(57)【要約】【課題】分離濃縮システムの稼働中における外乱によりバイオガスの濃度や濃縮ガス濃度が変化しても、ハンチング現象等を惹起させることなく、濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御することにより、バイオガスを有効利用し易くする。【解決手段】バイオガス用の分離濃縮システムにおいて、流量調整手段１を介して供給される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２と、濃縮メタンガスのメタン濃度の目標濃度値と検出手段３により検出した前記メタン濃度とを比較演算し流量調整手段１をＰＩＤ制御する制御手段４と、下記式（ただし、０≦Ｐt，Ｐ0，Ｗ≦１００％であり、Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ）＜１００％とする）によりＰＩＤ制御量Ｐtの変動を制限してバイオガス供給量の上限値Ｌを設定する制限手段５と、を備える。Ｌ＝「Ｐt＝１００％の場合のバイオガス供給量」×（Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ））。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記分離濃縮手段に対するバイオガス供給量を調整する流量調整手段と、
前記分離濃縮手段で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、
前記メタン濃度の目標濃度値に対応させて流量調整手段の稼動開始時のバイオガス供給量を設定し、前記目標濃度値と前記検出手段による検出結果とを比較演算し、その演算結果に基づいて前記メタン濃度が目標濃度値となるように流量調整手段をＰＩＤ制御する制御手段と、
前記の稼動開始時のＰＩＤ制御量Ｐ0を基準とする稼動開始後のＰＩＤ制御量Ｐtの変動率をＷとし、下記式（ただし、０≦Ｐt，Ｐ0，Ｗ≦１００％であり、Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ）＜１００％とする）によりＰＩＤ制御量Ｐtの変動を制限してバイオガス供給量の上限値Ｌを設定する制限手段と、
を備えたことを特徴とするバイオガス用の分離濃縮システム。
Ｌ＝「Ｐt＝１００％の場合のバイオガス供給量」×（Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ））
【請求項２】
前記制御手段におけるＰＩＤ制御の各パラメータは固定されていることを特徴とする請求項１記載のバイオガス用の分離濃縮システム。
【請求項３】
前記変動率Ｗは３５％以下であることを特徴とする請求項１または２記載のバイオガス用の分離濃縮システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガス用の分離濃縮システムに関するものであって、例えば動物，植物の廃棄物が生物分解する際に発生するバイオガスに適用し、そのバイオガス中に含まれるメタンガスを分離濃縮して有効利用するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離膜から成る分離濃縮手段（分離膜スタック）を備えたシステム（以下、分離濃縮システムと称する）により、２つ以上のガス成分を含んだ混合ガスを分離濃縮する技術は、従来から多くの研究開発が行われており、例えば動物，植物の廃棄物（廃棄物バイオマス等）が生物分解（バクテリア等によって分解）する際に発生するバイオガスに適用し、そのバイオガス中に含まれるメタンガスを分離濃縮して有効利用（代替エネルギー等として利用；例えばガスタービンエンジンの燃料）する試みが行われている（例えば、分離濃縮技術に関しては特許文献１等）。
【０００３】
前記のガス分離膜にバイオガスを通過させると、そのバイオガス中の各ガス成分が選択的に分離し、目的とする濃縮ガスが得られる。前記のガス分離膜には、目的とする濃縮ガスに応じて、例えばポリオレフィン系，セルロース系，シリコン系等の高分子材料（ポリイミド等）から成る薄膜が用いられている。
【０００４】
例えば、バイオガス自体の各ガス成分濃度が一定の場合、ガス分離膜における単位時間当たりの混合ガス通過量（すなわち、分離濃縮手段に供給されるバイオガス量（以下、バイオガス供給量と称する）に相当）と濃縮メタンガスのメタン濃度（以下、濃縮メタン濃度と称する）との関係は、例えば図４に示すような負の傾きを有する特性線で表現することができる。すなわち、前記の濃縮メタン濃度は、バイオガス供給量が増加するに連れて減少する（図４中では一定の濃度値にて収束する）。
【０００５】
前記の分離濃縮システムで得られる分離濃縮ガスは、一般的には濃度を略一定に保ちながら利用することが多いが、該システムの各種機器等に起因（例えば、ガス分離膜に対する混合ガス供給量の変化や分離濃縮効率の変化等に起因）し濃度が変化してしまい、有効利用が困難となることがある。このため、システムの状態を検出し濃縮ガスの濃度が常に略一定となるように制御（例えば、予め設定された目標濃度値となるように補正制御）する必要がある。例えば、システムの変動要因（分離濃縮手段の分離濃縮効率が変化する等の要因）を予め計測し濃縮ガスが設定通り（目標濃度値）となるように応答制御（変動要因を考慮し、濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御）するフィードフォワード方式や、濃縮ガスを直接計測（検出）して該濃縮ガスが設定通りとなるように応答制御（バイオガス量を調整（後述の流量調整手段を制御しバイオガス供給量を調整））するフィードバック方式の分離濃縮システムが検討されている（例えば、フィードフォワード方式に関しては特許文献２等）。
【０００６】
前記のフィードフォワード方式においては、分離濃縮システムの構成が比較的複雑になってしまうものの、高精度（例えば、誤差が約０．１％以下）で瞬時応答が可能となる。一方、フィードバック方式においては、その応答時間が比較的長くなるものの、十分な精度を有し、分離濃縮システムの構成は比較的簡便となる。
【０００７】
特にバイオガスの分離濃縮システムの場合、そのバイオガスから濃縮メタンガスが抽出されるまで所定の時間を要し（大きな時定数を有し）、フィードフォワード方式のような高い精度の制御は必要無いことから、フィードバック方式が多く適用されている。また、前記のフィードバック方式の制御精度を高める手法として、例えば前記の目標濃度値と制御後の検出濃度値との差に応じて、制御偏差に比例した信号を発生するＰ動作や制御偏差の積分値，微分値に比例した信号を発生するＩ動作，Ｄ動作を行うＰＩＤ制御が適用されている。
【０００８】
図５は、ＰＩＤ制御する分離濃縮システムの一例を示す概略説明図である。図５においては、まずバイオガスを、流量調整手段（ＭＦＣ（マスフローコントローラ）等）１により流量調整しながら、ガス分離膜を備えた分離濃縮手段２に供給（投入）する。この分離濃縮手段２において、前記のバイオガスがメタンガスと二酸化炭素ガスとに分離し、濃縮メタンガスが得られる。この濃縮メタンガスの濃縮メタン濃度は、濃度検出手段（濃縮ガス用の濃度計等）３により検出され、その検出結果（検出信号）が制御手段（比較演算してＰＩＤ制御できる手段）４に送られる。
【０００９】
この制御手段４では、濃縮メタン濃度の目標濃度値、および該目標濃度値に対応させた流量調整手段１の稼動開始時のバイオガス供給量が設定される。また、流量調整手段１の稼動開始後において、目標濃度値と前記の検出結果とが比較され、その比較結果に応じて前記の流量調整手段１がＰＩＤ制御（指令信号が送信）される。
【００１０】
例えば、図５においてバイオガス自体の各ガス成分濃度が一定とすると、前記濃縮メタン濃度が目標濃度値よりも減少した場合には、図４に示したような特性線に基づいて、バイオガス供給量が抑制される。一方、前記の濃縮メタン濃度が目標濃度値よりも増加した場合には、バイオガス供給量が上昇する。
【００１１】
しかしながら、前記の濃縮メタン濃度は、分離濃縮システムの各種機器等に起因して変化する他に、分離濃縮システム稼働中（例えば稼動開始時）における種々の外乱により変化することがある。前記の外乱としては、バイオガス中の各ガス成分濃度が不均一になったり、該分離濃縮条件（温度等）が変化する現象が考えられる。
【００１２】
例えば、メタン濃度が低くバイオガス供給量を抑制している間に、そのバイオガス自体のガス成分濃度（濃縮前のメタン濃度等）が外乱によって更に減少した場合、その減少に応じて、前記のバイオガス供給量を更に抑制（すなわち、必要以上に抑制）してしまう恐れがある。逆に、メタン濃度が高く、バイオガス供給量を増やしているときにメタン濃度が高くなる外乱を受けると、さらにバイオガス量を増加させてしまう。
【００１３】
ＰＩＤ制御の場合には、その制御バランスが崩れ、意に反する応答制御が惹起されてしまう。そして、ハンチング（振動）現象が発生し易くなるため、目的とする制御ができなくなる恐れがある。このような現象は、例えばＰＩＤ制御機能が単純なシステム（例えば、ＰＩＤ制御の各パラメータが固定され、コスト数万円程度の制御手段を備えたシステム）の場合には顕著となる。
【００１４】
なお、極めて高度なＰＩＤ制御機能、例えばＰＩＤ制御におけるＤ動作のパラメータを常時調整（大きく）できる機能を有する分離濃縮システム（例えば、コスト数百万円程度の制御手段を備えたシステム）を適用することにより、前記のハンチング現象に対応する手法が知られているが、このようなシステムは高コストであり、また、バイオガスの分離濃縮システムは時定数が比較的大きく、前記のパラメータ調整による効果は殆ど得られない。
【特許文献１】特開２０００−２１８１２６号公報
【特許文献２】特開昭６１−１４１７８７号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、バイオガスに係る分離濃縮システムの分野においては、該システムの稼働中における外乱によりバイオガスの濃度や濃縮ガス濃度が変化し、意に反する応答制御が惹起されハンチング現象等が生じても、該ハンチング現象を解消して濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御（流量調整手段を制御しバイオガス供給量を調整）して、該バイオガスを有効利用し易くすることが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記の課題を解決するものであって、バイオガス用の分離濃縮システムのＰＩＤ制御において、濃縮ガス濃度の変化に応じてバイオガス供給量を制御すると共に、その制御量における変動を制限することにより、該システムの稼働中における外乱によりバイオガスや濃縮ガス濃度が変化しても、ハンチング現象等を惹起させることなく、濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御できるようにしたシステムに関するものである。
【００１７】
具体的には、請求項１記載の発明は、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、前記分離濃縮手段に対するバイオガス供給量を調整する流量調整手段と、
前記分離濃縮手段で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、前記メタン濃度の目標濃度値に対応させて流量調整手段の稼動開始時のバイオガス供給量を設定し、前記目標濃度値と前記検出手段による検出結果とを比較演算し、その演算結果に基づいて前記メタン濃度が目標濃度値となるように流量調整手段をＰＩＤ制御する制御手段と、稼動開始時のＰＩＤ制御量（以下、開始時制御量と称する）Ｐ0を基準とする稼動開始後のＰＩＤ制御量（以下、開始後制御量と称する）Ｐtの変動率をＷとし、下記（１）式（ただし、０≦Ｐt，Ｐ0，Ｗ≦１００％であり、Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ）＜１００％とする）により開始後制御量Ｐtの変動を制限してバイオガス供給量の上限値Ｌを設定する制限手段と、を備えたことを特徴とするバイオガス用の分離濃縮システムである。Ｌ＝「Ｐt＝１００％の場合のバイオガス供給量」×（Ｐt＋（Ｐ0×Ｗ））  ……  （１）。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記制御手段におけるＰＩＤ制御の各パラメータは固定されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記変動率Ｗは３５％以下であることを特徴とする。
【００２０】
以上示した請求項１〜３記載の発明は、開始後制御量が上昇（すなわち、バイオガス供給量が最大値となるように上昇）しても、上限値によってバイオガス供給量が制限される。
【発明の効果】
【００２１】
以上示したように請求項１〜３記載の発明によれば、システムの稼働中における外乱によりバイオガスの濃度や濃縮ガス濃度が変化し、意に反する応答制御が惹起されハンチング現象等が生じても、該ハンチング現象を解消することができ、分離濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御することが可能となり、該バイオガスを有効利用し易くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本実施の形態におけるバイオガス用の分離濃縮システムの一例を図面等に基づいて詳細に説明する。なお、図４，図５と同様なものについては、同一符号等を用いてその詳細な説明を適宜省略する。
【００２３】
本実施形態は、流量調整手段を介して供給される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、濃縮メタン濃度の目標濃度値と検出手段により検出した前記濃縮メタン濃度とを比較演算し流量調整手段をＰＩＤ制御する制御手段と、を備えたバイオガス用の分離濃縮システムに関するものであって、前記の（１）式に基づいて流量調整手段の開始後制御量の変動を制限してバイオガス供給量の上限値を設定する制限手段を備えたものである。
【００２４】
本実施形態のようなシステムによれば、たとえＰＩＤ制御機能が単純なシステム（例えば、ＰＩＤ制御の各パラメータが固定され、コスト数万円程度の制御手段を備えたシステム）であっても、該システムの稼働中における外乱により起こり得るバイオガスの濃度や濃縮ガス濃度の変化に対応し、ハンチング現象等を惹起させることなく、分離濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御できる。
【００２５】
図１は、本実施形態における分離濃縮システムの一例を説明するための概略図である。図１において、符号５は、制御手段４に設定された開始時制御量を基準として開始後制御量の変動を制限することが可能な制限手段を示すものであり、該開始後制御量の変動の制限により流量調整手段１のバイオガス供給量の上限値を設定するものである。この制限手段５によって上限値が設定されると共に制御手段によって制御される流量調整手段１から、分離濃縮手段２に対してバイオガスが供給され、該バイオガスがメタンガスと二酸化炭素ガスとに分離し、濃縮メタンガスが得られる。
【００２６】
前記の濃縮メタンガスは、例えば背圧弁６，バッファタンク７，ガバナ８等を介して導出し、前記の二酸化炭素は、例えば真空ポンプ１０等を介して排気（透過ガス排気）することができる。また、濃度検出手段３は、例えばバッファタンク７とガバナ８との間に接続された背圧弁９等を介して、濃縮メタン濃度を検出することができる。
【実施例】
【００２７】
次に、図１，図５に示すシステムを用いて観測された実測データを基に比較して説明する。
【００２８】
［図５のシステムの場合］
図５のシステムにおいて最大供給量２．８Ｌ／ｍｉｎ（ＰＩＤ制御量１００％）の流量調整手段１としてエステック社製のマスフローコントローラ（型式ＳＥＣ−Ｅ４０，制御ユニットＰＡＣ−Ｄ２），分離濃縮手段２としてポリイミド系ガス分離膜（材質６ＦＤＡ−６ＦＡＰ，膜寸法１２ｃｍ2（有効面積１００ｃｍ2），積層枚数３２枚），濃度検出手段３として島津製作所社製のポータブルガス分析計（型式ＣＧＴ−７０００），制御手段４としてオムロン社製のプログラムコントローラ（ＰＩＤ制御量０〜１００％；型式ＳＹＳＭＡＣ  ＣＰＭ２Ａ（ＰＩＤ演算機能付き），入出力ユニットＣＰＭ１Ａ−ＭＡＤ１１），バッファタンク７として容量１５Ｌのものを用いた。なお、前記の制御手段４は、ＰＩＤ制御された制御信号を入出力ユニットで出力する際にプログラム上で簡便に制限できるものとする（すなわち、濃度信号入力（装置），ＰＩＤ演算（装置），上限値制限（装置），制御信号出力（装置）の順で行われるものとする）。
【００２９】
また、バイオガス性状（脱硫後）においては、家畜糞尿から発生するメタン発酵ガスとし、メタン濃度は６０％〜６５％，ＣＯ2濃度は３５％〜４０％，水蒸気は略飽和状態（９５％〜１００％ＲＨ），不純物濃度は硫化水素１ｐｐｍ未満とする。
【００３０】
そして、Ｐ＝１００％，Ｉ＝７％，Ｄ＝０％，制御間隔ｔ＝１．０秒，目標濃度値９０％，開始時制御量５０％に設定したときの、時間経過に対するバイオガス供給量特性，濃縮メタン濃度特性の観測結果を調べ、その結果を図２に示した。図２の場合、開始時制御量５０％によるバイオガス供給量は約１．４Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００３１】
図２に示すように、稼動開始時から所定時間の間（図２中では経過時間０〜約６分）は、バイオガス供給量特性，濃縮メタン濃度特性がそれぞれ安定しているが、該所定時間経過後（図２中では経過時間約６分）の外乱が発生した後、濃縮メタン濃度は昇降（振動）を繰り返しながら上昇し始めた。そして、前記の濃縮メタン濃度の上昇開始から所定時間経過後（図２中では経過時間約７分）に応答制御が行われ、開始後制御量が最大値（１００％）となりバイオガス供給量が増加した。
【００３２】
その後、濃縮メタン濃度が下降し始めて目標濃度値（図２中では経過時間約１０分）に到達しても、前記の開始後制御量最大値の状態（すなわち、バイオガス供給量が最大値の状態）が所定時間（図２中では経過時間約７〜１１分）継続されてしまい、該濃縮メタン濃度が更に下降してしまった（図２中では経過時間約１１〜約１６分）。
【００３３】
そして、図４に示す理論とは逆の応答制御が繰り返し行われたことにより（図２中では経過時間約１６分以降）、時間経過と共にバイオガス供給量が濃縮メタン濃度に対して追従しなくなり、ハンチング現象が大きくなってしまった。すなわち、所望の応答制御が困難な状態になってしまった。
【００３４】
［図１のシステムの場合］
図１のシステムにおいて流量調整手段１，分離濃縮手段２，濃度検出手段３，制御手段４，バイオガス性状は、前記の図５のシステムの場合と同様のものとする。なお、前記の図１のシステムの場合には応答が速過ぎるため、該図１のシステムではバッファタンクの容量や制御間隔を下記に示すように変更することにより、該応答に係る変化を緩やかにする対策を取った。
【００３５】
そして、Ｐ＝１００％，Ｉ＝５％，Ｄ＝０％，制御間隔ｔ＝１５秒，目標濃度値９１％，開始時制御量５０％，開始後制御量の変動率３５％に設定したときの、時間経過に対するバイオガス供給量特性，濃縮メタン濃度特性，濃縮メタンガス流量特性の観測結果を調べ、その結果を図３に示した。図３の場合、開始時制御量５０％によるバイオガス供給量は１．４Ｌ／ｍｉｎとなり、バイオガス供給量の上限値は前記の（１）式により「２．８×（５０％＋（５０％×３５％））」であり約１．９Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００３６】
図３に示すように、稼動開始時から所定時間の間（図３中では経過時間０〜約７０分）は、バイオガス供給量特性，濃縮メタン濃度特性，濃縮メタンガス流量特性がそれぞれ安定しているが、該所定時間経過後（図３中では経過時間約７０分）の外乱が発生した後、分離濃縮メタンガス濃度は昇降（振動）を繰り返し始めた。そして、前記の濃縮メタン濃度の上昇開始から所定時間経過後（図３中では経過時間約７１分）に応答制御が開始され、ハンチング現象が生じた。
【００３７】
次に、前記の所定時間の応答制御の後（図３中では経過時間約１００分）、開始後制御量が上昇（すなわち、バイオガス供給量が最大値となるように上昇）しハンチング現象が更に大きくなる傾向にあるにもかかわらず、バイオガス供給量が上限値（約１．９Ｌ／ｍｉｎ）で保持された。そして、前記の保持状態が所定時間経過した後（図３中では経過時間約１２０分）に前記のハンチング現象が解消し、濃縮メタン濃度が目標濃度値にて保持され、所望の応答制御が継続された（図３中では経過時間約１６０分以降）。
【００３８】
以上示した結果から、図１のシステムのように上限値を設定することにより、たとえ外乱等によりバイオガスの濃度や濃縮ガス濃度が変化しハンチング現象等が惹起されても、そのハンチング現象が速やかに解消し、濃縮ガス濃度が目標濃度値となるように応答制御（流量調整手段を制御しバイオガス供給量を調整）できることを判明した。また、前記の変動率が大き過ぎないようにする（例えば３５％以下に設定する）ことにより、ハンチング現象がより速やかに解消し易くなることが読み取れる。例えば、実施例において上限値を１０％以下に設定した場合には、より好ましい結果が得られることを読み取れる。
【００３９】
したがって、本実施形態によれば、従来のシステムでは解消が困難であったハンチング現象が惹起されても、該ハンチング現象を速やかに解消し、目的とする応答制御が可能であることを判明した。
【００４０】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００４１】
例えば、実施例では、背圧弁，バッファタンク，ガバナ８等の各種機器を用いたシステムの一例を挙げたが、流量調整手段１を介して供給される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２と、濃縮メタン濃度の目標濃度値と検出手段３により検出した前記濃縮メタン濃度とを比較演算し流量調整手段１をＰＩＤ制御する制御手段４と、前記の（１）式に基づいて流量調整手段の開始後制御量の変動を制限してバイオガス供給量の上限値を設定する制限手段５と、を備えたバイオガス用の分離濃縮システムであれば、前記の各種機器を適宜省略あるいは追加しても、実施例同様の作用効果が得られることは明らかである。例えば、分離濃縮手段においても、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できるものであれば良く、該ガス分離膜の形状，材質，構成（個数，配置等）等が制限されることはない。
【００４２】
また、実施例では、開始後制御量の変動率３５％に設定した場合を説明したが、該変動率は３５％に制限されるものではなく、前記のように（１）式に基づいて制限される数値であれば適宜設定することができる。
【００４３】
さらに、分離濃縮システムは、例えば各手段において周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／Ｏインタフェースを有するコンピュータ，キーボード，ディスプレイ，外部メモリ，プリンタ等を構成することも可能であり、各装置の一部もしくは全部の機能をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータを用いて実行して本発明を実現することができること、該システムの各工程（ステップ）をコンピュータのプログラムで構成し、そのプログラムをコンピュータを用いて実行して本発明を実現することができることは、言うまでも無い。
【００４４】
なお、図２および図３における実測データにおいて、特に外乱発生時の振る舞いが図４の理論と異なる動作を示している時間帯が見受けられる。図４の説明はあくまでも定常状態におけるバイオガス供給量と濃縮ガスの濃度の関係を示すものであって、外乱の種類（例えば、水分による各配管の目詰まり，濃度検出手段の不具合，分離濃縮手段（装置）内部のガスの流れの変動など）によっては、応答時間（時定数）が大きく変わり、図４では説明できない動作が生じる場合がある。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態における分離濃縮システムの一例を示す概略説明図。
【図２】図５のシステムのシミュレーション結果を示す特性図。
【図３】図１のシステムのシミュレーション結果を示す特性図。
【図４】ガス分離膜における単位時間当たりの混合ガス通過量（バイオガス供給量）と濃縮ガス濃度との関係特性図。
【図５】一般的なバイオガス用の分離濃縮システムの一例を示す概略説明図。
【符号の説明】
【００４６】
１…流量調整手段
２…分離濃縮手段
３…濃度検出手段
４…制御手段
５…制限手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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