(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源設備を有する熱源プラントが複数分散して配置され配管網で接続することで供給地域に熱供給を行う分散熱源プラントについて、
前記熱源プラントに存在する熱源設備の負荷率に対するエネルギー消費又は設備出力を示す関係式を有する熱源プラント熱源設備モデルと、
前記供給地域の総エネルギー要求量に応じて、前記熱源プラント熱源設備モデルに基づいて熱源プラント出力に対する運転コストを表す熱源プラントコストモデルを導出する熱源プラントコストモデル導出部と、
前記熱源プラントに関する配管網情報及びポンプ情報と、前記熱源プラントコストモデルに基づいて、熱源プラント出力を算出する熱源プラント出力決定部と、
前記熱源プラント出力決定部で算出した熱源プラント出力に基づいて熱源プラントの運転計画を立案し、熱源プラント運転コストを算出する熱源設備運転計画作成部と、を有し、
前記熱源プラントコストモデル導出部が、前記熱源設備運転計画作成部で算出された熱源プラント運転コストに基づいて、前記熱源プラント出力決定部で算出した熱源プラント出力近傍の熱源プラントコストモデルを再生成することで、熱源プラント出力の収束演算を行うことを特徴とする分散熱源プラントの運転計画立案装置。
【請求項２】
請求項１において、前記熱源プラント熱源設備モデルが各熱源プラントの熱源設備から得られる運転実績データを用いて逐次更新されるモデルを使用することを特徴とする分散熱源プラントの運転計画立案装置。
【請求項３】
請求項１において、前記熱源プラントの運転計画を、熱源設備の運転制御装置へと送信し、前記熱源プラントの運転計画に基づいて熱源設備を運転することを特徴とする分散熱源プラントの運転計画立案装置。
【請求項４】
熱源設備を有する熱源プラントが複数分散して配置され配管網で接続することで供給地域に熱供給を行う分散熱源プラントについて、
前記供給地域の総エネルギー要求量に応じて、前記熱源プラントに存在する熱源設備の負荷率に対するエネルギー消費又は設備出力を示す関係式を有する熱源プラント熱源設備モデルに基づいて、熱源プラント出力に対する運転コストを表す熱源プラントコストモデルを導出し、
前記熱源プラントに関する配管網情報及びポンプ情報と、前記熱源プラントコストモデルとに基づいて熱源プラント出力を算出し、
前記熱源プラントコストモデルに基づいて算出した熱源プラント出力に基づいて熱源プラントの運転計画を立案し、
前記運転計画に基づいて熱源プラント運転コストを算出し、
前記運転コストに基づいて前記熱源プラント出力近傍の熱源プラントコストモデルを再生成することで、熱源プラント出力の収束演算を行うことを特徴とする、分散熱源プラントの運転計画立案方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散熱源プラントの運転計画立案装置及び分散熱源プラントの運転計画立案方法に関し、特に、地域に分散して存在し配管網で接続された複数の熱源プラントを対象に運転計画を立案するのに好適な分散熱源プラントの運転計画立案装置及び分散熱源プラントの運転計画立案方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷凍器等の熱源設備を設け、該熱源設備で温度調節された媒体を配管等を介して空調機等の負荷に供給して稼働するシステムが知られている。冷媒の供給は複雑化する傾向にあり、熱源設備を複数設けて、その複数の熱源設備からの媒体を分配して複数の負荷に供給するシステムが実現化されるようになってきた。
【０００３】
一方、近年においては、省エネルギーが望まれている。すなわち、各負荷の負荷要求を満足しつつ各熱源設備の運転コストを低く抑えることが望まれる。複数の熱源設備から複数の負荷に媒体を供給する場合には、各々の熱源設備をシステム全体のトータルコストが低減するように運転する必要がある。
【０００４】
そのため、想定される各熱源設備の運転状況に対してコスト等を示す評価関数を用いて、各負荷の要求を満たす各熱源設備の運転計画を作成し、更に知識ルールを用いて各熱源設備の運転計画を修正する技術が考えつかれた。このような技術は例えば特開平６−２３６２０２号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２３６２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術である各熱源設備の運転状況に対してコスト等を示す評価関数を用いた場合は、熱源設備の数或いは熱源設備の種類が少なければ運転計画に係る演算は比較的に容易であるが、しかしながら、複雑化されたシステムにおいては、熱源設備数が増加する傾向にあるのみならず、例えば、温水や冷水の他に蒸気といった全く異なる複数の熱源設備が混在する場合があり、さらに、例えばボイラ蒸気等のように、需要家に直接使用されるだけでなく冷凍機等の他の熱源設備の動力となる等の複雑な関係を持っている熱源設備さえある。そのため、上記の従来技術では、熱源設備の運転計画を立てるうえで演算が複雑になり演算負荷が大きくなるとの問題が生じていた。
【０００７】
そこで本発明では、熱源設備の運転計画を立案するための演算負荷を削減することが可能な分散熱源プラントの運転計画立案装置及び分散熱源プラントの運転計画立案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】
上記目的を達成するために、本発明では、熱源設備を有する熱源プラントが複数分散して配置され配管網で接続することで供給地域に熱供給を行う分散熱源プラントについて、前記熱源プラントに存在する熱源設備の負荷率に対するエネルギー消費又は設備出力を示す関係式を有する熱源プラント熱源設備モデルと、前記供給地域の総エネルギー要求量に応じて、前記熱源プラント熱源設備モデルに基づいて熱源プラント出力に対する運転コストを表す熱源プラントコストモデルを導出する熱源プラントコストモデル導出部と、前記熱源プラントに関する配管網情報及びポンプ情報と、前記熱源プラントコストモデルに基づいて、熱源プラント出力を算出する熱源プラント出力決定部と、前記熱源プラント出力決定部で算出した熱源プラント出力に基づいて熱源プラントの運転計画を立案し、熱源プラント運転コストを算出する熱源設備運転計画作成部と、を有し、前記熱源プラントコストモデル導出部が、前記熱源設備運転計画作成部で算出された熱源プラント運転コストに基づいて、前記熱源プラント出力決定部で算出した熱源プラント出力近傍の熱源プラントコストモデルを再生成することで、熱源プラント出力の収束演算を行うように構成した。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の熱源プラントを対象として、各プラントに存在する多数の熱源設備に対して、その運転計画を立案するための演算負荷を削減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置を適用した全体構成図
【図２】本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の機能構成図
【図３】本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の処理を表すフローチャート
【図４】熱源プラントコストモデル
【図５】本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置で得られるプラント出力(冷水)
【図６】実施例２における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の機能構成図
【図７】実施例２における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の処理を表すフローチャート
【図８】コストモデルの精度向上のための演算を示す図
【図９】実施例３における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の機能構成図
【図１０】実施例４における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置の機能構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１２】
図1は、本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置１０１を適用した全体の構成とその接続関係を表す図である。分散熱源では、複数の熱源プラント（１０２〜１０４）が各地に分散して存在し、配管網１０５（冷水・温水・蒸気等）を通じて複数の供給地域（１０６〜１０９）に冷水・温水・蒸気等を供給する。分散熱源プラントの運転計画立案装置１０１は、各地に存在する各熱源プラント（１０２〜１０４）と信号線１０８によって接続してデータの送受信を行い、例えば地域全体のエネルギー管理を行うCEMS（Community Energy Management System）と共に、中央管制室に置かれる。
【００１３】
図２は、実施例１における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置１０１の機能構成図の例である。本運転計画立案装置は、本装置が対象とする各熱源プラント２０１に存在する熱源設備のモデルである熱源プラント熱源設備モデル２０３を用いて熱源プラントの出力に対するコストを表す熱源プラントコストモデル２０４を導出する熱源プラントコストモデル導出部２０２と、熱源プラントコストモデル２０４と地域全体を結び付けている配管網の情報と各熱源プラントから冷温水を供給するためのポンプの情報を表す配管・ポンプ情報２０５と各個別のプラント２０２における出力制限などの制約である個別プラント制約２０６を用いて冷水出力等のプラント出力演算結果２０７を導出するプラント出力決定部２０８と、熱源プラントコストモデル導出部２０２とプラント出力決定部２０８が必要とする最適演算を実施する最適演算部２０９で構成される。プラント出力演算結果２０６は各熱源プラント２０２に存在する熱源設備運転計画作成装置２１０が熱源設備運転計画２１１を立案するために使用される。
【００１４】
図３は、本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置１０１の処理を表すフローチャートである。まず各熱源プラントの熱源設備モデルを用いて熱源プラントコストモデルを生成する（３０１）。すなわち、熱源プラント（Ａ）１０２について熱源プラント（Ａ）１０２に属する各々の熱源設備の熱源設備モデルに基づいて熱源プラントコストモデル（Ａ）を、熱源プラント（Ｂ）１０３について熱源プラント（Ｂ）１０３に属する各々の熱源設備の熱源設備モデルに基づいて熱源プラントコストモデル（Ｂ）を、熱源プラント（Ｃ）１０４について熱源プラント（Ｃ）１０４に属する各々の熱源設備の熱源設備モデルに基づいて熱源プラントコストモデル（Ｃ）を、各々、生成するのである。
【００１５】
次に、熱源プラントコストモデル、配管・ポンプ情報、各熱源プラントの制約情報を用いて、各熱源プラントの出力を決定する（３０２）。すなわち、供給地域（ａ）１０６、供給地域（ｂ）１０７、供給地域（ｃ）１０８及び供給地域（ｄ）１０９の総和となる総エネルギー要求量について、該総エネルギー要求量と前記の制約条件に基づき、熱源プラント（Ａ）１０２、熱源プラント（Ｂ）１０３、熱源プラント（Ｃ）１０４にエネルギー要求量を分配するのである。
【００１６】
次に、各熱源プラントに存在する熱源設備運転計画作成装置が、与えられたプラント出力を利用して熱源設備の運転計画を立案する（３０３）。適切に制約を与えていなかった等の理由で、得られた計画に問題があり、再度計画を立案する必要がある場合は、条件の変更などを行い、熱源プラント出力を再度決定する（３０４）。熱源設備モデルそのものに誤りがある場合は３０１以前に戻って熱源プラントコストモデルを再生成して演算する場合もある。
【００１７】
次に、構成図とフローに示した各要素について詳述する。
【００１８】
熱源プラント熱源設備モデル２０３は、各熱源設備についてその負荷率（＝実出力/定格出力）に対するエネルギー消費量、または設備出力を示す関係式（曲線）である。具体的な例としては、遠心冷凍機の場合には冷水出力の負荷率に対する電力消費量であり、排熱利用蒸気吸収冷凍機の場合は冷水出力の負荷率に対する蒸気消費量と排温水消費量となる。CGS（コジェネレーション）の場合には、発電量の負荷率に対するガス消費量の他に、発電以外の出力である蒸気量、排温水量等を表す関係式となる。
【００１９】
熱源プラントコストモデル２０４は、図４の４０１に示したような熱源プラントの出力に対するコストを表す曲面であり、その軸としては冷水・温水・蒸気・発電量が挙げられる。またこのモデルは地域全体でコストを最小化する場合に用いるモデルであり、CO2排出量を最小化する場合には縦軸にCO2排出量をとる。
【００２０】
次に、熱源プラントコストモデル導出部２０２のモデル作成方法を示す。熱源プラントは、その出力が定まっても複数の熱源設備が存在するため、設備の組合せやその負荷率等の運転方法でコストが変動し、一意に決まらない。そこで、熱源プラントコストモデル導出部２０２は、各出力に対する熱源設備の運転計画を最適化等によって立案し、その結果得られたコストをその出力における熱源プラントのコストとする。この運転計画の立案は公知の手法を用いて行う。こうして得られた点の例が４０２である。熱源プラントコストモデル導出部は、これを複数の出力に対して求め、これを元にして最小二乗法等の演算手法を用いて曲面４０１の式を導出する。
【００２１】
配管・ポンプ情報２０５は、図１に示した供給配管１０４と各熱源プラント（１０２〜１０４）についての情報で、配管については具体的には配管径・長さ・流速係数等のその圧力損失を求めるためのであり、ポンプについてはその特性曲線で、Q-Hカーブやその電力消費量導出のための式の情報である。
【００２２】
プラント出力決定部は前述の情報を用いて地域全体でコストが最小となるような各熱源プラントの出力２０７を導出する。最小化すべき地域全体のコストは以下の式で表される。
【００２３】
【数１】
0006581350.tif 000002
【００２４】
ここで、plは各熱源プラントの番号、tは時刻、cは冷水供給量、hは温水供給量、sは蒸気供給量、eは発電量、fはプラントコストモデルに対応するもので各供給量に対するプラントのコストを、ｇはプラントのポンプ消費電力によるコストを表す。
【００２５】
地域全体で満たすべき制約条件は、図１に示した配管網の各節点においてその入出力の合計が０となることで、また冷水・温水については節点における圧力が同一であるという条件である。流量制約は、各節点で成立する以下の式で表される。
【００２６】
【数２】
0006581350.tif 000003
【００２７】
ここで、sは対象とする節点の番号、pは配管番号、tは時刻、wpは配管pから節点sへと流れ込む熱流量、wdは節点sに接続する供給地域が必要とする熱流量、wgは節点sに接続する熱源プラントから供給される熱流量である。これらは温水・冷水・蒸気について成立する。また圧力については、各配管を通ることによる圧力損失を以下のHazen-Williamsの式等を用いて導出する。
【００２８】
【数３】
0006581350.tif 000004
【００２９】
ここで、ΔPは各配管における差圧、cは流速係数、dは配管径、Lは配管長、βは単位調整のための係数である。なお、圧力損失を表す式はその近似方法によって複数種類あり、式7の式に限定せず、その他の式を用いてもよい。
【００３０】
またポンプの消費電力については、冷水・温水それぞれについて例えば以下に示すポンプの消費電力の式を用いて導出する。
【００３１】
【数４】
0006581350.tif 000005
【００３２】
ここで、mはポンプ番号、ηはポンプ効率、wmはポンプを流れる熱媒の流量、Hはポンプの揚程、αは単位換算係数を表す。なお、この式についてもこれに限定されるものではなく、インバータ特性を考慮した３次関数として近似したもの等、その他の式を用いても良い。
【００３３】
個別プラントの制約としては、ある時間帯には冷水設備のメンテナンス等でその出力が制限されてしまうような場合に、その上限値を設定する等で、解として自身が出力不可能なプラント出力演算結果が導出されることを防ぐ。制約式としては、先に出てきたc,h,s,eの上下限を設定する等の式で表される。
【００３４】
以上の目的関数と制約式を用いて、各熱源プラントの出力（冷水・温水・蒸気・発電量）と配管流量を変数として、最適演算部による演算を行うことで地域全体のコストを最小化する熱源プラントの出力を求める。なお、最適化の手法としては曲面をそのまま用いるために、大域解を求める非線形最適化手法、あるいはPSO(Particle Swarm Optimization:粒子群最適化)やGA(Genetic Algorithm:遺伝的アルゴリズム)のようなメタヒューリスティック手法を使用してもいいし、あるいは少数の平面で近似できるような場合には、線形化を行うことでMILP(Mixed Integer Linear Programming:線形混合整数計画法)等の手法を用いても良い。
【００３５】
演算の結果得られるプラント出力は、冷水・温水・蒸気・発電量について各時刻にその値を定めるもので、冷水出力の例では図５に示したプロット５０１のように表される。これは、単独の熱源プラントの熱源設備の運転計画の最適化に用いる熱需要と同等のものであるため、個別プラントでは熱源設備運転計画作成装置２１０によって、従来と同様の手法で熱源設備の運転計画２１１を生成することが可能となる。
【００３６】
以上のようにプラント出力の最適化と個別プラントの運転計画最適化を多段階に行うことで、全熱源設備を対象とする大規模な問題を変数数が少ない複数の子問題に分けて解くことができるため、変数数の累乗で増加する運転計画の演算時間を大幅に削減することが可能となる。なお、個別の熱源プラントに存在する運転計画作成装置２１０は既存のものをそのまま用いるとして各熱源プラントに置かれているとしているが、分散熱源プラントの運転計画立案装置１０１が存在する中央管制室に置かれていても良い。
【実施例２】
【００３７】
図６は、実施例２における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置２０１の機能構成図の例である。本実施例に示す構成とすることで、熱源プラントコストモデル２０４作成のための演算負荷を削減することが可能となる。図２と異なるのは、熱源設備運転計画作成装置２１０によって運転計画と共に求まる計画実行時のコスト６０１を熱源プラントコストモデル導出部２０２へと送信している点である。この情報を用いることで、熱源プラントコストモデル２０４の精度を向上させる。
【００３８】
この演算の処理を表すフローを図７に示す。ステップ３０２までの処理は同様である。続いて、個別プラントの運転計画作成装置によって運転計画を導出すると共に、その計画で運転した場合のコストを導出する（７０１）。次に、得られたコストと前のループで導出したコストとの差分を求めその差分が閾値として設定した値を下回るかどうかを判定する。下回った場合は終了し、下回らない場合は処理を継続する（７０２）。次に、求めたコストとこのコスト導出のために用いたプラント出力点についての情報を元に、その出力近傍の点のみを利用して熱源プラントコストモデルを再生成する（７０３）。その後はステップ３０１に戻って演算を繰り返し、この一連の演算をステップ７０２の条件を満たすまで継続する。
【００３９】
コストモデル再生成による精度向上について図８に示す。始めにプラント出力を求めるときは、出力の全領域にわたるプラントコストモデル８０１を用いて演算し、解を求める。求めたプラント出力に対する運転コストをプロットしたのが８０２である。次に、ステップ３０１に戻ってプラントコストモデルを再生成する場合プロット８０２の近傍の点のみを用いた曲面８０３を再生成する。この近傍領域の大きさはパラメータとして入力できるようにしても良い。こうして順次求められた運転点を用いてモデルを高精度化していくことで、始めに作成したプラントコストモデルを厳密に作成しない場合でも、高い精度でプラント出力を決定することが可能となる。
【実施例３】
【００４０】
図９は実施例３における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置２０１の機能構成図の例である。本実施例に示す構成とし、熱源プラント熱源設備モデルの情報を実運用データに合わせて更新することで、そのモデルの精度を向上させることが可能となる。その処理について以下に示す。まず、各熱源プラント２０２に存在する熱源設備群９０１から運転実績データ９０２を取得する。運転実績データとは、各時刻におけるその出力とエネルギー消費量等を示すもので、水冷チラーであれば各時刻における冷水出力と電力の消費量、コジェネであれば各時刻の発電量と、排熱生成量・蒸気生成量・ガス消費量等を表すデータである。そのため、このデータから熱源設備の負荷率に対する消費エネルギー等の値を求めることができ、これを用いて熱源プラント熱源設備モデル２０３を実運転に合わせて修正することが可能となる。そのための処理は、プラントモデル修正部９０３によって行う。具体的には、既に存在している熱源プラント熱源設備モデル２０３の特性曲線から任意の個数の点を抜き出し、新たに運転実績データから得られる点を追加した後で最小二乗法等により特性曲線の式を生成する等の処理を行う。以上により、熱源設備９０２の実運転に合わせて熱源プラント熱源設備モデル２０３を更新しつつ、分散熱源プラントの運転計画を立案することが可能となる。
【実施例４】
【００４１】
図１０は実施例４における本発明の分散熱源プラントの運転計画立案装置２０１の機能構成図の例である。本実施例に示す構成とすることで、得られた運転計画を元にした熱源設備の運転を自動で行うことが可能となる。その処理について以下に示す。個別プラント運転計画作成装置２１０によって、個別プラント熱源設備運転計画２１１を作成した後、その計画を熱源設備制御装置１００１に送信する。熱源設備制御装置１００１はその計画に基づいて、熱源設備群９０１に対してその起動停止信号を、または負荷率を制御することが可能であればその負荷になるように制御信号を出力する。以上により、本分散熱源プラントの運転計画立案装置２０１を用いて熱源設備を自動で制御することが可能となる。なお、実施例２，３，４で示した各構成はそれぞれ独立していなければならないものではなく実施例２，３，４の任意の構成を組み合わせたものとしても良い。
【符号の説明】
【００４２】
１０１…分散熱源プラントの運転計画立案装置、２０１…各熱源プラント、２０２…熱源プラントコストモデル導出部、２０３…熱源プラント熱源設備モデル、２０４…熱源プラントコストモデル、２０５…配管・ポンプ情報、２０６…個別プラント制約、２０７…プラント出力演算結果、２０８…プラント出力決定部、２０９…最適演算部、２１０…熱源設備運転計画作成装置、２１１…熱源設備運転計画
【図１】
0006581350.tif 000006
【図２】
0006581350.tif 000007
【図３】
0006581350.tif 000008
【図４】
0006581350.tif 000009
【図５】
0006581350.tif 000010
【図６】
0006581350.tif 000011
【図７】
0006581350.tif 000012
【図８】
0006581350.tif 000013
【図９】
0006581350.tif 000014
【図１０】
0006581350.tif 000015