汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法
【課題】砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を高温に維持する温度制御を安定して行うことができる汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法を提供すること。
【解決手段】フリーボード中部３の温度と、フリーボード上部４の温度と、砂層部下部５に供給される燃料１２の流量と、砂層部下部５に供給される流動空気１６の風量と、フリーボード中部３、およびフリーボード上部４に供給される空気，１７，１８の風量とを制御入力とし、燃料１２の流量および流動空気１６の風量および供給空気１７，１８の風量を制御出力とし、燃料１２の流量および／または流動空気１６の風量、供給空気１７，１８の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、フリーボード中部３およびフリーボード上部４の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うようにしてる。
【解決手段】フリーボード中部３の温度と、フリーボード上部４の温度と、砂層部下部５に供給される燃料１２の流量と、砂層部下部５に供給される流動空気１６の風量と、フリーボード中部３、およびフリーボード上部４に供給される空気，１７，１８の風量とを制御入力とし、燃料１２の流量および流動空気１６の風量および供給空気１７，１８の風量を制御出力とし、燃料１２の流量および／または流動空気１６の風量、供給空気１７，１８の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、フリーボード中部３およびフリーボード上部４の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うようにしてる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、汚泥等の被焼却物を効率よく、確実かつ短時間に完全燃焼させる焼却炉として流動床焼却炉が多用されている。この流動床焼却炉は、流動層に、ノズルを介して流動・燃焼用空気を吹き込んでこの流動層を構成する砂層を流動させ、砂層の流層と砂の優れた伝熱特性を利用して被焼却物を解砕・ガス化させるとともに、発生したガスを燃焼させる燃焼室であるフリーボードを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２３２０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の環境問題に対応するため、汚泥焼却炉から排出されるＮ２Ｏなどの温室効果ガスを低減することが要望されている。この温室効果ガスの低減を図るためには、フリーボード部の温度を高め、完全燃焼の度合いを高めることが有効である。たとえば、フリーボード部の温度を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、砂層部の温度は、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、そのために燃料の増加をする必要があった。
【０００５】
ここで、従来のＰＩＤ制御では単一の目標値に対してのみしか制御できないため、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部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、カスケード制御などによって温度制御が行われるが、この場合、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たり、砂層部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場合があった。
【０００６】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、砂層部の温度を目的の一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を目的の高温に維持する温度制御を安定して行うことができる汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論風量との合計理論風量に対して、砂層下部より供給する流動空気およびフリーボード中部より供給する空気の空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論流量との合計理論流量に対する空気の実流量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、砂層部の温度と、フリーボード部の温度と、砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、燃料の流量および流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うようにしているので、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を独立して高温に維持する温度制御を安定して行うことができるとともに、制約条件によって燃料の流量および流動空気の風量を少なくすることができるので、フリーボード部の高温化に加えてさらに温室効果ガスの生成を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、この発明の実施の形態１にかかる制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。
【図２】図２は、制御装置内におけるモデル予測演算処理を示すブロック図である。
【図３】図３は、モデル予測演算処理における評価関数の最適値演算を説明する説明図である。
【図４】図４は、モデル予測制御による測定結果を示す図である。
【図５】図５は、モデル予測制御を適用した場合と複数のＰＩＤ制御の組合せ制御を適用した場合とを比較した図である。
【図６】図６は、この発明の実施の形態２による評価関数の最適化演算処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態である汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。図１に示すように、この汚泥燃焼システム１は、汚泥焼却炉２を有する。汚泥焼却炉２は、略円筒形状をなし、炉内には、流動床を形成する砂層部５と、砂層部５の上部空間であるフリーボード中部３と、フリーボード中部３の上部空間であるフリーボード上部４とを有する。
【００２１】
フリーボード中部３には、汚泥流量検出器２０および汚泥供給部１１を介して汚泥１０が供給される。砂層部５には、バルブ４１、燃料流量検出器２１、および燃料供給部１３を介して燃料１２が供給される。なお、バルブ４１は、燃料流量調節器３１によって、燃料流量検出器２１によって検出された燃料流量が制御装置Ｃから指示された制御量となるように開度制御される。
【００２２】
砂層部５、フリーボード中部３、フリーボード上部４には、それぞれ１次空気１６、２次空気１７、３次空気１８が供給される。流動ブロア１４は、流動空気１５の風量を検出する流動空気検出器１５を介して流動空気１５を熱交換器１９に供給する。熱交換器１９は、流入した流動空気１５を所定温度に加温してバルブ４２，４３，４４に分岐出力する。１次空気温度調節器３２は、制御装置Ｃから指示された制御量の１次空気１６を砂層部５に供給するように、１次空気風量検出器２２の検出結果をもとにバルブ４２の開度制御を行う。また、２次空気温度調節器３３は、制御装置Ｃから指示された制御量の２次空気１７をフリーボード中部３に供給するように、２次空気風量検出器２３の検出結果をもとにバルブ４３の開度制御を行う。さらに、３次空気温度調節器３４は、制御装置Ｃから指示された制御量の３次空気１８をフリーボード上部４に供給するように、３次空気風量検出器２４の検出結果をもとにバルブ４４の開度制御を行う。なお、流動ブロア１４の上流側には、バルブ５１が設けられる。流動空気調整器５０は、流動空気検出器２５の検出結果をもとに制御装置Ｃから指示された制御量の流動空気１５を供給するようにバルブ５１の開度制御を行う。ここで、流動空気調節器５０は、制御装置Ｃからの制御量ではなく、予め設定された一定の流動空気風量となるように、バルブ５１を開度制御してもよい。これは、１次空気１６、２次空気１７、および３次空気１８が、それぞれ１次空気風量調節器３２、２次空気風量調節器３３、および３次空気風量調節器３４によって調整可能であるからである。
【００２３】
ここで、フリーボード中部３には、複数の温度検出部として５つの熱電対からなる熱電対群２６が分散配置される。また、フリーボード上部４には、複数の温度検出部として５つの熱電対からなる熱電対群２７が分散配置される。
【００２４】
汚泥焼却炉２は、フリーボード中部３において、フリーボード中部３に供給された汚泥１０を、砂層部５から供給される燃料１２および１次空気１６と、フリーボード中部３に供給される２次空気１７とによって燃焼する。さらに、フリーボード上部４では、フリーボード中部部３で不完全燃焼のものを、３次空気１８を用いて完全燃焼させるようにする。このフリーボード上部４によって燃焼されたガスは、排ガス２８として炉外に排出される。
【００２５】
ここで、制御装置Ｃには、汚泥流量検出器２０、燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次空気風量検出器２４、流動空気検出器２５からそれぞれ、汚泥流量、燃料流量、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２６，２７からそれぞれ砂層部温度およびフリーボード温度が入力され、制御装置Ｃは、燃料流量調節器３１、１次空気風量調節器３２、２次空気風量調節器３３、３次空気風量調節器３４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。
【００２６】
制御装置Ｃは、入力された砂層部温度とフリーボード温度と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い、各流量・風量の制御値を、それぞれ燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次風量検出器２４にそれぞれ出力する。燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次風量検出器２４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各別に行う。
【００２７】
制御装置Ｃは、図２に示すようにモデル予測演算部１００を有し、このモデル予測演算部１００が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。この汚泥焼却炉２の制御を行う場合、燃料および空気の各供給量が、炉のサイズなどに大きく依存する未知の制御量であり、この場合、燃焼停止などの問題が生じないような大枠としての制約条件として、燃料および空気の各供給量を当てはめ、フリーボード中部３およびフリーボード上部４の複数の温度目標値を一定温度に保ちつつ、燃料１２および空気の各供給量を予測制御することができる。
【００２８】
モデル予測演算部１００は、予めこの汚泥燃焼システム１の動的モデルを生成しておく。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。この実施の形態では、熱電対群２６によって検出される５つの砂層部温度、熱電対群２７によって検出される５つのフリーボード部温度、１次空気１６の風量、２次空気１７の風量、３次空気の風量、燃料１２の流量に対するステップ応答モデルを生成する。
【００２９】
さらに、モデル予測演算部１００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、燃料および空気の制御量は未知のものであり、この燃料およ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の比であり、たとえば、空気比ＡＦＲは、
ＡＦＲ＝ｆair／（ηcake・ｆcake＋ηfuel・ｆfuel）
として示される。ここで、ηcakeは、汚泥を完全燃焼させる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燃料理論空気比であり、ｆfuelは、燃料の流量である。そして、空気比ＡＦＲは、上限空気比ｒmaxと下限空気比ｒminとの範囲内に収まる制約条件が記載される。
【００３０】
モデル予測演算部１００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、５つの砂層部温度、５つのフリーボード部温度の設定温度値１０１を入力する。また、上述した制約条件の条件値である制約条件１０２を入力する。たとえば、上述した空気比の上限値および下限値である。なお、たとえば、フリーボード部上部温度の上限値を制約条件として入力してもよい。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、たとえば、演算周期（サンプリング周期）や予測期間などである。
【００３１】
このような設定処理が施されたモデル予測演算部１００は、熱電対群２６，２７から現在温度１１０を取得し、この現在温度が温度設定値１０１を維持するための予測演算を行うとともに、燃料の流量およ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および空気の風量の次時刻操作量１３０を出力する。
【００３２】
なお、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することができる。
【００３３】
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２００と予測出力値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、すなわち最小値を求める最適値演算を行う。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。
【００３４】
この結果、砂層部温度やフリーボード温度など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、燃料の流量およ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。
【００３５】
図４は、実際の汚泥燃焼システムにモデル予測制御を適用した場合の測定結果を示すタイムチャートである。この測定対象のシステムの運転条件は、汚泥の供給量が８０ｋｇ／ｈ、水供給量Ｗで示す水負荷が１４ｋｇ／ｈ（含水率３％相当）、フリーボード中部温度Ｔ２の目標値Ｔ２Ｓが８５０℃であり、砂層部温度Ｔ１の目標値が７００℃である。
【００３６】
図４では、水供給量Ｗを加えた場合、燃料流量Ｇや２次空気風量Ｆ２が、この水負荷に伴って増大するが、異なる目標値である砂層部温度Ｔ１、フリーボード中部温度Ｔ２、フリーボード上部温度Ｔ３のそれぞれは、水負荷にほとんど関係なく温度が目標値に保たれている。一方、燃料流量Ｇは、燃料流量上限値ＧＵ以下に制御され、１次空気風量Ｆ１も、１次空気上限値Ｆ１Ｕ以下に制限されている。
【００３７】
図５は、この発明の実施の形態１で用いているモデル予測制御と複数のＰＩＤ制御の組合せ制御との制御応答性の測定結果を比較した図である。図５では、水供給を停止した場合の砂層部温度の制御応答特性を示している。従来のＰＩＤ制御の場合、水供給停止から砂層部温度が目標値に落ち着くまでの回復時間あるいは収束時間は、７０分であったのに対し、この実施の形態１では、４３分で回復している。また、水供給を停止した後の目標値の偏差も、従来のＰＩＤ制御に比して小さい。
【００３８】
この実施の形態１では、空気比の制約条件を付加したモデルを生成し、このモデルをもとにモデル予測制御を行い、高温のフリーボード温度を含む複数の温度を独立の目標値として安定した制御ができる。しかも、燃料の流量や空気の風量が制約条件を満足するように制御しているので、燃料流量や空気風量の干渉がなく、高温のフリーボード温度制御に加えて燃料流量や空気風量をも少なくすることができるので、結果として温室効果ガスの抑制および低減を図ることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
実施の形態１によるモデル予測制御では、制約条件を付して演算を行っていたが、厳しい制約条件を与えると、評価関数の最適化演算結果が、演算不可あるいは制約条件内に解なし、となり最適化演算が停止してしまう場合がある。
【００４０】
そこで、この実施の形態２では、実施の形態１の評価関数Ｊにペナルティ関数ｆ
ｆ＝ρε２
を加えて最適化演算を行う。ここで、εは許容誤差の値であり、ρは重みの値である。
【００４１】
実施の形態１の最適化演算は、評価関数Ｊに対して以下の演算を行っていた。すなわち、要素ｙ（τ）が上限値ｙmaxと下限値ｙminとの範囲内である制約条件下で評価関数Ｊの最小値を演算していた。
min（Ｊ） subject to ｙmin≦ｙ（τ）≦ｙmax
これに対して、この実施の形態２では、ペナルティ関数ｆ＝ρε２を用いて次のような演算を行う。すなわち、
min（Ｊ＋ρε２） subject to ｙmin−ε≦ｙ（τ）≦ｙmax＋ε
である。これは、上限値と下限値とを許容誤差ε分だけそれぞれ広げ、評価関数（Ｊ＋ρε２）の最小値も、評価関数Ｊのみの最小値に比べて実質的に大きくし、ペナルティ関数を加えて最小値を求めた場合であっても、最小値として選択されないようにしている。これによって、評価関数の演算が停止することがなくなる。
【００４２】
特に、システム立ち上げ時は、制約条件が厳しい場合、評価関数の最適化演算が行えなくなる場合が発生しやすくなり、この評価関数の最適化演算が行えなくなると、システム立ち上げ時間が長くなってしまう。この実施の形態２では、上述したペナルティ関数の導入によって継続的なシステム制御が維持できるとともに、システム立ち上げ時間を短縮することができる。
【００４３】
ここで、この図６に示したフローチャートを参照して、この実施の形態２による評価関数の最適化演算処理手順について説明する。まず、ペナルティ関数を加えないで、評価関数Ｊのみの最適化演算を行う（ステップＳ１０１）。その後、最適化演算の結果が解なしなどによる制約条件外であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。
【００４４】
制約条件外である場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）には、上述したペナルティ関数ｆ＝ρε２を導入し、制約条件の上限値および下限値を許容誤差ε分だけ広げ、評価関数Ｊにペナルティ関数ｆ＝ρε２加えて（ステップＳ１０３）、最適化演算を行う（ステップＳ１０４）。
【００４５】
その後、ステップＳ１０５に移行し、あるいは制約条件外でない場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）には、ステップＳ１０５に移行し、次の最適化演算があるか否かを判断し（ステップＳ１０５）、次の最適化演算がある場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返し、次の最適化演算がない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、本処理を終了する。
【００４６】
この実施の形態２では、上述したペナルティ関数を導入して最適化演算を継続して行えるようにしているので、制御のロバスト性を向上させることができる。特に、システム立ち上げ時等のシステムが不安定になりがちな時に、ペナルティ関数を導入して最適化演算を行うことが好ましい。
【００４７】
なお、上述した温度制御装置および温度制御方法は、汚泥焼却炉以外に適用が可能である。たとえば、上述した燃料流量制御と空気風量制御とに対応して、ブロア圧力制御と水処理ＤＯ制御とが相互に干渉する可能性がある制御システム等に適用することができる。この制御システムに上述したモデル予測制御を適用することによって各制御を安定して行うことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ 汚泥燃焼システム
２ 汚泥焼却炉
３ フリーボード中部
４ フリーボード上部
５ 砂層部
１０ 汚泥
１１ 汚泥供給部
１２ 燃料
１３ 燃料供給部
１４ 流動ブロア
１５ 流動空気
１６ １次空気
１７ ２次空気
１８ ３次空気
１９ 熱交換器
２０ 汚泥流量検出器
２１ 燃料流量検出器
２２ １次空気風量検出器
２３ ２次空気風量検出器
２４ ３次空気風量検出器
２５ 流動空気風量検出器
２６，２７ 熱電対群
２８ 排ガス
３１ 燃料流量調節器
３２ １次空気風量調節器
３３ ２次空気風量調節器
３４ ３次空気風量調節器
４１〜４４，５１ バルブ
５０ 流動空気風量調節器
１００ モデル予測演算部
Ｃ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
この発明は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、汚泥等の被焼却物を効率よく、確実かつ短時間に完全燃焼させる焼却炉として流動床焼却炉が多用されている。この流動床焼却炉は、流動層に、ノズルを介して流動・燃焼用空気を吹き込んでこの流動層を構成する砂層を流動させ、砂層の流層と砂の優れた伝熱特性を利用して被焼却物を解砕・ガス化させるとともに、発生したガスを燃焼させる燃焼室であるフリーボードを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２３２０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年の環境問題に対応するため、汚泥焼却炉から排出されるＮ２Ｏなどの温室効果ガスを低減することが要望されている。この温室効果ガスの低減を図るためには、フリーボード部の温度を高め、完全燃焼の度合いを高めることが有効である。たとえば、フリーボード部の温度を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、砂層部の温度は、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、そのために燃料の増加をする必要があった。
【０００５】
ここで、従来のＰＩＤ制御では単一の目標値に対してのみしか制御できないため、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部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、カスケード制御などによって温度制御が行われるが、この場合、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たり、砂層部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場合があった。
【０００６】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、砂層部の温度を目的の一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を目的の高温に維持する温度制御を安定して行うことができる汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論風量との合計理論風量に対して、砂層下部より供給する流動空気およびフリーボード中部より供給する空気の空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。
【０００９】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。
【００１１】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論流量との合計理論流量に対する空気の実流量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【００１５】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。
【００１６】
また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、砂層部の温度と、フリーボード部の温度と、砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、燃料の流量および流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うようにしているので、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を独立して高温に維持する温度制御を安定して行うことができるとともに、制約条件によって燃料の流量および流動空気の風量を少なくすることができるので、フリーボード部の高温化に加えてさらに温室効果ガスの生成を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、この発明の実施の形態１にかかる制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。
【図２】図２は、制御装置内におけるモデル予測演算処理を示すブロック図である。
【図３】図３は、モデル予測演算処理における評価関数の最適値演算を説明する説明図である。
【図４】図４は、モデル予測制御による測定結果を示す図である。
【図５】図５は、モデル予測制御を適用した場合と複数のＰＩＤ制御の組合せ制御を適用した場合とを比較した図である。
【図６】図６は、この発明の実施の形態２による評価関数の最適化演算処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態である汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。図１に示すように、この汚泥燃焼システム１は、汚泥焼却炉２を有する。汚泥焼却炉２は、略円筒形状をなし、炉内には、流動床を形成する砂層部５と、砂層部５の上部空間であるフリーボード中部３と、フリーボード中部３の上部空間であるフリーボード上部４とを有する。
【００２１】
フリーボード中部３には、汚泥流量検出器２０および汚泥供給部１１を介して汚泥１０が供給される。砂層部５には、バルブ４１、燃料流量検出器２１、および燃料供給部１３を介して燃料１２が供給される。なお、バルブ４１は、燃料流量調節器３１によって、燃料流量検出器２１によって検出された燃料流量が制御装置Ｃから指示された制御量となるように開度制御される。
【００２２】
砂層部５、フリーボード中部３、フリーボード上部４には、それぞれ１次空気１６、２次空気１７、３次空気１８が供給される。流動ブロア１４は、流動空気１５の風量を検出する流動空気検出器１５を介して流動空気１５を熱交換器１９に供給する。熱交換器１９は、流入した流動空気１５を所定温度に加温してバルブ４２，４３，４４に分岐出力する。１次空気温度調節器３２は、制御装置Ｃから指示された制御量の１次空気１６を砂層部５に供給するように、１次空気風量検出器２２の検出結果をもとにバルブ４２の開度制御を行う。また、２次空気温度調節器３３は、制御装置Ｃから指示された制御量の２次空気１７をフリーボード中部３に供給するように、２次空気風量検出器２３の検出結果をもとにバルブ４３の開度制御を行う。さらに、３次空気温度調節器３４は、制御装置Ｃから指示された制御量の３次空気１８をフリーボード上部４に供給するように、３次空気風量検出器２４の検出結果をもとにバルブ４４の開度制御を行う。なお、流動ブロア１４の上流側には、バルブ５１が設けられる。流動空気調整器５０は、流動空気検出器２５の検出結果をもとに制御装置Ｃから指示された制御量の流動空気１５を供給するようにバルブ５１の開度制御を行う。ここで、流動空気調節器５０は、制御装置Ｃからの制御量ではなく、予め設定された一定の流動空気風量となるように、バルブ５１を開度制御してもよい。これは、１次空気１６、２次空気１７、および３次空気１８が、それぞれ１次空気風量調節器３２、２次空気風量調節器３３、および３次空気風量調節器３４によって調整可能であるからである。
【００２３】
ここで、フリーボード中部３には、複数の温度検出部として５つの熱電対からなる熱電対群２６が分散配置される。また、フリーボード上部４には、複数の温度検出部として５つの熱電対からなる熱電対群２７が分散配置される。
【００２４】
汚泥焼却炉２は、フリーボード中部３において、フリーボード中部３に供給された汚泥１０を、砂層部５から供給される燃料１２および１次空気１６と、フリーボード中部３に供給される２次空気１７とによって燃焼する。さらに、フリーボード上部４では、フリーボード中部部３で不完全燃焼のものを、３次空気１８を用いて完全燃焼させるようにする。このフリーボード上部４によって燃焼されたガスは、排ガス２８として炉外に排出される。
【００２５】
ここで、制御装置Ｃには、汚泥流量検出器２０、燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次空気風量検出器２４、流動空気検出器２５からそれぞれ、汚泥流量、燃料流量、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２６，２７からそれぞれ砂層部温度およびフリーボード温度が入力され、制御装置Ｃは、燃料流量調節器３１、１次空気風量調節器３２、２次空気風量調節器３３、３次空気風量調節器３４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。
【００２６】
制御装置Ｃは、入力された砂層部温度とフリーボード温度と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い、各流量・風量の制御値を、それぞれ燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次風量検出器２４にそれぞれ出力する。燃料流量検出器２１、１次空気風量検出器２２、２次空気風量検出器２３、３次風量検出器２４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各別に行う。
【００２７】
制御装置Ｃは、図２に示すようにモデル予測演算部１００を有し、このモデル予測演算部１００が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。この汚泥焼却炉２の制御を行う場合、燃料および空気の各供給量が、炉のサイズなどに大きく依存する未知の制御量であり、この場合、燃焼停止などの問題が生じないような大枠としての制約条件として、燃料および空気の各供給量を当てはめ、フリーボード中部３およびフリーボード上部４の複数の温度目標値を一定温度に保ちつつ、燃料１２および空気の各供給量を予測制御することができる。
【００２８】
モデル予測演算部１００は、予めこの汚泥燃焼システム１の動的モデルを生成しておく。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。この実施の形態では、熱電対群２６によって検出される５つの砂層部温度、熱電対群２７によって検出される５つのフリーボード部温度、１次空気１６の風量、２次空気１７の風量、３次空気の風量、燃料１２の流量に対するステップ応答モデルを生成する。
【００２９】
さらに、モデル予測演算部１００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、燃料および空気の制御量は未知のものであり、この燃料およ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の比であり、たとえば、空気比ＡＦＲは、
ＡＦＲ＝ｆair／（ηcake・ｆcake＋ηfuel・ｆfuel）
として示される。ここで、ηcakeは、汚泥を完全燃焼させる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燃料理論空気比であり、ｆfuelは、燃料の流量である。そして、空気比ＡＦＲは、上限空気比ｒmaxと下限空気比ｒminとの範囲内に収まる制約条件が記載される。
【００３０】
モデル予測演算部１００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、５つの砂層部温度、５つのフリーボード部温度の設定温度値１０１を入力する。また、上述した制約条件の条件値である制約条件１０２を入力する。たとえば、上述した空気比の上限値および下限値である。なお、たとえば、フリーボード部上部温度の上限値を制約条件として入力してもよい。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、たとえば、演算周期（サンプリング周期）や予測期間などである。
【００３１】
このような設定処理が施されたモデル予測演算部１００は、熱電対群２６，２７から現在温度１１０を取得し、この現在温度が温度設定値１０１を維持するための予測演算を行うとともに、燃料の流量およ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および空気の風量の次時刻操作量１３０を出力する。
【００３２】
なお、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することができる。
【００３３】
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２００と予測出力値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、すなわち最小値を求める最適値演算を行う。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。
【００３４】
この結果、砂層部温度やフリーボード温度など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、燃料の流量およ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。
【００３５】
図４は、実際の汚泥燃焼システムにモデル予測制御を適用した場合の測定結果を示すタイムチャートである。この測定対象のシステムの運転条件は、汚泥の供給量が８０ｋｇ／ｈ、水供給量Ｗで示す水負荷が１４ｋｇ／ｈ（含水率３％相当）、フリーボード中部温度Ｔ２の目標値Ｔ２Ｓが８５０℃であり、砂層部温度Ｔ１の目標値が７００℃である。
【００３６】
図４では、水供給量Ｗを加えた場合、燃料流量Ｇや２次空気風量Ｆ２が、この水負荷に伴って増大するが、異なる目標値である砂層部温度Ｔ１、フリーボード中部温度Ｔ２、フリーボード上部温度Ｔ３のそれぞれは、水負荷にほとんど関係なく温度が目標値に保たれている。一方、燃料流量Ｇは、燃料流量上限値ＧＵ以下に制御され、１次空気風量Ｆ１も、１次空気上限値Ｆ１Ｕ以下に制限されている。
【００３７】
図５は、この発明の実施の形態１で用いているモデル予測制御と複数のＰＩＤ制御の組合せ制御との制御応答性の測定結果を比較した図である。図５では、水供給を停止した場合の砂層部温度の制御応答特性を示している。従来のＰＩＤ制御の場合、水供給停止から砂層部温度が目標値に落ち着くまでの回復時間あるいは収束時間は、７０分であったのに対し、この実施の形態１では、４３分で回復している。また、水供給を停止した後の目標値の偏差も、従来のＰＩＤ制御に比して小さい。
【００３８】
この実施の形態１では、空気比の制約条件を付加したモデルを生成し、このモデルをもとにモデル予測制御を行い、高温のフリーボード温度を含む複数の温度を独立の目標値として安定した制御ができる。しかも、燃料の流量や空気の風量が制約条件を満足するように制御しているので、燃料流量や空気風量の干渉がなく、高温のフリーボード温度制御に加えて燃料流量や空気風量をも少なくすることができるので、結果として温室効果ガスの抑制および低減を図ることができる。
【００３９】
（実施の形態２）
実施の形態１によるモデル予測制御では、制約条件を付して演算を行っていたが、厳しい制約条件を与えると、評価関数の最適化演算結果が、演算不可あるいは制約条件内に解なし、となり最適化演算が停止してしまう場合がある。
【００４０】
そこで、この実施の形態２では、実施の形態１の評価関数Ｊにペナルティ関数ｆ
ｆ＝ρε２
を加えて最適化演算を行う。ここで、εは許容誤差の値であり、ρは重みの値である。
【００４１】
実施の形態１の最適化演算は、評価関数Ｊに対して以下の演算を行っていた。すなわち、要素ｙ（τ）が上限値ｙmaxと下限値ｙminとの範囲内である制約条件下で評価関数Ｊの最小値を演算していた。
min（Ｊ） subject to ｙmin≦ｙ（τ）≦ｙmax
これに対して、この実施の形態２では、ペナルティ関数ｆ＝ρε２を用いて次のような演算を行う。すなわち、
min（Ｊ＋ρε２） subject to ｙmin−ε≦ｙ（τ）≦ｙmax＋ε
である。これは、上限値と下限値とを許容誤差ε分だけそれぞれ広げ、評価関数（Ｊ＋ρε２）の最小値も、評価関数Ｊのみの最小値に比べて実質的に大きくし、ペナルティ関数を加えて最小値を求めた場合であっても、最小値として選択されないようにしている。これによって、評価関数の演算が停止することがなくなる。
【００４２】
特に、システム立ち上げ時は、制約条件が厳しい場合、評価関数の最適化演算が行えなくなる場合が発生しやすくなり、この評価関数の最適化演算が行えなくなると、システム立ち上げ時間が長くなってしまう。この実施の形態２では、上述したペナルティ関数の導入によって継続的なシステム制御が維持できるとともに、システム立ち上げ時間を短縮することができる。
【００４３】
ここで、この図６に示したフローチャートを参照して、この実施の形態２による評価関数の最適化演算処理手順について説明する。まず、ペナルティ関数を加えないで、評価関数Ｊのみの最適化演算を行う（ステップＳ１０１）。その後、最適化演算の結果が解なしなどによる制約条件外であるか否かを判断する（ステップＳ１０２）。
【００４４】
制約条件外である場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）には、上述したペナルティ関数ｆ＝ρε２を導入し、制約条件の上限値および下限値を許容誤差ε分だけ広げ、評価関数Ｊにペナルティ関数ｆ＝ρε２加えて（ステップＳ１０３）、最適化演算を行う（ステップＳ１０４）。
【００４５】
その後、ステップＳ１０５に移行し、あるいは制約条件外でない場合（ステップＳ１０２，Ｎｏ）には、ステップＳ１０５に移行し、次の最適化演算があるか否かを判断し（ステップＳ１０５）、次の最適化演算がある場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０１に移行して上述した処理を繰り返し、次の最適化演算がない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、本処理を終了する。
【００４６】
この実施の形態２では、上述したペナルティ関数を導入して最適化演算を継続して行えるようにしているので、制御のロバスト性を向上させることができる。特に、システム立ち上げ時等のシステムが不安定になりがちな時に、ペナルティ関数を導入して最適化演算を行うことが好ましい。
【００４７】
なお、上述した温度制御装置および温度制御方法は、汚泥焼却炉以外に適用が可能である。たとえば、上述した燃料流量制御と空気風量制御とに対応して、ブロア圧力制御と水処理ＤＯ制御とが相互に干渉する可能性がある制御システム等に適用することができる。この制御システムに上述したモデル予測制御を適用することによって各制御を安定して行うことができる。
【符号の説明】
【００４８】
１ 汚泥燃焼システム
２ 汚泥焼却炉
３ フリーボード中部
４ フリーボード上部
５ 砂層部
１０ 汚泥
１１ 汚泥供給部
１２ 燃料
１３ 燃料供給部
１４ 流動ブロア
１５ 流動空気
１６ １次空気
１７ ２次空気
１８ ３次空気
１９ 熱交換器
２０ 汚泥流量検出器
２１ 燃料流量検出器
２２ １次空気風量検出器
２３ ２次空気風量検出器
２４ ３次空気風量検出器
２５ 流動空気風量検出器
２６，２７ 熱電対群
２８ 排ガス
３１ 燃料流量調節器
３２ １次空気風量調節器
３３ ２次空気風量調節器
３４ ３次空気風量調節器
４１〜４４，５１ バルブ
５０ 流動空気風量調節器
１００ モデル予測演算部
Ｃ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却路の温度制御装置。
【請求項２】
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項３】
前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項４】
前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項３に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項５】
前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項６】
砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却路の温度制御方法。
【請求項７】
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項６に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項８】
前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項９】
前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項８に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項１０】
前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項１】
砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却路の温度制御装置。
【請求項２】
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項１に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項３】
前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項４】
前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項３に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項５】
前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。
【請求項６】
砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および／または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却路の温度制御方法。
【請求項７】
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項６に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項８】
前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項６または７に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項９】
前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の２乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項８に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【請求項１０】
前記砂層部の温度および／または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。
【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２０１０−２３０２８３（Ｐ２０１０−２３０２８３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８０６３９（Ｐ２００９−８０６３９）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【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２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【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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