を導出するためのものである。x,x’は負荷率を、z,z’は分割した区間の選択変数(0-1変数(0:非選択1:選択))を表す。a,a’は図６に示したエネルギー消費特性の区分線形近似における比例係数を,b,b’は切片を表し、熱源設備の特性によって変化するパラメータである。これにより、図６に示した区分線形近似の特性を表す。これは電力消費量について展開したものであるがガス消費量等の他の項についても同様である。なお目的関数はこの形に限定されるものではなく、コジェネ設備による発電があれば、それによる電力消費量の減少分が加わる等の変更をする。

また、最適演算部211にはこれ以外にも熱供給量と需要が等しい等の制約条件も設定されている。最適演算用熱源設備モデル作成部208からはこの式のa,a’,b,b’といった設備モデルのパラメータが与えられる。最適な運転方法を求める最適演算の手法としては、一般的な混合整数計画法を用いても良いし、非線形最適化あるいは遺伝的アルゴリズム等のメタヒューリスティック等を使用しても良い。これにより、熱源設備の発停運転状態を含んだ運転計画の最適化を行うことができる。

これにより、図７に示すような性能曲線を持つ設備１,２があった場合、設備１発停運転時特性と設備２発停運転時特性との交点を境界として、消費エネルギーが最小となるように、熱量が少ない領域ではL1が、多い領域ではL2が選択される。あるいは図８のように発停運転時の特性が交差するような設備があった場合、従来の発停運転領域での特性を考慮していない場合には設備２の性能曲線のL2部分は最低負荷率２以下となっているため、発停運転領域での特性を考慮していない場合には、この範囲では最低負荷率１以上である設備１を動かすしかなかったが、本実施の形態では、上述したL2部分の特性を考慮した最適化が行われることで、設備１における消費エネルギーを下回る設備２のエネルギーの消費のみで済む。

また発停運転領域の特性として、単純に発停運転外の領域の特性曲線を延長した仮の曲線を用いることもあったが、この場合には、あたかも省エネ運転できる計画となってしまい、実態とは異なるものになっていたため本手法により実際に即した運転計画が立案できる。このようにして、従来以上の省エネ・CO2削減を行うことが可能となる。運転計画は、各熱源設備に対して各時間における起動停止と負荷率を定めたものとして与えられる。

なお、図２に示した例は、低負荷時エネルギー特性導出部204が熱源設備202と消費エネルギー実績DB203と接続しているが、熱源設備202が接続されていなくてもよい。すなわち、予め発停運転時の運転消費エネルギー特性を求めて低負荷時エネルギー特性として求めておき、そのデータを消費エネルギー実績DB203に蓄積させておけば、必ずしも熱源設備202が接続されていなくともよい。

図９は、本実施例における熱源設備の運転制御システム201の変形例の構成図である。本例では、熱源設備の運転制御システム201と熱源設備の制御装置901がネットワーク上で接続されている。熱源設備の制御装置901は、ネットワーク902によって熱源設備202と接続されており、その運転を制御する装置である。熱源設備の制御装置901は、運転制御システム201が生成した運転計画212を受けとり、その運転計画212に基づいて熱源設備に対して起動・停止や負荷変更の制御命令を出力する。このような構成とすることで、本実施例の熱源設備の運転制御システム201を利用した発停運転も含めた熱源設備の最適運転計画を、自動で実運転に反映することが可能となる。

201 熱源設備の運転制御システム
202 熱源設備
203 消費エネルギー実績データベース
204 低負荷時エネルギー特性導出部
205 気温等外部データ
206 熱源設備パラメータ
207 最適演算用データ作成部
208 最適演算用熱源設備モデル作成部
209 予測熱需要
210 ユーザ
211 最適演算部
212 運転計画。

Claims

複数の熱源設備の運転計画を最適化する熱源設備運転制御システムであって、
時間ごとに取得された各熱源設備の消費エネルギーと当該熱源設備の負荷率とを対応付けた実績データを記憶する記憶部と、
前記実績データに記憶されている消費エネルギーと負荷率とに基づいて、所定値を基準として前記負荷率が低い発停運転時の熱源設備の消費エネルギー特性である発停運転時特性を前記熱源設備毎に求める演算部と、
前記熱源設備毎の発停運転時特性の組み合わせとプラント総消費エネルギー、コストまたは総CO2排出量を最小化する目的関数とに基づいて、前記熱源設備毎の発停運転時特性のうち、消費エネルギーが最小となる熱源設備の発停運転時特性を選択し、前記各熱源設備の最適運転計画を作成するモデル作成部と、
を備えることを特徴とする熱源設備運転制御システム。
前記演算部は、前記実績データに記憶されている消費エネルギーと負荷率とに基づいて、所定値を基準として前記負荷率が高い通常運転時の熱源設備の消費エネルギー特性をさらに求め、
前記モデル作成部は、前記発停運転時特性および通常運転時の消費エネルギー特性と、前記目的関数とに基づいて、前記各熱源設備の最適運転計画を作成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の熱源設備運転制御システム。
前記モデル作成部は、発停運転時における前記熱源設備の最適運転計画と通常運転時における前記熱源設備の最適運転計画とを時間軸で１つにまとめた最適運転計画を、前記熱源設備運転制御システムに接続されたコンピュータの画面上に表示する、
ことを特徴とする請求項２に記載の熱源設備運転制御システム。
前記モデル作成部が作成した前記最適運転計画に基づいて前記熱源設備を制御する熱源設備制御部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の熱源設備運転制御システム。
複数の熱源設備の運転計画を最適化する熱源設備運転制御システムで行われる熱源設備運転制御方法であって、
時間ごとに取得された各熱源設備の消費エネルギーと当該熱源設備の負荷率とを対応付けた実績データに記憶されている消費エネルギーと負荷率とに基づいて、所定値を基準として前記負荷率が低い発停運転時の熱源設備の消費エネルギー特性である発停運転時特性を前記熱源設備毎に求める演算ステップと、
前記熱源設備毎の発停運転時特性の組み合わせと前記消費エネルギーを最小化する目的関数とに基づいて、前記熱源設備毎の発停運転時特性のうち、消費エネルギーが最小となる熱源設備の発停運転時特性を選択し、前記各熱源設備の最適運転計画を作成するモデル作成ステップと、
を含むことを特徴とする熱源設備運転制御方法。