汚泥焼却炉の動特性同定方法
【課題】汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を生成すること。
【解決手段】本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う循環式流動焼却炉の応答量の変化を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける循環式流動焼却炉の応答量を検出し、検出された循環式流動焼却炉の応答量を用いて目的操作端の操作量の変化に対する循環式流動焼却炉の応答量を抽出する。これにより、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成することができる。
【解決手段】本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う循環式流動焼却炉の応答量の変化を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける循環式流動焼却炉の応答量を検出し、検出された循環式流動焼却炉の応答量を用いて目的操作端の操作量の変化に対する循環式流動焼却炉の応答量を抽出する。これにより、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環式流動焼却炉や気泡式流動焼却炉等の汚泥焼却炉の動特性を同定する汚泥焼却炉の動特性同定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
循環式流動焼却炉は、特許文献１に開示されているように、炉本体に充填された硅砂等からなる流動媒体を流動空気により流動させ、燃焼ガスに同伴されて炉本体から排出された流動媒体をサイクロンで回収して炉本体下部へ循環させながら廃棄物を焼却する共に、後燃焼炉で燃焼ガスを分解する炉である。この循環式流動焼却炉は、含水率や発熱量等の異なる幅広い廃棄物を安定して焼却できるため、下水汚泥等の廃棄物の焼却処理に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２６３６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境問題に対応するため、汚泥焼却炉から排出されるＮ２Ｏ等の温室効果ガスを低減することが要望されている。温度効果ガスの低減を図るためには、後燃焼炉の温度を高め、完全燃焼の度合いを高めることが有効である。例えば、後燃焼炉の温度を８００℃から８５０℃に上げることによって温室効果ガスは約７割低減する。一方、炉本体の温度は、燃焼が保たれるように一定温度以上に維持する必要があり、そのために燃料を増加させる必要がある。
【０００５】
従来のＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御では単一の目標値に対してのみしか制御値を制御できない。このため、炉本体の温度を一定温度に維持しながら、後燃焼炉の温度を高温に維持しようとする複数の目標値がある場合、カスケード制御によって温度制御が行われる。しかしながら、カスケード制御によって温度制御を行った場合、燃料の流量と流動空気の風量とが干渉し、過剰な流動空気の供給による燃料の過剰供給が生じ、あるいは炉本体の温度低下による燃焼停止が発生する場合があり、安定した燃焼制御を行うことができないことがあった。
【０００６】
このような背景から、特許出願人は、多層燃焼制御（モデル予想制御）理論を適用した循環式流動焼却炉の温度制御装置及びその温度制御方法を提案した。この温度制御装置及び温度制御方法によれば、炉本体の温度を目的の一定温度に維持しつつ、後燃焼炉の温度を目的の温度に維持する温度制御を安定して行うことができる。
【０００７】
ところで、多層燃焼制御理論を適用するためには、循環式流動焼却炉の動特性を同定する必要がある。システムの動特性を同定する方法としては、一般に、ステップ応答法が知られている。このステップ応答法とは、操作端の操作量を一つずつ変化させて操作端の操作量の変化に対するシステムの応答量の変化を検出するものである。しかしながら、このようなステップ応答法によれば、操作端の操作量を一つずつ変化させていくために、操作端の数が多くなると実行すべきステップ数が多くなり、システムの動特性を決定するまでに多くの時間を要する。
【０００８】
また、循環式流動焼却炉では汚泥性状が一定ではなく変化するために、同じ条件でステップ応答テストを実行しても同じ挙動が得られてないことがある。また、循環式流動焼却炉では、ステップ開始条件を形成するために炉を安定化させる必要があり多くの時間を要すると共に、ステップ条件によっては炉を危険な状態にしてしまう可能性がある。同様の問題は、気泡式流動焼却炉においても発生する。このような背景から、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定可能な汚泥焼却炉の動特性同定方法の提供が期待されていた。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定可能な汚泥焼却炉の動特性同定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る汚泥焼却炉の動特性同定方法は、複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉の動特性同定方法であって、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って前記複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける汚泥焼却炉の応答量を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された汚泥焼却炉の応答量を用いて前記目的操作端の操作量の変化に対する汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出する抽出ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る汚泥焼却炉の動特性同定方法によれば、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す制御装置内におけるモデル予測演算処理の概要を示す図である。
【図３】図３は、モデル予測演算によるにおける評価関数の行列式を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法を説明するための概念図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法の変形例を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法について説明する。
【００１４】
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉１は、炉本体（ライザー）１０を備えている。ライザー１０は、略円筒形状の部材によって構成され、内部には希薄層１１及び濃厚層１２と称される充填された硅砂等の流動媒体の粒子留まりが形成されている。
【００１５】
ライザー１０の下部に充填された流動媒体（平均粒子径２００〜５００μｍ）は、流動空気により炉内で流動され、投入された汚泥を激しく攪拌しつつ８００〜９００℃で燃焼させる。燃焼ガスは、流動媒体及び焼却灰と共にサイクロン２０に送られて固気分離され、ライザー１０下部に循環されながら汚泥を焼却する。燃焼ガスは後燃焼炉３０で熱分解され、温室効果ガスの削減が行われる。ライザー１０の下部には、汚泥供給ポンプ６０を介して汚泥が供給され、同じく、バルブ５１及び燃料流量検出部７１を介して燃料７０が供給される。バルブ５１は、燃料流量調節器（ＦＩＣ）４１によって、燃料流量検出器７１で検出された燃料流量が制御装置１００から指示された制御量となるように開度制御される。
【００１６】
ライザー１０の下部には１次空気ブロワ８０からバルブ５２を介して供給される１次空気が、後燃焼炉３０の上部又は中部には、２次空気ブロワ９０から供給される２次空気が、後燃焼炉３０の中部又は下部には、２次空気から分岐して生成される３次空気がそれぞれ供給される。１次空気温度調節器４２は、制御装置１０によって指示された制御量の１次空気をライザー１０下部の濃厚層１２に供給するように、図示しない１次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５２の開度を制御する。２次空気温度調節器４３は、制御装置１００から指示された制御量の２次空気を、後燃焼炉３０の上部又は中部に供給するように、図示しない２次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５３の開度を制御する。３次空気温度調節器４４は、制御装置１００から指示された制御量の３次空気を後燃焼炉３０の中部又は下部に供給するように、図示しない３次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５４の開度を制御する。
【００１７】
ライザー１０の上部には、複数の熱電対からなる熱電対群１３が、また後燃焼炉３には、複数の熱電対３３がそれぞれ分散配置され、それぞれの炉内温度が計測されるようになっている。この循環式流動焼却炉１では、ライザー１０において、下部に供給された汚泥を同じく下部から供給される燃料及び１次空気によって燃焼させ、後燃焼炉３０において、ライザー１０から排出される排ガスを上部又は中部に供給される２次空気によって燃焼させ、同じく下部では、ライザー１０及び後燃焼炉３０上部又は中部で不完全燃焼のものを、３次空気を用いて完全燃焼させるようにしている。
【００１８】
制御装置１００には、燃料流量検出器７１、図示しない汚泥流量検出器、１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次空気風量検出器、流動空気検出器から、それぞれ燃料流量、汚泥流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量、流動空気風量が入力されるとともに、熱電対群１３、３３からそれぞれライザー１０の炉内温度及び後燃焼炉３０の炉内温度が入力されている。制御装置１００には、後燃焼炉３０からガスセンサ３５により検出されるＯ２やＮ２Ｏ等の排ガス成分値も入力されている。制御装置１００は、後述するモデル予測演算後、燃料流量調節器４１、１次空気風量調節器４２、２次空気風量調節器４３、３次空気風量調節器４４にそれぞれ制御量としての燃料流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量を出力する。
【００１９】
制御装置１００は、入力されたライザー１０の炉内温度と後燃焼炉３０の炉内温度がそれぞれ設定された温度に保たれ、燃料流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量が少なくなるようにモデル予測制御を行なう。このため、制御装置１００は、各流量・風量の制御値を、燃料流量検出器７１、図示しない１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次風量検出器のそれぞれに出力する。燃料流量検出器７１、そして図示しない１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次空気風量検出器は、それぞれ入力された各制御値をもとに、ＰＩＤ制御によるフードバック制御を個別に行う。
【００２０】
制御装置１００は、図２に示すようにモデル予測演算部１００ａを有し、このモデル予測演算部１００ａが上記したモデル予測制御を行う。なお、モデル予測制御とは、システムのモデルをもとに未来の出力や状態を予測し、一定時刻毎に最適制御問題を解き、その時刻での入力を決定する制御である。また、現代制御特有の多入力・多出力制御を可能にし、制御量の干渉を生じさせることがない。特に、このモデル予測制御は、制約条件を容易に記述できることから、制約条件を扱うことができる制御方法として注目されている。
【００２１】
この循環式流動焼却炉１の制御を行う場合、燃料及び空気の各供給量が、炉のサイズ等に大きく依存する未知の制御量であり、この場合、燃料停止等の問題が生じないような大枠としての制約条件として、燃料及び空気の各供給量を当てはめ、後燃焼炉３０の上部、中部及び下部の複数の温度目標値を一定温度に保ちつつ、燃料７０及び空気の各供給量を予測制御することができる。
【００２２】
モデル予測演算部１００ａは、予めこの汚泥熱焼システムの動特性を生成しておく。精密な物理モデルの構築は困難であるため、ここでは、ステップ応答モデルを生成する。ステップ応答モデルは、ステップ入力した場合のステップ応答を飽和するまでの時間と値で表現する。本実施形態では、熱電対群１３によって検出されるライザー１０内の複数の温度、熱電対群３３によって検出される後燃焼炉３０の複数の温度、１次空気の風量、２次空気の風量、３次空気の風量、燃料７０の流量に対するステップ応答モデルを生成する。ステップ応答モデルの生成方法については後述する。
【００２３】
モデル予測演算部１００ａは、このステップ応答モデルに、空気比の制約条件を記述しておく。上述したように、燃料及び空気の制御量は未知のものであり、この熱料及び空気を制御するにあたり、空気比の制約条件をステップ応答モデルに記述しておく。ここで、空気比とは、燃料を完全燃焼させる必要最低限の理論空気量Ａと実際に供給されている空気量Ｂとの比であり、例えば、空気比ＡＦＲは、ｆａｉｒ／（ηｃａｋｅ×ｆｃａｋｅ＋ηｆｕｅｌ×ｆｆｕｅｌ）として示される。ηｃａｋｅは、汚泥を完全燃焼させるために必要な汚泥理論空気比であり、ｆｃａｋｅは汚泥の流量であり、ηｆｕｅｌは燃料を完全燃焼させるに必要な熱量理論空気比であり、ｆｆｕｅｌは燃料の流量である。空気比ＡＦＲは、上限空気比ｒｍａｘと下限空気比ｆｍｉｎとの範囲内に収まる制約条件が記載される。
【００２４】
モデル予測演算部１００ａは、このモデルをもとに、モデル予測演算を行うが、このモデル予測演算を行うために、図２に示すように、まず、ライザー１０の５つの炉内温度、後燃焼炉３０の複数の炉内温度の設定温度値１０１が入力される。また、上記した制約条件の条件値である制約条件１０２も入力される。例えば、上記した空気比の上限値及び下限値である。ライザー１０の上部温度の上限値を制約条件として入力とてもよい。さらに、演算条件１０３を入力しておく。演算条件とは、実際の演算に必要な設定スケールや演算パラメータであり、例えば演算周期（サンプリング周期）や予測期間等である。
【００２５】
このような設定処理が施されたモデル予測演算部１００ａは、熱電対群１３、３３から現在温度１１０を取得し、この現在温度１１０が温度設定値１０１、排ガス成分であるＯ２やＮ２Ｏの設定値１０４（例えば、Ｏ２の場合５％、Ｎ２Ｏの場合５０〜１００ｐｐｍ等）を維持するための予測演算を行うとともに、燃料の流量及び空気の風量の現在操作量１２０が、入力され制約条件を満足する範囲内で燃料の流量及び空気の風量の次時刻操作量１３０を出力する。汚泥の固形分は、固形分＝汚泥流量×（１−含水率）で求められ、この固形分の組成分析結果から燃焼分を知ることができる。この燃焼分は、空気量に関係する「汚泥からの必要燃焼空気風量」の演算に関与するため、汚泥流量のステップ応答モデルを生成し、これをモデル予測制御に取り込むことによって、汚泥流量による変動を抑制できる。
【００２６】
このモデル予測演算の概要は、図３に示すように、既知パラメータ２０１と現在（時刻ｋ）の現在入出力値２０２を初期値とし、設定パラメータ２０３を用いて所定サンプリング時刻毎（ｋ＋１，ｋ＋２，・・・，ｋ＋Ｎ：Ｎは整数）の予測入力値２０４とを表す状態方程式を求め、このうちの予測出力値２０４を用いて評価関数Ｊを生成し、この評価関数Ｊに対する最適解、即ち最小値を求める最適演算を行う。この最適値演算は、空気比等の制約条件１０２を満足し、温度設定値１０１と予測温度値との制御誤差の距離を含む各要素の最小値を求め、このときの予測入力値２００を次時刻操作量１３０として出力する。この結果、ライザー１０の炉内温度や後燃焼炉３０の炉内温度等の温度制御値が複数の目標値に保たれるように制御するとともに、燃料の流量及び空気の風量が所定範囲に収まり、安定した制御を行うことができる。
【００２７】
次に、図４，図５を参照して、ステップ応答モデルの生成方法について説明する。本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、各操作端（燃料流量及び１〜３次空気の風量）を同時に変動させ、各ステップ同士の相殺から循環式流動焼却炉１の応答量（ライザー温度及び後燃焼炉温度）に対する目的操作端の影響だけを抽出することによって、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成可能にする。すなわち、このステップ応答モデルの生成方法では、図４に示すように、（１）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，−１０％，＋１０％変化させるステップ、（２）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，＋１０％，−１０％変化させるステップ、（３）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより−１０％，＋１０％，＋１０％変化させるステップ、及び（４）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気をそれぞれ前ステップより−１０％，−１０％，−１０％変化させるステップを順に実行し、各ステップにおけるライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄを検出する。この時、燃料流量及び１〜３次空気の風量とライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄとの間には図４に示す行列式のような関係があることから、この行列式を用いることによって、ライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄに対する燃料流量及び１〜３次空気の風量それぞれの影響を抽出することができる。なお、上記（１）〜（４）の各ステップ終了後に、各ステップの操作量の値を反転させた値を用いて同様のステップを実行することが望ましい。
【００２８】
また、図５に示すように、（１）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，−１０％，＋１０％変化させるステップ、（２）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，＋１０％，−１０％変化させるステップ、（３）燃料流量を前ステップより−１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより−１０％，＋１０％，＋１０％変化させるステップ、（４）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気をそれぞれ前ステップより−１０％，−１０％，−１０％変化させるステップ、及び（５）燃料流量を前ステップより−２０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気を変化させないステップを順に実行し、各ステップにおけるライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅを検出してもよい。この時、燃料流量及び１〜３次空気の風量とライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅとの間には図５に示す行列式のような関係があることから、この行列式を用いることによって、ライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅに対する燃料流量及び１〜３次空気の風量それぞれの影響を抽出することができる。なお、上記（１）〜（５）の各ステップ終了後に、各ステップの操作量の値を反転させた値を用いて同様のステップを実行することが望ましい。
【００２９】
このように、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う循環式流動焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける循環式流動焼却炉の応答量を検出し、検出された循環式流動焼却炉の応答量を用いて目的操作端の操作量の変化に対する循環式流動焼却炉の応答量の変化量を抽出するので、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成することができる。
【００３０】
〔実験例〕
最後に、上記ステップ応答モデルの生成方法の実験例について説明する。本実験例では、以下の表１及び表２に示すステップ条件で循環式流動焼却炉１のステップ応答モデルを生成した。表３は、本実験によって求められた操作端の単位操作量に対する後燃焼炉温度及びライザー温度の応答量を示す。本実験によって求められた操作端の単位操作量に対する後燃焼炉温度及びライザー温度の応答量は、操作端毎にステップ入力する従来手法によって求められた応答量にほぼ近い値となった。このことから、上記ステップ応答モデルの生成方法によれば、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成できることが確認された。
【００３１】
【表１】
【表２】
【表３】
【００３２】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は循環式流動焼却炉の動特性を同定するものであるが、本発明は本実施形態に限定されることはなく、気泡式流動焼却炉等の複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉全般に適用することができる。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１ 循環式流動焼却炉
１０ 炉本体（ライザー）
１１ 希薄層
１２ 濃厚層
１３、３３ 熱電対
２０ サイクロン
３０ 後燃焼炉
３５ ガスセンサ
４１ 燃料流量調整器
４２〜４４ 空気温度調整器
５１〜５４ バルブ
６０ 汚泥供給ポンプ
７０ 燃料
７１ 燃料流量検出部
８０ 一次空気ブロワ
９０ 二次空気ブロワ
１００ 制御装置
１００ａ モデル予測演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、循環式流動焼却炉や気泡式流動焼却炉等の汚泥焼却炉の動特性を同定する汚泥焼却炉の動特性同定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
循環式流動焼却炉は、特許文献１に開示されているように、炉本体に充填された硅砂等からなる流動媒体を流動空気により流動させ、燃焼ガスに同伴されて炉本体から排出された流動媒体をサイクロンで回収して炉本体下部へ循環させながら廃棄物を焼却する共に、後燃焼炉で燃焼ガスを分解する炉である。この循環式流動焼却炉は、含水率や発熱量等の異なる幅広い廃棄物を安定して焼却できるため、下水汚泥等の廃棄物の焼却処理に用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２６３６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、環境問題に対応するため、汚泥焼却炉から排出されるＮ２Ｏ等の温室効果ガスを低減することが要望されている。温度効果ガスの低減を図るためには、後燃焼炉の温度を高め、完全燃焼の度合いを高めることが有効である。例えば、後燃焼炉の温度を８００℃から８５０℃に上げることによって温室効果ガスは約７割低減する。一方、炉本体の温度は、燃焼が保たれるように一定温度以上に維持する必要があり、そのために燃料を増加させる必要がある。
【０００５】
従来のＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御では単一の目標値に対してのみしか制御値を制御できない。このため、炉本体の温度を一定温度に維持しながら、後燃焼炉の温度を高温に維持しようとする複数の目標値がある場合、カスケード制御によって温度制御が行われる。しかしながら、カスケード制御によって温度制御を行った場合、燃料の流量と流動空気の風量とが干渉し、過剰な流動空気の供給による燃料の過剰供給が生じ、あるいは炉本体の温度低下による燃焼停止が発生する場合があり、安定した燃焼制御を行うことができないことがあった。
【０００６】
このような背景から、特許出願人は、多層燃焼制御（モデル予想制御）理論を適用した循環式流動焼却炉の温度制御装置及びその温度制御方法を提案した。この温度制御装置及び温度制御方法によれば、炉本体の温度を目的の一定温度に維持しつつ、後燃焼炉の温度を目的の温度に維持する温度制御を安定して行うことができる。
【０００７】
ところで、多層燃焼制御理論を適用するためには、循環式流動焼却炉の動特性を同定する必要がある。システムの動特性を同定する方法としては、一般に、ステップ応答法が知られている。このステップ応答法とは、操作端の操作量を一つずつ変化させて操作端の操作量の変化に対するシステムの応答量の変化を検出するものである。しかしながら、このようなステップ応答法によれば、操作端の操作量を一つずつ変化させていくために、操作端の数が多くなると実行すべきステップ数が多くなり、システムの動特性を決定するまでに多くの時間を要する。
【０００８】
また、循環式流動焼却炉では汚泥性状が一定ではなく変化するために、同じ条件でステップ応答テストを実行しても同じ挙動が得られてないことがある。また、循環式流動焼却炉では、ステップ開始条件を形成するために炉を安定化させる必要があり多くの時間を要すると共に、ステップ条件によっては炉を危険な状態にしてしまう可能性がある。同様の問題は、気泡式流動焼却炉においても発生する。このような背景から、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定可能な汚泥焼却炉の動特性同定方法の提供が期待されていた。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定可能な汚泥焼却炉の動特性同定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る汚泥焼却炉の動特性同定方法は、複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉の動特性同定方法であって、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って前記複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける汚泥焼却炉の応答量を検出する検出ステップと、前記検出ステップにおいて検出された汚泥焼却炉の応答量を用いて前記目的操作端の操作量の変化に対する汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出する抽出ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る汚泥焼却炉の動特性同定方法によれば、汚泥焼却炉を安定させた状態で短時間に汚泥焼却炉の動特性を同定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成を示す図である。
【図２】図２は、図１に示す制御装置内におけるモデル予測演算処理の概要を示す図である。
【図３】図３は、モデル予測演算によるにおける評価関数の行列式を示す図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法を説明するための概念図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法の変形例を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法について説明する。
【００１４】
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉の構成を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉の動特性同定方法が適用される循環式流動焼却炉１は、炉本体（ライザー）１０を備えている。ライザー１０は、略円筒形状の部材によって構成され、内部には希薄層１１及び濃厚層１２と称される充填された硅砂等の流動媒体の粒子留まりが形成されている。
【００１５】
ライザー１０の下部に充填された流動媒体（平均粒子径２００〜５００μｍ）は、流動空気により炉内で流動され、投入された汚泥を激しく攪拌しつつ８００〜９００℃で燃焼させる。燃焼ガスは、流動媒体及び焼却灰と共にサイクロン２０に送られて固気分離され、ライザー１０下部に循環されながら汚泥を焼却する。燃焼ガスは後燃焼炉３０で熱分解され、温室効果ガスの削減が行われる。ライザー１０の下部には、汚泥供給ポンプ６０を介して汚泥が供給され、同じく、バルブ５１及び燃料流量検出部７１を介して燃料７０が供給される。バルブ５１は、燃料流量調節器（ＦＩＣ）４１によって、燃料流量検出器７１で検出された燃料流量が制御装置１００から指示された制御量となるように開度制御される。
【００１６】
ライザー１０の下部には１次空気ブロワ８０からバルブ５２を介して供給される１次空気が、後燃焼炉３０の上部又は中部には、２次空気ブロワ９０から供給される２次空気が、後燃焼炉３０の中部又は下部には、２次空気から分岐して生成される３次空気がそれぞれ供給される。１次空気温度調節器４２は、制御装置１０によって指示された制御量の１次空気をライザー１０下部の濃厚層１２に供給するように、図示しない１次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５２の開度を制御する。２次空気温度調節器４３は、制御装置１００から指示された制御量の２次空気を、後燃焼炉３０の上部又は中部に供給するように、図示しない２次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５３の開度を制御する。３次空気温度調節器４４は、制御装置１００から指示された制御量の３次空気を後燃焼炉３０の中部又は下部に供給するように、図示しない３次空気風量検出器の検出結果をもとにバルブ５４の開度を制御する。
【００１７】
ライザー１０の上部には、複数の熱電対からなる熱電対群１３が、また後燃焼炉３には、複数の熱電対３３がそれぞれ分散配置され、それぞれの炉内温度が計測されるようになっている。この循環式流動焼却炉１では、ライザー１０において、下部に供給された汚泥を同じく下部から供給される燃料及び１次空気によって燃焼させ、後燃焼炉３０において、ライザー１０から排出される排ガスを上部又は中部に供給される２次空気によって燃焼させ、同じく下部では、ライザー１０及び後燃焼炉３０上部又は中部で不完全燃焼のものを、３次空気を用いて完全燃焼させるようにしている。
【００１８】
制御装置１００には、燃料流量検出器７１、図示しない汚泥流量検出器、１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次空気風量検出器、流動空気検出器から、それぞれ燃料流量、汚泥流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量、流動空気風量が入力されるとともに、熱電対群１３、３３からそれぞれライザー１０の炉内温度及び後燃焼炉３０の炉内温度が入力されている。制御装置１００には、後燃焼炉３０からガスセンサ３５により検出されるＯ２やＮ２Ｏ等の排ガス成分値も入力されている。制御装置１００は、後述するモデル予測演算後、燃料流量調節器４１、１次空気風量調節器４２、２次空気風量調節器４３、３次空気風量調節器４４にそれぞれ制御量としての燃料流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量を出力する。
【００１９】
制御装置１００は、入力されたライザー１０の炉内温度と後燃焼炉３０の炉内温度がそれぞれ設定された温度に保たれ、燃料流量、１次空気風量、２次空気風量、３次空気風量が少なくなるようにモデル予測制御を行なう。このため、制御装置１００は、各流量・風量の制御値を、燃料流量検出器７１、図示しない１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次風量検出器のそれぞれに出力する。燃料流量検出器７１、そして図示しない１次空気風量検出器、２次空気風量検出器、３次空気風量検出器は、それぞれ入力された各制御値をもとに、ＰＩＤ制御によるフードバック制御を個別に行う。
【００２０】
制御装置１００は、図２に示すようにモデル予測演算部１００ａを有し、このモデル予測演算部１００ａが上記したモデル予測制御を行う。なお、モデル予測制御とは、システムのモデルをもとに未来の出力や状態を予測し、一定時刻毎に最適制御問題を解き、その時刻での入力を決定する制御である。また、現代制御特有の多入力・多出力制御を可能にし、制御量の干渉を生じさせることがない。特に、このモデル予測制御は、制約条件を容易に記述できることから、制約条件を扱うことができる制御方法として注目されている。
【００２１】
この循環式流動焼却炉１の制御を行う場合、燃料及び空気の各供給量が、炉のサイズ等に大きく依存する未知の制御量であり、この場合、燃料停止等の問題が生じないような大枠としての制約条件として、燃料及び空気の各供給量を当てはめ、後燃焼炉３０の上部、中部及び下部の複数の温度目標値を一定温度に保ちつつ、燃料７０及び空気の各供給量を予測制御することができる。
【００２２】
モデル予測演算部１００ａは、予めこの汚泥熱焼システムの動特性を生成しておく。精密な物理モデルの構築は困難であるため、ここでは、ステップ応答モデルを生成する。ステップ応答モデルは、ステップ入力した場合のステップ応答を飽和するまでの時間と値で表現する。本実施形態では、熱電対群１３によって検出されるライザー１０内の複数の温度、熱電対群３３によって検出される後燃焼炉３０の複数の温度、１次空気の風量、２次空気の風量、３次空気の風量、燃料７０の流量に対するステップ応答モデルを生成する。ステップ応答モデルの生成方法については後述する。
【００２３】
モデル予測演算部１００ａは、このステップ応答モデルに、空気比の制約条件を記述しておく。上述したように、燃料及び空気の制御量は未知のものであり、この熱料及び空気を制御するにあたり、空気比の制約条件をステップ応答モデルに記述しておく。ここで、空気比とは、燃料を完全燃焼させる必要最低限の理論空気量Ａと実際に供給されている空気量Ｂとの比であり、例えば、空気比ＡＦＲは、ｆａｉｒ／（ηｃａｋｅ×ｆｃａｋｅ＋ηｆｕｅｌ×ｆｆｕｅｌ）として示される。ηｃａｋｅは、汚泥を完全燃焼させるために必要な汚泥理論空気比であり、ｆｃａｋｅは汚泥の流量であり、ηｆｕｅｌは燃料を完全燃焼させるに必要な熱量理論空気比であり、ｆｆｕｅｌは燃料の流量である。空気比ＡＦＲは、上限空気比ｒｍａｘと下限空気比ｆｍｉｎとの範囲内に収まる制約条件が記載される。
【００２４】
モデル予測演算部１００ａは、このモデルをもとに、モデル予測演算を行うが、このモデル予測演算を行うために、図２に示すように、まず、ライザー１０の５つの炉内温度、後燃焼炉３０の複数の炉内温度の設定温度値１０１が入力される。また、上記した制約条件の条件値である制約条件１０２も入力される。例えば、上記した空気比の上限値及び下限値である。ライザー１０の上部温度の上限値を制約条件として入力とてもよい。さらに、演算条件１０３を入力しておく。演算条件とは、実際の演算に必要な設定スケールや演算パラメータであり、例えば演算周期（サンプリング周期）や予測期間等である。
【００２５】
このような設定処理が施されたモデル予測演算部１００ａは、熱電対群１３、３３から現在温度１１０を取得し、この現在温度１１０が温度設定値１０１、排ガス成分であるＯ２やＮ２Ｏの設定値１０４（例えば、Ｏ２の場合５％、Ｎ２Ｏの場合５０〜１００ｐｐｍ等）を維持するための予測演算を行うとともに、燃料の流量及び空気の風量の現在操作量１２０が、入力され制約条件を満足する範囲内で燃料の流量及び空気の風量の次時刻操作量１３０を出力する。汚泥の固形分は、固形分＝汚泥流量×（１−含水率）で求められ、この固形分の組成分析結果から燃焼分を知ることができる。この燃焼分は、空気量に関係する「汚泥からの必要燃焼空気風量」の演算に関与するため、汚泥流量のステップ応答モデルを生成し、これをモデル予測制御に取り込むことによって、汚泥流量による変動を抑制できる。
【００２６】
このモデル予測演算の概要は、図３に示すように、既知パラメータ２０１と現在（時刻ｋ）の現在入出力値２０２を初期値とし、設定パラメータ２０３を用いて所定サンプリング時刻毎（ｋ＋１，ｋ＋２，・・・，ｋ＋Ｎ：Ｎは整数）の予測入力値２０４とを表す状態方程式を求め、このうちの予測出力値２０４を用いて評価関数Ｊを生成し、この評価関数Ｊに対する最適解、即ち最小値を求める最適演算を行う。この最適値演算は、空気比等の制約条件１０２を満足し、温度設定値１０１と予測温度値との制御誤差の距離を含む各要素の最小値を求め、このときの予測入力値２００を次時刻操作量１３０として出力する。この結果、ライザー１０の炉内温度や後燃焼炉３０の炉内温度等の温度制御値が複数の目標値に保たれるように制御するとともに、燃料の流量及び空気の風量が所定範囲に収まり、安定した制御を行うことができる。
【００２７】
次に、図４，図５を参照して、ステップ応答モデルの生成方法について説明する。本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、各操作端（燃料流量及び１〜３次空気の風量）を同時に変動させ、各ステップ同士の相殺から循環式流動焼却炉１の応答量（ライザー温度及び後燃焼炉温度）に対する目的操作端の影響だけを抽出することによって、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成可能にする。すなわち、このステップ応答モデルの生成方法では、図４に示すように、（１）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，−１０％，＋１０％変化させるステップ、（２）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，＋１０％，−１０％変化させるステップ、（３）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより−１０％，＋１０％，＋１０％変化させるステップ、及び（４）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気をそれぞれ前ステップより−１０％，−１０％，−１０％変化させるステップを順に実行し、各ステップにおけるライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄを検出する。この時、燃料流量及び１〜３次空気の風量とライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄとの間には図４に示す行列式のような関係があることから、この行列式を用いることによって、ライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｄに対する燃料流量及び１〜３次空気の風量それぞれの影響を抽出することができる。なお、上記（１）〜（４）の各ステップ終了後に、各ステップの操作量の値を反転させた値を用いて同様のステップを実行することが望ましい。
【００２８】
また、図５に示すように、（１）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，−１０％，＋１０％変化させるステップ、（２）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより＋１０％，＋１０％，−１０％変化させるステップ、（３）燃料流量を前ステップより−１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気の風量をそれぞれ前ステップより−１０％，＋１０％，＋１０％変化させるステップ、（４）燃料流量を前ステップより＋１０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気をそれぞれ前ステップより−１０％，−１０％，−１０％変化させるステップ、及び（５）燃料流量を前ステップより−２０％変化させ、１次空気，２次空気，及び３次空気を変化させないステップを順に実行し、各ステップにおけるライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅを検出してもよい。この時、燃料流量及び１〜３次空気の風量とライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅとの間には図５に示す行列式のような関係があることから、この行列式を用いることによって、ライザー温度又は後燃焼炉温度の変化量Ａ〜Ｅに対する燃料流量及び１〜３次空気の風量それぞれの影響を抽出することができる。なお、上記（１）〜（５）の各ステップ終了後に、各ステップの操作量の値を反転させた値を用いて同様のステップを実行することが望ましい。
【００２９】
このように、本発明の一実施形態である循環式流動焼却炉１では、複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う循環式流動焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける循環式流動焼却炉の応答量を検出し、検出された循環式流動焼却炉の応答量を用いて目的操作端の操作量の変化に対する循環式流動焼却炉の応答量の変化量を抽出するので、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成することができる。
【００３０】
〔実験例〕
最後に、上記ステップ応答モデルの生成方法の実験例について説明する。本実験例では、以下の表１及び表２に示すステップ条件で循環式流動焼却炉１のステップ応答モデルを生成した。表３は、本実験によって求められた操作端の単位操作量に対する後燃焼炉温度及びライザー温度の応答量を示す。本実験によって求められた操作端の単位操作量に対する後燃焼炉温度及びライザー温度の応答量は、操作端毎にステップ入力する従来手法によって求められた応答量にほぼ近い値となった。このことから、上記ステップ応答モデルの生成方法によれば、循環式流動焼却炉１を安定させた状態で短時間に循環式流動焼却炉１の動特性を生成できることが確認された。
【００３１】
【表１】
【表２】
【表３】
【００３２】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は循環式流動焼却炉の動特性を同定するものであるが、本発明は本実施形態に限定されることはなく、気泡式流動焼却炉等の複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉全般に適用することができる。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３３】
１ 循環式流動焼却炉
１０ 炉本体（ライザー）
１１ 希薄層
１２ 濃厚層
１３、３３ 熱電対
２０ サイクロン
３０ 後燃焼炉
３５ ガスセンサ
４１ 燃料流量調整器
４２〜４４ 空気温度調整器
５１〜５４ バルブ
６０ 汚泥供給ポンプ
７０ 燃料
７１ 燃料流量検出部
８０ 一次空気ブロワ
９０ 二次空気ブロワ
１００ 制御装置
１００ａ モデル予測演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉の動特性同定方法であって、
複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って前記複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける汚泥焼却炉の応答量を検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された汚泥焼却炉の応答量を用いて前記目的操作端の操作量の変化に対する汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出する抽出ステップと、
を含むことを特徴とする汚泥焼却炉の動特性同定方法。
【請求項２】
前記汚泥焼却炉は循環式流動焼却炉であり、前記複数の操作端には少なくとも燃料流量、１次空気流量、２次空気流量、及び３次空気流量が含まれ、前記汚泥焼却炉の応答量にはライザー温度及び後燃焼炉温度が含まれることを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却炉の動特性同定方法。
【請求項１】
複数の操作端の操作量に対して応答する汚泥焼却炉の動特性同定方法であって、
複数の操作端のうちの一つの目的操作端の操作量の変化に伴う汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出可能な複数の操作端の動作パターンに従って前記複数の操作端の操作量を変化させ、各動作パターンにおける汚泥焼却炉の応答量を検出する検出ステップと、
前記検出ステップにおいて検出された汚泥焼却炉の応答量を用いて前記目的操作端の操作量の変化に対する汚泥焼却炉の応答量の変化量を抽出する抽出ステップと、
を含むことを特徴とする汚泥焼却炉の動特性同定方法。
【請求項２】
前記汚泥焼却炉は循環式流動焼却炉であり、前記複数の操作端には少なくとも燃料流量、１次空気流量、２次空気流量、及び３次空気流量が含まれ、前記汚泥焼却炉の応答量にはライザー温度及び後燃焼炉温度が含まれることを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却炉の動特性同定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１１７４１（Ｐ２０１２−２１１７４１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８２０８（Ｐ２０１１−７８２０８）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５０７２１４０８３）メタウォーター株式会社 (277)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（５０７２１４０８３）メタウォーター株式会社 (277)
【Ｆターム（参考）】
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