JPS62287007A - 自家発を有する製鉄所のエネルギ−運用制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は少なくともコークス炉、高炉および転炉を備
えた製銑・製鋼一貫製鉄所において、製鉄所内で発生す
る副生ガスを燃焼させて発電する自家用火力発電設備（
以下、単に自家発ともいう、）を設け、所内で発生、消
費するエネルギーの収支バランスを情報処理装置を用い
て計画し、エネルギーの高効率運用を図る制御方法に関
する。

〔従来の技術〕

一般に、製銑・製鋼一貫製鉄所にはエネルギーセンタが
設備され、各種エネルギー（高炉ガスＢＦＧ、コークス
炉ガスＣＯＧ、転炉ガスＬＤＧ。

プロパンガスＬＰＧ、蒸気、電力および水）の監視、管
理が行なわれている。特に自家発を有する製鉄所では、
コークス炉ガスＣＯＧ、高炉ガスＢＦＧおよび転炉ガス
ＬＤＧ等の副生ガスの調整（収支バランス）は自家発内
で燃焼させることにより行ない、電力量の調整は自家発
内におけるガス収支により燃焼９発電した残りの不足分
を電力会社からの購入電力（買電ともいう。）をもって
調整するようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、製鉄所内の各工場はそれぞれの生産スケ
ジュールに合わせてエネルギーの発生。

消費を行なうため全体的な把握が難かしく、その結果、
副生ガスの放散または買電契約量以上の電力量（以下、
デマンドオーバともいう。）の購入等によって損失や経
済的な負担が増大するという問題点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

製鉄所内の各工場の生産情報から情報処理装置を用いて
エネルギー収支を演算して求めることにより副生ガスの
放散、デマンドオーバ等による損失を低減せしめるもの
で、その算出に当たっては所内に設置されたホルダーの
有効利用によるエネルギーの省力化と、副生ガスが最終
的に消費される自家発における３系統のボイラ、タービ
ンおよび発電機それぞれの効率差を活用した副生ガスの
高効率利用とを図るようにする。

〔作用〕

情報処理装置を用いて製鉄所のエネルギー運用制御を行
なうべく、該処理装置は上位処理装置からの生産計画情
報にもとづいて例えば８時間先までの単位時間毎の長期
エネルギー利用計画を所定時間毎に作成するとともに、
この長期計画を合作の運用実績に応じて数分単位で調整
する短期エネルギー利用計画を作成し、この長、短期計
画にもとづいて購入電力量および購入ガス量が最小とな
るようにガスホルダーレベルの推移および自家発の発電
量を決めて制御を行なう。

〔実施例〕

第１図はこの発明が適用される製鉄所の構成を示す概要
図である。同図において、■はコークス炉、２は高炉、
３は転炉、４はホルダー、５は熱延設備等からなる各工
場、６は情報処理装置（ＣＰＵ）、７は自家発電設備で
ある。

すなわち、製銑・製鋼一貫製鉄所には同図に示される如
くコークス炉１、高炉２および転炉３が設けられ、その
各々には副生ガス備蓄用のガスホルダ−４および各工場
５が配置される。自家発電設備７はコークス炉ガスＣＯ
Ｇ、高炉ガスＢＦＧおよび転炉ガスＬ　Ｄ　Ｇを燃焼し
、これを電力として回収する。いま、製鉄所総電力使用
量をＰ５、自家発電量（有効電力量）をＰ、その他の発
電量をＰｅ、買電量をＰ、とすると、これらの間には、
Ｐｂ　−Ｐｔ　　Ｐ　　Ｐ− なる関係が成立し、 Ｐ、≦電力会社との契約電力量 となるように運用することが必要となる。このとき、最
小限必要な自家発電量Ｐに対して副生ガスが余分にある
とき“ガスに余裕がある”と呼ぶことにすると、副生ガ
スに余裕があるときはこれを備蓄し、不足するときには
払い出すようにすることが有償のＬＰＧ、オイル等の使
用量を低減させる」二からも必要であり、このために設
けられるのがガスホルダー４ということになる。また、
−ｇに買電単価は昼間よりも夜間の方が安いので、夜間
には自家発における使用ガス量を減らしてホルダー４へ
蓄え、これを昼間に使用することにより自家発電量の経
済的運用を図るようにしている。

情報処理装置（ＣＰＵ）６はこれらのエネルギー発生、
利用設備におけるエネルギー収支バランスの監視、制御
を行なうが、こ−では特に次の如き機能を遂行する。

第２Ａ図および第２Ｂ図は情報処理装置の機能ＣＰＵ６
は図示されない」二値計算機と接続されており、この上
位計算機から電力需要予測、副生ガス需要予測等を含む
生産計画情報を受けると、まず第２Ａ図■の如き機能を
実行する。すなわち、上位処理装置で作成したエネルギ
ー発生、消費予測データをもとにして、３０分あるいは
１時間刻み（メツシュ）の所定時間毎に例えば８時間先
までのエネルギー利用計画を作成する。その結果は、ホ
ルダーの流出入量を零とする自家発の発電量を表わすこ
とになるが、これにもとづいて制御を行なうとエネルギ
ーに過不足が生じてガスの放散。

有償Ｌ　Ｐ　Ｇの購入等が必要となることから、このよ
うな事態を出来るだけ避けるためにホルダーのレヘルを
意図的に変え（■参照）、これにしたがって自家発の最
適負荷を決定する（■参照）。

なお、この間の事情を別の形で示したのが第３図で、こ
れは１時間刻みで８時間の制御例を示したものである。

つまり、同図（イ）は第２Ａ図■の処理結果である、ホ
ルダーの流出入量を零とする自家発の発電量を例示した
ものであり、同図（ロ）はホルダーレベルが一定の場合
の購入電力量。

購入ガス（ＬＰＧ）量の関係を示すものであり、また同
図（ハ）はホルダーレベルを変化させた場合の購入電力
量の関係を示すもである。同図（ロ）と（ハ）を比較す
れば明らかなように、ホルダーレベルを一定にしようと
すると契約電力量一杯まで副生ガスを燃やしても、なお
かつＬ　Ｐ　Ｇを購入しなければならない場合が同図（
ロ）のｔＺ＋　　ｔ３問およびｔＳ＋　　１６間の如く
生じることがわかる。

なお、同図（ロ）のＰ、、Ｐｇ・・・・・・は買電余裕
量を、またＧＩ、ＧｇはＬＰＧ購入量をそれぞれ示して
いる。したがって、例えば同図（ハ）の如くホルダーレ
ベルを推移させてエネルギーの有効利用を図る必要のあ
ることがわかる。

以上の如き操作は例えば３０分あるいは１時間毎の所定
時間毎に行なわれるが、か覧る制御では電力エネルギー
が逼迫しているときや、上位処理装置による稼動条件の
変更時の如き緊急時には対応し切れない場合が生じるの
で、この発明ではさらに第２Ｂ図に示す如き機能を追加
する。これは、例えば数分毎に起動されて現時点から３
０分あるいは１時間先のエネルギー利用計画を立てるも
ので、短期間の計画である点を除けば、基本的には第２
Ａ図と同様である。したがって、第２Ｂ図の■、■、■
は、表現差は多少あるもの＼、第２Ａ図の■、■、■と
それぞれ対応するものであり、また、第３図と同様の特
性図（第３図に示すものが時間をメソシュとするもので
あるのに対し、数分メソシュで表わされるもの。）が考
えられるが、図示は省略されている。たソ′シ、第２Ｂ
図に示される短期計画では、過去の実績を考慮すること
によって先の長期計画の最終調整を行なうようにしてい
る（第２Ｂ図■参照）。

次に、第２Ａ図および第２Ｂ図に共通な自家発最適配分
の決定方法について、第４図を参照して説明する。なお
、第４図は第１図に示される自家発電設備の詳細を示す
構成図であり、７１１〜７１３はボイラ、７２１〜７２
３はタービン、７３１〜７３３は発電機である。

すなわち、この例は３系統のボイラ、タービンおよび発
電機が設けられた例であり、各炉から発生するコークス
炉ガスＣＯＧ、高炉ガスＢＦＧと転炉ガスＬＤＧを混ぜ
た増熱ＢＦＧおよび購入プロパンガスＬ　Ｐ　Ｇの各系
統毎の利用配分を適宜に変えることにより、自家発の総
発電量の制御を効率よく実行するようにしている。つま
り、副生ガスのカロリー差と各系統の効率差とを積極的
に利用してエネルギーの高効率利用を図るものであり、
このことを以下に詳細に説明する。なお、こ＼では各１
つのボイラ、タービンおよび発電機からなる１つの系統
について考察する。

ボイラは増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧおよびＬＰＧの各気体
燃料を燃焼させ、この熱エネルギーを物理法則である熱
交換作用により給水に与え、この給水を高温、高圧の熱
エネルギーをもつ蒸気に変換する。ボイラから発生した
蒸気はタービンに導かれ、タービンでは蒸気の熱エネル
ギーをこれも物理法則である断熱膨張の原理により、タ
ービン軸を回転させるための運動エネルギーに変換する
。

なお、一部の蒸気は抽気蒸気として製鉄所内の各工場に
供給される。タービン軸は発電機軸と一体になっており
、タービンの運動エネルギーは発電機に伝えられる。発
電機に伝えられた運動エネルギーは、これも物理法則で
ある電磁作用により電気エネルギーに変換される。そし
て、この電気エネルギーを有効電力として製鉄所の各工
場へ供給するのが自家発電設備である。

すなわち、製鉄所内で発生した副生ガス（ＢＦＧとＬＤ
Ｇが混合された増熱ＢＦＧおよび単独Ｃ０Ｇ）と購入Ｌ
ＰＧのもつエネルギーを、以上の如き物理法則により有
効電力に変換するわけである。この関係を簡単に表現す
ると、 有効電力−「　（増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧ、ＬＰＧ、抽
気蒸気） の如く表現できる。ｆは成る関数であり、増熱ＢＦＧ、
単独ＣＯＧおよびＬＰＧを与え、抽気蒸気を取り去った
ときの有効電力を求める物理法則を表わしている。

この関数の形は厳密には極めて複雑な形をしており、現
在の技術水準をもっても正確に記述することができない
。そこで、この物理法則を表現するだめの関数を、実際
に計測されたデータから推定することが現実的な手段と
して用いられている。

すなわち、増熱Ｂ　Ｆ　Ｇ　、単独ＣＯＧ、ＬＰＧおよ
び抽気蒸気の各流量と有効電力の計測データとをもとに
良く知られている重回帰分析を行うことにより、この関
数の形を推定するわけである。その結果、自家発電設備
一系統の物理法則は次の如き２次式によって表現される
。

こ＼に、Ｐは有効電力（メガワット：　ＭＷ）を示し、
■は ｚ Ｐ＝ａ＋　　Ｑｌｌ　Ｆｓ　　＋ａｚ　　にｌｃ　　Ｆ
’ｃ＋　ａ　３　　ＱＬ　　Ｆ　ｔ にて表わされる変数である。また、Ｏｎ　、Ｑｃおよび
ＱＬはそれぞれ増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧおよびＬＰＧの
各燃焼発熱量（１０’　Ｋｃａｌ　／Ｎｍ’）、Ｆｍ、
ＦｃおよびＦＬはそれぞれ増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧおよ
びＬ　Ｐ　Ｇの各流量（１０′ｓＮｍ″／ｈ）　、Ｆｓ
は抽気蒸気流量（ｔ／ｈ）をそれぞれ示しており、ａ０
〜ａ３およびａ１〜ａ、は係数である。

こ＼で、燃焼発熱量とは各ガスが燃焼したときに発生す
る標準状態の体積（０℃、１気圧に変換した体積で、Ｎ
ｍ３で表わす。）あたりのエネルギーであり、これに流
量を乗じると時間当たりの熱エネルギーになる。この熱
エネルギー量と自家発電設備から取り出される有効電力
のエネルギー量との間には、物理法則であるエネルギー
変換を複数段階経ることによってエネルギー損失が生じ
、通常は３０〜４０％程度に減少すること、しかもこの
減少率は自家発電設備に投入されるエネルギ−量にも依
存することが知られている。このことを表現するのが、 ａｏ、ａｌ　＋　　”２＋　　ａ３＋　　ａｌ　＋　　
ａ２＋　　ａ３なる係数ということになる。

ところで、自家発電設備には第４図に示すようにボイラ
、タービンおよび発電機からなる系統が３系統あり、こ
れら各系統における係数ａｏ　ｌ　ａ　■　、　ａ２　
ｌ　ａ３　、　ａ　Ｉ　ｌ　ａ２　ｌ　ａ３（１＝１，
２．３） はずべて異なっている。このことは、製鉄所内で発生し
た同し総量の増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧ、ＬＰＧおよび製
鉄所で使う同じ総量の抽気蒸気を３つの系統に配分して
運転する場合、その配分の仕方により物理法則によるエ
ネルギー１員失が系統により異なるため、全体として発
生ずる有効電力が変化するという現象が生じる。これは
自然な物理現象であり、この物理現象を逆に利用するこ
とにより同し総量の増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧ、　　Ｔ、
ＰＧおよび同じ総計の抽気蒸気から全体として発生ずる
電力が最大となるようにする、と云うのがこの発明の基
本原理である。このことはエネルギーという天然資源の
有効利用、すなわち物理現象の結果生じた資源をボイラ
、タービンおよび発電機からなる人工の、物理現象を利
用したエネルギー変換設備を用いて有効電力なる別の資
源に変換する原理を有効に利用するものと云える。

さて、これを実現するに当たり、こ＼では良く知られて
いる非線形計画法と云う手法を便宜的に用いるが、その
ためには次式の如き目的関数を設定し、これを最大にす
るに当たって前述の物理現象が利用される。

ｍａｘ　Ｚ−Ｃｚ　（Ｐ’　＋ＰＩＩ＋Ｐ″′）ＦＥ′
＋ＦＩｌ″′十Ｆ、ｌ≦ＦｌｌＲ”　　　　・・・・・
・（３）Ｆ、’　＋Ｆｃ”→−Ｆｃ１≦Ｆｃａ”・・・
・・・（４）Ｆｓ′　十Ｆ、１＋Ｆ、＋＋−ＦｓａＩ′
　　　　・・・・・・（５）こ＼に、Ｐ’　、Ｐ”、Ｐ
’は各系統（Ｔ、　　ＩＴ。

■）別の有効電力を示し、先の（１）式によって定義さ
れるものである。また、 Ｆ　Ｅ’　＋　　Ｆ　Ｂ″＋　　Ｆ　Ｅ′″、Ｆｅ’　
、　　ＦＣ”　、　　Ｆｃ″′、ｐ　ｓＩ　、　　Ｆ、
”　、　　Ｆ、”、はそれぞれ各系統に配分されるべき
増熱ＢＦＧ、単独ＣＯＧ、ＬＰＧ、抽気蒸気の各流量で
あり、非線形計画法を適用して求められる計算出力を表
わしている。

ＦＢ８”は増熱ＢＦＧの総量であり、したがって（３）
式は配分される量が総量を越えないようにする制限式で
ある。

ＦＣａＩ′は単独ＣＯＧの総量を示し、したがって（４
）式は各系統のＣＯＧ量が総量を越えないようにする制
限式である。

Ｆ、８”は抽気蒸気の総量であり、したがって（５）式
は各系統の抽気蒸気が総量を越えないようにする制限式
である。

（６）式は有効電力をもって便宜的に表わされる各系統
における物理法則の制限事項を示している。

すなわち、各系統毎の有効電力Ｐ”、Ｐ’、Ｐ”がそれ
ぞれ上限ｐＨ１ｌＩＫ＋下限Ｐ　ｒｎｊｎ内に入ってい
ることを要求している。

また、ＣＥ、ＣＬはそれぞれ購入電力料金、ｌ５ＰＧ料
金を考慮して決められる係数である。

このように、上記（２）式を目的関数とし、　（３）〜
（６）式を制約条件として（２）式の値を最大にする副
生ガスおよび購入ガスの各配分量を、非線形計画法を便
宜的に用いて求めることは、エネルギーまたは天然資源
の有効利用、すなわち物理現象で生じたエネルギー変換
による資源をボイラ、タービンおよび発電機と云う人工
の、物理現象を利用したエネルギー変換設備を用いて、
有効電力なる別の資源に変換すると云う原理を有効に利
用するものと云うことができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、各工場の生産予定情報を利用して製
鉄所のエネルギー収支を算出し、自家用発電設備にて消
費ずべきＢＦＧ、ＣＯＧおよびＬＤＧ等の副生ガスを決
定するようにしているため、副生ガスの放散、デマンド
オーバ等を回避することができるばかりでなく、ホルダ
ーを有効利用することによる省エネルギー化と、自家用
火力発電設備における複数系統のボイラ、タービンおよ
び発電機による副生ガスの高効率利用とを図ることがで
きる利点がもたらされる。なお、この発明による省エネ
ルギー効果は、年間で数億円にも達することが数々の実
績によって確かめられていることを付言する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明が適用される製鉄所の構成を示す概要
図、第２Ａ図および第２Ｂ図は第１図に示される情報処
理装置の機能を説明するためのフ発電設備の具体例を示
す構成図である。 符号説明 １・・・コークス炉、２・・・高炉、３・・・転炉、４
・・・ホルダー、５・・・各工場、６・・・情報処理袋
Ｗ（ＣＰＵ）、７・・・自家発電設備、７１１〜７１３
・・・ボイラ、７２１〜７２３・・・タービン、７３１
〜７３３・・・発電機。 代理人　弁理士　並　木　昭　夫 代理人　弁理士　松　崎　　　清 １　シ ＯＱ ｅ　　　ＯＯ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）情報処理装置と、各炉からの副生ガスを回収しこれ
   を燃焼させて電力を得る自家用火力発電設備（自家発）
   と、エネルギーの有効利用を図るべく副生ガスに余裕が
   あるときはこれを備蓄し余裕のないときはその払い出し
   を行なうガスホルダーとを備え、燃料用ガスおよび電力
   の不足分は購入により補なうようにした製銑・製鋼一貫
   製鉄所において、前記情報処理装置は上位情報処理装置
   からの生産計画情報にもとづいて時間単位で表わされる
   所定数時間先までの長期エネルギー運用計画を所定時間
   毎に作成する一方、該長期計画をそれ迄の運用実績に応
   じて数分毎に調整する短期エネルギー運用計画を作成す
   るとともに、該長、短期計画にもとづき購入電力量およ
   び購入ガス量が最小となるよう前記ガスホルダーのレベ
   ル推移および自家発電設備の発電量をそれぞれ決めて制
   御する製鉄所のエネルギー運用制御方法であって、前記
   自家発電設備を複数のボイラ、タービンおよび発電機か
   らなる系統に分割し、 各系統別の発生有効電力量を下記の（１）式で表現し、 該（１）式を用いて同じ総量の副生ガスおよび購入ガス
   から全体として発生する総有効電力量が最大となるよう
   にするため、非線形計画法にもとづく目的関数を下記の
   （２）式の如く設定し、該目的関数を最大にするために
   各系統に与えるべき副生ガスおよび購入ガスの各配分量
   を求め、該配分量にもとづき制御を行うことを特徴とす
   る自家発を有する製鉄所のエネルギー運用制御方法。 記 Ｐ＝ａ＿０＋ａ＿１＠Ｐ＠＾２＋ａ＿２Ｐ＋ａ＿３Ｆ＿
   Ｓ・・・（１） ［こゝに、Ｐは有効電力を示し、＠Ｐ＠は ＠Ｐ＠＝■＿１Ｑ＿ＢＦ＿Ｂ＋■＿２Ｑ＿ＣＦ＿Ｃ＋■
   ＿３Ｑ＿ＬＦ＿Ｌ にて表わされる変数である。また、Ｑ＿Ｂ、Ｑ＿Ｃおよ
   びＱ＿Ｌはそれぞれ第１、第２副生ガスおよび購入ガス
   の燃焼発熱量、Ｆ＿Ｂ、Ｆ＿ＣおよびＦ＿Ｌはそれぞれ
   第１、第２副生ガスおよび購入ガスの流量、Ｆ＿Ｓは製
   鉄所内で消費される蒸気流量をそれぞれ示しており、ａ
   ＿０〜ａ＿３および■＿１〜■＿３は係数である。］ ｍａｘＺ＝Ｃ＿Ｅ（Ｐ＾ I ＋Ｐ＾II＋Ｐ＾III）−Ｃ＿
   Ｌ（Ｆ＿Ｌ＾ I ＋Ｆ＿Ｌ＾II＋Ｆ＿Ｌ＾III）・・・・
   ・・（２） ［こゝに、Ｃ＿Ｅ、Ｃ＿Ｌは係数、Ｐは有効電力量、Ｆ
   ＿Ｌは購入ガス量をそれぞれ示し、記号 I 、II、IIIに
   て系統別の量であることを示す。］