(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
製鉄所内におけるガス及び蒸気の需給バランス、前記ガス及び前記蒸気を利用して発電する発電設備及び前記ガスを貯蔵するガスホルダの入出力特性、及び前記製鉄所の電力需要量と前記発電設備及び電力会社からの電力供給量との電力需給バランスを記述したプラントモデルと前記製鉄所の操業コストを記述したコストモデルとを用いて、前記製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給運用の最適化計算を実行し、最適化計算結果をガイダンス出力値として出力するエネルギー需給運用ガイダンス装置であって、
前記プラントモデルに含まれる変数の最新値を取得する最新データ収集部と、
前記製鉄所及び前記発電設備の稼働計画に関する情報を収集するプラント稼働予定収集部と、
前記プラントモデル及び前記コストモデルの設定値を収集するモデルパラメータ収集部と、
前記最新データ収集部、前記プラント稼働予定収集部、及び前記モデルパラメータ収集部によって収集された情報を用いて、前記製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給予測を行う需給予測部と、
前記ガイダンス出力値の操業リスクを調整する操業リスクパラメータを収集する操業リスクパラメータ収集部と、
前記需給予測部の需給予測結果、前記モデルパラメータ収集部が収集した前記プラントモデル及び前記コストモデルの設定値、及び前記操業リスクパラメータ収集部が収集した操業リスクパラメータを用いて、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するガス、蒸気、及び電力の需給運用の最適化計算を実行するモデル計算部と、
前記モデル計算部による最適化計算の結果をガイダンス出力値として出力するガイダンス部と、
を備えることを特徴とするエネルギー需給運用ガイダンス装置。
【請求項２】
前記操業リスクパラメータには、少なくとも前記製鉄所においてガスが不足するリスクを表すガス不足リスクパラメータ及び前記製鉄所において蒸気が不足するリスクを表す蒸気不足リスクパラメータが含まれていることを特徴とする請求項１に記載のエネルギー需給運用ガイダンス装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、ガスの供給先をガスホルダと需要先とに振り分けると共に蒸気の供給先を需要先に振り分けることを特徴とする製鉄所内のエネルギー需給運用方法。
【請求項４】
請求項１又は２に記載のエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、ガスホルダのレベルがガス不足リスクに備えたレベル以下にならないようにガスを運用することを特徴とする製鉄所内のエネルギー需給運用方法。
【請求項５】
請求項１又は２に記載のエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、蒸気不足に備えたタービンバイパスの設定を行うことを特徴とする製鉄所内のエネルギー需給運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鉄所内におけるガス、蒸気、及び電力の需給運用作業を支援するエネルギー需給運用ガイダンス装置及び製鉄所内のエネルギー需給運用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、製鉄所では、高炉から副生的に発生する高炉ガス（Ｂガス）、コークス炉から発生するコークスガス（Ｃガス）、及びＬＤ転炉から発生する転炉ガス（ＬＤガス）を直接又は混合ガス（Ｍガス）として製鉄所内で再利用している。ここで、ガスを貯蔵するガスホルダのレベルを超えてガスが余剰となる運用をした場合、余剰ガスを大気放散しなければならず、損失となる。一方、ガス需要量がガス供給量より多くなり、ガスが不足する局面では、製鉄所の操業に影響が生じ、同様に損失となる。このため、製鉄所では、ガスの需給量に応じてガスを適切に運用する必要がある。【０００３】
また、製鉄所では、ガスと同様に蒸気も適切に運用する必要があり、特に蒸気不足は回避すべきである。一般に、蒸気は、ＬＤガスの排熱ボイラやBTG（Boiler  steam-Turbine  Generator）、CDQ（Coke  Dry  Quenching  system）等の自家発電用の蒸気タービンからの抽気（タービンの途中から蒸気を取り出すこと）を実施することによって得られる。しかしながら、抽気を実施した場合、自家発電量が低下し、製鉄所の需要電力量を満足するために買電量が増加し、電力コストが増加する。【０００４】
また、抽気を実施したのにも係わらず蒸気不足が見込まれる場合、タービンを解列して蒸気を直接得るタービンバイパスが行われる。このタービンバイパスでは、タービンに蒸気が送られなくなるために、自家発電量がゼロになり、抽気実施時よりもさらに電力コストが増加する。しかしながら、タービンバイパスを実施しない場合、蒸気不足に対応するために外部業者から蒸気を購入する必要が生じ、蒸気コストがかかる。このように、蒸気コストと電力コストとはトレードオフの関係にあるために、蒸気及び電力の運用においては適切な判断が求められる。【０００５】
以上のように、製鉄所においては、ガス、蒸気、及び電力を低コストで運用することが求められる。このような背景から、製鉄所又は各種エネルギーを供給するプラントの運用をコスト面で最適化する技術が提案されている。具体的には、特許文献１，２及び非特許文献１には、プラントとその操業コストとを線形混合整数計画問題又は非線形の混合整数計画問題として定式化し、様々な最適化手法を利用してプラントの運用をコスト面で最適化する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−８５２３６号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１５４８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“ハイブリッドシステムの予測制御とそのプロセス制御への適用”、システム／制御／情報、Vol.46、No.3、pp.110-119、2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１，２及び非特許文献１記載の技術では、プラント負荷、機器入出力特性、及び燃料価格変動等の不確定要素を確率的な要因とみなし、その期待値や分散を目的関数に取り込むことによって、不確定要素を考慮してプラントの運用費用を最小化している。一方、特に製鉄所のエネルギー運用を担うオペレータの立場では、操業コストを最小にする運用を目指しつつもガス不足や蒸気不足による操業リスクを回避する運用を実施する必要がある。【０００９】
しかしながら、特許文献１，２及び非特許文献１記載の技術では、目的関数やプラントモデルの中に操業リスクを制御するパラメータが含まれていない。このため、特許文献１，２及び非特許文献１記載の技術によれば、操業リスクを考慮した解又はガイダンス出力を得ることができない。一般に、操業リスクと操業コストとはトレードオフの関係にある。操業リスクを表したパラメータを設定することによって許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化できれば、信頼性が高い解又はガイダンス出力を得ることができる。【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するエネルギーの需給運用を実行可能なエネルギー需給運用ガイダンス装置及び製鉄所内のエネルギー需給運用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置は、製鉄所内におけるガス及び蒸気の需給バランス、前記ガス及び前記蒸気を利用して発電する発電設備及び前記ガスを貯蔵するガスホルダの入出力特性、及び前記製鉄所の電力需要量と前記発電設備及び電力会社からの電力供給量との電力需給バランスを記述したプラントモデルと前記製鉄所の操業コストを記述したコストモデルとを用いて、前記製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給運用の最適化計算を実行し、最適化計算結果をガイダンス出力値として出力するエネルギー需給運用ガイダンス装置であって、前記プラントモデルに含まれる変数の最新値を取得する最新データ収集部と、前記製鉄所及び前記発電設備の稼働計画に関する情報を収集するプラント稼働予定収集部と、前記プラントモデル及び前記コストモデルの設定値を収集するモデルパラメータ収集部と、前記最新データ収集部、前記プラント稼働予定収集部、及び前記モデルパラメータ収集部によって収集された情報を用いて、前記製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給予測を行う需給予測部と、前記ガイダンス出力値の操業リスクを調整する操業リスクパラメータを収集する操業リスクパラメータ収集部と、前記需給予測部の需給予測結果、前記モデルパラメータ収集部が収集した前記プラントモデル及び前記コストモデルの設定値、及び前記操業リスクパラメータ収集部が収集した操業リスクパラメータを用いて、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するガス、蒸気、及び電力の需給運用の最適化計算を実行するモデル計算部と、前記モデル計算部による最適化計算の結果をガイダンス出力値として出力するガイダンス部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置は、上記発明において、前記操業リスクパラメータには、少なくとも前記製鉄所においてガスが不足するリスクを表すガス不足リスクパラメータ及び前記製鉄所において蒸気が不足するリスクを表す蒸気不足リスクパラメータが含まれていることを特徴とする。【００１３】
本発明に係る製鉄所内のエネルギー需給運用方法は、本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、ガスの供給先をガスホルダと需要先とに振り分けると共に蒸気の供給先を需要先に振り分けることを特徴とする。【００１４】
本発明に係る製鉄所内のエネルギー需給運用方法は、本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、ガスホルダのレベルがガス不足リスクに備えたレベル以下にならないようにガスを運用することを特徴とする。【００１５】
本発明に係る製鉄所内のエネルギー需給運用方法は、本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置から出力されたガイダンス出力値に基づいて、蒸気不足に備えたタービンバイパスの設定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るエネルギー需給運用ガイダンス装置及び製鉄所内のエネルギー需給運用方法によれば、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するエネルギーの需給運用を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、ガス不足リスクパラメータを説明するための図である。
【図３】図３は、タービンバイパスを説明するための図である。
【図４】図４は、製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算においてガス不足リスクパラメータを設定した場合と設定しない場合とにおけるガスホルダレベルの時間変化を示す図である。
【図５】図５は、製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算において蒸気不足リスクパラメータを設定しない場合における蒸気供給元の蒸気量のトレンドを示す図である。
【図６】図６は、製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算において蒸気不足リスクパラメータを設定した場合における蒸気供給元の蒸気量のトレンドを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置及び製鉄所内のエネルギー需給運用方法について詳細に説明する。
【００１９】
〔プラントモデル及びコストモデル〕
始めに、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置が操業コストを最小にするように製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給運用を最適化する最適化計算の際に用いるプラントモデル及びコストモデルについて説明する。
【００２０】
プラントモデルは、以下の表１に示す製鉄所内で発生したガス及び蒸気を利用して発電する自家発電設備（BTG,CDQ,TRT等）及び製鉄所内で発生したガスを貯蔵するガスホルダの入出力特性と、以下の表２に示す製鉄所内におけるガス（Ｂガス、Ｃガス、ＬＤガス、Ｍガス）及び蒸気の需給バランス及び製鉄所の電力需要量と自家発電設備及び電力会社からの電力供給量との電力需給バランスを記述した制約条件と、を含み、混合整数計画問題として定式化されている。なお、BTGやCDQにおいてタービンバイパスを実施するか否かの判断は、抽気量を最大にした時の蒸気の過不足量に応じてでき、混合整数計画問題として定式化できる。
【００２１】
【表１】
0005862839.tif 000002
【表２】
0005862839.tif 000003
【００２２】
コストモデルは、製鉄所内における電力コスト、蒸気コスト、及び自家発電コストの総和によって表され、各コストは以下に示す表３のように定式化されている。
【００２３】
【表３】
0005862839.tif 000004
【００２４】
〔エネルギー需給運用ガイダンス装置の構成〕
次に、図１を参照して、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置の構成について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置は、最新データ収集部１１、プラント稼働予定収集部１２、モデルパラメータ収集部１３、需給予測部１４、操業リスクパラメータ収集部１５、モデル計算部１６、及びガイダンス部１７を備えている。
【００２６】
最終データ収集部１１は、上述の表１及び表２に示すプラントモデルに含まれる変数の最新値を収集し、収集した最新値を需給予測部１４に出力する。
【００２７】
プラント稼働予定収集部１２は、製鉄所の稼働計画に関する情報を収集し、収集した情報を需給予測部１４に出力する。
【００２８】
モデルパラメータ収集部１３は、上述の表１及び表２に示すプラントモデル及び上述の表３に示すコストモデルの設定値を収集し、収集した設定値を需給予測部１４及びモデル計算部１６に出力する。
【００２９】
需給予測部１４は、最終データ収集部１１、プラント稼働予定収集部１２、及びモデルパラメータ収集部１３から出力された情報を用いて、評価期間におけるガス、蒸気、及び電力の需給量を算出し、算出された需給量に関する情報をモデル計算部１６に出力する。
【００３０】
操業リスクパラメータ収集部１５は、ガス、蒸気、及び電力の需給運用に関するガイダンス出力の操業リスクを調整するガス不足リスクパラメータα及び蒸気不足リスクパラメータβに関する情報を収集する。操業リスクパラメータ収集部１５は、収集した情報をモデル計算部１６に出力する。ガス不足リスクパラメータα及び蒸気不足リスクパラメータβの詳細については後述する。
【００３１】
モデル計算部１６は、モデルパラメータ収集部１３、需給予測部１４、及び操業リスクパラメータ収集部１５から出力された情報を用いて、操業コストが最小になるように製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算を分岐限定法等の最適化手法により実行し、得られた最適解をガイダンス部１７に出力する。
【００３２】
ガイダンス部１７は、モデル計算部１６から出力された情報を製鉄所におけるガス、蒸気、及び電力の需給運用に関するガイダンス出力としてオペレータが操作するガイダンス画面に表示出力する。オペレータは、ガイダンス画面に出力された情報を参考にしてガス、蒸気、及び電力の需給運用作業を実行する。
【００３３】
〔ガス不足リスクパラメータ〕
次に、図２を参照して、ガス不足リスクパラメータαについて説明する。
【００３４】
ガス不足リスクパラメータαとは、製鉄所においてガスが不足するリスクを数値化したパラメータである。具体的には、ガス不足リスクパラメータαを設定する操作は、図２（ａ）に示すように、ガス不足に備えてガスホルダ２０のレベルのハード下限制約よりガス不足リスクパラメータα分だけ余裕を持たせた水準のソフト下限制約を追加する操作に相当する。
【００３５】
なお、ソフト制約とは、ハード制約とは異なり、遵守する必要がない制約であるが、制約を破ると最適化計算における目的関数の値が悪化して望ましくないと判断される制約である。従って、目的関数を用いた最適化計算を実行することにより、ガスホルダレベルは、図２（ｂ）に示すように、ソフト下限制約を下回る時間帯（時間Ｔ＝Ｔ１〜Ｔ２）もあるが、ほぼハード下限制約＋α以上の水準に保たれるようになる。
【００３６】
結果、ガス需要量が急激に増加したり、ガス供給量が急激に低下したりした場合であっても、ガスホルダレベルがハード下限制約を下回り、ガス不足に陥ることが無くなる。なお、オペレータは、ガス不足リスクパラメータαの値を調整することによってガス不足リスクを調整し、運用上適切と考えられるガスホルダレベルの水準でガイダンス装置を利用することができる。
【００３７】
〔蒸気不足リスクパラメータ〕
次に、図３を参照して、蒸気不足リスクパラメータβについて説明する。
【００３８】
蒸気不足リスクパラメータβとは、製鉄所において蒸気が不足するリスクを数値化したパラメータである。通常、図３（ａ）に示すように、ボイラ３１からの蒸気はタービン３２で発電のために使用されるが、抽気という操作により本管３３に供給することも可能である。これに対して、タービン３２からの抽気量が最大であるのにも係わらず蒸気が不足する場合、すなわち最大抽気量と蒸気供給量との和よりも蒸気需要量が多い場合、図３（ｂ）に示すように、ボイラ３１からの蒸気をタービン３２に供給せず、制御弁３５を開くことによってバイパス流路３４を介して蒸気を直接本管３３に供給するタービンバイパスが実施される。
【００３９】
しかしながら、タービンバイパスを実施する判断がされた時には既に蒸気が不足していることから、蒸気不足を避けるためにはタービンバイパスの実施条件を緩和する必要がある。そこで、本実施形態では、蒸気不足リスクパラメータβ（０＜β＜１）を導入し、条件式：最大抽気量×β＋蒸気供給量＜蒸気需要量が満足される場合にタービンバイパスを実施することによって蒸気不足を回避する。すなわち、タービンバイパスを実施するタイミングを早くする。これにより、蒸気不足に対応するために外部業者から蒸気を購入することを抑制できる。なお、オペレータは、蒸気不足リスクパラメータβの値を調整することによって蒸気不足リスクを調整し、運用上適切と考えられる蒸気量の水準でガイダンス装置を利用することができる。
【００４０】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるエネルギー需給運用ガイダンス装置では、モデル計算部１６が、操業リスクパラメータ収集部１５によって収集された操業リスクパラメータを用いて、ガス、蒸気、及び電力の需給運用の最適化計算を実行するので、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するガス、蒸気、及び電力の需給運用を実行することができる。
【実施例】
【００４１】
図４は、製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算においてガス不足リスクパラメータαを設定した場合と設定しない場合とにおけるガスホルダレベルの時間変化を示す図である。なお、図４に示す例では、ガス不足リスクパラメータαの値は（ハード制約上限−ハード制約下限）／２×０．７として最適化計算を実施した。【００４２】
図４に示すように、ガス不足リスクパラメータαを設定せずに最適化計算を実施した場合、１８時、１９時、及び２４時にガスホルダレベルが４００ＧＪを割り込み、ガス不足が懸念される水準までガスホルダレベルが落ち込んでいる。これに対して、ガス不足リスクパラメータαを設定して最適化計算を実施した場合には、全ての時刻でガスホルダレベルが４００ＧＪ以上に保たれ、ガス不足リスクが低い状態になっている。【００４３】
図５及び図６はそれぞれ、製鉄所におけるガス、蒸気、電力の需給運用を最適化する最適化計算において蒸気不足リスクパラメータβを設定しない場合と設定した場合とにおける蒸気供給元の蒸気量のトレンドを示す図である。【００４４】
図５に示すように最適化計算において蒸気不足リスクパラメータβを設定しない場合、蒸気負荷が高い時刻（例えば８時）であっても、抽気と購入とによって蒸気需要に対処することになる。実際にこのような運用をすると、蒸気負荷がさらに高くなった場合に蒸気の需給バランスが破綻し、製鉄所の操業に影響が生じるために、操業リスクが高くなる。これに対して、図６に示すように最適化計算において蒸気不足リスクパラメータβを設定した場合には、蒸気負荷が高い時刻（例えば８時）においては、タービンバイパスを実施することによって大量の蒸気を抽出することにより蒸気不足リスクを回避している。【００４５】
以上のことから、ガス不足リスクパラメータα及び蒸気不足リスクパラメータβを考慮してエネルギー需給運用の最適化計算を実行することによって、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するエネルギーの需給運用を実行できることが確認された。【００４６】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明によれば、許容できる操業リスクのもとで操業コストを最小化するエネルギーの需給運用を実行可能なエネルギー需給運用ガイダンス装置及び製鉄所内のエネルギー需給運用方法を提供することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１１  最新データ収集部
１２  プラント稼働予定収集部
１３  モデルパラメータ収集部
１４  需給予測部
１５  操業リスクパラメータ収集部
１６  モデル計算部
１７  ガイダンス部
２０  ガスホルダ
３１  ボイラ
３２  タービン
３３  本管
【図１】
0005862839.tif 000005
【図２】
0005862839.tif 000006
【図３】
0005862839.tif 000007
【図４】
0005862839.tif 000008
【図５】
0005862839.tif 000009
【図６】
0005862839.tif 000010