JP2001304982A - 音響式ガス温度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導波路内への堆積を検知する手段を設け、導
波路閉塞警報信号を発生させて被計測ガスの温度計測精
度の向上を図る。 【解決手段】 被計測ガス5中に音波を伝播させてその
伝播時間τを計測し被計測ガス5のガス温度計測値107を
演算する音響式ガス温度計測装置であって、少なくとも
ガス温度計測値107に基づき導波路伝播時間補償値（τ
_aa，τ_bb）211を予測する導波路伝播時間補償値予測手
段（導波路伝播時間補償値予測器）201と、導波路伝播
時間補償値予測手段201の出力211と導波路伝播時間補償
値の実測値221との差(偏差信号)212が予め閾値設定器20
3に定めた閾値を閾値検査器204により超える際に導波路
閉塞信号220を出力する導波路閉塞信号発生手段（導波
路内堆積検知器）200とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス中の音速を計
測し、ガス温度を求める装置に係り、特に、石炭焚きボ
イラ、石炭ガス化炉及びゴミ焼却装置などの高温で固体
粒子が同伴される被計測ガスに適用するのに好適な音響
式ガス温度計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、流路内を流れる高温ガスの温
度を連続的に計測する手段として、「ガス中の音速を利
用する方法」の実用化が進められている。音波がガス中
を伝播する速度、すなわち音速c(m/s)はガスの温度Ｔ
（Ｋ）により変化し、（数１）式で表わされる。

【０００３】 ｃ＝α√Ｔ ……（数１） ここで、αはガスの組成で決まる定数である。

【０００４】図２に示すように、一般にガス流の温度Ｔ
を計測する場合、高温の被計測ガスの流路を介して音波
発信器と音波受信器とを設置し、この間の音波の伝播時
間tを計測する。伝播経路長Ｌ（m）が既知であれば（数
１）式を変形して（数２）式が得られる。

【０００５】 Ｔ＝（ｃ／α）²＝（１／α・Ｌ／ｔ）² ……（数２） この方法を、ボイラ火炉などの高温ガス流の温度計測に
適用する場合について図３を参照しながら説明する。高
温の被測定ガス5の流路の一方の壁に開口部を設け、そ
こに発信用導波路3aを経由して第一の音波発信器1aを、
また発信用導波路3aのガス流路への開口部内に挿入した
受信用導波路4aを経由して第一の音波受信器2aを設置す
る。前記開口部とガス流路を介して対向する位置に第二
の開口部を設け、同様に発信用導波路3bを経由して第二
の音波発信器1bを、受信用導波路4bを経由して第二の音
波受信器2bを設置する。制御盤400は、第一，第二の音
波発信器1a，1bと音波発信器切替器10を経由して接続さ
れる。そして制御盤400には、コントローラ20、信号発
生器21、Ａ／Ｄ変換器22、デジタルフィルタ23、計測音
波検出器24、ガス温度演算器25及びメモリ26を内蔵して
いる。一般に音響センサの耐熱温度は数十℃であるた
め、100℃を越える高温ガスの温度を計測する場合は、
センサの保護のため、図３に示すように、音波発信器及
び音波受信器を導波路を経由してガス流路に接続し、セ
ンサを常温程度に保つ必要がある。具体的な計測手段を
以下に示す。

【０００６】まず、コントローラ20は、音波発信器切替
器10に制御信号を送り、第一の音波発信器1aを選択す
る。次にコントローラ20は、時刻ｔ₁に計測音波発信指
令100を出し、これを受けた信号発生器21は、計測信号
を生成して第一の音波発信器1aより送出させる。計測音
波は、発信用導波路3aを経由して被測定ガス5中に送出
され、相対する受信用導波路4bを経由して第二の音波受
信器2bに到達するとともに、第一の音波発信器1aと同じ
開口面に接続された受信用導波管4aを経由して、第一の
音波受信器2aにも到達する。

【０００７】Ａ／Ｄ変換器22は計測音波発信指令101を
受け、直ちに、もしくは一定時間後に第一，第二の音波
受信器2a，2bの受信波形102a，102bを予め定めるサンプ
ル周期でデジタルデータ列103a，103bに変換する。その
後、計測音波及び周辺雑音の性質（周波数、変調信号の
特性及び自己相関性など）を考慮したデジタルフィルタ
23を通して波形104a，104bが計測音波検出器24に入力さ
れる。受信波形102a，102bに含まれる雑音成分が計測音
波成分よりも十分に小さい場合はデジタルフィルタ23は
省略可能であるが、伝播経路上の減衰が大きく、また周
囲の騒音も大きい環境化においては信号／雑音比の改善
のため、種々のデジタルフィルタが使用される。図４に
受信波形102（103）及び計測音波検出器24への入力波形
104の例を示す。なお、雑音の特性に応じて、Ａ／Ｄ変
換器22の前に図示しないアナログフィルタを前置する場
合や、デジタルフィルタを使用せず、アナログフィルタ
のみで処理する場合もある。

【０００８】計測音波検出器24では、以下に示すいずれ
かの手段により入力波形より計測音波の到来時間ｔ₂を
検出する。 ａ）入力波形が予め定めた閾値を最初に超える時刻を計
測音波到来時刻ｔ₂とする。 ｂ）入力波形が最大値となる時刻を計測音波到来時刻ｔ
₂とする。 ｃ）入力波形のうち、予め定めた閾値を超える振幅を持
つ最初の極大点の時刻を音波到来時刻ｔ₂とする。 なお、いずれの場合も計算処理量の低減のため、検出範
囲を予め定めた時刻範囲（音波が到達する可能性がある
最も早い時刻と最も遅い時刻との間）に限定する場合が
ある。

【０００９】このようにして求めたｔ₂よりｔ_１を差し
引いて、伝播時間τ_ab，τ_aaを算出し、メモリ26に格納
する。ここで伝播時間τの第１の添字が音波発信器の添
字に、第２の添字が音波受信器の添字に対応する。すな
わち、τ_abは音波が第一の音波発信器1aより第二の音波
受信器2bに到達するまでの伝播時間を示し、τ_aaは第一
の音波発信器1aより第一の音波受信器2aに到達するまで
の伝播時間を示している。

【００１０】次に、コントローラ20は音波発信器切替器
10に制御信号を送り、第二の音波発信器1bを選択する。
以下、添字aと添字bを読替えた手順により伝播時間
τ_ba,τ_{b b}を求める。次に、ガス温度演算器25では以下
のようにして被計測ガス5のガス温度を算出する。

【００１１】これまでの説明で明らかなように、τ_aaは
音波が第一の音波発信器1aより導波路3a，4aを経由して
第一の音波受信器2aに伝播するのに要する時間であり、
同様にτ_bbは音波が第二の音波発信器1bより導波路3b，
4bを経由して第二の音波受信器2bに伝播するときに要す
る時間であることを考慮すると、被計測ガス中の音波伝
播時間τは（数３）式により求めることができる。

【００１２】 τ＝（τ_ab＋τ_ba−τ_aa−τ_bb）／２ ……（数３） このように、導波路を伝播する時間を補償することを
「導波路伝播時間補償」といい、τ_aa及びτ_bbを「導波
路伝播時間補償値」と称する。

【００１３】最後に、音波伝播時間τ及び被計測ガス5
中の伝播経路長Lsから、（数２）式により被計測ガス5
のガス温度107を算出する。

【００１４】このような音響式ガス温度計測装置は、
非接触輻射の影響を受けない、遅れが存在しない
（計測系に熱容量が介在しない）、伝播経路上の平均
温度を計測及び数秒間隔での連続計測が可能などの特
徴をもち、発電用大型ボイラなどの高温ガスの温度計測
への適用に好適である。

【００１５】ところで、石炭焚きボイラ、石炭ガス化炉
及びごみ焼却炉など、被計測ガス中に灰などの固体粒子
（以下単に灰と称す）が含まれる場合は、固体粒子が導
波路に堆積し、音波が導波路を伝播することが困難にな
る場合がある。これを防止するため、図３に示す従来技
術では、導波路内にパージガス噴出口6a，6bを設け、こ
れらのパージガス噴出口６6a，6bより常時噴出するパー
ジガスにより灰を除去しようとしていた。一例を挙げる
と、石炭焚きボイラでは、パージガスとして空気を使用
し、導波路あたり0.1m³N/minのパージガスを口径4mmの
噴出口より導波路内に噴出した。その流量は、噴出音に
より計測に支障を生じない最大の流量として実験的に定
めた。しかし、約一ヶ月間の運用により導波路への灰の
堆積を生じたため、音波発信器で発生した計測音波が効
率よく炉壁の開口面に到達しなくなり、安定した計測が
困難となった。さらにその状態で放置したところ、約三
ヶ月間の運用で導波路がほぼ完全に閉塞した。

【００１６】この状態で、パージガスを1.0m³N/minに増
加し30分放置したところ、導波路内に堆積した灰は完全
に除去され、パージガス量の不足が確認された。しかし
0.1m ³N/minを超える量のパージガスを供給すると、その
噴出音のため、音波受信器におけるS/N比が著しく低下
し、ガス温度計測に支障をきたす。このため、灰除去に
十分な流量のパージガスを導波路に供給することができ
ず、改善が求められていた。なお、灰の堆積量は燃焼す
る石炭の種類によっても変化し、0.1m³N/minのパージガ
ス量でもなんら支障をきたさない場合もあった。

【００１７】音響式ガス温度計測装置は、被計測ガスの
温度が、輻射による影響が無視できないような高温とな
る用途に多く用いられる。このような環境下では、導波
路内ガスも導波路壁を介して被計測ガスからの輻射熱を
受け、温度が上昇する。例えば、ある適用例では図５に
示すように、周囲温度が5℃で、被計測ガス温度が800℃
の時、導波路内の平均ガス温度は約200℃であった。

【００１８】堆積物は、被計測ガス流路より導波路に飛
来するため、図６に示すように導波路内の開口面に近い
部分に堆積する傾向にある。この場合、堆積物により、
被計測ガスからの輻射熱が遮られるため、導波路壁及び
導波路内ガスの温度上昇が抑制され、導波路内ガス温度
は20℃であった。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、導波路
内へ侵入する被計測ガス中の灰の堆積を防止するため、
導波路内にパージガスを常時噴出していた。パージガス
がパイプより広い空間に噴出する場合は一般に噴出音を
発生する。噴出音の強度は、噴出口の大きさ、形状及び
噴出するパージガスの流速で定まり、特にパージガスの
流速、すなわちパージガス量に対して正の相関を持つ。

【００２０】一方、受信信号中より計測音波を正確に検
出するため、音波受信器で受信した雑音を一定値以下に
抑制する必要性があるため、パージガス流量に対して制
約が生じ、十分な灰の堆積防止効果が得られず、計測精
度が低下する場合があるという問題があった。

【００２１】本発明の課題は、導波路内への堆積を検知
する手段を設け、導波路閉塞警報信号を発生させて被計
測ガスの温度計測精度の向上を図る音響式ガス温度計測
装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、本発明に係る音響式ガス温度計測装置は、被計測ガ
ス中に音波を伝播させてその伝播時間を計測し被計測ガ
スの温度計測値を演算する音響式ガス温度計測装置にお
いて、少なくとも温度計測値に基づき導波路伝播時間補
償値を予測する導波路伝播時間補償値予測手段と、導波
路伝播時間補償値予測手段の出力と導波路伝播時間補償
値の実測値との差が予め定めた閾値を超える際に導波路
閉塞信号を出力する導波路閉塞信号発生手段とを備えた
構成とする。

【００２３】そして導波路伝播時間補償値予測手段は、
プラント操作量に基づき導波路伝播時間補償値を予測す
るもの、又はプラント負荷指令値に基づき導波路伝播時
間補償値を予測するものである構成でもよい。

【００２４】すなわち前記課題は、導波路内への堆積を
検知する手段を設け、この手段により堆積が検知された
場合に、導波路閉塞信号により運転員に計測精度低下を
通知し清掃を促すことにより解決される。つまり、導波
路内のガス温度を監視することにより、導波路への堆積
物の有無を検知することが可能である。なお、堆積がな
いときの導波路内ガス温度は、輻射熱源である被計測ガ
ス温度により変化するが、本目的に使用するには、およ
その値が分かればよく、プラントの操作量、負荷指令な
どから予測される温度などで代用可能である。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図１に示
す。図1に示すように、被計測ガス5中に音波を伝播させ
てその伝播時間τを計測し被計測ガス5のガス温度計測
値107を演算する音響式ガス温度計測装置であって、少
なくともガス温度計測値107に基づき導波路伝播時間補
償値（τ_aa，τ_bb）211を予測する導波路伝播時間補償
値予測手段（導波路伝播時間補償値予測器）201と、導
波路伝播時間補償値予測手段201の出力211と導波路伝播
時間補償値の実測値221との差(偏差信号)212が予め閾値
設定器203に定めた閾値を閾値検査器204により超える際
に導波路閉塞信号220を出力する導波路閉塞信号発生手
段（導波路内堆積検知器）200とを備えた構成とする。
そして導波路伝播時間補償値予測手段201は、プラント
操作量に基づき導波路伝播時間補償値を予測するもの、
又はプラント負荷指令値に基づき導波路伝播時間補償値
を予測するものである構成でもよい。

【００２６】伝播時間（τ_ab，τ_ba，τ_aa，τ_bb）の計
測及び被計測ガス温度の算出は従来技術と同様に行う。
制御盤300に、導波路内ガス温度予知器201、減算器20
2、閾値設定器203及び閾値検査器204を内蔵した導波路
内堆積検知装置200が設けられている。導波路内ガス温
度を監視することで、導波路の堆積を検知することが可
能であるが、本実施の形態では、導波路内ガス温度より
（数２）式で変換され、かつ、従来技術ですでに測定さ
れている量である導波路伝播時間補償値（τ_aa,τ_bb）
を監視することとした。

【００２７】導波路伝播時間補償値予測器201は、計測
した被計測ガス温度107より、導波路に堆積がない場合
の導波路伝播時間補償値（τ_aa，τ_bb）を予測する。本
実施の形態では、試運転時にのさまざまなプラントの運
転条件における実績より、実験的に作成した予測式を採
用した。この導波路伝播時間補償値予測器の入力として
は、このほかに、プラントの負荷指令、燃料投入量など
の運転条件など、被計測ガス温度に相関性が高い信号で
代用する場合もある。

【００２８】つぎに本実施の形態の作用を説明する。減
算器202は、導波路伝播時間補償値予測値211と、メモリ
26とが保持している導波路伝播時間補償値（τ_aa，
τ_bb）より差し引き、偏差信号212を生成する。閾値検
査器204は、偏差信号212が閾値設定器203で示された偏
差閾値（許容値）を超える場合に、導波路閉塞警報信号
220を発生し、運転員に被測定ガス温度計測精度の低下
を通知し、導波路の清掃を促すことにより、被計測ガス
温度の計測精度を良好に保つことが可能となる。

【００２９】本実施の形態では、導波路内の堆積物の除
去は、運転員が実施することとしたが、パージガス量の
増加が可能（パージガス供給能力に余裕があり、かつ増
量がプラントの運転に支障を与えない）プラントであれ
ば、図示しないパージガス流量調節バルブを導波路閉塞
警報信号220により操作し、堆積物を自動的に除去する
場合もある。パージガス流量増加中は、前記のようにパ
ージガス噴出音により被計測ガス温度の計測精度が低下
するが、導波路閉塞警報信号220により精度低下が通知
されているため、需要先で、前回計測値を保持するなど
の対応処置がとれるため、支障をきたすことはない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、導波路内の堆積物の堆
積を検知することにより、後工程における誤判断を防止
できるとともに、自動装置又は運転員による清掃が可能
となり、被計測ガスの計測精度が向上されるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す構成図である。

【図２】ガス流の温度計測を説明する図である。

【図３】従来技術の信号処理の例を示す図である。

【図４】デジタルフィルタリングを説明する図である。

【図５】ガス流路より飛来する堆積物を説明する図であ
る。

【図６】ガス流路より飛来する堆積物を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１ 音波発信器 ２ 音波受信器 ３ 発信用導波路 ４ 受信用導波路 ５ 被計測ガス ６ パージガス噴出口 １０ 音波発信切替器 ２０ コントローラ ２１ 信号発生器 ２２ Ａ／Ｄ変換器 ２３ デジタルフィルタ ２４ 計測音波検出器 ２５ ガス温度演算器 ２６ メモリ １００ 計測音波発信指令 １０１ 計測音波発生指令 １０２ 音波受信器受信波形 １０５ 計測音波到来時刻 １０６ 導波路補正値 １０７ ガス温度計測値 ２００ 導波路内堆積検知装置 ２０１ 導波路内ガス温度予測器 ２０２ 減算器 ２０３ 閾値設定器 ２０４ 閾値検査器 ２２０ 導波路閉塞警報信号 ３００，４００ 制御盤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今田 典幸 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 Ｆターム(参考） 2F056 VS01 VS03 VS04 VS06 VS07 VS10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被計測ガス中に音波を伝播させてその伝
   播時間を計測し前記被計測ガスの温度計測値を演算する
   音響式ガス温度計測装置において、少なくとも前記温度
   計測値に基づき導波路伝播時間補償値を予測する導波路
   伝播時間補償値予測手段と、該導波路伝播時間補償値予
   測手段の出力と前記導波路伝播時間補償値の実測値との
   差が予め定めた閾値を超える際に導波路閉塞信号を出力
   する導波路閉塞信号発生手段とを備えたことを特徴とす
   る音響式ガス温度計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の音響式ガス温度計測装置
   において、前記導波路伝播時間補償値予測手段は、プラ
   ント操作量に基づき導波路伝播時間補償値を予測するも
   のであることを特徴とする音響式ガス温度計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の音響式ガス温度計測装置
   において、前記導波路伝播時間補償値予測手段は、プラ
   ント負荷指令値に基づき導波路伝播時間補償値を予測す
   るものであることを特徴とする音響式ガス温度計測装
   置。