JP2009018272A - メタン濃度制御方法及び分離濃縮システム - Google Patents

Abstract

【課題】濃縮メタンガスのメタン濃度を安定維持させると共にＰＩＤ制御よりも原理が簡単で低価格化を実現させる。
【解決手段】制御部は、バイオガス投入量の変化量とメタン濃度の変化量とから制御量を算出した後に（Ｓ１）、バイオガス投入量の変化後のメタン濃度が安定するまでの時間である制御間隔で前記制御量に基づきバイオガス投入量を制御する（Ｓ３）。前記制御部は前記制御間隔を初期の制御間隔と初期のバイオガス投入量と初期以後のバイオガス投入量とに基づき補正する。前記制御部は例えば「Ｔ＝Ｔ₀×（Ｑ₀／Ｑ），Ｔ₀：初期に設定された制御間隔，Ｑ₀：初期に設定されたバイオガス投入量，Ｑ：初期以後のバイオガス投入量」の演算に基づき制御間隔Ｔを補正する。
【選択図】図１

Description

本発明はガス分離機能を有する膜（例えば平膜、中空糸）を使用した分離濃縮技術、特にバイオガス中のメタンを濃縮するための分離濃縮技術に関する。

膜モジュールを用いたガス分離濃縮技術においてガス濃度の制御は一般的にフィードバック制御、フィードフォワード制御が適用されている。

例えば濃縮ガスのメタン濃度をフィードバック制御する場合、濃縮ガスのメタン濃度を直接計測した後に、ずれを補正する。この制御は装置構成が簡単となるが、瞬時応答が困難となる。

一方、フィードフォワード制御は濃縮ガスのメタン濃度がずれる要因を予め計測し、その要因の変化に応じた制御を行う。この制御は瞬時応答が可能であるが、装置構成は複雑となる。

メタンの分離濃縮システムは比較的応答時間の長い装置構成であり、また特にメタン濃度を高精度に（例えば０．１％以下に）制御させる必要はない。したがって、装置構成の面からフィードバック制御が最適である。

図６はフィードバック制御に基づくメタンの分離濃縮システム１の概略説明図である。このシステムと類似したものとして例えば特許文献１に開示されたガス濃縮装置がある。

バイオガスは流量調節装置２によって分離膜スタック（膜モジュール）３に供給（投入）される。分離膜スタック３によって濃縮されたメタンガスは背圧弁５によって圧力制御されながらバッファタンク６に移行する。バッファタンク６内のメタンの濃縮ガスはガバナ７を介して系外に移送される。系外に移送されるメタンの濃縮ガスの一部は背圧弁８によって圧力制御されながらメタン濃度計９でのメタン濃度の計測に供される。制御部１０は前記メタン濃度の測定値に基づくバイオガスの投入流量の制御信号を流量調節装置２に出力する。流量調節装置２には例えばマスフローコントローラが適用される。

図７はフィードバック制御におけるバイオガス投入量とメタンの目標濃度の関係を示す。バイオガスのメタン濃度が目標濃度（例えば９０％）よりも高い場合はバイオガス投入量を増加させる。一方、バイオガスのメタン濃度が目標濃度（例えば９０％）よりも低い場合はバイオガス投入量を減少させる。

フィードバック制御として代表的なものにはＰＩＤ制御があり、制御装置の９５％以上がこのＰＩＤ制御である。ＰＩＤ制御はＰ（比例）、Ｉ（積分）、Ｄ（微分）の３パラメータからなり、それぞれのパラメータを決定することで各種の制御装置に適用できる。ＰＩＤ制御は非常に一般的であるが、ＰＩＤ制御を行うための専用ハードウェアを準備する必要がある。一般にＰＩＤ演算を行うためのハードウェアは非常に複雑な計算式、メモリなどのリソースを用いるため、価格が高い場合が多い。これは制御装置全体の価格上昇となるため、低価格化を実現するためには非常に問題となる。

また、非常に応答時間が長い系（応答時間が数分以上）では通常のＰＩＤパラメータを最適化できない場合が多い。これに対応するため、遅れ時間の項を取り入れたフィードバック制御や、フィードフォワード制御を一部取り入れた複雑な制御となってしまう。
特開２０００−２１８１２６

本発明は以上の事情に鑑みなされたものでその目的は濃縮メタンガスのメタン濃度を安定維持させると共にＰＩＤ制御よりも原理が簡単で低価格化を実現できる濃縮メタンガスのメタン濃度制御方法及び分離濃縮システムの提供にある。

前記課題を解決するためのメタン濃度制御方法は、ガス分離膜を備えバイオガスから濃縮メタンガスを分離する分離濃縮手段と、この分離濃縮手段へのバイオガスの投入量を調整する流量調節手段と、前記得られた濃縮メタンガスのメタン濃度を検出する検出手段と、前記検出されたメタン濃度に基づくバイオガス投入量の制御信号を前記流量調節手段に供給する制御手段とによって前記濃縮メタンガスのメタン濃度を制御する方法であって、前記制御手段は、前記バイオガス投入量の変化量と前記メタン濃度の変化量とから制御量を算出した後に、前記バイオガス投入量の変化後のメタン濃度が安定するまでの時間である制御間隔で前記制御量に基づきバイオガス投入量を制御する。

前記課題を解決するための分離濃縮システムは、ガス分離膜を備えバイオガスから濃縮メタンガスを分離する分離濃縮手段と、この分離濃縮手段へのバイオガスの投入量を調整する流量調節手段と、前記得られた濃縮メタンガスのメタン濃度を検出する検出手段と、前記検出されたメタン濃度に基づくバイオガス投入量の制御信号を前記流量調節手段に供給する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記バイオガス投入量の変化量と前記メタン濃度の変化量とから制御量を算出した後に、前記バイオガス投入量の変化後のメタン濃度が安定するまでの時間である制御間隔で前記制御量に基づきバイオガス投入量を制御する。

以上のメタン濃度制御方法及び分離濃縮システムによればバイオガスのメタン濃度の変動に影響を受けることなく濃縮メタンガスのメタン濃度を維持させるができる。また、ＰＩＤ制御が必要でないのでシステム構成が簡素化する。

また、前記メタン濃度制御方法及び分離濃縮システムにおいて、前記制御手段は前記制御間隔を初期の制御間隔と初期のバイオガス投入量と初期以後のバイオガス投入量とに基づき補正するようにするとよい。制御間隔にバイオガス投入量の変化分が考慮されるので常に最適な制御間隔を簡単に設定できる。これによりメタン濃度を長時間維持させることができる。具体的に前記制御手段は以下の式の演算に基づき制御間隔Ｔを補正する。

Ｔ＝Ｔ₀×（Ｑ₀／Ｑ）
Ｔ₀：初期に設定された制御間隔
Ｑ₀：初期に設定されたバイオガス投入量
Ｑ：初期以後のバイオガス投入量
尚、以上のメタン濃度制御方法及び分離濃縮システムに係る制御手段はその機能をコンピュータによって実行させるためにプログラムの態様に構成してもよい。

したがって、以上の発明によれば濃縮メタンガスのメタン濃度を安定維持させると共にＰＩＤ制御よりも原理が簡単で低価格化を実現できる。

図１は発明の実施形態に係る制御方法のフロー図である。

本実施形態の制御方法は、基本的に必要な制御パラメータは時間と制御量の二つであり、制御パラメータ抽出工程Ｓ１と制御パラメータ設定工程Ｓ２とフィードバック制御工程Ｓ３とからなる。これらの工程は図６に示された制御部１０の機能に組み込まれる。濃縮されるガスはメタンガスであり、制御対象は図６に示された流量調節装置２である。流量調節装置２にはマスフローコントローラ（以下、ＭＦＣと称す）が採用されている。

１．制御パラメータ抽出工程Ｓ１
濃縮ガスのメタン濃度と目標濃度とのずれを流量調節装置２で調節する場合、調節量を予め決めておかなければならない。制御パラメータの設定はステップ応答法を用いて算出する。

図２はステップ応答を与えたときのバイオガス投入量（ＭＦＣ設定電圧）と濃縮ガスのメタン濃度の関係を示す。

この関係図によると、予めＭＦＣ（エステック社製マスフローコントローラ，型式ＳＥＣ−Ｅ４０，制御ユニットＰＡＣ−Ｄ２）の設定電圧０．７９２Ｖを与えたとき、濃縮ガスのメタン濃度は９１％、流量は約１．３Ｌ／ｍｉｎとなる。次に、ＭＦＣ設定電圧を０．９９１Ｖに設定したとき、約８分後に濃縮ガスのメタン濃度は８８．６％、流量は約１．６Ｌ／ｍｉｎとなった。この結果より、ガス投入量（ＭＦＣ設定電圧）との関係が求まる。

次いで、表１に従って制御パラメータを決定する。

バイオガス供給（投入）量（ＭＦＣ）の変化（電圧）ΔＶ＝０．１９９Ｖ、濃度変化ΔＣ＝２．４％及び精度ａ＝０．１％から制御量をΔＶ／ΔＣ×ａ＝０．００８とする。これは制御中に濃度がずれた場合に０．００８Ｖだけ制御量を調整することによって０．１％ずつずれを補正していくという意味である。制御パラメータの決定に実際に用いた制御部１０（オムロン社製プログラムコントローラ，型式ＳＹＳＭＡＣ ＣＰＭ２Ａ，入出力ユニットＣＰＭ１Ａ−ＭＡＤ１１）はプログラムの関係上、１６進法で入力するため、１０進法から１６進法に変換した内容となっている（０００８［１０進法］≒０００８［１６進法］）。

制御間隔は値を変更してから濃度が安定するまでの時間と定義する。図２では８分（４８０秒）とする。

初期段階でのＭＦＣ設定値（１６進法）は濃縮ガスのメタン濃度が約９１％付近で安定するときの値を予め測定した値である。

２．制御パラメータ設定工程Ｓ２
制御パラメータ抽出工程Ｓ１で抽出したパラメータ（時間４８０秒、制御量０．００８Ｖ）をシーケンサなどの制御部１０に入力する。制御部１０はＰＩＤ制御を行う必要がなく、以下の演算（ａ）〜（ｃ）を行えるものであればよい。

（ａ）基準濃度（例えば９１％）と濃縮ガス濃度（例えば９０％）のずれが判別できること。基準値に対し、高くなっているか、逆に低くなっているかを判断できればよい。

（ｂ）基準濃度と濃縮ガス濃度の比較時間を設定できること（例えば４８０秒）。

（ｃ）基準濃度と濃縮ガス濃度とのずれによって投入量の制御量（電圧）を設定電圧分だけ調整できること。

３．フィードバック制御工程Ｓ３
制御パラメータ設定工程Ｓ２で設定したパラメータ（時間４８０秒、制御量０．００８Ｖ）に基づいて基準濃度（例えば９１％）と濃縮ガス濃度（例えば９０％）のずれを単純に比較して制御を行う。

例えば、初期時間０の時、ガス濃度９１％で安定していたが、４８０秒後に濃縮ガス濃度が９０％となった場合、４８０秒後に制御量（バイオガス投入量）を０．００８Ｖだけ減少させて９０．１％にする。次の時間（９６０秒後）にはまだ濃度が低いため、０．００８Ｖだけ減少させて９０．２％にする。これを繰り返すことで目標濃度のメタン濃縮ガスを得ることができる。

以上のＳ１〜Ｓ３からなる制御方法を採用することで非常に簡単なシステム構成で濃縮ガスの濃度制御を行える。

図３は発明の実施形態に係る制御方法をガス分離濃縮システム１に適用した場合の濃縮ガスＣＨ₄濃度（１）とバイオガス投入量（２）とバイオガスＣＨ₄濃度（３）と濃縮ガス発生量（４）と分離膜スタック温度（５）の経時的変化を示す。分離膜スタック３にはポリイミド系（６ＦＤＡ−６ＦＡＰ）の分離膜スタック（８枚積層，有効面積８００ｃｍ²）が採用された。図３の特性図からは分離膜スタックには温度依存性、投入されるバイオガスのメタン濃度の依存性が大きく、制御なしの場合、少しの変動に対してメタン濃度が変化することがわかる。これらの変動に対して発明の実施形態に係る制御方法によれば常に一定（９１％）のメタンの濃縮ガス濃度が得られることが確認できる。

図４は発明の実施形態に係る制御方法をガス分離濃縮システム１に適用した場合の濃縮ガスメタン濃度とバイオガス投入量の経時的変化を示す。この実施例では分離膜スタック３に図３の実施例に係る分膜スタックとは別の分離膜スタック（ポリイミド系（６ＦＤＡ−６ＦＡＰ）の分離膜スタック（１０枚積層，有効面積１０００ｃｍ²））を用いてフィードバック制御を行った。図４の特性図によると目標濃度９１％に対して±０．５％の範囲内で制御できていることが確認できる。目標濃度に対する±０．５％の範囲は測定器の誤差の影響であり、より精度のよい測定器を用いれば原理的には±０．１％の範囲で制御できる。

図５は発明の実施形態に係る制御方法を適用してガス分離濃縮を長時間（２５００時間）行った場合の濃縮ガスＣＨ₄濃度とバイオガス投入量と濃縮ガス発生量の経時的変化を示す。また、表２は発明の実施形態に係る制御方法を適用してガス分離濃縮を行った場合の運転開始時（０〜５００時間）と長時間経過後（２０００〜２５００時間）における濃縮ガスＣＨ₄濃度の変動を示す。

表２に示されたように初期状態では２％の変動であったが、経過時間２０００時間を越えると３％も変動する結果となっている。この変動要因は使用したガス分離膜特有の現象である。この実施例で用いたガス分離膜はポリイミド系の分離膜材料であるが、長時間使用するにしたがってガス圧力、バイオガス中の水分などの影響により圧密化及び可塑化が進行する。圧密化及び可塑化はガス分離膜の経時的変化により分離膜表面の硬化及び空隙部の面積減少などによりガス透過量が減少することを言う。圧密化及び可塑化は高分子を用いたガス分離膜では非常に生じやすくある程度の進行はやむをえない現象である。

圧密化及び可塑化の進行によりガス分離膜のガス透過量が少なくなると図２で抽出した制御パラメータにずれが生ずる。具体的にはガス透過量（二酸化炭素の透過量）が透過しなくなると濃縮ガスのメタン濃度が低くなる。メタン濃度が低くなると図７に従って最適投入量を減らしていく。最適投入量を減らすことによって図２に示した応答時間が長くなる。応答時間が長くなると、バイオガス投入量を変化させて濃縮ガスのメタン濃度が一定に落ち着く前に次の制御（減らす方向）がかかる。結果としてメタン濃度が不安定になる。このように長時間運転に伴うバイオガス投入量の変化に比例して、メタン濃度が安定するまでの応答時間が変化する。

そこで、制御部１０はバイオガス投入量の変化に基づき制御間隔を初期のパラメータから補正する。具体的には以下の式に基づき制御間隔Ｔを補正する。

Ｔ＝Ｔ₀×（Ｑ₀／Ｑ）
Ｔ₀：初期に設定された制御間隔［ｓ］
Ｑ₀：初期パラメータ設定時のバイオガス投入量［Ｌ／ｍｉｎ］
Ｑ：現在（初期以後）のバイオガス投入量［Ｌ／ｍｉｎ］
以上のように制御パラメータのうち、制御間隔にガス投入量の変化分を考慮することによって常に最適な制御間隔を簡単に設定できる。

発明の実施形態に係る制御方法のフロー図。 ステップ応答を与えたときのバイオガス投入量（ＭＦＣ設定電圧）と濃縮ガスのメタン濃度の関係。 発明の実施形態に係る制御方法によって制御した場合の濃縮ガスＣＨ₄濃度（１）とバイオガス投入量（２）とバイオガスＣＨ₄濃度（３）と濃縮ガス発生量（４）と分離膜スタック温度（５）の経時的変化。 発明の実施形態に係る制御方法によって制御した場合の濃縮ガスメタン濃度とバイオガス投入量の経時的変化。 発明の実施形態に係る制御方法を適用してガス分離濃縮を長時間行った場合の濃縮ガスＣＨ₄濃度とバイオガス投入量と濃縮ガス発生量の経時的変化。 フィードバック制御に基づくガス濃度制御の概略説明図。 フィードバック制御におけるバイオガス投入量とメタンの目標濃度との関係。

符号の説明

１…分離濃縮システム
２…流量調節装置
３…分離膜スタック（膜モジュール）
４…真空ポンプ
５，８…背圧弁
６…バッファタンク
７…ガバナ
９…メタン濃度計
１０…制御部
Ｓ１…制御パラメータ抽出工程
Ｓ２…制御パラメータ設定工程
Ｓ３…フィードバック制御工程

Claims (6)

1. ガス分離膜を備えバイオガスから濃縮メタンガスを分離する分離濃縮手段と、
   この分離濃縮手段へのバイオガスの投入量を調整する流量調節手段と、
   前記得られた濃縮メタンガスのメタン濃度を検出する検出手段と、
   前記検出されたメタン濃度に基づくバイオガス投入量の制御信号を前記流量調節手段に供給する制御手段と
   によって前記濃縮メタンガスのメタン濃度を制御する方法であって、
   前記制御手段は、前記バイオガス投入量の変化量と前記メタン濃度の変化量とから制御量を算出した後に、前記バイオガス投入量の変化後のメタン濃度が安定するまでの時間である制御間隔で前記制御量に基づきバイオガス投入量を制御すること
   を特徴とするメタン濃度制御方法。
2. 前記制御手段は前記制御間隔を初期の制御間隔と初期のバイオガス投入量と初期以後のバイオガス投入量とに基づき補正すること
   を特徴とする請求項１に記載のメタン濃度制御方法。
3. 前記制御手段は以下の式の演算に基づき制御間隔Ｔを補正すること
   Ｔ＝Ｔ₀×（Ｑ₀／Ｑ）
   Ｔ₀：初期に設定された制御間隔
   Ｑ₀：初期に設定されたバイオガス投入量
   Ｑ：初期以後のバイオガス投入量
   を特徴とする請求項２に記載のメタン濃度制御方法。
4. ガス分離膜を備えバイオガスから濃縮メタンガスを分離する分離濃縮手段と、
   この分離濃縮手段へのバイオガスの投入量を調整する流量調節手段と、
   前記得られた濃縮メタンガスのメタン濃度を検出する検出手段と、
   前記検出されたメタン濃度に基づくバイオガス投入量の制御信号を前記流量調節手段に供給する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記バイオガス投入量の変化量と前記メタン濃度の変化量とから制御量を算出した後に、前記バイオガス投入量の変化後のメタン濃度が安定するまでの時間である制御間隔で前記制御量に基づきバイオガス投入量を制御すること
   を特徴とする分離濃縮システム。
5. 前記制御手段は前記制御間隔を初期の制御間隔と初期のバイオガス投入量と初期以後のバイオガス投入量とに基づき補正すること
   を特徴とする請求項４に記載の分離濃縮システム。
6. 前記制御手段は以下の式の演算に基づき制御間隔Ｔを補正すること
   Ｔ＝Ｔ₀×（Ｑ₀／Ｑ）
   Ｔ₀：初期に設定された制御間隔
   Ｑ₀：初期に設定されたバイオガス投入量
   Ｑ：初期以後のバイオガス投入量
   を特徴とする請求項５に記載の分離濃縮システム。

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