JP6747218B2 - プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法 - Google Patents

プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法 Download PDF

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Description

本発明は、プラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法に関する。
プロセスプラントは、タンク、配管、ポンプ、コンプレッサ、熱交換器などの所定の機能を実現する設備と、これらの設備の状態、およびこれら設備内を流れる原料、ガス、冷却水などの状態を測定または制御するプロセス制御システムとを備える。近年、このようなプロセスプラントの高度化および複雑化が進み、プロセス制御システムの制御対象となる設備の数が増大する傾向にある。
プロセス制御システムでは、プラントの挙動を模擬するためのシミュレータが用いられることも多い。例えば、特許文献１には、シミュレータの演算精度を向上させるために、プラントの実データ（オンラインデータ）に基づいて、シミュレーションモデルを随時調整（トラッキング）し、調整済みのシミュレーションモデルを用いてプラントの動作と並行してシミュレーションを実行するシミュレータが開示されている。また、特許文献２には、プロセス状態の予測のみならず、設備の診断に使用されるシミュレータが開示されている。
特許第４７８９２７７号公報 特開２００９−１６３５０７号公報 特許第４５２４６８３号公報 特許第５２１２８９０号公報
従来のシミュレータを用いた診断処理は、回転機械設備を中心とした振動診断などの機械的なものやタンク外部の腐食や配管の詰まりまたは減肉など、特定の機器に限定して実施されることがほとんどである。このような個別の設備診断のみでは、プラントプロセス全体の（または一部の）異常発生の事前検知や、診断を実施していない設備の劣化を把握することができない場合がある。また、プラントの使用期間は３０年以上に及ぶものも少なくなく、この間には、プラントを一時停止して、設備や計装機器の清掃、修理、交換、強化などの保全および保守作業が行われる。しかしながら、設備や計装機器の劣化度合いに関する情報が充分把握しきれず、適切な保全および保守作業を行うことができない場合がある。
また、従来のシミュレータにおいては、プロセスの実データにシミュレーションの結果が合致するように設備や機器の稼働状態に応じて変化するパラメータを調整する処理が行われる。この際、プラントの設計時などに設定される設備や機器の構成条件に関するパラメータの調整は行われないが、長期間に及ぶ使用期間を考慮した場合、プラントの経年変化、汚れなどの影響によって設備や機器の構成条件に関するパラメータも変化する場合がある。設備や機器の稼働状態に応じて変化するパラメータと、設備や機器の構成条件に関するパラメータとの双方をトラッキングシミュレーションで調整しようとした場合、設備や機器の構成条件に関するパラメータは他の多くのパラメータに影響を与えるため、シミュレーション結果が収束しない（シミュレート値と実データとが合致しない）場合がある。また、設備や機器の構成条件に関するパラメータを固定値としてパラメータの調整を行った場合、本来、設備や機器の稼働状態に応じて変化するパラメータに直接関連しない要素の影響を受けて同パラメータが調整されてしまい、シミュレーション結果に誤差が生じる場合がある。
また、設備や機器の構成条件に関するパラメータの調整にあたり、同設備や機器のメーカ設計値もしくは実験値を利用する場合がある。しかしながら、これらのメーカ提供値は、実際のプラントでの使用条件と異なる条件で採取されることが多い。メーカ提供値と、プラントで実際に使用された場合のパラメータの値との差分が大きい場合、シミュレーション精度が低下する場合がある。
本発明の一態様は、プラントのシミュレーションに用いるモデルの精度を向上させることができるプラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法を提供する。
本発明の一態様のプラントシミュレーション装置は、プラントに設けられる設備の状態をモデリングしたモデルと、前記モデルに設定され、前記プラントを稼働させる時に固定される第１パラメータおよび前記プラントの稼働中に変動させる第２パラメータとを記憶する第１記憶部と、前記設備のプロセス値と前記モデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記第１パラメータおよび第２パラメータの調整を行うシミュレータと、を備えてよい。
上記のプラントシミュレーション装置は、前記シミュレータによって調整された前記第１パラメータおよび前記第２パラメータの少なくとも一方の変更情報を用いて前記設備の診断を行う診断部をさらに備えてよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記シミュレータは、前記設備のプロセス値と前記モデルを用いて算出されるシミュレート値との差分が差分閾値以下となるように前記第１パラメータおよび第２パラメータの調整を行ってよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記シミュレータは、前記第１パラメータの調整を行った後に、前記第２パラメータの調整を行ってよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記シミュレータは、前記設備の稼働状態が調整条件を満たしていない場合、前記第２パラメータの調整を行わなくてよい。
上記のプラントシミュレーション装置は、前記シミュレータによって調整された前記第１パラメータおよび第２パラメータの変更情報を、調整時における前記設備の稼働条件および時刻情報とともに記憶する第２記憶部をさらに備えてよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記設備は、熱交換器であってよい。前記第１パラメータは、前記熱交換器の伝熱係数の流量依存度を表す値であり、前記第２パラメータは、前記熱交換器の基準流量における基準伝熱係数であってよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記設備は、熱交換器であってよい。前記第１パラメータは、前記熱交換器の伝熱係数の流量依存度を表す値であり、前記第２パラメータは、前記熱交換器の基準流量における基準伝熱係数であってよい。前記診断部は、前記基準伝熱係数の時系列データを生成してよい。
上記のプラントシミュレーション装置において、前記シミュレータは、前記熱交換器の流量が流量閾値未満の場合、前記基準伝熱係数の調整を行わなくてよい。
本発明の一態様のプラントシミュレーション方法は、プラントに設けられる設備のプロセス値と、前記設備の状態をモデリングしたモデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記モデルに設定され、前記プラントを稼働させる時に固定される第１パラメータおよび前記プラントの稼働中に変動させる第２パラメータの調整を行ってよい。
本発明の一態様のプラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法は、プラントのシミュレーションに用いるモデルの精度を向上させることができる。
第１実施形態におけるプラントシミュレーション装置を含むプラントシミュレーションシステムの一例を示すブロック図である。 第１実施形態におけるプラントの一例を示す図である。 第１実施形態におけるプラントシミュレーション装置の一例を示すブロック図である。 第１実施形態におけるプラントシミュレーション装置の固定パラメータ調整処理の一例を示すフローチャートである。 第１実施形態におけるプラントシミュレーション装置の変動パラメータ調整処理の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態におけるプラントシミュレーション装置による熱交換器の比例指数の調整処理の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態におけるプラントシミュレーション装置による熱交換器の基準伝熱係数の調整処理の一例を示すフローチャートである。 第２実施形態における熱交換器の基準伝熱係数の時系列変化を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明に係るプラントシミュレーション装置およびプラントシミュレーション方法のいくつかの実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態におけるプラントシミュレーション装置１を含むプラントシミュレーションシステムＡの一例を示すブロック図である。プラントシミュレーション装置１は、診断対象であるプラントＰＬを構成する各設備の診断を行う。この設備の診断には、設備を構成する各機器、各装置、各プロセスユニットの診断も含まれる。プラントシミュレーション装置１は、制御ネットワークＮを介して、例えば、操作監視端末３、コントローラ５、計装データベース７、およびプロセス値データベース９と接続されている。
プラントシミュレーション装置１は、プラントＰＬを構成する各設備から得られる実データ（プロセス値）と、シミュレーションにより得られるシミュレート値とを比較し、シミュレーションに用いるモデルに設定されるパラメータの調整を行う。また、プラントシミュレーション装置１は、プラントＰＬを構成する各設備の診断、例えば、性能劣化推定を行う。プラントシミュレーション装置１の詳細については後述する。
プラントＰＬは、例えば、化学などの工業プラントの他、ガス田や油田などの井戸元やその周辺を管理制御するプラント、水力、火力、原子力などの発電を管理制御するプラント、太陽光や風力などの環境発電を管理制御するプラント、上下水やダムなどを管理制御するプラントなどである。図２は、本実施形態におけるプラントの一例を示す図である。図２に示すプラントＰＬは、複数のプロセスユニット（反応器ユニット１００、気液分離器ユニット２００、および蒸留塔ユニット３００）を備える化学プラントである。反応器ユニット１００は、プラントＰＬの外部から製品の原料が供給され、供給された原料に対して製品を製造する上で必要となる化学反応を行う。反応器ユニット１００には、上記の化学反応を行う反応器１１０の他、各種フィールド機器（例えば、各種バルブ１１４、１１６、各種センサ機器（図示しない））などが設けられている。
気液分離器ユニット２００は、反応器ユニット１００の下流側に設けられ、反応器ユニット１００での化学反応により得られた生成物に含まれる気体成分と液体成分とを分離する。気液分離器ユニット２００には、上記の分離処理を行う分離器２１０の他、各種フィールド機器（例えば、各種バルブ２１２、各種センサ機器（図示しない））などが設けられている。蒸留塔ユニット３００は、気液分離器ユニット２００の下流側に設けられ、気液分離器ユニット２００で分離された液体成分を蒸発させた後に凝縮させることで、液体成分に含まれる沸点の異なる成分を、分離および凝縮する。蒸留塔ユニット３００は、プラントＰＬで生成した気体および液体成分を他のプラントへ供給する。蒸留塔ユニット３００には、上記の蒸留処理を行う蒸留塔３１０の他、各種フィールド機器（例えば、各種バルブ３１２、各種センサ機器（図示しない））などが設けられている。
図１においては、図２に示すようなプラントＰＬを簡略化して、各プロセスユニットに含まれるフィールド機器Ｆのみを示している。フィールド機器Ｆは、伝送線Ｌを介してコントローラ５に接続されている。フィールド機器Ｆは、測定したプロセス値（例えば、流量および温度）などの信号を、伝送線Ｌを介してコントローラ５に送信する。フィールド機器Ｆは、例えば、流量計や温度センサなどの測定器Ｆ１と、バルブ機器やアクチュエータ機器などの操作器Ｆ２とを含む。尚、図１においては、２つのフィールド機器が示されているが、３つ以上のフィールド機器がプラントＰＬに設置されてもよい。
操作監視端末３は、例えば、プラントの運転員によって操作されてプロセスの監視のために用いられる端末である。例えば、操作監視端末３は、フィールド機器Ｆから送信されたデータ（例えば、プロセス値）をコントローラ５から取得してフィールド機器Ｆやコントローラ５の挙動を運転員に伝えるとともに、運転員の指示に基づいてコントローラ５の制御を行う。
コントローラ５は、操作監視端末３からの指示などに応じてフィールド機器Ｆとの間でプロセス制御通信を行うことにより、フィールド機器Ｆの制御を行う。例えば、コントローラ５は、あるフィールド機器Ｆ（例えば、測定器Ｆ１）によって測定されたプロセス値を取得し、他のフィールド機器Ｆ（例えば、操作器Ｆ２）の操作量を演算して送信することによって、他のフィールド機器Ｆを制御する。また、コントローラ５は、フィールド機器Ｆとの間でプロセス制御通信を行うことにより得られたプロセス値をプロセス値データベース９に記憶させる。
計装データベース７は、プラントＰＬを構成する設備の条件などを記憶する。長期間に及ぶプラントライフサイクル中には、設備が交換または追加されたり、制御プログラムが修正される場合がある。計装データベース７はこれらの変更履歴情報なども記憶する。
プロセス値データベース９は、フィールド機器Ｆから送信されたデータまたはフィールド機器Ｆへ送信されたデータ（例えば、プロセス値、操作量、運転条件など）を記憶する。尚、計装データベース７およびプロセス値データベース９は、コントローラ５内に設けられたメモリに構築されてもよい。或いは、計装データベース７およびプロセス値データベース９は、プラントシミュレーション装置１内に設けられたメモリに構築されてもよい。
制御ネットワークＮは、例えばイーサネット（登録商標）などの有線ネットワークであるが、例えばＷｉ−Ｆｉ（登録商標）、ＷｉＭＡＸ（登録商標）、３Ｇ／ＬＴＥ（登録商標）などの無線通信規格に準拠した無線通信が可能な無線ネットワークであってもよい。
図３は、本実施形態におけるプラントシミュレーション装置１の一例を示すブロック図である。プラントシミュレーション装置１は、例えば、トラッキングシミュレータ１０（シミュレータ）と、パラメータ選択部１２と、モデル記憶部１４（第１記憶部）と、モデル履歴記憶部１６（第２記憶部）と、診断部１８と、表示部２０とを備える。トラッキングシミュレータ１０、パラメータ選択部１２、および診断部１８は、例えば、図示しないプログラムメモリに格納されたプログラムを、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサが実行することにより実現されてよい。
トラッキングシミュレータ１０は、オンラインでリアルタイムに実プラントに追従し、プラントの状態をシミュレーションする。トラッキングシミュレータ１０は、化学工学に基づく厳密モデルを使用しているので、プロセスに対する入力および出力といった単に表面的な動きだけでなく、プロセス内部の細かな状態を計算することができる。そのため、プラント内部の劣化などもシミュレーションのパラメータに反映される。例えば、トラッキングシミュレータ１０は、プロセス値データベース９からプロセス値などの各種データを読み出しプラントＰＬを構成する各設備の稼働状態をシミュレーションするとともに、シミュレーション結果と、プロセス値などの実データとを比較することにより、シミュレーションに用いるモデルＭを調整してプラントＰＬの実動作に合わせ込む機能を有する。
モデルＭは、プラントＰＬを構成する各設備（例えば、各プロセスユニット、各装置、各機器）の状態をモデリングしたものである。モデルＭは、プラント設計時にＰ＆ＩＤ（Piping and Instruments Diagram：配管系統図）などに基づいて作成される。モデルＭは、入力、出力、外部要因、およびモデルリングの対象である設備に含まれる各種パラメータの関係を示す連立方程式で表される。
例えば、トラッキングシミュレータ１０は、モデルＭに設定されるパラメータＰＡを調整することで、上記のトラッキングシミュレーションを行う。この調整対象となるパラメータＰＡには、例えば、「固定パラメータＦＰ（第１パラメータ）」および「変動パラメータＶＰ（第２パラメータ）」が含まれる。
「固定パラメータＦＰ」とは、例えば、プラント導入時や定期修理時などの試運転フェーズ、つまり、プラントを稼働させる時において、各設備を実際の稼働条件下においた上で調整および固定されるパラメータである。固定パラメータＦＰは、各設備の構成条件（各設備の初期性能、劣化状態、汚れ度合）に応じて変化する。固定パラメータＦＰは、プラントの通常運転中においては変更または調整されない。固定パラメータＦＰは、設備毎（例えば、プロセスユニット毎、機器毎、装置毎）に設定される。例えば、診断対象の設備が熱交換器である場合、固定パラメータＦＰは、熱交換器の伝熱係数の流量依存度を表す値（比例指数）である。
「変動パラメータＶＰ」とは、例えば、プラントの通常運転フェーズ、つまり、プラントの稼働中において、各設備を実際の稼働条件下においた上で調整および変動されるパラメータである。変動パラメータＶＰは、各設備の稼働状態に応じて変化する。変動パラメータＶＰは、設備毎（例えば、プロセスユニット毎、機器毎、装置毎）に設定される。例えば、診断対象の設備が熱交換器である場合、変動パラメータＶＰは、熱交換器の基準伝熱係数、例えば、設計伝熱係数である。
トラッキングシミュレータ１０は、例えば、パラメータ調整部３０と、比較部３２とを備える。パラメータ調整部３０は、モデル記憶部１４から読み出したモデルＭと、パラメータ選択部１２から入力されたパラメータＰＡとを用いてトラッキングシミュレーションを行う。比較部３２は、プロセス値データベース９から取得したプロセス値と、パラメータ調整部３０によって算出されたシミュレート値とを比較し、比較結果をパラメータ調整部３０に出力する。パラメータ調整部３０は、比較部３２から入力された比較結果に基づいて、パラメータＰＡを調整してプラントＰＬの実動作に合わせ込む処理（トラッキングシミュレーション）を行う。例えば、トラッキングシミュレータ１０は、設備のプロセス値とモデルＭを用いて算出されるシミュレート値との差分が予め定められた閾値（差分閾値）以下となるように固定パラメータＦＰおよび変動パラメータＶＰの調整を行う。トラッキングシミュレータ１０は、固定パラメータＦＰの調整と、変動パラメータＶＰの調整とを異なるタイミング行う。
パラメータ選択部１２は、例えば、操作監視端末３から入力されたプラントの運転員の指示（固定パラメータＦＰの調整指示、変動パラメータＶＰの調整指示など）に基づいて、変動パラメータＶＰおよび固定パラメータＦＰのうち調整対象とするパラメータを選択して、モデル記憶部１４から読み出す。次に、パラメータ選択部１２は、読み出した変動パラメータＶＰおよび固定パラメータＦＰの少なくとも１つをパラメータ調整部３０に出力する。
モデル記憶部１４は、パラメータ調整部３０のシミュレーションにおいて利用されるモデルＭ、およびパラメータＰＡ（変動パラメータＶＰ，固定パラメータＦＰ）を記憶する。モデル履歴記憶部１６は、パラメータ調整部３０によって調整されたパラメータＰＡの変更履歴を、調整時における各設備の稼働条件やタイムスタンプ（時刻情報）と共に記憶する。モデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disc Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、メモリなどで構成される。尚、モデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６は、同一のハードウェアに設けられてもよい。
診断部１８は、過去のシミュレーションにおいて調整されたパラメータ値と現在のシミュレーションにおいて調整されたパラメータの値とを比較することでプラントＰＬを構成する各設備の状態を診断する。診断部１８は、各設備の診断結果を表示部２０に出力する。例えば、診断部１８は、トラッキングシミュレータ１０によって調整された変動パラメータＶＰの変更情報を用いて設備の診断を行う。尚、診断部１８は、操作監視端末３に設けられてもよい。
表示部２０は、診断部１８から入力された各設備の診断結果を表示する。表示部２０は、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置などである。
＜固定パラメータの調整＞
次に、本実施形態のプラントシミュレーション装置１の動作について説明する。図４は、本実施形態におけるプラントシミュレーション装置１の固定パラメータ調整処理の一例を示すフローチャートである。
例えば、プラントＰＬの導入時や定期修理時の試運転フェーズにおいて、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して固定パラメータＦＰの調整を指示した場合、パラメータ調整部３０は、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値（例えば、流量など）を用いて、固定パラメータＦＰの調整条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。パラメータ調整部３０は、固定パラメータＦＰの調整条件を満たしていないと判定した場合、プロセス値を用いた上記の判定処理を継続する。
一方、パラメータ調整部３０は、固定パラメータＦＰの調整条件を満たしていると判定した場合、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して入力した固定パラメータＦＰの仮決め値（例えば、運転員が決定した値）および変動パラメータＶＰの設計値（例えば、メーカ提供値）を初期値としてモデル記憶部１４に記憶させ、固定パラメータＦＰおよび変動パラメータＶＰを仮決めする（ステップＳ１０３）。
次に、パラメータ選択部１２は、調整対象のパラメータとして固定パラメータＦＰを選択して（変動パラメータＶＰは選択しない）、トラッキングシミュレーションの開始指示をパラメータ調整部３０に出力する（ステップＳ１０５）。
次に、パラメータ調整部３０は、調整対象のパラメータを固定パラメータＦＰとしてトラッキングシミュレーションを開始し、固定パラメータＦＰを調整する（ステップＳ１０７）。
次に、パラメータ調整部３０は、固定パラメータＦＰを調整対象としたシミュレーションにより算出されたシミュレート値を比較部３２に出力する。比較部３２は、パラメータ調整部３０から入力されたシミュレート値と、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値とを比較し、比較結果をパラメータ調整部３０に出力する。パラメータ調整部３０は、この比較結果を参照し、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた差分閾値（第１差分閾値）以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第１差分閾値以下ではないと判定した場合、再度、固定パラメータＦＰの調整を行う。尚、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値とが合致するまでパラメータ調整を繰り返してもよい。
一方、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第１差分閾値以下であると判定した場合、調整済みの固定パラメータＦＰをパラメータ選択部１２に出力する。パラメータ選択部１２は、パラメータ調整部３０から入力された固定パラメータＦＰをモデル記憶部１４に記憶させ（ステップＳ１１１）、本フローチャートの処理を終了する。尚、パラメータ調整部３０が、調整済みの固定パラメータＦＰをモデル記憶部１４に記憶させてもよい。また、必要に応じて、プラントの運転員が固定パラメータの手動調整を行ってもよい。
＜変動パラメータの調整＞
図５は、本実施形態におけるプラントシミュレーション装置１の変動パラメータ調整処理の一例を示すフローチャートである。
例えば、プラントＰＬの通常運転フェーズにおいて、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して変動パラメータＶＰの調整を指示した場合、パラメータ選択部１２は、モデル記憶部１４から変動パラメータＶＰおよび固定パラメータＦＰを読み出し、調整対象のパラメータとして変動パラメータＶＰを選択する（固定パラメータＦＰは選択しない）（ステップＳ２０１）。すなわち、上記のとおりプラントＰＬの試運転フェーズなどにおいて固定パラメータＦＰの調整を行った後、本処理において変動パラメータＶＰの調整を行う。パラメータ選択部１２は、調整対象として指定された変動パラメータＶＰと、固定パラメータＦＰとを、トラッキングシミュレータ１０のパラメータ調整部３０に出力する。
次に、パラメータ調整部３０は、診断対象の設備の動作状態が、予め定められた変動パラメータ調整条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ２０３）。例えば、診断対象の設備の動作状態が安定していない条件下（通常運転範囲外の条件下、時間的変化が大きい条件下）においてトラッキングシミュレーションを行った場合、変動パラメータＶＰの調整が適切に行われない場合がある。このため、パラメータ調整部３０は、診断対象の設備の動作状態が、予め定められた変動パラメータ調整条件を満たしていないと判定した場合、変動パラメータＶＰの調整を行わずに本フローチャートの処理を終了する。パラメータ調整部３０は、上記の判定処理を、例えば、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値に基づいて行う。尚、上記のように変動パラメータＶＰの調整を行わなかった場合は、変動パラメータＶＰの調整が完了していない旨を診断部１８や操作監視端末３などに通知してもよい。
一方、パラメータ調整部３０は、診断対象の設備の動作状態が予め定められた変動パラメータ調整条件を満たしていると判定した場合、パラメータ選択部１２から入力された変動パラメータＶＰおよび固定パラメータＦＰ、モデル記憶部１４から読み出したモデルＭ、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値、および計装データベースから読み出した設備条件を用いて、トラッキングシミュレーションを開始し、変動パラメータＶＰを調整する（ステップＳ２０５）。
次に、パラメータ調整部３０は、トラッキングシミュレーションにより算出されたシミュレート値を比較部３２に出力する。比較部３２は、パラメータ調整部３０から入力されたシミュレート値と、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値とを比較し、比較結果をパラメータ調整部３０に出力する。パラメータ調整部３０は、この比較結果を参照し、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた差分閾値（第２差分閾値）以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第２差分閾値以下ではないと判定した場合、再度、変動パラメータＶＰの調整を行う。尚、第２差分閾値は、上記の第１差分閾値と同じであってもよいし、第１差分閾値と異なっていてもよい。例えば、第２差分閾値は、第１差分閾値よりも小さくてよい。
一方、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第２差分閾値以下であると判定した場合、調整済みの変動パラメータＶＰをパラメータ選択部１２に出力する。パラメータ選択部１２は、パラメータ調整部３０から入力された調整済みの変動パラメータＶＰをモデル記憶部１４に記憶させる（ステップＳ２０９）。また、パラメータ選択部１２は、調整済みのパラメータを同パラメータ調整時の条件やタイムスタンプとともにモデル履歴記憶部１６に記憶させる。尚、パラメータ選択部１２は、パラメータの調整が済んだ時点で都度すべてのパラメータをモデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６に記憶させてもよいし、任意タイミングの調整済みパラメータをモデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６に記憶させてもよい。
次に、診断部１８は、モデル履歴記憶部１６から変動パラメータＶＰおよび同パラメータ調整時の条件やタイムスタンプを読み出し、診断処理を行う（ステップＳ２１１）。例えば、診断部１８は、変動パラメータＶＰの時系列データを生成し、表示部２０に出力する。プラントの運転員は、この表示部２０に表示された変動パラメータＶＰの時系列データを確認することで、診断対象の設備の状態を確認することができる。以上により、本フローチャートの処理を終了する。尚、診断部１８は、変動パラメータＶＰのモデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６への記憶の度に、上記の診断処理を毎回行う必要はなく、任意のタイミングで診断処理を行うようにしてよい。
以上において説明した本実施形態によれば、診断対象の設備の構成条件に合わせて調整された固定パラメータＦＰの値の調整が完了した後に、変動パラメータＶＰのみが調整されるため、シミュレーションに用いるモデルＭの精度を高めることができる。結果として、診断結果（予測結果など）の精度も向上し、プラント運転中における運転員の負担（運転中の常駐など）を低減することができる。また、パラメータの変更履歴を調整時における設備の稼働条件やタイムスタンプと共にモデル履歴記憶部１６に記憶しておくことで、各設備の劣化度合いや汚れなどの時系列変化の把握が可能であり、保全および保守作業の効率化を図ることができる。
また、設備のメーカ提供値の測定条件と実プラント使用条件の差異が大きい場合でも、シミュレーション時におけるパラメータの誤調整を防止でき、精度の高いシミュレーションを行うことができる。また、プラントの定期修理、改造などに際してより精度の高いモデルの提供が可能となり、長期間のプラントのライフサイクルに渡って同モデルを活用することができる。固定パラメータＦＰの初期設定時に、設備のメーカ提供値（実際の使用条件と異なる条件での値）をそのまま設定しても、固定パラメータＦＰの調整時に、より実態に近いパラメータ値に調整されるため、変動パラメータＶＰの調整時においても、より精度の高い調整を行うことができる。
尚、上記の実施形態においては、診断部１８が、変動パラメータＶＰにより診断を行う構成を示したが、長期間の固定パラメータＦＰの変更情報を用いて設備の診断を行うこともできる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態においては、第１実施形態のプラントシミュレーション装置が、プラントに設けられた「熱交換器」のシミュレーションを行う例について説明する。このため、第２実施形態の説明において、上記の第１実施形態と同様の部分には同じ参照番号を付与し、その説明を省略あるいは簡略化する。
本実施形態において、「熱交換器」とは温度が異なる流体が互いに接触して熱のやり取りが行われる機器をいう。一般に熱交換器の交換熱量は以下の式（１）のように表すことができる。
Ｑ＝Ｕ×Ａ×ΔＴ・・・（１）
ここで、Ｑ：交換熱量
Ｕ：伝熱壁との伝熱係数
Ａ：熱交換部面積
ΔＴ：入出力温度差
また、上記の伝熱係数Ｕは、以下の式（２）のように表すことができる。
Ｕ＝Ｕdes×（Ｆ・ｍｗ／Ｆｗdes）α・・・式（２）
ここで、Ｕdes：基準伝熱係数、例えば、設計伝熱係数
Ｆ ：流体の流量
ｍｗ：流体の平均分子量
Ｆｗdes：基準流量、例えば、設計流量
α：比例指数
熱交換器内の配管が付着物で汚損すると熱効率が低下して追加燃料が必要となるため、エネルギーコストが増加する。上記式（１）に表されるように、このような熱交換面の汚損は熱抵抗となって熱の通過率（伝熱係数Ｕ）を低下させることから、熱交換器の性能（交換熱量Ｑ）が低下する。また、上記式（２）に表されるように、熱交換器の伝熱係数Ｕは、熱交換器の流量Ｆに依存して変化する。流量Ｆの伝熱係数Ｕに対する影響は比例指数αに依存する。すなわち、比例指数αは、熱交換器の伝熱係数Ｕの流量依存度を表す値である。本実施形態では、従来のシミュレーション（例えば、特許文献２）においては考慮されていなかった比例指数αを固定パラメータＦＰとし、基準伝熱係数Ｕdesを変動パラメータＶＰとして両パラメータの調整を行う。
＜固定パラメータ（比例指数）の調整＞
次に、本実施形態のプラントシミュレーション装置１の動作について説明する。図６は、本実施形態におけるプラントシミュレーション装置１による熱交換器の比例指数の調整処理の一例を示すフローチャートである。
例えば、プラントＰＬの導入時や定期修理時の試運転フェーズにおいて、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して固定パラメータＦＰの調整を指示した場合、パラメータ調整部３０は、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値（流量Ｆ）を用いて、熱交換器の流量Ｆが安定しているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。熱交換器の流量Ｆが安定しているか否かの判定は、例えば、流量Ｆの時間変化が予め定められた閾値以下であるか否かに基づいて行われる。パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが安定していないと判定した場合、流量Ｆに対する上記の判定処理を継続する。
一方、パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが安定していると判定した場合、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して入力した固定パラメータＦＰ（比例指数α）の仮決め値（例えば、運転員が決定した値）および変動パラメータＶＰ（基準伝熱係数Ｕdes）の設計値（例えば、メーカ提供値）を初期値としてモデル記憶部１４に記憶させ、比例指数αおよび基準伝熱係数Ｕdesを仮決めする（ステップＳ３０３）。
次に、パラメータ選択部１２は、調整対象のパラメータとして比例指数αを選択して（基準伝熱係数Ｕdesは選択しない）、トラッキングシミュレーションの開始指示をパラメータ調整部３０に出力する（ステップＳ３０５）。通常、このような比例指数αの調整を行う際には、基準伝熱係数Ｕdesとしては設計値（メーカ提供値）を使用する。このため、比例指数αの調整は、熱交換器が汚れていない状態（例えば、熱交換器の新規運転開始時やメンテナンス直後）に行う。
次に、パラメータ調整部３０は、調整対象のパラメータを比例指数αとするトラッキングシミュレーションを開始し、比例指数αを調整する（ステップＳ３０７）。
次に、パラメータ調整部３０は、比例指数αを調整対象としたシミュレーションにより算出されたシミュレート値を比較部３２に出力する。比較部３２は、パラメータ調整部３０から入力されたシミュレート値と、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値とを比較し、比較結果をパラメータ調整部３０に出力する。パラメータ調整部３０は、この比較結果を参照し、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた差分閾値（第１差分閾値）以下であるか否かを判定する（ステップＳ３０９）。パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第１差分閾値以下ではないと判定した場合、再度、比例指数αの調整を行う。尚、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値とが合致するまでパラメータ調整を繰り返してもよい。
一方、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第１差分閾値以下であると判定した場合、調整済みの比例指数αをパラメータ選択部１２に出力する。パラメータ選択部１２は、パラメータ調整部３０から入力された比例指数αをモデル記憶部１４に記憶させ（ステップＳ３１１）、本フローチャートの処理を終了する。尚、パラメータ調整部３０が、調整済みの比例指数αをモデル記憶部１４に記憶させてもよい。また、必要に応じて、プラントの運転員が比例指数αの手動調整を行ってもよい。
＜変動パラメータ（基準伝熱係数Ｕdes）の調整＞
図７は、本実施形態におけるプラントシミュレーション装置１による熱交換器の基準伝熱係数の調整処理の一例を示すフローチャートである。
例えば、プラントＰＬの通常運転フェーズにおいて、プラントの運転員が操作監視端末３を操作して基準伝熱係数Ｕdesの調整を指示した場合、パラメータ選択部１２は、モデル記憶部１４から基準伝熱係数Ｕdesおよび比例指数αを読み出し、調整対象のパラメータとして基準伝熱係数Ｕdesを選択する（比例指数αは選択しない）（ステップＳ４０１）。パラメータ選択部１２は、調整対象として指定された基準伝熱係数Ｕdesと、比例指数αとを、トラッキングシミュレータ１０のパラメータ調整部３０に出力する。
次に、パラメータ調整部３０は、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値（流量Ｆ）を参照し、熱交換器の流量Ｆが安定しているか否かを判定する（ステップＳ４０３）。熱交換器の流量Ｆが安定しているか否かを判定は、例えば、流量Ｆの時間変化が予め定められた閾値以下であるか否かに基づいて行われる。パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが安定していないと判定した場合、流量Ｆに対する上記の判定処理を継続する。尚、熱交換器の流量Ｆがプロセス値データベース９に記憶されていない場合（流量計による測定値がない場合）、トラッキングシミュレータ１０において流量Ｆの値を推定してもよい。
一方、パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが安定していると判定した場合、熱交換器の流量Ｆが、予め定められた下限流量(流量閾値)以上であるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。パラメータ調整部３０によるトラッキングシミュレーションは、熱交換器を流れる流体が通常の流れ状態である「乱流」であることを想定したものであるが、熱交換器の流量Ｆが少ない場合、流れの性質が変化して「層流」となっている可能性がある。この層流の流体においては、上記の式（２）が成り立たない場合がある。このため、この層流の流体に対してトラッキングシミュレーションを行うと、基準伝熱係数Ｕdesの調整が適切に行われない場合がある。このため、パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが、予め定められた下限流量以上でないと判定した場合（予め定められた下限流量未満である場合）、基準伝熱係数Ｕdesの調整を行わずに本フローチャートの処理を終了する。尚、層流と乱流の境界は流速や管の内径に依存する。例えば、下限流量を最大流量の３０％程度に設定してよい。
一方、パラメータ調整部３０は、熱交換器の流量Ｆが、予め定められた下限流量以上であると判定した場合、パラメータ選択部１２から入力された基準伝熱係数Ｕdesおよび比例指数α、モデル記憶部１４から読み出したモデルＭ、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値、および計装データベース７から読み出した設備条件を用いて、トラッキングシミュレーションを開始し、基準伝熱係数Ｕdesを調整する（ステップＳ４０７）。
次に、パラメータ調整部３０は、トラッキングシミュレーションにより算出されたシミュレート値を比較部３２に出力する。比較部３２は、パラメータ調整部３０から入力されたシミュレート値と、プロセス値データベース９から読み出したプロセス値とを比較し、比較結果をパラメータ調整部３０に出力する。例えば、比較部３２は、熱交換器のプロセスの主フローの出口側温度、若しくは冷却水の出口側温度に関して、シミュレート値と、プロセス値とを比較する。熱交換器の種類や設置場所により、比較対象となる指標は異なる。パラメータ調整部３０は、この比較結果を参照し、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた差分閾値（第２差分閾値）以下であるか否かを判定する（ステップＳ４０９）。パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第２差分閾値以下ではないと判定した場合、再度、基準伝熱係数Ｕdesの調整を行う。尚、第２差分閾値は、上記の第１差分閾値と同じであってもよいし、第１差分閾値と異なっていてもよい。例えば、第２差分閾値は、第１差分閾値よりも小さくてよい。
一方、パラメータ調整部３０は、シミュレート値と、プロセス値との差分が予め定められた第２差分閾値以下であると判定した場合、調整済みの基準伝熱係数Ｕdesをパラメータ選択部１２に出力する。パラメータ選択部１２は、パラメータ調整部３０から入力された調整済みの基準伝熱係数Ｕdesをモデル記憶部１４に記憶させる（ステップＳ４１１）。また、パラメータ選択部１２は、調整済みのパラメータを同パラメータ調整時の条件やタイムスタンプとともにモデル履歴記憶部１６に記憶させる。尚、パラメータ選択部１２は、パラメータの調整が済んだ時点で都度すべてのパラメータをモデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６に記憶させてもよいし、任意タイミングの調整済みパラメータをモデル記憶部１４およびモデル履歴記憶部１６に記憶させてもよい。
次に、診断部１８は、モデル履歴記憶部１６から基準伝熱係数Ｕdesおよび同パラメータ調整時の条件やタイムスタンプを読み出し、診断処理を行う（ステップＳ４１３）。例えば、診断部１８は、基準伝熱係数Ｕdesの時系列データを生成し、表示部２０に出力する。図８は、本実施形態における熱交換器の基準伝熱係数の時系列変化を示す図である。図８では、基準伝熱係数Ｕdesの値が、時間とともに低下していることが分かる。プラントの運転員は、この表示部２０に表示された基準伝熱係数Ｕdesの時系列データを確認することで、診断対象の熱交換器の状態を確認することができる。以上により、本フローチャートの処理を終了する。
以上において説明した本実施形態によれば、熱交換器の構成条件に合わせて調整した比例指数αの値の調整が完了した後に、基準伝熱係数Ｕdesのみが調整されるため、流量依存度を各パラメータに正確に反映でき、シミュレーションに用いるモデルＭの精度を高めることができる。結果として、熱交換器の性能劣化などを精度よく診断することができる。また、熱交換器の流量が少ない場合には、基準伝熱係数Ｕdesの調整を行わないようにしているため、パラメータの誤調整を防止することができる。
尚、上記の実施形態においては、パラメータ選択部１２が固定パラメータＦＰと変動パラメータＶＰとを選択する構成を説明したが、さらにパラメータの区分け数を増やし、選択処理を行うようにしてもよい。例えば、定期修理時など年単位で固定パラメータＦＰの調整を行う場合、季節単位や生産物によって変化するパラメータを第２固定パラメータとして定義してよい。
また、上記の実施形態においては、トラッキングシミュレータ１０を使用する構成を説明したが、スタティックシミュレータおよびダイナミックシミュレータの双方を備えたシミュレータ、或いは、スタティックシミュレータおよびトラッキングシミュレータの双方を備えたシミュレータを使用してもよい。
上記のスタティックシミュレータは、スタティックモデル（プラントを構成する機器の定常状態をモデリングしたモデル）を使用して、プラントを構成する機器の定常状態のシミュレーションを行うシミュレータである。また、上記のダイナミックシミュレータは、ダイナミックモデル（プラントを構成する機器の相互関係を考慮したプラントの動的状態（非定常状態）をモデリングしたモデル）を使用して、プラントを構成する機器の相互関係を考慮したプラントを対象とするシミュレーションを行うシミュレータである。
トラッキングシミュレータ１０によって固定パラメータＦＰを調整する場合、プラントＰＬの外部条件（生産量、原料など）が変化している場合がある。調整後のパラメータ値にこれらの要因が含まれてしまうと、現在の固定パラメータＦＰの値と過去の固定パラメータＦＰの値とを単純に比較できない場合がある。上記のスタティックシミュレータおよびダイナミックシミュレータ（或いは、スタティックシミュレータおよびトラッキングシミュレータ）を備えたシミュレータにおいては、トラッキングシミュレータにおいて用いるダイナミックモデルを、スタティックモデルに変換し条件を整合（運転条件等値化）したのち、再度ダイナミックモデルに戻す。この機能を利用することにより、プラントの外部条件の変化によるパラメータ調整時の誤差を低減することができる。尚、このようなスタティックシミュレータおよびダイナミックシミュレータ（或いは、スタティックシミュレータおよびトラッキングシミュレータ）を備えるシミュレータの詳細は、特願２０１６−０２１１１６に開示されている。
また、上記の実施形態においては、トラッキングシミュレータ１０を使用する構成を説明したが、パラメータをオフラインで調整するオフライン型のシミュレータを使用してもよい。このオフライン型のシミュレータは、パラメータ選択時に選択しなかったパラメータの変更が行われないように制御して、固定パラメータＦＰおよび変動パラメータＶＰの調整を個別に行ってよい。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせなどは一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求などに基づき種々変更可能である。
１……プラントシミュレーション装置、３……操作監視端末、５……コントローラ、７……計装データベース、９……プロセス値データベース、１０……トラッキングシミュレータ、１２……パラメータ選択部、１４……モデル記憶部、１６……モデル履歴記憶部、１８……診断部、２０……表示部、３０……パラメータ調整部、３２……比較部、１００……反応器ユニット、１１０……反応器、１１４、１１６……バルブ、２００……気液分離器ユニット、２１０……分離器、２１２……バルブ、３００……蒸留塔ユニット、３１０……蒸留塔、３１２……バルブ、Ａ……プラントシミュレーションシステム、Ｆ……フィールド機器、Ｆ１……測定器、Ｆ２……操作器、Ｌ……伝送線、Ｎ……制御ネットワーク、ＰＬ……プラント

Claims (9)

  1. プラントに設けられる設備の状態をモデリングしたモデルと、前記モデルに設定され、前記プラントを稼働させる時に調整される第１パラメータおよび前記プラントの稼働中に変動させる第２パラメータとを記憶する第１記憶部と、
    前記プラントを稼働させる時に、前記設備のプロセス値と前記モデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記第１パラメータの調整を行い、その後、前記プラントの稼働中に、前記設備のプロセス値と、調整済みの前記第１パラメータが設定された前記モデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記第２パラメータの調整を行うシミュレータと、
    を備える、プラントシミュレーション装置。
  2. 前記シミュレータによって調整された前記第１パラメータおよび前記第２パラメータの少なくとも一方の変更情報を用いて前記設備の診断を行う診断部をさらに備える、
    請求項１に記載のプラントシミュレーション装置。
  3. 前記シミュレータは、前記設備のプロセス値と前記モデルを用いて算出されるシミュレート値との差分が差分閾値以下となるように前記第１パラメータおよび第２パラメータの調整を行う、
    請求項１または２に記載のプラントシミュレーション装置。
  4. 前記シミュレータは、前記設備の稼働状態が調整条件を満たしていない場合、前記第２パラメータの調整を行わない、
    請求項１から３のいずれか一項に記載のプラントシミュレーション装置。
  5. 前記シミュレータによって調整された前記第１パラメータおよび第２パラメータの変更情報を、調整時における前記設備の稼働条件および時刻情報とともに記憶する第２記憶部をさらに備える、
    請求項１から４のいずれか一項に記載のプラントシミュレーション装置。
  6. 前記設備は、熱交換器であり、
    前記第１パラメータは、前記熱交換器の伝熱係数の流量依存度を表す値であり、前記第２パラメータは、前記熱交換器の基準流量における基準伝熱係数である、
    請求項１から５のいずれか一項に記載のプラントシミュレーション装置。
  7. 前記設備は、熱交換器であり、
    前記第１パラメータは、前記熱交換器の伝熱係数の流量依存度を表す値であり、前記第２パラメータは、前記熱交換器の基準流量における基準伝熱係数であり、
    前記診断部は、前記基準伝熱係数の時系列データを生成する、
    請求項２に記載のプラントシミュレーション装置。
  8. 前記シミュレータは、前記熱交換器の流量が流量閾値未満の場合、前記基準伝熱係数の調整を行わない、
    請求項６または７に記載のプラントシミュレーション装置。
  9. プラントを稼働させる時に、前記プラントに設けられる設備のプロセス値と、前記設備の状態をモデリングしたモデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記モデルに設定され、前記プラントを稼働させる時に調整される第１パラメータの調整を行い、
    その後、前記プラントの稼働中に、前記設備のプロセス値と、調整済みの前記第１パラメータが設定された前記モデルを用いて算出されるシミュレート値とを比較し、前記モデルに設定され、前記プラントの稼働中に変動させる第２パラメータの調整を行う、
    プラントシミュレーション方法。
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