JPH0844403A - エネルギー需給調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 事業所において外部からの購入電力費用及び
購入発電用燃料費用が最小となる最適なエネルギー需給
調整方法を提供する。 【構成】 将来の生産計画に基づき生産工程において発
生する複数の副生ガス量と消費する副生ガス量を予めコ
ンピューターにより演算し、ガスの過不足量をカロリー
変動とし、予め計画した発電所で使用するカロリー使用
量を引いた変動量と予め設定した特定ガスホルダーの運
用計画に基づき複数個の全体のガスホルダーの運用計画
を作成し、生産工程へ払出し後の残余の副生ガスを発電
所に最大限供給可能なように発電用副生ガス配分比又は
／及び購入電力量・購入発電用燃料を調整することを特
徴とするエネルギー需給調整方法。 【効果】 副生ガス放散、外部購入電力、外部導入発電
用燃料を削減でき、オペレーターの負荷軽減を図り、且
つ短時間でのコンピューター処理が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は操業時に副生ガスを発生
する高炉、コークス炉、転炉を供え、製鉄所内において
副生ガスを消費する設備を有し、副生ガスを燃料として
使用しうる自家用火力発電所を有する例えば製銑・製鋼
一貫製鉄所において、エネルギー運用の効率化を図るエ
ネルギー需給調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】情報処理装置により、生産計画に基づき
副生ガス及び発電用燃料から発電する発電量を最大とす
るよう、系統を線型モデル化又は非線型モデル化し目的
関数を解くことにより各系統に供給するべき副生ガス及
び購入燃料を求める、例えば「自家発を有する製鉄所の
エネルギー運用制御方法」（特公平４―１０４２）によ
れば、目的関数を下記の様に定め、この関数を最大にす
るような副生ガス及び購入燃料の配分を非線形計画法に
より導出するものである。

【０００３】

【数１】Ｐ＝ａ₀＋ａ₁Ｐ²＋ａ₂Ｐ＋ａ₃Ｆ_S

【０００４】〔Ｐは有効電力、Ｐはガスの流量と熱量に
より表現される変数、Ｆ_Sは蒸気流量、ａ₀〜ａ₃は係
数〕

【０００５】また、「製鉄所のエネルギー最適運用制御
方法」（特開平２―２５４１１０）によれば、製鉄所の
副生ガスの使用方法を１通りの手順により決定するステ
ップ計算処理により配分を導出するものであり、具体的
には、ＬＤＧの配分を決定するＭＩＸＧの配分を決
定するＢＦＧの配分を決定するＣＯＧの配分を決定
する電力の収支を計算（補正）するという手順による
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の製鉄所における
電力、ガスの系統をモデル化した目的関数を線形又は非
線形計画法やステップ計算によって解く方法によれば、
収束演算に使用する計算機資源は莫大なものとなり、そ
のままではリアルタイム制御を行うに至らず、また定周
期の演算処理とせざるを得ない。

【０００７】このため、イベント発生時例えば転炉にお
いて脱炭処理を行う場合のような急激なエネルギー変動
がある場合に、既に定周期によって演算が完了した結果
が実操業状態とずれるという状況に陥り、結果的に演算
結果は制御に使用できないものであった。

【０００８】このように、生産計画と稼働実績の狂い易
い上記モデルにおいては予測精度を維持することが困難
であった。

【０００９】本発明は余剰副生ガスを有効に使用するこ
とにより、製鉄所の外部より導入する外部購入電力及び
外部購入発電用燃料の購入量を最小とする、最適なエネ
ルギー需給調整方法を高速に演算することを課題とする
ものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するためになされたものであり、生産工程において２次
的に発生する複数の副生ガスを各副生ガス用の複数個の
ガスホルダーに回収し、該回収した副生ガスから生産工
程のガス消費設備の必要量を払出し、残余を生産工程の
電力消費設備に必要電力を供給する自家用火力発電所の
燃料源の１種として払出し、自家用火力発電所が必要電
力を発生するに必要な熱量が前記副生ガスのみでは不足
が生じた場合に外部から不足分の発電用燃料・電力を購
入する事業所のコンピューターによるエネルギー需給調
整方法において、生産計画に基づき生産工程における将
来の副生ガス発生量と該ガス必要量と必要電力の時系列
的変化を予測演算し、前記副生ガス発生量と該ガス必要
量との時系列的変化差をカロリー換算して自家用火力発
電所に供給可能な残余の時系列的カロリー変化として予
測演算すると共に、前記予測演算した生産工程の将来の
必要電力の時系列的変化から自家用火力発電所の必要カ
ロリーの時系列的変化を予測演算し、前記予測演算した
自家用火力発電所に供給可能な残余の時系列的カロリー
変化と前記自家用火力発電所の必要カロリーの時系列的
変化との差を仮想的な１つのガスホルダー内の合成カロ
リーの時系列的変化として予測演算し、更に、前記複数
個のガスホルダーレベルの時系列的上限値を、特定する
１個以上のホルダーについては予め設定し、他のホルダ
ーについては前記予め設定した１個以上の特定のガスホ
ルダーの時系列的上限値と前記予測した合成カロリーの
時系列的変化とから演算して決定し、各ガスホルダーレ
ベルが前記設定または決定した上限値以下になるよう
に、更に自家用火力発電所の発電量を必要量発生せし
め、且つ、生産工程のガス消費設備の必要量を払出した
後の残余の副生ガスが自家用火力発電所に最大限供給可
能なように自家用火力発電所に供給する副生ガスの配合
比又は／及び外部からの購入発電用燃料・購入電力量を
調整することを特徴とするエネルギー需給調整方法であ
る。

【００１１】

【作用】本発明は、従来の様な前記線型又は非線型の大
規模なモデル式を収束演算する等の繰り返し計算手法に
よるコンピューターへの膨大な負荷を軽減し、かつ、リ
アルタイムに未来時間の操業を容易に算出するための手
法であり、その原理は、製鉄所内で発生した副生ガスは
各々別々のカロリー値を持っていること、自家用火力発
電所において必要とする燃料は必要な熱量を供給するこ
とができれば、燃料の種別及び配分構成等をほぼ自由に
選択できかつ、自家用火力発電所の出力（発生電力）を
維持できること、すなわち、あるエネルギー源を基準体
積あたりの発熱量が違うエネルギー源と交換する場合に
はそれに見合う総発熱量となるように体積を調整すれば
いいという原理に基づき、生産計画が決定された段階で
それに応じた自家用火力発電所の燃料構成を決定するこ
とが容易に可能となる。

【００１２】

【実施例】以下、実施例を以て、本発明を詳細に説明す
る。

【００１３】図１は銑鋼一貫製鉄所の例である。ガス発
生設備Ａとして、高炉、コークス炉、転炉を有してい
る。更にガス消費設備Ｂとして高炉ガスＢＦＧ、コーク
ス炉ガスＣＯＧ、転炉ガスＬＤＧを単身で使用するガス
消費工場１、２、３、及び３種のガスを混合して使用す
るガス消費工場４によってガス発生設備によって発生し
たガスを消費するものである。

【００１４】更に、ＢＦＧ、ＣＯＧ、ＬＤＧの各々を一
時貯蔵するガスホルダーである、ＢＦＧホルダー、ＣＯ
Ｇホルダー、ＬＤＧホルダーがあり、それぞれに機械的
な設備能力として設備使用上限及び下限レベルが設定さ
れている。

【００１５】自家用火力発電所ＢＴは、ガス発生設備Ａ
により発生し、ガス消費工場Ｂにより消費され、一時各
々のガスホルダーに貯蔵されたガスを流量ＦＢ、ＦＣ、
ＦＬで燃焼し不足分は外部購入発電用燃料を流量ＦＯで
燃焼することにより、電力を回収する。

【００１６】回収された電力は製鉄所内の電力消費工場
へ供給され、不足分は外部購入電力により充当される。

【００１７】この状態において、前記ガス消費工場１、
２、３、４へ供給された後に余剰分としてＢＦＧホルダ
ー、ＣＯＧホルダー、ＬＤＧホルダーの各々に貯蔵され
るガスを自家用火力発電所において燃焼する、燃料構成
及び調整量を決定する方法について図２を用いて説明す
る。

【００１８】ここで、前記需給調整方法をシステム化し
たものを需給調整装置と呼ぶこととする。

【００１９】まず、未来時間のガスホルダー運用制約上
・下限レベルを時系列的に決定する。

【００２０】図３に示す様にＢＦＧは日中ガスを有効に
使用し夜間ガスを貯蔵するホルダー運用方案に従い運用
制約上限レベルを決め、運用制約下限は設備下限レベル
と等しいものとする。

【００２１】ＬＤＧは転炉の吹練によりガスの発生がつ
ねに変動するため、ホルダー容量を最大限使用する運用
上、設備上・下限を運用制約上・下限レベル値とする。

【００２２】ＣＯＧは後述する８．未来時間の合成ガス
ホルダーカロリー推移スケジュールより前記の時系列的
なＢＦＧ、ＬＤＧの運用制約上限レベルをカロリー値で
表したものを差し引いたものを、更にＣＯＧの持つカロ
リー値で割ることによりＣＯＧホルダーの運用制約上限
レベルとし、下限は設備下限レベルと等しいものとす
る。

【００２３】これを未来時間の時間帯別のガスホルダー
運用計画とする。

【００２４】この基本原理は昼夜間の電力料金に格差が
あること。例えば昼間の電力料金＞夜間の電力料金であ
ることから、昼間は製鉄所内の副生ガスを有効に活用
し、所内の発電所により電力を回収し工場へ電力を供給
する。

【００２５】一方夜間は外部より電力を購入し製鉄所内
の発電所の回収する電力を抑制し、副生ガスを貯蔵する
ことにより翌日の昼間に備えることに基づくものであ
る。

【００２６】次に発電所における燃料切替方法を導く。
各ホルダー毎に後述する７．未来時間のガスホルダーレ
ベル推移スケジュールが前記未来時間のガスホルダー運
用制約上限・下限レベルを越えるかどうかをチェックす
る。越えない場合には運転中の自家用火力発電所におけ
る現在値からの操作量はなしという結論を与えオペレー
ターへ通知する。

【００２７】越える場合には先ず、未来時間のガスホル
ダーレベル推移スケジュールにおいて前記未来時間のガ
スホルダー運用制約上下限レベルを越えるホルダー及び
そのタイミング、越える場合の過不足量を演算により求
める。

【００２８】さらに、この過不足量を補償するために自
家用火力発電所における燃料配分構成の調整タイミング
及び調整量を出力する。

【００２９】ここで、７．未来時間のガスホルダーレベ
ル推移スケジュールにおいて、ホルダー毎の運用制約上
限又は下限を越える場合の処理例を図４を用いて説明す
る。

【００３０】使用量ＢＬでＢＦＧを、使用量ＣＬでＣＯ
Ｇを、使用量ＦＬでＬＤＧを自家用火力発電所へ供給し
ている場合で、未来時間のＬＤＧホルダーレベル推移ス
ケジュールの内ある時間帯において運用制約下限を割る
場合には、同一時間帯で未来時間のＢＦＧホルダーレベ
ル又は未来時間のＣＯＧホルダーレベルの内の高いレベ
ルのガスホルダーを選択し、例えばＢＦＧ側を選択した
場合において現在の時点から未来時間のＬＤＧホルダー
レベル運用制約下限レベルを割る時間帯までに自家用火
力発電所へ供給する使用量ＦＬを減量する量をＦＬ’と
し、減量を行う一方使用量ＢＬを増量するという評価を
行う。

【００３１】使用量ＦＬの減量する量は、未来時間のＬ
ＤＧホルダーレベルが未来時間のホルダー運用制約下限
を割る量と等価とし使用量ＢＬの増量する量ＢＬ’は、
使用量ＦＬを減量する量ＦＬ’の持つ総熱量と等価とな
るようなＢＦＧカロリー値を持つ量とする。

【００３２】上限を越える場合の処理は前記下限を切る
場合の処理と逆に、未来時間のＬＤＧホルダーレベル推
移スケジュールのある時間帯において未来時間のホルダ
ー運用制約上限レベルを越える場合には、同一時間帯で
の未来時間のＢＦＧホルダーレベル又はＣＯＧホルダー
レベルの内の低いレベルのガスホルダーを選択し、例え
ばＢＦＧ側を選択した場合において現時点から未来時間
のＬＤＧホルダーレベル運用制約上限を越える時間帯ま
でに自家用火力発電所へ供給する使用量ＦＬを増量し、
使用量ＢＬを減量するという評価を行う。

【００３３】使用量ＢＬの減量する量は、使用量ＦＬを
増量する量の持つ総熱量と等価となるようなＢＦＧカロ
リー値を持つ量とする。

【００３４】前記処理以外の切替え操作は各ガスの切替
の組合せにより、前記処理と全く同様に決定される。

【００３５】この結果、発電用に必要な未来時間のカロ
リー使用量スケジュールに従い、かつ複数個のガスホル
ダーをそれぞれの未来時間のホルダー運用制約上下限レ
ベル管理範囲内に収めることが可能となる。

【００３６】これらの演算処理方法によれば、最適化の
手法として大規模なモデルを数理計画法やステップ計算
による演算手法により解くことなく最適運用を図るエネ
ルギー需給調整方法を導き出すことが可能であり、処理
速度は格段に向上するものである。

【００３７】前記結果を総合して、未来時間の自家用火
力発電所の電力発生スケジュール及び発電用燃料構成計
画として、制御指示部へ出力する。

【００３８】次に７．未来時間のガスホルダーレベル推
移スケジュールを求める方法について述べる。

【００３９】１日分の生産スケジュールは、１．生産計
画システムにより計画される。また、需給調整装置は生
産計画が作成・変更が生じる毎に生産計画システムへア
クセスし、計画を入手する。

【００４０】入手した生産計画を基に２．工程毎の未来
時間の時系列的ガス消費予定スケジュールを作成する。
すなわち、ＢＦＧを単独で消費するガス消費工場１、Ｃ
ＯＧを単独で消費するガス消費工場２、ＬＤＧを単独で
消費するガス消費工場３、ＢＦＧ、ＣＯＧ、ＬＤＧを混
合して消費するガス消費工場４における未来１日分のガ
ス消費予定スケジュール（１分メッシュ）を生成し、需
給調整装置内へ登録する。

【００４１】一方、入手した生産計画を基に３．ガス発
生工場毎の未来時間の時系列的ガス発生予定スケジュー
ルを作成する。

【００４２】すなわち、高炉の生産計画に基づき未来時
間のＢＦＧ発生予定スケジュール（１分メッシュ）コー
クス炉の生産計画に基づき未来時間のＣＯＧ発生予定ス
ケジュール（１分メッシュ）、転炉における脱炭処理計
画に基づき未来時間のＬＤＧ発生予定スケジュール（１
分メッシュ）を生成し、需給調整装置内へ登録する。

【００４３】各々のスケジュール生成方法は生産計画毎
の消費又は発生パターンを予め登録しておき、様々な生
産計画に対応しスケジュールを生成する。

【００４４】他方、生産計画を基に電力消費工場毎の負
荷を合計し４．未来時間の時系列的電力消費予定スケジ
ュールを作成し、需給調整装置内へ登録する。

【００４５】次に、２．工程毎の未来時間の時系列的ガ
ス消費予定スケジュール及び３．ガス発生工場毎の未来
時間の時系列的ガス発生予定スケジュールを基にＢＦ
Ｇ、ＣＯＧ、ＬＤＧ各々系統毎に時系列的な発生量から
消費量を差引きする。

【００４６】これは例えばＢＦＧホルダー及び自家用火
力発電所へ供給される予定である未来時間のＢＦＧの時
系列的なガス量推移でありＣＯＧ、ＬＤＧも同様であ
る。

【００４７】これらを６．未来時間の自家発・ガスホル
ダー向け燃料収支スケジュールとして需給調整装置内へ
登録する。この未来時間の自家発・ガスホルダー向け燃
料収支スケジュールより自家用火力発電所で現在使用し
ているＢＦＧ、ＣＯＧ、ＬＤＧの計量値を引いた値を各
々のガスホルダーの底面積で割った値が７．未来時間の
ガスホルダーレベル推移スケジュールとなる。 例）

【００４８】

【数２】

【００４９】次に８．未来時間の合成ガスホルダー推移
スケジュールを導出する方法について述べる。

【００５０】発電用燃料となるガスは、各々単位体積当
たりのカロリー値を持っているが、このカロリー値はガ
ス毎に違う。

【００５１】例えばＢＦＧは約７００Ｋｃａｌ／Ｎ
ｍ³、ＣＯＧは約４６００Ｋｃａｌ／Ｎｍ³ 、ＬＤＧは約
１８００Ｋｃａｌ／Ｎｍ³である。

【００５２】６．自家発・ガスホルダー向け燃料収支ス
ケジュールで求めた時系列的なスケジュールは３種類あ
るので、各ガスの単位体積当たりのカロリー値に着目
し、ガス量の時系列的な変動（７．未来時間のガスホル
ダー推移スケジュール）をカロリーに置き換え合計する
ことにより未来時間の自家発・ガスホルダー向け総カロ
リースケジュールを生成する。

【００５３】次に、前記４．未来時間の時系列的電力消
費予定スケジュールの消費電力ＰＫに対し、自家用火力
発電所からの供給電力をＰＧ、外部購入電力をＰＨとす
ると以下の関係が成立する。

【００５４】

【数３】Ｆｘ＝Ｃ_G×ＰＧ＋Ｃ_H×ＰＨ ・・・（１）

【００５５】

【数４】ＰＫ＝ＰＧ＋ＰＨ ・・・（２）

【００５６】Ｃ_G、Ｃ_Hは電力単価によって決定される係
数

【００５７】但し、外部購入電力ＰＨが契約電力を越え
て購入しなければならない場合にはＰＧを最大とし、電
力消費予定スケジュールの消費電力ＰＫを制限しＰＨ≦
契約電力とする。

【００５８】このとき、前記Ｆｘを最小とするＰＧ、Ｐ
Ｈを求め、４．未来時間の時系列的電力消費予定スケジ
ュールに対応した５．未来時間の時系列的自家用火力発
電所の発生予定スケジュール及び、外部購入電力予定ス
ケジュールとして需給調整装置内へ登録する。

【００５９】５．未来時間の電力発生予定スケジュール
に対し、発電所の発電効率を与えることにより発電用に
必要な未来時間のカロリー使用スケジュールが求まる。

【００６０】この未来時間の自家発・ガスホルダー向け
総カロリースケジュールから発電用に必要な未来時間の
カロリー使用スケジュールを差し引いたものを、８．未
来時間の合成ガスホルダーカロリー推移スケジュールと
呼び装置内へ登録する。

【００６１】ガスホルダーには機械的な制約すなわち、
ガスホルダー毎に存在する設備使用上限・下限レベルが
存在するが、これを３種のホルダーの上・下限レベルの
ガス量をカロリーの合計値で表すことにより、カロリー
推移スケジュールの上限・下限レベルとして表現する。

【００６２】この仮想的に予測した、８．未来時間の合
成ガスホルダーカロリー推移スケジュールにおいて上限
・下限レベルを越えるタイミングを抽出し、上限を越え
る場合には３種類のガスの絶対量が貯蔵能力を越えるも
のとしていずれかのガスを燃焼放散し、下限を割る場合
には３種類のガスの絶対量が不足するものとして、発電
用燃料を外部より購入するか又は自家用火力発電所の出
力を抑制し外部購入電力を導入するか、ガス消費工場側
のガス使用制限を行い発電用燃料を捻出するかを選択す
る。

【００６３】この８．未来時間の合成ガスホルダーカロ
リー推移スケジュールは、発電用燃料の貯蔵しうる絶対
量を評価する一つの指標となるものであり、生産計画が
決定された段階で生産スケジュールの未来時間内におけ
る自家用火力発電所の燃料となるガスの余剰・不足の量
及びそれらが発生する時間帯を一度に把握することが可
能である。

【００６４】この方法は、製鉄所内で発生した副生ガス
は各々別々のカロリー値を持っていること、自家用火力
発電所において必要とする燃料は必要な熱量を供給する
ことができれば、燃料の種別及び配分構成等をほぼ自由
に選択できかつ、自家用火力発電所の出力（発生電力）
を維持できること、すなわち、あるエネルギー源を基準
体積あたりの発熱量が違うエネルギー源と交換する場合
にはそれに見合う総発熱量となるように体積を調整すれ
ばいいという物理現象を利用することにより製鉄所内の
省エネルギーを図ると云うのが本発明の基本的な原理で
ある。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、副生ガスの最適運用を
図るエネルギー需給調整方法を決定するため、外部購入
電力、副生ガス放散、外部導入発電用燃料を削減するこ
とにより、外部支出費用を抑制することが可能となる。

【００６６】また、操業オペレーターの判断負荷軽減に
寄与し、数理計画法等の手法によれば膨大な計算時間を
必要とする最適化モデル解法に対し、短時間に最適解を
得ることが可能となる等の多大な効果を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される製鉄所の構成概略図。

【図２】実施例のフローを示す図。

【図３】時系列的な運用制約上下限を示す図。

【図４】発電用燃料構成の変更方法を示す簡略図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 生産工程において２次的に発生する複数
   の副生ガスを各副生ガス用の複数個のガスホルダーに回
   収し、該回収した副生ガスから生産工程のガス消費設備
   の必要量を払出し、残余を生産工程の電力消費設備に必
   要電力を供給する自家用火力発電所の燃料源の１種とし
   て払出し、自家用火力発電所が必要電力を発生するに必
   要な熱量が前記副生ガスのみでは不足が生じた場合に外
   部から不足分の発電用燃料・電力を購入する事業所のコ
   ンピューターによるエネルギー需給調整方法において、
   生産計画に基づき生産工程における将来の副生ガス発生
   量と該ガス必要量と必要電力の時系列的変化を予測演算
   し、前記副生ガス発生量と該ガス必要量との時系列的変
   化差をカロリー換算して自家用火力発電所に供給可能な
   残余の時系列的カロリー変化として予測演算すると共
   に、前記予測演算した生産工程の将来の必要電力の時系
   列的変化から自家用火力発電所の必要カロリーの時系列
   的変化を予測演算し、前記予測演算した自家用火力発電
   所に供給可能な残余の時系列的カロリー変化と前記自家
   用火力発電所の必要カロリーの時系列的変化との差を仮
   想的な１つのガスホルダー内の合成カロリーの時系列的
   変化として予測演算し、更に、前記複数個のガスホルダ
   ーレベルの時系列的上限値を、特定する１個以上のホル
   ダーについては予め設定し、他のホルダーについては前
   記予め設定した１個以上の特定のガスホルダーの時系列
   的上限値と前記予測した合成カロリーの時系列的変化と
   から演算して決定し、各ガスホルダーレベルが前記設定
   または決定した上限値以下になるように、更に自家用火
   力発電所の発電量を必要量発生せしめ、且つ、生産工程
   のガス消費設備の必要量を払出した後の残余の副生ガス
   が自家用火力発電所に最大限供給可能なように自家用火
   力発電所に供給する副生ガスの配合比又は／及び外部か
   らの購入発電用燃料・購入電力量を調整することを特徴
   とするエネルギー需給調整方法。