JP2019211193A - 燃焼設備の状態量推定方法、燃焼制御方法、及び燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被燃焼物を燃焼させる燃焼設備において、直接的に計測することが困難な状態量を推定する。【解決手段】被燃焼物を燃焼させる燃焼設備において、直接的に計測することが困難な１つ以上の状態量を目的変数とし、前記燃焼設備に設置された１つ以上の観測点において直接的に計測することが可能な１つ以上の観測量及び／又は前記１つ以上の観測量から演算によって求めることが可能な１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記目的変数を推定する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼設備の状態量推定方法、燃焼制御方法、及び燃焼制御装置に関する。

従来、ごみ焼却プラントやバイオマス燃焼プラントなどの燃焼設備において、燃焼設備内の各種の状態量を用いて燃焼設備の燃焼制御が行われている。燃焼設備の各種の状態量は、その状態量に応じた計測器を用いて計測される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１８−０２１６８６号公報

しかしながら、燃焼設備の状態量のなかには、計測器を用いて直接的に計測することが困難なものも存在する。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、被燃焼物を燃焼させる燃焼設備において、直接的に計測することが困難な状態量を推定することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、被燃焼物を燃焼させる燃焼設備において、直接的に計測することが困難な１つ以上の状態量を推定する方法であって、前記１つ以上の状態量を目的変数とし、前記燃焼設備に設置された１つ以上の観測点において直接的に計測することが可能な１つ以上の観測量及び／又は前記１つ以上の観測量から演算によって求めることが可能な１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記目的変数を推定することを特徴とする燃焼設備の状態量推定方法である。

このような態様によれば、燃焼設備に状態空間モデルを適用することで、燃焼設備において直接的に計測することが困難な状態量を推定することができる。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記状態空間モデルを用いた前記目的変数の推定は、コンピュータのプロセッサによって、ｋ−１番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記状態量との関係を示す状態方程式を前記コンピュータのメモリに記憶させるステップと、ｋ番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量との関係を示す観測方程式を前記メモリに記憶させるステップと、前記メモリから前記状態方程式を読み出し、ｋ−１番目の時刻における前記状態量を前記状態方程式に適用してｋ番目の時刻における前記状態量の推定値を演算するステップと、前記メモリから前記観測方程式を読み出し、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を前記観測方程式に適用してｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量の予測値を演算するステップと、前記観測点において計測器を用いて前記観測量の実際の観測値を取得するステップと、前記観測量の前記予測値と前記観測値との差分を演算するステップと、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を、前記差分に基づいて補正するステップと、を実行することによって行われることを特徴とする。

このような態様によれば、観測量の予測値と実際に計測された観測値との差分に基づいて状態量の推定値を補正することで、燃焼設備において直接的に計測することが困難な状
態量を精度良く推定することができる。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記観測量の前記実際の観測値はｋ＋Ｎ番目の時刻において計測された値であり、前記差分はｋ＋Ｎ番目の時刻における前記予測値と前記観測値との差分であることを特徴とする。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記Ｎは、前記燃焼設備における前記状態量の時間的変化と前記観測量の時間的変化との相関関係に応じた時間差を表すことを特徴とする。

このような態様によれば、燃焼設備において状態量と観測量の振る舞いに時間差がある場合にも、状態量を精度良く推定することができる。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記状態量は、前記被燃焼物の状態量、触媒の状態量、及び流動媒体の流動状態に対応する状態量のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記被燃焼物の状態量は、前記被燃焼物の低位発熱量、高位発熱量、水分含有量、可燃分含有量、灰分含有量、炭素含有量、水素含有量、窒素含有量、硫黄含有量、塩素含有量、水銀含有量、ごみ種別、及びごみ種別組成割合のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

このような態様によれば、燃焼設備において直接的に計測することが困難な各種の状態量を推定することができる。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様において、前記観測量及び前記演算量は、前記被燃焼物の重量、体積、密度、及び供給量、前記燃焼設備の内部温度、出口温度、内部圧力、供給空気量、供給水量、供給薬剤量、及び発生熱量、前記燃焼設備から排出される排ガスの流量、流速、密度、及び温度、前記排ガスに含まれる一酸化炭素濃度、二酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、硫黄酸化物濃度、塩化水素濃度、水分濃度、水銀濃度、ばいじん濃度、酸素濃度、及び窒素濃度、前記排ガスを冷却するボイラ設備の蒸気流量、蒸気圧力、蒸気温度、給水流量、及び保有水量、並びに前記排ガスに供給される薬剤量のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする。

このような態様によれば、これら各種の観測量及び／又は演算量を用いて、燃焼設備において直接的に計測することが困難な状態量を推定することができる。

また、本発明の他の一態様は、上記一態様による燃焼設備の状態量推定方法に従って推定された状態量に基づいて前記燃焼設備の燃焼制御を行うことを特徴とする燃焼設備の燃焼制御方法である。

このような態様によれば、燃焼設備において直接的に計測することが困難な状態量の推定に基づいて燃焼設備の燃焼制御を行うことができる。

また、本発明の他の一態様は、被燃焼物を燃焼させる燃焼設備の燃焼制御を行う燃焼制御装置であって、前記燃焼制御装置は、前記燃焼設備において直接的に計測することが困難な１つ以上の状態量を目的変数とし、前記燃焼設備に設置された１つ以上の観測点において直接的に計測することが可能な１つ以上の観測量及び／又は前記１つ以上の観測量から演算によって求めることが可能な１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記状態量を推定し、前記推定された状態量に基づいて前記燃焼設備の燃焼制御
を行うように構成され、前記燃焼制御装置は、プロセッサ及びメモリを備え、前記メモリは、ｋ−１番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記状態量との関係を示す状態方程式と、ｋ番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量との関係を示す観測方程式とを記憶し、前記プロセッサは、前記状態空間モデルを用いた前記状態量の推定を行うために、前記メモリから前記状態方程式を読み出し、ｋ−１番目の時刻における前記状態量を前記状態方程式に適用してｋ番目の時刻における前記状態量の推定値を演算するステップと、前記メモリから前記観測方程式を読み出し、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を前記観測方程式に適用してｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量の予測値を演算するステップと、前記観測点において計測器を用いて前記観測量の実際の観測値を取得するステップと、前記観測量の前記予測値と前記観測値との差分を演算するステップと、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を、前記差分に基づいて補正するステップと、を実行するように構成されることを特徴とする燃焼設備の燃焼制御装置である。

このような態様によれば、燃焼設備において直接的に計測することが困難な状態量の推定に基づいて燃焼設備の燃焼制御を行うことができる。

燃焼設備の一例としてのストーカ式焼却プラントの構成図である。 燃焼設備における状態量を推定する方法を実施するための状態量推定処理のフローチャートである。 ストーカ式焼却プラントにおけるいくつかの例示的な状態量、観測量、及び演算量の時間的推移の一例である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。

図１は、燃焼設備の一例としてのストーカ式焼却プラント２０の構成図である。以下では本発明がストーカ式焼却プラント２０に適用された実施形態を説明するが、本発明の適用対象はストーカ式焼却プラント２０に限定されるものではない。本発明の技術思想は、例えば、ストーカ式以外の方式のごみ焼却プラント（例えば流動床式焼却プラント）、バイオマス燃焼プラント、又は他の被燃焼物を燃焼させるための任意の形態の燃焼設備に適用することが可能である。

ごみクレーン２２の作用によりごみホッパ２３に投入された被燃焼物（ごみ）ａは、ごみ供給装置２４の作用によりストーカ式焼却炉２１の内部に送りこまれる。ごみ供給装置２４は油圧シリンダにより駆動され、その油量ないし油圧を変化させることにより、被燃焼物ａの供給速度を調節することができる。

ストーカ式焼却炉２１の内部に送り込まれた被燃焼物ａは、ごみ送り装置２５ａ〜２５ｃの作用により、乾燥帯２１ａ、燃焼帯２１ｂ、後燃焼帯２１ｃへと順次移送され、その過程で一次燃焼空気ｂａ〜ｂｃと反応することで焼却される。また、乾燥帯２１ａ、燃焼帯２１ｂ、後燃焼帯２１ｃから発生した可燃ガス成分は、それらの上部空間すなわち二次燃焼室において、二次燃焼空気ｂｄと反応して完全燃焼される。燃え残りは主灰ｃとして排出される。ここで、ごみ送り装置２５ａ〜２５ｃは油圧シリンダにより駆動され、その油量ないし油圧を変化させることにより、被燃焼物ａの移送速度を調節することができる。

一次燃焼空気ｂａ〜ｂｃは、一次燃焼空気ブロワ２６により所定の圧力まで昇圧された上で、一次燃焼空気調節ダンパ２７ａ〜２７ｃを経て、乾燥帯２１ａ、燃焼帯２１ｂ、後
燃焼帯２１ｃ各々の下部からストーカ式焼却炉２１の内部に供給される。また、二次燃焼空気ｂｄは、二次燃焼空気ブロワ２８により所定の圧力まで昇圧された上で、二次燃焼空気調節ダンパ２９を経て、ストーカ式焼却炉２１の内部に供給される。ここで、供給される一次燃焼空気ｂａ、ｂｂ、ｂｃおよび二次燃焼空気ｂｄの流量は、一次燃焼空気ブロワ２６ないし二次燃焼空気ブロワ２８の回転速度や、一次燃焼空気調節ダンパ２７ａ〜２７ｃないし二次燃焼空気調節ダンパ２９の開度を変化させることで調節することができる。

ストーカ式焼却炉２１の内部での被燃焼物ａの燃焼により発生した燃焼排ガスｄは、ストーカ式焼却炉２１の出口から排出され、廃熱ボイラ３０を経由して冷却されたのち、薬剤噴霧設備、バグフィルタ、脱硝触媒塔などから構成される排ガス浄化装置３１を経由して有害物質や飛灰が除去された上で、煙突３２から大気に排出される。

なお、燃焼排ガスｄの一部は、排ガス浄化装置３１の内部あるいはその下流で分岐し、排ガス再循環送風機３３を経由して、再循環排ガスｆとして焼却炉２１に戻される。ここで、戻される再循環排ガスｆの流量は、排ガス再循環送風機３３の回転速度や、再循環排ガス量調節ダンパ３４の開度を変化させることで調節することができる。

また、廃熱ボイラ３０では、燃焼排ガスｄとの熱交換により蒸気ｇが発生し、これは蒸気タービン発電機３５に導かれて発電利用される。

さらに、焼却炉２１の二次燃焼室には、炉内温度を下げるために供給される炉内冷却水ｈと、炉内における脱硝反応に用いられる脱硝薬剤ｉが供給される。脱硝薬剤ｉとしては、一般に尿素水またはアンモニア水が用いられる。ここで、炉内冷却水ｈおよび、脱硝薬剤ｉの流量は、それぞれ炉内冷却水量調節バルブ３６および脱硝薬剤量調節バルブ３７の開度を変化させることによって調節することができる。

また、本実施例における焼却プラント２０には、焼却炉２１内のごみの燃焼状態が適切に保たれ、かつ廃熱ボイラ３０において所望の蒸気量が得られているかを検知する目的から、温度計、圧力計、流量計、排ガス濃度計等の多数の計測器が設置されている。これら多数の計測器のうち、燃焼状態の管理に特に用いられるものとして、火炎位置検出装置４１、焼却炉出口排ガス温度計４２、ボイラ出口排ガス酸素濃度計４３、煙突排ガス濃度計４４、蒸気流量計４５が図２において図示されている。

火炎位置検出装置４１は、ストーカ式焼却炉２１の内部の状況について得られた画像情報に対して所定の画像処理を行うことで、焼却炉２１の内部における火炎の位置を効果的に検出する装置として構成、設置されている。

焼却炉出口排ガス温度計４２は、ストーカ式焼却炉２１の出口での燃焼排ガスｄの温度を効果的に測定できるように構成、設置されている。

ボイラ出口排ガス酸素濃度計４３は、廃熱ボイラ３０の出口での燃焼排ガスｄの酸素濃度を効果的に測定できるように構成、設置されている。

煙突排ガス濃度計４４は、煙突３２での燃焼排ガスｄに含まれる各種ガス成分の濃度、具体的には酸素、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物、塩化水素、水銀等の濃度を効果的に測定できるように構成、設置されている。

蒸気流量計４５は、廃熱ボイラ３０における蒸気発生量を効果的に測定できるように構成、設置されている。

これらの計測器から得られた情報は、燃焼制御装置５０に伝送され、その情報に基づいて焼却炉２１の運転制御が行われる。

燃焼制御装置５０では、前記の火炎位置、焼却炉出口排ガス温度、ボイラ出口排ガス酸素濃度、煙突排ガス濃度、蒸気流量などの管理指標が所定の管理範囲を逸脱しないように焼却炉２１を運転制御することを目的として、それらの管理指標そのものや、それらの管理指標と関連の深い物理量を制御量とした制御ロジックが実装されている。具体的には、前記の火炎位置、焼却炉出口排ガス温度、ボイラ出口排ガス酸素濃度、煙突排ガス濃度、蒸気流量などの計測値を参照して、前記のごみ供給装置２４およびごみ送り装置２５ａ〜２５ｃの油量や油圧、一次燃焼空気ブロワ２６、二次燃焼空気ブロワ２８および排ガス再循環送風機３３の回転数、ならびに一次燃焼空気調節ダンパ２７ａ〜２７ｃ、二次燃焼空気調節ダンパ２９、再循環排ガス量調節ダンパ３４、炉内冷却水量調節バルブ３６および脱硝薬剤量調節バルブ３７の開度等を調節する。これにより、焼却炉２１内のごみの燃焼状態が適切に保たれ、かつ所望の蒸気流量が得られるような焼却炉２１の運転制御が行われる。

これらの機能に加えて、本実施例における燃焼制御装置５０は、ストーカ式焼却炉２１において一般には直接計測することができない又は直接計測することが困難な状態量である、炉内における被燃焼物ａの状態量、より具体的には、ストーカ式焼却炉２１の火格子上に供給される前記被燃焼物ａの供給量、並びにストーカ式焼却炉２１の火格子上に滞留する前記被燃焼物ａの低位発熱量、高位発熱量、水分含有量、可燃分含有量、灰分含有量、炭素含有量、水素含有量、窒素含有量、硫黄含有量、塩素含有量、水銀含有量、ごみ種別、及びごみ種別組成割合のうちの少なくとも１つを、状態空間モデルを用いて推定し、その推定された１又は複数の状態量に基づいて焼却炉２１の燃焼制御を行うことができるように構成されている。

そこで本実施例における燃焼制御装置５０は、これらの直接計測することができない又は直接計測することが困難な状態量を推定するために、ストーカ式焼却プラント２０の各所に設置された観測点において直接的に計測された１つ以上の観測量、及び／又は当該観測量から理論的若しくは経験的に演算によって求めることができる１つ以上の演算量を利用する。具体的には、ストーカ式焼却プラント２０内の観測点において直接的に計測される観測量として、例えば、上述した各種の計測器による計測値、すなわち、焼却炉出口排ガス温度計４２によって測定されたストーカ式焼却炉２１の出口での燃焼排ガスｄの温度、ボイラ出口排ガス酸素濃度計４３によって測定された廃熱ボイラ３０の出口での燃焼排ガスｄの酸素濃度、煙突排ガス濃度計４４によって測定された煙突３２での燃焼排ガスｄに含まれる各種ガス成分（酸素、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄酸化物、塩化水素、水銀等）の濃度、及び蒸気流量計４５によって測定された廃熱ボイラ３０における蒸気発生量のうちの１つ以上を利用することができる。

また、例えば、ストーカ式焼却プラント２０は、ごみクレーン２２によってごみホッパ２３に投入された被燃焼物ａの重量を測定するための投入被燃焼物重量計４６を備えてもよく、この投入被燃焼物重量計４６によって測定された被燃焼物ａの重量を、ストーカ式焼却炉２１における状態量を推定するための観測量の１つとして利用することもできる。さらに、投入被燃焼物重量計４６によって測定された被燃焼物ａの重量から、所定の理論式又は経験則に従って、例えば、ごみホッパ２３内に残っている被燃焼物ａの容量、被燃焼物ａの密度、並びに被燃焼物ａがストーカ式焼却炉２１の火格子上で熱分解及び／又は燃焼反応することにより発生する熱量などの演算量を導出し、得られた演算量を上記の各種の観測量とともに、ストーカ式焼却炉２１における状態量を推定するために利用することもできる。

本実施例による燃焼制御装置５０がストーカ式焼却炉２１において直接計測することができない又は直接計測することが困難な状態量を推定するのに利用する観測量及び演算量は、上述したものに限られない。本実施例による燃焼制御装置５０は、観測量及び演算量として、被燃焼物ａの重量、体積、密度、及び供給量、焼却炉２１の内部温度、出口温度、内部圧力、供給空気量、供給水量、供給薬剤量、及び発生熱量、焼却炉２１から排出される燃焼排ガスｄの流量、流速、密度、及び温度、燃焼排ガスｄに含まれる一酸化炭素濃度、二酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、硫黄酸化物濃度、塩化水素濃度、水分濃度、水銀濃度、ばいじん濃度、酸素濃度、及び窒素濃度、燃焼排ガスｄを冷却する廃熱ボイラ３０の蒸気流量、蒸気圧力、蒸気温度、給水流量、及び保有水量、並びに燃焼排ガスｄに供給される薬剤量のうちの少なくとも１つを利用することができる。これらの観測量を適切に計測するために、ストーカ式焼却プラント２０は、プラント内の所定の観測点に温度計、圧力計、流量計、排ガス濃度計等の計測器を備え、各計測器によって得られた観測量の値は、状態量の推定のために燃焼制御装置５０に伝送される。

燃焼制御装置５０は、ストーカ式焼却炉２１において直接計測することができない又は直接計測することが困難な前記の１つ以上の状態量を目的変数とし、ストーカ式焼却プラント２０の各所に設置された観測点において直接的に計測された前記の１つ以上の観測量及び／又は当該観測量から理論的若しくは経験的に演算によって求めることができる前記の１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記１つ以上の状態量を推定するように構成される。

具体的な構成として、燃焼制御装置５０は、少なくともプロセッサ及びメモリを備えるコンピュータとして構成される。燃焼制御装置５０のメモリは、後述する状態量推定処理の各ステップを実行するためのプログラム、並びに後述する状態方程式及び観測方程式を記憶するように構成される。燃焼制御装置５０のプロセッサは、前記メモリから前記プログラムを読み出して、読み出したプログラムに従って後述する状態量推定処理の各ステップを実行するように構成される。

図２は、本発明の一実施形態による、燃焼設備における状態量を推定する方法を実施するための状態量推定処理のフローチャートを示す。以下では本発明の方法が上述した図１のストーカ式焼却プラント２０に適用された実施形態を説明するが、本発明の適用対象はストーカ式焼却プラント２０に限定されるものではない。本発明の技術思想は、例えば、ストーカ式以外の方式のごみ焼却プラント、バイオマス燃焼プラント、又は他の被燃焼物を燃焼させるための任意の形態の燃焼設備に適用することが可能である。

はじめに、ステップ１において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、燃焼設備（ストーカ式焼却プラント２０）において直接計測することができない又は直接計測することが困難な状態量Ｘｉ（ｉは正の整数）の初期値Ｘｉ（０／０）を決定する。初期値Ｘｉ（０／０）はできる限り実際の値に近い方が望ましいが、以下の各ステップを繰り返し実施することで状態量Ｘｉは正確な値に補正されていくので、初期値は適宜の値に定めても構わない。

次に、ステップ２において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、ｋ−１番目の時刻における状態量Ｘｉ（ｋ−１／ｋ−１）とｋ番目の時刻における状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）との関係を示す状態方程式Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）＝Ｆ（Ｘｉ（ｋ−１／ｋ−１），ｕ，Ａ（ｋ））を決定し、決定した状態方程式を燃焼制御装置５０のメモリに記憶させる。ここで、Ｆは状態方程式を規定する関数、ｕは白色雑音、Ａ（ｋ）は燃焼設備の構成、特性、及び環境条件等に応じて定まる関数である。状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）は、状態方程式によって推定されるｋ番目の時刻における状態量Ｘｉを表す。例えば、状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）と状態量Ｘｉ（ｋ−１／ｋ−１）の間に線形の関係がある場合、状態方程式は
Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）＝Ａ_１（ｋ）Ｘｉ（ｋ−１／ｋ−１）＋Ａ_２（ｋ）ｕ
と記述することができる。

次に、ステップ３において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、ｋ番目の時刻における状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）とｋ＋Ｎ番目の時刻（Ｎは整数）における観測量Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）（ｊは正の整数）との関係を示す観測方程式Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）＝Ｇ（Ｘｉ（ｋ／ｋ−１），ｖ，Ｂ（ｋ））を決定し、決定した観測方程式を燃焼制御装置５０のメモリに記憶させる。ここで、Ｇは状態方程式を規定する関数、ｖは観測量の計測時に発生する観測雑音としての白色雑音、Ｂ（ｋ）は燃焼設備の構成、特性、及び環境条件等に応じて定まる関数である。観測量Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）は、後述するステップ６において燃焼設備内の所定の観測点において計測されることが予想される、観測量Ｙｊの予測値を表す。なおＹｊ（ｋ＋Ｎ）は、観測量から理論的若しくは経験的に演算によって求めることができる演算量を含んでもよいし、又はそのような演算量に置き換えられてもよい。例えば、観測量Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）と状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）の間に線形の関係がある場合、観測方程式は
Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）＝Ｂ_１（ｋ）Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）＋ｖ
と記述することができる。

Ｎの値は、燃焼設備における状態量Ｘｉの時間的変化と観測量Ｙｊの時間的変化との相関関係に応じた時間差を表す値に設定することが好ましい。状態量Ｘｉと観測量Ｙｊの時間差Ｎは、例えば、燃焼設備のプロセス的な要因や、計測器の測定遅れなどによって生じ得る。このような時間差は、対象とする燃焼設備の特性として予め実験的又は理論的に知得しておくことが可能である。例えば、ある状態量Ｘｉが特定の時間的変化を示してから１時間後に、ある観測量Ｙｊに当該時間的変化と相関的な時間的変化が現れるような燃焼設備においては、Ｎの値は、１時間という時間差を表す値に設定することが好ましい。これにより、状態量と観測量の振る舞いに時間差があるような燃焼設備においても、状態量を精度良く推定することができる。

次に、ステップ４において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、燃焼制御装置５０のメモリから状態方程式を読み出し、ｋ−１番目の時刻における状態量Ｘｉ（ｋ−１／ｋ−１）を状態方程式に適用することにより、ｋ番目の時刻における状態量の推定値Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）を演算する。例えば、状態量の初期値Ｘｉ（０／０）（すなわち０番目の時刻における状態量）を状態方程式に適用することによって推定値Ｘｉ（１／０）が得られ、１番目の時刻における状態量Ｘｉ（１／１）を状態方程式に適用することによって推定値Ｘｉ（２／１）が得られ、２番目の時刻における状態量Ｘｉ（２／２）を状態方程式に適用することによって推定値Ｘｉ（３／２）が得られ、以下同様である。

次に、ステップ５において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、燃焼制御装置５０のメモリから観測方程式を読み出し、ステップ４で得られたｋ番目の時刻における状態量の推定値Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）を観測方程式に適用することにより、ｋ＋Ｎ番目の時刻における観測量（及び／又は演算量）の予測値Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）を演算する。例えば、１番目の時刻における状態量の推定値Ｘｉ（１／０）を観測方程式に適用することによって観測量の予測値Ｙｊ（１＋Ｎ）が得られ、２番目の時刻における状態量の推定値Ｘｉ（２／１）を観測方程式に適用することによって観測量の予測値Ｙｊ（２＋Ｎ）が得られ、以下同様である。

次に、ステップ６において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、燃焼設備内の１以上の観測点に設置されている計測器から、ｋ＋Ｎ番目の時刻において直接的に計測された観測量の実際の観測値Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）を取得する。また、必要に応じて、燃焼制御装置５０のプロセッサは、取得した観測値Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）から上述の演算量を理論的若しくは経験的に演算によって求めてもよい。以下、Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）との表記はこのような演算量
も含む場合があるものとする。

次に、ステップ７において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、ステップ５で得られた観測量の予測値Ｙｊ（ｋ＋Ｎ）とステップ６で得られた観測量の実際の観測値Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）との差分ｅｊ（ｋ＋Ｎ）を演算する。例えば、Ｎの値がＮ＝０に設定される実施例では、１番目の時刻において差分ｅｊ（１）が得られ、２番目の時刻において差分ｅｊ（２）が得られ、以下同様である。また例えば、Ｎの値がＮ≠０に設定される実施例では、１番目の時刻において差分ｅｊ（１＋Ｎ）が得られ、２番目の時刻において差分ｅｊ（２＋Ｎ）が得られ、以下同様である。

次に、ステップ８において、燃焼制御装置５０のプロセッサは、ステップ４で得られたｋ番目の時刻における状態量の推定値Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）を、ステップ７で得られた観測量の予測値と実際の観測値との差分ｅｊ（ｋ＋Ｎ）に基づいて補正する。より具体的に、燃焼制御装置５０のプロセッサは、補正後の状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ）を次式
Ｘｉ（ｋ／ｋ）＝Ｅ（Ｘｉ（ｋ／ｋ−１），Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ），Ｋ（ｋ＋Ｎ））
に従って演算する。ここで、Ｋ（ｋ）は観測量の予測誤差（すなわちステップ７で得られた差分）ｅｊ（ｋ）と観測誤差ｖとによって定められる関数であり、より具体的には、予測誤差ｅｊ（ｋ）の分散共分散行列Ｐ（ｋ）と観測誤差ｖの分散Ｑ（ｋ）を用いて
Ｋ（ｋ）＝Ｐ（ｋ）Ｂ_１（ｋ）^Ｔ（Ｂ_１（ｋ）Ｐ（ｋ）Ｂ_１（ｋ）^Ｔ＋Ｑ（ｋ））^−１
と表される。例えば、関数Ｅは
Ｘｉ（ｋ／ｋ）＝Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）
＋Ｋ（ｋ＋Ｎ）（Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）−Ｂ_１（ｋ＋Ｎ）Ｘｉ（ｋ＋Ｎ／ｋ＋Ｎ−１））
と記述することができる。

ステップ８の後、燃焼制御装置５０のプロセッサは、ステップ４からステップ８までの処理を繰り返し実行することによって、順次、任意の時刻における状態量Ｘｉ（ｋ／ｋ）を決定することができる。上述のステップ６において計測器から観測値Ｙｊ^＊（ｋ＋Ｎ）を取得できなかった場合には、当該時刻についてはステップ７及び８を実行する代わりに便宜的にＸｉ（ｋ／ｋ）＝Ｘｉ（ｋ／ｋ−１）とみなして、次の時刻について再びステップ４から処理を実行することで、観測データに欠損があっても状態量の推定を継続して行うことができる。

本実施形態の状態量推定方法によれば、状態量Ｘｉと観測量Ｙｊの振る舞いの時間差Ｎを考慮して状態量を推定しているので、状態量Ｘｉの変化が観測量Ｙｊの変化に即座に反映せず、状態量Ｘｉの時間的変化と観測量Ｙｊの時間的変化との相関関係に比較的大きな時間差が存在するような燃焼設備においても、状態量を精度良く推定することができる。なお、時間差Ｎは不変の値であってもよいし、経時的に又は他の条件に応じて変化する値であってもよい。

図３は、図１に示したストーカ式焼却プラント２０におけるいくつかの例示的な状態量、観測量、及び演算量の時間的推移の一例を示す。図３は、観測量の１つとして被燃焼物ホッパ投入量を示す。被燃焼物ホッパ投入量は、ごみクレーン２２によってごみホッパ２３に投入された被燃焼物ａの重量を表し、投入被燃焼物重量計４６によって所定時間間隔で測定される。図３はまた、観測量から所定の演算によって得られる演算量として、被燃焼物ホッパ残容量、被燃焼物密度、及び燃焼炉発生熱量を示す。被燃焼物ホッパ残容量は、ごみホッパ２３内に残っている被燃焼物ａの容量を表し、燃焼炉発生熱量は、被燃焼物ａがストーカ式焼却炉２１の火格子上で熱分解及び／又は燃焼反応することにより発生する熱量を表す。これらのうち、被燃焼物ホッパ残容量及び被燃焼物密度は、投入被燃焼物
重量計４６によって測定された観測量である上述の被燃焼物ホッパ投入量から、所定の理論式又は経験則に従って算出することができる。また、燃焼炉発生熱量は、廃熱ボイラ３０における蒸気ｇの発生量から所定の理論式又は経験則に従って算出することができる。図３は更に、被燃焼物燃焼炉投入量及び被燃焼物発熱量を示す。被燃焼物燃焼炉投入量は、被燃焼物ａを一時的に蓄積しているごみホッパ２３から、ごみ供給装置２４によってストーカ式焼却炉２１へ単位時間当たりに投入される被燃焼物ａの重量を表し、被燃焼物発熱量は、被燃焼物ａを燃焼させた時に発生することが見込まれる単位重量当たりの発熱量を表す。被燃焼物燃焼炉投入量及び被燃焼物発熱量は、上記の被燃焼物ホッパ投入量、被燃焼物ホッパ残容量、被燃焼物密度、及び燃焼炉発生熱量を観測量又は演算量として本実施形態の状態量推定方法を実施することによって推定された状態量である。

燃焼制御装置５０は、このように推定された状態量、例えば、被燃焼物燃焼炉投入量、又は被燃焼物発熱量に基づいて、ストーカ式焼却炉２１の燃焼制御を行う。

例えば、燃焼制御装置５０は、推定された被燃焼物燃焼炉投入量に基づいて、ごみ供給装置２４又はごみ送り装置２５ａ〜２５ｃの動作速度を調節することで、ストーカ式焼却炉２１の火格子上における被燃焼物ａの滞留量が一定となるような制御を行う。より具体的には、例えば被燃焼物燃焼炉投入量が減少傾向にある場合には、ごみ供給装置２４の動作速度を速めることで、ストーカ式焼却炉２１の火格子上における被燃焼物ａの滞留量を増加させるような調節が行われる。あるいは、被燃焼物燃焼炉投入量が増加傾向にある場合には、ごみ送り装置２５ａの動作速度を減じることで、ストーカ式焼却炉２１の火格子上における被燃焼物ａの滞留量を減少させるような調節が行われる。

また例えば、燃焼制御装置５０は、推定された被燃焼物発熱量に基づいて、ごみ供給装置２４又はごみ送り装置２５ａ〜２５ｃの動作速度を調節することで、ストーカ式焼却炉２１内において被燃焼物ａの燃焼によって発生する熱量が一定となるような制御を行う。より具体的には、例えば被燃焼物発熱量が減少傾向にある場合には、ごみ供給装置２４の動作速度を速めることで、ストーカ式焼却炉２１の火格子上における被燃焼物ａの滞留量を増加させ、それによって焼却炉２１内の発生熱量を増加させるような調節が行われる。あるいは、被燃焼物発熱量が増加傾向にある場合には、ごみ送り装置２５ａの動作速度を減じることで、ストーカ式焼却炉２１の火格子上における被燃焼物ａの滞留量を減少させ、それによって焼却炉２１内の発生熱量を減少させるような調節が行われる。

なお、ストーカ式焼却炉２１の燃焼制御を行う方法は、ごみ供給装置２４又はごみ送り装置２５ａ〜２５ｃの動作速度を調節することに限られない。例えば、燃焼制御装置５０は、推定された状態量に基づいて、一次燃焼空気調節ダンパ２７ａ〜２７ｃの開度、二次燃焼空気調節ダンパ２９の開度、焼却炉２１内の温度調整のために供給される炉内冷却水ｈの流量、焼却炉２１内における脱硝反応のための反応薬剤ｉの供給量などを調節するように構成されてもよい。

上述の実施形態において、燃焼制御装置５０は、ストーカ式焼却炉２１の炉内における被燃焼物ａの状態量を推定するように構成されているが、他の状態量、例えば、排ガス浄化装置３１における脱硝触媒の状態量や、図１に示されるストーカ式焼却プラント２０とは異なる方式の焼却プラントである流動床式焼却プラントの焼却炉内における、流動層内に滞留する被燃焼物の状態量あるいは流動媒体の流動状態に対応する状態量を、上述したのと同様の方法で推定することもできる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更が可能である。

２０ ストーカ式焼却プラント
２１ ストーカ式焼却炉
２１ａ 乾燥帯
２１ｂ 燃焼帯
２１ｃ 後燃焼帯
２２ ごみクレーン
２３ ごみホッパ
２４ ごみ供給装置
２５ａ〜２５ｃ ごみ送り装置
２６ 一次燃焼空気ブロワ
２７ａ〜２７ｃ 一次燃焼空気調節ダンパ
２８ 二次燃焼空気ブロワ
２９ 二次燃焼空気調節ダンパ
３０ 廃熱ボイラ
３１ 排ガス浄化装置
３２ 煙突
３３ 排ガス再循環送風機
３４ 再循環排ガス量調節ダンパ
３５ 蒸気タービン発電機
３６ 炉内冷却水量調節バルブ
３７ 脱硝薬剤量調節バルブ
４１ 火炎位置検出装置
４２ 焼却炉出口排ガス温度計
４３ ボイラ出口排ガス酸素濃度計
４４ 煙突排ガス濃度計
４５ 蒸気流量計
４６ 投入被燃焼物重量計
５０ 燃焼制御装置
ａ 被処理物
ｂａ〜ｂｃ 一次燃焼空気
ｂｄ 二次燃焼空気
ｃ 主灰
ｄ 燃焼排ガス
ｆ 再循環排ガス
ｇ 蒸気
ｈ 炉内冷却水
ｉ 脱硝薬剤

Claims (9)

1. 被燃焼物を燃焼させる燃焼設備において、直接的に計測することが困難な１つ以上の状態量を推定する方法であって、
   前記１つ以上の状態量を目的変数とし、前記燃焼設備に設置された１つ以上の観測点において直接的に計測することが可能な１つ以上の観測量及び／又は前記１つ以上の観測量から演算によって求めることが可能な１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記目的変数を推定することを特徴とする燃焼設備の状態量推定方法。
2. 前記状態空間モデルを用いた前記目的変数の推定は、コンピュータのプロセッサによって、
   ｋ−１番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記状態量との関係を示す状態方程式を前記コンピュータのメモリに記憶させるステップと、
   ｋ番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量との関係を示す観測方程式を前記メモリに記憶させるステップと、
   前記メモリから前記状態方程式を読み出し、ｋ−１番目の時刻における前記状態量を前記状態方程式に適用してｋ番目の時刻における前記状態量の推定値を演算するステップと、
   前記メモリから前記観測方程式を読み出し、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を前記観測方程式に適用してｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量の予測値を演算するステップと、
   前記観測点において計測器を用いて前記観測量の実際の観測値を取得するステップと、
   前記観測量の前記予測値と前記観測値との差分を演算するステップと、
   ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を、前記差分に基づいて補正するステップと、
   を実行することによって行われることを特徴とする請求項１に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
3. 前記観測量の前記実際の観測値はｋ＋Ｎ番目の時刻において計測された値であり、前記差分はｋ＋Ｎ番目の時刻における前記予測値と前記観測値との差分であることを特徴とする請求項２に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
4. 前記Ｎは、前記燃焼設備における前記状態量の時間的変化と前記観測量の時間的変化との相関関係に応じた時間差を表すことを特徴とする請求項３に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
5. 前記状態量は、前記被燃焼物の状態量、触媒の状態量、及び流動媒体の流動状態に対応する状態量のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
6. 前記被燃焼物の状態量は、前記被燃焼物の低位発熱量、高位発熱量、水分含有量、可燃分含有量、灰分含有量、炭素含有量、水素含有量、窒素含有量、硫黄含有量、塩素含有量、水銀含有量、ごみ種別、及びごみ種別組成割合のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項５に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
7. 前記観測量及び前記演算量は、前記被燃焼物の重量、体積、密度、及び供給量、前記燃焼設備の内部温度、出口温度、内部圧力、供給空気量、供給水量、供給薬剤量、及び発生熱量、前記燃焼設備から排出される排ガスの流量、流速、密度、及び温度、前記排ガスに含まれる一酸化炭素濃度、二酸化炭素濃度、窒素酸化物濃度、硫黄酸化物濃度、塩化水素濃度、水分濃度、水銀濃度、ばいじん濃度、酸素濃度、及び窒素濃度、前記排ガスを冷却
   するボイラ設備の蒸気流量、蒸気圧力、蒸気温度、給水流量、及び保有水量、並びに前記排ガスに供給される薬剤量のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃焼設備の状態量推定方法。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の燃焼設備の状態量推定方法に従って推定された状態量に基づいて前記燃焼設備の燃焼制御を行うことを特徴とする燃焼設備の燃焼制御方法。
9. 被燃焼物を燃焼させる燃焼設備の燃焼制御を行う燃焼制御装置であって、
   前記燃焼制御装置は、前記燃焼設備において直接的に計測することが困難な１つ以上の状態量を目的変数とし、前記燃焼設備に設置された１つ以上の観測点において直接的に計測することが可能な１つ以上の観測量及び／又は前記１つ以上の観測量から演算によって求めることが可能な１つ以上の演算量を説明変数とした状態空間モデルを用いて、前記状態量を推定し、前記推定された状態量に基づいて前記燃焼設備の燃焼制御を行うように構成され、
   前記燃焼制御装置は、プロセッサ及びメモリを備え、
   前記メモリは、ｋ−１番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記状態量との関係を示す状態方程式と、ｋ番目の時刻における前記状態量とｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量との関係を示す観測方程式とを記憶し、
   前記プロセッサは、前記状態空間モデルを用いた前記状態量の推定を行うために、
   前記メモリから前記状態方程式を読み出し、ｋ−１番目の時刻における前記状態量を前記状態方程式に適用してｋ番目の時刻における前記状態量の推定値を演算するステップと、
   前記メモリから前記観測方程式を読み出し、ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を前記観測方程式に適用してｋ番目の時刻における前記観測量及び／又は前記演算量の予測値を演算するステップと、
   前記観測点において計測器を用いて前記観測量の実際の観測値を取得するステップと、
   前記観測量の前記予測値と前記観測値との差分を演算するステップと、
   ｋ番目の時刻における前記状態量の前記推定値を、前記差分に基づいて補正するステップと、
   を実行するように構成されることを特徴とする燃焼設備の燃焼制御装置。

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