(57)【要約】【課題】動的な性能変化を考慮した、プラントの動的挙動を精度良く模擬することができるプラントのシミュレーションシステム等を提供する。【解決手段】プラント１のシミュレーションシステム１０は、プラント１の動的な性能変化に関する情報である動的特性データＤを格納する記憶部１１と、プラント１の動的挙動を模擬する演算式に含まれるパラメータとして、動的特性データＤを適用し、演算式を演算して、プラント１の動的挙動を模擬する演算部１２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラントの動的な性能変化に関する情報である動的特性情報を格納する記憶部と、
前記プラントの動的挙動を模擬する演算式に含まれるパラメータとして、前記動的特性情報を適用し、前記演算式を演算して、前記プラントの動的挙動を模擬する演算部と、を備えることを特徴とするプラントのシミュレーションシステム。
【請求項２】
前記プラントは、空気を吸い込んで圧縮する圧縮機と、圧縮した前記空気に燃料を混合し燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスによって回転するタービンとを有するガスタービンを備え、
前記動的特性情報は、動的に変化する前記圧縮機の圧縮機効率及び前記タービンのタービン効率の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１に記載のプラントのシミュレーションシステム。
【請求項３】
前記動的特性情報は、前記プラントの運転時間に応じて変化する前記プラントの性能に関する特性変化テーブルであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラントのシミュレーションシステム。
【請求項４】
前記動的特性情報は、複数のパラメータに応じて変化するプラントの性能に関する重回帰モデルであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラントのシミュレーションシステム。
【請求項５】
複数の前記パラメータは、前記プラントの性能が劣化する性能劣化パラメータと、前記プラントの性能が復帰する性能復帰パラメータとを含んでいることを特徴とする請求項４に記載のプラントのシミュレーションシステム。
【請求項６】
前記動的特性情報は、前記プラントの性能変化の変化度と、前記変化度が発生する発生確率とが関連付けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のプラントのシミュレーションシステム。
【請求項７】
プラントの動的挙動を模擬するプラントのシミュレーション方法において、
前記プラントの動的挙動を模擬する演算式に含まれるパラメータとして、プラントの動的な性能変化に関する情報である動的特性情報を適用し、前記演算式を演算して、前記プラントの動的挙動を模擬することを特徴とするプラントのシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラントの動的挙動を模擬するプラントのシミュレーションシステム及びシミュレーション方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービンエンジンの計測不能項目を計測可能項目からリアルタイムに推定し、推定結果を用いてガスタービンエンジンを制御するガスタービンエンジンの性能推定システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−６８３５９号公報
【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に記載の性能推定システムは、ガスタービンエンジンの現在の計測可能項目から計測不能項目を推定することから、ガスタービンエンジンの経年劣化を推定することは困難である。つまり、性能推定システムは、経年劣化した現時点のガスタービンエンジンの計測可能項目に基づいて、経年劣化した現時点の計測不能項目を推定している。よって、性能推定システムは、経年劣化していない現時点のガスタービンエンジンの計測可能項目に基づいて、経年劣化した将来の計測不能項目を推定することは困難である。
【０００５】
そこで、本発明は、動的な性能変化を考慮した、プラントの動的挙動を精度良く模擬することができるプラントのシミュレーションシステム及びシミュレーション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】
【０００６】
本発明のプラントのシミュレーションシステムは、プラントの動的な性能変化に関する情報である動的特性情報を格納する記憶部と、前記プラントの動的挙動を模擬する演算式に含まれるパラメータとして、前記動的特性情報を適用し、前記演算式を演算して、前記プラントの動的挙動を模擬する演算部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のプラントのシミュレーション方法は、プラントの動的挙動を模擬するプラントのシミュレーション方法において、前記プラントの動的挙動を模擬する演算式に含まれるパラメータとして、プラントの動的な性能変化に関する情報である動的特性情報を適用し、前記演算式を演算して、前記プラントの動的挙動を模擬することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、プラントの動的な性能変化に応じて、プラントの動的挙動を模擬することができる。このため、プラントの経年劣化を把握できることから、プラントの性能劣化を考慮した、オペレーション及び制御ロジックを適用することが可能となる。
【０００９】
また、前記プラントは、空気を吸い込んで圧縮する圧縮機と、圧縮した前記空気に燃料を混合し燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃焼ガスによって回転するタービンとを有するガスタービンを備え、前記動的特性情報は、動的に変化する前記圧縮機の圧縮機効率及び前記タービンのタービン効率の少なくとも一方であることが好ましい。
【００１０】
この構成によれば、動的特性情報として、圧縮機効率及びタービン効率を用いることで、ガスタービンの動的な出力性能を模擬することができる。
【００１１】
また、前記動的特性情報は、前記プラントの運転時間に応じて変化する前記プラントの性能に関する特性変化テーブルであることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、動的特性情報として、記憶部に特性変化テーブルを格納することができ、また、演算部は、特性変化テーブルから運転時間に応じたプラントの性能に基づいて、プラントの動的挙動を容易に模擬することができる。なお、特性変化テーブルは、サンプルプラントに基づいて予め生成されたものを用いることができる。
【００１３】
また、前記動的特性情報は、複数のパラメータに応じて変化するプラントの性能に関する重回帰モデルであることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、重回帰モデルを用いることで、プラントの性能に影響する複数のパラメータを考慮することができるため、プラントの動的な性能変化を精度良く評価することができる。
【００１５】
また、複数の前記パラメータは、前記プラントの性能が劣化する性能劣化パラメータと、前記プラントの性能が復帰する性能復帰パラメータとを含んでいることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、プラントの性能劣化及び性能復帰を考慮して、プラントの性能変化を評価することができる。なお、性能劣化パラメータとしては、運転時間等であり、性能復帰パラメータとしては、定期点検時における洗浄の回数等である。
【００１７】
また、前記動的特性情報は、前記プラントの性能変化の変化度と、前記変化度が発生する発生確率とが関連付けられていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、プラントの個体差を考慮して、プラントの性能変化の変化度に応じたプラントの動的挙動を模擬することができる。このとき、プラントの性能変化の変化度と、発生確率とが関連付けられていることから、模擬した結果と発生確率とを対応付けて評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、実施形態１に係るシミュレーションシステムにより模擬されるプラントとしてのガスタービン発電プラントに関する概略構成図である。
【図２】図２は、実施形態１に係るシミュレーションシステムの模式図である。
【図３】図３は、実施形態１に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性テーブルに関するグラフである。
【図４】図４は、実施形態１に係るシミュレーションシステムの模擬結果として出力される出力性能のグラフである。
【図５】図５は、実施形態２に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性テーブルに関するグラフである。
【図６】図６は、実施形態３に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性モデルに関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
【００２１】
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るシミュレーションシステムにより模擬されるプラントとしてのガスタービン発電プラントに関する概略構成図である。図２は、実施形態１に係るシミュレーションシステムの模式図である。図３は、実施形態１に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性テーブルに関するグラフである。図４は、実施形態１に係るシミュレーションシステムの模擬結果として出力される出力性能のグラフである。
【００２２】
図１に示すように、実施形態１に係るシミュレーションシステム１０は、例えば、ガスタービン発電プラント等のプラント１の動的挙動を模擬する装置となっている。先ず、シミュレーションシステム１０の説明に先立ち、ガスタービン発電プラント１について説明する。
【００２３】
ガスタービン発電プラント１は、ガスタービン３と、発電機４とを備える。ガスタービン３は、圧縮機５、燃焼器６及びタービン７を有しており、圧縮機５とタービン７は、回転軸８により一体回転可能に連結されている。圧縮機５は、取り込んだ空気を圧縮し、圧縮した圧縮空気を燃焼器６へ向けて供給する。燃焼器６は、圧縮機５から供給された圧縮空気と、燃料とを混合して燃焼する。タービン７は、燃焼器６から供給された燃焼ガスにより回転する。タービン７が回転すると、回転軸８の軸方向の一方側に連結された発電機４は、タービン７により回転させられることで、電力を発生させる。
【００２４】
次に、図２を参照して、シミュレーションシステム１０について説明する。シミュレーションシステム１０は、記憶部１１と演算部１２とを有している。なお、記憶部１１は、メモリおよび記憶装置等のハードウェア資源を用いて構成され、また、演算部１２は、記憶部１１と同様に、ＣＰＵを含む集積回路等のハードウェア資源を用いて構成されている。
【００２５】
記憶部１１は、プラント１の動的挙動を模擬するためのシミュレーションプログラムＰを含む各種プログラムを記憶すると共に、シミュレーションプログラムＰにおいて使用される各種データを記憶する。記憶部１１に記憶されるシミュレーションプログラムＰは、プラント１の動的挙動を模擬するための所定の演算式を含んでおり、この演算式には、各種パラメータが含まれている。また、記憶部１１は、各種データとして、動的特性データ（動的特性情報）Ｄを記憶しており、動的特性データＤは、プラント１の動的な性能変化に関する情報となっている。そして、動的特性データＤは、演算式に含まれるパラメータの一つとなっている。
【００２６】
演算部１２は、記憶部１１に記憶されたシミュレーションプログラムＰを実行し、所定の演算式を演算することで、プラント１の動的挙動を模擬する。このとき、演算部１２は、演算式のパラメータとして、動的特性データＤを適用することで、プラント１の動的な性能変化を考慮して、プラント１の動的挙動を模擬している。
【００２７】
具体的に、プラント１の動的挙動を模擬する演算式としては、例えば、下記する（１）式及び（２）式がある。（１）式において、Ｈｃｓは、圧縮機出口のエンタルピであり、Ｈａｔｍは、圧縮機入口の大気圧下におけるエンタルピであり、Ｈｃｓ＝Ｓは、理想条件下（完全断熱圧縮状態）における圧縮機出口のエンタルピであり、ηｃｓは、圧縮機効率である。また、（２）式において、Ｈ２ｔは、タービン出口のエンタルピであり、Ｈ１ｔは、タービン入口のエンタルピであり、Ｈ２ｔ＝Ｓは、理想条件下（完全断熱圧縮状態）におけるタービン出口のエンタルピであり、ηは、タービン効率である。
【００２８】
【数１】
2016194873.tif 000003
【００２９】
【数２】
2016194873.tif 000004
【００３０】
そして、動的特性データＤとしては、上記の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっている。次に、図３を参照して、動的特性データＤとしての圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηについて説明する。図３に示すグラフは、その横軸が運転時間となっており、その縦軸がタービン効率または圧縮機効率となっている。なお、図３では、説明を簡単にするために、タービン効率及び圧縮機効率を併記したグラフとしているが、タービン効率及び圧縮機効率は、それぞれ別の動的特性データＤとして、記憶部１１に記憶されている。
【００３１】
図３に示すグラフは、運転時間が経過するにつれて、タービン効率及び圧縮機効率が低下するグラフとなっている。つまり、ガスタービン３の新設時の設計性能であるタービン効率η及び圧縮機効率ηｃｓは、運転時間に伴って低下している。ここで、タービン効率に関する動的特性データＤは、プラント１の運転時間に応じて変化するタービン効率をテーブル化したデータとなっている。同様に、圧縮機効率に関する動的特性データＤは、プラント１の運転時間に応じて変化する圧縮機効率をテーブル化したデータとなっている。この動的特性データＤは、予めサンプルプラントに基づいて生成されたデータとなっている。
【００３２】
次に、上記のシミュレーションシステム１０によりプラント１の動的挙動を模擬する演算処理について説明する。なお、以下の説明では、上記した（１）式及び（２）式の演算式を用いて、ガスタービン３の出力性能を模擬する場合について説明する。
【００３３】
シミュレーションシステム１０の演算部１２は、記憶部１１に記憶されたシミュレーションプログラムＰを実行すると、シミュレーションプログラムＰに含まれる（１）式及び（２）式の演算式を用いて、ガスタービン３の圧縮機出口のエンタルピＨｃｓと、タービン出口のエンタルピＨ２ｔとを算出する。このとき、演算部１２は、記憶部１１に記憶されている動的特性データＤを読み出して、運転時間に応じた圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηを適用することで、動的な圧縮機出口のエンタルピＨｃｓと、タービン出口のエンタルピＨ２ｔとを算出する。そして、演算部１２は、算出した動的な圧縮機出口のエンタルピＨｃｓとタービン出口のエンタルピＨ２ｔとから、所定の演算式に基づいて、ガスタービン３の動的な出力変化、すなわち運転時間に応じて変化するガスタービン３の出力を模擬結果として算出する。
【００３４】
次に、図４を参照して、運転時間に応じて変化するガスタービン３の出力について説明する。図４に示すグラフは、その横軸がガスタービン３の運転時間となっており、その縦軸がガスタービン３の出力となっている。ここで、Ｌ１は、従来のシミュレーションシステムを用いたときのガスタービンの出力変化である。つまり、Ｌ１は、ガスタービン３の新設時の設計性能である圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηが維持された状態で運転時間が変化した場合のガスタービンの出力変化である。Ｌ２は、実施形態１に係るシミュレーションシステム１０を用いたときのガスタービンの出力変化である。つまり、Ｌ２は、ガスタービン３の新設時の設計性能である圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηが運転時間に応じて低下した場合のガスタービンの出力変化である。
【００３５】
図４に示すとおり、ガスタービン３の出力Ｌ２は、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηが低下していることを考慮していることから、ガスタービン３の出力Ｌ１に比して低いものとなる。
【００３６】
以上のように、実施形態１によれば、プラント１の動的な性能変化（つまり、実施形態１では、運転時間に応じた圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηの変化）に応じて、プラント１の動的挙動（つまり、実施形態１では、ガスタービン３の出力性能）を模擬することができる。このため、プラント１の経年劣化を把握できることから、プラント１の性能劣化を考慮した、オペレーション及び制御ロジックを適用することが可能となる。
【００３７】
また、実施形態１によれば、テーブル化した動的特性データＤを記憶部１１に格納することができ、また、演算部１２は、動的特性データＤから運転時間に応じたプラント１の性能に基づいて、プラント１の動的挙動を容易に模擬することができる。
【００３８】
［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２に係るシミュレーションシステム１０について説明する。図５は、実施形態２に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性テーブルに関するグラフである。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。以下、実施形態２に係るシミュレーションシステム１０について説明する。
【００３９】
実施形態２に係るシミュレーションシステム１０において、記憶部１１に記憶される動的特性データＤは、ガスタービン３の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηの変化度に応じた複数用意されている。そして、変化度に応じた複数の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηには、変化度に対応する発生確率が関連付けられている。具体的に、Ｌｃは、発生確率が標準正規分布の中央値となる場合の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっており、発生確率が最も高い通常ケースにおける、運転時間に応じて変化する圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっている。また、Ｌｕは、発生確率が標準正規分布の中央値から離れた場合の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっており、発生確率が低く、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηの性能低下の変化度が小さいベストケースにおける、運転時間に応じて変化する圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっている。さらに、Ｌｄは、発生確率が標準正規分布の中央値から離れた場合の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっており、発生確率が低く、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηの性能低下の変化度が大きいワーストケースにおける、運転時間に応じて変化する圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηとなっている。
【００４０】
このシミュレーションシステム１０の演算部１２は、記憶部１１に記憶されている実施形態２の動的特性データＤを読み出して、変化度に応じた複数の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηを適用することで、動的な圧縮機出口のエンタルピＨｃｓと、タービン出口のエンタルピＨ２ｔとを算出する。そして、演算部１２は、算出した動的な圧縮機出口のエンタルピＨｃｓとタービン出口のエンタルピＨ２ｔとから、所定の演算式に基づいて、変化度及び発生確率が関連付けられた、運転時間に応じて変化するガスタービン３の出力を模擬結果として算出する。
【００４１】
以上のように、実施形態２によれば、プラント１の個体差を考慮して、プラント１の性能変化の変化度に応じたプラント１の動的挙動を模擬することができる。このとき、プラント１の性能変化の変化度と、発生確率とが関連付けられていることから、模擬結果と発生確率とを対応付けて評価することができる。
【００４２】
［実施形態３］
次に、図６を参照して、実施形態３に係るシミュレーションシステム１０について説明する。図６は、実施形態３に係るシミュレーションシステムに記憶される動的特性データとしての動的特性モデルに関するグラフである。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付す。以下、実施形態３に係るシミュレーションシステム１０について説明する。
【００４３】
実施形態３に係るシミュレーションシステム１０において、記憶部１１に記憶される動的特性データＤは、複数のパラメータに応じて変化するプラント１の性能に関する重回帰モデルである。具体的に、ガスタービン３の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηは、例えば、「ηｃｓ，η＝ａ０＋ａ１・ｘ１＋ａ２・ｘ２＋ａ３・ｘ３＋…」となる重回帰モデルが適用されている。ここで、「ｘ１，ｘ２，ｘ３…」は、ガスタービン３の圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηに影響を与える複数のパラメータであり、「ａ０，ａ１，ａ２，ａ３…」は、重み付けである。複数のパラメータは、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηが低下する性能劣化パラメータと、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηが復帰する性能復帰パラメータとを含んでいる。具体的に、複数のパラメータは、性能劣化パラメータとして、運転時間を含み、性能復帰パラメータとして洗浄累計回数を含んでいる。
【００４４】
図６に示すグラフは、重回帰モデルに基づいて算出される、運転時間に応じて変化する圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηのグラフである。ここで、ｘ１としては、運転時間が適用され、ｘ２としては、洗浄累計回数が適用され、ｘ３としては、直近の洗浄からの運転時間が適用されている。図６に示すように、圧縮機効率ηｃｓ及びタービン効率ηは、運転時間が経過するにつれて低下する一方で、洗浄が行われると復帰する。
【００４５】
以上のように、実施形態３によれば、重回帰モデルを用いることで、プラント１の性能に影響する複数のパラメータを考慮することができるため、プラント１の動的な性能変化を精度良く評価することができる。
【００４６】
また、実施形態３によれば、性能劣化パラメータと性能復帰パラメータとを含む複数のパラメータを適用することで、プラント１の性能劣化及び性能復帰を考慮して、プラント１の性能変化を評価することができる。
【００４７】
なお、実施形態３の重回帰モデルは、上記のパラメータに限定されず、例えば、ガスタービン３の起動及び停止回数、ガスタービン３の部分負荷運転時における運転時間、ガスタービン３が取り込む空気の大気温度等、ガスタービン３の運転条件及び運転環境に応じたパラメータを含む重回帰モデルとして構築してもよい。
【００４８】
なお、実施形態１から実施形態３において、シミュレーションシステム１０は、ガスタービン３の動的挙動を模擬したが、ガスタービン１０に限定されず、他のプラント１であってもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  プラント
３  ガスタービン
４  発電機
５  圧縮機
６  燃焼器
７  タービン
８  回転軸
１０  シミュレーションシステム
１１  記憶部
１２  演算部
Ｐ  シミュレーションプログラム
Ｄ  動的特性データ
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016194873.tif 000007
【図４】
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【図５】
2016194873.tif 000009
【図６】
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