JP5855964B2 - プラント設備の最適制御方法及び最適制御装置 - Google Patents
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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）。
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、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。
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。
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。
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１０１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。
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Ｓ１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。
ここで、数式（１）中、Ｈ 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、Ｈ 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、Ｈ 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、Ｈ 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ＣＯ２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ＣＯ２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
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
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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)
- 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。 - 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。
- 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、
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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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012023982A JP5855964B2 (ja) | 2012-02-07 | 2012-02-07 | プラント設備の最適制御方法及び最適制御装置 |
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