JP7126215B2 - システム制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定の操作量を入力することで所定の制御量を出力する制御対象と、操作量を調節して制御量の調整を行うシステム制御装置及び制御方法に関し、特に、制御量を時間遅れなく目標値に追従させる技術に関する。

図５に、本願発明が扱うシステムの一例として、従来から用いられている、ごみを燃焼する焼却炉５１０と、焼却炉５１０で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラ５２０とを備えたごみ焼却処理施設５の模式図を示す。

ごみ焼却処理施設５に搬入されるごみはその大きさや組成が一定ではないため、焼却炉５１０に投入される前に図示しないごみピット内で撹拌・混合され、ある程度均質化されたうえで、図示しない投入装置によって焼却炉５１０に投入される。焼却炉５１０に投入されたごみは、図示しない送り装置によって焼却炉５１０内をゆっくりと移動しながら、一次燃焼空気供給装置５１１ａ及び二次燃焼空気供給装置５１１ｂから供給される燃焼空気によって焼却処理される。焼却炉５１０内でごみが焼却されるに伴い、高温の燃焼排ガスが発生する。なお、個別の要素についての詳細な説明は省略するが、ごみ焼却処理施設５は他に、排ガス冷却装置５３０、バグフィルタ５４０、排ガス煙道５５０、誘引通風機５６０、煙突５７０、制御装置５８０、薬剤供給装置５９０等によって構成される。

焼却炉５１０で発生した高温の燃焼排ガスは排ガス煙道５５０を介して廃熱ボイラ５２０に供給される。廃熱ボイラ５２０においては、多数の水管内にボイラ給水が流通しており、水管内の水が燃焼排ガスの排熱によって加熱されて蒸気を発生する。発生した蒸気は図示しない蒸気タービンを駆動し、主に発電のために供される。

廃熱ボイラ５２０から発生する蒸気量の変動を抑制し所定の目標値に保持することは、ごみ焼却処理施設を安定して運用するために非常に重要である。そのため、従来においては、廃熱ボイラ５２０で発生した蒸気の蒸気量を蒸気量計測手段５２１を用いて計測し、計測された蒸気量が予め設定された制御目標値に追従するよう焼却炉５１０の燃焼制御を行うフィードバック制御が行われている。

つまり、上述した通り、焼却炉５１０に投入されたごみは可燃成分（Ｃ、Ｈ、Ｓ等）の組成が一定ではないため、ごみピット内で撹拌・混合処理を行ったとしても、発生する燃焼排ガスの温度や量が変動することがある。そのため、燃焼空気の供給量、焼却炉５１０内へのごみの投入頻度、又は焼却炉５１０内におけるごみの送り速度を調整することによって、廃熱ボイラ５２０から発生する蒸気量が所定値になるよう制御を行う制御装置５８０を備える。このような従来型の単純フィードバック制御装置５８０によって行われる制御をブロック図に表すと、図６のようになる。

図６において、従来型の単純フィードバック制御装置５８０によって行われる制御系は、焼却炉５１０の入出力関係について演算を行う焼却炉演算部５Ｆ、廃熱ボイラ５２０の入出力関係について演算を行う廃熱ボイラ演算部５Ｂ、調節部５Ｃ、比較部５８１及び加算部５８２によって構成される。ここで、Ｒ（ｓ）は入力、つまり、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値のラプラス変換を、Ｃ（ｓ）は出力、つまり、廃熱ボイラ５２０から発生する蒸気量のラプラス変換を、Ｇ_ｃ（ｓ）は調節部Ｃにおける入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｆ（ｓ）は焼却炉５１０における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｂ（ｓ）は廃熱ボイラ４２０における入力から出力への伝達関数を、Ｄ（ｓ）は外乱のラプラス変換を示す。なお、ここでいう外乱とは、ごみの発熱量の変動等を意味するもので、廃熱ボイラ５２０から発生する蒸気の蒸気量に影響を与えるものである。

このフィードバック制御系の出力Ｃ（ｓ）は、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）を用いて式（１）のように表される。なお、式（１）においては、各伝達関数におけるラプラス変数表示の（ｓ）は全て省略した（以下、式中の（ｓ）は省略）。

式（１）より、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）の項いずれにも、分母に焼却炉５１０の伝達関数Ｇ_ｆ（ｓ）と廃熱ボイラ５２０の伝達関数Ｇ_ｂ（ｓ）との積Ｇ_ｆ（ｓ）Ｇ_ｂ（ｓ）が存在することが分かる。ここで、Ｇ_ｆ（ｓ）及びＧ_ｂ（ｓ）は、それぞれ、式（２）及び式（３）のように表される。

ここで、式（２）及び式（３）において、Ｔ_ｆ及びＫ_ｆはそれぞれ焼却炉５１０の時定数及びゲインを、Ｔ_ｂ及びＫ_ｂはそれぞれは廃熱ボイラ５２０の時定数及びゲインを表す。ところで、焼却炉５１０の時定数Ｔ_ｆに対して、廃熱ボイラ５２０の時定数Ｔ_ｂは、廃熱ボイラ５２０の保有熱量が大きいことに伴い、数倍以上の大きさとなる。具体的には、Ｔ_ｆが数分以内であるのに対し、Ｔ_ｂは１０分以上となる。そのため、燃焼排ガスの熱量等の変動に伴う発生蒸気量の変動は、燃焼排ガスの変動よりもかなり遅れて発現することとなる。そのため、蒸気量の変動を検出してから制御を行うと、出力に時間遅れが発生するとともに、振動を伴う時間変動が生じることとなる。従来においては、このような発生蒸気量の変動に追従するために、調節部ＣにおいてＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を行い、主として微分動作（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ａｃｔｉｏｎ：Ｄ動作）により時間遅れを補償する制御を行うよう設計される。または、ごみピットに投入されたごみの性状をＡＩ（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ）を用いて予測し、予測されたごみの性状から所望の熱量を有する燃焼排ガスが発生するようごみの送り速度の調整等を行っている。しかしながら、このようなＰＩＤ制御には限界があり、また、ＡＩを用いた予測制御には、複雑な計算アルゴリズムを使用するための高価な制御装置が必要となる。

また、特許文献１に示されるように、外乱補償部をプラントへの操作量出力を入力とする第一の演算部と、プラントの制御量を入力とする第二の演算部に分離し、第一の演算部の出力を操作量出力にフィードバックして第二の演算部の出力をフィードバック制御器の先行制御部に組み込む技術が提案されている（特許文献１）。

特開２００５－１４８８４９号公報

特許文献１に開示された技術によると、第二の演算部の出力をフィードバック制御器の先行制御部に組み込むため、制御対象の時定数が大きい場合でも応答性の良い制御系を組むことができる。しかしながら、複数の演算部が必要であり装置が複雑になるという問題、及び、単に先行制御系を組み込んだだけでは応答が振動しやすく収束までに時間がかかるという問題があった。

このような、大きな時定数により発生する問題は、焼却炉５１０の燃焼制御だけでなく、他のシステムにおいても同様に発生し得る。

図５に示す、従来型のごみ焼却処理施設５において、バグフィルタ５４０は、燃焼排ガス中に含まれる煤塵や塩化水素及び硫黄酸化物等の有害酸性ガスを除去するために使用される。塩化水素及び硫黄酸化物等の酸性ガスを除去するにあたっては、消石灰等の中和剤を薬剤供給装置５９０を用いてバグフィルタ５４０の入口側に供給し、中和されて塩となったものをバグフィルタ５４０で捕集する。そして、バグフィルタ５４０出口において酸性ガス濃度検出手段５５１を用いて酸性ガス濃度を検出し、検出結果に基づいて、薬剤供給装置５９０から供給する中和剤の量を調整するようになっている。

ここで、バグフィルタ５４０自体が大きな時定数を持っているため、酸性ガス濃度検出手段５５１による濃度検出と中和剤の投入との間に時間遅れが発生し、上記のような単純フィードバック制御装置５８０では、酸性ガス濃度の変化に中和剤供給量を追従させることが難しい。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、追加の計測機器や複雑な計算アルゴリズムを必要とする高価な制御装置を使用することなく、制御対象の時定数による影響を低減して応答性を向上させることができるとともに出力の時間変動を抑制することが可能なシステム制御装置を提供することを目的とする。

本発明では、以下のような解決手段を提供する。

第１の特徴に係る発明は、所定の操作量を入力することで所定の制御量を出力する制御対象と、操作量を調節して制御量の調整を行うシステム制御装置であって、制御対象から出力される制御量が制御目標値に追従するよう制御対象のフィードバック制御を行うシステム制御装置において、制御目標値と制御対象から出力された制御量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、制御対象入口において検出され制御量を予測可能な物理量であって前記制御対象に対する入力となる物理量を第一操作量と比較した信号に対し、さらに信号ゲインを上げる第二調節部を備えたシステム制御装置、を提供する。

第１の特徴に係る発明によれば、制御対象入口において検出され制御量を予測可能な物理量であって前記制御対象に対する入力となる物理量が制御対象から出力される制御量の先行要素として機能するため、制御対象の時定数が大きい場合であっても、時間遅れを抑制した制御を行うことができる。また、制御対象入口において検出され制御量を予測可能な物理量であって前記制御対象に対する入力となる物理量を第一操作量と比較した信号に対し、さらに信号ゲインを上げる操作を行うため、時間遅れを抑制する効果だけでなく、応答の振幅を抑制し、制御速度を速める効果を同時に得ることが可能となる。

第２の特徴に係る発明は、第１の特徴に係る発明であって、制御対象として焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラ、制御量として廃熱ボイラから発生する蒸気の蒸気量、操作量として焼却炉に供給する燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給量が用いられ、物理量として廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を、廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出するシステム制御装置、を提供する。

第２の特徴に係る発明によれば、廃熱ボイラの時定数の大きさに関わらず、焼却炉で発生する燃焼排ガスの熱量に応じた制御を行うことが可能となり、ごみの発熱量等の変動や設定変更に対する応答性を向上させることができる。

第３の特徴に係る発明は、第１の特徴に係る発明であって、制御対象として燃焼排ガス中に含まれる煤塵や有害成分を除去するバグフィルタ、制御量としてバグフィルタ出口における燃焼排ガス中に含まれる酸性ガス濃度、操作量としてバグフィルタに吹き込む中和剤の供給量が用いられ、物理量としてバグフィルタ入口における燃焼排ガス中に含まれる酸性ガス濃度が用いられるシステム制御装置、を提供する。

第３の特徴に係る発明によれば、バグフィルタの時定数の大きさに関わらず、燃焼排ガスの酸性ガス濃度に応じた制御を行うことが可能となり、酸性ガス濃度の変動や設定変更に対する応答性を向上させることができる。

本発明によれば、追加の計測機器や複雑な計算アルゴリズムを必要とする高価な制御装置を使用することなく、制御対象の時定数による影響を低減して応答性を向上させることができるとともに出力の時間変動を抑制し制御速度を速めることが可能なシステム制御装置を提供することができる。

図１は、本発明に係るシステム制御装置及びシステム制御方法の一例として適用されるごみ焼却処理施設を示す模式図である。 図２は、第一実施形態に係る先行制御系を示すブロック図である。 図３は、第一実施形態に係る先行制御系を用いて応答性を検証した結果を示す。 図４は、第二実施形態に係る先行制御系を示すブロック図である。 図５は、従来のごみ焼却処理施設を示す模式図である。 図６は、従来の単純フィードバック制御系を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。

［ごみ焼却処理施設の全体構成］
図１を用いて、本発明に係るシステム制御装置及びシステム制御方法の一例として適用されるごみ焼却処理施設の全体構成を説明する。

図１に示すように、本発明に係るシステム制御装置及びシステム制御方法の一例として適用されるごみ焼却処理施設１は、焼却炉１０と、廃熱ボイラ２０と、排ガス冷却装置３０と、バグフィルタ４０と、排ガス煙道５０と、誘引通風機６０と、煙突７０と、制御装置８０と薬剤供給装置９０によって構成される。

焼却炉１０は、不定形の一般廃棄物や、産業廃棄物等の廃棄物を焼却処理するものである。本実施形態においては、竪型ごみ焼却炉を例にとって図示しているが、焼却炉１０の形式は、ストーカ炉や流動層炉など、他の形式であってもよい。

焼却炉１０には、一次燃焼空気を供給する一次燃焼空気供給手段１１ａ、二次燃焼空気を供給する二次燃焼空気供給手段１１ｂ、炉内冷却用の冷却水を供給する冷却水供給手段１２等が配設される。これらは、後述する制御装置８０からの信号によって、それぞれの供給量を変化させることができるよう構成される。

廃熱ボイラ２０は、焼却炉１０で廃棄物を焼却処理した際に発生する高温の燃焼排ガスから排熱を回収し、給水を加熱して蒸気を発生するものであり、ボイラ給水を加熱するエコノマイザ、エコノマイザで加熱されたボイラ給水をさらに加熱して蒸発させる蒸発器、及び、蒸発器で発生した蒸気と水分とを気液分離する蒸気ドラム等から構成される。また、廃熱ボイラ２０で発生した蒸気を取り出す主蒸気配管には、蒸気量を検出する蒸気量検出手段２１が配設される。

排ガス冷却装置３０は、廃熱ボイラ２０から排出された燃焼排ガスをバグフィルタ４０に供給可能な温度、好ましくは２００℃以下まで減温するものであり、例えば、冷却水を噴霧して燃焼排ガスを冷却する減温塔等によって構成される。

バグフィルタ４０は、排ガス冷却装置３０で減温された燃焼排ガスをろ過することで、燃焼排ガス中に含まれる煤塵や有害成分を除去するものであって、煤塵や有害成分をろ過するためのろ布を含む。

排ガス煙道５０は、焼却炉１０、廃熱ボイラ２０、排ガス冷却装置３０、バグフィルタ４０等の各装置の間を接続し燃焼排ガスを流通させるための煙道である。焼却炉１０と廃熱ボイラ２０との間における排ガス煙道５０には、燃焼排ガスの温度を検出する排ガス温度検出手段５１、及び、燃焼排ガスの流量を検出する排ガス流量検出手段５２が配設される。なお、このような排ガス温度検出手段５１や排ガス流量検出手段５２は、従来のごみ焼却処理施設にも設置されているものである。

また、バグフィルタ４０入口における排ガス煙道５０には、バグフィルタ４０に流入する燃焼排ガス中に含まれる塩化水素や硫黄酸化物等の酸性ガスの濃度を検出する入口酸性ガス濃度検出手段５３が配設されるとともに、バグフィルタ４０出口における排ガス煙道５０には、バグフィルタ４０から流出する燃焼排ガス中に含まれる酸性ガスの濃度を検出する出口酸性ガス濃度検出手段５４が配設される。

誘引通風機６０は、バグフィルタ４０の下流に配設される通風機であり、バグフィルタ４０で浄化された排ガスを吸引して、煙突７０から排ガスを大気に放出するためのものである。

制御装置８０は、本発明におけるシステム制御装置として機能するものであり、蒸気量検出手段２１で検出された蒸気量、排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度、排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量に基づいて、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０へ供給される燃焼空気流量及び／又は冷却水供給手段１２から焼却炉１０内へ供給される冷却水流量などを制御するものである。また、制御装置８０は、酸性ガス濃度検出手段５３で検出された酸性ガス濃度に基づいて、後述する薬剤供給装置９０から供給される中和剤の供給量の制御を行う。

薬剤供給装置９０は、ガス冷却装置３０とバグフィルタ４０との間における排ガス煙道５０に消石灰等の中和剤を供給するものであり、供給量を調整可能な切り出しホッパ等によって構成される。

〔第一実施形態〕
図２を用いて、第一実施形態におけるシステム制御装置が行う制御について説明する。図２は、第一実施形態におけるシステム制御装置が行う制御における信号の流れを示すブロック図である。なお、図５で説明した従来型の単純フィードバック制御装置５８０と重複する箇所については説明を簡略化または省略し、主に図５と異なる点について説明する。

第一実施形態に係るシステム制御装置においては、本発明における制御対象として焼却炉１０で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラ２０、制御量として廃熱ボイラ２０から発生する蒸気の蒸気量、操作量として焼却炉１０に供給する燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給量が適用され、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量が制御目標値に追従するよう焼却炉１０を操作することで廃熱ボイラ２０のフィードバック制御が行われる。

具体的に説明すると、第一実施形態におけるシステム制御装置で実行される制御のブロック線図は、焼却炉１０の入出力関係について演算を行う焼却炉演算部Ｆ、廃熱ボイラ２０の入出力関係について演算を行う廃熱ボイラ演算部Ｂ、第一調節部Ｃ１、第一比較部８１及び加算部８２に加え、第二調節部Ｃ２及び第二比較部８３によって構成される。

なお、Ｒ（ｓ）は入力、つまり、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値のラプラス変換を、Ｃ（ｓ）は出力、つまり、蒸気量検出手段２１で検出された廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量のラプラス変換を、Ｇ_ｃ１（ｓ）は第一調節部Ｃ１における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｃ２（ｓ）は第二調節部Ｃ２における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｆ（ｓ）は焼却炉１０における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｂ（ｓ）は廃熱ボイラ２０における入力から出力への伝達関数を、Ｄ（ｓ）は外乱のラプラス変換を示す。

第一比較部８１は、図示しない設定器で設定される蒸気量の制御目標値である入力Ｒ（ｓ）と、蒸気量検出手段２１で検出された廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量である出力Ｃ（ｓ）の差分を算出する。

第一調節部Ｃ１は、従来型の単純フィードバック制御装置５８０で示された調節部４Ｃと同様に、第一比較部８１で算出される入力Ｒ（ｓ）と出力Ｃ（ｓ）の差分を入力とし伝達関数Ｇ_ｃ１（ｓ）にしたがって算出される操作量を出力する。このとき第一調節部Ｃ１から出力される操作量を第一操作量ＭＶ１とする。なお、ここで出力される第一操作量ＭＶ１とは、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０内に供給される燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給手段１２から焼却炉１０内に供給される冷却水の供給量に関する信号である。

第二比較部８３は、廃熱ボイラ２０入口において排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度と、排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量とを用いて、図示しない排ガス熱量算出手段によって算出される燃焼排ガスが有する熱量、つまり廃熱ボイラ２０入口における燃焼排ガスの熱量を先行要素とし、その先行要素に対応するプロセス値ＰＶと、第一調節部Ｃ１から出力される第一操作量ＭＶ１との差分を算出するものである。なお、ここでいうプロセス値ＰＶとは、第一操作量ＭＶ１と同様に、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０内に供給される燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給手段１２の冷却水供給量に関する信号であり、燃焼排ガスの熱量から所定のモデルを用いて算出可能である。

加算部８２は、第二比較部８３で算出された第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶとの差分に対し、外乱Ｄ（ｓ）を加算するものである。

第二調節部Ｃ２は、第二比較部８３で算出された、第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶとの差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加算したものを入力とし、伝達関数Ｇ_ｃ２（ｓ）にしたがって算出される操作量を先行ブースト要素として出力する。このとき第二調節部Ｃ２から出力される操作量を第二操作量ＭＶ２とする。第二調節部Ｃ２から出力された第二操作量ＭＶ２は、焼却炉演算部Ｆへの入力となる。

なお、第一調節部Ｃ１及び第二調節部Ｃ２によって調整されるのは、一次燃焼空気供給手段１１ａや二次燃焼空気供給手段１１ｂから焼却炉１０内に供給される燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給手段１２から焼却炉１０内に供給される冷却水の供給量である。

次に、このように構成された第一実施形態に係るシステム制御装置を用いた燃焼制御方法について説明する。

第一実施形態に係るシステム制御装置を用いた燃焼制御方法は、第一調節部Ｃ１において制御目標値と発生蒸気量との差分に基づいて第一操作量ＭＶ１を出力するステップ、焼却炉１０で発生した燃焼排ガスが有する熱量を先行要素として熱量に対応するプロセス値ＰＶを算出するステップ、算出されたプロセス値ＰＶと第一操作量ＭＶ１との差分を出力することで第一操作量ＭＶ１を補正するステップ、加算部８２においてプロセス値ＰＶと第一操作量ＭＶ１との差分に外乱Ｄ（ｓ）を加算するステップ、第二調節部Ｃ２において第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶとの差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加算したものに基づいて第二操作量ＭＶ２を出力するステップ、第二操作量ＭＶ２を焼却炉１０への入力とするステップ、を備える。

このような構成であるため、焼却炉演算部Ｆの出力として、排ガス温度検出手段５１で検出された排ガス温度と排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス流量とを用いて燃焼排ガスの熱量が算出され、燃焼排ガスの熱量に対応する信号は二つに分岐する。熱量に対応する信号の一方は廃熱ボイラ演算部Ｂに対する入力となり、他方は、所定のモデルに基づいて熱量に対応するプロセス値ＰＶに変換される。プロセス値ＰＶは第二比較部８３で第一操作量ＭＶ１との差分として第一操作量ＭＶ１を補正した後、外乱Ｄ（ｓ）が加えられ、第二調節部Ｃ２に対する入力となる。そして第二調節部Ｃ２において第二操作量ＭＶ２が算出され、第二操作量ＭＶ２が焼却炉演算部Ｆに入力される。

この場合、第二調節部Ｃ２は、第一操作量ＭＶ１をプロセス値ＰＶで補正した信号に対するゲインとして機能する。

このように、廃熱ボイラ２０の入口から焼却炉１０の入口に至る一巡伝達関数が構成され、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気の蒸気量の先行要素として燃焼排ガスの熱量を用い、さらに、先行要素にゲインを与えブーストする操作を付加したフィードバック系の制御装置の出力Ｃ（ｓ）は、入力Ｒ（ｓ）及び外乱Ｄ（ｓ）を用いて式（４）のように表される。

第一実施形態に係るシステム制御装置における入出力関係を表した式（４）を、従来型の単純フィードバック制御装置４８０における入出力関係を表した式（１）と比較すると、その違いは、入力Ｒ（ｓ）及び出力Ｃ（ｓ）の分母にＧ_ｃ２（ｓ）Ｇ_ｆ（ｓ）という、廃熱ボイラ２０の伝達関数Ｇ_ｂ（ｓ）に依存しない項が発現する点にある。つまり、廃熱ボイラ２０の大きな時定数Ｔ_ｂに依存しない項の存在により応答性が向上する。すなわち、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気の蒸気量の先行要素として燃焼排ガスの熱量を用いることで、時間遅れを抑制する効果を得ることが出来る。

また、小ループの伝達関数Ｇ_ｆ’（ｓ）は、式（５）のように表される。

式（５）の等価ゲインＫ_ｆ’と等価時定数Ｔ_ｆ’は、Ｋ_ｆ＝１とすると、式（６）のようになる。

ここで、式（６）においては、Ｇ_ｃ２（ｓ）を上げることでＴ_ｆ’が低下するため、好ましい結果となる。また、Ｇ_ｃ２（ｓ）を上げることでＫ_ｆ’は１に近づくため、Ｇ_ｃ２（ｓ）を上げすぎてもゲインが小さくなることがない。また、Ｇ_ｃ１（ｓ）のゲインには影響を与えないので、Ｇ_ｃ２（ｓ）を十分に大きくすることが可能である。

つまり、第一実施形態に係るシステム制御装置においては、小フィードバック回路による前向きのＧ_ｃ２（ｓ）がかかることにより、第一調節部Ｃ１のゲインに影響を与えることなく第二調節部Ｃ２で信号ゲインを上げることができ、その結果、時間遅れを抑制する効果だけでなく、振幅を抑制する効果を同時に得ることが可能となる。

すなわち、廃熱ボイラ２０の時定数の大きさに関わらず、焼却炉１０で発生する燃焼排ガスの熱量に応じた制御を行うことが可能となり、ごみの発熱量等の変動や設定変更に対する応答性を向上させることができる。

図３に、第一実施形態に係るシステム御装置を用いて燃焼制御を行った場合の応答性を検証した結果について示す。図３においては、（Ａ）定常状態から設定を変更した場合、（Ｂ）実際の運転データに基づく外乱を与えた際のランダム応答について検討を行い、それぞれ、従来型の単純フィードバック制御装置５８０を用いて制御を行った場合の結果との比較を行った。また、（ａ）はＧ_ｃ２（ｓ）のゲインＫ_ｐ２を２とした場合、（ｂ）は同ゲインを１０とした場合についての結果を示す。

図３を参照すると、いずれの場合においても、第一実施形態に係るシステム制御装置においては、従来型の単純フィードバック系よりもオーバーシュートの小さい応答が得られていることが確認できる。これは廃熱ボイラ２０の大きな時定数の影響を軽減できた結果である。また、振動幅の小さい応答が得られていることが確認できる。これは、前向きの第二調節部Ｃ２を加えたことで、補正された信号のゲインを上げることができ、その結果、時間遅れを抑制する効果だけでなく、第一調節部Ｃ１のゲインの影響を受けることなくゲインを上げることができた結果である。

第一実施形態に係るシステム制御装置の効果を物理的に説明すると以下のようになる。すなわち、焼却炉１０で発生した燃焼排ガスは所定の温度と所定の流量をもって廃熱ボイラ２０に流入する。燃焼排ガスが有する熱量は、温度と流量とによって算出されるが、焼却炉１０と廃熱ボイラ２０との間における排ガス煙道５０からの熱の流出は無視できるほど小さいため、ごみ燃焼部１０から排出される燃焼排ガスが保有する熱量と廃熱ボイラ２０に流入する燃焼排ガスが保有する熱量は等しい。本実施形態においては、廃熱ボイラ２０に流入する燃焼排ガスが保有する熱量を検知し、その熱量を燃焼空気量などのプロセス値ＰＶに変換したものを蒸気量の先行要素とし、さらに第一調節部Ｃ１から出力される第一操作量ＭＶ１と比較したものに外乱Ｄ（ｓ）を付与したものを前向きの第二調節部Ｃ２の入力とすることで、つまり、蒸気量の変動に先行して燃焼排ガスの熱量の変動に基づいて燃焼空気量及び／又は冷却水量を調節することで、廃熱ボイラ２０の時定数の影響を受けることのない因子を操作量として制御系に加味して、時間遅れの少ない制御系を実現している。その結果、廃熱ボイラ２０から発生する蒸気量の変動を、従来の５％から３％以内に抑制することが可能となる。

このとき、第一調節部Ｃ１から出力される第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶを比較したものに外乱Ｄ（ｓ）を付与したものを入力として所定の伝達関数にしたがって操作量を出力する前向きの調節部を第二調節部Ｃ２として設け、第二調節部Ｃ２から出力される操作量を第二操作量ＭＶ２として焼却炉１０の調節に使用する。

このようにすることで、出力のラプラス変換を入力及び外乱のラプラス変換を用いて立式した際、廃熱ボイラ２０の時定数に依存しない項、及び、第一調節部Ｃ１から影響を受けずに信号ゲインを上げることができる項が発現し、廃熱ボイラ２０の時定数の大きさに依存せず、しかも振動の発生しない応答を得ることが可能となる。

また、ごみの熱量の算出に、排ガス煙道５０における排ガス温度検出手段５１及び排ガス流量検出手段５２で検出された排ガス温度及び排ガス流量を使用するため、従来から設置されている検出手段をそのまま用いて制御を行うことが出来る。つまり、制御のために新たな計測機器を設置することなく、既設の設備を活かして応答性の高い制御を行うことが可能となる。

〔第二実施形態〕
図４を用いて、第二実施形態におけるシステム制御装置が行う制御について説明する。図４は、第二実施形態におけるシステム制御装置が行う制御における信号の流れを示すブロック図である。なお、図５で説明した従来型の単純フィードバック制御装置５８０と重複する箇所については説明を簡略化または省略し、主に図５と異なる点について説明する。

第二実施形態に係るシステム制御装置においては、制御対象としてバグフィルタ４０、制御量としてバグフィルタ４０出口における燃焼排ガス中に含まれる酸性ガス濃度、操作量としてバグフィルタ４０に吹き込む中和剤の供給量が適用され、バグフィルタ４０出口における酸性ガス濃度が制御目標値に追従するよう中和剤の供給量を制御することでバグフィルタ４０のフィードバック制御が行われる。

具体的に説明すると、第二実施形態におけるシステム制御装置で実行される制御のブロック線図は、バグフィルタ４０の入出力関係について演算を行うバグフィルタ演算部ＢＦ、第一調節部Ｃ１、第一比較部８１及び加算部８２に加え、第二調節部Ｃ２及び第二比較部８３によって構成される。

なお、Ｒ（ｓ）は入力、つまり、図示しない設定器で設定される酸性ガス濃度の制御目標値のラプラス変換を、Ｃ（ｓ）は出力、つまり、出口酸性ガス濃度検出手段５４で検出されるバグフィルタ４０出口における酸性ガス濃度のラプラス変換を、Ｇ_ｃ１（ｓ）は第一調節部Ｃ１における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｃ２（ｓ）は第二調節部Ｃ２における入力から出力への伝達関数を、Ｇ_ｂｆ（ｓ）はバグフィルタ４０における入力から出力への伝達関数を、Ｄ（ｓ）は外乱のラプラス変換を示す。

第一比較部８１は、図示しない設定器で設定される酸性ガス濃度の制御目標値である入力Ｒ（ｓ）と、出口酸性ガス濃度検出手段５４で検出された酸性ガス濃度である出力Ｃ（ｓ）の差分を算出する。

第一調節部Ｃ１は、第一比較部８１で算出される入力Ｒ（ｓ）と出力Ｃ（ｓ）の差分を入力とし伝達関数Ｇ_ｃ１（ｓ）にしたがって算出される第一操作量ＭＶ１を出力する。

第二比較部８３は、入口酸性ガス濃度検出手段５３で検出された酸性ガス濃度を先行要素とし、その先行要素に対応するプロセス値ＰＶと、第一調節部Ｃ１から出力される第一操作量ＭＶ１との差分を算出するものである。なお、ここでいうプロセス値とは、薬剤供給装置９０から供給される中和剤の供給量であり、バグフィルタ４０入口における酸性ガス濃度から所定のモデルを用いて算出可能である。

加算部８２は、第二比較部８３で算出された第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶとの差分に対し、外乱Ｄ（ｓ）を加算するものである。

第二調節部Ｃ２は、第二比較部８３で算出された第一操作量ＭＶ１とプロセス値ＰＶとの差分に外乱Ｄ（ｓ）を加えたものを入力とし伝達関数Ｇ_ｃ２（ｓ）にしたがって算出される第二操作量ＭＶ２を先行ブースト要素として出力する。

なお、第一調節部Ｃ１及び第二調節部Ｃ２によって調整されるのは、薬剤供給装置９０から供給される中和剤の供給量である。

次に、このように構成された第二実施形態に係るシステム制御装置を用いた制御方法について説明する。

第二実施形態に係るシステム制御装置を用いた制御方法は、第一調節部Ｃ１において制御目標値と出口酸性ガス濃度との差分に基づいて第一操作量ＭＶ１を出力するステップ、焼却炉で発生した燃焼排ガスが有する酸性ガス濃度を先行要素として中和剤の供給量に相当するプロセス値ＰＶを算出するステップ、算出されたプロセス値ＰＶと第一操作量ＭＶ１との差分を出力するステップ、プロセス値ＰＶと第一操作量ＭＶ１との差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加えるステップ、プロセス値ＰＶと第一操作量ＭＶ１との差分に対し外乱Ｄ（ｓ）を加えたものに基づいて第二調節部Ｃ２において第二操作量ＭＶ２を出力するステップ、第二操作量ＭＶ２をバグフィルタ４０への入力とするステップ、を備える。

このような構成であるため、バグフィルタ４０入口における燃焼排ガス中の酸性ガス濃度が入口酸性ガス濃度検出手段５３で検出され、入口酸性ガス濃度に対応する信号は二つに分岐する。入口酸性ガス濃度に対応する信号の一方はバグフィルタ演算部ＢＦに対する入力となり、他方は、所定のモデルに基づいて中和剤供給量に相当するプロセス値ＰＶに変換され、さらに第一操作量ＭＶ１との差分を取った後に外乱Ｄ（ｓ）が加えられ、第二調節部Ｃ２に対する入力となる。そして第二調節部Ｃ２において第二操作量ＭＶ２が算出され、バグフィルタ演算部ＢＦに入力される。

このようにすることで、第一実施形態と同様に、小フィードバック回路による前向きのＧ_ｃ２（ｓ）がかかることにより、第一調節部Ｃ１のゲインに影響を与えることなく第二調節部Ｃ２で信号ゲインを上げることができ、その結果、時間遅れを抑制する効果だけでなく、振幅を抑制する効果を同時に得ることが可能な制御方法を提供することができる。

すなわち、バグフィルタ４０の時定数の大きさに関わらず、焼却炉１０で発生する燃焼排ガスの酸性ガス濃度に応じた制御を行うことが可能となり、酸性ガス濃度の変動や設定変更に対する応答性を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述したこれらの実施形態に限るものではない。また、本発明の実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、第一実施形態における焼却炉１０は、その下流に廃熱ボイラ２０を備えるものであれば、ストーカ式、流動層式、キルン式等、任意の形式の焼却炉が用いられる。

また、廃熱ボイラ２０は焼却炉１０と別体のものである必要はなく、焼却炉１０の炉壁を水管で構成してボイラ構造とした焼却炉・ボイラ一体型のものも本願発明に含み得る。その場合、熱量を計算するための温度を検出する位置は、二次燃焼空気を吹き込む位置の下流で、排ガスと二次燃焼空気が混合された位置であればよい。

また、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換しても良い。

この発明のシステム制御装置及び制御方法は、ごみ焼却処理施設のみならず、例えばガスタービン、モータ、高炉、化学プラント等、大きな時定数を有する制御対象を備える各種システムに適用することができる。

１ ごみ焼却処理施設
１０ 焼却炉
１１ａ 一次燃焼空気供給手段
１１ｂ 二次燃焼空気供給手段
１２ 冷却水供給手段
２０ 廃熱ボイラ
２１ 蒸気量検出手段
３０ 排ガス冷却装置
４０ バグフィルタ
５０ 排ガス煙道
５１ 排ガス温度検出手段
５２ 排ガス流量検出手段
５３ 入口酸性ガス濃度検出手段
５４ 出口酸性ガス濃度検出手段
６０ 誘引通風機
７０ 煙突
８０ 燃焼制御装置
８１ 第一比較部
８２ 加算部
８３ 第二比較部
Ｃ１ 第一調節部
Ｃ２ 第二調節部
９０ 薬剤供給装置

Claims (4)

1. 所定の操作量を入力することで所定の制御量を出力する制御対象と、前記操作量を調節して前記制御量の調整を行うシステム制御装置であって、前記制御対象から出力される制御量が制御目標値に追従するよう前記制御対象のフィードバック制御を行うシステム制御装置において、
   前記制御目標値と前記制御対象から出力された制御量との差分に基づいて第一操作量を出力する第一調節部と、
   前記制御対象入口において検出され前記制御量を予測可能な物理量であって前記制御対象に対する入力となる物理量を前記第一操作量と比較した信号に対し、さらに信号ゲインを上げる第二調節部を備えた、
   システム制御装置。
2. 前記制御対象として焼却炉で発生した燃焼排ガスの排熱を利用して蒸気を発生させる廃熱ボイラ、前記制御量として前記廃熱ボイラから発生する蒸気の蒸気量、前記操作量として前記焼却炉に供給する燃焼空気の空気量及び／又は冷却水供給量が用いられ、
   前記物理量として前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスが有する熱量を、前記廃熱ボイラ入口における燃焼排ガスの温度と流量とから算出する、
   請求項１に記載のシステム制御装置。
3. 前記制御対象として燃焼排ガス中に含まれる煤塵や有害成分を除去するバグフィルタ、前記制御量として前記バグフィルタから流出する燃焼排ガス中に含まれる酸性ガス濃度、前記操作量として前記バグフィルタに吹き込む中和剤の供給量が用いられ、
   前記物理量として前記バグフィルタに流入する燃焼排ガス中に含まれる酸性ガス濃度が用いられる、
   請求項１に記載のシステム制御装置。
4. 所定の操作量を入力することで所定の制御量を出力する制御対象と、前記操作量を調節して前記制御量の調整を行うシステム制御方法であって、前記制御対象から出力される制御量が制御目標値に追従するよう前記制御対象のフィードバック制御を行うシステム制御方法において、
   前記制御目標値と前記制御対象から出力された制御量との差分に基づいて第一操作量を出力するステップと、
   前記制御対象入口において検出され前記制御量を予測可能な物理量であって前記制御対象に対する入力となる物理量を前記第一操作量と比較した信号に対し、さらに信号ゲインを上げるステップを備えた、
   システム制御方法。

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