JP2023050920A

JP2023050920A - プラント最適運用計画装置

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Publication number: JP2023050920A
Application number: JP2021161282A
Authority: JP
Inventors: 一郎高坂; Ichiro Kosaka; 聖一北村; Seiichi Kitamura; 亮太澤村; Ryota Sawamura; 将太田中; Shota Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: JP7565894B2

Abstract

【課題】本開示は、階層構成のプラント構成設備を有するプラントにおいて、計画期間における時系列の運転モードに応じた起動移行中および停止移行中の入力側と出力側の運転パターンを考慮しつつ、プラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を立案することを目的とする。【解決手段】プラント最適運用計画装置１０１Ａは、階層構成のプラント構成設備を有するプラントを対象プラント１０２とするプラント最適運用計画装置であり、運転モード判別制約条件を設定する運転モード判別制約条件設定部２０９と、出力側運転パターン制約条件を設定する出力側運転パターン制約条件設定部２１０と、入力側運転パターン制約条件を設定する入力側運転パターン制約条件設定部２１１と、運転モード判別制約条件、出力側運転パターン制約条件、および入力側運転パターン制約条件に基づき、最適運用計画を立案する最適化演算部２１３とを備える。【選択図】図７

Description

本開示は、プラント最適運用計画装置に関する。

プラントの運転において、総エネルギーコストを低減することが重要な課題である。この課題に対処するため、総エネルギーコストの最小化を目的とした設備の起動停止状態と入出力の計画を立案するプラント運用計画問題を扱う研究が行われている。従来は、計算の簡略化の観点から、起動移行中または停止移行中の運転パターンは考慮されないことがほとんどだった。しかし、近年の電力システム改革による競争原理の導入により、エネルギー生産を効率的に行うべく、より実態に近いモデル化が課題となっている。そこで、起動移行中または停止移行中の運転パターンを考慮したプラントの運転スケジュール最適化計算を行う手法についても、いくつか提案されている。

特許文献１に記載のプラントの運転スケジュール最適化方法では、運転モードの種別を整数の運転モード変数として運転スケジュール最適化計算における独立変数の一部に有し、運転モード変数に応じて予め決められた運転パターンを運転拘束条件として付与し、運転モードごとの運転コストあるいはモード変化時の運転コストをコスト評価関数内で最小となるように制御対象プラントの運転スケジュール最適化計算を行う方法が開示されている。この方法により、事前の停止中の継続時間などのプラントの現在の状態に応じた至近の将来の起動移行中または停止移行中の運転パターンを考慮したプラントの運転スケジュール最適化ができる。

非特許文献１に記載の火力プラントの運用計画手法では、運転モードの種別ごとの時系列のバイナリ変数または時系列の運転モードを判別する制約条件と、運転モードに応じた運転パターンを表現する制約条件とを導入することで、起動移行中または停止移行中の運転パターンを考慮した混合整数線形計画法（Mixed Integer Linear Programming：ＭＩＬＰ）による定式化手法が開示されている。

特開２００５－２８４３８８号公報

Applied Mechanics and Materials, Vols.672-674, pp.493-498, An MILP Formulation for the Thermal Unit Commitment Problem Considering Start-up and Shut-down Power Trajectories", Jun Deng, Hua Wei

特許文献１に開示されたプラントの運転スケジュール最適化方法は、事前の停止中の継続時間によって決まるホットスタート、ウォームスタート、またはコールドスタートなどの、計画期間における時系列の運転モードを判別する制約条件が無いため、計画期間における時系列の運転モードに応じた起動移行中または停止移行中の運転パターンの考慮が困難である。ここで、ホットスタートとは起動移行中の期間が比較的に短い運転モードを指し、ウォームスタートとはホットスタートより起動移行中の期間が長い運転モードを指し、コールドスタートとはウォームスタートよりも起動移行中の期間が長い運転モードを指す。

非特許文献１に開示された火力プラントの運用計画手法は、火力プラントの出力である発電量の計画を立案しているが、火力プラントの入力である燃料消費量の計画は立案していない。そのため、火力プラントの運転モードに応じた起動移行中または停止移行中の出力側の運転パターンの考慮しかできない。入力側の運転パターンについては、入出力の関係を表現した一次関数を用いて求める方法が一般的に知られている。しかし、火力プラントの起動移行中または停止移行中の入出力の関係を一次関数で表現することは難しいため、火力プラントの運転モードに応じた起動移行中または停止移行中の入力側の運転パターンの考慮は困難である。

さらに特許文献１および非特許文献１に開示された方法は、いずれも燃料を消費して１種類のエネルギーを供給するプラントを対象にしたものであるが、電力と低圧蒸気など複数のエネルギーを供給する場合、または階層構成の構成設備を有するプラントを対象とする場合には、適用が困難である。ここで、階層構成の構成設備を有するプラントとは、例えば複数の機器で燃料を消費して蒸気を出力し、他の複数の機器でその蒸気を消費して電力を供給するようなプラントを指す。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、階層構成の構成設備を有するプラントにおいて、計画期間における時系列の運転モードに応じた起動移行中および停止移行中の入力側と出力側の運転パターンを考慮しつつ、プラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力との計画を立案するプラント最適運用計画装置の提供を目的とする。

本開示のプラント最適運用計画装置は、階層構成のプラント構成設備を有するプラントを対象プラントとするプラント最適運用計画装置であって、対象プラントの時系列の運転モードを判別する制約条件である運転モード判別制約条件を設定する運転モード判別制約条件設定部と、対象プラントの起動移行中および停止移行中の出力側運転パターンを表現する制約条件である出力側運転パターン制約条件を設定する出力側運転パターン制約条件設定部と、対象プラントの起動移行中および停止移行中の入力側運転パターンを表現する制約条件である入力側運転パターン制約条件を設定する入力側運転パターン制約条件設定部と、運転モード判別制約条件、出力側運転パターン制約条件、および入力側運転パターン制約条件に基づき、対象プラントのプラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を含む最適運用計画を立案する最適化演算部とを備える。

本開示のプラント最適運用計画装置によれば、階層構成のプラント構成設備を有する対象プラントにおいて、計画期間における時系列の運転モードに応じた起動移行中および停止移行中の入力側と出力側の運転パターンを考慮しつつ、プラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を立案することができる。

実施の形態１のプラント最適運用計画装置が対象とする対象プラントの一例を示す図である。ボイラの運転の一例を示す図である。ボイラのホットスタートの一例を示す図である。ボイラのウォームスタートの一例を示す図である。ボイラのコールドスタートの一例を示す図である。ボイラのシャットダウンの一例を示す図である。実施の形態１のプラント最適運用計画装置の機能構成を示す図である。ボイラの運転モード別の出力側運転パターンのデータの一例を示す図である。ボイラの運転モード別の入力側運転パターンのデータの一例を示す図である。ボイラの運転モード別の基本データの一例を示す図である。需要予測データの一例を示す図である。発電量および購入電力の計画を第１タービンおよび第２タービンについて統合した電力供給計画の一例を示す図である。低圧蒸気量の計画を第１タービンおよび第２タービンについて統合した低圧蒸気供給計画の一例を示す図である。実施の形態１のプラント最適運用計画装置のハードウェア構成を示す図である。実施の形態１のプラント最適運用計画装置の動作を示すフローチャートである。実施の形態２のプラント最適運用計画装置の機能構成を示す図である。実施の形態２のプラント最適運用計画装置の動作を示すフローチャートである。

以下、添付される図面を参照しながら実施の形態について説明する。以下の実施の形態では、技術の説明のために詳細な特徴なども示されるが、それらは例示であり、実施の形態が実施可能となるためにそれらの全てが必ずしも必須の特徴ではない。なお、図面は概略的に示されるものであり、説明の便宜のため、適宜、構成の省略、または、構成の簡略化などが図面においてなされる。また、異なる図面にそれぞれ示される構成などの大きさおよび位置の相互関係は、必ずしも正確に記載されるものではなく、適宜変更され得る。また、以下に示される説明では、同様の構成要素には同じ符号を付して図示し、それらの名称と機能とについても同様のものとする。したがって、それらについての詳細な説明を、重複を避けるために省略する場合がある。また、本願明細書に記載される説明において、ある構成要素を「備える」、「含む」または「有する」などと記載される場合、それらの表現は、特に断らない限り、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

＜Ａ．実施の形態１＞
＜Ａ－１．構成＞
はじめに、プラント最適運用計画装置１０１Ａが対象とする対象プラント１０２の一例を説明する。図１は、対象プラント１０２の一例を示している。対象プラント１０２は、電力および低圧蒸気を供給するための２台のボイラ１１，１２と、２台のタービン発電機２１，２２（以降、タービン）とを備えて構成される。ここで、ボイラ１１，１２およびタービン２１，２２が対象プラント１０２を構成するプラント構成設備である。ボイラ１１，１２は、都市ガスなどの燃料を消費して高圧蒸気を発生させる。ボイラ１１，１２で発生した高圧蒸気は高圧蒸気ヘッダーに集約される。タービン２１，２２は、高圧蒸気ヘッダーの高圧蒸気を消費して、低圧蒸気および電力を発生させる。タービン２１，２２の抽気弁を操作することにより、低圧蒸気発生量を調整することができる。対象プラント１０２は、電力需要よりもタービン２１，２２で発生させた電力量が少ないなどの理由で電力の供給が不足する場合、小売電気事業者と締結した契約に基づき電力の供給を受けることができる。対象プラント１０２は、低圧蒸気需要よりもタービン２１，２２で発生させた低圧蒸気量が多いなどの理由で低圧蒸気の供給が過剰になる場合、低圧蒸気を大気放出させることができる。ボイラ１１，１２で発生させた高圧蒸気量よりもタービン２１，２２で消費した高圧蒸気量が少ないなどの理由で高圧蒸気の供給が過剰になる場合、対象プラント１０２は高圧蒸気を大気放出させることができる。なお、低圧蒸気および高圧蒸気の大気放出は図１に示されていない。

対象プラント１０２の運用者は、エネルギー生産を効率的に行うべく、総エネルギーコストを低減するように対象プラント１０２を運転することが求められ、プラント構成設備の起動停止状態および入出力の計画を立案して対象プラント１０２を運用する必要がある。

図２は、プラント構成設備であるボイラ１１，１２の運転の一例を示している。図２において、ボイラ１１，１２は運転中から停止中を経由して再び運転中に至る。図２のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は物理量を示す。図２において実線のグラフはボイラ１１，１２の燃料消費量を示し、破線のグラフはボイラ１１，１２で発生する高圧蒸気量を示す。

ボイラ１１，１２の運転モードは、運転中、停止移行中、停止中、および起動移行中の４つに大きく分けられる。運転中は、ボイラ１１，１２を最小入出力から最大入出力までの範囲で運転する運転モードである。停止移行中は、ボイラ１１，１２を運転中から停止中へ移行するために、ある入力パターンおよび出力パターンに従ってボイラ１１，１２の入力および出力を減少させて運転する運転モードである。停止中は、ボイラ１１，１２の入力および出力がなく停止している運転モードである。起動移行中は、ボイラ１１，１２を停止中から運転中へ移行するために、ある入力パターンおよび出力パターンに従ってボイラ１１，１２の入力および出力を増加させて運転する運転モードである。

タービン２１，２２の運転モードは、ボイラ１１，１２の運転モードと同じである。

起動移行中は、事前の停止中の継続時間によって以下の３つの運転モードに分けられる。すなわち、ホットスタート、ウォームスタート、およびコールドスタートの３つである。ホットスタートは、起動移行中の期間が比較的短い運転モードである。ウォームスタートは、ホットスタートより起動移行中の期間が長い運転モードである。コールドスタートは、ウォームスタートより起動移行中の期間が長い運転モードである。

図３は、ボイラ１１，１２のホットスタートの一例を示している。図３のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は物理量を示す。なお、横軸の目盛りはコマを表す。コマとは、ある一定の期間のことである。実線のグラフはボイラ１１，１２の燃料消費量を示し、破線のグラフはボイラ１１，１２で発生する高圧蒸気量を示す。図３に示すホットスタートの場合、起動移行中の期間は３コマである。

タービン２１，２２のホットスタートは、ボイラ１１，１２のホットスタートと同様である。

図４は、ボイラ１１，１２のウォームスタートの一例を示している。図４のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は物理量を示す。なお、横軸の目盛りはコマを表す。実線のグラフはボイラ１１，１２の燃料消費量を示し、破線のグラフはボイラ１１，１２で発生する高圧蒸気量を示す。図４に示すウォームスタートの場合、起動移行中の期間は４コマである。

タービン２１，２２のウォームスタートは、ボイラ１１，１２のウォームスタートと同様である。

図５は、ボイラ１１，１２のコールドスタートの一例を示している。図５のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は物理量を示す。なお、横軸の目盛りはコマを表す。実線のグラフはボイラ１１，１２の燃料消費量を示し、破線のグラフはボイラ１１，１２で発生する高圧蒸気量を示す。図５に示すコールドスタートの場合、起動移行中の期間は５コマである。

タービン２１，２２のコールドスタートは、ボイラ１１，１２のコールドスタートと同様である。

停止移行中の運転モードは、事前の運転中と起動移行中の継続時間によって分けられてもよい。しかし、ここでは事前の運転中と起動移行中の継続時間によって停止移行中の運転モードを分けない。シャットダウンは、停止移行中の運転モードである。

図６は、ボイラ１１，１２のシャットダウンの一例を示している。図６のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は物理量を示す。なお、横軸の目盛りはコマを表す。実線のグラフはボイラ１１，１２の燃料消費量を示し、破線のグラフはボイラ１１，１２で発生する高圧蒸気量を示す。図６に示すシャットダウンの場合、停止移行中の期間は３コマである。

タービン２１，２２のシャットダウンは、ボイラ１１，１２のシャットダウンと同様である。

以上がプラント最適運用計画装置１０１Ａが対象とする対象プラント１０２の一例である。

次に、プラント最適運用計画装置１０１Ａの機能構成の一例を説明する。

図７は、プラント最適運用計画装置１０１Ａの機能構成図である。プラント最適運用計画装置１０１Ａは、出力側運転パターンデータベース（以下、データベースをＤＢと称する）２０１、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３、需要予測ＤＢ２０４、契約情報ＤＢ２０５、計画結果ＤＢ２０６、実績値ＤＢ２０７、基本制約条件設定部２０８、運転モード判別制約条件設定部２０９、出力側運転パターン制約条件設定部２１０、入力側運転パターン制約条件設定部２１１、評価関数設定部２１２、最適化演算部２１３、およびデータ入出力部２１４を備えて構成される。

出力側運転パターンＤＢ２０１は、プラント構成設備ごとの運転モード別の出力側運転パターンのデータを保持する。

入力側運転パターンＤＢ２０２は、プラント構成設備ごとの運転モード別の入力側運転パターンのデータを保持する。

設備特性ＤＢ２０３は、プラント構成設備ごとの運転モード別の基本データ、プラント構成設備ごとの運転中の入出力特性のデータ、プラント構成設備ごとの変化速度限度のデータ、プラント構成設備ごとの運転中の最大入出力のデータ、プラント構成設備ごとの最小入出力のデータ、タービンの低圧蒸気抽気量の上下限のデータ、運転モード別の起動移行中の期間のデータ、および運転モード別の停止移行中の期間のデータを保持する。

需要予測ＤＢ２０４は、電力需要予測値のデータ、および低圧蒸気需要の予測値のデータを保持する。

契約情報ＤＢ２０５は、契約電力のデータ、小売電気事業者と締結した契約に基づいた電力量単価のデータ、および都市ガス単価のデータを保持する。

計画結果ＤＢ２０６は、プラントの最適運用計画結果のデータを保持する。具体的には、計画結果ＤＢ２０６は、タービン２１，２２ごとの発電量の計画のデータと、タービン２１，２２ごとの低圧蒸気発生量の計画のデータと、タービン２１，２２ごとの高圧蒸気消費量の計画のデータと、ボイラ１１，１２ごとの高圧蒸気発生量の計画のデータと、ボイラ１１，１２ごとの燃料消費量の計画のデータと、プラント構成設備ごとの起動停止状態フラグの計画のデータと、購入電力の計画のデータと、燃料消費の計画のデータとを保持する。

実績値ＤＢ２０７は、タービン２１，２２ごとの高圧蒸気消費量の過去実績値のデータと、ボイラ１１，１２ごとの燃料消費量の過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの起動停止状態フラグの過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの起動開始フラグの過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの起動開始フラグ（ホットスタート）の過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの起動開始フラグ（ウォームスタート）の過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの起動開始フラグ（コールドスタート）の過去実績値のデータと、プラント構成設備ごとの停止直後フラグの過去実績値のデータとを保持する。

基本制約条件設定部２０８は、プラント構成設備ごとの入力の変化速度制約と、運転中の出力上下限制約と、運転中の入力上下限制約と、電力需給バランス制約と、高圧蒸気需給バランス制約と、低圧蒸気需給バランス制約と、変数の上下限制約とを設定する。

運転モード判別制約条件設定部２０９は、起動開始フラグおよび停止直後フラグの関係を表現する制約と、起動開始フラグ、停止直後フラグおよび運転中フラグとの関係を表現する制約と、起動パターンの選択、すなわちホットスタート、ウォームスタート、またはコールドスタートのどの起動パターンを選択するかを表現する制約とを設定する。

出力側運転パターン制約条件設定部２１０は、起動移行中および停止移行中の出力側運転パターン制約を設定する。

入力側運転パターン制約条件設定部２１１は、起動移行中および停止移行中の入力側運転パターン制約を設定する。

評価関数設定部２１２は、評価関数を設定する。

最適化演算部２１３は、対象プラント１０２の最適運用計画問題を解き、対象プラント１０２の最適運用計画結果を得る。

データ入出力部２１４は、出力側運転パターンＤＢ２０１、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３、需要予測ＤＢ２０４、契約情報ＤＢ２０５、計画結果ＤＢ２０６、および実績値ＤＢ２０７が保持するデータを表示し、対象プラント１０２の最適運用計画を立案するために必要な、出力側運転パターンＤＢ２０１、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３、需要予測ＤＢ２０４、および契約情報ＤＢ２０５が保持するデータを設定する。

プラント最適運用計画装置１０１Ａは、需要場所に対して１台設置される。需要場所とは、電気使用場所を含み、電気を使用する構内全てのことである。

以上がプラント最適運用計画装置１０１Ａの機能構成の一例の説明である。

次に、プラント最適運用計画装置１０１Ａの各種ＤＢが保持するデータの一例を説明する。

図８は、プラント構成設備であるボイラの運転モード別の出力側運転パターンのデータの一例を示している。図８に示されるデータは出力側運転パターンＤＢ２０１が保持している。図８において、出力１，２，３，４，５はそれぞれ、起動移行中または停止移行中の１，２，３，４，５コマ目を表している。ホットスタートの場合、起動移行中の１コマ目のボイラの出力である高圧蒸気量は０．０％である。０．０％とは、定格で運転した場合の高圧蒸気量を１００％としたときに０．０％の高圧蒸気量であることを意味する。同様に、ホットスタートの場合、起動移行中の２，３コマ目の高圧蒸気量はそれぞれ、２５．０％、５０．０％である。ウォームスタートの場合、起動移行中の１，２，３，４コマ目の高圧蒸気量はそれぞれ、０．０％、１６．７％、３３．３％、５０．０％である。コールドスタートの場合、起動移行中の１，２，３，４，５コマ目の高圧蒸気量はそれぞれ、０．０％、１２．５％、２５．０％、３７．５％、５０．０％である。シャットダウンの場合、停止移行中の１，２，３コマ目の高圧蒸気量はそれぞれ、５０．０％、２５．０％、０．０％である。

タービンの運転モード別の出力側運転パターンのデータは、ボイラの運転モード別の出力側運転パターンのデータと同様である。

図９は、プラント構成設備であるボイラの運転モード別の入力側運転パターンのデータの一例である。図９に示されるデータは入力側運転パターンＤＢ２０２が保持している。図９において、入力１，２，３，４，５はそれぞれ、起動移行中または停止移行中の１，２，３，４，５コマ目を表している。ホットスタートの場合、起動移行中の１コマ目のボイラの入力である燃料消費量は１６．７％である。１６．７％とは、定格で運転した場合の燃料消費量を１００％としたときに、１６．７％の燃料消費量であることを意味する。同様に、ホットスタートの場合、起動移行中の２，３コマ目の燃料消費量はそれぞれ、３３．３％、５０．０％である。ウォームスタートの場合、起動移行中の１，２，３，４コマ目の燃料消費量はそれぞれ、１２．５％、２５．０％、３７．５％、５０．０％である。コールドスタートの場合、起動移行中の１，２，３，４，５コマ目の燃料消費量はそれぞれ、１０．０％、２０．０％、３０．０％、４０．０％、５０．０％である。シャットダウンの場合、停止移行中の１，２，３コマ目の燃料消費量はそれぞれ、５０．０％、３３．３％、１６．７％である。

なお、あるプラント構成設備について、運転モード別の入力側運転パターンのデータの期間（コマ数）と、運転モード別の出力側運転パターンのデータの期間（コマ数）と、設備特性ＤＢ２０３の運転モード別の起動移行中の期間と、運転モード別の停止移行中の期間とは同じである。例えば、図８および図９の例では、ホットスタートの期間が３コマであるため、設備特性ＤＢ２０３におけるホットスタートの起動移行中の期間も３コマである。

タービンの運転モード別の入力側運転パターンのデータは、ボイラの運転モード別の入力側運転パターンのデータと同様である。

図１０は、プラント構成設備であるボイラの運転モード別の基本データの一例である。図１０に示される基本データは設備特性ＤＢ２０３が保持している。ホットスタートは、事前の停止中の継続時間が１コマ以上３コマ未満の起動時に選択される運転モードを意味する。ウォームスタートは、事前の停止中の継続時間が３コマ以上５コマ未満の起動時に選択される運転モードを意味する。コールドスタートは、事前の停止中の継続時間が５コマ以上の起動時に選択される運転モードを意味する。シャットダウンは、事前の運転中と起動移行中の継続時間が１コマ以上の停止時に選択される運転モードを意味する。起動（停止）コストは、起動時または停止時のコストである。ホットスタートの起動コストは１万円である。ウォームスタートの起動コストは２万円である。コールドスタートの起動コストは３万円である。シャットダウンの停止コストは２万円である。

タービンの運転モード別の基本データは、ボイラの運転モード別の基本データと同様である。

図１１は、需要予測データの一例である。需要予測データは、需要予測ＤＢ２０４に保持される。図１１の需要予測データは、対象プラント１０２の電力需要および低圧蒸気需要の予測値のデータである。電力需要予測値は、至近の将来の１，２，３，４，５，６コマ目においてそれぞれ、１００ｋＷｈ／ｈ、１１０ｋＷｈ／ｈ、１２０ｋＷｈ／ｈ、１３０ｋＷｈ／ｈ、１２５ｋＷｈ／ｈ、１２０ｋＷｈ／ｈである。低圧蒸気需要予測値は、至近の将来の１，２，３，４，５，６コマ目においてそれぞれ、６０ＭＪ／ｈ、６５ＭＪ／ｈ、７０ＭＪ／ｈ、６０ＭＪ／ｈ、５０ＭＪ／ｈ、４０ＭＪ／ｈである。

図１２は、発電量および購入電力の計画をタービン２１，２２について統合した電力供給計画の一例を示している。図１２のデータは計画結果ＤＢ２０６に保持される。図１２のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は電力量を示す。梨地ハッチングは購入電力量、網掛けハッチングはタービン２１（第１タービンと称する）の発電電力量、斜線ハッチングはタービン２２（第２タービンと称する）の発電電力量を示す。例えば、至近の将来の１コマ目においては、購入電力量が２０ｋＷｈ／ｈ、第１タービンの発電電力量が４０ｋＷｈ／ｈ、第２タービンの発電電力量が４０ｋＷｈ／ｈである。

図１３は、低圧蒸気量の計画をタービン２１，２２について統合した低圧蒸気供給計画の一例を示している。図１３のデータは計画結果ＤＢ２０６に保持される。図１３のグラフの横軸は時刻を示し、縦軸は低圧蒸気量を示す。網掛けハッチングはタービン２１（第１タービンと称する）の低圧蒸気量、斜線ハッチングはタービン２２（第２タービンと称する）の低圧蒸気量を示す。例えば、至近の将来の１コマ目については、第１タービンの低圧蒸気量が３０ＭＪ／ｈ、第２タービンの低圧蒸気量が３０ＭＪ／ｈである。

以上が、プラント最適運用計画装置１０１Ａの出力側運転パターンＤＢ２０１、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３、需要予測ＤＢ２０４、および計画結果ＤＢ２０６が保持するデータの一例である。

次に、プラント最適運用計画装置１０１Ａのハードウェア構成の一例を説明する。

図１４は、プラント最適運用計画装置１０１Ａのハードウェア構成図である。プラント最適運用計画装置１０１Ａは、入力装置３０１、出力装置３０２、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３０３、主記憶装置３０４、二次記憶装置３０５、および通信機器３０６を備える。通信機器３０６はプラント最適運用計画装置１０１Ａを通信ネットワーク３０７に接続するためのものである。図７におけるデータ入出力部２１４は、入力装置３０１および出力装置３０２によって実現される。図７における出力側運転パターンＤＢ２０１、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３、需要予測ＤＢ２０４、契約情報ＤＢ２０５、計画結果ＤＢ２０６、および実績値ＤＢ２０７は、主記憶装置３０４または二次記憶装置３０５によって実現される。図７における基本制約条件設定部２０８、運転モード判別制約条件設定部２０９、出力側運転パターン制約条件設定部２１０、入力側運転パターン制約条件設定部２１１、評価関数設定部２１２、および最適化演算部２１３は、ＣＰＵ３０３が主記憶装置３０４または二次記憶装置３０５に格納されたソフトウェアプログラムを実行することによって実現される。図７における対象プラント１０２からの情報の取得は、通信機器３０６によって実現される。

＜Ａ－２．動作＞
対象プラント１０２の最適運用計画問題に用いる各値を以下のように定義する。なお、頭文字が小文字の値は変数、頭文字が大文字の値は定数もしくは関数とする。
（集合）
［共通系］

［ボイラ系］

［タービン系］

（変数）
［ボイラ系］

［タービン系］

［その他］

（定数および関数）
［ボイラ系］

［タービン系］

［その他］

なお、各値の時刻と、過去の時刻と、起動移行中の期間の時刻の集合と、停止移行中の期間の時刻の集合のいずれかが定義した集合の範囲外の場合は、値が存在しないことを意味する。以上がプラントの最適運用計画問題に用いる各値の定義である。

図１５は、プラント最適運用計画装置１０１Ａの動作を示すフローチャートである。まず、基本制約条件設定部２０８が基本制約条件を設定する（ステップＳ１０１）。基本制約条件設定部２０８は、設備特性ＤＢ２０３および実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（１）から式（４）に示すプラント構成設備ごとの入力の変化速度制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、設備特性ＤＢ２０３から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（５）および式（６）に示す運転中の出力上下限制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、設備特性ＤＢ２０３から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（７）から式（８）に示す運転中の入力上下限制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、以下の式（９）に示す電力需給バランス制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、以下の式（１０）に示す高圧蒸気需給バランス制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、以下の式（１１）に示す低圧蒸気需給バランス制約を設定する。

また、基本制約条件設定部２０８は、設備特性ＤＢ２０３および契約情報ＤＢ２０５から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（１２）および式（１３）に示す変数の上下限制約を設定する。

次に、運転モード判別制約条件設定部２０９は、運転モード判別制約条件の設定を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、運転モード判別制約条件設定部２０９は、実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、式（１４）から式（１９）に示す起動開始フラグと停止直後フラグとの関係を表現する制約を設定する。

また、運転モード判別制約条件設定部２０９は、設備特性ＤＢ２０３および実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（２０）から式（２３）に示す起動開始フラグと停止直後フラグと運転中フラグとの関係を表現する制約を設定する。

なお、式（２１）の

が定義した時刻の集合

の範囲外の場合は、値が存在しないことを意味する。また、式（２１）の

が定義した過去の時刻の集合

の範囲外の場合は、値が存在しないことを意味する。他の各値についても同様である。

また、運転モード判別制約条件設定部２０９は、設備特性ＤＢ２０３および実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、式（２４）から式（４１）に示す起動パターンの選択を表現する制約を設定する。このように、運転モード判別制約条件は、対象プラント１０２の起動開始フラグと停止直後フラグとの関係を表現する制約と、対象プラント１０２の起動開始フラグと停止直後フラグと運転中フラグとの関係を表現する制約と、対象プラント１０２の起動パターンの選択を表現する制約とを、対象プラント１０２の運転モード別の時系列のバイナリ変数を含む不等式制約または等式制約で表現したものである。

次に、出力側運転パターン制約条件設定部２１０は、出力側運転パターンＤＢ２０１、設備特性ＤＢ２０３および実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、以下の式（４２）から式（４５）に示す出力側運転パターン制約条件を設定する（ステップＳ１０３）。このように、出力側運転パターン制約条件は、対象プラントの運転モード別の時系列のバイナリ変数と対象プラントの運転モード別の出力側の運転パターンのデータとを含む等式制約で表現される。

次に、入力側運転パターン制約条件設定部２１１は、入力側運転パターンＤＢ２０２、設備特性ＤＢ２０３および実績値ＤＢ２０７から制約条件の設定に必要なデータを取得し、式（４６）から式（４９）に示す出力側運転パターン制約を設定する。このように、入力側運転パターン制約条件は、対象プラントの運転モード別の時系列のバイナリ変数と対象プラントの運転モード別の入力側の運転パターンのデータとを含む等式制約で表現される。

次に、評価関数設定部２１２は、設備特性ＤＢ２０３および契約情報ＤＢ２０５から評価関数の設定に必要なデータを取得し、以下の式（５０）に示す評価関数を設定する。

次に、最適化演算部２１３は、基本制約条件設定部２０８、運転モード判別制約条件設定部２０９、出力側運転パターン制約条件設定部２１０および入力側運転パターン制約条件設定部２１１が設定した制約条件の下で、評価関数設定部２１２が設定した評価関数を最小化する対象プラント１０２の最適運用計画問題を、混合整数線形計画問題（ＭＩＬＰ）を解くことができるソルバを用いて解き、対象プラント１０２の最適運用計画結果を得る（ステップＳ１０６）。

最後に、最適化演算部２１３は、対象プラント１０２の最適運用計画結果のデータである、タービン２１，２２ごとの発電量の計画のデータと、タービン２１，２２ごとの低圧蒸気発生量の計画のデータと、タービン２１，２２ごとの高圧蒸気消費量の計画のデータと、ボイラ１１，１２ごとの高圧蒸気発生量の計画のデータと、ボイラ１１，１２ごとの燃料消費量の計画のデータと、プラント構成設備ごとの起動停止状態フラグの計画のデータと、購入電力の計画のデータと、燃料消費の計画のデータとを計画結果ＤＢ２０６に書き込む。

＜Ａ－３．効果＞
実施の形態１のプラント最適運用計画装置１０１Ａは、階層構成のプラント構成設備を有するプラントを対象プラント１０２とする。プラント最適運用計画装置１０１Ａは、対象プラントの時系列の運転モードを判別する制約条件である運転モード判別制約条件を設定する運転モード判別制約条件設定部２０９と、対象プラント１０２の起動移行中および停止移行中の出力側運転パターンを表現する制約条件である出力側運転パターン制約条件を設定する出力側運転パターン制約条件設定部２１０と、対象プラント１０２の起動移行中および停止移行中の入力側運転パターンを表現する制約条件である入力側運転パターン制約条件を設定する入力側運転パターン制約条件設定部２１１と、運転モード判別制約条件、出力側運転パターン制約条件、および入力側運転パターン制約条件に基づき、対象プラント１０２のプラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を含む最適運用計画を立案する最適化演算部２１３とを備える。従って、プラント最適運用計画装置１０１Ａによれば、プラント構成設備が階層構成のプラントにおいて、計画期間における時系列の運転モードに応じた起動移行中や停止移行中の入力側と出力側の運転パターンを考慮しつつ、プラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を立案するプラントの最適運用計画を立案することができる。

＜Ｂ．実施の形態２＞
実施の形態２では、図１に記載のプラントを対象プラント１０２とするプラント最適運用計画装置１０１Ｂを説明する。なお、以下の説明においては、以上に記載された実施の形態で説明された構成要素と同様の構成要素については同じ符号を付して図示し、その詳細な説明については適宜省略するものとする。

＜Ｂ－１．構成＞
図１６は、プラント最適運用計画装置１０１Ｂの機能構成図である。プラント最適運用計画装置１０１Ｂは、実施の形態１のプラント最適運用計画装置１０１Ａと同様の構成を有する。

最適化演算部２１３は、対象プラント１０２の最適運用計画問題を解き、対象プラント１０２の最適運用計画結果を得るとともに、至近の将来の対象プラント１０２の最適運用計画結果をプラント制御装置１０３へ送信する。

プラント制御装置１０３は、対象プラント１０２を制御する装置である。

＜Ｂ－２．動作＞
図１７は、プラント最適運用計画装置１０１Ｂの動作を示すフローチャートである。図１７のフローにおけるステップＳ１０１からステップＳ１０７は、図１５のフローにおけるステップＳ１０１からステップＳ１０７と同様であるため、説明を省略する。

ステップＳ１０７の後、最適化演算部２１３は、タービンごとの発電量の計画のデータと、タービンごとの低圧蒸気発生量の計画のデータと、タービンごとの高圧蒸気消費量の計画のデータと、ボイラごとの高圧蒸気発生量の計画のデータと、ボイラごとの燃料消費量の計画のデータについて、至近の将来の計画結果（制御目標値）をプラント制御装置１０３へ送信する（ステップＳ１０８）。

＜Ｂ－３．効果＞
実施の形態２のプラント最適運用計画装置１０１Ｂは、最適化演算部２１３が立案した対象プラント１０２の最適運用計画を、対象プラント１０２を制御するプラント制御装置１０３へ送信する。従って、プラント最適運用計画装置１０１Ｂによれば、実施の形態１の効果に加えて、対象プラント１０２の最適運用計画結果に基づいて対象プラント１０２を制御することができる。

なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１１，１２ボイラ、２１，２２タービン発電機、１０１Ａ，１０１Ｂプラント最適運用計画装置、１０２対象プラント、１０３プラント制御装置、２０８基本制約条件設定部、２０９運転モード判別制約条件設定部、２１０出力側運転パターン制約条件設定部、２１１入力側運転パターン制約条件設定部、２１２評価関数設定部、２１３最適化演算部、２１４データ入出力部、３０１入力装置、３０２出力装置、３０３ＣＰＵ、３０４主記憶装置、３０５二次記憶装置、３０６通信機器、３０７通信ネットワーク、２０１出力側運転パターンＤＢ、２０２入力側運転パターンＤＢ、２０３設備特性ＤＢ、２０４需要予測ＤＢ、２０５契約情報ＤＢ、２０６計画結果ＤＢ、２０７実績値ＤＢ。

Claims

階層構成のプラント構成設備を有するプラントを対象プラントとするプラント最適運用計画装置であって、
前記対象プラントの時系列の運転モードを判別する制約条件である運転モード判別制約条件を設定する運転モード判別制約条件設定部と、
前記対象プラントの起動移行中および停止移行中の出力側運転パターンを表現する制約条件である出力側運転パターン制約条件を設定する出力側運転パターン制約条件設定部と、
前記対象プラントの起動移行中および停止移行中の入力側運転パターンを表現する制約条件である入力側運転パターン制約条件を設定する入力側運転パターン制約条件設定部と、
前記運転モード判別制約条件、前記出力側運転パターン制約条件、および前記入力側運転パターン制約条件に基づき、前記対象プラントの前記プラント構成設備ごとの起動停止状態と入出力の計画を含む最適運用計画を立案する最適化演算部とを備える、
プラント最適運用計画装置。
前記運転モード判別制約条件は、
前記対象プラントの起動開始フラグと停止直後フラグとの関係を表現する制約と、
前記対象プラントの起動開始フラグと停止直後フラグと運転中フラグとの関係を表現する制約と、
前記対象プラントの起動パターンの選択を表現する制約とを、
前記対象プラントの運転モード別の時系列のバイナリ変数を含む不等式制約または等式制約で表現したものである、
請求項１に記載のプラント最適運用計画装置。
前記出力側運転パターン制約条件は、前記対象プラントの運転モード別の時系列のバイナリ変数と前記対象プラントの運転モード別の出力側の運転パターンのデータとを含む等式制約で表現される、
請求項１または請求項２に記載のプラント最適運用計画装置。
前記入力側運転パターン制約条件は、前記対象プラントの運転モード別の時系列のバイナリ変数と前記対象プラントの運転モード別の入力側の運転パターンのデータとを含む等式制約で表現される、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラント最適運用計画装置。
前記最適化演算部が立案した前記対象プラントの最適運用計画を、前記対象プラントを制御するプラント制御装置へ送信する、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプラント最適運用計画装置。