JP2024027347A - 衝撃波生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃波生成装置において、燃料の燃焼状態を判定可能とする。【解決手段】基端から先端に向けて燃焼ガスが流れるガス通路が設けられて先端に開口部が設けられる燃焼装置と、燃焼装置の基端から内部に可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置と、燃焼装置に供給された可燃性ガスに点火する点火装置と、可燃性ガスの燃焼による火炎の発生時期を検出する火炎発生時期検出センサと、火炎発生時期検出センサの検出結果に基づいて点火装置による点火前の可燃性ガスの自着火を判定する判定装置と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、爆轟による衝撃波を生成するための衝撃波生成装置に関するものである。

例えば、ごみ焼却炉、石炭ガス化複合発電設備（ＩＧＣＣ）、発電用ボイラなどは、排ガス中に含まれるダストが火炉の内壁面や伝熱管の外面などに付着する。火炉の内壁面や伝熱管の外面などに付着したダストは、熱伝達率を低下させて熱回収効率を悪化させたり、排ガスの流れの抵抗になって火炉の性能を低下させたりする。そのため、ダスト除去装置により、火炉の内壁や伝熱管の外面に付着したダストを定期的に除去する必要がある。

ダスト除去装置は、衝撃波生成装置を有する。衝撃波生成装置は、燃料を燃焼させることで火炎の伝播速度が音速を超える爆轟による衝撃波を生成する。ダスト除去装置は、衝撃波生成装置が生成した衝撃波によりダストを除去する。このような従来の衝撃波生成装置として、下記特許文献に記載されたものがある。

特開昭６０－２０５１２０号公報 特開２００２－１０６８２６号公報

従来の衝撃波生成装置は、燃料と酸化剤とが混合された混合気に点火し、混合気が燃焼することで爆轟による衝撃波を生成する。このとき、燃焼の形態により爆轟波が生成されず、爆燃波となってしまうことがあり、例えば、ダストを適切に除去することができないおそれがある。また、混合気に着火する前に、混合気が自着火して逆火が発生することがある。そのため、衝撃波生成装置は、適正に爆轟が発生しているか否かを判定する必要がある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、燃料の燃焼状態を判定可能な衝撃波生成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の衝撃波生成装置は、基端から先端に向けて燃焼ガスが流れるガス通路が設けられて前記先端に開口部が設けられる燃焼装置と、前記燃焼装置の前記基端から内部に可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置と、前記燃焼装置に供給された前記可燃性ガスに点火する点火装置と、前記可燃性ガスの燃焼による火炎の発生時期を検出する火炎発生時期検出センサと、前記火炎発生時期検出センサの検出結果に基づいて前記点火装置による点火前の前記可燃性ガスの自着火を判定する判定装置と、を備える。

本開示の衝撃波生成装置によれば、燃料の燃焼状態を判定することができる。

図１は、第１実施形態の衝撃波生成装置を表す概略構成図である。 図２は、光学センサの取付構造を表す断面図である。 図３は、光学センサの取付構造の変形例を表す断面図である。 図４は、爆轟と爆燃と逆火の検出方法を説明するためのタイムチャートである。 図５は、衝撃波生成装置による燃料の燃焼状態判定方法を表すフローチャートである。 図６は、第２実施形態の衝撃波生成装置における爆轟の強度を説明するための概略図である。 図７は、第３実施形態の衝撃波生成装置を表す概略構成図である。 図８は、爆轟と爆燃と逆火の検出方法を説明するためのタイムチャートである。

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［第１実施形態］
＜衝撃波生成装置＞
図１は、第１実施形態の衝撃波生成装置を表す概略構成図である。

図１に示すように、第１実施形態の衝撃波生成装置１０は、ごみ焼却炉、石炭ガス化複合発電設備、発電用ボイラ（以下、ボイラと称する。）などの火炉の内壁面や伝熱管の外面などに付着するダストを除去するダスト除去装置に適用される。なお、火炉は、ボイラの燃焼場の周囲を取り囲む壁部から構成されるものであるが、ダスト除去装置は、火炉の上部や下部に連続する壁部の内壁面などに付着するダストを除去することができる。ダスト除去装置は、火炉の内部に連通する配管を通して火炉内に可燃性ガスを供給し、可燃性ガスに着火させることで爆轟による衝撃波Ｓを発生させる。すなわち、可燃性ガスが燃焼すると、火炎と衝撃波が一体になった爆轟波が伝播し、可燃性ガスがなくなった時点で衝撃波として伝播する。ダスト除去装置は、爆轟による衝撃波Ｓが火炉の内壁や伝熱管の外面に作用することで、付着したダストを吹き飛ばして除去する。

衝撃波生成装置１０は、ダスト除去装置に設けられ、ボイラの停止中にダスト除去装置が作動するとき、燃料の燃焼による爆轟で衝撃波Ｓを生成するものである。

衝撃波生成装置１０は、燃焼装置１１と、可燃性ガス供給装置１２と、点火装置１３と、火炎発生時期検出センサ１４と、制御装置（判定装置）１５と、警報装置１６とを備える。

燃焼装置１１は、基端から先端に向けて燃焼ガスが流れるガス通路２１を有する。燃焼装置１１は、起爆管２２と、燃焼器２３とを有する。ガス通路２１は、起爆管２２の内部に設けられる第１通路２４と、燃焼器２３の内部に設けられる第２通路２５とから構成される。

起爆管２２は、筒形状をなし、基端２２ａが閉塞し、先端２２ｂが開口する。起爆管２２は、内部に所定長さの第１通路２４が設けられる。起爆管２２は、基端２２ａに可燃性ガス供給装置１２が接続される。燃焼器２３は、筒形状をなし、基端２３ａが起爆管２２の先端２２ｂに連結されて連通し、先端２３ｂが開口して開口部２３ｃが設けられる。起爆管２２のガス通路２１と、燃焼器２３の第２通路２５は、同心である。但し、起爆管２２のガス通路２１と、燃焼器２３の第２通路２５は、同心ではなくてもよく、異なる形状であってもよい。燃焼器２３は、内部に所定長さの第２通路２５が設けられる。燃焼器２３の第２通路２５は、起爆管２２の第１通路２４より大径である。燃焼器２３は、基端２３ａから先端２２ｂまで第２通路２５が同径であるが、基端２３ａに対して先端２２ｂが拡径していてもよい。燃焼器２３は、先端２３ｂの開口部２３ｃが火炉１０１の火炉壁１０２に区画された内部空間１０３に連通する。

可燃性ガス供給装置１２は、燃料供給部３１と、酸化剤供給部４１とを有する。燃料供給部３１は、燃料Ｆを供給する。酸化剤供給部４１は、酸化剤Ａとしての酸素または空気を供給する。可燃性ガス供給装置１２は、燃料供給部３１が供給した燃料Ｆと酸化剤供給部４１が供給した酸化剤Ａとが混合された混合気を可燃性ガスＭとして燃焼装置１１の基端から内部に供給する。

燃料供給部３１は、燃料供給経路３２と、燃料ボンベ３３と、減圧弁３４と、マスフローコントローラ３５と、安全器３６と、燃料供給弁３７と、逆止弁３８とを有する。燃料供給経路３２は、上流端部に燃料ボンベ３３が連結され、下流側に向けて減圧弁３４、マスフローコントローラ３５、安全器３６、燃料供給弁３７、逆止弁３８が設けられる。燃料ボンベ３３は、燃料Ｆが貯留される。減圧弁３４は、燃料ボンベ３３の燃料Ｆを減圧し、供給する燃料Ｆの圧力を調整する。マスフローコントローラ３５は、燃料Ｆの質量流量を計測し、計測した燃料Ｆの質量流量と予め設定された燃料Ｆの設定値とを比較し、燃料Ｆの質量流量が設定値となるように流量制御弁の開度を調整する。安全器３６は、逆火を防止する。燃料供給弁３７は、開閉弁であり、開放時に燃料Ｆを供給し、閉止時に燃料Ｆの供給を停止する。逆止弁３８は、上流側への燃料Ｆや可燃性ガスＭの逆流を防止する。

酸化剤供給部４１は、酸化剤供給経路４２と、酸化剤ボンベ４３と、減圧弁４４と、マスフローコントローラ４５と、安全器４６と、酸化剤供給弁４７と、逆止弁４８とを有する。酸化剤供給経路４２は、上流端部に酸化剤ボンベ４３が連結され、下流側に向けて減圧弁４４、マスフローコントローラ４５、安全器４６、酸化剤供給弁４７、逆止弁４８が設けられる。酸化剤ボンベ４３は、酸化剤Ａが貯留される。減圧弁４４は、酸化剤ボンベ４３の酸化剤Ａを減圧し、供給する酸化剤Ａの圧力を調整する。マスフローコントローラ４５は、酸化剤Ａの質量流量を計測し、計測した酸化剤Ａの質量流量と予め設定された酸化剤Ａの設定値とを比較し、酸化剤Ａの質量流量が設定値となるように流量制御弁の開度を調整する。安全器４６は、逆火を防止する。酸化剤供給弁４７は、開閉弁であり、開放時に酸化剤Ａを供給し、閉止時に酸化剤Ａの供給を停止する。逆止弁４８は、上流側への酸化剤Ａや可燃性ガスＭの逆流を防止する。

燃料供給経路３２と酸化剤供給経路４２は、下流端部がクロス継手５１を介して可燃性ガス供給経路５２の上流端部に連結され、可燃性ガス供給経路５２は、下流端部が起爆管２２の基端２２ａに連結される。また、パージガス経路５３は、上流端部に送風機５４が連結され、下流端部がクロス継手５１に連結される。パージガス経路５３は、パージガス供給弁５５が設けられる。クロス継手５１は、燃料供給経路３２と酸化剤供給経路４２と可燃性ガス供給経路５２とパージガス経路５３とを連通する。送風機５４は、パージガス（例えば、空気や不活性ガスなど）Ｐを可燃性ガス供給経路５２に供給する。パージガス供給弁５５は、開閉弁であり、開放時にパージガスＰを供給し、閉止時にパージガスＰの供給を停止する。

点火装置１３は、燃焼装置１１における起爆管２２に供給された可燃性ガスＭに点火する。点火装置１３は、起爆管２２の基端２２ａに設けられる。

火炎発生時期検出センサ１４は、可燃性ガスＭの燃焼による火炎Ｃの発生時期を検出する。火炎発生時期検出センサ１４は、燃焼装置１１における燃焼器２３の基端２３ａに設けられる。火炎発生時期検出センサ１４は、燃焼器２３の基端２３ａから開口部２３ｃを向いて配置されることで、所定角度のセンサ領域１４ａを有する。

火炎発生時期検出センサ１４は、燃焼器２３で発生した火炎Ｃからの発光を検出する光学センサであることが好ましい。光学センサとしては、紫外光検出センサが好ましい。火炎は、赤外光線（ＩＲ）、可視光線、紫外光線（ＵＶ）の波長の電磁波を放射する。但し、赤外光線や可視光線は、火炎Ｃ以外からも放出されることから、紫外光検出センサを用いることで、赤外光線や可視光線を不感とし、紫外光線を検出して純粋に火炎Ｃだけの信号を検出する。特に、波長の短い紫外光（例えば、大気の吸収により太陽光の成分として地上に届きにくい波長１００ｎｍ～３１５ｎｍ、特に地上に殆ど届かない１００ｎｍから２８０ｎｍのソーラーブラインド領域）を選択的に検出することで、誤って太陽外光を検知することを防止する。

但し、光学センサとしては、紫外光検出センサに限るものではない。例えば、光学センサとして、フォトダイオードや光電管などを適用してもよい。

制御装置１５は、点火装置１３、火炎発生時期検出センサ１４、マスフローコントローラ３５、燃料供給弁３７、マスフローコントローラ４５、酸化剤供給弁４７、パージガス供給弁５５が接続される。

制御装置１５は、点火装置１３による可燃性ガスＭへの点火時期を制御可能である。制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４の検出結果が入力される。制御装置１５は、マスフローコントローラ３５とマスフローコントローラ４５を調整制御可能である。制御装置１５は、燃料供給弁３７と酸化剤供給弁４７とパージガス供給弁５５を開閉制御可能である。

また、制御装置１５は、判定装置として機能する。すなわち、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４の検出結果に基づいて点火装置１３による点火前の可燃性ガスＭの自着火を判定する。また、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が検出した火炎Ｃの伝播速度に基づいて爆轟と爆燃を判定する。

そして、制御装置１５は、可燃性ガスＭの自着火を判定すると、可燃性ガス供給装置１２を制御し、燃焼装置１１への可燃性ガスＭの供給を停止する。すなわち、制御装置１５は、燃料供給弁３７および酸化剤供給弁４７を閉止する。また、制御装置１５は、可燃性ガスＭの自着火を判定すると、燃焼装置１１の内部にパージガスＰを供給する。すなわち、制御装置１５は、燃料供給弁３７および酸化剤供給弁４７を閉止した後、パージガス供給弁５５を開放する。

制御装置１５は、警報装置１６が接続される。制御装置１５は、警報装置１６を作動制御可能である。制御装置１５は、可燃性ガスＭの自着火や爆燃を判定すると、警報装置１６を作動させる。

ここで、制御装置１５は、コントローラであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）などにより、記憶部に記憶されている各種プログラムがＲＡＭを作業領域として実行されることにより実現される。

＜光学センサの取付構造＞
図２は、光学センサの取付構造を表す断面図である。

図２に示すように、燃焼器２３は、基端２３ａ側の壁部６１に光学窓６２が設けられる。火炎発生時期検出センサ１４としての光学センサは、燃焼器２３における壁部６１の外側で、光学窓６２を覆うように配置される。火炎発生時期検出センサ１４は、光学窓６２を介して所定角度のセンサ領域１４ａが設定される。火炎発生時期検出センサ１４は、光学窓６２を通して火炎Ｃからの発光を検出する。なお、光学窓６２は、透過性を有し、特定の波長の光（例えば、紫外光）だけを取り出すフィルタリング性能を有していてもよい。また、光学窓６２は、内側の面に対してパージガスを噴出する機構を設けることで、視認性の確保や冷却性を確保してもよい。

なお、光学センサの取付構造は、上述したものに限定されない。図３は、光学センサの取付構造の変形例を表す断面図である。

図３に示すように、燃焼器２３は、基端２３ａ側の壁部６１に光学窓６２が設けられる。火炎発生時期検出センサ１４としての光学センサは、燃焼器２３から離間した所定の位置に配置される。火炎発生時期検出センサ１４と光学窓６２との間に光ファイバ６３が設けられる。光ファイバ６３は、一端部が火炎発生時期検出センサ１４に接続され、他端部が取付部材６４により燃焼器２３における壁部６１の外側で、光学窓６２に面するように取付けられる。火炎発生時期検出センサ１４は、光ファイバ６３および光学窓６２を介して所定角度のセンサ領域１４ａが設定される。火炎発生時期検出センサ１４は、光ファイバ６３により光学窓６２を通して火炎Ｃからの発光を検出する。

＜爆轟と爆燃と逆火の検出方法＞
図４は、爆轟と爆燃と逆火の検出方法を説明するためのタイムチャートである。

図１および図４に示すように、可燃性ガス供給装置１２は、燃料供給部３１および酸化剤供給部４１により燃料と酸化剤が混合された可燃性ガスＭを起爆管２２に供給して充てんする。そして、時間ｔ２にて、点火装置１３が作動し、起爆管２２の可燃性ガスＭに点火する。すると、可燃性ガスＭは、起爆管２２の第１通路２４を流れる間に着火され、火炎Ｃが基端２２ａから先端２２ｂに広がるように燃焼する。そして、起爆管２２の火炎Ｃが燃焼器２３に到達すると、火炎Ｃが基端２３ａから第２通路２５を通って先端２３ｂに広がるように燃焼し、爆轟による衝撃波Ｓが生成される。

制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が検出した火炎Ｃの発生時期（伝播速度）に基づいて爆轟と爆燃と逆火（自着火）を判定する。火炎発生時期検出センサ１４は、光学センサであって、火炎Ｃ（例えば、紫外光線）を検出する。火炎発生時期検出センサ１４は、火炎Ｃの発生時にパルスがＯＮとなり、火炎Ｃが消滅時にパルスがＯＦＦとなる。そのため、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が検出した火炎発生時（パルスＯＮ）から火炎消滅時（パルスＯＦＦ）までの火炎Ｃが発生した時間であるパルス長τｄを算出する。パルス長τｄは、火炎Ｃの伝播速度に反比例する。制御装置１５は、火炎Ｃの発生期間のパルス長τｄ（火炎Ｃの伝播速度）に基づいて燃料（可燃性ガスＭ）の燃焼状態を判定する。

燃料が燃焼するとき、火炎Ｃの伝播速度に応じて爆燃または爆轟となる。火炎Ｃの伝播速度が音速以下であるときは爆燃となり、火炎Ｃの伝播速度が音速を超えると爆轟となって衝撃波Ｓが生成される。爆轟になると、衝撃波Ｓが生成される。ここで、爆燃と爆轟との間に、火炎Ｃの伝播速度に応じたしきい値τｔを設定する。爆燃と爆轟との間の伝播速度に応じたしきい値τｔは、例えば、伝播速度１０００ｍ／ｓに応じたパルス長である。つまり、算出したパルス長τｄがしきい値τｔ以下であるときは爆轟であり、パルス長τｄ（火炎Ｃの伝播速度）がしきい値τｔを超えたときは爆燃である。一般的に、爆轟による衝撃波Ｓの伝播速度（火炎Ｃの伝播速度）は、１０００ｍ／ｓ以上となることから、パルス長τｄが短くなる。

そのため、制御装置１５は、パルス長τｄがしきい値τｔ以下であるときは爆轟と判定し、パルス長τｄ（火炎Ｃの伝播速度）がしきい値τｔを超えたときは爆燃と判定する。つまり、時間ｔ３でパルスがＯＮとなり、時間ｔ４でパルスがＯＦＦとなると、パルス長τｄがしきい値τｔ以下であるため、制御装置１５は、爆轟と判定する。一方、時間ｔ３でパルスがＯＮとなり、時間ｔ６でパルスがＯＦＦとなると、パルス長τｄがしきい値τｔを超えるため、制御装置１５は、爆燃と判定する。

また、ボイラの稼働中、火炉１０１の内部空間１０３を上昇する排ガスに熱により燃焼器２３に充てんされた可燃性ガスＭが自着火することがある。制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が検出した火炎Ｃの発生時期に基づいて自着火による逆火を判定する。すなわち、時間ｔ２にて、点火装置１３が作動し、起爆管２２の可燃性ガスＭに点火されると、その後、可燃性ガスＭが着火されて爆轟による衝撃波Ｓが生成される。しかし、燃焼器２３に充てんされた可燃性ガスＭが自着火すると、火炎発生時期検出センサ１４は、点火装置１３が作動する前に火炎Ｃを検出する。時間ｔ２で点火装置１３が作動して可燃性ガスＭに点火するとき、逆火（自着火）が発生すると、時間ｔ２より時間Ｔａだけ前の時間ｔ１にて、パルスがＯＮとなり、時間ｔ５にて、パルスがＯＦＦとなる。制御装置１５は、点火装置１３が作動する時間ｔ２より前の時間ｔ１にて、パルスがＯＮになると、逆火と判定する。

そして、制御装置１５が爆轟と判定すると、燃焼装置１１は、正常な燃焼であることから、制御装置１５は、次の運転タイミングでも同様の制御により、燃焼装置１１と可燃性ガス供給装置１２と点火装置１３を作動する。

一方、制御装置１５が爆燃と判定すると、燃焼装置１１は、異常な燃焼であることから、制御装置１５は、次の運転タイミングでは、異なる制御により、燃焼装置１１と可燃性ガス供給装置１２と点火装置１３を作動する。すなわち、制御装置１５は、例えば、可燃性ガス供給装置１２により生成される可燃性ガスＭにおける燃料と酸化剤の混合比を調整する。

また、制御装置１５が逆火と判定すると、燃焼装置１１は、異常な燃焼であることから、制御装置１５は、可燃性ガス供給装置１２による燃焼装置１１への可燃性ガスＭの供給を停止する。そして、パージガスＰを燃焼装置１１へ供給することで、逆火の進行を抑制する。

＜燃料の燃焼状態判定方法＞
図５は、衝撃波生成装置による燃料の燃焼状態判定方法を表すフローチャートである。

図１および図５に示すように、ステップＳ１１にて、制御装置１５は、パージガス供給弁５５を閉止し、燃焼装置１１へのパージガスＰの供給を停止する。ステップＳ１２にて、制御装置１５は、燃料供給弁３７を開放して燃料Ｆの供給を開始すると共に、酸化剤供給弁４７を開放して酸化剤Ａの供給を開始する。すると、燃料Ｆと酸化剤Ａが混合された可燃性ガスＭが燃焼装置１１の起爆管２２に供給される。

ステップＳ１３にて、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が火炎発生に伴って発生するパルス（ＯＮ）を検出したか否かを判定する。ここで、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４がパルス（ＯＮ）を検出したと判定（Ｙｅｓ）すると、ステップＳ１４にて、制御装置１５は、逆火が発生したと判定し、ステップＳ１５にて、燃焼装置１１の異常燃焼であると判定する。すなわち、制御装置１５は、点火装置１３の作動前にもかかわらず、火炎発生時期検出センサ１４が燃焼器２３で発生した火炎Ｃを検出したため、逆火が発生した異常燃焼であると判定する。そして、ステップＳ１６にて、警報装置１６を作動する。ステップＳ１７にて、燃焼装置１１への可燃性ガスＭの供給を停止し、ステップＳ１８にて、パージガスＰを燃焼装置１１へ供給する。

一方、ステップＳ１３にて、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４がパルス（ＯＮ）を検出していないと判定（Ｎｏ）すると、ステップＳ１９に移行する。ステップＳ１９にて、制御装置１５は、可燃性ガスＭを起爆管２２に供給してから、予め設定された所定の経過時間が経過したか否かを判定する。ここで、経過時間とは、所定量の可燃性ガスＭが燃焼装置１１における起爆管２２および燃焼器２３の内部に充填されるまでの時間である。制御装置１５は、所定の経過時間が経過していないと判定（ＮＯ）すると、ステップＳ１３に戻る。

一方、制御装置１５は、所定の経過時間が経過したと判定（Ｙｅｓ）すると、ステップＳ２０にて、制御装置１５は、燃料供給弁３７を閉止して燃料Ｆの供給を停止すると共に、酸化剤供給弁４７を閉止して酸化剤Ａの供給を停止する。すると、燃焼装置１１の起爆管２２への可燃性ガスＭの供給が停止される。そして、ステップＳ２１にて、制御装置１５は、点火装置１３を作動し、起爆管２２に充填された可燃性ガスＭに点火する。すると、可燃性ガスＭは、起爆管２２の第１通路２４を流れる間に着火され、火炎Ｃが基端２２ａから先端２２ｂに広がるように燃焼する。そして、起爆管２２の火炎Ｃが燃焼器２３に到達すると、火炎Ｃが基端２３ａから第２通路２５を通って先端２３ｂに広がるように燃焼する。

ステップＳ２２にて、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が火炎発生に伴って発生するパルス（ＯＮ）を検出したか否かを判定する。ここで、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４がパルス（ＯＮ）を検出していないと判定（Ｎｏ）すると、ステップＳ３１にて、制御装置１５は、点火装置１３が作動してから予め設定された所定の待ち時間が経過したか否かを判定する。ここで、制御装置１５は、待ち時間が経過していないと判定（Ｎｏ）すると、このままで待機する。しかし、制御装置１５は、待ち時間が経過したと判定（Ｙｅｓ）すると、ステップＳ３２にて、制御装置１５は、点火装置１３による可燃性ガスＭへの着火失敗と推定し、ステップＳ３３にて、警報装置１６を作動する。

一方、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４がパルス（ＯＮ）を検出したと判定（Ｙｅｓ）すると、ステップＳ２３にて、制御装置１５は、検出したパルス長τｄがしきい値τｔ以下であるか否かを判定する。ここで、制御装置１５は、検出したパルス長τｄがしきい値τｔ以下ではないと判定（Ｎｏ）すると、ステップＳ２４にて、制御装置１５は、爆燃が発生したと判定し、ステップＳ２５にて、燃焼装置１１の異常燃焼であると判定する。そして、ステップＳ２６にて、警報装置１６を作動する。ステップＳ２７にて、燃焼装置１１へ供給する可燃性ガスＭにおける燃料Ｆと酸化剤Ａの混合比を調整する。

一方、ステップＳ２３にて、制御装置１５は、検出したパルス長τｄがしきい値τｔ以下であると判定（Ｙｅｓ）すると、ステップＳ２８にて、制御装置１５は、爆轟が発生したと判定し、ステップＳ２９にて、燃焼装置１１の正常燃焼であると判定する。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態の衝撃波生成装置における爆轟の強度を説明するための概略図である。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図１に示すように、衝撃波生成装置１０は、燃焼装置１１と、可燃性ガス供給装置１２と、点火装置１３と、火炎発生時期検出センサ１４と、制御装置（判定装置）１５と、警報装置１６とを備える。

制御装置１５は、判定装置として機能し、火炎発生時期検出センサ１４の検出結果に基づいて爆轟と爆燃と逆火（自着火）を判定する。そして、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４の検出結果に基づいて爆轟と判定したとき、火炎の伝播速度に基づいて爆轟波の強度を推定する。

爆轟の強度は、燃焼器２３で発生した火炎Ｃの発生時間、つまり、火炎発生時期検出センサ１４が火炎Ｃを検出してパルスがＯＮとなってからパルスがＯＦＦとなるまでのパルス長τｄに応じて推定される。すなわち、燃焼器２３に供給される可燃性ガスＭの充填量に応じて火炎の爆轟の強度が変化する。そのため、爆轟は、パルス長τｄがしきい値τｔ以下で、且つ、パルス長τｄが長いほど強度が高いものと推定できる。

図６に示すように、爆轟の判定は、衝撃波Ｓ（火炎）のパルス長τｄがしきい値τｔ以下であると規定されたとき、最も強度の高い最大衝撃波は、パルス長τｄ＝しきい値τｔのときである。例えば、パルス長τｄがしきい値τｔの１／２よりも短いパルス長τｄ１であるとき、第１衝撃波は、強度が低いものとなる。一方、パルス長τｄがしきい値τｔの１／２よりも長いパルス長τｄ２であるとき、第２衝撃波は、強度が高いものとなる。なお、しきい値τｔは、余裕分を考慮して設定される。

図１に示すように、制御装置１５は、衝撃波Ｓのパルス長τｄから推定した爆轟（衝撃波Ｓ）の強度に基づいて、可燃性ガス供給装置１２の制御を行う。例えば、制御装置１５は、爆轟（衝撃波Ｓ）の強度に基づいて、燃焼装置１１に対する可燃性ガスＭの充てん量を増減したり、可燃性ガスＭにおける燃料Ｆと酸化剤Ａの混合比を調整したりする。そのため、衝撃波Ｓの強度を、火炉１０１の容積に応じた最適な強度に設定することができる。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態の衝撃波生成装置を表す概略構成図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、衝撃波生成装置１０Ａは、燃焼装置１１と、可燃性ガス供給装置１２と、点火装置１３と、火炎発生時期検出センサ１４Ａ，１４Ｂと、制御装置（判定装置）１５と、警報装置１６とを備える。燃焼装置１１と可燃性ガス供給装置１２と点火装置１３と制御装置１５と警報装置１６は、第１実施形態とほぼ同様の構成である。

第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、可燃性ガスＭの燃焼による火炎Ｃの発生時期を検出する。火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、燃焼装置１１における燃焼器２３のガス流れ方向に間隔を空けて複数（本実施形態では、２個）配置される。火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、燃焼器２３の第２通路２５における可燃性ガスＭまたは火炎Ｃ（衝撃波Ｓ）の流れ方向に交差する方向を向いて配置される。火炎発生時期検出センサ１４Ａは、第２通路２５の上流側に配置され、第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、第２通路２５の上流側に配置される。第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、燃焼器２３の第２通路２５におけるガス流れ方向の異なる２か所で火炎を検出する。なお、第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、燃焼器２３で発生した火炎Ｃからの発光を検出する光学センサであり、検出方法は、第１実施形態と同様である。

図８は、爆轟と爆燃と逆火の検出方法を説明するためのタイムチャートである。

図７および図８に示すように、可燃性ガス供給装置１２は、燃料供給部３１および酸化剤供給部４１により燃料と酸化剤が混合された可燃性ガスＭを起爆管２２に供給して充てんする。そして、時間ｔ２にて、点火装置１３が作動し、起爆管２２の可燃性ガスＭに点火する。すると、可燃性ガスＭは、起爆管２２の第１通路２４を流れる間に着火され、火炎Ｃが基端２２ａから先端２２ｂに広がるように燃焼する。そして、起爆管２２の火炎Ｃが燃焼器２３に到達すると、火炎Ｃが基端２３ａから第２通路２５を通って先端２３ｂに広がるように燃焼し、爆轟による衝撃波Ｓが生成される。

制御装置１５は、第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂが検出した火炎Ｃの発生時期（伝播速度）に基づいて爆轟と爆燃と逆火（自着火）を判定する。第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、光学センサであって、火炎Ｃ（例えば、紫外光線）を検出する。第１火炎発生時期検出センサ１４Ａおよび第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、火炎Ｃの発生時にパルスがＯＮとなり、火炎Ｃが消滅時にパルスがＯＦＦとなる。燃料が燃焼するとき、火炎Ｃの伝播速度に応じて爆燃または爆轟となる。火炎Ｃの伝播速度が音速以下であるときは爆燃となり、火炎Ｃの伝播速度が音速を超えると爆轟となって衝撃波Ｓが生成される。

第１火炎発生時期検出センサ１４Ａと第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂは、第２通路２５のガス流れ方向に距離Ｌだけ離間して配置される。そのため、第１火炎発生時期検出センサ１４Ａにより火炎の検出時期（パルスＯＮ）と、第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂにより火炎の検出時期（パルスＯＮ）との間に時間差Δｔが発生する。時間差Δｔは、火炎Ｃの伝播速度に反比例する。制御装置１５は、衝撃波Ｓの時間差Δｔ（火炎Ｃの伝播速度）に基づいて燃料（可燃性ガスＭ）の燃焼状態を判定する。

ここで、爆燃と爆轟との間に、火炎Ｃの伝播速度のしきい値Ｖｔを設定する。爆燃と爆轟との間の伝播速度のしきい値Ｖｔは、例えば、伝播速度１０００ｍ／ｓである。つまり、距離Ｌと算出した時間差Δｔから求めた伝播速度Ｌ／Δｔがしきい値Ｖｔ以上であるときは爆轟であり、伝播速度Ｌ／Δｔがしきい値Ｖｔ未満であるときは爆燃である。

そのため、制御装置１５は、伝播速度Ｌ／Δｔがしきい値Ｖｔ以上であるときは爆轟と判定し、伝播速度Ｌ／Δｔがしきい値Ｖｔ未満であるときは爆燃と判定する。つまり、時間ｔ３で第１火炎発生時期検出センサ１４ＡのパルスがＯＮとなり、時間ｔ４で第２火炎発生時期検出センサ１４ＢのパルスがＯＮなると、時間差Δｔ１が短いものとなり、伝播速度Ｌ／Δｔ１がしきい値Ｖｔ以上であるため、制御装置１５は、爆轟と判定する。一方、時間ｔ３で第１火炎発生時期検出センサ１４ＡのパルスがＯＮとなり、時間ｔ５で第２火炎発生時期検出センサ１４ＢのパルスがＯＮなると、時間差Δｔ２が長いものとなり、伝播速度Ｌ／Δｔ２がしきい値Ｖｔ未満であるため、制御装置１５は、爆燃と判定する。

また、ボイラの稼働中、火炉１０１の内部空間１０３を上昇する排ガスに熱により燃焼器２３に充てんされた可燃性ガスＭが自着火することがある。制御装置１５は、第１火炎発生時期検出センサ１４Ａまたは第２火炎発生時期検出センサ１４Ｂが検出した火炎Ｃの発生時期に基づいて自着火による逆火を判定する。すなわち、時間ｔ２にて、点火装置１３が作動し、起爆管２２の可燃性ガスＭに点火されると、その後、可燃性ガスＭ着火されて爆轟による衝撃波Ｓが生成される。しかし、燃焼器２３に充てんされた可燃性ガスＭが自着火すると、火炎発生時期検出センサ１４，１４Ｂは、点火装置１３が作動する前に火炎Ｃを検出する。時間ｔ２で点火装置１３が作動して可燃性ガスＭに点火するとき、逆火（自着火）が発生すると、時間ｔ２より時間Ｔａだけ前の時間ｔ１にて、パルスがＯＮとなり、時間ｔ４にて、パルスがＯＦＦとなる。制御装置１５は、点火装置１３が作動する時間ｔ２より前の時間ｔ１にて、パルスがＯＮになると、逆火と判定する。

第２実施形態の衝撃波生成装置１０Ａによる燃料の燃焼状態判定方法は、第１実施形態とほぼ同様であることから、説明は省略する。

なお、第３実施形態は、第１実施形態に対して火炎発生時期検出センサ１４，１４Ｂに位置を変更したものである。但し、第１実施形態の火炎発生時期検出センサ１４に対して、第３実施形態の火炎発生時期検出センサ１４，１４Ｂを追加してもよい。この場合、爆轟をより高精度に判定することができる。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る衝撃波生成装置は、基端から先端に向けて燃焼ガスが流れるガス通路２１が設けられて先端に開口部が設けられる燃焼装置１１と、燃焼装置１１の基端から内部に可燃性ガスＭを供給する可燃性ガス供給装置１２と、燃焼装置１１に供給された可燃性ガスＭに点火する点火装置１３と、可燃性ガスＭの燃焼による火炎Ｃの発生時期を検出する火炎発生時期検出センサ１４，１４Ａ，１４Ｂと、火炎発生時期検出センサ１４，１４Ａ，１４Ｂの検出結果に基づいて点火装置１３による点火前の可燃性ガスＭの自着火を判定する制御装置（判定装置）１５とを備える。

第１の態様に係る衝撃波生成装置によれば、制御装置１５は、可燃性ガスＭの燃焼による火炎Ｃの発生時期に基づいて点火装置１３による点火前の可燃性ガスＭの自着火を判定する。その結果、燃料の燃焼状態を判定することができる。

第２の態様に係る衝撃波生成装置は、第１の態様に係る衝撃波生成装置であって、さらに、制御装置１５は、火炎発生時期検出センサ１４が検出した火炎Ｃの伝播速度に基づいて爆轟と爆燃を判定する。これにより、燃料の燃焼状態を詳細に判定することができる。

第３の態様に係る衝撃波生成装置は、第２の態様に係る衝撃波生成装置であって、さらに、制御装置１５が爆轟と判定したとき、火炎Ｃの伝播速度に基づいて爆轟波の強度を推定する。これにより、爆轟波の強度を推定することで、衝撃波の適用先に応じて爆轟波の強度を調整することができる。

第４の態様に係る衝撃波生成装置は、第１の態様から第３の態様のいずれか一つに係る衝撃波生成装置であって、さらに、火炎発生時期検出センサ１４，１４Ａ，１４Ｂは、前記火炎からの発光を検出する光学センサである。これにより、赤外光線、可視光線、紫外光線を検出することで、火炎を容易に特定することができる。

第５の態様に係る衝撃波生成装置は、第１の態様から第４の態様のいずれか一つに係る衝撃波生成装置であって、さらに、燃焼装置１１は、基端２２ａに可燃性ガス供給装置１２が接続される起爆管２２と、基端２３ａが起爆管２２の先端２２ｂに連結された燃焼器２３とを有し、火炎発生時期検出センサ１４は、燃焼器２３の開口部２３ｃを向いて配置される。これにより、一つの火炎発生時期検出センサ１４により、燃焼器２３で発生する火炎を容易に検出することができる。

第６の態様に係る衝撃波生成装置は、第１の態様から第５の態様のいずれか一つに係る衝撃波生成装置であって、さらに、燃焼装置１１は、基端２２ａに可燃性ガス供給装置１２が接続される起爆管２２と、基端２３ａが起爆管２２の先端２２ｂに連結された燃焼器２３とを有し、火炎発生時期検出センサ１４Ａ，１４Ｂは、燃焼器２３にガス流れ方向に間隔を空けて複数配置される。これにより、燃焼器２３で発生する火炎を適切に検出することができる。

第７の態様に係る衝撃波生成装置は、第１の態様から第６の態様のいずれか一つに係る衝撃波生成装置であって、さらに、制御装置１５が可燃性ガスＭの自着火を判定すると、可燃性ガス供給装置１２は、可燃性ガスＭの供給を停止する。これにより、安全性を向上することができる。

第８の態様に係る衝撃波生成装置は、第７の態様に係る衝撃波生成装置であって、さらに、制御装置１５が可燃性ガスＭの自着火を判定すると、燃焼装置１１の内部にパージガスＰを供給する。これにより、安全性を向上することができる。

なお、上述した実施形態では、衝撃波生成装置を、ごみ焼却炉、石炭ガス化複合発電設備、発電用ボイラなどの火炉の内壁面や伝熱管の外面などに付着するダストを除去するダスト除去装置に適用したが、適用先はこれらに限定されるものではない。衝撃波生成装置は、例えば、衝撃波を燃焼装置の開口部から放射してその反力を受けて推力とする推進機関やタービンを回す動力機関、衝撃波を燃焼器の開口部から放射して開口部近くに配置した物体に対して衝撃波の高圧を利用して物理的な作用を及ぼす（構造物の破壊、材料の分離など）装置、燃焼装置の内部に配置した物体に対して衝撃波の高圧を利用して物理的な作用を及ぼす（構造物の破壊、材料の分離など）装置などに適用可能である。

１０，１０Ａ 衝撃波生成装置
１１ 燃焼装置
１２ 可燃性ガス供給装置
１３ 点火装置
１４ 火炎発生時期検出センサ
１４Ａ 第１火炎発生時期検出センサ
１４Ｂ 第２火炎発生時期検出センサ
１５ 制御装置（判定装置）
２１ ガス通路
２２ 起爆管
２３ 燃焼器
２４ 第１通路
２５ 第２通路
３１ 燃料供給部
３２ 燃料供給経路
３３ 燃料ボンベ
３４ 減圧弁
３５ マスフローコントローラ
３６ 安全器
３７ 燃料供給弁
３８ 逆止弁
４１ 酸化剤供給部
４２ 酸化剤供給経路
４３ 酸化剤ボンベ
４４ 減圧弁
４５ マスフローコントローラ
４６ 安全器
４７ 酸化剤供給弁
４８ 逆止弁
５１ クロス継手
５２ 可燃性ガス供給経路
５３ パージガス経路
５４ 送風機
５５ パージガス供給弁
６１ 壁部
６２ 光学窓
６３ 光ファイバ
６４ 取付部材
Ｆ 燃料
Ａ 酸化剤
Ｍ 可燃性ガス
Ｃ 火炎
Ｓ 衝撃波

Claims (8)

1. 基端から先端に向けて燃焼ガスが流れるガス通路が設けられて前記先端に開口部が設けられる燃焼装置と、
   前記燃焼装置の前記基端から内部に可燃性ガスを供給する可燃性ガス供給装置と、
   前記燃焼装置に供給された前記可燃性ガスに点火する点火装置と、
   前記可燃性ガスの燃焼による火炎の発生時期を検出する火炎発生時期検出センサと、
   前記火炎発生時期検出センサの検出結果に基づいて前記点火装置による点火前の前記可燃性ガスの自着火を判定する判定装置と、
   を備える衝撃波生成装置。
2. 前記判定装置は、前記火炎発生時期検出センサが検出した火炎の伝播速度に基づいて爆轟と爆燃を判定する、
   請求項１に記載の衝撃波生成装置。
3. 前記判定装置が爆轟と判定したとき、火炎の伝播速度に基づいて爆轟波の強度を推定する、
   請求項２に記載の衝撃波生成装置。
4. 前記火炎発生時期検出センサは、前記火炎からの発光を検出する光学センサである、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の衝撃波生成装置。
5. 前記燃焼装置は、基端に可燃性ガス供給装置が接続される起爆管と、基端が前記起爆管の先端に連結された燃焼器とを有し、前記火炎発生時期検出センサは、前記燃焼器の前記開口部を向いて配置される、
   請求項１に記載の衝撃波生成装置。
6. 前記燃焼装置は、基端に可燃性ガス供給装置が接続される起爆管と、基端が前記起爆管の先端に連結された燃焼器とを有し、前記火炎発生時期検出センサは、前記燃焼器にガス流れ方向に間隔を空けて複数配置される、
   請求項１に記載の衝撃波生成装置。
7. 前記判定装置が前記可燃性ガスの自着火を判定すると、前記可燃性ガス供給装置は、前記可燃性ガスの供給を停止する、
   請求項１に記載の衝撃波生成装置。
8. 前記判定装置が前記可燃性ガスの自着火を判定すると、前記燃焼装置の内部にパージガスを供給する、
   請求項７に記載の衝撃波生成装置。

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