熱効率解析方法及び熱効率解析プログラム
【課題】外部要因を除外し、実測値に基づいて発電プラントの熱効率、発電プラントを構成する機器の性能値、及び当該性能値の変化が発電プラントの熱効率に与える影響を解析することができる熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムを提供する。
【解決手段】発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、プラント解析モデルに計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、計測時ごとに得られた実測値基準の熱効率解析結果に基づいて機器性能関数を機器ごとに作成し、機器性能関数の独立変数である状態量に標準条件を設定し、計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、入出力又は状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する。
【解決手段】発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、プラント解析モデルに計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、計測時ごとに得られた実測値基準の熱効率解析結果に基づいて機器性能関数を機器ごとに作成し、機器性能関数の独立変数である状態量に標準条件を設定し、計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、入出力又は状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントの熱効率や機器の性能値を評価する熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント、地熱発電プラント、原子力発電プラントなどの発電プラントにおいては、燃料節約・発電コスト低減の観点から、熱効率を維持・向上することが重要な課題となっている。このため、発電プラントにおいては、発電プラントを構成する各機器の作動流体の状態量を日々計測したり、定期的な性能試験を実施したり、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の管理が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
火力発電プラントの熱効率管理は、損失法や入出熱法により行われ、火力発電プラントの構成に応じた各種指標で管理されている。例えば、火力発電プラントの一態様としては、汽力発電プラントやコンバインドサイクル発電プラントがあるが、汽力発電プラントでは、プラント熱効率の他、ボイラ効率、タービン効率といった指標で管理され、コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービン効率、蒸気タービン効率、排熱回収ボイラ効率といった指標で管理されている。
【０００４】
しかしながら、プラント熱効率が低下した場合、これらの指標では、その原因が発電プラントを構成する数多くの機器のうちどの機器であるかを特定することが困難となっている。このため、発電プラントのどの機器を補修すれば熱効率を効果的に改善できるかは不明であり、また、補修することで発電プラントの熱効率がどの程度改善するかを見積もることも困難である。
【０００５】
さらに、外気温度や海水温度などの外部要因は、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値に影響を及ぼすが、外部要因は季節により変動するため、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の変化が、機器自体の経年劣化によるものなのか、外部要因の変動によるものであるかが考慮されていなかった。
【０００６】
このような問題に対し、外気温度などの外部要因と、機器の性能値との関係を表した特性関数を利用することで、外部要因の影響を考慮した発電プラントの熱効率及び各機器の性能値の変化を計算することは可能であった。
【０００７】
しかしながら、そのような特性関数は、各機器の製造者が、発電プラントの設計時の熱平衡線図や、各機器の設計値に基づいて作成したものであるため、現実の発電プラントにおける各機器の性能値の変化とは乖離しており、発電プラントの熱効率や各機器の性能値を正確に計算することが出来なかった。
【０００８】
さらに、発電プラントでは、必要に応じて各機器を交換するなど構成変更が行われ、設計時の熱平衡線図とは異なる発電プラントとなる場合がある。このため、設計当初の熱平衡線図に基づいた機器の特性を、変更後の発電プラントにおける熱効率や各機器の性能値を計算することに用いることはできず、発電プラントの解析を行えないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２２９８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、外部要因を除外し、実測値に基づいて発電プラントの熱効率、発電プラントを構成する機器の性能値、及び当該性能値の変化が発電プラントの熱効率に与える影響を解析することができる熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成し、前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成し、機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１２】
かかる第１の態様では、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値が計算され、各機器の性能値の変化を正確に解析することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する熱効率解析方法において、基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求め、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１４】
かかる第２の態様では、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、各機器の性能の変化が発電プラント全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する熱効率解析方法において、複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにすることを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１６】
かかる第３の態様では、基準とする時点から評価対象とする時点までの間において発電プラント全体の熱効率がどの程度変化したかを評価することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する熱効率解析方法において、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１８】
かかる第４の態様では、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する熱効率解析方法において、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００２０】
かかる第５の態様では、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、その差異ごとに機器性能関数を求めるので、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、コンピュータに、発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を入力する機能と、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成する機能と、前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求める機能と、計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成する機能と、機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求める機能と、前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する機能とを実現させることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２２】
かかる第６の態様では、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、コンピュータに、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値を計算させ、各機器の性能値の変化を正確に解析させることができる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求める機能と、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する機能とを備えることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２４】
かかる第７の態様では、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、コンピュータに、各機器の性能の変化が発電プラント全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析させることができる。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする機能を備えることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２６】
かかる第８の態様では、基準とする時点から評価対象とする時点までの間において発電プラント全体の熱効率がどの程度変化したかを評価することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、第６〜第８の何れか一つの態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２８】
かかる第９の態様では、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００２９】
本発明の第１０の態様は、第６〜第８の何れか一つの態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００３０】
かかる第１０の態様では、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、その差異ごとに機器性能関数を求めるので、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、外部要因を除外した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の変化が熱効率に与える影響を解析することができる熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】コンバインドサイクル発電プラントの概略構成図である。
【図２】実施形態に係る熱効率解析プログラムが実行されるコンピュータの概略構成図である。
【図３】実施形態に係る熱効率解析プログラムの各処理ステップを表すフロー図である。
【図４】コンバインドサイクル発電プラントの再熱器と中低圧タービンとに関するプラント解析モデルの一部を示す概念図である。
【図５】機器性能関数の概念を示す図である。
【図６】実測値基準解析の結果の一例として空気圧縮機の断熱効率を示すグラフである。
【図７】図６の断熱効率を標準条件における断熱効率に換算したグラフである。
【図８】機器性能基準解析の結果を示すグラフである。
【図９】本実施形態に係る熱効率解析方法の各ステップを表すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に基づいて、本発明の実施形態に係る熱効率解析プログラムの解析対象となる火力発電設備の構成を説明する。
【００３４】
［解析対象のコンバインドサイクル発電プラントの構成］
図示するように、発電プラントの一例であるコンバインドサイクル発電プラント１（以下、「プラント１」と記載する。）は、燃焼器２を備えている。燃焼器２は、液化天然ガス（ＬＮＧ）及び空気圧縮機３で加圧された空気が供給され、ＬＮＧと空気とが混合燃焼されて燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、ガスタービン４に送られて膨張され、発電動力が得られる。
【００３５】
ガスタービン４で仕事を終えた排気ガスは、排熱回収ボイラ５により熱回収される。排熱回収ボイラ５は、高圧蒸発器６、中圧蒸発器７、低圧蒸発器８を備えており、これらの蒸発器で、排気ガスが熱回収され、水蒸気が発生する。高圧蒸発器６で生じた水蒸気は、高圧過熱器９により排気ガスの熱でさらに加熱され、高圧タービン１２に送られて膨張され、発電動力が得られる。高圧タービン１２で仕事を終えた排気蒸気は、再熱器１４に送られる。さらに再熱器１４には、中圧蒸発器７で生じ、中圧過熱器１０で加熱された水蒸気が送られる。再熱器１４により加熱された水蒸気は中低圧タービン１３に送られて膨張され、発電動力が得られる。また、中低圧タービン１３には、低圧蒸発器８で生じ、低圧過熱器１１で加熱された水蒸気も送られて膨張され、発電動力が得られる。
【００３６】
ガスタービン４、空気圧縮機３、高圧タービン１２、中低圧タービン１３及び発電機１５は、同軸で接続されており、直列に接続されたガスタービン４、中低圧タービン１３及び高圧タービン１２の動力により発電機１５が駆動され、ガスタービン４、中低圧タービン１３及び高圧タービン１２による複合発電が行われる。
【００３７】
中低圧タービン１３で仕事を終えた排気蒸気は、復水器１６により復水となり、復水ポンプ１７で圧送される。この復水は、給水ポンプ１８で高圧節炭器１９及び中圧節炭器２０にそれぞれ圧送され、高圧節炭器１９にて予熱された給水は高圧蒸発器６へ、また、中圧節炭器２０にて予熱された給水は低圧蒸発器８及び中圧蒸発器７へとそれぞれ送られる。
【００３８】
なお、排熱回収ボイラ５で熱回収された排気ガスは、脱硝装置２１により窒素酸化物が除去され、煙突に送られて外部に排出される。
【００３９】
また、特に図示しないが、各機器には、各機器の入出力、例えば発電機の出力や、作動流体の状態量、すなわち温度や圧力や流量を計測する各種センサーが配置されている。各種センサーで計測された作動流体の温度等の計測値は、後述する解析の入力データとして用いられる。
【００４０】
［熱効率解析プログラムの目的］
本実施形態に係る熱効率解析プログラムは、このようなプラント１の構成、これを構成する各機器において実測した入出力に関する情報、及び各機器において実測した作動流体の状態量に基づいて、
（１）各機器の性能値を計算し、経年的な性能値の変化の傾向を解析する実測値基準解析
（２）大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値を計算する標準条件換算
（３）各機器の性能値（（２）で換算したもの）がプラント１全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析する機器性能基準解析
を行う各機能をコンピュータに実現させるものである。以下、本実施形態に係る熱効率解析プログラムについて詳細に説明する。
【００４１】
［ハードウェアの説明］
図２は、本実施形態に係る熱効率解析プログラムが実行されるコンピュータの概略構成図である。図示するように、コンピュータ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、ＲＯＭ３３、記憶装置の一例であるハードディスク３４、マウスやキーボード等の入力装置３５、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置３６、外部の機器との接続インタフェース３７、通信手段３８が設けられている。
【００４２】
熱効率解析プログラムは、コンピュータ３０で実行可能な命令からなり、インストールされてハードディスク３４に記憶されている。実行時には、ハードディスク３４からＲＡＭ３２に読み込まれ、ＣＰＵ３１に命令が実行され、後述する各処理が実現される。
【００４３】
［プラント解析モデル］
図３は、熱効率解析プログラムの各処理ステップを表すフロー図である。まず、熱効率解析プログラムは、コンバインドサイクル発電プラントのプラント解析モデルを作成する（ステップＳ１）。プラント解析モデルとは、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を、各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたものである。
【００４４】
具体的には、各機器について作動流体の組成、圧力、流量、及び熱量についての収支計算式を作成する。図４に、プラント１の再熱器１４及び中低圧タービン１３に関するプラント解析モデルの一部を示す。
【００４５】
図示するように、再熱器１４については、熱回収される排気ガスの出入口の流量（in1、out1）と、加熱される復水の流量（in2、out2）の流量バランスが示されている。
【００４６】
中低圧タービン１３については、再熱器１４で加熱された水蒸気の流量（in3）、低圧過熱器１１で加熱された水蒸気の流量（in4）、中低圧タービン１３で仕事を終えた水蒸気の流量（out3）、シール蒸気の流量（in5）、リーク蒸気の流量（out4）の流量バランスが示されている。
【００４７】
また、実際のプラント１の構成に基づいて、再熱器１４からの水蒸気（out2）が、中低圧タービン１３に供給される（in3）という接続情報を作成する。このようにして、他の全ての機器についても同様に流量バランスを作成し、また、全ての機器間について接続情報を作成し、流量式に接続情報を代入し、各式を連立させてプラント解析モデルを作成する。同様に、作動流体の圧力及び熱量に関してもプラント解析モデルを作成する。
【００４８】
［入力データ］
次に、熱効率解析プログラムは、プラント１の機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値の入力を行う（ステップＳ２）。
【００４９】
各機器の状態量は、所定期間に亘り計測日時と共に熱効率解析プログラムの入力データとされる。例えば計測器が各機器から作動流体の状態を計測し、そのデータをＣＳＶなどの所定フォーマットのファイルとし、そのファイルをリムーバブルメディアに記録して、当該リムーバブルメディアからコンピュータ３０に状態量を入力する。なお、入力手段はファイルを通信手段３８からネットワークを介して計測器から取得してもよいし、計測器から接続インタフェース３７を介して直接的に状態量をコンピュータ３０のハードディスク３４に記憶するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、シール蒸気・リーク蒸気以外の流量は、上述したように各機器に設けられた各種センサーにより得られる計測値が入力される。一方、センサーで直接的に計測できないシール蒸気・リーク蒸気については、中低圧タービン１３の特性として入力される。
【００５１】
特性とは、各機器の作動流体の状態量同士の関係や、状態量と各機器の性能値との関係をいう。例えば、熱平衡線図に基づいて、中低圧タービン１３の入口流量（in3、in4）とリーク蒸気の流量との関係を求めて関数を作成し、この関数と実際の中低圧タービン１３の入口流量から、リーク蒸気の流量を計算し、その値を中低圧タービン１３のリーク蒸気としてプラント解析モデルに入力する。このように、直接的に計測値が得られないものについては、機器の特性に基づいた値を入力する。
【００５２】
中低圧タービン１３の出入口流量の計測値は、排気損失を含んだものであるため、上述したように特性からシール蒸気・リーク蒸気を入力することで、中低圧タービン１３の正味の効率を得ることができる。
【００５３】
作動流体の状態量の具体例としては、高圧タービン１２、中低圧タービン１３の出入口温度・圧力、高圧〜中圧節炭器１９、２０廻りの温度・圧力、復水器１６の真空度、発電機１５の出力などである。
【００５４】
［実測値基準解析］
このように実測して得た各機器の状態量と、プラント解析モデルとに基づいて、熱物質収支解析を行う（図３ステップＳ３）。実測した状態量を用いて熱物質収支解析を行うことを、本発明では実測値基準解析と称する。
【００５５】
具体的には、状態量を計測した時刻ごとに、その状態量を用いてプラント解析モデルを解く。解法は、従来からの逐次計算法や線形計算法を用いることもできるが、本願発明者らが開発した手法（特開２００１−１０１１５９号公報）を用いることが好ましい。
【００５６】
プラント解析モデルは、各機器の作動流体の温度・圧力・流量・組成等が満たすべき関係式を表しており、これを解くことで各機器の作動流体の状態が計算される。ここで、各機器については、作動流体の状態から機器の性能値を求める式が定義されており、熱効率解析プログラムは、当該式に基づいて計算により求めた作動流体から各機器の性能値を計算する。例えば、空気圧縮機の性能値の一例である断熱効率は、次のように定義されている。
【００５７】
【数１】
【００５８】
このような式からプラント１全体の熱効率や各機器の性能値が計算できる。上述したように、状態量は所定期間に亘り蓄積されているので、ここで得られる熱効率や性能値も、時系列で得られることとなる。
【００５９】
また、プラント１の各機器において作動流体の状態量を計測することが困難なものについては、この実測値基準解析により計算される。
【００６０】
［機器性能関数の作成］
次に、実測値基準解析の結果に基づいて、機器ごとに機器性能関数を作成する（図３ステップＳ４）。機器性能関数とは、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す関数である。
【００６１】
図５に機器性能関数の概念を示す。図示するように、横軸に空気圧縮機３の作動流体の状態量、縦軸に断熱効率をとり、実測値基準解析の結果を十字型の各点に示した。上側の一群は第Ｌ年目の計測値に基づく結果であり、下側の一群は第Ｍ年目の計測値に基づく結果である。
【００６２】
第Ｌ年目のある時点での断熱効率Ａと、第Ｍ年目のある時点での断熱効率Ｂの値は同程度であるが、作動流体の状態量が異なっている。
【００６３】
そこで、例えば、第Ｌ年目、第Ｍ年目の各群について、断熱効率から最小二乗法などにより関数ｆ１、ｆ２の傾きを求める。それらの関数ｆ１、ｆ２がＡ、Ｂを通るように定数項を求めて機器性能関数ｆ１’、ｆ２’とする。
【００６４】
なお、第Ｌ年目、第Ｍ年目のように年ごとに区切って機器性能関数を求めたが、範囲は任意である。例えば、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合（図５に示すように性能値が傾きの異なる複数の群となるような場合など）、その差異ごとに機器性能関数を求めてもよい。これにより、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００６５】
［機器性能関数を用いた性能値の換算］
次に、機器性能関数を用いて標準条件における性能値の換算を行う（図３ステップＳ５）。すなわち、状態量のうち、任意の値を標準条件として設定し、その標準条件における各機器の性能値を機器性能関数から求める。すなわち、各機器の機器性能関数に標準条件の値を入力することで、標準条件における性能値が得られる。この標準条件における性能値を換算値と称する。
【００６６】
例えば、図５に示したように、ある時点においては点Ａに示す断熱効率である場合、機器性能関数ｆ１’を用い、標準条件における断熱効率Ａ’を求める。同様に点Ｂに示す断熱効率である場合、機器性能関数ｆ２’を用い、標準条件における断熱効率Ｂ’を求める。
【００６７】
特に、大気を直接吸い込む空気圧縮機や海水と直接接触する復水器においては、季節変動などで大気温度や海水温度が変動するため、それらの状態量は季節変動（外部要因）の影響を受けやすく、結果として性能値は季節変動の影響を含んだものとなる。
【００６８】
しかしながら、性能値を標準条件におけるものに換算することで作動流体を同じ条件としたときの性能値（以下、換算値と称する。）が得られることになり、季節変動の影響を排した性能の比較を行えることとなる。
【００６９】
図６及び図７に、実測値基準解析で求めた性能値と、当該性能値を機器性能関数で換算した結果を示す。図６は、横軸に日時を取り、縦軸に実測値基準解析により得られた断熱効率を取り、その結果をプロットしたグラフである。
【００７０】
図示するように、断熱効率は、第Ｌ、Ｍ、Ｎ年目のそれぞれで実施した補修により、それぞれ異なる傾きの群を成している。第Ｍ年目、第Ｎ年目の始めにおいてはそれ以前に比べて向上しているものの、全体的に断熱効率は劣化傾向にある。ただし、上述したように実測値基準解析により得られた性能値は、標準条件におけるものではなく、様々な状態量におけるものとなっている。例えば、ＡとＢとでは、全く異なる状態量における断熱効率となっている。
【００７１】
図７に、図５の機器性能関数を用いて、図６に示した断熱効率を換算したものを示す。図６における第Ｌ年目の断熱効率（点Ａ）は、図５の関数ｆ１の傾きとその断熱効率（点Ａ）を通る点とに基づいて作成された機器性能関数ｆ１’において、標準条件のときの断熱効率（点Ａ’）に換算され、図７に示されている（第Ｌ年目の点Ａ以外の断熱効率についても同様）。第Ｍ、Ｎ年目についても同様であり、図６における断熱効率（点Ｂ）もＢ’に換算されて示されている。
【００７２】
図示するように、断熱効率が標準条件におけるものに換算された結果、劣化傾向の程度が緩やかであることがわかる。すなわち、標準条件に換算する前においては、劣化傾向にあると思われたものは、季節変動によるものが大きく、季節変動を除けば実際には、機器自体の性能はそれほど劣化していないことが分かる。
【００７３】
［機器性能基準解析］
次に、各機器の性能値の変化がプラント１全体の熱効率に及ぼす影響を計算する（図３ステップＳ６）。具体的には、上述した換算値と、プラント解析モデルとに基づいて、熱物質収支解析（機器性能基準解析）を行い、プラント１の熱効率を計算する。
【００７４】
具体的には、基準とする時点（基準時点）及び評価対象とする時点（評価時点）を定める。例えば、第Ｌ年目の始めを基準時点とし、第Ｍ年目の始めを評価時点とする。そして、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準解析を行う。
【００７５】
これにより、一つの機器のみが基準時点から評価時点に至る間に性能変化した場合に、プラント１の熱効率がどの程度変化するかを得ることができる。すなわち、一つの機器の性能変化がプラント１の熱効率に与える影響を評価できる。
【００７６】
図８に、機器性能基準解析の結果を示す。同図の点線より右側には、基準時点から評価時点までの間に、各機器の性能値の変化がプラント１の熱効率に与える影響を表す棒グラフが示されている。例えば、高圧タービンの断熱効率の変化は、プラント１の熱効率にマイナスの影響を及ぼし、定量的には、基準時点から評価時点までの間に０．１％劣化していると評価できる。
【００７７】
同様に、高圧タービンの以外の機器、例えば、中低圧タービン、空気圧縮機、復水ポンプ、高圧過熱器などについても機器性能基準解析を行って、プラント１の熱効率への影響を計算する。同図に示すように、各機器の性能の変化がプラント１の熱効率に、正又は負の影響を及ぼし、定量的には、機器ごとに様々であることが分かる。
【００７８】
このように各機器についてその性能がプラント１の熱効率に与える影響を定量的に評価したのち、プラント１の熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする。すなわち、同図の点線の左側に示すように、各機器の性能値の変化を合計することで、基準時点から評価時点までの間においてプラント１全体の熱効率（コンバインドサイクル発電プラントの熱効率）がどの程度変化したかを評価する。同図に示す場合には、−０．０７％程度であることが分かる。こうして得られたプラント１の熱効率の変化は、標準条件におけるものであるので、外部要因が排除された高精度なプラント１の評価を行うことができる。
【００７９】
［出力］
以上のステップで計算した結果、各機器についての換算値を時系列に沿ってプロットしたグラフ、プラント１の熱効率、及び当該熱効率に対して各機器の換算値が及ぼす影響を出力装置４０に出力する（図３ステップＳ７）。
【００８０】
［熱効率解析プログラムの効果］
以上に説明した熱効率解析プログラムでは、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値が計算され、各機器の性能値の変化を正確に解析することができる。
【００８１】
さらに、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、基準時点から評価時点までの間に各機器の性能の変化がプラント１全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析することができる。このような解析結果を得ることにより、熱効率を最も向上させる機器を得ることができ、また、各機器の修繕費用と、その熱効率の向上による燃料削減費を比較することで、費用対効果の大きい機器を検討することができる。
【００８２】
また、実測値基準解析及び機器性能基準解析においては、双方とも同一のプラント解析モデルを用いることができるため、各解析ごとに、モデルを再構築する必要が無く、計算の手間を省くことができる。
【００８３】
なお、発電プラントの一例としてコンバインドサイクル発電プラントを解析対象にしたが、これに限定されず、本発明は、様々な構成の発電プラントに対して適用することができる。
【００８４】
［熱効率解析方法］
なお、上述したように、コンピュータ３０で熱効率解析プログラムを実行させる場合に限らず、以下のステップを実行することによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、図９に示すように、プラント１を構成する各機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得る（ステップＳ１０）。また、プラント解析モデルの作成を行う（ステップＳ１１）。次に、これらの状態量、プラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行って各機器の性能値及びプラント１の熱効率を得る（ステップＳ１２）。各機器について機器性能関数の計算を行い（ステップＳ１３）、標準条件における性能値の換算を行って（ステップＳ１４）、各機器の標準条件における性能値（換算値）と、熱効率を得る。さらに、換算値とプラント解析モデルとに基づいて機器性能基準解析を行って（ステップＳ１５）、プラント１の熱効率に対する各機器の性能値の変化の影響を得る。このようにして得られた結果から、各機器の性能値の経年的変化を評価することで、各機器の状況を得ることができ、また、どの機器について補修をすれば全体の熱効率が向上するかを評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
発電プラントを運転し、保守、点検等を行う産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１ プラント
２ 燃焼器
３ 空気圧縮機
４ ガスタービン
５ 排熱回収ボイラ
６ 高圧蒸発器
７ 中圧蒸発器
８ 低圧蒸発器
９ 高圧過熱器
１０ 中圧過熱器
１１ 低圧過熱器
１２ 高圧タービン
１３ 中低圧タービン
１９ 高圧節炭器
２０ 中圧節炭器
２１ 脱硝装置
２４ 記憶装置
３０ コンピュータ
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＡＭ
３３ ＲＯＭ
３５ 入力装置
３６ 出力装置
３７ 接続インタフェース
３８ 通信手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電プラントの熱効率や機器の性能値を評価する熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電プラント、地熱発電プラント、原子力発電プラントなどの発電プラントにおいては、燃料節約・発電コスト低減の観点から、熱効率を維持・向上することが重要な課題となっている。このため、発電プラントにおいては、発電プラントを構成する各機器の作動流体の状態量を日々計測したり、定期的な性能試験を実施したり、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の管理が行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
火力発電プラントの熱効率管理は、損失法や入出熱法により行われ、火力発電プラントの構成に応じた各種指標で管理されている。例えば、火力発電プラントの一態様としては、汽力発電プラントやコンバインドサイクル発電プラントがあるが、汽力発電プラントでは、プラント熱効率の他、ボイラ効率、タービン効率といった指標で管理され、コンバインドサイクル発電プラントでは、ガスタービン効率、蒸気タービン効率、排熱回収ボイラ効率といった指標で管理されている。
【０００４】
しかしながら、プラント熱効率が低下した場合、これらの指標では、その原因が発電プラントを構成する数多くの機器のうちどの機器であるかを特定することが困難となっている。このため、発電プラントのどの機器を補修すれば熱効率を効果的に改善できるかは不明であり、また、補修することで発電プラントの熱効率がどの程度改善するかを見積もることも困難である。
【０００５】
さらに、外気温度や海水温度などの外部要因は、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値に影響を及ぼすが、外部要因は季節により変動するため、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の変化が、機器自体の経年劣化によるものなのか、外部要因の変動によるものであるかが考慮されていなかった。
【０００６】
このような問題に対し、外気温度などの外部要因と、機器の性能値との関係を表した特性関数を利用することで、外部要因の影響を考慮した発電プラントの熱効率及び各機器の性能値の変化を計算することは可能であった。
【０００７】
しかしながら、そのような特性関数は、各機器の製造者が、発電プラントの設計時の熱平衡線図や、各機器の設計値に基づいて作成したものであるため、現実の発電プラントにおける各機器の性能値の変化とは乖離しており、発電プラントの熱効率や各機器の性能値を正確に計算することが出来なかった。
【０００８】
さらに、発電プラントでは、必要に応じて各機器を交換するなど構成変更が行われ、設計時の熱平衡線図とは異なる発電プラントとなる場合がある。このため、設計当初の熱平衡線図に基づいた機器の特性を、変更後の発電プラントにおける熱効率や各機器の性能値を計算することに用いることはできず、発電プラントの解析を行えないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２２９８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記従来技術に鑑み、外部要因を除外し、実測値に基づいて発電プラントの熱効率、発電プラントを構成する機器の性能値、及び当該性能値の変化が発電プラントの熱効率に与える影響を解析することができる熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成し、前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成し、機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１２】
かかる第１の態様では、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値が計算され、各機器の性能値の変化を正確に解析することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する熱効率解析方法において、基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求め、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１４】
かかる第２の態様では、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、各機器の性能の変化が発電プラント全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する熱効率解析方法において、複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにすることを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１６】
かかる第３の態様では、基準とする時点から評価対象とする時点までの間において発電プラント全体の熱効率がどの程度変化したかを評価することができる。
【００１７】
本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する熱効率解析方法において、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００１８】
かかる第４の態様では、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００１９】
本発明の第５の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する熱効率解析方法において、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析方法にある。
【００２０】
かかる第５の態様では、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、その差異ごとに機器性能関数を求めるので、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００２１】
本発明の第６の態様は、コンピュータに、発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を入力する機能と、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成する機能と、前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求める機能と、計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成する機能と、機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求める機能と、前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する機能とを実現させることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２２】
かかる第６の態様では、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、コンピュータに、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値を計算させ、各機器の性能値の変化を正確に解析させることができる。
【００２３】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求める機能と、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する機能とを備えることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２４】
かかる第７の態様では、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、コンピュータに、各機器の性能の変化が発電プラント全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析させることができる。
【００２５】
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする機能を備えることを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２６】
かかる第８の態様では、基準とする時点から評価対象とする時点までの間において発電プラント全体の熱効率がどの程度変化したかを評価することができる。
【００２７】
本発明の第９の態様は、第６〜第８の何れか一つの態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００２８】
かかる第９の態様では、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００２９】
本発明の第１０の態様は、第６〜第８の何れか一つの態様に記載する熱効率解析プログラムにおいて、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価することを特徴とする熱効率解析プログラムにある。
【００３０】
かかる第１０の態様では、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、その差異ごとに機器性能関数を求めるので、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、外部要因を除外した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値の変化が熱効率に与える影響を解析することができる熱効率解析方法及び熱効率解析プログラムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】コンバインドサイクル発電プラントの概略構成図である。
【図２】実施形態に係る熱効率解析プログラムが実行されるコンピュータの概略構成図である。
【図３】実施形態に係る熱効率解析プログラムの各処理ステップを表すフロー図である。
【図４】コンバインドサイクル発電プラントの再熱器と中低圧タービンとに関するプラント解析モデルの一部を示す概念図である。
【図５】機器性能関数の概念を示す図である。
【図６】実測値基準解析の結果の一例として空気圧縮機の断熱効率を示すグラフである。
【図７】図６の断熱効率を標準条件における断熱効率に換算したグラフである。
【図８】機器性能基準解析の結果を示すグラフである。
【図９】本実施形態に係る熱効率解析方法の各ステップを表すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１に基づいて、本発明の実施形態に係る熱効率解析プログラムの解析対象となる火力発電設備の構成を説明する。
【００３４】
［解析対象のコンバインドサイクル発電プラントの構成］
図示するように、発電プラントの一例であるコンバインドサイクル発電プラント１（以下、「プラント１」と記載する。）は、燃焼器２を備えている。燃焼器２は、液化天然ガス（ＬＮＧ）及び空気圧縮機３で加圧された空気が供給され、ＬＮＧと空気とが混合燃焼されて燃焼ガスとなる。燃焼ガスは、ガスタービン４に送られて膨張され、発電動力が得られる。
【００３５】
ガスタービン４で仕事を終えた排気ガスは、排熱回収ボイラ５により熱回収される。排熱回収ボイラ５は、高圧蒸発器６、中圧蒸発器７、低圧蒸発器８を備えており、これらの蒸発器で、排気ガスが熱回収され、水蒸気が発生する。高圧蒸発器６で生じた水蒸気は、高圧過熱器９により排気ガスの熱でさらに加熱され、高圧タービン１２に送られて膨張され、発電動力が得られる。高圧タービン１２で仕事を終えた排気蒸気は、再熱器１４に送られる。さらに再熱器１４には、中圧蒸発器７で生じ、中圧過熱器１０で加熱された水蒸気が送られる。再熱器１４により加熱された水蒸気は中低圧タービン１３に送られて膨張され、発電動力が得られる。また、中低圧タービン１３には、低圧蒸発器８で生じ、低圧過熱器１１で加熱された水蒸気も送られて膨張され、発電動力が得られる。
【００３６】
ガスタービン４、空気圧縮機３、高圧タービン１２、中低圧タービン１３及び発電機１５は、同軸で接続されており、直列に接続されたガスタービン４、中低圧タービン１３及び高圧タービン１２の動力により発電機１５が駆動され、ガスタービン４、中低圧タービン１３及び高圧タービン１２による複合発電が行われる。
【００３７】
中低圧タービン１３で仕事を終えた排気蒸気は、復水器１６により復水となり、復水ポンプ１７で圧送される。この復水は、給水ポンプ１８で高圧節炭器１９及び中圧節炭器２０にそれぞれ圧送され、高圧節炭器１９にて予熱された給水は高圧蒸発器６へ、また、中圧節炭器２０にて予熱された給水は低圧蒸発器８及び中圧蒸発器７へとそれぞれ送られる。
【００３８】
なお、排熱回収ボイラ５で熱回収された排気ガスは、脱硝装置２１により窒素酸化物が除去され、煙突に送られて外部に排出される。
【００３９】
また、特に図示しないが、各機器には、各機器の入出力、例えば発電機の出力や、作動流体の状態量、すなわち温度や圧力や流量を計測する各種センサーが配置されている。各種センサーで計測された作動流体の温度等の計測値は、後述する解析の入力データとして用いられる。
【００４０】
［熱効率解析プログラムの目的］
本実施形態に係る熱効率解析プログラムは、このようなプラント１の構成、これを構成する各機器において実測した入出力に関する情報、及び各機器において実測した作動流体の状態量に基づいて、
（１）各機器の性能値を計算し、経年的な性能値の変化の傾向を解析する実測値基準解析
（２）大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値を計算する標準条件換算
（３）各機器の性能値（（２）で換算したもの）がプラント１全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析する機器性能基準解析
を行う各機能をコンピュータに実現させるものである。以下、本実施形態に係る熱効率解析プログラムについて詳細に説明する。
【００４１】
［ハードウェアの説明］
図２は、本実施形態に係る熱効率解析プログラムが実行されるコンピュータの概略構成図である。図示するように、コンピュータ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＡＭ３２、ＲＯＭ３３、記憶装置の一例であるハードディスク３４、マウスやキーボード等の入力装置３５、ディスプレイ、プリンタ等の出力装置３６、外部の機器との接続インタフェース３７、通信手段３８が設けられている。
【００４２】
熱効率解析プログラムは、コンピュータ３０で実行可能な命令からなり、インストールされてハードディスク３４に記憶されている。実行時には、ハードディスク３４からＲＡＭ３２に読み込まれ、ＣＰＵ３１に命令が実行され、後述する各処理が実現される。
【００４３】
［プラント解析モデル］
図３は、熱効率解析プログラムの各処理ステップを表すフロー図である。まず、熱効率解析プログラムは、コンバインドサイクル発電プラントのプラント解析モデルを作成する（ステップＳ１）。プラント解析モデルとは、各機器の熱物質収支及び特性を表す式を、各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたものである。
【００４４】
具体的には、各機器について作動流体の組成、圧力、流量、及び熱量についての収支計算式を作成する。図４に、プラント１の再熱器１４及び中低圧タービン１３に関するプラント解析モデルの一部を示す。
【００４５】
図示するように、再熱器１４については、熱回収される排気ガスの出入口の流量（in1、out1）と、加熱される復水の流量（in2、out2）の流量バランスが示されている。
【００４６】
中低圧タービン１３については、再熱器１４で加熱された水蒸気の流量（in3）、低圧過熱器１１で加熱された水蒸気の流量（in4）、中低圧タービン１３で仕事を終えた水蒸気の流量（out3）、シール蒸気の流量（in5）、リーク蒸気の流量（out4）の流量バランスが示されている。
【００４７】
また、実際のプラント１の構成に基づいて、再熱器１４からの水蒸気（out2）が、中低圧タービン１３に供給される（in3）という接続情報を作成する。このようにして、他の全ての機器についても同様に流量バランスを作成し、また、全ての機器間について接続情報を作成し、流量式に接続情報を代入し、各式を連立させてプラント解析モデルを作成する。同様に、作動流体の圧力及び熱量に関してもプラント解析モデルを作成する。
【００４８】
［入力データ］
次に、熱効率解析プログラムは、プラント１の機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値の入力を行う（ステップＳ２）。
【００４９】
各機器の状態量は、所定期間に亘り計測日時と共に熱効率解析プログラムの入力データとされる。例えば計測器が各機器から作動流体の状態を計測し、そのデータをＣＳＶなどの所定フォーマットのファイルとし、そのファイルをリムーバブルメディアに記録して、当該リムーバブルメディアからコンピュータ３０に状態量を入力する。なお、入力手段はファイルを通信手段３８からネットワークを介して計測器から取得してもよいし、計測器から接続インタフェース３７を介して直接的に状態量をコンピュータ３０のハードディスク３４に記憶するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、シール蒸気・リーク蒸気以外の流量は、上述したように各機器に設けられた各種センサーにより得られる計測値が入力される。一方、センサーで直接的に計測できないシール蒸気・リーク蒸気については、中低圧タービン１３の特性として入力される。
【００５１】
特性とは、各機器の作動流体の状態量同士の関係や、状態量と各機器の性能値との関係をいう。例えば、熱平衡線図に基づいて、中低圧タービン１３の入口流量（in3、in4）とリーク蒸気の流量との関係を求めて関数を作成し、この関数と実際の中低圧タービン１３の入口流量から、リーク蒸気の流量を計算し、その値を中低圧タービン１３のリーク蒸気としてプラント解析モデルに入力する。このように、直接的に計測値が得られないものについては、機器の特性に基づいた値を入力する。
【００５２】
中低圧タービン１３の出入口流量の計測値は、排気損失を含んだものであるため、上述したように特性からシール蒸気・リーク蒸気を入力することで、中低圧タービン１３の正味の効率を得ることができる。
【００５３】
作動流体の状態量の具体例としては、高圧タービン１２、中低圧タービン１３の出入口温度・圧力、高圧〜中圧節炭器１９、２０廻りの温度・圧力、復水器１６の真空度、発電機１５の出力などである。
【００５４】
［実測値基準解析］
このように実測して得た各機器の状態量と、プラント解析モデルとに基づいて、熱物質収支解析を行う（図３ステップＳ３）。実測した状態量を用いて熱物質収支解析を行うことを、本発明では実測値基準解析と称する。
【００５５】
具体的には、状態量を計測した時刻ごとに、その状態量を用いてプラント解析モデルを解く。解法は、従来からの逐次計算法や線形計算法を用いることもできるが、本願発明者らが開発した手法（特開２００１−１０１１５９号公報）を用いることが好ましい。
【００５６】
プラント解析モデルは、各機器の作動流体の温度・圧力・流量・組成等が満たすべき関係式を表しており、これを解くことで各機器の作動流体の状態が計算される。ここで、各機器については、作動流体の状態から機器の性能値を求める式が定義されており、熱効率解析プログラムは、当該式に基づいて計算により求めた作動流体から各機器の性能値を計算する。例えば、空気圧縮機の性能値の一例である断熱効率は、次のように定義されている。
【００５７】
【数１】
【００５８】
このような式からプラント１全体の熱効率や各機器の性能値が計算できる。上述したように、状態量は所定期間に亘り蓄積されているので、ここで得られる熱効率や性能値も、時系列で得られることとなる。
【００５９】
また、プラント１の各機器において作動流体の状態量を計測することが困難なものについては、この実測値基準解析により計算される。
【００６０】
［機器性能関数の作成］
次に、実測値基準解析の結果に基づいて、機器ごとに機器性能関数を作成する（図３ステップＳ４）。機器性能関数とは、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す関数である。
【００６１】
図５に機器性能関数の概念を示す。図示するように、横軸に空気圧縮機３の作動流体の状態量、縦軸に断熱効率をとり、実測値基準解析の結果を十字型の各点に示した。上側の一群は第Ｌ年目の計測値に基づく結果であり、下側の一群は第Ｍ年目の計測値に基づく結果である。
【００６２】
第Ｌ年目のある時点での断熱効率Ａと、第Ｍ年目のある時点での断熱効率Ｂの値は同程度であるが、作動流体の状態量が異なっている。
【００６３】
そこで、例えば、第Ｌ年目、第Ｍ年目の各群について、断熱効率から最小二乗法などにより関数ｆ１、ｆ２の傾きを求める。それらの関数ｆ１、ｆ２がＡ、Ｂを通るように定数項を求めて機器性能関数ｆ１’、ｆ２’とする。
【００６４】
なお、第Ｌ年目、第Ｍ年目のように年ごとに区切って機器性能関数を求めたが、範囲は任意である。例えば、経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって、各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合（図５に示すように性能値が傾きの異なる複数の群となるような場合など）、その差異ごとに機器性能関数を求めてもよい。これにより、傾きの異なる性能値群ごとに適切な傾きの機器性能関数を得ることができる。
【００６５】
［機器性能関数を用いた性能値の換算］
次に、機器性能関数を用いて標準条件における性能値の換算を行う（図３ステップＳ５）。すなわち、状態量のうち、任意の値を標準条件として設定し、その標準条件における各機器の性能値を機器性能関数から求める。すなわち、各機器の機器性能関数に標準条件の値を入力することで、標準条件における性能値が得られる。この標準条件における性能値を換算値と称する。
【００６６】
例えば、図５に示したように、ある時点においては点Ａに示す断熱効率である場合、機器性能関数ｆ１’を用い、標準条件における断熱効率Ａ’を求める。同様に点Ｂに示す断熱効率である場合、機器性能関数ｆ２’を用い、標準条件における断熱効率Ｂ’を求める。
【００６７】
特に、大気を直接吸い込む空気圧縮機や海水と直接接触する復水器においては、季節変動などで大気温度や海水温度が変動するため、それらの状態量は季節変動（外部要因）の影響を受けやすく、結果として性能値は季節変動の影響を含んだものとなる。
【００６８】
しかしながら、性能値を標準条件におけるものに換算することで作動流体を同じ条件としたときの性能値（以下、換算値と称する。）が得られることになり、季節変動の影響を排した性能の比較を行えることとなる。
【００６９】
図６及び図７に、実測値基準解析で求めた性能値と、当該性能値を機器性能関数で換算した結果を示す。図６は、横軸に日時を取り、縦軸に実測値基準解析により得られた断熱効率を取り、その結果をプロットしたグラフである。
【００７０】
図示するように、断熱効率は、第Ｌ、Ｍ、Ｎ年目のそれぞれで実施した補修により、それぞれ異なる傾きの群を成している。第Ｍ年目、第Ｎ年目の始めにおいてはそれ以前に比べて向上しているものの、全体的に断熱効率は劣化傾向にある。ただし、上述したように実測値基準解析により得られた性能値は、標準条件におけるものではなく、様々な状態量におけるものとなっている。例えば、ＡとＢとでは、全く異なる状態量における断熱効率となっている。
【００７１】
図７に、図５の機器性能関数を用いて、図６に示した断熱効率を換算したものを示す。図６における第Ｌ年目の断熱効率（点Ａ）は、図５の関数ｆ１の傾きとその断熱効率（点Ａ）を通る点とに基づいて作成された機器性能関数ｆ１’において、標準条件のときの断熱効率（点Ａ’）に換算され、図７に示されている（第Ｌ年目の点Ａ以外の断熱効率についても同様）。第Ｍ、Ｎ年目についても同様であり、図６における断熱効率（点Ｂ）もＢ’に換算されて示されている。
【００７２】
図示するように、断熱効率が標準条件におけるものに換算された結果、劣化傾向の程度が緩やかであることがわかる。すなわち、標準条件に換算する前においては、劣化傾向にあると思われたものは、季節変動によるものが大きく、季節変動を除けば実際には、機器自体の性能はそれほど劣化していないことが分かる。
【００７３】
［機器性能基準解析］
次に、各機器の性能値の変化がプラント１全体の熱効率に及ぼす影響を計算する（図３ステップＳ６）。具体的には、上述した換算値と、プラント解析モデルとに基づいて、熱物質収支解析（機器性能基準解析）を行い、プラント１の熱効率を計算する。
【００７４】
具体的には、基準とする時点（基準時点）及び評価対象とする時点（評価時点）を定める。例えば、第Ｌ年目の始めを基準時点とし、第Ｍ年目の始めを評価時点とする。そして、一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準解析を行う。
【００７５】
これにより、一つの機器のみが基準時点から評価時点に至る間に性能変化した場合に、プラント１の熱効率がどの程度変化するかを得ることができる。すなわち、一つの機器の性能変化がプラント１の熱効率に与える影響を評価できる。
【００７６】
図８に、機器性能基準解析の結果を示す。同図の点線より右側には、基準時点から評価時点までの間に、各機器の性能値の変化がプラント１の熱効率に与える影響を表す棒グラフが示されている。例えば、高圧タービンの断熱効率の変化は、プラント１の熱効率にマイナスの影響を及ぼし、定量的には、基準時点から評価時点までの間に０．１％劣化していると評価できる。
【００７７】
同様に、高圧タービンの以外の機器、例えば、中低圧タービン、空気圧縮機、復水ポンプ、高圧過熱器などについても機器性能基準解析を行って、プラント１の熱効率への影響を計算する。同図に示すように、各機器の性能の変化がプラント１の熱効率に、正又は負の影響を及ぼし、定量的には、機器ごとに様々であることが分かる。
【００７８】
このように各機器についてその性能がプラント１の熱効率に与える影響を定量的に評価したのち、プラント１の熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする。すなわち、同図の点線の左側に示すように、各機器の性能値の変化を合計することで、基準時点から評価時点までの間においてプラント１全体の熱効率（コンバインドサイクル発電プラントの熱効率）がどの程度変化したかを評価する。同図に示す場合には、−０．０７％程度であることが分かる。こうして得られたプラント１の熱効率の変化は、標準条件におけるものであるので、外部要因が排除された高精度なプラント１の評価を行うことができる。
【００７９】
［出力］
以上のステップで計算した結果、各機器についての換算値を時系列に沿ってプロットしたグラフ、プラント１の熱効率、及び当該熱効率に対して各機器の換算値が及ぼす影響を出力装置４０に出力する（図３ステップＳ７）。
【００８０】
［熱効率解析プログラムの効果］
以上に説明した熱効率解析プログラムでは、実測した状態量とプラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行うことにより、各機器の性能値や熱効率を経年的に計算し、これらを標準条件におけるものに換算する。これにより、大気条件や海水温など外部要因の影響を排して機器の性能値が計算され、各機器の性能値の変化を正確に解析することができる。
【００８１】
さらに、性能値を換算した換算値と、プラント解析モデルに基づいて機器性能基準解析を行うことにより、基準時点から評価時点までの間に各機器の性能の変化がプラント１全体の熱効率にどの程度寄与するかを解析することができる。このような解析結果を得ることにより、熱効率を最も向上させる機器を得ることができ、また、各機器の修繕費用と、その熱効率の向上による燃料削減費を比較することで、費用対効果の大きい機器を検討することができる。
【００８２】
また、実測値基準解析及び機器性能基準解析においては、双方とも同一のプラント解析モデルを用いることができるため、各解析ごとに、モデルを再構築する必要が無く、計算の手間を省くことができる。
【００８３】
なお、発電プラントの一例としてコンバインドサイクル発電プラントを解析対象にしたが、これに限定されず、本発明は、様々な構成の発電プラントに対して適用することができる。
【００８４】
［熱効率解析方法］
なお、上述したように、コンピュータ３０で熱効率解析プログラムを実行させる場合に限らず、以下のステップを実行することによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、図９に示すように、プラント１を構成する各機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得る（ステップＳ１０）。また、プラント解析モデルの作成を行う（ステップＳ１１）。次に、これらの状態量、プラント解析モデルに基づいて実測値基準解析を行って各機器の性能値及びプラント１の熱効率を得る（ステップＳ１２）。各機器について機器性能関数の計算を行い（ステップＳ１３）、標準条件における性能値の換算を行って（ステップＳ１４）、各機器の標準条件における性能値（換算値）と、熱効率を得る。さらに、換算値とプラント解析モデルとに基づいて機器性能基準解析を行って（ステップＳ１５）、プラント１の熱効率に対する各機器の性能値の変化の影響を得る。このようにして得られた結果から、各機器の性能値の経年的変化を評価することで、各機器の状況を得ることができ、また、どの機器について補修をすれば全体の熱効率が向上するかを評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
発電プラントを運転し、保守、点検等を行う産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１ プラント
２ 燃焼器
３ 空気圧縮機
４ ガスタービン
５ 排熱回収ボイラ
６ 高圧蒸発器
７ 中圧蒸発器
８ 低圧蒸発器
９ 高圧過熱器
１０ 中圧過熱器
１１ 低圧過熱器
１２ 高圧タービン
１３ 中低圧タービン
１９ 高圧節炭器
２０ 中圧節炭器
２１ 脱硝装置
２４ 記憶装置
３０ コンピュータ
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＡＭ
３３ ＲＯＭ
３５ 入力装置
３６ 出力装置
３７ 接続インタフェース
３８ 通信手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、
各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成し、
前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、
計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成し、
機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、
前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載する熱効率解析方法において、
基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求め、
一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項３】
請求項２に記載する熱効率解析方法において、
複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する熱効率解析方法において、
各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する熱効率解析方法において、
経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項６】
コンピュータに、
発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を入力する機能と、
各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成する機能と、
前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求める機能と、
計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成する機能と、
機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求める機能と、
前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する機能とを実現させる
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項７】
請求項６に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求める機能と、
一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する機能とを備える
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項８】
請求項７に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする機能を備える
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項９】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項１０】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項１】
発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を得て、
各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成し、
前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求め、
計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成し、
機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求め、
前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載する熱効率解析方法において、
基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求め、
一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項３】
請求項２に記載する熱効率解析方法において、
複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する熱効率解析方法において、
各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する熱効率解析方法において、
経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析方法。
【請求項６】
コンピュータに、
発電プラントを構成する機器の入出力及び作動流体の状態量の計測値を入力する機能と、
各機器の熱物質収支及び特性を表す式を各機器間の接続を表す接続情報に基づいて連立させたプラント解析モデルを作成する機能と、
前記プラント解析モデルに前記計測値を入力して、当該計測値を得た計測時ごとの実測値基準の熱効率解析を行い発電プラントの熱効率及び各機器の性能値を求める機能と、
計測時ごとに得られた前記実測値基準の熱効率解析結果に基づいて、任意の状態量と各機器の性能値との関係を表す機器性能関数を機器ごとに作成する機能と、
機器性能関数の独立変数である前記状態量に標準条件を設定し、前記計測値を機器性能関数の標準条件における値に換算して換算値を求める機能と、
前記入出力又は前記状態量が変化することによる影響を排除した発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する機能とを実現させる
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項７】
請求項６に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
基準とする時点及び評価対象とする時点の標準状態に換算した各機器の性能値である換算値を求める機能と、
一つの機器の性能値にのみ評価時点の換算値を設定し、他の機器の性能値には基準時点の換算値を設定して機器性能基準の熱効率解析を行って発電プラントの熱効率を求めることで、各機器の性能が発電プラントの熱効率に与える影響を定量的に評価する機能とを備える
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項８】
請求項７に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
複数の機器について、前記機器性能基準の熱効率解析を行い、発電プラントの熱効率低下要因の要因ごとの影響を定量的に明らかにする機能を備える
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項９】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【請求項１０】
請求項６〜請求項８の何れか一項に記載する熱効率解析プログラムにおいて、
経年劣化、設備改造、運転状態の違いによって各機器の任意の状態量と性能値との関係に差異が生じる場合に、複数の機器性能関数を作成し、発電プラントの熱効率及び発電プラントを構成する機器の性能値を評価する
ことを特徴とする熱効率解析プログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２１４８７（Ｐ２０１２−２１４８７Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１０３０（Ｐ２０１０−１６１０３０）
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【Ｆターム（参考）】
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