最適設計と最適操作の融合的解法の開発

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15760568
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 野田 賢 京都大学, 工学研究科, 助手 (60293891)
• Keywords: 最適設計 / 最適操作 / 融合的解法 / 化学プロセス / 内点法 / 固体酸化物型燃料電池 / 非定常操作 / 熱交換ネットワーク

Research Abstract

化学プロセスの最適設計問題と最適操作問題を同時に解くことができる融合的解法の開発を行った。開発したシステムでは、プロセスの数式モデルに含まれる状態変数や操作変数を時間的に離散化することで、設計パラメータおよび離散化された操作変数を最適化変数とする多変数最適化問題として定式化し、数理計画手法を用いて解を得る。本研究では、数理計画手法として内点法が適していると考え、その有効性についてまず評価した。その結果、内点法を利用した場合、最適化変数の増加に対して計算時間が緩やかに増大していくのに対し、従来用いていた逐次2次計画法では4000変数を超えると急激に計算時間が増大することが明らかになった。以上より、開発したシステムで用いる数理計画手法には内点法を採用した。
次に設計と操作の同時最適化が必要となる問題の実例として、固体酸化物型燃料電池(SOFC)システムの起動操作の高速化を取り上げるため、まずその物理モデルの作成を行った。SOFC発電システムは、主として発電膜、複数の燃焼機、熱交換器から構成され、それらの動的挙動を表す数式モデルを、実際の企業で試運転に入っているプロトタイプ装置の設計データから構築した。構築した物理モデルを用いたダイナミックシミュレーション結果とプロトタイプ装置の実験データを比較した結果、物理モデルは現実の装置の動的な挙動を十分表現できていることが確認された。
また、プロセスの非定常操作を考慮した熱交換ネットワ-ク最適設計手法についても開発を行った。提案する手法では、定常プロセス熱交換ネットワークの最適設計に用いられるトランスシップメントモデルに、プロセスに含まれる主要機器の離散化モデルとして熱的動特性を組み込むことで、モデルの線形性を維持したまま各機器の昇温速度制約などの動的操作制約を考慮した設計を可能とした。開発した手法を、高速起動操作を目的とした燃料電池熱交換ネットワークシステムの合成問題に適用しその有効性を確認した。

Research Products

• [Publications] 小野, 園田, 大谷, 倉世古, 野田, 長谷部: "燃料電池システムの最適起動操作"化学工学論文集. 29・4. 477-482 (2003)