JP7279525B2 - 演算装置および演算方法 - Google Patents

Description

本発明は、コージェネレーションシステムにおけるガスの使用予定量を決定する演算装置に関する。

特許文献１には、二部料金制の契約や年間の利用条件を含む契約を締結している需要者に適用可能なコージェネレーションシステムの制御システムが開示されている。当該制御システムは、年間稼働スケジュールに基づいてガス単価を補正するための重み係数を算出し、当該重み係数に基づいて月ごとのガス単価を補正した補正ガス単価を算出する。さらに、当該制御システムは、算出した補正ガス単価に基づいて、コージェネレーションシステムの年間稼働スケジュールを決定する。

特開２０１７－１５５７１０号公報

しかしながら、コージェネレーションシステムがガスタンク内に貯蔵されたガスを用いるものである場合、ガスの使用量にはガスタンクの容量に基づく短期的な制約が存在する。この場合、ガス単価のみに基づいて稼働スケジュールを決定すると、コージェネレーションシステムの運用に破綻が生じる虞がある。

本発明の一態様は、ガスタンクに貯蔵されたガスを利用して発電するシステムにおけるガスの使用予定量を適切に決定することが可能な演算装置などを実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る演算装置は、発電に使用されるガスを貯蔵するガスタンク内のガス残量の予測を行う予測部と、前記予測部による予測結果および前記ガスタンクの容量に基づいて、前記ガスの使用予定量を決定する決定部とを含む。

また本発明の一態様に係る演算方法は、発電に使用されるガスを貯蔵するガスタンク内のガス残量の予測を行う予測ステップと、前記予測ステップにおける予測結果および前記ガスタンクの容量に基づいて、前記ガスの使用予定量を決定する決定ステップとを含む。

本発明の一態様に係る演算装置などによれば、ガスタンクに貯蔵されたガスを利用して発電するシステムにおけるガスの使用予定量を適切に決定できる。

実施形態１に係るコージェネレーションシステムの要部の構成を示すブロック図である。 演算装置における処理を示すフローチャートである。 予測ガス残量が運用範囲の上限に近接している場合に決定部が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。 予測ガス残量が運用範囲の下限に近接している場合に決定部が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。 予測ガス残量が運用範囲の上限および下限のいずれからも離隔している場合に決定部が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るコージェネレーションシステム１（以下、ＣＧＳ１と称する）の要部の構成を示すブロック図である。ＣＧＳ１は、ガスを燃焼させて発電を行うとともに、排熱を利用して蒸気を製造するシステムである。図１に示すように、ＣＧＳ１は、ガスタンク１０、演算装置２０、入力装置３０、出力装置４０、および記憶装置５０を備える。

ガスタンク１０は、ＣＧＳ１による発電に使用されるガスを貯蔵する。ＣＧＳ１は、ガスタンク１０内に貯蔵されているガス残量が所定の範囲内であるように運用される。以下の説明では、この所定の範囲について、「運用範囲」と称する。「運用範囲」の上限は、ガスタンク１０に貯蔵可能なガスの量の上限であり、ガスタンク１０の形状、サイズ、および様式などに基づいて決まる。一方、「運用範囲」の下限は、ガスを安定的に供給するために、ガスタンク１０内のガスの貯蔵量にマージンを設けるという考えに基づいて予め決定されている。ガスタンク１０は、貯蔵しているガス残量を検出する残量センサ１１を備える。残量センサ１１は、少なくとも１日の終わりにおけるガスタンク１０内のガス残量を検出し、記憶装置５０に記憶させる。

演算装置２０は、ＣＧＳ１による発電計画を作成する。具体的には、演算装置２０は、１日ごとのガスの使用予定量を決定し、当該使用予定量に基づいて時間帯ごとの発電量を決定する。演算装置２０は、予測部２１および決定部２２を備える。

予測部２１は、ガスタンク１０内のガス残量の予測を行う。具体的には、予測部２１は、ガスタンク１０へのガスの補充スケジュール、１回の補充での補充量、過去のガスの使用実績、および予測を行う時点でのガスタンク１０内のガス残量に基づいて、予測を行う日および以後１週間のそれぞれの日について、ガス残量の予測を行う。

本実施形態では、予測部２１は、決定部２２により使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる各日と同じ曜日における過去のガス使用実績に基づいて、当該各日におけるガスタンク１０内のガス残量の予測を行う。一般に、ガスの使用量には、曜日ごとの傾向が存在する。このため、ある日のガス残量を予測する場合に、その日と同じ曜日における過去のガス使用実績に基づいて予測することで、高い精度でガス残量の予測を行うことができる。ただし、予測部２１は、必ずしも予測を行う対象の日と同じ曜日におけるガスの使用実績を用いて予測を行う必要はなく、当該対象の日の前日におけるガス使用実績を用いて予測を行ってもよい。

予測部２１による、１日ごとのガス残量の予測方法を以下に説明する。以下の説明では、予測を行う日を指して「当日」と称する。また、「当日」の前の日および次の日について、それぞれ「前日」および「翌日」と称する。

まず、予測部２１は、前日の２３時５９分におけるガス残量に、当日のガスの補充量を加算し、さらに当日の１週間前の同じ曜日におけるガス使用実績を減算することで、当日の２３時５９分におけるガス残量を予測する。次に、予測部２１は、当日の２３時５９分におけるガス残量の予測値に、翌日に予定されているガスの補充量を加算し、さらに翌日の１週間前の同じ曜日におけるガス使用実績を減算することで、翌日の２３時５９分におけるガス残量を予測する。同様の予測方法により、予測部２１は、当日から６日後までのそれぞれの日におけるガス残量を予測する。

最後に、予測部２１は、当日から７日後のガス残量を予測する。ただし、当日から７日後の日についての、１週間前の同じ曜日とは当日のことであり、ガス使用実績がまだ確定していない日である。このため、予測部２１は、当日から６日後のガス残量の予測値に、当日から７日後のガスの補充量を加算し、さらに当日から７日後の２週間前の同じ曜日、すなわち当日の１週間前の同じ曜日における使用実績を減算することで、当日から７日後の２３時５９分におけるガス残量を予測する。

なお、予測部２１がガス残量を予測する期間は、当日から７日後までの期間に限定されず、より短い期間（例えば当日から５日後までの期間）、またはより長い期間（例えば当日から１０日後までの期間）であってもよい。

決定部２２は、予測部２１による予測結果およびガスタンク１０の容量に基づいて、ガスの使用予定量を決定する。このとき、決定部２２は、受電電力で賄う１時間当たりの電力量の最大値ができるだけ小さく、かつＣＧＳ１により賄う１時間当たりの電力量ができるだけ一定になるように使用予定量を決定する。

一般に、コージェネレーションシステムにおいては、発電量が一定量未満になると、水蒸気が得られなくなり、エネルギー効率が低下する。また、発電量が一定量を超過すると、使用したガスの量に対して得られる水蒸気の量が低下し、エネルギー効率が低下する。このため、エネルギー効率の観点からは、決定部２２は、エネルギー効率が最も高くなる発電量になるようにガスの使用予定量を決定することが好ましい。

ただし、ＣＧＳ１においては、ガスタンク１０内のガス残量が運用範囲内でなければならない。このため、決定部２２は、ガス残量が運用範囲の上限または下限に近いか否かを判定し、ガス残量が運用範囲の上限または下限に近い場合にはエネルギー効率を無視してガスの使用予定量を決定する。

決定部２２による、ガス残量が運用範囲の上限または下限に近いか否かの判定の例を以下に示す。例えば決定部２２は、ガス残量が運用範囲の上限の９０％以上である場合に、ガス残量が運用範囲の上限に近いとしてガスの使用予定量を決定する。また、例えば決定部２２は、ガス残量が運用範囲の下限の１２０％未満である場合に、ガス残量が運用範囲の下限に近いとしてガスの使用予定量を決定する。また、決定部２２は、ガス残量のみでなく、ガスの補充スケジュールも考慮して、ガス残量が運用範囲の上限または下限に近いか否かを判定してもよい。

本実施形態では、決定部２２は、ガスの使用予定量を決定する対象となる期間においてガスタンク１０にガスの補充が行われる少なくとも１回のタイミングおよび各補充時の補充量についての情報を取得する。決定部２２は、例えば後述するように、ユーザにより入力装置３０を介して入力された当該情報を取得する。さらに決定部２２は、補充される予定のガスの全量が前記ガスタンク１０に補充できる空き容量を各補充時に確保するように、ガスの使用予定量を決定する。ここでいう空き容量とは、ガスタンク１０の運用範囲の上限と、ガス残量との差分である。

ガスタンク１０へは、例えばタンクローリー等を用いて輸送されてきたガスが補充される。このとき、輸送されてきたガスを返却することはできず、必ず予定していた全量をガスタンク１０に補充する必要がある。決定部２２が上記のようにガスの使用予定量を決定することで、ガスを補充しきれないという問題を回避できる。

また、本実施形態では、決定部２２は、使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる各日において、ガスの使用予定量が、予測部２１によって予測されたガス残量を超えないように各日のガスの使用予定量を決定する。これにより、ガスタンク１０に貯蔵されているガス残量が運用範囲の下限を下回らないようにＣＧＳ１を運用できる。

入力装置３０は、演算装置２０に対するユーザの入力操作を受け付ける装置である。入力装置３０は、例えばキーボード、マウス、またはタッチパネルなどである。

ＣＧＳ１のユーザによる、ガスタンクへのガスの補充スケジュールの入力手順の一例を以下に説明する。まず、ユーザは１回のガスの補充で補充される補充量を設定する。例えばユーザは、１回の補充で補充される補充量を１２ｔ（トン）と設定する。次に、ユーザは、１日当たりの補充回数に応じた、補充時刻を設定する。例えばユーザは、ガスの補充時刻について、
・補充回数が１回の場合：１３：３０
・補充回数が２回の場合：９：００および２０：００
・補充回数が３回の場合：８：００、１４：００および２０：００
と設定する。その後、ユーザは、決定部２２が使用予定量を決定する期間内のそれぞれの日について、ガスの補充回数を設定する。なお、上述した補充量、補充時刻および補充回数については、必ずしも上記の順番で設定されなくてもよい。

出力装置４０は、ＣＧＳ１の運転に関する情報をユーザに対して出力する装置である。ＣＧＳ１の運転に関する情報の例としては、ユーザが入力したガスの補充スケジュール、過去の一定期間におけるガスの使用実績、および決定部２２が決定したガスの使用予定量などが挙げられる。出力装置４０は、例えば液晶ディスプレイである。

記憶装置５０は、演算装置２０によるガスの使用予定量の決定に必要な情報を記憶する記憶装置である。記憶装置５０は、例えば所定のタイミングで残量センサ１１が検出したガスタンク１０内のガス残量、過去の一定の期間におけるガスの使用実績、および、入力装置３０によりユーザから入力されたガスの補充スケジュールを記憶する。記憶装置５０は、例えばハードディスクドライブ、またはソリッドステートドライブなどである。なお、ＣＧＳ１は、必ずしも記憶装置５０を備えている必要はなく、ＣＧＳ１の外部に設けられた記憶装置と通信可能に構成されていてもよい。

図２は、演算装置２０における処理（演算方法）を示すフローチャートである。演算装置２０においては、まず、予測部２１は、ガスタンク１０へのガスの補充スケジュールについての、ユーザによる入力を受け付ける（Ｓ１）。次に、予測部２１は、ステップＳ１で入力された補充スケジュール、前日の終わりにおけるガスタンク１０内のガス残量、および過去のガスの使用実績に基づいて、ガスタンク１０内のガス残量の予測を行う（Ｓ２、予測ステップ）。その後、決定部２２は、ステップＳ２におけるガス残量の予測結果およびガスタンク１０の容量に基づいて、ガスの使用予定量を決定する（Ｓ３、決定ステップ）。

図３は、予測部２１が予測したガス残量が運用範囲の上限に近接している場合に決定部２２が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。図４は、予測部２１が予測したガス残量が運用範囲の下限に近接している場合に決定部２２が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。図５は、予測部２１が予測したガス残量が運用範囲の上限および下限のいずれからも離隔している場合に決定部２２が決定する使用予定量に基づく発電量の例を示すグラフである。

図３～図５において、横軸は時刻、縦軸は電力需要である。図３～図５のそれぞれには、横軸に示された時刻を開始時刻とする１時間の時間帯における電力需要が示されている。具体的には、図３～図５においては、例えば１３時０分から１３時５９分までの時間帯における電力需要が１３時の電力需要として示されている。図３～図５に示す例では、１３時～１５時までの時間帯が電力需要のピークとなっている。ＣＧＳ１は、１時間当たりの電力需要が所定の閾値以上である時間帯について、可能な限り一定の発電量で発電を行う。所定の閾値およびガスの使用予定量は、予測部２１が予測したガス残量、ならびにガスタンク１０の運用範囲の上限および下限に応じて異なる。

また、図３～図５に示す例では、ＣＧＳ１のエネルギー効率が最大になる発電量が４０００ｋＷｈであるものとしている。発電量が４０００ｋＷｈよりも多い場合および少ない場合のいずれにおいても、発電量が４０００ｋＷｈである場合と比較してＣＧＳ１のエネルギー効率は低下する。

図３に示す例では、予測部２１が予測したガス残量は、ガスタンク１０の運用範囲の上限に対して余裕がない。このため、図３に示す例では、ＣＧＳ１は、１時間当たりの電力需要が３０００ｋＷｈ以上である時間帯、すなわち７時～２０時の時間帯において、エネルギー効率が最大になる発電量よりも多い、１時間当たり５０００ｋＷｈの発電量で発電を行う。ただし、電力需要が５０００ｋＷに満たない時間帯については、ＣＧＳ１は、当該時間帯における電力需要の全てを賄うように発電する。このように、予測部２１が予測したガス残量が運用範囲の上限に近い場合には、決定部２２は、ガスの使用予定量をエネルギー効率が最大となるガスの使用量よりも増加させることで、ガス補充時にガスの残量がガスタンク１０の運用上限を超過する虞を低減できる。

図４に示す例では、予測部２１が予測したガス残量は、ガスタンクの運用範囲の下限に対して余裕がない。このため、図４に示す例では、ＣＧＳ１は、１時間当たりの電力需要が５０００ｋＷｈ以上である時間帯、すなわち１０時～１８時の時間帯において、エネルギー効率が最大になる発電量よりも少ない、１時間当たり３０００ｋＷｈの発電量で発電を行う。このようにエネルギー効率の低下を許容してガスの使用量を減少させることで、ガス残量がガスタンクの運用下限を下回る虞を低減できる。

図５に示す例では、予測部２１が予測したガス残量は、ガスタンクの運用範囲の上限および下限の両方に対して余裕がある。このため、図５に示す例では、ＣＧＳ１は、１時間当たりの電力需要が４０００ｋＷｈ以上である時間帯、すなわち８時～１９時の時間帯において、エネルギー効率が最大になる１時間当たり４０００ｋＷｈの発電量で発電を行うため、効率よく発電できる。

従来のコージェネレーションシステムにおいては、ユーザがガス残量を監視し、ガス残量が過多および過少のいずれにもならないように、ガスの補充計画を考慮してガスの使用量を手動で制御する必要があった。これに対し、ＣＧＳ１によれば、決定部２２がガス残量およびガス補充計画に基づいて適切な運用計画を作成する。したがって、ガス残量がガスタンクの運用範囲を逸脱せず、かつエネルギー効率が高くなるようにＣＧＳ１を運用することができる。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

実施形態１では、決定部２２は、予測残量が運用範囲の上限または下限に近いか否かに応じてガスの使用予定量を決定した。しかし、決定部２２は、予め設定された複数種類のアルゴリズムのいずれかに基づいてガスの使用予定量を決定してもよい。決定部２２が複数のアルゴリズムの何れに基づいてガスの使用予定量を決定するかについては、例えばユーザが入力装置３０を用いた入力操作により決定する。

アルゴリズムの例としては、例えば実施形態１と同様にガスの使用予定量を決定する通常モードのアルゴリズムの他、常にガスを節約するように決定部２２がガスの使用予定量を決定する節約モードのアルゴリズムが挙げられる。例えば長期的にガスの補充を受けられないことが予想される場合など、ガスタンク１０内のガス残量を残しておく必要がある場合に、ユーザは決定部の動作モードを節約モードに設定する。このように、本実施形態では、決定部２２は、予め設定された複数種類のアルゴリズムのいずれかに基づいて、より適切にガスの使用予定量を決定することができる。

〔ソフトウェアによる実現例〕
演算装置２０の制御ブロック（特に予測部２１および決定部２２）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、演算装置２０は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１０ ガスタンク
２０ 演算装置
２１ 予測部
２２ 決定部

Claims (5)

1. 外部から所定の日に所定量ごとに輸送されてきたガスを燃焼させて発電を行う発電計画を作成する演算装置であって、
   前記発電に使用されるガスを貯蔵するガスタンク内のガス残量の予測を前記ガスの使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる日ごとに行う予測部と、
   前記予測部による予測結果および前記ガスタンクの容量に基づいて、前記ガスの使用予定量を前記ガスの使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる日ごとに決定する決定部とを含み、
   前記決定部は、
   前記使用予定量を決定する対象となる期間において前記ガスタンクにガスの補充が行われる少なくとも１回のタイミングおよび各補充時の補充量についての情報を取得し、
   補充される予定のガスの全量が前記ガスタンクに補充できる空き容量を各補充時に確保するように、前記使用予定量を決定することを特徴とする演算装置。
2. 前記決定部は、前記使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる各日において、前記使用予定量が、前記予測部によって予測されたガス残量を超えないように前記各日の前記使用予定量を決定することを特徴とする請求項１に記載の演算装置。
3. 前記決定部は、予め設定された複数種類のアルゴリズムのいずれかに基づいて前記使用予定量を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の演算装置。
4. 発電に使用されるガスを貯蔵するガスタンク内のガス残量の予測を行う予測部と、
   前記予測部による予測結果および前記ガスタンクの容量に基づいて、前記ガスの使用予定量を決定する決定部とを含み、
   前記予測部は、前記使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる各日と同じ曜日における過去のガス使用実績に基づいて、当該各日における前記ガスタンク内のガス残量の予測を行う演算装置。
5. 外部から所定の日に所定量ごとに輸送されてきたガスを燃焼させて発電を行う発電計画を作成する演算装置により実行される演算方法であって、
   前記発電に使用されるガスを貯蔵するガスタンク内のガス残量の予測を前記ガスの使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる日ごとに行う予測ステップと、
   前記予測ステップにおける予測結果および前記ガスタンクの容量に基づいて、前記ガスの使用予定量を前記ガスの使用予定量を決定する対象となる期間に含まれる日ごとに決定する決定ステップとを含み、
   前記決定ステップにおいて、
   前記使用予定量を決定する対象となる期間において前記ガスタンクにガスの補充が行われる少なくとも１回のタイミングおよび各補充時の補充量についての情報を取得し、
   補充される予定のガスの全量が前記ガスタンクに補充できる空き容量を各補充時に確保するように、前記使用予定量を決定することを特徴とする演算方法。

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