TW201935285A - 動力系統模型的調節方法 - Google Patents

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Abstract

一種動力系統模型的調節方法，該調節方法包含一資料收集步驟、一分析篩選步驟、一模型建立步驟及一模型驗證步驟。藉由該模型建立步驟中產生的一動力系統模型配合該資料收集步驟的多個即時製程生產數據所得出的結果，能夠滿足定量準確度，以及達到生產能源成本最低化的效果。

Description

動力系統模型的調節方法
本發明係關於一種調節方法，特別是關於一種動力系統模型的調節方法。
過去的研究大都利用系統模型、製程歷數史數據、及最適化方法來提出能源設備操作指引，例如：2002年Linnhoff March Ltd.提出蒸汽系統模型建模工具，可模擬系統在不同條件下運行情況(what-if scenarios)，並且計算精確的能源成本，透過操作調整節省效益1~5%(ProSteam-A Structured Approach to Steam System Improvement)；又例如：2010年台大陳誠亮教授提出一套系統化方法來模擬蒸汽動力系統在變動的需求時段之運行情況，並配合混整數非線性規畫法(MINLP)計算最少的能源成本費用(Design and Optimization of Steam Distribution Systems for Steam Power Plants)。
然而，上述的蒸汽系統模型建模工具及模擬蒸汽動力系統的系統化方法受限數據不足，其中模型僅模擬特定物件、範圍較局部，而且採用較多的假設參數，使得模擬結果所提出之操作指引，在定量準確度方面較為不足。
因此，有必要提供改良的一種動力系統模型的調節方法，以解決上述習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種動力系統模型的調節方法，依據製程理論的動力系統模型配合實際的即時製程生產數據所得出的結果，能夠反應動力系統(如汽電共生廠)當下情況，藉此滿足定量準確度，以及達到生產能源成本最低化的效果。
為達上述之目的，本發明提供一種動力系統模型的調節方法，包含一資料收集步驟、一分析篩選步驟、一模型建立步驟及一模型驗證步驟；在該資料收集步驟中擷取一段時間的多個即時製程生產數據作為一第一組收集資料；在該分析篩選步驟中將該組收集資料中相異的即時製程生產數據刪除，接著平均剩下的即時製程生產數據作為一起始條件；在該模型建立步驟中建立一動力系統模型，並匯入該起始條件，使該動力系統模型呈一穩態；在該模型驗證步驟中擷取另一段時間的多個即時製程生產數據作為一第二組收集資料，對該動力系統模型進行驗證，比較該動力系統模型分別輸入該第一組收集資料及該第二組收集資料而獲得的二輸出結果，若該兩輸出結果相異，則調整該動力系統模型的多個調整參數，該等調整參數是用以調整該動力系統模型的該兩輸出結果，若該兩輸出結果相同，則完成該動力系統模型的驗證。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型的調節方法在該模型驗證步驟之後另包含一情境分析步驟，該情境分析步驟為輸入至少一限制條件，使該動力系統模型模擬一輸出結果。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型被配置用以連接至一即時資料庫平台，用以匯入該等即時製程生產數據。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型是配置用以模擬一汽電共生廠，該動力系統模型包含：一第一動力區，用以計算一蒸汽渦輪發電機所產的一電力；及一第二動力區，用以依據該蒸汽渦輪發電機的蒸汽的一進汽量及一抽汽量來產生一電力。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型被配置用以模擬一鍋爐、一渦輪發電機及一鼓風機，該鍋爐使用的一燃料為高爐氣、轉爐氣、焦油氣、煤或天然氣。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型被配置用以模擬一多級蒸汽渦輪發電機的發電效率曲線，並且透過一冷凝水熱交換後的一進口溫度及一出口溫度，以求得該多級蒸汽渦輪發電機的一缺少流量數據。
在本發明之一實施例中，該起始條件為一蒸汽數據、一壓力數據、一溫度數據、一電力數據或一燃料數據。
在本發明之一實施例中，該動力系統模型配置有一使用者界面，連接該第一動力區及該第二動力區，該使用者界面用以載入該第一動力區及該第二動力區的一輸出結果，以及供一使用者輸入至少一輸入資料。
如上所述，本發明動力系統模型的調節方法，透過在該資料收集步驟擷取一段時間的多個即時製程生產數據，經該分析篩選步驟刪除相異的即時製程生產數之後再計算出該起始條件，以作為建立該動力系統模型的初始值，由於結合該等即時製程生產數據，當動力系統(如汽電共 生廠)的負載即將改變時，該動力系統模型可即時模擬並提出一最佳調整策略指引。另外，由於該最佳調整策略指引是由依據製程理論的該動力系統模型配合實際的該等即時製程生產數據所得出的結果，能夠反應該動力系統(汽電共生廠)當下情況，藉此滿足定量準確度，在正確的調整操作下，無須添加設置額外的設備，可達到生產能源成本最低化的效果。
S201‧‧‧資料收集步驟
S202‧‧‧分析篩選步驟
S203‧‧‧模型建立步驟
S204‧‧‧模型驗證步驟
S205‧‧‧情境分析步驟
第1圖是依據本發明動力系統模型的調節方法的一較佳實施例的一流程圖。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。
請參照第1圖所示，為本發明動力系統模型的調節方法的一較佳實施例，是利用一電腦進行一建模軟體的操作而產生一動力系統模型，其中該動力系統模型是配置用以模擬一動力系統(如汽電共生廠)，而該動力系統模型的調節方法包含一資料收集步驟S201、一分析篩選步驟S202、一模型建立步驟S203、一模型驗證步驟S204及一情境分析步驟S205。本發明將於下文詳細說明各步驟的運作流程及運作原理。
續參照第1圖所示，在該資料收集步驟S201中，為擷取一段時間的多個即時製程生產數據作為一第一組收集資料。在本實施例中，該等即時製程生產數據是透過在一動力系統(汽電共生廠)中所設置多個感測器而獲得，而且該等即時製程生產數據是儲存在一即時資料庫平台之中。
續參照第1圖所示，在該分析篩選步驟S202中，是將該組收集資料中相異的即時製程生產數據刪除，接著平均剩下的即時製程生產數據作為一起始條件，在本實施例中，該起始條件可為一蒸汽數據、一壓力數據、一溫度數據、一電力數據或一燃料數據。
續參照第1圖所示，在該模型建立步驟S203中，是建立該動力系統模型，並匯入該起始條件，使該動力系統模型呈一穩態，其中該動力系統模型被配置用以模擬一鍋爐、一渦輪發電機及一鼓風機(未繪示)，進一步來說，該動力系統模型包含一第一動力區及一第二動力區，該第一動力區是用以計算一蒸汽渦輪發電機所產的一電力，該第二動力區是用以依據該蒸汽渦輪發電機的蒸汽的一進汽量及一抽汽量來產生一電力，該鍋爐使用的一燃料為高爐氣、轉爐氣、焦油氣、煤或天然氣，另外，該動力系統模型配置有一使用者界面，連接該第一動力區及該第二動力區，該使用者界面用以載入該第一動力區及該第二動力區的一輸出結果，以及供一使用者輸入至少一輸入資料。另外，在該使用者界面的一首頁中，該首頁上顯示例如有：一模型連結開啟(Open File)、選擇模擬分析之數據(Load Data)、運行模擬模式(Run simulation)及優化模式(Optimize)，其中設備的可用性及各種能源的可用限制條件等皆可直接於該首頁上依現況作調整。
在本實施例中，該動力系統模型被配置用以連接至該即時資料庫平台，用以匯入該等即時製程生產數據，另外，該動力系統模型也被配置用以與一編輯軟體(例如：Microsoft Excel)連結，因此，利用該編輯軟體編輯使用者界面，可在該編輯軟體中改變該等調整參數，之後再連結該動力系統模型來運行計算。
值得一提的是，該動力系統模型可被配置用以模擬一多級蒸汽渦輪發電機的發電效率曲線，並且透過一冷凝水熱交換後的一進口溫度及一出口溫度，以求得該多級蒸汽渦輪發電機的一缺少流量數據。具體來說，該多級蒸汽渦輪發電機可區分為一第一級區段、一第二級區段及一第三級區段，其中除了第一級區段的抽汽量A之外，該第二級區段的抽汽量X與第三級區段的抽汽量Y以及一排汽量Z皆未知，但可以利用冷凝水熱交換後的一進口溫度及一出口溫度，求得該缺少流量數據。
例如：該第一級區段的抽汽量A=75.8，進氣量為160，則由質量平衡可知：160=75.8+X+Y+Z...(1)；在一第一熱交換器中，熱流放熱量：[0.72kg/cm2,132℃,過熱蒸汽]→[0.72kg/cm2,飽和蒸汽]→[0.72kg/cm2,飽和水]→[0.72kg/cm2,86℃水]=ΔH1。冷流吸熱量：[8kg/cm2,76℃,水]→[8kg/cm2,116℃水]=(X+Y+Z)(H8,116-H8,76)。根據能量平衡，即(蒸汽壓力皆為gauge壓力)：XΔH1=(X+Y+Z)(H8,116-H8,76)(2)；其甲ΔH1為蒸汽經蒸交換器冷凝後的焓變化，H8,116,H8,76則分別為水在壓力8kg/cm2、溫度116℃及76℃的焓值，可查蒸汽壓表或利用軟體算出，如此，結合公式(1)與公式(2)可算出X。接著，該第二級區段抽汽出該第一熱交換器後，蒸汽冷凝成液態，但溫度仍高，與該第三級區段抽汽一同進入一第二熱交換器進行換熱， 其熱流放熱量：[-0.58kg/cm2,78℃,過熱蒸汽]→[-0.58kg/cm2,飽和蒸汽]→[-0.58kg/cm2,飽和水]→[-0.58kg/cm2,50℃水]+[0.72kg/cm2,86℃,水]→[0.72kg/cm2,76℃水]=YΔH2Y+XΔH2X。冷流吸熱量：[8kg/cm2,41℃,水]→[8kg/cm2,76℃水]=(Y+Z)(H8,76-H8,41)；即YΔH2Y+XΔH2X=(Y+Z)(H8,76-H8,41)...(3)。透過公式(1)、(2)及(3)即可求解該第二級區段的抽汽量X與第三級區段的抽汽量Y以及一排汽量Z，利用上述方法可求得該缺少之流量數據，如此一來即可回歸求得發電效率曲線，由此所計算之結果與實際發電量比較，其平均誤差大約小於2%。
續參照第1圖所示，在該模型驗證步驟S204中，擷取另一段時間的多個即時製程生產數據作為一第二組收集資料，對該動力系統模型進行驗證，比較該動力系統模型分別輸入該第一組收集資料及該第二組收集資料而獲得的二輸出結果，若該兩輸出結果相異，則調整該動力系統模型的多個調整參數，再進行該動力系統模型的驗證，其中該等調整參數是用以調整該動力系統模型的該兩輸出結果；若該兩輸出結果相同，則完成該動力系統模型的驗證。
請參照第1圖所示，在該情境分析步驟S205中，輸入模擬情境的至少一限制條件，使該動力系統模型依據該限制條件而模擬一輸出結果，配合表1所示，例如：模擬情境為焦油氣(COG)用量變少時且發電量不變，當現場面臨此情境時，所採用之調度方式為增加燃煤用量；將當時的製程條件輸入至模型中進行模擬，並降低焦油氣(COG)可用量進行最適化運算；又例如：模擬情境為焦油氣(COG)可用量變多、混合氣(MIX)可用量變少，依據數據顯示，現場面臨此情境時所採用之調整方式為降低燃煤用量， 但調度結果影響發電量，因而將相關資訊與條件代入模型計算，結果該動力系統模型建議燃煤小降。該該動力系統模型均考量在最低成本下之調度建議，可提供現場定量之參考。最後，該輸出結果為模擬之數據，會顯示在一軟體頁面上。另外，該使用者界面中有一彙總表，用以計算在特定的操作條件下之能源成本。
藉由上述的設計，本發明動力系統模型的調節方法，透過在該資料收集步驟S201擷取一段時間的多個即時製程生產數據，經該分析篩選步驟S202刪除相異的即時製程生產數之後再計算出該起始條件，以作為建立該動力系統模型的初始值，由於結合該等即時製程生產數據，當該動力系統(汽電共生廠)的負載即將改變時，該動力系統模型可即時模擬並提出一最佳調整策略指引。另外，由於該最佳調整策略指引是由依據製程理論的該動力系統模型配合實際的該等即時製程生產數據所得出的結果，能夠反應該動力系統(汽電共生廠)當下情況，藉此滿足定量準確度，在正確的調整操作下，無須添加設置額外的設備，可達到生產能源成本最低化的效果。
雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作 各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

  1. 一種動力系統模型的調節方法，包含：一資料收集步驟，擷取一段時間的多個即時製程生產數據作為一第一組收集資料；一分析篩選步驟，將該組收集資料中相異的即時製程生產數據刪除，接著平均剩下的即時製程生產數據作為一起始條件；一模型建立步驟，建立一動力系統模型，並匯入該起始條件，使該動力系統模型呈一穩態；及一模型驗證步驟，擷取另一段時間的多個即時製程生產數據作為一第二組收集資料，對該動力系統模型進行驗證，比較該動力系統模型分別輸入該第一組收集資料及該第二組收集資料而獲得的二輸出結果，若該兩輸出結果相異，則調整該動力系統模型的多個調整參數，該等調整參數是用以調整該動力系統模型的該兩輸出結果，若該兩輸出結果相同，則完成該動力系統模型的驗證。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之動力系統模型的調節方法，其中在該模型驗證步驟之後另包含：一情境分析步驟，輸入至少一限制條件，使該動力系統模型模擬一輸出結果。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之動力系統模型的調節方法，其中該動力系統模型被配置用以連接至一即時資料庫平台，用以匯入該等即時製程生產數據。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之動力系統模型的調節方法，其中該動力系統模型是配置用以模擬一汽電共生廠，該動力系統模型包含：一第一動力區，用以計算一蒸汽渦輪發電機所產的一電力；及一第二動力區，用以依據該蒸汽渦輪發電機的蒸汽的一進汽量及一抽汽量來產生一電力。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之動力系統模型的調節方法，其中該動力系統模型被配置用以模擬一鍋爐、一渦輪發電機及一鼓風機，該鍋爐使用的一燃料為高爐氣、轉爐氣、焦油氣、煤或天然氣。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之動力系統模型的調節方法，其中該動力系統模型被配置用以模擬一多級蒸汽渦輪發電機的發電效率曲線，並且透過一冷凝水熱交換後的一進口溫度及一出口溫度，以求得該多級蒸汽渦輪發電機的一缺少流量數據。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之動力系統的調節方法，其中該起始條件為一蒸汽數據、一壓力數據、一溫度數據、一電力數據或一燃料數據。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之動力系統模型的調節方法，其中該動力系統模型配置有一使用者界面，連接該第一動力區及該第二動力區，該使用者界面用以載入該第一動力區及該第二動力區的一輸出結果，以及供一使用者輸入至少一輸入資料。
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