(57)【要約】【課題】ガスの供給量及びガスを含む複数種類のエネルギの需要量に変動がある場合でも、ガスホルダの圧力を安定化し、且つ、システム全体のコストが最小となる、現在から将来に渡るエネルギ変換設備の稼動計画をリアルタイムに最適化する。【解決手段】ガスを含む複数種類のエネルギの配分を最適化するためのエネルギバランスの最適化方法であって、現時点以降、将来に渡る各時刻の各エネルギの需要量を、需要側の消費計画に基いて求め、次いで、全エネルギの統一化されたコストモデルを用いて、現時点以降、将来に渡るガスホルダの圧力を安定化し、且つ、エネルギコストを最小化する各エネルギ変換設備の稼動計画を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを含む複数種類のエネルギの配分を最適化するためのエネルギバランスの最適化方法であって、
現時点以降、将来に渡る各時刻の各エネルギの需要量を、需要側の消費計画に基いて求め、
次いで、全エネルギの統一化されたコストモデルを用いて、現時点以降、将来に渡るガスホルダの圧力を安定化し、且つ、エネルギコストを最小化する各エネルギ変換設備の稼動計画を求めることを特徴とするエネルギバランスの最適化方法。
【請求項２】
次の時刻で、ガスホルダの圧力の測定値で予測値を修正し、再度稼動計画を求めることを特徴とする請求項１に記載のエネルギバランスの最適化方法。
【請求項３】
前記エネルギコストとして、二酸化炭素排出量を選択することを特徴とする請求項１又は２に記載のエネルギバランスの最適化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスを含む複数種類のエネルギの配分を最適化するためのエネルギバランスの最適化方法に関する。特に、製鉄所に用いるのに好適な、複数種のガス、電力、蒸気を供給、消費するエネルギシステムにおいて、各ガスの供給量やガス、電力、蒸気の需要量に変動がある場合でも、ガスホルダの圧力を安定化して、ある範囲内に納めることにより、ガスの需要変動に対応できるようにし、且つ、システム全体のコストが最小となる、現在から将来に渡るエネルギ変換設備（ボイラ、タービン、発電機等）の稼動計画をリアルタイムに最適化することが可能なエネルギバランスの最適化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントの最適化制御に関して、特許文献１には、「複数の発電要素の各々に対する最適負荷配分の演算に必要なパラメータのうち、直接測定できない発電要素の特性や状態に関わるパラメータを、発電要素の物理モデルと入力プロセス状態量とに基づき演算により推定し、得られた各発電要素のパラメータと物理モデルを用いて最適化演算を行い、その結果に基づいて発電プラント全体のコストを最小にする各発電要素に対する最適な負荷配分を決定して各発電要素を制御すること」が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７６１３３７号公報
【発明の開示】
【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では、ボイラで発生した蒸気と電力について考慮されているだけで、ガスホルダを用いることは考慮されていない。蒸気は貯めることができないので、現在または将来に渡るエネルギ変換設備の稼働計画をリアルタイムに捉え制御することが難しい。
【０００５】
一方、製鉄所では、エネルギ源として、高炉から発生するＢガス、コークス炉から発生するＣガス、これらを混ぜ合わせたＭガスの３種類のガスを用いて蒸気、電力を発生して、工場で使用、あるいはガスを外部の火力発電所に外販し、該火力発電所にて電力に変換したものを購入している。従って、ガスホルダを有効に利用することが重要であるが、特許文献１には、その点に関する配慮がなかった。
【０００６】
又、従来は、複数種のガス、電力、蒸気を供給、消費するエネルギシステムにおいて、現在から将来に渡るエネルギ変換設備（ボイラ、タービン、発電機等）の稼動計画を最適化するシステムでは、通常、計算するその瞬間、現時刻における最適化を行う。そのため、将来（数時間後）の需要増に対応するために、現時点でガスホルダに蓄えておくべきガスの量や、逆に供給増に対応するために、ガスホルダから消費しておくべきガスの量は、オペレータの判断に委ねられているのが現状である。
【０００７】
しかしながら、この方法では、オペレータ毎の技量差により判断に偏りがあり、必ずしも最適な稼動計画とはなっていなかった。又、ガスホルダのガス蓄積量と、エネルギコストの関係は、複雑大規模な計算をする必要があり、将来の需要変動を見越した上で、更にコスト最小化を目指した稼動計画の最適化を人手で行うことは不可能である。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、ガスの供給量や、ガスを含む電力、蒸気等の複数種類のエネルギの需要量に変動がある場合でも、ガスホルダの圧力を安定化して、ある範囲内に納めることにより、ガスの需要変動に対応できるようにし、且つ、システム全体のコストが最小となる、現在から将来に渡るエネルギ変換設備の稼動計画をリアルタイムに最適化して、エネルギコストを最小にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ガスを含む複数種類のエネルギの配分を最適化するためのエネルギバランスの最適化方法であって、現時点以降、将来に渡る各時刻の各エネルギの需要量を、需要側の消費計画に基いて求め、次いで、全エネルギの統一化されたコストモデルを用いて、現時点以降、将来に渡るガスホルダの圧力を安定化し、且つ、エネルギコストを最小化する各エネルギ変換設備の稼動計画を求めるようにして、前記課題を解決したものである。
【００１０】
更に、次の時刻で、ガスホルダの圧力の測定値で予測値を修正し、再度稼動計画を求めることにより、更に高精度化することができる。
【００１１】
又、エネルギコストとして、二酸化炭素排出量を選択することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガスの供給量や、ガスを含む電力、蒸気等の複数種類のエネルギの需要量に変動がある場合でも、ガスホルダの圧力を安定化して、ある範囲内に納めることにより、ガスの需要変動に対応できるようにし、且つ、システム全体のコストが最小となる、現在から将来に渡るエネルギ変換設備の稼動計画をリアルタイムに最適化することができ、エネルギコストを最小にすることが可能となる。
【００１３】
この際、ガスホルダの圧力をガスの需要変動に合わせることができればよいが、正確な需要予測は困難であり、実際にはガスホルダの圧力が変動するので、ガスホルダの圧力の測定値で予測値を修正し、再度稼動計画を求めることが望ましい。
【００１４】
特に、エネルギコストとして、二酸化炭素排出量を選択すれば、ＣＯガス排出量を最小にする効果もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
本実施形態は、評価関数Ｊとして次式を導入し、該評価関数Ｊの値を最小化して、将来の需要変動によるガスホルダの圧力変動と、現時点以降、将来に渡るエネルギコストの最小化を両立できるようにしたものである。
【００１７】
評価関数Ｊ＝ΣΣ｜ｊホルダの圧力目標値−時刻ｉにおけるｊホルダの圧力予測｜
i j
＋ｗ×Σ（時刻ｉにおけるエネルギコスト）    …（１）
i  
【００１８】
ここで、右辺第１項はガスホルダの圧力を安定化するためのもの、第２項はエネルギコストを小さくするためのものである。又、第２項の係数ｗは、需給変動に対する安定性を調整するための、重み付けと単位換算用のチューニングパラメータであり、オペレータにより調整される。
【００１９】
各エネルギ変換設備の稼動計画は、図１に示す手順に従って策定する。
【００２０】
まずステップＳ１で、現時点以降、将来に渡る各時刻における複数種のガス（Ｂガス、Ｃガス、Ｍガス等）、電力、蒸気の需要量を、需要側工場の生産計画に基づいて求める。
【００２１】
次いでステップＳ２で、ガス、蒸気、電力の統一されたコストモデルを用いて、前出（１）式により、現時点以降、将来に渡るガスホルダの圧力を安定化し、且つ、エネルギコストを最小化する各エネルギ変換設備の稼動計画を、例えば、混合整数計画法により求める。ここで、混合整数計画法を用いるのは、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。なお、小規模なエネルギシステムでは、非線形モデルを、そのまま用いて、非線形計画法、或いは、遺伝的アルゴリズムなど、他の組合せ最適化手法を用いることも可能である。
【００２２】
ガス→蒸気→電気の前記コストモデルとしては、例えば次式を用いることができる。
【００２３】
ボイラで発生する蒸気量Ｓについては、
Ｓ＝ｆ（Ｂ，Ｃ）
＝a１Ｂ+ｂ１Ｃ+ｃ１    …（２）
ここで、Ｂは投入Ｂガス量、Ｃは投入Ｃガス量、ａ、ｂ、ｃは係数である。
【００２４】
蒸気タービンで発電する電力Ｅｓについては、
Ｅｓ＝ｆ（Ｓ）
＝a２Ｓ２+ｂ２Ｓ+ｃ２    …（３）
ここで、Ｓは投入蒸気量、ａ２、ｂ２、ｃ２は係数である。
【００２５】
ガスタービンで発電する電力Ｅｇについては、
Ｅｇ＝ｆ（Ｂ）
＝a３Ｂ２+ｂ３Ｂ+ｃ３    …（４）
ここで、Ｂは投入Ｂガス量、ａ３、ｂ３、ｃ３は係数である。
【００２６】
エネルギコストは、次式に示す如く、火力発電所からの購入電力の価格から、外部への販売ガスの価格を引くことによって求められる。
【００２７】
エネルギコスト＝購入電力の価格―外販ガスの価格    …（５）
【００２８】
又、電力、ガス、蒸気の各バランスは次式で表される。
電力バランス：電力需要＝自家発電量ΣＥ＋電力購入量  …（６）
ガスバランス：ガス需要＝ガス発生量―ガス外販量      …（７）
蒸気バランス：蒸気需要＝蒸気使用量     …（８）
【００２９】
なお、ステップＳ２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、図２に示す如く、ステップＳ２の時刻ｉから次の時刻ｉ＋１に進んだ際に、予測されたガスホルダ圧力とならない場合が考えられる。そこで、次の時刻のステップＳ３では、各ガスホルダの圧力の測定値で予測値を修正し、再度ステップＳ１〜Ｓ２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、ガスホルダの圧力を安定化し、且つ、コストが最小となる、現在から将来に渡るエネルギ変換設備の稼動計画をリアルタイムに最適化できる。
【００３０】
又、評価関数Ｊのチューニングパラメータｗは、ガスホルダの圧力変動と、エネルギコストのバランスを調整するパラメータであり、これを小さくすると、相対的にガスホルダ圧力変動を抑えた最適化を行うため、需給変動があってもガスホルダ圧力目標値からのずれが少ない、安定した稼動計画を策定することが可能である。
【００３１】
本手法では、更に、複数時刻の最適化を同時に行うため、エネルギ変換設備（ボイラ等）の時間変動の制約（例えば、単位時間あたりの変化量を１００トンに抑える等）を考慮することもできる点で優れている。
【実施例１】
【００３２】
簡単な例として、図３に示すような、１種類の供給ガスと、ガスホルダ１０、ガスタービン１２及び発電機（Ｇ）１４からなる電力供給システムを考え、変数を次のようにおく。
【００３３】
ｑ１（ｉ）：時刻ｉにおける供給ガス熱量
ｑ２（ｉ）：時刻ｉにおける発電用ガス熱量
ｑｘ（ｉ）：時刻ｉにおける販売ガス熱量
ｃｑ１（ｉ）：時刻ｉにおける販売ガス単価
ｐ２（ｉ）：時刻におけるガスタービン発電量
ｐｘ（ｉ）：時刻ｉにおける購入電力
ｃｐ（ｉ）：時刻ｉにおける購入電力単価
ｙ（ｉ）：時刻ｉにおけるガスホルダ圧力予測値
ｒ（ｉ）：時刻ｉにおけるガスホルダ圧力目標値
【００３４】
ｉ＝０を現在時刻とし、以降、１時間単位で２時間分の最適化を考える。このとき、現時刻のガスホルダ圧力の予測値は次のように表される。
【００３５】
ｙ（ｉ＋１）＝ｙ（ｉ）＋｛ｑ１（ｉ）−ｑ２（ｉ）−ｑｘ（ｉ）｝／Ａ  …（９）
【００３６】
ここで、Ａはガスホルダの面積を表す定数で、ｉ＝０、１、２とし、ｙ（０）は現時点におけるガスホルダ圧力の測定値とする。
【００３７】
次式の評価関数Ｊを最小化し、制約条件を満たす決定変数を、混合整数計画法により求める。
評価関数Ｊ＝Σ｜ｒ−ｙ（ｉ＋１）｜＋ｗ｛Σｃｐ（ｉ）×ｐｘ（ｉ）
ｉ                          ｉ 
−Σｃｑ（ｉ）×ｑｘ（ｉ）｝→最小化…（１０）
ｉ
制約条件
電力需要Ｄ（ｉ）＝ｐｘ（ｉ）＋ｐ２（ｉ）
ｐ２＝ｆ（ｑ２）
ここで、ｆは、入力に対する出力を表す効率カーブであり、線形または非線形関数を分割して線形化したものとする。
決定変数：ｑｘ（ｉ）およびｐｘ（ｉ）
【００３８】
図４に、従来より行われていた、各時刻でそれぞれ最適化した結果（Ａ）と、本発明により、２時間分の最適化を同時に行った結果（Ｂ）を比較して示す。
【００３９】
従来法（Ａ）では、ガスホルダが考慮されていないため、時刻０〜１の間で、ガスの外販（ｑｘ）を多く行っている。これにより、電力需要（Ｄ）の多い時刻１〜２の間では、ガスが不足し、電力単価（ｃｐ）の高い時間帯にもかかわらず、購入電力が増える結果となる。
【００４０】
一方、本発明法（Ｂ）では、時刻１〜２における電力単価（ｃｐ）の上昇を考慮し、時刻０〜１の間でガスの外販（ｑｘ）を抑制して、ガスホルダにガスを貯めている（ｙ）。これにより、電力単価の高い時刻１〜２の間では、ガスホルダからガスを使用することで、ガスタービンの発電量（ｐ２）を増やすことが可能となり、購入電力（ｐｘ）を抑制している。時刻０〜２のトータルで考えると、ガスの外販が減った分はデメリットとなるが、それ以上に購入電力抑制のメリットが大きいため、トータルでコストが最小となる。
【００４１】
また、ガスホルダ圧力変動を更に抑えたい場合には、評価関数Ｊのチューニングパラメータｗを小さくすることで、圧力のピークを下げることができるが、その分、コストメリットは減少する。このチューニングパラメータｗの調整によるトレードオフの調整は、手動で行うこともできるが、ガスホルダ圧力の上下限を超えないよう、シミュレーションにより決定することも可能である。
【００４２】
また、ガスホルダ圧力の予測は、時刻１において実測値で補正されるため、電力需要Ｄに変動があった場合にも、再度時刻１で最適化を行うことで、変動を吸収できる。
【実施例２】
【００４３】
製鉄所における高炉から発生するＢガス、コークス炉から発生するＣガス、それらを混ぜ合わせたＭガスの３種類のガスを用いて蒸気、電力を発生して、工場で使用、あるいはガスを外部の火力発電所に外販し、該火力発電所にて電力に変換したものを購入している実施例２における、Ｂ、Ｃ、Ｍガスホルダの圧力推移を図５（ｗ＝１．３の場合）及び図６（ｗ＝５の場合）に示す。ここで運用量とは、エネルギシステム内で蒸気または発電に使用するガスのことである。本発明法では、それぞれのガスの圧力変動のチューニングパラメータｗを調整することで、コストの最小化だけではなく、ガスホルダの圧力変動を抑えることが可能であるが、これは、需要変動の大きい製鉄所のようなエネルギシステムでは、大変重要である。図５に示すｗ＝１．３の場合と、図６に示すｗ＝５の場合では、ｗ＝５の場合の方が、ガスホルダ圧力の変動が少なくなっており、予測不可能なガス不足や需要不足にも対応できる、安定した最適解となっている。しかし、コストに関しては、ｗ＝１．３の方が少ない。ここでｗ＝１．３は、ガスホルダ圧力が各ガスホルダの圧力上下限内となるよう、複数のシミュレーションにより決定した値である。
【００４４】
なお、前記実施例においては、本発明がガス、電気、蒸気をエネルギ源とする製鉄所に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、エネルギの種類も、ガス、電気、蒸気に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の処理手順を示す流れ図
【図２】本発明によるガスホルダ圧力予測の逐次修正の様子を示すタイムチャート
【図３】本発明の適用対象を単純化した実施例１を示す図
【図４】実施例１における（Ａ）従来法と（Ｂ）本発明による最適化結果を比較して示すタイムチャート
【図５】本発明を実際に適用した実施例２におけるチューニングパラメータｗ＝１．３の場合のガスの変動を示すタイムチャート
【図６】同じくチューニングパラメータｗ＝５の場合のガスの変動を示すタイムチャート
【符号の説明】
【００４６】
１０…ガスホルダ
１２…ガスタービン
１４…発電機（Ｇ）
【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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