JP2024031699A - 制御装置、制御方法、焼却炉設備および予測モデル作成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセス値の影響を軽減して制御を行う。【解決手段】制御装置（３）は、制御量に影響を及ぼす焼却炉設備（１００）における複数のプロセス値に基づいて制御時点での制御量の予測値を予測する予測部（３１）と、制御量を制御するための制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、制御量を入力値に基づいて制御する制御部（３２）と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、焼却炉設備における制御量を制御する制御装置等に関する。

廃棄物処理設備では、廃棄物が焼却炉で焼却されたことにより発生する排ガスを用いてボイラで蒸気を発生させ、発生した蒸気に過熱器による過熱と減温器による減温とを施して蒸気タービン発電装置などに供給することが行われる。このような廃棄物処理設備において、安定した蒸気の供給を行うために、蒸気温度などの制御量を所定値に制御する。

例えば、特許文献１には、主蒸気温度のフィードバックのＰＩＤ制御と併せて、ボイラ入熱量に基づくフィードフォワード制御を行うことが記載されている。

特開２００７－１８７３４０号公報

しかしながら、蒸気温度などの制御量は、ボイラ、過熱器、焼却炉などにおける各種のプロセス値の影響を受ける。このため、特許文献１に記載されているように、ボイラ入熱量と、２つの過熱器の出口側の主蒸気温度とを用いてフィードフォワード制御するのみでは、プロセス値の影響を軽減することができず、不十分である。

本発明の一態様は、プロセス値の影響を軽減して制御を行うことを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御装置は、焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる減温器とを備える焼却炉設備における制御量を制御する制御装置であって、前記制御量に影響を及ぼす前記焼却炉設備における複数のプロセス値に基づいて制御時点での前記制御量の予測値を予測する予測部と、前記制御量を制御するための前記制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記制御量を前記入力値に基づいて制御する制御部と、を備えている。

本発明の一態様によれば、プロセス値の影響を軽減して制御を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る焼却炉設備の構成を示す図である。 上記焼却炉設備における制御装置により制御量を制御する処理の手順を示すフローチャートである。 制御量の現在値と、上記制御装置の予測制御による１分後の制御量の予測値との比較を示すグラフである。 制御量の現在値と、上記制御装置の予測制御による２分後の制御量の予測値との比較を示すグラフである。 制御量の現在値と、上記制御装置の予測制御による３分後の制御量の予測値との比較を示すグラフである。

〔焼却炉設備〕
まず、本発明の各実施形態に共通する焼却炉設備について詳細に説明する。

〈焼却炉設備の概要〉
図１は、本発明の一実施形態に係る焼却炉設備１００の構成を示す図である。

図１に示すように、焼却炉設備１００は、焼却炉１と、蒸気発生装置２と、制御装置３とを備えている。

焼却炉１は、廃棄物を搬送しながら燃焼させるストーカ式の焼却炉である。焼却炉１は、その内部に形成される燃焼室において、廃棄物の燃焼と、廃棄物から発生した炭素および水素を主成分とした燃焼生成ガスの燃焼とが行われる。燃焼の結果として燃焼室から排出される排ガスは、排出経路１ａにて所定の排ガス処理が施され、蒸気発生装置２に導かれる。

蒸気発生装置２は、排ガスを熱源とするボイラ２１により蒸気を発生し、当該蒸気を過熱部２３により過熱するとともに、過熱された蒸気の温度を減温部２４により低下することで、適温の出口蒸気を生成する。出口蒸気は、発電、暖房などに利用される。

制御装置３は、焼却炉設備１００における制御対象の制御量を制御する装置である。制御装置３は、制御量に影響を及ぼす焼却炉設備１００における複数のプロセス値に基づいて制御時点での制御量の予測値を予測し、当該予測値に基づいて制御量を制御する。また、制御装置３は、制御量を目標値となるようにフィードバック制御する。制御装置３は、予測値に基づく予測値制御とフィードバック制御とを必要に応じて切り替えて行う。
において説明する。

〈焼却炉の詳細〉
焼却炉１は、ホッパ１１と、給塵装置１２と、火格子部１３と、空気供給装置１４と、空気予熱器１５と、空気供給管１６と、温度計１７，１８と、ダンパ１９ａ～１９ｃとを有している。

ホッパ１１は、クレーンなどによって廃棄物が投入される投入口である。給塵装置１２は、ホッパ１１から投入された廃棄物を火格子部１３に供給する。給塵装置１２が廃棄物を供給する速度を制御することにより、廃棄物の焼却量を調整することができる。

火格子部１３は、廃棄物を積載した状態で搬送し、廃棄物の乾燥および燃焼を行う。火格子部１３は、乾燥火格子１３１（火格子）と、燃焼火格子１３２（火格子）と、後燃焼火格子１３３（火格子）とを有している。

乾燥火格子１３１は、給塵装置１２から供給される廃棄物を乾燥させる火格子であり、最も高い位置に配置されている。燃焼火格子１３２は、燃焼火格子１３２の前段の乾燥火格子１３１より低い位置に設けられており、乾燥後の廃棄物を燃焼させる火格子である。後燃焼火格子１３３は、後燃焼火格子１３３の前段の燃焼火格子１３２より低い位置に設けられており、完全に燃焼していない廃棄物を完全に燃焼させる火格子である。乾燥火格子１３１、燃焼火格子１３２および後燃焼火格子１３３には、それぞれ乾燥および燃焼のための空気が下方より供給される。

空気供給装置１４は、火格子部１３に供給する燃焼用の空気を生成するための空気を空気予熱器１５に供給する装置である。空気供給装置１４は、ブロアなどにより構成される。

空気予熱器１５は、空気供給装置１４から供給される空気を加熱して排出する機器である。空気供給管１６は、空気予熱器１５から排出される加熱された空気を、乾燥火格子１３１、燃焼火格子１３２および後燃焼火格子１３３のそれぞれに供給するように分岐している。

温度計１７は、空気供給管１６を流れる空気の温度を計測する。温度計１７は、空気供給管１６の分岐部よりも上流側に配置されている。温度計１８は、火格子部１３の乾燥火格子１３１、燃焼火格子１３２および後燃焼火格子１３３のそれぞれの温度を計測する。温度計１８は、図１において、代表して１箇所に配置されるように描かれているが、乾燥火格子１３１、燃焼火格子１３２および後燃焼火格子１３３のそれぞれの上方に個別に配置されている。乾燥火格子１３１、燃焼火格子１３２および後燃焼火格子１３３のそれぞれに供給される燃焼空気の温度は、温度計１７，１８の計測温度に基づいて制御装置３によって制御される。

ダンパ１９ａは、空気供給管１６の乾燥火格子１３１に空気を供給する分岐部分に設けられており、乾燥火格子１３１に供給する空気の流量を調整する。ダンパ１９ｂは、空気供給管１６の燃焼火格子１３２に空気を供給する分岐部分に設けられており、燃焼火格子１３２に供給する空気の流量を調整する。ダンパ１９ｃは、空気供給管１６の後燃焼火格子１３３に空気を供給する分岐部分に設けられており、後燃焼火格子１３３に供給する空気の流量を調整する。

〈蒸気発生装置の詳細〉
蒸気発生装置２は、ボイラ２１と、給水弁２２と、過熱部２３と、減温部２４と、注水部２５と、温度計測系２６と、流量計測系２７と、圧力計２８と、酸素濃度計２９とを有している。

ボイラ２１は、焼却炉１からの排ガスを用いて蒸気を発生させる蒸気発生器である。ボイラ２１は、内部に貯留した水が排ガスによって加熱されることで飽和水蒸気を発生する。給水弁２２は、ボイラ２１に供給する水の量を調整する弁である。

過熱部２３は、ボイラ２１によって発生した蒸気を排ガスの熱によって過熱する。過熱部２３は、１次過熱器２３１（過熱器）と、２次過熱器２３２（過熱器）と、３次過熱器２３３（過熱器）とを有している。１次過熱器２３１は、ボイラ２１からの蒸気を過熱する。２次過熱器２３２は、１次過熱器２３１を経た蒸気を加熱する。３次過熱器２３３は、２次過熱器２３２を経た蒸気を加熱する。

１次過熱器２３１、２次過熱器２３２および３次過熱器２３３には、図示しない排ガス供給管を介して焼却炉１からの排ガスが供給されている。３次過熱器２３３には、焼却炉１の排ガス出口に最も近い位置で排ガスが供給され、２次過熱器２３２には、３次過熱器２３３に次いで排ガス出口に近い位置で排ガスが供給され、１次過熱器２３１には、排ガス出口から最も遠い位置で排ガスが供給される。これにより、過熱部２３に供給される排ガスの温度は、３次過熱器２３３で最も高く、２次過熱器２３２でそれに次いで高く、１次過熱器２３１で最も低い。

減温部２４は、１次過熱器２３１および２次過熱器２３２によって過熱された蒸気の温度を低減する。減温部２４は、１次減温器２４１と、２次減温器２４２とを有している。１次減温器２４１は、１次過熱器２３１によって過熱された蒸気の温度を注入される水によって低減する。２次減温器２４２は、２次過熱器２３２によって過熱された蒸気の温度を注入される水によって低減する。

注水部２５は、減温部２４の１次減温器２４１および２次減温器２４２にそれぞれ注水を行う。注水部２５は、１次注水弁２５１（注水弁）と、２次注水弁２５２（注水弁）とを有している。１次注水弁２５１は、スプレー注水により１次減温器２４１への冷却水の注入量を調整する注水弁である。２次注水弁２５２は、スプレー注水により２次減温器２４２への冷却水の注入量を調整する注水弁である。１次注水弁２５１および２次注水弁２５２は、制御装置３によって開度が制御される制御弁である。

温度計測系２６は、蒸気発生装置２における各所の温度を計測する。温度計測系２６は、複数の温度計２６１～２６８を有している。温度計２６１は、給水弁２２に供給される水の温度を計測する。温度計２６２は、ボイラ２１の出口付近に供給される排ガスの温度を計測する。温度計２６３は、ボイラ２１から排出される蒸気である主蒸気の温度を計測する。温度計２６４は、１次過熱器２３１の出口における蒸気の温度を計測する。温度計２６５は、１次減温器２４１の出口、すなわち２次過熱器２３２の入口における蒸気の温度を計測する。温度計２６６は、２次過熱器２３２の出口における蒸気の温度を計測する。温度計２６７は、２次減温器２４２の出口、すなわち３次過熱器２３３の入口における蒸気の温度を計測する。温度計２６８は、３次過熱器２３３の出口、すなわち蒸気発生装置２の出口における蒸気（出口蒸気）の温度を計測する。

流量計測系２７は、蒸気発生装置２において流れる流体の流量を計測する。流量計測系２７は、流量計２７１，２７２を有している。流量計２７１は、給水弁２２に供給される水の流量を計測する。流量計２７２は、焼却炉１において排ガスを排出する排出部１ｂ付近を流れる排ガスの流量を計測する。

圧力計２８は、出口蒸気の圧力を計測する。酸素濃度計２９は、排出部１ｂ付近を流れる排ガスの酸素濃度を計測する。

〈制御装置の詳細〉
制御装置３は、予測部３１と、制御部３２と、切替部３３とを有している。なお、以降に説明する例では、制御対象を２次注水弁２５２とし、制御量を３次過熱器２３３の出口蒸気の温度（出口蒸気）としている。また、切替部３３は、第１制御部３２１および制御対象（２次注水弁２５２）の接続と、第２制御部３２２および制御対象の接続とを切り替えるスイッチのような切替器である。

予測部３１は、焼却炉設備１００において上述した制御対象の制御量に影響を及ぼす複数のプロセス値に基づいて制御時点での制御量の予測値を予測する。予測部３１は、予測モデル作成装置４によって作成された予測モデルに基づいて上記の予測を行う。予測モデルとしては、例えば、制御量を目的変数として用いるとともに、複数のプロセス値を説明変数として用いた重回帰分析により作成されたモデルが用いられる。

予測部３１は、以下の（１）～（４）のように構成されていてもよい。

（１）予測部３１は、予測値として、制御量の現在から第１所定時間後までの変化量を予測する。

（２）予測部３１は、制御量の現在から第１所定時間後の値と制御量の現在値との差を目的変数とし、プロセス値を説明変数とする予測モデルに基づいて制御量を予測する。この場合、第１所定時間は、制御の遅れ要素に基づく遅延時間である。

（３）説明変数は、プロセス値の現在値とプロセス値の現在から第２所定時間前の値との差である。

（４）目的変数は、前記蒸気温度の現在から前記第１所定時間後の値と前記蒸気温度の現在値との差である。この場合の制御量は、出口蒸気の温度である。

制御部３２は、制御量を制御するために、第１制御部３２１と、第２制御部３２２と、切替制御部３２３とを有している。

第１制御部３２１は、制御量を制御するために制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を予測値に基づいて算出し、制御量を入力値に基づいて制御する。具体的には、第１制御部３２１は、２次注水弁２５２の開度（％）を入力値として２次注水弁２５２の注水量を制御することにより、制御量としての３次過熱器２３３の出口蒸気温度を制御する。このため、予測部３１、第１制御部３２１、切替部３３および２次注水弁２５２は、予測値に基づいた制御量の制御を行う予測制御系統ＰＣＳを構成している。制御対象および制御量が異なれば、それに応じて予測制御系統ＰＣＳの構成も異なるのは勿論である。

第２制御部３２２は、制御量が目標値に一致するように制御量を制御するフィードバック制御を行う。具体的には、第２制御部３２２は、目標値に対する制御量（出口蒸気温度）の偏差が０になるように２次注水弁２５２の開度を制御する。このため、第２制御部３２２、切替部３３、２次注水弁２５２および温度計２６８は、フィードバック制御により制御量を制御するフィードバック制御系統ＦＢＣＳを構成している。制御対象および制御量が異なれば、それに応じてフィードバック制御系統ＦＢＣＳの構成も異なるのは勿論である。

切替制御部３２３は、制御部３２が第１制御部３２１による予測制御系統ＰＣＳを用いて制御を行っている場合、予測値に対する制御量の現在値の偏差が所定値を超えるときに、フィードバック制御系統ＦＢＣＳに切り替えるように切替部３３の切替動作を制御する。また、切替制御部３２３は、制御部３２がフィードバック制御系統ＦＢＣＳを用いて制御を行っている場合、上記の偏差を監視しており、当該偏差が上記の所定値以下となるときに、予測制御系統ＰＣＳに切り替えるように切替部３３の切替動作を制御する。

〈予測モデル作成装置〉
予測モデル作成装置４は、制御装置３の予測部３１が予測値を予測するための予測モデルを作成する装置であり、コンピュータによって構成されている。予測モデル作成装置４は、計測されたプロセス値を入力データとし、計測された制御量を出力データとして機械学習を行うことにより予測モデルを作成する。予測モデル作成装置４は、予測モデルを作成するために、重み決定部４１を備えている。

重み決定部４１は、入力データを用いて予測される予測値の出力データに対する偏差を最小にする予測モデルの重みを決定する。重みは、例えば、重回帰分析の回帰式を予測モデルとする場合、回帰式における回帰係数に相当する。また、重み決定部４１は、重みとともに回帰式における切片も決定する。予測モデル作成装置４は、このような重み決定部４１を備えることにより、予測精度の高い予測モデルを作成することができる。

重み決定部４１は、他の機械学習の手法、例えばディープラーニングを用いて重みを決定してもよい。他の機械学習の手法としては、Extreme Learning Machine（ＥＬＭ）、Support Vector Regression（ＳＶＲ）などが適用可能である。

また、予測モデル作成装置４は時間設定部４２を備えている。時間設定部４２は、プロセス値のそれぞれについて予測モデルの精度が最も高くなるようにパラメータスタディによって第２所定時間を設定する。説明変数は、プロセス値の現在値とプロセス値の現在から第２所定時間前の値との差である。

予測モデル作成装置４が例えば以下のような重回帰分析の予測モデルを作成る場合、時間設定部４２は、説明変数Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３について同じ差分の幅、すなわち第２所定時間を以下の手順Ａ～Ｄにしたがって決定する。ここで、「ｎｏｗ」は現在値を表し、「ｂｅｆｏｒｅ」は現在より前の値を表す。

Ｙ＝ａ０
＋ａ１＊（Ｘ１＿ｎｏｗ－Ｘ１＿ｂｅｆｏｒｅ）
＋ａ２＊（Ｘ２＿ｎｏｗ－Ｘ２＿ｂｅｆｏｒｅ）
＋ａ３＊（Ｘ３＿ｎｏｗ－Ｘ３＿ｂｅｆｏｒｅ）
（手順Ａ）説明変数Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３について同じ差分の幅で精度が良くなる差分の幅を決定する。

（ケースＡ１）
Ｘ１：１ｍｉｎ，Ｘ２：１ｍｉｎ，Ｘ３：１ｍｉｎ
（ケースＡ２）
Ｘ１：２ｍｉｎ，Ｘ２：２ｍｉｎ，Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＡ３）
Ｘ１：３ｍｉｎ，Ｘ２：３ｍｉｎ，Ｘ３：３ｍｉｎ
ここで、ケースＡ２が最良であるとする。

（手順Ｂ）説明変数Ｘ２，Ｘ３のそれぞれの差分の幅については、手順Ａで決定した幅で固定して、説明変数Ｘ１の差分の幅を検討する。

（ケースＢ１）
Ｘ１：１ｍｉｎ，Ｘ２：２ｍｉｎ，Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＢ２）
Ｘ１：２ｍｉｎ，Ｘ２：２ｍｉｎ，Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＢ３）
Ｘ１：３ｍｉｎ，Ｘ２：２ｍｉｎ，Ｘ３：２ｍｉｎ
ここで、ケースＢ１が最良であるとする。

（手順Ｃ）説明変数Ｘ１の差分の幅を手順Ｂで決定した幅で固定し、説明変数Ｘ３の差分の幅を手順Ａで決定した幅で固定して、説明変数Ｘ２の差分の幅を検討する。

（ケースＣ１）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：１ｍｉｎ、Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＣ２）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：２ｍｉｎ、Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＣ３）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：３ｍｉｎ、Ｘ３：２ｍｉｎ
ここで、ケースＣ３が最良であるとする。

（手順Ｄ）説明変数Ｘ１の差分の幅を手順Ｂで決定した幅で固定し、説明変数Ｘ２の差分の幅を手順Ｃで決定した幅で固定して、説明変数Ｘ３の差分の幅を検討する。

（ケースＤ１）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：３ｍｉｎ、Ｘ３：１ｍｉｎ
（ケースＤ２）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：３ｍｉｎ、Ｘ３：２ｍｉｎ
（ケースＤ３）
Ｘ１：１ｍｉｎ、Ｘ２：３ｍｉｎ、Ｘ３：３ｍｉｎ
ここで、ケースＤ２が最良であるとする。

以上より、ケースＤ２が最も高精度な予測となる。説明変数の数が増えた場合には、手順Ｂ～Ｄと同じ操作を繰り返す。

予測モデル作成装置４は時間設定部４２を備えることにより、予測モデルを用いた予測部による予測の精度を向上させることができる。

〈制御動作の概要〉
制御装置３による制御量の動作の概要（制御方法）について説明する。図２は、制御装置３により制御量を制御する処理の手順を示すフローチャートである。

図２に示すように、制御装置３は、起動すると、切替部３３が切替制御部３２３に制御されることよって第１制御部３２１への接続に切り替えることで、予測制御系統ＰＣＳをセットする（ステップＳ１）。

次いで、予測部３１は、焼却炉設備１００における各所からプロセス値を取得する（ステップＳ２）。予測部３１は、予測モデル作成装置４によって作成された予測モデルを用いて、取得したプロセス値に基づいて予測値を予測する（ステップＳ３，予測工程）。

制御部３２の第１制御部３２１は、予測部３１によって予測された予測値に基づいて、制御対象に与える入力値を算出する（ステップＳ４，制御工程）。第１制御部３２１は、算出した入力値を制御対象に与えることによって、入力値に基づく制御量の制御を行う（ステップＳ５，制御工程）。

切替制御部３２３は、予測値に対する制御量の現在値の偏差（絶対値）を監視しており、当該偏差が所定値を超えたか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６において、切替制御部３２３により当該偏差が所定値を超えたと判定されると（ＹＥＳ）、切替部３３は、予測制御系統ＰＣＳからフィードバック制御系統ＦＢＣＳに切り替える（ステップＳ７）。この切り替えにおいて、切替部３３は、切替制御部３２３の制御により、制御対象との接続を第１制御部３２１から第２制御部３２２に切り替える。そして、第２制御部３２２は、フィードバック制御系統ＦＢＣＳにより制御量を制御して（ステップＳ８）、処理をステップＳ６に戻す。

このように、予測制御系統ＰＣＳによる制御で制御量が過大に変化して上記の偏差が所定値を超えた場合に、フィードバック制御系統ＦＢＣＳによる制御に切り替えることで、制御量を小さくすることができる。

ステップＳ６において、切替制御部３２３により上記の偏差が所定値を超えていないと判定されると（ＮＯ）、切替制御部３２３は、切替部３３が第１制御部３２１に接続されているか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９において、切替制御部３２３は、切替部３３が第１制御部３２１に接続されていると判定されると（ＹＥＳ）、処理をステップＳ２に戻す。また、ステップＳ９において、切替制御部３２３は、切替部３３が第１制御部３２１に接続されていないと判定されると（ＮＯ）、切替部３３をフィードバック制御系統ＦＢＣＳから予測制御系統ＰＣＳに切り替えて（ステップＳ１０）、処理をステップＳ２に戻す。

プロセス値に対する制御量の変動が少なければ、フィードバック制御系統ＦＢＣＳによる制御は有効に機能する。しかしながら、フィードバック制御では、目標値に対する制御量の現在値の偏差をなくすように制御が行われるので、制御が目標値の変化に即時に追従できずに遅れを生じると、偏差の解消が困難になり、ハンチングやオーバーシュートが発生しやすくなる。

これに対し、予測制御系統ＰＣＳによる予測値に基づく制御では、偏差の拡大を予測して、まだ小さい偏差の兆しがある程度の時点で予測値を用いて制御量を制御する。これにより、偏差を小さく制御することができる。

〈制御動作の詳細〉
制御装置３の制御動作について詳細に説明する。ここでは、蒸気発生装置２の出口蒸気すなわち３次過熱器２３３の出口蒸気の温度を制御量として制御する例について説明する。

予測モデル作成装置４によって作成された予測モデルは、重回帰分析の回帰式である。回帰式において、目的変数は３次過熱器２３３の出口蒸気の温度（以降、単に「出口蒸気温度」と称する）であり、プロセス値すなわち説明変数として、焼却炉１の排出部１ｂにおける排ガスの流量（流量計２７２の計測値）、排ガスの温度などが用いられる。

予測部３１は、取得したプロセス値を説明変数として予測モデルとしての上記の回帰式に適用することにより、出口蒸気温度の予測値を算出して予測する。制御部３２における第１制御部３２１は、当該予測値に基づいて２次注水弁２５２の開度を入力値として算出する。

第１制御部３２１は、簡易的には、例えば、ある値の出口蒸気温度を予測値として直接予測した場合、出口蒸気温度の現在値と予測値との差分を算出し、差分と開度とを対応付けたテーブルなどで、算出した差分に対応する開度の値を出力する。あるいは、第１制御部３２１は、制御量の現在値と予測値との偏差に基づいてＰＩＤ制御を行うことにより、入力値を算出する。具体的には、出口蒸気温度の現在値と予測値との偏差に主にＰ（比例）制御を適用し、必要に応じてＩ（積分）制御やＤ（微分）制御を適用して、入力値を算出する。このように、ＰＩＤ制御に基づく入力値の算出は、上記の簡易的な入力値の算出と比べて、様々な外乱の影響を反映させやすい点で有利である。

第１制御部３２１は、上記のようにして算出した入力値を２次注水弁２５２に与える。これにより、２次注水弁２５２は、入力値として与えられた開度を増減するように弁を駆動する。この結果、変更された２次注水弁２５２の開度に応じて３次過熱器２３３への給水量が増減するので、それに応じて出口蒸気温度が変化する。

このように、予測値に基づく制御では、出口蒸気温度に影響を及ぼす複数のプロセス値に基づいて予測された予測値に基づいて制御が行われる。これにより、プロセス値の影響を軽減して出口蒸気温度の制御を行うことができる。

ここで、予測部３１が上述した（１）～（４）のように構成される場合、それぞれ以下のような効果が得られる。

（１）予測部３１が、予測値として、制御量の現在から第１所定時間後までの変化量を予測することにより、制御量の現在値に予測した変化量を加算することにより、制御量の現在から第１所定時間後の予測値を求めることができる。これにより、現在値を基準とした第１所定時間後の変化量を予測する。したがって、第１所定時間を短く設定することで、制御の精度をより高めることができる。

ここで、第１所定時間をそれぞれ１分、２分、３分に設定することにより、出口蒸気温度の現在値と予測値とを比較した結果について説明する。図３は、出口蒸気温度（制御量）の現在値と１分後の出口蒸気温度の予測値との比較を示すグラフである。図４は、出口蒸気温度の現在値と２分後の出口蒸気温度の予測値との比較を示すグラフである。図５は、出口蒸気温度の現在値と、３分後の出口蒸気温度の予測値との比較を示すグラフである。

図３から図５に示すように、１分後、２分後、３分後のそれぞれの予測値（破線）は、出口蒸気温度の現在値（実線）に対して左側にわずかにオフセットしている。このように、予測値に基づいて出口蒸気温度を制御することに問題なく利用できることがわかる。その結果、現在値と予測値との偏差が、従来のフィードバック制御による現在値と目標値との偏差と比べて改善されていることが確認された。

また、１分後の予測値では、最も小さい現在値と予測値の偏差が得られ、２分後の予測値では、２番目に小さい偏差が得られ、３分後の予測値では、最も大きい偏差が得られた。これにより、現在値に近い未来の予測値ほど予測精度が高くなると言える。

（２）予測部３１が、制御量の現在から第１所定時間後の値と制御量の現在値との差を目的変数とし、プロセス値を説明変数とする予測モデルに基づいて制御量を予測することにより、遅延時間が考慮された目的変数を用いた予測モデルにより予測値が得られる。遅延時間としては、計測器による計測の遅れなどの遅延要素を総合すると１分から１分半程度の時間差が生じる。このような時間差を考慮すれば、第１所定時間は２分程度に設定することが好ましい。このように、遅延時間が制御に反映されることにより、制御量をより精度高く制御することができる。

（３）説明変数が、プロセス値の現在値とプロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であることにより、焼却炉設備の規模、特性などに応じて、上記の差をとる時間幅を設定する。例えば、このような時間幅を、各説明変数について、焼却炉設備において最も精度が高く制御できる時間幅に設定する。これにより、各焼却炉設備に適した、より精度の高い制御を行うことができる。

（４）目的変数が、出口蒸気温度の現在から第１所定時間後の値と出口蒸気温度の現在値との差であることにより、遅延時間が考慮された目的変数を用いて重回帰分析により予測値が得られる。これにより、出口蒸気温度をより精度高く制御することができる。

また、第１制御部３２１は、予測部３１が上記の（３）のように構成される場合、２次注水弁２５２に与える入力値を予測値に基づいて算出し、当該入力値に基づいて２次注水弁２５２の開度を制御する。第１制御部３２１は、出口蒸気温度の現在から第１所定時間後の値と出口蒸気温度の現在値との差に応じた開度の制御を細かい複数の段階で行うステップ制御により行う。第１制御部３２１は、例えば、上記の差が＋３℃であれば、開度を３％増大するように制御する。

従来、このような制御は、フィードバック制御において行われていたが、本実施形態では、予測値に基づく制御に適用される。これにより、第１所定時間で設定される近い未来における出口蒸気温度を予測値に基づいて補正することにより、出口蒸気温度の制御の精度を高めることができる。したがって、出口蒸気温度の制御の安定性を向上することができる。

制御量として出口蒸気温度を制御する例としては、２次注水弁２５２の開度を制御する以外に、焼却炉１の焼却量、蒸気と低温熱源との熱交換量、ボイラ２１の蒸気を通す配管の温度などであってもよい。焼却炉１の焼却量は、上述したように、給塵装置１２が廃棄物を供給する速度を制御することにより、廃棄物の焼却量を調整することができる。また、蒸気と低温熱源との熱交換量は、ボイラ２１の蒸気と空気、水などの低温熱源との熱交換を、蒸気を通す配管などにおいて行う熱交換器の熱交換量である。また、蒸気を通す配管の温度は、例えばペルチェ素子（温度調整器）によって冷却する一方、例えばヒータ（温度調整器）によって加熱することができる。したがって、これらの温度調整器の設定温度を制御すればよい。

なお、本実施形態では、上述したように、制御量として出口蒸気温度を制御する例を記載したが、本実施形態により制御される制御量はこれに限らず、例えば、蒸気量や排ガス値（ＮＯｘ値）であってもよい。蒸気量を目的変数として制御する場合、説明変数としては、蒸気量（ＰＶ，ＭＶ）、排ガス流量、排ガス温度、焼却炉１内の温度、ボイラ２１への給水量などが挙げられる。また、排ガス値を目的変数として制御する場合、説明変数としては、ＮＯｘ（ＰＶ，ＭＶ）、焼却炉１内の温度、排ガスの酸素濃度などが挙げられる。

また、第１制御部３２１は、予測部３１が上記の（３）のように構成される場合、上述した出口蒸気温度の予測値に基づいて、火格子部１３に供給される燃焼空気の温度（以降、燃焼空気温度と称する）を制御してもよい。具体的には、制御量は出口蒸気温度であり、第１制御部３２１は、予測部３１によって予測される出口蒸気温度の予測値に基づいて、焼却炉１内の空気予熱器１５に与える入力値を算出し、当該入力値に基づいて空気予熱器１５の温度を制御する。

このように、出口蒸気温度の予測値の変動を燃焼空気温度の変動に結び付けて燃焼空気温度を制御することにより、焼却炉１内の燃焼温度や排ガス流量を安定させることができる。その結果として、出口蒸気温度を安定させることができる。

なお、第１制御部３２１は、温度計１８によって計測される火格子部１３の温度、特に乾燥火格子１３１の温度が２５０℃以上である場合、燃焼空気の温度が２０℃の一定値となるように制御してもよい。これにより、火格子部１３の損傷を低減することができる。

なお、本実施形態における蒸気発生装置２は、１次過熱器２３１、２次過熱器２３２および３次過熱器２３３を有する３段の過熱構成であるが、２段の過熱構成であっても、本発明を適用できる。

〔ＳＤＧsへの貢献〕
上述の実施形態の構成によれば、焼却炉設備１００の効率的な運営が可能になる。したがって、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「産業と技術革新の基盤をつくろう（インフラ、システム整備等）」の達成に貢献できる。

〔ソフトウェアによる実現例〕
制御装置３および予測モデル作成装置４（以下、「装置」と呼ぶ）の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロックとしてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つのプロセッサと少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。このプロセッサおよび記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記実施形態で説明した各機能が実現される。

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

また、上記実施形態で説明した各処理は、ＡＩ（Artificial Intelligence：人工知能）に実行させてもよい。この場合、ＡＩは上記制御装置で動作するものであってもよいし、他の装置（例えばエッジコンピュータまたはクラウドサーバ等）で動作するものであってもよい。

〔まとめ〕
以上のように、本発明の態様１に係る制御装置は、焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、前段の前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる減温器とを備える焼却炉設備における制御量を制御する制御装置であって、前記制御量に影響を及ぼす前記焼却炉設備における複数のプロセス値に基づいて制御時点での前記制御量の予測値を予測する予測部と、前記制御量を制御するための前記制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記制御量を前記入力値に基づいて制御する制御部と、を備えている。

上記構成によれば、制御量に影響を及ぼす複数のプロセス値に基づいて予測された予測値に基づいて制御が行われる。これにより、プロセス値の影響を軽減して制御量の制御を行うことができる。

本発明の態様２に係る制御装置は、上記態様１において、前記予測部が、前記予測値として、前記制御量の現在から第１所定時間後までの変化量を予測してもよい。

上記構成によれば、現在値を基準とした第１所定時間後の変化量を予測するので、第１所定時間を短く設定することで、制御の精度をより高めることができる。

本発明の態様３に係る制御装置は、上記態様２において、前記第１所定時間が、制御の遅れ要素に基づく遅延時間であり、前記予測部が、前記制御量の現在から前記第１所定時間後の値と前記制御量の現在値との差を目的変数とし、前記プロセス値を説明変数とする予測モデルに基づいて前記制御量を予測してもよい。

上記構成によれば、遅延時間が考慮された目的変数を用いた予測モデルにより予測値が得られる。これにより、制御量をより精度高く制御することができる。

本発明の態様４に係る制御装置は、上記態様３において、前記説明変数が、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であってもよい。

上記の構成によれば、焼却炉設備の規模、特性などに応じて、説明変数においてプロセス値の差をとる時間幅を設定することにより、各焼却炉設備に適した、より精度の高い制御を行うことができる。

本発明の態様５に係る制御装置は、上記態様３において、前記目的変数が、前記蒸気温度の現在から前記第１所定時間後の値と前記蒸気温度の現在値との差であってもよい。

上記構成によれば、遅延時間が考慮された目的変数を用いて予測モデルにより予測値が得られる。これにより、蒸気温度をより精度高く制御することができる。

本発明の態様６に係る制御装置は、上記態様５において、前記説明変数が、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であってもよい。

上記の構成によれば、焼却炉設備の規模、特性などに応じて、説明変数においてプロセス値の差をとる時間幅を設定することにより、各焼却炉設備に適した、より精度の高い制御を行うことができる。

本発明の態様７に係る制御装置は、上記態様３において、前記制御量が、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、前記制御部が、前記減温器への冷却水の注入量を調整する注水弁に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記注水弁の開度を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御してもよい。

本発明の態様８に係る制御装置は、上記態様３において、前記制御量が、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、前記制御部が、前記焼却炉における廃棄物の焼却量を調整する給塵装置に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記給塵装置が廃棄物を供給する速度を、前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御してもよい。

本発明の態様９に係る制御装置は、上記態様３において、前記制御量が、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、前記制御部が、前記ボイラの蒸気と低温熱源により熱交換する熱交換器の熱交換量を調整する前記熱交換器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記熱交換量を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御してもよい。

本発明の態様１０に係る制御装置は、上記態様３において、前記制御量が、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、前記制御部が、前記ボイラの蒸気を通す配管の温度を調整する温度調整器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記温度調整器の設定温度を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御してもよい。

上記の態様７～１０の構成によれば、過熱器の出口における蒸気温度の制御の精度を高めることができる。

本発明の態様１１に係る制御装置は、上記態様３において、前記焼却炉が、火格子と、当該火格子に供給する燃焼空気の温度を調整する空気予熱器とを有し、前記制御量が、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、前記制御部が、前記空気予熱器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記入力値に基づいて前記空気予熱器の温度を制御してもよい。

上記の構成によれば、過熱器の出口の蒸気温度の予測値の変動を燃焼空気温度の変動に結び付けて燃焼空気温度を制御することにより、焼却炉内の燃焼温度や排ガス流量を安定させることができる。その結果として、出口蒸気温度を安定させることができる。

本発明の態様１２に係る制御装置は、上記態様１から１１のいずれかにおいて、前記制御部が、前記予測値に基づいた前記制御量の制御を行う予測制御系統を用いて制御を行っている場合、前記予測値に対する前記制御量の現在値の偏差が所定値を超えるときに、前記制御量が目標値に一致するように前記制御量を制御するフィードバック制御系統に切り替えて制御を行ってもよい。

上記の構成によれば、予測制御系統による制御で制御量が過大に変化した場合に、フィードバック制御系統による制御で制御量を小さくすることができる。

本発明の態様１３に係る焼却炉設備は、上記態様１から８のいずれかに記載の制御装置と、焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる前記減温器と、を備えている。

本発明の態様１４に係る予測モデル作成装置は、上記態様３から１１のいずれかに記載の制御装置に用いられる前記予測モデルを作成する予測モデル作成装置であって、計測された前記プロセス値を入力データとし、計測された前記制御量を出力データとして、前記入力データを用いて予測される前記予測値の前記出力データに対する偏差を最小にする前記予測モデルの重みを学習により決定する重み決定部を備えている。

上記の構成によれば、予測精度の高い予測モデルを作成することができる。

本発明の態様１５に係る予測モデル作成装置は、上記態様１４において、前記説明変数が、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であり、前記予測モデル作成装置が、プロセス値のそれぞれについて前記予測モデルの精度が最も高くなるように前記第２所定時間を設定する時間設定部をさらに備えていてもよい。

上記の構成によれば、予測モデルを用いた予測部による予測の精度を向上させることができる。

本発明の態様１６に係る制御方法は、焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する少なくとも２つの過熱器と、隣り合う２つの前記過熱器の間で前段の前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる減温器とを備える焼却炉設備における制御対象の制御量を制御する制御方法であって、前記制御量に影響を及ぼす前記焼却炉設備における複数のプロセス値に基づいて制御時点での前記制御量の予測値を予測する予測工程と、前記制御量を制御するために前記制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記制御量を前記入力値に基づいて制御する制御工程と、を含んでいる。

これにより、態様１に係る制御装置と同じく、プロセス値の影響を軽減して制御量の制御を行うことができる。

〔付記事項〕
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。また、実施形態にそれぞれ開示された異なる技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 焼却炉
３ 制御装置
４ 予測モデル作成装置
３１ 予測部
４１ 重み決定部
４２ 時間設定部
１００ 焼却炉設備
１３１ 乾燥火格子（火格子）
１３２ 燃焼火格子（火格子）
１３３ 後燃焼火格子（火格子）
２４１ １次減温器（減温器）
２４２ ２次減温器（減温器）
２３１ １次過熱器（過熱器）
２３２ ２次過熱器（過熱器）
２３３ ３次過熱器（過熱器）
２５１ １次注水弁（注水弁）
２５２ ２次注水弁（注水弁）
ＰＣＳ 予測制御系統
ＦＢＣＳ フィードバック制御系統

Claims (16)

1. 焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる減温器とを備える焼却炉設備における制御量を制御する制御装置であって、
   前記制御量に影響を及ぼす前記焼却炉設備における複数のプロセス値に基づいて制御時点での前記制御量の予測値を予測する予測部と、
   前記制御量を制御するための制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記制御量を前記入力値に基づいて制御する制御部と、を備えていることを特徴とする制御装置。
2. 前記予測部は、前記予測値として、前記制御量の現在から第１所定時間後までの変化量を予測することを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記第１所定時間は、制御の遅れ要素に基づく遅延時間であり、
   前記予測部は、前記制御量の現在から前記第１所定時間後の値と前記制御量の現在値との差を目的変数とし、前記プロセス値を説明変数とする予測モデルに基づいて前記制御量を予測することを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記説明変数は、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
5. 前記制御量は前記過熱器の出口における蒸気温度であり、
   前記目的変数は、前記蒸気温度の現在から前記第１所定時間後の値と前記蒸気温度の現在値との差であることを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
6. 前記説明変数は、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であることを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
7. 前記制御量は、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、
   前記制御部は、前記減温器への冷却水の注入量を調整する注水弁に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記注水弁の開度を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
8. 前記制御量は、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、
   前記制御部は、前記焼却炉における廃棄物の焼却量を調整する給塵装置に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記給塵装置が廃棄物を供給する速度を、前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
9. 前記制御量は、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、
   前記制御部は、前記ボイラの蒸気と低温熱源により熱交換する熱交換器の熱交換量を調整する前記熱交換器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記熱交換量を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
10. 前記制御量は、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、
    前記制御部は、前記ボイラの蒸気を通す配管の温度を調整する温度調整器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記温度調整器の設定温度を前記入力値に基づいて前記蒸気温度についての前記差に応じた複数の段階で制御することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
11. 前記焼却炉は、火格子と、当該火格子に供給する燃焼空気の温度を調整する空気予熱器とを有し、
    前記制御量は、前記過熱器の出口の蒸気温度であり、
    前記制御部は、前記空気予熱器に与える前記入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記入力値に基づいて前記空気予熱器の温度を制御することを特徴とする請求項３に記載の制御装置。
12. 前記制御部は、前記予測値に基づいた前記制御量の制御を行う予測制御系統を用いて制御を行っている場合、前記予測値に対する前記制御量の現在値の偏差が所定値を超えるときに、前記制御量が目標値に一致するように前記制御量を制御するフィードバック制御系統に切り替えて制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の制御装置と、
    焼却炉と、
    前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、
    前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、
    前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる前記減温器と、を備えていることを特徴とする焼却炉設備。
14. 請求項３から１１のいずれか１項に記載の制御装置に用いられる前記予測モデルを作成する予測モデル作成装置であって、
    計測された前記プロセス値を入力データとし、計測された前記制御量を出力データとして、前記入力データを用いて予測される前記予測値の前記出力データに対する偏差を最小にする前記予測モデルの重みを学習により決定する重み決定部を備えていることを特徴とする予測モデル作成装置。
15. 前記説明変数は、前記プロセス値の現在値と前記プロセス値の現在から第２所定時間前の値との差であり、
    前記予測モデル作成装置は、プロセス値のそれぞれについて前記予測モデルの精度が最も高くなるように前記第２所定時間を設定する時間設定部をさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の予測モデル作成装置。
16. 焼却炉と、前記焼却炉からの排ガスを用いて蒸気を発生させるボイラと、前記ボイラにより発生した蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器により過熱された蒸気の温度を低下させる減温器とを備える焼却炉設備における制御量を制御する制御方法であって、
    前記制御量に影響を及ぼす前記焼却炉設備における複数のプロセス値に基づいて制御時点での前記制御量の予測値を予測する予測工程と、
    前記制御量を制御するための制御対象に与える入力の大きさを示す入力値を前記予測値に基づいて算出し、前記制御量を前記入力値に基づいて制御する制御工程と、を含んでいることを特徴とする制御方法。

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