JP5277036B2 - Temperature control device for sludge incinerator and temperature control method for sludge incinerator - Google Patents
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Abstract
Description
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。 This invention has a sand layer part and a free board part, burns the sludge supplied to the sand layer part, and further burns in the free board part. Temperature control device for fluidized bed sludge incinerator and sludge incinerator This relates to a temperature control method.
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。 Conventionally, fluidized bed incinerators are frequently used as incinerators that efficiently and reliably burn incinerated materials such as sludge in a short time. In this fluidized bed incinerator, fluidized / combustion air is blown into a fluidized bed through a nozzle to cause the sandy layer constituting the fluidized bed to flow, utilizing the excellent heat transfer characteristics of the sanded layer and the sand. It has a free board which is a combustion chamber for crushing and gasifying the incinerated material and burning the generated gas.
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。 By the way, in order to cope with recent environmental problems, it is desired to reduce greenhouse gases such as N 2 O discharged from the sludge incinerator. In order to reduce the greenhouse gas, it is effective to increase the temperature of the free board portion and increase the degree of complete combustion. For example, the greenhouse gas is reduced by about 70% by raising the temperature of the free board portion from 800 ° C. to 850 ° C. On the other hand, the temperature of the sand layer portion needs to be maintained at a certain temperature or higher so that combustion is maintained, and therefore it is necessary to increase the fuel.
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。 Here, since the conventional PID control can be controlled only for a single target value, a plurality of target values for maintaining the temperature of the freeboard portion at a high temperature while maintaining the temperature of the sand layer portion at a constant temperature. If there is, temperature control is performed by cascade control, etc., but in this case, the flow rate of fuel interferes with the flow rate of flowing air, and excessive supply of fuel due to excessive supply of flowing air occurs, or the temperature of the sand layer part There is a case where the combustion stop due to the lowering may occur, and the stable combustion control may not be performed.
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。 The present invention has been made in view of the above, and can stably perform temperature control for maintaining the temperature of the freeboard portion at a target high temperature while maintaining the temperature of the sand layer portion at a target constant temperature. An object of the present invention is to provide a temperature control device for a sludge incinerator and a temperature control method for a sludge incinerator.
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。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention has a sand layer part and a free board part, and burns sludge supplied to the sand layer part, A temperature control device for a fluidized bed sludge incinerator that further combusts in the freeboard section, the temperature of the sand layer section, the temperature of the freeboard section, and the flow rate of fuel supplied to the lower part of the sand layer section, The flow rate of the flowing air supplied to the sand layer portion and the air volume supplied to the freeboard middle portion and the upper portion of the freeboard are used as control inputs, and the flow rate of the fuel and the flow rates of the flowing air and the supply air are And the temperature of the sand layer portion and the freeboard portion are different from each other under the constraint condition that the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are within a predetermined range. And performing model predictive control as a target value.
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。 Further, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the constraint condition is that a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the sludge and a theoretical air volume of air necessary for the combustion of the fuel are determined. The air ratio of the flowing air supplied from the lower part of the sand layer and the air supplied from the middle part of the free board is set within a predetermined range with respect to the total theoretical air volume.
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。 The temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention is the above-described invention, wherein the value of the evaluation function indicating the prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air, which is the control output, is a minimum when it is less than a predetermined value. Model predictive control is performed so that
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。 Moreover, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, when the minimum value of the evaluation function is obtained under the constraint condition, the element of the evaluation function is outside the constraint condition, A penalty function in which an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to widen the predetermined range of the constraint condition, the expanded constraint condition is used as a modified constraint condition, and the square of the allowable error is multiplied by a predetermined weight A function obtained by adding to the evaluation function is a modified evaluation function, and the minimum value of the modified evaluation function is obtained under the modification constraint condition.
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。 Further, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, and each different temperature is targeted. Model predictive control is performed as a value.
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。 Further, the temperature control method of the sludge incinerator according to the present invention comprises a fluidized bed type having a sand layer part and a free board part, burning the sludge supplied to the sand layer part, and further combusting in the free board part. A temperature control method for a sludge incinerator, wherein the temperature of the sand layer part, the temperature of the free board part, the flow rate of fuel supplied to the lower part of the sand layer part, and the flow rate of fluidized air supplied to the sand layer part And the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air as control outputs, and the flow rate of the fuel and / or Model predictive control is performed by setting each temperature of the sand layer portion and the free board portion as different target values under a constraint condition in which the air volume of the flowing air and supply air falls within a predetermined range. And features.
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。 Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the constraint condition is that a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the sludge and a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the fuel are determined. An air ratio that is a ratio of an actual air flow rate to a total theoretical flow rate is set within a predetermined range.
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。 Also, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the value of the evaluation function indicating the prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and supply air as the control output is a predetermined value. The model predictive control is performed so as to be minimized below.
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。 Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, when the minimum value of the evaluation function is obtained under the constraint condition, the element of the evaluation function is outside the constraint condition, A penalty function in which an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to widen the predetermined range of the constraint condition, the expanded constraint condition is used as a modified constraint condition, and the square of the allowable error is multiplied by a predetermined weight A function obtained by adding to the evaluation function is a modified evaluation function, and the minimum value of the modified evaluation function is obtained under the modification constraint condition.
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。 Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, and each different temperature is targeted. Model predictive control is performed as a value.
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。 According to this invention, the temperature of the sand layer portion, the temperature of the free board portion, the flow rate of the fuel supplied to the lower portion of the sand layer portion, the air volume of the flowing air supplied to the sand layer portion, the middle portion of the free board, and The flow rate of air supplied to the upper part of the freeboard is used as a control input, the flow rate of fuel and the flow rate of flowing air and supply air are used as control outputs, and the flow rate of fuel and / or the flow rate of flowing air and supply air are predetermined. Since the model predictive control is performed with the temperature of the sand layer part and the free board part as different target values under the constraint conditions that fall within the range, the temperature of the sand layer part is maintained at a constant temperature. Temperature control to maintain the temperature of the board part independently at a high temperature can be performed stably, and the flow rate of fuel and the flow rate of flowing air can be reduced due to constraints. Since it is, it is possible to further suppress the generation of greenhouse gases in addition to the high temperature of the freeboard section.
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。 Hereinafter, a temperature control device for a sludge incinerator and a temperature control method for a sludge incinerator, which are embodiments for carrying out the present invention, will be described with reference to the drawings.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sludge combustion system including a control device according to
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。
The
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。
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。
Here, in the free board middle part 3, a
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。
In the
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。
Here, the control device C includes a sludge
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。
The control device C is configured so that the input sand layer temperature and freeboard temperature are maintained at the set temperatures, and the fuel flow rate, the primary air flow rate, the secondary air flow rate, and the tertiary air flow rate are reduced. Predictive control is performed, and control values for each flow rate and air volume are output to the fuel flow rate detector 21, the primary air
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。
The control device C includes a model
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。
The model
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。
Further, the model
AFR = fair / (ηcake · fcake + ηfuel · ffuel)
As shown. Here, ηcake is a sludge theoretical air ratio necessary for complete combustion of sludge, fcake is a sludge flow rate, ηfuel is a fuel theoretical air ratio necessary for complete combustion of fuel, and ffuel is , The fuel flow rate. In the air ratio AFR, a constraint condition that falls within the range between the upper limit air ratio rmax and the lower limit air ratio rmin is described.
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。
The model
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。
The model
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。 In addition, solid content of sludge is calculated | required by solid content = sludge flow volume x (1-water content), and a combustion content can be known from the composition analysis result of this solid content. Since this combustion component is involved in the calculation of the “required combustion air volume from sludge” related to the air volume, a step response model of the sludge flow rate is generated and incorporated into the model predictive control. Can be suppressed.
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。
As shown in FIG. 3, the outline of the model prediction calculation is as follows. The known
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。 As a result, temperature control values such as the sand layer temperature and freeboard temperature are controlled so as to be maintained at a plurality of target values, and the fuel flow rate and air flow rate are within a predetermined range and stable control can be performed. it can.
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。 FIG. 4 is a time chart showing measurement results when model predictive control is applied to an actual sludge combustion system. The operating conditions of the measurement target system are as follows: sludge supply rate is 80 kg / h, water load indicated by water supply rate W is 14 kg / h (corresponding to a water content of 3%), and the target value T2S of the freeboard middle temperature T2 is 850. The target value for the sand layer temperature T1 is 700 ° C.
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。 In FIG. 4, when the water supply amount W is added, the fuel flow rate G and the secondary air flow rate F2 increase with this water load, but the sand layer temperature T1, the freeboard middle temperature T2, which are different target values, Each of the freeboard upper temperature T3 is maintained at the target value regardless of the water load. On the other hand, the fuel flow rate G is controlled to be equal to or lower than the fuel flow rate upper limit value GU, and the primary air flow rate F1 is also limited to be equal to or lower than the primary air upper limit value F1U.
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。
FIG. 5 is a diagram comparing the measurement results of control responsiveness between the model predictive control used in
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。 In the first embodiment, a model to which an air ratio constraint is added is generated, model predictive control is performed based on the model, and a plurality of temperatures including a high freeboard temperature are stabilized as independent target values. Can control. In addition, since the fuel flow rate and air flow rate are controlled to satisfy the constraints, there is no interference between the fuel flow rate and air flow rate, and in addition to high-temperature freeboard temperature control, the fuel flow rate and air flow rate are reduced. As a result, the greenhouse gas can be suppressed and reduced.
(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。
(Embodiment 2)
In the model predictive control according to the first embodiment, the calculation is performed with a constraint condition. However, when a severe constraint condition is given, the optimization calculation result of the evaluation function becomes impossible or there is no solution within the constraint condition. The optimization calculation may stop.
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。
Therefore, in this second embodiment, the penalty function f is added to the evaluation function J of the first embodiment.
f = ρε 2
To perform optimization. Here, ε is a tolerance value, and ρ is a weight value.
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。
In the optimization calculation of the first embodiment, the following calculation is performed on the evaluation function J. That is, the minimum value of the evaluation function J is calculated under the constraint condition that the element y (τ) is within the range between the upper limit value ymax and the lower limit value ymin.
min (J) subject to ymin ≦ y (τ) ≦ ymax
On the other hand, in the second embodiment, the following calculation is performed using the penalty function f = ρε 2 . That is,
min (J + ρε 2 ) subject to ymin−ε ≦ y (τ) ≦ ymax + ε
It is. This is because the upper limit value and the lower limit value are expanded by an allowable error ε, the minimum value of the evaluation function (J + ρε 2 ) is substantially larger than the minimum value of only the evaluation function J, and a penalty function is added. Even when the minimum value is obtained, the minimum value is not selected. As a result, the calculation of the evaluation function does not stop.
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。 In particular, when the system is started up, if the constraints are severe, the evaluation function may not be optimized. If the evaluation function cannot be optimized, the system startup time will increase. End up. In the second embodiment, continuous system control can be maintained by introducing the penalty function described above, and the system startup time can be shortened.
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)。 Here, with reference to the flowchart shown in FIG. 6, the evaluation function optimization calculation processing procedure according to the second embodiment will be described. First, an optimization calculation for only the evaluation function J is performed without adding a penalty function (step S101). Thereafter, it is determined whether or not the result of the optimization calculation is out of a constraint condition such as no solution (step S102).
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)。 If it is outside the constraint (step S102, Yes), the introduced penalty function f = ρε 2 described above, spread the upper and lower limits of constraint only allowable error ε min, the evaluation function J in the penalty function f = Ρε 2 is added (step S103), and an optimization calculation is performed (step S104).
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。 Thereafter, the process proceeds to step S105, or if it is not outside the constraint condition (step S102, No), the process proceeds to step S105 to determine whether or not there is a next optimization operation (step S105). If there is an optimization operation (step S105, Yes), the process proceeds to step S101 and the above-described processing is repeated. If there is no next optimization operation (step S105, No), this processing ends.
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。 In the second embodiment, since the above-described penalty function is introduced so that the optimization calculation can be continuously performed, the robustness of the control can be improved. In particular, when the system tends to become unstable, such as when the system is started up, it is preferable to introduce a penalty function to perform the optimization calculation.
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。 In addition, the temperature control apparatus and temperature control method which were mentioned above are applicable other than a sludge incinerator. For example, it can be applied to a control system or the like in which blower pressure control and water treatment DO control may interfere with each other, corresponding to the above-described fuel flow control and air flow control. By applying the model predictive control described above to this control system, each control can be stably performed.
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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炉の温度制御装置。 A temperature control device for a fluidized bed type sludge incinerator having a sand layer part and a free board part, burning sludge supplied to the sand layer part and further burning in the free board part,
The temperature of the sand layer part, the temperature of the free board part, the flow rate of the fuel supplied to the sand layer part, the air volume of the flowing air supplied to the lower part of the sand layer part, the middle part of the free board, and the free board The flow rate of the air supplied to the upper part is used as a control input, the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air are used as control outputs, and the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are within a predetermined range. constraints under conditions to fit within, the temperature control apparatus of the sludge incineration furnace and performing model predictive control each temperature of the sand layer portion and the free board section as different target values.
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炉の温度制御方法。 A temperature control method of a fluidized bed sludge incinerator having a sand layer part and a free board part, burning sludge supplied to the sand layer part, and further burning in the free board part,
The temperature of the sand layer part, the temperature of the free board part, the flow rate of fuel supplied to the lower part of the sand layer part, the air volume of the flowing air supplied to the lower part of the sand layer part, the middle part of the free board, and the free board The flow rate of the air supplied to the upper part of the board is used as a control input, the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air are used as control outputs, and the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are predetermined. constraints conditions fall within the range, the temperature controlling method of the sludge incineration furnace and performing model predictive control each temperature of the sand layer portion and the free board section as different target values.
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