WO2012140749A1

WO2012140749A1 - オゾン発生システム、およびオゾン発生システムの運転方法

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Publication number: WO2012140749A1
Application number: PCT/JP2011/059170
Authority: WO
Inventors: 中谷　元; 田村　哲也; 江崎　徳光; 佳明尾台; 智昭竹田
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-18
Also published as: JPWO2012140749A1; US9233848B2; EP2698342A1; US20130313106A1; CA2832718A1; JP4950362B1; CN103443024A; EP2698342B1; EP2698342A4; CN103443024B; CA2832718C

Abstract

　ランニングコストが低いオゾン発生システムを提供する。　電気代単価を記憶する電気代単価記憶部と、ガス代単価を記憶するガス代単価記憶部とを備え、電気代単価記憶部に記憶された電気代単価と、ガス代単価記憶部に記憶されたガス代単価と、オゾン化ガスに求められる必要オゾン発生量とに基づき、オゾン発生量基礎パラメータであるオゾン濃度およびガス流量についてランニングコストが最低となる値を決定し、この決定したガス流量となるようガス流量調節器を制御し、決定したオゾン濃度となるようオゾン発生器用電源の電力を制御するようにした。

Description

オゾン発生システム、およびオゾン発生システムの運転方法

　この発明は、上水、下水、工業排水、パルプ漂白、酸化処理などのオゾン処理用のオゾンを発生するオゾン発生システムに関するものである。

　上水のオゾン処理システムの概要は以下のようである。オゾン発生器に原料ガス（酸素ガスに窒素ガスを微量添加したガス、もしくは空気）が供給され、電源から供給される高周波高電圧にて発生器内部の放電管で原料ガスが放電し、この放電により原料ガス中の酸素ガスがオゾンガスに変化する。発生器は放電により生じる熱を冷却水で冷却する。発生器で生じたオゾン化ガスはオゾン接触槽の下部から散気装置に送り込まれ、オゾン化ガスは小さな気泡として被処理水中に送り込まれて水中に溶け込む。被処理水中の臭い成分や細菌などの有機物はオゾンにより酸化分解され、臭いのない殺菌された水として接触槽から排出される。

　オゾン接触槽の処理に必要なオゾン発生量は、被処理水流量、水質、水温などにより決まり、予め試験により必要なオゾン量を決める場合と、オゾン接触槽内部の溶存オゾン濃度を測定してフィードバックをかける方法などがある。このようにして求められた必要オゾン発生量を出すため、原料ガスに酸素ガス（微量の窒素を含む）を用いる従来の装置においては、オゾン濃度を一定とし、オゾン化ガス流量を調整するように運転していた。
　　（オゾン発生量）＝（オゾン濃度）×（オゾン化ガス流量）

　装置のランニングコストは、オゾン発生器で消費される電気代と、液体酸素のガス代の和である。通常、オゾン濃度が高くなるほど、オゾン発生器の効率が低下するので電気消費量が多くなり電気代がアップする。反面、オゾン濃度が高くなるほど必要なオゾン化ガス流量は少なくなりガス代は減る。その結果として、あるオゾン濃度のところでランニングコストが最低となることが知られている（例えば特許文献１、非特許文献１）。このランニングコストが最低となるオゾン濃度は、オゾン発生器の放電管構造、冷却水温などの影響を受ける。

　また、オゾン化ガスを水中に溶かすために欧米でよく用いられている装置としてインジェクターがあり、インジェクターに水を送り込むためにインジェクターポンプを用いている。オゾン濃度が高くなるとオゾン化ガス流量が下がり、インジェクターを流れる水量も減るためインジェクターポンプの動力が減り、インジェクターの電気代が低下する。例えば、高オゾン濃度で運転する方が、ランニングコストが安価となる場合もある。従来良く使用されているオゾン濃度は１０ｗｔ％であるので、例えば濃度１６ｗｔ％で運転する方が、ランニングコストが安価となる場合がある。

　一方、高オゾン濃度にてオゾン発生効率を向上させる方法として、例えば、放電管ギャップ長を短くする方法がある（特許文献２）。

特開昭６１－６８１９５号公報（図２）特許第３５４５２５７号公報

"High Efficiency, High Concentration Ozone Generator Based on Narrow Gap Technology" Paper presented in World Congress on Ozone & Ultraviolet Technologies (Aug. 27 to 29, 2007 in Los Angeles, Calif.)（Figure 7）

　従来の装置においてオゾン濃度を上げる方がランニングコストは下がるが、一方、オゾン濃度を上げるとイニシャルコストがアップするという課題があった。オゾン発生量一定の条件でオゾン濃度を増すと、オゾン発生器のオゾン発生効率が低下するために電源の電力容量を増やすと共に、発生器に搭載する放電管本数を増やす必要があり、このためオゾン発生装置のイニシャルコストがアップする。ライフサイクルコストは、イニシャルコストとランニングコストの合計であり、例えばオゾン濃度１４ｗｔ％でランニングコストが最低となるオゾン発生装置において、ライフサイクルコストがオゾン濃度１０ｗｔ％で最低となる場合もある。従って、装置設計はライフサイクルコストが最低となるオゾン濃度１０ｗｔ％で装置を設計・製造し、使用者はオゾン濃度１０ｗｔ％（一定）で運転することとなる。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置のイニシャルコストをアップせずに、ランニングコストを下げる方法、及びこのようなオゾン発生システムを提供することを目的とする。

　この発明に係るオゾン発生システムは、放電管を備えたオゾン発生器と、このオゾン発生器に酸素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、放電管に高周波高電圧を印加するためのオゾン発生器用電源と、冷却水を放電管周囲に流す冷却装置と、オゾン発生器から出力されるオゾン化ガスの流量を制御するガス流量調節器と、オゾン化ガスのオゾン濃度を計測するオゾン濃度計と、オゾン発生器用電源の電力と、ガス流量調節器とを制御する制御装置とを備えたオゾン発生システムにおいて、制御装置は、電気代単価を記憶する電気代単価記憶部と、ガス代単価を記憶するガス代単価記憶部とを備え、電気代単価記憶部に記憶された電気代単価と、ガス代単価記憶部に記憶されたガス代単価と、オゾン化ガスに求められる必要オゾン発生量とに基づき、オゾン発生量基礎パラメータであるオゾン濃度およびガス流量についてランニングコストが最低となる値を決定し、この決定したガス流量となるようガス流量調節器を制御し、決定したオゾン濃度となるようオゾン発生器用電源の電力を制御するものである。

　この発明に係るオゾン発生システムは上記のように構成されているため、ランニングコストが最低となる運転条件で、必要なオゾン発生量を発生することができるので、ランニングコストが低いオゾン発生システムを提供できる。

この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムの概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムを構成するオゾン発生器の概略構成を示す断面図である。この発明を適用するオゾン発生システムの動作特性の一例を示す線図である。この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムの動作特性の一例を、従来例と比較して説明する線図である。この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムを構成するオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部に記憶するデータの一例を示す表である。この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムの動作特性の別の例を、従来例と比較して説明する線図である。この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムを構成するオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部に記憶するデータの別の例を示す表である。この発明の実施の形態２によるオゾン発生システムの概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態２によるオゾン発生システムの制御のフローを示すフロー図である。この発明の実施の形態３によるオゾン発生システムの概略構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態６によるオゾン発生システムの主要部の動作の基本例を示すブロック図である。この発明の実施の形態６によるオゾン発生システムの主要部の動作の別の例を示すブロック図である。この発明の実施の形態７によるオゾン発生システムの主要部の動作の基本例を示すブロック図である。この発明の実施の形態７によるオゾン発生システムの主要部の動作の比較例を示すブロック図である。この発明の実施の形態７によるオゾン発生システムの主要部の動作の一例を示すブロック図である。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１によるオゾン発生システムのブロック図である。ここでは、被処理水として例えば上水をオゾン化ガスにより処理するシステムを例に取り上げて説明する。オゾン発生器１に原料ガス供給装置２から原料ガスが供給される。原料ガスは酸素ガスを主成分とし、窒素ガスが微量添加されている。原料ガス供給装置２は、例えば液体酸素貯留タンクである。オゾン発生器１には高周波高電圧を発生するオゾン発生器用電源３が接続され、オゾン発生器１内部の放電管で放電が発生し、放電により原料ガス中の酸素ガスの一部がオゾンに変化し、オゾン化ガスとなる。オゾン発生器１の出口配管には流量調節バルブ４とガス流量計５が接続され、またオゾン化ガスの一部はサンプリングされてオゾン濃度計６に入る。オゾン発生器１の放電により発生した熱は冷却装置７からの冷却水で冷却される。冷却水の温度が冷却水温計８により測定される。オゾン化ガスによる処理の対象である被処理水１０の一部はインジェクターポンプ１１を通じてインジェクター１２に送水され、インジェクター１２に導かれたオゾン化ガスはインジェクター１２により水中に微細気泡として分散し水中にオゾンが溶け込む。インジェクター１２から出たオゾンを含む水は被処理水と合流し、オゾン反応槽に導かれて水中の有機物がオゾンにより酸化分解処理される。

　ここで、オゾン発生器１の概要について説明する。図２は、水処理などに用いられるオゾン発生器の基本構造を示す断面図である。円筒形状のガラス管などの誘電体管１０１の内壁に高圧電極となる金属膜１０２を形成し、誘電体管１０１の外部に同心円状に接地電極となる円筒状の金属管１０３を配置する。金属管１０３は、電気的に接地されたオゾン発生タンク１０４に取り付けられている。金属膜１０２が形成された誘電体管１０１と金属管１０３とで放電管１００を構成している。オゾン発生器用電源３から金属膜１０２に高周波高電圧を給電し、金属膜１０２と金属管１０３の間に高周波高電圧を印加すると誘電体管１０１と金属管１０３との間の放電ギャップ１１０で放電が発生する。放電ギャップ１１０は、放電ギャップ長Ｄが例えば０．３ｍｍといった非常に狭いギャップとなっている。金属管１０３の周囲は放電による熱を冷却するための冷却水１０５が冷却装置７から循環して流されるようになっている。原料ガス供給装置２から原料ガス入力口配管１０６を通して原料ガスが導入される。導入された原料ガスは放電ギャップ１１０を通る間に放電によりオゾン化ガスとなり、オゾン化ガスが出口配管１０７より出力される。図２では放電管１００を１本だけ示しているが、大容量のオゾン発生器１では、１台の、すなわち一つのオゾンタンク１０４に放電管１００が複数、多いものでは１０００本程度並列に設置されている。

　オゾン発生システムを制御する制御装置２０には、入力部２１から電気代単価、酸素ガス代単価を入力し、それぞれ電気代単価記憶部２２、ガス代単価記憶部２３に記憶される。一方、オゾン発生器用電源３から電源の電力測定値、ガス流量計５からガス流量測定値、オゾン濃度計６からオゾン濃度測定値、冷却水温計８から冷却水温度測定値が入力される。また制御装置２０には、別の制御装置から必要オゾン発生量が指令値として入力される。制御装置２０では、制御パラメータ設定部２４で、リアルタイムにランニングコストを評価して、その時点でランニングコストが最低となるパラメータでオゾン発生システムが動作するよう各パラメータを決定し、オゾン発生器用電源３に電力指令値、流量調節バルブ４に開度指令値、インジェクターポンプへポンプ１１に出力指令値が出力される。

　次に動作の詳細について説明する。オゾン発生器１およびオゾン発生器用電源３は、定格最大電力として、冷却水温度最大値３０℃、オゾン濃度１０ｗｔ％にて最大オゾン発生量＝１０kg/hが得られるように設計されているとする。通常、夏場の温度の高い時に冷却水温度が最大となり、上水の場合は河川や湖から取水する水質も悪いので最大オゾン発生量が必要とされる。従って、夏場はオゾン濃度１０ｗｔ％にてオゾン発生量１０ｋｇ／ｈの最大出力で運転することとなる。ところが、秋、春、特に冬は、水質が良くなるのでオゾン発生量の必要量が少なくなる。また、冷却水温が例えば冬場は１０℃まで下がるので、オゾン発生器１の効率が向上する。

　この様子を示したのが図３である。図３の横軸はオゾン発生器１の冷却水温度、縦軸はオゾン発生器１が運転可能な最大オゾン濃度を示す。定格オゾン発生量１０ｋｇ／ｈのオゾンを発生する場合、図中破線の交差する点で示す動作点、すなわち水温３０℃では最大オゾン濃度は１０ｗｔ％である。この時オゾン発生器用電源３は最大電力約１００ｋＷで動作する。水温が１０℃に下がるとオゾン発生効率が高くなるため、電源電力は約８５ｋＷ程度に下がり、電源としては余裕ができる。電源の余裕があるためオゾン濃度を上げてオゾン発生効率が低下しても、電源電力を１００ｋＷまで上げると、オゾン発生量１０ｋｇ／ｈを発生することができる。図３の例では最大オゾン濃度約１３ｗｔ％まで上げることができる。

　また、オゾン発生量が定格より低く、例えば５ｋｇ／ｈの場合、水温１０℃での最大オゾン濃度は１６ｗｔ％まで上げることができる。オゾン濃度を上げると効率が悪くなり１０ｗｔ％よりも多くの電力を必要とするが、電源は定格時に比べて出力の余裕があるため電力を増大することが可能である。

　図３で示した特性例のオゾン発生システムを使用した場合のランニングコストを図４に示す。横軸はオゾン濃度、縦軸はランニングコストを示す。図４において、実線で示す部分が、オゾン発生器用電源３の最大定格電力以下の運転可能な領域を示し、破線で示す部分は、電源容量が不足して、運転が不可能な領域を示す。夏場は水温３０℃にてオゾン発生量１０ｋｇ／ｈが必要なため、オゾン濃度は運転可能な領域（実線）で一番ランニングコストの安くなるオゾン濃度１０ｗｔ％（Ａ点）で運転する。春・秋は、水温２０℃にてオゾン発生量７ｋｇ／ｈが必要なため、オゾン濃度は運転可能な領域で一番ランニングコストの安くなるオゾン濃度１２．５ｗｔ％（Ｂ点）で運転する。冬は、水温１０℃にてオゾン発生量５ｋｇ／ｈが必要なため、オゾン濃度は運転可能な領域で一番ランニングコストの安くなるオゾン濃度１４．５ｗｔ％（Ｃ点）で運転する。

　ランニングコストが最低となる、オゾン濃度の最適点での制御方法、すなわちランニングコストミニマム制御の方法は次の通りである。制御装置２０は、冷却水温、必要オゾン発生量をパラメータとして、オゾン発生器１とオゾン発生器用電源３の電気消費量の特性および電源の最大定格電力を予め入力し、電気消費量特性記憶部２５に記憶している。制御パラメータ設定部２４において、この記憶されている特性と電気代単価記憶部２２に記憶されている電気代単価より電気代を算出する。またガス代単価記憶部２３に記憶されている酸素ガス代単価から酸素ガス代を算出し、電気代との和としてランニングコストを算出する。この特性カーブから最適なオゾン濃度の動作点（Ａ点、Ｂ点、Ｃ点）を算出する。一方、制御パラメータ設定部２４では、電気代単価、酸素ガス代単価を入力された時点で、冷却水温、必要オゾン発生量をパラメータとして、それぞれの冷却温度、必要オゾン発生量の組においてランニングコストが最低となるオゾン濃度を計算し、図５に示すような最適オゾン濃度表のデータを作成する。ここで、オゾン濃度とガス流量とを乗じたものがオゾン発生量である。必要オゾン発生量はシステムが必要とする値であり、予め決定される値であるオゾン濃度とガス流量の一方が決定できれば他方も決定できる。このため、オゾン濃度およびガス流量をオゾン発生量基礎パラメータと称することとする。図５の最適オゾン濃度表のデータをオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６に記憶させる。

　ここで、オゾン濃度の代わりにガス流量の最適値をオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６に記憶させても良い。図６に、図４の動作特性で示したと同じ装置において、横軸をガス流量として縦軸をランニングコストとした動作特性の図を示す。図６において、実線で示す部分が、オゾン発生器用電源３の最大定格電力以下の運転可能な領域を示し、破線で示す部分は、電源容量が不足して、運転が不可能な領域を示す。夏場は水温３０℃にてオゾン発生量１０ｋｇ／ｈが必要なため、ガス流量は運転可能な領域（実線）で一番ランニングコストの安くなるガス流量１００ｋｇ／ｈ（Ａ点）で運転する。春・秋は、水温２０℃にてオゾン発生量７ｋｇ／ｈが必要なため、ガス流量は運転可能な領域で一番ランニングコストの安くなるガス流量５６ｋｇ／ｈ（Ｂ点）で運転する。冬は、水温１０℃にてオゾン発生量５ｋｇ／ｈが必要なため、オゾン濃度は運転可能な領域で一番ランニングコストの安くなるガス流量３４．５ｋｇ／ｈ（Ｃ点）で運転する。

　ガス流量の最適点での運転方法は次の通りである。制御装置２０は、冷却水温、必要オゾン発生量をパラメータとしてオゾン発生器１とオゾン発生器用電源３の電気消費量の特性を予め入力し、電気消費量特性記憶部２５に記憶している。制御パラメータ設定部２４において、この記憶されている特性と電気代単価記憶部２２に記憶されている電気代単価より電気代を算出する。またガス代単価記憶部２３に記憶されている酸素ガス代単価から酸素ガス代を算出し、電気代との和としてランニングコストを算出する。この特性カーブから最適なガス流量の動作点（図６のＡ点、Ｂ点、Ｃ点）を算出する。一方、制御パラメータ設定部２４では、電気代単価、酸素ガス代単価を入力された時点で、冷却水温、必要オゾン発生量をパラメータとして、それぞれの冷却温度、必要オゾン発生量の組においてランニングコストが最低となるガス流量を計算し、図７に示すような最適ガス流量表のデータを作成する。図７に示すような最適ガス流量表のデータをオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６に記憶させる。

　以上のように、予め、それぞれの冷却温度、必要オゾン発生量の組においてランニングコストが最低となるオゾン濃度またはガス流量をデータとし記憶しておくことにより制御装置のＳ／Ｗ設計・製作コストを低減できるというメリットがある。

　制御パラメータ設定部２４では、オゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６に記憶されているデータにより、運転時の冷却水温度と必要オゾン発生量とから、最適ガス流量、または最適オゾン濃度を読み出す。最適ガス流量または最適オゾン濃度が決まれば、次式より他方を算出し、最適オゾン濃度と最適ガス流量を決定する。
　　（必要オゾン発生量）＝（最適ガス流量）×（最適オゾン濃度）
以上が、本実施の形態１によるオゾン発生量基礎パラメータ値を決定する、オゾン発生量基礎パラメータ値決定ステップである。

　なお、上記の説明では、オゾン発生量基礎パラメータ最適記憶部２６には、最適オゾン濃度または最適ガス流量の一方を記憶するものを説明したが、最適オゾン濃度と最適ガス流量の組を記憶させておいても良い。この場合は、一方から他方を算出する必要がなくなる。

　次に、流量調節バルブ４の開度を制御し、ガス流量計の出力値が決定された最適ガス流量となるようにする。その後、オゾン発生器用電源３への電力指令値を調整して、オゾン濃度計の出力が決定された最適オゾン濃度となるように電源電力を制御する。以上のランニングコストミニマム制御により、ランニングコスト最低となる運転ができる。

　従来のオゾン発生システムでは、図４や図６に示すように、オゾン濃度は一定で運転するため、春・秋はＢ１点で、冬はＣ１点で運転していた。従来の動作点Ｂ１点及びＣ１点に比べ、図４や図６のＢ点及びＣ点の方が、ランニングコストが安くなる。同じ季節でも、昼と夜とで浄水場で使用する水量が異なるので、必要なオゾン発生量が異なり、従って最適なオゾン濃度は一日のうちの時間帯により変動する。また、本実施の形態１の説明でわかるように、冷却水温度、必要オゾン発生量により運転オゾン濃度や運転ガス流量が変わるため、冷却水温度と必要オゾン発生量の両パラメータを制御装置２０に入力することが必要である。

　また、ランニングコストは、酸素ガス代単価、電気代単価の影響を受ける。オゾン発生装置を運転する国・地域・場所において、電気代が異なる。また液体酸素供給工場から近いかどうかにより輸送コストなどが変わるため酸素ガス代単価が変わる。このような電気代単価、ガス代単価を記憶しておき、上記のような決定方法で動作点を決定することで、季節による冷却水温度変動によるオゾン発生器効率の変動や、季節や時間帯による被処理水の処理水量変動や水質変動が生じても、常にランニングコストが最低となる運転ができる。

　さらに、季節や時刻によっても電気代が異なる場合もある。この場合には、代表的な電気単価ごとに、図５や図７で示す最適オゾン濃度または最適ガス流量の表を作成しておくことにより、電気代が変化しても常にランニングコストが最低となる運転ができる。

　水処理で使用する大容量オゾン発生器の場合には、放電管が複数本並列に接続されたオゾン発生器が用いられる。現在水処理で使用されているオゾン濃度１０ｗｔ％以上の高濃度でオゾンを効率良く発生するためには、このオゾン発生器を図２に示した放電ギャップ長Ｄ、および放電管のガス圧力について、
　　放電ギャップ長Ｄ：０．３ｍｍ以下（好ましくは０．２ｍｍ以下）
　　ガス圧力：０．０８～０．２０ＭＰａ（Ｇ）
で運転するのが良い。このようなオゾン発生器では、オゾン濃度１２ｗｔ％でも効率良くオゾンを発生できる。特に放電ギャップ長を０．３ｍｍ以下とすることにより、オゾン濃度を１４ｗｔ％まで効率良く発生できる。但し、本発明の課題で説明したように、１２～１４ｗｔ％のような高濃度で装置を設計すると通常濃度の１０ｗｔ％よりもオゾン発生効率が悪く、その結果電源出力を大きくする必要があり、またオゾン発生器に用いる放電管の本数を多くする必要があるため、装置のイニシャルコストが高くなるという欠点があった。このため、高濃度オゾンまで発生できる装置の製作は可能であるが、イニシャルコスト面から１０ｗｔ％を超える濃度でのオゾン利用は普及に到っていなかった。

　放電ギャップ長Ｄ、および放電管のガス圧力が上記のように設計されたオゾン発生器に、本実施の形態１のランニングコストミニマム制御を組合せることにより、イニシャルコストを通常のオゾン発生システムと同等とし、かつランニングコストを削減できるオゾン発生システムを提供できる。

　上記の動作条件以外では高オゾン濃度でのオゾン発生効率が悪くなるため、オゾン濃度１０ｗｔ％一定で運転した場合に比べてランニングコスト低減効果は２％以下と小さかった。放電ギャップ長が０．３ｍｍ以下のオゾン発生器では、３％以上のランニングコスト低減を実現できる。さらに、放電ギャップ長が０．２ｍｍ以下のオゾン発生器では、ランニングコストは５％以上低減できる。本発明は、このように放電ギャップ長が０．３ｍｍ以下、より好ましくは０．２ｍｍ以下と、小さい放電ギャップ長のオゾン発生器に適用することにより高い効果を奏する。

実施の形態２．
　図８は、本発明の実施の形態２によるオゾン発生システムの概要を示すブロック図である。図８において図１と同一符号は同一、または相当する部分を示す。また、制御装置２００における制御フローを図９に示す。実施の形態１では、ランニングコストが最低となる最適オゾン濃度または最適ガス流量をオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６に予め記憶しているとした。これに対し、本実施の形態２のオゾン発生システムは、オゾン濃度を変動させながらランニングコストを計算し、ランニングコスト最低となるオゾン濃度とガス流量を制御装置２００自身が見つけ出すものである。本実施の形態２においては、冷却水温度計は不要で、冷却水温度の制御装置２００への入力も不要である。ただし、初期指示値を設定する目安として冷却水温度を入力しても良い。

　具体的な動作の詳細は、次の通りである。まず、電気代単価記憶部２２およびガス代単価記憶部２３から電気代単価、酸素ガス代単価を読み込む（ＳＴ１）。次に、オゾン濃度の初期指示値（図９では１０ｗｔ％としている。）を設定し（ＳＴ２）、必要オゾン発生量を読み込む（ＳＴ３）。必要オゾン発生量、すなわちオゾン発生器で発生させるオゾン発生量と、オゾン濃度から設定すべきガス流量を次式で求める（ＳＴ４）。
　　（ガス流量）＝（オゾン発生量）÷（オゾン濃度）
流量調節バルブを制御し、ガス流量計の測定値が上式で求まるガス流量に等しくなるようにする（ＳＴ５）。その後、電源電力を調整し、オゾン濃度計測定値がオゾン濃度の指示値となるようにオゾン発生器用電源３の電力を調整する（ＳＴ６）。ランニングコスト演算部２７において、電源の消費電力から電気代を計算し、ガス流量からガス代を計算し、このオゾン濃度におけるランニングコストを算出する（ＳＴ７）。以上がランニングコスト算出制御ステップであり、このランニングコスト算出制御ステップを実施した後、ランニングコスト最低となるオゾン濃度が決定できたかどうか判断する（ＳＴ８）。決定できない場合は、オゾン濃度指示値を所定の値だけ、例えば０．５ｗｔ％増加し（ＳＴ９）、上記と同様のことを行い、この動作点におけるランニングコストを算出する。ランニングコストが下がれば、更にオゾン濃度指示値を増加させる。逆にランニングコストが上がれば、オゾン濃度指示値を低下させる。以上がランニングコスト比較ステップであり、このランニングコスト比較ステップを、ランニングコストが最低となるオゾン濃度が決定できるまでオゾン濃度を変化させて繰り返し行い、ランニングコストが最低となるオゾン濃度を決定する。以上が、本実施の形態２によるオゾン発生量基礎パラメータ値を決定する、オゾン発生量基礎パラメータ値決定ステップである。このオゾン発生量基礎パラメータ値決定ステップにより、ランニングコストが最低となるオゾン濃度およびガス流量が決定できれば、そのオゾン濃度およびガス流量に設定してオゾン発生システムの運転を続ける（ＳＴ１０）。以上では、最初にオゾン濃度を設定するとしたが、最初にガス流量を設定しても構わない。一方を設定すれば他方は必要オゾン発生量から算出できる。

　この実施の形態２において、被処理水が上水の場合、必要オゾン発生量の指示値は、例えば１時間程度で変化する。これに対して、ガス流量調整の制御ループが安定となる時間は１分程度、オゾン濃度制御の制御ループが安定となる時間は１～５分程度である。従って、オゾン濃度を３～４点変化させて濃度最適点を求めるのに要する時間は５～３０分以内であり、オゾン発生量の指示値が変化する時間よりも短いので、オゾン濃度最適点を算出することが可能である。

　本実施の形態２では、常にオゾン濃度最適点を求めるので、オゾン発生器１が経年劣化する場合にも有効である。例えば放電管が劣化した場合、所定のオゾン発生効率が得られなくなり、この結果オゾン濃度最適点が製作直後の最適点よりもずれる。本実施の形態２によれば、常にオゾン濃度最適点を算出するので放電管の経年劣化の影響を受けずに、ランニングコスト最低で運転させることが可能である。

実施の形態３．
　図１０は、本発明の実施の形態３によるオゾン発生システムの概要を示すブロック図である。図１０において図１および図８と同一符号は同一、または相当する部分を示す。本実施の形態３は、実施の形態１と実施の形態２を合わせることにより、更に制御の改善を行うことができる実施の形態である。この実施の形態３では、制御装置２１０は、２つのパラメータ、冷却水温度とオゾン発生量に対して、オゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６０に、初期値として図５のような最適オゾン濃度のデータ（最適オゾン濃度表）、または図７のような最適ガス流量のデータ（最適ガス流量表）を記憶している。以下では、オゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部２６０に最適オゾン濃度のデータを記憶しているとして説明する。

　まず、最適オゾン濃度表に従って運転を開始する。運転開始後、最適オゾン濃度表を元に、実施の形態２と同様のステップで最適オゾン濃度の前後でオゾン濃度を変動させて、その時点でのオゾン濃度の最適値を求める。その際に、その結果をもとに最適オゾン濃度表を更新する。このようにすることで制御Ｓ／Ｗを簡単にできるので装置コストを低減できる。

　また上記のような制御を行うことにより、装置の経年劣化状況を最適オゾン濃度表に反映できるため、ランニングコストミニマム制御を常にオゾン濃度最適点の周囲で行うだけで良く、オゾン濃度を変動させる範囲が狭くて済むため、制御を迅速に行える。また、オゾン濃度が最適点からずれる量が少ないため、ランニングコストをより最低に制御することが可能である。

　図５や図７の例では、冷却水温度の刻みを５℃、オゾン発生量定格を１０ｋｇ／ｈとし、その刻みを１ｋｇ／ｈとする場合の例を示したが、刻み幅を細かくすることで更にランニングコストの最低化を図ることが可能である。

実施の形態４．
　実施の形態１から実施の形態３において、ランニングコストはオゾン発生装置の電気代とガス代のみを考慮していたが、図１などに示すように付帯装置としてオゾン化ガスを水に溶解するためのインジェクター１２を使用する場合には、インジェクターポンプ１１の消費電力の電気代もランニングコストに加算して評価すると、よりランニングコストの小さい運転ができる。本実施の形態４では、インジェクター１２に流すガス量Ｇと水量Ｌの比（Ｇ／Ｌ比）を一定となるように調整しオゾンの水中への溶解率を高めている。従って、必要オゾン濃度が同じでも、オゾン濃度によりガス流量Ｇが変わるため水量Ｌを調整する必要があり、イジェクターポンプ１１の電力が変化する。このインジェクターポンプ１１の電力代も含めてランニングコストが最低値となるように最適オゾン濃度を決めるため、システム全体のランニングコストを下げることができる。

　また、原料ガス供給装置としてＰＳＡ（Pressure Swing Absorption）、またはＶＰＳＡ（Vacuum Pressure Swing Absorption）を使用する場合がある。これは吸着剤を用いて空気中から酸素ガスを濃縮する装置である。通常ＰＳＡ（またはＶＰＳＡ）は、ガス流量一定で使用する場合が多いが、近年、ガス流量を調整できる装置が製造され始めており、この場合には空気をＰＳＡ（またはＶＰＳＡ）に送り込むコンプレッサやブロワの空気流量を変えることになるので、空気流量によりコンプレッサやブロワなどの付帯装置の消費電力量が変化し、電気代も変化する。従って、ＰＳＡ（またはＶＰＳＡ）を用い、原料ガス流量を変化させて使用する場合には、ＰＳＡ（またはＶＰＳＡ）に用いるコンプレッサやブロワなどの機器の電気代までランニングコストに含めてオゾン濃度最適化を行うことにより、システム全体のランニングコスト低減を図ることができる。

　また、この他に使用する消費電力は少ないが、オゾン発生器１に冷却水を送るための冷却装置７の消費電力や、オゾン反応層で未消費のオゾンを分解するための排オゾン分解装置（図示しない）に用いる消費電力、すなわち付帯装置の消費電力まで含めて評価することにより、更にシステム全体のランニングコスト低減につながる。オゾン発生器１の冷却装置７は、オゾン発生量が減ると必要水量が減るため消費電力を減らすことができる。また、ガス流量が少なくなると排オゾンファン駆動用モータの消費電力を下げることができる。従って、全体のランニングコストを最低となるようにオゾン濃度を制御することでコストを削減できる。

実施の形態５．
　実施の形態１～実施の形態４では、最適オゾン濃度や最適ガス流量によりランニングコストが最低となるランニングコストミニマム制御を常に行う場合を示したが、使用者がオゾン濃度一定で使用する場合があるため、ランニングコストミニマム制御ＯＮ／ＯＦＦ切替えをできるようにしても良い。たとえば、ランニングコストミニマム制御ＯＮボタン（エコノミーモードボタン）、スイッチ（エコノミーモードスイッチ）を制御装置に設ける、もしくは制御装置のタッチパネル上での操作で切り替えできるようにしても良い。使用者は、必要に応じてランニングコストミニマム制御運転を選択でき、ランニングコストを低減する運転を行うことができる。

　また、制御装置の表示画面に、ランニングコストミニマム制御を行うことにより、ランニングコストをいくら削減できたかを表示する。そのために基準となるオゾン濃度（例えば１０ｗｔ％）を入力し、基準オゾン濃度で運転した場合に比べて、ランニングコストミニマム制御を行うことによりランニングコストをいくら削減できたかを表示する。ランニングコスト低減額は、一日の積算値で表示しても良いし、運転開始以降の積算値をコスト削減額実績累計値として表示して良いし、一日、週間、月間、年間のトレンドを表またはグラフに表示しても良い。このように表示することにより、使用者は削減額を正確に把握することができる。また、表示する数値は、ランニングコスト削減額だけでなく、ランニングコストの値も表示すると全体が把握できるし、また、ガス代、電気代に分離して表示しても良い。

　更に、過去にランニングコストミニマム制御運転を行わずにオゾン濃度一定制御で運転していたケースを評価し、ランニングコストミニマム制御運転をすればランニングコストをいくらからいくらに改善できるかの予想値を評価し、画面上に表示する。特に、この表示をランニングコストミニマム制御ＯＮ／ＯＦＦ切替えができる構成に適用すると、使用者はランニングコストミニマム制御運転に切替えるかどうかの判断を行いやすくなる。

　また、オゾンを水中に溶解する装置として散気管や散気デイスクを用いる場合、ガス流量を下げすぎると散気管や散気デイスクが目詰まりを起こしやすくなるため、ガス流量の下限を設ける場合がある。このような状況に対応するため、オゾン濃度の上限を設定できる、もしくはガス流量の下限を設定できるようにする。このようにすることにより、オゾン処理性能を発揮しつつ、ランニングコストを最低にすることができる。また、原料ガス供給装置２のガス供給能力上限があり、またオゾン発生器１もガスを流しすぎるとオゾン発生器１の圧損が大きくなり効率の低下する場合があるため、オゾン濃度下限を設定できる、もしくはガス流量上限を設定できるようにすると、装置の供給能力に応じ、信頼性の高い運転が可能となる。

実施の形態６．
　通常のオゾン処理システムにおいて、複数台のオゾン発生器を用いる場合が多い。このような場合、定格運転時には図１１に示すように、例えば、２台のオゾン発生器１ａ、１ｂがそれぞれオゾン発生量１０ｋｇ／ｈ、オゾン濃度１０ｗｔ％にてフルパワー運転を行っている。オゾン発生量の必要量が徐々に減り、例えば、定格の８０％のオゾン発生量の場合には、２台がそれぞれオゾン発生量８ｋｇ／ｈ、オゾン濃度１２ｗｔ％で運転するのがランニングコストが最低となる。更にオゾン発生量を絞り、定格の１０％のオゾン発生量の場合、２台のオゾン発生器１ａ、１ｂがそれぞれ１ｋｇ／ｈで運転するよりも、図１２に示すように、１台のオゾン発生器１ｂを停止し、オゾン発生器１ａの１台のみをオゾン発生量２ｋｇ／ｈ、オゾン濃度１６ｗｔ％で運転する方が安くなる。これは、出力が低下すると無負荷損（電源変圧器のロス、電源冷却用ファンの電力消費、発生器冷却水ポンプの電力消費など）の割合が増加し、オゾン発生器用電源全体の電気入力に対するオゾン発生効率が悪くなるためである。

　オゾン発生器を複数台で運転する場合は、オゾン発生器の台数を変更した場合のランニングコストを算出し、ランニングコストが最低値となるように運転台数とオゾン濃度を決定する。このようにすることにより、全体システムのランニングコストを低減することができる。

実施の形態７．
　図１３は原料ガス源として原料ガス供給装置２として２台の酸素発生装置（ＰＳＡ)２ａ、２ｂを用い、２台のオゾン発生器１ａ、１ｂを使用する例である。オゾン発生器１ａ、１ｂは、それぞれオゾン発生量１０ｋｇ／ｈ、オゾン濃度１０ｗｔ％で運転している。ＰＳＡ２ａ、２ｂは、それぞれ酸素ガス流量１００ｋｇ／ｈを供給している。ＰＳＡはガス流量を変化させることが難しく、従って、オゾン発生量を定格量から下げる場合にはガス流量は一定のままで、オゾン濃度を下げてオゾン発生量を調整する場合が多い。この場合、ＰＳＡ内部のガスを圧送する装置は一定量のガスを送り続けるため、電気消費量が多い。オゾン発生量が下がってもＰＳＡの電気消費量を下げることはできず、経済的な運転となっていない。例えば、図１４はオゾン発生量を定格の７０％にする場合の各部の酸素ガス流量とオゾン発生量、オゾン濃度を示す。

　本実施の形態７では、ＰＳＡの運転台数を変えオゾン濃度を変化させた場合のランニングコストを算出して最適運転台数とオゾン濃度を求め、その結果、図１５に示す運転を行う。ＰＳＡ２ｂは運転を停止し、ＰＳＡ２ａの１台のみが１００ｋｇ／ｈの酸素ガスを供給する。２台のオゾン発生器１ａ、１ｂにはそれぞれ５０ｋｇ／ｈの酸素ガスが供給され、オゾン発生器１ａ、１ｂは、ランニングコストが最低となるオゾン濃度１４ｗｔ％で運転し、それぞれが７ｋｇ／ｈのオゾンを発生する。この例では、ＰＳＡは１台しか運転しないので、ＰＳＡの電気消費量は半分に減る。本実施の形態７では、全体としてランニングコストを抑える運転が可能となる。

　１：オゾン発生器　　　　　　　　　　　２：原料ガス供給装置
３：オゾン発生器用電源　　　　　　　　　４：ガス流量調節バルブ
５：ガス流量計　　　　　　　　　　　　　６：オゾン濃度計
７：冷却装置　　　　　　　　　　　　　　８：冷却水温計
１０：被処理水　　　　　　　　　　　　　１２：インジェクター
２０、２００、２１０：制御装置　　　　　２１：入力部
２２：電気代単価記憶部　　　　　　　　　２３：ガス代単価記憶部
２４：制御パラメータ設定部　　　　　　　２５：電気消費量特性記憶部
２６、２６０：オゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部
２７：ランニングコスト演算部
１００：放電管　　　　　　　　　　　　　１１０：放電ギャップ

Claims

　放電管を備えたオゾン発生器と、
このオゾン発生器に酸素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
上記放電管に高周波高電圧を印加するためのオゾン発生器用電源と、
冷却水を上記放電管周囲に流す冷却装置と、
上記オゾン発生器から出力されるオゾン化ガスの流量を制御するガス流量調節器と、
上記オゾン化ガスのオゾン濃度を計測するオゾン濃度計と、
上記オゾン発生器用電源の電力と、上記ガス流量調節器とを制御する制御装置と
を備えたオゾン発生システムにおいて、
上記制御装置は、電気代単価を記憶する電気代単価記憶部と、ガス代単価を記憶するガス代単価記憶部とを備え、上記電気代単価記憶部に記憶された電気代単価と、上記ガス代単価記憶部に記憶されたガス代単価と、上記オゾン化ガスに求められる必要オゾン発生量とに基づき、オゾン発生量基礎パラメータであるオゾン濃度およびガス流量についてランニングコストが最低となる値を決定し、この決定したガス流量となるよう上記ガス流量調節器を制御し、上記決定したオゾン濃度となるよう上記オゾン発生器用電源の電力を制御することを特徴とするオゾン発生システム。
　上記冷却水の水温を計測する冷却水温計を備え、
上記制御装置は、冷却水温とオゾン発生量とをパラメータとして、オゾン発生量基礎パラメータのうち一方のオゾン発生量基礎パラメータについてランニングコストが最低となる最適値を記憶するオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部を有し、このオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部から、上記冷却水温計の冷却水温計測値と上記必要オゾン発生量とに対応するオゾン発生量基礎パラメータ最適値を読み取り、この読み取ったオゾン発生量基礎パラメータ最適値と上記必要オゾン発生量とにより、運転するオゾン濃度およびガス流量を決定し、この決定したガス流量になるように上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記オゾン濃度計のオゾン濃度計測値が上記決定したオゾン濃度になるよう上記オゾン発生器用電源の電力を制御することを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生システム。
　上記制御装置は、オゾン発生量基礎パラメータのうち一方のオゾン発生量基礎パラメータの所定の値と上記必要オゾン発生量とから、運転するオゾン濃度とガス流量を決定し、この決定したガス流量となるよう上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記決定したオゾン濃度となるように上記オゾン発生器用電源の電力を制御し、この時の上記オゾン発生器用電源の電力と上記決定したガス流量とによりランニングコストを算出するランニングコスト算出制御ステップを実行し、
このランニングコスト算出制御ステップの後、上記一方のオゾン発生量基礎パラメータの所定の値を増加または減少させて、次に運転するオゾン濃度とガス流量を決定し、この決定した次に運転するガス流量となるよう上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記決定した次に運転するオゾン濃度となるように上記オゾン発生器用電源の電力を制御し、この時の上記オゾン発生器用電源の電力と上記決定した次に運転するガス流量とによりランニングコストを算出し、この算出したランニングコストとそれまでに算出したランニングコストとを比較するランニングコスト比較ステップを実行し、
さらに上記ランニングコスト比較ステップを順次繰り返すことによりランニングコスト最低となるオゾン発生量基礎パラメータの値を見つけ出し、この見つけ出したオゾン発生量基礎パラメータの値となるよう、上記ガス流量調節器およびオゾン発生器用電源を制御して運転を継続することを特徴とする請求項１に記載のオゾン発生システム。
　上記冷却水の水温を計測する冷却水温計を備え、
上記制御装置は、冷却水温とオゾン発生量とをパラメータとして、オゾン発生量基礎パラメータのうち一方のオゾン発生量基礎パラメータについてランニングコストが最低となる最適値を記憶するオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部を有し、このオゾン発生量基礎パラメータ最適値記憶部から、上記冷却水温計の冷却水温計測値と、上記必要オゾン発生量とに対応するオゾン発生量基礎パラメータの最適値を読み取り、この読み取ったオゾン発生量基礎パラメータの最適値を最初の上記オゾン発生量基礎パラメータの所定の値とすることを特徴とする請求項３に記載のオゾン発生システム。
　付帯装置の消費電力を含んでランニングコストを算出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のオゾン発生システム。
　上記放電管の放電ギャップ長が０．３ｍｍ以下で、オゾン発生器内部のガス圧力が０．０８ＭＰａから０．２ＭＰａの範囲の圧力であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のオゾン発生システム。
　複数のオゾン発生器を備え、ランニングコストが最低となるオゾン発生器の運転台数を見つけ出し、この見つけ出した運転台数でオゾン発生器の運転を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のオゾン発生システム。
　複数の原料ガス供給装置を備え、ランニングコストが最低となる原料ガス供給装置の運転台数を見つけ出し、この見つけ出した運転台数で原料ガス供給装置の運転を行うことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のオゾン発生システム。
　放電管を備えたオゾン発生器と、
このオゾン発生器に酸素を含む原料ガスを供給する原料ガス供給装置と、
上記放電管に高周波高電圧を印加するためのオゾン発生器用電源と、
冷却水を上記放電管周囲に流す冷却装置と、
上記オゾン発生器から出射されるオゾン化ガスの流量を制御するガス流量調節器と、
上記オゾン化ガスのオゾン濃度を計測するオゾン濃度計と、
電気代単価を記憶する電気代単価記憶部と、ガス代単価を記憶するガス代単価記憶部とを有する制御装置とを備えたオゾン発生システムの運転方法において、
上記電気代単価記憶部に記憶された電気代単価と、上記ガス代単価記憶部に記憶されたガス代単価と、上記オゾン化ガスに求められる必要オゾン発生量とに基づき、オゾン発生量基礎パラメータであるオゾン濃度およびガス流量についてランニングコストが最低となる値を決定するオゾン発生量基礎パラメータ値決定ステップと、
この決定されたガス流量になるよう上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記決定されたオゾン濃度になるよう上記オゾン発生器用電源の電力を制御するステップとを含むオゾン発生システムの運転方法。
上記オゾン発生量基礎パラメータ値決定ステップは、
オゾン発生量基礎パラメータのうち一方のオゾン発生量基礎パラメータの所定の値と上記必要オゾン発生量とから、運転するガス流量およびオゾン濃度を決定し、この決定したガス流量となるよう上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記決定したオゾン濃度となるように上記オゾン発生器用電源の電力を制御し、この時の上記オゾン発生器用電源の電力と上記ガス流量とによりランニングコストを算出するランニングコスト算出制御ステップと、
このランニングコスト算出制御ステップの後、上記一方のオゾン発生量基礎パラメータの所定の値を増加または減少させて、次に運転するオゾン濃度とガス流量を決定し、この決定した次に運転するガス流量となるよう上記ガス流量調節器を制御するとともに、上記決定した次に運転するオゾン濃度となるように上記オゾン発生器用電源の電力を制御し、この時の上記オゾン発生器用電源の電力と上記決定した次に運転するガス流量とによりランニングコストを算出し、この算出したランニングコストとそれまでに算出したランニングコストとを比較するランニングコスト比較ステップと、
さらに上記ランニングコスト比較ステップを順次繰り返すことによりランニングコスト最低となるオゾン発生量基礎パラメータの値を決定するステップとを含むことを特徴とする請求項９に記載のオゾン発生システムの運転方法。