燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法
【課題】 燃焼モデルに基づくシミュレーションによって実プラントを構築し、静調整実施や新しい自動燃焼制御開発にも適応できる燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法を提供すること。
【解決手段】 燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標とする、制御機構ＯＰおよび測定手段ＳＥが設けられた焼却炉１０において、制御装置２０、シミュレーション装置３０および通信手段を備えることを特徴とする。
【解決手段】 燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標とする、制御機構ＯＰおよび測定手段ＳＥが設けられた焼却炉１０において、制御装置２０、シミュレーション装置３０および通信手段を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法に関し、特に、ごみ焼却炉などの燃焼制御に好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ごみ処理施設においては、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の引下げやダイオキシン類の発生防止を図って環境汚染を防止するとともに、熱回収の高効率化および排ガス処理設備の小型化等を可能とした次世代型燃焼方式が多く提案されている。この次世代型燃焼方式においては、安定した燃焼制御が要求され、具体的には（ｉ）燃焼熱量の安定化、（ii）目標とする空気比での安定燃焼、（iii）ダイオキシンや一酸化炭素（ＣＯ）の発生抑制およびＮＯｘの変動抑制などが要求されることになる。
【０００３】
また、燃焼炉の設計を行う場合には、焼却炉内のごみ厚み、炉内の温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布などの制御対象を各種センサによって検出して、個々の制御ループで最適な燃焼を行うように制御することが行われ、ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御は、主にボイラ蒸発量を制御対象として、制御対象が安定化するように、ストーカ速度や燃焼空気量が自動的に制御される。
【０００４】
例えば、図８に例示するような燃焼制御装置を挙げることができる。一次燃焼部１１１の代表温度であるごみ表面温度と二次燃焼部１１２の代表温度である炉内温度を精度良く計測して燃焼制御を行うことで燃焼制御の信頼性を高め、ダイオキシン類等の有害ガスを低減させることができる。具体的には、ごみ焼却炉１００における一次燃焼部１１１のごみ表面温度を赤外線を介して測定するごみ表面温度測定器２２０と、炉内温度を測定する炉内温度センサ２１０と、ごみ表面温度および炉内温度に基づいて、燃焼制御を行う制御装置３００とを備えている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、ごみ処理施設においては、ごみホッパから供給されるごみの大きさや発熱量が一定でないため、蒸発量（換算蒸発量）を指標として一次燃焼空気量とごみ送り量を制御し、蒸発量が一定となるように調整していた。このとき、ごみを確実に燃し切り未燃分を出さないようにするために、燃切り点の位置によって、一次燃焼空気量とごみ送り量を制御していた。また、この燃焼空気量の変動によるＣＯの発生を抑制するために、炉出口の酸素濃度が一定になるように二次空気量を制御していた。さらに、二次空気の吹込みにより完全燃焼（ＣＯの抑制）を実現するために、炉出口からの排ガスを炉内に吹き込む排ガス再循環や炉内後燃焼ストーカ上部から排ガスを引き抜き炉内に吹き込む還流ガス方式などを用いることもあった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０６５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術には、次のような課題があった。すなわち、焼却炉はひとつの操作量を変更すると、その影響が多くの状態量（ボイラ蒸発量、燃焼ガス温度、排ガス中の酸素濃度等）に波及し、操作量と状態量の因果関係を明確化するのが非常に困難である。特に、炉内の条件によっては、こうした状態量を把握するための測定手段などの設置が困難な場合が多く、正確な状態量を把握することが難しく、適切な操作量の設定ができないこともあった。また、多数の状態量を一様に安定化させることが要求されており、近年ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御は非常に高度化されており、自動燃焼制御の理解も調整も非常に困難になってきている。
【０００８】
さらに、従来、ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御の静調整・動調整は、調整員が試運転期間の燃焼調整中に直接プラントを運転しながら実施しているが、この期間は他の調整事項も多く存在するために、十分な時間を自動燃焼制御の静調整・動調整に当てることができない。また実プラント操業に直接的に大きな影響を及ぼす危険性の中での調整であるために、通常の運転員が直接プラントを運転することで非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得することは非常に困難な状況となっている。ここで「静調整」とは、燃焼制御装置据付後、負荷運転（ごみ焼却処理の実施）前に行う各機器や制御系の動作確認などをいい、例えば計器の入出力（Ｉ／Ｏ）チェックやポンプの動作チェックなどが該当する。また「動調整」とは、実際の操業運転前に行う、各機器や制御系の動作確認などをいい、例えば乾燥焚やソーダ煮などが該当する。
【０００９】
そこで、実プラントを使用せずに、実プラントとはオフラインで、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解や、調整技術の向上を経験できる自動制御装置用プロセスシミュレータの要求が高まっている。また、これが実現すれば、ＰＩＤオートチューニング機能やカオス理論や自動学習機能などで構成された新しい自動燃焼制御装置の開発の際にも大きな一翼を担うこととなる。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、燃焼モデルに基づくシミュレーションによって実プラントを構築し、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得、または静調整実施、さらには新しい自動燃焼制御開発にも適応できる燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明は、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御システムであって、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる前記各制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる前記各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、前記燃焼炉の設計条件から前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータまたはこれと前記プロセスデータを受信し、前記制御対象に係る操作量を演算し、前記制御機構に制御信号を送信して制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）前記制御機構と自動燃焼制御装置、前記測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、前記シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成の燃焼制御システムによれば、蒸発量や炉内温度等のプロセスデータのいくつかを制御指標として取得して、炉内燃焼状況をリアルタイムにシミュレーションし、最適な燃焼状態（設計条件）を形成するために必要なごみ送りや燃焼空気量を制御することが可能となる。特に、ごみの質（組成）や含有水分量などが時々刻々変化するごみ焼却炉などにおいては、ごみの燃焼状態の変化に伴う炉内燃焼状況の変化を局部的な観点ではなく、システム全体としての燃焼状況を把握しながら、燃焼モデルによって設定された設計条件に近づけるような境界条件を設定することによって、常に最適な燃焼制御を行うことが可能となる。と同時に、こうした燃焼モデルに基づくシミュレーションによって、従前の燃焼制御システムでは困難であったシミュレーションによる実プラントを構築することが可能となり、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得、または静調整実施、さらには新しい自動燃焼制御開発にも適応できる燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法を提供することが可能となった。
【００１４】
つまり、従前の制御システムでは、実動条件における情報（制御対象における操作量および制御指標についてのプロセスデータ）と、これに対応する設計条件における情報との比較によって、調整すべき操作量を設定していたために、上記のように、ごみ質の変化やストーカでの燃焼状態の変化などに追随した制御ができなかった。本発明においては、設置条件や要求仕様あるいは設計条件から、理想の燃焼状態における制御指標の境界条件Ｆｏを設定することによって、実機の最適な燃焼制御システムの基準を明確にすることができる。次に、実動条件における情報からシミュレーションを行い、その境界条件Ｆｎあるいは炉内分布Ｍｎを作成することによって、従前での部分的な情報ではなく、システム全体のより正確な燃焼状態を把握することができる。このとき、境界条件（シミュレーションデータ）は、複数の特定の制御指標について行うとともに、各制御指標について理想の燃焼状態と実動状態を比較し、制御調整することによって、システム全体の最適な燃焼制御を行うことができる。
【００１５】
ここで、「境界条件」とは、制御対象における操作量および制御指標のプロセスデータの最適値あるいは最適数値範囲をいい、例えば、炉内温度については、一次燃焼ゾーンの温度やストーカ上のごみ表面の温度などの特定部位の温度だけではなく、その特定部位を含む特定領域の平均温度、二次燃焼ゾーン断面の最高温度の部位（壁面からの距離）やそのときの所定温度（例えば８００℃）以上の特定領域の面積あるいは境界の位置などを境界条件として設定することができる。また、「シミュレーションデータ」とは、ここでいう「シミュレーション」、つまり、実動条件における具体的な制御指標となる特定の情報（プロセスデータ）を用い、設計条件に近い燃焼状態を形成できるように制御対象における操作量を設定した場合の、該操作量のデータおよびそのときの制御指標のプロセスデータをいう。
【００１６】
また、本発明は、上記燃焼炉の燃焼制御システムであって、前記シミュレーション装置が、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成する機能を有し、該燃焼モデルを用いてシミュレーションを行い、前記自動燃焼制御装置からの指示に従い、シミュレーションデータの作成を行うことを特徴とする。
【００１７】
燃焼炉の燃焼制御は、その燃焼炉の仕様や機能が決定されることによって、制御対象あるいは／および制御指標（ここでは「要素」という）が決まるとともに、各要素を単純化し、相関関係を設定することができる。こうした相関関係を明確にすることによって、いわゆる「燃焼モデル」を作成することが可能となり、燃焼制御の優先度、あるいは特定の要素に対して制御操作することによる他の要素への影響を明確にすることができるとともに、燃焼モデルに用いてより正確なシミュレーションを行うことが可能となる。本発明に係る燃焼制御システムにおいては、さらにシミュレーション装置から一方的にシミュレーションデータ（境界条件）を送信するのではなく、自動燃焼制御装置において必要とされる制御指標の境界条件が限定されて指示され、そのシミュレーションデータに基づきリアルタイムにシミュレーションを行うことによって、より迅速に現状のプロセスデータに対応した燃焼制御が可能となる。
【００１８】
また、本発明は、上記燃焼炉の燃焼制御システムであって、前記自動燃焼制御装置における制御システムとして、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系と、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
こうした構成の自動燃焼制御装置を用いた燃焼制御システムによれば、実プラントの稼動状態に応じた燃焼制御が可能となり、実プラントでの稼動状態の自動燃焼制御装置として上記シミュレーション装置との組合せによって、実プラントを操業することなく、静調整（デバッグ作業）が可能となる。また、ＰＩＤ制御系、自己回帰モデル制御系、ファジイ制御系の各機能を有効に連結して使用することによって、より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができる。と同時に、実稼動状態においても、リアルタイムのプロセスデータあるいは境界条件を制御指標として最適な燃焼状態での制御を行うことができる。
【００２０】
また、本発明は、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、前記燃焼炉の制御系として、上位制御である自己回帰モデル制御または／および非定常制御系であるファジイ制御が組み込まれるとともに、受信した前記プロセスデータまたはシミュレーションデータを用い、瞬時のデータに対してＰＩＤ制御系を基に安定化制御を行い、瞬時のデータ変動量に対して自己回帰モデル制御系を基に動的最適化制御を行い、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対してファジイ制御系を基に定常復帰制御を行い、燃焼制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
かかる燃焼制御方法によって、実プラントとはオフラインで、より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができる。と同時に、実稼動状態においても、リアルタイムのプロセスデータあるいは境界条件を制御指標として最適な燃焼状態での制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。すなわち、本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システムと燃焼制御方法を、例えばストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御に適用した場合を１つの実施態様として説明する。
【００２３】
＜本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システム＞
本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システム（以下「本燃焼システム」という）は、ストーカ式ごみ焼却炉（燃焼炉に相当し、以下「焼却炉」という）に対し、処理されるごみ（燃焼対象物に相当）および助燃用空気を入力とし、発生する熱量、排ガスおよび塵灰を出力とするとともに、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度およびストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として制御する。
【００２４】
このとき、本燃焼システムは、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、燃焼炉の設計条件から制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータあるいは／およびプロセスデータを受信し、制御対象に係る操作量を演算し、該制御機構に制御信号を送信し、該制御機構を制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）制御機構と自動燃焼制御装置、測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備える。
【００２５】
〔本燃焼システムを用いた燃焼炉の構成〕
図１は、本燃焼システムを用いた燃焼炉の概略全体構成例を示す。（ａ）制御機構（詳細は後述）および（ｂ）測定手段（詳細は後述）が設けられた焼却炉１０が、（ｃ）制御装置２０、（ｄ）シミュレーション装置３０および（ｅ）通信手段（図中の一点鎖線部）と連携して所定の制御を行う。このとき、制御装置２０とシミュレーション装置３０は、別の計算機ではなく、プロセスシミュレータ内に構築して、１台の計算機内で、自動燃焼制御（ＡＣＣ）の調整ができるようにしてもよい。また、既設の燃焼炉のＡＣＣが、制御装置２０と同様の機能を有する場合には、実プラントのＡＣＣを利用することも可能であり、実プラントのＡＣＣと本発明に係るシミュレーション装置３０と連結することにより、実プラントを操業することなく、静調整（デバッグ作業）が可能となる。
【００２６】
焼却炉１０は、ごみを貯留するホッパ１とごみを燃焼させるストーカ３が炉本体２に設けられ、ホッパ１のごみは、ごみ供給装置４によってストーカ３に送られる。ストーカ３は、乾燥ストーカ３Ａと燃焼ストーカ３Ｂと後燃焼ストーカ３Ｃとから構成され、それぞれ別々に往復移動駆動されてごみを送給する。炉本体２は、ストーカ３の上部に設けられた一次燃焼ゾーン２Ａと、さらにその上部の二次燃焼ゾーン２Ｂと、ストーカ３および一次燃焼ゾーン２Ａに空気を供給する一次燃焼空気供給装置５と、二次燃焼ゾーン２Ｂに二次燃焼空気を供給する二次燃焼空気供給装置６と、塵灰を排出する灰排出部７と、炉内の排ガスを排出する排ガス排出部８が設けられる。一次燃焼空気は、送風機５Ｆ、一次空気ダクト５Ｄおよび調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃを介して供給される。二次燃焼空気は、送風機６Ｆ、二次空気ダクト６Ｄおよび第１，第２，第３空気ノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃを介して供給される。
【００２７】
ホッパ１に投入されたごみは、乾燥ストーカ３Ａ・燃焼ストーカ３Ｂ・後燃焼ストーカ３Ｃの順に送られながら、一次燃焼空気によって一次燃焼する。乾燥ストーカ３Ａでは、後段の燃焼ストーカ３Ｂ・後燃焼ストーカ３Ｃでの燃焼により生じる高温燃焼ガスによって主としてごみが乾燥し、一部燃焼が始まる。乾燥ストーカ３Ａ上のごみから発生するガスは、水分の蒸発による水蒸気、乾留によって生じる炭化水素ガス、不完全燃焼によって生じるＣＯや完全燃焼による二酸化炭素（ＣＯ２）などである。燃焼ストーカ３Ｂでは、一次燃焼空気により、主としてごみが燃焼する。燃焼ストーカ３Ｂに供給される一次燃焼空気はごみの燃焼に必要十分な量であり、燃焼ストーカ３Ｂ上のごみから発生するガスは高濃度のＮＯｘを含んでいる。後燃焼ストーカ３Ｃでは、焼却灰中の未燃分の燃え切りを図る。二次燃焼ゾーン２Ｂでは、その下部，中部，上部に二次燃焼空気を供給して、一次燃焼ゾーン２Ａからの未燃物または不完全燃焼物を完全燃焼させる。燃焼によって発生した塵灰は、灰排出部７から排出され、炉内の排ガスは、排ガス排出部８から排出される。このとき、排ガス中のＣＯやＮＯｘおよび酸素（Ｏ２）などが所定濃度以下となるように管理される。
【００２８】
〔本燃焼システムの構成要素〕
次に、本燃焼システムの構成要素について、図１および図２に基づき詳述する。
【００２９】
（ａ）制御機構
本燃焼システムの制御機構は、図１に示すように、
（ａ−１）ごみの投入量を制御操作するごみ供給装置４、
（ａ−２）ストーカ速度を制御操作するストーカ駆動装置３Ｄ、
（ａ−３）一次燃焼空気供給装置５に設けられ、一次燃焼空気の全量を制御操作する送風機５Ｆと、ストーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対応するように各空気量を制御操作する調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、
（ａ−４）二次燃焼空気供給装置６に設けられ、二次燃焼空気の全量を制御操作する送風機６Ｆと、二次燃焼ゾーン２Ｂの下部，中部，上部に対応するように各空気量を制御操作するノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃ、
（ａ−５）一次燃焼空気の温度を制御操作する一次燃焼空気予熱器５Ｅ、
（ａ−６）二次燃焼空気の温度を制御操作する二次燃焼空気予熱器６Ｅ
を有する。他に、図示していないが、一次燃焼空気ダンパ駆動装置、二次燃焼空気ダンパ駆動装置、還流ガスファン駆動装置などを制御機構としてもよい。燃焼空気供給の配置あるいは供給量は、炉内分布に大きな影響を与えることから、一次・二次燃焼空気量のバランスおよび一次燃焼空気の調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃや二次燃焼空気の第１，第２，第３空気ノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃの配置とそこから供給する空気量のバランスを適切に制御することが必要となる。配置については、本燃焼システムの設計条件から、理想の燃焼状態を形成できるように設定され、空気量は、実動条件での燃焼状態から制御操作される。
【００３０】
（ｂ）測定手段
本燃焼システムの測定手段は、図１に示すように、
（ｂ−１）ホッパ１に投入されるごみの量と質を測定するセンサ部として、ごみ投入重量検出センサ１２とレーザ距離計１３とが設けられている。レーザ距離計１３により、ごみ表面までの距離を測定して、投入されるごみ体積を測定する。ごみ投入重量検出センサ１２は、ごみの重量を測定する。ごみの体積と重量を検出することにより、ごみの比重の変化を所定時間間隔で検出することができる。ごみ比重が分かれば、ある程度ごみ質を予測することができる。
（ｂ−２）焼却炉１０内の燃焼状態を検出するセンサ部が設けられている。つまり、ガス分布に関するプロセスデータを検出するセンサ部として、例えば、ＮＯｘ濃度計１４、Ｏ２濃度計１５、ＣＯ濃度計１６が二次燃焼ゾーン２Ｂ、一次燃焼ゾーン２Ａの少なくとも一方に設けられている（図１では二次燃焼ゾーン２Ｂのみに設けた例を示す）。ここで、ＮＯｘ濃度計１４、Ｏ２濃度計１５、ＣＯ濃度計１６としては、レーザ発信器（図示せず）が波長をスキャンしながら強さ一定のレーザ光をガスに照射し、レーザ受信器によって残存のレーザ光を測定することにより、ガスの濃度や温度を検出する方式を採用してもよい。また、各ガスの濃度を検出する公知のセンサを使用しても良い。さらに、図１においては、ガス流れ方向に関するセンサ部として、ガス流速計１７が例えば、一次燃焼ゾーン２Ａに設けられ、温度分布に関するプロセスデータを検出するセンサ部として、赤外線放射温度計１８が一次燃焼ゾーン２Ａに設けられている。燃焼炉１０の終端には、燃焼に伴うエネルギー量に相当する蒸発量を測定するセンサとして、ごみから生じる蒸気流量を検出する蒸気流量計１９が設けられている。他のセンサ部としては、発電量検出計などを用いることが可能である。これらセンサ部からの各検出信号（検出情報）が、プロセスデータとしてそれぞれ制御装置２０に入力される。
【００３１】
（ｃ）制御装置
制御装置２０は、図２に示すように、制御機構ＯＰとの間の制御信号およびシミュレーション装置３０との間のシミュレーションデータ（境界条件）を送受信するとともに、シミュレーション装置３０からのシミュレーションデータに基づいて制御機構ＯＰを制御操作する操作量を算出する操作量算出部２０Ｂとを備える。なお、必要な場合には、図２のように、測定手段ＳＥからの出力信号を受信するプロセスデータ取得部２０Ａを設け、シミュレーションデータまたは／およびプロセスデータに基づいて操作量を算出する。制御装置２０からは、こうして算出された操作量が制御機構ＯＰに送信され、制御操作が行われる。このとき、制御操作を複数次行い、１次制御操作後の実動条件における制御指標ｎに係るプロセスデータを、境界条件Ｆｎと比較し、所定の差異があれば、２次制御操作すべき制御対象を特定して制御操作することが好ましい。
【００３２】
このとき、制御システムとしては、図３に示すように、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系を基本とし、上位制御として、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系（ＡＲ制御系）と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系とを備え、各制御系の機能を有効に連結して使用することが好ましい。より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができると同時に、実稼動状態においても、リアルタイムの最適な燃焼制御を行うことができる。また、各制御系を構成する演算式や係数などについては、本燃焼システムにおける模擬試験あるいは実装試験の結果や従前の炉内燃焼実績などに合致するように、修正された手法を用いることが好ましい。さらに、シミュレーション装置３０を用いて、自動燃焼制御（ＡＣＣ）の調整を実施する場合、ＡＣＣは主としてＰＩＤ制御で構成されているおり、安定した燃焼を実現する為に、最適なパラメータ（ＰＩＤパラメータ等）に設定する必要がある。ただし、ごみ焼却炉はひとつの操作量を変更すると、その影響が多くの状態量に波及するうえに、多数の状態量（ボイラ蒸発量、燃焼ガス温度、排ガス酸素濃度等）を一様に安定化させることが求められ、燃焼状態の良否の判断も非常に難しい。そこで、ファジイ制御内のファジイ推論を用いた燃焼状態判定を利用して、ＡＣＣ調整の良否を判断することも好ましい。このようなシステムを利用すれば、ＰＩＤオートチューニング機能やカオス理論や自動学習機能などで構成された新しい自動燃焼制御装置の開発の際にも、その制御効果の是非等を判断することができ、自動燃焼制御装置の開発の支援をすることができる。
【００３３】
また、操作量算出部２０Ｂには、操作量を決定するための「規則」を記憶する規則記憶部２０Ｃが設けられ、「規則」に基づき、シミュレーション装置３０からの境界条件Ｆｏと境界条件Ｆｎとの差異に対応した操作量が算出されるとともに、制御機構ＯＰが制御操作される。規則記憶部２０Ｃに記憶されている「規則」には、制御操作すべき制御対象の操作量を決定するための演算条件、演算式などがある。このとき、演算前にプロセスデータに対し次のような所定の処理を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。具体的には、（ｃ１）所定時間あるいは所定数のデータの平均処理、特に移動平均処理や、（ｃ２）いわゆるスパイクノイズを削除するために、所定時間内のデータあるいは所定数のデータから上位値および下位値を削除して平均するデータの平均処理、（ｃ３）特定のプロセスデータを基準にした他のプロセスデータの時間遅れの補正処理、などを行うことによってより正確な演算処理を行うことができる。
【００３４】
（ｄ）シミュレーション装置
シミュレーション装置３０は、図２に示すように、測定手段ＳＥからのプロセスデータを受信するプロセスデータ取得部３０Ａとプロセスデータ記憶部３０Ｂと、燃焼モデルに基づき境界条件を作成する境界条件設定部３０Ｃと、燃焼モデル設定部３０Ｄと、設計条件設定部３０Ｅとを備えている。設計条件設定部３０Ｅには、最適な燃焼条件を確保するための燃焼炉の設置条件や要求仕様あるいは設計条件が入力可能に記憶される。燃焼モデル設定部３０Ｄでは、こうした設計条件等を基に、燃焼モデルが作成される。燃焼モデルの詳細は後述する。このとき、上記（ｃ）と同様、演算前にプロセスデータに対し所定の処理（ｃ１）〜（ｃ３）を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。
【００３５】
境界条件設定部３０Ｃは、境界条件を作成するために必要となる演算条件、演算式などが記憶される。また、制御対象に係る操作量あるいは／および例えば、要求蒸発量や法規制の対象となる排ガス中のＣＯやＮＯｘ等の濃度なども記憶される。これらの演算式等を用い、制御指標についてのプロセスデータおよび燃焼モデルを基にシミュレーションを行い、シミュレーションデータを作成するとともに、得られたシミュレーションデータからその境界条件を作成する。具体的には、本燃焼システムの設計条件等から設定された燃焼モデルと制御指標についてのプロセスデータ（制御対象に係る操作量を含む）を基に、理想の燃焼状態（設計条件）における境界条件Ｆｏを算出し作成し、実稼動状態での制御対象に係る操作量あるいは制御指標についてのプロセスデータから境界条件Ｆｎを算出し作成する。作成された境界条件ＦｏあるいはＦｎは、実際には燃焼炉において存在しない測定手段ＳＥからの出力と同様に、実プラントにおけるプロセスデータの一部を構成する出力とすることができる。このとき、シミュレーションのための解析手段としては、多変量解析法やＡＲアルゴリズムを用いた自己回帰推定法などを基本とし、本燃焼システムにおける模擬試験あるいは実装試験の結果や従前の炉内燃焼実績などに合致するように、修正された手法を用いることが好ましい。このとき、上記（ｃ）と同様、演算前にプロセスデータに対し所定の処理（ｃ１）〜（ｃ３）を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。
【００３６】
（ｅ）燃焼状態表示装置（図示せず）
燃焼状態表示装置（図示せず）は、シミュレーションデータを表示されるために設けられる。例えば、後述するような炉内分布（図４参照）を可視化することによって、操作量やプロセスデータを基に燃焼状態の適否を判断するだけではなく、燃焼炉全体の動きから燃焼状態の適否を判断することができる。起動時あるいは実動運転時に定期的に点検確認作業を行うときに有用である。また、こうした表示からセンサの配置や本燃焼システムの制御方法全体の見直しを図ることが可能となる。
【００３７】
以上の各構成要素が結合し、例えば図４に示す本燃焼システムを構成する。それぞれの構成要素が、複数のプロセスデータや操作量を処理・操作する。具体的には、蒸発量、燃焼対象物の量や質、ガス濃度、ガス流速、炉内温度等のプロセスデータを基に、燃切点位置、ボイラ蒸発量、ごみ層レベル、排ガスＯ２濃度、一次空気量、二次空気量、燃焼室出口温度等のシミュレーションデータがシミュレーション装置３０で算出される。これらのシミュレーションデータが制御装置（ＡＣＣ）２０に取り込まれて、ボイラ蒸発量や空気過剰率が設定値となるように最適な給じん速度、ストーカ速度、空気ダンパ開度等の操作量が算出される本燃焼システムを例示している。また、この操作量は、再びシミュレーション装置３０に転送され、シミュレーションを行い、新たなシミュレーションデータが算出され、再度ＡＣＣに取り込まれる。これを何度となく繰り返すことにより、実プラントを操業しなくても、あたかも実プラントであるかのごとく、ＡＣＣの動作確認ができ、調整訓練や静調整（デバッグ作業）へと応用することができる。
【００３８】
〔燃焼モデルについて〕
本燃焼システムにおいては、シミュレーションデータの作成や境界条件Ｆｏ，Ｆｎを設定する機能が重要な役割を果たしている。ここで、制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成し、該燃焼モデルに用いて、こうしたシミュレーションや境界条件の作成を行うことが好ましい。本燃焼システムにおいては上記のような種々の制御対象や制御指標（要素）が関与する。そこで各要素を単純化し相関関係を明確にする、いわゆる「燃焼モデル」を作成することによって、燃焼制御の優先度、あるいは特定の要素に対して制御操作することによる他の要素への影響を明確にすることができるとともに、燃焼モデルを用いてより正確なシミュレーションを行うことが可能となる。燃焼モデルとしては、例えば、ボイラモデル、燃焼室モデル、ストーカモデルなどが考えられるが、具体的には、図５（Ａ）に例示するような「ごみ焼却炉の燃焼シミュレーションにおける燃焼モデル」を挙げることができる。「燃焼反応モデル」を中心として、物質の収支を主にモデル化する「物質移動モデル」および関連する「ガス状態モデル」と「塵灰モデル」、エネルギーの収支を主にモデル化する「エネルギー移動モデル」および関連する「輻射・伝熱モデル」が、相互に結びつき燃焼モデルを構成する。さらに、これを利用して、図５（Ｂ）に例示するように、本燃焼システムにおける制御対象（括弧内はそれに関連する制御指標を示す）を体系的に表すことができる。
【００３９】
さらに、本燃焼システムを用いた燃焼炉における他の燃焼モデルを図６に例示する。シミュレーションデータの範囲として、空気・排ガスラインの通風系、ボイラ給水・上記復水ラインのボイラ系、ごみの移送・燃焼を主とする燃焼系である。こうした燃焼モデルは、機器単位における質量・運動量・エネルギーの各保存則を基本式とする物理モデル法を用いて構築した。つまり、燃焼炉には、送風機、流量調整ダンパ、ボイラ設備、燃焼室、給じん装置、ストーカといった機器が複数存在し、これらが関連しあってプラントを構成しでいる。従って、これら機器単位における燃焼モデルを構成することによって、機器ごとの制御内容が明確になり、かつ制御システム全体の制御内容が明確となることから、最適な制御系を適用することができる。また、ごみ焼却炉特有の動特性を実現するために、物理モデルに経験則を付加した機器モデルを採用しており、各実プラントの操業データを用いて調整することで、各実プラントの独自の燃焼特性を再現することも可能である。
【００４０】
＜燃焼炉の燃焼制御方法＞
図７は、燃焼制御システムの処理例を示すフローチャートであり、これに基づいて本燃焼制御システムによる処理方法（燃焼炉の燃焼制御方法、以下「本燃焼方法」という）を説明する。まず、燃焼制御システムを起動し、焼却炉１０、制御装置２０、シミュレーション装置３０の各装置が機能する状態を形成し、処理プロセスは、ごみ焼却炉を具体例とし、以下のステップ
（Ｓ１）予め前記燃焼炉の設計条件を入力し、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを設定するステップと、
（Ｓ２）前記燃焼モデルから、基準となる特定の制御指標についての境界条件Ｆｏを設定するステップと、
（Ｓ３）前記制御指標に係るプロセスデータを受信し、記憶するステップと、
（Ｓ４）前記のプロセスデータを用い、前記燃焼モデルから前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行うステップと、
（Ｓ５）シミュレーションによって得られた境界条件を、シミュレーションデータとして作成するステップと、
（Ｓ６）前記シミュレーションデータのうちから特定の制御指標ｎについての境界条件Ｆｎを、前記境界条件Ｆｏと比較するステップと、
（Ｓ７）該比較時に、所定の差異があれば、前記境界条件Ｆｎが前記境界条件Ｆｏに近接するように、制御操作すべき制御対象Ｔ１を特定し、その操作量を演算するステップと、
（Ｓ８）前記制御対象Ｔ１について、前記操作量を制御操作するステップと、
（Ｓ９）前記制御操作後の実動条件における前記制御指標ｎに係るプロセスデータを用いてシミュレーションを行い、シミュレーションデータとして境界条件Ｆｎ’を作成するステップと、
（Ｓ１０）前記境界条件Ｆｎ’を前記境界条件Ｆｎと比較するステップと、
（Ｓ１１）該比較時に、所定の差異があれば、前記境界条件Ｆｎ’が、前記境界条件Ｆｎに近接するように、制御操作すべき制御対象Ｔ２を特定し、その操作量を演算するステップと、
（Ｓ１２）前記制御対象Ｔ２について、前記操作量を制御操作するステップと、
からなる。
【００４１】
上記燃焼制御方法であっては、ステップ（Ｓ７）において設定された制御対象Ｔ１の操作量を基に、ステップ（Ｓ４）〜（Ｓ７）を繰返し、制御指標についての所定の差異をなくすステップ、および／またはステップ（Ｓ１１）において設定された制御対象Ｔ２の操作量を基に、ステップ（Ｓ９）〜（Ｓ１２）を繰返し、制御指標についての所定の差異をなくすステップ、を有することが好ましい。上記のように理想の燃焼状態に基づく制御では、不均質なごみが投入される実動条件を反映させた燃焼状態を形成することが難しいことがあり、シミュレーション時の理想の燃焼状態との比較による境界条件や炉内分布の設定や、実動条件におけるプロセスデータに基づく境界条件や炉内分布の設定を、反復して繰返すことによって、現実の運転状態において最適な燃焼制御方法が可能となった。なお、このとき、ステップ（Ｓ４）あるいはステップ（Ｓ９）の起点を、前回あるいはメモリされた従前のシミュレーション結果を用いてリスタートすることが可能であり、比較される境界条件等の変動分だけを、再シミュレーションあるいは境界条件や炉内分布の再設定を行うことによって、処理時間の短縮を図ることが可能である。
【００４２】
以上のように、本発明に係る燃焼制御方法および燃焼制御システムを用いることによって、さらに以下のような優れた技術的効果を得ることができる。
（ｉ）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の理解や操作・調整（パラメータ設定）訓練ができる。
（ii）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の静調整（デバッグ作業）ができる。
（iii）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の開発を支援することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る燃焼制御方法および燃焼制御システムを適用できる燃焼炉としては、焼却炉に限定されるものではなく、電気式灰溶融炉、ガス化溶融炉などであってもよい。その場合、電気式灰溶融炉が取得するプロセスデータとしては、灰供給、スラグ流れ、電極間距離、温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布、ＮＯｘ分布、ガス流れ方向、ガス流速などを例示できる。また、ガス化溶融炉が取得するプロセスデータとしては、温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布、ＮＯｘ分布、ガス流れ方向、ガス流速などを例示できる。また、上記ではストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御装置を構成例としているが、ストーカ式以外のごみ焼却炉や電気式灰溶融炉、ガス化溶融炉などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る燃焼制御システムの概略全体構成を示す説明図
【図２】本発明に係る燃焼制御システムの一例を示す概略ブロック図
【図３】本発明に係る燃焼制御システムの制御システムの構成を例示する説明図
【図４】本発明に係る燃焼制御システムの構成要素と制御指標等を例示する説明図
【図５】本発明に係る燃焼制御システムにおける燃焼モデルを例示する説明図
【図６】本燃焼システムを用いた燃焼炉における他の燃焼モデルを例示する説明図
【図７】燃焼制御システムの処理例を示すフローチャート
【図８】従来技術に係る燃焼制御装置の構成例を示す説明図
【符号の説明】
【００４５】
１ ホッパ
２ 炉本体
２Ａ 一次燃焼ゾーン
２Ｂ 二次燃焼ゾーン
３ ストーカ
３Ａ 乾燥ストーカ
３Ｂ 燃焼ストーカ
３Ｃ 後燃焼ストーカ
３Ｄ ストーカ駆動装置
４ ごみ供給装置
５ 一次燃焼空気供給装置
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 調整弁
５Ｄ 一次空気ダクト
５Ｅ 一次燃焼空気予熱器
５Ｆ，６Ｆ 送風機
６ 二次燃焼空気供給装置
６Ａ 第１空気ノズル
６Ｂ 第２空気ノズル
６Ｃ 第３空気ノズル
６Ｄ 二次空気ダクト
６Ｅ 二次燃焼空気予熱器
７ 灰排出部
８ 排ガス排出部
１０ 燃焼炉
１２ ごみ投入重量検出センサ
１３ レーザ距離計
１４ ＮＯｘ濃度計
１５ Ｏ２濃度計
１６ ＣＯ濃度計
１７ ガス流速計
１８ 赤外線放射温度計
１９ 蒸気流量計
２０ 制御装置
２０Ａ プロセスデータ取得部
２０Ｂ 操作量算出部
２０Ｃ 規則記憶部
３０ シミュレーション装置
３０Ａ プロセスデータ取得部
３０Ｂ プロセスデータ記憶部
３０Ｃ 境界条件設定部
３０Ｄ 燃焼モデル設定部
３０Ｅ 設計条件設定部
ＯＰ 制御機構
ＳＥ 測定手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法に関し、特に、ごみ焼却炉などの燃焼制御に好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ごみ処理施設においては、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の引下げやダイオキシン類の発生防止を図って環境汚染を防止するとともに、熱回収の高効率化および排ガス処理設備の小型化等を可能とした次世代型燃焼方式が多く提案されている。この次世代型燃焼方式においては、安定した燃焼制御が要求され、具体的には（ｉ）燃焼熱量の安定化、（ii）目標とする空気比での安定燃焼、（iii）ダイオキシンや一酸化炭素（ＣＯ）の発生抑制およびＮＯｘの変動抑制などが要求されることになる。
【０００３】
また、燃焼炉の設計を行う場合には、焼却炉内のごみ厚み、炉内の温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布などの制御対象を各種センサによって検出して、個々の制御ループで最適な燃焼を行うように制御することが行われ、ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御は、主にボイラ蒸発量を制御対象として、制御対象が安定化するように、ストーカ速度や燃焼空気量が自動的に制御される。
【０００４】
例えば、図８に例示するような燃焼制御装置を挙げることができる。一次燃焼部１１１の代表温度であるごみ表面温度と二次燃焼部１１２の代表温度である炉内温度を精度良く計測して燃焼制御を行うことで燃焼制御の信頼性を高め、ダイオキシン類等の有害ガスを低減させることができる。具体的には、ごみ焼却炉１００における一次燃焼部１１１のごみ表面温度を赤外線を介して測定するごみ表面温度測定器２２０と、炉内温度を測定する炉内温度センサ２１０と、ごみ表面温度および炉内温度に基づいて、燃焼制御を行う制御装置３００とを備えている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
さらに、ごみ処理施設においては、ごみホッパから供給されるごみの大きさや発熱量が一定でないため、蒸発量（換算蒸発量）を指標として一次燃焼空気量とごみ送り量を制御し、蒸発量が一定となるように調整していた。このとき、ごみを確実に燃し切り未燃分を出さないようにするために、燃切り点の位置によって、一次燃焼空気量とごみ送り量を制御していた。また、この燃焼空気量の変動によるＣＯの発生を抑制するために、炉出口の酸素濃度が一定になるように二次空気量を制御していた。さらに、二次空気の吹込みにより完全燃焼（ＣＯの抑制）を実現するために、炉出口からの排ガスを炉内に吹き込む排ガス再循環や炉内後燃焼ストーカ上部から排ガスを引き抜き炉内に吹き込む還流ガス方式などを用いることもあった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１０６５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来技術には、次のような課題があった。すなわち、焼却炉はひとつの操作量を変更すると、その影響が多くの状態量（ボイラ蒸発量、燃焼ガス温度、排ガス中の酸素濃度等）に波及し、操作量と状態量の因果関係を明確化するのが非常に困難である。特に、炉内の条件によっては、こうした状態量を把握するための測定手段などの設置が困難な場合が多く、正確な状態量を把握することが難しく、適切な操作量の設定ができないこともあった。また、多数の状態量を一様に安定化させることが要求されており、近年ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御は非常に高度化されており、自動燃焼制御の理解も調整も非常に困難になってきている。
【０００８】
さらに、従来、ストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御の静調整・動調整は、調整員が試運転期間の燃焼調整中に直接プラントを運転しながら実施しているが、この期間は他の調整事項も多く存在するために、十分な時間を自動燃焼制御の静調整・動調整に当てることができない。また実プラント操業に直接的に大きな影響を及ぼす危険性の中での調整であるために、通常の運転員が直接プラントを運転することで非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得することは非常に困難な状況となっている。ここで「静調整」とは、燃焼制御装置据付後、負荷運転（ごみ焼却処理の実施）前に行う各機器や制御系の動作確認などをいい、例えば計器の入出力（Ｉ／Ｏ）チェックやポンプの動作チェックなどが該当する。また「動調整」とは、実際の操業運転前に行う、各機器や制御系の動作確認などをいい、例えば乾燥焚やソーダ煮などが該当する。
【０００９】
そこで、実プラントを使用せずに、実プラントとはオフラインで、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解や、調整技術の向上を経験できる自動制御装置用プロセスシミュレータの要求が高まっている。また、これが実現すれば、ＰＩＤオートチューニング機能やカオス理論や自動学習機能などで構成された新しい自動燃焼制御装置の開発の際にも大きな一翼を担うこととなる。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて、燃焼モデルに基づくシミュレーションによって実プラントを構築し、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得、または静調整実施、さらには新しい自動燃焼制御開発にも適応できる燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法により上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１２】
本発明は、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御システムであって、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる前記各制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる前記各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、前記燃焼炉の設計条件から前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータまたはこれと前記プロセスデータを受信し、前記制御対象に係る操作量を演算し、前記制御機構に制御信号を送信して制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）前記制御機構と自動燃焼制御装置、前記測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、前記シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成の燃焼制御システムによれば、蒸発量や炉内温度等のプロセスデータのいくつかを制御指標として取得して、炉内燃焼状況をリアルタイムにシミュレーションし、最適な燃焼状態（設計条件）を形成するために必要なごみ送りや燃焼空気量を制御することが可能となる。特に、ごみの質（組成）や含有水分量などが時々刻々変化するごみ焼却炉などにおいては、ごみの燃焼状態の変化に伴う炉内燃焼状況の変化を局部的な観点ではなく、システム全体としての燃焼状況を把握しながら、燃焼モデルによって設定された設計条件に近づけるような境界条件を設定することによって、常に最適な燃焼制御を行うことが可能となる。と同時に、こうした燃焼モデルに基づくシミュレーションによって、従前の燃焼制御システムでは困難であったシミュレーションによる実プラントを構築することが可能となり、非常に高度化された自動燃焼制御装置の理解を深め、調整技術を習得、または静調整実施、さらには新しい自動燃焼制御開発にも適応できる燃焼炉の燃焼制御システムおよびその燃焼制御方法を提供することが可能となった。
【００１４】
つまり、従前の制御システムでは、実動条件における情報（制御対象における操作量および制御指標についてのプロセスデータ）と、これに対応する設計条件における情報との比較によって、調整すべき操作量を設定していたために、上記のように、ごみ質の変化やストーカでの燃焼状態の変化などに追随した制御ができなかった。本発明においては、設置条件や要求仕様あるいは設計条件から、理想の燃焼状態における制御指標の境界条件Ｆｏを設定することによって、実機の最適な燃焼制御システムの基準を明確にすることができる。次に、実動条件における情報からシミュレーションを行い、その境界条件Ｆｎあるいは炉内分布Ｍｎを作成することによって、従前での部分的な情報ではなく、システム全体のより正確な燃焼状態を把握することができる。このとき、境界条件（シミュレーションデータ）は、複数の特定の制御指標について行うとともに、各制御指標について理想の燃焼状態と実動状態を比較し、制御調整することによって、システム全体の最適な燃焼制御を行うことができる。
【００１５】
ここで、「境界条件」とは、制御対象における操作量および制御指標のプロセスデータの最適値あるいは最適数値範囲をいい、例えば、炉内温度については、一次燃焼ゾーンの温度やストーカ上のごみ表面の温度などの特定部位の温度だけではなく、その特定部位を含む特定領域の平均温度、二次燃焼ゾーン断面の最高温度の部位（壁面からの距離）やそのときの所定温度（例えば８００℃）以上の特定領域の面積あるいは境界の位置などを境界条件として設定することができる。また、「シミュレーションデータ」とは、ここでいう「シミュレーション」、つまり、実動条件における具体的な制御指標となる特定の情報（プロセスデータ）を用い、設計条件に近い燃焼状態を形成できるように制御対象における操作量を設定した場合の、該操作量のデータおよびそのときの制御指標のプロセスデータをいう。
【００１６】
また、本発明は、上記燃焼炉の燃焼制御システムであって、前記シミュレーション装置が、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成する機能を有し、該燃焼モデルを用いてシミュレーションを行い、前記自動燃焼制御装置からの指示に従い、シミュレーションデータの作成を行うことを特徴とする。
【００１７】
燃焼炉の燃焼制御は、その燃焼炉の仕様や機能が決定されることによって、制御対象あるいは／および制御指標（ここでは「要素」という）が決まるとともに、各要素を単純化し、相関関係を設定することができる。こうした相関関係を明確にすることによって、いわゆる「燃焼モデル」を作成することが可能となり、燃焼制御の優先度、あるいは特定の要素に対して制御操作することによる他の要素への影響を明確にすることができるとともに、燃焼モデルに用いてより正確なシミュレーションを行うことが可能となる。本発明に係る燃焼制御システムにおいては、さらにシミュレーション装置から一方的にシミュレーションデータ（境界条件）を送信するのではなく、自動燃焼制御装置において必要とされる制御指標の境界条件が限定されて指示され、そのシミュレーションデータに基づきリアルタイムにシミュレーションを行うことによって、より迅速に現状のプロセスデータに対応した燃焼制御が可能となる。
【００１８】
また、本発明は、上記燃焼炉の燃焼制御システムであって、前記自動燃焼制御装置における制御システムとして、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系と、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系と、を備えることを特徴とする。
【００１９】
こうした構成の自動燃焼制御装置を用いた燃焼制御システムによれば、実プラントの稼動状態に応じた燃焼制御が可能となり、実プラントでの稼動状態の自動燃焼制御装置として上記シミュレーション装置との組合せによって、実プラントを操業することなく、静調整（デバッグ作業）が可能となる。また、ＰＩＤ制御系、自己回帰モデル制御系、ファジイ制御系の各機能を有効に連結して使用することによって、より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができる。と同時に、実稼動状態においても、リアルタイムのプロセスデータあるいは境界条件を制御指標として最適な燃焼状態での制御を行うことができる。
【００２０】
また、本発明は、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、前記燃焼炉の制御系として、上位制御である自己回帰モデル制御または／および非定常制御系であるファジイ制御が組み込まれるとともに、受信した前記プロセスデータまたはシミュレーションデータを用い、瞬時のデータに対してＰＩＤ制御系を基に安定化制御を行い、瞬時のデータ変動量に対して自己回帰モデル制御系を基に動的最適化制御を行い、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対してファジイ制御系を基に定常復帰制御を行い、燃焼制御を行うことを特徴とする。
【００２１】
かかる燃焼制御方法によって、実プラントとはオフラインで、より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができる。と同時に、実稼動状態においても、リアルタイムのプロセスデータあるいは境界条件を制御指標として最適な燃焼状態での制御を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。すなわち、本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システムと燃焼制御方法を、例えばストーカ式ごみ焼却炉の燃焼制御に適用した場合を１つの実施態様として説明する。
【００２３】
＜本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システム＞
本発明に係る燃焼炉の燃焼制御システム（以下「本燃焼システム」という）は、ストーカ式ごみ焼却炉（燃焼炉に相当し、以下「焼却炉」という）に対し、処理されるごみ（燃焼対象物に相当）および助燃用空気を入力とし、発生する熱量、排ガスおよび塵灰を出力とするとともに、少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度およびストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として制御する。
【００２４】
このとき、本燃焼システムは、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、燃焼炉の設計条件から制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータあるいは／およびプロセスデータを受信し、制御対象に係る操作量を演算し、該制御機構に制御信号を送信し、該制御機構を制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）制御機構と自動燃焼制御装置、測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備える。
【００２５】
〔本燃焼システムを用いた燃焼炉の構成〕
図１は、本燃焼システムを用いた燃焼炉の概略全体構成例を示す。（ａ）制御機構（詳細は後述）および（ｂ）測定手段（詳細は後述）が設けられた焼却炉１０が、（ｃ）制御装置２０、（ｄ）シミュレーション装置３０および（ｅ）通信手段（図中の一点鎖線部）と連携して所定の制御を行う。このとき、制御装置２０とシミュレーション装置３０は、別の計算機ではなく、プロセスシミュレータ内に構築して、１台の計算機内で、自動燃焼制御（ＡＣＣ）の調整ができるようにしてもよい。また、既設の燃焼炉のＡＣＣが、制御装置２０と同様の機能を有する場合には、実プラントのＡＣＣを利用することも可能であり、実プラントのＡＣＣと本発明に係るシミュレーション装置３０と連結することにより、実プラントを操業することなく、静調整（デバッグ作業）が可能となる。
【００２６】
焼却炉１０は、ごみを貯留するホッパ１とごみを燃焼させるストーカ３が炉本体２に設けられ、ホッパ１のごみは、ごみ供給装置４によってストーカ３に送られる。ストーカ３は、乾燥ストーカ３Ａと燃焼ストーカ３Ｂと後燃焼ストーカ３Ｃとから構成され、それぞれ別々に往復移動駆動されてごみを送給する。炉本体２は、ストーカ３の上部に設けられた一次燃焼ゾーン２Ａと、さらにその上部の二次燃焼ゾーン２Ｂと、ストーカ３および一次燃焼ゾーン２Ａに空気を供給する一次燃焼空気供給装置５と、二次燃焼ゾーン２Ｂに二次燃焼空気を供給する二次燃焼空気供給装置６と、塵灰を排出する灰排出部７と、炉内の排ガスを排出する排ガス排出部８が設けられる。一次燃焼空気は、送風機５Ｆ、一次空気ダクト５Ｄおよび調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃを介して供給される。二次燃焼空気は、送風機６Ｆ、二次空気ダクト６Ｄおよび第１，第２，第３空気ノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃを介して供給される。
【００２７】
ホッパ１に投入されたごみは、乾燥ストーカ３Ａ・燃焼ストーカ３Ｂ・後燃焼ストーカ３Ｃの順に送られながら、一次燃焼空気によって一次燃焼する。乾燥ストーカ３Ａでは、後段の燃焼ストーカ３Ｂ・後燃焼ストーカ３Ｃでの燃焼により生じる高温燃焼ガスによって主としてごみが乾燥し、一部燃焼が始まる。乾燥ストーカ３Ａ上のごみから発生するガスは、水分の蒸発による水蒸気、乾留によって生じる炭化水素ガス、不完全燃焼によって生じるＣＯや完全燃焼による二酸化炭素（ＣＯ２）などである。燃焼ストーカ３Ｂでは、一次燃焼空気により、主としてごみが燃焼する。燃焼ストーカ３Ｂに供給される一次燃焼空気はごみの燃焼に必要十分な量であり、燃焼ストーカ３Ｂ上のごみから発生するガスは高濃度のＮＯｘを含んでいる。後燃焼ストーカ３Ｃでは、焼却灰中の未燃分の燃え切りを図る。二次燃焼ゾーン２Ｂでは、その下部，中部，上部に二次燃焼空気を供給して、一次燃焼ゾーン２Ａからの未燃物または不完全燃焼物を完全燃焼させる。燃焼によって発生した塵灰は、灰排出部７から排出され、炉内の排ガスは、排ガス排出部８から排出される。このとき、排ガス中のＣＯやＮＯｘおよび酸素（Ｏ２）などが所定濃度以下となるように管理される。
【００２８】
〔本燃焼システムの構成要素〕
次に、本燃焼システムの構成要素について、図１および図２に基づき詳述する。
【００２９】
（ａ）制御機構
本燃焼システムの制御機構は、図１に示すように、
（ａ−１）ごみの投入量を制御操作するごみ供給装置４、
（ａ−２）ストーカ速度を制御操作するストーカ駆動装置３Ｄ、
（ａ−３）一次燃焼空気供給装置５に設けられ、一次燃焼空気の全量を制御操作する送風機５Ｆと、ストーカ３Ａ，３Ｂ，３Ｃに対応するように各空気量を制御操作する調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃ、
（ａ−４）二次燃焼空気供給装置６に設けられ、二次燃焼空気の全量を制御操作する送風機６Ｆと、二次燃焼ゾーン２Ｂの下部，中部，上部に対応するように各空気量を制御操作するノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃ、
（ａ−５）一次燃焼空気の温度を制御操作する一次燃焼空気予熱器５Ｅ、
（ａ−６）二次燃焼空気の温度を制御操作する二次燃焼空気予熱器６Ｅ
を有する。他に、図示していないが、一次燃焼空気ダンパ駆動装置、二次燃焼空気ダンパ駆動装置、還流ガスファン駆動装置などを制御機構としてもよい。燃焼空気供給の配置あるいは供給量は、炉内分布に大きな影響を与えることから、一次・二次燃焼空気量のバランスおよび一次燃焼空気の調整弁５Ａ，５Ｂ，５Ｃや二次燃焼空気の第１，第２，第３空気ノズル６Ａ，６Ｂ，６Ｃの配置とそこから供給する空気量のバランスを適切に制御することが必要となる。配置については、本燃焼システムの設計条件から、理想の燃焼状態を形成できるように設定され、空気量は、実動条件での燃焼状態から制御操作される。
【００３０】
（ｂ）測定手段
本燃焼システムの測定手段は、図１に示すように、
（ｂ−１）ホッパ１に投入されるごみの量と質を測定するセンサ部として、ごみ投入重量検出センサ１２とレーザ距離計１３とが設けられている。レーザ距離計１３により、ごみ表面までの距離を測定して、投入されるごみ体積を測定する。ごみ投入重量検出センサ１２は、ごみの重量を測定する。ごみの体積と重量を検出することにより、ごみの比重の変化を所定時間間隔で検出することができる。ごみ比重が分かれば、ある程度ごみ質を予測することができる。
（ｂ−２）焼却炉１０内の燃焼状態を検出するセンサ部が設けられている。つまり、ガス分布に関するプロセスデータを検出するセンサ部として、例えば、ＮＯｘ濃度計１４、Ｏ２濃度計１５、ＣＯ濃度計１６が二次燃焼ゾーン２Ｂ、一次燃焼ゾーン２Ａの少なくとも一方に設けられている（図１では二次燃焼ゾーン２Ｂのみに設けた例を示す）。ここで、ＮＯｘ濃度計１４、Ｏ２濃度計１５、ＣＯ濃度計１６としては、レーザ発信器（図示せず）が波長をスキャンしながら強さ一定のレーザ光をガスに照射し、レーザ受信器によって残存のレーザ光を測定することにより、ガスの濃度や温度を検出する方式を採用してもよい。また、各ガスの濃度を検出する公知のセンサを使用しても良い。さらに、図１においては、ガス流れ方向に関するセンサ部として、ガス流速計１７が例えば、一次燃焼ゾーン２Ａに設けられ、温度分布に関するプロセスデータを検出するセンサ部として、赤外線放射温度計１８が一次燃焼ゾーン２Ａに設けられている。燃焼炉１０の終端には、燃焼に伴うエネルギー量に相当する蒸発量を測定するセンサとして、ごみから生じる蒸気流量を検出する蒸気流量計１９が設けられている。他のセンサ部としては、発電量検出計などを用いることが可能である。これらセンサ部からの各検出信号（検出情報）が、プロセスデータとしてそれぞれ制御装置２０に入力される。
【００３１】
（ｃ）制御装置
制御装置２０は、図２に示すように、制御機構ＯＰとの間の制御信号およびシミュレーション装置３０との間のシミュレーションデータ（境界条件）を送受信するとともに、シミュレーション装置３０からのシミュレーションデータに基づいて制御機構ＯＰを制御操作する操作量を算出する操作量算出部２０Ｂとを備える。なお、必要な場合には、図２のように、測定手段ＳＥからの出力信号を受信するプロセスデータ取得部２０Ａを設け、シミュレーションデータまたは／およびプロセスデータに基づいて操作量を算出する。制御装置２０からは、こうして算出された操作量が制御機構ＯＰに送信され、制御操作が行われる。このとき、制御操作を複数次行い、１次制御操作後の実動条件における制御指標ｎに係るプロセスデータを、境界条件Ｆｎと比較し、所定の差異があれば、２次制御操作すべき制御対象を特定して制御操作することが好ましい。
【００３２】
このとき、制御システムとしては、図３に示すように、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系を基本とし、上位制御として、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系（ＡＲ制御系）と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系とを備え、各制御系の機能を有効に連結して使用することが好ましい。より実プラントの稼動状態における設計条件に近い最適な燃焼状態での制御を行うことができると同時に、実稼動状態においても、リアルタイムの最適な燃焼制御を行うことができる。また、各制御系を構成する演算式や係数などについては、本燃焼システムにおける模擬試験あるいは実装試験の結果や従前の炉内燃焼実績などに合致するように、修正された手法を用いることが好ましい。さらに、シミュレーション装置３０を用いて、自動燃焼制御（ＡＣＣ）の調整を実施する場合、ＡＣＣは主としてＰＩＤ制御で構成されているおり、安定した燃焼を実現する為に、最適なパラメータ（ＰＩＤパラメータ等）に設定する必要がある。ただし、ごみ焼却炉はひとつの操作量を変更すると、その影響が多くの状態量に波及するうえに、多数の状態量（ボイラ蒸発量、燃焼ガス温度、排ガス酸素濃度等）を一様に安定化させることが求められ、燃焼状態の良否の判断も非常に難しい。そこで、ファジイ制御内のファジイ推論を用いた燃焼状態判定を利用して、ＡＣＣ調整の良否を判断することも好ましい。このようなシステムを利用すれば、ＰＩＤオートチューニング機能やカオス理論や自動学習機能などで構成された新しい自動燃焼制御装置の開発の際にも、その制御効果の是非等を判断することができ、自動燃焼制御装置の開発の支援をすることができる。
【００３３】
また、操作量算出部２０Ｂには、操作量を決定するための「規則」を記憶する規則記憶部２０Ｃが設けられ、「規則」に基づき、シミュレーション装置３０からの境界条件Ｆｏと境界条件Ｆｎとの差異に対応した操作量が算出されるとともに、制御機構ＯＰが制御操作される。規則記憶部２０Ｃに記憶されている「規則」には、制御操作すべき制御対象の操作量を決定するための演算条件、演算式などがある。このとき、演算前にプロセスデータに対し次のような所定の処理を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。具体的には、（ｃ１）所定時間あるいは所定数のデータの平均処理、特に移動平均処理や、（ｃ２）いわゆるスパイクノイズを削除するために、所定時間内のデータあるいは所定数のデータから上位値および下位値を削除して平均するデータの平均処理、（ｃ３）特定のプロセスデータを基準にした他のプロセスデータの時間遅れの補正処理、などを行うことによってより正確な演算処理を行うことができる。
【００３４】
（ｄ）シミュレーション装置
シミュレーション装置３０は、図２に示すように、測定手段ＳＥからのプロセスデータを受信するプロセスデータ取得部３０Ａとプロセスデータ記憶部３０Ｂと、燃焼モデルに基づき境界条件を作成する境界条件設定部３０Ｃと、燃焼モデル設定部３０Ｄと、設計条件設定部３０Ｅとを備えている。設計条件設定部３０Ｅには、最適な燃焼条件を確保するための燃焼炉の設置条件や要求仕様あるいは設計条件が入力可能に記憶される。燃焼モデル設定部３０Ｄでは、こうした設計条件等を基に、燃焼モデルが作成される。燃焼モデルの詳細は後述する。このとき、上記（ｃ）と同様、演算前にプロセスデータに対し所定の処理（ｃ１）〜（ｃ３）を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。
【００３５】
境界条件設定部３０Ｃは、境界条件を作成するために必要となる演算条件、演算式などが記憶される。また、制御対象に係る操作量あるいは／および例えば、要求蒸発量や法規制の対象となる排ガス中のＣＯやＮＯｘ等の濃度なども記憶される。これらの演算式等を用い、制御指標についてのプロセスデータおよび燃焼モデルを基にシミュレーションを行い、シミュレーションデータを作成するとともに、得られたシミュレーションデータからその境界条件を作成する。具体的には、本燃焼システムの設計条件等から設定された燃焼モデルと制御指標についてのプロセスデータ（制御対象に係る操作量を含む）を基に、理想の燃焼状態（設計条件）における境界条件Ｆｏを算出し作成し、実稼動状態での制御対象に係る操作量あるいは制御指標についてのプロセスデータから境界条件Ｆｎを算出し作成する。作成された境界条件ＦｏあるいはＦｎは、実際には燃焼炉において存在しない測定手段ＳＥからの出力と同様に、実プラントにおけるプロセスデータの一部を構成する出力とすることができる。このとき、シミュレーションのための解析手段としては、多変量解析法やＡＲアルゴリズムを用いた自己回帰推定法などを基本とし、本燃焼システムにおける模擬試験あるいは実装試験の結果や従前の炉内燃焼実績などに合致するように、修正された手法を用いることが好ましい。このとき、上記（ｃ）と同様、演算前にプロセスデータに対し所定の処理（ｃ１）〜（ｃ３）を行うことが好ましく、こうした処理機能を有することが好ましい。
【００３６】
（ｅ）燃焼状態表示装置（図示せず）
燃焼状態表示装置（図示せず）は、シミュレーションデータを表示されるために設けられる。例えば、後述するような炉内分布（図４参照）を可視化することによって、操作量やプロセスデータを基に燃焼状態の適否を判断するだけではなく、燃焼炉全体の動きから燃焼状態の適否を判断することができる。起動時あるいは実動運転時に定期的に点検確認作業を行うときに有用である。また、こうした表示からセンサの配置や本燃焼システムの制御方法全体の見直しを図ることが可能となる。
【００３７】
以上の各構成要素が結合し、例えば図４に示す本燃焼システムを構成する。それぞれの構成要素が、複数のプロセスデータや操作量を処理・操作する。具体的には、蒸発量、燃焼対象物の量や質、ガス濃度、ガス流速、炉内温度等のプロセスデータを基に、燃切点位置、ボイラ蒸発量、ごみ層レベル、排ガスＯ２濃度、一次空気量、二次空気量、燃焼室出口温度等のシミュレーションデータがシミュレーション装置３０で算出される。これらのシミュレーションデータが制御装置（ＡＣＣ）２０に取り込まれて、ボイラ蒸発量や空気過剰率が設定値となるように最適な給じん速度、ストーカ速度、空気ダンパ開度等の操作量が算出される本燃焼システムを例示している。また、この操作量は、再びシミュレーション装置３０に転送され、シミュレーションを行い、新たなシミュレーションデータが算出され、再度ＡＣＣに取り込まれる。これを何度となく繰り返すことにより、実プラントを操業しなくても、あたかも実プラントであるかのごとく、ＡＣＣの動作確認ができ、調整訓練や静調整（デバッグ作業）へと応用することができる。
【００３８】
〔燃焼モデルについて〕
本燃焼システムにおいては、シミュレーションデータの作成や境界条件Ｆｏ，Ｆｎを設定する機能が重要な役割を果たしている。ここで、制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成し、該燃焼モデルに用いて、こうしたシミュレーションや境界条件の作成を行うことが好ましい。本燃焼システムにおいては上記のような種々の制御対象や制御指標（要素）が関与する。そこで各要素を単純化し相関関係を明確にする、いわゆる「燃焼モデル」を作成することによって、燃焼制御の優先度、あるいは特定の要素に対して制御操作することによる他の要素への影響を明確にすることができるとともに、燃焼モデルを用いてより正確なシミュレーションを行うことが可能となる。燃焼モデルとしては、例えば、ボイラモデル、燃焼室モデル、ストーカモデルなどが考えられるが、具体的には、図５（Ａ）に例示するような「ごみ焼却炉の燃焼シミュレーションにおける燃焼モデル」を挙げることができる。「燃焼反応モデル」を中心として、物質の収支を主にモデル化する「物質移動モデル」および関連する「ガス状態モデル」と「塵灰モデル」、エネルギーの収支を主にモデル化する「エネルギー移動モデル」および関連する「輻射・伝熱モデル」が、相互に結びつき燃焼モデルを構成する。さらに、これを利用して、図５（Ｂ）に例示するように、本燃焼システムにおける制御対象（括弧内はそれに関連する制御指標を示す）を体系的に表すことができる。
【００３９】
さらに、本燃焼システムを用いた燃焼炉における他の燃焼モデルを図６に例示する。シミュレーションデータの範囲として、空気・排ガスラインの通風系、ボイラ給水・上記復水ラインのボイラ系、ごみの移送・燃焼を主とする燃焼系である。こうした燃焼モデルは、機器単位における質量・運動量・エネルギーの各保存則を基本式とする物理モデル法を用いて構築した。つまり、燃焼炉には、送風機、流量調整ダンパ、ボイラ設備、燃焼室、給じん装置、ストーカといった機器が複数存在し、これらが関連しあってプラントを構成しでいる。従って、これら機器単位における燃焼モデルを構成することによって、機器ごとの制御内容が明確になり、かつ制御システム全体の制御内容が明確となることから、最適な制御系を適用することができる。また、ごみ焼却炉特有の動特性を実現するために、物理モデルに経験則を付加した機器モデルを採用しており、各実プラントの操業データを用いて調整することで、各実プラントの独自の燃焼特性を再現することも可能である。
【００４０】
＜燃焼炉の燃焼制御方法＞
図７は、燃焼制御システムの処理例を示すフローチャートであり、これに基づいて本燃焼制御システムによる処理方法（燃焼炉の燃焼制御方法、以下「本燃焼方法」という）を説明する。まず、燃焼制御システムを起動し、焼却炉１０、制御装置２０、シミュレーション装置３０の各装置が機能する状態を形成し、処理プロセスは、ごみ焼却炉を具体例とし、以下のステップ
（Ｓ１）予め前記燃焼炉の設計条件を入力し、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを設定するステップと、
（Ｓ２）前記燃焼モデルから、基準となる特定の制御指標についての境界条件Ｆｏを設定するステップと、
（Ｓ３）前記制御指標に係るプロセスデータを受信し、記憶するステップと、
（Ｓ４）前記のプロセスデータを用い、前記燃焼モデルから前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行うステップと、
（Ｓ５）シミュレーションによって得られた境界条件を、シミュレーションデータとして作成するステップと、
（Ｓ６）前記シミュレーションデータのうちから特定の制御指標ｎについての境界条件Ｆｎを、前記境界条件Ｆｏと比較するステップと、
（Ｓ７）該比較時に、所定の差異があれば、前記境界条件Ｆｎが前記境界条件Ｆｏに近接するように、制御操作すべき制御対象Ｔ１を特定し、その操作量を演算するステップと、
（Ｓ８）前記制御対象Ｔ１について、前記操作量を制御操作するステップと、
（Ｓ９）前記制御操作後の実動条件における前記制御指標ｎに係るプロセスデータを用いてシミュレーションを行い、シミュレーションデータとして境界条件Ｆｎ’を作成するステップと、
（Ｓ１０）前記境界条件Ｆｎ’を前記境界条件Ｆｎと比較するステップと、
（Ｓ１１）該比較時に、所定の差異があれば、前記境界条件Ｆｎ’が、前記境界条件Ｆｎに近接するように、制御操作すべき制御対象Ｔ２を特定し、その操作量を演算するステップと、
（Ｓ１２）前記制御対象Ｔ２について、前記操作量を制御操作するステップと、
からなる。
【００４１】
上記燃焼制御方法であっては、ステップ（Ｓ７）において設定された制御対象Ｔ１の操作量を基に、ステップ（Ｓ４）〜（Ｓ７）を繰返し、制御指標についての所定の差異をなくすステップ、および／またはステップ（Ｓ１１）において設定された制御対象Ｔ２の操作量を基に、ステップ（Ｓ９）〜（Ｓ１２）を繰返し、制御指標についての所定の差異をなくすステップ、を有することが好ましい。上記のように理想の燃焼状態に基づく制御では、不均質なごみが投入される実動条件を反映させた燃焼状態を形成することが難しいことがあり、シミュレーション時の理想の燃焼状態との比較による境界条件や炉内分布の設定や、実動条件におけるプロセスデータに基づく境界条件や炉内分布の設定を、反復して繰返すことによって、現実の運転状態において最適な燃焼制御方法が可能となった。なお、このとき、ステップ（Ｓ４）あるいはステップ（Ｓ９）の起点を、前回あるいはメモリされた従前のシミュレーション結果を用いてリスタートすることが可能であり、比較される境界条件等の変動分だけを、再シミュレーションあるいは境界条件や炉内分布の再設定を行うことによって、処理時間の短縮を図ることが可能である。
【００４２】
以上のように、本発明に係る燃焼制御方法および燃焼制御システムを用いることによって、さらに以下のような優れた技術的効果を得ることができる。
（ｉ）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の理解や操作・調整（パラメータ設定）訓練ができる。
（ii）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の静調整（デバッグ作業）ができる。
（iii）実プラントを操業することなく、自動燃焼制御の開発を支援することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る燃焼制御方法および燃焼制御システムを適用できる燃焼炉としては、焼却炉に限定されるものではなく、電気式灰溶融炉、ガス化溶融炉などであってもよい。その場合、電気式灰溶融炉が取得するプロセスデータとしては、灰供給、スラグ流れ、電極間距離、温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布、ＮＯｘ分布、ガス流れ方向、ガス流速などを例示できる。また、ガス化溶融炉が取得するプロセスデータとしては、温度分布、Ｏ２分布、ＣＯ分布、ＮＯｘ分布、ガス流れ方向、ガス流速などを例示できる。また、上記ではストーカ式ごみ焼却炉の自動燃焼制御装置を構成例としているが、ストーカ式以外のごみ焼却炉や電気式灰溶融炉、ガス化溶融炉などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る燃焼制御システムの概略全体構成を示す説明図
【図２】本発明に係る燃焼制御システムの一例を示す概略ブロック図
【図３】本発明に係る燃焼制御システムの制御システムの構成を例示する説明図
【図４】本発明に係る燃焼制御システムの構成要素と制御指標等を例示する説明図
【図５】本発明に係る燃焼制御システムにおける燃焼モデルを例示する説明図
【図６】本燃焼システムを用いた燃焼炉における他の燃焼モデルを例示する説明図
【図７】燃焼制御システムの処理例を示すフローチャート
【図８】従来技術に係る燃焼制御装置の構成例を示す説明図
【符号の説明】
【００４５】
１ ホッパ
２ 炉本体
２Ａ 一次燃焼ゾーン
２Ｂ 二次燃焼ゾーン
３ ストーカ
３Ａ 乾燥ストーカ
３Ｂ 燃焼ストーカ
３Ｃ 後燃焼ストーカ
３Ｄ ストーカ駆動装置
４ ごみ供給装置
５ 一次燃焼空気供給装置
５Ａ，５Ｂ，５Ｃ 調整弁
５Ｄ 一次空気ダクト
５Ｅ 一次燃焼空気予熱器
５Ｆ，６Ｆ 送風機
６ 二次燃焼空気供給装置
６Ａ 第１空気ノズル
６Ｂ 第２空気ノズル
６Ｃ 第３空気ノズル
６Ｄ 二次空気ダクト
６Ｅ 二次燃焼空気予熱器
７ 灰排出部
８ 排ガス排出部
１０ 燃焼炉
１２ ごみ投入重量検出センサ
１３ レーザ距離計
１４ ＮＯｘ濃度計
１５ Ｏ２濃度計
１６ ＣＯ濃度計
１７ ガス流速計
１８ 赤外線放射温度計
１９ 蒸気流量計
２０ 制御装置
２０Ａ プロセスデータ取得部
２０Ｂ 操作量算出部
２０Ｃ 規則記憶部
３０ シミュレーション装置
３０Ａ プロセスデータ取得部
３０Ｂ プロセスデータ記憶部
３０Ｃ 境界条件設定部
３０Ｄ 燃焼モデル設定部
３０Ｅ 設計条件設定部
ＯＰ 制御機構
ＳＥ 測定手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御システムであって、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる前記各制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる前記各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、前記燃焼炉の設計条件から前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータまたはこれと前記プロセスデータを受信し、前記制御対象に係る操作量を演算し、前記制御機構に制御信号を送信して制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）前記制御機構と自動燃焼制御装置、前記測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、前記シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備えることを特徴とする燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項２】
前記シミュレーション装置が、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成する機能を有し、該燃焼モデルを用いてシミュレーションを行い、前記自動燃焼制御装置からの指示に従い、シミュレーションデータの作成を行うことを特徴とする請求項１記載の燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項３】
前記自動燃焼制御装置における制御システムとして、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系と、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系と、を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項４】
少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、前記燃焼炉の制御系として、上位制御である自己回帰モデル制御または／および非定常制御系であるファジイ制御が組み込まれるとともに、受信した前記プロセスデータまたはシミュレーションデータを用い、瞬時のデータに対してＰＩＤ制御系を基に安定化制御を行い、瞬時のデータ変動量に対して自己回帰モデル制御系を基に動的最適化制御を行い、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対してファジイ制御系を基に定常復帰制御を行い、燃焼制御を行うことを特徴とする燃焼炉の燃焼制御方法。
【請求項１】
少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御システムであって、少なくとも
（ａ）制御操作が行われる前記各制御対象に係る制御機構と、（ｂ）プロセスデータが得られる前記各制御指標に係る測定手段と、（ｃ）該プロセスデータを受信し、前記燃焼炉の設計条件から前記制御指標のうちの特定の制御指標についてのシミュレーションを行い、該特定の制御指標についての境界条件をシミュレーションデータとして作成し、該シミュレーションデータを送信するシミュレーション装置と、（ｄ）該シミュレーションデータまたはこれと前記プロセスデータを受信し、前記制御対象に係る操作量を演算し、前記制御機構に制御信号を送信して制御する自動燃焼制御装置と、（ｅ）前記制御機構と自動燃焼制御装置、前記測定手段とシミュレーション装置および自動燃焼制御装置、前記シミュレーション装置と自動燃焼制御装置との信号あるいはデータの交信が可能な通信手段と、を備えることを特徴とする燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項２】
前記シミュレーション装置が、前記制御対象あるいは／および制御指標を基に、燃焼モデルを作成する機能を有し、該燃焼モデルを用いてシミュレーションを行い、前記自動燃焼制御装置からの指示に従い、シミュレーションデータの作成を行うことを特徴とする請求項１記載の燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項３】
前記自動燃焼制御装置における制御システムとして、瞬時のデータに対して安定化制御を行うＰＩＤ制御系と、瞬時のデータ変動量に対して動的最適化制御を行う自己回帰モデル制御系と、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対して定常復帰制御を行うファジイ制御系と、を備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼炉の燃焼制御システム。
【請求項４】
少なくとも燃焼炉に投入される燃焼対象物の量、燃焼対象物の質、空気量、空気の温度、ストーカ速度のいずれかを制御対象とし、少なくとも炉内の温度、ガス濃度、ガス流れ方向、ガス流速、蒸発量のいずれかを制御指標として、該燃焼炉の燃焼状態を制御する燃焼制御方法であって、前記燃焼炉の制御系として、上位制御である自己回帰モデル制御または／および非定常制御系であるファジイ制御が組み込まれるとともに、受信した前記プロセスデータまたはシミュレーションデータを用い、瞬時のデータに対してＰＩＤ制御系を基に安定化制御を行い、瞬時のデータ変動量に対して自己回帰モデル制御系を基に動的最適化制御を行い、予め設定した制御範囲を逸脱する瞬時のデータあるいはその変動量に対してファジイ制御系を基に定常復帰制御を行い、燃焼制御を行うことを特徴とする燃焼炉の燃焼制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１２７４７５（Ｐ２０１０−１２７４７５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９９０４０（Ｐ２００８−２９９０４０）
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月２５日（２００８．１１．２５）
【出願人】（０００１３３０３２）株式会社タクマ (308)
【Ｆターム（参考）】
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