(57)【要約】      （修正有）【課題】長時間に渡る事象と短時間で終了する事象とが混在して再現されたプラント運転訓練用シミュレータであっても、ＣＰＵ負荷を高めることなく、長時間に渡る事象のシミュレーションを効率よく行うことのできるプラント運転訓練用シミュレータを提供する。【解決手段】シミュレーション速度指令部３３０からの指令に基づいて、プラント設備モデル演算処理部３００が各部分プラント設備モデルの演算周期を所定倍して挙動を模擬する際に、一部の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｍとその他の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｎとを異なるように設定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の演算周期の下でプラントの挙動を模擬する複数の部分プラント設備モデルと、該複数の部分プラント設備モデルを備え各部分プラント設備モデルの同期制御を司るプラント設備モデル演算処理部と、該複数のプラント設備モデル演算処理部のシミュレーション速度を指令するシミュレーション速度指令部と、を備えたプラント操作訓練用シミュレータであって、
前記シミュレーション速度指令部からの指令に基づいて、前記プラント設備モデル演算処理部が前記各部分プラント設備モデルの前記演算周期を所定倍して挙動を模擬する際に、前記一部の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｍとその他の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｎとを異なるように設定することを特徴とするプラント運転訓練用シミュレータ。
【請求項２】
前記一部の部分プラント設備モデルが、長時間反応部モデルであって、前記倍数Ｍが、前記倍数Ｎよりも大きいことを特徴とする請求項１記載のプラント運転訓練用シミュレータ。
【請求項３】
前記長時間反応部モデル部分のみをまとめてサブモデル化したことを特徴とする請求項２記載のプラント運転訓練用シミュレータ。
【請求項４】
前記プラント運転訓練用シミュレータが火力発電プラントの脱硫装置に関する運転訓練用シミュレータであり、前記長時間反応部モデルが吸収系プラント設備モデルであることを特徴とする請求項２又は３記載のプラント運転訓練用シミュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラントの状態を模擬して得られる情報に基づいて運転員、技術スタッフなどを訓練する際に使用するプラントの運転訓練用シミュレータに関し、特に実機プラント内に短時間で終了する事象と長時間に渡る事象とが混在する場合に、これらを再現した場合であっても効率よい訓練を可能とする運転訓練用シミュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントにおいては運転員等に対するプラント運転のための教育および訓練が不可欠である。近年、運転訓練を効率よく行うために、運転訓練用シミュレータがよく用いられる。運転訓練用シミュレータでは、発電プラントにおいて発生が予想される複数の事象を再現できるように設計されている。
例えば特許文献１には、原子力発電プラントの運転訓練用シミュレータが記載されている。このシミュレータにおいて再現する苛酷事故等のモデルの中には、長時間に渡る事象と短時間で終了する事象とが混在している。長時間に渡る事象については実際の数倍の速度で模擬するように設定できるので、事象を効率的に再現して学習効率を高めることができる。また、短時間で終了する事象についてはゆっくりと時間を掛けて模擬するように設定できるので、訓練者が事象の理解を深めることができる。
上述のような運転訓練用シミュレータを利用することにより、運転員等は再現された事象に対する適切な対応方法を短時間で学習することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３８８５４（第６欄）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のシミュレータでは、再現対象となっているプラント設備モデルに対する演算を一律に加速或いは減速している。ここで、従来のシミュレータにおける演算の加減速について図６を用いて説明する。図６は、従来のプラント運転訓練用シミュレータにおけるモデル演算速度変更処理を示した概念図である。
発電プラントのような巨大規模設備のシミュレータにおいては、プラント設備モデルを複数の部分設備モデルに分割して取り扱うのが一般的である。すなわち、図示するように、プラント設備モデル演算処理部４００は、ｎ個に分割されたプラント設備モデル４１０−１、４１０−２、・・・、４１０−ｎを有し、各プラント設備モデル間ではシミュレーション結果に関するデータの受け渡しが行われている。
【０００５】
また、プラント設備モデル４１０は、シミュレーションの効果を高めるために実機設備と同等の反応を示すことが要求される。この要求を満たすために、シミュレータは、プラント設備モデル４１０の実時間応答性を実現するために、各プラント設備モデル４１０同士の同期を確保するように設計される。
即ち、複数のプラント設備モデル４１０が一体となって動く状態が実機設備と同等となるように、プラント設備モデル演算処理部４００は、全てのプラント設備モデル４１０の演算周期を制御している。ここで、演算周期とは、１回の演算にかかる時間のことである。図６においては、各プラント設備モデル４１０の通常時における１演算周期をＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎで示している。ここに、シミュレーション速度制御部４３０から、シミュレーション速度をＮ倍に変更する指令が入力されたとき、プラント設備モデル演算処理部４００は、夫々の１演算周期Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎを一律に１／Ｎ倍することにより、シミュレーション速度を変更していた。ここで実時間応答性とは、機器操作や事故発生に対するプラントと同様に変化する応答性をいう。また、同期とは、各部分設備モデルの作動状態を時間的に一致させることである。
しかしながら、全てのプラント設備モデル４１０の演算周期を一律に変化させると、シミュレータのＣＰＵ負荷が上昇するため、例えば火力発電プラントのような膨大な規模のモデルにおける加速上限は１０倍程度が限界であるとされていた。
【０００６】
ところで、火力発電プラントには数日間かけて進行する現象が存在する。例えば、３日間程度かかる事象のシミュレーション速度を１０倍にまで加速しても、シミュレーションが終了するまでに７時間以上を要する。従って、従来のシミュレーション装置では、このような事象については限られた訓練時間の中で、全ての反応を順次確認することができず、事象の理解を深めることが困難であるという問題がある。また、仮に全ての反応を確認しようとした場合には、効率的に訓練できないという問題がある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、長時間に渡る事象と短時間で終了する事象とが混在して再現されたプラント運転訓練用シミュレータであっても、ＣＰＵ負荷を高めることなく、長時間に渡る事象のシミュレーションを効率よく行うことのできるプラント運転訓練用シミュレータ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】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、一定の演算周期の下でプラントの挙動を模擬する複数の部分プラント設備モデルと、該複数の部分プラント設備モデルを備え、各部分プラント設備モデルの同期制御を司るプラント設備モデル演算処理部と、該複数のプラント設備モデル演算処理部のシミュレーション速度を指令するシミュレーション速度指令部と、を備えたプラント操作訓練用シミュレータであって、前記シミュレーション速度指令部からの指令に基づいて、前記プラント設備モデル演算処理部が前記各部分プラント設備モデルの前記演算周期を所定倍して挙動を模擬する際に、前記一部の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｍとその他の部分プラント設備モデルに対する演算周期の倍数１／Ｎとを異なるように設定するプラント運転訓練用シミュレータを特徴とする。
請求項１のプラント運転訓練用シミュレータにおいては、一部の部分プラント設備モデルとその他の部分プラント設備モデルの演算周期が異なる。即ち、一つのプラント設備モデル演算処理部内に、シミュレーション速度が異なる複数の部分プラント設備モデルが含まれる。
請求項２に記載の発明は、前記一部の部分プラント設備モデルが、長時間反応部モデルであって、前記倍数Ｍが、前記倍数Ｎよりも大きい請求項１記載のプラント運転訓練用シミュレータを特徴とする。
請求項２のプラント運転訓練用シミュレータにおいては、長時間反応部モデルの演算周期が一部の部分プラント設備モデルの演算周期よりも短くなるので、長時間反応部モデルのシミュレーションが一部の部分プラント設備モデルのシミュレーションよりも高速化される。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記長時間反応部モデル部分のみをまとめてサブモデル化した請求項２記載のプラント運転訓練用シミュレータを特徴とする。
請求項３のプラント運転訓練用シミュレータにおいては、長時間反応部モデル部分のシミュレーションのみを高速化する。
請求項４に記載の発明は、前記プラント運転訓練用シミュレータが火力発電プラントの脱硫装置に関する運転訓練用シミュレータであり、前記長時間反応部モデルが吸収系プラント設備モデルである請求項２又は３記載のプラント運転訓練用シミュレータを特徴とする。
請求項４のプラント運転訓練用シミュレータにおいては、火力発電プラントの脱硫装置に関する運転訓練シミュレータにおいて、吸収系プラント設備モデルのみを高速再現する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、一部の部分プラント設備モデルとその他の部分プラント設備モデルの演算周期を異ならせたので、シミュレータに用いるＣＰＵの負荷を押さえつつ、一部の部分プラント設備モデルのみを高速模擬することができるので、運転訓練を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】排煙脱硫装置の模式図である。
【図２】運転訓練用シミュレータの操作画面例を示す図である。
【図３】失活現象をサブモデル化して示した図である。
【図４】モデル演算速度変更処理を示した概念図である。
【図５】モデル演算速度変更処理の一例を示したフローチャートである。
【図６】従来のプラント運転訓練用シミュレータにおけるモデル演算速度変更処理を示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を火力発電プラントにおける排煙脱硫装置の運転訓練用シミュレータの例により詳細に説明する。なお、本発明は、排煙脱硫装置の運転訓練用シミュレータに限定されず、他のプラントに運転訓練用シミュレータにも適用可能である。
【００１２】
〔排煙脱硫装置〕
初めに、本発明の運転訓練用シミュレータが模擬する排煙脱硫装置について図１に基づいて説明する。図１は排煙脱硫装置の模式図である。排煙脱硫装置は、火力発電プラントの運転に伴って発生した石炭燃焼ガス（排煙）からＳＯｘを除去する装置である。吸収剤スラリを排煙と気液接触させることにより、排煙中の硫黄分を石膏として取り出す。なおＳＯｘとは、二酸化硫黄（ＳＯ2）と三酸化硫黄（ＳＯ3）等の総称である。
排煙脱硫装置１０は、吸収剤スラリ（例えば、石灰石を溶質とするとともに水を溶媒とした炭酸カルシウムスラリ）が供給されるタンク６０と、導入側吸収塔（接触処理塔）７０と、導出側吸収塔８０とを備えている。
導入側吸収塔７０は、タンク６０の一側部から上方に向かって延設されるとともに、未処理排煙Ａを導入するための排煙導入部７１がその上端部に形成されており、排煙が下方に向って流れるようになっている。
導出側吸収塔８０は、タンク６０の他側部（図では右側）から上方に向かって延設されるとともに、処理済排煙Ｂを導出するための排煙導出部８１がその上端部に形成されており、導入側吸収塔７０を通過しタンク６０内上部を経由した排煙が上方に向って流れるようになっている。
【００１３】
また、導入側吸収塔７０には、吸収剤スラリを上方に向って液柱状に噴射するための複数のスプレーノズル７３が形成されたスプレーパイプ７２が設けられている。また、タンク６０には、タンク６０内の吸収剤スラリを吹上げる循環ポンプ７４が連通接続されており、供給ヘッダ７５を介して吸収剤スラリがスプレーパイプ７２に送り込まれ、各スプレーノズル７３から噴射されるようになっている。
さらに、導出側吸収塔８０の後方部には、同伴ミストを捕集除去するためのミストエリミネータ８２が設けられている。なお、このミストエリミネータ８２で捕集されたミストは、例えば導出側吸収塔８０内を滴下することにより直接タンク６０内に戻るようになっている。
【００１４】
また、タンク６０内には、空気供給手段６１が設けられており、スプレーノズル７３から吹上げられた吸収剤スラリは亜硫酸ガスを吸収しながら流下して、空気供給手段６１を用いて吹込んだ空気により酸化し、石膏を生成するようになっている。
そして、タンク６０内のスラリ（石膏と吸収剤である少量の石灰石が懸濁または溶存したもの）は、抜出ポンプ２０により吸出されて脱水機３０に送出され、この脱水機３０により濾過されて、水分含有量の少ない石膏（例えば、水分含有率１０％程度）として取り出される。一方、脱水機３０からの濾液は、スラリ槽４０に送出されて、補給水とともに石灰石が加えられ、再び吸収剤スラリとしてスラリポンプ５０によりタンク６０内に供給される。
【００１５】
〔シミュレータ操作画面〕
上述の排煙脱硫装置を模擬する本発明の運転訓練用シミュレータについて説明する。図２は、運転訓練用シミュレータの操作画面例を示す図である。操作画面１００には、シミュレーション状態を示すステータスバー１１０と、系統図やトレンドグラフ等を表示するメイン画面１２０と、メイン画面１２０に表示する系統を選択する系統選択ボタン１３０と、各種ツールを表示するツールバー１４０と、が表示されている。
排煙脱硫装置の運転訓練用シミュレータは、系統毎に分割した複数の部分プラント設備モデルから構成される。例えば、排煙脱硫装置全体を制御する制御系プラント設備モデル、原料となる石灰石から吸収剤スラリを生成する原料系プラント設備モデル、排煙中のＳＯｘを吸収剤スラリに吸収させて石膏を含むスラリを生成する吸収系プラント設備モデル等から構成される。各プラント設備モデルの情報は、画面下部に示された系統選択ボタン１３０を選択して、各系統の情報をメイン画面１２０に表示させて確認できる。
プラント設備モデルには、短時間で終了する事象と長時間に渡る事象とが混在している。例えば、制御系プラント設備モデルからバルブの拡開操作をした場合、その応答は比較的短時間のうちに得られる。しかし、吸収系プラント設備モデルで取り扱う失活現象（反応阻害現象）は、３日間程度と長時間に渡る事象であり、シミュレーションを８倍程度に高速化したとしても１時間程度の訓練時間内では疑似体験することができない。そこで、本発明においては、吸収系プラント設備モデルの失活現象を長時間反応部モデルとしてサブモデル化し、単独のプラント設備モデルとして取り扱うとともに、サブモデル部分のみを高速再現することによって１時間程度の訓練時間内においても疑似体験できるようにした。
【００１６】
〔吸収塔内における化学反応〕
ここで、排煙脱硫装置の吸収塔内における化学反応について説明し、続いて失活現象、及び失活現象のサブモデルについて説明する。なお、排煙中の硫黄成分は殆どがＳＯ2として存在しているため、以下の説明において主な反応を示すにはＳＯ2を用いる。
脱硫方式の一つである石灰石−石膏法においては、水と混ぜた石灰石スラリ（吸収剤スラリ）と排煙中のＳＯｘとを反応させ、硫黄分を石膏（ＣａＳＯ4・２Ｈ2Ｏ）として回収する。総括反応は以下の通りである。
ＣａＣＯ3＋ＳＯ2＋０．５Ｏ2＋２Ｈ2Ｏ→ＣａＳＯ4・２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2
排煙中のＳＯｘは、排煙脱硫装置１０のスプレーノズル７３から噴霧された吸収剤スラリと反応して、亜硫酸水素イオン（ＨＳＯ3）となって吸収される。ＳＯ2を吸収した液は、タンク６０に集められ、供給される吸収剤スラリにより、亜硫酸カルシウム（ＣａＳＯ3・０．５Ｈ2Ｏ）に転化する。この液を空気によって酸化して石膏を得る。
【００１７】
ＳＯｘは環境に重大な影響を及ぼすため、排煙脱硫装置を安定して稼働することは重要な責務となっている。吸収塔において吸収剤の熔解が阻害されて硫黄酸化物の吸収濃度が低下することを吸収塔失活と称する。例えば、石炭焚ボイラの場合には、特に排煙中に含まれるダスト（フライアッシュ）が多くなる。このダストの主成分はシリカやアルミナであり、また排煙中に塩素分（ＨＣＬ）、フッ素分（ＨＦ）等を含んでいるため、これらの物質が吸収塔において吸収剤スラリ中に混入すると、吸収剤の主成分である炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）の溶解が阻害され、排煙中に含まれるＳＯ2の吸収速度を低下させて、失活現象（ｐＨ低下）が発生する。失活現象は数日間、例えば３日間程度掛けて進行し、副生成物や不純物の蓄積などが、実際の数値として認識できるまでに時間を要する。
【００１８】
図３は、失活現象をサブモデル化して示した図である。図３においては、排煙に含まれる金属イオン等を総括的に失活原因物質Ｘとして示した。
二酸化硫黄と炭酸カルシウムの量データが吸収塔を模擬した吸収系プラント設備モデル２００に入力されると、シミュレータは吸収系プラント設備モデル２００内における各物質の反応を計算し、二水石膏を生成した旨のデータを出力する。しかし、入力値に失活原因物質Ｘが混入していると、蓄積した失活原因物質Ｘの量（Ｘの時間積分値）をパラメータとする失活係数に応じて炭酸カルシウムと二酸化硫黄との反応率ｆが低下し、最終的に得られる二水石膏の量が減少する。ここで、失活要因Ｘは、非常に長い時間をかけて蓄積されるので、失活係数はゆっくりと変化する。
【００１９】
〔運転訓練用シミュレータ〕
上述の失活現象に関するサブモデルを長時間反応部モデルとして組み込んだ運転訓練用シミュレータについて図４、図５に基づいて説明する。図４は、本発明のプラント運転訓練用シミュレータにおけるモデル演算速度変更処理を示した概念図である。図５は、本発明のプラント運転訓練用シミュレータにおけるモデル演算速度変更処理の一例を示したフローチャート図である。
図４に示すように、本発明の運転訓練用シミュレータは、夫々一定の演算周期（Ｔ１、Ｔ２、…、Ｔｎ）の元でプラントの挙動を演算して模擬するｎ個の部分プラント設備モデル３１０−１、３１０−２、・・・、３１０−ｎと、演算周期Ｔｘの元でプラントの挙動を演算して模擬する長時間反応部モデル３２０と、を備えたプラント設備モデル演算処理部３００と、プラント設備モデル演算処理部３００に対してシミュレーション速度（Ｎ倍、Ｍ倍）の変更指令を発するシミュレーション速度指令部３３０と、を備えた計算機である。また、運転訓練用シミュレータに対し所定の操作命令を入力する入力手段と、シミュレーション結果等を表示する表示画面と（いずれも不図示）を備えている。なお、シミュレーション速度（Ｎ倍、Ｍ倍）は、予め外部入力手段（不図示）を介して入力される値であり、プラント設備モデル演算処理部３００は、プラント設備モデル３１０と長時間反応部モデル３２０との同期制御を司っている。
【００２０】
各プラント設備モデル３１０間及び長時間反応部モデル３２０との間ではシミュレーション結果データを記憶するメモリ（不図示）を介して演算結果データの受け渡しが行われており、この演算結果データが次回演算の制御量として各プラント設備モデル３１０間及び長時間反応部モデル３２０に入力されて、シミュレーションされる。
図示するように、各プラント設備モデル３１０の通常時における１演算周期をＴ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎと仮定し、長時間反応部モデル３２０の通常時における１演算周期をＴｘと仮定する。プラント設備モデル３１０に対するシミュレーション速度の設定がＮ倍（例えば１〜８倍）であり、長時間反応部モデル３２０に対するシミュレーション速度の設定がＭ倍（例えば１〜２００倍）のとき、シミュレーション速度指令部３３０は、演算周期Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔｎを１／Ｎ倍にし、演算周期Ｔｘを１／Ｍ倍にするよう指令する。ただし、Ｎ≦Ｍである。
【００２１】
この処理は、例えば図５に示すフローにより各プラント設備モデルと長時間反応部モデルとの同期を確保しつつ実現できる。図５は、各プラント設備モデル３１０の演算処理を１回行うときのフローを示している。
まず、不図示のメモリに記憶された初期値、例えばシミュレーション速度の設定値や前回の演算結果データを読み込む（ステップＳ１）。
次に、通常のプラント設備モデル３１０−１について１回演算し（ステップＳ２）、演算結果データをメモリに保存する（ステップＳ３）。通常のプラント設備モデル３１０の全てについて演算が終了しているか判断し（ステップＳ４）、終了していなければ（ステップＳ４でＮｏ）、ステップＳ２にもどり、プラント設備モデル３１０−２乃至３１０−ｎについて同様に処理する。
すべてのプラント設備モデル３１０の演算が終了したら（ステップＳ４でＹｅｓ）、長時間反応部モデル３２０の演算をＭ／Ｎ回行い（ステップＳ５）、演算結果データをメモリに保存する（ステップＳ６）。ここでＮはＭの約数であり、Ｍ／Ｎは自然数である。
例えば、Ｍを２００に設定すれば、３日かかる失活現象を２０分程度で再現することができる。このとき、プラント設備モデル３１０についてのシミュレーション速度は一律にＮ倍（例えば８倍）に設定されているので、プラント設備モデル３１０同士の同期を確保できる。
【００２２】
以上のように、本発明によれば、長時間反応部モデルのみをサブモデル化して高速演算可能としたので、長時間反応部モデルを連続的に短時間で再現することができる。また、長時間反応部モデルのみを高速演算し、それ以外のプラント設備モデルについては従来通りの演算を行うようにしたので、模擬モデルの実時間応答性と、模擬対象設備全体に渡る動作の同期を確保できる。また、長時間反応部モデルのみを高速演算するようにしたので、シミュレータに用いるＣＰＵの負荷を押さえることができる。
【符号の説明】
【００２３】
１０…排煙脱硫装置、２０…抜出ポンプ、３０…脱水機、４０…スラリ槽、５０…スラリポンプ、６０…タンク、７０…導入側吸収塔、８０…導出側吸収塔、１００…操作画面、１１０…ステータスバー、１２０…メイン画面、１３０…系統選択ボタン、１４０…ツールバー、２００…吸収系プラント設備モデル、３００…プラント設備モデル演算処理部、３１０…プラント設備モデル、３２０…長時間反応部モデル、３３０…シミュレーション速度指令部、４００…プラント設備モデル演算処理部、４１０…プラント設備モデル、４３０…シミュレーション速度制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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