JP2021011958A - 炉内監視装置及び炉内監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】炉内を撮像した動画を解析して石炭灰の付着／堆積状況を監視する場合であっても，膨大な時間を費やすことなく，石炭灰の付着／堆積状況を定量的に評価する。【解決手段】炉内監視装置１は，射影画像を取得する射影画像取得部１１と，炉内画像を取得する炉内画像取得部１２と，射影画像と炉内画像とを重ね合わせて，監視対象物の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する算出用画像作成部１３と，算出用画像における監視対象物において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する範囲指定部１４と，範囲指定部により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する灰付着／堆積判定部１５と，監視対象物における灰が占める灰面積率を算出する灰面積率算出部１６と，を備える。【選択図】図３

Description

本発明は，炉内監視装置及び炉内監視方法に関し，例えば，燃焼炉内の監視対象物への灰付着／堆積状況を監視する炉内監視装置及び炉内監視方法に関する。

従来，カメラによってボイラの燃焼状態を監視するボイラ燃焼監視装置が提案されている（例えば，特許文献１参照）。このボイラ燃焼監視装置は，ボイラの炉壁に設けた監視孔に炉内監視用カメラを挿入してボイラ内の燃焼状況を監視する。
微粉炭を燃焼する石炭焚ボイラでは，微粉炭の燃焼に伴って石炭灰が発生する。この石炭灰は，燃焼炉内の伝熱面に付着／堆積してボイラの熱効率を低下させるだけでなく，火炎検知器に付着して誤検知を引き起こす原因となる。また，石炭灰は，大きな塊に成長すると破砕除去に長い時間が必要となり，稼働率を低下させる。また，炉内水平部に石炭灰が異常に堆積すると，燃焼ガスの流れが変化して炉内の温度分布がアンバランスとなり，石炭焚ボイラの運転に悪影響を与える。そこで，安定かつ効率的にボイラを運転するために，赤外線カメラなどで燃焼炉内を撮像し，撮像画像の輝度情報を用いて燃焼炉内の石炭灰を可視化する方法が提案されている（例えば，特許文献２参照）。

特開平８−１７８２６０号公報 特開２０１７−１８７２６５号公報

しかしながら，石炭焚ボイラの燃焼炉内では微粉炭の燃焼によって生じる火炎や高温の燃焼ガスにより光が発生するので，目視及びカメラによる燃焼炉内の撮像は極めて困難である。また，火炎が発する光を透過する特殊な波長を用いることで燃焼炉内を撮像できるカメラが開発されているものの，そのカメラを用いても燃焼炉内で解析対象領域を的確に撮像できるとは限らない。そのため，カメラで撮像された炉内画像では，解析対象領域に歪みが発生したり，解析対象領域が炉内画像の端に位置してしまうことがある。
また，撮像された灰付着／堆積状況はアナログ情報であるために，評価者によって判断が異なる場合もあり，燃焼炉内の適切な管理に必要となる灰付着／堆積状況の定量的な評価が困難であった。
さらに，石炭焚ボイラ内での石炭灰の付着・成長や堆積は，連続的な現象である。そのため，カメラで石炭灰の付着・成長や堆積の過程を長時間にわたって動画で撮像し，動画に含まれる大量の静止画を評価することが好ましい。しかし，評価者が大量の静止画を見ながら石炭灰の付着／堆積状況を監視するには膨大な時間を費やすため，現実的ではない。

本発明は，このような実情に鑑みてなされたものであり，炉内を撮像した動画を解析して石炭灰の付着／堆積状況を監視する場合であっても，膨大な時間を費やすことなく，石炭灰の付着／堆積状況を定量的に評価できる炉内監視装置及び炉内監視方法を提供することを目的とする。

本発明に係る炉内監視装置は，射影計算により可燃物を燃焼する燃焼炉内に配置された監視対象物の射影画像を取得する射影画像取得部と，前記燃焼炉内を撮像して前記可燃物の灰が付着／堆積した灰付着／堆積後の前記監視対象物の炉内画像を取得する炉内画像取得部と，前記射影画像と前記炉内画像とを重ね合わせて，前記監視対象物の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する算出用画像作成部と，前記算出用画像における前記監視対象物において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する範囲指定部と，前記範囲指定部により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する灰付着／堆積判定部と，前記算出用画像における前記射影画像に由来する前記監視対象物と，前記炉内画像に由来する前記監視対象物において灰の付着／堆積判定により得られた灰の付着／堆積領域と，を対比して，前記監視対象物における灰が占める灰面積率を算出する灰面積率算出部と，を備えることを特徴とする。

また，前記灰付着／堆積判定部は，前記範囲指定部により指定された灰の付着／堆積判定を行う範囲の中心の画素の画素情報と，当該灰の付着／堆積判定を行う範囲における周囲の画素の画素情報とを対比して灰の付着／堆積を判定することが好ましい。

また，前記画素情報は，明度及びコントラストであることが好ましい。

また，前記灰面積率算出部によって算出された灰面積率に基づいて，前記監視対象物への灰の付着／堆積量を推定する灰付着／堆積量推定部を備えることが好ましい。

また，前記灰面積率算出部は，下記式（１）に基づいて灰面積率を算出することが好ましい。
灰面積率＝前記算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域での灰付着（堆積）面積÷前記算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域の面積 ・・・ 式（１）

また，前記範囲指定部は，前記算出用画像において灰の付着／堆積判定を行う範囲の中心位置を入力する中心位置入力部と，灰の付着／堆積判定を行う前記中心位置からの範囲を入力する範囲入力部と，を備えることが好ましい。

本発明に係る炉内監視方法は，射影計算により可燃物を燃焼する燃焼炉内に配置された監視対象物の射影画像を取得する射影画像取得工程と，前記燃焼炉内を撮像して前記可燃物の灰が付着／堆積した灰付着／堆積後の前記監視対象物の炉内画像を取得する炉内画像取得工程と，前記射影画像と前記炉内画像とを重ね合わせて，前記監視対象物の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する算出用画像作成工程と，前記算出用画像における前記監視対象物において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する範囲指定工程と，前記範囲指定工程により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する灰付着／堆積判定工程と，前記算出用画像における前記射影画像に由来する前記監視対象物と，前記炉内画像に由来する前記監視対象物において灰の付着／堆積判定により得られた灰の付着／堆積領域と，を対比して，前記監視対象物における灰が占める灰面積率を算出する灰面積率算出工程と，を有することを特徴とする。

また，前記灰面積率算出工程によって算出された灰面積率に基づいて，前記監視対象物への灰の付着／堆積量を推定する灰付着／堆積量推定工程を備えることが好ましい。

本発明によれば，炉内を撮像した動画を解析して石炭灰の付着／堆積状況を監視する場合であっても，膨大な時間を費やすことなく，石炭灰の付着／堆積状況を定量的に評価できる。

石炭焚ボイラの断面模式図である。 石炭焚ボイラの熱交換器及びガス流路の配置の説明図である。 炉内監視装置の構成を示すブロック図である。 炉内監視方法を示すフローチャートである。 灰付着／堆積判定工程を示すフローチャートである。 射影画像取得工程の説明図である。 炉内画像取得工程の説明図である。 算出用画像作成工程の説明図である。 算出用画像作成工程の説明図である。 範囲指定工程の説明図である。 灰付着／堆積判定工程の説明図である。 灰付着／堆積判定工程の説明図である。 灰付着／堆積判定工程の説明図である。 灰付着／堆積判定を行う範囲を変えた場合における灰付着／堆積判定工程の説明図である。 灰付着／堆積判定を行う範囲の説明図である。

以下，本発明の好ましい実施の形態について，図面を参照しながら説明する。なお，以下に示す実施の形態は一つの例示であり，本発明の範囲において種々の形態をとりうる。

＜石炭焚ボイラ＞
まず，本実施の形態に係る炉内監視装置が適用される石炭焚ボイラについて簡単に説明する。図１は，石炭焚ボイラの断面模式図である。なお，図１に示す石炭焚ボイラは，微粉炭焚ボイラであるが，炉内監視装置は，微粉炭焚ボイラ以外の流動床ボイラ及びストーカボイラなどの各種石炭焚ボイラにも適用可能である。さらに，炉内監視装置は，石炭焚ボイラだけでなく，燃焼炉を有する各種ボイラ（例えば，バイオマス焚きボイラ等）及び廃棄物焼却炉などの石炭焚ボイラ以外にも適用可能である。

図１に示すように，石炭焚ボイラ１００は，微粉炭（可燃物）Ｆの燃焼によって発生した熱を，熱交換器を通じて水に渡して水蒸気を生成するものである。石炭焚ボイラ１００は，微粉炭Ｆが燃焼する燃焼空間Ｓを有する火炉（燃焼炉）１０１を備える。火炉１０１は，上部に設けられた火炉天井１０１ａと，下部に設けられたホッパ１０１ｂと，側方に設けられた火炉前壁１０１ｃと，火炉後壁１０１ｄと，火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆ（図１において不図示，図２参照）とを有する。燃焼空間Ｓは，火炉天井１０１ａと，ホッパ１０１ｂと，火炉前壁１０１ｃと，火炉後壁１０１ｄと，火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆとにより囲まれている。火炉天井１０１ａ，ホッパ１０１ｂ，火炉前壁１０１ｃ，火炉後壁１０１ｄ及び火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆには，伝熱管群（不図示）が配置されている。微粉炭Ｆの燃焼により燃焼空間Ｓ内で発生した燃焼熱の一部は，伝熱管群を流れる水又は蒸気との間の熱交換によって一部が吸収される。

火炉１０１内の火炉前壁１０１ｃ及び火炉後壁１０１ｄの下部には，複数段のバーナ１０２が対向して配置されている。このバーナ１０２は，粉砕器（不図示）で粉砕された微粉炭Ｆと燃焼用空気Ａとを燃焼空間Ｓ内に噴出する。これにより，燃焼空間Ｓ内では，微粉炭Ｆと燃焼用空気Ａとの燃焼によって燃焼排ガスＧが発生する。なお，本実施の形態では，火炉前壁１０１ｃ及び火炉後壁１０１ｄにバーナ１０２をそれぞれ配置する対向燃焼方式について説明するが，バーナ１０２は，火炉１０１の四隅に配置するコーナファイアリング方式などとしてもよい。

火炉１０１内の燃焼空間Ｓの上方には，燃焼空間Ｓ内で発生した燃焼排ガスＧの熱を回収する熱交換器（吊り下げ熱交換器，監視対象物）１０３が複数設けられている。監視対象物は，吊り下げ熱交換器１０３だけでなく，後で説明するガス流路１０６，水平熱交換器１０４，また火炉天井１０１ａと，ホッパ１０１ｂと，火炉前壁１０１ｃと，火炉後壁１０１ｄと，火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆなどであってもよい。熱交換器１０３は，蒸気が流れる複数の伝熱管群を有する。熱交換器１０３は，燃焼排ガスＧと熱交換器１０３の伝熱管群を流れる蒸気と燃焼排ガスＧとの間で熱交換することにより，燃焼排ガスＧの燃焼熱を回収する。なお，図２に示す例では，熱交換器１０３が火炉１０１内の燃焼空間Ｓの上部に配置された例について説明するが，熱交換器１０３の配置は実際の設備に合わせて適宜変更可能である。

火炉１０１の火炉前壁１０１ｃには，火炉１０１の外部から火炉１０１内の熱交換器１０３及びその後方（燃焼排ガスＧの流れ方向下流側）へと続くガス流路１０６（監視対象物）の状態を観察する監視窓１０５が設けられている。なお，監視窓１０５は，火炉前壁１０１ｃ，火炉後壁１０１ｄに設けてもよく，火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆに設けてもよい。また，監視窓１０５は，少なくとも１つ設けられればよく，監視窓１０５の数や位置は適宜変更可能である。
ガス流路１０６の後方（ガス流路における下流側）には，熱交換器（水平熱交換器，監視対象物）１０４が複数設けられている。熱交換器１０４は，蒸気が流れる複数の垂直管１０４ａ（監視対象物）を有している。ガス流路１０６の壁面や床面，天井面には，ガス流路１０６内の燃焼排ガスＧの熱を吸収する伝熱管群１０７（監視対象物）が設けられている。

石炭焚ボイラ１００では，バーナ１０２によって燃焼空間Ｓ内に供給された微粉炭Ｆが燃焼用空気Ａと共に燃焼する。この結果，微粉炭Ｆ及び燃焼用空気Ａは，微粉炭Ｆに由来するフライアッシュなどの石炭灰を同伴した燃焼排ガスＧとなる。石炭灰を同伴した燃焼排ガスＧは，火炉１０１内を上昇してガス流路１０６に向かって流れていき，熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７（図１，図２，図３参照）と接触する。この結果，熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７では，燃焼排ガスＧが冷却され，燃焼排ガスＧに同伴したフライアッシュなどの石炭灰が固化して付着する，又は重力により石炭灰が水平部に堆積する。この熱交換器１０３及びその後方のガス流路１０６における熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７への灰付着／堆積状況は，監視窓１０５を介して火炉１０１の外部から観察可能となっている。熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７で熱回収された燃焼排ガスＧは，最終的には煙突（不図示）から排出される。

図２は，石炭焚ボイラ１００内の熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７の配置の説明図である。なお，図２は，図１のII−II線矢視断面図である。また，図２においては，複数の伝熱管を有する熱交換器１０３を平板形状として模式的に示し，伝熱管１０７を斜線で模式的に示している。

図２に示すように，本実施の形態では，複数の熱交換器１０３は，平面視にて略矩形形状をなしており，火炉１０１の燃焼空間Ｓの上方に並んで配置されている。複数の熱交換器１０３は，一端側が火炉天井１０１ａを貫通して配置され，他端側が燃焼空間Ｓ側に配置される。複数の熱交換器１０３は，主面が燃焼排ガスＧの流れ方向に沿う方向に配列される。ガス流路１０６における複数の熱交換器１０３の下方には，伝熱管１０７が配置されている。ガス流路１０６における熱交換器１０３及び伝熱管１０７の後方には，熱交換器１０４の垂直管１０４ａが複数配置されている。
また，複数の熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ及び伝熱管１０７は，火炉１０１の火炉前壁１０１ｃ内に設けられた監視窓１０５によって灰付着／堆積状況が監視できるように配置されている。なお，熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７の配置は，実際の設備に合わせて適宜変更可能である。

＜炉内監視装置＞
次に，炉内監視装置１について説明する。図３は，炉内監視装置１の模式図である。炉内監視装置１は，微粉炭を燃焼する火炉１０１及びガス流路１０６内に配置された熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７への灰付着／堆積状況を監視し，所定期間運転後の石炭焚ボイラ１００の熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７における灰が占める灰面積率を算出し，算出された灰面積率から灰付着／堆積量を推定するものである。なお，以下においては，監視対象物が石炭焚ボイラ１００のガス流路１０６における伝熱管１０７である場合について説明するが，監視対象物は，伝熱管１０７に限らず，熱交換器１０３，熱交換器１０４，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，火炉前壁１０１ｃ，火炉後壁１０１ｄ，火炉側壁１０１ｅ，１０１ｆを監視してもよいし，その他の設備にも適宜変更可能である。

図３に示すように，炉内監視装置１は，射影画像取得部１１と，炉内画像取得部１２と，算出用画像作成部１３と，範囲指定部１４と，灰付着／堆積判定部１５と，灰面積率算出部１６と，灰付着／堆積量推定部１７と，を備える。

射影画像取得部１１は，ガス流路１０６の射影計算によりガス流路１０６の射影画像を取得する。射影画像取得部１１は，例えば，設計図面及び設計データ，並びに，焦点距離及び視野角といった撮像機器のデータに基づいた射影計算によりガス流路１０６の射影画像を取得する。これにより，炉内監視装置１は，ガス流路１０６の平面視である射影画像を取得する。射影画像取得部１１は，取得した射影画像のデータを算出用画像作成部１３に出力する。

炉内画像取得部１２は，石炭焚ボイラ１００内の火炉１０１内を撮像するカメラなどの撮像機器を備える。炉内画像取得部１２は，撮像機器によって監視窓１０５を介してガス流路１０６内を動画で所定期間撮像することにより，石炭灰が付着／堆積したガス流路１０６の大量の炉内画像（動画から切り出した静止画）を取得する。ここでは，炉内画像取得部１２は，撮像対象となる石炭焚ボイラ１００内のガス流路１０６を撮像可能となるように，位置，姿勢及びズームレベルなどが適宜調整される。これにより，炉内監視装置１は，石炭焚ボイラ１００の所定期間運転後の灰付着／堆積後のガス流路１０６の炉内画像を取得する。ここでは，炉内画像取得部１２は，制御部（不図示）から送信される制御信号に基づいて撮像対象となるガス流路１０６の撮像を開始又は終了してもよい。また，炉内画像取得部１２は，ガス流路１０６を所定期間にわたって動画で撮像する場合に限らず，所定時間間隔（例えば，２４時間毎）でガス流路１０６を連続して撮像してもよい。すなわち，炉内画像取得部１２は，所定時間毎に静止画を複数取得してもよいし，所定期間にわたって撮像した動画に含まれる複数の画像を取得してもよい。炉内画像取得部１２は，取得した炉内画像のデータを算出用画像作成部１３に出力する。なお，図３に示す例では，１つの監視窓１０５の炉内画像を取得する例を示しているが，複数の監視窓１０５を設けた場合には，炉内画像取得部１２は，複数の監視窓１０５のうち，少なくとも１つの監視窓１０５の炉内画像を取得すればよい。

撮像機器としては，炉内画像が取得できるものであれば制限はない。撮像機器としては，例えば，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ及び赤外線カメラなどの各種カメラなどが挙げられる。赤外線カメラとしては，波長が１．４μｍ以上３μｍ未満の近赤外線，波長が３μｍ以上８μｍ未満の中赤外線及び波長が８μｍ以上１５μｍ未満の遠赤外線などの各種赤外線に感度を持つ赤外線カメラが用いられる。これらの中でも，赤外線カメラとしては，中赤外線に感度を持つ赤外線カメラが好ましい。

算出用画像作成部１３は，射影画像取得部１１によって取得された射影画像と炉内画像取得部１２によって取得された炉内画像とを重ね合わせて，ガス流路１０６の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する。ここでは，算出用画像作成部１３は，必要に応じて，射影画像に対して，炉内画像を上下左右に移動し，炉内画像を時計回り若しくは反時計回りに回転し，又は炉内画像を拡大縮小して重ね合わせてもよい。また，算出用画像作成部１３は，必要に応じて，炉内画像に対して，射影画像を移動，回転，拡大縮小して重ね合わせてもよい。さらに，算出用画像作成部１３は，必要に応じて，射影画像の計算に用いた焦点距離及び視野角を調整してもよい。これにより，炉内監視装置１は，灰付着／堆積前のガス流路１０６の射影画像と灰付着／堆積後のガス流路１０６の炉内画像とを重ね合わせた算出用画像を取得する。また，算出用画像作成部１３は，取得した算出用画像のデータを灰付着／堆積判定部１５に出力する。
なお，本実施の形態において，炉内画像取得部１２は，所定期間撮像された複数の炉内画像を含む動画を撮像するため，算出用画像作成部１３は，射影画像と各炉内画像とを重ね合わせて複数の算出用画像を作成する。これにより，後述する灰面積率算出部１６において，ガス流路１０６の灰面積率を時系列で詳細に算出することが可能となる。

範囲指定部１４は，例えば，操作入力部を備えるパーソナルコンピュータ，ワークステーション及びサーバなどの情報処理装置である。また，範囲指定部１４は，例えば，操作入力部を備えるタブレット及びスマートフォンなどの可搬型の情報処理装置であってもよい。
範囲指定部１４は，算出用画像におけるガス流路１０６において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する。具体的には，モニタ等の表示画面に映し出された算出用画像にマウス等のカーソルを合わせ，算出用画像において灰付着／堆積判定を行う範囲を指定する。
範囲指定部１４は，中心位置入力部１４ａと，範囲入力部１４ｂと，処理部１４ｃとを備える。中心位置入力部１４ａは，灰付着／堆積判定を行う範囲の中心位置を入力するものであり，具体的には，パーソナルコンピュータに接続されたマウスのクリックボタンである。範囲入力部１４ｂは，中心位置入力部１４ａで入力された中心位置からどの範囲まで灰付着／堆積判定を行うかの範囲を入力するものであり，具体的には，パーソナルコンピュータに接続されたキーボードである。中心位置入力部１４ａで入力された位置を中心とする円のサイズ（半径），円の形状（真円，楕円，長円等）を範囲入力部１４ｂから入力することにより，灰付着／堆積判定を行う範囲が指定される。処理部１４ｃは，入力された範囲を算出用画像上に表示させる処理を行う。

灰付着／堆積判定部１５は，例えば，パーソナルコンピュータ，ワークステーション及びサーバなどの情報処理装置である。また，灰付着／堆積判定部１５は，例えば，タブレット及びスマートフォンなどの可搬型の情報処理装置であってもよい。灰付着／堆積判定部１５は，範囲指定部１４により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する。
灰付着／堆積判定部１５は，算出用画像における各画素の明度，及び，隣接する画素とのコントラストを用いてガス流路１０６に灰が付着／堆積しているか否かを判定する。

灰面積率算出部１６は，例えば，パーソナルコンピュータ，ワークステーション及びサーバなどの情報処理装置である。また，灰面積率算出部１６は，例えば，タブレット及びスマートフォンなどの可搬型の情報処理装置であってもよい。灰面積率算出部１６は，算出用画像における射影画像に由来するガス流路１０６と，炉内画像に由来するガス流路１０６において灰付着／堆積判定部１５による灰付着／堆積判定により得られた灰の付着／堆積領域とを対比して，ガス流路１０６の監視対象物（熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７）における灰が占める灰面積率を算出する。具体的には，灰付着／堆積判定を行った範囲の面積と，当該範囲内において灰付着／堆積と判定された領域の面積とを比較して灰が占める灰面積率を算出する。
これにより，炉内監視装置１は，灰付着／堆積前後のガス流路１０６の平面画像を対比してガス流路１０６の監視対象物（熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７）における灰が占める灰面積率を算出できるので，ガス流路１０６への灰の付着／堆積状況を定量的に評価することが可能となる。

灰付着／堆積量推定部１７は，例えば，パーソナルコンピュータ，ワークステーション及びサーバなどの情報処理装置である。また，灰付着／堆積量推定部１７は，例えば，タブレット及びスマートフォンなどの可搬型の情報処理装置であってもよい。灰付着／堆積量推定部１７は，灰面積率算出部１６によって算出された灰面積率に基づいて，監視対象物（熱交換器１０３，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ，伝熱管１０７）への灰の付着／堆積量（例えば，体積，重量）を推定する。具体的には，灰面積率と経過時間に基づいて灰付着／堆積量を導き出す近似式を過去の実績データに基づいて作成しておき，算出された灰面積率と経過時間を当該近似式に入力することで灰付着／堆積量を推定する。なお，灰付着／堆積量推定部１７による灰付着／堆積量の推定は，上記の方法に限定されることはなく，灰面積率から推定できる方法であれば，どのような推定方法であってもよい。

＜炉内監視方法＞
次に，炉内監視装置１を用いた炉内監視方法について詳細に説明する。図４は，本実施の形態に係る炉内監視方法を示すフローチャートである。図４に示すように，炉内監視方法は，射影画像取得工程Ｓ１１と，炉内画像取得工程Ｓ１２と，算出用画像作成工程Ｓ１３と，範囲指定工程Ｓ１４と，灰付着／堆積判定工程Ｓ１５と，灰面積率算出工程Ｓ１７と，灰付着／堆積量推定工程Ｓ１８と，を有する。図５は，灰付着／堆積判定工程Ｓ１５を示すフローチャートである。

図６は，射影画像取得工程Ｓ１１の説明図である。図６に示すように，射影画像取得工程Ｓ１１では，射影画像取得部１１は，例えば，石炭焚ボイラ１００の設計図面及び設計データ，並びに，焦点距離及び視野角といった撮像機器のデータに基づいた射影計算により石炭焚ボイラ１００の監視窓１０５に対応するガス流路１０６の射影画像Ｇ１を取得する。図６においては，石炭焚ボイラ１００のガス流路１０６に対応する射影画像の灰付着／堆積前のガス流路１０６の構造の輪郭が示されている。具体的には，熱交換器１０３と，熱交換器１０４の垂直管１０４ａと，熱交換器１０３を通過したガスＧが通るガス流路１０６の床に設けられた伝熱管１０７と，が示されている。
これにより，射影画像Ｇ１では，灰付着／堆積前のガス流路１０６が平面図として表示される。また，射影画像Ｇ１では，灰面積率の算出を容易にするために，灰付着／堆積前のガス流路１０６の位置を示す文字又は記号を表示してもよい。なお，本実施の形態では，石炭焚ボイラ１００に設けられた１つの監視窓１０５に対応する射影画像Ｇ１を取得する例について説明するが，複数の監視窓１０５がある場合には，射影画像取得部１１は，複数の監視窓１０５に対応する射影画像Ｇ１をそれぞれ取得してもよい。

図７は，炉内画像取得工程Ｓ１２の説明図である。簡単のために，画像の内，伝熱管１０７に対応する部分のみ詳細に図示している。図７に示すように，炉内画像取得工程Ｓ１２では，炉内画像取得部１２は，石炭焚ボイラ１００の監視窓１０５を介して火炉１０１内を動画で撮像し，当該動画に含まれるガス流路１０６の炉内画像Ｇ２を複数切り出して取得する。図７においては，ガス流路１０６の伝熱管１０７に石炭灰Ａｓが付着／堆積したガス流路１０６が撮像されており，確認することができる。なお，本実施の形態では，石炭焚ボイラ１００に設けられた１つの監視窓１０５から炉内画像Ｇ２を取得する例について説明するが，炉内画像取得部１２は，複数の監視窓１０５から炉内画像Ｇ２をそれぞれ取得してもよい。また，炉内画像Ｇ２は，撮像した静止画を用いてもよい。

図８は，算出用画像作成工程Ｓ１３の説明図である。図８に示すように，算出用画像作成工程Ｓ１３では，算出用画像作成部１３は，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と，炉内画像Ｇ２の灰付着／堆積後のガス流路１０６とを重ね合わせて算出用画像Ｇ３を作成する。図８においては，実線で示された射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と，撮像された炉内画像Ｇ２に写っているガス流路１０６とを重ね合わせて算出用画像Ｇ３としている。

算出用画像作成工程Ｓ１３では，算出用画像作成部１３は，射影画像Ｇ１及び炉内画像Ｇ２の少なくとも一方の上下左右の位置の調整及び炉内画像Ｇ２の拡大縮小などにより，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と，炉内画像Ｇ２の灰付着／堆積後のガス流路１０６とを重ね合わせる。算出用画像作成部１３は，例えば，射影画像Ｇ１を基準として，炉内画像Ｇ２の上下左右の位置の調整及び拡大縮小により，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と炉内画像Ｇ２の灰付着／堆積後のガス流路１０６とを重ね合わせてもよい。また，算出用画像作成部１３は，例えば，炉内画像Ｇ２を基準として，射影画像Ｇ１の上下左右の位置の調整及び拡大縮小により，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と炉内画像Ｇ２の灰付着／堆積後のガス流路１０６とを重ね合わせてもよい。

なお，算出用画像作成部１３は，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６と，炉内画像Ｇ２の灰付着／堆積後のガス流路１０６との全てを必ずしも重ね合わせる必要はない。算出用画像作成部１３は，灰付着／堆積判定及び灰面積率算出の対象となる石炭焚ボイラ１００内で対応する位置に配置された灰付着／堆積前のガス流路１０６の一部と灰付着／堆積後のガス流路１０６の一部とを重ね合わせればよい。
また，算出用画像作成工程Ｓ１３では，算出用画像作成部１３により作成された算出用画像Ｇ３の全ての領域を灰付着／堆積判定及び灰面積率算出に用いるのではなく，図９に示すように，算出用画像Ｇ３の一部に焦点を当てて灰付着／堆積判定及び灰面積率算出に用いる解析対象領域Ｔ１を限定してもよい。図９においては，ガス流路１０６における伝熱管１０７に対象を絞り，ガス流路１０６の伝熱管１０７に相当する解析対象領域Ｔ１を算出用画像Ｇ３から切り出した画像を示している。

図１０は，範囲指定工程Ｓ１４の説明図である。図１０に示すように，範囲指定工程Ｓ１４では，ユーザーによる範囲指定部１４の操作によって灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する。
最初に，ユーザーは，中心位置入力部１４ａを操作して，モニタ等の表示画面に映し出された算出用画像Ｇ３にマウス等のカーソルを合わせ，灰付着／堆積判定を行う範囲の中心位置Ｏを入力する。
次に，ユーザーは，範囲入力部１４ｂを操作して，中心位置入力部１４ａで入力された中心位置Ｏからどの範囲まで灰付着／堆積判定を行うかの範囲を入力する。具体的には，中心位置入力部１４ａから入力された中心位置Ｏを中心とする円のサイズ（半径），円の形状（真円，楕円，長円等）をキーボード等から入力することにより，灰付着／堆積判定を行う範囲が指定される。図１１においては，円の形状として真円を選択し，円の半径ｒを入力すると，処理部１４ｃは，算出用画像Ｇ３上に中心位置Ｏを中心とする半径ｒの真円を表示させる。この真円によって囲まれた領域が灰付着／堆積判定を行う範囲Ｈとなる。

図１１〜図１４は，灰付着／堆積判定工程Ｓ１５の説明図である。簡単のために，デカルト座標で説明しているが，円筒座標に変換した空間で実施することが望ましい。図１１に示すように，範囲指定工程Ｓ１４において，灰付着／堆積判定を行う範囲Ｈを入力すると，図５に示すように，灰付着／堆積判定部１５は，中心位置Ｏを基準としてデカルト座標から円筒座標に変換を行い（ステップＳ３０），指定された円の範囲Ｈ内における中心位置Ｏの画素の明度と当該円の径方向に隣接する外側の画素の明度を比較する（ステップＳ３１）。明度を比較した結果，灰付着／堆積判定部１５は，比較対象となる外側の画素の明度が中心位置Ｏの画素の明度以上（明度の値が大きい，明るい）であると判定した場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ），灰付着／堆積判定部１５は，当該外側の画素については灰が付着／堆積していると判定する（ステップＳ３３）。
例えば，算出用画像Ｇ３における各画素の明度が図１１に示すような場合，灰付着／堆積判定部１５は，中心位置Ｏ１の画素の明度「８」と比べて明度が「８」以上の外側の画素ｐ１，ｐ２について灰が付着／堆積していると判定する。また，灰付着／堆積判定部１５は，算出用画像Ｇ３において，灰が付着／堆積していると判定した画素を周囲とは異なる色で塗りつぶし（網掛け部分），灰が付着／堆積していないと判定した画素については，塗りつぶさない。灰付着／堆積判定部１５は，上記の判定を指定した範囲Ｈ１内で中心位置Ｏ１から径方向に沿って外側に向けて行い，灰が付着／堆積していると判定した画素を周囲とは異なる色で塗りつぶす。

なお，灰付着／堆積判定部１５は，ステップＳ３２において，比較対象となる外側の画素の明度が中心位置Ｏの画素の明度未満（明度の値が小さい，暗い）であると判定した場合（ステップＳ３２：ＮＯ），灰付着／堆積判定部１５は，隣接する外側の画素の明度と中心位置Ｏの画素の明度とのコントラスト（明度の差）が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。
ステップＳ３４において，例えば，比較対象となる外側の画素の明度が隣接する画素の明度の値の８０％以上変化した場合をコントラストが大きいと判定する閾値とすると，図１２（ａ）に示す中心位置Ｏから距離Ｒｃの位置にある画素の明度は，隣接する画素の明度に比べて大きく下がっており，このような場合をコントラストが大きいと判定する。
かかる場合には，灰付着／堆積判定部１５は，当該画素よりもさらに外側の画素の明度が中心位置Ｏの画素の明度より大きくなっていても，径方向に沿った距離Ｒｃから円の外縁Ｒ１までの外側の画素の全てを灰付着／堆積がないものとして判定する（ステップＳ３５）。具体的には，図１２（ｂ）に示すように，中心位置Ｏ２の明度が「６」，隣接する外側の画素ｐ３，ｐ４の明度が「０」の場合，中心位置Ｏ２の明度の８０％以上の値が減っているため，当該画素ｐ３，ｐ４と径方向に並ぶ外側の画素ｐ５，ｐ６の明度がいかなる値であっても灰が付着／堆積している画素と判定しない。

一方，ステップＳ３４において，灰付着／堆積判定部１５は，比較対象となる外側の画素の明度が隣接する画素の明度の値の８０％未満の変化量であると判定した場合（ステップＳ３４：ＮＯ），灰付着／堆積判定部１５は，当該外側の画素のみを灰付着／堆積がないものとして判定する（ステップＳ３６）。図１０に示すように，灰付着／堆積判定部１５は，算出用画像Ｇ３において，灰付着／堆積判定を行った結果を表示する。具体的には，範囲指定部１４により指定された範囲Ｈ内で，灰付着／堆積判定部１５によって灰が付着／堆積していると判定している最中の領域Ｊ１を周囲とは異なる色で塗りつぶす。また，灰付着／堆積判定部１５によって，既に灰付着／堆積判定が終わった領域で，灰が付着／堆積していると判定された領域Ｊ２についても周囲とは異なる色で塗りつぶす。すなわち，範囲指定部１４により新たな範囲Ｈが指定された段階で，先程まで灰付着／堆積判定が行われていた領域Ｊ１は，既に灰付着／堆積判定がされた領域Ｊ２に変化する。

灰付着／堆積判定部１５は，ステップＳ３３，ステップＳ３５，ステップＳ３６のいずれかの判定を中心位置Ｏから全ての角度（方向）について判定した場合（ステップＳ３７：ＹＥＳ），灰付着／堆積判定処理を終了し，中心位置Ｏから全ての角度（方向）について判定していない場合（ステップＳ３７：ＮＯ）には，ステップＳ３１に戻る。
ユーザーは，図１１に示すように，灰付着／堆積判定を行う解析対象領域Ｔ１について，灰付着／堆積判定が重複しないように複数回にわたって範囲Ｈを指定して灰付着／堆積判定を行う。
最終的には，図１３に示すように，算出用画像Ｇ３上における解析対象領域Ｔ１について，灰付着／堆積判定部１５によって判定された灰付着／堆積領域Ｊ２が表示される。

なお，灰付着／堆積判定の際に，範囲指定部１４による範囲Ｈの指定は，比較的小さい範囲で複数回行うことが好ましい。例えば，図１１と図１４を比較してもわかるように，同じ算出用画像Ｇ３であっても，範囲指定部１４による範囲Ｈが大きくなると，図１４に示すように，中心位置の画素の明度によっては，ほとんどの画素について灰が付着／堆積していると判定されてしまい，灰付着／堆積判定の精度が落ちることもある。
原因として，撮像された画像には，流動するガスや燃焼灰による温度のムラ，撮像するカメラのレンズの汚れや歪み等の影響で画像内にバックグラウンドノイズのような明度差が発生することが考えられる。そのため，灰付着／堆積判定を比較的小さい範囲に絞り込むことで，局所的な明度の変化を検出することができ，ノイズの影響を排除することができる。
なお，図４，図５に示す灰付着／堆積判定工程Ｓ１５の後，算出用画像Ｇ３全域に対して範囲指定を行ったか否かを判定する（ステップＳ１６）。ここで，算出用画像Ｇ３全域に対して範囲指定を行った場合（ステップ１６：ＹＥＳ），次工程である灰面積率算出工程Ｓ１７に進み，算出用画像Ｇ３全域に対して範囲指定を行っていない場合（ステップ１６：ＮＯ），範囲指定工程Ｓ１４に戻る。

灰面積率算出工程Ｓ１７では，灰面積率算出部１６は，算出用画像Ｇ３における炉内画像Ｇ２に由来するガス流路１０６の伝熱管１０７（解析対象領域Ｔ１）における灰が占める灰面積率を算出する。
具体的には，灰面積率算出部１６は，灰付着／堆積判定工程Ｓ１５により得られた灰付着／堆積判定後の画像（図１３参照）を用いて，式（１）に基づいてガス流路１０６の伝熱管１０７における灰面積率を算出する。
灰面積率＝算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域（解析対象領域）での灰付着（堆積）面積÷算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域（解析対象領域）の面積・・・式（１）
ここで，灰付着／堆積面積及びガス流路１０６の伝熱管１０７の面積は，灰付着／堆積判定後の画像における画素数に基づいて算出する。
これにより，炉内監視装置１は，射影画像Ｇ１の灰付着／堆積前のガス流路１０６の伝熱管１０７の面積を基準として，灰付着／堆積後のガス流路１０６の伝熱管１０７の灰面積率を算出できるので，ガス流路１０６の伝熱管１０７への灰付着／堆積状況をより一層定量的に評価することが可能となる。

なお，灰面積率算出部１６は，算出した全てのガス流路１０６の全領域の灰面積率をＣＳＶ（Comma-Separated Values）形式などによって出力してもよい。

灰付着／堆積量推定工程Ｓ１８では，灰付着／堆積量推定部１７は，灰面積率算出工程Ｓ１７によって算出された灰面積率に基づいて，ガス流路１０６の伝熱管１０７への灰の付着／堆積量を推定する。具体的には，灰面積率と経過時間（ボイラの運転時間）に基づいて灰付着／堆積量を導き出す近似式を過去の実績データに基づいて作成しておき，算出された灰面積率と経過時間を当該近似式に入力することで灰付着／堆積量を推定する。

以上のように，炉内監視装置１及び炉内監視方法によれば，射影計算によって燃焼炉１０１内のガス流路１０６の射影画像Ｇ１を取得するので，燃焼炉１０１内のガス流路１０６を直接撮像する場合と比較して，ガス流路１０６の歪みを防ぎつつ，ガス流路１０６の位置を正確に再現することができる。そして，射影画像Ｇ１を基準として，燃焼炉１０１内の灰付着／堆積後のガス流路１０６を撮像した炉内画像Ｇ２を重ね合わせるので，灰付着／堆積後のガス流路１０６の歪み及び位置を適宜補正することが可能となる。これにより，炉内画像Ｇ２のみを用いてガス流路１０６の灰付着／堆積量を推定する場合と比較して，評価者に依存せずに適切にガス流路１０６の灰付着／堆積量を推定することができる。したがって，炉内監視装置１及び炉内監視方法は，ガス流路１０６の灰付着／堆積状況の定量的な評価が可能となる。
また，炉内監視においては，石炭灰の付着・成長または堆積の過程を長時間にわたって動画で撮像し，動画に含まれる大量の静止画を評価することが好ましいが，大量の静止画を解析することになっても，一つの静止画において指定した範囲毎にまとめて灰付着／堆積判定を行うことができるので，一つの静止画にかかる作業時間を大幅に短縮することができる。よって，評価対象が動画であっても膨大な時間を費やすことなく，石炭灰の付着／堆積状況を定量的に評価できる。さらに，動画の解析にも適しているので，灰の付着／堆積状況を所定時間毎の時系列で把握することができる。
また，灰付着／堆積判定において，灰付着／堆積判定部１５は，中心位置Ｏの画素の明度との比較に加え，隣接する画素とのコントラストを考慮して灰付着／堆積判定を行っているので，灰付着／堆積判定の精度を高めることができる。
また，灰面積率という具体的な数値を用いて灰の付着／堆積状況を定量的に評価することができるので，今後の炉内監視装置１及び炉内監視方法によるボイラの監視能力を大幅に向上させることができる。

＜その他＞
なお，本発明は，上記実施の形態に限られるものではない。例えば，灰面積率を算出する解析対象領域は，上記の伝熱管１０７（解析対象領域Ｔ１）に限らず，熱交換器１０４の垂直管１０４ａ（図１５における解析対象領域Ｔ２）であってもよいし，熱交換器１０３（図１５における解析対象領域Ｔ３）であってもよいし，これらの一部または全部の領域であってもよい。
ここで，熱交換器１０３を監視対象物（図１５における解析対象領域Ｔ３）とする場合には，熱交換器１０３が燃焼排ガスＧで揺れて位置が変わることがある。この場合，射影画像取得部１１は，想定される熱交換器１０３の可動域を考慮して射影画像Ｇ１を作成しておき，炉内画像Ｇ２における熱交換器１０３の位置に近い射影画像Ｇ１又は全ての射影画像Ｇ１を算出用画像作成部１３に送るようにしてもよい。
また，熱交換器１０３の挙動データを大量に蓄積することができれば，これらのデータを教師データとしてＡＩに学習させ，熱交換器１０３の挙動を考慮したうえで灰付着／堆積判定を行ってもよい。
また，ユーザーが範囲指定部１４を用いて灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する場合に限らず，灰の付着／堆積判定を行う範囲が重複しないようにコンピュータで自動的に範囲を指定できるようにしてもよい。
また，灰の付着／堆積判定には，明度，コントラストの一方だけを用いてもよい。また，炉内画像Ｇ２がカラー画像である場合には，輝度，彩度，色相等を用いて判定してもよい。
また，一つの温度領域での動画を解析するだけでなく，複数の動画（例えば，高温域での動画と低温域での動画）を撮像し，これらの動画を用いて算出用画像Ｇ３を作成して灰付着／堆積判定を行ってもよい。
また，熱交換器１０３の後方にあるガス流路１０６の炉内画像Ｇ２を撮像した例について説明したが，炉内画像Ｇ２は，熱交換器１０３の正面側や側面側から撮像したものであってもよく，各面に対して斜め上方，斜め下方から撮像したものであってもよい。
また，射影画像Ｇ１の大きさは，射影画像取得工程Ｓ１１で拡大縮小調整してもよく，算出用画像作成工程Ｓ１３で拡大縮小調整してもよい。すなわち，算出用画像作成工程Ｓ１３においては，射影画像Ｇ１と炉内画像Ｇ２とを重ね合わせて灰面積率を算出できれば，どのように射影画像Ｇ１及び炉内画像Ｇ２を取得してもよい。
また，灰の付着／堆積状況は，灰面積率算出部１６によって算出された灰面積率で評価してもよいし，灰付着／堆積量推定部１７によって推定された灰付着／堆積量で評価してもよい。

１ 炉内監視装置
１１ 射影画像取得部
１２ 炉内画像取得部
１３ 算出用画像作成部
１４ 範囲指定部
１４ａ 中心位置入力部
１４ｂ 範囲入力部
１５ 灰付着／堆積判定部
１６ 灰面積率算出部
１７ 灰付着／堆積量推定部
１００ 石炭焚ボイラ
１０１ 火炉（燃焼炉）
１０１ａ 火炉天井
１０１ｂ ホッパ
１０１ｃ 火炉前壁
１０１ｄ 火炉後壁
１０１ｅ，１０１ｆ 火炉側壁
１０２ バーナ
１０３ 熱交換器
１０４ 熱交換器
１０４ａ 垂直管
１０５ 監視窓
１０６ ガス流路
１０７ 伝熱管
Ａ 空気
Ｆ 微粉炭
Ｇ 燃焼排ガス
Ｇ１ 射影画像
Ｇ２ 炉内画像
Ｇ３ 算出用画像

Claims (8)

1. 射影計算により可燃物を燃焼する燃焼炉内に配置された監視対象物の射影画像を取得する射影画像取得部と，
   前記燃焼炉内を撮像して前記可燃物の灰が付着／堆積した灰付着／堆積後の前記監視対象物の炉内画像を取得する炉内画像取得部と，
   前記射影画像と前記炉内画像とを重ね合わせて，前記監視対象物の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する算出用画像作成部と，
   前記算出用画像における前記監視対象物において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する範囲指定部と，
   前記範囲指定部により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する灰付着／堆積判定部と，
   前記算出用画像における前記射影画像に由来する前記監視対象物と，前記炉内画像に由来する前記監視対象物において灰の付着／堆積判定により得られた灰の付着／堆積領域と，を対比して，前記監視対象物における灰が占める灰面積率を算出する灰面積率算出部と，
   を備えることを特徴とする炉内監視装置。
2. 前記灰付着／堆積判定部は，
   前記範囲指定部により指定された灰の付着／堆積判定を行う範囲の中心の画素の画素情報と，当該灰の付着／堆積判定を行う範囲における周囲の画素の画素情報とを対比して灰の付着／堆積を判定することを特徴とする請求項１に記載の炉内監視装置。
3. 前記画素情報は，明度及びコントラストであることを特徴とする請求項２に記載の炉内監視装置。
4. 前記灰面積率算出部によって算出された灰面積率に基づいて，前記監視対象物への灰の付着／堆積量を推定する灰付着／堆積量推定部を備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の炉内監視装置。
5. 前記灰面積率算出部は，下記式（１）に基づいて灰面積率を算出することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の炉内監視装置。
   灰面積率＝前記算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域での灰付着（堆積）面積÷前記算出用画像における灰付着（堆積）判定の対象領域の面積 ・・・ 式（１）
6. 前記範囲指定部は，
   前記算出用画像において灰の付着／堆積判定を行う範囲の中心位置を入力する中心位置入力部と，
   灰の付着／堆積判定を行う前記中心位置からの範囲を入力する範囲入力部と，
   を備えることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の炉内監視装置。
7. 射影計算により可燃物を燃焼する燃焼炉内に配置された監視対象物の射影画像を取得する射影画像取得工程と，
   前記燃焼炉内を撮像して前記可燃物の灰が付着／堆積した灰付着／堆積後の前記監視対象物の炉内画像を取得する炉内画像取得工程と，
   前記射影画像と前記炉内画像とを重ね合わせて，前記監視対象物の灰面積率の算出に用いる算出用画像を作成する算出用画像作成工程と，
   前記算出用画像における前記監視対象物において，灰の付着／堆積判定を行う範囲を指定する範囲指定工程と，
   前記範囲指定工程により指定された範囲内で灰が付着／堆積している領域を判定する灰付着／堆積判定工程と，
   前記算出用画像における前記射影画像に由来する前記監視対象物と，前記炉内画像に由来する前記監視対象物において灰の付着／堆積判定により得られた灰の付着／堆積領域と，を対比して，前記監視対象物における灰が占める灰面積率を算出する灰面積率算出工程と，
   を有することを特徴とする炉内監視方法。
8. 前記灰面積率算出工程によって算出された灰面積率に基づいて，前記監視対象物への灰の付着／堆積量を推定する灰付着／堆積量推定工程を備えることを特徴とする請求項７に記載の炉内監視方法。

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