JP2007240144A

JP2007240144A - 廃棄物燃焼プロセスの制御

Info

Publication number: JP2007240144A
Application number: JP2007060625A
Authority: JP
Inventors: Silvia Bardi; シルビア・バルディ; Wolfgang Weisenstein; ボルフガング・バイゼンシュタイン
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2007-09-20
Also published as: ATE514038T1; US20070225864A1; EP1832809A1; CN101033846A; EP1832809B1; CN101033846B; DK1832809T3

Abstract

【課題】湿分が変動する廃棄物を処理する廃棄物焼却プラントの、自動化されたリアルタイム制御を可能にする。
【解決手段】廃棄物燃焼プロセスを制御するための方法及びシステムにおいて、入ってくる廃棄物水分などの、廃棄物燃焼プロセスの経時変化するプロセス・パラメータが、カルマン・フィルタに基づく、経時変化するパラメータのためのパラメータ評価アルゴリズムを介して、評価する。その評価されたプロセス・パラメータは、次に、廃棄物焼却プラントのリアルタイム制御のためのコントローラの中で、廃棄物燃焼プロセスのモデルの入力変数に対応する廃棄物供給速度などの、制御パラメータを決定するために使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、廃棄物の焼却の分野に係り、特に廃棄物燃焼プロセスを制御する方法に係る。

廃棄物は、例えば物品の生産及び消費または建築物及び道路の建設などの、人間の活動の後に残されるあらゆるタイプの残余の物質である。残余の物質の大半は、それらの質量及び体積そのものを除いては、環境に対して潜在的な脅威を及ぼさない。それにも拘わらず、それらの適正な処理は、関係する長期間のリスクを最小化または回避するために役立つ。高度な都市廃棄物の管理はまた、廃棄物処理のコストを削減するために役立ち、また、そうでなければ廃棄物の投棄のために必要とされるであろう、広い範囲の破壊を避けるために役立つ。従って、廃棄物の熱的な処理、即ち廃棄物の焼却または燃焼は、あらゆる都市廃棄物管理のコンセプトの中で不可欠な部分を占めている。

焼却は、意図的に開始され、コントロールされ、そして広い意味で監視された、あらゆる物資の自己持続性の酸化として理解される。固体燃料のあらゆる燃焼の場合と同様に、煙道ガス及びアッシュが、そのような廃棄物焼却プロセスによる生成物である。アッシュは、様々な組成の残滓であって、主としてシリコン酸化物及び他の無機質を含んでいる。それらの化学的な不活性のために、それらは、埋め立て及び土木工事のためにしばしば使用されている。

都市及び産業廃棄物は、投棄される廃棄物の体積を減らすため、及び、廃棄物の環境的に有害な成分、例えば方向族炭化水素または有機溶剤などを、無害な化合物に変換するために、廃棄物焼却プラントで処理される。処理されるべき廃棄物の量の増大は、複数のトラックを備えた焼却プラントのデザインをもたらし、各トラックはそれぞれ、時間当たり数十トンの廃棄物を焼却することができる。いわゆる廃棄物のエネルギー化プラントは、単に廃棄物を燃やしてアッシュにするのみではなく、その燃焼エネルギーを、例えば地域暖房用ための蒸気、および／または、電気を生成するために使用し、それによって、プラントの全体的な効率を改善する。

煙道ガス及びアッシュ処理並びにエネルギー変換のための高度な設備は、プラントの複雑さを増大させ、従って、適切な制御技術を要求する。しかしながら、経験を積んだオペレータに取って代わり得る適切な全体的な制御スキームは、これまでのところ無い。その理由は基本的には、複雑な化学的プロセス及び不安定な燃料の品質が、燃焼温度及び煙道ガスの組成及び流量の変動をもたらすからである。廃棄物組成のバラツキは、特に、廃棄物の発熱量または湿分、または、砂、砂利または他の不燃性物質（例えば廃棄物の中の金属など）の量に、関係している。

廃棄物焼却プラント内の燃焼プロセスに影響を与えるために使用可能な最も重要な制御パラメータは、一次及び二次燃焼空気のマスフロー、空気温度、循環煙道ガスの量、供給される廃棄物または燃料の量、及び、往復運動式の火格子の移送速度またはストーキング速度である。これらのパラメータは、廃棄物の水分及び発熱量の予測される変動及び予測できない変動に応じて、処理可能な廃棄物の量または生成可能な蒸気の量を最大化する目的で、および／または、空気汚染物質の排出の量を最小化する目的で、最適化されなければならない。

欧州特許出願公開第 EP 1 589 283 号明細書には、廃棄物燃焼プロセスの測定された目標パラメータに応じて制御信号を生成することにより、廃棄物焼却プラントを制御する方法が開示されている。制御信号の生成は、廃棄物燃焼プロセスのモデルに基づいており、そのモデルは、制御信号、モデル状態に対応するモデル・インプット及び目標パラメータに対応するモデル・アウトプット、モデル状態をモデル・インプットにリンクさせる状態方程式、及びモデル・アウトプットをモデル・インプット及びモデル状態にリンクさせるアウトプット方程式を含んでいる。

廃棄物燃焼プロセスのモデルは、火格子上の廃棄物床の領域を表す山を有し、その山は、下側レイヤ及び上側レイヤに限られた、限定された空間解像度を有し、そこで、下側レイヤと上側レイヤの一様に分布した質量及び空間的に一定の温度が、それぞれモデル状態を形成する。

燃焼プロセス及びその制御のためのキーとなる値は、新しい廃棄物が焼却炉に入るときの、それに含まれる水分である。実際のところ、新しい廃棄物が焼却炉に入る前に、新しい廃棄物の水分を測定するために使用可能な技術は無い。上記の水分は、燃焼プロセスの制御のために最も重要であるので、下記の種類の数式を評価することにより、煙道ガス中の水分から、その値を導き出すための計算方法が開発されている：

ここで、インデックス H₂0-waste，H₂0-flue，H₂0-formation，及び H₂0-combustion は、それぞれ、廃棄物、煙道ガス、生成水（即ち、燃焼中に生成された水）、及び燃焼空気の中の湿度を、それぞれ表している。

それにも拘らず、これらの計算の精度は、量的と言うよりはむしろ質的なものであって、数分の時間遅れの影響を受ける。このことは、燃焼プロセスの制御のために、この情報を評価して使用することを困難にする。

欧州特許出願公開第 EP-A 1 406 136 号明細書において、物理的プロセスのための数学的モデルの中で、変数のベクトルｐの値が評価される。これらの変数ｐは、例えばターボ・マシンのマスフロー速度または効率などの、プロセス特性またはパラメータを表していて、それらの特性は、数学的モデルの状態ベクトルｘの関数である。変数のベクトルｐは、状態ベクトルｘの中に増補された状態（augmented state）として組み込まれ、そして、完全な状態（状態ベクトルｘ及び増補された状態ｐを含んでいる）が、以前に測定された入力変数ｕの値に基づいて、状態増補型拡張カルマン・フィルタ（ＳＡＥＫＦ：State Augmented Extended Kalman Filter）アルゴリズムによって、従来の方法で評価される。

換言すれば、プロセス特性自体は、同時に状態として評価され、その点で、状態から前記プロセス特性を計算するための多項式係数のセットの、より古典的な評価とは異なっている。
欧州特許出願公開第 EP-A 1 406 136 号明細書欧州特許出願公開第 EP 1 589 283 号明細書

本発明の目的は、湿分が変動する廃棄物を処理する廃棄物焼却プラントの、自動化されたリアルタイム制御を可能にすることにある。

この目的は、請求項１及び７にそれぞれ基づく、廃棄物燃焼プロセスを制御するための方法及びシステムによって実現される。更なる好ましい実施形態は、従属特許クレイムから明らかである。

本発明によれば、例えば入ってくる廃棄物の水分などの、経時変化する廃棄物燃焼プロセスのプロセス・パラメータが、カルマン・フィルタに基づく、経時変化するパラメータのためのパラメータ評価アルゴリズムを介して評価される。評価されたプロセス・パラメータは、次に、廃棄物焼却プラントのリアルタイム制御のためのコントローラの中で、例えば廃棄物供給速度などの、廃棄物燃焼プロセスのモデルの入力変数に対応する制御パラメータを決定するために使用される。

本発明の好ましい変形形態において、経時変化するプロセス・パラメータは、廃棄物焼却プロセスのための数学的モデルの中で、変数のベクトルを形成し、増補された状態（augmented state）として、モデルの状態ベクトルの中に組み込まれる。状態ベクトル及び増補された状態を含む完全な状態は、次に状態増補型拡張カルマン・フィルタ（ＳＡＥＫＦ：State Augmented Extended Kalman Filter）アルゴリズムにより評価される。

好ましくは、カルマン・フィルタは、限定された空間解像度を有する廃棄物燃焼プロセスの状態空間モデルを伴う。特に、火格子上の廃棄物床の領域を表す山の空間解像度は、下側レイヤと上側レイヤに限定される。そのようなモデルは、時間がかかるコンピュータによる流体力学解析と比べて複雑さが制限されていて、本発明に基づく廃棄物燃焼プロセスを制御する方法のリアルタイムの実施に更に寄与する。

好ましくは、本発明に基づく方法のそれぞれのステップまたは機能的モジュールは、プログラムされたソフトウエア・モジュールまたは手順として、実現される。ソフトウエア・モジュールのコンピュータ・プログラム・コードは、廃棄物焼却制御システムの一つまたはそれ以上のプロセッサを制御するためのコンピュータ・プログラム製品の中に貯えられ、特に、その中にコンピュータ・プログラム・コード手段を含むコンピュータで読み込み可能な媒体を含むコンピュータ・プログラム製品の中に貯えられる。

本発明の主題は、以下のテキストにおいて、添付図面に示された好ましい例示的な実施形態を参照しながら、より詳細に説明される。

図面の中で使用されている参照符号及びそれらの意味は、まとめの形で、参照符号のリストの中に挙げられている。図面の中で、原則として、同一の部分には同じ参照符号が付されている。

図１は、複数の基本的コンポーネントを有する廃棄物焼却プラントを概略的に示している。インプット供給機構またはアクチュエータ１０は、都市または産業廃棄物、ゴミまたは他の残骸を、炉１１の入り口のシュートの中に導入し、それらを特定の廃棄物供給速度ｗ_ｏで、支持された可動の火格子１２の上に置き、それによって廃棄物床を形成する。

火格子１２は、廃棄物を広げて混合し、火格子１２に沿って前進させるために、一般的に、幾つかの反対方向に移動する火格子プレートを有している。補助バーナ１３が、燃焼プロセスを開始または維持するために、設けられることが可能である。燃焼された煙道ガスは、炉１１の上流の煙道ガス域または煙道ガスチャネル１４の中に集められ、ボイラまたは蒸気発生器１５に導かれる。

一般性を失うことなく、焼却プロセスは、廃棄物によって順に横切られる下記の四つのゾーンに分けられる：乾燥ゾーン２０；熱分解及びガス化／揮発のための第一燃焼ゾーン２１；チャーの酸化または固体燃焼のための残余ゾーン２２；及び、アッシュ処理／焼結ゾーン２３。これらのゾーンは、実際には、炉の中で明確に分けられていることはなく、ある程度重なり合うことが可能である。熱分解ガスの一様なガス層の燃焼が起こる第二燃焼ゾーンまたは火炎ゾーン２４は、廃棄物床の上方にある。一次空気３０は、火格子の下側から、一般的には異なる量で、上記の四つのゾーン２０，２１，２２，２３に供給される。二次空気３１は、火格子の上側に供給され、第二燃焼ゾーン２４の中で、ガス化及び熱分解生成物の完全燃焼を確保する。

プロセス・パラメータの評価は、下記の３つのメインモジュールを含んでいる。各モジュールは、互いに独立しており、別個に整備し且つ開発することが可能である：
ａ）パラメータ評価モジュール；これは、状態増補型拡張カルマン・フィルタ（State-Augmented Extended Kalman Filter）、無香性のカルマン・フィルタ（Unscented Kalman Filter）、及び適応型拡張カルマン・フィルタ（Adaptive Extended Kalman Filter）からなる；
ｂ）モデルライブラリー；これは、熱交換器、火格子燃焼モデル、及び様々なビルディング・ブロック（貯蔵及び流れの要素）からなる；
ｃ）ソルバー・ライブラリー；広く使用されているソルバーからなる。

エンジニアリングの観点からは、パラメータ評価モジュールのみが、プロダクト・コード（product code）から要求される。そのプロダクト・コードは、いかなる言語で記述されていても良く、その言語は、ＤＬＬ（ビジュアル・べーシック、ビジュアルＣ／Ｃ＋＋、ＭＡＴＬＡＢ、その他）の中で、呼び出し機能（calling functions）を与える。開発エンジニアは、評価モジュールに、インプット及びアウトプット測定値をファイルにして供給しなければならず、また、パラメータ推定値及びトラスト・インジケータをまたファイルにして受け取る。

パラメータ評価モジュールの背後にある主要コンセプトは、さまざまな形態のカルマン・フィルタである。線形システムのためのオリジナルなカルマン・フィルタは、既に、いわゆる“ホワイト・ボックス”状態評価のための成熟した技術になっている。この“ホワイト・ボックス”とは、全てのパラメータが知られていて、状態変数のみが評価される必要があることを意味している。しかしながら、もし、結果として得られたモデルが、未知のパラメータを含んでいる場合には、そのモデルは、グレイ・ボックスモデルと呼ばれる。

拡張カルマン・フィルタ（ＥＫＦ：Extended Kalman Filter）と言う名称は、そのフィルタが非線形システムに適用されるときに使用される。この場合において、フィルタは近似のみでしかなく、そして、フィルタ・グレイン・マトリックスを計算する全てのタイム・ステップで、システム方程式が線形化される。

よく知られているカルマン・フィルタは、下記の状態空間表現：

−によって表現可能な動的システムのシステム状態を評価する。ここで、ｘは状態ベクトル、ｕはインプットベクトルである。

状態増補型拡張カルマン・フィルタ（ＳＡＥＫＦ）では、状態が、評価されるべき変数ｐにより増補され、そして、ＳＡＥＫＦの基礎をなす状態空間モデルは、下記の式のようになる：

ここで、

−は、状態ベクトルｘ、測定値ｕ、変数のベクトルｐからの、システム状態の変化：

−の既知の依存性のモデル化された動力学を表しており、ｗは、ノイズ障害（noise disturbances）のベクトルを表している。

結合されたベクトル［ｘ，ｐ］は、“完全状態”と呼ばれる。評価されるべき変数ｐは、多項式近似式の係数に対応している。完全状態の評価の演算は、関係する共変量（covariance）マトリクスとともに、既知のＳＡＥＫＦアプローチの適切な具体化に基づいて行われる。そのようなＳＡＥＫＦアプローチの例は、例えば、Robert Stengel の “Optimal control and estimation”, Dover Publications, 1994, (p386-400)., に示されている。

増補型カルマン・フィルタ（Augmented Kalman Filter）と言う名称は、下記の（線形または非線形の）システム状態：

−の、未知のパラメータｐのための下記の動力学：

−を用いた増補（augmentation）に由来している。例えば、幾つかの未知の外部的影響の可能性がある一定のパラメータに対して、ｐの動力学は、しばしば、下記の“ランダム・ウォーク”：

−に設定される。ここで、ｗは、確率論的なノイズ・プロセスである。
この増補されたフィルタを機能させるものは、パラメータの推定値ｐとシステム状態ｘのノイズ・プロセスの共変量を介しての結合である。

無香性のカルマン・フィルタ（Unscented Kalman Filter）は、標準的なカルマン・フィルタにより開発されたものであって、それとは、共変量マトリクスが計算される方法に関して異なっている。マトリクスは、三つの異なるいわゆる“シグマ・ポイント”を、モデルにより、増殖させることにより、そして、結果として得られる三つのアウトプットベクトルから共変量を評価することにより、数値的に計算される。これを行うことの利点は、要求されるシミュレイションの大幅な単純化である（リカッチ（Riccati）方程式が消える）。

適応カルマン・フィルタ（Adaptive Kalman Filter）は、さらなる発展形態であって、それは、ＥＫＥ及びＵＫＦをチューニングする際の困難性を、チューニング・マトリクスＱ及びＲ（ノイズ共変量）を適用することによって克服している。

グレイ・ボックス認識（identification）は、例えばＡＲＭＡＸモデルまたはニューラル・ネットワークなどの、ブラック・ボックス認識方法に対して、幾つかの利点を有している。ブラック・ボックス・モデルは、通常、システムの先行する知識を使用することがなく、しばしば、大きなセットのパラメータが評価されることが必要となる。グレイ・ボックス認識においては、未知のパラメータのみが評価される。更に、もし、システムの変更のために、唯一つの物理的パラメータが変化した場合には、その特定のパラメータのみが再評価されなければならない。これに対して、ブラック・ボックス・モデルにおいては、パラメータのセット全体が、再び決定されなければならない。

もし、シュートの中の廃棄物の湿分が、上記のパラメータ評価手順によって評価された場合には、廃棄物組成の変動をある程度補償することが可能な、フィード・フォワード・コントローラの要素を導入することが可能である。

基本的なフィード・フォワード制御の構成が、図２に示されている。そのアイディアは、以下に示す通りである。コントローラは、公称廃棄物組成を仮定して、デザインされる。従って、コントローラは、廃棄物の一定のパーセンテージ（Ｗ_ｆ）が湿分であるとの仮定に基づいて廃棄物マスフロー信号（Ｕ）を生成する。しかしながら、廃棄物組成のランダムな変動（ｄＦ_ｗｉ）のために、実際の湿分（Ｙ_ｗ）は、仮定された値とは異なっている。フィード・フォワード・コントローラ（ＦＦ）は、予測された湿分と実際の湿分（Ｙ_ｗ）の間の差を、Ｕを調整するために使用して、実際の廃棄物マスフロー（Ｆ_ｗｉ）を与える。留意すべきことは、図２において、ｄＦ_ｗｉ及びＷ_ｆのアウトプットは、廃棄物の様々な成分を表す要素を有するベクトル信号であることである。

図２を参照して、フィード・フォワード・コントローラのデザインは、下記のように、行われる：

しかし、

Ｆ_ｗのための値をＹ_ｗの式の中に代入して、再整理すると、下記の式が得られる：

従って、もし（１＋ＦＦ・Ｋｗ・Ｗｆ）＜＜１であれば、Ｙ_ｗに対するｄＦ_ｗｉの影響は、僅かなものになるであろう。

以下において、動的なＦＦを、ＤＣの近傍で、（１＋ＦＦ・Ｋｗ・Ｗｆ）のゲインが、ゼロまたは非常に小さいように選択する。換言すれば、下記のようにする：

ここで、ｓはラプラス演算子、Ｋは適切な定数である。これを再整理すると、下記の式が得られる：

留意すべきことは、この出願に対して、ｄＦ_ｗｉは、１Ｈｚ未満のバンド幅を持つと予測されることである。それは、下記のＫの値：

−が、１Ｈｚ未満の周波数に対して、１／１１よりも良い阻止率（rejection）を与えるであろうことを、含意している。実際には、より大きいＫの値が、障害阻止率（diaturbance rejection）を改善するであろうが、大き過ぎる値は、（要求されるサンプリング・インターバルのために）実現を困難にし、フィードバック制御を妨げる可能性がある。この出願に対して、指示された値は、容認できるものである。

図１は、廃棄物焼却プラントを概略的に示す。図２は、フィード・フォワード・コントローラの概略図を示す。

符号の説明

１０…アクチュエータ、１１…炉、１２…火格子、１３…補助バーナ、１４…煙道ガス域、１５…ボイラ、２０…乾燥ゾーン、２１…第一燃焼ゾーン、２２…残余ゾーン、２３…アッシュ処理ゾーン、２４…第二燃焼ゾーン、３０…一次空気、３１…二次空気。

Claims

廃棄物燃焼プロセスを制御する方法であって、
− 廃棄物燃焼プロセスの経時変化するプロセス・パラメータ（ｐ）の値を、カルマン・フィルタによって評価し；
− 制御パラメータ（ｗ_ｏ）の制御値を、前記プロセス・パラメータ（ｐ）の値に基づいて決定し；
− 前記制御値を、廃棄物燃焼プロセスのアクチュエータ（１０）に適用すること；
を特徴とする方法。
下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
前記プロセス・パラメータ（ｐ）は、廃棄物の水分であり、
前記制御パラメータは、廃棄物焼却プラントの廃棄物供給速度（ｗ_ｏ）である。
下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
前記プロセス・パラメータ（ｐ）の値は、状態増補型拡張カルマン・フィルタ（ＳＡＥＫＦ）アルゴリズムの中で、増補された状態として評価される。
下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
前記カルマン・フィルタは、限定された空間解像度を有する廃棄物燃焼プロセスのモデルに基づいている。
下記特徴を備えた請求項１に記載の方法：
前記制御パラメータ（ｗ_ｏ）の制御値は、フィード・フォワード・コントローラにより決定される。
請求項１から６のいずれか1項に記載の方法を実行するためのコンピュータ・プログラム。
廃棄物燃焼プロセスを制御するためのシステムであって、
− 廃棄物燃焼プロセスの経時変化するプロセス・パラメータ（ｐ）の値を、カルマン・フィルタによって、評価するための手段と；
− 前記プロセス・パラメータ（ｐ）の値に基づいて、制御パラメータ（ｗ_ｏ）の制御値を決定するための手段と；
− 前記制御値が適用される廃棄物燃焼プロセスのアクチュエータ（１０）と；
を有することを特徴とするシステム。