JP2021103008A - 空気比推定システム、空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システム - Google Patents
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Abstract
Description
ここでの燃空比の算出は、主成分がメタンであるLNG(液化天然ガス)の燃焼過程で発生する各種のラジカル(不安定化学種)のうちの3種(OHラジカル,CHラジカル,C2ラジカル)のそれぞれにおける、発光の相対輝度と当量比(燃空比の逆数)との関係に基づき、火炎像から得られた当該相対輝度から当量比を求めることで行われる。OHラジカルは、306〜320nm(ナノメートル)の波長域において高い発光強度を有しており、CHラジカルは、波長432nm付近において発光強度のピークを有しており、C2ラジカルは、波長517nm付近において発光強度のピークを有している。
又、特にOHラジカルの相対輝度は、紫外域を撮像可能なカメラが必要となり、当量比の算出が大掛かりなものとなる。
そこで、本発明の主な目的は、ノイズに影響され難く、より高精度な空気比推定システムを提供することである。
又、本発明の別の主な目的は、シンプルな構成を有しており、より簡単に且つ低コストで空気比を推定可能である空気比推定システムを提供することである。
更に、本発明の更に別の主な目的は、上述の空気比推定システムが用いられた空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システムを提供することである。
請求項2に記載の発明は、上記発明において、前記コンピュータは、前記CH/CO−Oと前記空気比との対応関係を示すデータベースを参照可能であることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、上記発明において、前記カメラ及び前記コンピュータは、可搬性を呈していることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、上記発明において、前記燃焼設備は、前記火炎を視認可能な観察窓を有しており、前記カメラは、前記観察窓に設置されることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、空気比制御システムであって、上記空気比推定システムと、燃焼用空気の流量を開度により調整する空気流量調整弁と、燃焼用ガスの流量を開度により調整するガス流量調整弁と、前記空気流量調整弁及び前記ガス流量調整弁の少なくとも一方と接続されたコンピュータと、を備えており、前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、前記空気流量調整弁の開度及び前記ガス流量調整弁の開度の少なくとも一方を制御することを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、未燃検知システム又は失火検知システムであって、上記空気比推定システムと、コンピュータと、を備えており、前記コンピュータは、前記空気比制御システムにより推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力することを特徴とするものである。
尚、請求項5,6に記載の発明におけるコンピュータは、請求項1〜4に記載の空気比推定システムにおけるコンピュータと同一であっても良いし、異なっていても良いし、一部同一であっても良い。
又、本発明の別の主な効果は、シンプルな構成を有しており、より簡単に且つ低コストで空気比を推定可能である空気比推定システムが提供されることである。
更に、本発明の更に別の主な効果は、上述の空気比推定システムが用いられた空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システムが提供されることである。
尚、当該形態は、下記の例及び変更例に限定されない。
本体Cは、断熱材製の箱体である。本体Cの内部は、燃焼室Rとなっている。
バーナBは、本体Cにおける1つの壁Wに設置されている。壁Wには、孔Hが設けられている。バーナBは、孔Hを覆うように設けられている。バーナBは、燃焼用空気Aと燃焼用ガスGとを混合し、孔Hから燃焼室Rに吹き付ける。
燃焼用空気AのバーナBへの流量は、空気流量調整弁FAにより調整される。
燃焼用ガスGは、メタンを主成分とした都市ガスである。燃焼用ガスGのバーナBへの流量は、ガス流量調整弁FGにより調整される。尚、燃焼用ガスGの主成分は、メタンに代えて、あるいはメタンと共に、プロパン、ブタン、あるいはこれらの組合せ等(炭化水素を主成分とする炭化水素系ガス燃料)であっても良い。燃焼用ガスGの成分は、メタンのみ、プロパンのみ、ブタンのみ、あるいはこれらの組合せのみ等(炭化水素のみからなる炭化水素系ガス燃料)とされても良い。
尚、空気流量調整弁FA、ガス流量調整弁FG及び流量制御手段FCの少なくとも何れかが省略されても良い。又、流量制御手段FCに代えて、あるいは流量制御手段FCと共に、空気流量調整弁FAを制御する空気流量制御手段及びガス流量調整弁FGを制御するガス流量制御手段が設けられても良い。
バーナBが設置される壁Wには、観察窓Oが設けられている。観察窓Oは、透光性を有している。ユーザは、観察窓Oを通じて、燃焼室R内の火炎Lを視認可能である。尚、観察窓Oは、複数設けられても良い。又、観察窓Oは、バーナBの反対側等、バーナBが設置される壁W以外に配置されても良い。
PC2は、可搬性を呈するノート型である。尚、PC2は、タブレット型等の他の形式のものであっても良いし、パーソナルコンピュータ以外のコンピュータであっても良い。又、PC2は、可搬性を呈しない据え置き型のコンピュータであっても良い。
カメラ4は、可搬性を呈する。カメラ4は、観察窓Oに設置される。カメラ4のレンズ20及び撮像素子22は、火炎根元部L1に向けられ、主に火炎根元部L1を撮影する(図1の点線D1,D2参照)。カメラ4は、可視光に感度を有し、可視光に係る画像を撮影する(可視光カメラ)。可視光は、波長が可視域内である光である。可視域は、ここでは380nm以上780nmである。尚、可視域(カメラ4が感度を有する波長域)は、下限が400nmとされたり、上限が800nmとされたりする等、様々に変更可能である。
カメラ4は、1秒間当たり所定の枚数で連続して、火炎Lの画像、即ち火炎画像29を複数撮影可能である。即ち、カメラ4は、火炎Lの動画を撮影可能である。
カメラ4(カメラ側通信手段26)は、PC2(PC側通信手段13)と通信可能に接続されている。PC2(PC側記憶手段10)は、カメラ4から受信した火炎Lの各画像、即ち各火炎画像29を記憶可能である。
又、PC2(PC側記憶手段10)は、PC側通信手段13及びカメラ側通信手段26を介して、カメラ4を制御可能である。尚、カメラ側制御手段28が省略され、カメラ4が完全にPC2により制御されても良い。
PC2は、流量制御手段FCと接続されている。
PC2は、推定した空気比に応じて、次に示されるような燃焼炉P(バーナB)に係る各種の制御を行える。
即ち、PC2は、推定された空気比に基づいて、流量制御手段FCを介し、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁FGの少なくとも一方を制御して、燃焼用空気Aの流量及び燃焼用ガスGの流量の少なくとも一方を自動的に調整する。例えば、PC2は、推定された空気比が、目標とするために予め設定された空気比の値である目標空気比設定値と(一定程度以上)異なる場合、目標空気比設定値に近づくように、燃焼用空気Aの流量及び燃焼用ガスGの流量の少なくとも一方を調整する。尚、燃焼用空気Aの流量の調整は、空気流量調整弁FAに接続されたモータにおける回転量の調整により行われても良い。燃焼用ガスGの流量の調整についても、同様である。
又、PC2は、推定された空気比が、通常の燃焼が維持される場合の下限とするために予め設定された空気比の値である下限空気比設定値未満となった場合に、PC側出力手段12において、下限空気比設定値未満となった旨の警報を出力する。空気比が所定程度より小さくなると、燃焼炉Pにおける燃焼状態が不完全(未燃)となり、一酸化炭素発生の可能性等の危険が生じるため、PC2は、未燃の警報によって、ユーザに未燃を知らせる。尚、流量制御手段FCに出力手段が設けられる場合、流量制御手段FCの出力手段において警報を発しても良い。
同様に、PC2は、推定された空気比が、燃焼が維持されない場合に取り得る値として予め設定された空気比の値である失火空気比設定値未満となった場合に、失火空気比設定値未満となった旨の警報を出力する。PC2は、失火の警報によって、ユーザに失火を知らせる。
図2は、当量比φ(空気比の逆数)が1.0,1.2,1.4の3つの場合における、火炎発光の可視域での波長における相対強度の分布を示すグラフである。
一般に、炭化水素の分解過程では、次のような反応が短時間内で起こり、活性で短寿命な中間化学種(不安定化学種)としてのラジカルが各種発生している。尚、“*”は、励起状態であることを示す。又、“hν”は、振動数νの光のエネルギー(hはプランク定数)を示す。
C2+OH→CO+CH* ・・・式1
CH+O2→CO+OH ・・・式2
CO+O2→CO2+hν ・・・式3
又、式1の右辺及び式2に登場するCHラジカルが生成される。このうちCH*から、光が放射される(CH放射)。CH放射は、可視域では波長431.5nmにバンドヘッドを持つ。CH放射は、火炎L(特に火炎根元部L1)の青さに寄与している。尚、CH放射は、紫外域の波長387.2nmにおいてもバンドヘッドを有する。
更に、最終段階の酸化反応としての式3の反応に伴い、CO−O放射と呼ばれる発光がなされる。式3の反応は、単に酸素分子でCOが酸化されるというだけでなく、活性な酸素原子が介在していることから、“CO−O放射”と呼ばれている。このCO−O放射は、350nm以上500nm以下にわたって比較的に高い相対強度を有している(連続スペクトル)。
これらの光の放射の態様は、炭化水素の分解が促進されている火炎根元部L1において顕著に認められ、炭化水素が完全に分解されずススを含んでいる火炎先端部L2では、異なったものとなる。
尚、式1,2に登場するOHラジカルは、306nm以上320nm以下の紫外域において高い発光強度を有している。よって、可視域に感度を有するカメラ4では、当該波長域の光は、撮影不能である。
そこで、本出願人は、より正確な空気比の推定を実現するため、青色域で発光するCO−O放射(図2)に着目した。
但し、CO−O放射は、連続スペクトルであり、又その波長域内にCH放射のバンドヘッドが存在するため、CO−O放射の強度のみを測定して空気比を推定するより、CO−O放射の強度にCH放射の強度を加味した要素で空気比を推定する方が、より正確になる。
そこで、本出願人は、CO−O放射の強度とCH放射の強度との比(CH/CO−O)に基づいて、空気比を推定することを見出した。
まず、各ラジカルの放射光の波長に相当するRGBの輝度の各値(RGB値)が、複数のサンプルの解析、撮像のシミュレーション、及びカメラ4(特に撮像素子22)の特性分析の少なくとも何れかに基づき、PC2において予め計算により把握される(ステップS1)。
ここでは、CH放射として波長431.5nmの光に相当するRGB値が把握され、CO−O放射として380nm以上390nm以下の波長域の光に相当するRGB値が把握される。尚、CH放射のRGB値が把握される場合、PC2は、380nm以上390nm以下の波長域におけるCO−O放射に相当する輝度を、当該波長域に係る総合的な輝度から減じても良い。
CO−O放射の波長域が380nm以上390nm以下に設定されることは、次の3つの理由から好ましい。第1に、当該設定に係る波長域が、CH放射のバンドヘッドから離れており、CH放射の影響が低減される。第2に、当該設定に係る波長域が、C2放射のバンドヘッドから離れており、C2放射の影響が低減される。第3に、青色(可視域短波長側)の外光は、緑色(可視域中間域)の外光に比べて少なく、外光の影響が低減される。尚、CO−O放射に対応するものとして設定される波長域は、上述の380nm以上390nm以下の波長域に限られず、例えばCH放射の431.5nmのバンドヘッドとC2放射の473.7nmのバンドヘッドとの間における440nm以上460nm以下とされても良いし、上限及び下限の少なくとも一方を変えて385nm以上410nm以下等とされても良いし、380nm以上400nm以下及び440nm以上460nm以下といったように複数設定されても良い。
このステップS1は、事前のデータ解析によって既に行われている場合、燃焼炉Pの空気比の推定を行うに際し、省略されても良い。
続いて、PC2は、読み込んだ初期解析用の火炎画像29から、空気比の推定に係る画像の解析を行う範囲(解析範囲)を設定する(ステップS3)。PC2は、初期解析用の火炎画像29のうち、火炎根元部L1の中央部をカバーする領域を、画像解析、及びオペレータによるPC側入力手段11を介した範囲指定の少なくとも一方により決定して、解析範囲を設定する。
又、PC2は、初期解析用の火炎画像29におけるステップS3で設定された解析範囲内の部分に対し、ステップS1で算出した各ラジカル放射のRGB値が存在するか否かをスキャンして、各ラジカル放射の抽出及び輝度値の解析を行う(ステップS4)。
尚、ステップS3,S4の少なくとも一方は、省略されても良い。
更に、PC2は、各火炎画像29の解析範囲内における各ラジカル放射の各累積輝度の計算を行う(ステップS6)。ここでは、PC2は、まず0〜1,1〜2,2〜3,3〜4,4〜5秒の各1秒間内に属する火炎画像29の組毎に、CHラジカル放射,CO−Oラジカル放射の輝度の合計(CHラジカル放射秒間累積輝度,CO−Oラジカル放射秒間累積輝度)を積算する。次に、PC2は、5つのCHラジカル放射秒間累積輝度を平均して単位時間のCHラジカル放射の累積輝度(CH)を算出し、5つのCO−Oラジカル放射秒間累積輝度を平均して単位時間のCO−Oラジカル放射の累積輝度(CO−O)を算出する。
尚、ステップS1〜S4の少なくとも何れかは、初期解析用の火炎画像29ではなく、連続取得された火炎画像29の少なくとも何れかに基づいて行われても良い。
次いで、PC2は、CH/CO−Oに対応する空気比を抽出し、推定した空気比をPC側出力手段12により出力する(ステップS8)。CH/CO−Oと空気比との対応関係を示すデータベース30は、PC側記憶手段10に記憶されている。PC2は、データベース30を参照して、CH/CO−Oに対応する空気比を得る。
尚、PC2は、1枚あるいは複数枚の火炎画像29毎に部分的なCH/CO−Oを計算し、その部分的なCH/CO−Oを累積してCH/CO−Oを算出しても良い。
推定対象の燃焼炉Pにおいて空気比推定システム1により空気比を推定する場合、推定手法として、燃焼用ガスGの流量を測定する燃焼用ガス流量計が設置され、燃焼用ガス流量計により燃焼用ガスGの流量が把握されながらCH/CO−Oが算出されるものが挙げられる。この場合、例えば図4の“○”(丸印)のように燃焼用ガスGの流量比が0.4であるときにCH/CO−Oが0.9であれば、空気比が1.5と推定される。
更に、PC2は、例えば下限空気比設定値が1.05とされていて、推定された空気比が1.05を下回った場合に、未燃の旨をPC側出力手段12において出力する(未燃検知システム、未燃警報システム)。尚、PC2は、推定された空気比が下限空気比設定値を下回った場合に、目標空気比設定値に近づく制御と同様の制御を行っても良く、かような制御において、流量の変化度合を、目標空気比設定値に近づく制御より大きく(あるいは小さく)しても良い。
又、PC2は、例えば失火空気比設定値が0.8とされていて、推定された空気比が0.8を下回った場合に、失火の旨をPC側出力手段12において出力する(失火検知システム、失火警報システム)。尚、PC2は、推定された空気比が失火空気比設定値を下回った場合に、バーナBにおける燃焼(燃焼用ガスGの供給)を停止しても良い。
即ち、空気比推定システム1は、燃焼用ガスG(都市ガス)による火炎Lが起きる燃焼炉Pにおける空気比を推定するものであり、火炎Lを複数回撮影して複数の火炎画像29を取得するカメラ4と、複数の火炎画像29を受信するPC2と、を備えており、PC2は、複数の火炎画像29から火炎LのCO−Oラジカル放射の可視域内における輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCO−Oラジカル累積輝度CO−Oと、複数の火炎画像29から火炎LのCHラジカル放射の輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCHラジカル累積輝度CHとに基づいて、CO−Oラジカル累積輝度CO−OとCHラジカル累積輝度CHとの比であるCH/CO−Oを算出すると共に、CH/CO−Oに対応する空気比を抽出する。
よって、空気比推定システム1は、CO−Oラジカル累積輝度CO−OとCHラジカル累積輝度CHとの比に基づいて空気比を推定するため、CHラジカル放射の輝度に基づいて空気比を推定する場合に比べてノイズに影響され難く、より高精度になる。又、空気比推定システム1は、可視光に感度を有するカメラ4で空気比を推定可能であり、OHラジカル放射を測定する場合のように紫外線に感度を有するカメラを用いる必要がなく、シンプルな構成を有することとなり、又より簡単に且つ低コストで空気比が推定可能である。
又更に、カメラ4及びPC2は、可搬性を呈している。よって、空気比推定システム1は、可搬性を呈し、様々な場所にある燃焼炉P等において空気比の推定を実行可能である。
加えて、燃焼炉Pは、火炎Lを視認可能な観察窓Oを有しており、カメラ4は、観察窓Oに設置される。よって、空気比推定システム1は、燃焼炉Pの観察窓Oを利用して簡単に空気比を推定することができる。
即ち、空気比制御システムは、空気比推定システム1と、燃焼用空気Aの流量を開度により調整する空気流量調整弁FAと、燃焼用ガスGの流量を開度により調整するガス流量調整弁FGと、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁GAの少なくとも一方と接続されたPC2と、を備えており、PC2は、空気比推定システム1により推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、空気流量調整弁FAの開度及びガス流量調整弁FGの開度の少なくとも一方を制御する。
よって、空気比制御システムが、ノイズに影響され難く、より高精度な制御が可能である状態で、より簡単に且つ低コストで構築される。
即ち、未燃検知システム又は失火検知システムは、空気比推定システム1と、PC2と、を備えており、PC2は、空気比制御システム1により推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力する。
よって、未燃検知システム又は失火検知システムが、ノイズに影響され難く、より高精度な検知が可能である状態で、より簡単に且つ低コストで構築される。
燃焼設備は、ガスタービン、工業炉、乾燥炉、ボイラ等であっても良い。
又、空気比の調整は、PC2によらず、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁GAの少なくとも一方の手動操作により行われても良い。
Claims (6)
- 炭化水素系ガス燃料による火炎が起きる燃焼設備における空気比を推定する空気比推定システムであって、
前記火炎を複数回撮影して複数の火炎画像を取得するカメラと、
複数の前記火炎画像を受信するコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、複数の前記火炎画像から前記火炎のCO−Oラジカル放射の可視域内における輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCO−Oラジカル累積輝度と、複数の前記火炎画像から前記火炎のCHラジカル放射の輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCHラジカル累積輝度とに基づいて、前記CO−Oラジカル累積輝度と前記CHラジカル累積輝度との比であるCH/CO−Oを算出すると共に、前記CH/CO−Oに対応する前記空気比を抽出する
ことを特徴とする空気比推定システム。 - 前記コンピュータは、前記CH/CO−Oと前記空気比との対応関係を示すデータベースを参照可能である
ことを特徴とする請求項1に記載の空気比推定システム。 - 前記カメラ及び前記コンピュータは、可搬性を呈している
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の空気比推定システム。 - 前記燃焼設備は、前記火炎を視認可能な観察窓を有しており、
前記カメラは、前記観察窓に設置される
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の空気比推定システム。 - 請求項1ないし請求項4の何れかに記載の空気比推定システムと、
燃焼用空気の流量を開度により調整する空気流量調整弁と、
燃焼用ガスの流量を開度により調整するガス流量調整弁と、
前記空気流量調整弁及び前記ガス流量調整弁の少なくとも一方と接続されたコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、前記空気流量調整弁の開度及び前記ガス流量調整弁の開度の少なくとも一方を制御する
ことを特徴とする空気比制御システム。 - 請求項1ないし請求項4の何れかに記載の空気比推定システムと、
コンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、前記空気比制御システムにより推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力する
ことを特徴とする未燃検知システム又は失火検知システム。
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