JP2005257097A - 熱源機器の起動停止計画策定システム - Google Patents

Abstract

【課題】 実用規模で解くことが困難であった非線形混合整数計画問題に陥ることなく、確実に最適スケジュールが得られるユーティリティ機器起動停止計画作成システムを提供する。
【解決手段】 複数の熱源機器又は発電機を有するプラントをグラフィカルユーザーインターフェースを用いて運用するに当たり、需要予測手段１が所定期間の需要予測トレンドを表示すると、起動、停止データ入力手段２が熱需要予測トレンドに従って、所定期間における運転、停止の各時刻データを外部から入力して運転停止の状態を表示し、運転計画作成手段３が予測された需要量及び外部から入力された機器の起動、停止の時刻データに基づいて機器の運転計画を作成し、一次エネルギー評価手段４はその運転計画に基づいて所定期間のプラントの燃料および電気消費量又は運用コストを算出し表示する。
【選択図】 図１

Description

本発明はビル、病院、熱供給プラントなどの発電機や冷凍機など複数の熱源機器を運用するに当たり、グラフィカルユーザーインターフェース（GUI：Graphical User Interface）を用いて熱源機器の起動停止を策定するユーティリティー機器起動停止計画策定システムに関する。

従来の熱源機器の監視制御システムでは、熱源機器や発電機の起動停止は、基本的に数時間程度の短期需要予測に基づき、その需要を満足する運転機器の種類及び台数を決定する方法が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。これらのシステムでは、場合によっては最も省エネルギーを、又は、最も低コストを実現する組み合わせが選ばれていた。そのために実行される演算は、対象となるプラントにより大きく異なることになる。例えば、蓄電池や蓄熱層を持つ熱源機器では、１日単位の運転を最適化する必要がある。すなわち、これらの熱源機器では、夜間に蓄電して昼間に放電する等の操作を最適化する必要があるので、操作としての１サイクルをまとめて扱う必要があるからである。

一方、蓄電池や蓄熱層がない場合には、瞬時瞬時の最適化を行えばよいので、実行される演算は格段に簡易化されるが、その場合でも、吸収式冷凍機のように時定数が大きい場合には、大きな最適化計算が必要となる。これらの最適化演算は、一般的に非線形混合整数計画法が採用される。非線形が入るのは機器特性、例えば、燃料消費量と発電出力などとの関係が線形ではないからであり、混合整数計画になるのは、機器の起動停止が入るからである。このように必然的に解かざるを得ない非線形混合整数計画法であるが、実際の大規模プラントに対して実用的な時間で解くのは容易ではなかった。
特開平８−１４５４３５号公報

ユーティリティーの最適運転計画の作成で出現する非線形混合整数計画の大きさを簡単に説明すると、例えば、１０台の機器の最適運転計画を作るものとして、３０分毎のオン、オフ操作を含んだ蓄熱槽を持つプラントの最適運転問題を解こうとすると、オン、オフの変数は４８×１０＝４８０個も存在する。このような大きな問題を非線形混合整数計画法により解くことは、大変に厳しく、また、局所最適解に落ち込んで適切な解が得られないことも多い。

この結果、ユーティリティの最適運転計画システムは、蓄熱槽や蓄電池のないシステムでは実用化されているものの、最適計画のニーズが真に高い蓄熱槽や蓄電池を備えたシステムに対しては、十分に生かされて来なかった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、実用規模で解くことが困難であった非線形混合整数計画問題に陥ることなく、確実に最適スケジュールが得られるユーティリティ機器起動停止計画作成システムを提供することにある。

請求項１に係る発明は、複数の熱源機器を有する熱供給プラントを運用するに当たり、グラフィカルユーザーインターフェースを用いて、熱源機器の起動停止を策定するユーティリティー機器起動停止計画策定システムであって、所定期間の熱需要予測トレンドを表示する熱需要予測手段と、熱需要予測トレンドに従って、所定期間における熱源機器の運転、停止の各時刻データを外部から入力して運転停止の状態を表示する熱源機器の起動停止データ入力手段と、予測された熱需要量及び外部から入力された熱源機器の起動、停止の時刻データに基づいて熱源機器の運転計画を作成する運転計画作成手段と、作成された運転計画に基づいて所定期間の熱供給プラントの燃料および電気消費量又は運用コストを算出し表示する一次エネルギー評価手段とを備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、所定期間が１日としたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、運転計画作成手段は、所定期間の予め定めた時間毎に、起動状態の熱源機器に関して、熱需要予測値に出力が一致し、かつ、消費エネルギー又はコスト、又は、種々の評価関数について負荷配分最適化演算を実行する。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、負荷配分最適化演算は非線形最適化計画法を用いる。

請求項５に係る発明は、請求項３に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、熱源機器の起動停止データ入力手段は、起動された熱源機器の熱容量の総和を所定期間に関してトレンド表示する。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、熱供給プラントが蓄熱槽を有し、熱源機器の起動停止データ入力手段は、蓄熱槽利用率を算出し表示する。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、熱需要予測値と熱源機器の運転計画に基づき蓄熱槽の蓄熱量を算出する機能と算出された蓄熱量の時間トレンドを出力する機能を有することを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項６に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、一次エネルギー評価手段は、予測熱負荷と熱源器運転計画に基づき蓄熱槽の蓄熱量を算出する機能と蓄熱量が下限値以下になったとき、又は運転範囲を逸脱したときに、アラームを表示する機能を有する。

請求項９に係る発明は、蓄電池および複数の発電機を有するユーティリティーを運用するに当たり、グラフィカルユーザーインターフェースを用いてユーティリティーの起動停止を策定するユーティリティー機器起動停止計画策定システムであって、所定期間の電力需要予測トレンドを表示する電力需要予測手段と、
電力需要予測トレンドに従って、所定期間における発電機の運転、停止の各時刻データを外部から入力して起動停止の状態を表示する発電機の起動停止データ入力手段と、予測された電力需要量及び外部から入力された発電機の起動、停止の時刻データに基づいて発電機の運転計画を作成する運転計画作成手段と、作成された運転計画に基づいて所定期間のユーティリティーの燃料消費量又は運用コストを算出して表示する一次エネルギー評価手段とを備えたものである。

請求項１０に係る発明は、請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、運転計画作成手段は、所定期間の予め定めた時間毎に、起動状態の発電機に関して、電力需要予測値に出力が一致し、かつ、消費エネルギー又はコスト、又は、種々の評価関数について負荷配分最適化演算を実行する。

請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、負荷配分最適化演算は非線形最適化計画法を用いる。

請求項１２に係る発明は、請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、起動停止データ入力手段は、起動された発電機の発電容量の総和を所定期間に関してトレンド表示する。

請求項１３に係る発明は、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、起動停止データ入力手段は、蓄電池利用率を算出し表示する。

請求項１４に係る発明は、請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、電力需要予測値と発電機の運転計画に基づき蓄電池の蓄電量を算出する機能と算出された蓄電量の時間トレンドを出力する機能を有する。

請求項１５に係る発明は、請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システムにおいて、一次エネルギー評価手段は、電力重要予測値と発電機運転計画に基づき蓄電池の蓄電量を算出する機能と蓄電量が下限値以下になったとき、又は運転範囲を逸脱したときに、アラームを表示する機能を有する。

本発明は、機器の起動、停止を人が熱又は電気の需要量を見ながら、最初に入力することによって、自動的に解くのが難しい起動、停止の問題を回避することができ、これによって、各機器の運用は、与えられた運用可能な機器を用いて各時刻の容量最適配分問題を解けばよい。容量最適配分問題は非線形連続最適化問題となり、整数変数が無いことから大幅な計算時間短縮が達成される。また、一般的に混合整数計画に比べて計算結果が安定化する効果がある。

以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係るユーティリティ機器起動停止計画作成システムを、蓄熱槽を備えた熱供給プラントの最適運用システムに適用した一実施形態の構成を示すブロック図である。この実施形態はグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）により実現されるもので、所定期間の熱需要を予測し、そのトレンドを表示する熱需要予測手段１と、運用計画者が熱需要の予測トレンドに従って熱源機器の起動、停止時刻データを入力し、その状態を表示する熱源機器起動、停止データ入力手段２と、予測された熱需要及び外部から入力された熱源機器の起動、停止時刻データに基づいてボイラの運転計画を作成するボイラ運転計画作成手段３と、作成された運転計画に基づいて一次エネルギーを評価する一次エネルギー評価手段４とを備えている。

上記のように構成された本実施形態の動作について図２乃至図５をも参照して以下に説明する。図２は熱需要予測表示手段１の動作を説明するための画面例であり、同図（ｃ）に示す入力フィールドに３時間毎の湿度と気温の予測値を入力する。なお、同図（ｃ）には図面の簡単化のために朝、昼、夜の３つの入力フィールドしか示されていないが、一般的には天気予報から得られる値であり、３時間毎のデータを容易に入力することができる。熱需要予測手段１はこの入力データに従って、同図（ａ）に示したような温度及び湿度について時間の経過に従って変化するグラフとして表示する。続いて、グラフとして表示された温度及び湿度を変数として当日の熱需要を予測計算し、同図（ｂ）に示したように時間の経過に従って変化するグラフとして表示する。熱需要を予測計算する方法は種々に提案されて公知でもあるので、そのうちの適切な方法を選択して使用する。

図３は熱源機器の起動、停止の状態を入力する熱源機器起動、停止データ入力手段２の動作を説明するための画面例である。この場合、同図（ｂ）に示すように、画面中央に５台分の冷凍機が表示され、それぞれに対して、運用計画者が起動停止の時刻を指定するデータ入力を行う。ここで、横軸は時刻であり、運転状態が定格か半量かを示す、「１」又は「０．５」を併せて入力する。なお、ブランクの部分は停止の状態を表している。このとき、熱源機器起動、停止データ入力手段２は、起動、停止の時刻及び運転状態データに基づいて、同図（ａ）に示すように、冷凍機容量の総和を各時刻について描画する。同図（ａ）には前述の熱需要に対応する冷水需要量の予測値が併せてプロットされている。これら２つの線図から、各時刻の冷凍機による生産冷水の過不足が分かり、不足分は蓄熱槽より供給される。蓄熱槽には１時間当たりの最大供給能力と、１日あたりの供給量の限界があるので、それを超えると供給できない時刻は、例えば、赤い表示に変更する。限界以内であれば、蓄熱槽の供給熱量と能力から下式に従って蓄熱槽の利用率を演算し、同図（ｃ）に示すように所定の欄に表示する。

蓄熱利用率 ＝蓄熱槽利用熱量／蓄熱槽容量
また、熱源機器起動、停止データ入力手段２は、同時に各時刻について、入力された熱源器の運用状況を前提に、起動状態の熱源機器に関して、熱需要予測値に出力が一致し、かつ、消費エネルギー又はコスト、又は、種々の評価関数について、非線形最適化計画法を用いて最適化する負荷配分最適化を行い、これにより、当該１日の蒸気消費量と電気消費量とを計算する。必要蒸気量は各冷凍機の負荷と効率特性から算出された値を、すべての冷凍機について加えたものである。電気量は冷凍機の運転に伴い冷水や冷却水ポンプが消費する電力の総和である。電気式冷凍機があれば、その動力も加える。

図４はボイラ運転計画作成手段３及び一次エネルギー評価手段４の動作を説明するための画面例であり、冷凍機に必要な蒸気を生産するボイラの運用スケジュールを計画するに当たり、同図（ｂ）に示すように、運用計画者が各ボイラに対して各時刻の起動、停止の状態データを入力する。図中、「１」で示した部分が運転状態であり、空白の部分は運転していないことを示す。これに従って、同図（ａ）のグラフに示すように、各時刻のボイラの蒸気生産能力と蒸気需要量が表示される。ボイラの運転は需要量を上回るように設定する。すると、同図（ｃ）に示すように、この運転計画とボイラの特性により一次エネルギー評価手段４が必要とされる１日のガス消費量と電気消費とを計算する。図５（ａ）（ｂ）はその計算結果を各時刻についてプロットした画面例である。

運用計画者はこの１日の電力所要量とガス所要量を見て、冷凍機やボイラの起動、停止のスケジュールを試行錯誤的に入力することにより、最適な運用スケジュールを求めることができる。一般的に、冷凍機やボイラは頻繁に起動、停止するものでなく、また、毎日同様の運転を繰り返すので、起動、停止の設定自体は運用計画者にとってさほど難しいものではない。そこで、容易に最適スケジュールが求まることになる。

なお、一次エネルギー評価手段は、熱需要予測手段１での予測熱負荷とボイラ運転計画作成手段３の熱源器運転計画に基づき、蓄熱槽の蓄熱量を算出する機能を備え、蓄熱量が下限値以下になったとき、又は運転範囲を逸脱したときに、アラームを表示する機能をも有している。

なお、本実施形態では蓄熱槽のある熱供給プラントを起動停止計画策定の対象としたが、蓄電池を備えた発電システムについても上述したと全く同様にして構築することができる。その場合、蓄熱利用率に代わり蓄電利用率がシステムの有効利用を示す指標になる。

本発明に係るユーティリティ機器起動停止計画作成システムを、蓄熱槽を備えた熱供給プラントの最適運用システムに適用した一実施形態の構成を示すブロック図。 図１に示した実施形態を構成する熱需要予測表示手段の動作を説明するための表示画面例。 図１に示した実施形態を構成する熱源機器起動、停止データ入力手段の動作を説明するための表示画面例。 図１に示した実施形態を構成するボイラ運転計画作成手段及び一次エネルギー評価手段の動作を説明するための表示画面例。 図１に示した一次エネルギー評価手段の計算結果を各時刻についてプロットした表示画面例。

符号の説明

１ 熱需要予測手段
２ 熱源機器起動、停止データ入力手段
３ ボイラ運転計画作成手段
４ 一次エネルギー評価手段

Claims (15)

1. 複数の熱源機器を有する熱供給プラントを運用するに当たり、グラフィカルユーザーインターフェースを用いて、前記熱源機器の起動停止を策定するユーティリティー機器起動停止計画策定システムであって、
   所定期間の熱需要予測トレンドを表示する熱需要予測手段と、
   前記熱需要予測トレンドに従って、所定期間における前記熱源機器の運転、停止の各時刻データを外部から入力して運転停止の状態を表示する熱源機器の起動停止データ入力手段と、
   予測された熱需要量及び外部から入力された前記熱源機器の起動、停止の時刻データに基づいて前記熱源機器の運転計画を作成する運転計画作成手段と、
   作成された運転計画に基づいて所定期間の熱供給プラントの燃料および電気消費量又は運用コストを算出し表示する一次エネルギー評価手段と、
   を備えたユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
2. 所定期間が１日である請求項１に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
3. 前記運転計画作成手段は、所定期間の予め定めた時間毎に、起動状態の熱源機器に関して、熱需要予測値に出力が一致し、かつ、消費エネルギー又はコスト、又は、種々の評価関数について負荷配分最適化演算を実行する請求項１に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
4. 負荷配分最適化演算は非線形最適化計画法を用いる請求項３に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
5. 前記熱源機器の起動停止データ入力手段は、起動された熱源機器の熱容量の総和を所定期間に関してトレンド表示する請求項３に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
6. 前記熱供給プラントが蓄熱槽を有し、前記熱源機器の起動停止データ入力手段は、蓄熱槽利用率を算出し表示する請求項１〜５のいずれか１項に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
7. 前記熱需要予測値と前記熱源機器の運転計画に基づき蓄熱槽の蓄熱量を算出する機能と算出された蓄熱量の時間トレンドを出力する機能を有することを特徴とする請求項６に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
8. 前記一次エネルギー評価手段は、前記予測熱負荷と熱源器運転計画に基づき蓄熱槽の蓄熱量を算出する機能と蓄熱量が下限値以下になったとき、又は運転範囲を逸脱したときに、アラームを表示する機能を有する請求項６に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
9. 蓄電池および複数の発電機を有するユーティリティーを運用するに当たり、グラフィカルユーザーインターフェースを用いて前記ユーティリティーの起動停止を策定するユーティリティー機器起動停止計画策定システムであって、
   所定期間の電力需要予測トレンドを表示する電力需要予測手段と、
   前記電力需要予測トレンドに従って、所定期間における前記発電機の運転、停止の各時刻データを外部から入力して起動停止の状態を表示する発電機の起動停止データ入力手段と、
   予測された電力需要量及び外部から入力された前記発電機の起動、停止の時刻データに基づいて前記発電機の運転計画を作成する運転計画作成手段と、
   作成された運転計画に基づいて所定期間の前記ユーティリティーの燃料消費量又は運用コストを算出して表示する一次エネルギー評価手段と、
   を備えたユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
10. 前記運転計画作成手段は、所定期間の予め定めた時間毎に、起動状態の発電機に関して、電力需要予測値に出力が一致し、かつ、消費エネルギー又はコスト、又は、種々の評価関数について負荷配分最適化演算を実行する請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
11. 負荷配分最適化演算は非線形最適化計画法を用いる請求項１０に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
12. 前記起動停止データ入力手段は、起動された発電機の発電容量の総和を所定期間に関してトレンド表示する請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
13. 前記起動停止データ入力手段は、蓄電池利用率を算出し表示する請求項９〜１２のいずれか１項に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
14. 前記電力需要予測値と発電機の運転計画に基づき前記蓄電池の蓄電量を算出する機能と算出された蓄電量の時間トレンドを出力する機能を有する請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。
15. 前記一次エネルギー評価手段は、電力重要予測値と発電機運転計画に基づき蓄電池の蓄電量を算出する機能と蓄電量が下限値以下になったとき、又は運転範囲を逸脱したときに、アラームを表示する機能を有する請求項９に記載のユーティリティー機器起動停止計画策定システム。

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