産業向けヒートポンプ導入解析装置
【課題】エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率を解析する解析装置を提供する。
【解決手段】情報取得部１０２は、与熱系の用役に供給される与熱熱量およびその与熱温度の情報と、受熱系の用役に供給される受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する。組合せ抽出部１０６は、与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給する与熱系と受熱系との用役の組合せを抽出する。エネルギー効率算出部１１０は、それぞれの組合せについてヒートポンプを導入した場合におけるエネルギーシステムのエネルギー効率を算出する。最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出した組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の最適な組合せを算出する。
【解決手段】情報取得部１０２は、与熱系の用役に供給される与熱熱量およびその与熱温度の情報と、受熱系の用役に供給される受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する。組合せ抽出部１０６は、与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給する与熱系と受熱系との用役の組合せを抽出する。エネルギー効率算出部１１０は、それぞれの組合せについてヒートポンプを導入した場合におけるエネルギーシステムのエネルギー効率を算出する。最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出した組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の最適な組合せを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーシステムのエネルギー効率を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１にはエネルギーと物質を生産したり消費したりする化学プラント等の工場設備や市街地等の地区内において、エネルギーと物質の回収・再利用を最適化する技術が開示されている。この技術によるとエネルギー系および物質系のそれぞれの対象系が複合的に最適化される。また非特許文献１には、熱回収システムにおいて熱量と温度に着目して省エネルギーの改善ポテンシャルを解析する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１６８１９５号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】巽浩之および松田一夫、「ピンチテクノロジー（省エネルギー解析の手法と実際）」、財団法人・省エネルギーセンター
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、化学工場や石油プラント等のエネルギーシステムにおいて排熱を有効に利用して、エネルギー効率を高めようとする試みがある。エネルギーシステムの個々の要素技術においてエネルギー効率を高めることはすでに実行されているため、個々の要素技術に着目してもエネルギー効率を高める余地は少ない。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率を解析する解析装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は、用役によって与熱をされる与熱系、および用役によって受熱をされる受熱系を有するエネルギーシステムのエネルギー効率を解析する解析装置であって、少なくとも一つ以上の与熱系の用役に供給される与熱熱量およびその与熱温度の情報と、少なくとも一つ以上の受熱系の用役に供給される受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する情報取得部と、情報取得部が取得した情報を保持する保持部と、保持部に保持される与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給する与熱系と受熱系との用役の組合せを抽出する組合せ抽出部と、それぞれの組合せについてヒートポンプを導入した場合におけるエネルギーシステムのエネルギー効率を算出するエネルギー効率算出部と、エネルギー効率算出部により算出した組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の最適な組合せを算出する最適組合せ算出部と、を備える。
【０００８】
この態様によると、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率の改善を解析することができる。また大規模なエネルギーシステムにおいてもヒートポンプをどこに導入すればエネルギー的に効果的か算出することができ、ヒートポンプの導入による新たな省エネルギーの余地を見出すことができる。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る解析装置によれば、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率を解析できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムを示す概略図である。
【図２】実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムのＳＳＳＰ解析図である。
【図３】実施形態に係る解析装置の機能および構成を示すブロック図である。
【図４】実施形態に係る解析装置における一連の処理を示すフローチャートである。
【図５】エネルギー効率の算出処理のフローチャートである。
【図６】与熱系と受熱系との熱量の過不足を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において本発明に係る各実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステム１０を示す概略図である。エネルギーシステム１０とは、与熱システムおよび受熱システムを有する工場や所定の地域であって、工場の集合体であってもよい。ここで与熱系とは、エネルギーシステム１０において用役によって加熱される、すなわち熱を与えられる熱交換器をいう。受熱系とは、エネルギーシステム１０において用役によって冷却される、すなわち熱を受ける熱交換器および蒸気回収装置をいう。つまり与熱系は加熱を要求するシステムであり、受熱系は冷却を要求する、または蒸気回収のためのシステムである。用役とは、与熱系または受熱系に供給する蒸気や温水等の熱をいう。
【００１４】
このエネルギーシステム１０には温度が高い順に高圧蒸気経路１８、中圧蒸気経路１９、低圧蒸気経路２１、および冷却水経路２２が設けられ、それぞれに所定の温度の蒸気または水が流通している。
【００１５】
ボイラー１２は高圧蒸気経路１８に所定の温度および熱量の蒸気を供給する。タービン１４および第１プロセス１５ａは高圧蒸気経路１８から蒸気を受け取り、蒸気を使用して中圧蒸気経路１９に排出する。タービン１４には、発電機１６および復水器１７が接続される。自家発電をする発電機１６は発電した電力を電力会社２６に売るか、またはエネルギーシステム１０内で発電した電力を用いる。また高圧蒸気経路１８から中圧蒸気経路１９に蒸気が送られる。
【００１６】
第２プロセス１５ｂは中圧蒸気経路１９から蒸気を受け取り、蒸気を使用して低圧蒸気経路２１に排出する。また、第３プロセス１５ｃは中圧蒸気経路１９から蒸気を受け取り使用する。第４プロセス１５ｄは低圧蒸気経路２１から蒸気を受け取り使用する。冷却塔から送られた冷却水経路２２には冷却水が循環する。冷却水はたとえば６０℃の温水である。
【００１７】
このエネルギーシステム１０にはヒートポンプ２０が一つ導入された例を示しており、ヒートポンプ２０は冷却水経路２２の冷却水を昇温して中圧蒸気経路１９内の温度に合わせた蒸気を供給する。ヒートポンプ２０は、電力会社２６から買った電力もしくは工場で自家発電した電力を使用する。これにより第３プロセス１５ｃにヒートポンプ２０から蒸気が供給される。
【００１８】
このエネルギーシステム１０からヒートポンプ２０を除いたエネルギーシステムと比較すると、ヒートポンプ２０を用いることで電力使用量は増加する。一方、第３プロセス１５ｃはヒートポンプ２０から蒸気が供給されるため、高圧蒸気経路１８から中圧蒸気経路１９に送るべき蒸気の量は少なくてすむ。そのため、ボイラー１２から供給する蒸気を減少させ、ボイラー１２の燃料の使用量を減少させることができる。一方、ボイラー１２の燃料使用量が減少すると、高圧蒸気経路１８の蒸気が減少し、発電機１６の発電量が減少する。またタービン１４から中圧蒸気経路１９に抽気される蒸気も減少する。
【００１９】
つまり、エネルギーシステム１０にヒートポンプ２０を導入したことで、ボイラー１２の燃料使用量は減少したものの、ヒートポンプ２０の電力使用量は増加し、発電機１６の自家発電量も減少する。したがって、ヒートポンプ２０を導入することによる効果は、これらの外部から入出したエネルギーを総合して算出される。図１に示すエネルギーシステム１０は概略を示すもので、実際の工場では第３プロセス１５ｃや第４プロセス１５ｄは数十〜数百基設けられる場合があり、そのようなエネルギーシステム１０でヒートポンプ２０をどこに導入すればエネルギーシステム１０全体のエネルギー上の効果が改善するか解析することは非常に難しい。実施形態の解析装置によれば、どこにヒートポンプ２０を導入すればエネルギー効率を最大化できるか解析することができる。
【００２０】
図２は、実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムのＳＳＳＰ解析図である。ＳＳＳＰ（Site Source and Sink Profile）解析とは非特許文献１に記載の解析法であり、エネルギーシステム全体から用役によってプロセスの与熱および受熱を行っている熱交換器のデータを収集し、与熱操作および受熱操作ごとに用役およびプロセスの熱複合線をプロットしたものである。図２の縦軸は温度℃を示し、横軸は熱量毎時ＭＷ（メガワット）を示す。中心線Ｃから図面左側にはプロセス３０の用役３１による受熱のプロットを示し、図面右側にはプロセス３２の用役３３による与熱のプロットを示す。
【００２１】
図２には、所定のエネルギーシステムにおいてどのような与熱および受熱の要求があるか記載される。与熱側の用役３３はプロセス３２を加熱するために消費され、受熱側の用役３１はプロセス３０が持つ熱を蒸気や冷却水に捨てていることを示す。この図を用いてたとえば受熱側で回収した用役３１を与熱側の用役３３として利用できるか検討できる。ヒートポンプ２０を用いない場合であれば、受熱側の用役３１の温度Ｔｃが与熱側の用役３３の温度Ｔｈ以上であれば組み合わせて、受熱側の熱を与熱側に利用することが可能である。
【００２２】
しかしながらヒートポンプ２０を用いた場合、受熱側の用役３１の温度Ｔｃが与熱側の用役３３の温度Ｔｈより低ければヒートポンプ２０を導入することが可能である。たとえばＴｃ３はＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３およびＴｈ４と、Ｔｃ２はＴｈ２、Ｔｈ３およびＴｈ４と組合せは複数有り、組合せの自由度は大きく、組合せの選択肢は非常に多い。実施形態の解析装置を用いることでヒートポンプ２０をいずれに導入すればエネルギーシステムのエネルギー効率を改善できるか解析できる。なおエネルギー効率は、外部から加えたエネルギーに対して有効利用できるエネルギーの比である。
【００２３】
図３は、実施形態に係る解析装置１００の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２４】
解析装置１００は、情報取得部１０２、リスト保持部１０４、組合せ抽出部１０６、組合せ保持部１０８、エネルギー効率算出部１１０、最適組合せ算出部１１２、図示部１１６および表示部１１８を備える。
【００２５】
解析装置１００は、入力装置２００およびモニタ３００に接続される。情報取得部１０２は入力装置２００から受け取った情報を取得し、その情報をリスト保持部１０４に送出する。リスト保持部１０４は、情報取得部１０２から受け取った情報を保持する。たとえば、入力装置２００に入力される情報は、少なくとも与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度である。このように熱交換器の熱量および温度に着目することで、エネルギーシステム１０の場所の制限を受けずに解析できる。そのため、最初に対象工場群全体のエネルギーシステムの効率を最大化する組合せを求めて、ヒートポンプ２０の導入効果が高い工場の組合せを絞り、次に、実際の工場間の配置に合わせて、対象工場を絞り、再度解析を行い、ヒートポンプ２０の導入位置を絞っていく検討が可能である。例えば、仮に第１工場、第２工場、第３工場の三つの工場の熱交換器の情報を取得すれば、まず第１工場、第２工場、第３工場の３つの工場にヒートポンプ２０を導入した場合を解析し、次にエネルギー効率を最大化する組合せのあった第１工場と第３工場のみを解析したり、隣接する第１工場と第２工場のみに絞って解析したりすることができる。
【００２６】
リスト保持部１０４は、与熱系の用役の熱量および温度の情報をリストにして保持し、受熱系の用役の熱量および温度の情報をリストにして保持する。
【００２７】
組合せ抽出部１０６は、リスト保持部１０４が保持する与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプ２０により受熱系の蒸気または水を昇温して与熱系に供給できる与熱系の用役と受熱系の用役との組合せを抽出する。具体的に組合せ抽出部１０６は、受熱系の用役の温度が与熱系の用役の温度より低い与熱系と受熱系の用役の組合せを全て抽出する。組合せ保持部１０８は組合せ抽出部１０６が抽出した組合せを保持する。
【００２８】
エネルギー効率算出部１１０は、組合せ抽出部１０６が保持するそれぞれの組合せについて、ヒートポンプ２０により受熱系が取得した水および蒸気を昇温して与熱系に供給した場合におけるエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出する。エネルギー効率算出部１１０は、与熱熱量を削減した場合における省エネルギー効果と、受熱系の排熱をヒートポンプ２０により与熱系の温度まで昇温した場合の成績係数と、を算出し、与熱系の省エネルギー効果および与熱系の成績係数にもとづいてエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出する。これにより組合せ抽出部１０６により抽出した与熱系と受熱系の用役の組合せに、ヒートポンプ２０を導入した場合のエネルギーシステム１０のエネルギー効率が算出できる。
【００２９】
エネルギー効率算出部１１０は、エネルギーシステム１０が与熱系において加熱された蒸気を用いて自家発電をする場合に、ヒートポンプ２０の導入による自家発電の発電量の減少をエネルギーシステム１０のエネルギー効率に算入する。これによりエネルギーシステム１０にヒートポンプ２０を導入した場合の解析において精度良くエネルギー効率の変化を算出することができる。
【００３０】
最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出した各組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の用役の最適な組合せを算出する。最適な組合せとは、エネルギー効率を最もよくするための組合せである。
【００３１】
最適組合せ算出部１１２は最適な複数の組合せを算出してよい。たとえば、最適組合せ算出部１１２は、最もエネルギー効率のよい用役の第１の組合せを選択し、その受熱系の受熱熱量をヒートポンプ２０により全て昇温して与熱系の用役に供給する場合を演算する。すると、ヒートポンプ２０が昇温した熱量が、第１の組合せの与熱系の用役に供給したあとに余ることがある。最適組合せ算出部１１２はその余った熱量を２番目以降にエネルギー効率のよい組合せの与熱系に供給することを検討する。最適組合せ算出部１１２は、２番目以降にエネルギー効率のよい第２の組合せの与熱系の用役の与熱温度がヒートポンプ２０により昇温した温度より低ければ、余った熱量を供給するとして、第１の組合せおよび第２の組合せを最もエネルギー効率のよい用役の組合せとして導出する。また第２の組合せに供給した熱量が余れば、最適組合せ算出部１１２はさらに第３の組合せの与熱系の用役に供給する処理を実行してよい。そして最適組合せ算出部１１２は、第１、第２および第３の組合せを最適解として算出する。このように、逐次的に処理してもよく、ＥＸＣＥＬ（商標もしくは登録商標）のソルバー機能等により一括して最適化処理を実行してもよい。
【００３２】
図示部１１６は、与熱系と受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すためのデータを作成する。表示部１１８は、最適組合せ算出部１１２および図示部１１６から受け取った情報をモニタ３００に送出し、モニタ３００に表示させる。
【００３３】
図４は、実施形態に係る解析装置１００における一連の処理を示すフローチャートである。まず情報取得部１０２は、入力装置２００から入力された与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度の情報と、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度の情報を受け取り（Ｓ１０）、その情報をリスト保持部１０４に送る。なお、情報取得部１０２は、入力装置２００から他の情報も取得する。たとえば情報取得部１０２は、図１に示すエネルギーシステム１０において、各ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率および発電機１６の発電効率の情報を取得する。
【００３４】
リスト保持部１０４は、与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度の情報と、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度をリストにして保持する（Ｓ１２）。組合せ抽出部１０６は、リスト保持部１０４から与熱系および受熱系の情報のリストを受け取り、そのリストにもとづいて受熱系の用役の受熱温度が与熱系の用役の与熱温度より低い与熱系と受熱系の用役の組合せを全て抽出する（Ｓ１４）。エネルギーシステム１０においてヒートポンプ２０は受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給するので、組合せ抽出部１０６によりヒートポンプ２０を導入可能な箇所を抽出することができる。このように、ＳＳＳＰ解析を用いて、与熱および受熱の熱交換器の熱量と温度に着目することでヒートポンプを導入可能な箇所を容易に抽出することができる。いままで想定していなかった新たな温度の熱を回収できる可能性を見出すことができる。なお、ヒートポンプ２０の圧縮には限界があるため、組合せ抽出部１０６は与熱温度と受熱温度の差が所定の閾値以上であれば、与熱温度が受熱温度より高くても抽出しなくてよい。
【００３５】
組合せ保持部１０８は、組合せ抽出部１０６が抽出した各組合せを保持する。エネルギー効率算出部１１０は、組合せ保持部１０８が保持する各組合せのエネルギー効率を算出する処理を実行する（Ｓ１６）。エネルギー効率の算出処理では各ボイラー１２の加熱効率、各ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率、発電機１６の発電効率および電力会社の発電効率が用いられて算出される。なお、エネルギー効率算出部１１０が算出するエネルギー効率は、エネルギーの代わりに燃料のエクセルギーをも考慮に入れた、より厳密なエクセルギーで評価することもできる。エクセルギーとはエネルギーのうち有効に利用できるエネルギーをいう。つまり解析装置１００は、エネルギーシステムのエネルギー効率およびエクセルギー効率のいずれでも解析できる。
【００３６】
最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出された各組合せのエネルギー効率にもとづいて、ヒートポンプ２０を導入した場合に最適なエネルギー効率の組合せを算出する（Ｓ１８）。以上により、エネルギーシステム１０のどの箇所にヒートポンプ２０を導入したら最もエネルギー効率を改善できるか解析することができる。
【００３７】
なおヒートポンプ２０の導入によりヒートポンプ２０からの蒸気量が増すため、導入前のエネルギーシステム１０においてボイラー１２で供給していた蒸気量は減少する。これにより、抽気復水発電による抽気量が減少し、その自家発電量が減少する。これはエネルギーシステム１０の電力需要が電力会社が供給する系統電力に依存する型になることを意味する。自家発電より電力会社の発電の方が発電効率がはるかに高いため、省エクセルギーおよび二酸化炭素の削減の大幅な効果を有する。さらにヒートポンプ２０はエネルギーシステム１０内の未利用熱を、わずかの電力で用いることができるためエネルギーシステム１０のエネルギー効率を大きく改善することが可能である。
【００３８】
このヒートポンプ２０を大規模なエネルギーシステム１０において、どこに導入すれば効果的か判断するのは非常に困難である。またエネルギーシステム１０の個別の要素技術に着目しても省エネルギーの余地を見出すことは難しいが、実施形態の解析装置１００によりヒートポンプ２０の導入による省エネルギーの余地を見出すことができる。
【００３９】
図５は、エネルギー効率の算出処理のフローチャートである。エネルギー効率算出部１１０は、リスト保持部１０４から与熱系および受熱系の情報を取得する（Ｓ２０）。
【００４０】
エネルギー効率算出部１１０は、与熱系において、用役の与熱熱量を所定量だけ削減した場合の省エネルギー効果に関する指標値を算出する（Ｓ２２）。以下では、この省エネルギー効果に関する指標値は、１ＭＷの与熱熱量の削減に対して、何ＭＷのエクセルギーが削減できるかを示す。エネルギー効率算出部１１０は、エネルギー効率算出部１１０はボイラー１２の加熱効率、ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率、発電機１６の発電効率を用いて算出する。たとえばエネルギー効率算出部１１０は、１ＭＷだけ用役の与熱熱量を削減した場合において、ボイラー１２の燃料の減少量、自家発電減少量を算出して、省エネルギー効果に関する指標値を算出する。
【００４１】
次に、エネルギー効率算出部１１０は受熱系において取得した水または蒸気を与熱温度までヒートポンプ２０で昇温した場合の成績係数を算出する（Ｓ２４）。成績係数は、エネルギーの消費効率を示唆するものである。具体的にエネルギー効率算出部１１０は、まず理想成績係数ＩＣＯＰを算出する。与熱温度Ｔｈ［Ｋ（ケルビン）］と受熱温度Ｔｃ［Ｋ（ケルビン）］を用いて理想成績係数ＩＣＯＰを式１により算出する。
ＩＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｃ） ・・・ 式１
この式から、与熱温度と受熱温度の差が小さければ理想係数が高くエネルギーの消費効率がよいことがわかる。
【００４２】
エネルギー効率算出部１１０は、理想成績係数ＩＣＯＰからヒートポンプの理論効率から実質効率への変換係数ＥＩＲを用いて実質成績係数ＲＣＯＰを式２により算出する。
ＲＣＯＰ＝ＩＣＯＰ×ＥＩＲ ・・・ 式２
【００４３】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、実質成績係数ＲＣＯＰにもとづいてヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥを式３により算出する（Ｓ２６）。
ＣＥＥ＝１／（ＲＣＯＰ−１） ・・・ 式３
これにより、受熱側の単位熱量当りの蒸気を与熱温度まで昇温するために必要な電力を算出できる。
【００４４】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥおよび発電機１６の発電効率ＣＧＥにもとづいて単位熱量当りの自家発電量ＰＥＧを式４により算出する（Ｓ２８）。
ＰＥＧ＝（１＋ＣＥＥ）／（１−ＣＧＥ）×ＣＧＥ ・・・ 式４
これにより、ヒートポンプ２０から供給される熱量に対して単位熱量当りの自家発電量を算出できる。
【００４５】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥ、発電機１６の発電効率ＣＧＥ、およびボイラー１２の燃料のエクセルギー効率ＦＥにもとづいてボイラー１２の燃料の省エクセルギー量ＦＣＥを式５により算出する（Ｓ３０）。
ＦＣＥ＝｛（１＋ＣＥＥ）／（１−ＣＧＥ）／ＣＧＥ｝×ＦＥ ・・・ 式５
これにより、ヒートポンプ２０から供給される熱量に対して単位熱量当りのボイラー１２の燃料の省エクセルギー量を算出できる。
【００４６】
最後に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプ２０の電力消費係数ＣＥＥ、エネルギーシステム１０の自家発電量ＰＥＧ、ボイラー１２の燃料の省エクセルギー量ＦＣＥにもとづいて組合せのエクセルギー効率を式６により算出する（Ｓ３２）。
エクセルギー効率＝ＦＣＥ−（ＰＥＧ＋ＣＥＥ）／ＥＰ／ＦＥＰ ・・・式６
なおＥＰは電力会社の発電効率を、ＦＥＰは電力会社の使用燃料のエクセルギー効率を示す。
【００４７】
以上により、所定の組合せのエネルギー効率を算出できる。エネルギー効率算出部１１０は、エネルギー効率の算出処理を組合せ抽出部１０６により抽出された全ての組合せに対して実行する。
【００４８】
ところでエネルギーシステム１０において温度が比較的低い使用先のない回収熱が余ることがあり、多くはそのまま捨てられる。しかしながら近年開発が進んでいる低位熱用のランキンサイクル発電やカリーナ発電などの低位熱発電に用いることは可能である。そこでエネルギー効率算出部１１０は、最適な組合せのヒートポンプ２０をエネルギーシステム１０に導入して発生した余剰熱を低位熱発電に利用した場合のエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出してよい。この場合エネルギー効率の算出処理に、低位熱発電による発電量の増加に応じた自家発電量または系統電力からの購入電力量の削減をエクセルギー効率の算出に組み入れる。これにより、省エネルギーの余地をより多く見出すことができる。
【００４９】
図６は、与熱系と受熱系との熱量の過不足を示す図である。縦軸はカルノーファクターを示し、横軸はエンタルピーＭＷを示す。図６は、ヒートポンプ２０の導入効果の高い箇所を視覚的に示すＥＵＧＣＣ（Exergy Utility Grand Composite Curve）である。
【００５０】
図６には、同じカルノーファクター区分の与熱側の用役の熱量を統合した与熱複合線６４と、同じカルノーファクター区分の受熱側の用役の熱量を統合した受熱複合線６６とが記載される。与熱複合線６４と受熱複合線６６が接する箇所、すなわち両方の熱量の差がゼロとなる箇所をピンチポイント６８とする。ピンチポイント６８の上側は熱が不足している領域を示し、ピンチポイント６８の下側は熱が余っている領域を示す。カルノーファクターはカルノー効率に関する指標値である。
【００５１】
つまり、図６を見ると、受熱複合線６６の熱を与熱複合線６４まで移動させて、エネルギー効率を改善する余地があると推定できる。与熱複合線６４の下端を基準６２とし、受熱複合線６６から基準６２に熱を移動するヒートポンプの場合、基準６２と受熱複合線６６との間が離れすぎるとヒートポンプ２０のエネルギー効率が低くなり、ヒートポンプ２０の導入の効果は低くなる。縦軸をカルノーファクターとした図では、与熱複合線６４と受熱複合線６６の間の領域がヒートポンプの理論所要動力とほぼ等しくなる。図中の領域６０、領域６１および領域６３のうち領域６３がヒートポンプ２０の導入効果が高い箇所であると視覚的に推定できる。
【００５２】
図示部１１６は与熱系と受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すデータを作成する。具体的に図示部１１６は、保持部が保持する与熱系の与熱温度および受熱系の受熱温度の情報にもとづいてカルノー効率を算出し、そのカルノー効率での与熱系と受熱系との熱量の差を示すデータを作成する。最適な組合せを算出する処理を実行する前に、図示部１１６により熱量の過不足を視覚的に表すことで、ヒートポンプ２０の導入効果が高いであろう箇所に解析対象を絞ることができ、ヒートポンプ２０の導入検討を効率的に行うことができる。また、最適組合せ算出部１１２により算出された結果の妥当性も確認できる。
【００５３】
図６では縦軸をカルノーファクターで示したが、縦軸を温度で区分して作成してもよい。縦軸の指標を温度とすると、縦軸が与熱系および受熱系の各用役の温度と対応しているため、図面の解釈が容易となる。一方、カルノー効率を指標値に取るとヒートポンプ２０に必要な理論所要動力が図上の面積として近似できるので、ヒートポンプ２０に必要な動力の視覚的な理解が容易にできる。
【００５４】
以上、実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１０ エネルギーシステム、 １２ ボイラー、 １４ タービン、 １５ プロセス、 １６ 発電機、 １７ 復水器、 １８ 高圧蒸気経路、 １９ 中圧蒸気経路、 ２０ ヒートポンプ、 ２１ 低圧蒸気経路、 ２２ 冷却水経路、 １００ 解析装置、 １０２ 情報取得部、 １０４ リスト保持部、 １０６ 組合せ抽出部、 １０８ 組合せ保持部、 １１０ エネルギー効率算出部、 １１２ 最適組合せ算出部、 １１６ 図示部、 １１８ 表示部、 ２００ 入力装置、 ３００ モニタ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーシステムのエネルギー効率を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１にはエネルギーと物質を生産したり消費したりする化学プラント等の工場設備や市街地等の地区内において、エネルギーと物質の回収・再利用を最適化する技術が開示されている。この技術によるとエネルギー系および物質系のそれぞれの対象系が複合的に最適化される。また非特許文献１には、熱回収システムにおいて熱量と温度に着目して省エネルギーの改善ポテンシャルを解析する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１６８１９５号明細書
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】巽浩之および松田一夫、「ピンチテクノロジー（省エネルギー解析の手法と実際）」、財団法人・省エネルギーセンター
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、化学工場や石油プラント等のエネルギーシステムにおいて排熱を有効に利用して、エネルギー効率を高めようとする試みがある。エネルギーシステムの個々の要素技術においてエネルギー効率を高めることはすでに実行されているため、個々の要素技術に着目してもエネルギー効率を高める余地は少ない。
【０００６】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率を解析する解析装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は、用役によって与熱をされる与熱系、および用役によって受熱をされる受熱系を有するエネルギーシステムのエネルギー効率を解析する解析装置であって、少なくとも一つ以上の与熱系の用役に供給される与熱熱量およびその与熱温度の情報と、少なくとも一つ以上の受熱系の用役に供給される受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する情報取得部と、情報取得部が取得した情報を保持する保持部と、保持部に保持される与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給する与熱系と受熱系との用役の組合せを抽出する組合せ抽出部と、それぞれの組合せについてヒートポンプを導入した場合におけるエネルギーシステムのエネルギー効率を算出するエネルギー効率算出部と、エネルギー効率算出部により算出した組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の最適な組合せを算出する最適組合せ算出部と、を備える。
【０００８】
この態様によると、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率の改善を解析することができる。また大規模なエネルギーシステムにおいてもヒートポンプをどこに導入すればエネルギー的に効果的か算出することができ、ヒートポンプの導入による新たな省エネルギーの余地を見出すことができる。
【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る解析装置によれば、エネルギーシステムにヒートポンプを導入した場合のエネルギー効率を解析できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムを示す概略図である。
【図２】実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムのＳＳＳＰ解析図である。
【図３】実施形態に係る解析装置の機能および構成を示すブロック図である。
【図４】実施形態に係る解析装置における一連の処理を示すフローチャートである。
【図５】エネルギー効率の算出処理のフローチャートである。
【図６】与熱系と受熱系との熱量の過不足を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において本発明に係る各実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステム１０を示す概略図である。エネルギーシステム１０とは、与熱システムおよび受熱システムを有する工場や所定の地域であって、工場の集合体であってもよい。ここで与熱系とは、エネルギーシステム１０において用役によって加熱される、すなわち熱を与えられる熱交換器をいう。受熱系とは、エネルギーシステム１０において用役によって冷却される、すなわち熱を受ける熱交換器および蒸気回収装置をいう。つまり与熱系は加熱を要求するシステムであり、受熱系は冷却を要求する、または蒸気回収のためのシステムである。用役とは、与熱系または受熱系に供給する蒸気や温水等の熱をいう。
【００１４】
このエネルギーシステム１０には温度が高い順に高圧蒸気経路１８、中圧蒸気経路１９、低圧蒸気経路２１、および冷却水経路２２が設けられ、それぞれに所定の温度の蒸気または水が流通している。
【００１５】
ボイラー１２は高圧蒸気経路１８に所定の温度および熱量の蒸気を供給する。タービン１４および第１プロセス１５ａは高圧蒸気経路１８から蒸気を受け取り、蒸気を使用して中圧蒸気経路１９に排出する。タービン１４には、発電機１６および復水器１７が接続される。自家発電をする発電機１６は発電した電力を電力会社２６に売るか、またはエネルギーシステム１０内で発電した電力を用いる。また高圧蒸気経路１８から中圧蒸気経路１９に蒸気が送られる。
【００１６】
第２プロセス１５ｂは中圧蒸気経路１９から蒸気を受け取り、蒸気を使用して低圧蒸気経路２１に排出する。また、第３プロセス１５ｃは中圧蒸気経路１９から蒸気を受け取り使用する。第４プロセス１５ｄは低圧蒸気経路２１から蒸気を受け取り使用する。冷却塔から送られた冷却水経路２２には冷却水が循環する。冷却水はたとえば６０℃の温水である。
【００１７】
このエネルギーシステム１０にはヒートポンプ２０が一つ導入された例を示しており、ヒートポンプ２０は冷却水経路２２の冷却水を昇温して中圧蒸気経路１９内の温度に合わせた蒸気を供給する。ヒートポンプ２０は、電力会社２６から買った電力もしくは工場で自家発電した電力を使用する。これにより第３プロセス１５ｃにヒートポンプ２０から蒸気が供給される。
【００１８】
このエネルギーシステム１０からヒートポンプ２０を除いたエネルギーシステムと比較すると、ヒートポンプ２０を用いることで電力使用量は増加する。一方、第３プロセス１５ｃはヒートポンプ２０から蒸気が供給されるため、高圧蒸気経路１８から中圧蒸気経路１９に送るべき蒸気の量は少なくてすむ。そのため、ボイラー１２から供給する蒸気を減少させ、ボイラー１２の燃料の使用量を減少させることができる。一方、ボイラー１２の燃料使用量が減少すると、高圧蒸気経路１８の蒸気が減少し、発電機１６の発電量が減少する。またタービン１４から中圧蒸気経路１９に抽気される蒸気も減少する。
【００１９】
つまり、エネルギーシステム１０にヒートポンプ２０を導入したことで、ボイラー１２の燃料使用量は減少したものの、ヒートポンプ２０の電力使用量は増加し、発電機１６の自家発電量も減少する。したがって、ヒートポンプ２０を導入することによる効果は、これらの外部から入出したエネルギーを総合して算出される。図１に示すエネルギーシステム１０は概略を示すもので、実際の工場では第３プロセス１５ｃや第４プロセス１５ｄは数十〜数百基設けられる場合があり、そのようなエネルギーシステム１０でヒートポンプ２０をどこに導入すればエネルギーシステム１０全体のエネルギー上の効果が改善するか解析することは非常に難しい。実施形態の解析装置によれば、どこにヒートポンプ２０を導入すればエネルギー効率を最大化できるか解析することができる。
【００２０】
図２は、実施形態に係る解析装置がエネルギー効率を解析するエネルギーシステムのＳＳＳＰ解析図である。ＳＳＳＰ（Site Source and Sink Profile）解析とは非特許文献１に記載の解析法であり、エネルギーシステム全体から用役によってプロセスの与熱および受熱を行っている熱交換器のデータを収集し、与熱操作および受熱操作ごとに用役およびプロセスの熱複合線をプロットしたものである。図２の縦軸は温度℃を示し、横軸は熱量毎時ＭＷ（メガワット）を示す。中心線Ｃから図面左側にはプロセス３０の用役３１による受熱のプロットを示し、図面右側にはプロセス３２の用役３３による与熱のプロットを示す。
【００２１】
図２には、所定のエネルギーシステムにおいてどのような与熱および受熱の要求があるか記載される。与熱側の用役３３はプロセス３２を加熱するために消費され、受熱側の用役３１はプロセス３０が持つ熱を蒸気や冷却水に捨てていることを示す。この図を用いてたとえば受熱側で回収した用役３１を与熱側の用役３３として利用できるか検討できる。ヒートポンプ２０を用いない場合であれば、受熱側の用役３１の温度Ｔｃが与熱側の用役３３の温度Ｔｈ以上であれば組み合わせて、受熱側の熱を与熱側に利用することが可能である。
【００２２】
しかしながらヒートポンプ２０を用いた場合、受熱側の用役３１の温度Ｔｃが与熱側の用役３３の温度Ｔｈより低ければヒートポンプ２０を導入することが可能である。たとえばＴｃ３はＴｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３およびＴｈ４と、Ｔｃ２はＴｈ２、Ｔｈ３およびＴｈ４と組合せは複数有り、組合せの自由度は大きく、組合せの選択肢は非常に多い。実施形態の解析装置を用いることでヒートポンプ２０をいずれに導入すればエネルギーシステムのエネルギー効率を改善できるか解析できる。なおエネルギー効率は、外部から加えたエネルギーに対して有効利用できるエネルギーの比である。
【００２３】
図３は、実施形態に係る解析装置１００の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
【００２４】
解析装置１００は、情報取得部１０２、リスト保持部１０４、組合せ抽出部１０６、組合せ保持部１０８、エネルギー効率算出部１１０、最適組合せ算出部１１２、図示部１１６および表示部１１８を備える。
【００２５】
解析装置１００は、入力装置２００およびモニタ３００に接続される。情報取得部１０２は入力装置２００から受け取った情報を取得し、その情報をリスト保持部１０４に送出する。リスト保持部１０４は、情報取得部１０２から受け取った情報を保持する。たとえば、入力装置２００に入力される情報は、少なくとも与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度である。このように熱交換器の熱量および温度に着目することで、エネルギーシステム１０の場所の制限を受けずに解析できる。そのため、最初に対象工場群全体のエネルギーシステムの効率を最大化する組合せを求めて、ヒートポンプ２０の導入効果が高い工場の組合せを絞り、次に、実際の工場間の配置に合わせて、対象工場を絞り、再度解析を行い、ヒートポンプ２０の導入位置を絞っていく検討が可能である。例えば、仮に第１工場、第２工場、第３工場の三つの工場の熱交換器の情報を取得すれば、まず第１工場、第２工場、第３工場の３つの工場にヒートポンプ２０を導入した場合を解析し、次にエネルギー効率を最大化する組合せのあった第１工場と第３工場のみを解析したり、隣接する第１工場と第２工場のみに絞って解析したりすることができる。
【００２６】
リスト保持部１０４は、与熱系の用役の熱量および温度の情報をリストにして保持し、受熱系の用役の熱量および温度の情報をリストにして保持する。
【００２７】
組合せ抽出部１０６は、リスト保持部１０４が保持する与熱系および受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプ２０により受熱系の蒸気または水を昇温して与熱系に供給できる与熱系の用役と受熱系の用役との組合せを抽出する。具体的に組合せ抽出部１０６は、受熱系の用役の温度が与熱系の用役の温度より低い与熱系と受熱系の用役の組合せを全て抽出する。組合せ保持部１０８は組合せ抽出部１０６が抽出した組合せを保持する。
【００２８】
エネルギー効率算出部１１０は、組合せ抽出部１０６が保持するそれぞれの組合せについて、ヒートポンプ２０により受熱系が取得した水および蒸気を昇温して与熱系に供給した場合におけるエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出する。エネルギー効率算出部１１０は、与熱熱量を削減した場合における省エネルギー効果と、受熱系の排熱をヒートポンプ２０により与熱系の温度まで昇温した場合の成績係数と、を算出し、与熱系の省エネルギー効果および与熱系の成績係数にもとづいてエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出する。これにより組合せ抽出部１０６により抽出した与熱系と受熱系の用役の組合せに、ヒートポンプ２０を導入した場合のエネルギーシステム１０のエネルギー効率が算出できる。
【００２９】
エネルギー効率算出部１１０は、エネルギーシステム１０が与熱系において加熱された蒸気を用いて自家発電をする場合に、ヒートポンプ２０の導入による自家発電の発電量の減少をエネルギーシステム１０のエネルギー効率に算入する。これによりエネルギーシステム１０にヒートポンプ２０を導入した場合の解析において精度良くエネルギー効率の変化を算出することができる。
【００３０】
最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出した各組合せについてのエネルギー効率にもとづいて与熱系と受熱系の用役の最適な組合せを算出する。最適な組合せとは、エネルギー効率を最もよくするための組合せである。
【００３１】
最適組合せ算出部１１２は最適な複数の組合せを算出してよい。たとえば、最適組合せ算出部１１２は、最もエネルギー効率のよい用役の第１の組合せを選択し、その受熱系の受熱熱量をヒートポンプ２０により全て昇温して与熱系の用役に供給する場合を演算する。すると、ヒートポンプ２０が昇温した熱量が、第１の組合せの与熱系の用役に供給したあとに余ることがある。最適組合せ算出部１１２はその余った熱量を２番目以降にエネルギー効率のよい組合せの与熱系に供給することを検討する。最適組合せ算出部１１２は、２番目以降にエネルギー効率のよい第２の組合せの与熱系の用役の与熱温度がヒートポンプ２０により昇温した温度より低ければ、余った熱量を供給するとして、第１の組合せおよび第２の組合せを最もエネルギー効率のよい用役の組合せとして導出する。また第２の組合せに供給した熱量が余れば、最適組合せ算出部１１２はさらに第３の組合せの与熱系の用役に供給する処理を実行してよい。そして最適組合せ算出部１１２は、第１、第２および第３の組合せを最適解として算出する。このように、逐次的に処理してもよく、ＥＸＣＥＬ（商標もしくは登録商標）のソルバー機能等により一括して最適化処理を実行してもよい。
【００３２】
図示部１１６は、与熱系と受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すためのデータを作成する。表示部１１８は、最適組合せ算出部１１２および図示部１１６から受け取った情報をモニタ３００に送出し、モニタ３００に表示させる。
【００３３】
図４は、実施形態に係る解析装置１００における一連の処理を示すフローチャートである。まず情報取得部１０２は、入力装置２００から入力された与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度の情報と、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度の情報を受け取り（Ｓ１０）、その情報をリスト保持部１０４に送る。なお、情報取得部１０２は、入力装置２００から他の情報も取得する。たとえば情報取得部１０２は、図１に示すエネルギーシステム１０において、各ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率および発電機１６の発電効率の情報を取得する。
【００３４】
リスト保持部１０４は、与熱系の用役の与熱熱量および与熱温度の情報と、受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度をリストにして保持する（Ｓ１２）。組合せ抽出部１０６は、リスト保持部１０４から与熱系および受熱系の情報のリストを受け取り、そのリストにもとづいて受熱系の用役の受熱温度が与熱系の用役の与熱温度より低い与熱系と受熱系の用役の組合せを全て抽出する（Ｓ１４）。エネルギーシステム１０においてヒートポンプ２０は受熱系が取得した水または蒸気を昇温して与熱系に供給するので、組合せ抽出部１０６によりヒートポンプ２０を導入可能な箇所を抽出することができる。このように、ＳＳＳＰ解析を用いて、与熱および受熱の熱交換器の熱量と温度に着目することでヒートポンプを導入可能な箇所を容易に抽出することができる。いままで想定していなかった新たな温度の熱を回収できる可能性を見出すことができる。なお、ヒートポンプ２０の圧縮には限界があるため、組合せ抽出部１０６は与熱温度と受熱温度の差が所定の閾値以上であれば、与熱温度が受熱温度より高くても抽出しなくてよい。
【００３５】
組合せ保持部１０８は、組合せ抽出部１０６が抽出した各組合せを保持する。エネルギー効率算出部１１０は、組合せ保持部１０８が保持する各組合せのエネルギー効率を算出する処理を実行する（Ｓ１６）。エネルギー効率の算出処理では各ボイラー１２の加熱効率、各ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率、発電機１６の発電効率および電力会社の発電効率が用いられて算出される。なお、エネルギー効率算出部１１０が算出するエネルギー効率は、エネルギーの代わりに燃料のエクセルギーをも考慮に入れた、より厳密なエクセルギーで評価することもできる。エクセルギーとはエネルギーのうち有効に利用できるエネルギーをいう。つまり解析装置１００は、エネルギーシステムのエネルギー効率およびエクセルギー効率のいずれでも解析できる。
【００３６】
最適組合せ算出部１１２は、エネルギー効率算出部１１０により算出された各組合せのエネルギー効率にもとづいて、ヒートポンプ２０を導入した場合に最適なエネルギー効率の組合せを算出する（Ｓ１８）。以上により、エネルギーシステム１０のどの箇所にヒートポンプ２０を導入したら最もエネルギー効率を改善できるか解析することができる。
【００３７】
なおヒートポンプ２０の導入によりヒートポンプ２０からの蒸気量が増すため、導入前のエネルギーシステム１０においてボイラー１２で供給していた蒸気量は減少する。これにより、抽気復水発電による抽気量が減少し、その自家発電量が減少する。これはエネルギーシステム１０の電力需要が電力会社が供給する系統電力に依存する型になることを意味する。自家発電より電力会社の発電の方が発電効率がはるかに高いため、省エクセルギーおよび二酸化炭素の削減の大幅な効果を有する。さらにヒートポンプ２０はエネルギーシステム１０内の未利用熱を、わずかの電力で用いることができるためエネルギーシステム１０のエネルギー効率を大きく改善することが可能である。
【００３８】
このヒートポンプ２０を大規模なエネルギーシステム１０において、どこに導入すれば効果的か判断するのは非常に困難である。またエネルギーシステム１０の個別の要素技術に着目しても省エネルギーの余地を見出すことは難しいが、実施形態の解析装置１００によりヒートポンプ２０の導入による省エネルギーの余地を見出すことができる。
【００３９】
図５は、エネルギー効率の算出処理のフローチャートである。エネルギー効率算出部１１０は、リスト保持部１０４から与熱系および受熱系の情報を取得する（Ｓ２０）。
【００４０】
エネルギー効率算出部１１０は、与熱系において、用役の与熱熱量を所定量だけ削減した場合の省エネルギー効果に関する指標値を算出する（Ｓ２２）。以下では、この省エネルギー効果に関する指標値は、１ＭＷの与熱熱量の削減に対して、何ＭＷのエクセルギーが削減できるかを示す。エネルギー効率算出部１１０は、エネルギー効率算出部１１０はボイラー１２の加熱効率、ボイラー１２の燃料のエクセルギー効率、発電機１６の発電効率を用いて算出する。たとえばエネルギー効率算出部１１０は、１ＭＷだけ用役の与熱熱量を削減した場合において、ボイラー１２の燃料の減少量、自家発電減少量を算出して、省エネルギー効果に関する指標値を算出する。
【００４１】
次に、エネルギー効率算出部１１０は受熱系において取得した水または蒸気を与熱温度までヒートポンプ２０で昇温した場合の成績係数を算出する（Ｓ２４）。成績係数は、エネルギーの消費効率を示唆するものである。具体的にエネルギー効率算出部１１０は、まず理想成績係数ＩＣＯＰを算出する。与熱温度Ｔｈ［Ｋ（ケルビン）］と受熱温度Ｔｃ［Ｋ（ケルビン）］を用いて理想成績係数ＩＣＯＰを式１により算出する。
ＩＣＯＰ＝Ｔｈ／（Ｔｈ−Ｔｃ） ・・・ 式１
この式から、与熱温度と受熱温度の差が小さければ理想係数が高くエネルギーの消費効率がよいことがわかる。
【００４２】
エネルギー効率算出部１１０は、理想成績係数ＩＣＯＰからヒートポンプの理論効率から実質効率への変換係数ＥＩＲを用いて実質成績係数ＲＣＯＰを式２により算出する。
ＲＣＯＰ＝ＩＣＯＰ×ＥＩＲ ・・・ 式２
【００４３】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、実質成績係数ＲＣＯＰにもとづいてヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥを式３により算出する（Ｓ２６）。
ＣＥＥ＝１／（ＲＣＯＰ−１） ・・・ 式３
これにより、受熱側の単位熱量当りの蒸気を与熱温度まで昇温するために必要な電力を算出できる。
【００４４】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥおよび発電機１６の発電効率ＣＧＥにもとづいて単位熱量当りの自家発電量ＰＥＧを式４により算出する（Ｓ２８）。
ＰＥＧ＝（１＋ＣＥＥ）／（１−ＣＧＥ）×ＣＧＥ ・・・ 式４
これにより、ヒートポンプ２０から供給される熱量に対して単位熱量当りの自家発電量を算出できる。
【００４５】
次に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプの電力消費係数ＣＥＥ、発電機１６の発電効率ＣＧＥ、およびボイラー１２の燃料のエクセルギー効率ＦＥにもとづいてボイラー１２の燃料の省エクセルギー量ＦＣＥを式５により算出する（Ｓ３０）。
ＦＣＥ＝｛（１＋ＣＥＥ）／（１−ＣＧＥ）／ＣＧＥ｝×ＦＥ ・・・ 式５
これにより、ヒートポンプ２０から供給される熱量に対して単位熱量当りのボイラー１２の燃料の省エクセルギー量を算出できる。
【００４６】
最後に、エネルギー効率算出部１１０は、ヒートポンプ２０の電力消費係数ＣＥＥ、エネルギーシステム１０の自家発電量ＰＥＧ、ボイラー１２の燃料の省エクセルギー量ＦＣＥにもとづいて組合せのエクセルギー効率を式６により算出する（Ｓ３２）。
エクセルギー効率＝ＦＣＥ−（ＰＥＧ＋ＣＥＥ）／ＥＰ／ＦＥＰ ・・・式６
なおＥＰは電力会社の発電効率を、ＦＥＰは電力会社の使用燃料のエクセルギー効率を示す。
【００４７】
以上により、所定の組合せのエネルギー効率を算出できる。エネルギー効率算出部１１０は、エネルギー効率の算出処理を組合せ抽出部１０６により抽出された全ての組合せに対して実行する。
【００４８】
ところでエネルギーシステム１０において温度が比較的低い使用先のない回収熱が余ることがあり、多くはそのまま捨てられる。しかしながら近年開発が進んでいる低位熱用のランキンサイクル発電やカリーナ発電などの低位熱発電に用いることは可能である。そこでエネルギー効率算出部１１０は、最適な組合せのヒートポンプ２０をエネルギーシステム１０に導入して発生した余剰熱を低位熱発電に利用した場合のエネルギーシステム１０のエネルギー効率を算出してよい。この場合エネルギー効率の算出処理に、低位熱発電による発電量の増加に応じた自家発電量または系統電力からの購入電力量の削減をエクセルギー効率の算出に組み入れる。これにより、省エネルギーの余地をより多く見出すことができる。
【００４９】
図６は、与熱系と受熱系との熱量の過不足を示す図である。縦軸はカルノーファクターを示し、横軸はエンタルピーＭＷを示す。図６は、ヒートポンプ２０の導入効果の高い箇所を視覚的に示すＥＵＧＣＣ（Exergy Utility Grand Composite Curve）である。
【００５０】
図６には、同じカルノーファクター区分の与熱側の用役の熱量を統合した与熱複合線６４と、同じカルノーファクター区分の受熱側の用役の熱量を統合した受熱複合線６６とが記載される。与熱複合線６４と受熱複合線６６が接する箇所、すなわち両方の熱量の差がゼロとなる箇所をピンチポイント６８とする。ピンチポイント６８の上側は熱が不足している領域を示し、ピンチポイント６８の下側は熱が余っている領域を示す。カルノーファクターはカルノー効率に関する指標値である。
【００５１】
つまり、図６を見ると、受熱複合線６６の熱を与熱複合線６４まで移動させて、エネルギー効率を改善する余地があると推定できる。与熱複合線６４の下端を基準６２とし、受熱複合線６６から基準６２に熱を移動するヒートポンプの場合、基準６２と受熱複合線６６との間が離れすぎるとヒートポンプ２０のエネルギー効率が低くなり、ヒートポンプ２０の導入の効果は低くなる。縦軸をカルノーファクターとした図では、与熱複合線６４と受熱複合線６６の間の領域がヒートポンプの理論所要動力とほぼ等しくなる。図中の領域６０、領域６１および領域６３のうち領域６３がヒートポンプ２０の導入効果が高い箇所であると視覚的に推定できる。
【００５２】
図示部１１６は与熱系と受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すデータを作成する。具体的に図示部１１６は、保持部が保持する与熱系の与熱温度および受熱系の受熱温度の情報にもとづいてカルノー効率を算出し、そのカルノー効率での与熱系と受熱系との熱量の差を示すデータを作成する。最適な組合せを算出する処理を実行する前に、図示部１１６により熱量の過不足を視覚的に表すことで、ヒートポンプ２０の導入効果が高いであろう箇所に解析対象を絞ることができ、ヒートポンプ２０の導入検討を効率的に行うことができる。また、最適組合せ算出部１１２により算出された結果の妥当性も確認できる。
【００５３】
図６では縦軸をカルノーファクターで示したが、縦軸を温度で区分して作成してもよい。縦軸の指標を温度とすると、縦軸が与熱系および受熱系の各用役の温度と対応しているため、図面の解釈が容易となる。一方、カルノー効率を指標値に取るとヒートポンプ２０に必要な理論所要動力が図上の面積として近似できるので、ヒートポンプ２０に必要な動力の視覚的な理解が容易にできる。
【００５４】
以上、実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５５】
１０ エネルギーシステム、 １２ ボイラー、 １４ タービン、 １５ プロセス、 １６ 発電機、 １７ 復水器、 １８ 高圧蒸気経路、 １９ 中圧蒸気経路、 ２０ ヒートポンプ、 ２１ 低圧蒸気経路、 ２２ 冷却水経路、 １００ 解析装置、 １０２ 情報取得部、 １０４ リスト保持部、 １０６ 組合せ抽出部、 １０８ 組合せ保持部、 １１０ エネルギー効率算出部、 １１２ 最適組合せ算出部、 １１６ 図示部、 １１８ 表示部、 ２００ 入力装置、 ３００ モニタ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
用役によって与熱をされる与熱系、および用役によって受熱をされる受熱系を有するエネルギーシステムのエネルギー効率を解析する解析装置であって、
少なくとも一つ以上の前記与熱系の用役の与熱熱量およびその与熱温度の情報と、少なくとも一つ以上の前記受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する情報取得部と、
前記情報取得部が取得した情報を保持する保持部と、
前記保持部に保持される前記与熱系および前記受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより前記受熱系が取得した水または蒸気を昇温して前記与熱系に供給する前記与熱系と前記受熱系との用役の組合せを抽出する組合せ抽出部と、
それぞれの前記組合せについてヒートポンプを導入した場合における前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出するエネルギー効率算出部と、
前記エネルギー効率算出部により算出した前記組合せについてのエネルギー効率にもとづいて前記与熱系と前記受熱系の最適な組合せを算出する最適組合せ算出部と、を備えることを特徴とする解析装置。
【請求項２】
前記エネルギー効率算出部は、与熱熱量を削減した場合における省エネルギー効果に関する指標値と、前記受熱系が取得した水または蒸気をヒートポンプにより前記与熱系の与熱温度まで昇温した場合の成績係数と、を算出し、前記省エネルギー効果に関する指標値および前記成績係数にもとづいて前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出することを特徴とする請求項１に記載の解析装置。
【請求項３】
前記エネルギー効率算出部は、前記エネルギーシステムが前記与熱系において加熱された蒸気を用いて自家発電をする場合、ヒートポンプの導入による自家発電の発電量の減少を前記エネルギーシステムのエネルギー効率に算入することを特徴とする請求項１または２に記載の解析装置。
【請求項４】
前記エネルギー効率算出部は、前記最適な組合せのヒートポンプを前記エネルギーシステムに導入して生じた余剰熱を低位熱発電に利用した場合の前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の解析装置。
【請求項５】
前記与熱系と前記受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すためのデータを作成する図示部を備え、
前記図示部は、前記保持部が保持する前記与熱系の与熱温度および前記受熱系の受熱温度の情報にもとづいてカルノー効率に関する指標値を算出し、そのカルノー効率に関する指標値での前記与熱系と前記受熱系との熱量の差を示すデータを作成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の解析装置。
【請求項１】
用役によって与熱をされる与熱系、および用役によって受熱をされる受熱系を有するエネルギーシステムのエネルギー効率を解析する解析装置であって、
少なくとも一つ以上の前記与熱系の用役の与熱熱量およびその与熱温度の情報と、少なくとも一つ以上の前記受熱系の用役の受熱熱量および受熱温度の情報と、を取得する情報取得部と、
前記情報取得部が取得した情報を保持する保持部と、
前記保持部に保持される前記与熱系および前記受熱系の情報にもとづいて、ヒートポンプにより前記受熱系が取得した水または蒸気を昇温して前記与熱系に供給する前記与熱系と前記受熱系との用役の組合せを抽出する組合せ抽出部と、
それぞれの前記組合せについてヒートポンプを導入した場合における前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出するエネルギー効率算出部と、
前記エネルギー効率算出部により算出した前記組合せについてのエネルギー効率にもとづいて前記与熱系と前記受熱系の最適な組合せを算出する最適組合せ算出部と、を備えることを特徴とする解析装置。
【請求項２】
前記エネルギー効率算出部は、与熱熱量を削減した場合における省エネルギー効果に関する指標値と、前記受熱系が取得した水または蒸気をヒートポンプにより前記与熱系の与熱温度まで昇温した場合の成績係数と、を算出し、前記省エネルギー効果に関する指標値および前記成績係数にもとづいて前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出することを特徴とする請求項１に記載の解析装置。
【請求項３】
前記エネルギー効率算出部は、前記エネルギーシステムが前記与熱系において加熱された蒸気を用いて自家発電をする場合、ヒートポンプの導入による自家発電の発電量の減少を前記エネルギーシステムのエネルギー効率に算入することを特徴とする請求項１または２に記載の解析装置。
【請求項４】
前記エネルギー効率算出部は、前記最適な組合せのヒートポンプを前記エネルギーシステムに導入して生じた余剰熱を低位熱発電に利用した場合の前記エネルギーシステムのエネルギー効率を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の解析装置。
【請求項５】
前記与熱系と前記受熱系との熱量の過不足を視覚的に示すためのデータを作成する図示部を備え、
前記図示部は、前記保持部が保持する前記与熱系の与熱温度および前記受熱系の受熱温度の情報にもとづいてカルノー効率に関する指標値を算出し、そのカルノー効率に関する指標値での前記与熱系と前記受熱系との熱量の差を示すデータを作成することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の解析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−２９２３３（Ｐ２０１３−２９２３３Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６４３９８（Ｐ２０１１−１６４３９８）
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【出願人】（５０３１４２９８０）有限会社シミュレーション・テクノロジー (2)
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２７日（２０１１．７．２７）
【出願人】（０００００３２８５）千代田化工建設株式会社 (162)
【出願人】（５０３１４２９８０）有限会社シミュレーション・テクノロジー (2)
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