JP2012514730A - 燃焼加熱器運転を制御するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

燃焼装置の運転を制御することにより、ＮＯｘ排出を低減しながら安全且つ確実な運転を提供する方法であって、これは、燃焼装置における火炎に対して燃料及び希釈剤のフローを所定の体積比で提供すること；火炎の特性の計測値を生成する火炎安定性センサを提供し、燃料及び希釈剤の各々についてのフロー計測値を提供し、及び火炎安定性センサからの計測値及び／又はフロー計測値を使用して燃料：希釈剤の所定の体積比を制御することを含む。この方法を組み込む燃焼システムもまた含まれる。

Description

本発明は、燃料ガスを使用する燃焼加熱器においてＮＯｘ排出を安全且つ確実に低減するための方法及びシステムに関する。特に、本発明は、ＮＯｘ排出を低減しながら安全且つ確実な運転を提供する燃焼加熱器の制御に関する。

化学処理並びに石油化学生産及び精製（又は石油精製）のオペレーション（運転又は操作）における燃焼装置は、主要なＮＯｘ排出源である。断熱火炎温度の低減が、ＮＯｘ排出を低減する一つの方法である。空気／燃料比の増加及び火炎に対する火炎希釈剤の導入などの、火炎温度を低減する試みは、危険な運転状態（例えば、燃焼装置に未使用燃料が充満するなど）を引き起こす可能性のある不安定火炎、火炎消失、又は火炎のブローアウトにつながり得る。

火炎安定性又は不安定性センサが開発されており、燃焼システム制御システムにおけるその使用が提案されている。空気流量を増加させて燃焼装置の燃料希薄運転を提供することもまた、提案されている。しかしながら、火炎温度の低減を空気のみに頼ることは、それ自体が内包する課題を提起する。例えば、空気は相当量の酸素を含有し、酸素は酸化剤である。燃料が不適切な箇所で空気流に取り込まれる場合、それによって火炎不安定性及び／又は「フレームアウト」が起こる条件が生じ得る。不安定な及び／又は「フレームアウト」条件下では、火炎が部分的に、或いは完全に消滅し、そこに引火性ガスが炉内に入り、結果として爆発する可能性がある。このシナリオは、処理機能にかかわらず、及びＮＯｘ排出を低減するためにいずれのスキームが用いられようと、あらゆる燃焼加熱器に当てはまる。

燃焼装置において、安定火炎及び燃焼装置の安全運転条件を維持しながらＮＯｘの低減を実現することが、依然として求められている。

プロセス制御戦略が火炎安定性センサ（例えば、波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサ、圧力センサ、マシンビジョンセンサシステム、及び火炎不安定性の検出に使用することのできる他の技術）により制約される場合、火炎希釈剤を使用することにより、安定した運転を維持しながらＮＯｘの低減を実現し得ることが分かっている。本願は、燃焼加熱器の運転の制御方法を提供し、これは、ＮＯｘ排出を低減し、且つフレームアウト条件を回避する一方での、加熱器の安全な運転を提供する。この方法は、燃焼装置における火炎に対して燃料及び希釈剤のフローを所定の体積比に制御するための手段を備えたフローシステムを提供することと、火炎安定性に関係する１つ又は複数の火炎の直接的又は間接的な特性の計測値を生成する火炎安定性センサを提供することと、（ｉ）少なくとも１つの火炎安定性センサからの少なくとも１つの計測値からの閾値と、（ｉｉ）フローシステムにおける燃料源及び希釈剤源の各々に対する少なくとも１つのフローセンサからの計測に従う燃料：希釈剤の閾値体積比とのうちの少なくとも一方による制約に従い、燃焼装置に送られる燃料：希釈剤の所定の体積比を制御することと、を含む。

詳細な一実施形態において、希釈剤は、窒素、蒸気（例えば、過熱蒸気）、再循環燃焼ガス、二酸化炭素又は他の不活性流体（例えば、ヘリウム又はアルゴン）の１つ又は複数から選択される。好ましい実施形態において、希釈剤は、過熱蒸気及び／又は再循環燃焼ガスを含む。さらなる実施形態において、燃焼装置に送られる希釈剤及び／又は燃料の量は、少なくとも１つの火炎安定性センサ（すなわち、レーザ光センサ、圧力センサ、マシンビジョンセンサシステム等）を用いるリアルタイム制御制約に基づき調整される。本発明の一態様に従えば、火炎センサは音響式センサである。好ましくは、音響式センサは圧力センサである。圧力センサは、好ましくは差圧センサである。本発明の別の態様に従えば、火炎安定性センサはマシンビジョンセンサシステムである。マシンビジョンセンサシステムは、好ましくは少なくとも１つのカメラを含む。本発明のさらに別の態様に従えば、火炎センサはレーザ光センサである。レーザ光センサは、１つ又は複数の予め選択された波長（例えば、個別のＨ_２Ｏ吸収特性に対応する約１．４μｍ）を監視するように同調される波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサシステムであってもよい。

本願の別の態様は、燃焼装置と、燃料源と、希釈剤源と、燃焼装置における火炎に対して燃料及び希釈剤のフローを所定の体積比で提供するよう燃料源及び希釈剤源と連通（又は連絡）したフローシステムと、火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はリーンブローアウト（ＬＢＯ：lean blowout）に対する近接度の関数として変化する直接的又は間接的な火炎特性の計測値を生成する（発生させる又は生ずる）火炎安定性センサと、１つ若しくは複数の火炎安定性センサから導き出された１つ若しくは複数の火炎安定性閾値、及び／又はフローシステムにおける燃料源及び希釈剤源の各々に対する少なくとも１つのフローセンサから導き出された燃料：希釈剤の体積比の閾値による制約に従い、燃料：希釈剤の所定の体積比を制御する少なくとも１つの制御器と、を含む燃焼システム（設備又は系）を提供する。この燃焼システムは、ＮＯｘ排出を低減しながら安全に運転される結果となるよう燃焼加熱器の運転を制御する。

本願の方法及びシステムにおいて使用することのできる波長多重化波長変調ＴＤＬセンサに関する情報を示す。 様々な火炎安定性センサタイプに好ましい種々のタップ位置を表す燃焼装置の非限定的な例を提供する。 火炎に送られる希釈剤の二酸化炭素量の増加に伴う燃焼装置のＣＯ及びＮＯｘ排出の結果を示す。 燃料ストリームに添加されるＣＯ_２の分率に基づく不安定性出力Ｆをプロットする。不安定性出力Ｆは、図１に示されるＴＤＬセンサから導き出される。 燃料ストリームに添加されるＣＯ_２の分率に基づくＮＯｘ排出量をプロットする。 様々な蒸気対燃料比に対する燃焼装置の煙道ガスから計測したＮＯｘ排出を示す。 図５に示されるとおり、燃料ガスに添加される蒸気分率が増加するときの、圧力センサと、燃焼装置における火炎安定性を監視するために使用される高温炉カメラを用いるマシンビジョンセンサシステムとから導き出された、時間の経過に伴う正規化した火炎不安定性出力を表す。

定義
本明細書で使用されるとき、用語「希釈剤」は、非引火性（若しくは一実施形態では、実質的に非引火性）であり、且つ酸化元素若しくは酸化剤ではない任意の流体、又は引火性成分を含有せず、且つ酸化元素若しくは酸化剤を成分として含有しない流体の任意の混合物を指す。一般に空気は、酸化元素である酸素を成分として約２１ｖｏｌ％含有するため、空気は、本明細書で当該の用語が使用されるところの希釈剤ではないことが理解される。

本明細書で使用されるとき、用語「燃料」は、引火性材料である任意の流体を指す。燃料の非限定的な例としては、限定はされないが、天然ガス、精製所ガス、ガソリン、引火性若しくは可燃性の揮発性有機化合物又は化学処理若しくは石油化学精製オペレーションからの他の引火性／可燃性廃棄物、バイオマス由来燃料、石炭ガス又は他の炭化水素ベースの引火性／可燃性物質が挙げられる。

本明細書で使用されるとき、「燃料：希釈剤の体積比」には、空気は含まない。上述のとおり、空気は、本願において当該の用語が使用されるところの希釈剤ではない。燃料：希釈剤の体積比は、所与（又は所定）の期間に火炎に送られる全燃料の体積（分子）／同じ所与の期間に火炎に送られる全希釈剤の体積（分母）である。この定義はまた、希釈剤：燃料の体積比についての逆の関係にも適用される。

本明細書で使用されるとき、用語「近赤外領域」は、約０．７μｍ〜約１．６μｍの波長を指す。

本明細書で使用されるとき、用語「火炎安定性センサ」は、使用されるセンサ及び／又はセンサシステムによる１つ又は複数の火炎の直接的或いは間接的に計測された特性に基づき、安定性、不安定性の状態、及び／又は火炎の消滅若しくはブローアウトの可能性に関する指標を与える動作可能信号を提供するように構成された任意の装置又は装置の集合体を指す。装置としては、限定はされないが、光センサ、音響式センサ、及びマシンビジョンセンサが挙げられる。本明細書は、以下で火炎安定性センサの具体的な例について記載するが、かかる記載は例示のために提供され、示される例に限定されないことが理解される。本願の様々な実施形態では、当該技術分野で公知の、しかし本明細書では考察されない火炎安定性センサ及び／又は火炎監視センサを含めた任意の火炎安定性センサを、本願の方法及びシステムにおいて使用することができる。また、本明細書に記載される装置を単独で使用して、又は互いに組み合わせて使用して（例えば、複数の光センサ、複数の圧力センサ、マシンビジョンセンサ（例えば、カメラ）、光センサの圧力センサ及び／又はマシンビジョンセンサとの組み合わせ、圧力センサの音響式センサ及び／又は光センサとの組み合わせ等）、安全な運転とＮＯｘ低減との効果をもたらすことも企図される。

ここで、上記の定義をふまえて本願の様々な態様を参照する。さらに、用語「安定性」又は「不安定性」は同義的に用いられ、本明細書に記載されるとおりの「火炎安定性センサ」に所望される同じ機能を示し得ることが理解されるべきである。

本願の一態様は、安全な運転とＮＯｘ排出の低減とをもたらす燃焼装置（例えば、炉、ボイラー等）の運転方法を提供する。この方法は、燃焼装置における火炎に対して燃料及び希釈剤のフローを所定の体積比で提供することと、火炎安定性の関数として変化する火炎特性の計測値を生成する火炎安定性センサを提供することと、（ｉ）１つ又は複数の火炎安定性センサからの１つ又は複数の計測値からの閾値と、（ｉｉ）フローシステムにおける燃料源及び希釈剤源の各々に対する少なくとも１つのフローセンサからの計測に従う燃料：希釈剤の閾値体積比とのうちの少なくとも一方による制約に従い、燃料：希釈剤の所定の体積比を制御することと、を含む。

希釈剤は、概して、不活性且つ非引火性であるとともに酸化元素又は酸化剤ではない物質である。好適な希釈剤の例としては、以下の物質、窒素、蒸気（例えば、過熱蒸気）、二酸化炭素、再循環燃焼ガス又はそれらの組み合わせのうちの１つ又は複数が挙げられる。一実施形態において、希釈剤は少なくとも８０体積％の窒素を含む。代替的実施形態において、燃料：希釈剤の体積比の希釈剤成分は、少なくとも１体積％の二酸化炭素を含む。一実施形態において、流体は、過熱蒸気、再循環燃焼ガス及び窒素のうちの１つ、又は２つから選択される。

上述のとおり、火炎安定性センサは、概して、１つ又は複数の火炎の直接的又は間接的な計測される特性に基づき、１つ若しくは複数の火炎の安定性若しくは不安定性の状態、及び／又は１つ若しくは複数の火炎の消滅若しくはブローアウトの可能性に関する指標を提供するように構成された任意の装置を含む。かかる特性としては、水素炎イオン化、火炎形状、炎色、火炎強度、火炎混合パターン、火炎組成、火炎温度、火炎に付随する煙、音響雑音、及び／又は１つ若しくは複数の火炎及び／又はバーナタイルから放出される光のうちの１つ又は複数が挙げられる。装置としては、限定はされないが、光センサ、音響式センサ、及びマシンビジョンセンサが挙げられる。例えば、限定はされないが、火炎安定性センサは、光センサ、例えばレーザを含む光センサである。好ましくは、光センサは、予め選択された１つ又は複数の近赤外領域波長、例えばＨ_２Ｏ吸収特性に対応する波長に同調される１つ又は複数の可同調（同調可能又は調整可能）ダイオードレーザ（ＴＤＬ：tunable diode laser）を用いる。別の実施形態において、火炎安定性センサは、圧力センサなどの音響式センサである。好ましくは、圧力センサは、燃焼装置内の１つ又は複数の火炎からの音響雑音の統計学的変動を監視するように実現される差圧センサである。別の実施形態において、火炎安定性センサは、少なくとも１つのカメラを有するマシンビジョンセンサシステムである。

１つ又は複数の火炎安定性センサからの少なくとも１つの計測値を用いた燃料：希釈剤の体積比の制御及び／又は制約には、様々な技術が好適である。例えば、プロセス制御は、所定の臨界火炎不安定性閾値による制限に従い燃料：希釈剤の体積比を低下させることを含み得る。非限定的な一実施形態において、火炎不安定性閾値（Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}）は、火炎安定性係数Ｆの計算から導き出される所定の値であり、火炎安定性係数Ｆは、この例では、以下の式による火炎安定性センサの計測信号における周波数成分の分析からの計算結果である：

式中、Ｆは、式１についての周波数成分値の分数としても定義される火炎安定性係数であり、周波数スペクトルからの２つの特定の周波数範囲ｆ_ｌ〜ｆ_ｈ及びｆ_ｍｉｎ〜ｆ_ｍａｘ（ここで、ｆ_ｍｉｎ≦ｆ_ｌ＜ｆ_ｈ≦ｆ_ｍａｘ）についての周波数成分の合計の比により決定される。Ｒは、火炎安定性センサシステムからの時間変化する計測信号である。ＦＴは、計測のローリング時間始点（rolling initial point in time of the measurement）ｔ_ｉから計測のローリング時間終点（rolling final point in time of the measurement）ｔ_ｆまでの（ここで、ｔ_ｉ＜ｔ_ｆ）Ｒに関して行われる短時間フーリエ変換を示す。Ｃは、Ｆの振幅を操作するために使用され得るスカラー値を表し、これは以下の関数に従い変化し得る：

式中、Ｃの役割は、Ｆの正規化若しくはスケーリング又は式１に定義される分母の関数の消去に使用することができる。

非限定的な一実施形態において、火炎不安定性閾値（Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}）は、ＴＤＬの１つ又は複数からの復調信号の比Ｒに基づく：

式中、１ｆ及び２ｆは、変調周波数のそれぞれ基本成分及び第２高調波で検出される信号を指す。非限定的な一例において、Ｆは、安定火炎については、式１を用いて（式中、Ｒは式３に従い、Ｃ＝１、ｆ_ｌ及びｆ_ｈはそれぞれ１Ｈｚ及び５Ｈｚであり、ｆ_ｍｉｎ及びｆ_ｍａｘはそれぞれ１Ｈｚ及び２，０００Ｈｚである）約０．０２と計算され、及び火炎がＬＢＯに近付くと、Ｆは約１となる。

火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は、いくつかの方法により、少なくとも１つの火炎不安定性センサの計測出力から導き出すことができる。非限定的な一実施形態において、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}値を定義する最小基準は、希釈剤の添加を伴う、又は伴わない安定した運転条件下にある火炎安定性センサからの計測出力の標準偏差の３倍に基づく。好ましくは、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}の定義の基準となる安定した運転条件は、希釈剤添加を伴う運転におけるものであり、少なくとも１０秒間の計測データを含む。或いは、最小Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}値は、燃焼装置が安定して運転している期間中の少なくとも１つの火炎安定性センサからの計測出力の標準偏差の６倍に基づく。実際には、所与の燃焼装置についてのスプリアスイベントの検出を最小限に抑えるため、より大きいＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}が必要となり得る。安定火炎のＦが約０．０２である上記に挙げた例において、約０．０３のＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}が、潜在的に危険な条件を回避し得るような、火炎に送られる燃料：希釈剤の体積比に対する制御制約を提供し得る。

非限定的な代替的実施形態において、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}値は、安定からＬＢＯまでの運転範囲にわたるシステム応答の情報に基づき定義される。安定火炎が約０．０２のＦによって特徴付けられ、且つＬＢＯが約０．１０のＦで起こる上記の例では、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}の値をこれらの値の間で選択することにより、ＮＯｘ低排出及び安全な運転の双方を確保することができる。この例の好ましい実施形態において、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は約０．０３〜０．０５である。より一般的には、安定運転とＬＢＯ運転との間の火炎応答を、安定火炎がＦ_{ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ}＝１及びＬＢＯがＦ_{ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ}＝１０の１〜１０のスケールで正規化する場合、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は、好ましい実施形態において、この正規化スケールで１．５〜５であるように選択される。

非限定的な代替的実施形態において、燃料：希釈剤の体積比の制御及び／又は制約は、燃料源からの燃料のフローを調整すること、及び／又は希釈剤源からの希釈剤のフローを調整することを含む。好ましくは、燃料：希釈剤比の制御はリアルタイムで行われ、１つ又は複数の火炎安定性センサから得られる閾値計測値（すなわち、波長変調ＴＤＬセンサによって計測されるとき、０．０３のＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}値）により制約される。より好ましくは、燃料：希釈剤比の制御はリアルタイムで行われ、（ｉ）１つ又は複数の火炎安定性センサからの閾値計測値と、（ｉｉ）フローシステムにおける燃料源及び希釈剤源の各々に対する少なくとも１つのフローセンサから導き出されるとおりの燃料：希釈剤の閾値体積比とによって制約されるべきである。

本願の別の態様に従えば、燃焼システムであって、燃焼装置（例えば、炉、ボイラー等）と、燃料源と、希釈剤源と、燃焼装置における火炎に対して燃料及び希釈剤のフローを所定の体積比で提供するよう燃料源及び希釈剤源と連通したフローシステムと、１つ又は複数の火炎の少なくとも１つの特性の１つ又は複数の計測値を生成する少なくとも１つの火炎安定性センサと、１つ又は複数の火炎安定性センサからの１つ又は複数の計測値からの少なくとも１つの閾値、及び／又は燃料源及び希釈剤源の各々からの少なくとも１つのフロー計測値による計測に従う燃料：希釈剤の閾値体積比、に基づき、及び／又はそれによる制約に従い、燃料：希釈剤の所定の体積比を制御する少なくとも１つの制御器と、を含む燃焼システムが提供される。本発明に係る燃焼システムは、燃焼システムからのＮＯｘ排出を低減する一方での、火炎の安全、確実な、且つ安定した運転を提供する。

上記に記載される方法と同様に、燃焼システムにおいて用いられる１つ又は複数の火炎安定性センサは、例示を目的として、及び限定を目的とすることなく、火炎安定性又は不安定性の尺度を直接的若しくは間接的に導き出すために使用することのできる、燃料の完全、部分、若しくは不完全燃焼の任意の特徴的な生成物から、及び／又は燃焼装置における火炎に供給される燃料若しくは希釈剤中に存在する任意の１つ若しくは複数の成分から導き出される分光学的吸収特性に対応する、紫外、可視、及び赤外（すなわち、近−、中−、又は遠−）を含めた、予め選択された１つ又は複数の波長で動作する光センサであってもよい。好ましくは、光センサは、予め選択された１つ又は複数の波長に同調される波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサシステムのように、レーザを含む。好ましい実施形態において、予め選択された１つ又は複数の波長は、近赤外領域である。より好ましくは、予め選択された１つ又は複数の波長は、約１３４９ｎｍ〜約１３９５ｎｍである。或いは、予め選択された波長は約１．４μｍである。

燃焼システムに使用される希釈剤は、上記に記載されるとおりである。好ましくは、燃焼システムの制御器は、少なくとも１つの火炎安定性センサからの閾値計測値を用いたリアルタイム制御を提供する。一実施形態において、制御器は、所定の臨界火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}による制限に従い燃料：希釈剤の体積比を低下させる。波長変調可同調ダイオードレーザセンサを用いる非限定的な一実施形態において、所定の臨界火炎不安定性閾値は、１〜５Ｈｚの火炎不安定性に特有のＨ_２Ｏ吸収の変動から導き出されるとき、最大約０．０６に対応する。

方法及びシステムの特定の態様が、例示を目的として、及び限定を目的とすることなく、以下にさらに記載される。

燃料：希釈剤比及び燃焼装置の運転上の考慮事項
上述のとおり、用語「希釈剤」は、概して、非引火性（又は一実施形態において、実質的に非引火性）であり、且つ酸化元素又は酸化剤ではない流体を含むが、具体的には空気を含まない。従って、燃料：希釈剤体積比は、燃焼装置における火炎に対するフィード中に含まれる量の空気を含まない。当業者は、例えば、使用される燃焼装置及び燃焼装置において使用される燃料の性質、並びに火炎に対するフィード中に含まれる空気量に基づき、初期燃料：希釈剤比を決定することができる。

例えば、及び本願の一実施形態に従えば、火炎に送られる希釈剤の体積は、火炎に送られる燃料の体積の約１％〜約５０％である（空気を除く）。従って、詳細な一実施形態において、燃料：希釈剤体積比は約２〜約１００の範囲であってもよい。より好ましくは、火炎に送られる希釈剤の体積は、火炎に送られる燃料の体積の約１０％〜約４０％であり、従って燃料：希釈剤体積比は、約２．５〜約１０の範囲であってもよい。さらにより好ましくは、火炎に送られる希釈剤の体積は、火炎に送られる燃料の体積の約２０％〜約３０％であり、従って燃料：希釈剤体積比は、約２．５〜約３．３３の範囲であってもよい。

本願の方法を用いる燃焼装置の運転において、初期燃料：希釈剤比は、火炎に最終的に送られる全てのストリームが、結果として比較的安定したフィードとなり、従ってリーンブローアウト（ＬＢＯ）限界から遠く離れて運転されるように設定することができる。従って、例えば、燃料：希釈剤比は、最初は比較的高く設定されてもよく（例えば、約１００）、又はそれに代えて、最初は火炎に対する希釈剤のフローはなくてもよい。かかる条件下で運転される燃焼装置は、適切な酸化性物質フローを前提とする安定火炎を提供することができ、しかし、かかる運転はまた、高い火炎温度及びより高いＮＯｘ排出を提供するものと思われる。火炎の安定性及び温度は、燃料／空気比に依存する。

火炎安定性が確保された後、燃焼装置のＬＢＯ限界値に近付けるため、火炎に送られる希釈剤の量を増加させてもよい（又は火炎に送られる燃料の量を減少させてもよい）。ＮＯｘ排出の観点から、可能な限りＬＢＯ限界値に近いところで運転することが望ましいが、事実上、安全な運転を提供するため、実際にＬＢＯ限界値に達することが起こらないよう確実にする誤差マージンが存在しなければならない。安全な運転マージンを提供するため、ＬＢＯ限界値に基づき、経験的に決定することのできる１つ又は複数の火炎安定性センサからの「火炎不安定性閾値」を確定することができ、及び火炎ブローアウトなどの危険な条件を回避するように、燃焼装置の安全な運転について許容される最小緩衝値を定義することができる。より好ましくは、通常の運転下で、火炎安定性センサからの火炎不安定性閾値が達し得る値を燃料：希釈剤の体積比が超過できないようにする（すなわち、約１〜約２未満）、火炎に送られる燃料：希釈剤の体積比に対する制約により、安全な運転マージンがさらに確実にされる。

本発明の一実施形態において、燃料：希釈剤比は、最初に比較的高く設定され、次に１つ又は複数の火炎安定性センサの出力に基づいて、火炎不安定性閾値に近付くまで下げられる。好ましくは、燃料：希釈剤比の調整及び／又は制約は、火炎安定性のリアルタイム計測値に基づく。火炎安定性閾値を超えるような燃料：希釈剤比となると（すなわち、火炎がＬＢＯ限界値に近付き過ぎて運転されていると）、次に安全な運転マージンを提供するため、燃料：希釈剤比を増加させ得る。

本発明の別の実施形態において、燃料：希釈剤比は、最初に比較的高く設定され、次に、フローシステムからのフロー計測値に基づき（すなわち、燃料源からの少なくとも１つのフロー計測値及び希釈剤源からの少なくとも１つのフロー計測値）、ＬＢＯ限界値に実際に達することがないような燃料：希釈剤の体積比についての所定の閾値が得られるまで、ＬＢＯ限界値に近付くように下げられる。好ましくは、燃料：希釈剤の体積比の調整及び／又は制約は、燃料：希釈剤の閾値体積比によって制約され、並びに火炎安定性センサによる少なくとも１つのリアルタイム計測値からの火炎不安定性閾値に基づくさらなる制約によって制約されるフローシステムからのリアルタイム計測値に基づく。火炎不安定性閾値又は閾値燃料：希釈剤の体積比のいずれかを超過する（すなわち、火炎がＬＢＯ限界値に近付き過ぎて運転されている）場合、次に燃焼装置を安全な運転マージンに戻すように燃料：希釈剤比を増加させなければならない。

希釈剤供給ストリーム
燃焼装置の火炎に送られる希釈剤は、別個の専用のストリームで導入されてもよく、又は火炎への導入前に燃料／空気流と組み合わされてもよい。さらに、希釈剤ストリームは、２つ以上の成分（例えば、過熱蒸気と再循環燃焼ガスとの混合物）からなってもよい。

本願における好ましい希釈剤は蒸気であり、より好ましくは過熱蒸気である。第２の好ましい希釈剤は再循環燃焼ガスであり、これは主として窒素、二酸化炭素、及び水蒸気からなる。

火炎安定性センサ
１つ又は複数の火炎特性の直接的及び／又は間接的な尺度から導き出される燃焼装置内の火炎からの火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の尺度を生成する様々な技術が現在存在し、又は当業者によって開発される可能性がある。本明細書で使用されるとき、火炎安定性センサ又は火炎安定性センサシステムは、１つ又は複数の火炎特性を直接的及び／又は間接的に問い合わせることによって火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の尺度を生成するために使用される。本願の目的上、燃料への希釈剤の添加により燃焼加熱器におけるＮＯｘ排出を低減するための方法又はシステムを監視、制御、制約、及び／又は最適化することを目的としたかかる装置又は装置群から導き出された任意の火炎不安定性の尺度又はＬＢＯの可能性に関する指標が、任意のタイプの火炎安定性センサのうちの少なくとも１つの実現を含め、本願の範囲内に含まれる。火炎安定性センサとして適用可能な現行の技術としては、光センサ（すなわち、レーザベースのセンサ）、音響式センサ（すなわち、圧力センサ）、及びマシンビジョンセンサシステム（すなわち、光学像を生成するカメラを含むシステム）が挙げられる。

好ましくは、本願における火炎安定性センサは、少なくとも１つのＴＤＬを用いるレーザベースの光センサシステムと、少なくとも１つの圧力センサを含む音響ベースのセンサシステムと、少なくとも１つのカメラ、より好ましくは高温炉カメラからなるマシンビジョンセンサシステムとである。センサは、単独で使用されても、又は組み合わせて使用されてもよい（例えば、光センサと音響ベースのセンサ及び／又はマシンビジョンセンサ）。センサタイプにかかわらず、データ処理は、フィールドマウント型の検知装置内の処理部品で実行されても、及び／又は、１つ又は複数の検知装置との直接的な連通を伴う、又は伴わない、且つ現場に位置しても、又は囲いのあるところ（すなわち、分析部シェルタ、制御室等）に位置してもよい、１つ又は複数の検知装置に共通の独立した電気部品で実行されてもよい。２つ以上の火炎安定性センサタイプ又はセンサシステムの任意の組み合わせもまた、本願の範囲内に含まれる（すなわち、１つのレーザ光センサシステムと２つのマシンビジョンセンサシステム等）。

一般に、火炎安定性センサからの信号の変化は、時間の経過に伴う少なくとも１つの火炎特性が変化することにより生じる。時間の経過に伴う火炎特性又は火炎安定性センサ信号の変化は、周波数ドメインにおいて、特定の大きさのサンプリング時間（すなわち、１０秒間）にわたる別の変換の前に、センサ出力に対してフーリエ変換を行うことにより特徴付けることができる。所与のセンサタイプについての出力中に含まれる利用可能な周波数情報は、装置のサンプリングレートの２分の１に限られる。従って、火炎安定性及び／又は火炎不安定性の尺度において有用な十分な量の情報を含む周波数範囲又は周波数範囲の部分集合を定義することができる。例えば、限定ではないが、２２Ｈｚでデータを記録する圧力センサは、最高１１Ｈｚの圧力変動分解能となる。１０秒間の圧力データに対するフーリエ変換により、所与のセンサタイプ、燃焼システム、及び燃焼装置について、火炎不安定性に特有の圧力変動が１〜１０Ｈｚの範囲で生じることが示される。従って、圧力センサからの信号の周波数ドメインにおける選択部分（すなわち、１〜５Ｈｚ又は２〜８Ｈｚ等）又は信号からの時間ドメインにおける全データのいずれかを用いて、安定性、不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性を計測することができる。事実上、センサタイプ、炎源、燃焼装置、及び／又は燃焼システムにかかわらず、出力信号中に含まれる、火炎不安定性の検出に有用な、火炎安定性センサにより生成されたデータの１つ又は複数の部分は、記載されるとおり決定することができる。加えて、圧力センサの場合と同じく、所与の燃焼システムについての適切な計測値を生成することができるならば、全センサデータ又はセンサデータの選択部分のいずれを用いて火炎安定性を計測してもよい。

本明細書では火炎安定性係数Ｆとして示される、上記の段落［００３６］（原文［００４０］）に記載される１つ又は複数の火炎安定性センサからの１つ又は複数の出力から導き出される火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性と相関する値及び／又は値の集合を生成するには、様々な計算方法が現在存在し、又は当業者によって開発される可能性がある。かかる計算方法の好ましい非限定的な例を、段落［００２０］（原文［００２４］）に記載した。他の好ましい計算方法としては、火炎安定性センサの計測出力に関する統計的変数（すなわち、標準偏差、分散等）の計算が挙げられる。計算方法にかかわらず、火炎安定性係数の計算の一部として、ハードウェア及び／又はソフトウェアベースの１つ又は複数のフィルタリング方法（すなわちハイパスフィルタ）及び／又は１つ又は複数のデータ平均化方法を組み込んでもよい。本願の趣旨の範囲内では、火炎安定性係数は、燃料：希釈剤の体積比を制御、最適化及び／又は制約するための、及び／又は燃焼装置に送られるストリームからの希釈剤の除去を含めた任意の方法により火炎不安定性を軽減して燃料：希釈剤の体積比を増加させるための、手動又は自動による制御動作の基本として使用され得るタイプにかかわらない１つ又は複数の火炎安定性センサによって得られる少なくとも１つの計測信号又は計測信号の任意の組み合わせから導き出される任意の情報又は値に関する。

光センサ
本明細書で使用されるとき、光センサという用語は、光又は光源（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＴＤＬ、グローバ、及び量子カスケードレーザ（ＱＣＬ））を伝送、受信、又はその他の方法で使用して、火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の指標となる、及び／又はそれと相関する火炎の質又は特性を確認する任意のセンサを指す。かかる光センサは、本願で使用されるように、光学的火炎センサとして近赤外光を伝送、受信、又は使用するものに限定されず、赤外（ＩＲ）光、可視（ＶＩＳ）光、紫外（ＵＶ）光、又はＵＶ、ＶＩＳ、及びＩＲ放射の任意の組み合わせを伝送、受信等するセンサを含む。

全体として参照により本明細書に援用されるU.S. Patent No. 7,019,306に開示されるとおり、ＵＶ火炎センサは、典型的には２００〜４００ｎｍの範囲で放出される放射を検出する。ガスタービンエンジンにおいてオグメンタ火炎の存在を検知するためのＵＶ検出器を組み込む光学的検知装置は、高温環境において、及び高振動下で、高温金属のバックグラウンドに対してオグメンタ火炎から放出されるＵＶ放射を検知する。

本発明の方法及びシステムに従い使用することのできる光センサの非限定的な他の例としては、限定はされないが、U.S. Patent No. 7,334,413、6,127,932、4,709,155及び3,689,773（その各々は、全体として参照により援用される）に記載されるセンサが挙げられる。

本願の方法において使用することのできる火炎安定性を確認するための好ましい、しかし非限定的な光センサとしては、レーザを用いる火炎安定性センサが挙げられる。本明細書で使用されるとき、レーザという用語は、定義される波長又は波長範囲の光のコヒーレント及び／又は平行ビームを指す。レーザを含む好ましいタイプの光センサは、波長変調可同調ダイオードレーザセンサであり、これについては、例示を目的として、しかし限定を目的とすることなく、以下に記載する。

波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサ
本願のある実施形態では、可同調ダイオードレーザセンサを用いてライン・オブ・サイト（ＬＯＳ）水蒸気吸収の計測に基づきガス温度が決定され、ひいてはその時間依存性が火炎安定性を確定するための尺度を提供する。２つ以上の水蒸気吸収に基づく非接触波長多重化温度計測を用いてもよく、ここでかかる吸収は、水蒸気の２つの隣接する又は隣接しない近赤外（ＮＩＲ）遷移によるものであり得る。市販の通信用ファイバが結合された可同調ダイオードレーザ及び光学部品が、ＴＤＬセンサに用いられてもよい。かかる技術を成功裏に用いることができるのは、一部には、Ｈ_２Ｏが炭化水素燃料の光学的に吸収性を有する燃焼生成物であるためである。代替的な非限定的実施形態において、波長多重化を伴う、又は伴わない波長変調可同調ダイオードレーザは、燃料源の完全、部分、若しくは不完全燃焼からの任意の特徴的な生成物から、又は燃料源若しくは希釈剤源に、意図的に、若しくは意図せず添加される任意の光学的に活性な近赤外成分を含めた、燃焼装置（すなわち、炉若しくはボイラー）における火炎に供給される燃料若しくは希釈剤中に存在する任意の成分から導き出される分光学的吸収特性に対応する任意の近赤外領域波長を計測及び評価するための火炎安定性センサとして使用することができる。

本発明の方法及びシステムにおいて用いることのできるかかるセンサの非限定的な例としては、Stanford UniversityのLi et al.により記載され、全体として参照により本明細書に援用されるAIAA Journal, Vol. 45, No. 2, February 2007, pp. 390-398に発表されたセンサが挙げられる。Li et al.によって記載される一つのセンサは、約１．４μｍ近傍のＨ_２Ｏ線対を標的とする波長変調分光（ＷＭＳ）と２ｆ検出との組み合わせを用いたガス温度の非接触計測に基づく。しかしながら、温度変化、特に既燃ガスの最も高温の領域における温度変化は、測定温度の絶対値より重要であることが注記される。さらなる詳細については、全体として参照により本明細書に援用されるZhou et al., “Development of a Fast Temperature Sensor for Combustion Gases Using a Single Tunable Diode Laser,” Applied Physics B (Lasers and Optics), Vol. 81, No. 5, 2005, pp. 711-722を参照のこと。

別の非限定的実施形態において、火炎安定性センサは、３つのＨ_２Ｏ吸収波長（例えば、１３４９ｎｍ、１３７６ｎｍ及び１３９５ｎｍ）に同調する３個のダイオードレーザを用いる。温度感度が異なる３つのＨ_２Ｏ吸収特性により、温度変動及び火炎内で変動し得る他の火炎特性（例えば火炎形状）のプロービングが可能となる。波長変調分光は、最大３ＭＨｚの帯域幅（４ｋＨｚのデータ転送速度）による１つの周波数多重化検出器（frequency-multiplexed detector）を使用して行われる（１ｆ−正規化、ＷＭＳ−２ｆ）。センサシステム３０の概略図が図１に示される。非限定的な一実施形態において、燃焼装置内部の１つ又は複数の火炎を介した１つ又は複数のＬＯＳ計測に、単一のレーザを使用することができる。本発明は、単一のレーザの使用に限定することを意図するものではなく；むしろ１つ以上のレーザが、十分に本発明の範囲内であると考えられる。さらに、単一の吸収帯（すなわち、Ｈ_２Ｏ）を標的として用いる１つ又は複数のレーザセンサから導き出される火炎安定性の尺度が、本発明の範囲内にある。

本願の一実施形態では、波長多重化波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサからの出力に基づく「火炎不安定性閾値」が確定される。火炎不安定性閾値は、主に、火炎をＬＯＳから外側にはみ出させ得る火炎形状の変動を含む、ＬＯＳ（ライン・オブ・サイト）内の温度変動に基づく。非限定的な一実施形態において、所与の閾値より大きい（例えば、０．０２より大きい、又は０．０３より大きい若しくは０．０６より大きい）周波数成分の分数Ｆを構成する、火炎不安定性に特有の特定の周波数範囲（例えば、１〜５Ｈｚ）でセンサ信号の変動が生じると、そのとき火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達している。センサ信号のかかる変動は、火炎特性における変動の１つ又は任意の組み合わせに対応し得る。より詳細には、一実施形態において、当該の値が上記に記載されるとおり決定されるときのＦが、例えば０．０２より大きいと、そのときＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しており、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

ここで、本発明を図２に関連してさらに詳細に説明する。図２は、本発明に係る燃焼装置１の概略図である。燃焼装置１は、燃焼プレート１１を有するハウジング１０を含む。少なくとも１つの炎源１２が燃焼プレート１１上に位置する。炎源１２は、燃料ガス源１４と希釈剤源１５とに動作可能に接続されている。燃料ガス及び希釈剤は、個別に炎源１２に送られてもよく、又は組み合わされて、単一のストリームとして炎源１２に送られてもよい。ハウジング１０はブリッジウォール１３をさらに含む。本発明によれば、ハウジング１０は少なくとも１つのタップホールを含み、そこを通じて、燃焼装置１の火炎特性を検知及び計測するためセンサが配置されてもよい。１つ又は複数タップホール２１が、燃焼装置１において炎源１２の近傍に配置されてもよい。タップホール２１は、好ましくは燃焼プレート１１及び炎源１２のすぐ上の位置に配置される。タップホール２２及び２３が、燃焼プレート１１において炎源１２にごく近接して配置されてもよい。少なくとも１つのタップホール２４が、ハウジング１０においてブリッジウォール１３にごく近接して提供されてもよい。本発明は、これらの位置に限定されるよう意図するものではないことが企図される；むしろ、限定はされないが、燃焼プレート１１とブリッジウォール１３との間の燃焼装置１の壁に沿った離間された位置を含め、他の位置が十分に本発明の範囲内であると考えられることが企図される。本発明は、以下の火炎安定性センサシステム３０、４０、５０の１つ又は複数を、単独で、又は組み合わせて利用する：光センサシステム３０、音響式センサシステム４０、及びマシンビジョンセンサシステム５０。システムは、図２に示されるとおり制御器６０に動作可能に結合され、制御器６０は、システム３０、４０、５０からの検知出力を受け取り、安全な火炎特性の確立及び維持に必要な火炎安定性に関する測定及び必要な希釈剤：燃料比に対する補正を実行する。制御器６０は、必要な希釈剤：燃料比を提供するため、直接的に、或いは間接的に、供給部１４及び１５の動作を制御し得る。

光センサシステム３０を利用する本発明の一実施形態に従えば。少なくとも１つの光センサシステム３０がタップホール２１に位置する。タップホール２１を使用することにより、光エネルギーを送出し、１つ又は複数の火炎を炎源１２のすぐ上で少なくとも１回通過したセンサシステムからの光エネルギーを受信して、それにより燃焼装置１内の火炎特性を計測することが可能となる。好ましくは、燃焼装置１は２つ以上の炎源１２を含む。かかる構成では、タップホール２１は、光センサシステム３０によって送出及び受信される光エネルギーが、炎源１２からの１つ又は複数の火炎を通過するような位置にある。センサシステム３０からの光エネルギーは単一のタップホール２１から放出され、別のタップホール２１に位置するセンサシステム３０によって受け取られ得ることが企図される。また、光センサシステム３０が、光エネルギーの送出、及び光ビームが少なくとも１回反射した後の光エネルギーの受信の双方を単一のタップホール２１により行うことも企図される。センサシステム３０からの情報は制御器６０に送られ、それにより上記に記載される燃料：希釈剤配分量が決定され、安定火炎特性を維持するようなその比に対する変更が推奨及び／又は実行される（すなわち、燃料供給量及び／又は希釈剤供給量が変更される）。

音響式センサ
本発明の別の態様に従えば、音響式センサシステム４０を用いて少なくとも１つの火炎特性が確認され得る。本明細書で使用されるとき、音響式センサという用語は、音響源を伝送、受信、又はその他の方法でそれを使用して、火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の指標となる１つ又は複数の火炎の少なくとも１つの特性を直接的又は間接的に確認する任意のセンサ（例えば、圧力センサ、マイクロホン、加速度計、カンチレバー等）を指す。かかる音響式センサは、本願に記載される圧力センサなどの、音響を伝送、受信、又はその他の方法で使用するものに限定されず、音響信号の伝送、又は受信等を行うセンサを含む。

本願の方法において使用することのできる火炎安定性及び／又は不安定性の状態を確認するための好ましい、しかし非限定的なタイプの音響式センサとしては、圧力センサを用いる火炎安定性センサが挙げられる。本明細書で使用されるとき、圧力センサという用語は、燃焼装置内部の圧力を計測する目的で使用される装置を指す。好ましいタイプの圧力センサは差圧センサであり、これについては、例示を目的として、しかし限定を目的とすることなく、以下に記載する。

差圧センサ４０は、燃焼装置１におけるドラフトを計測するために用いられ、ひいてはその時間依存性が、火炎安定性及び／又は不安定性を確定するための尺度を提供する。１つ又は複数の圧力センサに基づく火炎安定性の計測値が用いられてもよく、ここで音響信号の検出可能な変化が、火炎不安定性及び／又はＬＢＯの発生近傍で生じる。差動、計器、又は絶対計測出力によるものを含めた、統計分析パッケージを含む市販の圧力センサを、音響ベースの火炎安定性センサとして用いることができる。かかる技術を成功裏に用いることができるのは、一部には、典型的には≧１６Ｈｚのレートでセンサにより計測される燃焼装置内の音響の統計分析を用いて、１つ又は複数の火炎の安定条件と不安定条件との双方の識別可能且つすぐに使用可能な（又はアクショナブル（actionable））な特性を計算することができるためである。代替的実施形態において、統計分析パッケージを含まない差圧センサが火炎安定性センサとして用いられてもよい；ここでは、統計分析及び／又は他のデータ分析方法を独立した電子装置で実行することにより、検知装置からの出力に基づく火炎安定性又は火炎不安定性の尺度を導き出すことができる。

「火炎不安定性閾値」は、５つの差圧センサからのドラフトの、フィルタリングされ、平均化され、及び正規化された出力に基づき確定され得る。火炎不安定性閾値は、主に、大気圧に対する燃焼装置内の圧力変動に基づく。所与の閾値より大きい（例えば、０．１より大きい、又は０．１２より大きい、又は０．２より大きい）統計パラメータ（すなわち、分散）の変化を構成するセンサ信号の変動が生じると、そのとき火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達している。かかる圧力センサ信号の変動は、燃焼装置内に由来する少なくとも１つの火炎特性の尺度から直接的に、或いは間接的に導き出される。より詳細には、一実施形態において、計測されたドラフトの、フィルタリングされ、平均化され、及び正規化された分散が、例えば０．１２より大きいと、そのときＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しているとともに、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

或いは、「火炎不安定性閾値」は、差圧センサからの出力に基づき確定されてもよい。火炎不安定性閾値は、主に燃焼装置内の圧力変動に基づく。所与の閾値より大きい（例えば、０．０５より大きい、又は５より大きい）定義された音響周波数スペクトル範囲にわたる大きさの合計からの統計パラメータ（すなわち、標準偏差）の変化を構成する、火炎不安定性に特有の特定の周波数範囲（例えば、２〜５Ｈｚ又は２〜１０Ｈｚ）でのセンサ信号の変動が生じると、そのとき火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達している。音響周波数スペクトルの標準偏差が、前の計測圧力データの１０秒間の短時間高速フーリエ変換の計算後２〜１０Ｈｚで合計され、例えば０．０５より大きいとき、Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しており、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

図２を参照すると、差圧センサ４０は、少なくとも１つのタップホール２１、２２、２３、２４に配置され、燃焼装置内からの音響信号の計測を可能とする。センサシステム４０は、タップホール２１において炎源１２にごく近接して配置されてもよい。センサシステム４０は、タップホール２４においてブリッジウォール１３にごく近接して配置されてもよい。センサシステム４０はタップホール２３においてバーナプレート１１上、複数の炎源１２から等距離の位置に配置されても、又はタップホール２２において１つの炎源にごく近接した範囲内に配置されてもよい。本発明に従えば、差圧センサシステム４０には任意の数のタップホール２１、２２、２３及び２４の組み合わせが利用されてもよい。センサシステム４０からの情報は制御器６０に送られ、それにより上記に記載される燃料：希釈剤比が決定され、及び／又は安定火炎特性を維持するようなその比に対する変更が推奨及び／又は実行される（すなわち、燃料供給量及び／又は希釈剤供給量が変更される）。

マシンビジョンセンサシステム
本発明の別の態様に従えば、マシンビジョンセンサシステム５０を用いて少なくとも１つの火炎特性が確認され得る。本明細書で使用されるとき、マシンビジョンセンサシステム５０という用語は、光学像を伝送、受信、又はその他の方法で使用して、燃焼装置内の火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の指標となる１つ又は複数の火炎の少なくとも１つの特性を直接的又は間接的に確認する任意のセンサシステム（例えば、ビデオカメラ等）を指す。かかるマシンビジョンシステム５０は、本願において使用されるとおりの、可視（ＶＩＳ）光を伝送、受信又は使用して火炎検知のための光学像を生成するものに限定されず、近赤外（ＮＩＲ）光、赤外（ＩＲ）光、紫外（ＵＶ）光、又は、ＵＶ、ＶＩＳ、ＮＩＲ、及びＩＲ放射の任意の組み合わせから構成される光学像の伝送、受信等を行うセンサシステムを含む。

好ましくは、マシンビジョンセンサシステムは、カメラを用いる火炎安定性センサシステムを含む。本明細書で使用されるとき、カメラという用語は、光で構成される燃焼装置内部からの光学像を取得する目的で使用される装置を指す。好ましいタイプのカメラは、可視光放射線スペクトルで動作する高温炉カメラであり、これについては、例示を目的として、しかし限定を目的とすることなく、以下に記載する。

好ましくは、マシンビジョンセンサシステム５０は、高温炉カメラを利用して燃焼装置１内からの光学像を取得し、ひいてはその出力が、火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性を確定するための尺度を提供する。マシンビジョンセンサシステム５０は１つ又は複数のカメラを利用してもよく、ここで１つ又は複数の光学像の検出可能な変化が、火炎不安定性及び／又はＬＢＯの発生近傍で生じる。市販の高温炉カメラを、マシンビジョンベースの火炎安定性センサシステム５０の一部として用いることができる。マシンビジョンセンサシステムはまた、典型的には、画像ディスプレイユニット、画像解析パッケージ、又はそれらの双方を備える中央演算処理装置６０から構成される。かかるシステムを成功裏に用いることができるのは、一部には、燃焼装置内の火炎強度、又は光強度をセンサシステムにより直接的又は間接的に計測し、安定及び不安定の双方の火炎状態の識別可能且つすぐに使用可能な（又はアクショナブル）な特性、並びにＬＢＯに対する近接度の指標を示すことができるためである。

好ましい実施形態において、マシンビジョンシステム５０は、タップホールか、画像解析パッケージを含んで統計分析を実行する中央演算処理装置又は制御器６０、又はその近傍に位置決めされた高温炉カメラから構成される。制御器６０は、カメラにより取得された光学像の分析からの１つ又は複数の出力に基づき、火炎安定性、不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の尺度を導き出す。次に制御器６０は、上記に記載される燃料：希釈剤比を決定し、安定火炎特性を維持するようなその比に対する変更を推奨及び／又は実行する（すなわち、燃料供給量及び／又は希釈剤供給量を変更する）ことができる。

本発明の一態様に従えば、「火炎不安定性閾値」は、制御器６０により、高温炉カメラを用いるマシンビジョンセンサシステムによって取得及び分析された光学像の分析からの２つ以上の時間依存出力の平均に基づき決定される。火炎不安定性閾値は、主に、一連の光学像に捕捉され、且つマシンビジョンセンサシステムによって分析される燃焼装置内の火炎からの光強度変動に基づく。所与の閾値より大きい（例えば、０．００２より大きい、又は０．２より大きい、又は１より大きい）統計パラメータ（すなわち、分散）の変化を構成するセンサ信号（例えば、光学像の特定の部分における光強度）の変動が生じると、そのとき火炎不安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達している。かかるセンサ信号の変動は、燃焼装置１内に由来する少なくとも１つの火炎特性の尺度から直接的又は間接的に導き出される。光学像の一部の範囲内の計測された光学的強度の分散が、例えば０．００２より大きいと、そのときＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しているとともに、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

本発明の別の態様に従えば、「火炎不安定性閾値」は、制御器６０により分析されるシステム５０からの取得された光学像の分析による所定の数の出力の時間依存平均に基づく。火炎不安定性閾値は、主に、燃焼装置内の火炎からの光学的強度の変動の大きさに基づく。所与の閾値より小さい（例えば、２０より小さい、又は２５より小さい）光学像の分析からの光学的強度計測値の変化（すなわち、光強度の低下）を構成する、火炎不安定性又はＬＢＯに近付いているときに特有の（例えば、５０から２０への、又は６０から２５若しくは１００から３０への）センサ信号の低下が生じると、そのとき火炎安定性閾値Ｆ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達している。マシンビジョンセンサシステムからの１３個の出力の平均からの平均強度値が、例えば２５より小さいと、そのときＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しているとともに、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

本発明のさらに別の態様に従えば、システム５０から取得された光学像からの全体的な強度及び強度変動の双方の分析による時間依存出力に基づく２つの「火炎不安定性閾値」が、制御器６０によって分析される。火炎不安定性閾値は、前出の段落の記載と同じ原理に基づく。かかる技術が成功するのは、一部には、マシンビジョンセンサシステムが、カメラによって取得された光学像の１つ又は複数の部分に対して１つ又は複数の分析方法を実行する能力を有するためである。そのため、いずれかの分析方法についてＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達したとき、当該システムのＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達しているとともに、燃料：希釈剤の体積比を増加させなければならない。

センサシステム５０を利用する本発明の態様に従えば、燃焼装置１内からの光学像は、タップホール２１、２２及び２４のいずれか一つにおいてカメラにより捕捉され得る。光学像は、好ましくは、１つ又は複数の火炎についての遮るものが最も少ない視界を提供する位置から取得される。好ましくは、像は、タップホール２１又は２２によって取得される。さらにより好ましくは、１つ又は複数のタップホール２４を利用して像が取得され得る。本発明は、単一のタップホール位置に限定することを意図せず；むしろ、タップホールの任意の組み合わせ又は位置が十分に本発明の範囲内にあることが企図される。

本願の好ましい実施形態では、マシンビジョンセンサシステム５０により捕捉された光学像の１つ又は複数の選択部分が制御器６０によって利用及び処理され、それにより火炎安定性、不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の尺度が導き出される。より好ましくは、光学像の１つ又は複数の選択部分が、燃焼装置内の、特に多炎源燃焼装置における特定の炎源の特性尺度を提供する分析に利用され得る。さらにより好ましくは、光学像は６つの部分に分解され、カメラによって全体が観察されたそれぞれの炎源ごとの分析が行われ得る。６つの部分は、２つの半分部分の炎源を包含する２つの相補的なセクションの一組と、第１の組で選択された２つの半分部分に対して９０度回転した炎源の２つの半分部分を包含する２つの相補的なセクションの一組と、炎源の内径によって囲まれる一つの部分と、炎源の外径を囲む一つの部分とを含む。好ましい非限定的な実施形態において、光学像の１つ又は複数の部分を、そのいずれか及びあらゆる組み合わせを含めて、マシンビジョンセンサシステムによる分析に利用することにより、本願に記載される方法において用いられる火炎安定性信号を生成することができる。

本願は、以下に提示する例によりさらに説明される。かかる例の使用は例示に過ぎず、本発明の、又は例示される任意の用語の範囲及び意味を何ら限定するものではない。同様に、本願は、本明細書に記載されるいかなる特定の好ましい実施形態にも限定されるものではない。実際には、当業者には、本明細書を読むことで本発明の多くの変更及び変形が明らかであろう。本発明は、特許請求の範囲が権利を有する均等物の全範囲と共に添付の特許請求の範囲の文言から理解されるべきである。

実施例１
精製所ガス（例えば、典型的にはＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｈ_２及びＣＯ_２を含有する）及びＴｕｌｓａ天然ガスを、精製所ガスについては約１１ＭＢＴＵ／時及び７ＭＢＴＵ／時の燃焼速度で、及び天然ガスについては７ＭＢＴＵ／時の燃焼速度で、単一の商業用等級の超低ＮＯｘバーナに供給した。上記手順（又はプロトコル）に基づいて波長多重化波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサにより火炎安定性を計測した。燃料に周囲条件の二酸化炭素を添加して再循環燃焼ガスの添加をシミュレートした。試験中、図３に示されるとおり、０〜５０００ＳＣＦＨ（標準立方フィート毎時）のＣＯ_２を添加した。ＣＯ（ｐｐｍ）及びＮＯｘ（ｐｐｍ）排出を測定した。その結果を図３に示す。排出は排気筒に位置するセンサから取得した。図３に示されるとおり、二酸化炭素の量が増加するに従いＮＯｘ排出は減少した。希釈剤の添加後、３倍のＮＯｘ低減を実現することができる。

この例からの結果に基づき、ＮＯｘ排出と、上記手順に基づいて決定されるとおりの火炎センサの「Ｆ」値とを、図４Ａ及び図４ＢにおいてＣＯ_２の割合に対してプロットし、ここでＣＯ_２は燃料の割合として徐々に増加した。いくらかの空気が酸化体として火炎に送られる。図４Ａ及び図４Ｂの結果は、最も高いＣＯ_２添加レベルが、最大のＮＯｘ低減及び最大の不安定性信号（Ｆ）に対応したことを示す。これは、臨界不安定性閾値を定義することができ、且つ可能な限り低いＮＯｘ排出を実現しながら安定した運転を維持するように、この信号をフィードバック制御戦略に使用してバーナへの希釈剤フローを制限することができる戦略を実証する。

火炎不安定性にはＮＯｘ低減が付随し、この不安定性は希釈剤の使用の増加により引き起こされる。ブローアウト又は消炎が起こる十分に前に不安定な運転を特定する臨界閾値のＦであるＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を特定することが、特に、例えば、少なくとも１つの波長を使用して火炎不安定性を決定するこの例に記載されるセンサ、又は本願の請求項のいずれかにより包含されるセンサの使用に基づくリアルタイムフィードバック又はフィードフォワード制御を用いる実施形態では、可能である。

実施例２
精製所ガス（例えば、典型的にはＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｈ_２及びＣＯ_２を含有する）を、約６ＭＢＴＵ／時の燃焼速度で商業用等級の超低ＮＯｘバーナに供給した。５つの圧力センサのセットと、１つの高温炉カメラ及び１３個の光学像内分析セクションを備えたマシンビジョンセンサシステムとにより火炎安定性を計測した。火炎安定性の計算値は、ソフトウェアベースのハイパスフィルタを含む各タイプのセンサからの全ての計測値の平均及び正規化した分散である。燃料に蒸気を添加することにより、火炎不安定性が検出されるまでＮＯｘ排出計測値を低下させた。試験中、１ｂの燃料当たり０〜０．２３ｌｂの蒸気を添加した。ＮＯｘ（ｐｐｍ）排出を測定した。その結果を図５に示す。排出は、排気筒に位置するセンサから取得した。図５に示されるとおり、蒸気の量が増加するに従いＮＯｘ排出は減少した。この試験中、希釈剤の添加後にＮＯｘが２分の１に低減されることが実現された。

この例の結果に基づき、ＮＯｘ排出と、上記手順に基づいて決定されるとおりの火炎センサの「Ｆ」値とを、蒸気：燃料の体積比が増加していく時間に対してプロットし、ここで蒸気は燃料の割合として徐々に増加した。いくらかの空気が酸化体として火炎に送られる。図５及び図６の結果は、センサタイプにかかわらず、最も高い蒸気添加レベルが最大のＮＯｘ低減及び最大の不安定性信号（Ｆ）に対応したことを示す。これは、説明目的の図６に示されるとおり、臨界不安定性閾値を低減することができ、且つ可能な限り低いＮＯｘ排出を実現しながら安定した運転を維持するように、この信号をフィードバック制御戦略に使用してバーナへの希釈剤フローを制約することができる戦略を実証する。

火炎不安定性にはＮＯｘ低減が付随し、この不安定性は、希釈剤の使用の増加により引き起こされる。ブローアウト又は消炎が起こる十分に前に不安定な運転を特定する臨界閾値のＦであるＦ_{Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を特定することが、特に、例えば、音響式センサ又はマシンビジョンセンサシステムを使用して火炎不安定性を決定するこの例に記載されるセンサ、又は本願の請求項のいずれかにより包含される任意のタイプの火炎安定性センサの使用に基づくリアルタイムフィードバック又はフィードフォワード制御を用いる実施形態では、可能である。

本発明は、本明細書に記載される具体的な実施形態による範囲に限定されるものではない。実際には、当業者には、前述の説明及び添付の図から、本明細書に記載されるものに加えて本発明の様々な変更が明らかとなるであろう。かかる変更は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される（例えば、様々な波長変調波形及び／又は変調周波数の実装、並びにローデータを操作して火炎安定性、火炎不安定性、及び／又はＬＢＯの可能性の指標となる値を得るための様々な戦略を介した、波長多重化を伴う、又は伴わない火炎安定性の計測に唯一つのみの波長を用いる波長変調ＴＤＬセンサ）。本発明は、精製／石油化学処理用途における燃焼装置１に関連して説明されているが、本発明の適用性をそれに限定することを意図するものではない。本発明は、限定はされないが 発電、鋼材／金属生産及び加工、ガラス生産及び紙生産を含めた、燃料源として燃料ガスを利用する任意の燃焼装置において利用され得ることが企図される。

さらに、全ての値は近似値であり、説明のために提供されることが理解されるべきである。

特許、特許出願、刊行物、製品関連文書、及びプロトコルは、本願全体を通じて引用され、それらの各々の開示は、あらゆる目的から全体として参照により本明細書に援用される。

Claims (47)

1. 火炎を有する燃焼装置の運転の制御方法であって、
   燃料源からの燃料と希釈剤源からの希釈剤とのフローを、所定の体積比で、前記燃焼装置における火炎に供給すること；
   少なくとも１つの火炎安定性センサを設けて、前記火炎の特性の計測値を生成すること；及び
   （ｉ）前記少なくとも１つの火炎安定性センサからの少なくとも１つの計測値からの少なくとも１つの閾値と、（ｉｉ）前記燃料源及び前記希釈剤源の各々からの少なくとも１つのフロー計測値の少なくとも一方に基づいて、前記燃料：希釈剤の所定の体積比を制御すること
   を含む、方法。
2. 前記少なくとも１つの火炎安定性センサが、光センサ、音響式センサ及びマシンビジョンセンサの少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
3. 前記光センサが少なくとも１つのレーザを含み、
   プロセス制御器に送信されて前記燃料：希釈剤比の制御を補助する動作可能信号を生成するデータ収集及び処理システム、少なくとも１つの検出器と、電子機器を制御する、請求項２に記載の方法。
4. 前記光センサが、波長多重化を伴う、又は伴わない少なくとも１つの予め選択された波長に同調される少なくとも１つのレーザを備える波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサである、請求項３に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの火炎安定性センサが音響式センサである、請求項２に記載の方法。
6. 前記音響式センサが差圧センサである、請求項６に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの火炎安定性センサがマシンビジョンセンサである、請求項２に記載の方法。
8. 前記マシンビジョンセンサが少なくとも１つのカメラを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記火炎の特性が、水素炎イオン化、火炎形状、火炎混合パターン、火炎組成、火炎温度、火炎に付随する煙、音響雑音、及び火炎から放出される光のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の方法。
10. 前記特性が、前記少なくとも１つの火炎安定性センサにより直接計測される、請求項９に記載の方法。
11. 前記特性が、前記少なくとも１つの火炎安定性センサにより間接的に計測される、請求項９に記載の方法。
12. 前記希釈剤が、窒素、蒸気、二酸化炭素、再循環燃焼ガス又はそれらの組み合わせから選択される流体を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記希釈剤が過熱蒸気を含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記希釈剤が、少なくとも８０体積％の窒素を含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記希釈剤が、少なくとも１体積％の二酸化炭素を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記燃焼装置が、炉及びボイラーの一方である、請求項１に記載の方法。
17. 前記燃料：希釈剤の所定の体積比の制御が、（ｉ）少なくとも１つの火炎安定性センサからの少なくとも１つの計測値からの少なくとも１つの閾値と、（ｉｉ）前記燃料源及び前記希釈剤源の各々からの少なくとも１つのフロー計測値の少なくとも一方に基づいて、アルタイムで行われる、請求項１に記載の方法。
18. 前記燃料：希釈剤の所定の体積比の前記制御が、所定の臨界火炎不安定性閾値に達するまで、前記燃料：希釈剤の体積比を低下させることを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記所定の臨界火炎不安定性閾値が、火炎安定性係数の計算値Ｆに対応する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記燃料：希釈剤の所定の体積比の前記制御が、燃料源からの前記燃料のフローと、希釈剤源からの前記希釈剤のフローとの少なくとも一方を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
21. 前記燃料が燃料ガスである、請求項２０に記載の方法。
22. 前記燃料：希釈剤の所定の体積比の前記制御が、前記燃焼装置の安全な運転をもたらす、請求項１に記載の方法。
23. 前記燃料：希釈剤の所定の体積比の前記制御が、前記燃焼装置からのＮＯｘ排出を低減する、請求項１に記載の方法。
24. 前記火炎安定性センサが、デジタル化された光学像を生成する装置を含み、前記デジタル化された像が、閾値を生成することのできる制御器であって、それにより安定な火炎状態と不安定な火炎状態とを識別し、前記燃料：希釈剤の体積比を制御するための出力を提供する制御器によって処理される、請求項１に記載の方法。
25. 前記火炎安定性センサが、直接的、又は間接的に火炎不安定性の指標となる、時間変化する火炎特性を計測する装置を含み、それにより制御信号を生成する、請求項１に記載の方法。
26. 燃焼装置；
    燃料源；
    希釈剤源；
    前記燃焼装置の火炎に、燃料と希釈剤のフローを所定の体積比で供給する、前記燃料源及び前記希釈剤源と連通するフローシステム；
    前記火炎の少なくとも１つの特性の少なくとも１つの計測値を生成する少なくとも１つの火炎安定性センサ；及び
    （ｉ）少なくとも１つの火炎安定性センサからの少なくとも１つの計測値からの閾値と、（ｉｉ）前記燃料源及び前記希釈剤源の各々からの少なくとも１つのフロー計測値による計測に従う燃料：希釈剤の閾値体積比の、少なくとも１つに基づいて、前記燃料：希釈剤の所定の体積比を制御する制御器
    を含む、燃焼システム。
27. 前記火炎安定性センサが、光センサ、音響式センサ及びマシンビジョンセンサの少なくとも１つである、請求項２６に記載の燃焼システム。
28. 前記光センサが少なくとも１つのレーザを含む、請求項２７に記載の燃焼システム。
29. 前記レーザが、少なくとも１つの予め選択された波長に同調される波長変調可同調ダイオードレーザ（ＴＤＬ）センサである、請求項２８に記載の燃焼システム。
30. 前記波長変調ＴＤＬセンサが波長多重化を有する、請求項２９に記載の燃焼システム。
31. 前記少なくとも１つの火炎安定性センサが音響式センサである、請求項２６に記載の燃焼システム。
32. 前記音響式センサが差圧センサである、請求項３１に記載の燃焼システム。
33. 前記少なくとも１つの火炎安定性センサがマシンビジョンセンサである、請求項２６に記載の燃焼システム。
34. 前記マシンビジョンセンサが少なくとも１つのカメラを含む、請求項３３に記載の燃焼システム。
35. 前記火炎の特性が、水素炎イオン化、火炎形状、火炎混合パターン、火炎組成、火炎温度、火炎に付随する煙、音響雑音及び火炎から放出される光のうちの少なくとも１つである、請求項２６に記載の燃焼システム。
36. 前記特性が、前記少なくとも１つの火炎安定性センサによって直接計測される、請求項３５に記載の燃焼システム。
37. 前記特性が、前記少なくとも１つの火炎安定性センサによって間接的に計測される、請求項３５に記載の燃焼システム。
38. 前記希釈剤が、窒素、蒸気、二酸化炭素、再循環燃焼ガス及びそれらの組み合わせからなる群から選択される流体を含む、請求項２６に記載の燃焼システム。
39. 前記希釈剤が過熱蒸気を含む、請求項３８に記載の燃焼システム。
40. 前記希釈剤が、少なくとも８０体積％の窒素を含む、請求項３９に記載の燃焼システム。
41. 前記希釈剤が、少なくとも１体積％の二酸化炭素を含む、請求項３８に記載の燃焼システム。
42. 前記燃焼装置が、炉及びボイラーの一方である、請求項２６に記載の燃焼システム。
43. 前記制御器が、
    （ｉ）少なくとも１つの火炎安定性センサからの１つ又は複数の計測値からの閾値と、 （ｉｉ）前記燃料源及び前記希釈剤源の各々からの少なくとも１つのフロー計測値
    の少なくとも一方に基づくリアルタイム制御を提供する、請求項２６に記載の燃焼システム。
44. 前記制御器が、所定の臨界火炎不安定性閾値に達するまで、前記燃料：希釈剤の体積比を低下させる、請求項４３に記載の燃焼システム。
45. 前記所定の臨界火炎不安定性閾値が、レーザセンサについて分子が０．５〜１０Ｈｚ及び分母が０．５Ｈｚ〜２ｋＨｚの周波数成分分析の分数からの周波数スペクトルにおける最高０．０６までの出力変動に対応する、請求項４４に記載の燃焼システム。
46. 前記制御器が、燃料源からの前記燃料のフローを調整する、請求項２６に記載の燃焼システム。
47. 前記制御器が、希釈剤源からの前記希釈剤のフローを調整する、請求項２６に記載の燃焼システム。

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