JP5981156B2 - 水処理場に設けられる負荷設備の運転制御装置及び運転制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水処理設備の運転制御装置及び運転制御方法に関する。
一般に、汚水処理（下水道）、浄水処理（上水道）、及び産業用工業用水・排水処理等を行う水処理設備では、パターン化された制定値に基づく運転方式や成り行きによる運転方式に従って運転制御が実施されている（例えば特許文献１参照）。すなわち、従来の水処理設備では、原則として需要を優先し、商用電力系統からの受電や自家発電機等による発電によって電力、電力量、及び質（周波数、電圧）を需要に追従して確保する運転が実施されている。
しかしながら、従来の水処理設備の運転制御方法では、水処理設備を構成するポンプや送風機等の機器は、稼働状況を監視する検出器からの数値データやオン／オフ等の状態データといったトレンドデータに基づいて個別に制御される。このため、従来の水処理設備の運転制御方法によれば、稼働している機器の数に過不足が発生する、機器稼動／停止のタイミングが取れていない、前段／後段の処理設備との連携性が密に取れていない等、必ずしも電力消費量やＣＯ２排出量の抑制、電力供給コストの低減、機器稼動の高効率化、プラントのランニングコストの低減、及び自家発電設備の効率的稼動による創エネルギーの観点から水処理設備全体の最適な運転制御が実施されていない。このような背景から、水処理設備全体の電力消費量やＣＯ２排出量を必要最小限に抑制すると共に、電力供給コストの低減、機器稼動の高効率化、プラントのランニングコストの低減、及び自家発電設備の効率的稼動による創エネルギーを実現可能な水処理設備の運転制御方法の提供が期待されていた。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、水処理設備全体の電力消費量やＣＯ２排出量を抑制すると共に、電力供給コストの低減、機器稼動の高効率化、プラントのランニングコストの低減、及び自家発電設備の効率的稼動による創エネルギーを実現可能な水処理設備の運転制御装置及び運転制御方法を提供することにある。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、効率、コスト、及びＣＯ２排出量が所定条件を満足することを条件として、所定期間内における水処理設備の電力需要及び需要量と該所定期間内における該水処理設備に電力を供給する自家発電設備の電力供給力及び供給量とを調整し、自家発電設備の稼働計画と水処理設備の稼働計画とを作成する需給調整手段と、前記需給調整手段によって調整された稼働計画に基づいて、前記自家発電設備及び水処理設備の動作を制御する需給制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、上記発明において、所定期間内における水処理設備の稼働計画を作成する電力需要予測手段と、前記所定期間内における前記自家発電設備の稼働計画を作成する電力供給予測手段と、を備え、前記需給調整手段は、前記電力供給予測手段によって作成された自家発電設備の稼働計画と前記電力需要予測手段によって作成された水処理設備の稼働計画とに基づいて、電力需要及び需要量が所定の供給予備力を考慮した電力供給力及び供給量を下回るように自家発電設備の稼働計画と水処理設備の稼働計画との少なくとも一方を調整する需給調整手段と、前記需給制御手段は、前記需給調整手段によって調整された稼働計画に基づいて、自家発電設備及び水処理設備の動作を制御することを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、上記発明において、前記需給調整手段が、電力供給力及び供給量からの電力需要及び需要量の超過分を電力需要及び需要量が電力供給力及び供給量未満である期間にシフトすることによって、電力需要及び需要量が所定の供給予備力を考慮した電力供給力及び供給量を下回るように調整することを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、上記発明において、前記需給調整手段が、電力供給力及び供給量からの電力需要及び需要量の超過分を削除することによって、電力需要及び需要量が所定の供給予備力を考慮した電力供給力及び供給量を下回るように調整することを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、上記発明において、前記電力供給予測手段及び前記電力需要予測手段が、自家発電設備及び水処理設備の稼働状況に関する情報と電力需要及び需要量と電力供給力及び供給量との予測に関連性が強い情報とを用いて、自家発電設備及び水処理設備の稼働計画を作成することを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置は、上記発明において、電力需要及び需要量と電力供給力及び供給量との予測に関連性が強い情報が、処理水の水質、処理水の貯水池の水位、天気、及び季節に関する情報を少なくとも含むことを特徴とする。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水処理設備の運転制御方法は、効率、コスト、及びＣＯ２排出量が所定条件を満足することを条件として、所定期間内における水処理設備の電力需要及び需要量と該所定期間内における該水処理設備に電力を供給する自家発電設備の電力供給力及び供給量とを調整し、自家発電設備の稼働計画と水処理設備の稼働計画とを作成する需給調整ステップと、前記需給調整ステップにおいて調整された稼働計画に基づいて、前記自家発電設備及び水処理設備の動作を制御する需給制御ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係る水処理設備の運転制御装置及び運転制御方法によれば、水処理設備全体の電力消費量やＣＯ２排出量すると共に、電力供給コストの低減、機器稼動の高効率化、プラントのランニングコストの低減、及び電力供給設備の効率的稼動による創エネルギーを実現することができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置について説明する。なお、本実施形態は、本発明を下水処理場の運転制御に適用したものであるが、本発明は、本実施形態に限定されることはなく、汚水処理（下水道）、浄水処理（上水道）、及び産業用工業用水・排水処理等を行う水処理設備等の下水処理場以外の水処理設備にも適用することができる。
〔下水処理場の構成〕
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の制御対象となる下水処理場の構成について説明する。但し、下水処理場の構成は図１に示す構成に限定されることはない。
始めに、図１を参照して、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の制御対象となる下水処理場の構成について説明する。但し、下水処理場の構成は図１に示す構成に限定されることはない。
図１は、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の制御対象となる下水処理場の一構成例を示す模式図である。図１に示すように、下水処理場は、下水を処理する下水処理設備１と、下水処理設備１で発生した余剰汚泥を処理する汚泥処理設備２と、を備えている。
下水処理設備１は、沈砂池１１と、最初沈殿池１２と、反応槽１３と、最終沈殿池１４と、薬注槽１５と、を備えている。沈砂池１１は、下水中の土砂等の非腐敗性無機物質を沈殿除去するための設備であり、非腐敗性無機物質が除去された下水は汚水ポンプ１６によって最初沈殿池１２に供給される。最初沈殿池１２は、下水を緩やかに流して重力沈降によって下水中の沈殿性有機物を沈殿除去するための設備である。最初沈殿池１２の上澄み水は反応槽１３に供給される。最初沈殿池１２内の沈殿物は、汚泥掻寄機１７ａによって集められ、汚泥引き抜きポンプ１８によって余剰汚泥として汚泥処理設備２に供給される。
反応槽１３は、ＤＯ（溶存酸素濃度），ＭＬＳＳ（槽内の活性汚泥濃度），下水流量，ＯＲＰ（酸化還元電位）等の指標に従って送風機１９から反応槽１３に供給される空気量を制御することによって、微生物を利用して下水中の有機物、窒素、リンを中心とする汚濁物質を処理する設備である。反応槽１３に供給される空気量は圧力計２０を利用して検出される。汚濁物質が除去された下水は最終沈殿池１４に供給され、反応槽１３内の沈殿物の一部は汚泥引き抜きポンプ１８によって余剰汚泥として汚泥処理設備２に供給される。
最終沈殿池１４は、反応槽１３から供給された下水を処理水と活性汚泥とに分離する設備である。処理水は薬注槽１５に供給される。活性汚泥は、汚泥掻寄機１７ｂによって集められ、反応槽１３に返送又は汚泥引き抜きポンプ１８によって余剰汚泥として汚泥処理設備２に供給される。薬注槽１５は、薬注ポンプ２１を利用して最終沈殿池１４から供給された処理水に薬品を注入することによって処理水を消毒した後、消毒された処理水を河川等に放流する設備である。
汚泥処理設備２は、濃縮タンク３１と、消化タンク３２と、脱水機３３と、焼却炉３４と、を備えている。濃縮タンク３１は、汚泥引き抜きポンプ１８から供給された余剰汚泥中の水分を除去することによって余剰汚泥を濃縮する設備である。濃縮タンク３１内で濃縮された余剰汚泥は、図示しない汚泥掻寄機によって集められ、消化タンク３２に供給される。
消化タンク３２は、余剰汚泥内の有機物を分解して消化汚泥とする設備である。消化タンク３２において生成された消化汚泥は脱水機３３に供給される。脱水機３３は、消化タンク３２から供給された消化汚泥を脱水することによって消化汚泥の含水率を低下させる設備である。焼却炉３４は、脱水機３３によって含水率が低下した消化汚泥を焼却する設備である。
〔下水処理場の運転制御装置の構成〕
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の構成について説明する。
次に、図２を参照して、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置の構成を示すブロック図である。図２に示すように、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御装置１００は、パーソナルコンピュータ等のワークステーションや、プロセスコンピュータ等の情報処理装置によって構成されている。運転制御装置１００は、情報処理装置内部のＣＰＵ等の演算処理装置がコンピュータプログラムを実行することによって、発電予測部１０１、需要予測部１０２、需給調整部１０３、及び需給制御部１０４として機能する。これら各部の機能については後述する。
運転制御装置１００には、運転制御装置１００に各種情報を入力するための入力装置１１０と、運転制御装置１００からの各種情報を出力するための出力装置１１１が接続されている。また、運転制御装置１００は、下水処理場に設けられている発電設備１１２及び発電設備１１２から供給される電力により動作する負荷設備１１３に接続されている。発電設備１１２としては、太陽光発電設備、太陽熱発電設備、風力発電設備、マイクロ水力発電設備、ガスエンジン発電設備、マイクロガスタービン発電設備、燃料電池、内燃機関、及び商用受電設備等を例示できる。負荷設備１１３としては、図１に示す汚水ポンプ１６、汚泥掻寄機１７ａ，１７ｂ、汚泥引き抜きポンプ１８、送風機１９、薬注ポンプ２１、及び焼却炉３４等を例示できる。
〔下水処理場の運転制御処理〕
このような構成を有する運転制御装置１００は、以下に示す運転制御処理を実行することによって、図１に示す下水処理場全体の電力消費量やＣＯ２排出量を抑制する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この運転制御処理を実行する際の運転制御装置１００の動作について説明する。
このような構成を有する運転制御装置１００は、以下に示す運転制御処理を実行することによって、図１に示す下水処理場全体の電力消費量やＣＯ２排出量を抑制する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この運転制御処理を実行する際の運転制御装置１００の動作について説明する。
図３は、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、所定の制御周期毎に開始され、運転制御処理はステップＳ１の処理に進む。
ステップＳ１の処理では、運転制御装置１００が、発電設備１１２及び負荷設備１１３の稼働状況に関する情報と下水流入量、水質、沈殿池の水位、天気、及び季節に関する情報を少なくとも含む電力需要及び需要量と電力供給力及び供給量との予測に関連性が強い情報とを実績データとして取得する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、運転制御処理はステップＳ２の処理に進む。
ステップＳ２の処理では、発電予測部１０１及び需要予測部１０２がそれぞれ、ステップＳ１の処理において取得された実績データを用いて所定期間（例えば長期（１年〜１ヶ月）、中期（１週間〜１日）、短期（１時間以内〜数分））内における発電設備１１２の電力供給力及び供給量と負荷設備１１３の電力需要及び需要量とを予測する。具体的には、図４（ａ）に示すように現在の時間Ｔが時間Ｔ＝Ｔ１である場合、需要予測部１０２は、図４（ｂ）に示すように時間Ｔ＝Ｔ１から時間Ｔ＝２４時までの電力需要及び需要量の変化を予測する。また、発電設備１１２が太陽光発電設備や太陽熱発電設備である場合、発電予測部１０１は、所定期間内における日射（日照）量予想から所定期間内における電力供給力及び供給量を予測する。また、発電設備１１２が風力発電設備である場合、発電予測部１０１は、所定期間内における風速予想から所定期間内における電力供給力及び供給量を予測する。また、発電設備１１２がマイクロ水力発電設備である場合、発電予測部１０１は、所定期間内における下水の流入／放水量から所定期間内における電力供給力及び供給量を予測する。また、発電設備１１２がガスエンジン発電設備、マイクロガスタービン発電設備、及び燃料電池である場合、発電予測部１０１は、所定期間内における燃料ガス（例えば消化ガス等）の備蓄量から所定期間内における電力供給力及び供給量を予測する。
そして、発電予測部１０１及び需要予測部１０２はそれぞれ、発電設備１１２の電力供給力及び供給量と負荷設備１１３の電力需要及び需要量との予測結果に基づいて所定期間内における電力の供給計画及び需要計画を作成する。具体的には、発電予測部１０１は、予測された電力供給力及び供給量から最大限可能となる発電設備１１２の稼働計画（起動・停止・運転目標値設定）を電力の供給計画として作成する。また、需要予測部１０２は、予測された電力需要及び需要量から最大限必要になる負荷設備１１３の稼働計画（起動・停止・運転目標値設定）を需要計画として作成する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、運転制御処理はステップＳ３の処理に進む。
ステップＳ３の処理では、需給調整部１０３が、ステップＳ２の処理によって作成された所定期間内における電力の供給計画及び需要計画に基づいて、下水処理場の電力消費量やＣＯ２排出量を抑制すると共に、電力供給コストの低減、機器稼動の高効率化、下水処理場のランニングコストの低減、及び発電設備１１２の効率的稼動による創エネルギーを実現ように所定期間内における電力の供給計画及び需要計画を調整する。換言すれば、需給調整部１０３は、効率、コスト、及びＣＯ２排出量が所定条件を満足することを条件として、電力需要及び需要量と電力供給力及び供給量とを調整することによって発電設備１１２及び負荷設備１１３の制御目標値を設定する。なお、効率、コスト、及びＣＯ２排出量の各要素について個別に制御目標値を設定してもよいし、各要素に重みを付けて複数の要素を同時に考慮した制御目標値を設定してもよい。具体的には、図４（ｃ）に示すように、時間Ｔ＝Ｔ２〜Ｔ３の間、負荷設備１１３の電力需要及び需要量が所定の供給予備力（電力需要の所定％）を考慮した発電設備１１２の電力供給力Ｗ１及び供給量を上回る場合、需給調整部１０３は、負荷設備１１３の電力需要及び需要量が所定の供給予備力を考慮した発電設備１１２の電力供給力Ｗ１及び供給量を下回る時間（例えば図４（ｄ）に示す時間Ｔ＝Ｔ３〜Ｔ４）に電力需要及び需要量の超過分をシフトさせたり、電力需要の超過分を削除したりする。
電力需要の超過分をシフトする方法としては、ポンプ等の稼働タイミングを先送りする方法と前倒しする方法とがある。稼働タイミングを先送りする場合、図５（ａ）に示すように、需給調整部１０３は、設備Ａ（断面積Ｓ）が受け入れ可能な処理水の水位Ｈ（又は余剰汚泥の量）に基づいてポンプを停止できる時間Δｔを算出し、算出された時間Δｔだけポンプを停止するように需要計画を調整する。一方、稼働タイミングを前倒しする場合には、図５（ｂ）に示すように、需給調整部１０３は、設備Ａ内の処理水の水位Ｈ’（又は余剰汚泥の量）に基づいてポンプを追加稼働する時間Δｔ’を算出し、算出された時間Δｔ’だけポンプを追加稼働するように需要計画を調整する。パラメータＦ，Ｆ’は下水の流入量を示し、パラメータＰ，Ｐ’はポンプの吐出量を示している。電力需要の超過分を削除する方法としては、水質を規定値に保ちながら送風機１９の稼働を停止する方法がある。
上述の例は、電力供給力及び供給量を固定して電力需要及び需要量を調整する内容のものであるが、電力需要及び需要量を固定して電力供給力及び供給量を調整するようにしてもよいし、電力需要及び需要量と電力供給力及び供給量との両方を調整するようにしてもよい。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、運転制御処理はステップＳ３の処理に進む。
ステップＳ４の処理では、需給調整部１０３が、ステップＳ３の処理によって調整された所定期間内における電力の供給計画及び需要計画に基づいて発電設備１１２及び負荷設備１１３の調整・制御実行方法を決定する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、運転制御処理はステップＳ５の処理に進む。
ステップＳ５の処理では、需給制御部１０４が、ステップＳ４の処理によって決定された発電設備１１２及び負荷設備１１３の調整・制御実行方法に従って発電設備１１２及び負荷設備１１３の動作を制御する。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、一連の運転制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である下水処理場の運転制御処理では、発電予測部１０１が、所定期間内における発電設備１１２の稼働計画を作成し、需要予測部１０２が、所定期間内における負荷設備１１３の稼働計画を作成し、需給調整部１０３が、発電設備１１２の稼働計画と負荷設備１１３の稼働計画とに基づいて、電力需要量が電力供給量以下になるように発電設備１１２の稼働計画と負荷設備１１３の稼働計画との少なくとも一方を調整し、需給制御部１０４が、調整された稼働計画に基づいて発電設備１１２及び負荷設備１１３の動作を制御するので、下水処理場全体の電力消費量やＣＯ２排出量を抑制できる。
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面によって本発明は限定されることはない。例えば、本実施形態は、下水処理場内で稼働している機器類の消費電力や発電電力を予測／制御の対象としたが、ＢＯＤ（Biochemical Oxygen Demand、生物化学的酸素要求量），ＣＯＤ（Chemical Oxygen Demand、化学的酸素要求量），アンモニア濃度，濁度等の水質、汚水の流入量、汚泥や消化ガスの生成量、消化ガス発電力量等を予測し、予測結果に基づいて下水処理場の運転制御を実施してもよい。また、電気の質（周波数と電圧）を維持するＡＦＣ（Automatic Frequency Control、自動周波数制御装置）やＡＶＲ（Automatic Voltage Regulator、自動電圧調整器）等の制御装置と連動することによって、水処理設備が商用の電力系統から自立した場合の運転制御にも対応できる。また、予測・制御の対象は、電力及び電力量に関係する要素に限られることはなく、水処理の水質、下水流入量等の下水処理場内の処理過程において実績情報として収集可能な情報を電力と同様にして予測し、その制御対象の設備や機器を制御してもよい。このように、本実施形態に基づいて当業者等によってなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ 下水処理設備
２ 汚泥処理設備
１１ 沈砂池
１２ 最初沈殿池
１３ 反応槽
１４ 最終沈殿池
１５ 薬注槽
１６ 汚水ポンプ
１７ａ，１７ｂ 汚泥掻寄機
１８ 汚泥引き抜きポンプ
１９ 送風機
２０ 圧力計
２１ 薬注ポンプ
３１ 濃縮タンク
３２ 消化タンク
３３ 脱水機
３４ 焼却炉
１００ 運転制御装置
１０１ 発電予測部
１０２ 需要予測部
１０３ 需給調整部
１０４ 需給制御部
１１０ 入力装置
１１１ 出力装置
１１２ 発電設備
１１３ 負荷設備
２ 汚泥処理設備
１１ 沈砂池
１２ 最初沈殿池
１３ 反応槽
１４ 最終沈殿池
１５ 薬注槽
１６ 汚水ポンプ
１７ａ，１７ｂ 汚泥掻寄機
１８ 汚泥引き抜きポンプ
１９ 送風機
２０ 圧力計
２１ 薬注ポンプ
３１ 濃縮タンク
３２ 消化タンク
３３ 脱水機
３４ 焼却炉
１００ 運転制御装置
１０１ 発電予測部
１０２ 需要予測部
１０３ 需給調整部
１０４ 需給制御部
１１０ 入力装置
１１１ 出力装置
１１２ 発電設備
１１３ 負荷設備
Claims (4)
- 水処理場に設けられる水処理設備、汚泥処理設備を含む負荷設備の運転制御装置であって、
所定期間内における前記負荷設備の稼働計画を作成する電力需要予測手段と、
前記所定期間内における、前記負荷設備に電力を供給する発電設備の稼働計画を作成する電力供給予測手段と、
前記電力需要予測手段により作成された前記負荷設備の稼働計画と、前記電力供給予測手段により作成された前記発電設備の稼働計画に基づいて、各負荷設備の稼働タイミングを先送りする方法及び各負荷設備の稼働タイミングを前倒しする方法の少なくとも何れか一方により、前記負荷設備による電力需要の予測値が前記発電設備による電力供給力の予測値以下になるように前記負荷設備の稼働計画を調整する電力需要調整手段と、
前記電力需要調整手段によって調整された前記負荷設備の稼働計画に基づいて、前記発電設備及び負荷設備の各動作を制御する設備動作制御手段と、
を備えることを特徴とする水処理場に設けられる負荷設備の運転制御装置。 - 前記電力供給予測手段及び前記電力需要予測手段は、発電設備及び負荷設備の稼働状況に関する情報と電力需要と電力供給力との予測に関連性が強い情報とを用いて、発電設備及び負荷設備の稼働計画を作成することを特徴とする請求項１に記載の水処理場に設けられる負荷設備の運転制御装置。
- 電力需要と電力供給力との予測に関連性が強い情報は、処理水の水質、処理水の貯水池の水位、天気、及び季節に関する情報を少なくとも含むことを特徴とする請求項２に記載の水処理場に設けられる負荷設備の運転制御装置。
- 水処理場に設けられる水処理設備、汚泥処理設備を含む負荷設備の運転制御方法であって、
所定期間内における前記負荷設備の稼働計画を作成する電力需要予測ステップと、
前記所定期間内における、前記負荷設備に電力を供給する発電設備の稼働計画を作成する電力供給予測ステップと、
前記電力需要予測ステップにおいて作成された前記負荷設備の稼働計画と、前記電力供給予測ステップにおいて作成された前記発電設備の稼働計画に基づいて、各負荷設備の稼働タイミングを先送りする方法及び各負荷設備の稼働タイミングを前倒しする方法の少なくとも何れか一方により、前記負荷設備による電力需要の予測値が前記発電設備による電力供給力の予測値以下になるように前記負荷設備の稼働計画を調整する電力需要調整ステップと、
前記電力需要調整ステップにおいて調整された前記負荷設備の稼働計画に基づいて、前記発電設備及び負荷設備の各動作を制御する設備動作制御ステップと、
を含むことを特徴とする水処理場に設けられる負荷設備の運転制御方法。
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