JP3783418B2

JP3783418B2 - Waste incinerator operation training equipment

Info

Publication number: JP3783418B2
Application number: JP20251798A
Authority: JP
Inventors: 学黒田; 聡藤井; 誠月岡; 敬一長屋; 勉菊池
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: JPH11327423A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ごみ焼却炉の運転訓練および運転技術の熟練度を評価する事が可能なごみ焼却炉の運転訓練装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
都市ごみ焼却炉は、社会生活において排出される様々な廃棄物を処理するという重要な役割を担っている。近年では、廃棄物であるごみの焼却処理によって発生する熱エネルギの回収への関心が高まり、ボイラ発電設備のついたものが増加し、ボイラでの熱回収が効率的に行えるように、安定な燃焼が要求されている。一方、大気中に放出される環境汚染物質の規制が厳しくなるにしたがって、ＮＯｘ濃度やＣＯ濃度を低減する燃焼運転が必要とされている。
【０００３】
このように、ごみ焼却炉に高度な燃焼運転が望まれているため、通常、自動燃焼制御装置によって上記の要求を満たす運転が行われていることから、運転員が直接操作を行う機会が少なくなっている。このような状況から、異常燃焼状態時の対処能力の向上、初心者の早期養成が重要な課題となっており、ごみ焼却炉の運転訓練装置が提案されている。
【０００４】
例えば、川崎重工技報（1995.4,125号p.8-13）、日立造船技報（1994.7第55巻第2号p.73-77）などに掲載されているごみ焼却炉の運転訓練装置は、ごみの燃焼系統に係わる給塵、燃焼火格子装置の運転訓練、燃焼空気等の送風機系統の運転訓練、ＣＯ、ＮＯｘ、Ｏ₂等の排ガス関係の運転訓練というように目的ごとにわかれている。
【０００５】
更に今日のシミュレータ分野では、運転操作のガイダンス表示や運転に伴う視覚・聴覚情報の擬似表示の補助的な機能を付帯することで、効果的な運転訓練効果の向上を図っている。
【０００６】
例えば、特開平９−３３００１３号公報には、プラント運転訓練用シミュレーションシステムが提案されている。この技術では、シミュレーション結果から得られた模擬計装信号に基づき、プラント機器類の運転状況を模擬的に画像表示する。その際、多数の模擬計装信号の入力に対して、ニューラルネットワークを用いて少数の画像情報パラメータの出力を得ている。このように、出力信号の数を少数に絞ることで、動画像データを選択するためのマッピングテーブルのサイズを削減し、その構築を容易としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
まず、操作方法を習得するには、操作端を操作したときの運転訓練装置の炉内状態量変化を調べる事が効果的である。しかし、焼却炉内の燃焼プロセスを把握してない初心者にとって、その作業は時間を要する事が多い。
【０００８】
また、従来のごみ焼却炉の運転訓練装置は、ごみの燃焼系統に係わる給塵、燃焼火格子装置の運転訓練、送風機系統の運転訓練、排ガス関係の運転訓練のように、系統ごとに訓練が分離されている。このため、従来技術では、ごみ焼却炉の運転訓練を総合的に行うことができない。
【０００９】
本来、ごみ焼却炉の運転は、給塵、火格子、送風機などを同時に操作している。また、燃焼状態と排ガスの発生挙動には密接な関係があるため、運転訓練には現実のごみ焼却炉と同じようにごみの燃焼と排ガスを同時に模擬できる燃焼モデルが必要となる。これと同時に、通常の運転では、すべての操作量を手動運転で行うことは少なく、一部の操作量は自動燃焼制御装置で運転されることが多い。しかしながら、従来の技術では、自動運転制御を前提とした訓練はできないという問題があった。
【００１０】
これらの問題点は、例えば特開平９−３３００１３号公報記載の技術でも同様であった。これに記載された例として、ごみ焼却プラントに併設された運転訓練システムでは、各種系統のシミュレータの集合であるシミュレータを用いているというものの、燃焼系統や排ガス系統等各系統間の相互の関係は開示されていない。また、自動運転制御を行う場合の訓練方法については、何ら記載されていない。
【００１１】
この発明は、以上の問題点を解決し、現実の運転操作と同様に各種の系統の運転訓練が可能であり、ごみの燃焼と排ガスの発生挙動を同時に模擬可能であるとともに、自動運転制御を含む運転訓練が可能であるごみ焼却炉の運転訓練装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を達成するためになされたものであり、ごみ焼却炉の燃焼制御を、実炉のごみ焼却炉と同様の制御アルゴリズムにより炉内の状態量から操作量を決定して自動的に行う自動燃焼制御装置と、運転員による手動での操作量の設定を行う操作盤と、一部の操作量は前記自動燃焼制御装置で運転され、運転員による前記操作盤からの操作量の変更あるいは前記自動燃焼制御装置による操作量の変更に応じて、炉内のごみと排ガスの熱収支および物質収支に基づきごみの燃焼状況の演算および排ガスの挙動の演算を行うことでごみ焼却炉の燃焼挙動を模擬する演算装置と、運転員により手動で設定された操作量に対し、前記演算装置が模擬したごみ焼却炉の燃焼挙動の結果、及び、前記自動燃焼制御装置により自動燃焼制御を行った場合に前記演算装置が模擬したごみ焼却炉の燃焼挙動の結果を運転結果表示手段に表示し、前記運転員により手動で設定された操作量の理想的な動きやその根拠となる理由を自動燃焼制御による演算の過程や結果から抽出しガイダンスとして表示し、操作端の手動運転時に参照すべき状態量や操作量の増減操作を運転員に表示する自動燃焼制御ガイダンス表示装置とを備えていることを特徴とするごみ焼却炉の運転訓練装置である。
【００１３】
この発明の運転訓練装置は、炉内の燃焼挙動を模擬する演算装置と自動燃焼制御装置を持っており、また炉内の各操作端を並行して操作することが可能である。ここで、自動燃焼制御装置は、実際のごみ焼却炉における自動燃焼制御と同様の機能を持たせておき、各種の入力から燃焼制御用のデータを出力する。演算装置は、これらの燃焼制御用のデータから所定の方法で燃焼挙動を模擬し、自動燃焼制御を併用した場合のごみ焼却炉の燃焼挙動について模擬演算を行う。
【００１４】
この発明により、運転員は、炉内燃焼状態に応じた各操作端の手動による操作方法を習得することができる。ここで、操作方法を習得するには、操作端を操作したときの運転訓練装置における炉内状態量変化を調べることが、効果的である。従来、焼却炉内の燃焼プロセスを把握してない初心者にとって、その作業は時間を要することが多かった。この問題は、この発明では、運転訓練装置に自動燃焼制御ガイダンス表示装置を付け加えることにより、解決される。
【００１５】
自動燃焼制御ガイダンス表示装置では、自動燃焼制御の内容として、各操作端の操作量の理想的な動きやその根拠となる理由を、自動燃焼制御による演算の過程や結果から抽出し、簡単な言葉に変換したものを表示・指導する。自動燃焼制御ガイダンス表示装置により、運転員は、操作端の手動運転時に参照すべき状態量や操作量の増減操作を、焼却炉内の燃焼プロセスと共に早期に把握することができる。
【００１６】
このように本発明のごみ焼却炉の運転訓練装置は、炉内燃焼モデル演算装置と、実炉用またはそれと同様の機能を有する自動燃焼制御装置を用いることにより、現実の運転操作に近い形で訓練が実施できる。さらに、自動燃焼制御ガイダンス装置により、運転員の効果的な運転技術向上を図ることができる。
【００１８】
本発明では、演算装置が、設定された運転条件、運転員による操作端の変更、あるいは自動燃焼制御装置による操作量の変更に応じて、予め設定されている炉内燃焼モデル等に基づき所定の演算手順により演算を行う。この演算装置の特徴は、ごみの燃焼状態と排ガスの発生挙動の密接な関係を取り込んで演算を行うことにあり、炉内のごみと排ガスの燃焼挙動を、実炉と同じように模擬することが可能である。
【００２０】
この発明の燃焼制御系については、実炉と同様、自動燃焼制御装置による自動運転モードと、手動運転モードを兼ね備えている。自動燃焼制御装置は、各操作端の運転モードによらず演算を行っており、自動燃焼モードの時は演算結果が燃焼モデルに反映される。また、自動燃焼制御ガイダンス表示を行うために、運転訓練中行われている自動燃焼制御装置の演算過程や結果から、各操作端の定性的な動きとその根拠となる事象を判別する。
【００２１】
なお、判別項目としては操作端の増減値や状況に応じた操作端の重要度を加えてもよい。具体的には、各操作端の定性的な動きを操作量の基準値に加算する補正量の正負、または操作量の前回出力値と比べた増減により判別する。また、根拠となる事象については補正量を決定する炉内各状態量の特徴（例：温度が高い／低い）により判別する。
【００２３】
自動燃焼制御ガイダンス表示装置は、自動燃焼制御装置の演算に伴って判別された結果を、箇条書きなどのわかりやすい表現に置き換え、運転中に操作画面にガイダンスとして表示する。
【００２４】
なお、運転訓練装置の操作盤では、運転開始時に初期状態、ごみ質、操作端のマルファンクション（故障）などについて多様な運転シナリオが選択できる機能を持っていることが望ましい。また、訓練速度を設定することで、現実の焼却炉よりも早い応答速度に調整することが可能である。運転中には、炉内の状態量表示と共に、操作端の自動運転と手動運転の切り換えを行う事ができ、運転結果については、各状態量の運転結果・トレンドが表示できるという実炉DCS機能と同様の機能を持つことが運転技術向上には望ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の装置の全体像について説明する。図１はごみ焼却炉の運転訓練装置の構成を示すブロック図である。図中1は操作盤、2は運転条件の設定手段、3は運転操作切り換え手段、4は手動運転操作手段、5は運転結果表示手段、6は運転結果評価手段、7は訓練速度設定手段、8は自動燃焼制御装置、8aは自動燃焼制御ガイダンス表示手段、9は燃焼モデル演算装置をそれぞれ示す。
【００２６】
操作盤1を通じて運転員は訓練を行う。運転訓練を開始する前に、運転条件の設定手段2から運転条件を設定する。運転訓練中の訓練速度は、訓練速度設定手段7によって与えられる。この設定訓練速度の信号に従い、自動燃焼制御装置8と燃焼モデル演算装置9は演算されることとなる。
【００２７】
運転訓練中は、燃焼モデル演算装置9において、運転訓練開始前に設定された運転条件、運転員の操作変更、自動燃焼制御装置8または手動による操作変更に応じて、実炉と同じように炉内のごみと排ガスの燃焼挙動を演算する。操作端については、運転操作切り換え手段3によって、自動燃焼制御装置8または手動による運転が選択できる。手動運転時には、手動運転操作手段4によって運転員が手動運転操作を行う。
【００２８】
運転員は、燃焼モデル演算装置9にて演算された結果や自動燃焼制御装置8で演算された操作量を、運転結果表示手段5である炉内状態量の数値・トレンド表示を通じ、現在と過去の運転状況を確認しながら訓練を進める。また、各操作端が手動・自動にかかわらず自動燃焼制御装置8では常に演算を行い、各操作端の定性的な動きとその根拠となる事象を自動燃焼制御ガイダンス表示手段8aにて判別し、その結果が運転結果表示手段5を通じて表示される。
【００２９】
運転訓練終了時には、運転結果評価手段6によってあらかじめ設定した運転条件に対する操作の評価結果を運転員に与える。
【００３０】
これ以降、図１の運転訓練装置について、主要各部分を説明する。まず、燃焼モデル演算装置9について、運転訓練装置の燃焼モデルの一例として、炉内をブロックに分割し、各ブロック内の物質収支、熱収支よりごみと排ガスの燃焼挙動を演算する方法について説明する。
【００３１】
図2は、燃焼モデルの構成を示すブロック図である。ここでは、ごみ焼却炉の操作量である給塵速度、燃焼火格子速度、燃焼空気量、燃焼空気温度、火格子下燃焼空気量の配分および冷却空気量を操作量としている。炉内のごみと排ガスの熱収支と物質収支に基づいて炉内の燃焼挙動を表現できる燃焼モデルを構築する際に設定した基本的な仮定は、以下に示すものである。
・各燃焼空気の風箱の位置ごとに、火格子上のごみをブロックに分割する。
・煙道は、燃焼室、副煙道、主煙道、ガス混合室、およびボイラに分割する。
・それぞれのブロックでのモデルは、熱・物質収支を基にした完全混合モデルとする。
・ごみは水分、可燃分、灰分から構成されるとし、可燃分の組成はＣとＨとＯとする。
【００３２】
次に、ごみ層内での反応および煙道での反応は、次の式で表される。この式は、分割されたブロックの火格子上のごみや煙道について、物質収支と熱収支を基に構成されている。まず、燃焼反応については、次の式で表される。
【００３３】
C ＋ 1/2O₂＝ CO ＋ Q₁ (1)
C ＋ O₂ ＝ CO₂＋ Q₂ (2)
CO＋ 1/2O₂＝ CO₂＋ Q₃ (3)
CH₄＋ 2O₂＝ CO₂＋ 2H₂O ＋ Q₄ (4)
H₂O(l)＝ H₂O(g)＋ Q₅ (5)
ただし、Q_i；i =1,...,5：反応・蒸発熱(J/mol) である。
【００３４】
ごみの物質収支と熱収支式については、ごみの物質収支、熱収支は以下の式で表す。
dW_ij／dt＝U_i-1W_i-1j− U_iW_ij＋Ｒ_ij (6)
d(Σ_jＣ_jW_ijＴ_i)／dt
＝U_i-1Σ_jＣ_jW_i-1jＴ_i-1−U_iΣ_jＣ_jW_ijＴ_i＋Qr_i＋Qg_i＋Qf_i＋Σ_jQ_jＲ_ij (7)
【００３５】
煙道部分の排ガスの物質収支と熱収支の式については、以下の式で示す。
d(Ｖ_jＸ_ij)／dt＝Σ_mＦ_mＸ_mj−Ｆ_iＸ_ij＋Ｖ_iδ_ij (8)
d(Tg_iΣ_jCg_jρg_jＶ_iＸ_ij)／dt＝Σ_mＦ_mTg_m(Σ_jCg_jρg_jＸ_mj)
−Ｆ_iTg_iΣ_jCg_jρg_jＸ_ij＋(10³/22.4)×Ｖ_iΣ_jQ_jδ_ij−Qg_i (9)
【００３６】
ここで添字i,mはブロック番号、添字jはj成分、Σ_j，Σ_mは添字j,mについての総和を表す。また、個々の変数の内容は次の通りである。
W_ij：j成分の量(mol)
U_i：ごみの移動速度（給塵装置、火格子速度）(l/h)
Ｒ_ij：j成分の反応量、蒸発量(mol/h)
Ｔ_i：ごみの温度(℃)
Ｃ_j：ごみ中のj成分の比熱(J/mol℃)
Qr_i：燃焼空気からごみへの熱伝達 (J/h)
Qg_i：燃焼ガスからごみへの熱伝達 (J/h)
Qf_i：ごみ層表面火炎からごみへの熱伝達 (J/h)
Ｘ_ij：ガス中のj成分の割合(%、ppm)
Ｆ_i：ガス、空気、水噴霧流量 (Nｍ³/h)
Ｖ_i：煙道容積 (m³)
Tg_i：ガスの温度(℃)
δ_ij：j成分の反応速度 (l/h)
Cg_j：ガス中のj成分の比熱(J/kg℃)
ρg_j：ガス中のj成分の密度(kg/Nm³)
【００３７】
この燃焼モデルでは、設定された運転条件、運転員による操作量の変更、自動燃焼制御装置による操作量の変更に応じて、実炉と同じように炉内のごみと排ガスの燃焼挙動を模擬する。なお、物質収支と熱収支の式は、微分方程式となっているが通常の数値解法で容易に計算できる。
【００３８】
図1の燃焼モデル演算装置9では、燃焼モデルによって設定された運転条件、運転員による操作量の変更、自動燃焼制御装置による操作量の変更に応じて、実炉と同じように炉内のごみと排ガスの燃焼挙動を模擬し、その演算結果を運転結果表示手段5に表示する。
【００３９】
自動燃焼制御装置８における操作量の演算方法は、通常のＰＩＤ演算でもよいが、ここでは一例としてファジイ演算を用いた場合について説明する。各操作端の自動運転時の操作量は、周期毎に、式(10)に示すように、燃焼の長期安定化を保つための基準値と、短周期の外乱変動に対する補正量の積により算出されている。
【００４０】
ｕ_i＝(１＋Σ_jfc_ij)×fr_i (10)
ここで、ｕ_iは操作端iの操作量、fr_iは操作端iの基準値、fc_ijは操作端iにおけるルール群jの補正量をそれぞれ表す。
【００４１】
基準値ｕ_i，fr_iは各操作端毎にごみの低位発熱量、ごみ供給量、蒸発量などから決定される。補正量fc_{i j}は各操作端毎に関連の深い状態量を入力とした、いくつかのファジィルール群から得られる補正量の和により算出される。例として、水噴霧量のファジィルール群（自動燃焼制御装置の水噴霧量の操作量決定に用いられるファジィルール群一覧）を表１に示す。水噴霧量の補正量は炉内温度、NOx濃度、炉出口温度それぞれのファジィルール群の補正量の総和により決定される。つまり、式(10)を水噴霧量に当てはめた場合、式中のjの値は3である。
【００４２】
【表１】

【００４３】
次に、ルール群においての補正量はシングルトン法を用いて算出している。一例として前述した水噴霧量のルール群１を用いて説明する。炉内温度の各ルール（低、適、高）に対応するメンバーシップ関数は図3に示す形で与えられる。次に各前件部における適合度は図3に示す現在の炉内温度と炉内温度が低、適、高のメンバーシップ関数が交叉する点である。これらの値がμ₁、μ₂、μ₃と与えられる。Rule1-3における後件部出力値が G₁、G₂、G₃で与えられるとき、ルール群１における補正値は以下の式で与えられる。
fc_H2O1＝(Ｇ₁μ₁+Ｇ₂μ₂+Ｇ₃μ₃)／(μ₁+μ₂+μ₃) （11）
【００４４】
このような演算が各操作端の各ルール群について行われ、計算された操作量ｕ_iは操作端が自動運転モードである場合には燃焼モデル9に入力される。
【００４５】
なお、補正量の演算と並行して、各操作端内の補正量を決定するルール群それぞれにおいて、一番適合度の高い（支配的である）ルール番号と補正量の総和の定性的な傾向（正、負、０）を求めておき、自動燃焼制御ガイダンス表示手段8aへフォーマットに従った数列として引き渡す。前述の水噴霧量の例を用いればμ₁からμ₃の中で一番大きい値を持つルール番号:1-3とルール群１から３(fc_H2O1からfc_H2O3)の総和の定性的な傾向を数列として送る。
【００４６】
フォーマット（自動燃焼制御装置の演算結果を自動燃焼制御ガイダンス装置へ渡す数列のフォーマット）の一例を表２に示す。表２に従い、水噴霧量の例で数列の作成手順を説明する。ルール群1の最大適合度:Rule2であり、ルール群2の最大適合度:Rule1であり、ルール群3の最大適合度:Rule3であり、トータルの補正量総和が正つまり基準値に比べ増やす方向であることを想定する。このとき１−３桁目にはルール群１−３の最大適合度ルール番号である２、１、３が入る。また４、５桁目はルール群４、５が存在しないので０が入る。６桁目は、上記の補正量総和を増やす方向であるので、１が入る。よって、この場合の自動燃焼制御ガイダンス表示手段8aへ引き渡す数列は２１３００１となる。
【００４７】
【表２】

【００４８】
自動燃焼制御ガイダンス装置8aは、自動燃焼制御装置8から引き渡されたガイダンス用数列の各桁の数字より、データベースに予め格納しておいたガイダンスメッセージから該当するもの選択し、運転結果表示手段5を通じて画面に表示する。これらの過程のフローチャートを図４に示す。
【００４９】
図中、ステップＳ１では1桁目から順次数字を読み込む。ここでｉ(i:1〜5)桁目の数字、つまりｉ番目のルール群における最大適合ルール、で表されるj番目のルールのガイダンスデータを取り出す。ステップＳ２では補正量の総和についてj番目のルールのガイダンスデータを取り出す。ステップＳ３で取り出されたガイダンスデータを画面に表示する。そのために、各操作端におけるルール群における各ルールのガイダンスのデータベースを予め用意しておく。
【００５０】
前述した（自動燃焼制御ガイダンス装置における）水噴霧量のガイダンスのデータベースを表３に示す。ちなみに、これらは運転員が簡単に理解できる言葉である方がよい。この例では、該当ルールを簡単に言葉に直したものである。各桁について上記のような処理を行うが、数が０である場合は、ルール群が存在しないことを示しているので表示しない。最終桁の補正量全体の定性的傾向についても、同様に数字を読み込みデータベースから対応するガイダンスを選択・表示する。
【００５１】
【表３】

【００５２】
【実施例】
図５では、運転訓練開始前に、訓練を行う運転員が画面内の「運転初期状態設定」の中から必要な初期状態を設定し、「イベント発生設定」の中からごみ質を「低く、高く」のどちらかを設定し、さらに変動量を「大、中、小」の中から選択し、このごみ質変動のイベントが開始される時間を設定する。加えて、訓練時間を数字入力より指定でき、訓練速度を予め与えられた数通りの中から選択できる。
【００５３】
運転条件の設定手段２によって、運転条件を設定した後、図６の画面が表示される．図６の画面は、自動と手動運転操作切り換え手段３、手動運転操作手段４、運転結果表示手段５を兼ねている。
【００５４】
図６の画面上で、運転員が任意の操作タグ、例えば「S-003」を指定すると、画面右端に、自動と手動運転操作切り換え手段３と手動運転操作手段４を兼ねた画面が表示され、自動運転の状態「ACC」から手動運転の状態「MAN」に切り換えることができる。ここで、「S-003」を「MAN」に切り換えることによって、任意の操作量を手動で設定できる。この画面が不要であれば、「消去」を選択すると画面が消える。
【００５５】
また、運転結果表示手段５は、図６、７、８の３つの画面から構成される。図６では、現在の操作量、炉内の各温度、圧力、排ガス中の各成分の濃度、蒸気発生量、ホッパレベルなどの数値とそれぞれのタグ名が、周期的に更新され、表示される。図７では、これらの数値の過去のトレンドが表示される。図８では、自動燃焼制御ガイダンス手段8aにより、各操作端における現在の操作量の演算結果が分かりやすい言語として表示される。図８では、左にある操作端のボタンを押すと、その操作端における各ルール群における最大適合ルールと定性的な傾向、そして全体的な傾向を見ることができる。
【００５６】
運転結果評価手段６では、運転訓練終了後、図９に示される画面が表示され、各評価項目「蒸気発生量安定度、ＮＯｘ平均値、ＣＯ平均値、Ｏ₂平均値、灰中未燃量」の数値が表示される。このとき、運転員の操作結果とすべて自動運転で行った場合の結果が表示されるので、これらを比較することで、運転員の運転能力を評価することができる。
【００５７】
【効果】
本発明は、ごみ焼却炉の運転訓練がごみの燃焼と排ガスの挙動を同時に模擬できるモデルと実炉用の自動燃焼制御装置を用いて、現実の運転操作に近い形で訓練が実施でき、かつ、自動燃焼制御ガイダンス装置により運転技術向上を補助する機能を備えているので、この運転訓練装置を利用することにより運転員の効果的な運転技術向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ごみ焼却炉の運転訓練装置の構成を示すブロック図である。
【図２】物質収支と熱収支に基づいて構成された燃焼モデルの構成を示すブロック図である。
【図３】自動燃焼制御装置の水噴霧量の操作量決定に用いられる炉内温度のメンバーシップ関数である。
【図４】自動燃焼制御ガイダンス装置におけるフローチャートである。
【図５】運転条件の設定を行うための画面を示す図である。
【図６】運転訓練の各種の操作を行うための画面を示す図である。
【図７】燃焼挙動を示す変数のトレンドを示す図である。
【図８】自動燃焼制御ガイダンス表示画面を示す図である。
【図９】訓練結果の評価を表示する画面を示す図である。
【符号の説明】
1 操作盤
2 運転条件の設定手段
3 運転操作切り換え手段
4 手動運転操作手段
5 運転結果表示手段
6 運転結果評価手段
7 訓練速度設定手段
8 自動燃焼制御装置
8a 自動燃焼制御ガイダンス表示手段
9 燃焼モデル演算装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waste incinerator operation training apparatus capable of evaluating operation training of a waste incinerator and skill level of operation technology.
[0002]
[Prior art]
Municipal waste incinerators play an important role in treating various wastes emitted in social life. In recent years, there has been a growing interest in the recovery of thermal energy generated by incineration of garbage, which is waste, and the number of boiler power generation facilities has increased, so that heat recovery in boilers can be performed efficiently. Combustion is required. On the other hand, as the regulation of environmental pollutants released into the atmosphere becomes stricter, a combustion operation for reducing NOx concentration and CO concentration is required.
[0003]
As described above, since an advanced combustion operation is desired for the waste incinerator, the operation that satisfies the above requirements is usually performed by the automatic combustion control device, so that the operator has few opportunities to perform the direct operation. It has become. Under such circumstances, improvement of coping capability in abnormal combustion conditions and early training of beginners are important issues, and an incinerator operation training apparatus has been proposed.
[0004]
For example, the waste incinerator operation training equipment described in Kawasaki Heavy Industries Technical Report (1995.4,125, p.8-13), Hitachi Zosen Technical Report (1994.7, Vol. 55, No. 2, p. 73-77) It is divided according to the purpose, such as dust supply related to garbage combustion system, operation training of combustion grate device, operation training of blower system such as combustion air, and operation training related to exhaust gas such as CO, NOx, O ₂ etc. .
[0005]
Furthermore, in today's simulator field, an auxiliary function of guidance display of driving operation and pseudo display of visual / auditory information accompanying driving is added to improve effective driving training effect.
[0006]
For example, JP-A-9-330013 proposes a simulation system for plant operation training. In this technique, based on the simulation instrumentation signal obtained from the simulation result, the operation status of the plant equipment is displayed as a simulated image. At that time, for the input of a large number of simulated instrumentation signals, a small number of image information parameters are output using a neural network. In this way, by reducing the number of output signals to a small number, the size of the mapping table for selecting moving image data is reduced, and the construction thereof is facilitated.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
First, in order to learn the operation method, it is effective to examine the change in the state quantity in the furnace of the operation training apparatus when the operation end is operated. However, for beginners who do not know the combustion process in the incinerator, the work often takes time.
[0008]
In addition, conventional waste incinerator operation training devices are trained on a system-by-system basis, such as dust supply related to the waste combustion system, combustion grate device operation training, blower system operation training, and exhaust gas related operation training. It is separated. For this reason, in the prior art, it is impossible to comprehensively perform operation training of the waste incinerator.
[0009]
Originally, the operation of the waste incinerator operates dust supply, grate, blower, etc. at the same time. Also, since there is a close relationship between the combustion state and the generation behavior of exhaust gas, the operation training requires a combustion model that can simultaneously simulate waste combustion and exhaust gas in the same manner as an actual waste incinerator. At the same time, in normal operation, all operation amounts are rarely performed manually, and some operation amounts are often operated by the automatic combustion control device. However, the conventional technique has a problem that training based on automatic operation control cannot be performed.
[0010]
These problems are the same in the technique described in, for example, JP-A-9-330013. As an example described in this, although the operation training system provided in the waste incineration plant uses a simulator which is a set of simulators of various systems, the mutual relationship between each system such as a combustion system and an exhaust gas system is Not disclosed. In addition, there is no description of a training method for performing automatic operation control.
[0011]
The present invention solves the above-mentioned problems, enables operation training of various systems in the same way as actual driving operation, can simultaneously simulate waste combustion and exhaust gas generation behavior, and can perform automatic operation control. An object of the present invention is to provide a waste incinerator operation training apparatus capable of including operation training.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in order to achieve the above-mentioned problem. Combustion control of a waste incinerator is automatically performed by determining an operation amount from a state quantity in the furnace by a control algorithm similar to that of a real waste incinerator. An automatic combustion control device, an operation panel for manually setting the operation amount by the operator, and a part of the operation amount is operated by the automatic combustion control device, and the operation amount from the operation panel by the operator is In accordance with the change or the change in the operation amount by the automatic combustion control device, the waste incinerator is calculated by calculating the combustion state of the waste and the behavior of the exhaust gas based on the heat balance and material balance of the waste and exhaust gas in the furnace. The combustion device simulates the combustion behavior, and the operation amount manually set by the operator performs the automatic combustion control by the result of the combustion behavior of the waste incinerator simulated by the computing device and the automatic combustion control device. The Automatic combustion why the results of combustion behavior of incinerator the computing device to simulate the case displayed on the operation result display means, is an ideal motion or its grounds manually set manipulated variable by the operator It is equipped with an automatic combustion control guidance display device that extracts from the calculation process and results of control and displays it as guidance, and displays to the operator the state quantity that should be referred to during manual operation of the operating end and the operation amount increase / decrease operation It is the operation training apparatus of the waste incinerator characterized by this.
[0013]
The operation training apparatus of the present invention has an arithmetic unit that simulates the combustion behavior in the furnace and an automatic combustion control apparatus, and can operate each operation end in the furnace in parallel. Here, the automatic combustion control device has the same function as the automatic combustion control in an actual waste incinerator, and outputs data for combustion control from various inputs. The arithmetic unit simulates the combustion behavior by a predetermined method from the data for combustion control, and performs a simulation operation on the combustion behavior of the refuse incinerator when automatic combustion control is used in combination.
[0014]
By this invention, the operator can learn the manual operation method of each operation end according to the in-furnace combustion state. Here, in order to learn the operation method, it is effective to examine the change in the state quantity in the furnace in the operation training apparatus when the operation end is operated. Conventionally, for beginners who do not grasp the combustion process in the incinerator, the work often takes time. In the present invention, this problem is solved by adding an automatic combustion control guidance display device to the operation training device.
[0015]
In the automatic combustion control guidance display device, as the content of the automatic combustion control, the ideal movement of the operation amount at each operation end and the reason for it are extracted from the calculation process and result by automatic combustion control, and simple words Display and teach what has been converted to. With the automatic combustion control guidance display device, the operator can quickly grasp the state quantity to be referred to during manual operation of the operation end and the operation amount increase / decrease operation together with the combustion process in the incinerator.
[0016]
As described above, the operation training device for the incinerator of the present invention uses an in-furnace combustion model calculation device and an automatic combustion control device for an actual furnace or a function similar to that of the actual incinerator. Training can be carried out. In addition, the automatic combustion control guidance device can improve the operator's effective driving technique.
[0018]
In the present invention, the arithmetic unit is configured to perform a predetermined operation based on a preset furnace combustion model or the like in accordance with the set operating conditions, the change of the operation end by the operator, or the change of the operation amount by the automatic combustion control device. Calculation is performed according to the calculation procedure. The feature of this calculation device is that it performs calculations by taking in a close relationship between the combustion state of waste and the generation behavior of exhaust gas, and simulates the combustion behavior of waste and exhaust gas in the furnace in the same way as an actual furnace. Is possible.
[0020]
The combustion control system of the present invention has both an automatic operation mode by the automatic combustion control device and a manual operation mode as in the actual furnace. The automatic combustion control device performs calculation regardless of the operation mode of each operation end, and the calculation result is reflected in the combustion model in the automatic combustion mode. In addition, in order to display the automatic combustion control guidance, the qualitative movement of each operation end and the event that is the basis thereof are determined from the calculation process and result of the automatic combustion control device that is being performed during the operation training.
[0021]
In addition, as an identification item, you may add the increase / decrease value of an operation end, and the importance of the operation end according to a condition. More specifically, the determination is made based on the sign of the correction amount that adds the qualitative movement of each operation end to the reference value of the operation amount, or the increase or decrease compared to the previous output value of the operation amount. In addition, the event that is the basis is determined by the characteristics of each state quantity in the furnace that determines the correction amount (eg, temperature is high / low).
[0023]
The automatic combustion control guidance display device replaces the result determined along with the calculation of the automatic combustion control device with easy-to-understand expressions such as bullets, and displays it as guidance on the operation screen during operation.
[0024]
It is desirable that the operation panel of the driving training apparatus has a function that allows selection of various driving scenarios for the initial state, garbage quality, malfunction at the operation end, etc. at the start of driving. In addition, by setting the training speed, it is possible to adjust the response speed faster than the actual incinerator. Actual furnace DCS function that can switch between automatic operation and manual operation at the operation end while displaying the state quantity in the furnace during operation, and can display the operation result and trend of each state quantity as the operation result It is desirable to improve driving skills to have the same function as.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the overall image of the apparatus of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a waste incinerator operation training apparatus. In the figure, 1 is an operation panel, 2 is a driving condition setting means, 3 is a driving operation switching means, 4 is a manual driving operation means, 5 is a driving result display means, 6 is a driving result evaluation means, 7 is a training speed setting means, 8 is an automatic combustion control device, 8a is an automatic combustion control guidance display means, and 9 is a combustion model computing device.
[0026]
Operators train through the operation panel 1. Before starting the driving training, the driving conditions are set from the driving condition setting means 2. The training speed during driving training is given by the training speed setting means 7. In accordance with the set training speed signal, the automatic combustion control device 8 and the combustion model calculation device 9 are calculated.
[0027]
During operation training, the combustion model computing device 9 uses the same furnace as the actual furnace depending on the operating conditions set before the start of operation training, operator operation changes, automatic combustion control device 8 or manual operation changes. Calculate the combustion behavior of the waste and exhaust gas inside. As for the operation end, the automatic combustion control device 8 or manual operation can be selected by the operation operation switching means 3. During manual operation, the operator performs manual operation by the manual operation operation means 4.
[0028]
The operator can display the results calculated by the combustion model calculation device 9 and the operation amount calculated by the automatic combustion control device 8 through the numerical value / trend display of the in-furnace state quantity that is the operation result display means 5 and the past Advance the training while confirming the driving status of. In addition, regardless of whether each operation end is manual or automatic, the automatic combustion control device 8 always calculates, and the qualitative movement of each operation end and the underlying event are determined by the automatic combustion control guidance display means 8a, The result is displayed through the operation result display means 5.
[0029]
At the end of the driving training, the operation result evaluation means 6 gives the operator an operation evaluation result for the driving conditions set in advance.
[0030]
Hereinafter, main parts of the driving training apparatus of FIG. 1 will be described. First, regarding the combustion model calculation device 9, as an example of a combustion model of the operation training device, a method of dividing the furnace into blocks and calculating the combustion behavior of dust and exhaust gas from the mass balance and heat balance in each block will be described. .
[0031]
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the combustion model. Here, the operating amount is the dust supply speed, the combustion grate speed, the combustion air amount, the combustion air temperature, the distribution of the combustion air amount under the grate and the cooling air amount, which are the operation amounts of the waste incinerator. The basic assumptions set when building a combustion model that can represent the combustion behavior in the furnace based on the heat balance and mass balance of the waste and exhaust gas in the furnace are as follows.
-Divide the dust on the grate into blocks for each combustion air windbox position.
• The flue is divided into a combustion chamber, a secondary flue, a main flue, a gas mixing chamber, and a boiler.
・ The model in each block shall be a fully mixed model based on heat and mass balance.
・ Waste is composed of moisture, combustible matter, and ash, and the combustible content is C, H, and O.
[0032]
Next, the reaction in the dust layer and the reaction in the flue are expressed by the following equations. This formula is constructed based on the material balance and heat balance for the dust and flues on the grate of the divided blocks. First, the combustion reaction is expressed by the following equation.
[0033]
C + 1 / 2O ₂ = CO + Q ₁ (1)
C + O ₂ = CO ₂ + Q ₂ (2)
CO + 1 / 2O ₂ = CO ₂ + Q ₃ (3)
CH ₄ + 2O ₂ = CO ₂ + 2H ₂ O + Q ₄ (4)
H ₂ O (l) = H ₂ O (g) + Q ₅ (5)
However, Q _i ; i = 1,..., 5: Reaction / heat of evaporation (J / mol).
[0034]
Regarding the material balance and heat balance equation of garbage, the material balance and heat balance of waste are expressed by the following equations.
dW _ij / dt = U _i-1 W _{i-1j −U} _i W _ij + R _ij (6)
d (Σ _j C _j W _ij T _i ) / dt
= U _i-1 Σ _j C _j W _i-1j T _i-1 −U _i Σ _j C _j W _ij T _i + Qr _i + Q g _i + Qf _i + Σ _j Q _j R _ij (7)
[0035]
The mass balance and heat balance formulas of the flue gas are shown in the following formula.
_{_{d (V j X ij) /}} dt = Σ m F m X mj -F i X ij + V i δ ij (8)
d (Tg _i Σ _j Cg _j ρg _j V _i X _ij ) / dt = Σ _m F _m Tg _m (Σ _j Cg _j ρg _j X _mj )
_{_{_{_{-F i Tg i Σ j Cg j}}}} ρg j X ij + (10 3 /22.4)×V i Σ j Q j δ ij -Qg i (9)
[0036]
Here, the subscripts i and m are block numbers, the subscript j is the j component, and Σ _j and Σ _m are the sums of the subscripts j and m. The contents of each variable are as follows.
W _ij : Amount of j component (mol)
U _i : Waste moving speed (dust supply device, grate speed) (l / h)
R _ij : reaction amount of j component, evaporation amount (mol / h)
T _i : Waste temperature (℃)
C _j : Specific heat of j component in garbage (J / mol ° C)
Qr _i : Heat transfer from combustion air to waste (J / h)
Qg _i : Heat transfer from combustion gas to waste (J / h)
Qf _i : Heat transfer from waste layer surface flame to waste (J / h)
X _ij : Ratio of j component in gas (%, ppm)
F _i : Gas, air, water spray flow rate (Nm ³ / h)
V _i : Flue volume (m ³ )
Tg _i : Gas temperature (℃)
δ _ij : Reaction rate of j component (l / h)
Cg _j : Specific heat of j component in gas (J / kg ℃)
ρg _j : Density of j component in gas (kg / Nm ³ )
[0037]
In this combustion model, the combustion behavior of waste and exhaust gas in the furnace is simulated in the same manner as in an actual furnace, according to the set operating conditions, changes in the operation amount by the operator, and changes in the operation amount by the automatic combustion control device. . Although the mass balance and heat balance equations are differential equations, they can be easily calculated by ordinary numerical methods.
[0038]
In the combustion model calculation device 9 in FIG. 1, the waste in the furnace is the same as in an actual furnace, depending on the operating conditions set by the combustion model, changes in the operation amount by the operator, and changes in the operation amount by the automatic combustion control device. And the exhaust gas combustion behavior are simulated, and the calculation result is displayed on the operation result display means 5.
[0039]
The operation amount calculation method in the automatic combustion control device 8 may be a normal PID calculation, but here, a case where fuzzy calculation is used will be described as an example. The amount of operation at the time of automatic operation at each operating end is calculated by the product of the reference value for maintaining long-term stabilization of combustion and the correction amount for short-term disturbance fluctuation, as shown in Equation (10), for each cycle. Has been.
[0040]
u _i = (1 + Σ _j fc _ij ) × fr _i (10)
Here, u _i represents the operation amount of the operation end i, fr _i represents the reference value of the operation end i, and fc _ij represents the correction amount of the rule group j at the operation end i.
[0041]
The reference values u _i and fr _i are determined from the lower heating value of the waste, the amount of dust supply, the amount of evaporation, etc. for each operation end. The correction amount fc _ij is calculated from the sum of correction amounts obtained from several fuzzy rule groups, each of which is input with a state quantity deeply related to each operation end. As an example, Table 1 shows a fuzzy rule group of water spray amount (a list of fuzzy rule groups used for determining an operation amount of the water spray amount of the automatic combustion control device). The correction amount of the water spray amount is determined by the sum of the correction amounts of the fuzzy rule groups for the furnace temperature, the NOx concentration, and the furnace outlet temperature. That is, when equation (10) is applied to the water spray amount, the value of j in the equation is 3.
[0042]
[Table 1]

[0043]
Next, the correction amount in the rule group is calculated using the singleton method. As an example, description will be made using rule group 1 for the amount of water spray described above. The membership function corresponding to each rule of the furnace temperature (low, appropriate, high) is given in the form shown in Fig. 3. Next, the degree of conformity in each antecedent part is the point where the current in-furnace temperature and the in-furnace temperature shown in FIG. These values are given as μ ₁ , μ ₂ and μ ₃ . When the consequent output value in Rule _1-3 is given by G ₁ , G ₂ , G ₃ , the correction value in rule group 1 is given by the following equation.
fc _H2O1 = (G ₁ μ ₁ + G ₂ μ ₂ + G ₃ μ ₃ ) / (μ ₁ + μ ₂ + μ ₃ ) (11)
[0044]
Such calculation is performed for each rule group at each operation end, and the calculated operation amount u _i is input to the combustion model 9 when the operation end is in the automatic operation mode.
[0045]
In parallel with the calculation of the correction amount, in each rule group that determines the correction amount in each operation end, the qualitative tendency of the rule number having the highest fitness (dominant) and the total of the correction amount (Positive, negative, 0) is obtained and handed over to the automatic combustion control guidance display means 8a as a numerical sequence according to the format. Qualitative tendency of the sum of rule numbers 1-3 and rule groups 1 to 3 (fc _H2O1 to fc _H2O3 ) having the largest value among μ ₁ to μ ₃ using the above water spray amount example As a sequence.
[0046]
Table 2 shows an example of a format (a format of a sequence of numbers for passing the calculation result of the automatic combustion control device to the automatic combustion control guidance device). In accordance with Table 2, a procedure for creating a number sequence will be described with an example of the amount of water spray. Rule group 1 maximum fitness: Rule2, rule group 2 maximum fitness: Rule1, rule group 3 maximum fitness: Rule3, the total correction amount is positive, that is, in a direction that increases compared to the reference value Assuming that At this time, the first to third digits are 2, 1, and 3, which are the maximum fitness rule numbers of the rule group 1-3. In the fourth and fifth digits, 0 is entered because

rule groups

4 and 5 do not exist. Since the sixth digit is a direction to increase the total correction amount, 1 is entered. Therefore, the number sequence delivered to the automatic combustion control guidance display means 8a in this case is 213001.
[0047]
[Table 2]

[0048]
The automatic combustion control guidance device 8a selects the corresponding one from the guidance messages stored in advance in the database from the numbers of the digits in the guidance sequence delivered from the automatic combustion control device 8, and passes through the operation result display means 5. Display on the screen. A flowchart of these processes is shown in FIG.
[0049]
In the figure, in step S1, numbers are read sequentially from the first digit. Here, guidance data of the j-th rule represented by a number of i (i: 1 to 5) digits, that is, the maximum matching rule in the i-th rule group is extracted. In step S2, guidance data of the j-th rule is extracted for the total correction amount. The guidance data extracted in step S3 is displayed on the screen. For this purpose, a database of guidance for each rule in the rule group at each operation end is prepared in advance.
[0050]
Table 3 shows the water spray amount guidance database (in the automatic combustion control guidance device) described above. By the way, these words should be easy for operators to understand. In this example, the corresponding rule is simply translated into words. The above processing is performed for each digit, but when the number is 0, it indicates that there is no rule group and is not displayed. Similarly, for the qualitative tendency of the entire correction amount of the last digit, numbers are similarly read and the corresponding guidance is selected and displayed from the database.
[0051]
[Table 3]

[0052]
【Example】
In FIG. 5, before starting the driving training, the operator who performs the training sets the necessary initial state from the “Initial driving state setting” on the screen, and the garbage quality is set to “Low, “High” is set, and the fluctuation amount is selected from “Large, Medium, Small”, and the time when the event of changing the garbage quality is started is set. In addition, the training time can be designated by numerical input, and the training speed can be selected from several predetermined speeds.
[0053]
After setting the operating conditions by the operating condition setting means 2, the screen of FIG. 6 is displayed. The screen of FIG. 6 also serves as automatic and manual operation switching means 3, manual operation operation means 4, and operation result display means 5.
[0054]
When the operator designates an arbitrary operation tag, for example, “S-003” on the screen of FIG. 6, a screen serving as both automatic, manual operation switching means 3 and manual operation means 4 is displayed at the right end of the screen. The automatic operation state “ACC” can be switched to the manual operation state “MAN”. Here, an arbitrary operation amount can be manually set by switching “S-003” to “MAN”. If this screen is not required, select “Delete” and the screen will disappear.
[0055]
The operation result display means 5 includes three screens shown in FIGS. In FIG. 6, numerical values such as current operation amount, furnace temperature, pressure, concentration of each component in the exhaust gas, steam generation amount, hopper level and tag names are periodically updated and displayed. . In FIG. 7, past trends of these values are displayed. In FIG. 8, the automatic combustion control guidance means 8a displays the calculation result of the current operation amount at each operation end as an easy-to-understand language. In FIG. 8, when the button at the operation end on the left is pressed, the maximum matching rule, the qualitative tendency, and the overall tendency in each rule group at the operation end can be seen.
[0056]
The operation result evaluation means 6 displays the screen shown in FIG. 9 after the completion of the operation training. Each evaluation item “steam generation amount stability, NOx average value, CO average value, O ₂ average value, unburned amount in ash” "Is displayed. At this time, since the operation result of the operator and the result when all of the operations are performed in the automatic operation are displayed, the driving ability of the operator can be evaluated by comparing them.
[0057]
【effect】
The present invention uses a model capable of simultaneously simulating the behavior of waste combustion and exhaust gas, and an automatic combustion control device for an actual furnace, in which operation training of a waste incinerator can perform training in a form close to actual driving operation, and Since the automatic combustion control guidance device has a function of assisting the improvement of the driving technique, the driving skill can be improved effectively by using the driving training apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a waste incinerator operation training apparatus.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a combustion model configured based on a mass balance and a heat balance.
FIG. 3 is a membership function of a furnace temperature used for determining the operation amount of the water spray amount of the automatic combustion control device.
FIG. 4 is a flowchart in the automatic combustion control guidance device.
FIG. 5 is a diagram showing a screen for setting operating conditions.
FIG. 6 is a diagram showing a screen for performing various operations of driving training.
FIG. 7 is a diagram showing a trend of variables indicating combustion behavior.
FIG. 8 is a diagram showing an automatic combustion control guidance display screen.
FIG. 9 is a diagram showing a screen that displays an evaluation of training results.
[Explanation of symbols]
1 Control panel
2 Operation condition setting method
3 Operation switching means
4 Manual operation
5 Operation result display means
6 Operation result evaluation method
7 Training speed setting means
8 Automatic combustion control device
8a Automatic combustion control guidance display means
9 Combustion model calculator

Claims

An automatic combustion control device that automatically controls the combustion control of the waste incinerator by determining the operation amount from the state quantity in the furnace by a control algorithm similar to that of the actual waste incinerator;
An operation panel for setting the operation amount manually by the operator,
Some of the manipulated variables are operated by the automatic combustion control device, and in response to changes in the manipulated variables by the operator from the operation panel or changes in the manipulated variables by the automatic combustion control device, An arithmetic unit that simulates the combustion behavior of a waste incinerator by calculating the combustion status of the waste and calculating the behavior of the exhaust gas based on the balance and the mass balance;
As a result of the combustion behavior of the waste incinerator simulated by the arithmetic device, and the automatic combustion control performed by the automatic combustion control device, the arithmetic device simulated the operation amount manually set by the operator . The result of the combustion behavior of the waste incinerator is displayed on the operation result display means, and the ideal movement of the operation amount manually set by the operator and the reason for the reason are based on the calculation process and result by automatic combustion control. A waste incinerator having an automatic combustion control guidance display device for extracting and displaying as guidance and displaying to the operator the state quantity that should be referred to during manual operation of the operating end and the operation amount increase / decrease operation Driving training device.