JP5017019B2 - プラント最適運転制御システム - Google Patents

Description

本発明は、プラントを最適運転制御するシステムに係わり、とくにプラントの運転コストを最小化する運転制御システムに関する。

一般に、工場内に電力および蒸気を供給する自家用発電プラントの最適運転制御システムにおいては、ボイラー燃料や電力系統からの受電量に応じてかかる運転コストを最小化するように、ボイラー出力や、タービン主蒸気量、抽気量、発電機出力を決定し、これを目標値とした最適運転制御が行われる。

このようなプラント最適運転制御システムとしては、図１０に示すように、プラントの蒸気圧力・流量や発電機出力を制御する自動制御装置１００と、この自動制御装置１００およびデータ入力部２を介して入力されるプラント１０の状態量と、プラントモデル記憶部４からの最適化モデルおよびそのパラメータとから、最適運転点計算部３がプラント１０の運転コストを最小化する最適運転点を計算し、自動制御装置１００の設定値として出力するものがある（例えば、特許文献１および２参照）。
特開２０００−７８７４９号公報 特開２００４−１９０６２０号公報

上述したプラント最適運転制御システムにおいては、最適運転点が現在の運転点と大きく違った場合、最適運転点をそのまま制御目標値として設定してしまうと、目標値が大きく変化するため、プラントの安定運転を損なうという問題がある。

本発明は上述の点を考慮してなされたものであり、プラントの運転を安定に保ったまま運転コストを最小化することのできるプラント最適運転制御システムを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、
発電プラントの運転コストを最小化する最適運転点を前記発電プラントの状態量及び前記発電プラントの最適化モデルに基づき計算する最適運転点計算手段と、
前記最適運転点計算手段の計算により求めた前記最適運転点に応じてプラントを自動制御する自動制御手段と、
前記発電プラントの自動制御運転を実施する自動制御実施信号が入力される入力部と、前記自動制御実施信号が入力された場合に予め定められた条件によって自動制御投入の可否を判定する判定部とを有する自動制御投入手段と、
前記自動制御手段によって自動制御運転を行うに際し、前記最適化モデルにおける前記発電プラントの最適化対象の最適化変数の一部を選択する最適化変数選択手段と
を備え、
前記自動制御投入手段により自動制御投入が可能と判断された場合は、前記最適化変数選択手段によって選択された最適化変数をさらに用いて前記最適運転点計算手段にて最適運転点を求め、この最適運転点を前記自動制御手段に出力し、また、この最適運転点を表示することとし、
前記自動制御投入手段により自動制御投入が不可能と判断された場合または前記自動制御投入手段における入力部に前記自動制御実施信号が入力されなかった場合は、前記最適化変数選択手段によって最適化変数を選択せずに予め設定された運転点を前記自動制御手段に出力し、また、前記最適化変数選択手段によって最適化変数を選択せずに前記最適運転点計算手段にて求めた最適運転点を表示する
ことを特徴とするプラント最適運転制御システム、
を提供するものである。

本発明は上述のように、最適化モデルにおける最適化対象の変数を選択するようにしたため、プラントの最適運転点が現在の運転点と大きく異なっている場合でも、最適化すべき変数を少しずつ加えて最適化し、プラントの安定な運転を損なうことなく、運転コストを最小化することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１に基いて、図２ないし図４を参照しつつ本発明の実施例１を説明する。

（構成）
図１は、本発明の実施例１の構成を示すブロック線図である。この実施例１としてのプラント最適運転制御システム１００は、データ入力部２、最適運転点計算部３、プラントモデル記憶部４、自動制御投入手段５、最適化変数選択部６、運転点切り替え部７、運転点設定部８、自動制御装置９、最適運転点表示部１０、および自動制御除外手段１１により構成されている。

データ入力部２は、プラント２０の電力負荷や蒸気負荷、ボイラーの燃料流量、蒸気出力や、タービン発電機の主蒸気量、換気量、発電量などの状態量を入力するものであり、入力された状態量は最適運転点計算部３へ送られる。プラントモデル記憶部４は、プラント２０の最適化モデルおよびそのパラメータを記憶するものであり、これらのモデルは最適運転点計算部３へ送られる。プラント２０の最適化モデルについては後述する。

自動制御投入手段５は、最適運転点計算部３で計算された運転点に基づいて自動制御を行うかどうかを選択するためのものであり、自動制御が選択されたかどうかの信号は、最適化変数選択手段６および運転点切り替え部７へ送られる。

図２は、自動制御投入手段５の構成を示しており、自動制御投入手段５は、入力部５０と判定部５１とにより構成されている。入力部５０は、自動制御投入の指示を入力するものであり、判定部５１は、自動制御投入の可否を判定するものである。

ここで再び図１に戻り、最適化変数選択手段６が、自動制御投入手段５によって自動制御に投入されるとする。これにより、最適化する変数を予め定められた規則にしたがって選択し、選択された最適化変数は、最適運転点計算部３へ送られる。

最適運転点計算部３は、データ入力部２から送られるプラントの状態量、プラントモデル記憶部４から送られる最適化モデル、および最適化変数選択部６から送られる最適化変数に基づき、数理計画法などの最適化手法を用いて、プラント２０の運転コストが最小となる運転点を計算し、計算された最適運転点は、運転点切り替え部７へ送られるとともに、最適運転点表示部１０によって画面などに表示される。

運転点設定部８は、プラント２０の目標運転点を手動で設定するものであり、設定された運転点は運転点切り替え部７へ送られる。運転点切り替え部７は、自動制御投入手段５によって自動制御への投入が行われると、自動制御装置９へ送る運転点を運転点設定部８で設定された運転点から最適運転点計算部３で計算された最適運転点へ切り替えることにより、最適運転点での自動制御への切り替えが行われる。

自動制御除外手段１１は、最適運転点計算部３で計算された運転点に基づいた自動制御を解除するためのものであり、自動制御解除信号は、運転点切り替え部７へ送られる。

次に、最適運転点計算部３において計算される最適化モデルについて説明する。

自家用発電プラント２０は、ボイラー２１，２２、タービン２３，２４、発電機２５，２６、およびこれらを接続する蒸気配管や電気母線などをそなえ、工場内へ、電力負荷２７、中圧蒸気負荷２８および低圧蒸気負荷２９を供給している。

ボイラーおよびタービン発電機の入出力特性と、電力および蒸気の需給バランスを制約条件とし、ボイラーの燃料コストを最小化するようなボイラーおよびタービン発電機の運転点は、次式のような最適化モデルを解くことによって計算することができる。
目的関数：C1*F1 + C2*F2 （燃料コスト） （１）
制約条件：
P1 + P2 = PL （電力需給バランス） （２）
SH1 + SH2 = S1 + S2（高圧蒸気バランス） （３）
SM1 + SM2 = SML （中圧蒸気需給バランス） （４）
SL1 + SL2 = SLL （低圧蒸気需給バランス） （５）
S1 = f1(F1) （ボイラー２１の入出力特性） （６）
S2 = f2(F2) （ボイラー２２の入出力特性） （７）
SH1 = g1(P1,SM1,SL1)（タービン２３・発電機２５の入出力特性） （８）
SH2 = g2(P2,SM2,SL2)（タービン２３・発電機２５の入出力特性） （９）
（各変数の上下限制約） （１０）
ここで、
（最適化変数）
F1, F2：ボイラー２１,２２の燃料流量
S1, S2：ボイラー２１,２２の蒸気圧力
SH1, SH2：タービン２３,２４の主蒸気流量
SM1, SM2：タービン２３,２４の中圧蒸気の抽気流量
SL1, SL2：タービン２３,２４の低圧蒸気の抽気流量
P1, P2：発電機２５,２６の発電機出力
（パラメータ）
C1, C2：ボイラー２１,２２の燃料コスト
f1, f2：ボイラーの入出力特性関数
g1, g2：タービン発電機の入出力特性関数
PL, SML, SLL：電力、中圧蒸気、低圧蒸気の各負荷
である。

これらのパラメータのうち、電力負荷PL、中圧蒸気負荷SML、低圧蒸気負荷SLLは、データ入力部２から、他のパラメータは、プラントモデル記憶部４から送られてくる。

最適化手法としては、各機器の入出力特性関数を線形モデルで近似することにより、線形計画法が適用できるほか、非線形モデルに対しても非線形計画法を適用することができる。

（作用）
図３は、本発明の実施例１による処理手順の一例を示すフローチャートである。この図３に示すように、プラント最適運転制御システム１００は、まず自動制御投入手段５による自動制御投入がなされているかどうかを判断する（Ｓ２０１）。

自動制御が投入されている場合には、最適化変数選択部６によって、予め定められた手順により、最適化モデルの上記式（１）〜（１０）における最適化変数を選択する（Ｓ２０２）。すなわち、自動制御が投入された直後は、最適化変数としていずれの変数も選択せず、各変数の状態量をそのまま制約条件とする。このとき、各変数の上下限制約式（１０）を無視してもよい。

そして、最適化変数選択部６は、制御周期ごとに予め定められた順序によって最適化変数を選択し、最終的に自動制御が投入される直前に選択されていた最適化変数をすべて選択する。このとき、最適化変数の選択順序として、現在の最適化変数の状態量で、自動制御投入前の最適運転点との差が小さいものから順に選択するようにしてもよい。あるいは、最適化変数選択部６は、オペレータによって設定されることにより、最適化変数を選択するようにしてもよい。

次に、自動制御が投入されている場合には、運転点切り替え部７により、自動制御装置９へ送られる運転点として、最適運転点計算部３によって計算された最適運転点を使うように切り替える（Ｓ２０３）。

他方、自動制御が投入されていない場合には、これらのステップＳ２０２,Ｓ２０３は実行されない。そして、プラント最適運転制御システム１００は、データ入力部２によって、自動制御装置９を介してプラントの状態量を入力し、また、プラントモデル記憶部４からデータを読み込むことによって、最適運転点計算部３で処理するデータを用意する（Ｓ２０４）。

このデータに基き、最適運転点計算部３は、上記式（１）〜（１０）のモデルに対して最適化計算を行う（Ｓ２０５）。計算された最適運転点は、最適運転点表示部２０によって、画面などに表示される（Ｓ２０６）。

最後に、プラント最適運転制御システム１００は、自動制御装置９へ運転点を出力する（Ｓ２０７）。ここで、自動制御が投入されている場合には、運転点切り替え部８によって、最適運転点計算部３により計算された最適運転点が、自動制御装置９へ出力され、そうでない場合には、運転点設定部８によって設定された運転点が出力されることになる。

図４は、プラント最適運転制御システム１００の自動制御投入手段５における処理手順を示すフローチャートである。この図４に示すように、自動制御投入手段５は、まず入力部５０によって自動制御実施信号が入力されたかどうかを判定する（Ｓ４０１）。

自動制御実施信号が入力されると、自動制御投入手段５の判定部５１は、予め定められた条件により、自動制御投入の可否を判定する（Ｓ４０２）。自動制御に投入しない条件としては、例えば、「プラントからアラーム信号あり」、「状態量が異常値」、「最適化変数の上下限制約逸脱」、などがある。そして、自動制御投入可能であれば、自動制御投入手段５は、自動制御実行信号を出力する（Ｓ４０３）。

また、自動制御除外手段１１は、予め定められた条件により、自動制御を解除するか否かを判定し、自動制御を解除すると判定した場合は、自動制御解除信号を運転点切り替え部７へ出力し、自動制御投入が継続しないようにする。自動制御に投入しない条件としては、自動制御投入判定と同様の条件が考えられる。

（効果）
この実施例１によれば、プラントの最適運転点が現在の運転点と大きく異なっている場合でも、最適化すべき変数を少しずつ加えて最適化することができるので、プラントの安定な運転を損なうことなく、運転コストを最小化することができる。

また、自動制御投入手段５および自動制御除外手段１１により、プラントが安定に運転できているときだけ最適運転点での自動運転を実行するので、プラントの運転安定性を損なう可能性を小さくできる。

図５ないし図７を参照して本発明の実施例２を説明する。なお、実施例１と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
図５は、本発明の実施例２のプラント最適運転制御システムの構成を示すブロック線図である。この実施例２のプラント最適運転制御システム３０は、実施例１のプラント最適運転制御システム１から最適化変数選択部６を取り除き、運転点切り替え部７の代わりに目標運転点作成部３１を付加したものである。

目標運転点作成部３１は、自動制御投入手段５による自動制御への投入が行われると、運転点設定部８で設定された運転点と、最適運転点計算部３で計算された最適運転点とから、これらを補間した目標運転点を作成し、作成された目標運転点を自動制御装置９に送る。

（作用）
図６は、実施例２による処理手順の一例を示すフローチャートである。この図６に示すように、プラント最適運転制御システム３０は、まずデータ入力部２によって、自動制御装置９を介してプラントの状態量を入力し、またプラントモデル記憶部４からデータを読み込むことによって、最適運転点計算部３で処理するデータを用意する（Ｓ４０１）。

そして、プラント最適運転制御システム３０は、最適運転点計算部３によって、上記式（１）〜（９）のモデルに対して最適化計算を行う（Ｓ４０２）。計算された最適運転点は、最適運転点表示部１０によって、画面などに表示される（Ｓ４０３）。

次に、プラント最適運転制御システム３０は、自動制御が投入されているかどうかを判断する（Ｓ４０４）。

自動制御投入手段５によって自動制御が投入されている場合には、目標運転点作成部３１により、自動制御装置９へ送られる目標運転点として、最適運転点計算部３によって計算された最適運転点と現在の運転点とから目標運転点を作成する（Ｓ４０５）。

図７は、最適運転点および現在の運転点から目標運転点を作成する方法を示す図である。図７に示すように、目標運転点を、現在の運転点から、例えば５制御周期後に最適運転点へと移動するものとすると、目標運転点は、制御周期ごとに、
Xt+1 = Xt +ΔX, ΔX = (Xo - Xt)/5 （１１）
Xo：最適運転点、Xt：現在の運転点、Xt+1：目標運転点
として計算される。

自動制御が投入されていない場合には、運転点設定部８によって設定された運転点が、目標運転点として設定される。

最後に、プラント最適運転制御システムは、自動制御装置９へ運転点を出力する（Ｓ４０６）。ここで、自動制御が投入されている場合には、上記式（１１）で作成された運転点が自動制御装置９へ出力され、自動制御が投入されていない場合には、運転点設定部８によって設定された運転点が出力されることになる。

（効果）
この実施例２によれば、プラントの最適運転点が現在の運転点と大きく異なっている場合でも、自動制御装置に設定される目標運転点を、現在の運転点から最適運転点まで、少しずつ変更することができるので、プラントの安定な運転を損なうことなく、運転コストを最小化することができる。

図８および図９を参照して本発明の参考例を説明する。なお、実施例１、実施例２と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（構成）
図８は、本発明の実施例３の構成を示すブロック線図である。この実施例３におけるプラント最適運転制御システム４０は、データ入力部２、最適運転点計算部３、プラントモデル記憶部４、最適運転点表示部１０、需要予測部４１、需要予測モデル記憶部４２、最適運転点判定部４３およびアラーム発報部４４により構成されている。

需要予測部４１は、需要予測モデル記憶部４２の需要予測モデルに基づき、データ入力部２から入力された電力負荷および蒸気負荷データを用いて、将来の電力需要、蒸気需要を予測するものであり、予測された需要データは、最適運転点計算部３へ出力される。

需要予測モデル記憶部４２に記憶される需要予測モデルには、重回帰モデルや、ニューラルネットワークモデルなどがあるが、他の予測モデルを適用することも可能である。

最適運転点計算部３は、需要予測部４１から出力される電力需要予測値および蒸気需要予測値と、プラントモデル記憶部４から出力される最適化モデルに基づき、数理計画法などの最適化手法を用いて、プラントの運転コストが最小となる運転点を計算し、計算された最適運転点は、最適運転点表示部１０によって画面などに表示される。

最適運転点判定部４３は、最適運転点計算部３で計算された最適運転点が、定められた条件を満たしている場合、例えば、最適解が存在しない、あるいは最適化変数が上下限値に達しているかどうかなどを判定し、判定結果をアラーム発報部４４へ出力する。

アラーム発報部４４は、最適運転点判定部４３で条件を満たしていると判定された場合、アラームを発報する。

（作用）
図９は、参考例による処理手順の一例を示すフローチャートである。この図９に示すように、プラント最適運転制御システム４０は、まずデータ入力部２によって、自動制御装置９を介してプラントの状態量を入力し、また需要予想モデル記憶部４２からデータを読み込むことによって、需要予測部４１で処理するデータを用意する（Ｓ９０１）。

そして、需要予測部４１は、重回帰モデル、あるいはニューラルネットワークモデルを用いて将来の需要を予測する（Ｓ９０２）。

次に、プラント最適運転制御システム４０は、最適運転点計算部３によって、需要予測部４１で予測された需要と、最適化モデル記憶部４に記憶されている最適化モデルとを用いて、プラントの将来の最適運転点を計算する（Ｓ９０３）。計算された最適運転点は、最適運転点表示部１０によって画面などに表示される（Ｓ９０４）。

また、プラント最適運転制御システム４０は、最適運転点判定部４３によって、最適運転点計算部３によって計算された最適運転点が、定められた条件を満たしているかどうかを判定し（Ｓ９０５）、満たしている場合は、アラーム発報部４４によって、アラームが発報される（Ｓ９０６）。

（効果）
この参考例によれば、プラントの将来の最適運転点を、プラントの需要予測に基づいて予測することができ、予測された最適運転点が、プラントの安定な運転範囲から逸脱しているかどうかを予測し、運転員に知らせることができる。これにより、プラントの運転コストを最小化するために、安定運転を維持できるかどうかを事前に予測することができる。

本発明の実施例１に係るプラント最適運転制御システムの構成を示すブロック線図。 本発明の実施例１に係るプラント最適運転制御システムにおける自動制御投入手段の構成を示すブロック線図。 本発明の実施例１に係るプラント最適運転制御システムの処理手順を示すフローチャート。 本発明の実施例１に係るプラント最適運転制御システムにおける自動制御投入手段の処理手順の一例を示すフローチャート。 本発明の実施例２に係るプラント最適運転制御システムの構成を示すブロック線図。 本発明の実施例２に係るプラント最適運転制御システムの処理手順を示すフローチャート。 本発明の実施例２に係るプラント最適運転制御システムの目標運転点作成方法を説明する図。 本発明の参考例に係るプラント最適運転制御システムの構成を示すブロック線図。 本発明の参考例に係るプラント最適運転制御システムの処理手順を示すフローチャート。 従来のプラント最適運転制御システムの一例を示す図。

符号の説明

２… データ入力部
３… 最適運転点計算部
４… プラントモデル記憶部
５… 自動制御投入手段
６… 最適化変数選択部
７… 運転点切り替え部
８… 運転点設定部
９… 自動制御装置
１０… 最適運転点表示部
１１… 自動制御除外手段
２０… 自家用発電プラント
３０，４０，１００… プラント最適運転制御システム

Claims (8)

1. 発電プラントの運転コストを最小化する最適運転点を前記発電プラントの状態量及び前記発電プラントの最適化モデルに基づき計算する最適運転点計算手段と、
   前記最適運転点計算手段の計算により求めた前記最適運転点に応じてプラントを自動制御する自動制御手段と、
   前記発電プラントの自動制御運転を実施する自動制御実施信号が入力される入力部と、前記自動制御実施信号が入力された場合に予め定められた条件によって自動制御投入の可否を判定する判定部とを有する自動制御投入手段と、
   前記自動制御手段によって自動制御運転を行うに際し、前記最適化モデルにおける前記発電プラントの最適化対象の最適化変数の一部を選択する最適化変数選択手段と
   を備え、
   前記自動制御投入手段により自動制御投入が可能と判断された場合は、前記最適化変数選択手段によって選択された最適化変数をさらに用いて前記最適運転点計算手段にて最適運転点を求め、この最適運転点を前記自動制御手段に出力し、また、この最適運転点を表示することとし、
   前記自動制御投入手段により自動制御投入が不可能と判断された場合または前記自動制御投入手段における入力部に前記自動制御実施信号が入力されなかった場合は、前記最適化変数選択手段によって最適化変数を選択せずに予め設定された運転点を前記自動制御手段に出力し、また、前記最適化変数選択手段によって最適化変数を選択せずに前記最適運転点計算手段にて求めた最適運転点を表示する
   ことを特徴とするプラント最適運転制御システム。
2. 前記自動制御投入手段により自動制御投入が可能と判断された場合は、前記自動制御手段に出力する運転点を、前記最適運転点計算手段で求められた最適運転点に切り替える運転点切り替え手段を有することを特徴とする請求項１記載のプラント最適運転制御システム。
3. 前記自動制御投入手段により自動制御投入が可能と判断された場合は、その自動制御が選択された直後は、前記最適化変数が選択されていない状態として最適運転点を計算することを特徴とする請求項１又は２記載のプラント最適運転制御システム。
4. 前記最適化変数選択手段は、予め選択されていた最適化変数のうち、変化量の小さいものから順に選択することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のプラント最適運転制御システム。
5. 前記最適運転点計算手段は、前記最適化変数の上下限の制約を無視することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のプラント最適運転制御システム。
6. 発電プラントの運転コストを最小化する最適運転点を前記発電プラントの状態量及び前記発電プラントの最適化モデルに基づき計算する最適運転点計算手段と、
   前記最適運転点計算手段の計算により求めた前記最適運転点に応じて最適化モデルに基きプラントを自動制御する自動制御手段と、
   前記発電プラントの自動制御運転を実施する自動制御実施信号が入力される入力部と、前記自動制御実施信号が入力された場合に予め定められた条件によって自動制御投入の可否を判定する判定部とを有する自動制御投入手段と、
   前記最適運転点計算手段によって計算された最適運転点を表示する最適運転点表示手段と
   を備え、
   前記自動制御投入手段により自動制御投入が可能と判断された場合は、前記最適運転点計算手段にて求められた最適運転点と現在の運転点とから目標運転点を求め、この目標運転点を前記自動制御手段に出力し、さらに、前記最適運転点を前記最適運転点表示手段に表示することとし、
   前記自動制御投入手段により自動制御投入が不可能と判断された場合または前記自動制御投入手段における入力部に前記自動制御実施信号が入力されなかった場合は、予め設定された運転点を前記自動制御手段に出力し、さらに、前記最適運転点を前記最適運転点表示手段に表示する
   ことを特徴とするプラント最適運転制御システム。
7. 前記目標運転点は、現在の運転点から所定周期ごとに一定の割合で目標運転点まで変化させることを特徴とする請求項６記載のプラント最適運転制御システム。
8. 前記自動制御手段により自動制御が選択される場合であっても、この自動制御を解除する自動制御解除手段を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のプラント最適運転制御システム。

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