(57)【要約】【課題】混合ガスの熱量を精度よく推定すること。【解決手段】推定装置１において、副生ガス測定値取得部１７１は、各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値と、各副生ガスの熱量測定値とを取得する。副生ガス流量修正部１７３は、副生ガス毎の発生流量と消費流量との収支モデル、混合ガスとされる混合ガス向けの各副生ガスの流量と混合ガスの流量との収支モデル、混合ガスの流量と該混合ガスの消費流量との収支モデルのうちの少なくともいずれか１つによる制約を制約条件とし、該制約条件を満足する条件下で、事前に定められる流量測定値の流量測定精度を用いて流量測定値に対応する流量修正値を算出する。混合ガス熱量推定部１７５は、熱量測定値と、流量修正値とに基づいて混合ガスの熱量を推定する。【選択図】図１
2014119141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製鉄所内で発生した複数種類の副生ガスを混合して製造される混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量の推定装置であって、
前記各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値と、前記各副生ガスの熱量測定値とを取得する副生ガス測定値取得手段と、
前記副生ガス毎の発生流量と消費流量との収支モデル、前記混合ガスとされる混合ガス向けの前記各副生ガスの流量と前記混合ガスの流量との収支モデル、前記混合ガスの流量と該混合ガスの消費流量との収支モデルのうちの少なくともいずれか１つによる制約を制約条件とし、該制約条件を満足する条件下で、事前に定められる前記流量測定値の流量測定精度を用いて前記流量測定値に対応する流量修正値を算出する副生ガス流量修正手段と、
前記熱量測定値と、前記流量修正値とに基づいて前記混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量推定手段と、
を備えることを特徴とする混合ガス熱量の推定装置。
【請求項２】
前記副生ガス流量修正手段は、前記流量測定値を対応する前記流量測定精度で正規化した上で、該正規化後の流量測定値と前記流量修正値との２乗誤差を最小化するように前記流量修正値を算出することを特徴とする請求項１に記載の混合ガス熱量の推定装置。
【請求項３】
前記副生ガス流量修正手段は、前記流量修正値が取り得る値の範囲を定めた修正上下限制約を前記制約条件としてさらに用いて前記流量修正値を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の混合ガス熱量の推定装置。
【請求項４】
前記流量測定値は、混合されることで消費される前記混合ガス向けの前記各副生ガスの流量測定値を含み、
前記混合ガス熱量推定手段は、前記流量修正値として前記混合ガス向けの前記各副生ガスの流量修正値を用いて前記混合ガスの熱量を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の混合ガス熱量の推定装置。
【請求項５】
製鉄所内で発生した複数種類の副生ガスを混合して製造される混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量の推定方法であって、
前記各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値と、前記各副生ガスの熱量測定値とを取得する副生ガス測定値取得ステップと、
前記副生ガス毎の発生流量と消費流量との収支モデル、前記混合ガスとされる混合ガス向けの前記各副生ガスの流量と前記混合ガスの流量との収支モデル、前記混合ガスの流量と該混合ガスの消費流量との収支モデルのうちの少なくともいずれか１つによる制約を制約条件とし、該制約条件を満足する条件下で、事前に定められる前記流量測定値の流量測定精度を用いて前記流量測定値に対応する流量修正値を算出する副生ガス流量修正ステップと、
前記熱量測定値と、前記流量修正値とに基づいて前記混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量推定ステップと、
を含むことを特徴とする混合ガス熱量の推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所内で発生した複数種類の副生ガスを混合して製造される混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量の推定装置および混合ガス熱量の推定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所では、エネルギー効率の高い操業を実現するため、高炉で発生する高炉ガス（Ｂガス）、コークス炉で発生するコークス炉ガス（Ｃガス）、転炉で発生する転炉ガス（ＬＤガス）といった副生ガスや、これら副生ガスを混合して熱量や空燃比を調整した混合ガス（Ｍガス）を製鉄所内の各工場や火力発電プラント等で燃料ガスとして再利用している。これら副生ガスや混合ガスは、ガスクロマトグラフィー分析を利用してその成分や熱量等が定期的に分析されており、前述の混合に際して用いられる他、プロセス制御用やオペレータの運用支援用、異常発生時の解析用等としても活用されている。特に、副生ガスの混合に際しては、副生ガス毎の熱量および混合ガスの熱量の把握が重要となっている。
【０００３】
一方で、従来から、データリコンシリエーションと呼ばれる技術が知られている（例えば非特許文献１を参照）。データリコンシリエーション技術は、測定機器で測定した測定値を物理的法則に基づく収支モデルによる制約のもとで修正することによって測定誤差の低減を図るものであり、プロセスデータの把握に適用することでその信頼性の向上が期待できる。例えば、特許文献１の技術は、前述のデータリコンシリエーション技術を適用することで使用する計測値が含むセンサ誤差を補正し、プラントの実需要や実機の性能を考慮した高精度な運転スケジュールの作成を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９３１６９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Shankar Narasimhan,“Data Reconciliation & Gross Error Detection”,Gulf Publishing Company,Houston,2000
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、副生ガス（Ｂガス、Ｃガス、ＬＤガス）やこれらを混合して製造される混合ガス（Ｍガス）の熱量を把握するためには、各副生ガスおよび混合ガス毎に個別にガスクロマトグラフィー分析のための検出器（ガスクロマトグラフィー装置）を設置する必要があるが、このガスクロマトグラフィー装置の設置には高い設置コストを要する問題があった。特に、混合ガスの熱量については、混合前の各副生ガスの熱量を測定したとしても、信頼性の観点からその測定が必須となっており、コスト削減のため、信頼性が確保できる程度まで精度よく、計算によって混合ガスの熱量を算出する手法が求められていた。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、混合ガスの熱量を精度よく推定することができる混合ガス熱量の推定装置および混合ガス熱量の推定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる混合ガス熱量の推定装置は、製鉄所内で発生した複数種類の副生ガスを混合して製造される混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量の推定装置であって、前記各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値と、前記各副生ガスの熱量測定値とを取得する副生ガス測定値取得手段と、前記副生ガス毎の発生流量と消費流量との収支モデル、前記混合ガスとされる混合ガス向けの前記各副生ガスの流量と前記混合ガスの流量との収支モデル、前記混合ガスの流量と該混合ガスの消費流量との収支モデルのうちの少なくともいずれか１つによる制約を制約条件とし、該制約条件を満足する条件下で、事前に定められる前記流量測定値の流量測定精度を用いて前記流量測定値に対応する流量修正値を算出する副生ガス流量修正手段と、前記熱量測定値と、前記流量修正値とに基づいて前記混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量推定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明にかかる混合ガス熱量の推定方法は、製鉄所内で発生した複数種類の副生ガスを混合して製造される混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量の推定方法であって、前記各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値と、前記各副生ガスの熱量測定値とを取得する副生ガス測定値取得ステップと、前記副生ガス毎の発生流量と消費流量との収支モデル、前記混合ガスとされる混合ガス向けの前記各副生ガスの流量と前記混合ガスの流量との収支モデル、前記混合ガスの流量と該混合ガスの消費流量との収支モデルのうちの少なくともいずれか１つによる制約を制約条件とし、該制約条件を満足する条件下で、事前に定められる前記流量測定値の流量測定精度を用いて前記流量測定値に対応する流量修正値を算出する副生ガス流量修正ステップと、前記熱量測定値と、前記流量修正値とに基づいて前記混合ガスの熱量を推定する混合ガス熱量推定ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、混合ガスの熱量を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、混合ガス熱量の推定装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、混合ガス熱量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施例および比較例における混合ガス熱量の推定結果を示す図である。
【図４】図４は、流量測定値と流量修正値との対比を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の混合ガス熱量の推定装置および混合ガス熱量の推定方法を実施するための形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１３】
図１は、本実施の形態の混合ガス熱量の推定装置（以下、単に「推定装置」という。）１の構成例を示すブロック図である。この推定装置１は、例えば、ワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータを用いて実現され、混合ガス（Ｍガス）の熱量（混合ガス熱量）を推定する処理（混合ガス熱量推定処理）を行う。図１に示すように、推定装置１は、入力部１１と、出力部１３と、記録部１５と、処理部１７とを含む。
【００１４】
入力部１１は、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、各種スイッチ等の入力装置によって実現されるものであり、操作入力に応じた入力信号を処理部１７に出力する。出力部１３は、ＬＣＤやＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイ等の表示装置によって実現されるものであり、処理部１７から入力される表示信号に基づいて各種画面を表示する。なお、出力部１３は、適宜プリンタやスピーカ等の出力装置を含む構成としてよい。
【００１５】
記録部１５は、更新記録可能なフラッシュメモリ、内蔵あるいはデータ通信端子で接続されたハードディスク、メモリカード等の情報記録媒体およびその読み書き装置等によって実現され、用途に応じた記録装置を適宜採用して用いることができる。この記録部１５には、推定装置１を動作させ、この推定装置１が備える種々の機能を実現するためのプログラムや、このプログラムの実行中に使用されるデータ等が事前に保存され、あるいは処理の都度一時的に保存される。
【００１６】
処理部１７は、ＣＰＵ等で実現され、入力部１１から入力される入力信号、記録部１５に保存されるプログラムやデータ等に基づき、推定装置１を構成する各部への指示やデータの転送等を行って推定装置１の動作を制御する。この処理部１７は、副生ガス測定値取得手段としての副生ガス測定値取得部１７１と、副生ガス流量修正手段としての副生ガス流量修正部１７３と、混合ガス熱量推定手段としての混合ガス熱量推定部１７５とを含む。
【００１７】
図２は、混合ガス熱量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。推定装置１は、図２に示す処理手順に従って処理を行うことで混合ガス熱量の推定方法を実施する。なお、ここで説明する処理は、混合ガス熱量推定処理を実現するためのプログラムを記録部１５に保存しておき、処理部１７がこのプログラムを読み出して実行することで実現できる。
【００１８】
図２に示すように、混合ガス熱量推定処理では先ず、副生ガス測定値取得部１７１が、３種類の副生ガス（Ｂガス，Ｃガス，ＬＤガス）の流量測定値および熱量測定値を取得する（ステップＳ１；副生ガス測定値取得ステップ）。ここで、流量測定値は、製鉄所内の各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量（以下、これらを包括して適宜「場所別流量」と呼ぶ。）の測定値であり、各副生ガスの発生場所および消費場所の各々に設置されたガス流量計によって測定される。また、熱量測定値は、混合される各副生ガスの熱量の測定値であり、副生ガス毎に個々に用意されて製鉄所内の適所に設置されたガスクロマトグラフィー装置によって測定される。なお、ステップＳ１での測定値の取得は、前述のガス流量計やガスクロマトグラフィー装置から直接測定値を入力することで行ってもよいし、測定値を収集・管理する外部装置との間でデータ通信を行って取得する構成としてもよい。
【００１９】
ここで、各副生ガスの各場所別流量および熱量の測定は定期的に実施されており、混合ガス熱量推定処理は、これら測定のタイミング等の所定のタイミングで周期的に実行される。
【００２０】
続いて、副生ガス流量修正部１７３が、ステップＳ１で取得した各副生ガスの流量測定値を修正する（ステップＳ３；副生ガス流量修正ステップ）。ここでの処理では、副生ガス流量修正部１７３は、上記した各副生ガスの場所別流量毎の流量測定値を各々の流量測定精度で正規化して用い、対応する流量修正値をそれら流量修正値が満たすべき制約のもとで算出する。具体的には、例えば、所定のガス流量収支モデルによる制約および修正上下限制約を制約条件として用い、対応する流量測定値との２乗誤差を最小化する各場所別流量の流量修正値を算出する。解法としては、例えば２次計画法を用いることができ、各制約条件を表した線形不等式を満足する条件下で次式（１）に示す評価関数ｆを最小化する流量修正値の組合せを最適解として求める。次式（１）中の流量測定精度σiの値は、要求される混合ガス熱量の推定精度等に応じて適宜事前に設定される。
【数１】
2014119141.tif 000003
【００２１】
本実施の形態では、ガス流量収支モデルとして５つのガス流量収支モデルを用いる。以下、これら５つのガス流量収支モデルによる制約および修正上下限制約を示す。
【００２２】
〔Ｂガス流量収支モデル〕
１つ目のガス流量収支モデルは、製鉄所内の該当する発生場所で発生し、該当する消費場所で消費されるＢガス流量の収支モデル（Ｂガス流量収支モデル）であり、次式（２）によって表される。
【数２】
2014119141.tif 000004
【００２３】
〔Ｃガス流量収支モデル〕
２つ目のガス流量収支モデルは、製鉄所内の該当する発生場所で発生し、該当する消費場所で消費されるＣガス流量の収支モデル（Ｃガス流量収支モデル）であり、次式（３）によって表される。
【数３】
2014119141.tif 000005
【００２４】
〔ＬＤガス流量収支モデル〕
３つ目のガス流量収支モデルは、製鉄所内の該当する発生場所で発生し、該当する消費場所で消費されるＬＤガス流量の収支モデル（ＬＤガス流量収支モデル）であり、次式（４）によって表される。
【数４】
2014119141.tif 000006
【００２５】
〔混合前後ガス流量収支モデル〕
４つ目のガス流量収支モデルは、混合前の各副生ガスの流量、具体的には、場所別流量である混合ガス向けの各副生ガスの流量と、これら混合ガス向けの各副生ガスの混合後の流量との収支モデル（混合前後ガス流量収支モデル）であり、次式（５）によって表される。
【数５】
2014119141.tif 000007
【００２６】
〔混合ガス流量収支モデル〕
５つ目のガス流量収支モデルは、混合ガスの流量と、該当する消費場所で消費される混合ガス流量との収支モデル（混合ガス流量収支モデル）であり、次式（６）によって表される。
【数６】
2014119141.tif 000008
【００２７】
また、修正上下限制約は、取り得る流量修正値の範囲（下限ｙｌi〜上限ｙｕi）を場所別流量毎に定めたものであり、次式（７）によって表される。
【数７】
2014119141.tif 000009
【００２８】
以上のようにして各副生ガスの場所別流量毎の流量修正値を算出したならば、続いて、混合ガス熱量推定部１７５が、ステップＳ１で取得した各副生ガスの熱量測定値と、ステップＳ３で算出した各副生ガスの場所別流量毎の流量修正値とに基づいて混合ガス熱量を推定する（ステップＳ５；混合ガス熱量推定ステップ）。ここでの処理では、ステップＳ３で算出した各場所別流量の流量修正値のうち、混合ガス向けの各副生ガスの流量修正値を用いる。
【００２９】
具体的には、混合ガス熱量推定部１７５は、先ず、次式（８）〜（１０）に示すように、ステップＳ３で算出した上記式（２）における混合ガス向けのＢガスの流量修正値をｙB＾、上記式（３）における混合ガス向けのＣガスの流量修正値をｙC＾、上記式（４）における混合ガス向けのＬＤガスの流量修正値をｙLD＾として置き換える。なお、ｙB＾，ｙC＾，ｙLD＾は、ｙB，ｙC，ｙLDの上にハット「＾」が付いていることを示す。
【数８】
2014119141.tif 000010
【００３０】
その後、混合ガス熱量推定部１７５は、次式（１１）に従い、体積比を求めることで混合ガスの熱量推定値Ｍｃａｌを算出する。
【数９】
2014119141.tif 000011
【００３１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、各副生ガスの場所別流量毎の流量測定値、すなわち製鉄所内の各副生ガスの発生場所および消費場所毎の流量測定値を各々の流量測定精度で正規化し、所定のガス流量収支モデルによる制約および修正上下限制約のもとで正規化後の各流量測定値と対応する流量修正値との２乗誤差を最小化するように各場所別流量の流量修正値を算出することができる。そして、各副生ガスの熱量測定値と混合ガス向けの各副生ガスの流量修正値とに基づいて混合ガス熱量を推定することができる。これによれば、混合ガスの熱量を実際に測定しなくても高精度に推定することが可能となる。したがって、混合ガス用のガスクロマトグラフィー装置の設置が不要となり、その分コストを低減できる。
【００３２】
なお、上記した実施の形態では、Ｂガス流量収支モデル、Ｃガス流量収支モデル、ＬＤガス流量収支モデル、混合前後ガス流量収支モデル、および混合ガス流量収支モデルの５つのガス流量収支モデルによる制約を制約条件として用いて各副生ガスの場所別流量毎の流量修正値を算出することとしたが、５つのガス流量収支モデルによる制約の全てを制約条件として用いる必要はない。すなわち、これら５つの中から選択した１つ以上のガス流量収支モデルによる制約を制約条件として用い、各副生ガスの場所別流量毎の流量修正値を算出するようにしてもよい。また、修正上下限制約についても必ず用いるべきものではなく、これを制約条件とはせずに各副生ガスの場所別流量毎の流量修正値を算出してもよい。
【００３３】
（実施例）
図２の混合ガス熱量推定処理を行って混合ガス熱量を推定し、混合ガスの熱量推定値Ｍｃａｌを算出した（実施例）。算出にあたり、各場所別流量の流量測定精度（標準偏差：σ[Nm3/h]）は、流量測定値に対して一律で３．０％とした。また、各場所別流量の修正上下限制約は、一律で３σの範囲とした。また、図２のステップＳ１で取得される混合ガス向けの各副生ガスの流量測定値を用い、次式（１２）に従って混合ガス熱量を推定し、混合ガスの熱量推定値Ｍｃａｌ´を算出した（比較例）。
【数１０】
2014119141.tif 000012
【００３４】
対象とした製鉄所内のＢガスの発生場所（発生サイト）および消費場所（消費サイト）の一覧であるＢガス収支項目を表１に示す。
【表１】
2014119141.tif 000013
【００３５】
また、対象とした製鉄所内のＣガスの発生場所（発生サイト）および消費場所（消費サイト）の一覧であるＣガス収支項目を表２に示す。
【表２】
2014119141.tif 000014
【００３６】
また、対象とした製鉄所内のＬＤガスの消費場所（消費サイト）であるＬＤガス消費項目を表３に示す。
【表３】
2014119141.tif 000015
【００３７】
また、対象とした製鉄所内のＭガスの消費場所（消費サイト）であるＭガス消費項目を表４に示す。
【表４】
2014119141.tif 000016
【００３８】
ここで、表３では、ＬＤガスの消費場所のみを挙げている。これは、対象の製鉄所内において混合ガス向けのＬＤガスの流量のみが測定されており、その他のＬＤガスの発生場所や消費場所では流量測定が行われていないためであるが、このような場合、すなわち、全ての発生場所および消費場所にガス流量計が設置されていない副生ガスがある場合には、図２のステップＳ３において該当する副生ガスのガス流量収支モデルを用いずに流量修正値を算出する。すなわち、本実施例では、Ｂガス流量収支モデル、Ｃガス流量収支モデル、混合前後ガス流量収支モデル、および混合ガス流量収支モデルの４つのガス流量修正モデルによる制約を制約条件として用い、流量修正値を算出した。
【００３９】
図３は、実施例および比較例における混合ガス熱量の推定結果を示す図であり、横軸を時間とし、縦軸を混合ガス熱量として実施例で得た混合ガスの熱量推定値Ｍｃａｌ、比較例で得た混合ガスの熱量推定値Ｍｃａｌ´、および実際に熱量を測定して得た実績値の変化曲線を示している。また、図４に、混合ガス向けの各副生ガスについての流量測定値と流量修正値との対比を示す。図３に示すように、実施例では、比較例と比べて混合ガス熱量の実測値を精度よく推定できている。ここで、図４を参照すると、ＣガスやＬＤガスについては、流量測定値と流量修正値との差が小さい。これに対し、Ｂガスは、流量測定値と流量修正値との差が大きく、全体的に値を大きくする修正がされており、これによって実施例での精度向上が実現されたことがわかる。これは、ＣガスやＬＤガスと比べて相対的にＢガスの熱量が低く、その測定誤差が推定精度に大きく影響するためと考えられる。また、この結果から、少なくともＢガス流量収支モデルによる制約を制約条件として用いるのが望ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１      混合ガス熱量の推定装置
１１      入力部
１３      出力部
１５      記録部
１７      処理部
１７１      副生ガス測定値取得部
１７３      副生ガス流量修正部
１７５      混合ガス熱量推定部
【図１】
2014119141.tif 000017
【図２】
2014119141.tif 000018
【図３】
2014119141.tif 000019
【図４】
2014119141.tif 000020