(57)【要約】【課題】酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストを考慮し、需要を満足し最も安価に酸素ガス供給ができる、酸素ガス供給システムの運用方法を提供することを課題とする。【解決手段】需要部での生産計画に基いて、現時点以降未来に渡る各時刻における酸素ガス需要量の算出を行う、酸素ガス需要量の算出ステップと、貯蔵量ならびに処理量の上下限値といった制約条件および演算条件の各種設定を行う、各種設定ステップと、コストに係る評価関数を最小化する最適化問題として定式化し求解する、定式化・求解ステップと、求解した運用計画を出力する、運用計画出力ステップと、次の計画タイミングで、酸素ガス需要量の測定値でガスホルダおよび液酸タンク貯蔵量の予測値を修正する、予測値修正ステップとを有する。【選択図】図１
2011007450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
需要部へ酸素ガスを供給する、空気分離装置、液化装置、酸素ガスホルダ、液酸タンク、および気化装置で構成される酸素ガス供給システムの運用方法であって、
前記需要部での生産計画に基いて、現時点以降未来に渡る各時刻における酸素ガス需要量の算出を行う、酸素ガス需要量の算出ステップと、
前記空気分離装置、液化装置、酸素ガスホルダ、液酸タンク、および気化装置における貯蔵量ならびに処理量の上下限値といった制約条件および演算条件の各種設定を行う、各種設定ステップと、
コストに係る評価関数を最小化する最適化問題として定式化し求解する、定式化・求解ステップと、
求解した運用計画を出力する、運用計画出力ステップと、
次の計画タイミングで、酸素ガス需要量の測定値でガスホルダおよび液酸タンク貯蔵量の予測値を修正する、予測値修正ステップとを有することを特徴とする酸素ガス供給システムの運用方法。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素ガス供給システムの運用方法において、
前記評価関数は、酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストの総和を表すものであり、
前記最適化問題として定式化するにあたっては、混合整数計画法を用いることを特徴とする酸素ガス供給システムの運用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の空気分離装置と複数の液化装置で構成される、酸素ガス供給システムの運用方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の酸素ガス供給システムの運用方法に関する技術としては、例えば、特許文献１に開示された技術がある。この技術は、需要の計画に基いて、酸素ガスホルダの圧力を予測し、その予測値が目標となるように、空気分離装置からの酸素ガス発生量と窒素ガス発生量をコントロールするものである。
【０００３】
需要量予測値を算出する需要量予測手段と、現時点の酸素発生量から将来の酸素発生量予測値を算出する酸素発生量予測手段と、需要量予測値、酸素発生量予測値に基づき酸素ホルダ圧力を予測する酸素ホルダ圧力予測手段と、酸素ホルダ圧力予測値に基き放酸量予測値及び液体酸素供給量予測値を算出する放酸量及び液体酸素供給量予測手段と、前記酸素発生量予測値、放酸量予測値及び液体酸素供給量予測値に基づき酸素適正発生量を算出する酸素適正発生量算出手段と、酸素適正発生量に基づき酸素ホルダ適正圧力予測値を算出する酸素ホルダ適正圧力予測手段と、酸素適正発生量予測値、前記酸素需要量予測値及び前記酸素ホルダ適正圧力予測値に基づき適正放酸予測値及び液体酸素適正供給量予測値を算出する放酸量及び液体酸素適正供給量予測手段とを備えている。
【０００４】
なお、ここで放酸量とは、放散酸素量を意味し、また以下の記載で用いる液酸とは液化酸素を意味するものとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９５８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「ここまで解ける整数計画」，システム/制御/情報，Vol.50,No.9,pp. 363-368,2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、各種予測手段により需要に見合う酸素ガス供給を計画することはできるものの、経済的な酸素ガス供給までは保証できていないという問題点がある。
【０００８】
すなわち、時間帯毎の電力単価の変化による酸素ガス発生コストと液化装置による液化コストが全く考慮されていない。このため、例えば、夜間に液化してタンクに蓄積しておいた液酸を、電力単価の高価な昼間にいくら利用すれば、最も安価に酸素ガス供給ができるのかという点については、その解答を与えるものではない。
【０００９】
本発明は、これら従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストを考慮し、需要を満足し最も安価に酸素ガス供給ができる、酸素ガス供給システムの運用方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１に係る発明は、需要部へ酸素ガスを供給する、空気分離装置、液化装置、酸素ガスホルダ、液酸タンク、および気化装置で構成される酸素ガス供給システムの運用方法であって、前記需要部での生産計画に基いて、現時点以降未来に亘る各時刻における酸素ガス需要量の算出を行う、酸素ガス需要量の算出ステップと、前記空気分離装置、液化装置、酸素ガスホルダ、液酸タンク、および気化装置における貯蔵量ならびに処理量の上下限値といった制約条件および演算条件の各種設定を行う、各種設定ステップと、コストに係る評価関数を最小化する最適化問題として定式化し求解する、定式化・求解ステップと、求解した運用計画を出力する、運用計画出力ステップと、次の計画タイミングで、酸素ガス需要量の測定値でガスホルダおよび液酸タンク貯蔵量の予測値を修正する、予測値修正ステップとを有することを特徴とする酸素ガス供給システムの運用方法である。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の酸素ガス供給システムの運用方法において、前記評価関数は、酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストの総和を表すものであり、前記最適化問題として定式化するにあたっては、混合整数計画法を用いることを特徴とする酸素ガス供給システムの運用方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、空気分離装置、液化装置、酸素ガスホルダ、液酸タンク、および気化装置で構成される酸素ガス供給システムの運用計画を、酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストの総和を考慮するとともに、酸素ガスの需要量の変化も考慮するようにして作成するようにしたので、酸素ガスの需要部へのガス供給を確実かつ安価に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る酸素ガス供給システムの運用方法の処理手順例を示す図である。
【図２】本発明の一実施対象である酸素ガス需給システムの構成例を示す図である。
【図３】電力単価の時間変化（２４時間分）を示す図である。
【図４】本実施例における最適化の結果の一例(６変数)を示す図である。
【図５】本実施例における最適化の結果の一例(２貯蔵量)を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面および数式を参照しながら説明する。本発明は、前記課題を解決するために、コストを表す評価関数(例えば、以下に示す（４）式)を導入し、未来の需要変動および電力単価変動を考慮しながら、現時点以降未来に亘る酸素ガス発生コストの最小化を可能にしたものである。
【００１５】
図２は、本発明の一実施対象である酸素ガス需給システムの構成例を示す図である。図中、１は空気分離装置、２は液化装置、３は酸素ガスホルダ、４は液酸タンク、５は気化装置、および６は需要部をそれぞれ表す。
【００１６】
この酸素ガス需給システムは、空気から酸素を分離する複数ｉの空気分離装置１、酸素ガスを液化する複数ｊの液化装置２、酸素ガスを貯蔵する酸素ガスホルダ３、液化した酸素を貯蔵する液酸タンク４、および液化した酸素を気化する気化装置５で構成される酸素ガス発生プラントと、これら酸素ガス発生プラントから供給された酸素ガスを利用する需要部６とからなっている。
【００１７】
時刻(t)における、i番目の空気分離装置の酸素ガス発生量、ｊ番目の液化装置の液化量、液酸タンクからの酸素ガス発生量（気化量）、ガスホルダへの流入量、および酸素ガス需要量を、それぞれ、Xi(t)、Yj(t)、Z(t)、W(t)、およびD(t)として、この時刻(t)における酸素ガスのバランス(物質収支)をとると、以下の（１）式に示す数式モデルが成り立つ。
【００１８】
【数１】
2011007450.tif 000003
【００１９】
そして、液酸タンク４および酸素ガスホルダ３の、時刻(t)における貯蔵量を、それぞれT(t)、およびH(t)とすると、以下に示す（２）および（３）式のように表すことができる。
【００２０】
【数２】
2011007450.tif 000004
【００２１】
【数３】
2011007450.tif 000005
【００２２】
制約条件としては、（１）式のバランスを満たしながら、上記T(t)およびH(t)がそれぞれに設定された貯蔵量の上下限値を満たすこと、さらに、時刻(t)における空気分離装置iの酸素ガス発生量Xi(t)および液化装置ｊの液化量Yj(t)がそれぞれに設定された処理量の上下限値を満たすことが必要である。
【００２３】
そして、評価関数Jは、例えば、以下に示す（４）式のように、現時点以降未来24時間に亘る各時刻における酸素ガス発生コストと酸素ガス液化コストの総和として表す。この評価関数Jを、上記制約条件を満たし、かつこの評価関数Jを最小化する最適化問題として定式化する。
【００２４】
【数４】
2011007450.tif 000006
【００２５】
図１は、本発明に係る酸素ガス供給システムの運用方法の処理手順例を示す図である。先ず、Step01にて、需要部での生産計画に基いて、現時点以降未来に亘る各時刻における酸素ガス需要量の算出を行う。需要部での生産計画に基いて必要となる、酸素ガス需要量D(t)を求める。
【００２６】
次に、Step02にて、酸素ガス発生プラントでの貯蔵量、処理量の上下限値などの制約条件および演算条件などの各種設定を行う。
【００２７】
そして、Step03にて、コストに係る評価関数を最小化する最適化問題として定式化し、求解する。コストに係る評価関数を最小化するように、現時点以降未来に亘る空気分離装置と液化装置の稼動計画および液酸タンクからの酸素ガス発生量（気化量）を、混合整数計画法により求める。
【００２８】
ここで、混合整数計画法としたのは、非線形で大規模なコストモデルを高速に求解するために、非線形モデルを分割、線形化する手法を採用したためである。小規模なエネルギーシステムでは、非線形モデルをそのまま用いて、非線形計画法、あるは、遺伝的アルゴリズムなど、他の組合せ最適化手法を用いた解法を用いても良い。なお、混合整数計画法による解法については、非特許文献１を参照することとし、ここでは割愛する。
【００２９】
そして、Step04にて、Step03の求解処理によって得られた運用計画を各装置へ出力して、これに基いて酸素ガス供給操業を行う。 
【００３０】
さらに、Step05で次の計画時刻に達すれば、Step06にて、実際の酸素ガス需要量の測定値でガスホルダおよび液酸タンク貯蔵量の予測値を修正する。これは、Step03で求められた結果の通りに操業を行った場合でも、生産計画のずれや、設備トラブルにより、次の計画時刻に進んだ際に、予測されたガスホルダ貯蔵量や液酸タンクの貯蔵量とならない場合が考えられるためである。
【００３１】
そこで、Step06の次の計画時刻では、実際の酸素ガス需要量の測定値でガスホルダおよび液酸タンク貯蔵量の予測値を修正し、再度Step01〜Step05の操作を繰り返すことで、逐次的にフィードバックを行う。これにより、需給変動がある場合でも、コストが最小となる空気分離装置および液化装置の稼動計画をリアルタイムに最適化することができる。
【００３２】
なお本発明では、複数時刻の最適化を同時に行うため、例えば、制約条件に空気分離装置の時間変動の制約（例えば、単位時間あたりの変化量を30kNm3/hに抑えるなど）を加えることにより、操業の安定化も図ることもできる。
【実施例】
【００３３】
本実施例では、図２の装置構成において、空気分離装置２機、液化装置２機、ガスホルダ１機、および液酸タンク１機で構成される酸素ガス発生工場における実施例を示す。
【００３４】
空気分離装置２機および液化装置２機は、それぞれ効率が異なっており、したがって酸素ガスの発生または液化に使用するコンプレッサーでの電力量が異なってくる。
【００３５】
本工場では、空気分離装置２機で発生した酸素ガスをガスホルダに蓄積、または、液化装置で液化、または、需要先に供給することができる。さらに、液化装置で液化した酸素は液酸タンクに貯蔵され、必要なときに気化装置にて気化することができる。ここでは簡単のため、気化装置の電力は考慮しないものとして説明を行う。
【００３６】
本実施例では、現時点以降24時間に亘る、２４要素の配列を有する、空気分離装置１および２の酸素ガス発生量X１(t)およびX２(t)、液化装置１および２の液化量Y１(t)およびY２(t)、液酸タンクからの酸素ガス発生量（気化量）Z(t)、およびガスホルダへの流入量W(t)の４変数を最適化することになる。
【００３７】
ガスホルダの貯蔵量H(t)、液酸タンクの貯蔵量T(t)は、各時刻における入出量を積分することで計算できる(前出の（３）および（２）式)。そして、最小化すべき評価関数Jは、以下の（５）式で表される。
【００３８】
【数５】
2011007450.tif 000007
【００３９】
そして、その他前述した制約条件を加えて数理計画法として定式化することで、最も安価に酸素ガスを発生させることができる。
【００４０】
図３は、電力単価の時間変化（２４時間分）を示す図である。図４および５は、本実施例における最適化の結果の一例(６変数および２貯蔵量)を示す図である。ここでは2時間を１期間として、２４時間分の最適化を行った結果である。
【００４１】
図４ならびに図５からは、図３のように電力単価が変化した場合、電力単価が上がる１０時までに液酸量Y１およびY２を発生させて液酸タンクに貯蔵しておき、電力単価が上がった時間帯では、液酸タンクから液酸を気化して使用していることが分る。
【００４２】
また、空気分離装置も電力単価の安い間に液化装置およびガスホルダに送給する分まで、多く発生している。このような最適運用は、液化コストに比べ、気化コストが安価であることに起因している。
【００４３】
なお、本実施例では、ガスホルダおよび液酸タンクにそれぞれ上限貯蔵量は設けてはいるものの、下限貯蔵量はいずれも設けてはいない。
【００４４】
このように本発明では、空気分離装置および液化装置の運用をガスホルダおよび液酸タンクの運用も含めて、２４時間分の電力単価の変動も考慮して最適化することにより、常に安価に酸素ガスを発生させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１    空気分離装置
２    液化装置
３    酸素ガスホルダ
４    液酸タンク
５    気化装置
６    需要部
【図１】
2011007450.tif 000008
【図２】
2011007450.tif 000009
【図３】
2011007450.tif 000010
【図４】
2011007450.tif 000011
【図５】
2011007450.tif 000012