熱源設備向け省エネ最適化制御システムの開発 1. はじめに 均 3％程度であり最適化に十分使用できる。図 3 は最適運転 半導体や薬品系などのクリーンルームを有する工場で の検証試験を行った時の結果である。冷水槽や温水槽をう は，コージェネレーションシステムやボイラ，冷凍機等， まく活用して夜間蓄熱を積極的に行っている。また，需要 多くの熱源機器が稼働しており，大量のエネルギーを消費 予測により蒸気吸収式冷凍機が最小限の台数となりガス使 している。近年の省エネニーズの高まりに応えるため，こ 用量を削減している。最適化効果の一日積算値は，省コス れら熱源設備向けに，エネルギー需要の予測に基づく最適 トで 4.5％，省エネ，省 CO2 で 3％であった。効果は季節 により変動するが，通年では 3～5％の効果が実際に得られ 化制御システムを開発したので報告する。 2. 最適化制御システムの概要 ている。 図１に最適化制御システムの構成を示す。対象となる熱 源設備は多くの機器で構成されており，需要に応じて様々 予測値［ＭＷ］ 実測値［ＭＷ］ 誤差［％］ 電力 60 予測値［ｔ／ｈ］ 実測値［ｔ／ｈ］ 誤差［％］ 蒸気 8 10 な運転が可能となっている。クリーンルームを有する工場 の電力，冷水，温水，蒸気といったエネルギー需要は外気 5 0 0 -5 状態（温度と湿度）の影響をうけ，季節や昼夜によって大 -5 -1 0 0 :0 0 きく変動する。こういった熱源設備は，需要の変動要因を 6 :0 0 1 2 :0 0 1 8 :0 0 -1 0 0 :0 0 0 :0 0 6 :0 0 1 2 :0 0 1 8 :0 0 理解している運転員の経験により運用されていることが多 温水 実測値［G Ｊ／ｈ］ 誤差［％］ 10 い。しかしながら，人による運転には自ずと限界がある。 0 :0 0 予測値［G Ｊ／ｈ］ 実測値［G Ｊ／ｈ］ 誤差［％］ 予測値［G Ｊ／ｈ］ 冷水 60 18 5 0 0 -5 -1 0 0 :0 0 6 :0 0 1 2 :0 0 1 8 :0 0 10 5 -5 最適化制御システムは，まず，気象予報や生産計画に基 10 5 -1 0 0 :0 0 0 :0 0 6 :0 0 1 2 :0 0 1 8 :0 0 0 :0 0 づき，一日の需要変化を予測する。需要予測にはニューラ 図 2 需要予測結果 ルネット等を利用している。ただ，予測には必ず誤差が発 生するため，実需要を使って自動補正し精度を高めている。 燃料コスト差（最適－従来） 冷 凍機電力（従来） 燃 料流量（従来） 予測した需要に対して，各機器の特性や各種制約条件か 電力コスト差（最適－従来） 冷凍機電力（最適） 燃料流量（最適） らなる最適化モデルを使用し，一日の運転コストが最小と なる最適運転スケジュールを算出し各機器を制御する。こ れにより熱源設備全体の最適化運転を実現している。また， 夜 間 電 力 活 用 ：夜 間 の 積 極 的 な 蓄 熱 運 転 対象機器は自動発停されるため省力化にも有効である。 気象予報 最適化計算 需要予測計算 需要予測値 生産計画 （ニューラルネット等） 数理計画アルゴリズム 数理計画アルゴリズム ・混合整数0-1計画法 ・混合整数0-1計画法 ・非線形計画法 ・非線形計画法 ・動的計画法など ・動的計画法など ０ ガ ス 削 減 ：需 要 予 測 に よ り 吸 収 冷 凍 機 の 稼 働 台 数 を １ 台 削 減 最適運転スケジュール コージェネ コージェネ ボイラ ボイラ １１ ボイラ ボイラ ２２ ・・・ ・・・ 冷凍機 冷凍機 １１ 冷凍機 冷凍機 ２２ 冷凍機 冷凍機 ３３ ・・・ ・・・ 停止 起動 停止 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 時刻 図 3 最適運転結果 最適化モデル 目的関数：１日の運転コスト最小（エネルギー使用量やＣＯ 目的関数：１日の運転コスト最小（エネルギー使用量やＣＯ２２排出量の設定も可能） 排出量の設定も可能） 制約条件：・各時刻の需要量を満足する。 制約条件：・各時刻の需要量を満足する。 ・季節別時間帯別の契約電力を越えない。 ・季節別時間帯別の契約電力を越えない。 ・各機器の特性式 コージェネ：燃料流量＝ ff（発生電力、大気温度） （発生電力、大気温度） ・各機器の特性式 コージェネ：燃料流量＝ 燃料流量＝ 燃料流量＝ ff（蒸気流量、給水温度、大気温度） （蒸気流量、給水温度、大気温度） ボイラ：燃料流量＝ ボイラ：燃料流量＝ ff（蒸気流量、給水温度、大気温度） （蒸気流量、給水温度、大気温度） 数式化 冷凍機：消費電力＝ 冷凍機：消費電力＝ ff（冷水熱量、冷水温度、冷却水温度） （冷水熱量、冷水温度、冷却水温度） 購入エネルギー 電力 （電力会社） ガス （ガス会社） エネルギー需要 熱源設備 最適運用サーバ 電力 ×１ 4. ま と め クリーンルームを負荷に持つ熱源設備の最適化制御シス テムを開発し，現在順調に稼働している。また，需要予測 が難しいような工場の自家発設備（ボイラ，蒸気タービン・ ・電力、冷水、温水、蒸気等の 発電機）の最適化制御システムについても制作中であり， 需要予測計算 ・最適運転スケジュールの計算 ＣＧＳ ×５ ×４ 蒸気 今夏稼働予定である。今後も，最適化技術を様々な省エネ ・最適運転制御指令の出力 吸収冷凍機 ボイラ ×７ ターボ冷凍機 冷水槽 施策に活用していく予定である。 冷水 気象情報 ×４ ﾀﾞﾌﾞﾙﾊﾞﾝﾄﾞﾙ 冷凍機 温水槽 文 サーバ 温水 既設監視制御装置 献 (１) 下川・山田： “半導体工場における省エネ事例と熱源設備最適制御導 入について”，第１回エネルギー対策技術シンポジウム，日本能率セ ンター (2002) 図 1 最適化制御システムの構成 3. 熱源設備への適用結果(1) 山田 図 2 は需要予測結果の一例である。予測誤差としては平 －5－ 利広（(株)東芝 電力システム社） （平成 18 年 5 月 16 日受付）
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