JP4718873B2 - 膜濾過設備の制御装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明による膜濾過設備の制御装置の第1実施形態である膜濾過システムを示すブロック図である。
この図に示す膜濾過システム1aは、複数の膜ユニット2を使用して、水道水源3から取水した水を濾過し、需要家4へ送水する膜濾過設備5と、遺伝的アルゴリズムなどを用いて、需要家4に供給された濾過水に関する過去の情報(過去の水需要実績、曜日情報)、各膜ユニット2に供給される膜供給水、または各膜ユニット2から排出される膜濾過水、あるいは各膜ユニット2を逆洗浄処理したとき排出される逆洗浄水などの水質情報、各膜ユニット2の破断有無情報、目詰まり有無情報などに応じた最適な運用計画を作成して膜濾過設備5の運転を制御する制御装置6とを備えている。
膜濾過設備5は、膜ユニット2と、センサ7と、複数の前処理装置8と、膜供給水槽9と、膜供給水ポンプ10と、流量計11と、流量計13と、バルブ14と、流量計15と、薬品貯留槽16と、バルブ17と、膜濾過水槽18と、流量計19と、逆洗浄水ポンプ20と、流量計21とを備えている。
《制御装置6の構成》
制御装置6は、プロセス入出力部23と、水質検知部24と、破断検知部25と、目詰まり検知部26と、ヒューマン・インタフェース部27と、水需要実績記憶部28と、水需要予測部29と、遺伝的アルゴリズム実行部30と、数理計画法実行部31と、運用計画部32と、膜濾過設備制御部33とを備えている。
プロセス入出力部23は、膜濾過設備5に設けられた各センサ7、各流量計11、13、15、21などから出力される計測信号を取り込み、各曜日毎の水需要実績(温度、圧力、流量などの実績情報)を水需要実績記憶部28に記憶する。また、水質検知部24、破断検知部25、目詰まり検知部26などでは、計測信号を各々、解析し、解析処理で得られる水質検知結果、破断有無、目詰まり有無などを水需要実績記憶部28に記憶する。また、この動作と並行し、ヒューマン・インタフェース部27では、膜濾過設備5の稼働内容などを画面表示しながら、ヒューマン・インタフェース部27に入力された当日の曜日情報、指示内容などに基づき、水需要実績記憶部28に記憶されている曜日毎の水需要実績(過去の水需要実績)のうち、当日の曜日に対応する過去の水需要実績と、過去数十日〜数百日分の水需要実績とを読み出す。水需要予測部29は統計処理し、当日の水需要予測値を算出する。また、算出された水需要予測値に基づき、遺伝的アルゴリズム部30、数理計画法実行部31のいずれか一方、または両方は、所定時間毎、例えば1時間毎の運用計画を作成する。その後、水需要実績記憶部28に記憶されている水質検知結果、破断有無、目詰まり有無などに応じて、運用計画部32は、遺伝的アルゴリズム部30で作成された運用計画、または数理計画法実行部31で作成された運用計画を修正する。
次に、図1に示すブロック図、図2、図3に示す各模式図、図4に示すフローチャートを参照しながら、上述した水需要予測部29、遺伝的アルゴリズム実行部30、数理計画法実行部31、運用計画部32について、さらに説明する。なお、以下の説明では、1日分の運用計画を一度に求めると、制御装置6の計算量が膨大になることから、実用的な計算量となる範囲、例えば“1時間”毎に、“1時間”分の運用計画を求めるものとする。
… +aN・(yw(k-N)-yAVE w) …(1)
但し、△yw(k):当日の水需要予測変化分[m3/h]
a1、a2、…、aN:自己回帰のパラメータであり、実時間で逐次最小2乗 推定(カルマンフィルタ)にすることも可能。
この後、水需要予測部29によって、(2)式で得られた当日(k日)の水需要予測値“yw(k)”に対して、その曜日“W”の水需要実績の平均値パターン“yw(i)”から得られる各時間帯(1時間単位)の比“w(i)”が乗じられて、次式に示す当日(k日)における24時間分(1時間単位)の水需要予測値“Qout-j(i)”が求められる。
なお、上述した方法はあくまでも予測方法の一例として挙げたものであり、当日の水需要を予測する方法として、これ以外の予測方法、例えば重回帰モデルなどを用いた予測方法など、各種の予測方法を用いても良い。
(a) エネルギーコストの低減(電気料金やガス料金等の低減)
(b) 濾過流量変動抑制(膜モジュール12の目詰まり防止および延命化)
(c) 膜濾過水槽水位目標値への追従(膜濾過システムの安定運転)
(d) 膜供給水槽水位目標値への追従(膜濾過システムの安定運転)
そして、これらの項目を満たす運用計画を作成する方法は、最適化問題を解くことに他ならないことから、遺伝的アルゴリズムの具体的な説明に先立ち、ここで最適化問題について簡単に説明する。
W2k(i):時間“i”における、濾過流量変動抑制率に対する重み係数
W3j(i):時間“i”における、膜濾過水槽水位目標値に対する重み係数
W4m(i):時間“i”における、膜供給水槽水位目標値に対する重み係数
Qk(i):時間“i”において、各膜ユニット2に供給される膜供給水量 [m3/h]
Qk(i-1):時間“i-1”において、各膜ユニット2に供給される膜供給水 量[m3/h]
hj-SV(i):時間“i”における膜濾過水槽水位目標値[m]
hj(i):時間“i”における膜濾過水槽水位[m]
Hm-SV(i):時間“i”における膜供給水槽水位目標値[m]
Hm(i):時間“i”における膜供給水槽水位[m]
この際、(4)式〜(8)式で使用される各数値のうち、各膜ユニット2に供給される膜供給水の水量(膜供給水量)“Qk(i)”、各膜ユニット2から膜供給水槽9に戻される膜供給水の膜循環水量“Qkr(i)”、膜濾過水槽水位“hj(i)”、膜供給水槽水位“Hm(i)”は、次のような制約条件を満たしていないければならない。
但し、Qk-lo(i):時間“i”における膜供給水量“Qk(i)”の下限値[m3/h]
Qk-hi(i):時間“i”における膜供給水量“Qk(i)”の上限値[m3/h]
さらに、物理洗浄および薬品洗浄時には、各膜ユニット2に供給される膜供給水の水量(膜供給水量)“Qk(i)”が“0”になることから、物理洗浄および薬品洗浄時に、次式に示す条件を満たしていなければならない。
但し、i:物理洗浄および薬品洗浄を行っている時間
また、各膜ユニット2から膜供給水槽9に戻される膜供給水の膜循環水量“Qkr(i)”は、次式に示す制約条件を満たしていなければならない。
但し、Qrk-lo(i):時間“i”における膜循環水量“Qkr(i)”の下限値[m3/h]
Qrk-hi(i):時間“i”における膜循環水量“Qkr(i)”の上限値[m3/h]
そして、バルブ14の開度制御などで、膜循環水量“Qkr(i)”が流量制御されるとき、(10)式を有効化し、また流量制御しないときには、オペレータによって指定された膜循環流量設定値“Qkr-op(i)”を用いて、次式を満たすようにしなければならない。
但し、i:オペレータによって自動流量制御が解除されている時間
さらに、各膜ユニット2を透過した膜濾過水の水量(膜濾過水量)を“QkO(i)”としたとき、膜供給水量“Qk(i)”、膜循環水量“Qkr(i)”とが次式を満たさなければならない。
なお、これら(10)式、(11)式で示される条件は、膜供給水の一部が膜供給水槽9に戻されるクロスフロー方式を前提としていることから、膜供給水を循環することなく全量濾過する全量濾過方式の場合には、膜供給槽9への循環ラインを省略することができ、膜循環水量“Qkr(i)”に関する条件を省略することができる。
hj-hi(i):時間“i”における膜濾過水槽水位“hj(i)”の上限値[m]
hj(i-1):時間“i-1”における膜濾過水槽水位[m]
Qout-j(i):時間“i”における水需要予測値[m3/h]
QkO(i):時間“i”における各膜ユニット2の膜濾過水量[m3/h]
Aj:膜濾過水槽18の底面積[m2]
Hm-lo(i):時間“i”における膜供給水槽水位“Hm(i)”の下限値[m]
Hm-hi(i):時間“i”における膜供給水槽水位“Hm(i)”の上限値[m]
Qk(i):時間“i”において、各膜ユニット2に供給される膜供給水の 水量(量膜供給水量)[m3/h]
Qkr(i):時間“i”において、各膜ユニット2から膜供給水槽9に戻され る膜供給水の水量(膜循環水量)[m3/h]
QI(i):時間“i”において、水道水源3から膜供給水槽9に供給される膜 供給水の水量[m3/h]
Hm(i-1):時間“i-1”における膜供給水槽水位[m]
Am:膜供給水槽9の底面積[m2]
つまり、(9)式〜(15)式に示す各条件を満たし、(4)式に示す各目的関数“J1(k)”、“J2(k)”、“J3(j)”、“J4(m)”の和“Jov”を最小化するように、(5)式〜(8)式に示す各目的関数“J1(k)”、“J2(k)”、“J3(j)”、“J4(m)”の各値を求めることができれば、上述した4つの項目を満たし、膜濾過設備5の運用効率、安定率を高めることができる運用計画を作成することができる。
gkr(i)=(1、2、…、Npr)
さらに、図3に示す如くこれらの入出力特性“gk(i)”に対応し、可変速ポンプによって調整可能な水量“QT(i)”のマトリックス表34と、入出力特性“gkr(i)”に対応し、可変速ポンプによって調整可能な水量“QTr(i)”のマトリックス表35とを用意する。
QIk(i)=QTr(gkr(i)) …(17)
そして、このような準備が終了し、ヒューマン・インタフェース部27から運転条件、運転パラメータなどが入力され、水需要予測部29の予測動作で、当日(k日)における24時間分(1時間単位)の水需要予測値“Qout−j(i)”が得られたとき、遺伝的アルゴリズム実行部30によって、水需要予測部29で得られた水需要予測値“Qout−j(i)”が取り込まれ、図4のフローチャートに示す手順で、最大の適応度を持つ遺伝子列が求められる。
(2)数理計画法実行部31のみにより求められた運用計画、
(3)遺伝的アルゴリズム実行部30により求められた運用計画を初期値として数理計画法実行部31により求められた運用計画、
この後、運用計画部32は、水需要実績記憶部28に記憶されている水質検知結果、破断有無、目詰まり有無などに応じて、遺伝的アルゴリズム実行部30で作成された運用計画、または数理計画法実行部31で作成された運用計画のうち、ヒューマン・インタフェース部27から指定された方の運用計画を修正する。
このように、第1実施形態では、水需要実績記億部28に記憶されている過去の水需要実績に基づき、水需要予測部29が当日の水需要を予測するとともに、この水需要量に基づき、遺伝的アルゴリズム実行部30、または数理計画方実行部31が膜濾過設備5の運用計画を求め、この運用計画に基づき、膜濾過設備制御部33が膜濾過設備5を制御するようにしている。このため、膜濾過設備5を運用する際の意思決定の支援機能、自動化運用機能を強化することができるとともに、過去の水需要実績などに基づき、当日の運用計画を最適化して、膜濾過設備5を構成している各膜供給水ポンプ10、各膜洗浄ポンプ20、各バルブ14、17などの運転を効率化して、電気料金を抑えることができるとともに、各膜モジュール12等の交換年数を延命して、膜濾過設備5のランニングコストを最小化することができる。
図5は本発明による膜濾過設備の制御装置の第2実施形態である膜濾過システムを示すブロック図である。なお、この図において、図1の各部と対応する部分には、同じ符号が付してある。
また、上述した実施の各実施形態においては、1日を複数に分割した所定の時間帯ごとに運用計画を求めるようにしているが、膜濾過システム20の規模が大きくなく、計算量が少ないときには、1日の始まりに、1日分の運用計画を求め、各時間毎に、運用計画と、実際の運用内容との誤差を検知し、この検知結果に基づき、運用計画を修正するようにしても良い。
2:膜ユニット
3:水道水源
4:需要家
5:膜濾過設備
6:制御装置
7:センサ(蛍光分析計、濁度計、吸光度計、全有機炭素計、液体クロマトグラフィ)
8:前処理装置
9:膜供給水槽
10:膜供給水ポンプ
11、13、15、19、21:流量計
12:膜モジュール
14、17:バルブ
16:薬品貯留槽
18:膜濾過水槽
20:逆洗浄水ポンプ
23:プロセス入出力部
24:水質検知部
25:破断検知部
26:目詰まり検知部
27:ヒューマン・インタフェース部
28:水需要実績記憶部
29:水需要予測部
30:遺伝的アルゴリズム実行部(運用計画作成部)
31:数理計画法実行部(運用計画作成部)
32:運用計画部(運用計画作成部)
33:膜濾過設備制御部
34、35:マトリックス表
36:通信回線
Claims (7)
- 複数本の膜モジュールから構成される複数の膜ユニット、前記膜ユニットで処理される膜供給水を貯留する複数の膜供給水槽および前記膜ユニットで処理された膜濾過水を貯留する複数の膜濾過水槽を有する膜濾過設備を制御する装置において、
前記膜モジュールの目詰まりを検知する検知部と、
過去の水需要実績を記憶するとともに、前記検知部で検知したデータを記憶する水需要実績記憶部と、
この水需要実績記憶部に記憶されている水需要実績に基づいて、これからの水需要を予測する水需要予測部と、
膜濾過設備における運転に応じて定められる所定の制約条件を満たすとともに、前記水需要予測部で予測された水需要量を利用して定められる各膜ユニットへの膜供給水の供給量で示される目的関数、各膜ユニットへの膜供給水の供給量の変化で示される目的関数、各膜濾過槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数および各膜供給槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数の和を最小化するように前記膜濾過設備の運用計画を求めるとともに、前記膜モジュールを使用する前の測定データ、または薬液によって再生処理した直後の測定データを初期値として、各測定データと初期値との差分を求め、各差分の経時変化に基づき、求めた運用計画を修正する運用計画作成部と、
この運用計画作成部により求められた運用計画に基づいて前記膜濾過設備を制御する濾過膜設備制御部と、
を備えたことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 複数本の膜モジュールから構成される複数の膜ユニット、前記膜ユニットで処理される膜供給水を貯留する複数の膜供給水槽および前記膜ユニットで処理された膜濾過水を貯留する複数の膜濾過水槽を有する膜濾過設備を制御する装置において、
過去の水需要実績を記憶する水需要実績記憶部と、
この水需要実績記憶部に記憶されている水需要実績に基づいて、これからの水需要を予測する水需要予測部と、
前記膜モジュールが破断したことを検知する破断検知部と、
膜濾過設備における運転に応じて定められる所定の制約条件を満たすとともに、前記水需要予測部で予測された水需要量を利用して定められる各膜ユニットへの膜供給水の供給量で示される目的関数、各膜ユニットへの膜供給水の供給量の変化で示される目的関数、各膜濾過槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数および各膜供給槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数の和を最小化するように前記膜濾過設備の運用計画を求めるとともに、前記破断検知部の検知結果を使用して求めた運用計画を修正する運用計画作成部と、
この運用計画作成部により求められた運用計画に基づいて前記膜濾過設備を制御する濾過膜設備制御部と、
を備えたことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 複数本の膜モジュールから構成される複数の膜ユニット、前記膜ユニットで処理される膜供給水を貯留する複数の膜供給水槽および前記膜ユニットで処理された膜濾過水を貯留する複数の膜濾過水槽を有する膜濾過設備を制御する装置において、
過去の水需要実績を記憶する水需要実績記憶部と、
この水需要実績記憶部に記憶されている水需要実績に基づいて、これからの水需要を予測する水需要予測部と、
前記各膜ユニット内に配置され、膜供給水および膜濾過水、あるいは前記膜モジュールの逆洗浄処理によって排出される逆洗浄水の全有機炭素を測定する全有機炭素計と、
前記全有機炭素計の測定結果に基づき、前記膜モジュールに供給される膜供給水および膜濾過水、あるいは前記膜モジュールの逆洗浄処理によって排出される逆洗浄水の水質情報を検知する水質検知部と、
膜濾過設備における運転に応じて定められる所定の制約条件を満たすとともに、前記水需要予測部で予測された水需要量を利用して定められる各膜ユニットへの膜供給水の供給量で示される目的関数、各膜ユニットへの膜供給水の供給量の変化で示される目的関数、各膜濾過槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数および各膜供給槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数の和を最小化するように前記膜濾過設備の運用計画を求めるとともに、前記水質検知部で得られた水質情報を使用して求めた運用計画を修正する運用計画作成部と、
この運用計画作成部により求められた運用計画に基づいて前記膜濾過設備を制御する濾過膜設備制御部と、
を備えたことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 複数本の膜モジュールから構成される複数の膜ユニット、前記膜ユニットで処理される膜供給水を貯留する複数の膜供給水槽および前記膜ユニットで処理された膜濾過水を貯留する複数の膜濾過水槽を有する膜濾過設備を制御する装置において、
過去の水需要実績を記憶する水需要実績記憶部と、
この水需要実績記憶部に記憶されている水需要実績に基づいて、これからの水需要を予測する水需要予測部と、
前記各膜ユニット内に配置され、膜供給水および膜濾過水、あるいは前記膜モジュールの逆洗浄処理によって排出される逆洗浄水の溶解性成分濃度を測定する液体クロマトグラフィと、
前記液体クロマトグラフィ濁度計の測定結果に基づき、膜供給水および膜濾過水、あるいは膜モジュールの逆洗浄処理によって排出される逆洗浄水の水質情報を検知する水質検知部と、
膜濾過設備における運転に応じて定められる所定の制約条件を満たすとともに、前記水需要予測部で予測された水需要量を利用して定められる各膜ユニットへの膜供給水の供給量で示される目的関数、各膜ユニットへの膜供給水の供給量の変化で示される目的関数、各膜濾過槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数および各膜供給槽についての水位値と水位の目標値で示される目的関数の和を最小化するように前記膜濾過設備の運用計画を求めるとともに、前記水質検知部で得られた水質情報を使用して求めた運用計画を修正する運用計画作成部と、
この運用計画作成部により求められた運用計画に基づいて前記膜濾過設備を制御する濾過膜設備制御部と、
を備えたことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の膜濾過設備の制御装置において、
前記水需要予測部に、今後所定時間後の水需要予測の累積誤差を求める機能を持たせ、
前記水需要予測部で得られた所定時間後の水需要予測の累積誤差に基づいて、水需要予測を修正する、
ことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の膜濾過設備の制御装置において、
前記運用計画作成部は、1日を複数に分割した所定の時間帯毎に、前記膜濾過設備の運用計画を求める、
ことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の膜濾過設備の制御装置において、
前記膜濾過設備と通信回線で接続され、ASP(Application Service Provider)として動作して前記膜濾過設備を遠隔制御する、
ことを特徴とする膜濾過設備の制御装置。
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