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JP5411779B2 - Temperature control device for sludge incinerator and temperature control method for sludge incinerator - Google Patents

Temperature control device for sludge incinerator and temperature control method for sludge incinerator Download PDF

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JP5411779B2
JP5411779B2 JP2010083242A JP2010083242A JP5411779B2 JP 5411779 B2 JP5411779 B2 JP 5411779B2 JP 2010083242 A JP2010083242 A JP 2010083242A JP 2010083242 A JP2010083242 A JP 2010083242A JP 5411779 B2 JP5411779 B2 JP 5411779B2
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Description

この発明は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法に関するものである。   This invention has a sand layer part and a free board part, burns the sludge supplied to the sand layer part, and further burns in the free board part. Temperature control device for fluidized bed sludge incinerator and sludge incinerator This relates to a temperature control method.

従来から、汚泥等の被焼却物を効率よく、確実かつ短時間に完全燃焼させる焼却炉として流動床焼却炉が多用されている。この流動床焼却炉は、流動層に、ノズルを介して流動・燃焼用空気を吹き込んでこの流動層を構成する砂層を流動させ、砂層の流層と砂の優れた伝熱特性を利用して被焼却物を解砕・ガス化させるとともに、発生したガスを燃焼させる燃焼室であるフリーボードを有する。   Conventionally, fluidized bed incinerators are frequently used as incinerators that efficiently and reliably burn incinerated materials such as sludge in a short time. In this fluidized bed incinerator, fluidized / combustion air is blown into a fluidized bed through a nozzle to cause the sandy layer constituting the fluidized bed to flow, utilizing the excellent heat transfer characteristics of the sanded layer and the sand. It has a free board which is a combustion chamber for crushing and gasifying the incinerated material and burning the generated gas.

特開平10−232014号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-233201 国際公開2009/060885号International Publication No. 2009/060885

ところで、近年の環境問題に対応するため、汚泥焼却炉から排出されるNOなどの温室効果ガスを低減することが要望されている。この温室効果ガスの低減を図るためには、フリーボード部の温度を高め、完全燃焼の度合いを高めることが有効である。たとえば、フリーボード部の温度を800℃から850℃に上げることによって温室効果ガスは、約7割低減する。一方、砂層部の温度は、燃焼が保たれるように一定温度以上に維持する必要があり、そのために燃料の増加をする必要があった。 By the way, in order to cope with recent environmental problems, it is desired to reduce greenhouse gases such as N 2 O discharged from the sludge incinerator. In order to reduce the greenhouse gas, it is effective to increase the temperature of the free board portion and increase the degree of complete combustion. For example, the greenhouse gas is reduced by about 70% by raising the temperature of the free board portion from 800 ° C. to 850 ° C. On the other hand, the temperature of the sand layer portion needs to be maintained at a certain temperature or higher so that combustion is maintained, and therefore it is necessary to increase the fuel.

ここで、従来のPID制御では単一の目標値に対してのみしか制御できないため、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を高温に維持しようとする複数の目標値がある場合、カスケード制御などによって温度制御が行われるが、この場合、燃料の流量と流動空気の風量とが干渉し、過剰な流動空気の供給による燃料の過剰供給が生じたり、砂層部の温度低下による燃焼停止が発生する場合があり、安定した燃焼制御を行うことができない場合があった。   Here, since the conventional PID control can be controlled only for a single target value, a plurality of target values for maintaining the temperature of the freeboard portion at a high temperature while maintaining the temperature of the sand layer portion at a constant temperature. If there is, temperature control is performed by cascade control, etc., but in this case, the flow rate of fuel interferes with the flow rate of flowing air, and excessive supply of fuel due to excessive supply of flowing air occurs, or the temperature of the sand layer part There is a case where the combustion stop due to the lowering may occur, and the stable combustion control may not be performed.

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、砂層部の温度を目的の一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を目的の高温に維持する温度制御を精度高く安定して行うことができる汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and accurately and stably performs temperature control for maintaining the temperature of the free board portion at the target high temperature while maintaining the temperature of the sand layer portion at the target constant temperature. An object of the present invention is to provide a temperature control device for a sludge incinerator and a temperature control method for a sludge incinerator.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、汚泥性状情報と、前記汚泥焼却炉から排出される酸素濃度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および/または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, a temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention has a sand layer part and a free board part, and burns sludge supplied to the sand layer part, A temperature control device for a fluidized bed sludge incinerator that further combusts in the freeboard section, the temperature of the sand layer section, the temperature of the freeboard section, sludge property information, and discharged from the sludge incinerator. The oxygen concentration, the flow rate of fuel supplied to the lower part of the sand layer part, the air volume of the flowing air supplied to the sand layer part, and the air quantity of air supplied to the middle part of the free board and the upper part of the free board. As a control input, the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air are set as control outputs, and under the constraint conditions that the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flow air and the supply air are within a predetermined range, And performing model predictive control serial sand unit and each temperature of the free board section as different target values.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論風量との合計理論風量に対して、砂層下部より供給する流動空気およびフリーボード中部より供給する空気の空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。   Further, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the constraint condition is that a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the sludge and a theoretical air volume of air necessary for the combustion of the fuel are determined. The air ratio of the flowing air supplied from the lower part of the sand layer and the air supplied from the middle part of the free board is set within a predetermined range with respect to the total theoretical air volume.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。   The temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention is the above-described invention, wherein the value of the evaluation function indicating the prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air, which is the control output, is a minimum when it is less than a predetermined value. Model predictive control is performed so that

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の2乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。   Moreover, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, when the minimum value of the evaluation function is obtained under the constraint condition, the element of the evaluation function is outside the constraint condition, A penalty function in which an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to widen the predetermined range of the constraint condition, the expanded constraint condition is used as a modified constraint condition, and the square of the allowable error is multiplied by a predetermined weight A function obtained by adding to the evaluation function is a modified evaluation function, and the minimum value of the modified evaluation function is obtained under the modification constraint condition.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置は、上記の発明において、前記砂層部の温度および/または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。   Further, in the temperature control device for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, and each different temperature is targeted. Model predictive control is performed as a value.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、汚泥性状情報と、前記汚泥焼却炉から排出される酸素濃度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および/または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。   Further, the temperature control method of the sludge incinerator according to the present invention comprises a fluidized bed type having a sand layer part and a free board part, burning the sludge supplied to the sand layer part, and further combusting in the free board part. A temperature control method for a sludge incinerator, the temperature of the sand layer part, the temperature of the free board part, sludge property information, the oxygen concentration discharged from the sludge incinerator, and supplied to the lower part of the sand layer part The control input includes the flow rate of the fuel, the flow rate of the flowing air supplied to the sand layer portion, and the flow rate of the air supplied to the middle portion of the freeboard and the upper portion of the freeboard. The flow rate of the supply air and the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are controlled within the predetermined range, and each of the sand layer portion and the freeboard portion is controlled. Degrees and performing a model predictive control as different target values.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な空気の理論流量と前記燃料の燃焼に必要な空気の理論流量との合計理論流量に対する空気の実流量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする。   Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the constraint condition is that a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the sludge and a theoretical flow rate of air necessary for the combustion of the fuel are determined. An air ratio that is a ratio of an actual air flow rate to a total theoretical flow rate is set within a predetermined range.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気及び供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする。   Also, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the value of the evaluation function indicating the prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air as the control output is a predetermined value. The model predictive control is performed so as to be minimized below.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の2乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする。   Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, when the minimum value of the evaluation function is obtained under the constraint condition, the element of the evaluation function is outside the constraint condition, A penalty function in which an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to widen the predetermined range of the constraint condition, the expanded constraint condition is used as a modified constraint condition, and the square of the allowable error is multiplied by a predetermined weight A function obtained by adding to the evaluation function is a modified evaluation function, and the minimum value of the modified evaluation function is obtained under the modification constraint condition.

また、この発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御方法は、上記の発明において、前記砂層部の温度および/または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする。   Further, in the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention, in the above invention, the temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, and each different temperature is targeted. Model predictive control is performed as a value.

この発明によれば、砂層部の温度と、フリーボード部の温度と、汚泥性状情報と、前記汚泥焼却炉から排出される酸素濃度と、砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、燃料の流量および流動空気及び供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および/または前記流動空気及び供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うようにしているので、砂層部の温度を一定温度に維持しつつ、フリーボード部の温度を独立して高温に維持する温度制御を精度高く安定して行うことができるとともに、酸素濃度から求まる空気比を一定に制御できるので、一層、温室効果ガスの生成を抑えることができ、さらには、燃料の流量および流動空気の風量を少なくすることができるので、一層、燃料の使用量を低減することができる。   According to this invention, the temperature of the sand layer part, the temperature of the free board part, the sludge property information, the oxygen concentration discharged from the sludge incinerator, the flow rate of the fuel supplied to the lower part of the sand layer part, and the sand layer The flow rate of flowing air supplied to the part, the air volume of air supplied to the free board middle part and the upper part of the free board as control inputs, the flow rate of fuel and the flow rate of flowing air and supply air as control outputs, Model predictive control is performed by setting each temperature of the sand layer portion and the freeboard portion as different target values under the constraint condition that the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are within a predetermined range. Therefore, while maintaining the temperature of the sand layer portion at a constant temperature, temperature control for maintaining the temperature of the free board portion independently at a high temperature can be performed with high accuracy and stability. Since the air ratio obtained from the oxygen concentration can be controlled to be constant, the generation of greenhouse gases can be further suppressed, and further, the flow rate of fuel and the flow rate of flowing air can be reduced, so that the amount of fuel The amount used can be reduced.

図1は、この発明の実施の形態1にかかる制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sludge combustion system including a control device according to Embodiment 1 of the present invention. 図2は、制御装置内におけるモデル予測演算処理を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing model prediction calculation processing in the control device. 図3は、モデル予測演算処理における評価関数の最適値演算を説明する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the optimum value calculation of the evaluation function in the model prediction calculation process. 図4は、モデル予測制御による測定結果を示すタイムチャートである。FIG. 4 is a time chart showing measurement results by model predictive control. 図5は、図4に示した状態における汚泥の含水率の変化を示すタイムチャートである。FIG. 5 is a time chart showing changes in the moisture content of the sludge in the state shown in FIG. 図6は、図4に示した砂層中部温度とフリーボード中部温度の変化を拡大して示したタイムチャートである。FIG. 6 is an enlarged time chart showing changes in the sand layer middle temperature and the freeboard middle temperature shown in FIG. 図7は、従来の制御結果と本発明の実施の形態1によるモデル予測演算処理結果の具体的な比較結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a specific comparison result between the conventional control result and the model prediction calculation processing result according to the first embodiment of the present invention. 図8は、この発明の実施の形態2による評価関数の最適化演算処理手順を示すフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart showing an optimization function processing procedure for evaluation function according to the second embodiment of the present invention.

以下、図面を参照して、この発明を実施するための形態である汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法について説明する。   Hereinafter, a temperature control device for a sludge incinerator and a temperature control method for a sludge incinerator, which are embodiments for carrying out the present invention, will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置である制御装置を含む汚泥燃焼システムの概要構成を示す模式図である。図1に示すように、この汚泥燃焼システム1は、汚泥焼却炉2を有する。汚泥焼却炉2は、略円筒形状をなし、炉内には、流動床を形成する砂層部5と、砂層部5の上部空間であるフリーボード中部3と、フリーボード中部3の上部空間であるフリーボード上部4とを有する。
(Embodiment 1)
1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a sludge combustion system including a control device that is a temperature control device of a sludge incinerator according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the sludge combustion system 1 has a sludge incinerator 2. The sludge incinerator 2 has a substantially cylindrical shape, and in the furnace is a sand layer portion 5 that forms a fluidized bed, a freeboard middle portion 3 that is an upper space of the sand layer portion 5, and an upper space of the freeboard middle portion 3. And a free board upper part 4.

フリーボード中部3には、汚泥流量検出器20および含水率測定器9を有する汚泥性状検出器8、および汚泥供給部11を介して、脱水された汚泥である汚泥10が供給される。砂層部5には、バルブ41、燃料流量検出器21、および燃料供給部13を介して燃料12が供給される。なお、バルブ41は、燃料流量調節器31によって、燃料流量検出器21によって検出された燃料流量が制御装置Cから指示された制御量となるように開度制御される。   Sludge 10 which is dehydrated sludge is supplied to the freeboard middle portion 3 through a sludge property detector 8 having a sludge flow rate detector 20 and a moisture content measuring device 9 and a sludge supply portion 11. Fuel 12 is supplied to the sand layer portion 5 through a valve 41, a fuel flow rate detector 21, and a fuel supply portion 13. The opening degree of the valve 41 is controlled by the fuel flow rate regulator 31 so that the fuel flow rate detected by the fuel flow rate detector 21 becomes the control amount instructed from the control device C.

汚泥性状検出器8は、汚泥の性状を検出し、汚泥性状情報として出力する。汚泥性状情報には、含水率、固形分、発熱量などが含まれる。ここで、汚泥の固形分は、固形分=汚泥流量×(1−含水率)で求められる。また、この固形分の組成成分分析結果から燃焼分が得られ、発熱量を得ることができる。汚泥流量は、汚泥流量検出器20によって得られ、含水率は、含水率測定器9によって得られる。したがって、汚泥性状検出器8は、少なくとも汚泥流量と含水率とを得ることができ、これらから固形分を得るいことができる。また、汚泥性状検出器8は、固形分の組成成分分析を行う図示しない組成成分分析器を有し、燃焼分の発熱量を得ることができる。なお、含水率測定器9は、たとえば、汚泥にマイクロ波を照射し、その透過度をもとに含水率を求める。具体的には、予め作成されたマイクロ波透過強度と汚泥の含水率との相関関係を示す検量線を用いて含水率を求める。   The sludge property detector 8 detects the property of sludge and outputs it as sludge property information. The sludge property information includes moisture content, solid content, calorific value and the like. Here, the solid content of the sludge is obtained by solid content = sludge flow rate × (1−water content). In addition, the combustion component can be obtained from the analysis result of the solid component, and the calorific value can be obtained. The sludge flow rate is obtained by the sludge flow rate detector 20, and the moisture content is obtained by the moisture content measuring device 9. Therefore, the sludge property detector 8 can obtain at least the sludge flow rate and the moisture content, and can obtain the solid content therefrom. Moreover, the sludge property detector 8 has a composition component analyzer (not shown) that analyzes the composition component of the solid content, and can obtain a calorific value for the combustion. The moisture content measuring device 9 irradiates the sludge with microwaves, for example, and obtains the moisture content based on the permeability. Specifically, the moisture content is determined using a calibration curve that shows the correlation between the microwave transmission intensity and the moisture content of the sludge prepared in advance.

砂層部5、フリーボード中部3、フリーボード上部4には、それぞれ1次空気16、2次空気17、3次空気18が供給される。流動ブロア14は、流動空気15の風量を検出する流動空気検出器15を介して流動空気15を熱交換器19に供給する。熱交換器19は、流入した流動空気15を所定温度に加温してバルブ42,43,44に分岐出力する。1次空気温度調節器32は、制御装置Cから指示された制御量の1次空気16を砂層部5に供給するように、1次空気風量検出器22の検出結果をもとにバルブ42の開度制御を行う。また、2次空気温度調節器33は、制御装置Cから指示された制御量の2次空気17をフリーボード中部3に供給するように、2次空気風量検出器23の検出結果をもとにバルブ43の開度制御を行う。さらに、3次空気温度調節器34は、制御装置Cから指示された制御量の3次空気18をフリーボード上部4に供給するように、3次空気風量検出器24の検出結果をもとにバルブ44の開度制御を行う。なお、流動ブロア14の上流側には、バルブ51が設けられる。流動空気調整器50は、流動空気検出器25の検出結果をもとに制御装置Cから指示された制御量の流動空気15を供給するようにバルブ51の開度制御を行う。ここで、流動空気調節器50は、制御装置Cからの制御量ではなく、予め設定された一定の流動空気風量となるように、バルブ51を開度制御してもよい。これは、1次空気16、2次空気17、および3次空気18が、それぞれ1次空気風量調節器32、2次空気風量調節器33、および3次空気風量調節器34によって調整可能であるからである。   Primary air 16, secondary air 17, and tertiary air 18 are supplied to the sand layer portion 5, the freeboard middle portion 3, and the freeboard upper portion 4, respectively. The fluid blower 14 supplies the fluid air 15 to the heat exchanger 19 via the fluid air detector 15 that detects the air volume of the fluid air 15. The heat exchanger 19 heats the flowing flowing air 15 to a predetermined temperature and branches and outputs it to the valves 42, 43 and 44. The primary air temperature controller 32 controls the valve 42 based on the detection result of the primary air flow rate detector 22 so as to supply the controlled air C 16 instructed by the controller C to the sand layer 5. Opening control is performed. Further, the secondary air temperature controller 33 is based on the detection result of the secondary air flow rate detector 23 so as to supply the secondary air 17 of the control amount instructed from the control device C to the freeboard middle part 3. The opening degree of the valve 43 is controlled. Further, the tertiary air temperature regulator 34 is based on the detection result of the tertiary air flow rate detector 24 so as to supply the controlled air tertiary air 18 instructed by the control device C to the freeboard upper part 4. The opening degree of the valve 44 is controlled. A valve 51 is provided on the upstream side of the flow blower 14. The flowing air regulator 50 controls the opening degree of the valve 51 so as to supply the controlled amount of flowing air 15 instructed from the control device C based on the detection result of the flowing air detector 25. Here, the flow air regulator 50 may control the opening degree of the valve 51 so that the flow rate is not a control amount from the control device C but a predetermined constant flow air flow rate. This is because the primary air 16, the secondary air 17, and the tertiary air 18 can be adjusted by the primary air volume regulator 32, the secondary air volume regulator 33, and the tertiary air volume regulator 34, respectively. Because.

ここで、フリーボード中部3には、複数の温度検出部として5つの熱電対からなる熱電対群26bが分散配置される。また、フリーボード上部4には、複数の温度検出部として5つの熱電対からなる熱電対群26cが分散配置される。さらに、砂層部5には、複数の温度検出部として5つの熱電対からなる熱電対群26aが分散配置される。   Here, a thermocouple group 26b composed of five thermocouples is dispersedly arranged as a plurality of temperature detectors in the freeboard middle part 3. In the free board upper part 4, a thermocouple group 26c composed of five thermocouples is distributed as a plurality of temperature detection units. Furthermore, in the sand layer portion 5, thermocouple groups 26 a made up of five thermocouples are dispersedly arranged as a plurality of temperature detection portions.

汚泥焼却炉2は、フリーボード中部3において、フリーボード中部3に供給された汚泥10を、砂層部5から供給される燃料12および1次空気16と、フリーボード中部3に供給される2次空気17とによって燃焼する。さらに、フリーボード上部4では、フリーボード中部3で不完全燃焼のものを、3次空気18を用いて完全燃焼させるようにする。このフリーボード上部4によって燃焼されたガスは、排ガス28として炉外に排出される。   In the sludge incinerator 2, the sludge 10 supplied to the freeboard middle part 3 in the freeboard middle part 3 is supplied with the fuel 12 and the primary air 16 supplied from the sand layer part 5 and the secondary supplied to the freeboard middle part 3. It burns with air 17. Further, in the freeboard upper part 4, the incompletely burned part in the freeboard middle part 3 is completely burned using the tertiary air 18. The gas burned by the free board upper part 4 is discharged out of the furnace as the exhaust gas 28.

この排ガス28に含まれる酸素は、酸素濃度検出器29によって検出される。なお、排ガス28は、図示しないダクトを介して排出され、酸素濃度検出器29は、このダクト内に設けられる。ここで、ダクトの途中にサイクロン集塵機あるいはろ過式集塵機が設けられる場合、このサイクロン集塵機あるいはろ過式集塵機の前段に設けることが好ましい。サイクロン集塵機やろ過式集塵機の後段は、粉塵や灰などが取り除かれているため、酸素濃度検出器29が粉塵や灰に覆われることがなく、酸素濃度検出器29の寿命を延ばすことができるからである。   Oxygen contained in the exhaust gas 28 is detected by an oxygen concentration detector 29. The exhaust gas 28 is discharged through a duct (not shown), and the oxygen concentration detector 29 is provided in this duct. Here, when a cyclone dust collector or a filtration type dust collector is provided in the middle of the duct, it is preferable to provide it before the cyclone dust collector or the filtration type dust collector. Since the latter part of the cyclone dust collector and the filtration type dust collector has dust and ash removed, the oxygen concentration detector 29 is not covered with dust and ash, and the life of the oxygen concentration detector 29 can be extended. It is.

ここで、制御装置Cには、汚泥性状検出器8、燃料流量検出器21、1次空気風量検出器22、2次空気風量検出器23、3次空気風量検出器24、流動空気検出器25、酸素濃度検出器29からそれぞれ、汚泥性状情報、汚泥流量、燃料流量、1次空気風量、2次空気風量、3次空気風量、流動空気風量、酸素濃度が入力されるとともに、熱電対群26a〜26cからそれぞれ砂層中部温度、フリーボード中部温度、およびフリーボード上部温度が入力され、制御装置Cは、燃料流量調節器31、1次空気風量調節器32、2次空気風量調節器33、3次空気風量調節器34に、それぞれ制御量としての燃料流量、1次空気風量、2次空気風量、3次空気風量を出力する。   Here, the control device C includes a sludge property detector 8, a fuel flow rate detector 21, a primary air flow rate detector 22, a secondary air flow rate detector 23, a tertiary air flow rate detector 24, and a flowing air detector 25. The oxygen concentration detector 29 inputs sludge property information, sludge flow rate, fuel flow rate, primary air flow rate, secondary air flow rate, tertiary air flow rate, flowing air flow rate, oxygen concentration, and thermocouple group 26a. To 26c, the sand layer middle temperature, the freeboard middle temperature, and the freeboard upper temperature are inputted, respectively, and the control device C controls the fuel flow rate regulator 31, the primary air volume regulator 32, and the secondary air volume regulators 33, 3 The fuel flow rate, the primary air flow rate, the secondary air flow rate, and the tertiary air flow rate are output to the secondary air flow rate regulator 34 as control amounts, respectively.

制御装置Cは、入力された砂層部中部温度とフリーボード中部温度とフリーボード上部温度がそれぞれ設定された温度に保たれ、酸素濃度(空気比)が一定範囲内に収まり、燃料流量、1次空気風量、2次空気風量、3次空気風量が少なくなるように、モデル予測制御を行い、各流量・風量の制御値を、それぞれ燃料流量検出器21、1次空気風量検出器22、2次空気風量検出器23、3次風量検出器24にそれぞれ出力する。燃料流量検出器21、1次空気風量検出器22、2次空気風量検出器23、3次風量検出器24は、それぞれ入力された各制御値をもとに、PID制御によるフードバック制御を各別に行う。   In the control device C, the input sand layer middle temperature, freeboard middle temperature, and freeboard upper temperature are maintained at the set temperatures, the oxygen concentration (air ratio) is within a certain range, the fuel flow rate, the primary Model predictive control is performed so that the air flow rate, the secondary air flow rate, and the tertiary air flow rate are reduced, and the control values of each flow rate and air flow are respectively set to the fuel flow rate detector 21, the primary air flow rate detector 22, and the secondary air flow rate. It outputs to the air volume detector 23 and the tertiary volume detector 24, respectively. The fuel flow rate detector 21, the primary air flow rate detector 22, the secondary air flow rate detector 23, and the tertiary air flow rate detector 24 perform food back control by PID control based on the input control values. Do it separately.

制御装置Cは、図2に示すようにモデル予測演算部100を有し、このモデル予測演算部100がモデル予測制御を行う。なお、モデル予測制御とは、システムのモデルをもとに未来の出力や状態を予測し、一定時刻毎に最適制御問題を解き、その時刻での入力を決定する制御である。また、現代制御特有の多入力・多出力制御を可能にし、制御量の干渉を生じさせることがない。特に、このモデル予測制御は、制約条件を容易に記述できることから、制約条件を扱うことができる制御方法として注目されている。この汚泥焼却炉2の制御を行う場合、燃料および空気の各供給量が、炉のサイズなどに大きく依存する未知の制御量であり、この場合、燃焼停止などの問題が生じないような大枠としての制約条件として、燃料および空気の各供給量を当てはめ、フリーボード中部3、フリーボード上部4、および砂層部5の複数の温度目標値を一定温度に保ち、かつ酸素濃度から求まる空気比を一定範囲内に収めつつ、燃料12および空気の各供給量が少なくなるようにモデル予測制御することができる。   The control device C includes a model prediction calculation unit 100 as shown in FIG. 2, and the model prediction calculation unit 100 performs model prediction control. Note that model predictive control is control that predicts future outputs and states based on a system model, solves an optimal control problem at fixed time intervals, and determines an input at that time. Moreover, the multi-input / multi-output control peculiar to the modern control is enabled, and the interference of the control amount does not occur. In particular, this model predictive control is attracting attention as a control method capable of handling the constraint conditions because the constraint conditions can be easily described. When this sludge incinerator 2 is controlled, the supply amounts of fuel and air are unknown control amounts that greatly depend on the size of the furnace, etc. As a constraint condition, the respective supply amounts of fuel and air are applied, a plurality of temperature target values of the freeboard middle part 3, the freeboard upper part 4 and the sand layer part 5 are maintained at a constant temperature, and the air ratio obtained from the oxygen concentration is constant. The model predictive control can be performed so that the respective supply amounts of the fuel 12 and the air are reduced while being within the range.

モデル予測演算部100は、予めこの汚泥燃焼システム1の動的モデルを生成しておく。精密な物理モデルの構築は困難であるため、ここでは、ステップ応答モデルを生成する。ステップ応答モデルは、ステップ入力した場合のステップ応答を飽和するまでの時間と値で表現する。この実施の形態では、熱電対群26aによって検出される5つの砂層部中部温度、熱電対群26bによって検出される5つのフリーボード中部温度、熱電対群26cによって検出される5つのフリーボード上部温度、酸素濃度111から求まる空気比、汚泥性状情報112、1次空気16の風量、2次空気17の風量、3次空気の風量、燃料12の流量に対するステップ応答モデルを生成する。   The model prediction calculation unit 100 generates a dynamic model of the sludge combustion system 1 in advance. Since it is difficult to construct a precise physical model, a step response model is generated here. The step response model is expressed by time and value until the step response when the step input is saturated. In this embodiment, the five middle sand layer temperatures detected by the thermocouple group 26a, the five freeboard middle temperatures detected by the thermocouple group 26b, and the five freeboard upper temperatures detected by the thermocouple group 26c. Then, a step response model is generated for the air ratio obtained from the oxygen concentration 111, the sludge property information 112, the air volume of the primary air 16, the air volume of the secondary air 17, the air volume of the tertiary air, and the flow rate of the fuel 12.

さらに、モデル予測演算部100は、このステップ応答モデルに、空気比の制約条件を記述しておく。上述したように、燃料および空気の制御量は未知のものであり、この燃料および空気を制御するにあたり、空気比の制約条件をステップ応答モデルに記述しておく。ここで、空気比とは、燃料を完全燃焼させる必要最低限の理論空気量Aと実際に供給されている空気量Bの比であり、たとえば、空気比AFRは、
AFR=fair/(ηcake・fcake+ηfuel・ffuel)
として示される。ここで、ηcakeは、汚泥を完全燃焼させるに必要な汚泥理論空気比であり、fcakeは、汚泥の流量であり、ηfuelは、燃料を完全燃焼させるに必要な燃料理論空気比であり、ffuelは、燃料の流量である。そして、空気比AFRは、上限空気比rmaxと下限空気比rminとの範囲内に収まる制約条件が記載される。
Further, the model prediction calculation unit 100 describes the air ratio constraint condition in the step response model. As described above, the control amounts of the fuel and air are unknown, and the constraint condition of the air ratio is described in the step response model when controlling the fuel and air. Here, the air ratio is the ratio of the minimum required theoretical air amount A for completely burning the fuel to the actually supplied air amount B. For example, the air ratio AFR is:
AFR = fair / (ηcake · fcake + ηfuel · ffuel)
As shown. Here, ηcake is a sludge theoretical air ratio necessary for complete combustion of sludge, fcake is a sludge flow rate, ηfuel is a fuel theoretical air ratio necessary for complete combustion of fuel, and ffuel is , The fuel flow rate. In the air ratio AFR, a constraint condition that falls within the range between the upper limit air ratio rmax and the lower limit air ratio rmin is described.

ここで、空気比AFRは、排ガス28内の酸素濃度112を検出することによって直接求められる。また、fcakeは、汚泥の流量であるが、上述したように、固形分=汚泥流量×(1−含水率)で求められ、さらにこの固形分の組成分析を行うことによって燃焼分を精度高く知ることができる。この燃焼分は、汚泥性状情報112から求められる。すなわち、モデル予測演算部100内には、温度制御のモデル予測演算制御に、酸素濃度112から求められる空気比が、制約条件下、一定範囲内の空気比となる制御が組み込まれ、汚泥性状情報112をもとに燃料の流量および空気の風量を制御するという多変数制御を行う。   Here, the air ratio AFR is obtained directly by detecting the oxygen concentration 112 in the exhaust gas 28. Further, fcake is the flow rate of sludge, and as described above, it is obtained by solid content = sludge flow rate × (1−water content), and further, by analyzing the composition of the solid content, the combustion content is known with high accuracy. be able to. The amount of combustion is obtained from the sludge property information 112. That is, the model prediction calculation unit 100 incorporates control in which the air ratio obtained from the oxygen concentration 112 becomes an air ratio within a certain range under the constraint conditions in the model prediction calculation control of the temperature control. Based on 112, multivariable control is performed in which the flow rate of fuel and the air volume of air are controlled.

モデル予測演算部100は、このモデルをもとに、モデル予測演算を行うが、このモデル予測演算を行うために、図2に示すように、まず、5つの砂層部中部温度、5つのフリーボード中部温度、および5つのフリーボード上部温度の設定温度値101を入力する。また、上述した制約条件の条件値である制約条件102を入力する。たとえば、上述した空気比の上限値および下限値である。ここで、設定温度値101と同様に酸素濃度(空気比)設定値を入力するようにしてもよいが、ここでは制約条件102内に空気比の一定範囲として設定している。また、制約条件102として燃料の流量および空気の風量が所定範囲とする条件を設定している。なお、たとえば、フリーボード上部温度の上限値を制約条件として入力してもよい。さらに、演算条件103を入力しておく。演算条件とは、実際の演算に必要な、設定スケールや演算パラメータであり、たとえば、演算周期(サンプリング周期)や予測期間などである。   The model prediction calculation unit 100 performs model prediction calculation based on this model. In order to perform this model prediction calculation, as shown in FIG. 2, first, five sand layer middle temperatures, five free boards The set temperature value 101 of the middle temperature and the five free board upper temperatures is input. Further, the constraint condition 102 which is the condition value of the above-described constraint condition is input. For example, the upper limit value and the lower limit value of the air ratio described above. Here, the oxygen concentration (air ratio) set value may be input in the same manner as the set temperature value 101, but here, it is set as a certain range of the air ratio in the constraint condition 102. In addition, the constraint condition 102 is set such that the fuel flow rate and the air flow rate are within a predetermined range. For example, the upper limit value of the freeboard upper temperature may be input as a constraint condition. Further, the calculation condition 103 is input. The calculation conditions are set scales and calculation parameters necessary for actual calculation, such as a calculation period (sampling period) and a prediction period.

このような設定処理が施されたモデル予測演算部100は、熱電対群26a〜26cから現在温度110を取得し、この現在温度が温度設定値101を維持するためのモデル予測演算を行うとともに、酸素濃度111で決定される空気比が一定範囲内となるようにモデル予測演算を行い、汚泥性状情報112と、入力された燃料の流量および空気の風量の現在操作量120とをもとに、燃料の流量および空気の風量の次時刻操作量130を出力する。なお、現在温度110は、砂層部中部温度、フリーボード中部温度、およびフリーボード上部温度の3箇所としていたが、これに限らず、少なくとも2箇所以上の温度を制御対象とすればよい。したがって、4箇所以上の温度を制御対象としてもよい。   The model prediction calculation unit 100 subjected to such setting processing acquires the current temperature 110 from the thermocouple groups 26a to 26c, performs model prediction calculation for maintaining the temperature set value 101, and the current temperature. Model prediction calculation is performed so that the air ratio determined by the oxygen concentration 111 is within a certain range, and based on the sludge property information 112 and the current operation amount 120 of the input fuel flow rate and air flow rate, The next time manipulated variable 130 of the fuel flow rate and air flow rate is output. Note that the current temperature 110 is set at three locations, that is, the sand layer middle temperature, the freeboard middle temperature, and the freeboard upper temperature. However, the present temperature is not limited to this, and at least two temperatures may be controlled. Therefore, four or more temperatures may be controlled.

このモデル予測演算の概要は、図3に示すように、既知パラメータ201と現在(時刻k)の現在入出力値202を初期値とし、設定パラメータ203を用いて所定サンプリング時刻毎(k+1,k+2,…,k+N:Nは整数)の予測入力値200と予測出力値204とを表す状態方程式を求め、このうちの予測出力値204を用いて評価関数Jを生成し、この評価関数Jに対する最適解、すなわち最小値を求める最適値演算を行う。この最適値演算は、空気比等の制約条件102を満足し、温度設定値101と予測温度値との制御誤差の距離を含む各要素の最小値を求め、このときの予測入力値200を次時刻操作量130として出力する。   As shown in FIG. 3, the outline of the model prediction calculation is as follows. The known parameter 201 and the current input / output value 202 at the current time (time k) are set as initial values, and the set parameter 203 is used for every predetermined sampling time (k + 1, k + 2, ..., k + N: N is an integer), a state equation representing the predicted input value 200 and the predicted output value 204 is obtained, and an evaluation function J is generated using the predicted output value 204, and an optimal solution for this evaluation function J is obtained. That is, the optimum value calculation for obtaining the minimum value is performed. This optimum value calculation satisfies the constraint condition 102 such as the air ratio, finds the minimum value of each element including the distance of the control error between the temperature setting value 101 and the predicted temperature value, and calculates the predicted input value 200 at this time as Output as a time operation amount 130.

この結果、砂層部中部温度、フリーボード中部温度、フリーボード上部温度などの温度制御値が複数の目標値に保たれるように制御されるとともに、空気比が一定範囲内に収まるように制御され、NOなどの温室効果ガスを一層低減することができるとともに、燃料の流量および空気の風量が所定範囲に収まり、安定した制御を行うことができ、しかも、空気比も最適なものとなることから、一層燃費低減を図ることができる。 As a result, the temperature control values such as the sand layer middle temperature, freeboard middle temperature, and freeboard upper temperature are controlled to be maintained at a plurality of target values, and the air ratio is controlled to be within a certain range. Further, greenhouse gases such as N 2 O can be further reduced, the flow rate of fuel and the air volume of air can be kept within a predetermined range, stable control can be performed, and the air ratio can be optimized. Therefore, fuel consumption can be further reduced.

特に、この実施の形態では、汚泥焼却炉2内各部の温度制御のみならず、酸素濃度、すなわち空気比に対するステップ応答モデルをも用いているため、空気比に対する制御が一層、精度高くなり、NOなどの温室効果ガスを一層低減することができる。 In particular, in this embodiment, since not only the temperature control of each part in the sludge incinerator 2 but also the step response model for the oxygen concentration, that is, the air ratio, is used, the control for the air ratio is further improved. Greenhouse gases such as 2 O can be further reduced.

図4は、実際の汚泥燃焼システムにモデル予測制御を適用した場合の測定結果を示すタイムチャートである。なお、ここでは、砂層中部温度T1とフリーボード中部温度T2とを制御対象温度としている。砂層中部温度設定値は、720℃であり、フリーボード中部温度設定値は、870℃である。計測は、0時から24時までである。図4では、フリーボード上部温度、フリーボード中部温度T2、砂層中部温度T1、補助燃料供給量L1、含水率、一次空気流量L11、二次空気流量L12、三次空気流量L13、酸素(O)濃度S1が示されている。 FIG. 4 is a time chart showing measurement results when model predictive control is applied to an actual sludge combustion system. Here, the sand layer middle temperature T1 and the freeboard middle temperature T2 are controlled temperatures. The sand layer middle temperature set value is 720 ° C, and the freeboard middle temperature set value is 870 ° C. The measurement is from 0:00 to 24:00. In FIG. 4, the freeboard upper temperature, freeboard middle temperature T2, sand layer middle temperature T1, auxiliary fuel supply amount L1, moisture content, primary air flow rate L11, secondary air flow rate L12, tertiary air flow rate L13, oxygen (O 2 ). The concentration S1 is shown.

このときの汚泥の含水率は、図5に示すように約80%近辺で変動している。そして、燃料流量L1は、この含水率にほぼ対応して変動している。しかし、含水率の変動にかかわらず、砂層中部温度T1およびフリーボード中部温度T2は設定値に保たれ、O濃度S1も変動が少ない。 The moisture content of the sludge at this time fluctuates around 80% as shown in FIG. The fuel flow rate L1 fluctuates substantially corresponding to the moisture content. However, regardless of the variation of the moisture content, the sand layer middle temperature T1 and the freeboard middle temperature T2 are maintained at the set values, and the O 2 concentration S1 is less varied.

すなわち、図6に示すように、砂層中部温度T1は、砂層中部温度設定値=720℃の±10℃内に保たれ、フリーボード中部温度T2は、フリーボード中部温度設定値=870℃の±10℃内に保たれている。   That is, as shown in FIG. 6, the sand layer middle temperature T1 is kept within ± 10 ° C. of the sand layer middle temperature set value = 720 ° C., and the free board middle temperature T 2 is ±± of the free board middle temperature set value = 870 ° C. It is kept within 10 ° C.

さらに、図7に示すように、汚泥焼却炉2からのNO排出量、すなわち固形分質量に対するNO質量は、従来の0.000645(t−NO/t−cake)から0.000243(t−NO/t−cake)に改善されている。また、汚泥質量に対する燃料供給熱量(供給量)は、従来の1,060(MJ/t−cake)から820(MJ/t−cake)に改善されている。すなわち、温度制御が目標値に保たれ、酸素濃度(空気比)が一定範囲内に収まり、結果として、NO排出量が半減し、燃料供給熱量(供給量)も各段に低減されている。 Furthermore, as shown in FIG. 7, the N 2 O emission from the sludge incinerator 2, that is, the N 2 O mass relative to the solid mass is 0 from the conventional 0.000645 (tN 2 O / t-cake). .000243 (t-N 2 O / t-cake). Further, the fuel supply heat amount (supply amount) with respect to the sludge mass is improved from the conventional 1,060 (MJ / t-cake) to 820 (MJ / t-cake). That is, the temperature control is maintained at the target value, the oxygen concentration (air ratio) is within a certain range, and as a result, the N 2 O emission amount is halved and the fuel supply heat amount (supply amount) is also reduced in each stage. Yes.

(実施の形態2)
実施の形態1によるモデル予測制御では、制約条件を付して演算を行っていたが、厳しい制約条件を与えると、評価関数の最適化演算結果が、演算不可あるいは制約条件内に解なし、となり最適化演算が停止してしまう場合がある。
(Embodiment 2)
In the model predictive control according to the first embodiment, the calculation is performed with a constraint condition. However, when a severe constraint condition is given, the optimization calculation result of the evaluation function becomes impossible or there is no solution within the constraint condition. The optimization calculation may stop.

そこで、この実施の形態2では、実施の形態1の評価関数Jにペナルティ関数f
f=ρε
を加えて最適化演算を行う。ここで、εは許容誤差の値であり、ρは重みの値である。
Therefore, in this second embodiment, the penalty function f is added to the evaluation function J of the first embodiment.
f = ρε 2
To perform optimization. Here, ε is a tolerance value, and ρ is a weight value.

実施の形態1の最適化演算は、評価関数Jに対して以下の演算を行っていた。すなわち、要素y(τ)が上限値ymaxと下限値yminとの範囲内である制約条件下で評価関数Jの最小値を演算していた。
min(J) subject to ymin≦y(τ)≦ymax
これに対して、この実施の形態2では、ペナルティ関数f=ρεを用いて次のような演算を行う。すなわち、
min(J+ρε) subject to ymin−ε≦y(τ)≦ymax+ε
である。これは、上限値と下限値とを許容誤差ε分だけそれぞれ広げ、評価関数(J+ρε)の最小値も、評価関数Jのみの最小値に比べて実質的に大きくし、ペナルティ関数を加えて最小値を求めた場合であっても、最小値として選択されないようにしている。これによって、評価関数の演算が停止することがなくなる。
In the optimization calculation of the first embodiment, the following calculation is performed on the evaluation function J. That is, the minimum value of the evaluation function J is calculated under the constraint condition that the element y (τ) is within the range between the upper limit value ymax and the lower limit value ymin.
min (J) subject to ymin ≦ y (τ) ≦ ymax
On the other hand, in the second embodiment, the following calculation is performed using the penalty function f = ρε 2 . That is,
min (J + ρε 2 ) subject to ymin−ε ≦ y (τ) ≦ ymax + ε
It is. This is because the upper limit value and the lower limit value are increased by the allowable error ε respectively, and the minimum value of the evaluation function (J + ρε 2 ) is substantially larger than the minimum value of the evaluation function J alone, and a penalty function is added. Even when the minimum value is obtained, the minimum value is not selected. As a result, the calculation of the evaluation function does not stop.

特に、システム立ち上げ時は、制約条件が厳しい場合、評価関数の最適化演算が行えなくなる場合が発生しやすくなり、この評価関数の最適化演算が行えなくなると、システム立ち上げ時間が長くなってしまう。この実施の形態2では、上述したペナルティ関数の導入によって継続的なシステム制御が維持できるとともに、システム立ち上げ時間を短縮することができる。   In particular, when the system is started up, if the constraints are severe, the evaluation function may not be optimized. If the evaluation function cannot be optimized, the system startup time will increase. End up. In the second embodiment, continuous system control can be maintained by introducing the penalty function described above, and the system startup time can be shortened.

ここで、この図8に示したフローチャートを参照して、この実施の形態2による評価関数の最適化演算処理手順について説明する。まず、ペナルティ関数を加えないで、評価関数Jのみの最適化演算を行う(ステップS101)。その後、最適化演算の結果が解なしなどによる制約条件外であるか否かを判断する(ステップS102)。   Here, with reference to the flowchart shown in FIG. 8, the evaluation function optimization calculation processing procedure according to the second embodiment will be described. First, an optimization calculation for only the evaluation function J is performed without adding a penalty function (step S101). Thereafter, it is determined whether or not the result of the optimization calculation is out of a constraint condition such as no solution (step S102).

制約条件外である場合(ステップS102,Yes)には、上述したペナルティ関数f=ρεを導入し、制約条件の上限値および下限値を許容誤差ε分だけ広げ、評価関数Jにペナルティ関数f=ρε加えて(ステップS103)、最適化演算を行う(ステップS104)。 If it is outside the constraint (step S102, Yes), the introduced penalty function f = ρε 2 described above, spread the upper and lower limits of constraint only allowable error ε min, the evaluation function J in the penalty function f = Ρε 2 is added (step S103), and an optimization calculation is performed (step S104).

その後、ステップS105に移行し、あるいは制約条件外でない場合(ステップS102,No)には、ステップS105に移行し、次の最適化演算があるか否かを判断し(ステップS105)、次の最適化演算がある場合(ステップS105,Yes)には、ステップS101に移行して上述した処理を繰り返し、次の最適化演算がない場合(ステップS105,No)には、本処理を終了する。   Thereafter, the process proceeds to step S105, or if it is not outside the constraint condition (step S102, No), the process proceeds to step S105 to determine whether or not there is a next optimization operation (step S105). If there is an optimization operation (step S105, Yes), the process proceeds to step S101 and the above-described processing is repeated. If there is no next optimization operation (step S105, No), this processing ends.

この実施の形態2では、上述したペナルティ関数を導入して最適化演算を継続して行えるようにしているので、制御のロバスト性を向上させることができる。特に、システム立ち上げ時等のシステムが不安定になりがちな時に、ペナルティ関数を導入して最適化演算を行うことが好ましい。   In the second embodiment, since the above-described penalty function is introduced so that the optimization calculation can be continuously performed, the robustness of the control can be improved. In particular, when the system tends to become unstable, such as when the system is started up, it is preferable to introduce a penalty function to perform the optimization calculation.

なお、上述した温度制御装置および温度制御方法は、汚泥焼却炉以外に適用が可能である。たとえば、上述した燃料流量制御と空気風量制御とに対応して、ブロア圧力制御と水処理DO制御とが相互に干渉する可能性がある制御システム等に適用することができる。この制御システムに上述したモデル予測制御を適用することによって各制御を安定して行うことができる。   In addition, the temperature control apparatus and temperature control method which were mentioned above are applicable besides sludge incinerator. For example, it can be applied to a control system or the like in which blower pressure control and water treatment DO control may interfere with each other, corresponding to the above-described fuel flow control and air flow control. By applying the model predictive control described above to this control system, each control can be stably performed.

以上のように、本発明にかかる汚泥焼却炉の温度制御装置および汚泥焼却炉の温度制御方法は、砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉に有用である。   As described above, the temperature control device for a sludge incinerator and the temperature control method for a sludge incinerator according to the present invention have a sand layer portion and a freeboard portion, and burns the sludge supplied to the sand layer portion, It is useful for fluidized bed sludge incinerators that are further burned in the freeboard section.

1 汚泥燃焼システム
2 汚泥焼却炉
3 フリーボード中部
4 フリーボード上部
5 砂層部
8 汚泥性状検出器
9 含水率検出器
10 汚泥
11 汚泥供給部
12 燃料
13 燃料供給部
14 流動ブロア
15 流動空気
16 1次空気
17 2次空気
18 3次空気
19 熱交換器
20 汚泥流量検出器
21 燃料流量検出器
22 1次空気風量検出器
23 2次空気風量検出器
24 3次空気風量検出器
25 流動空気風量検出器
26a,26b,26c 熱電対群
28 排ガス
29 酸素濃度検出器
31 燃料流量調節器
32 1次空気風量調節器
33 2次空気風量調節器
34 3次空気風量調節器
41〜44,51 バルブ
50 流動空気風量調節器
100 モデル予測演算部
C 制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sludge combustion system 2 Sludge incinerator 3 Free board middle part 4 Free board upper part 5 Sand layer part 8 Sludge property detector 9 Moisture content detector 10 Sludge 11 Sludge supply part 12 Fuel 13 Fuel supply part 14 Fluid blower 15 Fluid air 16 Primary Air 17 Secondary air 18 Tertiary air 19 Heat exchanger 20 Sludge flow rate detector 21 Fuel flow rate detector 22 Primary air flow rate detector 23 Secondary air flow rate detector 24 Tertiary air flow rate detector 25 Flowing air flow rate detector 26a, 26b, 26c Thermocouple group 28 Exhaust gas 29 Oxygen concentration detector 31 Fuel flow rate regulator 32 Primary air air volume regulator 33 Secondary air air volume regulator 34 Tertiary air air volume regulator 41-44, 51 Valve 50 Fluid air Airflow regulator 100 Model prediction calculation unit C Controller

Claims (10)

砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御装置であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、汚泥性状情報と、前記汚泥焼却炉から排出される酸素濃度と、前記砂層部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および/または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却炉の温度制御装置。
A temperature control device for a fluidized bed type sludge incinerator having a sand layer part and a free board part, burning sludge supplied to the sand layer part and further burning in the free board part,
The temperature of the sand layer part, the temperature of the freeboard part, sludge property information, the oxygen concentration discharged from the sludge incinerator, the flow rate of fuel supplied to the sand layer part, and the lower part of the sand layer part The flow rate of flowing air and the flow rate of air supplied to the freeboard middle part and the top of the freeboard are set as control inputs, and the flow rate of the fuel and the flow rates of the flowing air and supply air are set as control outputs, Model predictive control is performed by setting each temperature of the sand layer part and the free board part as different target values under a constraint condition that a flow rate of fuel and / or an air volume of the flowing air and supply air are within a predetermined range. A temperature control device for sludge incinerators.
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項1に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。   The constraint condition is a predetermined range of an air ratio that is a ratio of an actual air volume of the supplied air to a total theoretical air volume of the theoretical air volume of the supplied air necessary for the combustion of the sludge and the theoretical air volume of the supplied air necessary for the combustion of the fuel. The temperature control device for a sludge incinerator according to claim 1, wherein the temperature control device is inside. 前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。   2. The model predictive control is performed so that a value of an evaluation function indicating a prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air as the control output is minimized below a predetermined value. Or the temperature control apparatus of the sludge incinerator of 2. 前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の2乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項3に記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。   When determining the minimum value of the evaluation function under the constraint condition, if the element of the evaluation function is outside the constraint condition, an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to determine the predetermined value of the constraint condition A range is expanded, the expanded constraint is set as a modified constraint, a penalty function obtained by multiplying the square of the allowable error by a predetermined weight is added to the evaluation function as a modified evaluation function, and The temperature control device for a sludge incinerator according to claim 3, wherein a minimum value of the modified evaluation function is obtained. 前記砂層部の温度および/または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御装置。   The temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, respectively, and model predictive control is performed with each different temperature as a target value. The temperature control apparatus of the sludge incinerator as described in one. 砂層部とフリーボード部とを有し、前記砂層部に供給される汚泥を燃焼し、前記フリーボード部でさらに燃焼させる流動床式の汚泥焼却炉の温度制御方法であって、
前記砂層部の温度と、前記フリーボード部の温度と、汚泥性状情報と、前記汚泥焼却炉から排出される酸素濃度と、前記砂層部下部に供給される燃料の流量と、前記砂層部下部に供給される流動空気の風量と、前記フリーボード中部、および前記フリーボード上部に供給される空気の風量とを制御入力とし、前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量を制御出力とし、前記燃料の流量および/または前記流動空気および供給空気の風量を所定範囲内に収める制約条件下で、前記砂層部および前記フリーボード部の各温度をそれぞれ異なる目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする汚泥焼却路の温度制御方法。
A temperature control method of a fluidized bed sludge incinerator having a sand layer part and a free board part, burning sludge supplied to the sand layer part, and further burning in the free board part,
The temperature of the sand layer part, the temperature of the freeboard part, sludge property information, the oxygen concentration discharged from the sludge incinerator, the flow rate of fuel supplied to the lower part of the sand layer part, and the lower part of the sand layer part The flow rate of the supplied flowing air and the flow rate of the air supplied to the free board middle part and the upper part of the free board are set as control inputs, and the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and the supply air are set as control outputs, Model predictive control is performed by setting each temperature of the sand layer part and the free board part as different target values under the constraint condition that the flow rate of the fuel and / or the flow rate of the flowing air and the supply air are within a predetermined range. A characteristic temperature control method for a sludge incineration channel.
前記制約条件は、前記汚泥の燃焼に必要な供給空気の理論風量と前記燃料の燃焼に必要な供給空気の理論風量との合計理論風量に対する供給空気の実風量の比である空気比を所定範囲内にすることを特徴とする請求項6に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。   The constraint condition is a predetermined range of an air ratio that is a ratio of an actual air volume of the supplied air to a total theoretical air volume of the theoretical air volume of the supplied air necessary for the combustion of the sludge and the theoretical air volume of the supplied air necessary for the combustion of the fuel. The temperature control method for a sludge incinerator according to claim 6, wherein the temperature control method is used. 前記制御出力である前記燃料の流量および前記流動空気および供給空気の風量の予測結果を示す評価関数の値が所定値以下で最小となるようにモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項6または7に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。   7. The model predictive control is performed so that a value of an evaluation function indicating a prediction result of the flow rate of the fuel and the flow rate of the flowing air and supply air as the control output is minimized below a predetermined value. Or the temperature control method of the sludge incinerator of 7. 前記制約条件下で前記評価関数の最小値を求める場合に該評価関数の要素が前記制約条件外となる場合、前記制約条件の所定範囲の上限および下限に許容誤差を与えて該制約条件の所定範囲を広げ、該広げた制約条件を修正制約条件とし、該許容誤差の2乗に所定の重みを乗算したペナルティ関数を前記評価関数に加えた関数を修正評価関数とし、前記修正制約条件下で前記修正評価関数の最小値を求めることを特徴とする請求項8に記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。   When determining the minimum value of the evaluation function under the constraint condition, if the element of the evaluation function is outside the constraint condition, an allowable error is given to the upper and lower limits of the predetermined range of the constraint condition to determine the predetermined value of the constraint condition A range is expanded, the expanded constraint is set as a modified constraint, a penalty function obtained by multiplying the square of the allowable error by a predetermined weight is added to the evaluation function as a modified evaluation function, and 9. The temperature control method for a sludge incinerator according to claim 8, wherein a minimum value of the modified evaluation function is obtained. 前記砂層部の温度および/または前記フリーボード部の温度は、それぞれ複数点の温度であり、異なる各温度をそれぞれ目標値としてモデル予測制御を行うことを特徴とする請求項6〜9のいずれか一つに記載の汚泥焼却炉の温度制御方法。   The temperature of the sand layer part and / or the temperature of the free board part is a plurality of temperatures, respectively, and model predictive control is performed with each different temperature as a target value. The temperature control method of the sludge incinerator as described in one.
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