JP4156575B2 - 熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラムに関するものである。特に、未来の挙動を予測しながら熱分解ガス化溶融処理プラントを制御する熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラムに関する。

近年、都市ごみなどの廃棄物の発熱量は増加の一途をたどり、最終処分地容量の逼迫や二次公害（地下水汚染）の問題、法規制の強化などの関係から、廃棄物の溶融による減容化、固定化が進められている。さらに、ダイオキシン類などの微量汚染物質の抑制など、廃棄物処理に要求される課題が多い。このような状況において、廃棄物を還元雰囲気で熱分解ガス化し、発生した可燃ガスを高温で燃焼し、焼却残渣を溶融する熱分解ガス化溶融処理プラントが注目されている。この熱分解ガス化溶融処理プラントには、給塵機により廃棄物を投入して底部に流動粒子を備えた流動層内で熱分解する流動床ガス化炉と、この流動床ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼して灰分を溶融する溶融炉とを有しているものがある。

熱分解ガス化溶融処理プラントには、以下のような特徴がある。
１．廃棄物の持つエネルギーを利用して灰の溶融を可能にし、焼却残渣の減容化、再資源化が可能となる。
２．低温熱分解により有価金属を回収することが可能となる。
３．低空気比が可能なことから、装置をコンパクトにすることが可能となる。
４．溶融炉での高温燃焼により、ダイオキシン類などの微量有害物質の抑制が可能となる。

熱分解ガス化溶融処理プラントの主な操作量としては、例えば、廃棄物を投入する量である給塵量（例えば、給塵機速度）やガス化溶融炉の流動床に空気を送り込む量である押込空気量が挙げられる。従来の技術においては、これらの操作量の操作はオペレータの手動操作で行われるか、単独の制御ループを組み合わせて行われることが基本となっていた。また、熱分解ガス化溶融処理プラントの後段に廃熱ボイラを設置し、熱回収を図るプラントにおいては、従来から、ボイラ出力側の蒸気弁の開度を調整し、ボイラドラム圧力を自動制御により一定にしていた。そして、これらの方法によって、流動床ガス化炉の流動床や熱分解ガス化溶融処理プラントの出口付近の温度、溶融炉の温度、あるいはボイラからの蒸気流量などを安定にすることが考えられていた。しかし、熱分解ガス化溶融処理プラントは、流動床が還元雰囲気に保たれており、熱分解ガス化反応は給塵量と押込空気量の微妙なバランスの上に成り立っているため、酸化雰囲気でごみを燃焼させる流動床焼却炉に比べて、操作の難しい制御対象である。さらに、安定してガス化を促進するには、底部に備えられた流動粒子の砂層温度（即ち、流動床の温度）を適切範囲に保つ必要があり、操作入力の上下限制約も守る必要がある。したがって、従来の単純なフィードバック制御の組み合わせでは、実現できる性能に限界があった。

そこで、近年、未来の挙動を予測しながら熱分解ガス化溶融処理プラントを制御する技術が開発されている。例えば、特許文献１には、熱分解ガス化溶融処理プラントの挙動を予測する予測モデルを用いて、１つ以上の制御量の未来挙動を予測し、その予測系列が望ましい系列（即ち、目標軌道）に近づくように、熱分解ガス化溶融処理プラントの制約条件を考慮しながら操作入力を最適化することによって、熱分解ガス化溶融処理プラントを安定させて制御する方法が開示されている。

特開２００４−２００４９号公報

ここで、前述の特許文献１の発明では、ガス化溶融処理プラントを安定して制御することができるが、突発的に廃棄物が過剰に入ってしまうような給塵外乱（「突発的過剰供給」と表現することにする）に対しては、流動床の容積が小さな小型炉において、以下のような動作が発生する可能性がある。即ち、小型炉において比較的水分の多い廃棄物の突発的過剰供給が起きると、砂層温度が急低下する傾向がある。特に、ガス化安定のため砂層温度を低く保っている場合は、砂層温度が下限を下回るおそれがあり、そのまま放っておくと、砂層温度が回復できない範囲まで低下するおそれもある。そこで、特許文献１の発明では、砂層温度が目標値にスムーズに回復するように、給塵機速度を一時的に低減させることになる。その結果、砂層温度は確実に急回復し、人の手を借りることなく自動的に運転を継続することができる。しかしながら、給塵負荷が一時的に不足するため、溶融炉の温度を始め、ボイラドラム圧力、蒸気流量等が一時的に低下し、スラグの粘性が一次的に大きくなる場合があった。

本発明の目的は、突発的過剰供給等の給塵外乱により流動床の温度が急低下したような場合でも、給塵負荷を不足させずに流動床の温度を回復させることができる熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラムを提供することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明に係る熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法は、給塵機により投入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼させると共にその熱を利用して焼却残渣を溶融する溶融炉とを有する熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法において、前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る制御量が少なくとも２つ以上であるとともにその内１つが流動床の温度として、制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、制御量の目標軌道を定める第１のステップと、前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る操作量の少なくとも１つ以上が流動床の温度に影響を与える操作量として、操作量不変時における制御量の変動分及び現時点における制御量の実測値から、モデルを用いて、操作量不変時における制御量の現時点以降における予測値を求める第２のステップと、前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める第３のステップと、前記熱分解ガス化溶融処理プラントの状態に応じて制約条件を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記制約条件に加えて、未来の有限区間において前記流動床の温度が下限値以上であるという制約条件を追加する第４のステップと、未来の一定区間において、前記モデルから現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響と前記偏差ができるだけ一致するように評価関数を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記評価関数について流動床温度に関する項を除いて評価関数を設定する第５のステップと、前記制約条件のもとで、前記評価関数を最小化する制御入力偏差量を求める第６のステップと、前記制御入力偏差量を前時点の操作量に加算することにより、現時点における最適化された操作量を求める第７のステップと、を有することを特徴とする。

本発明に係る熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置は、給塵機により投入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼させると共にその熱を利用して焼却残渣を溶融する溶融炉とを有する熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置において、前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る制御量が少なくとも２つ以上であるとともにその内１つが流動床の温度として、制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める第１の手段と、前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る操作量の少なくとも１つ以上が流動床の温度に影響を与える操作量として、操作量不変時における制御量の変動分及び現時点における制御量の実測値から、モデルを用いて、操作量不変時における制御量の現時点以降における予測値を求める第２の手段と、前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める第３の手段と、前記熱分解ガス化溶融処理プラントの状態に応じて制約条件を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記制約条件に加えて、未来の有限区間において前記流動床の温度が下限値以上であるという制約条件を追加する第４の手段と、未来の一定区間において、前記モデルから現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響と前記偏差ができるだけ一致するように評価関数を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記評価関数について流動床温度に関する項を除いて評価関数を設定する第５の手段と、前記制約条件のもとで、前記評価関数を最小化する制御入力偏差量を求める第６の手段と、前記制御入力偏差量を前時点の操作量に加算することにより、現時点における最適化された操作量を求める第７の手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを上述したような熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置として機能させることが可能なプログラムである。

これによると、突発的過剰供給等の吸塵外乱により流動床の温度が下限値以下となる場合に、未来の有限区間（例えば、５分先から１０分先までの５分間）において流動床の温度が下限値を下回らない範囲となるような制約条件を追加することにより、流動床の温度が回復できない範囲にまで急低下することを防止するとともに、流動床の温度の回復を補償することができる。また、突発的過剰供給等の吸塵外乱により流動床の温度が下限値以下となる場合に、未来の有限区間において流動床の温度に関する項を取り除いた評価関数に切り替えて操作量を求めることにより、流動床の温度の目標軌道自体が定められず、流動床温度を無理に目標軌道に回復させようとしないため、吸塵機の供給負荷の一時的な低下を防止し、流動床の温度を目標値に合わせようとするあまりに他の制御量が犠牲になることを防止することができる。尚、流動床の温度に影響を与える操作量とは、例えば、熱分解ガス化炉への給塵量、廃棄物のカロリー、流動床に吹き込まれる空気量および空気温度、電気ヒータの温度、補助燃料量等が考えられる。

本発明に係る熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラムにおいて、前記下限値は、前記廃棄物の性状に応じて設定することが好ましい。

これによると、廃棄物の性状に応じて下限値を設定することにより、流動床の温度が回復できない範囲にまで急低下することを防止するとともに、吸塵機の供給負荷の一時的な低下を防止して、無理なく流動床の温度を目標値に近づけるように操作量を決定することができる。例えば、水分を含んだ廃棄物の場合は流動床の温度が急低下する傾向が高いため下限値を高めに設定し、水分を含まない廃棄物の場合は流動床の温度が急低下する傾向が低いため下限値を低めに設定する。

尚、本発明に係るプログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）ディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＭＯ（Magneto Optical）ディスクなどのリムーバブル型記録媒体や、ハードディスクなどの固定型記録媒体に記録して配布可能である他、有線又は無線の電気通信手段によってインターネットなどの通信ネットワークを介して配布可能である。ここで、コンピュータは、パーソナルコンピュータのような汎用型に限らず、特定用途を有する装置に組み込まれたものであってもよい。

以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施形態について説明する。

まず、本発明の実施形態による制御方法及び装置、並びにプログラムを適用する熱分解ガス化溶融処理プラントの構成を、図１に基づいて説明する。図１は、熱分解ガス化溶融処理プラントの部分概略図を示すものである。

図１に示すように、熱分解ガス化溶融処理プラント４０は、熱分解ガス化炉１０と、溶融炉２０と、ボイラ３０とから構成されている。

熱分解ガス化炉１０には、被焼却物である廃棄物（都市ごみ、産業廃棄物など）を投入するホッパ１２が設けられており、ホッパ１２に投入された廃棄物は、給塵機１３によって、後述する流動床１１に供給される。なお、この給塵機１３によって供給される廃棄物の量（給塵量）は、給塵機１３の回転数を調節することにより増減できるようになっている。また、熱分解ガス化炉１０には、底部に流動粒子（例えば、砂）からなる流動床１１が設けられている。流動床１１の下部からは図示されない送風機により流動空気が吹き込まれ、流動床１１の流動粒子及び給塵機１３により供給された廃棄物が流動撹拌される。なお、この熱分解ガス化炉１０は、流動床１１の流動粒子の流動層温度（砂層温度）が、アルミニウムの融点（６００℃）以下で、鉄やアルミニウムなどの金属を未酸化状態で回収するため、約５００〜６００℃となるように運転される。廃棄物は、流動床１１内で空気比０．２〜０．３程度の還元雰囲気の中で熱分解され、熱分解ガス（可燃性ガス）や未燃固形分（チャー、灰分など）となって、後述する溶融炉２０に出て行く。

溶融炉２０は、熱分解ガス化炉１０で生成された熱分解ガス、未燃固形分を約１３００〜１４００℃の高温で燃焼させる。また、溶融炉２０は、熱分解ガス化炉１０に引き続いた部分が旋回流溶融炉２１になっており、後述する燃焼用空気が図の矢印に示すように強旋回される。未燃の熱分解ガスは、燃焼用空気によって高温燃焼する。燃焼用空気は、図示されない空気予熱器により予熱されて供給口２２から供給される。なお、ごみ顕熱が不足する場合は、燃焼用空気の他に重油も使用する。灰分は溶融し、スラグが生成されるとともに、ダイオキシン類を分解する。溶融スラグは、スラグ下流口２３より炉外へと回収されることにより有用な資源として利用される。

ボイラ３０は、熱分解ガス化炉１０及び溶融炉２０に付属して設置されており、ガス化溶融のプロセスで発生した熱を回収する。ボイラ３０は、ガス化溶融のプロセスで発生した熱を利用して水を蒸発させるボイラドラム３１、及び、ボイラドラム３１の圧力（以下、「ボイラドラム圧力」と称する。）やボイラドラム３１から排出される蒸気流量（以下、「蒸気流量」と称する。）を調節する蒸気弁３２を備えている。このボイラ３０で発生した蒸気の持つエネルギーは、図示されない蒸気タービン、発電機によって電気エネルギーに変換され、余剰電力や設備所要電力として回収される。また、ボイラ３０の下流側には、図示されないガス冷却装置、排ガス処理装置（バグフィルタ等）、誘引送風機、煙突が順に設置されている。ここで、誘引送風機（ＩＤＦ）は、炉内の排ガスを誘引して煙突から放出するための送風機であり、炉内の圧力が高くなると回転数を上げて多量のガスを誘引するなど、炉内圧を一定（負圧）に保つために動作している。

次に、本発明の実施形態による制御装置を、図２に基づいて説明する。図２は、本実施形態に係る制御装置のブロック線図を示すものである。なお、本実施形態では、制御手法としてモデル予測制御手法を用いる。

制御装置１は、目標軌道生成部２と、操作量不変時制御量変動分計算部３と、操作量最適化計算部４と、制約条件設定部５と、評価関数設定部６と、制御量差分計算部７と、操作量不変時制御量偏差計算部８とを備えている。

目標軌道生成部（第１の手段）２は、制御量の目標値ｒ（ｋ＋ｉ）と、制御量の実測値ｙ（ｋ）に基づいて、目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）を設定する。

操作量不変時制御量変動分計算部（第２の手段）３は、制御量の実測値ｙ（ｋ）、操作入力ｕ（ｋ）、その他制御対象の観測量ｗ（ｋ）の履歴から、以後操作量を変更しなかった場合における制御量の変動分（現時点の値からの変動分）Δｙ₀（ｋ＋ｉ）を計算する。操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）を現時点の制御量の実測値ｙ（ｋ）に加算することによって、制御量の現時点以降における予測値が求まる。この操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）の計算に際しては、使用するモデルの種類（ＡＲＸモデル、ステップ応答モデル、プログラムからなるシミュレータなど）や操作入力の数（単入力か多入力か）によって、操作入力ｕ（ｋ）を必要としなかったり、制御量の実測値ｙ（ｋ）を必要としなかったり、あるいは、その他制御対象の観測量ｗ（ｋ）の現時刻以降の挙動を推定するモデルを必要としたり、その他、外乱の影響を推定する機能を含んでも良い。なお、本実施形態では、その他制御対象の観測量ｗ（ｋ）として熱分解ガス化炉１０の炉内圧力の値を使っている。

また、制御量差分計算部７は、目標軌道生成部２で設定した目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）と比較した場合の、制御量の実測値ｙ（ｋ）との差分ｙ_r（ｋ＋ｉ）−ｙ（ｋ）を計算する。

操作量不変時制御量偏差計算部（第３の手段）８は、制御量差分計算部７が求めた、目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）と制御量の実測値ｙ（ｋ）との差分ｙ_r（ｋ＋ｉ）−ｙ（ｋ）と、操作量不変時制御量変動分計算部３で求めた操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）とから、操作量不変時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）（目標軌道と予測値とのずれ量）を計算する。

制約条件設定部（第４の手段）５は、熱分解ガス化溶融処理プラント４０の状況に応じて制約条件を設定する。制約条件としては、例えば、操作入力や制御量の上下限制約、操作入力の変動量の制約、熱分解ガス化炉１０や溶融炉２０の出口温度など、直接の制御量ではないが、操業上定められている制約などがあり、いずれも直接あるいは間接的に操作入力の制約条件として表すことができる。また、これらの制約条件を目標処理量や廃棄物の質（ごみ質）、流動床温度、溶融状態（溶融炉温度）、ボイラドラム３１の圧力などによって変更することにより、熱分解ガス化溶融処理プラント４０の状況に合わせた操作が可能となり、より安定した自動操業が実現できる。ここで、流動床１１の温度（以下、「流動床温度」と称する。）が下限値以下である場合には、未来の有限区間（例えば、５分先から１０分先までの５分間）において流動床温度が下限値以上であるという制約条件を付け加える。従って、流動床温度が下限値以下の場合には、流動床温度が現時点より低下しない範囲で操作量を求めることとなる。尚、流動床温度の下限値とは、温度がそれ以下になるとガス化が安定しない（あるいは操業が停止してしまう）値ではなく、ある程度余裕をもった値である。下限値を下回っても操業上全く問題ないが、下限値からさらに温度が急低下するような場合には、急操作を必要とする。また、未来の有限区間は、無駄時間や流動床温度の応答速度等を考慮して（少なくとも、無駄時間の分だけ先の時間）、予め設定する。

評価関数設定部（第５の手段）６は、操作量不変更時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）と、後述する現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響を表す部分Δｙ₊（ｋ＋ｉ）が、未来の一定区間において、できるだけ一致するような評価関数を設定する。但し、流動床温度が下限値以下の場合には、流動床温度の項を除いた評価関数を設定する。従って、流動床温度が下限値以下の場合に求める操作量は、「流動床温度を定められた標準軌道に沿って速やかに回復させる」ものではなく、「流動床温度が回復傾向にあるのであれば、回復の仕方は問わない」とするものであって、供給負荷の一時的な低下を防ごうとするものとなる。

操作量最適化計算部（第６の手段及び第７の手段）４は、流動床温度に応じて、制約条件設定部５で設定された制約条件と、評価関数設定部６で設定された評価関数とに基づいて、操作量不変時制御量偏差計算部８で計算された操作量不変時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）を補償するための制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を求める。この制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を前制御周期の操作量ｕ（ｋ−１）に加算することによって、制御対象Ａに入力する最適化された操作入力（操作量）ｕ（ｋ）が求まる。

次に、本発明の実施形態による制御方法を、図３のフローチャートに基づいて説明する。図３は、本実施形態に係る制御方法のフローチャートを示すものである。なお、本実施形態では、上述の制御装置と同様、制御手法としてモデル予測制御手法を用いる。

まず、ステップＳ１で、制御量の目標値ｒ（ｋ＋ｉ）を設定する。ここで、目標値ｒ（ｋ＋ｉ）は、流動床温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量のそれぞれの目標値を要素とするベクトルである。

次に、ステップＳ２で、制御量の目標値ｒ（ｋ＋ｉ）と制御量の実測値ｙ（ｋ）とに基づいて、目標軌道生成部２が目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）を設定する（第１のステップ）。目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）の設定方法としては、例えば、図４に示すものがある。これは、次式のように設定するものであり、制御量の実測値ｙ（ｋ）から制御量の目標値ｒ（ｋ＋ｉ）に一定の割合で近づけていくものである。なお、次式の行列Ｃを３×３の零行列にすれば、目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）は制御量の目標値ｒ（ｋ＋ｉ）そのものに一致する。

次に、ステップＳ３で、操作量不変時制御量変動分計算部３が、モデルを用いて操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）を計算する。操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）を現時点の制御量の実測値ｙ（ｋ）に加算することによって、制御量の現時点以降における予測値が求まる（第２のステップ）。ここで、モデルは、流動床１１に吹き込まれる空気量（以下、「押込空気量」と称する。）、熱分解ガス化炉１０への給塵量としての給塵機速度（以下、「給塵機速度」と称する。）、ボイラ３０に備えられた蒸気弁３２の開度（以下、「蒸気弁開度」と称する。）を入力とし、流動床温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量を出力とし、その他観測量として熱分解ガス化炉の炉内圧力を含んでなる。このモデルは次式で表される。

ここで、操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）を用いて、ｊ≧０のときΔｕ（ｋ＋ｊ）＝０とすれば、上述の式（数２）で表されるモデルを用いて、次式により、操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）が求まる。なお、次式では、観測量である熱分解ガス化炉の炉内圧力も現時刻以降の値も必要になるが、この炉内圧力の現時刻以降の値は別のモデルを使って推定している。

次に、ステップＳ４で、制御量差分計算部７及び操作量不変時制御量偏差計算部８において、ステップＳ２で求めた目標軌道ｙ_r（ｋ＋ｉ）と、ステップＳ３で求めた操作量不変時における制御量の変動分Δｙ₀（ｋ＋ｉ）と、現時点における制御量の実測値ｙ（ｋ）（流動床温度、ボイラドラム圧力、蒸気流量の実測値を要素に持つベクトル）とから、操作量不変時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）を次式により計算する（第３のステップ）。

次に、ステップＳ５で、制約条件設定部５において、操作入力Δｕ（ｋ＋ｉ）に対し、制約条件を設定する（第４のステップ）。例えば、操作入力の上下限制約、変動幅の上下限制約は、次式で表される。

また、制御量に関する制約条件なども操作量の関数として表されるから、これらの制約条件はすべて、次式の形に帰着することができる。

ここで、流動床温度が下限値以下である場合は、制約条件設定部５で、未来の有限区間（ｉ＝Ｐ_s，・・・，Ｐ_e）において流動床温度が下限値以上であるという以下の制約条件式を付け加える。

式（数３）を上記の制約条件式（数７）に代入すると、次式が得られ、数６のＡΔｕ≦ｂの形に帰着できることが分かる。なお、流動床温度の下限値Ｔ_BLは、そのときの廃棄物性状に合わせて設定すると効果的である。なぜなら、水分を含んだごみであるほど、流動床温度が急低下しやすく、逆に、水分を含まないごみであるほど、流動床温度が急低下しにくいためである。よって、水分を含んだごみであるほど下限値Ｔ_BLを、流動床温度の下限（即ち、ガス化が促進されず、発熱量よりも吸塵量が大きくなり続け、流動床温度が急低下し続け、流動床の回復が困難となってしまう温度）よりも余裕を持って高めに設定し、水分を含まないごみであるほど下限値Ｔ_BLを、低めに設定することで、無理なく流動床の温度を目標値に近づけるように操作した方が、流動床温度が下限まで低下するリスクを小さくできる。

次に、ステップＳ６で、評価関数設定部６において、評価関数を設定する（第５のステップ）。まず、式（数３）で表されたモデルから、現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響を表す部分Δｙ₊（ｋ＋ｉ）を抽出すると、次式となる。

ここで、流動床温度が下限値より高い場合、制御の目的は、操作量不変更時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）を補償するための偏差入力Δｕ（ｋ）を求めることである。そのためには、操作量不変更時における制御量と目標軌道との偏差Δｙ_e（ｋ＋ｉ）と現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響を表す部分Δｙ₊（ｋ＋ｉ）が、未来の一定区間において、できるだけ一致すれば良いから、評価関数設定部６で設定する評価関数は次式となる。

一方、流動床温度が下限値以下の場合には、流動床温度はステップＳ５の制約条件式（数８）を満たせば良く、目標軌道に一致させる必要はない。したがって、評価関数設定部６で設定する評価関数は次式とすればよい。即ち、次式では、流動床温度に関する項を除いた制御量ベクトルの偏差に対する２×２の重み係数行列Ｑ₂にＴ₂₃が乗じられる。これは、数１０の制御量ベクトルの偏差に対する３×３の重み係数行列Ｑ₃の１行目の要素である流動床温度に関する項を０倍して除くことと同じであり、流動床温度に関する項を除くことで、流動床温度が評価関数に影響を及ぼさないようにされている。

次に、ステップＳ７において、上記のステップＳ５で設定した制約条件式のもとで、上記のステップＳ６で設定した評価関数Ｊを最小化する制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を求める（第６のステップ）。即ち、流動床温度が下限値より高い場合には、数６で与えられる制約条件式のもとで、数１０で与えられる評価関数Ｊを最小化する制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を求めればよい。一方、流動床温度が下限値以下の場合には、数６及び数８で与えられる制約条件式のもとで、数１１で与えられる評価関数Ｊを最小化する制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を求めればよい。これらの問題は二次計画問題として解かれ、現時点における制御入力偏差量Δｕ（ｋ）が求まる。

次に、ステップＳ８において、ステップＳ７で求めた制御入力偏差量Δｕ（ｋ）を、前時点の操作量ｕ（ｋ−１）に加算することによって、現時点における最適化された操作量ｕ（ｋ）を求める（第７のステップ）。つまり、次式によって、現時点における押込空気量、給塵機速度、蒸気弁開度を求める。

次に、ステップＳ９において、ステップＳ８で求めた操作量ｕ（ｋ）を制御対象Ａに入力する。つまり、操作量ｕ（ｋ）に基づいて、押込空気量、給塵機速度、蒸気弁開度を操作する。

ステップＳ９が終了するとステップＳ１に戻り、以上のステップＳ１からステップＳ９までの処理を制御周期ごとに繰り返す。

次に、図５及び図６に基づいて、本実施形態に係る制御方法を用いた場合の実験結果について説明する。図５は従来の制御方法を用いた場合の制御結果を示す図である。図６は本実施形態に係る制御方法を用いた場合の制御結果を示す図である。

図５に示す従来技術では、流動床温度が急低下するような給塵外乱（突発的過剰供給）を加えた場合、流動床温度を目標値に制御しようとして、給塵機速度を大幅に低下させている。その結果、溶融炉温度が一時的に低下する場合があることが分かる。一方、図６に示す本実施形態では、流動床温度が急低下したような場合でも、給塵機速度を急減させることなく、流動床温度を徐々に回復できることが分かる。その結果、溶融炉温度の一時的な低下も最小限に抑えられていることが分かる。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法及び装置、並びにプログラムは、モデル予測制御を用いて、多変数モデルを使って制御量の未来の挙動を予測し、操業の制約条件を考慮した上で操作入力を最適化する上で、流動床温度に応じて制約条件および評価関数を切り替えているため、下記の利点を有している。

流動床温度が下限値以下になった場合においても、モデルにより予測を行ない、未来の流動床温度が下限値以上になることを制約条件に加えているため、流動床温度の回復が補償される。

流動床温度が下限値以下になった場合、流動床温度を評価関数に入れておらず、流動床温度を無理に目標値に回復させようとしていない。したがって、給塵機速度を急減させて、一時的な低負荷を招くようなことが少なく、溶融炉をはじめ、ボイラドラム圧力、蒸気流量などが一時的に低下しにくい。また、流動床温度を目標値に合わせようとするあまり、他の制御量が犠牲になることが少ない。

流動床温度が下限値以下になった場合、流動床温度の目標軌道自体を定めていない。したがって、流動床温度を無理に目標軌道に合わせようとすることがなく、その時の状態に合わせて（早く回復できるときには早く、ゆっくり回復するときはゆっくりと）、流動床温度を回復させることができる。

以上のように、本実施形態に係る熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法によれば、流動床温度が下限値以下になった場合でも、流動床温度の回復を補償しながら、溶融炉温度、更には他の制御量（ボイラドラム圧力や蒸気流量）の変動を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

本実施の形態では、操作量として押込空気量と給塵機速度と蒸気弁開度を操作量として用い、制御量として流動床温度とボイラドラム圧力と蒸気流量を用い、さらに、観測量として熱分解ガス化炉の炉内圧力を用いたが、それに限られない。これは、平均的に見れば、実際の給塵量は、給塵機速度におよそ比例するが、給塵量の短周期的な変動は、給塵機速度を一定にしていても起こり得るものであり、より正確な制御量の挙動予測のためには、実際の給塵量の変動を反映したモデルを使用する必要がある。そこで、実際の給塵量の変動に対して、熱分解ガス化炉の炉内圧力は、制御量より早くその影響が現れるため、本実施形態では、実際の給塵量と相関があるものとして、熱分解ガス化炉の炉内圧力を制御量の挙動を予測する観測量として用いた。しかし、同様の理由から、熱分解ガス化炉の炉内圧力の他、排ガス流量などでも実際の給塵量を把握することができる。また、給塵機への供給電流や誘引送風機の電流でも、給塵外乱を検出することができ、実際の給塵量を反映した予測をおこなうことができる。但し、操作量の少なくともひとつが流動床温度に影響を与えるもの（熱分解ガス化炉への給塵量、廃棄物のカロリー、流動床に吹き込まれる空気量および空気温度、電気ヒータの温度、補助燃料量等）であることが必要である。また、制御量が少なくとも２つ以上であるとともに、そのうち１つが流動床温度であることが必要である。

また、熱分解ガス化溶融炉では、従来の焼却炉に比べて安定領域が狭いため、制約条件を炉の状態に応じて設定した方が、より安定な制御システムを構築できる。即ち、上記の流動床温度に応じた制約条件の他にも、ごみ質（カロリー）や流動床温度、溶融炉２０の温度の状況に応じた制約条件を更に設定することによって、より安定な制御システムを構築できる。

なお、制御量として溶融炉の温度を用いる場合、溶融炉の温度は、熱電対により計測されることが通常であるが、放射温度計や輝度センサなど電磁波を利用するセンサを使用することが望ましい。熱電対による温度計測は、温度変化に対する応答性が悪く、遅れ時間も無視できず、制御性能を悪化させる要因となる。特に溶融炉はいったん温度が低下してスラグの溶融が停止してしまうと再び溶融させるのに手間がかかるだけでなく、最悪の場合、スラグ下流口２３が閉塞する危険性があるため、この計測遅れ時間が致命的な結果を招きかねない。従って、電磁波を利用するセンサを使用すれば、ほとんど計測遅れ時間がないため、制御性能を向上することができ、安定溶融を維持することができる。

また、上述の実施形態では、操作量不変時の制御量変動分を予測計算しているが、操作量を変えたときの制御量変動分を予測計算してもよい。

更に、モデル予測制御手法において、制御量の現時点以降における予測値を求めるに当たって、給塵機への供給電流、キルン炉の炉内圧力、溶融炉から排出される排ガス流量、及び、誘引送風機の電流が考えられる。

また、熱分解ガス化溶融処理プラントの制御プログラムは、記憶部のＲＯＭに予め読み出し専用に書き込まれていても良いし、ＣＤ等の記録媒体に記録されたものが必要時に読み出されて記憶部に書き込まれても良いし、さらにはインターネット等の電気通信回線を介して伝送されて記憶部に書き込まれても良い。

熱分解ガス化溶融処理プラントの部分概略図である。 本実施の形態に係る制御装置のブロック線図である。 本実施の形態に係る制御方法のフローチャートである。 目標軌道の設定方法を表す一例の図である。 従来の制御方法を行った場合の実験結果である。 本実施の形態による制御方法を行った場合の実験結果である。

符号の説明

１ 制御装置
２ 目標軌道生成部
３ 操作量不変時制御量変動分計算部
４ 操作量最適化計算部
５ 制約条件設定部
６ 評価関数設定部
７ 制御量差分計算部
８ 操作量不変時制御量偏差計算部
１０ 熱分解ガス化炉
１１ 流動床
１２ ホッパ
１３ 給塵機
２０ 溶融炉
２１ 旋回流溶融炉
２２ 供給口
２３ スラグ下流口
３０ ボイラ
３１ ボイラドラム
３２ 蒸気弁
４０ 熱分解ガス化溶融処理プラント

Claims (6)

1. 給塵機により投入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼させると共にその熱を利用して焼却残渣を溶融する溶融炉とを有する熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法において、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る制御量が少なくとも２つ以上であるとともにその内１つが流動床の温度として、制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、制御量の目標軌道を定める第１のステップと、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る操作量の少なくとも１つ以上が流動床の温度に影響を与える操作量として、操作量不変時における制御量の変動分及び現時点における制御量の実測値から、モデルを用いて、操作量不変時における制御量の現時点以降における予測値を求める第２のステップと、
   前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める第３のステップと、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントの状態に応じて制約条件を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記制約条件に加えて、未来の有限区間において前記流動床の温度が下限値以上であるという制約条件を追加する第４のステップと、
   未来の一定区間において、前記モデルから現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響と前記偏差ができるだけ一致するように評価関数を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記評価関数について流動床温度に関する項を除いて評価関数を設定する第５のステップと、
   前記制約条件のもとで、前記評価関数を最小化する制御入力偏差量を求める第６のステップと、
   前記制御入力偏差量を前時点の操作量に加算することにより、現時点における最適化された操作量を求める第７のステップと、
   を有することを特徴とする熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法。
2. 前記下限値は、前記廃棄物の性状に応じて設定することを特徴とする請求項１に記載の熱分解ガス化溶融処理プラントの制御方法。
3. 給塵機により投入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼させると共にその熱を利用して焼却残渣を溶融する溶融炉とを有する熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置において、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る制御量が少なくとも２つ以上であるとともにその内１つが流動床の温度として、制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める第１の手段と、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る操作量の少なくとも１つ以上が流動床の温度に影響を与える操作量として、操作量不変時における制御量の変動分及び現時点における制御量の実測値から、モデルを用いて、操作量不変時における制御量の現時点以降における予測値を求める第２の手段と、
   前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める第３の手段と、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントの状態に応じて制約条件を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記制約条件に加えて、未来の有限区間において前記流動床の温度が下限値以上であるという制約条件を追加する第４の手段と、
   未来の一定区間において、前記モデルから現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響と前記偏差ができるだけ一致するように評価関数を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記評価関数について流動床温度に関する項を除いて評価関数を設定する第５の手段と、
   前記制約条件のもとで、前記評価関数を最小化する制御入力偏差量を求める第６の手段と、
   前記制御入力偏差量を前時点の操作量に加算することにより、現時点における最適化された操作量を求める第７の手段と、
   を有することを特徴とする熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置。
4. 前記下限値は、前記廃棄物の性状に応じて設定することを特徴とする請求項３に記載の熱分解ガス化溶融処理プラントの制御装置。
5. 給塵機により投入された廃棄物を熱分解して熱分解ガスを生成する熱分解ガス化炉と、前記熱分解ガス化炉から排出される熱分解ガスを燃焼させると共にその熱を利用して焼却残渣を溶融する溶融炉とを有する熱分解ガス化溶融処理プラントを制御するプログラムにおいて、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る制御量が少なくとも２つ以上であるとともにその内１つが流動床の温度として、制御量の現時点における実測値及び現時点以降の目標値から、前記制御量の目標軌道を定める第１の手段、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントに係る操作量の少なくとも１つ以上が流動床の温度に影響を与える操作量として、操作量不変時における制御量の変動分及び現時点における制御量の実測値から、モデルを用いて、操作量不変時における制御量の現時点以降における予測値を求める第２の手段、
   前記目標軌道と前記予測値との偏差を求める第３の手段、
   前記熱分解ガス化溶融処理プラントの状態に応じて制約条件を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記制約条件に加えて、未来の有限区間において前記流動床の温度が下限値以上であるという制約条件を追加する第４の手段、
   未来の一定区間において、前記モデルから現時点以降の操作入力が制御量に及ぼす影響と前記偏差ができるだけ一致するように評価関数を設定すると共に、前記流動床の温度が予め設定した下限値以下である場合は、設定した前記評価関数について流動床温度に関する項を除いて評価関数を設定する第５の手段、
   前記制約条件のもとで、前記評価関数を最小化する制御入力偏差量を求める第６の手段、
   前記制御入力偏差量を前時点の操作量に加算することにより、現時点における最適化された操作量を求める第７の手段、
   としてコンピュータを機能させることを特徴とするプログラム。
6. 前記下限値は、前記廃棄物の性状に応じて設定することを特徴とする請求項５に記載のプログラム。

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