JPH10214112A

JPH10214112A - 火力プラントシミュレータ

Info

Publication number: JPH10214112A
Application number: JP1501597A
Authority: JP
Inventors: Akira Osawa; 陽大澤; Hiroshi Matsumoto; 弘松本; Hiroshi Komoto; 洋甲元
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1998-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な調整器でプラントモデルを高速に自動調
整する。【解決手段】モデル特性データ保存手段３と知識ベース
保存手段４に従って、調整条件自動決定手段３００で自
動モデル調整手段２００の調整条件を自動決定する。自
動モデル調整手段２００は、調整条件に従って、プラン
トモデルからプロセス量ｅを読み出し、それに対応した
調整パラメータｈを自動修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は火力発電プラントの
シミュレータに係り、特に、実機の運転結果に基づいて
予め用意した調整用パラメータを調整し、シミュレーシ
ョン結果と実機の運転結果のプロセス量を一致させる調
整機能を有する火力発電プラントのシミュレータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】火力プラントシミュレータは、次の二つ
に分類できる。

【０００３】（１）エネルギ保存や運動量保存等の物理
式から構成されるもの（以下、物理モデルと称する）。

【０００４】（２）実機の入出力関係から、統計的にプ
ラントを模擬する式を導出したもの（以下、統計モデル
と称する）。

【０００５】統計モデルは、プラントの運転開始後にし
か作成できないため、プラント開発や制御系の事前チュ
ーニング等のプレエンジニアリングには物理モデルが活
用される。

【０００６】物理モデルに基づくプラントモデルは、物
理式の組み合わせで実プラントの構造を表現し、設計デ
ータを入力して構築する。熱伝達率などの物理定数は、
同種の形式の既存プラントにおける実績や、実験値を用
いる。そのため、プラント毎の細かい特性を反映するこ
とができず、この段階でのシミュレーション結果と、実
プラントの運転結果との間に誤差が生じる。しかし、プ
ラント開発の最初の段階では、ある程度の誤差を許容し
た上で、エンジニアリングに用いている。

【０００７】この誤差をなくすために、前述の熱伝達率
等の物理定数を調整し、物理モデル（プラントモデル）
と制御モデル双方の動作を実機の運転結果と一致させ
る。このようにして調整され、実機の運転状態をほぼ再
現できるようになって、始めて火力プラントシミュレー
タを、詳細なプレエンジニアリングに活用できる。

【０００８】以下、プラントモデルと称した場合、物理
モデルに基づくプラントモデルのことを指す。

【０００９】ここで、プラントモデルでは、一つの調整
用パラメータを操作すると、その影響はプラント全体に
及ぶ。即ち、プラントモデルは多変数による干渉系を成
す。従来、プラントモデルは、手動によるパラメータ調
整が行われている。これは、調整員がシミュレーション
結果と実機の運転結果を比較しながら、経験に基づいて
復数のパラメータを調整して、プラントモデルの出力を
実機の運転結果に合わせるものである。以下これを手動
調整と呼ぶ。

【００１０】これに対して、プラントモデルを自動調整
する技術がいくつか提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】プラントモデルを調整
する場合、調整パラメータは十数個から数十個になり、
調整されるプロセス量も同等かそれ以上の数にのぼる。
これら全ての調整用パラメータで干渉が発生するので、
従来の手動調整では、数週間から数ヶ月の調整期間を必
要とする。また、それだけの調整時間を使っても、全て
のプロセス量を目標値に一致させることはできず、ある
程度、誤差の残った結果を以って調整完了としていた。

【００１２】一方、従来の自動調整技術は、プラントモ
デルをブラックボックスとして捉え、特性がわからない
状態を出発点にするものが多い。

【００１３】また、多変数入力，多変数出力の調整を試
みるものがあるが、実際のプラントモデルでは調整時間
が長くなるなどの問題があった。

【００１４】本発明の目的は、調整器の入出力関係を自
動的に決定し、なるべく簡単な調整機構で高速にプラン
トモデルを自動調整できる自動調整機構付きのプラント
シミュレータを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】最も簡単な自動調整器の
一つに、比例積分器を用いたものがある。以下これをＰ
Ｉ調整器と呼ぶ。ＰＩ調整器による自動調整では、例え
ばある熱交換器の出口蒸気温度θｓｏを、ある熱交換器
の熱伝達率αで調整しようとした時、調整の目標値θｓ
ｒとθｓｏの差をＰＩ調節器に入力し、αに乗じるか、
あるいは加算する調整パラメータＫを出力する。θｓｏ
とαの間に妥当な因果関係があれば、ＰＩ調整器はθｓ
ｒとθｓｏの差を０にするようなＫを出力する。

【００１６】一般に、ＰＩ調整器は、入力値を０にする
ように出力値を連続的に修正する。しかし、複数のＰＩ
調整器をプラントモデルに接続した場合には、調整器同
士の干渉が問題になる。即ち、ｎ個のＰＩ調整器Ａｉ
（ｉ＝１，ｎ）により、それぞれ別のプロセス量θｉを
参照して、調整パラメータＫｉを修正することを考え
る。Ｋｉに微小な変化量ΔＫｉを与えた時の、プロセス
量θｊ（ｊ＝１，ｎ）の変化幅Δθｊｉについて、全て
のｉ，ｊに対して、Δθｉｉ＞＞Δθｉｊならば、全て
の調整値は、ある収束点に至り、プロセス量の誤差は総
て０になる。しかし、何れかのｉ，ｊに対し、Δθｉｉ
＜Δθｉｊが成り立つ場合、Ｋｉの修正によるθｉの誤
差の改善分が、Ｋｊの修正によって相殺されるか、ある
いは誤差が増大することになる。従って、Δθｉｉ＞＞
ΔθｉｊであるＰＩ調整器の入出力関係を得られれば、
簡単な調整器により、高速かつ信頼性の高いモデル調整
が可能になる。

【００１７】ここで、Δθｉｊを調べるには、プラント
モデルを感度解析すればよい。この感度解析の結果を許
に、調整感度の高い順にＰＩ調整器の入出力関係を決め
ればよい。

【００１８】また火力プラントのモデルに関しては、経
験的に、蒸気温度の調整には、その計測点の蒸気系です
ぐ上流にある熱交換器（過熱器）の調整パラメータの感
度が高い。給水温度についても同様で、すぐ上流にある
熱交換器（節炭器）の調整パラメータの感度が高い。蒸
気圧力は蒸発量に依存するため、蒸発器（或は水壁）の
調整パラメータの感度が高い。これらの経験的な知識を
ルール化することで、ＰＩ調整器に、更に妥当な入出力
関係を与えることができる。

【００１９】火力発電プラントのシミュレータの計算結
果を、自動的に実機の運転結果に合わせることができ
る。手動調整では、数週間かけても誤差を回避できない
が、本発明によれば、調整作業を自動化でき、調整期間
を数時間にまで短縮した上、参照するプロセス量の誤差
もほぼ０にできる。また、調整の再現性が保証されるた
め、普遍的な調整結果を得られる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の詳細を図を用いて説明す
る。

【００２１】まず、プラントモデルの調整の原理を図４
で説明する。

【００２２】プラントの定常特性を、調整パラメータに
よって修正する。ここでは、プラントを構成する一つの
熱交換器について考える。一般に熱交換器モデルは、図
４の如く外側を高温のガスが流れ、内側を蒸気又は水が
流れる。高温のガスからメタルを介して熱が蒸気側に移
動する。このとき、ガスからメタル，メタルから蒸気へ
の熱の移動量Ｑｇｍ，Ｑｍｓは、以下の式で決定する。
Ｑｇｍ＝Ａｇｍαｇｍ（θｇ−θｍ），Ｑｍｓ＝Ａｍｓ
αｍｓ（θｍ−θｓ）、ここで、θｇ，θｍ，θｓは、
それぞれガス，メタル，蒸気の代表温度，Ａgm，Ａｍｓ
は、ガス−メタル，メタル−蒸気間の伝熱面積，αｇ
ｍ，αｍｓ、はガス−メタル，メタル−蒸気間の熱伝達
率である。いま、定常状態で、θｓを上げようとする
と、αｇｍ，αｍｓ、を大きくすれば、Ｑｇｍ，Ｑｍｓ
が大きくなり、θｓは上昇する。

【００２３】そこで、上２式に調整パラメータＫを設定
し、熱伝達率を調整する。即ち、Ｑｇｍ＝ＫＡｇｍαｇｍ(θｇ−θｍ)，Ｑｍｓ＝ＫＡｍ
ｓαｍｓ(θｍ−θｓ)、そして、図４のように、熱交換器モデルに自動調整器と
してＰＩ調整器を接続する。θｓの目標値θｓＲを与え
て、その差をＰＩ調整器に入力し、Ｋを出力することに
よって、θｓをθｓＲに一致させるようにＫを自動調整
できる。

【００２４】図１に本発明の概要を示す。プラントシミ
ュレータ１００は、制御モデル102とプラントモデル１
０１及び表示手段１０３からなる。制御モデル１０２
は、プラントモデル１０１に制御指令ｂを出力し、プラ
ントモデル１０１からプロセス量ｃを受け取る。表示手
段１０３は、表示用データａを制御モデル１０２から受
け取り、プラントモデル１０１の動作状態を表示する。
実機データ１は直接或は間接に実機の運転データを記録
する。データ抽出部２は、実機データからプラントモデ
ル１０１の調整に必要なデータｆを入力する。その中か
ら、実機の運転制御に関するデータｄを制御モデル１０
２に出力し、調整の目標になるプロセス量の値ｇを自動
調整器２００に出力する。一方、モデル特性データ３
は、プラントモデル１０１の調整パラメータｈの変動に
対するプロセス量ｅの感度ｉを記録する。知識ベース４
は、以前の調整でうまくいった結果から抽出した調整器
の入出力関係から、調整のルールを抽出して記録する。
調整条件自動決定部３００は、モデル特性データ３から
調整に必要な感度ｉのデータｊ、及び、知識ベース４か
ら調整ルールｋを引き出し、自動調整器の入出力関係を
規定し、その関係ｌを出力する。自動調整器２００は、
調整の目標になる実機のプロセス量の値ｇと、プラント
モデル１０１で演算されたｇに相当するプロセス量ｅを
入力し、調整パラメータｈを出力する。この時のプロセ
ス量ｅと調整パラメータｈの関係を、調整条件自動決定
部の出力ｌで規定する。

【００２５】自動調整器２００の構成を図２で説明す
る。

【００２６】自動調整器２００は、調整パラメータＫｉ
を修正するために、比例積分器（以下、ＰＩ調整器）を
用いる。本実施例では、２個のＰＩ調整器を持つ自動調
整器について説明する。

【００２７】まず、プラントモデルより２個のプロセス
量θ１，θ２を、データ抽出部よりそれぞれの目標値θ
１Ｒ，θ２Ｒを、減算器２０１ａ，２０１ｂに入力し、
誤差を出力する。一方、自動調整器には、二つの調整パ
ラメータＫ１，Ｋ２を修正するためのＰＩ調整器２０３
ａ，２０３ｂがある。ここで、入力設定部２０２におい
て、調整条件自動設定部３００からの自動調整器設定信
号ｌに従って、減算器２０１ａからの誤差信号をＰＩ調
整器２０３ａに、減算器２０１ｂからの誤差信号をＰＩ
調整器２０３ｂに入力するように設定する。これによ
り、任意の調整パラメータＫｉと、プロセス量θｉとを
結び付けることができ、ＰＩ調整器によるプラントモデ
ルの自動調整が可能になる。

【００２８】調整条件自動設定部３００の構成を図３で
説明する。

【００２９】接続テーブル３０２は、自動調整器２００
の入力設定部２０２に与える、ＰＩ調整器の入出力関係
を示す。自動設定ロジック部３０１では、まずモデル特
性データ３に記録してある、プラントモデル１０１の調
整パラメータＫｉに関する感度解析の結果を引き出す。
そして、各調整パラメータＫｉに対して、最も感度の高
いプロセス量を結び付け、接続テーブルにプロットす
る。図中で、丸が記入してある部分が、プロセス量θと
調整パラメータＫを関係付け、ＰＩ調整器の入力，出力
にそれぞれ割り振ったことを示す。ここで、もし、ある
調整パラメータに対して、高い感度を持つプロセス量が
復数個あった場合、知識ベース４からＰＩ調整器の妥当
な入出力関係に関するルールを呼び出し、そのルールに
従って接続テーブル３０２のプロット位置を決定する。

【００３０】本実施例のプラントモデル自動調整機構
を、複合サイクル発電プラントの排熱回収ボイラに適用
した結果を図５〜図７で説明する。まず、モデル特性デ
ータ部３における感度解析結果を図５に示す。ここで
は、蒸気圧力や蒸気温度に関して、９個のプロセス量を
調整によって目標値に合わせる。調整パラメータは、図
１の例のように、排熱回収ボイラ内部に１４個ある熱交
換器の熱伝達率に乗じた。この関係から得られた接続テ
ーブルの例を図６に示す。図５の感度解析結果では、一
つの調整パラメータに対して感度の高いプロセス量が複
数あるケースもあるが、これに対しては、知識ベース４
によって判断して接続テーブルに反映した。ここで、知
識ベースには、以下のような簡単なルールを与えた。

【００３１】ルール１：蒸気温度は、蒸気系で直前にあ
る熱交換器の調整パラメータで調整する。

【００３２】ルール２：蒸気圧力は、蒸発器及び節炭器
の調整パラメータで調整する。

【００３３】図６の接続テーブルに基づいてＰＩ調整器
の入出力を決定し、自動調整した場合の結果を図７に示
す。調整対象としたプロセス量の誤差は、０.００１％
以下になる。また、調整パラメータの値も０.８〜１.３
程度であり、調整といえる範囲である。

【００３４】本実施例では、プラントモデルの定常特性
を、自動調整によって実機に合わせる方法について説明
した。過渡特性に関しても、誤差として、誤差の積分
値、あるいは自乗積分を入力し、過渡状態のシミュレー
ション毎に調整パラメータを修正することで、誤差を縮
小できる。このときも、本実施例の自動入出力決定法を
そのまま適用し、プラントモデルを自動調整できる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の第１の効果は、自動調整による
調整時間の短縮である。

【００３６】本発明の第２の効果は、自動調整により、
調整の再現性が保証されることである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のブロック図。

【図２】本発明の自動調整器の構成を示す説明図。

【図３】本発明の調整条件自動決定部の構成を示す説明
図。

【図４】プラントモデル調整の原理を示す説明図。

【図５】本発明の実施例におけるモデル特性データの例
を示す説明図。

【図６】本発明の実施例における調整テーブルの例を示
す説明図。

【図７】本発明の実施例を適用した結果の例を示す説明
図。

【符号の説明】

３…モデル特性データ、４…知識ベース、２００…自動
調整器、３００…調整条件自動決定部、ｅ…プロセス
量、ｈ…調整パラメータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実プラントの制御システムの機能を模擬し
た制御モデルと、前記制御モデルの発する制御指令信号
を受けて、実プラントの運転動作を模擬するプラントモ
デルとからなる演算手段と、前記演算手段の演算結果を
表示する表示手段とからなり、前記プラントモデルは、
過渡特性及び定常特性を調整するための、一つ以上の調
整パラメータを予め用意してあるプラントシミュレータ
において、前記プラントモデルで模擬した実際のプラントの運転デ
ータを保存する実機データ保存手段と、前記実機データ
保存手段から、前記プラントモデルの調整に必要なデー
タ、及び、前記プラントモデルに前記実際のプラントと
同じ制御動作をさせるために必要なデータを抽出するデ
ータ抽出手段と、前記データ抽出手段で抽出されたプラ
ントモデルの調整に必要なデータから一つの自動調整の
目標値を作成し、前記自動調整の目標値、及び前記自動
調整の目標値に対応した前記プラントモデルにおける一
つのプロセス量を入力し、一つの前記調整パラメータ調
整する自動パラメータ調整手段を有し、複数の前記自動
パラメータ調整手段を同時に動作させる自動モデル調整
手段と、前記調整パラメータを操作した時の前記プラン
トモデルの状態変化のデータを記録するモデル特性デー
タ保存手段と、一連の調整作業から得られた妥当な調整
条件を記録する知識ベース保存手段と、前記モデル特性
データ保存手段及び前記知識ベース保存手段とから前記
自動モデル調整手段の調整条件を決定する調整条件自動
決定手段とからなることを特徴とするプラントシミュレ
ータ。
【請求項２】請求項１において、前記自動パラメータ調
整手段は、比例積分器からなり、前記調整条件自動決定
手段は、前記比例積分器の入出力関係を決定するプラン
トシミュレータ。
【請求項３】請求項１において、前記自動パラメータ調
整手段は、積分器からなり、前記調整条件自動決定手段
は、前記積分器の入出力関係を決定するプラントシミュ
レータ。