(57)【要約】【課題】発電プラントの起動時における運転パラメータの値は発電プラントの計画時または試運転時に決められ、それ以降の発電プラントの運転状態が反映されないため、プラントおよび機器特性の変化や運転条件の変化などを勘案して、機器の熱応力の発生などについて余裕を持った保守的な運転方法になり、起動時間を長く、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量が増大する可能性がある。【解決手段】機器の運転制限値およびプラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たして、所定の評価指標である目的関数値を最小または最大にする最適化問題を解いて、運転パラメータである操作変数値を決定することで、機器の熱応力などの運転制限値、環境汚染物質の排出量などの環境規制値を超過せずに、起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などができる。【選択図】　図２
2004076658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンと、このガスタービンの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラの蒸気により駆動させる蒸気タービンとを有するコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法において、
非線形最適化手法を用いて、
▲１▼コンバインドサイクル発電プラントを構成する機器の運転制限値および当該発電プラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たし、
▲２▼コンバインドサイクル発電プラント運転時の操作量である変数をＸとしたとき、コンバインドサイクル発電プラントが、ある状態になったときの値およびある状態から他の状態まで変わっていく間の値を評価対象の要素とした目的関数ｆ（ｘ）を最小または最大にする最適化問題を解くことにより、
▲３▼前記操作変数値Ｘを決定することを特徴とする
コンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項２】
前記機器の運転制限値として、
（１）蒸気タービンのロータに発生する熱応力．
（２）排熱回収ボイラの高温部に発生する熱応力．
（３）ガスタービンの高温部に発生する熱応力．
（４）排熱回収ボイラの蒸発器の発生蒸気流量．
（５）排熱回収ボイラのドラムの水位．
のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項３】
前記プラントの環境規制値として、
（１）排煙ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量．
（２）排煙ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量．
（３）排煙ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量．
（４）海または河川に排出される温排水の水温．
のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項４】
前記目的関数値として、
（１）起動開始から目標負荷に到達するまでの時間である起動時間
（２）起動開始から目標負荷に到達するまでの燃料消費量
（３）起動開始から目標負荷に到達するまでのエネルギー損失量である起動損失のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項５】
前記操作変数値として、
（１）ガスタービンの昇速率．
（２）ガスタービンの負荷変化率．
（３）ガスタービンを保持する回転数．
（４）ガスタービンを保持する負荷．
（５）ガスタービンを保持する時間．
（６）蒸気タービンの昇速率．
（７）蒸気タービンの負荷変化率．
（８）蒸気タービンを保持する回転数．
（９）蒸気タービンを保持する負荷．
（１０）蒸気タービンを保持する時間であるヒートソーク時間．
（１１）排熱回収ボイラの最低運転圧力．
（１２）排熱回収ボイラを暖気する時間．
（１３）蒸気タービンの加減弁の開速度．
（１４）蒸気タービンのバイパス弁の閉速度．
（１５）ガスタービンの圧縮機入口案内翼である可変静翼の開速度および閉速度．
のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項６】
制約条件に操作変数の上限値および下限値の双方、あるいはいずれか一方を追加した最適化問題とすることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項７】
制約条件および目的関数の値を求める方法として、動特性シミュレーションを用いることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項８】
最適化問題を解く方法として、非線形最適化手法の一つである逐次二次計画法を用いることを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項９】
前記動特性シミュレーションに必要な初期値として、発電プラントの計測データを利用することを特徴とする請求項７記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項１０】
発電プラントの運転の進行にしたがって、所定の時間周期毎に繰り返し最適化問題を解いて、操作変数である操作変数値を逐次更新することを特徴とする請求項１記載のコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法。
【請求項１１】
ガスタービンと、このガスタービンの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラの蒸気により駆動させる蒸気タービンと、これらを制御する制御装置を有するコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定装置において、
最適化計算部を設け、この最適化計算部は非線形最適化手法を用いて、
▲１▼コンバインドサイクル発電プラントを構成する機器の運転制限値および当該発電プラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たし、
▲２▼コンバインドサイクル発電プラント運転時の操作量である変数をＸとしたとき、コンバインドサイクル発電プラントが、ある状態になったときの値およびある状態から他の状態まで変わっていく間の値を評価対象の要素とした目的関数ｆ（ｘ）を最小または最大にする最適化問題を解くことにより、
▲３▼前記操作変数値Ｘを決定し、この操作変数値Ｘを前記制御装置に出力することを特徴とする
コンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンバインドサイクル発電プラントの運転制御の方法、特にコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュールの策定方法および起動スケジュール策定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、コンバインドサイクル発電プラントの概略構成図であり、ガスタービンと排熱回収ボイラが各２台、蒸気タービンが１台で構成された多軸形コンバインドサイクル発電プラントを示す。図８において、１ａ，１ｂはガスタービン、２ａ，２ｂは排熱回収ボイラ、３は蒸気タービン、４ａ，４ｂおよび５は発電機、６は復水器、７はポンプ、８ａ，８ｂは燃料弁、９は蒸気加減弁，１０ａ，１０ｂはバイパス弁，１１ａ，１１ｂは出口止弁である。
【０００３】
ガスタービン１ａ，１ｂはそれぞれ燃料と空気を混合し、燃焼させて得られる高温の燃焼ガスによって動力を発生し、発電機４ａ，４ｂを回転させて発電を行う。排熱回収ボイラ２ａ，２ｂはそれぞれガスタービン１ａ，１ｂで仕事を行った排ガスから熱を回収して蒸気を発生させる。蒸気タービン３は排熱回収ボイラ２ａおよび２ｂから供給された蒸気を使って動力を発生し、発電機５を回転させて発電を行う。蒸気タービン３で仕事をした蒸気は、復水器６で冷却されて水になり、ポンプ７で昇圧されて排熱回収ボイラ２ａ，２ｂに導かれて排ガスによって過熱され、再び蒸気タービンに供給される。
【０００４】
コンバインドサイクル発電プラントの構成は、本図のように多軸構成のほかガスタービン、蒸気タービンおよび発電機が同一回転軸で結合される一軸構成など様々である。本発明は、これら軸構成の違うコンバインドサイクル発電プラントにも応用できるが、以下の説明では図８の構成に基づいて説明する。
【０００５】
図９は、ガスタービン１ａ，１ｂの燃料流量に対する発電出力（実線）、排ガス流量（破線）、排ガス温度（一点鎖線）、排熱回収ボイラ２ａ，２ｂで発生する蒸気温度（実線）の関係を示す図である。図９からわかるように、ガスタービン１ａ，１ｂへの燃料流量の増加に伴って、発電出力４ａ、４ｂは増加する。排ガス流量は燃料流量が増加してもある区間ほぼ一定であり、この排ガス流量のほぼ一定の間は、排ガス温度が上昇する。一方、排熱回収ボイラ２ａ，２ｂの蒸気温度は、排ガス温度の変化に追随する。このため、ガスタービン１ａ，１ｂを起動して発電出力を増加する間は、蒸気温度も上昇する。
【０００６】
蒸気タービン３や排熱回収ボイラ２ａ，２ｂなどの構成機器は高温・高圧の蒸気や水に十分耐えられるように金属部分が肉厚になっている。これらの金属部分では温度分布があると熱応力が発生する。大きな熱応力は金属の寿命を消費するため、熱応力を管理した運転が行われる。
【０００７】
すなわち、機器の熱応力が所定の運転制限値を超過しないように発電プラントを運転する必要がある。金属は蒸気との熱伝達により金属表面から熱が与えられるが、金属内部の熱伝導と金属のもつ熱容量の関係から、金属内部に温度分布が生じる。このような温度分布は、金属と蒸気の温度差が大きい発電プラントの起動時に発生しやすい。したがって、機器の熱応力も主として発電プラントの起動時に発生する。
【０００８】
ガスタービン１ａ，１ｂでの燃焼により発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）などの環境汚染物質や、復水器６から海または河川へ排出される温排水などは、所定の環境規制値を超過しないように発電プラントを運転する必要がある。
【０００９】
次に、コンバインドサイクル発電プラントの起動時の運転操作について、図８の構成図および図１０の起動曲線図を参照して説明する。ただし、運転操作の方法は、発電プラントにより様々であるので、ここでは一例のみを示すが、本発明は他の運転操作の方法にも応用できるものである。
【００１０】
（Ｉ）時刻ｔ１で１台目ガスタービン１ａを起動し、ガスパス中の残留排ガスを排出するためにパージ運転を行う。その後、１台目ガスタービン１ａの燃料弁８ａを開けて燃料を供給し、着火する（時刻ｔ２）。着火確認後、定格回転数まで昇速率Ｘ１で回転上昇する。
【００１１】
（ＩＩ）１台目ガスタービン１ａが定格回転数に到達した後、そのガスタービン１ａの回転数を一定に保ちつつ、保持時間Ｘ２の間、１台目排熱回収ボイラ２ａの暖気運転を行う。その後、１台目ガスタービン１ａの発電機４ａを電力系統に同期併入し、発電を開始する（時刻ｔ３）。
【００１２】
（ＩＩＩ）このとき、１台目ガスタービン１ａを負荷変化率Ｘ３で負荷上昇させ、蒸気タービン３にとって必要な蒸気温度を確保できる目標の部分負荷Ｘ４になったら、その状態Ｘ４を保持する。１台目排熱回収ボイラ２ａで発生する蒸気は、バイパス弁１０ａを通じて復水器６へ逃がしながら、所定の蒸気タービン通気条件が成立するまで１台目排熱回収ボイラ２ａの昇温・昇圧を行う。この間、バイパス弁１０ａは、１台目排熱回収ボイラ２ａの最低運転圧力（フロア圧力）に入口圧力制御を行っている。
【００１３】
（ＩＶ）１台目排熱回収ボイラ２ａの出口止弁１１ａを全開し、蒸気配管のウォーミングとグランド蒸気系の確立を行う。所定の蒸気タービン通気条件が成立後（時刻ｔ４）、蒸気加減弁９を開けて蒸気タービン３を起動し、ラブチェックをする。蒸気タービン３を昇速率Ｘ５で回転上昇させ、低速ヒートソーク回転数Ｘ６にて保持時間Ｘ７の回転保持を行う。低速ヒートソーク完了前の時刻ｔ５で蒸気タービン３の定格回転数保持（高速ヒートソーク）に必要な蒸気条件を確保できるように、１台目ガスタービン１ａをガスタービン負荷Ｘ９まで負荷変化率Ｘ８で負荷上昇する。時刻ｔ６で蒸気タービン３を再び同じ昇速率Ｘ５で昇速し、定格回転数Ｘ１０にて保持時間Ｘ１１の回転保持（高速ヒートソーク）を行う。高速ヒートソーク完了前の時刻ｔ７で蒸気タービンの初負荷保持（初負荷ヒートソーク）に必要な蒸気条件を確保できるように、１台目ガスタービン１ａをガスタービン負荷Ｘ１３まで負荷変化率Ｘ１２で負荷上昇させる。
【００１４】
（Ｖ）蒸気タービン３が定格回転数Ｘ１０に到達した後、蒸気タービン回転数を一定に保つ。この状態を保持時間Ｘ１１の間保持した後、蒸気タービン３の発電機５を電力系統に同期併入して発電を始める（時刻ｔ８）。
【００１５】
（ＶＩ）蒸気タービン３を負荷変化率Ｘ１４で負荷上昇し、初負荷Ｘ１５にて保持時間Ｘ１６の負荷保持（初負荷ヒートソーク）を行う。初負荷ヒートソーク完了（時刻ｔ９）にて、バイパス弁１０ａから加減弁９へ入口圧力制御を移行する。１台目排熱回収ボイラ２ａのバイパス弁１０ａを閉速度Ｘ１７で全閉する。
【００１６】
（ＶＩＩ）２台目ガスタービン２ｂは、所定のタイミング（時刻ｔｘ）で目標負荷に到達するように予め起動しておく。２台目排熱回収ボイラ２ｂの蒸気条件が１台目と同じになった時点（時刻ｔ１０）で、２台目排熱回収ボイラ２ｂの出口止弁１１ｂを全開し、バイパス弁１０ｂを閉速度Ｘ１８で全閉する。
【００１７】
（ＶＩＩＩ）バイパス弁１０ｂの全閉した時点ｔ１１で、１台目ガスタービン１ａと２台目ガスタービン１ｂを同時に負荷変化率Ｘ１９で負荷上昇させる。ただし、排ガス温度の急激な変化がなくなるガスタービン負荷Ｘ２０に到達後、負荷変化率Ｘ２１で目標負荷に到達する。この間、蒸気タービン３は排熱回収ボイラ２ａ，２ｂでの蒸気発生の遅れを伴って負荷上昇する。
【００１８】
これらの運転操作において、主要な運転パラメータＸ１〜Ｘ２１として、
（１）ガスタービンの昇速率（Ｘ１）．
（２）ガスタービンの負荷変化率（Ｘ３、Ｘ８、Ｘ１２、Ｘ１９、Ｘ２１）．
（３）ガスタービンを保持する回転数．
（４）ガスタービンを保持する負荷（Ｘ４、Ｘ９、Ｘ１３）．
（５）ガスタービンを保持する時間（Ｘ２）．
（６）蒸気タービンの昇速率（Ｘ５）．
（７）蒸気タービンの負荷変化率（Ｘ１４）．
（８）蒸気タービンを保持する回転数（Ｘ６）．
（９）蒸気タービンを保持する負荷．
（１０）蒸気タービンを保持する時間であるヒートソーク時間（Ｘ７，Ｘ１１）．
（１１）排熱回収ボイラの最低運転圧力．
（１２）排熱回収ボイラを暖気する時間．
（１３）蒸気タービンの加減弁の開速度．
（１４）蒸気タービンのバイパス弁の閉速度（Ｘ１７，Ｘ１８）．
（１５）ガスタービンの圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ：Ｉｎｌｅｔ　Ｇｕｉｄｅ　Ｖａｎｅ）である可変静翼の開速度および閉速度．
などがある。
【００１９】
これらの運転パラメータＸ１〜Ｘ２１は予め指定された値、あるいはプロセスの状態量による関数値などで与えられる。そして、これらの値や関数値は、発電プラントの計画時や試運転時に決定されている。
【００２０】
従来の起動スケジュール策定システムの構成を図１１に示す。図１１において、Ｃ１は例えば計算機等で構成された上位制御装置であり、運転目標値を設定されることにより、起動時の運転パラメータの値を作る。この運転パラメータは、現場機器を操作するための複数の下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２に目標値として送る。この各下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２も計算機等で構成されている。
【００２１】
発電プラントＰＬに対する操作信号は複数の入出力装置Ｉ／Ｏ−１，Ｉ／Ｏ−２を介して発電プラントＰＬに送られ、逆に、発電プラントＰＬからのプロセスの状態量は、それぞれ対応する入出力装置Ｉ／Ｏ−１，Ｉ／Ｏ−２を介して下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２に送られる。
【００２２】
再び図８を参照して説明する。蒸気タービン３では、急激にロータメタル温度が変化しないように暖気しながら起動することにより、過大な熱応力の発生を抑えている。即ち、蒸気タービン３のロータで発生する熱応力が運転制限値を超えないように、蒸気タービン３の昇速率、所定の回転数や負荷で保持するヒートソーク時間、ガスタービン１ａ，１ｂの負荷変化率などの値が決められる。これらの値は、蒸気タービン３の起動前において、蒸気タービン３のロータメタル温度相当の温度と、蒸気温度とのミスマッチ温度により、「ホット」，「ウォーム」，「コールド」などの起動モードに分類し、起動モードに応じて決められる。
【００２３】
排熱回収ボイラ２ａ，２ｂやガスタービン１ａ，１ｂで発生する熱応力は、オンラインでの監視は行っていないが、発電プラントの計画時にガス温度や蒸気温度の変化に対して、熱応力の発生が許容できるかどうか評価して、ガスタービン１ａ，１ｂの負荷変化率などの値が決められている。
【００２４】
ガスタービン１ａ，１ｂから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）などの環境汚染物質は、排熱回収ボイラ２ａ，２ｂの内部に設置される脱硝装置などを用いて低減する。脱硝装置に用いられる触媒は、温度が高くなると脱硝効率が高くなる特性があるので、ガスタービン１ａ，１ｂの回転保持を行って、排熱回収ボイラ２ａ，２ｂを暖気しながら起動することがある。このため、発電プラントの計画時にガスタービン１ａ，１ｂの回転保持時間や排熱回収ボイラ２ａ，２ｂの暖気時間などの値が決められる。
【００２５】
このような運転パラメータの値は、発電プラントの計画時に決められる。例えば、蒸気タービン３のロータ熱応力に関しては、前述した図９に示すような、ガスタービン１ａ，１ｂの燃料流量、あるいは発電出力に対する蒸気温度に関する静的な関係などから、発電出力増加時の蒸気温度の変化を想定し、蒸気タービン３のロータメタル温度分布の変化と、それにより発生する熱応力を推定計算する。
【００２６】
そして、この推定計算による熱応力が運転制限値を満たすように、技術者の経験や試行錯誤によって運転パラメータの値を調整して決定する。これらの値は、試運転時に実プラントの運転状況を反映して、運転員の経験や試行錯誤によって調整されることはあるが、それ以降の発電プラントの運転状態に応じて更新されることは少ない。
【００２７】
このため、プラントおよび機器特性の変化や、運転条件の変化などを勘案して、通常機器の熱応力の発生などについて余裕を持つように運転パラメータの値を設定しているのが実情である。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来技術では発電プラントの起動時における運転パラメータの値は、機器の熱応力の発生などについて余裕を持つように運転パラメータの値を設定しているので、発電プラントの起動時間が長くなり、この結果、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量が増大する可能性が高い。
【００２９】
また、起動モードによって離散的に運転パラメータの値が変わるので、起動モードが切り替わる近傍の起動条件によっては不適切な値になり、機器の熱応力などの運転制限値や、環境汚染物質の排出量などの環境規制値を超過することがあり、また、起動時間が長くなるために、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量が増大するように運転パラメータの値が決定される可能性がある。
【００３０】
更に、技術者や運転員の経験や試行錯誤によって運転パラメータの値が決定されるので、最適な起動スケジュールを策定するためには、多大な労力を必要とする。
【００３１】
なお、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに運転パラメータの値を決定し、最適な起動スケジュールを策定する方法も模索されている。例えば特許第２５６４２７１号公報には、汽力発電プラント（ボイラと蒸気タービンのプラント）において、起動過程での制約を守り、定刻最短起動を行うようにした技術が開示されている。しかし、この技術はそもそも汽力発電プラントを対象にした技術であるがゆえに、運転制約として蒸気タービンの熱応力のみが支配的であり、コンバインドサイクル発電プラントのように、ガスタービン、排熱回収ボイラ、蒸気タービンの高温部の熱応力、窒素酸化物の排出量など複数の運転制約条件考慮しなければならない発電プラントには適用することはできない。その上、この発明で採用されているシンプレックス法は、最適解を得るまでの手順が複雑であり、最適解を得るのに時間がかかるといった欠点がある。
【００３２】
本発明は上述の点に鑑み、機器の運転制限値およびプラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たすように所定の評価指標である目的関数値を最小または最大にする最適化問題を解いて操作変数値を決定し、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに最適な運転パラメータの値を見つけることができるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法および起動スケジュール策定装置を提供することを目的とする。
【００３３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、ガスタービンと、このガスタービンの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラの蒸気により駆動させる蒸気タービンとを有するコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法において、非線形最適化手法を用いて、▲１▼コンバインドサイクル発電プラントを構成する機器の運転制限値および当該発電プラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たし、▲２▼コンバインドサイクル発電プラント運転時の操作量である変数をＸとしたとき、コンバインドサイクル発電プラントが、ある状態になったときの値およびある状態から他の状態まで変わっていく間の値を評価対象の要素とした目的関数ｆ（ｘ）を最小または最大にする最適化問題を解くことにより、▲３▼前記操作変数値Ｘを決定することを特徴とする。
【００３４】
この請求項１記載の発明によれば、機器の熱応力などの運転制限値および環境汚染物質の排出量などの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を超過せずに、評価指標とする起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００３５】
また、請求項２に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１の機器の運転制限値として、（１）蒸気タービンのロータに発生する熱応力．（２）排熱回収ボイラの高温部に発生する熱応力．（３）ガスタービンの高温部に発生する熱応力．（４）排熱回収ボイラの蒸発器の発生蒸気流量．（５）排熱回収ボイラのドラムの水位．のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００３６】
また、請求項３に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１のプラントの環境規制値として、（１）排煙ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量．（２）排煙ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量．（３）排煙ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量．（４）海または河川に排出される温排水の水温．の少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００３７】
また、請求項４に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１の目的関数値として、（１）起動開始から目標負荷に到達するまでの時間である起動時間．（２）起動開始から目標負荷に到達するまでの燃料消費量．（３）起動開始から目標負荷に到達するまでのエネルギー損失量である起動損失．のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００３８】
また、請求項５に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１の操作変数値として、（１）ガスタービンの昇速率．（２）ガスタービンの負荷変化率．（３）ガスタービンを保持する回転数．（４）ガスタービンを保持する負荷．（５）ガスタービンを保持する時間．（６）蒸気タービンの昇速率．（７）蒸気タービンの負荷変化率．（８）蒸気タービンを保持する回転数．（９）蒸気タービンを保持する負荷．（１０）蒸気タービンを保持する時間であるヒートソーク時間．（１１）排熱回収ボイラの最低運転圧力．（１２）排熱回収ボイラを暖気する時間．（１３）蒸気タービンの加減弁の開速度．（１４）蒸気タービンのバイパス弁の閉速度．（１５）ガスタービンの圧縮機入口案内翼である可変静翼の開速度および閉速度．のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
【００３９】
また、請求項６に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１において、制約条件に操作変数の上限値および下限値の双方、あるいはいずれか一方を追加した最適化問題とすることを特徴とする。
【００４０】
また、請求項７に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１において、制約条件および目的関数の値を求める方法として、動特性シミュレーションを用いることを特徴とする。
【００４１】
また、請求項８に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１において、最適化問題を解く方法として、非線形最適化手法の一つである逐次二次計画法を用いることを特徴とする。
【００４２】
また、請求項９に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項７において、動特性シミュレーションに必要な初期値として、発電プラントの計測データを利用するようにしたことを特徴とする。
【００４３】
また、請求項１０に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定方法の発明は、請求項１において、発電プラントの運転の進行にしたがい所定の時間周期毎に繰り返し最適化問題を解いて、操作変数である操作変数値を逐次更新することを特徴とする。
【００４４】
さらにまた、請求項１１に係わるコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定装置の発明は、ガスタービンと、このガスタービンの燃焼排ガスの熱を回収して蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、この排熱回収ボイラの蒸気により駆動させる蒸気タービンと、これらを制御する制御装置を有するコンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュール策定装置において、最適化計算部を設け、この最適化計算部は非線形最適化手法を用いて、▲１▼コンバインドサイクル発電プラントを構成する機器の運転制限値および当該発電プラントの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を満たし、▲２▼コンバインドサイクル発電プラント運転時の操作量である変数をＸとしたとき、コンバインドサイクル発電プラントが、ある状態になったときの値およびある状態から他の状態まで変わっていく間の値を評価対象の要素とした目的関数ｆ（ｘ）を最小または最大にする最適化問題を解くことにより、▲３▼前記操作変数値Ｘを決定し、この操作変数値Ｘを前記制御装置に出力することを特徴とする。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、各図を通じて共通する要素には同一符号を付けて重複した説明は避けるものとする。
【００４６】
（第１の実施の形態）
以下、第１の実施の形態について、図１および図２を参照して説明する。図１は本実施の形態による起動スケジュール策定システムの概念構成図、図２は本実施の形態による運転パラメータである操作変数の値を求めるフローチャートである。
【００４７】
まず図１において、上位制御装置Ｃ１は、図示しない給電指令所等から与えられたプラントの目標負荷、目標負荷に到達する目標時刻等の運転目標値等を機器の運転制限値やプラントの環境規制値を超えないように、決められた運転パラメータを出力する機能を備えている。
【００４８】
Ｃ３は本発明によって新たに設けた非線形最適化計算システムであり、前記上位制御装置Ｃ１から操作変数の初期値とプラントの目標負荷、目標負荷に到達する目標時刻等の運転目標値データを入力し、発電プラントの運転パラメータである操作変数の値を求めるように機能する。なお、この非線形最適化計算システムＣ３による最適化計算は、従来の上位制御装置Ｃ１で決めていた運転パラメータの幾つかを抽出して、より最適な値になるように調整して下位制御装置Ｃ２へ出力する機能を備えている。
【００４９】
前記非線形最適化計算システムＣ３から上位制御装置Ｃ１に向かう出力は、最適化計算で求めた運転パラメータである。なお、運転パラメータには、最適化計算で求めるものと、従来同様、上位制御装置Ｃ１で求めるものがあり、この上位制御装置Ｃ１で求める運転パラメータには、最適化計算で求める運転パラメータの影響を受けて求まるものもある。そして最適化計算で求める運転パラメータは数多くあるパラメータの中から必要に応じて抽出して求め、残りは上位制御装置Ｃ１から求めるようにしている。
【００５０】
下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２は、入力された運転パラメータに従って発電プラント機器に対する操作信号を作成し、入出力装置Ｉ／Ｏ−１、Ｉ／Ｏ−２を介して発電プラント機器に出力する。
【００５１】
次に、最適化計算機システムによる最適な起動スケジュールにおける操作変数値の求め方について説明する。
まず最適化問題の定式化から説明する。コンバインドサイクル発電プラントの起動スケジュールの検討は、機器の運転制限値およびプラントの環境規制値の双方、あるいはいずれか一方の制約条件を満たして、所定の評価指標である目的関数値を最小または最大にし、操作変数である操作変数値を探索する手法によって、以下の最適化問題の一般式（式１）に定式化することができる。
【００５２】
【数１】
2004076658.tif 000003
【００５３】
なお、ある目的関数を最小にすることは、この目的関数の逆数を最大にすることと同じ意味である。即ち、最適化問題では、目的関数を最小にすることと、最大にすることは同じ意味であると言える。
【００５４】
次に図２のフローチャートを参照して最適化計算による運転パラメータの求め方を説明する。
図２において、まず、初期の起動スケジュールを設定する（ステップ１）。次に、この初期の起動スケジュールにおける操作変数値を用いて目的関数と制約条件の値を求める（ステップ２）。そして、目的関数と制約条件の値を評価する即ち、制約条件を満たして目的関数を最小にする操作変数値を探索する（ステップ３）。このステップ３での評価によって収束即ち制約条件を満たしているか否か判断する（ステップ４）。
【００５５】
ステップ４の判断の結果、収束していない場合目的関数値が最小または最大となるように操作変数値を修正する（ステップ５）。そしてステップ２で目的関数と制約条件の値を求め、次に収束しているか否か判断する。この操作を制約条件が満たすまで繰り返し、制約条件を満たした場合、操作変数の最適値を得、最適な起動スケジュールを得る（ステップ６）。
【００５６】
次に、前記ステップ２における目的関数と制約条件について説明する。
まず、目的関数ｆ（Ｘ）として評価対象となる要素は、次のような二つのものに大別できる。
（１）プラントがある状態になったときの値（例えば、起動時間）は次式（２）のように表せる。
【００５７】
【数２】
2004076658.tif 000004
（２）プラントがある状態からある状態まで変わっていく間の値（例えば、燃料消費量、エネルギー損失量）は次式（３）のように表せる。
【００５８】
【数３】
2004076658.tif 000005
目的関数ｆ（Ｘ）は，このような性質をもつ汎関数として（４）式で表される。
【００５９】
【数４】
2004076658.tif 000006
そして、例えば、起動時間とエネルギー損失量の２つを評価対象とすると、目的関数ｆ（Ｘ）は、次式（５）となる。
【００６０】
【数５】
2004076658.tif 000007
ここで、γは０〜１の重み係数である。Ｔ１は起動開始時刻、Ｔ２は目標負荷に到達した時刻である。
【００６１】
一方、制約条件ｃｉ（Ｘ）は，次のような二つのものに大別できる。
（１）操作変数Ｘである操作量の上下限値を設定する。これは、操作する機器（操作変数）の運転制約に相当する。
【００６２】
【数６】
2004076658.tif 000008
ここで、αは下限値，βは上限値を表す。
【００６３】
（２）運転制約には、各機器・配管の熱応力やドラム水位などの設計制限値と、脱硝装置出口ＮＯｘ排出量や温排水などの環境規制値がある。この中から、目的関数ｆ（ｘ）への影響が大きいものを幾つか抽出して設定する。例えば、機器の熱応力の場合は次式（７）となる。
【数７】
2004076658.tif 000009
例えば、ガスタービンの負荷変化率を操作変数Ｘとして、上下限値の制限を０％／ｍｉｎ〜９％／ｍｉｎ（８）とする。さらに、蒸気タービンロータの熱応力を運転制約とすると、制約条件の式は次式（９）となる。
【００６４】
【数８】
2004076658.tif 000010
【００６５】
【数９】
2004076658.tif 000011
以上で目的関数ｆ（ｘ）と制約条件についての説明を終わる。
本実施の形態は、上述した機器の運転制限値、プラントの環境規制値、目的関数値および操作変数値のとして、以下に示すものを適用することができる。
【００６６】
＜機器の運転制限値の例＞
本実施の形態において、機器の運転制限値として、以下の（１）から（５）のうち少なくとも一つを含むようにする。
【００６７】
（１）蒸気タービンのロータに発生する熱応力．
（２）排熱回収ボイラの高温部に発生する熱応力．
（３）ガスタービンの高温部に発生する熱応力．
（４）排熱回収ボイラの蒸発器の発生蒸気流量．
（５）排熱回収ボイラのドラムの水位．
本実施の形態においては、上記の（１）から（５）のうち少なくとも一つを含む運転制限値および環境汚染物質の排出量などの環境規制値の双方、あるいはいずれか一方を超過せずに、評価指標とすることにより、起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００６８】
＜プラントの環境規制値の例＞
また、本実施の形態は、プラントの環境規制値として、以下の（１）から（４）までのうち少なくとも一つを含むようにする。
【００６９】
（１）排煙ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量．
（２）排煙ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量．
（３）排煙ガス中の二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量．
（４）海または河川に排出される温排水の水温．
本実施の形態においては、機器の熱応力などの運転制限値および上記の（１）から（４）の少なくとも一つを含む環境規制値を超過せずに、評価指標とする起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００７０】
＜目的関数値の例＞
更に、本実施の形態は第１の実施の形態において、目的関数値として、次の（１）から（３）までのうち少なくとも一つを含むようにする。
【００７１】
（１）起動開始から目標負荷に到達するまでの時間である起動時間．
（２）起動開始から目標負荷に到達するまでの燃料消費量．
（３）起動開始から目標負荷に到達するまでのエネルギー損失量である起動損失．
本実施の形態においては、機器の熱応力などの運転制限値および環境汚染物質の排出量などの環境規制値の双方、またはいずれか一方を超過せずに、評価指標とする上記の（１）から（３）の少なくとも一つを含む目的関数値を最小にすることが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００７２】
＜操作変数の例＞
更にまた、第１の実施の形態において、操作変数値として、少なくとも次の（１）から（１５）までの一つを含むようにする。
【００７３】
（１）ガスタービンの昇速率．
（２）ガスタービンの負荷変化率．
（３）ガスタービンを保持する回転数．
（４）ガスタービンを保持する負荷．
（５）ガスタービンを保持する時間．
（６）蒸気タービンの昇速率．
（７）蒸気タービンの負荷変化率．
（８）蒸気タービンを保持する回転数．
（９）蒸気タービンを保持する負荷．
（１０）蒸気タービンを保持する時間であるヒートソーク時間．
（１１）排熱回収ボイラの最低運転圧力．
（１２）排熱回収ボイラを暖気する時間．
（１３）蒸気タービンの加減弁の開速度．
（１４）蒸気タービンのバイパス弁の閉速度．
（１５）ガスタービンの圧縮機入口案内翼（ＩＧＶ：Ｉｎｌｅｔ　Ｇｕｉｄｅ　Ｖａｎｅ）である可変静翼の開速度および閉速度．
本実施の形態においては、少なくとも上記の（１）から（１５）までのうち少なくとも一つを含むようにした結果、機器の熱応力などの運転制限値および／または環境汚染物質の排出量などの環境規制値を超過せずに、評価指標とする起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に上記（１）から（１４）の少なくとも一つを含む操作変数の最適値を得ることが可能になる。
【００７４】
＜操作変数の上限値／下限値＞
第１の実施の形態において、制約条件に操作変数の上限値および下限値の双方、あるいはいずれか一方を追加した最適化問題を解いて、操作変数である操作変数値を決定することができる。この場合、操作変数のとり得る範囲内で最適な操作変数の値を求める最適化問題になるので、実プラントを運転操作できる範囲内で最適な起動スケジュールを確実に得ることが可能になる。
【００７５】
以上述べたように、本実施の形態によれば、発電プラントを構成する機器の熱応力などの運転制限値および環境汚染物質の排出量などの環境規制値の双方、あるいはいずれか一方の制約条件を超過せずに、評価指標とする起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００７６】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図３および図４を参照して説明する。
図３は本実施の形態を示す起動スケジュール策定システムの概念構成図であり、図４は本発明の第２の実施の形態のフローチャートである。
【００７７】
本実施の形態と第１の実施の形態との相違は、非線形最適化計算システムＣ３で動特性シミュレーションを行い、その動特性シミュレーションの結果に基づいて最適化計算を行うようにした点にある。このため、図３の起動スケジュール策定システムの概念構成図では非線形最適化計算システムＣ３内に動特性シミュレーション部を内蔵させている。ただし、その他の構成は図１と同じであるので説明は省略し、図４の最適化計算と動特性シミュレーションを組み合わせて操作変数の値を求めるフローチャートを中心に説明する。図４において、初期の起動スケジュールを設定する（ステップ１）。次に、この初期の起動スケジュールにおける操作変数値を用いて目的関数と制約条件の値を求める（ステップ２）にあたり、動特性シミュレーション部ＳＩＭにより動特性シミュレーションを行い、目的関数と制約条件の値を求める（ステップ７）。ステップ７の動特性シミュレーションにおいて、ステップ７１でプラント初期条件を設定し、ステップ７２でシミュレーションを実行する。動特性シミュレーション終了後、目的関数と制約条件の値を評価する（ステップ３）。このステップ３での評価によって収束即ち制約条件を満たしているか否か判断する（ステップ４）。
【００７８】
ステップ４の判断の結果、収束していない場合目的関数値が最小または最大となるように操作変数値を修正する（ステップ５）。そしてステップ２−ステップ７で目的関数と制約条件の値を求め、次に収束しているか否か判断する。この操作を制約条件が満たすまで繰り返し、制約条件を満たした場合、操作変数の最適値を得、最適な起動スケジュールを得る（ステップ６）。
【００７９】
下位制御装置Ｃ２−１〜Ｃ２−２ではこの制御目標値に従って機器の操作信号を作成する。
この第２の実施の形態においては、最適化計算に必要な制約条件および目的関数の値を動特性シミュレーションによる予測計算から求めるので、発電プラントの起動前または起動中に、将来の最適な起動スケジュールを予測して運転することが可能になる。
【００８０】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、前述した第１の実施の形態の最適化問題を解く方法として、非線形最適化手法の一つである逐次二次計画法（ＳＱＰ法：Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　Ｑｕａｄｒａｔｉｃ　Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて操作変数である操作変数値を決定するようにしたものである。
【００８１】
本実施の形態においては、最適化問題の解法に制約条件付の非線形最適化手法の一つである逐次二次計画法を用いて、機器の運転制限値およびプラントの環境規制値の双方あるいはいずれか一方の制約条件を満たして、所定の評価指標である目的関数値を最小または最大にし、操作変数である操作変数値を探索し、最適化問題に定式化することにより、計算機を用いて自動的に最適な操作変数の値を探索することができるので、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【００８２】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について、図５および図６を参照して説明する。図５は起動スケジュール策定システムの概念構成図、図６は最適化計算により操作変数の値を求めるフローチャートである。
【００８３】
図５で示した制御システムは、入出力装置Ｉ／Ｏ−１、Ｉ／Ｏ−２と下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２からプロセスデータを最適化計算システムＣ３に取り込み、得られた操作変数を下位制御装置Ｃ２−１、Ｃ２−２の目標値とするように構成されている。
【００８４】
図６のフローチャートは、発電プラントＰＬから発電プラントデータ収集システムＣＯによりデータを収集し、このうち利用可能な計測データをデータ選択部ＳＥにより選択したうえ動特性シミュレーション部ＳＩＭに初期値として入力し、発電プラントの将来の運転状態を予測するである。なお、前記計測データとして入力するものは例えば、蒸気タービンのロータメタル温度相当の温度（第１段シェルメタル温度）、排熱回収ボイラのドラムの圧力、主蒸気の温度、主蒸気の圧力、主蒸気の流量である。
【００８５】
ところで、前述した第２の実施の形態は、動特性シミュレーションにより求まる発電プラントの将来の運転状態を用いて、最適化問題を解いている。このため、動特性シミュレーションの予測精度が最適化計算の結果に影響を与える。従って、実プラントの運転を最適に行うには、プラントの運転状態を精度良く予測する動特性シミュレーションが必要である。動特性シミュレーションは、次式（１０）の非線形常微分方程式系で表される。
【００８６】
【数１０】
2004076658.tif 000012
ここで、ｘ（ｔ）　は状態ベクトル、ｕ（ｔ）　は入力ベクトル、ｙ（ｔ）　は出力ベクトル、ｔは時刻、ｆおよびｇ　はプラント動特性を表す式である。このような非線形常微分方程式系は、初期時刻ｔ０　での初期状態ｘ（ｔ０）　を初期値とした、初期値問題を解くことで求められるため、初期状態ｘ（ｔ０）　の値により、その後の結果が影響を受ける。
【００８７】
方程式を記述する方法が正しくても、初期状態ｘ（ｔ０）　の値が異なると、動特性シミュレーションにより求まる将来の運転状態も、実プラントの運転状態から異なったものになる。一方、方程式系の状態ベクトルｘ（ｔ）　はプラントの運転状態に対応する量である。即ち、初期状態の値はプラントで実際に計測される量から決定することができる。
【００８８】
この第４の実施の形態においては、動特性シミュレーションを実施するプラントからの計測データを利用して、初期状態の値を設定することで、実プラントの将来の運転状態をより精度良く予測できる。従って、発電プラントの操作変数についても、第２の実施の形態に比べて、より信頼性のある値を得ることが可能になる。
【００８９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について図７を参照して説明する。
図７に示すように発電プラントの運転の進行に従って、所定の時間周期毎に繰り返し操作変数を逐次更新する。この際に、最適化計算に含まれる動特性シミュレーションの初期値は、発電プラントの計測データが利用できるものについては、その計算時刻における発電プラントの計測データを用いる。
【００９０】
前述した第４の実施の形態で説明した通り、本発明は発電プラントの将来における運転状態の予測精度が、最適化計算により求める操作変数の値に影響する。動特性シミュレーションによる予測計算では、計算に使う式やデータ、初期値などに必ず誤差があるため、計算結果にも誤差が生じる。更に、動特性シミュレーションの式にはモデル化されていない特性や、式に含まれない外部からの影響などの要因による誤差もある。これらの誤差は予測期間が長くなるほど、誤差の影響が累積して大きくなる。
【００９１】
これに対して、本実施の形態においては、図７に示すように実プラントの運転状態を取り込んで、動特性シミュレーションによる予測計算を行って、将来の最適な起動スケジュールを求める。これを運転の進行に従って、逐次繰り返して計算することで予測誤差の累積を防ぐことができる。これにより、実プラントの運転状態を反映した操作変数の最適値を得ることが可能になる。
【００９２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、機器の熱応力などの運転制限値および環境汚染物質の排出量などの環境規制値の双方、またはいずれか一方の制約条件を超過せずに、評価指標とする起動時間の短縮、起動時の燃料消費量やエネルギー損失量の低減などが可能になり、また、定式化された最適化問題を解くことで、技術者や運転員の経験や試行錯誤によらずに容易に最適な起動スケジュールを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す起動スケジュール策定システムの概念構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態のフローチャート。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す起動スケジュール策定システムの概念構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態のフローチャート。
【図５】本発明の第４実施の形態を示す起動スケジュール策定システムの概念構成図。
【図６】本発明の第４実施の形態のフローチャート。
【図７】本発明の第５実施の形態の説明図。
【図８】コンバインドサイクル発電プラントの概略構成図。
【図９】燃料流量に対する発電出力、排ガス流量、排ガス温度、蒸気温度の関係図。
【図１０】コンバインドサイクル発電プラントの起動曲線図。
【図１１】従来技術による起動スケジュール策定システムの構成図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…ガスタービン，２ａ，２ｂ…排熱回収ボイラ，３…蒸気タービン，４ａ，４ｂ…発電機，５…発電機，６…復水器，７…ポンプ，８ａ，８ｂ…燃料弁，９…加減弁，１０ａ，１０ｂ…バイパス弁，１１ａ，１１ｂ…出口止弁。
【図１】
2004076658.tif 000013
【図２】
2004076658.tif 000014
【図３】
2004076658.tif 000015
【図４】
2004076658.tif 000016
【図５】
2004076658.tif 000017
【図６】
2004076658.tif 000018
【図７】
2004076658.tif 000019
【図８】
2004076658.tif 000020
【図９】
2004076658.tif 000021
【図１０】
2004076658.tif 000022
【図１１】
2004076658.tif 000023