特許 7426240 ボイラの運転シミュレータ、ボイラの運転支援装置、ボイラの運転制御装置、ボイラの運転シミュレーション方法、ボイラの運転シミュレーションプログラム、及びボイラの運転シミュレーションプログラムを記録した記録媒体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-24

(45)【発行日】2024-02-01

(54)【発明の名称】ボイラの運転シミュレータ、ボイラの運転支援装置、ボイラの運転制御装置、ボイラの運転シミュレーション方法、ボイラの運転シミュレーションプログラム、及びボイラの運転シミュレーションプログラムを記録した記録媒体

(51)【国際特許分類】

   F22B 35/18 20060101AFI20240125BHJP

   G05B 13/04 20060101ALI20240125BHJP

   G05B 17/00 20060101ALI20240125BHJP

   G09B 9/00 20060101ALN20240125BHJP

【ＦＩ】

F22B35/18

G05B13/04

G05B17/00

G09B9/00 Z

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020003146

(22)【出願日】2020-01-10

(65)【公開番号】P2021110507

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-12-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】110000442

【氏名又は名称】弁理士法人武和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堂本 和宏

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 一彦

(72)【発明者】

【氏名】尾崎 隆

(72)【発明者】

【氏名】三田 尚

【審査官】小川 悟史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０４１４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２０８７７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１５９８８３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－１９４５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４６３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２６６４０８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２２Ｂ ３５／１８

Ｇ０５Ｂ １３／０４

Ｇ０５Ｂ １７／００

Ｇ０９Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボイラの運転シミュレータであって、
前記ボイラは当該ボイラの伝熱部内を流れる流体の経路となる第１分岐系統と、前記伝熱部内において前記第１分岐系統に対して空間的に間隔を空けて配置された第２分岐系統と、を備え、
前記運転シミュレータは、
前記ボイラを仮想運転した際に前記伝熱部に生じる仮プロセス値を演算するためのボイラ伝熱モデルに、前記仮想運転において前記ボイラに設定されると仮定される仮入力パラメータを含む計算条件を適用し、前記第１分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第１仮プロセス値と、前記第２分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第２仮プロセス値と、を其々演算し、前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値を其々出力するボイラ伝熱計算部を備え、
前記計算条件は、前記仮入力パラメータと、当該仮入力パラメータを用いた数値流体力学計算を行って得られるアウトプットとが紐づけられた条件であることを特徴とするボイラの運転シミュレータ。

【請求項2】

請求項１に記載のボイラの運転シミュレータであって、
前記ボイラ伝熱計算部は、前記伝熱部を前記流体の流路方向下流から上流に向かって複数のブロックに分割し、前記第１分岐系統上にある各ブロックに生じる前記第１仮プロセス値と、前記第２分岐系統上にある各ブロックに生じる前記第２仮プロセス値と、を其々演算する、
ことを特徴とするボイラの運転シミュレータ。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のボイラの運転シミュレータであって、
前記計算条件は、前記仮入力パラメータと、前記ボイラの熱量変動又はエンタルピー変動の周期変化又は熱量変動量の少なくとも一つを含むアウトプットとが紐づけられた条件であり、
前記ボイラの運転シミュレータは、前記仮入力パラメータと、前記周期変化又は前記熱量変動量の少なくとも一つを含むアウトプットとを前記ボイラ伝熱モデルに適用し、前記周期変化又は前記熱量変動量の少なくとも一つを含む前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値を其々演算し、其々出力する、
ことを特徴とするボイラの運転シミュレータ。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一つに記載のボイラの運転シミュレータにおいて、
前記仮入力パラメータを用いた数値流体力学計算を行ってアウトプットを演算し、前記仮入力パラメータと前記アウトプットとが紐づけられた少なくとも一つ以上の初期計算条件に基づいて、前記仮入力パラメータと前記アウトプットとの関係を機械学習して前記初期計算条件よりも多い追加計算条件を演算し、前記初期計算条件及び前記追加計算条件を指標データベースに記録する指標作成部を更に備え、
前記ボイラ伝熱計算部は、前記指標データベースからボイラ伝熱計算に用いる計算条件を読み出し、前記ボイラ伝熱モデルに読み出した計算条件を適用して前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値を演算する、
ことを特徴とするボイラの運転シミュレータ。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一つに記載のボイラの運転シミュレータと、
当該運転シミュレータが演算した前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値の良否を評価し、当該評価結果に基づいて当該運転シミュレータがシミュレートした計算条件を選択し、選択した計算条件に含まれる仮入力パラメータを実入力パラメータとして前記ボイラの運転制御装置に出力する、
ことを特徴とするボイラの運転支援装置。

【請求項6】

請求項５に記載のボイラの運転支援装置、及び前記ボイラに備えられた操作端の其々に通信接続された前記ボイラの運転制御装置であって、
前記運転制御装置は、前記ボイラの運転支援装置から取得した前記実入力パラメータを前記操作端に設定する制御信号を、前記操作端に対して出力する、
ことを特徴とするボイラの運転制御装置。

【請求項7】

ボイラの伝熱部内を流れる流体の経路となる第１分岐系統と、前記伝熱部内において前記第１分岐系統に対して空間的に間隔を空けて配置された第２分岐系統と、を備えたボイラの運転シミュレーション方法であって、
前記ボイラを仮想運転した際に前記伝熱部に生じる仮プロセス値を演算するためのボイラ伝熱モデルに、前記仮想運転において前記ボイラに設定されると仮定される仮入力パラメータを含む計算条件を適用し、前記第１分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第１仮プロセス値と、前記第２分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第２仮プロセス値と、を其々演算するステップと、
前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値を其々出力するステップと、
を含み、
前記計算条件は、前記仮入力パラメータと、当該仮入力パラメータを用いた数値流体力学計算を行って得られるアウトプットとが紐づけられた条件であることを特徴とするボイラの運転シミュレーション方法。

【請求項8】

請求項７に記載のボイラの運転シミュレーション方法を、コンピュータに実行させるためのボイラの運転シミュレーションプログラム。

【請求項9】

請求項８に記載のボイラの運転シミュレーションプログラムを記録した記録媒体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボイラの運転シミュレータに関する。

【背景技術】

【0002】

火力発電所に設置されたボイラの運転シミュレータとして、特許文献１には、「内側のループは、まず仮定した計画で運転したときのプラントの特性を短時間で予測可能な高速版動特性シミュレータと、この予測値を運転制限条件の制限値と比較評価し、より良好な運転特性を得る方向に上記計画をファジィ推論等により修正する手段から成る。外側のループは、内側のループで得られた最適計画を入力する高精度の動特性シミュレータと、内側と外側ループにより得られた特性の差異が減少する方向に内側ループの運転制限条件と動特性モデルの修正を指示する手段等から成る。繰返しを伴う起動試験時には、外側の動特性シミュレータの代りに、実プラントを用いてもよい（要約抜粋）」という記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第３３３３６７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ボイラの炉内に空間的な広がりがあることから、ボイラを実際に燃焼させると、伝熱面の左右方向の位置によって伝熱面温度が異なることがある。ボイラの運転についての経済性・安定性をより追求するためには、運転シミュレータの高精度化が求められるが、そのためには、ボイラの伝熱部の空間偏差を考慮することが望ましい。しかし、特許文献１では空間偏差については考慮されておらず、シミュレータの結果として運転状況の平均値のみを求めており、更なる工夫の余地がある。

【0005】

本発明は上記した課題を解決するものであり、ボイラの運転シミュレーションの高精度化を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために、特許請求の範囲に記載の構成を備える。その一例をあげるならば、ボイラの運転シミュレータであって、前記ボイラは当該ボイラの伝熱部内を流れる流体の経路となる第１分岐系統と、前記伝熱部内において前記第１分岐系統に対して空間的に間隔を空けて配置された第２分岐系統と、を備え、前記運転シミュレータは、前記ボイラを仮想運転した際に前記伝熱部に生じる仮プロセス値を演算するためのボイラ伝熱モデルに、前記仮想運転において前記ボイラに設定されると仮定される仮入力パラメータを含む計算条件を適用し、前記第１分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第１仮プロセス値と、前記第２分岐系統上にある前記伝熱部に生じる第２仮プロセス値と、を其々演算し、前記第１仮プロセス値及び前記第２仮プロセス値を其々出力するボイラ伝熱計算部を備え、前記計算条件は、前記仮入力パラメータと、当該仮入力パラメータを用いた数値流体力学計算を行って得られるアウトプットとが紐づけられた条件であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ボイラの運転シミュレーションの高精度化を行えるボイラの運転シミュレータを提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の発電プラントの流体系統図

【図2】ボイラの運転シミュレータを搭載した運転支援装置のハードウェア構成図

【図3】運転支援装置の機能ブロック図

【図4】プロセスシミュレータの処理の流れを示すフローチャート

【図5】ボイラ運転支援装置の全体の処理の流れを示すフローチャート

【図6A】機械学習用の入出力関係を定義したデータ例を示す図

【図6B】指標ＤＢ例を示す図

【図7】従来の熱計算処理例（節炭器から過熱器）を示す図

【図8】ボイラの系統を考慮したボイラ伝熱計算例を示す図

【図9】ボイラの系統に加え、経時変化に伴う周期及び熱量変動を考慮したボイラ伝熱計算例を示す図

【図10】運転シミュレータ出力を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に添付図面を参照して、本発明に係る好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、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て構成するものも含むものである。

【0010】

発電プラント１００は、燃料を燃焼させ、該燃焼の熱によって蒸気を発生させるボイラ１１０と、ボイラ１１０が発生した蒸気を用いてタービンを回転させることにより発電機１０１を駆動させて発電する蒸気タービン、具体的には高圧蒸気タービン（ＨＰＴ）１２１と、中圧蒸気タービン（ＩＰＴ）１２２と、低圧蒸気タービン（ＬＰＴ）１２３と、ボイラ１１０に水を供給する給水ライン１３０と、運転制御装置１５０（図２）と、を備える。

【0011】

ボイラ１１０は、節炭器（ＥＣＯ）１１１と、火炉水冷壁（ＷＷ）１１２と、汽水分離器（ＷＳ）１１３と、過熱器（ＳＨ）１１４と、再熱器（ＲＨ）１１５と、を備える。

【0012】

本実施形態では、過熱器１１４は、流路方向下流から上流に向かって複数段、具体的には１ＳＨ、２ＳＨ、３ＳＨの３段の過熱器１１４を備える（図７，８，９参照）。再熱器１１５は、下流から上流に向かって２段備える。

【0013】

給水ライン１３０上には、復水器１３１と、復水ポンプ１３２と、低圧給水過熱器（低圧ヒーター）１３３と、脱気器１３４と、給水ポンプ１３５と、高圧給水過熱器（高圧ヒーター）１３６とが設けられる。

【0014】

上記構成を有する発電プラント１００では、節炭器１１１で、供給された水を燃焼ガスとの熱交換により予熱する。節炭器１１１で予熱された水は、火炉水冷壁１１２において、壁に形成された不図示の炉壁管を通すことにより水－蒸気２相流体を生成する。火炉水冷壁１１２において生成された水－蒸気２相流体は、汽水分離器１１３に送られて、飽和蒸気と飽和水とに分離される。ここで、飽和蒸気は過熱器１１４へ、飽和水は第１配管１６１を通り復水器１３１へ、それぞれ、導かれる。

【0015】

汽水分離器１１３で分離された飽和蒸気は、燃焼ガスとの熱交換により過熱器１１４で過熱され、主蒸気管１６２を経由して高圧蒸気タービン１２１に供給される。主蒸気管１６２には、常時開の第１塞止弁１７６が設けられる。高圧蒸気タービン１２１の出口は、低温再熱蒸気管１６３に連結される。

【0016】

低温再熱蒸気管１６３は、再熱器１１５の手前の第１連結点１９１において、ベンチレータライン１９９に分岐接続する。ベンチレータライン１９９は復水器１３１に連結する。低温再熱蒸気管１６３において、第１連結点１９１と再熱器１１５との間には高圧蒸気タービン１２１への蒸気の逆流を抑止するための排気強制逆止弁１９２が備えられる。

【0017】

ベンチレータライン１９９において、第１連結点１９１と復水器１３１との間には、ベンチレータ弁１９３が備えられる。ベンチレータ弁１９３は常時閉状態であり、ＦＣＢ（ファストカットバック）運転時に全開、通常運転時及び所内単独負荷運転時に全閉する。

【0018】

高圧蒸気タービン１２１で所定の仕事を行った蒸気は、通常運転時は、低温再熱蒸気管１６３を経由して再熱器１１５に導かれる。ここでいう通常運転とは、送電系統に接続した状態での運転をいう。

【0019】

再熱器１１５では、高圧蒸気タービン１２１で所定の仕事を行った蒸気を再度過熱する。再熱器１１５で過熱された蒸気は、高温再熱蒸気管１６４を経由して中圧蒸気タービン１２２及び低圧蒸気タービン１２３に供給され、そこで、それぞれ仕事を行い、発電機１０１を駆動する。高温再熱蒸気管１６４には、常時開の第２塞止弁１７７が設けられる。

【0020】

主蒸気管１６２における過熱器１１４と第１塞止弁１７６との間にある第２連結点１９４と、低温再熱蒸気管１６３における排気強制逆止弁１９２の下流側にある第３連結点１９５とは、高圧バイパス蒸気管１６５により連結される。高圧バイパス蒸気管１６５には、常時閉の高圧バイパス開閉弁１７１が設けられる。

【0021】

また、高温再熱蒸気管１６４において、再熱器１１５と第２塞止弁１７７との間にある第４連結点１９６と、復水器１３１とは、低圧バイパス蒸気管１６７により連結される。低圧バイパス蒸気管１６７には、常時閉の低圧バイパス開閉弁１７２が設けられる。

【0022】

低圧蒸気タービン１２３で仕事を終えた蒸気は、第１排気蒸気管１６６によって復水器１３１に供給される。復水器１３１で凝縮した復水は、汽水分離器１１３から送られた飽和水と共に復水ポンプ１３２によって低圧ヒーター１３３を通過した後、脱気器１３４に送られ、復水中のガス成分が除去される。脱気器１３４を経た復水は、更に給水ポンプ１３５によって昇圧された後、高圧給水過熱器１３６に送給されて加熱され、最終的には、ボイラ１１０へ還流される。

【0023】

また、発電プラント１００には、過熱蒸気の温度を制御するための３つのスプレイが備えらえる。具体的には、１段目の過熱器１１４である１ＳＨの出口と、２段目の過熱器１１４である２ＳＨの入口との間の流路には、前段過熱器スプレイ２１１からの給水が流入する第１給水口２０１が備えられる。前段過熱器スプレイ２１１から第１給水口２０１への給水の流路となる前段過熱器給水ライン２１５には、前段過熱器スプレイ弁２０２が備えられる。

【0024】

２ＳＨの出口と３段目の過熱器１１４である３ＳＨの入口との間には、後段過熱器スプレイ２１２からのスプレイが流入する第２給水口２０３が備えられる。後段過熱器スプレイ２１２から第２給水口２０３への給水の流路となる後段過熱器給水ライン２１６には、後段過熱器スプレイ弁２０４が備えられる。

【0025】

同様に、１段目の再熱器１１５の出口と、２段目の再熱器１１５の入口との間の流路には、再熱器スプレイ２１３からのスプレイが流入する第３給水口２０５が備えられる。再熱器スプレイ２１３から第３給水口２０５への給水の流路となる再熱器給水ライン２１７には、再熱器スプレイ弁２０６が備えられる。

【0026】

図１では説明の便宜のため、運転制御装置１５０（図２参照）と各制御弁とを接続する信号線は簡略化して図示するが、各制御弁と運転制御装置１５０とは、信号線を介して電気的に、又は通信接続される。そして運転制御装置１５０の開度制御信号が各制御弁に伝達され、各制御弁の開閉制御が実行される。

【0027】

図２は、ボイラ１１０の運転シミュレータを搭載した運転支援装置３００のハードウェア構成図である。運転支援装置３００は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３０２、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３０３、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）３０４、入力Ｉ／Ｆ３０５、及び出力Ｉ／Ｆ３０６を含み、これらがバス３０７を介して互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。出力Ｉ／Ｆ３０６には、モニタ３０８を接続し、運転シミュレータのシミュレート結果を表示できるように構成されてもよい。

【0028】

一方、ボイラ１１０の運転制御装置１５０は、ＣＰＵ１５１、ＲＡＭ１５２、ＲＯＭ１５３、ＨＤＤ１５４、入力Ｉ／Ｆ１５５、及び出力Ｉ／Ｆ１５６を含み、これらがバス１５７を介して互いに接続されたコンピュータを用いて構成される。

【0029】

運転制御装置１５０の出力Ｉ／Ｆ１５６は運転支援装置３００の入力Ｉ／Ｆ３０５に接続される。そして、ボイラ１１０の実運転に用いられた実入力パラメータと、当該実入力パラメータをボイラ１１０に設定して実運転した結果得られた実プロセス値とが、運転制御装置１５０から運転支援装置３００へ送信される。送信された実入力パラメータと実プロセス値とは紐づけられた一つの計算条件を形成する。なお、図２では、運転支援装置３００と運転制御装置１５０とは別体のハードウェアにより構成する例を示したが、運転支援装置３００と運転制御装置１５０とを同一のハードウェアにより構成し、各装置の機能を実現するプログラムを一つのハードウェアで実行させてもよい。また運転制御装置１５０は、ボイラ１１０の運転支援装置３００から取得した実入力パラメータをボイラ１１０の操作端に設定する制御信号を、操作端に対して出力する。これにより、運転支援装置３００により評価された運転条件（下記「計算条件」に相当する）で実運転をすることができる。

【0030】

図３は、運転支援装置３００の機能ブロック図である。運転支援装置３００は、ボイラ１１０の運転シミュレータ３５０と、指標作成部３３０と、運転シミュレータ３５０でシミュレーションした計算条件の中から好適な計算条件を選択し、運転制御装置１５０に出力する運転支援部３６０と、を含む。運転シミュレータ３５０は、運転支援装置３００の一機能ではなく、運転シミュレータ３５０単体でもシミュレーション機能を実現する装置として構成できる。

【0031】

運転シミュレータ３５０は、制御シミュレータ３１０及びプロセスシミュレータ３２０を含む。

【0032】

制御シミュレータ３１０は、操作端モデル３１１、制御装置モデル３１２、及び検出端モデル３１３を含む。

【0033】

プロセスシミュレータ３２０は、ボイラ１１０の蒸気に関するプロセス値（例えば蒸気の流量、蒸気温度、蒸気圧力）についてのシミュレーションを、設計データ及び物理式と工学式に基づき行う。

【0034】

プロセスシミュレータ３２０は、ボイラ伝熱モデル作成部３２１と、ボイラ伝熱モデル作成部３２１が作成したボイラ伝熱モデルを記憶するボイラ伝熱モデル記憶部３２２と、ボイラ伝熱モデルを用いて伝熱計算を行うボイラ伝熱計算部３２３と、後述する指標（空間偏差、経時的なゆらぎに関わる指標を含んでもよい）を記憶する指標データベース（ＤＢ）記憶部３２４とを含む。ここでいう「ボイラ伝熱モデル」とは、ボイラ１１０を仮想運転した際にボイラ１１０の伝熱部に生じる仮プロセス値を再現したモデルである。

【0035】

ボイラ伝熱計算部３２３は、操作端モデル３１１から仮入力パラメータを取得する（操作量入力処理）と、これを用いて流量・圧力分布計算処理、マスバランス計算処理、ヒートバランス計算処理の順に実行し、各計算処理の結果得られる仮プロセス値を検出端モデル３１３及び指標ＤＢ記憶部３２４に出力する（プロセス値出力処理）。

【0036】

指標ＤＢ記憶部３２４に記憶される経時的なゆらぎに関わる指標は、指標作成部３３０で作成される。指標作成部３３０は、ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ：数値流体力学）シミュレータによる処理、その結果得られたＣＦＤ計算結果を用いて機械学習を行う処理、機械学習の結果から指標を抽出する指標抽出処理を実行する。

【0037】

制御装置モデル３１２は、ボイラ１１０の運転制御装置１５０のモデルである。制御装置モデル３１２は、検出端モデル３１３から仮プロセス値の入力を受け付けると、その仮プロセス値に基づいて、ボイラ１１０を最適運転するための仮入力パラメータを演算し、操作端モデル３１１に仮入力パラメータを設定する。

【0038】

運転支援部３６０は、運転シミュレータ３５０がシミュレーションした計算条件を取得し、各計算条件の良否を評価する計算条件評価部３６１と、計算条件評価部３６１の評価結果を基に好適な計算条件を選択して運転制御装置１５０へ当該計算条件に含まれる入力パラメータを実入力パラメータとして運転制御装置１５０に出力する実入力パラメータ出力部３６２とを含む。運転制御装置１５０は、この実入力パラメータをボイラ１１０の各操作端に設定する。これにより、運転シミュレータ３５０によりシミュレートされた計算条件を用いてボイラ１１０を実運転させることができる。

【0039】

計算条件評価部３６１の処理例として、例えば、予め各プロセス値に対して、プロセス値に応じた個別スコアを割当てて、一つの計算条件で得られたプロセス値の個別スコアを合計して合計スコアを算出する。そして実入力パラメータ出力部３６２が、合計スコアの大小を基に運転制御装置１５０へ出力すべき計算条件を選択し、出力してもよい。

【0040】

図４及び図５は、ボイラの運転支援装置の処理手順を示すフローチャートである。図４は，事前準備として行う指標作成部３３０の処理の流れを示すフローチャートである。図５は、主に運転シミュレータ３５０の処理の流れを示すフローチャートである。

【0041】

図４のフローチャートの説明を行う。指標作成部３３０（ＣＦＤシミュレータ）にて、ボイラの燃焼特性を再現したＣＦＤシミュレーションの計算条件を設定し（Ｓ１０１）、ＣＦＤ計算を実施する（Ｓ１０２）。ここで用いられるＣＦＤには、燃焼の空間偏差や経時的なゆらぎが再現できる方法が好ましく、例えば、ＬＥＳ（Ｌａｒｇｅ Ｅｄｄｙ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、非定常シミュレーション）がその候補になる。また、ここでいう「計算条件」とは、ＣＦＤシミュレーション計算を行う際の運転条件であって、具体的には操作端に設定される入力パラメータのセットを含んで定義される。入力パラメータ例として、例えばダンパの開度、各種スプレイ弁の開度制御信号が含まれる。また１つの計算条件に含まれる個々の入力パラメータやＣＦＤ計算に用いられる数式も計算条件に含まれてもよい。

【0042】

図４の全体の流れについて、図６Ａ、図６Ｂを例にとり説明する。図６Ａは、機械学習用の入出力関係を定義したデータ例である。図６Ｂは、指標ＤＢ例を示す図である。直交表の横軸Ｔ１、Ｔ２、・・・、Ｔ１８（「初期計算条件」に相当する）は、計算条件Ｔが１８あることを示す。この計算条件は、８個の仮入力パラメータ、ｘ１、ｘ２、・・・、ｘ８を含む。Ｓ１０２では、直交表から一つの計算条件、例えばＴ１の仮入力パラメータｘ１、ｘ２、・・・、ｘ８を読み出す。そして、指標作成部３３０（ＣＦＤシミュレータ）は、仮入力パラメータｘ１、ｘ２、・・・、ｘ８をＣＦＤ再現モデルに当てはめてボイラ伝熱計算部３２３がボイラの伝熱計算に用いる値としてのアウトプットを演算する。アウトプットには、空間偏差に関するものと経時偏差に関するものを含んでもよい。空間偏差に関するアウトプットとして第１分岐系統の入熱ＱＡ、第２分岐系統の入熱ＱＢ、空間的な補正係数α、従来例のボイラ伝熱計算結果に対する補正量Ｑ’また、経時変化に関するアウトプットとして熱量変動の振幅λ、周期Ｔを含んでもよい。上記各種類のアウトプットは一例であり、これら全てのアウトプットは必要ではなく、適宜少なくとも一つ以上のアウトプットが演算される。

【0043】

指標作成部３３０（ＣＦＤシミュレータ）は、仮入力パラメータと、Ｓ１０３で求めたアウトプットとを紐づけて、機械学習用の入出力関係を設定する（Ｓ１０３）。

【0044】

指標作成部３３０（ＣＦＤシミュレータ）は、計算条件Ｔ１からＴ１８の全てについてＣＦＤシミュレーションを行う。

【0045】

指標作成部３３０（機械学習）は、計算条件Ｔ１からＴ１８の全てについてＣＦＤシミュレーションを行った演算結果を用いた入出力関係（主要プロセスリスト）を機械学習して、入出力関係を再現できる機械学習モデルを作成する。ここでの機械学習には、公知のアルゴリズム、例えば、ランダムフォレスト、勾配ブースティング木、ニューラルネットワーク、Ｒｉｄｇｅ回帰、Ｌａｓｓｏ回帰、最近傍法等を適宜用いてもよい。

【0046】

指標作成部３３０（指標抽出）は、計算条件Ｔ１からＴ１８とは異なる入力パラメータを有する計算条件を設定する。この計算条件が追加計算条件である（Ｓ１０５）。一般に、ＣＦＤ計算よりも機械学習モデルを用いた計算の方が短時間かつ低コストで行うことができる。図６Ｂの指標ＤＢでは、ＣＦＤの計算条件（１８通り）より多い、６５６１通りの追加計算条件が設定されている（１８の計算条件の仮入力パラメータとアウトプットとを基に、３の８乗、すなわち６５６１の計算条件の仮入力パラメータを設定されている）。なお、図６Ｂの指標ＤＢには、空間偏差や経時変化に伴う周期、熱量変動量の少なくとも一つを考慮した計算条件が含まれてもよい。

【0047】

指標作成部３３０（指標抽出）は、計算条件のパラメータを機械学習モデルに入力して、追加計算を実施しアウトプットを得る（Ｓ１０６）。この結果を全６５６１通り行い、結果を整理して、燃焼の空間偏差、経時的なゆらぎに関わる指標を抽出して指標ＤＢ（図６Ｂ参照）を作成する（Ｓ１０７）。

【0048】

次に、図５のフローチャートの説明を行う。まず、ボイラ伝熱モデル作成部３２１がボイラ伝熱の計算条件を設定し、さらに制御シミュレータ３１０がボイラ１１０の運転支援等のために必要となる計算条件の設定を行う（Ｓ２０１）。ここでいう計算条件とは、具体的には、運転シミュレーションを行う際の計算条件を規定した仮入力パラメータのセットを意味する。操作端モデル３１１は、ボイラ伝熱計算部３２３にボイラ１１０の各操作端に仮想的に設定される仮入力パラメータを出力する。

【0049】

ボイラ伝熱計算部３２３は、指標ＤＢ記憶部３２４から空間偏差、ゆらぎ指標を読み込む（Ｓ２０２）。ボイラ伝熱計算部３２３は、空間偏差、経時変化に伴う周期、ゆらぎ指標をボイラ伝熱モデルに当てはめて、改良計算を実施する（Ｓ２０３）。「改良計算」とは、後述する図７に示した一系統しかないことを前提とする基本計算と区別するための言葉である。

【0050】

ボイラ伝熱計算部３２３は、検出端モデル３１３に改良計算の結果を出力する（Ｓ２０４）。

【0051】

続いて、ボイラ伝熱モデル計算の流れを説明する。

【0052】

ボイラ伝熱モデル作成部３２１は、主機設計データ、補機設計データ、及び系統接続データの入力を受け付け、それら入力データを物理式、工学式に適用してボイラ伝熱モデルを作成する。

【0053】

主機設計データとして例えば発電機１０１、タービン（ＨＰＴ１２１、ＩＰＴ１２２、ＬＰＴ１２３）、ボイラ１１０の設計データがある。補機設計データとして、復水器１３１、脱気器１３４、復水ポンプ１３２、給水ポンプ１３５、ファン、各種制御弁がある。更に系統接続データとして、例えばタービン蒸気、風煙道、ボイラ過熱蒸気の流路系統がある。

【0054】

ボイラ伝熱モデル作成部３２１がモデル作成に用いる物理式や工学式の例として、物理学に基づく式（１）、流体力学に基づく式（２）、熱力学に基づく式（３）、及び伝熱学に基づく式（４）を用いてもよい。

【数1】

【0055】

ボイラ伝熱モデル作成部３２１は、作成したボイラ伝熱モデルをボイラ伝熱モデル記憶部３２２に記憶する。

【0056】

図７は、従来のボイラ伝熱計算処理例であり、節炭器１１１から３ＳＨまでの間に一系統の蒸気ラインがあると捉え、一系統の蒸気ライン上にある伝熱部を下流から上流に向かってブロック化して熱計算を行った例を示す。具体的には、節炭器（ＥＣＯ）１１１、火炉水冷壁（ＷＷ）１１２、汽水分離器（ＷＳ）１１３、過熱器（ＳＨ）１１４は各段、１ＳＨ、２ＳＨ、３ＳＨに分ける。そして、ボイラ伝熱計算部３２３は、各ブロックの入口エンタルピー（Ｈｉｎ：これは直前のブロックの出口エンタルピーと同値）、出口エンタルピー（Ｈｏｕｔ）の差分に、各ブロックのスプレイ流量Ｇを乗算して、各ブロックの入熱Ｑ＊＊を下式（５）により演算する。
Ｑ＊＊＝（Ｈ＊＊ｏｕｔ－Ｈ＊＊ｉｎ）ｘＧ＊＊ｆｌｏｗ・・・（５）

【0057】

例えば火炉水冷壁１１２の入熱Ｑｗｗは、下式（６）により得られる。
Ｑｗｗ＝（Ｈｗｗ－Ｈｅｃｏ）ｘＧｗｗ・・・（６）

【0058】

図８は、ボイラ１１０の系統を考慮したボイラ伝熱計算処理例を示す。

【0059】

ボイラ１１０の蒸気ラインは一系統ではなく、実際には複数の系統に分岐している。そして、複数の分岐系統が水平面内において左右方向に間隔を空けて配置されている。その結果、左右端において、伝熱部への入熱、及び伝熱部出口における流体温度、流体圧力といった出口エンタルピーが異なる。

【0060】

具体的には、図８に示すように、実際のボイラ１１０では、蒸気ラインは、節炭器１１１、火炉水冷壁１１２、汽水分離器１１３までは１系統であるが、汽水分離器１１３の出口から１ＳＨの入口までの間で第１分岐系統（左分岐系統）と第２分岐系統（右分岐系統）とに分離する。そして、１ＳＨから３ＳＨの出口までは第１分岐系統（左分岐系統）と第２分岐系統（右分岐系統）とが設けられる。

【0061】

次にボイラ伝熱計算部３２３は第１分岐系統、第２分岐系統について、１ＳＨ、２ＳＨ、３ＳＨのブロック毎の入熱Ｑ１ｓＡ、Ｑ２ｓＡ、Ｑ３ｓＡ（Ｑ＊ｓＡは第１仮プロセス値に相当する）、Ｑ１ｓＢ、Ｑ２ｓＢ、Ｑ３ｓＢ（Ｑ＊ｓＢは第２仮プロセス値に相当する）を求める。具体的には、第１系統の各ブロックの出口エンタルピーＨ１ｓｏＡ、Ｈ２ｓｏＡ、Ｈ３ｓｏＡ、第２分岐系統の各ブロックの出口エンタルピーＨ１ｓｏＢ、Ｈ２ｓｏＢ、Ｈ３ｓｏＢを式（５）に当てはめて、第１分岐系統、第２分岐系統上のブロック毎の入熱Ｑ１ｓＡ、Ｑ２ｓＡ、Ｑ３ｓＡ、Ｑ１ｓＢ、Ｑ２ｓＢ、Ｑ３ｓＢを演算する。

【0062】

ここで、入熱Ｑの空間偏差を考慮する方法として、以下を代表的にあげることができる。ただし、これに限られず、他の方法を用いてもよい。
１）指標ＤＢに各分岐系統の入熱の値が直接記載されている場合
指標ＤＢからＱＡ，ＱＢを直接読み取って、空間偏差を表現する。
ここで、ＱＡ：第１分岐系統の入熱、ＱＢ：第２分岐系統の入熱
２）指標ＤＢに空間的な補正係数が記載されている場合
下式（７）に従い、従来例のボイラ伝熱計算（図７参照）を行い、得られた入熱の半分に対して、指標ＤＢから代表系統の補正係数αを読み取り、乗算して左右偏差を求める。
ＱＡ＝α×Ｑ／２、ＱＢ＝（１－α）×Ｑ／２・・・（７）
３）指標ＤＢに空間的な補正量が記載されている場合
下式（８）に従い、従来例のボイラ伝熱計算（図７参照）を行い、得られた入熱の半分に対して、指標ＤＢから補正量Ｑ’を読み取り、加減して左右偏差を求める。
ＱＡ＝Ｑ／２＋Ｑ’、ＱＢ＝Ｑ／２－Ｑ’ ・・・（８）

【0063】

上記は、ある１時点における空間偏差のみを考慮してボイラ伝熱計算処理を行う例である。しかし、ボイラ１１０の実運転では時間の経過とともに入熱、出口エンタルピーは周期的に変動し、微細時間では入熱、出口エンタルピーにゆらぎが生じる。

【0064】

図９に、ボイラ１１０の系統に加え、経時変化に伴うゆらぎ（周期及び熱量変動）を考慮したボイラ伝熱計算例を示す。

【0065】

ボイラ伝熱計算部３２３は、各ブロックの伝熱計算において、入口エンタルピー及び出口エンタルピーの其々にゆらぎ量Δを加える。即ち出口エンタルピーはＨｏｕｔ＋ΔＨｏｕｔ、入口エンタルピーはＨｉｎ＋ΔＨｉｎと設定する。そしてこれらの値を式（５）に当てはめることにより、式（９）に示すようにゆらぎ量ΔＱが加わった入熱Ｑを演算する。

【数2】

【0066】

ここで、空間偏差に加えて経時変化に伴う周期及び熱量変動を考慮する場合は、入熱Ｑ（現行出力）を指標ＤＢから算出した振幅λ、周期Ｔを加味した熱量変動関数ＱＡ＋Ｑ（λＡ、ＴＡ）、ＱＢ＋Ｑ（λＢ、ＴＢ）とする。

【0067】

周期及びゆらぎは、ボイラ１１０に備えられたダンパの開度が変わると生じやすい。よって、仮入力パラメータとしてダンパの開度を含み、当該ダンパの開度が変化した場合に特に上記周期及びゆらぎを含むボイラ伝熱計算を行えることは有効である。

【0068】

プロセスシミュレータ３２０の作用効果について図１０に基づいて説明する。図１０は運転シミュレータ出力を示すグラフである。

【0069】

実際のボイラ１１０では流体経路が分岐しているにも関わらず、従来は、一系統の流体経路と見做して、平均値を出力していた（図１０において破線で図示）。従って、ボイラ１１０内に備えられた分岐系統の空間偏差は考慮されていなかった。その結果、実際には、例えば第１分岐系統（左）では、火炉水冷壁１１２のエンタルピーが異常値になっていても、シミュレータ出力では右側エンタルピーと平均化されて正常値として検出されることがあり、シミュレーション精度が低かった。

【0070】

これに対して、本実施形態に係る運転シミュレータでは、第１分岐系統及び第２分岐系統の其々についてエンタルピーを計算するため、空間偏差がシミュレーション出力に現れる（図１０において実線で図示）。これにより、シミュレーション精度が向上する。

【0071】

さらに、実際のボイラ１１０を運転させると、時間の経過に伴いエンタルピーの変動周期、及び熱量変動（ゆらぎ）が生じる。

【0072】

しかし、従来は、周期やゆらぎを考慮していないため、図１０に示すように、シミュレータ出力は大きな周期変動はあっても微細なゆらぎはシミュレータ出力には現れず、滑らかな曲線で表せていた。

【0073】

これに対して、本実施形態に係るプロセスシミュレータ３２０では、周期やゆらぎを考慮するため、図１０に示すように運転シミュレータ出力は時間方向に沿って周期を有すると共に、微細時間においてエンタルピーが増減する。これにより、微細時間における異常値の出現もシミュレータで再現でき、シミュレーション精度が向上する。

【0074】

また、本実施形態に係るプロセスシミュレータ３２０では、指標作成部３３０がオールペア法、直交表を用いて８の計算条件から６５６１の追加計算条件を生成し、ＣＦＤ計算や機械学習を行って指標ＤＢを予め作成する。そのため、空間偏差や周期、ゆらぎを含んだＣＦＤ計算に係る演算負荷を、指標ＤＢから指標を読み込んでボイラ伝熱計算を行う。そのため、ボイラ伝熱計算時にＣＦＤ計算を行わなくてよく、プロセスシミュレータ３２０の演算速度を速くすることができる。その結果、ボイラ１１０の実運転時に並行してプロセスシミュレーションを行い、ボイラ１１０を監視する運転支援においても、好適な運転シミュレーションを行える。

【0075】

上記実施形態は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計変更が可能である。

【0076】

例えば図３に示す指標作成部３３０について、機械学習を行わずに、ＣＦＤ計算結果から指標ＤＢを作成してもよい。また、指標作成部３３０をプロセスシミュレータ３２０内に配置してもよい。

【0077】

また、図７では、汽水分離器１１３の下流から第１分岐系統及び第２分岐系統に分岐したが、汽水分離器１１３の上流から第１分岐系統及び第２分岐系統に分岐するボイラにおいても、本発明は適用できる。その場合も、第１分岐系統及び第２分岐系統の其々についてボイラ伝熱計算を行い、空間偏差や経時偏差が反映された仮プロセス値を出力させてもよい。

【0078】

また、上記実施形態では、指標作成部３３０は運転シミュレータ３５０とは別の機能ブロックとして説明したが（図３参照）、指標作成部３３０は、運転シミュレータ３５０の一機能として構成してもよい。

【符号の説明】

【0079】

１００ ：発電プラント
１０１ ：発電機
１１０ ：ボイラ
１１１ ：節炭器
１１２ ：火炉水冷壁
１１３ ：汽水分離器
１１４ ：過熱器
１１５ ：再熱器
１２１ ：高圧蒸気タービン
１２２ ：中圧蒸気タービン
１２３ ：低圧蒸気タービン
１３０ ：給水ライン
１３１ ：復水器
１３２ ：復水ポンプ
１３３ ：低圧ヒーター
１３４ ：脱気器
１３５ ：給水ポンプ
１３６ ：高圧給水過熱器
１５０ ：運転制御装置
１５１ ：ＣＰＵ
１５２ ：ＲＡＭ
１５３ ：ＲＯＭ
１５４ ：ＨＤＤ
１５５ ：入力Ｉ／Ｆ
１５６ ：出力Ｉ／Ｆ
１５７ ：バス
１６１ ：第１配管
１６２ ：主蒸気管
１６３ ：低温再熱蒸気管
１６４ ：高温再熱蒸気管
１６５ ：高圧バイパス蒸気管
１６６ ：第１排気蒸気管
１６７ ：低圧バイパス蒸気管
１７１ ：高圧バイパス開閉弁
１７２ ：低圧バイパス開閉弁
１７６ ：第１塞止弁
１７７ ：第２塞止弁
１９１ ：第１連結点
１９２ ：排気強制逆止弁
１９３ ：ベンチレータ弁
１９４ ：第２連結点
１９５ ：第３連結点
１９６ ：第４連結点
１９９ ：ベンチレータライン
２０１ ：第１給水口
２０２ ：前段過熱器スプレイ弁
２０３ ：第２給水口
２０４ ：後段過熱器スプレイ弁
２０５ ：第３給水口
２０６ ：再熱器スプレイ弁
２１１ ：前段過熱器スプレイ
２１２ ：後段過熱器スプレイ
２１３ ：再熱器スプレイ
２１５ ：前段過熱器給水ライン
２１６ ：後段過熱器給水ライン
２１７ ：再熱器給水ライン
３００ ：運転支援装置
３０５ ：入力Ｉ／Ｆ
３０６ ：出力Ｉ／Ｆ
３０７ ：バス
３０８ ：モニタ
３１０ ：制御シミュレータ
３１１ ：操作端モデル
３１２ ：制御装置モデル
３１３ ：検出端モデル
３２０ ：プロセスシミュレータ
３２１ ：ボイラ伝熱モデル作成部
３２２ ：ボイラ伝熱モデル記憶部
３２３ ：ボイラ伝熱計算部
３２４ ：指標ＤＢ記憶部
３３０ ：指標作成部
３５０ ：運転シミュレータ
３６０ ：運転支援部
３６１ ：計算条件評価部
３６２ ：実入力パラメータ出力部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】