JP2003343298A

JP2003343298A - 消化ガス発電システム

Info

Publication number: JP2003343298A
Application number: JP2002149959A
Authority: JP
Inventors: 晃治 ▲陰▼山; Koji Kageyama; Ichiro Enbutsu; 伊智朗圓佛; Shuji Sato; 修二佐藤; Naoki Hara; 直樹原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2002-05-24
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、消化ガス発電システム全体の
利益を適正化し、有効な運用を可能とすることにある。【解決手段】消化ガスを発生させる消化槽と、消化ガス
発電装置と、該消化槽を加温するボイラと、余剰ガス燃
焼装置とを備えた消化ガス発電システムにおいて、投入
汚泥温度取得手段と、少なくとも該投入汚泥温度に基づ
いて消化槽加温必要熱量を計算する手段と、少なくとも
消化ガス発生量と該消化槽加温必要熱量に基づいて、該
消化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置への
該発生消化ガスの分配情報を含んだ該消化ガス供給制御
情報を計算して求める運用適正化手段と、該消化ガス供
給制御情報に基づいて該発生消化ガスを該消化ガス発電
装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置へ分配して供給す
る消化ガス供給制御手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、下水処理場の消
化ガス発電システムに係る。

【０００２】

【従来の技術】下水処理場では、汚泥処理設備の消化槽
から発生する消化ガスを消化槽の加温や汚泥焼却用の補
助燃料として使用してきたが、近年、省エネルギー化の
観点から、ガスエンジン発電機，ガスタービン，燃料電
池，マイクロガスタービンなどの機器に消化ガスを供給
して電力を得る消化ガス発電システムの導入が積極的に
進められる傾向にある。

【０００３】一部の下水処理場の運用方法として、消化
ガスの発生量や発電設備によって異なるが、発生した消
化ガスを発電機に優先的に与え、残りの消化ガスを燃焼
させて消化槽を加温するといった運用が実施されてい
る。この運用で、電力として得られるメリットが最大と
なる。しかし、寒冷期など消化槽加温に必要な熱量が残
りの消化ガスの燃焼のみでは不足する場合は、補助的に
Ａ重油などの補助燃料を燃焼させて不足熱量を補う必要
がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】消化槽から発電機まで
を含んだ消化ガス発電システム全体としての総合的な利
益は、発電電力として得る利益から、Ａ重油など補助燃
料のコストと維持管理コストを差し引いた値となる。そ
して、電力会社の電力量料金が安い時間帯や、補助燃料
の単価が高価な場合などには、発電機を停止させ、消化
ガスを消化槽加温に優先して使用するほうが、システム
全体としての総合的な利益を増大できることもありう
る。現在の運用は、コスト的に最適な条件となる保証が
ない、といった問題がある。

【０００５】代表的な消化ガス発電システムの運用制御
方法の発明として、例えば特開昭５９−２９０９７号及
び特開平８−２９８７２３号がある。特開昭５９−2909
7号で示される発明は、消化槽加温に必要な熱量を計算
し、その値から消化ガス発電装置に供給する消化ガス流
量と消化ガス発電装置の運転台数を制御するものであ
る。しかし、この発明では時刻や季節によって変動する
電力量料金の情報を含めた運用最適化手法について考慮
されていない。実際の電力量料金は夜間が昼間の半分以
下であることが多い。さらに、消化ガス発電装置を運転
するとその運転時間に応じてメンテナンスコストやユー
ティリティコストが経費として必要となる。従って、夜
間に消化ガス発電装置を運転すると却って赤字になる場
合もあった。すなわち、特開昭５９−２９０９７号で示
される発明では運用方式の最適化は困難である。

【０００６】特開平８−２９８７２３号で示される発明
は、消化ガス発電システムが電力を供給する機器の負荷
パターンに合わせて、消化ガス発電システムの発電機稼
働台数を最適化するものである。しかし、この発明は消
化ガス発電システムの負荷装置が明確に分かっている場
合に有効であり、例えば発電機を系統連携する場合には
そのまま当てはまらない。また、消化槽まで含めた全体
の利益を最大化する、といった課題を解決できない。

【０００７】本発明の目的は、消化ガス発電システム全
体の利益を適正化し、有効な運用を可能とすることにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の消化ガス発電シ
ステムは、投入汚泥温度に基づいて消化槽加温必要熱量
を求め、少なくとも消化ガス発生量と該消化槽加温必要
熱量に基づいて、該消化ガス発電装置と該ボイラと該余
剰ガス燃焼装置への該発生消化ガスの分配情報を含んだ
該消化ガス供給制御情報を求め、該消化ガス供給制御情
報に基づいて該発生消化ガスを該消化ガス発電装置と該
ボイラと該余剰ガス燃焼装置へ分配して供給することに
ある。

【０００９】或いは、本発明の消化ガス発電システム運
用方法は、投入汚泥温度および消化ガス発生量とを収集
し、収集した前記投入汚泥温度および前記消化ガス発生
量の収集データに基づき、消化ガス発電システム運転ス
ケジュールを生成し、該消化ガス発電システム運転スケ
ジュールを消化ガス発電システムに送付する。

【００１０】或いは、本発明の消化ガス発電システムの
制御方法は、少なくとも投入汚泥温度に基づいて消化槽
加温必要熱量を計算し、少なくとも消化ガス発生量と該
消化槽加温必要熱量に基づいて、所望の複数の装置に分
配する該発生消化ガスの分配情報を含んだ該消化ガス供
給制御情報を計算し、分配して供給することを特徴とす
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１は、本
発明の消化ガス発電システムの一実施形態である。この
消化ガス発電システムが備える消化槽１１１には、投入
汚泥１０２が投入される。

【００１２】消化槽１１１内から発生した発生消化ガス
１１０は消化ガス供給制御手段109によって、余剰ガス
燃焼装置１１７で燃焼させる余剰消化ガス１１５と、消
化ガス発電装置１１８で使用する発電用消化ガス１１６
と、ボイラ１１４で燃焼させる加温用消化ガス１１３と
に分配される。消化ガス供給制御手段１０９は送風機あ
るいは弁あるいは送風機と弁から構成される。発生消化
ガス１１０の量的な変動を吸収するために、消化ガス供
給制御手段１０９には必要に応じてガスホルダーが含ま
れる。消化ガス発電装置１１８には熱交換器が備え付け
られ、ジャケットあるいは排ガスから廃熱を回収して有
効利用することが多い。多くの回収熱量１２１は消化槽
１１１の加温に使用される。同時に、消化槽１１１の加
温には、ボイラ１１４で加温用消化ガス１１３を燃焼さ
せて得たボイラ加温熱量１１２も与えられる。計算機あ
るいはプロセスコントローラによって実現される投入汚
泥温度取得手段１０３は、投入汚泥１０２の温度、すな
わち投入汚泥温度１０４を消化槽加温必要熱量計算手段
１０５に与える。処理場によって、投入汚泥１０２の温
度は計測されている場合と、計測されていない場合があ
る。投入汚泥１０２の温度が計測されている場合には、
投入汚泥温度取得手段１０３はその計測値を投入汚泥温
度１０４としてそのまま出力する。投入汚泥１０２の温
度が計測されていない場合には、投入汚泥温度取得手段
１０３は例えば通常測定されている下水水温の値をもと
に投入汚泥温度１０４を推算し、出力する。計算機ある
いはプロセスコントローラに実装したソフトウェアによ
り実現される消化槽加温必要熱量計算手段１０５では、
少なくとも投入汚泥温度１０４の値をもとにして消化槽
加温必要熱量１０６を計算する。計算機あるいはプロセ
スコントローラに実装したソフトウェアにより実現され
る運用適正化手段１０７は、少なくとも消化槽加温必要
熱量１０６の値および消化ガス発生量１２０の値に基づ
き、システム全体としての利益を最大化できるような消
化ガス供給制御情報１０８を計算する。ガスホルダーが
消化ガス供給制御手段１０９に含まれる場合には、ガス
ホルダー蓄積可能量に関する制約条件もこの運用適正化
手段１０７で考慮される。消化ガス供給制御手段１０９
は、消化ガス供給制御情報１０８に基づいて、余剰消化
ガス１１５，発電用消化ガス１１６，加温用消化ガス１
１３の流量を制御する。

【００１３】本第一の実施の形態によると、消化槽加温
必要熱量１０６の計算に投入汚泥温度１０４を用いてい
るため、消化槽加温必要熱量１０６の大半を占める投入
汚泥加温必要熱量を計算することが可能となり、実際に
消化槽１１１を加温するための必要な熱量を精度良く求
めることができる。また、投入汚泥温度取得手段103を
設けることによって、投入汚泥温度が測定されていない
場合でも投入汚泥温度１０４を推算して計算に使用する
ことができる。また、運用適正化手段１０７で消化槽加
温必要熱量１０６を考慮しながらシステム全体としての
利益を最大化できるような消化ガス供給制御情報１０８
を計算するため、無駄に廃棄される熱量を低減できると
同時に、消化ガス発電システム導入のメリットを増大す
ることができる。

【００１４】（第２の実施の形態）図２は、本発明の消
化ガス発電システムの一実施形態である。この実施形態
は第１の実施の形態に加えて、消化槽加温必要熱量計算
手段１０５の入力条件として、投入汚泥温度１０４の他
に消化槽加温設定温度２０１，気温２０２，投入汚泥量
２０３，消化槽表面積２０４，消化槽総括伝熱係数２０
５を備える。

【００１５】消化槽加温必要熱量計算手段１０５では、
少なくともこれらの入力条件をもとにして、消化槽加温
必要熱量１０６を計算する。さらに、この実施形態は第
１の実施の形態に加えて、運用適正化手段１０７の入力
条件として消化槽加温必要熱量１０６および消化ガス発
生量１２０の他に、ボイラ効率２０６，消化ガス単位発
熱量２０７，消化ガス発電装置廃熱回収効率２０８，発
電効率２０９を備える。ボイラ効率２０６は、ボイラに
与える燃料が持つ熱量のうち、蒸気あるいは温水として
有効に利用できる熱量の割合を指す。消化ガス単位発熱
量２０７は、消化ガス単位量の持つ熱量である。消化ガ
ス発電装置廃熱回収効率２０８は、消化ガス発電装置１
１８に与えた発電用消化ガス１１６の持つ熱量に対する
回収熱量１２１の割合であり、熱交換器の仕様として与
えられる。

【００１６】本第２の実施の形態によると、消化槽加温
必要熱量計算手段１０５の入力条件として消化槽加温設
定温度２０１，気温２０２，投入汚泥量２０３，消化槽
表面積２０４，消化槽総括伝熱係数２０５を備えたた
め、投入汚泥温度１０４を消化槽加温設定温度２０１ま
で昇温するために必要な熱量と、消化槽１１１の壁面・
天井・底面から放熱される熱量を精度良く計算でき、そ
れらの総和として消化槽加温必要熱量１０６を正確に求
めることができる。また、運用適正化手段１０７の入力
条件としてボイラ効率２０６，消化ガス単位発熱量２０
７，消化ガス発電装置廃熱回収効率２０８，発電効率２
０９を備えたため、消化槽１１１を加温するためのボイ
ラ加温熱量１１２および回収熱量１２１を的確に求める
ことができ、消化槽１１１を加温する熱量の過不足から
生ずるコスト的，エネルギー的なデメリットを減らすこ
とができる。

【００１７】（第３の実施の形態）図３は、本発明の消
化ガス発電システムの一実施形態である。この実施形態
は、第１の実施形態に加え、料金情報記憶手段３０２と
料金情報３０１を備える。

【００１８】計算機あるいは磁気的・光学的媒体によっ
て実現される料金情報記憶手段302には、少なくとも電
力量料金を含む料金情報３０１が記憶されており、その
値は適宜最新の情報に更新される。運用適正化手段１０
７は、少なくともこの料金情報３０１と消化槽加温必要
熱量１０６に基づいた計算を実施し、消化ガス供給制御
情報１０８を生成する。

【００１９】本第３の実施の形態によると、料金情報３
０１を考慮した計算を実施することが可能なため、昼間
と夜間、および季節による電力量料金の違いを考慮して
システム全体としての利益を最大化できる。

【００２０】消化ガス発電装置１１８を運転することに
よって得られる発電利益は、(式１)で表される。

【００２１】発電利益＝消化ガス発電装置１１８の運転時間×電力量料金 …（式１）つまり、この発電利益は、運転時間と電力量料金との積
となる。ただし、ここで考える利益は「売電」による利
益ではなく、「買電」コストの低減によって得られる額
とする。

【００２２】これに対し、消化ガス発電装置１１８を運
転すると、例えば６０００時間に１回などの定期的なメ
ンテナンスが必要となり、メンテナンスコストがかか
る。排気ガス脱硝のための薬品や冷却水が必要な消化ガ
ス発電装置１１８であれば、運転時間に比例してユーテ
ィリティコストがかかる。従って、消化ガス発電システ
ム全体で考えると、全体利益は以下の（式２）のように
なる。

【００２３】全体利益＝消化ガス発電装置１１８の運転時間×（電力量料金−単位運転時間あたりメンテナンスコスト−単位運転時間あたりユーティリティコスト） …（式２）この（式２）から、電力量料金が単位運転時間あたりメ
ンテナンスコストと単位運転時間あたりユーティリティ
コストの和より小さければ、運転時間を増やしても全体
利益は赤字になることが分かる。単位運転時間あたりメ
ンテナンスコストと単位運転時間あたりユーティリティ
コストの変動は小さいが、電力量料金は季節や時刻，年
により異なる。従って、季節や時刻ごとに上述の全体利
益がマイナスになっていないか確認することが、最適運
転のために必要となる。

【００２４】季節別時刻別電力量料金契約における電力
量料金の例を表１に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１に示すように、このように、夜間電力
の単価は昼間に比べて約半分であり、メンテナンスコス
トやユーティリティコストが高価な消化ガス発電装置１
１８であれば、夜間に運転すると全体利益がマイナスに
なる。その場合は、消化ガス発電装置１１８を２４時間
運転できる条件であっても、夜間には余剰ガス燃焼装置
１１７で消化ガスを燃焼廃棄し、消化ガス発電装置１１
８を停止することが有効である。

【００２７】また、特に夏季には発生消化ガス１１０の
流量が少なくなる。これに対して消化ガス発電装置１１
８の消化ガス消費量が多いと、運転可能時間が５時間程
度になる場合がある。上述の電力量料金の例を適用する
と、トータルの運転時間が同一であっても夏季には１１
時から１４時までの単価が高い時間帯を優先して消化ガ
ス発電装置１１８を運転することが最適運転のために有
効である。

【００２８】運用適正化手段１０７には以上のような手
順が自動化して組み込まれており、料金情報３０１を考
慮した消化ガス供給制御情報１０８が生成される。ここ
で、具体的な数値を用いて二つの例を想定し、電力量料
金の情報を考慮することで得られる効果を以下試算す
る。（１）運転可能時間が２４時間、ユーティリティコスト
が１.６円／ｋＷｈ、メンテナンスコストが３.８円／
ｋＷｈかかる３００ｋＷのガスエンジン発電装置で、
電力量料金の情報を使わない場合は、年間利益が８７０
万円であり、また、電力量料金の情報を使う場合は、年
間利益が９１４万円である。（２）運転可能時間が４時間、ユーティリティコストが
１.６円／ｋＷｈ、メンテナンスコストが３.０円／ｋ
Ｗｈかかる９００ｋＷのガスエンジン発電装置で、電
力量料金の情報を使わない場合は、年間利益が８７４万
円（朝８時から１２時まで運転すると仮定）であり、電
力量料金の情報を使う場合は、年間利益が９２４万円で
ある。

【００２９】上記（１）の例では電力量料金の情報を使
うことによって年間の利益が５％増加、（２）の例では
６％増加する。消化ガス発電システムの利益を増大する
ためには、運用適正化の他に機器効率を向上することが
有効である。しかしながら、消化ガス発電装置１１８を
構成する発電機や原動機の現状の効率はほぼ上限値に近
く、効率を１％向上することでも技術的に容易ではな
い。これに対し、本発明のように電力量料金を考慮する
運用適正化手段１０７を設けると、比較的容易に消化ガ
ス発電システム全体としての利益を数％のオーダーで増
大することができ、消化ガス発電システムのメリットを
最大化することが可能となる。

【００３０】（第４の実施の形態）図４は、本発明の消
化ガス発電システムの一実施形態である。この実施形態
は、第２の実施形態に加え、料金情報記憶手段３０２と
料金情報３０１を備える。

【００３１】料金情報記憶手段３０２には、電力量料金
やＡ重油などの補助燃料料金から構成される料金情報３
０１が記憶されており、その値は適宜新しい情報に更新
されるとする。運用適正化手段１０７は、少なくともこ
の料金情報３０１と消化槽加温必要熱量１０６に基づい
た計算を実施し、消化ガス供給制御情報１０８を生成す
る。

【００３２】本第４の実施の形態によると、料金情報３
０１を考慮した計算を実施することが可能なため、昼間
と夜間料金の違いや季節による料金の違いまで含めてシ
ステム全体としての利益を最大化できる。

【００３３】（第５の実施の形態）図５は、本発明の消
化ガス発電システムの一実施形態である。この実施形態
は、第４の実施形態に加え、少なくとも補助燃料供給制
御手段４０２を備える。

【００３４】この補助燃料供給制御手段４０２は、消化
ガス発電装置１１８から回収した回収熱量１２１および
加温用消化ガス１１３の燃焼で得られる熱量の和が消化
槽加温必要熱量１０６に足りない場合、ボイラ１１４へ
補助燃料４０３を供給することで、不足熱量を補うもの
である。具体的な補助燃料４０３としては、Ａ重油を用
いることが多いが、それ以外の液体燃料あるいはガスを
用いる場合もある。具体的な補助燃料供給制御手段４０
２は、ポンプあるいはブロワなどの流体機械，弁、ある
いは流体機械と弁から構成される。この補助燃料供給制
御手段４０２は、運用適正化手段１０７で計算された補
助燃料供給制御情報４０１によって制御される。

【００３５】この第５の実施の形態の適用例を以下に示
す。今、投入汚泥１０２の温度がＴsld(℃)と計測され
ているものとすると、投入汚泥温度１０４の値はＴsld
(℃)となる。これに対し、消化槽加温設定温度２０１が
Ｔtgt(℃）、気温２０２がＴair(℃）、投入汚泥量２０
３がＭsld(ｔ／ｈ)、消化槽表面積２０４がＡ(ｍ²)、消
化槽総括伝熱係数２０５がＫ(ｋＪ／ｍ²・℃・ｈ）と与
えられるとする。消化槽加温必要熱量１０６は、これら
の値を用いて計算される。まず、投入した投入汚泥１０
２の温度を投入汚泥温度１０４から消化槽加温設定温度
２０１まで昇温するために必要な熱量Ｑsld(ｋＪ／ｈ）
は、次の（式３）で与えられる。ただし、汚泥の比熱を
４.１９(ｋＪ／kg・℃）とし、Ｍsld ：投入汚泥量２０
３(ｔ／ｈ)，Ｔtgt：消化槽加温設定温度２０１
（℃），Ｔsld：投入汚泥温度１０４（℃）である。

【００３６】Ｑsld ＝４.１９・Ｍsld・（Ｔtgt−Ｔsld） …（式３）次に、消化槽表面から外部へ放散する熱量Ｑairgnd（ｋ
Ｊ／ｈ）は（式４）で求めることができる。ただし、nt
ank ：消化槽１１１の個数（個）、Ｋ：消化槽総括伝熱
係数２０５(ｋＪ／ｍ²・℃・ｈ），Ａ：消化槽表面積２
０４(ｍ²），Ｔair ：気温２０２（℃），β：補正係数
（−）である。右辺の補正係数βは、温水，蒸気，加温
汚泥配管等の放熱を考慮した値である。

【００３７】Ｑairgnd＝ntank・（Ｋ・Ａ・(Ｔtgt−Ｔair)）・β …（式４）そして、消化槽総括伝熱係数２０５の値は、消化槽壁
面，天井，底部の消化槽材質の熱伝導率から求めること
ができる。また、ここでは消化槽壁面，天井，底部をま
とめて記載したが、より厳密にはそれぞれ別々に計算を
実施することが望ましい。消化槽加温必要熱量１０６は
（式３）と（式４）の和である。

【００３８】Ｑdmnd＝Ｑsld＋Ｑairgnd …（式５）以上のように求めた消化槽加温必要熱量１０６は、運用
適正化手段１０７に与えられる。同時に、料金情報記憶
手段３０２に記憶されていた料金情報３０１も運用適正
化手段１０７に与えられる。ここでは、電力量料金とＡ
重油単価が料金情報３０１に含まれているとする。ま
た、運用適正化手段１０７には、ボイラ効率２０６，消
化ガス単位発熱量２０７，消化ガス発電装置廃熱回収効
率２０８，発電効率２０９も与えられる。運用適正化手
段１０７は、余剰消化ガス１１５の流量，発電用消化ガ
ス１１６の流量，加温用消化ガス１１３の流量，補助燃
料４０３の流量をパラメータとして変えた反復計算を実
施し、システム全体の利益を最大化するようにそれぞれ
の流量の最適解を算出する。

【００３９】まず、消化ガス発電装置１１８にＧｅ(Ｎ
ｍ³／ｈ）の発電用消化ガス１１６が供給されたとす
る。消化ガス単位発熱量２０７の値を２３０４５(ｋＪ
／Ｎｍ³）とすると、消化ガス発電装置１１８から回収
できる回収熱量Ｑest１２１(ｋＪ／ｈ）は、（式６）で
求められる。ただし、ηest ：消化ガス発電装置廃熱回
収効率２０８（−）である。

【００４０】Ｑes＝ηest ・Ｇｅ・２３０４５ …（式６）ボイラ１１４にＧｂ(Ｎｍ³／ｈ）の加温用消化ガス１１
３を供給した場合に得られる熱量Ｑbst(ｋＪ／ｈ）は、
（式７）で求められる。ただし、ηｂ：ボイラ効率２０
６（−）である。

【００４１】Ｑbst ＝ηｂ・Ｇｂ・２３０４５ …（式７）Ｇｂ(Ｎｍ³／ｈ）の加温用消化ガス１１３と同時にＬfu
el（Ｌ／ｈ）のＡ重油を補助燃料４０３としてボイラ１
１４で燃焼した場合に得られるボイラ加温熱量Ｑbst １
１２（ｋＪ／ｈ）は、Ａ重油熱量変換定数を３６８７２
(ｋＪ／Ｎｍ³）として（式６）で求められる。ここで、
ボイラ効率２０６は消化ガスを燃焼する場合とＡ重油を
燃焼する場合とで等しいとする。ただし、Ｌfuel：ボイ
ラ１１４へのＡ重油供給量（Ｌ／ｈ）である。

【００４２】Ｑbst ＝ηｂ・（Ｇｂ・２３０４５＋Ｌfuel・３６８７２） …（式８）以上から、消化槽１１１の加温に供給できる熱量Ｑsup
(ｋＪ／ｈ）は、(式６)と（式８）の和で与えられる。

【００４３】Ｑsup＝Ｑest ＋Ｑbst …（式９）反復計算に当たっては、（式５）で求めたＱdmndが（式
９）のＱsup と等しくなる制約条件がＧｅ，Ｇｂ，Ｌfu
elに与えられる。この制約条件のもとで、以下のコスト
計算を実施する。

【００４４】消化ガス発電システムでは発電した電力が
利益となる。熱交換器で回収して空調や給湯に用いる温
水あるいは蒸気も利益となるため、その定量的な需要量
が明らかで、需要が多量である場合には、その利益も考
慮することが望ましい。これに対し、補助燃料４０３の
燃料コスト，ユーティリティコスト，メンテナンスコス
トが損失となる。これらの差し引きが総合利益となる。

【００４５】消化ガス発電装置１１８にＧｅ(Ｎｍ³／
ｈ）の発電用消化ガス１１６を供給した場合に得られる
発電電力Ｗ(ｋＷ)は、消化ガス単位発熱量２０７を２３
０４５(ｋＪ／Ｎｍ³）、電力熱量変換定数を３６０３
(ｋＪ／ｋＷｈ）として(式１０）で求められる。ただ
し、ηｅ：発電効率２０９（−）である。

【００４６】Ｗ＝ηｅ・Ｇｅ・２３０４５／３６０３ …（式１０）この場合、１時間当たりの利益は次式で求められる。た
だし、Ｃｅ：電力による利益（円／ｈ），Ｐｅ：電力量
料金単価（円／ｋＷｈ），ｍ：月，ｔ：時刻（時）であ
る。

【００４７】Ｃｅ＝Ｐｅ（ｍ，ｔ）・Ｗ
…（式１１）下水処理場では、季節や時刻によって電力量料金単価Ｐ
ｅが異なる季時別電力量料金制度で電力会社と契約して
いることが多い。季時別電力量料金制度では、一般に、
昼間は夜間より、夏季は他の季節より電力量料金単価が
高い。補助燃料４０３を用いることによる燃料コスト
は、（式１２）で求められる。ただし、Ｃfuel：燃料コ
スト（円／ｈ），Ｐfuel：Ａ重油単価（円／Ｌ）であ
る。

【００４８】Ｃfuel＝Ｐfuel・Ｌfuel …（式１２）消化ガス発電装置１１８の形態には燃料電池，マイクロ
ガスタービン，ガスタービン，ガスエンジンなどがある
が、例えばガスエンジンの場合、稼働するためには潤滑
油，冷却水，尿素水などが必要となる場合がある。これ
らのコストの総和をユーティリティコストと呼ぶ。ユー
ティリティコストが発電電力量に比例すると仮定する
と、Ｗ（ｋＷ）のガスエンジン発電機を１時間稼動した
際のユーティリティコストＣutil（円／ｈ）は、（式１
３）で与えられる。ただし、α：ユーティリティコスト
の比例定数である。

【００４９】Ｃutil＝α・Ｗ …（式１３）消化ガス発電装置１１８を稼働すると、ある稼働時間ご
とにメンテナンスが必要となる。このメンテナンスコス
トは消化ガス発電装置１１８が燃料電池，マイクロガス
タービン，ガスタービン，ガスエンジンのいずれの形態
をとるかにより異なる。例えばガスエンジン発電機の一
般的なメンテナンスコストの原単位曲線の形状を図６に
示す。このような曲線を用いることにより、消化ガス発
電装置１１８の稼働単位時間あたりのメンテナンスコス
トを計算することができる。ただし、Ｃmt：単位時間当
たりのメンテナンスコスト（円／ｈ）である。

【００５０】Ｃmt＝ｆ（Ｗ） …（式１４）単位時間当たりの総合利益Ｃhtotal（円／ｈ）は、上述
した式の加減算によって求められる。

【００５１】Ｃhtotal＝Ｃｅ−Ｃfuel−Ｃutil−Ｃmt …（式１５）ユーティリティコストやメンテナンスコストを考慮する
要求の無い場合には、（式１３）のうちＣutl とＣmtの
値を０として計算を実施すれば良い。

【００５２】運用適正化手段１０７では、このＣhtotal
が最大になるような最適化計算を実施する。計算量が膨
大ではなく、秒単位で最適化計算を実施する必要性はな
いので、最適化計算の手段としては総当たり法，モンテ
カルロ法，勾配法などいずれの手法を用いても良い。し
かし、例えば（式１４）に示すように一部非線型の式が
含まれるため、局所最小点が存在する可能性もあり、特
に必要がなければ総当たり法で十分である。この最適化
計算の結果として、余剰消化ガス１１５の流量，発電用
消化ガス１１６の流量，加温用消化ガス１１３の流量，
補助燃料４０３の流量が運用適正化手段１０７から出力
される。このうち、余剰消化ガス１１５の流量，発電用
消化ガス１１６の流量，加温用消化ガス１１３の流量の
制御情報は、消化ガス供給制御情報１０８としてまとめ
られ、消化ガス供給制御手段109に送られる。同様に補
助燃料４０３の流量の制御情報は、補助燃料供給制御情
報４０１として補助燃料供給制御手段４０２に送られ
る。消化ガス発電装置１１８の種類によっては、煩雑な
ＯＮ−ＯＦＦが好ましくない場合がありうるため、運用
適正化手段１０７では例えば前日の消化ガス発生量１２
０および前日の気温２０２をもとにして翌日１日分の消
化ガス供給制御情報１０８および補助燃料供給制御情報
４０１を構成し、消化ガス供給制御手段１０９および補
助燃料供給制御手段４０２を運用することが望ましい場
合もある。

【００５３】以上のアルゴリズムを適用することによ
り、消化槽加温必要熱量１０６を満足するようなボイラ
加温熱量１１２と回収熱量１２１を得ながら、全体とし
ての利益を最大化したシステムが実現できる。図７に、
ある処理場の実績値を用いた計算の一例を示す。この図
は、消化ガス発電装置１１８を２４時間連続稼働する消
化ガス発電システムと、本第５の実施の形態で示す手段
を備えた消化ガス発電システムにおいて、月ごとに得ら
れる全体の利益を示す。本第５の実施の形態で示す消化
ガス発電システムでは、消化ガス発電装置１１８を２４
時間連続稼働する消化ガス発電システムに比べて全体の
利益を少なくとも約３０％増大できることが分かる。８
月や１２月には、消化ガス発電装置１１８を２４時間連
続稼働する消化ガス発電システムでは利益がマイナスに
なる。これは、計算条件として消化ガス発生量１２０が
８月に極めて少なかったこと、および１２月には気温２
０２と投入汚泥温度１０４が低下し、消化槽加温必要熱
量１０６が消化ガス発生量１２０に比べて大きくなり、
補助燃料４０３の使用量が増大したためである。これに
対し、本第５の実施の形態で示す消化ガス発電システム
では補助燃料４０３の使用量を適切に制御できるため、
利益を他の月とほぼ同程度に維持できる。機器容量や消
化ガス発生量，投入汚泥温度など計算条件によって異な
るが、このように年間を通し、本第５の実施の形態で示
す手段を備えた消化ガス発電システムはコスト面におい
て従来のシステムに比べ大幅な効果を望むことができ
る。

【００５４】本第５の実施の形態によると、運用適正化
手段１０７で計算された補助燃料供給制御情報４０１に
よって補助燃料供給制御手段４０２が制御されるため、
補助燃料４０３の過不足をなくし、システム全体の利益
を最大化できる。

【００５５】図８に、消化槽加温必要熱量計算手段１０
５および運用適正化手段１０７によって計算する内容の
ロジックフローを示す。（１）の部分が消化槽加温必要
熱量計算手段１０５で計算する内容に相当し、（２）か
ら（９）の部分が運用適正化手段１０７で計算する内容
に相当する。一つの運用方式の解を得るために、消化槽
加温必要熱量計算手段１０５の計算は一度で良いが、運
用適正化手段１０７では最適化条件をクリアするまで反
復計算が実施される。

【００５６】（第６の実施の形態）図９は、本発明の消
化ガス発電システム運用サービスの一実施形態である。
この実施形態は、インターネットなどの通信手段５０１
を介して消化ガス発電システムの運用サービスを実施す
るものである。

【００５７】消化ガス発電システムが備える消化槽１１
１には、投入汚泥１０２が投入される。消化槽１１１内
から発生した発生消化ガス１１０は消化ガス供給制御手
段１０９によって、余剰ガス燃焼装置１１７で燃焼させ
る余剰消化ガス１１５と、消化ガス発電装置１１８で使
用する発電用消化ガス１１６と、ボイラ１１４で燃焼さ
せる加温用消化ガス１１３とに分配される。消化ガス供
給制御手段１０９は送風機あるいは弁あるいは送風機と
弁から構成される。発生消化ガス１１０の量的な変動を
吸収するために、消化ガス供給制御手段１０９には必要
に応じてガスホルダーが含まれる。消化ガス発電装置１
１８には熱交換器が備え付けられ、ジャケットあるいは
排ガスから廃熱を回収して有効利用することが多い。多
くの回収熱量１２１は消化槽１１１の加温に使用され
る。同時に、消化槽１１１の加温には、ボイラ１１４で
加温用消化ガス１１３を燃焼させて得たボイラ加温熱量
１１２も与えられる。投入汚泥温度取得手段１０３は、
投入汚泥１０２の温度、すなわち投入汚泥温度１０４を
求める。投入汚泥１０２の温度は、計測されている場合
と計測されていない場合がある。投入汚泥１０２の温度
が計測されている場合には、投入汚泥温度取得手段１０
３はその計測値を投入汚泥温度１０４としてそのまま出
力する。投入汚泥１０２の温度が計測されていない場合
には、投入汚泥温度取得手段１０３は例えば通常測定さ
れている下水水温の値をもとに投入汚泥温度１０４を推
算する。投入汚泥温度１０４と消化ガス発生量１２０の
値は、通信手段５０１を介して消化ガス発電システムの
ある場内あるいは場外に設置されたデータ収集手段５０
２によって収集される。データ収集手段５０２は計算機
および実装されたソフトウェアによって実現される。デ
ータ収集手段５０２によって収集された収集データ５０
６は、消化ガス発電システム運転スケジュール生成手段
５０４に与えられる。計算機に実装したソフトウェアに
よって実現される消化ガス発電システム運転スケジュー
ル生成手段５０４はシステム全体としての利益を最大化
するような消化ガス発電システム運転スケジュール５０
３を生成する。計算機に実装したソフトウェアによって
実現される消化ガス発電システム運転スケジュール送付
手段５０５は、通信手段５０１を介し、消化ガス発電シ
ステム運転スケジュール５０３を消化ガス発電システム
の消化ガス供給制御手段１０９および補助燃料供給制御
手段４０２に与える。消化ガス供給制御手段109は、消
化ガス供給制御情報１０８に基づいて、余剰消化ガス１
１５，発電用消化ガス１１６，加温用消化ガス１１３の
流量を制御する。補助燃料供給制御手段４０２は、消化
ガス発電装置１１８から回収した回収熱量１２１および
加温用消化ガス１１３の燃焼で得られる熱量の和が消化
槽加温必要熱量１０６に足りない場合、ボイラ１１４へ
補助燃料４０３を供給することで、不足熱量を補うもの
である。具体的な補助燃料４０３としては、Ａ重油を用
いることが多いが、それ以外の液体燃料あるいはガスを
用いる場合もある。具体的な補助燃料供給制御手段４０
２は、ポンプあるいはブロワなどの流体機械，弁、ある
いは流体機械と弁から構成される。この補助燃料供給制
御手段４０２は、消化ガス発電システム運転スケジュー
ル５０３によって制御される。

【００５８】本第６の実施の形態によると、通信手段５
０１を介して遠隔から消化ガス発電システムを運用でき
るため、消化ガス発電システムの運用に必要な人的負担
を低減できる。また、インターネットなどの通信手段５
０１を用いるため、複数の処理場の消化ガス発電システ
ムを同時に運用でき、システムの単価を低減することが
できる。また、消化槽加温必要熱量１０６の計算に投入
汚泥温度１０４を用いているため、消化槽加温必要熱量
１０６の大半を占める投入汚泥加温必要熱量を計算する
ことが可能となり、実際に消化槽１１１を加温するため
の必要な熱量を精度良く求めることができる。また、投
入汚泥温度取得手段１０３を設けることによって、投入
汚泥温度が測定されていない場合でも投入汚泥温度１０
４を推算して計算に使用することができる。また、消化
ガス発電システム運転スケジュール生成手段５０４で消
化槽加温必要熱量１０６を考慮しながらシステム全体と
しての利益を最大化できるような消化ガス発電システム
運転スケジュール５０３を計算するため、無駄に廃棄さ
れる熱量を低減できると同時に、消化ガス発電システム
導入のメリットを増大することができる。

【００５９】（第７の実施の形態）第７の実施の形態
は、消化ガス発電システムの制御方法に関するものであ
り、第１の実施の形態で用いた図１で説明することがで
きる。図１において、消化ガス発電システムが備える消
化槽１１１には、投入汚泥１０２が投入される。消化槽
１１１内から発生した発生消化ガス１１０は消化ガス供
給制御手段１０９によって、余剰ガス燃焼装置１１７で
燃焼させる余剰消化ガス１１５と、消化ガス発電装置１
１８で使用する発電用消化ガス１１６と、ボイラ１１４
で燃焼させる加温用消化ガス１１３とに分配される。消
化ガス供給制御手段１０９は送風機あるいは弁あるいは
送風機と弁から構成される。発生消化ガス１１０の量的
な変動を吸収するために、消化ガス供給制御手段１０９
には必要に応じてガスホルダーが含まれる。消化ガス発
電装置１１８には熱交換器が備え付けられ、ジャケット
あるいは排ガスから廃熱を回収して有効利用することが
多い。多くの回収熱量121は消化槽１１１の加温に使用
される。同時に、消化槽１１１の加温には、ボイラ１１
４で加温用消化ガス１１３を燃焼させて得たボイラ加温
熱量１１２も与えられる。計算機あるいはプロセスコン
トローラによって実現される投入汚泥温度取得手段１０
３は、投入汚泥１０２の温度、すなわち投入汚泥温度１
０４を消化槽加温必要熱量計算手段１０５に与える。処
理場によって、投入汚泥１０２の温度は計測されている
場合と、計測されていない場合がある。投入汚泥１０２
の温度が計測されている場合には、投入汚泥温度取得手
段１０３はその計測値を投入汚泥温度１０４としてその
まま出力する。投入汚泥１０２の温度が計測されていな
い場合には、投入汚泥温度取得手段１０３は例えば通常
測定されている下水水温の値をもとに投入汚泥温度１０
４を推算し、出力する。計算機あるいはプロセスコント
ローラに実装したソフトウェアにより実現される消化槽
加温必要熱量計算手段１０５では、少なくとも投入汚泥
温度１０４の値をもとにして消化槽加温必要熱量１０６
を計算する。計算機あるいはプロセスコントローラに実
装したソフトウェアにより実現される運用適正化手段１
０７は、少なくとも消化槽加温必要熱量１０６の値およ
び消化ガス発生量１２０の値に基づき、システム全体と
しての利益を最大化できるような消化ガス供給制御情報
１０８を計算する。ガスホルダーが消化ガス供給制御手
段１０９に含まれる場合には、ガスホルダー蓄積可能量
に関する制約条件もこの運用適正化手段１０７で考慮さ
れる。消化ガス供給制御手段１０９は、消化ガス供給制
御情報１０８に基づいて、余剰消化ガス１１５，発電用
消化ガス１１６，加温用消化ガス１１３の流量を制御す
る。

【００６０】本第７の実施の形態によると、消化槽加温
必要熱量１０６の計算に投入汚泥温度１０４を用いてい
るため、消化槽加温必要熱量１０６の大半を占める投入
汚泥加温必要熱量を計算することが可能となり、実際に
消化槽１１１を加温するための必要な熱量を精度良く求
めることができる。また、投入汚泥温度取得手段103を
設けることによって、投入汚泥温度が測定されていない
場合でも投入汚泥温度１０４を推算して計算に使用する
ことができる。また、運用適正化手段１０７で消化槽加
温必要熱量１０６を考慮しながらシステム全体としての
利益を最大化できるような消化ガス供給制御情報１０８
を計算するため、無駄に廃棄される熱量を低減できると
同時に、消化ガス発電システム導入のメリットを増大す
る制御方式を実現することができる。

【００６１】

【発明の効果】本発明によると、消化ガス発電システム
全体の利益を適正化し、有効な運用を可能とすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の消化ガス発電システムの機能ブロック
図。

【図２】本発明の消化ガス発電システムの機能ブロック
図。

【図３】本発明の消化ガス発電システムの機能ブロック
図。

【図４】本発明の消化ガス発電システムの機能ブロック
図。

【図５】本発明の消化ガス発電システムの機能ブロック
図。

【図６】ガスエンジン発電機のメンテナンスコスト曲
線。

【図７】本発明の消化ガス発電システムの効果試算例。

【図８】本発明の一例である計算ロジックフロー。

【図９】本発明の消化ガス発電システム運用サービスの
機能ブロック図。

【符号の説明】

１０２…投入汚泥、１０３…投入汚泥温度取得手段、１
０４…投入汚泥温度、１０５…消化槽加温必要熱量計算
手段、１０６…消化槽加温必要熱量、１０７…運用適正
化手段、１０８…消化ガス供給制御情報、１０９…消化
ガス供給制御手段、１１０…発生消化ガス、１１１…消
化槽、１１２…ボイラ加温熱量、１１３…加温用消化ガ
ス、１１４…ボイラ、１１５…余剰消化ガス、１１６…
発電用消化ガス、１１７…余剰ガス燃焼装置、１１８…
消化ガス発電装置、１２０…消化ガス発生量、１２１…
回収熱量、２０１…消化槽加温設定温度、２０２…気
温、２０３…投入汚泥量、２０４…消化槽表面積、２０
５…消化槽総括伝熱係数、２０６…ボイラ効率、２０７
…消化ガス単位発熱量、２０８…消化ガス発電装置廃熱
回収効率、２０９…発電効率、３０１…料金情報、３０
２…料金情報記憶手段、４０１…補助燃料供給制御情
報、４０２…補助燃料供給制御手段、４０３…補助燃
料、５０１…通信手段、５０２…データ収集手段、５０
３…消化ガス発電システム運転スケジュール、５０４…
消化ガス発電システム運転スケジュール生成手段、５０
５…消化ガス発電システム運転スケジュール送付手段、
５０６…収集データ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｊ 3/00 Ｃ１０Ｌ 3/00 Ａ (72)発明者佐藤修二茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立事業所内 (72)発明者原直樹茨城県日立市大みか町五丁目２番１号株式会社日立製作所情報制御システム事業部内Ｆターム(参考） 3G092 AB10 AC08 BB01 DE14S DE15S DF03 FA50 4D059 AA03 BA12 CA07 EA02 EA06 EA20 EB08 5G066 AA02 AA03 AA05 AA20 AE09 5H004 GA34 GA36 GB04 GB08 HA02 HA14 HA16 HB01 JA03 JA23 KC03 KC06 LA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下水汚泥からメタンを含んだ消化ガスを発
生させる消化槽と、該消化ガスを用いて発電する消化ガス発電装置と、少なくとも該消化ガスを用いて該消化槽を加温するボイ
ラと、余剰の消化ガスを燃焼させる余剰ガス燃焼装置とを備え
た消化ガス発電システムにおいて、投入汚泥温度を求める投入汚泥温度取得手段と、少なくとも該投入汚泥温度に基づいて消化槽加温必要熱
量を計算する消化槽加温必要熱量計算手段と、少なくとも消化ガス発生量と該消化槽加温必要熱量に基
づいて、該消化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃
焼装置への該発生消化ガスの分配情報を含んだ該消化ガ
ス供給制御情報を計算して求める運用適正化手段と、該消化ガス供給制御情報に基づいて該発生消化ガスを該
消化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置へ分
配して供給する消化ガス供給制御手段と、を備えたこと
を特徴とする消化ガス発電システム。
【請求項２】請求項１に記載の消化ガス発電システムに
おいて、少なくとも該投入汚泥温度と、消化槽加温設定温度と、
気温と、投入汚泥量と、消化槽表面積と、消化槽総括伝
熱係数とに基づいて該消化槽加温必要熱量を計算する該
消化槽加温必要熱量計算手段と、該消化槽加温必要熱量を満足しながらシステム全体とし
ての利益を最大化するように、少なくとも該消化ガス発
生量と、発電効率と、ボイラ効率と、消化ガス単位発熱
量と、消化ガス発電装置廃熱回収効率をもとにして、該
消化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置への
該発生消化ガスの分配情報を含んだ該消化ガス供給制御
情報を計算して求める運用適正化手段と、を備えたこと
を特徴とする消化ガス発電システム。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載の消化ガス発
電システムにおいて、少なくとも電力量料金情報を記憶している料金情報記憶
手段と、該消化槽加温必要熱量を満足しながらシステム全体とし
ての利益を最大化するように、少なくとも該消化ガス発
生量と、該発電効率と、該ボイラ効率と、該消化ガス単
位発熱量と、該消化ガス発電装置廃熱回収効率と、該電
力量料金情報をもとにして、該消化ガス発電装置と該ボ
イラと該余剰ガス燃焼装置への該発生消化ガスの分配情
報を含んだ該消化ガス供給制御情報を計算して求める該
運用適正化手段と、を備えたことを特徴とする消化ガス
発電システム。
【請求項４】請求項１〜請求項３の何れかに記載の消化
ガス発電システムにおいて、少なくとも該消化ガスと補助燃料を用いて該消化槽を加
温する該ボイラと、該消化槽加温必要熱量を満足しながらシステム全体とし
ての利益を最大化するように、少なくとも該消化ガス発
生量と、該発電効率と、該ボイラ効率と、該消化ガス単
位発熱量と、該消化ガス発電装置廃熱回収効率と、該電
力量料金情報と、補助燃料料金情報をもとにして、該消
化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置への該
発生消化ガスの分配情報から構成される該消化ガス供給
制御情報および補助燃料供給制御情報を計算する該運用
適正化手段と、該補助燃料供給制御情報に基づいて該補助燃料を該ボイ
ラに制御しながら供給する補助燃料供給制御手段と、を
備えたことを特徴とする消化ガス発電システム。
【請求項５】投入汚泥温度および消化ガス発生量とを通
信手段を介して収集し、収集した前記投入汚泥温度および前記消化ガス発生量の
収集データに基づき、消化ガス発電システム運転スケジ
ュールを生成し、該通信手段を介して該消化ガス発電システム運転スケジ
ュールを消化ガス発電システムに送付することを特徴と
する消化ガス発電システム運用方法。
【請求項６】投入汚泥温度取得手段により投入汚泥温度
を求め、少なくとも該投入汚泥温度に基づいて消化槽加温必要熱
量を計算し、少なくとも消化ガス発生量と該消化槽加温必要熱量に基
づいて、消化ガス発電装置とボイラと余剰ガス燃焼装置
への該発生消化ガスの分配情報を含んだ該消化ガス供給
制御情報を計算し、該消化ガス供給制御情報に基づいて該発生消化ガスを該
消化ガス発電装置と該ボイラと該余剰ガス燃焼装置へ分
配して供給することを特徴とする消化ガス発電システム
の制御方法。