【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン燃焼器や炉等の燃焼装置の火炎の有無（失火、着火）や燃焼振動状態を監視する燃焼監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービン燃焼器や炉などの燃焼装置の燃焼監視に用いられる火炎検出器としては、例えば紫外線光電管などを用いた光検出型火炎検出器やフレーム電流を検出するフレームロッド等がある。これらは、いずれも着火・失火の有無を検出するものであり、失火が検出された場合には、燃焼監視装置は燃焼装置への燃料の供給を停止するようにしている。
【０００３】
また、特開平８−９４０７３号公報に示されるように、ゆらぎ検出型火炎検出器により燃焼装置の運転時の火炎のパターンを検出し、その運転時の火炎のパターンと安定燃焼時の火炎パターンとの比較により燃焼診断を行い、異常燃焼の場合には燃料を停止するようにしたものも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、紫外線光電管などを用いた光検出型火炎検出器は高価であるとともに、スペース的に余裕がない箇所には設置が困難であり、ある領域にのみ視野が設定されているため、部分燃焼するなどして炎の位置が変動すると火炎を正常に検出できないことがある。
【０００５】
また、フレームロッドは安価でであるが、火炎の変動だけでなく、設置位置によってはフレーム電流を検出できないことがあり、高温域に晒すため寿命の観点からも問題点がある。
【０００６】
一方、近年は低ＮＯｘ（窒素酸化物）を図った予混合燃焼の採用により、燃焼装置は燃焼振動が発生し易い運転環境にある。燃焼装置における燃焼振動は機器の破損等の信頼性を損なう原因となっているが、特開平８−９４０７３号公報に示される火炎のパターンによる燃焼診断では燃焼の異常を知ることはできるが、燃焼振動を把握することができない。
【０００７】
燃焼振動の計測には圧力変動センサがあり、圧力変動センサには高温タイプと一般タイプとがある。燃焼振動の計測には振動発生箇所である火炎近傍にて直接計測する高温タイプが好ましいが、高温タイプは高価である。一方、一般タイプは火炎域から離れた箇所で減衰管を用いて計るため、煩雑な補正が必要となる問題点がある。
【０００８】
本発明の目的は、燃焼装置の燃焼振動状態を適正に検出でき、しかもコンパクトで安定した燃焼状態とすることができる燃焼監視装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る燃焼監視装置は、燃焼装置における火炎面の発光変動を検出する光プローブと、前記光プローブで検出された発光変動の光信号を電気信号に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子で変換された電気信号を増幅する増幅器と、前記増幅器で増幅された発光変動の電気信号を周波数解析して卓越周波数および変動レベルを求めその卓越周波数および変動レベルに基づいて燃焼振動状態を求める燃焼振動状態解析器とを備えたことを特徴とする燃焼監視装置。
【００１０】
請求項１の発明に係る燃焼監視装置においては、燃焼装置における火炎面の発光変動を光プローブで検出し、光プローブで検出された発光変動の光信号を光電変換素子で電気信号に変換する。そして、光電変換素子で変換された電気信号を増幅器で増幅し、増幅器で増幅された発光変動の電気信号を燃焼振動状態解析器に入力する。燃焼振動状態解析器では、周波数解析して卓越周波数および変動レベルを求め、その卓越周波数および変動レベルに基づいて燃焼振動状態を求める。これにより、燃焼振動状態を監視する。
【００１１】
請求項２の発明に係る燃焼監視装置は、請求項１の発明において、前記光プローブからの発光変動の光信号の強弱に基づいて前記燃焼装置の着火および失火の判定を行い、失火と判定したときは前記燃焼装置への燃料供給を停止する火炎検知処理部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項１の発明の作用に加え、火炎検知処理部は、光プローブからの発光変動の光信号の強弱に基づいて燃焼装置の着火および失火の判定を行う。そして、燃焼装置が失火であると判定したときは、燃焼装置への燃料供給を停止する。これにより、燃焼装置の保護が図れる。
【００１３】
請求項３の発明に係る燃焼監視装置は、請求項１または請求項２の発明において、前記燃焼装置の燃焼振動を低減させる燃焼振動低減操作装置と、前記燃焼振動状態解析器で求められた燃焼振動状態の燃焼振動レベルが許容値を超えたときは前記燃焼振動レベルが許容値以下になるように前記燃焼振動低減操作装置を操作する燃焼振動レベル判定部とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項１または請求項２の発明の作用に加え、燃焼振動レベル判定部は、燃焼振動状態解析器で求められた燃焼振動状態の燃焼振動レベルが許容値を超えたか否かを判定し、燃焼振動レベルが許容値を超えたときは、燃焼振動レベルが許容値以下になるように燃焼振動低減操作装置を操作する。これにより、燃焼装置を安定した燃焼状態とすることができる。
【００１５】
請求項４の発明に係る燃焼監視装置は、請求項３の発明において、前記燃焼振動低減操作装置は、前記燃焼装置に設けられた容積可変の共鳴器であることを特徴とする。
【００１６】
請求項４の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項３の発明の作用に加え、燃焼振動低減操作装置は、燃焼装置に設けられた容積可変の共鳴器であり、共鳴器の容積を変化させることにより、燃焼装置の燃焼振動レベルが許容値以下になるようにする。
【００１７】
請求項５の発明に係る燃焼監視装置は、請求項３の発明において、前記燃焼振動低減操作装置は、前記燃焼装置に供給する燃料を調節する燃料調節機構であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項３の発明の作用に加え、燃焼振動低減操作装置は、燃焼装置に供給する燃料を調節する燃料調節機構であり、燃料を調節することにより、燃焼装置の燃焼振動レベルが許容値以下になるようにする。
【００１９】
請求項６の発明に係る燃焼監視装置は、請求項３の発明において、前記燃焼振動低減操作装置は、前記燃焼装置に供給する空気量を調節する空気調節機構であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項３の発明の作用に加え、燃焼振動低減操作装置は、燃焼装置に供給する空気量を調節する空気調節機構であり、空気量を調節することにより、燃焼装置の燃焼振動レベルが許容値以下になるようにする。
【００２１】
請求項７の発明に係る燃焼監視装置は、請求項３の発明において、前記燃焼振動低減操作装置は、前記燃焼装置に供給する燃料流量を調節する燃料調節機構および前記燃焼装置に供給する空気量を調節する空気調節機構であることを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明に係る燃焼監視装置においては、請求項３の発明の作用に加え、燃焼振動低減操作装置は、燃焼装置に供給する燃料流量を調節する燃料調節機構および燃焼装置に供給する空気量を調節する空気調節機構であり、燃料流量および空気量の双方を調節することにより、燃焼装置の燃焼振動レベルが許容値以下になるようにする。
【００２３】
請求項８の発明に係る燃焼監視装置は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項の発明において、前記光プローブは、光ファイバを介して前記燃焼装置における火炎面の発光変動を検出することを特徴とする。
【００２４】
請求項８の発明に係る燃焼監視装置は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項の発明の作用に加え、光ファイバにより燃焼装置における火炎面を監視し、発光変動を光プローブに導く。これにより、光プローブを温度レベルが低い雰囲気に設置できるので、光プローブの信頼性および長寿命を図ることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。燃焼装置１１はバーナ部１２と燃焼管１３とから構成される。近年は低ＮＯｘ化を図るため、バーナ部１２はパイロット燃料（拡散燃料）との予混合気燃焼からなる予混合燃焼方式がよく用いられる。燃焼の安定には通常スワーラが用いられる。バーナ部１２には燃料供給管１９から燃料が供給され空気供給管２０から空気が供給される。
【００２６】
燃焼管１３には窓（或いは孔）が設けられ、光プローブ１４はその窓から燃焼管１３内の火炎の発光変動を検出する。この場合、光プローブ１４の視野が大きくなるように光プローブ１４は窓に配置され、火炎全体の発光変動が検出できるようにしている。
【００２７】
光プローブ１４に入射した火炎光は光電変換素子１５に入力され電気信号に変換される。光電変換素子１５としては、フォトダイオード、光導電素子、焦電素子等が用いられる。この場合、入射光に対する直線性に優れ、雑音が小さく、小型軽量で長寿命であるフォトダイオードを用いることが好ましい。
【００２８】
光電変換素子１５からの電気信号は増幅器１６により増幅され、燃焼振動状態解析器１７に入力される。燃焼振動状態解析器１７は、増幅器１６からの火炎の発光変動信号を周波数解析し、卓越周波数および変動レベルを求める。そして、火炎の発光変動信号の卓越周波数および変動レベルに基づいて、燃焼振動状態である燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルを求める。この燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルは出力装置１８に出力される。
【００２９】
ここで、発明者らは種々の試験を重ね、鋭意検討した結果、火炎の発光変動レベルと圧力変動レベル（燃焼振動レベル）との関係が事前に把握できることを知得した。そこで、事前に圧力変動センサで火炎の圧力変動信号を検出し、その圧力変動信号を周波数解析し、燃焼振動状態である燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルを求めて燃焼振動状態解析器１７に予め記憶しておく。
【００３０】
そして、光プローブ１４で検出し処理した火炎の発光変動信号を周波数解析し、火炎の発光変動信号の卓越周波数および変動レベルを求め、火炎の発光変動信号の卓越周波数および変動レベルと、予め用意された燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルとの相関関係から、燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルを求めるようにした。
【００３１】
図２は、圧力変動センサで検出された圧力変動信号Ｐ１および光プローブ１４で検出された発光変動信号Ｓ１の特性図であり、図２（ａ）は圧力変動センサで検出された圧力変動信号Ｐ１および光プローブ１４で検出された発光変動信号Ｓ１の波形図あり、図２（ｂ）は圧力変動信号Ｐ１の周波数解析特性Ｐ２および発光変動信号Ｓ１の周波数解析特性Ｓ２の特性図である。
【００３２】
図２（ａ）から分かるように、火炎の発光変動と圧力変動とは同位相で変動し、図２（ｂ）から分かるように、周波数解析した卓越周波数も対応していることが分かる。そこで、前述のように、光プローブ１４で火炎の発光変動信号を検出して周波数解析し、火炎の発光変動信号の卓越周波数および変動レベルと、予め用意された燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルとの相関関係から、燃焼振動卓越周波数および燃焼振動レベルを求める。
【００３３】
第１の実施の形態によれば、光プローブ１４で火炎の発光変動を検出し、その発光変動信号に基づいて燃焼振動状態を検出できるので、１種のセンサ（光プローブ１４）で数種の計測が可能となる。このことから、センサの設置箇所も少なくて済み、機器のコンパクト化やコストダウンが図れる。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、火炎検知処理部２１を追加して設け、火炎検知処理部２１は光プローブ１４からの発光変動の光信号の強弱に基づいて燃焼装置１１の着火および失火の判定を行い、失火と判定したときは燃料止め弁２２を全閉し燃焼装置１１への燃料供給を停止するようにしたものである。また、着火や失火であることは表示装置２３に出力され、失火であるときには警報出力とする。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００３５】
図３において、火炎検知処理部２１は、燃料止め弁が２２が開いている状態で燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが所定値未満であるときは失火であると判定する。失火であると判定したときは、表示装置２３にその旨を警報表示すると共に必要に応じて警報器に警報出力する。一方、燃料止め弁が２２が開いている状態で燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが所定値以上であるときは、着火の状態であると判定し表示装置２３にその旨を表示出力する。
【００３６】
以上の説明では、燃焼振動状態解析器１７で周波数解析された燃焼振動レベルにより着火または失火の判定をするようにしたが、増幅器１６から得られた発光変動信号Ｓ１に基づいて着火または失火の判定をするようにしても良い。すなわち、火炎の有無は光プローブ１４からの火炎の発光変動信号の変動レベルの強弱によって判断する。
【００３７】
このように、火炎検知処理部２１は、光プローブ１４からの発光振変動号の変動レベルの強弱に基づいて着火または失火の判定を行い、失火と判定した場合には燃料止め弁２２を全閉にするとともに、失火の警報を出力する。
【００３８】
第２の実施の形態によれば、圧力検出センサを設けなくとも燃焼振動（振動レベルおよび卓越周波数）を監視することが可能となり、また、火炎検出器を設けなくても着火や失火の監視が可能となる。失火が検知された場合は燃料の供給停止を行うので、燃焼装置を安全に運転できる。
【００３９】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図４は本発明の第３の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、燃焼装置１１の燃焼振動を低減させる燃焼振動低減操作装置２４と、燃焼振動低減操作装置２４を操作する燃焼振動レベル判定部２５とを追加して設けたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４０】
図４において、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で求められた燃焼振動状態の燃焼振動レベルが許容値を超えたときは、その燃焼振動レベルが許容値以下になるように、燃焼振動低減操作装置２４を操作する。燃焼振動低減操作装置２４は、燃焼装置１５に取り付けられた共鳴器２７および共鳴器２７の容積を可変とするためのピストン駆動モータ２７から構成されている。
【００４１】
すなわち、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルに応じて、その燃焼振動レベルが許容値以下になるように、共鳴器１２の容積をピストン駆動モータ２７によりを操作する。
【００４２】
図４では、燃焼振動低減操作装置２４は１個の共鳴器２６で構成された場合を示しているが、複数個の共鳴器２６を設けるようにしても良い。また、燃焼振動レベル判定部２５は、振動レベルが許容レベルを超えた場合には（あるいは超えそうな場合には）、図示省略の警報器に警報を出力するようにしても良い。
【００４３】
第３の実施の形態によれば、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが設定値を超えた場合には、燃焼振動低減操作装置２４を操作し、振動レベルが許容レベルになるようにするので、燃焼振動による機器への悪影響を抑制できる。また、燃焼振動低減操作装置２４として、共鳴器４を用いる場合には、燃焼装置１１の卓越周波数に対応するように共鳴器２６の容積を設定すればよいことから、振動低減の制御は比較的容易に行える。
【００４４】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図５は本発明の第４の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図４に示した第３の実施の形態に対し、燃焼振動低減操作装置２４として、共鳴器２６に代えて、燃料調節機構２８を用いるようにしたものである。図４に示した第３の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００４５】
図５において、燃焼器１１に燃料を供給する燃料供給管１９には燃料を調節するための燃料調節機構２８が設けられている。そこで、この燃料調節機構２８を燃焼振動低減操作装置２４として用いる。
【００４６】
燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルに応じて、その燃焼振動レベルが許容値以下になるように、燃焼振動低減操作装置２４である燃料調節機構２８を操作し燃料流量を調節する。この場合、燃料流量の調節は、予め燃料流量の変化に対応した燃焼振動レベルを測定しておき、その相関関係により燃料流量を調節することになる。
【００４７】
また、燃料流量の調節に代えて、パイロット燃料と予混合燃料との燃料配分を調節したり、燃料供給位相を燃焼振動位相と逆になるように調節するようにしても良い。
【００４８】
第４の実施の形態によれば、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが設定値を超えた場合には、燃焼振動低減操作装置２４である燃料調節機構２８を調節し、振動レベルが許容レベルになるようにするので、燃焼振動による機器への悪影響を抑制できる。
【００４９】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図６は本発明の第５の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第５の実施の形態は、図４に示した第３の実施の形態に対し、燃焼振動低減操作装置２４として、共鳴器２６に代えて、空気調節機構２９を用いるようにしたものである。図４に示した第３の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５０】
図６において、燃焼器１１に空気を供給する空気供給管２０には燃料流量を調節するための空気調節機構２９が設けられている。そこで、この空気調節機構２９を燃焼振動低減操作装置２４として用いる。
【００５１】
燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルに応じて、その燃焼振動レベルが許容値以下になるように、燃焼振動低減操作装置２４である空気調節機構２９を操作し空気流量を調節する。この場合、空気流量の調節は、予め空気流量の変化に対応した燃焼振動レベルを測定しておき、その相関関係により空気流量を調節することになる。
【００５２】
第５の実施の形態によれば、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが設定値を超えた場合には、燃焼振動低減操作装置２４である空気調節機構２９を調節し、振動レベルが許容レベルになるようにするので、燃焼振動による機器への悪影響を抑制できる。
【００５３】
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図７は本発明の第６の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第６の実施の形態は、図４に示した第３の実施の形態に対し、燃焼振動低減操作装置２４として、共鳴器２６に代えて、燃料調節機構２８および空気調節機構２９を用いるようにしたものである。図４に示した第３の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５４】
図７において、燃焼器１１に燃料を供給する燃料供給管１９には燃料を調節するための燃料調節機構２８が設けられ、また、燃焼器１１に空気を供給する空気供給管２０には燃料流量を調節するための空気調節機構２９が設けられている。そこで、これら燃料調節機構２８および空気調節機構２９を燃焼振動低減操作装置２４として用いる。
【００５５】
燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルに応じて、その燃焼振動レベルが許容値以下になるように、燃焼振動低減操作装置２４である燃料調節機構２８および空気調節機構２９を操作し燃料流量および空気流量を調節する。この場合においても、燃料流量の調節については、予め燃料流量の変化に対応した燃焼振動レベルを測定しておき、その相関関係により燃料流量を調節することになる。同様に、空気流量の調節については、予め空気流量の変化に対応した燃焼振動レベルを測定しておき、その相関関係により空気流量を調節することになる。
【００５６】
第６の実施の形態によれば、燃焼振動レベル判定部２５は、燃焼振動状態解析器１７で得られた燃焼振動レベルが設定値を超えた場合には、燃焼振動低減操作装置２４である燃料調節機構２８および空気調節機構２９を調節し、振動レベルが許容レベルになるようにするので、燃焼振動による機器への悪影響を抑制できる。
【００５７】
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。図８は本発明の第７の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図である。この第７の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、光プローブ１４に光ファイバ３０を設け、光プローブ１４は、光ファイバ３０を介して燃焼装置１１における火炎面の発光変動を検出するようにしたものである。図１に示した第１の実施の形態と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００５８】
図８において、燃焼装置１１における燃焼管１３の管壁に小さい孔（あるいは隙間）を設け、その小孔に光ファイバ３０を取り付ける。そして、燃焼管１３内の火炎の発光変動を光プローブ１４に導く。従って、光プローブ１４は年量感１３から離れた位置に配置できるので、光プローブ１４の使用雰囲気の温度レベル下げることができる。これにより、光プローブ１４への熱の影響を軽減でき、信頼性および長寿命を図ることができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上述べたように発明によれば、光プローブで火炎の発光変動を検出し、その発光変動信号に基づいて燃焼振動状態や着火および失火を監視するので、１種のセンサで数種の計測が可能となる。このことから、センサの設置箇所も少なくて済み、機器のコンパクト化やコストダウンが図れる。また、燃焼振動レベルを軽減するための操作を行うので、燃料振動レベルの低減も図れ、常に安定した燃焼運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図２】圧力変動センサで検出された圧力変動信号および光プローブで検出された発光変動信号の特性図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図６】本発明の第５の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図７】本発明の第６の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【図８】本発明の第７の実施の形態に係る燃焼監視装置の構成図。
【符号の説明】
１１…燃焼装置、１２…バーナ部、１３…燃焼管、１４…光プローブ、１５…光電変換素子、１６…増幅器、１７…燃焼振動状態解析器、１８…出力装置、１９…燃料供給管、２０…空気供給管、２１…火炎検知処理部、２２…燃料止め弁、２３…表示装置、２４…燃焼振動低減操作装置、２５…燃焼振動レベル判定部、２６…共鳴器、２７…ピストン駆動モータ、２８…燃料調節機構、２９…空気調節機構、３０…光ファイバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combustion monitoring device that monitors the presence or absence of a flame (misfire, ignition) and a combustion oscillation state of a combustion device such as a gas turbine combustor or a furnace.
[0002]
[Prior art]
As a flame detector used for monitoring combustion of a combustion device such as a gas turbine combustor or a furnace, for example, there are a light detection type flame detector using an ultraviolet photoelectric tube and the like, and a frame rod for detecting a flame current. These all detect the presence or absence of ignition or misfire, and when a misfire is detected, the combustion monitoring device stops supplying fuel to the combustion device.
[0003]
Further, as disclosed in JP-A-8-94073, a flame pattern during operation of a combustion device is detected by a fluctuation detection type flame detector, and a flame pattern during the operation and a flame pattern during stable combustion are detected. A combustion diagnosis has been proposed in which a combustion diagnosis is performed by comparing the above, and in the case of abnormal combustion, the fuel is stopped.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, a light detection type flame detector using an ultraviolet photoelectric tube or the like is expensive, and it is difficult to install it in a place where there is not enough space, and since a view is set only in a certain area, partial combustion occurs. If the position of the flame fluctuates, the flame may not be detected normally.
[0005]
Further, although the frame rod is inexpensive, the flame current may not be detected depending on the installation position as well as the fluctuation of the flame, and the frame rod is exposed to a high temperature range, and thus has a problem from the viewpoint of life.
[0006]
On the other hand, in recent years, the use of premixed combustion aimed at low NOx (nitrogen oxide) has brought the combustion apparatus into an operating environment in which combustion oscillation is likely to occur. Combustion oscillations in the combustion apparatus cause damage to the equipment, such as breakage, which impairs reliability. In the combustion diagnosis based on the flame pattern disclosed in JP-A-8-94073, abnormal combustion can be detected. The vibration cannot be grasped.
[0007]
There is a pressure fluctuation sensor for measuring combustion vibration, and there are a high temperature type and a general type of pressure fluctuation sensor. For measurement of combustion vibration, a high-temperature type in which measurement is directly performed in the vicinity of a flame where vibration occurs is preferable, but a high-temperature type is expensive. On the other hand, the general type has a problem that a complicated correction is required because the measurement is performed using a damping tube at a place away from the flame region.
[0008]
An object of the present invention is to provide a combustion monitoring device capable of properly detecting a combustion oscillation state of a combustion device and achieving a compact and stable combustion state.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A combustion monitoring device according to the first aspect of the present invention includes an optical probe that detects light emission fluctuation of a flame surface in a combustion device, a photoelectric conversion element that converts an optical signal of light emission fluctuation detected by the optical probe into an electric signal, An amplifier for amplifying the electric signal converted by the photoelectric conversion element, and a frequency analysis of the electric signal of the light emission fluctuation amplified by the amplifier to obtain a dominant frequency and a fluctuation level, and a combustion oscillation based on the dominant frequency and the fluctuation level. A combustion monitoring device comprising: a combustion vibration state analyzer for obtaining a state.
[0010]
In the combustion monitoring device according to the first aspect of the present invention, light emission fluctuation of the flame surface in the combustion device is detected by an optical probe, and an optical signal of the light emission fluctuation detected by the optical probe is converted into an electric signal by a photoelectric conversion element. Then, the electric signal converted by the photoelectric conversion element is amplified by the amplifier, and the light emission fluctuation electric signal amplified by the amplifier is input to the combustion vibration state analyzer. The combustion vibration state analyzer obtains a dominant frequency and a fluctuation level by performing frequency analysis, and obtains a combustion vibration state based on the dominant frequency and the fluctuation level. Thereby, the combustion oscillation state is monitored.
[0011]
A combustion monitoring device according to a second aspect of the present invention is the ignition monitoring device according to the first aspect of the present invention, wherein the ignition and misfire of the combustion device are determined based on the intensity of the light signal of the light emission fluctuation from the optical probe, and the misfire is determined. A flame detection processing unit for stopping the supply of fuel to the combustion device at the time.
[0012]
In the combustion monitoring device according to the second aspect of the present invention, in addition to the operation of the first aspect of the invention, the flame detection processing unit determines whether ignition or misfire of the combustion device has occurred based on the intensity of the light signal of the light emission fluctuation from the optical probe. Make a decision. When it is determined that the combustion device has misfired, the supply of fuel to the combustion device is stopped. Thereby, protection of the combustion device can be achieved.
[0013]
A combustion monitoring device according to a third aspect of the present invention is the combustion monitoring device according to the first or second aspect, wherein the combustion vibration reducing operation device for reducing the combustion vibration of the combustion device, and the combustion determined by the combustion vibration state analyzer. A combustion vibration level determining unit that operates the combustion vibration reduction operation device such that when the combustion vibration level in the vibration state exceeds an allowable value, the combustion vibration level becomes equal to or less than the allowable value.
[0014]
In the combustion monitoring device according to the third aspect of the present invention, in addition to the operation of the first or second aspect of the present invention, the combustion vibration level determining section may determine the combustion vibration level of the combustion vibration state obtained by the combustion vibration state analyzer. It is determined whether or not exceeds the allowable value, and when the combustion vibration level exceeds the allowable value, the combustion vibration reducing operation device is operated so that the combustion vibration level becomes equal to or less than the allowable value. Thereby, the combustion device can be brought into a stable combustion state.
[0015]
A combustion monitoring device according to a fourth aspect of the present invention is the combustion monitoring device according to the third aspect, wherein the combustion vibration reduction operation device is a variable displacement resonator provided in the combustion device.
[0016]
In the combustion monitoring device according to a fourth aspect of the present invention, in addition to the operation of the third aspect, the combustion vibration reduction operation device is a variable-volume resonator provided in the combustion device, and changes the volume of the resonator. By doing so, the combustion vibration level of the combustion device is set to be equal to or less than the allowable value.
[0017]
According to a fifth aspect of the present invention, in the combustion monitoring device according to the third aspect, the combustion vibration reduction operation device is a fuel adjustment mechanism that adjusts fuel supplied to the combustion device.
[0018]
In the combustion monitoring device according to a fifth aspect of the present invention, in addition to the function of the third aspect of the present invention, the combustion vibration reduction operating device is a fuel adjusting mechanism for adjusting the fuel supplied to the combustion device. Thereby, the combustion vibration level of the combustion device is set to be equal to or less than the allowable value.
[0019]
According to a sixth aspect of the present invention, in the combustion monitoring device according to the third aspect, the combustion vibration reduction operating device is an air adjusting mechanism for adjusting an amount of air supplied to the combustion device.
[0020]
In the combustion monitoring device according to the sixth aspect of the present invention, in addition to the function of the third aspect of the present invention, the combustion vibration reducing operation device is an air adjusting mechanism for adjusting the amount of air supplied to the combustion device, and adjusts the amount of air. By doing so, the combustion oscillation level of the combustion device is set to be equal to or less than the allowable value.
[0021]
According to a seventh aspect of the present invention, in the combustion monitoring device according to the third aspect of the present invention, the combustion vibration reducing operation device includes a fuel adjustment mechanism for adjusting a flow rate of fuel supplied to the combustion device, and an air amount supplied to the combustion device. It is an air adjusting mechanism for adjusting the air pressure.
[0022]
In the combustion monitoring device according to a seventh aspect of the present invention, in addition to the function of the third aspect of the present invention, the combustion vibration reduction operation device includes a fuel adjustment mechanism for adjusting a flow rate of fuel supplied to the combustion device and air supplied to the combustion device. An air adjustment mechanism that adjusts the amount of fuel, and adjusts both the fuel flow rate and the air amount so that the combustion vibration level of the combustion device becomes equal to or less than an allowable value.
[0023]
According to an eighth aspect of the present invention, in the combustion monitoring device according to any one of the first to seventh aspects, the optical probe detects a light emission variation of a flame surface in the combustion device via an optical fiber. It is characterized by the following.
[0024]
According to an eighth aspect of the present invention, in addition to the operation of the first aspect of the present invention, the combustion monitoring apparatus according to any one of the first to seventh aspects monitors a flame surface in the combustion apparatus with an optical fiber and guides light emission fluctuation to an optical probe. . Thus, the optical probe can be installed in an atmosphere having a low temperature level, so that the reliability and long life of the optical probe can be achieved.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a first embodiment of the present invention. The combustion device 11 includes a burner section 12 and a combustion tube 13. In recent years, in order to reduce NOx, a premixed combustion system in which the burner section 12 includes premixed gas combustion with a pilot fuel (diffused fuel) is often used. A swirler is usually used for stabilizing combustion. Fuel is supplied to the burner section 12 from a fuel supply pipe 19 and air is supplied from an air supply pipe 20.
[0026]
The combustion tube 13 is provided with a window (or a hole), and the optical probe 14 detects a light emission fluctuation of the flame in the combustion tube 13 from the window. In this case, the optical probe 14 is arranged in a window so that the field of view of the optical probe 14 is large, so that the light emission fluctuation of the entire flame can be detected.
[0027]
The flame light incident on the optical probe 14 is input to the photoelectric conversion element 15 and is converted into an electric signal. As the photoelectric conversion element 15, a photodiode, a photoconductive element, a pyroelectric element, or the like is used. In this case, it is preferable to use a photodiode which has excellent linearity with respect to incident light, low noise, small size, light weight, and long life.
[0028]
The electric signal from the photoelectric conversion element 15 is amplified by the amplifier 16 and input to the combustion vibration state analyzer 17. The combustion vibration state analyzer 17 analyzes the frequency of the flame emission fluctuation signal from the amplifier 16 and obtains the dominant frequency and the fluctuation level. Then, based on the prevailing frequency and the fluctuation level of the light emission fluctuation signal of the flame, the combustion vibration prevailing frequency and the combustion vibration level in the combustion vibration state are obtained. The combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level are output to the output device 18.
[0029]
Here, the present inventors have repeatedly conducted various tests and conducted intensive studies, and as a result, have found that the relationship between the light emission fluctuation level of the flame and the pressure fluctuation level (combustion vibration level) can be grasped in advance. Therefore, the pressure fluctuation signal of the flame is detected in advance by the pressure fluctuation sensor, the pressure fluctuation signal is frequency-analyzed, and the combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level, which are the combustion vibration state, are obtained, and the combustion vibration state analyzer 17 in advance. Remember.
[0030]
Then, the frequency of the flame emission fluctuation signal detected and processed by the optical probe 14 is analyzed to determine the predominant frequency and the fluctuation level of the flame emission fluctuation signal, and the predominant frequency and the fluctuation level of the flame emission fluctuation signal are prepared in advance. From the correlation between the combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level, the combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level were determined.
[0031]
FIG. 2 is a characteristic diagram of the pressure fluctuation signal P1 detected by the pressure fluctuation sensor and the light emission fluctuation signal S1 detected by the optical probe 14, and FIG. 2A shows the pressure fluctuation signal P1 detected by the pressure fluctuation sensor. FIG. 2B is a characteristic diagram of a frequency analysis characteristic P2 of the pressure fluctuation signal P1 and a frequency analysis characteristic S2 of the light emission fluctuation signal S1.
[0032]
As can be seen from FIG. 2 (a), the flame emission fluctuation and the pressure fluctuation fluctuate in phase, and as can be seen from FIG. 2 (b), the dominant frequency subjected to frequency analysis also corresponds. Therefore, as described above, the light emission fluctuation signal of the flame is detected and frequency-analyzed by the optical probe 14, and the dominant frequency and the fluctuation level of the light emission fluctuation signal of the flame, the combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level prepared in advance, and From the correlation, the combustion vibration dominant frequency and the combustion vibration level are obtained.
[0033]
According to the first embodiment, the light emission fluctuation of the flame can be detected by the optical probe 14 and the combustion vibration state can be detected based on the light emission fluctuation signal. Therefore, several types of sensors (optical probe 14) can be used. Measurement becomes possible. Therefore, the number of installation points of the sensor is small, and the size and cost of the device can be reduced.
[0034]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, a flame detection processing unit 21 is additionally provided to the first embodiment shown in FIG. The ignition and misfire of the combustion device 11 are determined based on the strength of the combustion device 11. When the misfire is determined, the fuel stop valve 22 is fully closed to stop the fuel supply to the combustion device 11. Further, the fact that ignition or misfire has occurred is output to the display device 23, and if misfire has occurred, an alarm output is output. The same elements as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0035]
In FIG. 3, the flame detection processing unit 21 determines that a misfire has occurred when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 is less than a predetermined value while the fuel stop valve 22 is open. When it is determined that a misfire has occurred, an alarm is displayed on the display device 23 and an alarm is output to an alarm device as necessary. On the other hand, when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 is greater than or equal to a predetermined value while the fuel stop valve 22 is open, it is determined that ignition has occurred, and the display device 23 indicates that. Display output.
[0036]
In the above description, the ignition or misfire is determined based on the combustion vibration level frequency-analyzed by the combustion vibration state analyzer 17, but the ignition or misfire is determined based on the light emission fluctuation signal S1 obtained from the amplifier 16. You may make it. That is, the presence / absence of the flame is determined based on the level of the fluctuation level of the light emission fluctuation signal of the flame from the optical probe 14.
[0037]
As described above, the flame detection processing section 21 determines whether ignition or misfire has occurred based on the level of the fluctuation level of the light emission fluctuation from the optical probe 14, and when it is determined that misfire has occurred, closes the fuel stop valve 22 fully. And an alarm for misfire is output.
[0038]
According to the second embodiment, it is possible to monitor combustion vibration (vibration level and dominant frequency) without providing a pressure detection sensor, and to monitor ignition and misfire without providing a flame detector. It becomes possible. If misfire is detected, the supply of fuel is stopped, so that the combustion device can be operated safely.
[0039]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a third embodiment of the present invention. This third embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 in that a combustion vibration reducing operation device 24 for reducing the combustion vibration of the combustion device 11 and a combustion operation for operating the combustion vibration reducing operation device 24 are provided. The vibration level determining unit 25 is additionally provided. The same elements as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0040]
In FIG. 4, when the combustion vibration level in the combustion vibration state obtained by the combustion vibration state analyzer 17 exceeds the allowable value, the combustion vibration level determination unit 25 sets the combustion vibration level to be equal to or less than the allowable value. Then, the combustion vibration reduction operation device 24 is operated. The combustion vibration reducing operation device 24 includes a resonator 27 attached to the combustion device 15 and a piston drive motor 27 for making the volume of the resonator 27 variable.
[0041]
That is, the combustion vibration level determination unit 25 adjusts the volume of the resonator 12 according to the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 so that the combustion vibration level becomes equal to or less than an allowable value. Operate by
[0042]
FIG. 4 shows a case where the combustion vibration reduction operating device 24 is configured with one resonator 26, but a plurality of resonators 26 may be provided. When the vibration level exceeds (or is about to exceed) the allowable level, the combustion vibration level determination unit 25 may output an alarm to an alarm (not shown).
[0043]
According to the third embodiment, when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 exceeds the set value, the combustion vibration level determination unit 25 operates the combustion vibration reduction operation device 24. In addition, since the vibration level is set to an allowable level, it is possible to suppress the adverse effect on the device due to the combustion vibration. When the resonator 4 is used as the combustion vibration reduction operation device 24, the volume of the resonator 26 may be set so as to correspond to the dominant frequency of the combustion device 11, so that the control of the vibration reduction is relatively easy. Easy to do.
[0044]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a fourth embodiment of the present invention. The fourth embodiment differs from the third embodiment shown in FIG. 4 in that a fuel adjustment mechanism 28 is used as the combustion vibration reduction operating device 24 instead of the resonator 26. . The same elements as those of the third embodiment shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0045]
In FIG. 5, a fuel supply pipe 19 for supplying fuel to the combustor 11 is provided with a fuel adjusting mechanism 28 for adjusting fuel. Therefore, the fuel adjustment mechanism 28 is used as the combustion vibration reduction operation device 24.
[0046]
The combustion vibration level judging section 25 determines a fuel adjustment mechanism 28 as the combustion vibration reduction operation device 24 in accordance with the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 so that the combustion vibration level becomes an allowable value or less. To adjust the fuel flow. In this case, to adjust the fuel flow rate, a combustion vibration level corresponding to a change in the fuel flow rate is measured in advance, and the fuel flow rate is adjusted based on the correlation.
[0047]
Instead of adjusting the fuel flow rate, the fuel distribution between the pilot fuel and the premixed fuel may be adjusted, or the fuel supply phase may be adjusted to be opposite to the combustion oscillation phase.
[0048]
According to the fourth embodiment, when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 exceeds the set value, the combustion vibration level determination unit 25 determines whether the fuel Since the adjusting mechanism 28 is adjusted so that the vibration level becomes an allowable level, it is possible to suppress adverse effects on the equipment due to combustion vibration.
[0049]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a fifth embodiment of the present invention. The fifth embodiment is different from the third embodiment shown in FIG. 4 in that an air adjusting mechanism 29 is used as the combustion vibration reducing operation device 24 instead of the resonator 26. . The same elements as those of the third embodiment shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0050]
In FIG. 6, an air supply pipe 20 that supplies air to the combustor 11 is provided with an air adjustment mechanism 29 for adjusting a fuel flow rate. Therefore, the air adjustment mechanism 29 is used as the combustion vibration reduction operation device 24.
[0051]
The combustion vibration level judging section 25 controls the air adjusting mechanism 29 as the combustion vibration reduction operation device 24 in accordance with the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 so that the combustion vibration level becomes an allowable value or less. To adjust the air flow. In this case, to adjust the air flow rate, a combustion vibration level corresponding to a change in the air flow rate is measured in advance, and the air flow rate is adjusted based on the correlation.
[0052]
According to the fifth embodiment, when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 exceeds the set value, the combustion vibration level determination unit 25 determines whether the air having the combustion vibration Since the adjusting mechanism 29 is adjusted so that the vibration level becomes an allowable level, it is possible to suppress the adverse effect on the device due to the combustion vibration.
[0053]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a sixth embodiment of the present invention. The sixth embodiment is different from the third embodiment shown in FIG. 4 in that a fuel adjustment mechanism 28 and an air adjustment mechanism 29 are used instead of the resonator 26 as the combustion vibration reduction operation device 24. It was made. The same elements as those of the third embodiment shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0054]
In FIG. 7, a fuel supply pipe 19 for supplying fuel to the combustor 11 is provided with a fuel adjusting mechanism 28 for adjusting fuel, and an air supply pipe 20 for supplying air to the combustor 11 has a fuel flow rate. An air adjusting mechanism 29 for adjusting the air pressure is provided. Therefore, the fuel adjustment mechanism 28 and the air adjustment mechanism 29 are used as the combustion vibration reduction operation device 24.
[0055]
The combustion vibration level judging section 25 determines a fuel adjustment mechanism 28 as the combustion vibration reduction operation device 24 in accordance with the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 so that the combustion vibration level becomes an allowable value or less. By operating the air adjusting mechanism 29, the fuel flow rate and the air flow rate are adjusted. Also in this case, for adjusting the fuel flow rate, the combustion vibration level corresponding to the change in the fuel flow rate is measured in advance, and the fuel flow rate is adjusted based on the correlation. Similarly, for adjusting the air flow rate, a combustion vibration level corresponding to a change in the air flow rate is measured in advance, and the air flow rate is adjusted based on the correlation.
[0056]
According to the sixth embodiment, when the combustion vibration level obtained by the combustion vibration state analyzer 17 exceeds the set value, the combustion vibration level determination unit 25 determines whether the fuel Since the adjusting mechanism 28 and the air adjusting mechanism 29 are adjusted so that the vibration level becomes an allowable level, it is possible to suppress the adverse effect on the equipment due to the combustion vibration.
[0057]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a seventh embodiment of the present invention. The seventh embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that an optical fiber 30 is provided on the optical probe 14, and the optical probe 14 is connected to the flame surface of the combustion device 11 via the optical fiber 30. The light emission fluctuation is detected. The same elements as those in the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[0058]
In FIG. 8, a small hole (or gap) is provided in the wall of the combustion tube 13 in the combustion device 11, and the optical fiber 30 is attached to the small hole. Then, the light emission fluctuation of the flame in the combustion tube 13 is guided to the optical probe 14. Therefore, since the optical probe 14 can be disposed at a position away from the sense of age 13, the temperature level of the atmosphere in which the optical probe 14 is used can be reduced. Thus, the influence of heat on the optical probe 14 can be reduced, and reliability and long life can be achieved.
[0059]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the light emission fluctuation of the flame is detected by the optical probe, and the combustion oscillation state and the ignition and misfire are monitored based on the light emission fluctuation signal. It becomes possible. Therefore, the number of installation points of the sensor is small, and the size and cost of the device can be reduced. In addition, since the operation for reducing the combustion vibration level is performed, the fuel vibration level can be reduced, and the stable combustion operation can be always performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of a pressure fluctuation signal detected by a pressure fluctuation sensor and a light emission fluctuation signal detected by an optical probe.
FIG. 3 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a combustion monitoring device according to a seventh embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Combustion apparatus, 12 ... Burner part, 13 ... Combustion pipe, 14 ... Optical probe, 15 ... Photoelectric conversion element, 16 ... Amplifier, 17 ... Combustion vibration state analyzer, 18 ... Output device, 19 ... Fuel supply pipe, 20 ... air supply pipe, 21 ... flame detection processing unit, 22 ... fuel stop valve, 23 ... display device, 24 ... combustion vibration reduction operation device, 25 ... combustion vibration level determination unit, 26 ... resonator, 27 ... piston drive motor, 28: fuel adjusting mechanism, 29: air adjusting mechanism, 30: optical fiber
