JP2013238365A - 観測装置及び観測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比して演算に使用するデータ量を大幅に削減することが可能であり、幅広い分野において応用可能な物理現象の観測装置及び観測方法を提供する。
【解決手段】
ガスタービンモデル燃焼器の燃焼室内の圧力変動を圧力トランスデューサが検出し、圧力変動信号として出力する。出力された圧力変動信号の波形を、位相空間上の軌道に変換し、軌道から並進誤差を演算する。並進誤差を閾値と比較することで吹き消えの発生を推定し、２次燃料流量の目標値を設定する。得られた目標値に近づけるように２次燃料流量を制御することで、燃焼状態を制御する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、物理現象を非線形解析により観測する観測装置及び観測方法に関するものである。

例えば、ガスタービン燃焼器において振動燃焼及び吹き消えのような不安定な燃焼状態の発生は好ましくない。ガスタービンエンジンでは、かかる不安定な燃焼状態以外にも、回転翼フラッタ、旋回失速、及びサージ等の不安定な現象が発生することもある。また、ガスタービンエンジン以外の分野では、例えば熱交換器又は化学反応器において、流体の好ましくない不安定な流動状態が発生することがある。従来、かかる不安定な物理現象の発生を検知することが望まれている。

不安定な物理現象には、ガスタービン燃焼器における吹き消えのように突発的に発生するものがある。このような突発的に発生する不安定な物理現象は、周波数解析のような線形解析では正確に検知することができない。そこで、従来非線形解析を用いて、不安定な物理現象を検知する方法が開発されている。例えば特許文献１には、カオス時系列解析で用いられている手法を採用して、火炎のゆらぎを測定する方法が開示されている。特許文献１に記載の方法では、ターケンスの埋め込み定理を用いてアトラクタを再構成し、相関次元と最大リアプノフ指数とを求め、これらから燃焼状態を計測するようになっている。

特開２００６−１３８５１７号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の方法において用いられている相関次元及びリアプノフ指数は古典的な非線形動力学理論であり、特に相関次元では膨大なデータ点数の時系列データを必要とする。したがって、演算負荷が高く、しかもまとまった時系列データを取得した後にしか演算処理を行うことができない。このため、特許文献１に記載の方法は、物理現象の発生をリアルタイムに推定するような用途には向かず、その応用分野が限られる。

そこで、本発明は、従来に比して工業的に応用可能な分野が広い物理現象の観測装置及び観測方法を提供することを目的とする。

（１）本発明は、物理現象を非線形解析により観測する観測装置であって、時間的に変化する物理量を検出する検出部と、前記検出部により検出された物理量に関する並進誤差を演算する演算手段と、前記演算手段により演算された並進誤差に基づいて、特定の物理現象の発生を推定する推定手段と、を備えることを特徴とする物理現象の観測装置である。

上記本発明によれば、演算手段が物理量に関する並進誤差を演算する。この並進誤差は、従来に比して演算に使用する物理量のデータ数が少ない。また、並進誤差は、検出された物理量の時系列データをＤ次元の位相空間上の軌道に変換し、この軌道から任意の点を複数選択し、選択された各点に基づいて求められる。即ち、位相空間における次元数Ｄ、選択する軌道上の点数等を適宜設定することで、従来に比してデータ量を大幅に削減することが可能である。このため、従来に比して幅広い分野において応用可能である。

（２）前記検出部は、燃焼器の燃焼室内の圧力変動を検出し、検出された圧力変動信号を出力するように構成されており、前記演算手段は、前記検出部により出力された圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する並進誤差を演算するように構成されている。前記推定手段は、前記演算手段により演算された圧力変動の並進誤差に基づいて、前記燃焼器における燃焼の不安定の発生を推定するように構成されているのが好ましい。
この場合、燃焼器における燃焼状態を監視し、振動燃焼又は吹き消え等のような燃焼の不安定の発生を推定することができる。

（３）前記推定手段は、前記演算手段により演算された並進誤差に基づいて、前記燃焼の不安定として、前記燃焼器における吹き消えの発生を推定するように構成されているのが好ましい。
この場合、非周期的に変動する燃焼の不安定現象である吹き消えの発生を推定することができる。

（４）前記推定手段は、前記演算手段により演算された並進誤差を所定の閾値と比較し、前記並進誤差が前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記吹き消えの発生を推定するように構成されているのが好ましい。
並進誤差が一定より大きくなれば、燃焼状態の周期性が崩れ、カオス的な振動が発生していると判断することができる。吹き消えが発生する直前には、燃焼状態がそれまでの状態から変化するため燃焼室内の圧力が変動し、これによって並進誤差が大きくなる。したがって、吹き消えが発生する場合における並進誤差の大きさを閾値として設定することにより、正確に吹き消えの発生を推定することができる。

（５）前記演算手段は、前記検出部により出力された圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する多次元の位相空間内において各時刻の圧力変動に対応する位置ベクトルを演算することにより、前記圧力変動信号の波形を前記位相空間における軌道に変換し、当該軌道に基づいて、前記並進誤差を演算するように構成されているのが好ましい。

（６）前記位相空間は、時刻ｔにおける圧力変動ｐ’（ｔ）、ｐ’（ｔ＋τ）、ｐ’（ｔ＋２τ）、…、ｐ’（ｔ＋（Ｄ−１）τ）（τ：遅れ時間、Ｄ：位相空間の次元定数）の各独立変数によって規定される多次元空間であるのが好ましい。

（７）前記位相空間は、前記次元定数Ｄを３とした３次元の位相空間であるのが好ましい。
この場合、位相空間を規定する独立変数の数が３となり、並進誤差を演算するために用いられるデータ量を可及的に少なくすることができる。

（８）前記推定手段により吹き消えの発生が推定された場合に、前記吹き消えが発生しないように、前記燃焼器への燃料供給を制御する制御手段をさらに備えるのが好ましい。
この場合、吹き消えの発生を防ぐことができ、燃焼器において安定した燃焼状態を維持することができる。

（９）前記制御手段は、前記推定手段により吹き消えの発生が推定された場合に、前記燃焼器へ供給する燃料を増加させるように構成されているのが好ましい。

（１０）前記制御手段は、前記演算手段によって演算された並進誤差の大きさに応じて、前記燃焼器へ供給する燃料を増加させるように構成されているのが好ましい。
燃焼状態は不安定になる程、並進誤差が大きくなる。したがって、並進誤差の大きさに応じて燃料を増加させることにより、燃焼状態の不安定さに応じた量の燃料が供給されることになり、安定した燃焼状態へ適切に遷移させることができる。

（１１）前記観測装置は、前記検出部から出力される所定期間分の圧力変動信号を記憶する記憶部をさらに備え、前記演算手段は、前記記憶部に記憶された前記所定期間分の圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する並進誤差を演算するように構成されているのが好ましい。

（１２）前記検出部は、所定周期で圧力変動の検出動作を繰り返すように構成されており、前記記憶部は、前記検出部から新たに出力された圧力変動信号によって、記憶する前記所定期間分の圧力変動信号を更新するように構成されているのが好ましい。
この場合、記憶部に記憶される圧力変動信号の更新に応じて、演算手段が繰り返し並進誤差を演算することで、継続して燃焼状態の監視を行うことが可能となる。

（１３）前記燃焼器は、ガスタービンエンジン燃焼器であるのが好ましい。

（１４）他の観点からみた本発明は、物理現象を非線形解析により観測する観測方法であって、時間的に変化する物理量を検出する検出ステップと、検出された物理量に関する並進誤差を演算する演算ステップと、演算された並進誤差に基づいて、特定の物理現象の発生を推定する推定ステップと、を有することを特徴とする物理現象の観測方法である。

本発明によれば、従来に比して演算に使用するデータ量を大幅に削減することが可能であり、幅広い分野において応用可能である。

実施形態に係る燃焼状態の監視装置の構成を示す模式図である。 信号解析装置の機能ブロックである。 アトラクタの軌道の作成方法を説明するための模式図である。 （Ａ）は、平行度が高い場合の軌道群を示す模式図であり、（Ｂ）は、平行度が低い場合の軌道群を示す模式図である。 燃焼制御処理の手順を示すフローチャートである。 位相空間構築処理の手順を示すフローチャートである。 並進誤差演算処理の手順を示すフローチャートである。 ２次燃料流量計算処理の手順を示すフローチャートである。 並進誤差の演算に使用される圧力変動信号の一例を示すグラフである。 実施形態に係る監視装置の性能評価試験の結果を示すグラフである。 燃焼室壁面の圧力変動振幅の二乗平均平方根と、当量比との関係を示すグラフである。 並進誤差と、当量比との関係を示すグラフである。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
以下では、ガスタービン燃焼器の燃焼状態を監視する監視装置の構成及びその動作について説明する。

［１．監視装置の構成］
本実施形態に係る監視装置は、ガスタービンモデル燃焼器（ガスタービンエンジン燃焼器の部分要素を模擬した燃焼器）の燃焼状態を並進誤差を用いて解析し、吹き消えの発生を推定するものである。まず、監視装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る燃焼状態の監視装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、この監視装置１００は、ガスタービンモデル燃焼器１と、圧力トランデューサ２と、制御部３と、燃料タンク４と、コンプレッサ５とを備えている。

ガスタービンモデル燃焼器１は、燃料と空気の混合気を燃焼させる予混合燃焼器（希薄予混合燃焼器）である。ガスタービンモデル燃焼器１は、燃焼室１１と、水冷室１２と、インテーク部１３と、図示しないスワーラとを具備する。かかるガスタービン燃焼器１は、コンプレッサ５から供給される空気と、燃料タンク４から供給されるメタンとをインテーク部で混合させて予混合気を形成し、スワーラによって当該予混合気に旋回を与えながら燃焼室１１で燃焼させる構成である。
なお、燃焼器１は、ジェットエンジンや産業用ガスタービンエンジンの燃焼器であってもよい。

燃焼室１１には、圧力トランスデューサ２が取り付けられている。かかる圧力トランスデューサ２により、燃焼室１１壁面位置の圧力変動を検出するようになっている。圧力トランスデューサ２は、検出した圧力変動に応じた電圧信号である圧力変動信号を出力するようになっている。

圧力トランスデューサ２には、増幅器２１が接続されており、圧力トランスデューサ２から出力された圧力変動信号は増幅器２１によって増幅される。

制御部３は、信号解析装置３１と、マスフローコントローラ３２，３３とを具備する。信号解析装置３１は、以下に説明する燃焼制御処理を実行するコンピュータプログラムをコンピュータにインストールして構成されたものであり、信号解析装置３１における各種の機能は、このコンピュータプログラムによって実現されている。
なお、前記コンピュータは、演算処理装置、記憶部、入出力デバイス等を有している。

図２は、信号解析装置３１の機能ブロックを示している。この信号解析装置３１は、圧力変動信号入力部３１１、記憶部３１２、位相空間構築部３１３、並進誤差演算部３１４、閾値設定部３１５、吹き消え発生推定部３１６、２次燃料流量計算部３１７、及び２次燃料流量制御部３１８としての機能を有している。

圧力変動信号入力部３１１は、圧力トランスデューサ２から出力され、増幅器２１によって増幅された圧力変動信号を受信するためのものである。

記憶部３１２は、所定期間（例えば、１００ｍｓｅｃ）の圧力変動信号を記憶するためのものである。燃焼室１１の圧力変動は、圧力トランスデューサ２によって検出され、時系列の圧力変動信号として出力される。圧力変動信号入力部４３１１により取り込まれた圧力変動信号は、ＦＩＦＯ形式で記憶部３１２に記憶される。つまり、かかる記憶部３１２には、新たな圧力変動信号が追加されると、古い圧力変動信号（約１００ｍｓｅｃ前に記憶された圧力変動信号）が消去される。このように記憶部３１２の圧力変動信号が更新されることにより、常時１００ｍｓｅｃの期間の圧力変動信号が記憶されるようになっている。

位相空間構築部３１３は、記憶部３１２に記憶されている１００ｍｓｅｃ分の圧力変動信号に基づいて、仮想的な位相空間上にアトラクタの軌道を作成するためのものである。

ここで、アトラクタの軌道の作成について説明する。図３は、アトラクタの軌道の作成方法を説明するための模式図である。記憶部３１２に記憶されている圧力変動信号は、Ｎ個のデータ点からなる時系列データ｛ｐ’（ｔ_ｉ）｝_ｉ＝１ ^Nである。この時系列データ｛ｐ’（ｔ_ｉ）｝_ｉ＝１ ^Nについて、Ｄ個の独立変数ｐ’（ｔ），ｐ’（ｔ＋τ），ｐ’（ｔ＋２τ），…，ｐ（ｔ＋（Ｄ−１）τ）を考える。ここで、Ｄは次元定数、τは所定の遅れ時間である。Ｄ個の独立変数ｐ’（ｔ），ｐ’（ｔ＋τ），ｐ’（ｔ＋２τ），…，ｐ’（ｔ＋（Ｄ−１）τ）によって規定されるＤ次元の位相空間を想定し、時系列データ｛ｐ’（ｔ）｝_ｔ＝０ ^N−１から当該位相空間上の位置ベクトルＸ（ｔ_ｊ）＝（ｐ’（ｔ_ｊ），ｐ’（ｔ_ｊ＋τ），ｐ’（ｔ_ｊ＋２τ），…，ｐ’（ｔ_ｊ＋（Ｄ−１）τ））（但し、ｊ＝１，２，…，Ｎ−（Ｄ−１）τ）を求め、アトラクタの軌道を描く。

本実施形態ではＤを３とする。つまり、記憶部３１２に記憶されている圧力変動信号の波形を、独立変数ｐ’（ｔ），ｐ’（ｔ＋τ），ｐ’（ｔ＋２τ）で規定される３次元の位相空間上の軌道に変換する。図３を用いてこれを説明する。圧力変動信号から、時刻ｔ_１における圧力変動ｐ’（ｔ_１）と、時刻ｔ_１＋τにおける圧力変動ｐ’（ｔ_１＋τ）と、時刻ｔ_１＋２τにおける圧力変動ｐ’（ｔ_１＋２τ）とを抽出し、位置ベクトルＸ（ｔ_１）＝（ｐ’（ｔ_１），ｐ’（ｔ_１＋τ），ｐ’（ｔ_１＋２τ））を求める。同様に、位置ベクトルＸ（ｔ_２）＝（ｐ’（ｔ_２），ｐ’（ｔ_２＋τ），ｐ’（ｔ_２＋２τ）），Ｘ（ｔ_３）＝（ｐ’（ｔ_３），ｐ’（ｔ_３＋τ），ｐ’（ｔ_３＋２τ）），…を求める。これらの位置ベクトルＸ（ｔ_１），Ｘ（ｔ_２），Ｘ（ｔ_３），…を位相空間上にアトラクタとして描き、アトラクタの軌道を作成する。

並進誤差演算部３１４は、位相空間構築部３１３によって作成されたアトラクタの軌道から、並進誤差を演算するためのものである。上述したアトラクタは、圧力変動が規則的であれば概ね一定の経路を繰り返し通過する規則的な環状の軌道を描き、圧力変動が不規則になるにつれて、軌道の形状が崩れていく。このことを、図４（Ａ）（Ｂ）を用いて説明する。圧力変動が規則的な場合、位相空間内の軌道に決定論的な特徴が残っている。つまり、図４（Ａ）に示すように、位相空間の局所領域に含まれる軌道群の平行度が高い。他方、圧力変動の規則性が崩れてくると、位相空間内の軌道に決定論的な特徴が少なくなっていく。圧力変動の不規則性が極めて強い場合(ランダム的な場合)、図４（Ｂ）に示すように、位相空間の局所領域に含まれる軌道群は互いに交差し、平行度は低くなる。

並進誤差演算部３１４は、上記のような軌道群の平行度を評価するための指標として、並進誤差を演算する。以下、本実施形態に係る並進誤差の演算方法について説明する。まず、ランダムに選択した時刻ｔ_ｉにおける位相空間内の位置ベクトルＸ（ｔ_ｉ）を基準点とし、当該基準点Ｘ（ｔ_ｉ）と軌道群上の各点間のユークリッド距離を算出する。基準点Ｘ（ｔ_ｉ）との距離が短いものから順に、Ｋ個（本実施形態ではＫ＝５）の最近傍ベクトルＸ（ｔ_ｋ）（ｋ＝１，２，…，Ｋ）を決定する。基準点をＸ（ｔ_０）として、基準点Ｘ（ｔ_０）及び最近傍ベクトルＸ（ｔ_ｋ）（ｋ＝１，２，…，Ｋ）からなる位置ベクトルＸ（ｔ_ｋ）（ｋ＝０，１，２，…，Ｋ）を考える。位置ベクトルＸ（ｔ_ｋ）からＴだけ時間が経過した後の位置ベクトルはＸ（ｔ_ｋ＋Ｔ）になる。このとき、時間の経過に伴う各軌道の変化は式（１）により近似的に表される。また、ｖ（ｔ_ｋ）の方向の分散は、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}として式（２）により表される。

ここでＸ（ｔ_ｉ）を無作為にＭ個（本実施形態ではＭ＝１００）選択し、その中央値を並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}として求める。ここで平均値を用いると一部のデータに飛躍した大きさの値が出た場合に、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}に大きな影響を与える恐れがあることから、より信憑性のある値を得る為に中央値を用いている。
本実施形態では上記の並進誤差の演算を１００ｍｓｅｃ毎に繰り返し、リアルタイムでの観測を行う。

閾値設定部３１５は、吹き消えが発生するか否かを判定するための閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}を設定するためのものである。本実施形態においては、閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}はコンピュータのハードディスク等に記憶されており、閾値設定部３１５がこの記憶された閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}を読み出し、ＲＡＭに設定値として格納することで設定する。なお、閾値設定部３１５は、ユーザから閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}を示す情報を受け付けて当該閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}を設定値として記憶部に記憶するものであってもよいし、他のソフトウェアから与えられた閾値情報を受け付けて記憶部に設定値として記憶するものであってもよい。

吹き消え発生推定部３１６は、並進誤差演算部３１４によって演算された並進誤差に基づいて、吹き消えの発生を推定するためのものである。燃焼室内の燃焼状態が不安定になる程、位相空間内の局所領域における軌道群の平行度は低くなる。つまり、燃焼状態が不安定な吹き消えが発生する直前には、安定した燃焼状態のときに比べて並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が大きくなる。そこで、吹く消え発生推定部３１６は、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}と閾値設定部３１５により設定された閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}とを比較して、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}より大きい場合に、吹き消えの発生に近づくと推定する。

２次燃料流量計算部３１７は、吹き消え発生推定部３１６による推定結果に基づいて、２次燃料流量を計算するためのものである。後述するように、燃料タンク４から延びる燃料供給路は途中で分岐しており、一方が主燃料供給路、他方が２次燃料供給路となっている（図１参照）。２次燃料流量計算部３１７は、この２次燃料供給路から供給される２次燃料の流量を計算する。並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が大きい程、燃焼状態は不安定であるといえる。並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が大きい程、吹き消えの発生が近いことが推定される。吹き消えは予混合気の当量比が小さいときに発生する現象であり、吹き消えの発生を解消するためには、当量比を増大させる必要がある。そこで、２次燃料流量計算部３１７は、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}と閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}の差が大きくなるにしたがって、２次燃料流量を増大させる。具体的には、式（３）にしたがって２次燃料流量の変化量を計算し、その時点における２次燃料流量に対して、当該変化量だけ変化させた値を、２次燃料流量の目標値として決定する。

２次燃料流量制御部３１８は、２次燃料流量計算部によって決定された２次燃料流量の目標値に近づけるよう、２次燃料流量を制御するためのものである。かかる２次燃料流量制御部３１８は、２次燃料供給路の途中に設けられたマスフローコントローラ３３に、前記目標値を示す情報を出力する。

マスフローコントローラ３２は、主燃料供給路の途中に設けられている。かかるマスフローコントローラ３２は、信号解析装置３１に接続されており、信号解析装置３１から出力される制御信号にしたがって、主燃料供給路における主燃料流量を制御する。

マスフローコントローラ３３は、２次燃料供給路の途中に設けられている。かかるマスフローコントローラ３３は、信号解析装置３１に接続されており、信号解析装置３１から出力される制御信号（目標値を示す情報）にしたがって、２次燃料流量を目標値に近づけるよう制御する。

燃料タンク４は、燃料であるメタンを収容する。かかる燃料タンク４からは燃料供給路が延びており、ガスタービンモデル燃焼器１のインテーク部１３に接続されている。

コンプレッサ５は、酸化剤である酸素を含有する空気を供給する。かかるコンプレッサ５からは空気供給路が延びており、ガスタービンモデル燃焼器１のインテーク部１３に接続されている。

空気供給路の途中には、マスフローコントローラ５１が設けられている。かかるマスフローコントローラ５１は、与えられた設定値にしたがって、ガスタービンモデル燃焼器１へと供給される空気流量を制御する。

［２．監視装置の動作］
以下、監視装置１００の動作について説明する。

信号解析装置３１の指示に応じて、マスフローコントローラ３２及び３３のそれぞれが、主燃料流量及び２次燃料流量を制御し、これによって燃料タンク４からメタンが供給される。また、コンプレッサ５からは空気が供給され、その供給量はマスフローコントローラ５１によって制御される。

燃料タンク４から供給されるメタン及びコンプレッサ５から供給される空気は、インテーク部１３に取り込まれる。インテーク部１３は、燃料と空気とを混合して混合気を生成する。生成された混合気は、スワーラによって旋回され、燃焼室１１へと導入され、混合気が燃焼される。

圧力トランスデューサ２によって、燃焼室の圧力変動が検出される。圧力トランスデューサ２から出力される圧力変動信号は、増幅器２１によって増幅され、信号解析装置３１に与えられる。

信号解析装置３１は、燃焼制御処理を実行し、これによって求められた目標値を示す制御信号をマスフローコントローラ３３へ出力する。マスフローコントローラ３３は、目標値に近づけるよう２次燃料流量を制御する。このようにして、ガスタービンモデル燃焼器１の燃焼状態がフィードバック制御される。

以下、信号解析装置３１による燃焼制御処理について説明する。図５は、燃焼制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、圧力変動信号の取得が行われる（ステップＳ１）。この処理では、圧力変動信号入力部３１１が、入力された圧力変動信号を記憶部３１２に記憶する。ここで、記憶部３１２には１００ｍｓｅｃ分の圧力変動信号の時系列データが格納される。

次に、位相空間構築処理が実行される（ステップＳ２）。位相空間構築処理では、位相空間構築部３１３が、記憶部３１２に記憶されている圧力変動信号に基づいて、位相空間におけるアトラクタの軌道を作成する。

図６は、位相空間構築処理の手順を示すフローチャートである。位相空間構築処理では、まず、圧力変動データの正規化が行われる（ステップＳ２１）。続いて、変数ｊが初期値である１に設定される（ステップＳ２２）。さらに、その時点におけるｊについて、位置ベクトルＸ（ｔ_ｊ）＝（ｐ’（ｔ_ｊ），ｐ’（ｔ_ｊ＋τ），ｐ’（ｔ_ｊ＋２τ））が算出される（ステップＳ２３）。

次に、ｊが上限値である５００−２τに達したか否かが判定され（ステップＳ２４）、ｊが５００−２τに達していない場合には（ステップＳ２４においてＮＯ）、ｊが１だけインクリメントされる（ステップＳ２５）。この後、ステップＳ２３に処理が移り、その時点におけるｊについて、位置ベクトルＸ（ｔ_ｊ）が算出される。

ステップＳ２４において、ｊが５００−２τに達している場合には（ステップＳ２４においてＹＥＳ）、メインルーチンにおける位相空間構築処理の呼び出しアドレスに処理が戻される。

以上の位相空間構築処理により、５００−２τ点の位置ベクトルＸ（ｔ_ｊ）、即ちアトラクタの時系列データ群が算出され、位相空間上のアトラクタの軌道が作成される。

燃焼制御処理において、次に、並進誤差演算処理が実行される（ステップＳ３）。並進誤差演算処理では、並進誤差演算部３１４が、位相空間上のアトラクタの軌道に基づいて、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}を演算する。

図７は、並進誤差演算処理の手順を示すフローチャートである。並進誤差演算処理では、まず、位相空間の軌道において、Ｍ個の局所領域の基準点が無作為に決定される（ステップＳ３１）。次に、変数ｉが初期値である１に設定される（ステップＳ３２）。

続いて、基準点Ｘ（ｔ_ｉ）の最近傍ベクトルがＫ個選択される（ステップＳ３３）。そして、基準点及び最近傍ベクトルからなる位置ベクトルＸ（ｔ_ｋ）（ｋ＝０，１，２，…，Ｋ）のそれぞれにおけるベクトルｖ（ｔ_ｋ）が式（１）にしたがって算出される（ステップＳ３４）。続いて、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が、式（２）にしたがって算出される（ステップＳ３５）。

次に、ｉが上限値であるＭに到達したか否かが判定され（ステップＳ３６）、ｉがＭに達していない場合には（ステップＳ３６においてＮＯ）、ｉが１だけインクリメントされる（ステップＳ３７）。その後、処理がステップＳ３３に移る。

ステップＳ３６において、ｉがＭに達している場合には（ステップＳ３６においてＹＥＳ）、演算されたＭ個の並進誤差の中央値が選択され、これが並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}とされる（ステップＳ３８）。ステップＳ３８の処理が終わると、メインルーチンにおける並進誤差演算処理の呼び出しアドレスに処理が戻される。

燃焼制御処理において、次に、２次燃料流量計算処理が実行される（ステップＳ４）。図８は、２次燃料流量計算処理の手順を示すフローチャートである。まず、２次燃料流量計算処理では、閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}が設定される（ステップＳ４１）。この処理では、閾値設定部３１５が、閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}をハードディスク等から読み出し、ＲＡＭに格納することで閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}を設定する。

次に、その時点における２次燃料流量Ｑ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}が算出される（ステップＳ４２）。この処理では、２次燃料流量計算部３１７が、マスフローコントローラ３３の設定値等を用いて、その時点における２次燃料流量Ｑ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}を算出する。

次に、２次燃料流量の変化量ΔＱ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}が算出される（ステップＳ４３）。この処理では、吹き消え発生推定部３１６が、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}と閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}とを比較することにより吹き消えの発生を推定し、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}と閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}との差に応じた２次燃料流量の変化量ΔＱ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}を式（３）にしたがって算出する。

次に、２次燃料流量の目標値が算出される（ステップＳ４４）。この処理では、２次燃料流量計算部３１７が、ステップＳ４２において算出されたその時点における２次燃料流量Ｑ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}と、ステップＳ４３において算出された２次燃料流量の変化量ΔＱ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}とを加算することにより、２次燃料流量Ｑ_{ＣＨ４，ｓｅｃｏｎｄ}の目標値を算出する。ステップＳ４４の処理が終わると、メインルーチンにおける２次燃料流量計算処理の呼び出しアドレスに処理が戻される。

燃焼制御処理において、次に、２次燃料流量制御処理が実行される（ステップＳ５）。この処理では、２次燃料流量制御部３１８が、ステップＳ４において算出された目標値を示す制御信号をマスフローコントローラ３３へ送信し、これによって目標値に近づけるように２次燃料流量を制御する。

ステップＳ５の処理が終わると、燃焼制御処理を終了するか否かが判定される（ステップＳ６）。この処理では、例えばユーザから信号解析装置３１に動作の停止が指示される等、所定の終了条件が満たされた場合に、燃焼制御処理を終了すると判定される。燃焼制御処理を終了しないと判定された場合には（ステップＳ６においてＮＯ）、ステップＳ１に処理が戻され、これによって１００ｍｓｅｃ毎に上記のステップＳ１〜Ｓ６の処理が繰り返し実行される。他方、ステップＳ６において燃焼制御処理を終了すると判定された場合には（ステップＳ６においてＹＥＳ）、燃焼制御処理が終了される。

上記のように、燃焼制御処理は、１００ｍｓｅｃ毎に繰り返し実行される。つまり、図９に示すように、１００ｍｓｅｃの期間分の圧力変動信号から、位相空間上のアトラクタの軌道が作成され、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が算出される。かかる並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が１００ｍｓｅｃ毎に算出され、１００ｍｓｅｃ毎にガスタービンモデル燃焼器１の燃焼状態がリアルタイム制御される。

［３．評価試験結果］
本願発明者らは、本実施形態に係る観測装置１００の性能評価試験を実施した。図１０は、この性能評価試験の結果を示すグラフである。図１０に示すように、主燃料の流量を約１０Ｌ／ｍｉｎの初期値から、約５Ｌ／ｍｉｎまで一定の比率で減少させ、その後約５Ｌ／ｍｉｎの流量を維持した。吹き消えの発生限界は燃料の総流量が約７Ｌ／ｍｉｎのときであり、主燃料流量はこの限界を下回るまで変化させられることになる。本実施形態に係る観測装置１００では、主燃料流量が約９Ｌ／ｍｉｎ付近に至った時点でフィードバック制御が掛かり、２次燃料の供給が開始された。この結果、吹き消えの発生限界より上の９Ｌ／ｍｉｎ付近で総燃料流量が維持され、吹き消えの発生が回避された。

また、当量比Φについては、吹き消えの発生限界が約０．４８である。主燃料流量の減少に伴って、当量比Φも減少するが、吹き消え発生限界の約０．４８を上回る約０．６に至った時点でフィードバック制御が掛かり、当量比が約０．６で維持されていることが分かる。

二酸化炭素及びＮＯ_Ｘの発生を低減させるために、予混合気を可及的に希薄化させることが望まれている。しかしながら、予混合気が希薄すぎると、吹き消えが発生することになり、安定した燃焼状態を維持することができない。本評価試験結果からは、本実施形態に係る観測装置１００が、吹き消えの発生を回避しつつ、吹き消え発生限界付近の低当量比を維持することが分かる。このように、本実施形態に係る観測装置１００によれば、安定した希薄予混合燃焼を維持することができる。

図１１は、燃焼室内の圧力変動振幅の二乗平均平方根Ｐ’ｒｍｓと、当量比との関係を示すグラフであり、図１２は、並進誤差と、当量比との関係を示すグラフである。図１１に示すように、当量比０．６５が振動燃焼の発生限界であり、当該発生限界を上回る当量比においては、圧力変動振幅が非常に高い。他方、当量比０．６５の振動燃焼の発生限界以下の範囲では、圧力変動振幅は非常に低い。当量比０．４７付近に吹き消えの発生限界が存在するが、当量比０．６５から０．５５に至るまでの変化は緩やかで、更に０．５５から吹き消え発生に至るまでは圧力変動振幅は概ね一定である。このため、圧力変動そのものを用いて燃焼状態の観測を行っても、吹き消えの発生を推定することは困難であることが分かる。

図１２に示すように、当量比０．７５から当量比０．６５に至るまでの範囲では、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}は比較的低いレベルで推移する。振動燃焼の発生限界である当量比０．６５の前後では、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}の値は顕著に異なり、当量比０．６５以下の範囲では、当量比０．６５を上回る範囲に比べて並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}が非常に高くなっている。また、当量比０．６５から吹き消え発生限界の当量比０．４７に至るまで、当量比が減少するにしたがって、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}は増加している。このことから、吹き消え限界付近における並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}の値（例えば、０．６〜０．８）を閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}として設定することで、吹き消えの発生を適切に推定することができる。

このように、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}を用いた本実施形態に係る燃焼状態の観測方法は、吹き消えの発生の推定に好適であることが分かる。また、上記のように振動燃焼の発生限界である当量比０．６５の前後でも並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}の値が顕著に異なることから、振動燃焼の発生の推定にも好適であることが分かる。

上記の如く、本実施形態に係る観測装置１００によれば、圧力変動に関する並進誤差を演算する構成としたことにより、従来に比して演算に使用する圧力変動のデータ数が少なくて済む。また、位相空間の次元及び位相空間の軌道において選択する近傍点の数を適宜設定することにより、従来に比して演算に使用するデータ量を少なくすることができる。したがって、リアルタイム観測が可能になるなど、従来に比して幅広い分野に応用可能である。

また、本実施形態に係る観測装置１００によれば、位相空間の次元を３としている。このため、演算に使用するデータ数を可及的に少なくしながら、燃焼状態の決定論的な特徴を正確に表した並進誤差を求めることができ、正確に吹き消えの発生を推定することができる。

また、本実施形態に係る観測装置１００によれば、並進誤差Ｅ_{ｔｒａｎｓ}と閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}とを比較することにより、吹き消えの発生を推定している。並進誤差が一定より大きくなれば、燃焼状態の周期性が崩れ、カオス的な振動が発生していると判断することができる。吹き消えが発生する直前には、燃焼状態がそれまでの状態から変化するため燃焼室内の圧力が変動し、これによって並進誤差が大きくなる。したがって、吹き消え発生に近い並進誤差の大きさを閾値Ｅ_{ｔｒａｎｓ，ｔｈｒｅ}として設定することにより、正確に吹き消え発生の予兆を推定することができる。

また、本実施形態に係る観測装置１００によれば、吹き消えが発生すると推定されたときに、２次燃料流量を制御して、吹き消えの発生を回避する構成としている。これにより、吹き消えの発生を抑制することができ、ガスタービンモデル燃焼器１において安定した燃焼状態を維持することができる。
吹き消えの発生をリアルタイムで推定しない場合、燃焼吹き消えが起きないように、予め燃焼器の吹き消え限界を把握した上で、それに安全マージンを十分にとった運転範囲で運用する必要がある。安全マージンを、吹き消えに係る燃焼状態のリアルタイムモニタリングができない条件で設けると、実際の吹き消え限界に比べてかなりの余裕を取ったものとならざるを得ず、燃焼器の運転範囲がその分狭い範囲に限定される。
しかし、本実施形態によれば、燃焼吹き消え前兆現象の検知が可能となるため、検知した情報を利用して，吹き消えが起こらないような安定化制御が実現できる。したがって、燃焼器の運転の安全マージンを縮小することが可能となり、運転条件範囲が広がる。

また、本実施形態に係る観測装置１００によれば、新たに入力された圧力変動信号により、記憶部３１２に記憶された圧力変動信号を更新することにより、常時１００ｍｓｅｃ分の圧力変動信号を記憶するようにし、この記憶部３１２に記憶されている１００ｍｓｅｃ分の圧力変動信号を用いて、１００ｍｓｅｃ毎に並進誤差を演算する構成としている。このため、継続して燃焼状態のリアルタイム監視を行うことが可能となる。

［４．その他の実施形態］
上述した実施形態においては、ガスタービンモデル燃焼器１における燃焼状態を監視する構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば、ジェットエンジンや産業用ガスタービンエンジンに搭載された燃焼器が対象であってもよい。また、ガスタービンエンジンの回転翼(ファンや圧縮器)の歪みや回転翼前後の圧力変動の時系列計測信号について並進誤差を演算し、この並進誤差に基づいてフラッタ、旋回失速、サージの発生を推定する構成とすることもできる。さらに、工業用プラントを対象として、蒸発管内の気液二相流の不安定な圧力変動信号や温度差の異なる２流体が混合する配管合流部における流体の温度変動信号についても並進誤差を演算し、ボイラーの蒸発管の破損やサーマルストライピングによる配管部の破損のヘルスモニタリングなど、他の物理現象の発生を推定する構成とすることもできる。

また、上述した実施形態においては、並進誤差に基づいて、吹き消えの発生を推定し、吹き消えの発生を回避するように燃焼状態を制御する構成について述べたが、これに限定されるものではない。並進誤差に基づいて、吹き消えの発生を推定するが、燃焼状態を制御しない構成とすることもできる。他の物理現象の発生を推定する構成の場合も同様である。

また、上述した実施形態においては、ガスタービンモデル燃焼器１における燃焼の不安定として、吹き消えの発生を推定する構成について述べたが、これに限定されるものではない。並進誤差に基づいて、振動燃焼の発生を推定する構成としてもよい。また、この場合、振動燃焼の発生を回避するために、並進誤差に基づいて、主燃料流量又は２次燃料流量を制御する構成とすることもできる。

また、上述した実施形態においては、２次燃料流量を制御して、吹き消えの発生を回避するように燃焼状態を制御する構成について述べたが、これに限定されるものではない。並進誤差に基づいて、主燃料流量を制御することで、吹き消えの発生を回避するようにしてもよいし、空気流量を制御することで、吹き消えの発生を回避するようにしてもよい。また、主燃料供給路と２次燃料供給路とを個別に設ける構成ではなく、１つの燃料供給路のみを設け、この燃料供給路における燃料流量を、並進誤差に基づいて制御することで、吹き消えの発生を回避する構成とすることも可能である。

また、上述した実施形態においては、演算に使用するために１００ｍｓｅｃ分の圧力変動信号を記憶部に記憶し、この記憶部の圧力変動信号を更新しつつ、１００ｍｓｅｃ毎に繰り返し並進誤差の演算を行う構成について述べたが、これに限定されるものではない。例えば５０ｍｓｅｃ等、１００ｍｓｅｃ以外の期間の圧力変動信号を記憶部に記憶し、これを用いて並進誤差を演算する構成とすることもできる。この場合、データ量が大きくなりすぎないように、３００ｍｓｅｃ以下の期間とすることが好ましい。また、圧力変動信号のデータ量が少なすぎでも、燃焼状態の決定論的特徴を正確に反映した並進誤差を求めることができない。このため、１ｍｓｅｃ以上の期間とすることが好ましい。

また、１００ｍｓｅｃ以上の期間（例えば、１ｓｅｃ）の圧力変動信号を記憶部に記憶しておき、このうち最新の所定期間（例えば、１００ｍｓｅｃ）の圧力変動信号を並進誤差の演算に使用する構成としてもよい。

また、１００ｍｓｅｃ毎に繰り返し並進誤差の演算を行うのではなく、例えば、１回だけ並進誤差の演算を行う構成としてもよいし、１０ｍｓｅｃ等、１００ｍｓｅｃ以外の期間毎に繰り返し並進誤差の演算を行う構成としてもよい。しかし、燃焼状態のリアルタイム制御を適切に行うためには、制御対象とする現象の特性時間に応じて、１０μｓｅｃ〜３００ｍｓｅｃの周期で並進誤差を演算し、燃焼状態を制御する構成とすることが好ましい。

また、上述した実施形態においては、次元定数Ｄを３、近傍点の選択数Ｋを５、位置ベクトルの選択数Ｍを１００としたが、これに限定されるものではない。

また、上述した実施形態においては、コンピュータにより信号解析装置３１を実現する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等により燃焼制御処理を実行可能なハードウェアを構成し、これを信号解析装置としてもよい。また、１つのコンピュータにより信号解析装置３１を構成するのではなく、燃焼制御処理を複数のコンピュータにより分散処理で実行させて、複数のコンピュータからなる分散システムとしてもよい。

１ ガスタービンモデル燃焼器
１１ 燃焼室
２ 圧力トランスデューサ
３ 制御部
３１ 信号解析装置
３１１ 圧力変動信号入力部
３１２ 記憶部
３１３ 位相空間構築部
３１４ 並進誤差演算部
３１５ 閾値設定部
３１６ 吹き消え発生推定部
３１７ ２次燃料流量計算部
３１８ ２次燃料流量制御部
３２，３３ マスフローコントローラ
４ 燃料タンク
５ コンプレッサ

Claims (14)

1. 物理現象を非線形解析により観測する観測装置であって、
   時間的に変化する物理量を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された物理量に関する並進誤差を演算する演算手段と、
   前記演算手段により演算された並進誤差に基づいて、特定の物理現象の発生を推定する推定手段と、
   を備えることを特徴とする物理現象の観測装置。
2. 前記検出部は、燃焼器の燃焼室内の圧力変動を検出し、検出された圧力変動を示す圧力変動信号を出力するように構成されており、
   前記演算手段は、前記検出部により出力された圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する並進誤差を演算するように構成されており、
   前記推定手段は、前記演算手段により演算された圧力変動の並進誤差に基づいて、前記燃焼器における燃焼の不安定の発生を推定するように構成されている
   請求項１記載の観測装置。
3. 前記推定手段は、前記演算手段により演算された並進誤差に基づいて、前記燃焼の不安定として、前記燃焼器における吹き消えの発生を推定するように構成されている
   請求項２記載の観測装置。
4. 前記推定手段は、前記演算手段により演算された並進誤差を所定の閾値と比較し、前記並進誤差が前記所定の閾値よりも大きい場合に、前記吹き消えの発生を推定するように構成されている
   請求項３記載の観測装置。
5. 前記演算手段は、前記検出部により出力された圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する多次元の位相空間内において各時刻の圧力変動に対応する位置ベクトルを演算することにより、前記圧力変動信号の波形を前記位相空間における軌道に変換し、当該軌道に基づいて、前記並進誤差を演算するように構成されている
   請求項３又は４に記載の観測装置。
6. 前記位相空間は、時刻ｔにおける圧力変動ｐ’（ｔ）、ｐ’（ｔ＋τ）、ｐ’（ｔ＋２τ）、…、ｐ’（ｔ＋（Ｄ−１）τ）（τ：遅れ時間、Ｄ：位相空間の次元定数）の各独立変数によって規定される多次元空間である
   請求項５記載の観測装置。
7. 前記位相空間は、前記次元定数Ｄを３とした３次元の位相空間である
   請求項６記載の観測装置。
8. 前記推定手段により吹き消えの発生が推定された場合に、前記吹き消えが発生しないように、前記燃焼器への燃料供給を制御する制御手段をさらに備える
   請求項３〜７のいずれか１項に記載の観測装置。
9. 前記制御手段は、前記推定手段により吹き消えの発生が推定された場合に、前記燃焼器へ供給する燃料を増加させるように構成されている
   請求項８記載の観測装置。
10. 前記制御手段は、前記演算手段によって演算された並進誤差の大きさに応じて、前記燃焼器へ供給する燃料を増加させるように構成されている
    請求項９記載の観測装置。
11. 前記検出部から出力される所定期間分の圧力変動信号を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記演算手段は、前記記憶部に記憶された前記所定期間分の圧力変動信号に基づいて、圧力変動に関する並進誤差を演算するように構成されている
    請求項２〜１０のいずれか１項に記載の観測装置。
12. 前記検出部は、所定周期で圧力変動の検出動作を繰り返すように構成されており、
    前記記憶部は、前記検出部から新たに出力された圧力変動信号によって、記憶する前記所定期間分の圧力変動信号を更新するように構成されている
    請求項１１記載の観測装置。
13. 前記燃焼器は、予混合燃焼器である
    請求項２〜１２のいずれか１項に記載の観測装置。
14. 物理現象を非線形解析により観測する観測方法であって、
    時間的に変化する物理量を検出する検出ステップと、
    検出された物理量に関する並進誤差を演算する演算ステップと、
    演算された並進誤差に基づいて、特定の物理現象の発生を推定する推定ステップと、
    を有することを特徴とする物理現象の観測方法。