JPH02264303A - 発電システムの最適運転方法 - 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］ 本発明は、自家発電システムを有している工場において
、ボイラからの供給蒸気と発電電気量（及び買電電気量
）をコストミニマムにコントロールすることにより、自
家発電システムの最適な運転を行なわしめる発電システ
ムの最適運転方法に関する。

［従来の技術］ 石油化学、鉄鋼９紙バルブ、等における各種プラントに
あっては、工場内に自家発電システムを設け、電力、蒸
気の供給を行なっている。

このように、自家発電システムを有する工場にあっては
、自家発電システムのみて需要電力をまかなう場合と、
自家発電システムを停止させなければならない事態の発
生、電力のスポット的高需要の発生、あるいは夜間帯の
買電料金の低価格化などを考慮して、自家発電と買電を
併用する場合とがある。

したがって、自家発電システムの効率的な運用が重要と
なり、その研究が行なわれている。

特に、自家発電と買電を併用するシステムの場合、自家
発電による電力の供給と買電による電力の供給を効率的
に行なうと、運用コストを大幅に低減できることから、
プラント側の負荷変動、買電料金の時間、曜日による変
動及びボイラ、タービンの特性等を考慮し、どのように
すれば、最も経済的に電力供給の運用を行なえるかとい
うこと（最適運転法）が研究されている。そして、従来
は非線形計画法にもとづいて最適運転法を実施するのが
一般的であった。

しかしながら、非線形計画法によると計算に時間がかか
ることから、計算時間の短縮化を図った方法が提案され
ている（特公昭６２−１８９２２号）。

これは、複数のボイラと、これらボイラの出力をエネル
ギとして駆動される複数のタービン等のエネルギ変換機
器にて構成されるエネルギ変換システムにおいて、前記
各種別のエネルギ変換用機器群を、それぞれまとめて等
価な単一の機器に置き変えた等価システムをモデルとし
て用いる運転方法である。

［解決すべき課Ｂ］ 上述した特公昭６２−１８９２２号に示す運転方法は、
エネルギ変換用機器群をまとめて等価な単一機器に置き
変えることにより変数を減少させ、これによって計算時
間の大幅な短縮化を図っている。

しかしながら、複数のエネルギ変換用機器群を単一な機
器に置き変えているため、各エネルギ変換用機器の個々
についてまでは最適化運転を行なえないという問題があ
った。

本発明は上記の問題点にかんがみてなされたもので、短
時間のうちに最適化運転に必要な計算を行なえるととも
に１発電システムを構成する個々の機器についても、最
適化運転をする上で必要な制御を行ない、これにより１
発電システムのより一層効率的な最適化運転を可能なら
しめた発電システムの最適運転方法の提供を目的とした
。

［課題の解決手段］ 上記課題を解決するため、本発明の方法を、自家発電シ
ステムの最適運転に適用する場合には。

ボイラ、発電用タービン等の機器を複数有し、プラント
へ電気を供給する発電システムにおいて。

少なくとも、プラントの蒸気使用量と、−プラントの電
気使用量及び、各タービンの発電電気量のデータを収集
し、一定周期ごとに、上記収集した各データをもとに連
続線形計画法及び組合せの理論によって、各タービンの
蒸気と電力バランスの最適計算を行ない、この最適計算
の結果にもとづき上記各タービンへの蒸気供給量の配分
を制御して発電システムを運転する方法としである。

また１本発明の方法を、自家発電と買電を併用したシス
テムの最適運転に適用する場合には、ボイラ、発電用タ
ービン等の機器を複数有し、プラントへ電気を供給する
発電システムにおいて、少なくとも、プラントの蒸気使
用量と、プラントの電気使用量と、各タービンの発電電
気量及び買電電気量のデータを収集し、一定周期ごとに
、上記収集した各データをもとに連続線形計画法及び組
合せの理論によって、各タービンの蒸気と電力バランス
の最適計算を行ない、この最適計算の結果にもとづき上
記各タービンへの蒸気供給量の配分を制御して発電シス
テムを運転する方法としである。

そして好ましくは、いずれの場合も、上記複数のタービ
ンのそれぞれについて、最適計算を行なう一のタービン
以外のタービンにおける蒸気供給量と発電電気量を前回
の連続線形関数の制限内に固定した状態で、当該一のタ
ービンの最適計算を行なうようにしである。

ここで、連続線形計画法（５ｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　Ｌｉ
ｎｅａｒＰｒｏｇｒａｇ＋ｓｉｎｇ　　）とは、探索点
付近にて非線形関数を線形近似し、線形計画問題として
、線形計画問題解放の領域を遂次移動させ、最適点を探
索する静的問題の最適化手法である。

本手法は、線形計画法の特性をそのまま保有しているも
ので、他の非線形最適化手法に比べて、大規模なモデル
での制御付き最適化問題に適している。

［作用］ 本発明は、連続線形計画法及び組合せの理論にもとづい
て発電システムの最適化運転を行なうことにより、必要
蒸気量及び必要電力量を一定としながら、各タービンの
蒸気量を配分することによって、発電システムを最高効
率点で運転している。

［実施例］ 以下１本発明を、自家発電と買電を併用する発電システ
ムの最適運転方法に適用する実施例について説明する。

第１図は１本発明の発電システム最適運転方法を実施す
るための、発電システムの一モデルのフロック図を示す
。

同図において、Ｂｌ、Ｂ２はボイラ、Ｇ１−Ｈは第一発
電系における高圧段タービン、Ｇｌ−Ｌは同じく低圧段
タービン、Ｇ２−Ｈは第二発電系における高圧段タービ
ン、Ｇ２−Ｌは同じく低圧段タービン、Ｇ３は第三発電
系におけるタービンである。また、ＩＨ及びＩＬは、第
一発電系の高圧段タービンＧ１−Ｈ及び、低圧段タービ
ンＧｌ−Ｌへ供給する蒸気の制御弁、２Ｈ及び２Ｌは、
第二発電系の高圧段タービンＧ２−Ｈ及び、低圧段ター
ビンＧ２−Ｌへ供給する蒸気の制御弁、３は第三発電系
におけるタービンＧ３へ供給する蒸気の制御弁である。

４ｘ、４ｙ、４ｚは＃１〜＃３プラントに蒸気を供給す
るためのライン、５ａ、５ｂ及び６ａ。

６ｂは蒸気ライン４ｘ、４ｙ、４ｚの間に設けられた蒸
気の変換弁、７．８は＃４．＃５プラントへ電力を供給
するための配線である。

９ｘ、９ｙ、９ｚは配管４ｘ、４ｙ、４ｚ中を流れプラ
ント＃ｌ〜＃３で使用される蒸気量を測定する圧力計、
１１，１２．１３は第一発電系。

第二発電系、第三発電系における発電量を測定する電力
計、１４．１５は＃４．＃５プラントにて使用される電
力を測定する電力計、ｌ　６ａ。

１６ｂは外部からの買電量を測定するための電力計であ
る。

２０は演算処理装置であり、制約値回避制御機能、最適
計算制御機能及び買電ＭＩＮ制御機能等を備えている。

また、この演算処理装置２０は、圧力計９ｘ、９ｙ、９
ｚ及び電力計１１．１２゜１３．１４，１５．１６等か
らの測定データを入力するとともに、各制御弁ＩＨ，Ｉ
Ｌ、２Ｌ、３と変換弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ等に制御
信号を出力する。

次に、本発明方法の一実施例を、第２図に示すフローチ
ャートにもとづいて説明する。

ステップ１ 必要データの収集を行なう。

すなわち、演算処理装置２０は、圧力計９ｘ。

９ｙ、９ｚからのデータでプラント＃ｌ〜＃３における
使用蒸気量、電力計１１．１２．１３からのデータて第
一、第二および第三発電系における発電量、電力計１４
．１５からのデータでプラント＃４．＃５における使用
電力量、そして、電力計１６ａ、１６ｂからのデータで
買電電力量をそれぞれ収集する。

ステップ２ 演算処理装置２０は、収集データにもとづいて制御系の
状況を調べ、これから運用的、設備的条件が制約領内に
入っているか否かを判定する。

ここで運用的条件とは、連続線形計画法及び組合せ理論
により蒸気と電力バランスの最適制御を可能ならしめる
ための制御系条件をいい、この条件が制約領内に入って
いないと本発明方法を行なえないことになる。したがっ
て、収集データと制約値（上下限値）を比較し、運用的
条件が制約領内に入っているときは次のステップ（ステ
ップ４）に進み、外れているときは運用的条件を制約領
内に戻すように、後述の制約値回避制御（ステップ３）
を行なう。

運用的条件には、上記以外に、分散計装レベルによる制
御を可能ならしめるための条件も含まれており、この条
件が制約領内に入っていないときには、運転を自動から
手動に切り替える。この場合の制約値は、連続線形計画
法及び組合せ理論の適用を可能ならしめる場合の制約値
より、その上下限値の幅が広くなっている。

また、設備的条件とは、プラントの諸設備を破壊させな
いための制御系の条件であり、この条件が制約値（上下
限値）から外れたときには、警報の発生、運転の停止等
の情報を発する。この場合の制約値は、上述の分散計装
レベルによる自動運転を可能ならしめる場合より、その
上下限値の幅が広くなっている。

通常１Ｍ用的、Ｒ備的条件がそれぞれの制約値を外れる
こと」よないが、降雨等により、プラントにおける使用
蒸気量が一時的に急増した場合などに発生する可能性が
ある。

ステップ３ 運用的条件が、連続線形計画法及び組合せ理論による最
適制御を可能ならしめるための制限値より外れていると
きには、演算処理装置１２０より状況に応じた信号が変
換弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂと制御弁２Ｈ，２Ｌのいず
れかもしくは全部に出力される。そして、これら変換弁
５ａ、５ｂ。

６ａ、６ｂ及び／または制御弁２Ｈ，２Ｌを調整するこ
とによって各プラント及び各発電系への蒸気の供給量を
増減し、運用的条件が制限値を回避してその範囲内に戻
るよう制御する。

例えば、＃２プラントの蒸気量が増えて、運用的条件の
うち、蒸気ライン４ｙの圧力が下限値を下廻った場合、
制御弁ＩＨ，２Ｈに余裕があれば、この制御弁ＩＨ，２
Ｈを開き自家発電量を増加させつつ＃２プラントの蒸気
ライン４ｙへ蒸気ライン４Ｘから蒸気を供給し、余裕が
なければ変換弁５ａ、６ａを開いて蒸気ライン４ｘから
蒸気ライン４ｙへ蒸気を供給する。

また、例えば買電量が少なく、運用的条件のうち、買電
量が下限値を下廻った場合、制御弁ＩＨ，２Ｈ，３を閉
じて自家発電量を少なくし、買電量を増加させる。

ステップ４ 連続線形計画法及び組合せ理論による最適制御を可能な
らしめるための制御系条件が制約値に入っている場合に
は、データの収集が前回のデータ収集から所定時間経過
した後のものか否かを判断する。収集したデータのサン
プリング周期は。

状況に応じて任意に変更することができる。

ステップ５ データのサンプリングが所定時間経過前のものである場
合には１割高な買電量を減らすために、演算処理装置２
０より制御弁３に信号を出力し。

第三発電系におけるタービンＧ３へ供給する蒸気量を増
やして発電量を増加させる。

この場合、買電量がＯＪ！下となると、電力の逆送現象
が生じるので、買電量≦０とならないように買電下限値
を設定（例えば、５００に！ＩＨ）　Ｌ／、電力系ｌｅ
ａ、１６ｂからのデータにもとづいて制御弁３．ＩＨ，
ＩＬ、２Ｈ，２Ｌを制御する。

ステップ６ 一方、データのサンプリングが所定の周期にしたがって
なされたものである場合には、収集したデータの前処理
（ステップ６−１）を行なった後連続線形計画法及び組
合せ理論によって最−計算（ステップ６−２）を行ない
、かつ計算結果に異常があるか否かを判断（ステップ６
−３）する。

ステップ６−１ 収集したデータには種々の誤差要因か含まれており、連
続線形計画法及び組合せ理論によって最適計算を行なう
際の障害になる。そこで、誤差要因を含んでいるデータ
を予め補正する。

■蒸気流量マチバラ補正処理： 発生蒸気量と消費蒸気量かマチバラ的に合致するよう補
正を加える。

■タービン特性式の圧力、温度補正処理：タービン蒸気
入口量からの理論発電機出力が、実際の発電機出力に合
致するよう補正を加える。

ステップ６−２ 上記収集データ及び一部修正を加えたデータにもとづき
、連続線形計画法と組合せの理論によって蒸気と電力バ
ランスの最適計算を行なう。

ここで、連続線形計画法とは、探索点付近にて非線形関
数を線形近似し、線形計画問題（ＬＰ　；ＬＩＮＥＡＲ
ＰＩＩＯＧＲＡＭＩＩＩＮＧ　）としてＬＰ解放の・領
域を遂次移動させ、最適点を探索する静的問題の最適化
手法である。また、組合せ理論とは、この連続線形計画
法による解法を複数組合せて用いる理論、すなわち、連
続線形計画法によって求めた最適解が、一の連続線形関
数の制限内の上限または下限である場合（例えば、第３
図イ〜ロ間の領域で求めた解が目立に該当する場合）、
隣接する領域（第３図ロ〜ハ間の領域）において再度連
続線形計画法を行なわせる理論である。

このように、連続線形計画法に組合せ理論を組合せて採
用するのは、蒸気流量特性及びタービン特性を線形化し
た場合に、直線近似できない部分があると、それ以上は
連続線形計画法を適用できなくなり、最適点を求められ
ないことがあるためである。したがって、最適点を求め
られなかった場合には、直線近似できない部分を超えた
次の線形化領域においても連続線形計画法を適用できる
ようにする必要があり、このため組合せ理論を採用して
いる。

本発明における連続線形計画法の計算手法は、次のよう
になる。

独立変数（Ｘ）・・・操作変数 式 ％式％） で表されるモデルを取り扱う。

非線形最適化問題は上記モデル関数に対しの下で目的関
数Ｙｏｂｊを最大または最小化する条件Ｘ・を探索する
。

非線形量ｆｉＦは１点ＸＯ付近で１次のＴＡＹＬＡＲ展
開をすれば、 Ｆｔ　（Ｘｏ＋ＡＸ　）　＝　　Ｆｔ　（Ｘｏ）＋　５
Ｆ＋／　ａＸ　・ＡＸの線形式で近似される。

したがって、ある基準点（Ｘｏ）でのＸの微小変化（ｉ
＝１．２．・・・　　履　　） で与えられる。

（２）式は基準点ＸＯよりの変化量についての線形近似
式であるので、　ＸＯでのＹの値をＹＯとして（１）の
制限を変化量として取り扱うと、 ＹＬ−ＹＯ≦ΔＹ≦Ｙｕ　−Ｙ。

ＡＸ［≦ΔＸ≦ΔＸυ （ΔＹ＝Ｙ−Ｙｏ） となる。

そこで、ΔＸＬ、ΔＸＵは線形近似許容Ｘ幅をＡｘＨＬ
　　（ＨＯＶＥ　ＬＩＨＩＴ　）　トｔレバ、ＡＸ［＝
ｍａｘ　　　（Ｘｔ　　−Ｘｏ＋　　＋＋ΔＸＨＬ　　
）ΔＸｕ＝ｍｉｎ　　（Ｘｕ　　−Ｘｏ＋　　　ＡｘＨ
Ｌ　　）である。

（２）　、（３）式によるＬＰモデルを解くことにより
１点ＸＯよりＡｘＨＬの債域内での最適解Ｘ−が得られ
る。

Ｘψ＝ＸＯ＋Δχ番 Δｘ−＋　（２）、（３）式によるｒ、ｐの解さらに、
ｘｅをＸＯに置き換え上記の計算を繰り返すことにより
、最終的に制限（１）式内での最適解を求める。

上記計算手法によって求めた最高効率点が一の連続線形
関数の制限内の上限または下限である場合には、上記組
合せ理論によって隣接する領域において再度連続線形計
画法により仮の最高効率点を求める。

そしてこの計算を、各タービンＧ１−Ｈ，Ｇ２−Ｈ，Ｇ
ｌ−Ｌ、Ｇ２−Ｌ、Ｇ３のすべてについて行ない、最終
の解を見かけ上の最高効率点と判定して最適計算を終了
する。

この場合、一のタービン（例えば、Ｇｌ−Ｈ）の効率点
を求めるときには、他のタービン（Ｇ２−Ｈ，Ｇｌ−Ｌ
、Ｇ２−Ｌ、Ｇ３）の蒸気供給量と発電電気量を前回の
連続線形関数の制限内に固定しておく、なお、一のター
ビン（Ｇｌ−Ｈ）の解が連続線形関数の上限または下限
となり、組合せ理論によって隣接する連続線形関数領域
において再度効率点を求める場合にも、他のタービンに
ついては、蒸気供給量と発電電気量を前回の連続線形関
数の制限内に固定しておく、そしてこれを各タービンに
ついて順次行ない、それぞれのタービンの仮の最高効率
点を求める。

ステップ６−３ 最適計算結果を制御用出力として使用できるか否かの判
定を行なう。

ここで、最適計算結果を異常と判定する場合は、 ■計算時間オーバーで出力結果が出ない場合、■入力変
化があるのに出力結果が変化しない場妃 ■その他プロダクションルール（経験則）により異常と
思われる場合１例えば、 ■買電量が下限縁で、しかもタービンＧ３の入力蒸気量
が下限値のときに、変換弁５ａ。

６ａが閉じているような場合（正常であれば、買電量と
タービンＧ３の発電が下限値のときには、電気量が充分
であるので、変換弁５ａ。

６ａの少なくとも一方を開いて自：Ｖ発電量を少なくす
る）。

■買電コストがタービンＧ３での発電コストより低いと
きに、変換弁５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂの少なくとも一つ
が開いているような場合（正常であれば、タービンＧ３
の発電は着も高価であるので、変換弁５ａ、５ｂ、６ａ
、６ｂを閉じてタービンＧ３以外のタービンＧｌ、Ｇ２
で発電する）。

■タービンＧ３以外２のうち、効率のよい方のタービン
の入力蒸気量が他のタービンより少ない場合（正常であ
れば、効率の良いタービンに多くの蒸気量を供給する） 等である。

最適計算結果が異常と判定されると、前回値を保持せよ
との出力がなされる。

一方、最適計算結果が正常と判断されると、真の最高効
率点とみなされ、必要蒸気量と必要電力琶を一定としな
がら、最高効率点において運転を行なえるよう発電系へ
の蒸気量を配分すべく制御弁へ制御信号が出力される。

例えば、＃２プラントへの蒸気量ＡＴ／Ｈ，＃３プラン
トへの蒸気量Ｂ　Ｔ／Ｈのときに全体の蒸気量がバラン
スしており、しかも、第−発電系の油気量がＡｌｅ排気
量がＢ１で、第二発電系の油気量がＡ２　、排気量がＢ
２となっているとき、それぞれの流量をＡ３　、Ｂ３　
、Ａ４　、Ｂｓに変化させると最高効率点となるとした
と、 Ａ＝ＡＩ　＋Ａ２　＝Ａ３＋Ａ４ Ｂ＝Ｂｌ　＋８２　＝８３＋Ｂ４ となるように第−及び第二発電系への蒸気量を配分すべ
く制御弁ＩＨ，ＩＬ、２Ｂ、２Ｌへ制御信号を出力する
。

負荷変動時はＡ及び／もしくはＢの値が変化するので、
！！定時は最適効率のバランスがくずれるが、この場合
は負荷整定後に再度最適点を求め、これにもとづいて再
度制御信号を出力する。

本発明は、買電を行なわない、自家発電のみからなるシ
ステムの最適運転方法にも適用することができる。この
場合、上記実施例とは、買電データの収集を行なわない
こと及び、買電下限値を設定して買電の下限値ＭＩＮ制
御を行なわない点で異なる。したがって、最適計算を行
なう場合は、買電量を零と想定して、上記実施例と同様
に最適計算制御を行なう。

なお１発電系Ｇ３への蒸気配分量を考慮に入れて本方法
を実施すること、あるいは１発電系Ｇｌ、Ｇ２のいずれ
か一方の発電系のみを対象として本方法を実施すること
も可能である。

〔発明の効果］ 以ｔのように１本発明の発電システムの最適蓮転方法に
よれば、短時間のうちに最適化運転に必要な計算を行な
え、しかも発電システムを構成する個々の機器をも最適
運転時の制御要素としているので、より効率的に最適運
転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する発電システムの一例を示
すブロック図、第２図は本発明を説明するためのフロー
チャート、第３図は最適計算法の説明図である。 Ｂｌ、Ｂ２：ボイラ １、Ｈ，ＩＬ、２Ｈ，２Ｌ、３：制御弁５ａ、５ｂ、６
ａ、６ｂ：変換弁 ９ｘ、９ｙ、９ｚ：圧力計

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ボイラ、発電用タービン等の機器を複数有し、プ
   ラントへ電気を供給する発電システムにおいて、 少なくとも、プラントの蒸気使用量と、プラントの電気
   使用量及び、各タービンの発電電気量のデータを収集し
   、 一定周期ごとに、上記収集した各データをもとに連続線
   形計画法及び組合せの理論によって、各タービンの蒸気
   と電力バランスの最適計算を行ない、 この最適計算の結果にもとづいて、上記各タービンへの
   蒸気供給量の配分を制御して自家発電からなる発電シス
   テムの運転を行なうことを特徴とした発電システムの最
   適運転方法。
2. （２）ボイラ、発電用タービン等の機器を複数有し、プ
   ラントへ電気を供給する発電システムにおいて、 少なくとも、プラントの蒸気使用量と、プラントの電気
   使用量と、各タービンの発電電気量及び、買電電気量の
   データを収集し、 一定周期ごとに、上記収集した各データをもとに連続線
   形計画法及び組合せの理論によって、各タービンの蒸気
   と電力バランスの最適計算を行ない、 この最適計算の結果にもとづいて、上記各タービンへの
   蒸気供給量の配分を制御して自家発電と買電を併用した
   システムの運転を行なうことを特徴とした発電システム
   の最適運転方法。
3. （３）上記複数のタービンのそれぞれについて、最適計
   算を行なう一のタービン以外のタービンにおける蒸気供
   給量と発電電気量を前回の連続線形関数の制限内に固定
   した状態で、当該一のタービンの最適計算を行なうこと
   を特徴とした特許請求の範囲第１もしくは２項記載の発
   電システムの最適運転方法。