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JP5855964B2 - プラント設備の最適制御方法及び最適制御装置 - Google Patents

プラント設備の最適制御方法及び最適制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、水処理設備等のプラント設備の運転状態を最適に制御するプラント設備の最適制御方法及び最適制御装置に関する。
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、最適化計算によって水処理設備の最適な運転状態を求め、求められた最適な運転状態を実現するための設備や機器類の操作指令手順を生成し、生成された操作指令手順に従って設備や機器類を操作することが行われている(例えば特許文献1参照)。
特開2010−231457号公報
従来の最適制御方法では、固定的な設備が一定の規則に基づき動作する水処理設備の最適な運転状態を求めて制御することが主体であるために、対象とする水処理設備に適した1つの最適化手法を用いた1つの最適制御モデルを利用して水処理設備の制御が行われている。しかしながら、実際の水処理設備の状態は時々刻々と変化しているために、固定した1つの最適制御モデルを用いる従来の最適制御方法では、最適制御を実行するタイミングに応じて最適制御の精度が変化し、水処理設備を精度高く最適制御することが困難である。このため、最適制御を実行するタイミングに関係なく、水処理設備を精度高く最適制御可能な技術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、最適制御を実行するタイミングに関係なく、プラント設備を精度高く最適制御可能なプラント設備の最適制御方法及び最適制御装置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、本発明に係るプラント設備の最適制御方法は、プラント設備における電力の需給予測に基づいて調整されたプラント設備における電力の需要量及び供給力に関するデータを用いて、プラント設備の電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO2排出量の目標値に対する偏差を算出する算出ステップと、最適化処理の実行タイミングにおけるプラント設備の稼働状況に関するデータと直前の最適化処理の実行タイミングにおける前記プラント設備の需給計画に関するデータとを比較し、差異が所定値以上である場合に、前記偏差を変数として含む評価関数を、前記評価関数を構成する変数の調整によって補正する補正ステップと、補正された評価関数の最適解を前記プラント設備の最適化モデルとして算出する最適化ステップと、前記最適化モデルに従って前記プラント設備の運転を制御する制御ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係るプラント設備の最適制御方法は、上記発明において、過去及び現在のプラント設備の稼働状況に関する情報と該プラント設備の稼働計画に関する情報とを表示するステップを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、本発明に係るプラント設備の最適制御装置は、プラント設備における電力の需給予測に基づいて調整されたプラント設備における電力の需要量及び供給力に関するデータを用いて、プラント設備の電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO2排出量の目標値に対する偏差を算出する算出手段と、適化処理の実行タイミングにおけるプラント設備の稼働状況に関するデータと直前の最適化処理の実行タイミングにおける前記プラント設備の需給計画に関するデータとを比較し、差異が所定値以上である場合に、前記偏差を変数として含む評価関数を、前記評価関数を構成する変数の調整によって補正する補正手段と、補正された評価関数の最適解を前記プラント設備の最適化モデルとして算出する最適化手段と、前記最適化モデルに従って前記プラント設備の運転を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るプラント設備の最適制御方法及び最適制御装置によれば、最適制御を実行するタイミングに関係なく、プラント設備を精度高く最適制御できる。
図1は、本発明の一実施形態である最適制御システムが適用される下水処理場の一構成例を示す模式図である。 図2は、本発明の一実施形態である最適制御システムの構成を示すブロック図である。 図3は、本発明の一実施形態である最適制御処理の流れを示すフローチャートである。 図4は、図3に示すステップS1の処理を説明するための概念図である。
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を最適制御システムについて説明する。なお、本実施形態は、本発明を下水処理場の最適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・排水処理を行う水処理設備等の下水処理場以外のプラント設備の最適制御にも適用できる。
〔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最適制御システムが適用され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最適制御システムが適用され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、本発明の一実施形態である最適制御システムが適用される下水処理場は、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。
〔最適制御システムの構成〕
次に、図2を参照して、本発明の一実施形態である最適制御システム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最適制御システム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最適制御システム100は、実績データデータベース101、需給計画データベース102、入力装置103、最適制御装置104、及び出力装置105を備えている。
実績データデータベース101は、下水処理場における過去の電力需要及び需要量と過去の電力供給力及び供給量とのデータを稼働実績データとして格納している。需給計画データベース102は、実績データデータベース10内に格納されている稼働実績データを用いて作成された所定期間における下水処理場の電力の需給計画に関するデータを格納している。入力装置103は、キーボードやマウスポインタ等の公知の入力装置によって構成され、最適制御装置104に各種情報を入力する際に操作される。
最適制御装置104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。最適制御装置104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、需給調整部104a、需給制御部104b、及び評価関数補正部104cとして機能する。これら各部の機能については後述する。出力装置105は、最適制御装置104からの各種情報を下水処理場の制御装置、表示装置、及び印刷装置等に出力するためのものである。
〔最適制御処理〕
このような構成を有する最適制御システム100では、最適制御装置104が以下に示す最適制御処理を実行することによって、図1に示す下水処理場を最適制御する。以下、図3に示すフローチャートを参照して、この最適制御処理を実行する際の最適制御装置104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最適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、最適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、需給調整部104aが、需給計画データベース102内に格納されている所定期間内における下水処理場の電力の需給計画のデータに基づいて電力供給力の過不足を判定する。具体的には、始めに、需給調整部104aは、図4に示すように、需給計画で想定されている電力供給力(想定供給力)をプラス要因、需給計画で想定されている需要量(想定需要)をマイナス要因として想定値を合成し、想定値がプラスとなった場合は供給力過剰、想定値がマイナスとなった場合には供給力不足と判定する。なお、この処理の際、需給調整部104aは、電力供給力に電力需要の所定%に相当する予備力が残っているか否かを考慮して電力供給力の過不足を判定してもよい。これにより、ステップS1の処理は完了し、最適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、需給調整部104aが、入力装置103から予め入力されている設定情報及びステップSの判定結果に従って、下水処理場に設けられている発電設備及び発電設備から供給される電力により動作する負荷設備の操作手順を決定する。なお、発電設備としては、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、二次電池(放電)、電力融通・託送(受電)、及び商用受電設備等を例示できる。また、負荷設備としては、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。
具体的には、電力需要よりも電力供給力を優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が過剰である場合、需給調整部104aは、負荷設備が有する二次電池を充電する、負荷設備の稼働量を大きくする、託送(送電)、売電(余剰買取)等の調整手順を行うことによって、電力需要を増加させる。一方、電力需要よりも電力供給力を優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が不足している場合には、需給調整部104aは、負荷設備が有する二次電池を放電させる、負荷設備の稼働量を小さくする、託送(受電)、商用電力の利用等の調整手順を行うことによって、電力需要を減少させる。
また、電力供給力よりも電力需要を優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が過剰である場合、需給調整部104aは、負荷設備が有する二次電池を充電する、発電設備の出力を抑制する、託送(送電)、売電(余剰買取)等の調整手順を行うことによって、電力供給力を減少させる。一方、電力供給力よりも電力需要を優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が不足している場合には、需給調整部104aは、負荷設備が有する二次電池を放電させる、発電設備の出力を大きくする、託送(受電)、商用電力の利用等の調整手順を行うことによって、電力供給力を増加させる。
また、電力需要と電力供給力とのバランスを優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が過剰である場合、需給調整部104aは、発電設備の出力を抑制する、託送(送電)、売電(余剰買取)等の調整手順によって電力供給力を減少させると共に、負荷設備が有する二次電池を充電する、負荷設備の稼働量を大きくする等の調整手順によって電力需要を増加させる。また、電力需要と電力供給力とのバランスを優先する設定がなされている場合であって、電力供給力が不足している場合には、需給調整部104aは、負荷設備が有する二次電池を放電させる、発電設備の出力を大きくする、託送(受電)、商用電力の利用等の調整手順によって電力供給力を増加させると共に、負荷設備の稼働量を小さくすることにより電力需要を減少させる。
なお、本実施形態では、需給調整部104aは、以下の数式(1)に示すような評価関数Hの最適解を算出することによって、各場合における調整手順の内容を決定する。
Figure 0005855964
ここで、数式(1)中、 rpow は調整手順実行後の電力供給力の目標値(運転の数値目標)に対する偏差、 costは調整手順実行後の発電コスト(イニシャルコスト、ランニングコスト、燃料費等、コストに関係する全ての事項を考慮したもの)の目標値に対する偏差、 effiは調整手順実行後の下水処理場の効率(入力/エネルギー消費量に対する出力/仕事量の比率)の目標値に対する偏差、 co2は調整手順実行後の下水処理場のCO 2 排出量(設備等の製造時の排出量、運転時のエネルギーによる排出量等、CO 2 の排出量換算に関係する全ての項目を考慮したもの)の目標値に対する偏差を示している。また、PFは罰関数を示し、下水処理場を構成する設備や機器等の運転条件や制限条件(設備や機器と運転条件や制限条件との対応関係を示す条件設定テーブルから抽出されたもの)を表している。p,g,r,sは各偏差に付与された重み係数を示し、重み係数の総和は1に設定されている。所望の偏差の重み係数を他の重み係数より大きくすることによって、所望の偏差を重視した最適化モデルを生成することができる。
数式(1)から明らかなように、需給調整部104aは、各偏差の和が最小になるように、換言すれば、目標値との差異をゼロに近付けるように、評価関数Hの最小解(即ち、最適解)を求めることによって、調整手順の内容(設備の運転の組み合わせ)を下水処理場の最適化モデルとして決定する。なお、評価関数Hの最小解(最適解)を求める演算方式としては、一例として粒子群最適化(Particle Swarm Optimization : PSO)方式を用いることができる。また、最適制御処理に基づいて機器類の起動停止が行われた時、季節の変わり目、及び異常気象(例えばゲリラ豪雨等)発生時には、下水処理場を構成する設備の稼動状態が急変することがある。このため、需給調整部104aは、時々刻々と変化する下水処理場の状態を直前の最適制御処理実行時の状態と比較し、差異が規定値を超えた場合、電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO排出量の各目標値、罰関数(制御条件等)、及び重み係数を補正してもよい。これにより、ステップS2の処理は完了し、最適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104aが、ステップS2の処理によって決定された調整手順に基づいて、ステップS1の処理と同様の方法によって所定期間内における電力供給力の過不足を判定する。なお、この処理の際、需給調整部104aは、電力供給力に電力需要の所定%に相当する予備力があるか否かを考慮して電力供給力の過不足を判定してもよい。また、この処理の結果、予め決められた閾値以上の電力供給力の過不足が発生した場合、需給調整部104aは再度ステップS3の処理を実行することによって、電力供給力の過不足が閾値未満になるように電力の需給計画を調整する。これにより、ステップS3の処理は完了し、最適制御処理はステップS4の処理に進む。
ステップS4の処理では、需給制御部104bが、ステップS3の処理によって決定された調整手順に従って負荷設備及び発電設備を制御することによって、下水処理場の電力需要量及び電力供給力を制御する。以後、評価関数補正部104cは、需給制御部104bによって制御された電力需要量及び電力供給力と実際の電力需要量及び電力供給力との差分値を算出し、算出された差分値に基づいて評価関数Hや電力の需給計画を予測するモデルを補正する。なお、この処理の際、需給制御部104bは、過去及び現在の下水処理場の稼働状況に関する情報と下水処理場の運転計画に関する情報とをGUI画面に表示してもよい。これにより、ステップS4の処理は完了し、一連の最適制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の一連の最適制御処理によれば、需給調整部104aが、下水処理場における電力の需給予測に基づいて調整された下水処理場における電力の需要量及び供給力に関するデータを用いて、下水処理場の電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO排出量の目標値に対する偏差を算出し、算出された偏差及び罰関数を変数として含む評価関数の最適解を下水処理場の最適化モデルとして算出する。そして、需給制御部140bが、算出された最適化モデルに従って下水処理場の運転を制御する。これにより、最適制御を実行するタイミングに関係なく、下水処理場を精度高く最適制御できる。
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。すなわち、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 最適制御システム
101 実績データデータベース
102 需給計画データベース
103 入力装置
104 最適制御装置
104a 需給調整部
104b 需給制御部
104c 評価関数補正部
105 出力装置

Claims (3)

  1. プラント設備における電力の需給予測に基づいて調整されたプラント設備における電力の需要量及び供給力に関するデータを用いて、プラント設備の電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO2排出量の目標値に対する偏差を算出する算出ステップと、
    最適化処理の実行タイミングにおけるプラント設備の稼働状況に関するデータと直前の最適化処理の実行タイミングにおける前記プラント設備の需給計画に関するデータとを比較し、差異が所定値以上である場合に、前記偏差を変数として含む評価関数を、前記評価関数を構成する変数の調整によって補正する補正ステップと、
    補正された評価関数の最適解を前記プラント設備の最適化モデルとして算出する最適化ステップと、
    前記最適化モデルに従って前記プラント設備の運転を制御する制御ステップと、
    を含むことを特徴とするプラント設備の最適制御方法。
  2. 過去及び現在のプラント設備の稼働状況に関する情報と該プラント設備の稼働計画に関する情報とを表示するステップを含むことを特徴とする請求項1に記載のプラント設備の最適制御方法。
  3. プラント設備における電力の需給予測に基づいて調整されたプラント設備における電力の需要量及び供給力に関するデータを用いて、プラント設備の電力供給予備力、運転コスト、運転効率、及びCO2排出量の目標値に対する偏差を算出する算出手段と、
    適化処理の実行タイミングにおけるプラント設備の稼働状況に関するデータと直前の最適化処理の実行タイミングにおける前記プラント設備の需給計画に関するデータとを比較し、差異が所定値以上である場合に、前記偏差を変数として含む評価関数を、前記評価関数を構成する変数の調整によって補正する補正手段と、
    補正された評価関数の最適解を前記プラント設備の最適化モデルとして算出する最適化手段と、
    前記最適化モデルに従って前記プラント設備の運転を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とするプラント設備の最適制御装置。
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