JP2000205562A

JP2000205562A - バ―ナ燃焼診断装置

Info

Publication number: JP2000205562A
Application number: JP11006822A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Morimoto; 信夫森本; Kazuhiro Yamazaki; 和宏山崎
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2000-07-25
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: JP3524412B2

Abstract

(57)【要約】【課題】バーナ火炎発光の分光分析データから火炎点
消火判定を精度良く行い、火炎検出機能を備えたバーナ
燃焼診断装置を提供すること。【解決手段】火炎発光の分光分析１１により得られる
同時刻で分光分析した所定の複数波長の単色光強度の比
率から火炎温度と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・放射
スベクトルとを燃焼診断指標として計算する計算部１２
と、火炎発光の分光分析により得られる異なる時刻で分
光分析した所定の複数波長の単色光強度の比率から火炎
温度と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・放射スベクトル
とを火炎検出指標として計算する計算部１３と、火炎検
出指標と燃焼診断指標の比から火炎温度と燃焼生成ガス
の赤外線ガス吸収・放射スベクトルの変動率を求め、変
動率をしきい値と比較することにより、バーナ火炎の点
火及び消火状態を判定する判定部１４と、を備えたバー
ナ燃焼診断装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電用ボイラ
等の複数本のバーナを有する大型ボイラにおいて、バー
ナ火炎発光の分光放射特性を分析することによりバーナ
火炎の燃焼状態を監視・診断する装置に関し、特にバー
ナ火炎の点消火状態を判定する火炎検出技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】火力発電用ボイラ等の大型ボイラは、数
十本のバーナを有しており（発電機出力１０００ＭＷ用
ボイラで４０〜５０本）、個々のバーナの確実な点火・
消火、及び万一の失火を検知し、自動バーナ制御の目と
なる火炎検出器は、ボイラの運転監視並びに制御上最も
重要な装置の一つである。火炎検出器には種々の方式が
あるが、数十本のバーナを有する大型のマルチバーナ炉
では、対向や隣接して配置される他火炎による干渉を除
去し、検出対象の火炎の有無を検出するため、図１０の
火炎検出器２００に示すようなフリッカ（火炎輝度のち
らつき）周波数特性２０１を分析するフリッカ式火炎検
出器が多く用いられる。

【０００３】フリッカ式火炎検出器は図１１に示すよう
に対象火炎点火時と対象火炎消火時（対向、隣接火炎点
火時）とで観測される火炎発光強度のフリッカ（ちらつ
き）成分の周波数分布が異なることを利用して火炎検出
を行うものであり、図１１に示すように約１０〜３００
Ｈｚのフリッカ周波数の違いを利用して行うものが多
い。

【０００４】また近年では、単に火炎の有無を二値的に
判断するのみでなく個々のバーナのより細かな火炎状態
に関する情報を提供するバーナ火炎の燃焼診断装置が要
望されており、実際の火力発電用ボイラに適用され始め
ている。

【０００５】これは、従来のボイラの燃焼状態の判断が
炉内監視テレビ、各種計器指示値、排ガス性状分析を主
体としたマクロな監視によっているが、排ガス性状等の
指標を環境対策や効率の観点から最適に調整するために
は個別バーナの燃焼管理が必要になるためである。この
ような個別バーナの燃焼状態の監視を行う装置の一つに
バーナの燃焼火炎からの発光を所定の数点の波長につい
て分光分析（発光スベクトル分析）した結果から燃焼状
態を診断する特開平０４−２７０８２０号公報等に記載
の燃焼診断装置がある。

【０００６】図１０に従来のバーナ燃焼診断装置１００
の概略構成を示す。このバーナ燃焼診断装置１００は、
バーナ火炎発光を所定の波長（例えば０．８，０．９，
１．３，１．４，１．５μｍの波長）について分光分析
部１１により分光分析し、この分光分析データ（５波長
の単色光強度）をもとに、燃焼診断指標計算部１２によ
りからバーナ火炎の燃焼状態監視／診断に用いる指標を
計算する。この燃焼診断指標計算部１２では、５波長の
分光分析データから輝炎の黒体近似性を利用（Ｐｌａｎ
ｃｋの幅射則の適用）して火炎温度を求め、また燃焼と
空気の混合状況等によって推移する燃焼生成ガスによる
赤外線ガス吸収・放射スペクトルを求め、これらを火炎
状態を定量的に表す指標としている。

【０００７】具体的な指標算出方法としては、分光分析
部１１により分析した５波長（例えば０．８，０．９，
１．３，１．４，１．５μｍ）のうち０．８μｍと０．
９μｍの単色光強度の比率よりＰｌａｎｃｋの幅射則を
用いて火炎温度を計算し、燃焼生成ガスによる赤外線ガ
ス吸収・放射スベクトルについては、例えば燃焼生成水
蒸気の場合、燃焼生成水蒸気による赤外線吸収・放射の
影響を受けない１．３μｍ，１．５μｍの輝炎の単色光
強度分析値から燃焼生成水蒸気の赤外線吸収・放射波長
である波長１．４μｍの輝炎発光の単色光強度を近似
し、これと実際に観測される１．４μｍの単色光強度分
析値との比率よりＢｅｅｒの吸収則を用いて生成される
水蒸気の相対的濃度に依存する赤外線ガス（水蒸気）吸
収係数を計算し、診断指標として用いる。

【０００８】これら指標により火炎状態変化を監視、適
正燃焼状態時の基準値との比較により異常状態を診断
し、その応答性のデータベースより異常要因を推定し、
ガイダンス出力部１７に送る。ガイダンス出力部７では
運転員に対し、バーナ火炎の状態及び異常時はその推定
要因をガイダンス表示する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】燃焼診断装置では、火
炎発光をバーナ個々に分光分析し火炎の分光放射特性の
特徴量として、火炎温度（火炎中炭素質粒子の灰色体近
似による）、燃焼生成ガスによる赤外線ガス吸収・放射
スベクトル等を計算する。これらを指標として、火炎状
態の経時変化を監視し、適正燃焼時の比較により個々の
バーナ火炎の燃焼状態の正常・異常を診断する。ただ
し、これは診断対象とするバーナ火炎が点火している状
態においてであり、消火している状態では適用できな
い。

【００１０】対象火炎消火時は燃焼状態を監視・診断す
る必要はないが、問題は分光分析結果から計算する火炎
温度等の指標からでは対向に配置されたバーナの火炎
や、高温炉壁発光の影響により対象火炎点火状態と消火
状態を明確に判別できないことである。

【００１１】対象火炎点火中は、火炎中の微粉炭等の燃
料粒子、スート等の炭素質粒子の層が壁となって対向・
隣接火炎の発光を遮り、対象火炎の発光のみが光プロー
ブに入射する。対象火炎が消火操作あるいは失火により
失われると、他火炎の発光を遮る壁がなくなり、対象火
炎が失われていても他火炎の発光が対象火炎点火時と同
様のレベルで光プローブに入射する。光プローブの受光
強度レベルは対象火炎点火時でも消火（失火）時でも同
程度であり、火炎の燃焼状態によっては対象火炎時消火
時の方が光プローブ受光強度が大きい場合もある。この
ため、分光分析結果から診断の指標として計算する火炎
温度、燃焼生成ガスによる赤外線ガス吸収・放射スベク
トル等の値も、対象火炎点火と消火（失火）状態を明確
に判別できる差異を生じない。

【００１２】このため、対象火炎が消火もしくは失火し
ている状態を指標から検知できず、誤った診断結果や警
報を出力する恐れがあった。これを回避するため、従来
のバーナ燃焼診断装置１００では、図１０に示すように
火炎検出器出力参照部１０１により火炎検出器２００の
火炎点消火信号２０３とＡＮＤ（論理積）をとることに
より、バーナ消火時（もしくは失火時）の診断を停止す
ることで対処していた。

【００１３】このため、従来の火炎検出器にとってかわ
ることのできる火炎検出機能を燃焼診断装置に持たせる
ことができず、同様にバーナ火炎発光を受光・分析する
装置であり、類似した機構の多い火炎検出器を別装置と
して必要とする。燃焼診断装置と火炎検出器を別装置し
た場合、バーナ火炎発光する光プローブがバーナ部に２
本必要とする。コスト的な問題と共に、近年の環境対策
から適用されている火炎内脱硝を行う低ＮＯｘバーナに
おいては、バーナ部での燃焼空気の流れ、燃料との混合
領域が重要であり、バーナ部でこれらを乱す要因になり
える付帯設備は極力さけることが望まれる。

【００１４】また、特願平０７−１３９５３０号公報の
ようにバーナ火炎発光を分析する光センサを工夫して、
燃焼診断装置用の分光分析機能と火炎検出に必要とする
光分析（フリッカ分析）を両立可能として、光プローブ
を含め装置として一体構成可能としたものがある。これ
によれば、光プローブは一式でよく前記のような問題は
生じない。

【００１５】しかしながら、この場合、使用される光セ
ンサが極めて特殊で専用に製作したものが必要であり、
汎用的な分光分析デバイスの使用が困難であった。１０
００ＭＷクラスの大型ボイラにおいてもバーナ数は４０
〜５０本であり、特開平０７−１３９５３０号公報に示
したような特殊な光センサの量産によるコスト低減効果
は小さい。光デバイスは電子部品等に比べ一般に高価で
あるが、近年、通信、情報処理、計測等の分野での利用
が進んでおり、汎用性を持ち比較的低コストなデバイス
も流通している。このような汎用的なデバイスが利用可
能になることは、産業利用上無視できない要素であるコ
スト、保守性の面でメリットが大である。

【００１６】また、特開平０７−７１７４９号公報のよ
うに、ブリズムや回折格子等の汎用の分光デバイスによ
り分光した単色光を光電変換した後の電気信号を、電気
的なローバスフィルタとバイドバスフィルタにより光量
レベル（輝度）に相当する直流成分とフリッカ成分に相
当する交流成分にわけ、この交流成分の周波数分析より
フリッカ分析火炎検出を可能とした装置がある。

【００１７】この装置では、汎用的な分光デバイスが利
用可能であるが、火炎のフリッカ成分が受光する光強度
の１／１０００程度であり、また、分光を行うことによ
り分光された後の単色光強度がトータルの火炎発光強度
の１／１００程度程度になることから微弱な電気信号を
扱うことになりＳ／Ｎが低下する問題があった。これを
解決するためにセンサ構成を工夫し、フリッカ分析用に
十分な光量レベルを確保できるようにしたものが前記の
特開０７−１３９５３０号公報に係る装置である。

【００１８】また、従来のフリッカ式火炎検出器におい
ては、フリッカ（火炎のちらつき）成分も要は火炎の光
強度（輝度）変動であり、バーナ火炎の負荷、空気比等
による燃焼状態の推移に伴い火炎の輝度レベル及びその
変動成分であるフリッカ成分レベルも変化する。燃焼が
活発（燃料と空気の混合反応が活発化）になることによ
り、火炎の輝度が増し、それに応じてフリッカ成分レベ
ルも増加する。逆に燃焼状態が緩慢化すると輝度、フリ
ッカレベルともに低下する。このためバーナ火炎は点火
状態の緩慢化や何らかの異常要因により監視している火
炎域の輝度が著しく低下した場合、フリッカレベルも低
下し誤った火炎検出結果を出力する恐れがあった。

【００１９】端的な例としては、例えば微粉炭火炎にお
いて、低負荷帯の微粉濃度が希薄な状態で火炎表面に微
粉炭の燃えていない領域が部分的に形成される場合があ
る。この微粉炭の燃えていない領域が火炎検出器の観測
視野内を一部占めた場合でも、観測される輝度が低下
し、これに伴い検出されるフリッカレベルも低下するた
め、バーナ火炎は着火状態にあっても失火と誤判定を行
う場合があった。この場合でも微粉炭が表面的に燃えて
いない領域以外からの火炎発光は受光されているが、観
測されるトータルの輝度が通常時に比べ著しく低下して
しまうため失火と判定してしまうものである。

【００２０】本発明の目的は、バーナ燃焼診断装置が入
力信号として用いるバーナ火炎発光の分光分析データか
ら、火炎点消火判定を精度良く行う方法を提供し、火炎
検出機能を備えたバーナ燃焼診断装置を提供することに
より、バーナ燃焼診断装置とは別に火炎検出器を必要と
する問題及び火炎検出機能を併せ持つために特殊な光セ
ンサの使用が必要である問題を解決することにある。あ
わせて従来のフリッカ式火炎検出器において問題になる
観測視野の火炎発光強度（輝度）レベルが低下した場合
において誤判定を行う問題を解決し、より検出精度の高
い火炎検出方法を提供することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は主として次のような構成を採用する。

【００２２】バーナ火炎の発光を複数波長について分光
分析を行い、前記分光分析の結果から得られる所定の複
数波長の単色光強度の比率から火炎温度と燃焼生成ガス
の赤外線ガス吸収・放射スベクトルとを燃焼診断指標と
するバーナ燃焼診断装置において、前記火炎発光の分光
分析により得られる同時刻で分光分析した所定の複数波
長の単色光強度の比率から火炎温度と燃焼生成ガスの赤
外線ガス吸収・放射スベクトルとを燃焼診断指標として
計算する燃焼診断指標計算部と、前記火炎発光の分光分
析により得られる異なる時刻で分光分析した所定の複数
波長の単色光強度の比率から火炎温度と燃焼生成ガスの
赤外線ガス吸収・放射スベクトルとを火炎検出指標とし
て計算する火炎検出指標計算部と、前記火炎検出指標計
算部で求められた火炎検出指標信号と前記燃焼診断指標
計算部で求めた燃焼診断指標信号の比を算出して、火炎
温度と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・放射スベクトル
のそれぞれの変動率を求め、前記変動率を予め設定した
しきい値と比較することにより、バーナ火炎の点火及び
消火状態を判定するバーナ火炎点消火判定部と、を備え
たバーナ燃焼診断装置。

【００２３】

【発明の実施の形態】最初に、本発明に係るバーナ燃焼
診断装置の技術的思想に関する機能乃至作用について説
明する。本発明になる燃焼診断装置では、バーナ火炎の
分光放射特性の特徴量として分光分析結果から計算する
診断指標（火炎温度、燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・
放射スベクトル）を燃焼状態の監視・診断用とは別に下
記の方法で処理することによりバーナ火炎の点消火判定
を行う。

【００２４】従来と同じく、火炎温度等の診断指標を計
算する複数波長の単色光強度（火炎温度は２波長、赤外
線ガス吸収・放射スベクトルは３波長、もしくはそれ以
上の波長を利用）の分光分析において、各波長を同時刻
に分析もしくは光プローブ受光量の変動周期等から実質
的な同時性が得られる時間間隔で波長の走査を行い、こ
れを各波長単色光強度の１サンプル値とし、所定のサン
プリング周期で連続的に行う。ここで、サンプリング毎
の各波長単色光強度の比率から計算される火炎温度、ガ
ス吸収・放射スベクトルは診断指標として用いるもので
あり、火炎の燃焼状態が静定した状態であればほぼ一定
の安定した値である。

【００２５】本発明では、これに加えてバーナ火炎の点
消火判定（火炎検出）を行う手段として、複数波長の単
色光強度の比率から計算する火炎温度、ガス吸収・放射
スベクトルを波長毎に異なるサンプリング時刻の単色光
強度データの比率から計算し、その計算値変動のバーナ
火炎点火及び消火状態における差異を用いて行う。

【００２６】これによって、別途火炎検出器によらず、
燃焼診断装置が診断用の入力信号として用いるバーナ火
炎発光の分光分析データより火炎検出を可能とする。

【００２７】そして、バーナ火炎点消火判定に関わる状
態は「判定対象バーナ火炎点火状態」、「判定対象火炎
が消火し、対向・隣接火炎が点火している状態」及び
「判定対象火炎、対向・隣接火炎ともに消火している状
態」の３種に大別できる。

【００２８】大別した３種の状態のうち、「判定対象火
炎点火状態」では、対象火炎が光プローブ近傍にあり、
光プローブ観測視野領域を対象火炎が覆う。これによ
り、対象火炎中の燃料粒子（微粉炭粒子等）、スート等
炭素質粒子が対向・隣接火炎の発光が光プローブに入射
しないように遮る壁となって、判定対象火炎の発光のみ
が受光される状態である。このため、燃料と空気の混合
による燃焼反応の空間的、時間的変動の影響を受け、光
ブロープ受光強度は相対的に高い周波数成分を多く含む
変動周波数特性を持つ。これが従来の火炎検出器が利用
する図１１に示すフリッカ（ちらつき）周波数である。

【００２９】「判定対象火炎が消火し、対向・隣接火炎
が点火している状態」では、光プローブ近傍に壁となる
対象火炎がなく、対向・隣接火炎の発光を受光する状態
になる（光プローブの設置位置関係から対向の影響
大）。この場合、光プローブにおいて受光される光は単
一火炎からのものでなく、主として対向に位置する複数
個の火炎の発光が重なって受光される。このために単一
火炎の局所領域において生じる燃焼反応の空間的変動等
に起因する比較的高周波数の輝度変動は打ち消され、光
プローブ受光強度変動は光プローブ視野内にある複数個
の火炎の全体的なゆらぎ等に起因する低周波数（長周
期）成分が優勢である。

【００３０】「判定対象火炎、対向・隣接火炎ともに消
火している状態」では、光プローブ視野内に火炎が無
く、受光する光の源は、炉内浮遊粒子やガスの発光も含
まれるが、主として対向炉壁の発光である。このため光
プローブの受光強度変動は非常にゆっくりとしたもの
で、ほぼ変動のない一定レベルと見なすことができる。

【００３１】燃焼診断装置における診断指標である火炎
温度、ガス吸収・放射スペクトルは、前述のように複数
波長の単色高強度の比率から下記の（１），（２）式の
ように計算する。

【００３２】・火炎温度ＦＴ（Ｐｌａｎｃｋの幅射則に
よる）

【００３３】

【数１】

【００３４】ここにおいて、（１）式は次のＰｌａｎｃ
ｋの輻射則より導かれる式であり、Ｅ_λ＝（ε・Ｃ₁・λ^ー5）／｛ｅｘｐ（Ｃ₂／λ・Ｔ）−
１｝Ｅ_λ：波長λにおける輻射エネルギ、Ｔ：温度（（１）式の火炎温度ＦＴに相当）、 ε：輻射率、Ｃ１，Ｃ２：Ｐｌａｎｃｋの第１，第２定数、このＰｌａｎｃｋの式から２波長λ₁、λ₂での輻射エネ
ルギＥ_λ1，Ｅ_λ2の比を考えることにより、輻射率ε及
びＰｌａｎｃｋの第１定数Ｃ₁が消え、上記の（１）式
になる。

【００３５】・ガス吸収・放射スベクトル（Ｂｅｅｒの
吸収則による）一例として１．４μｍ波長帯の水蒸気による相対的な赤
外線ガス吸収を示す指標を下記（２）式により計算し、
本発明ではこれを水蒸気吸光度ＶＡと定義して以下記述
する。

【００３６】

【数２】

【００３７】ここで波長λ₁〜λ₅における単色光強度Ｅ
_λ1(t)〜Ｅ_λ5(t)は同時刻ｔでの分光分析値である。各
波長の分光分析値の同時性を記したのは、前述のよう
に、火炎状態の診断を行う対象火炎点火状態では燃焼状
況の空間的変動等に起因して図１１に示したように光プ
ローブ受光強度が相対的に高い周波数成分が優勢な周波
数特性を待っており、分光分析により得られる各波長の
単色光強度に同時性がないと、波長毎に異なった受光状
態（火炎状態）において分光分析を行うことなり、上記
（１），（２）式から複数波長の単色光強度の比率より
計算する指標が計算毎に大きく変動し安定した評価が行
えないからである。

【００３８】一方、「判定対象火炎が消火し、対向・隣
接火炎が点火している状態」では、低周波数の受光強度
変動が優勢であるため、「対象火炎点火状態」と比較し
分光分析波長間の同時性の影響は格段に小さい。「判定
対象火炎が消火し、対向・隣接火炎が点火している状
態」では主として炉壁の発光をとらえることから受光強
度はほとんど変動せず、分光分析波長間の同時性を確保
していてもいなくとも複数波長の単色光強度分析値の比
率から計算される指標は変らずに安定している。

【００３９】本発明では、この対象火炎点火状態におけ
る火炎状態の安定評価に必要な分光分析波長間の同時性
を意図的に低下させて火炎温度等の指標を計算すること
により、「判定対象バーナ火炎点火状態」、「判定対象
火炎が消火し、対向・隣接火炎が点火している状態」及
び「判定対象火炎が消火し、対向・隣接火炎が消火して
いる状態」の３種の火炎状態による指標変動量の差異が
顕著に表れるようにし、これをもって火炎消火判定を行
う。

【００４０】上記（１）式による火炎温度計算に用いる
２波長（０．８μｍ，０．９μｍ）の単色光強度
Ｅ_λ1，Ｅ_λ2を同時刻ｔでなく２波長の波長走査時間間
隔を種々変えて分光分析を行った場合に得られる火炎温
度計算結果の変動率を、「判定対象バーナ火炎点火状
態」、「判定対象火炎が消火し、対向・隣接火炎が点火
している状態」及び「判定対象火炎が消火し、対向・隣
接火炎が消火している状態」の３種の過運状態について
図２に示す。

【００４１】図２に示すように、これら３種の火炎状態
において火炎温度計算に用いる２波長の波長走査時間間
隔（同時性の問題）に対する火炎温度変動率の差値異が
顕著であり、特に波長走査時間間隔３〜４０［ｍｓ］お
いて、その差異が最も得られやすい。この３〜４０［ｍ
ｓ］という時間は、バーナ火炎の全体的なゆらぎ、局所
的な変動等による発光（輝度）変動周波数特性により定
まるものであり、要は図１１に示したフリッカ周波数特
性において対象火炎点火・消火（対向火炎点火状態）に
おいて差異が顕著に表れる約１０〜３００Ｈｚのフリッ
カ周波数に対応したものである。

【００４２】発電用ボイラのように複数かつ大容量バー
ナ火炎ではこの１０〜４０［ｍｓ］の波長走査時間間隔
で火炎温度計算に用いる２波長を分光分析し、得られる
火炎温度計算値の変動率を用いることにより火炎点消火
判定を行うことができる。

【００４３】上記（２）式に示した水蒸気吸光度（ガス
吸収・放射スベクトル）も火炎温度と同じく波長走査間
隔に対し図３に示すように同様の特性を持つ。

【００４４】また、本発明になる火炎検出方法では、火
炎が発する光強度（輝度）の絶対値にはよらず、その相
対的な関係である複数波長の単色光強度の比率の同時
性、非同時性を用いて行うため、微粉炭が燃えていない
領域が火炎表面に一部形成されるなど極端に受光される
光強度が低位化する場合においても誤った失火判定を行
うことが回避でき、従来のフリッカ方式と比較してより
精度の高い火炎検出が可能である。

【００４５】次に、本発明の実施形態に係るバーナ燃焼
診断装置について、図面を用いて以下説明する。図１
は、火炎検出機能を備えたバーナ燃焼診断装置の構成を
示す。このバーナ燃焼診断装置では、バーナ火炎発光を
所定の波長（例えば０．８，０．９，１．３，１．４，
１．５μｍの５波長）について分光分析部１１により分
光分析を行う。この分光分析データをもとに、燃焼診断
指標計算部１２によりバーナ火炎の燃焼状態監視／診断
に用いる指標を計算する。

【００４６】この燃焼診断指標計算部１２では、５波長
の分光分析データ（同時刻分析データ）から輝炎の黒体
近似性を利用（Ｐｌａｎｃｋの幅射則の適用）して火炎
温度を求め、また燃料と空気の混合状況等によって推移
する燃焼生成ガスによる赤外線ガス吸収・放射スベクト
ルを求め、これらを火炎状態を定量的に表す指標とす
る。

【００４７】火炎検出指標計算部１３では、非同時刻
（波長毎に異なるサンプリング時刻）の分光分析データ
から火炎検出に用いる指標を計算し、この火炎検出指標
により火炎点消火判定部１４によりバーナ火炎の点消火
判定を行う。この火炎点消火判定部１４の判定結果よ
り、バーナ消火時はガイダンス出力部１７にバーナ消火
を表示し燃焼診断を停止する。点火判定時は燃焼診断指
標計算部１２の出力である燃焼診断指標を燃焼診断部１
６に送り、火炎状態変化を監視、適正燃焼状態時の基準
値との比較により異常状態を診断し、その応答性のデー
タベース１８より異常要因を推定し、ガイダンス出力部
１７に送る。ガイダンス出力部１７では運転員に対し、
バーナ火炎の状態及び異常時はその推定要因をガイダン
ス表示する。

【００４８】次に、バーナ燃焼診断装置の各構成部分の
相互関係並びに作用について説明する。図１の燃焼診断
指標計算部１２では、同時刻ｔの分光分析値（０．８，
０．９，１．３，１．４，１．５μｍの各波長の単色光
強度）より、前記（１），（２）式により複数波長の単
色光強度の比率からバーナ燃焼診断用の指標として用い
る火炎温度ＦＴ、水蒸気吸光度ＶＡ（１．４μｍ波長帯
の水蒸気による赤外線ガス吸収を表す指標）を計算す
る。図４、図５に発電負荷上昇時の火炎温度ＦＴ、水蒸
気吸光度ＶＡ（バーナ燃焼診断用：（１），（２）式に
よる計算値）のトレンドの一例を示す。

【００４９】図４、図５は対象バーナが含まれるバーナ
段とその対向バーナ段共に消火した状態から、先に対向
バーナ段が点火し、その後、対象バーナ火炎が点火した
際の対象バーナ火炎の燃焼診断用指標である火炎温度Ｆ
Ｔ、水蒸気吸光度ＶＡのトレンドである。対象バーナ火
炎が点火した後も燃焼診断用指標である火炎温度ＦＴ、
水蒸気吸光度ＶＡは火炎のゆらぎ等の影響を受けず安定
した評価が可能であり、これを元にして、燃焼診断部１
６において対象バーナ火炎の燃焼状態の推移を監視、適
正燃焼状態時の基準値との比較により、異常状態を診断
する。

【００５０】図１の火炎検出指標計算部１３では、時刻
ｔの分光分析値と１サンプリング周期△ｔ遅れた時刻ｔ
＋△ｔの分光分析値より、下記（３），（４）式により
火炎検出用の指標として用いる火炎温度ＦＴ_FD、水蒸気
吸光度ＶＡ_FDを計算する。

【００５１】・火炎検出用指標として用いる火炎温度Ｆ
Ｔ_FD

【００５２】

【数３】

【００５３】・火炎検出用指標として用いる火炎温度Ｖ
Ａ_ＦＤ

【００５４】

【数４】

【００５５】本発明の一実施形態では、図２に示した波
長走査時間間隔と診断指標変動率の関係に基づき、火炎
点消火判定に関わる火炎状態の差異が最も顕著に表れる
３〜４０［ｍｓ］の波長走査周期を得るためサンプリン
グ周期△ｔを１８［ｍｓ］としている。

【００５６】図４、図５と同じ火炎状態における火炎検
出用指標として用いる火炎温度ＦＴ_ＦＤ、水蒸気吸光度
ＶＡ_FDのトレンドを図６、図７に示す。図６、図７と図
４、図５を比較して明らかなように、対象バーナ火炎の
点消火判定に関わる火炎状態の推移である「対象バー
ナ、対向バーナ共に消火している状態」、「対象バーナ
が消火し、対向バーナが点火している状態」、「対象バ
ーナ点火状態」、３状態の間で、火炎検出用指標である
火炎温度ＦＴ_FD，水蒸気吸光度ＶＡ_FDの変動は顕著な差
異を示す。本発明ではこれを元にして、図１の火炎点消
火判定１４において火炎点消火判定を行う。

【００５７】図４〜図７に示したバーナ燃焼診断用指標
である火炎温度ＦＴ、水蒸気吸光度ＶＡ、火炎検出用指
標である火炎温度ＦＴ_FD，水蒸気吸光度ＶＡ_FDより求め
た火炎検出信号である火炎温度変動率、水蒸気吸光度変
動率のトレンドを図８と図９に示す。

【００５８】図８の火炎温度変動率は、図６に示した火
炎検出用指標ＦＴ_FDの変動成分の振幅レベルを図４の燃
焼診断用指標ＦＴで除した値である。図９の水蒸気吸光
度変動率も同様である（変動率の本来の定義は、平均値
に対する個々のデータの平均偏差の割合であるが、ここ
では平均値のかわりにバーナ燃焼診断指標である同時刻
分光分析結果から求めた火炎温度ＦＴ，水蒸気吸光度Ｖ
Ａを用いている）。これら火炎温度変動率、水蒸気吸光
度変動率により「対象バーナ、対向バーナ共に消火して
いる状態」及び「対象バーナが消火し、対向バーナが点
火している状態」と「対象バーナ点火状態」を明確に判
別でき、他火炎の干渉を除去した対象バーナの火炎検出
が可能である。

【００５９】また、フリッカ（火炎のちらつき）周波数
を分析するフリッカ式火炎検出方法では、フリッカ成分
も要は火炎の輝度変動であり、バーナ火炎の負荷、空気
比等による燃焼状態の推移に伴い輝度レベル及びその変
動成分であるフリツカ成分レベルも変化する。燃焼が活
発（燃料と空気の混合反応が活発化）によることによ
り、火炎の輝度が増し、それに応じてフリッカ成分レベ
ルも増加する。逆に燃焼状態が緩慢化すると輝度、フリ
ッカレベルともに低下する。このためバーナ火炎は点火
状態にあっても燃焼状態の緩慢化や何らかの異常要因に
より監視している火炎領域の輝度が著しく低下した場
合、フリツカレベルも低下し誤った火炎検出結果を出力
する恐れがあった。

【００６０】顕著な例としては、例えば微粉炭火炎にお
いて、低負荷帯の微粉濃度が希薄な状態で火炎表面に微
粉炭の燃えていない領域が部分的に形成される場合があ
る。この微粉の燃えていない領域が火炎検出器の観測視
野内を一部占めた場合でも、観測される輝度が低下し、
これに伴い検出されるフリツカレベルも低下するため、
バーナ火炎は着火状態にあっても失火と誤判定を行う場
合があった。この場合でも微粉炭が表面的に燃えていな
い領域以外からの火炎発光は受光されているが、観測さ
れるトータルの輝度が通常時に比べ著しく低下してしま
うため失火と判定してしまうものである。

【００６１】本発明になる火炎検出方法では、同時刻ｔ
の分光分析値（０．８，０．９，１．３，１．４，１．
５μｍの各波長の単色光強度）より前述の（１），
（２）式により求めた火炎温度ＦＴ，水蒸気吸光度ＶＡ
（１．４μｍ波長帯の水蒸気による赤外線ガス吸収を表
す指標）と、時刻ｔの分光分析値と１サンプリング周期
△ｔ遅れた時刻ｔ＋△ｔの分光分析値より、前述の
（３），（４）式により火炎検出用の指標として求めた
火炎温度ＦＴ_FD，水蒸気吸光度ＶＡ_FDを比較することに
より、図２に示した関係を用いて火炎点消火状態による
火炎温度ＦＴ_FD，水蒸気吸光度ＶＡ_FDの変動率の差異を
もとに火炎検出を行うものである。

【００６２】このため、輝度（光強度）の絶対値にはよ
らず、その複数波長間の相対関係（比率）によるもので
あり、微粉炭の燃えていない領域が観測視野内を一部あ
るいは過半数を占めても、微粉炭が表面的に燃えていな
い領域以外からの火炎発光が受光されている状態であれ
ば、正しく火炎検出を行うことができる。

【００６３】従来技術の特開平０１−３３４１９号公報
になる火炎検出器では、ピーク感度波長の異なる２個の
光検出器の出力比率より火炎温度に相当する信号を得
て、この火炎温度に相当する信号レベルにより燃焼状態
の変化を捉え、フリッカレベルが著しく低下する上記の
微粉炭の燃えいない領域が火炎表面上に形成されるよう
な場合では失火と判定してしまう恐れが大きい。

【００６４】加えて、ピーク感度波長の異なる２個の光
検出器の出力比率より火炎温度の信号を得るため、この
火炎温度相当の信号は、輝度（光強度）の絶対値にはよ
らず、２個の光検出器出力の相対的な比率によりもので
あるため、微粉炭の燃えていない領域が火炎表面上に形
成されるような場合でも、それ以外の領域からの火炎発
光を捉えている状態であれば大きく変化せず、この火炎
温度相当の信号に応じて設定される判定しきい値も変化
が小さい。これに対してフリッカレベルは著しく低下す
るため、より失火と判定を行う恐れが大きい。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、バーナ火炎状態の診断
指標として用いる火炎発光の分光分析値から、火炎点消
火判定を精度良く行う方法を提供し、この方法による火
炎検出機能を備えたバーナ燃焼診断装置を提供できる。

【００６６】これによって、従来のバーナ燃焼診断装置
において、火炎発光の分光分析に基づく診断指標から火
炎の点消火状態を判定できないという問題を解決し、火
炎検出器を別システムとして必要する、また、火炎検出
器機能を併せ待つための極めて特殊な光センサを必要と
する、問題を解決できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る、火炎検出機能を備え
たバーナ燃焼診断装置の機能構成を示した図である。

【図２】火炎温度を計算する際に用いる２波長の単色光
強度分析値の同時／非同時性による火炎温度計算結果の
変動率を示した図である。

【図３】水蒸気吸光度を計算する際に用いる２波長の単
色光強度分析値の同時／非同時性による水蒸気吸光度計
算結果の変動率を示した図である。

【図４】バーナ燃焼診断用の指標（火炎温度）のトレン
ドを示した図である。

【図５】バーナ燃焼診断用の指標（水蒸気吸光度）のト
レンドを示した図である。

【図６】図４及び図５と同じ火炎状態における火炎検出
用の指標（火炎温度）のトレンドを示した図である。

【図７】図４及び図５と同じ火炎状態における火炎検出
用の指標（水蒸気吸光度）のトレンドを示した図であ
る。

【図８】火炎点消火判定に用いる火炎検出信号（火炎温
度変動率）のトレンドを示した図である。

【図９】火炎点消火判定に用いる火炎検出信号（水蒸気
吸光度変動率）のトレンドを示した図である。

【図１０】従来のバーナ燃焼診断装置及び火炎検出器の
機能構成を示した図である。

【図１１】火炎のフリッカ（ちらつき）周波数特性の例
を示した図である。

【符号の説明】

１１分光分析部１２燃焼診断指標計算部１３火炎検出指標計算部１４火炎点消火判定部１６燃焼診断部１７ガイダンス出力部１８プラントデータデータベース

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バーナ火炎の発光を複数波長について分
光分析を行い、前記分光分析の結果から得られる所定の
複数波長の単色光強度の比率から火炎温度と燃焼生成ガ
スの赤外線ガス吸収・放射スベクトルとを燃焼診断指標
とするバーナ燃焼診断装置において、前記火炎発光の分光分析により得られる同時刻で分光分
析した所定の複数波長の単色光強度の比率から火炎温度
と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・放射スベクトルとを
燃焼診断指標として計算する燃焼診断指標計算部と、前記火炎発光の分光分析により得られる異なる時刻で分
光分析した所定の複数波長の単色光強度の比率から火炎
温度と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸収・放射スベクトル
とを火炎検出指標として計算する火炎検出指標計算部
と、前記火炎検出指標計算部で求められた火炎検出指標信号
と前記燃焼診断指標計算部で求めた燃焼診断指標信号の
比を算出して、火炎温度と燃焼生成ガスの赤外線ガス吸
収・放射スベクトルのそれぞれの変動率を求め、前記変
動率を予め設定したしきい値と比較することにより、バ
ーナ火炎の点火及び消火状態を判定するバーナ火炎点消
火判定部と、を備えたことを特徴とするバーナ燃焼診断
装置。
【請求項２】請求項１に記載のバーナ燃焼診断装置に
おいて、前記燃焼診断指標計算部からの燃焼診断指標信号と適正
燃焼状態時の基準値との比較によりバーナ火炎の適正ま
たは異常を診断する燃焼状態診断部を備えたことを特徴
とするバーナ燃焼診断装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載のバーナ燃焼診断
装置において、前記火炎検出指標とする際における分光分析の異なる時
刻の時間差は３〜４０ｍｓであることを特徴とするバー
ナ燃焼診断装置。