JP2540990B2 - バ―ナの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナの燃
焼制御装置に関するものである。

（従来の技術） 液体または気体の燃料を燃焼させるバーナにおいて
は、燃焼中その燃焼状態を最適に維持することが望まし
い。このための従来技術としては、バーナの火炎が発生
する光強度信号をフォトトランジスタ、フォトダイオー
ドあるいは太陽電池等の半導体を使用して電気信号とし
て据え、あるいは光センサに代えて火炎中に挿入した電
極棒を用いてイオン電流として据え、これらの出力電流
から火炎中の振動波形の周波数解析の結果得たパワース
ペクトルの積分値を利用して、燃焼制御を行なうものが
ある。そしてこのうちの光センサを用いる方法と装置と
が、すでに提案されている（特願昭63−306310号公報等
参照）。

以上従来技術として述べたうちの前者のもの、すなわ
ち火炎から発生する光を電気信号として据え、これを電
気回路によって処理する方法では、火炎が発生する光信
号をフォトトランジスタ、フォトダイオード等の半導体
による光センサで捉えることになるが、この光センサを
設ける位置としては、従来特別の定めがなく、単に火炎
が監視できるところであればよいと認識されていた。し
かしながら実際にバーナを燃焼させて炉の温度管理を行
なって見ると、光センサの設置位置はきわめて重要な要
素であり、その位置如何によっては、光センサの出力側
に接続する電気回路の精度をどのように上げても、十分
な制御特性が得られないことがあることが判明した。

そこで光センサの設置位置を一定範囲内に設定するこ
とによって、光センサの持てる機能を十二分に発揮させ
れば、これに接続される電気回路の簡略化が図れ、調整
も簡単になるとの見識で発明されたバーナの燃焼制御装
置が既に提案されている（特願平１−312132号）。

この出願のものの内容は、バーナの発する火炎を光セ
ンサにより電気信号として捉え、該光センサの捉えた信
号を電気的に処理して、前記バーナに供給する燃料と空
気の量の制御をするバーナ燃焼装置において、前記光セ
ンサの設置位置を、その受光範囲内に少なくとも前記火
炎中の拡散炎域の一部が入る位置に設定した構成とした
ものである。

上記のように構成すれば、光センサの受光効率が著し
く向上する上に、その出力特性も安定することになるの
で、この光センサの後段に接続される電気回路の簡略化
も図れることになる。この装置のものは、乱流燃焼火炎
の揺らぎに起因する放射光の振動信号をフォトダイオー
ド等の光センサで検出し、電気信号に変換の後、整流積
分した振動パワーが空燃比との間に第３図に示すような
比例相関があることを利用したものであり、空気比のフ
ィードバック制御を行なうようにしたものである。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第３図に示したような振動パワーの１
次的な特性曲線は、長炎バーナの場合であって、燃料と
燃焼用空気とをバーナノズルの噴射部で急激に混合させ
るような短炎バーナの場合の振動パワーは、第４図に示
すように、空燃比に対して山形の２次的な特性曲線とな
り、１点の振動パワーに対して２点の空気比が存在する
ため、判別が不可能で燃焼制御が実施できないことにな
る。なお、第３図はＡ重油焚きで蒸発量5T/Hの炉筒煙管
ボイラの燃焼流240/H時の測定例である。第４図に示
すように振動パワーが山形の特性となる理由は、アルニ
ウスの反応速度則による乱流燃焼と当量比（空燃比の逆
数）の関係で、プロパンガスと空気混合気の場合を第５
図に示す。なお、この第５図は機械工学便覧A6−79より
の引用である。この第５図と都市ガス焚き12T/H炉筒煙
管ボイラの燃焼量624/H時の場合の振動パワー特性
（第６図）とを比べると、両者の変化パターンは非常に
よく似ていることがわかる。振動パワーは乱流の振動周
波数成分の総和であり、乱流の強さを表わしているもの
と考えることができる。

一般的に乱流燃焼速度と乱流レイノルズ数は比例関係
にあり、第６図の空燃比＝第５図の当量比、第６図のパ
ワー＝第５図の乱流燃焼速度であり、振動パワーが空気
比に対して山形の特性となるのは一般的な傾向である。
第３図に示す振動パワー特性を得た長炎バーナで空燃比
をさらに高くすると第４図と同様の山形特性となること
を確認した。

以上説明したように、バーナの燃焼状態によってセン
サにより出力される電気信号の周波数成分が変化し、ま
た、絶対光量に比例して周波数成分全体の振幅が変化す
る。一方、振動パワーの空燃比に対する関係は、燃料に
対して最適の空燃比の場合に振動パワーが最高となり、
最適よりも空燃比が多くても少なくても燃焼状態が低下
して振動パワーが低下する。すなわち、振動パワーの周
波数成分全体の振幅が絶対光量に比例して変化するた
め、空燃比に対する振動パワーの特性曲線が山形の２次
的なものとなり、燃焼制御が困難となるという問題があ
った。本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、絶
対光量に比例して変化する振動パワーを絶対光量で除算
することにより、空燃比に対して１次的な特製曲線とな
るように補正し、気体、液体等の燃料の種類や、長炎バ
ーナ、短炎バーナ等のバーナの種類に関わりなく、幅広
い燃焼設備に適用することができる、バーナの燃焼制御
装置を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するためになされたもの
で、バーナの発する火炎を光センサにより電気信号とし
て捉え、該光センサの捉えた信号を電気的に処理して、
前記バーナに供給する燃焼用空気の量の制御するバーナ
の燃焼制御装置において、前記光センサを増幅器に接続
し、該増幅器の出力側にカップリングコンデンサ、増幅
器、整流器および積分器を順次接続してなる振動パワー
信号検出回路と、積分器、乗算器を順次接続してなる絶
対光量検出回路とを並列に接続し、前記振動パワー信号
検出回路により検出された振動パワー信号を前記絶対光
量回路により検出された絶対光量で除算するための除算
器を前記振動パワー信号検出回路および絶対光量回路の
出力側に接続し、該除算器の出力側に空気流量節計を接
続して、該空気流量調節計に空気供給系路中のダンパ駆
動装置を接続したことを特徴とするものである。

（作用） 上記のように構成したことにより、光センサにより火
炎の光振動を電気信号に変換し、この電気信号を振動パ
ワー信号検出回路により増幅、整流、積分処理すると、
ある電圧レベルで変動する振動パワー信号が検出され
る。また、電気信号を絶対光量回路により積分、乗算処
理すると、変動する振動パワーの平均値、すなわち絶対
光量が検出される。そして、除算器により振動パワー信
号を絶対光量で除算し、この絶対光量で除算された振動
パワー信号を制御パラグラフとして空気流量調節計が空
気供給系路中のダンパ駆動装置を制御する。振動パワー
は、絶対光量で除算されることにより、空燃比に対して
一次的な特性曲線となるように補正され、制御が容易と
なる。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を図について説明する。第１
図において１は炉であり、２はその基部に取付けられた
バーナ、３はこのバーナ２が発生する火炎である。バー
ナ２には燃料供給管４および燃料用空気供給管５が接続
されている。そして燃料供給管４には流量調節弁６およ
び流量計７が設けられ、燃焼用空気供給管５にはダンパ
弁である流量調節弁８が設けられている。燃料供給管４
には図示しないポンプを介して燃料が送られるようにな
っており、燃焼用空気供給管５には送風機９から燃焼用
の空気が送られるようになっている。10は流量調節弁８
の開度調節をするモジュトロールモータである。

符号11で示すものは温度調節計であり、炉１の側壁に
取付けられた温度計12の出力信号を受け、これをあらか
じめ設定された温度値と比較して出力信号を発するもの
である。この出力信号は流量調節弁６に与えられ、燃料
供給管４内に流れる燃料量を制御する。炉１の先端近傍
部位にはフォトダイオードあるいはフォトトランジスタ
等からなる光センサ13が取付けてられており、燃焼中の
火炎３の状態を監視するようになっている。この光セン
サ13には増幅器14が接続され、光センサ13の出力信号を
所定レベルまで振幅増幅するようになっている。

増幅器14の出力側は二つに分岐されており、一方の系
路にはカップリングコンデンサ15、増幅器16、整流器17
および積分器18が順次接続されて、火炎３の振動パワー
電圧値を得るようになっている。この振動パワー電圧値
は次段の除管器19に入力するよう接続されている。増幅
器14の出力側の分岐された他の系路には積分器20と乗算
器21が順次接続され、絶対光量電圧値を得ることにな
る。この絶対光量電圧値は除算器19に加えられる。これ
により、除算器19は、積分器18からの出力信号である振
動パワー電圧値を乗算器21からの出力信号である絶対光
量電圧値で除算することになる。除算器19の出力側には
空気流量調節計22が接続されている。この空気流量調節
計22には、除算器19と前述した流量計７とが接続されて
両出力信号を受けるようになっており、これを処理して
その結果によってモジュトロールモータ10の制御をする
ようになっている。

このような構成からなるこの燃焼制御装置の作動を説
明する。光センサ13が検出し、電気信号に変換かれた火
炎信号は、増幅器14によって所定レベルまて増幅され
る。この増幅後の信号は二つの系路に流れることにな
る。一方の系路においては、まずカップリングコンデン
サ15で直流成分がカットされて、交流成分のみが増幅器
16に入力して増幅され、増幅後、整流器17で整流され
る。整流された信号は積分器18で積分処理されて振動パ
ワー電圧値となり、除算器19に入力される。一方、他の
系路においては剤増幅器14で増幅された直流振動成分を
積分器20で平滑化し、乗算器21で乗算し（この実施例に
おいては積分器20の出力値を３乗した）、絶対光量電圧
値として除算器19に出力する。除算器19では積分器18か
ら入力された振動パワー電圧値を乗算器21から入力され
た絶対光量電圧値で除算し、空気流量調節計22に出力す
る。

ここで本回路により第４図のパワー値を絶対光量の３
乗で除算した結果を第２図に示す。空燃比に対する振動
パワーの特性曲線は、第４図に示したような２次的なも
のから、第２図に示したような１次的なものへと変換さ
れるため、絶対光量により除算された振動パワーを直接
制御パラメータとして利用することが可能となる。な
お、各増幅器14,16の増幅倍数、および乗算器21の次数
は、制御を行なう炉に合せて第２図のように空燃比に対
する振動パワーの特性曲線を１次化できる範囲に合せて
調整する。空気流量調節計22では、燃料流量計７より入
力される流量信号に対してあらかじめ適正な空燃比とな
るように設定された振動パワーテーブル値と除算器19よ
り入力される測定値とを比較し、その偏差に対してPID
演算を行ない、その結果によってモジュトロールモータ
31を制御する。これにより、送風機９によりバーナ２に
供給される燃焼用空気を導く燃焼用空気供給管５中に設
けられた流量調節弁８の閉度調節（フィードバック制
御）が行なわれる。

以上説明した実施例においては信号処理回路としてア
ナログ回路を用いたが、本発明はこれに限られるもので
はない。信号処理回路にマイクロコンピュータ等を用い
てディジタル方式で処理することも可能である。

（発明の効果） 本発明は、光センサを増幅器に接続し、該増幅器の出
力側にカップリングコンデンサ、増幅器、整流器および
積分器を順次接続してなる振動パワー信号検出回路と、
積分器、乗算器を順次接続してなる絶対光量検出回路と
を並列に接続し、前記振動パワー信号検出回路により検
出された振動パワー信号を前記絶対光量回路により検出
された絶対光量で除算するための除算器を前記振動パワ
ー信号検出回路および絶対光量回路の出力側に接続し、
該除算器の出力側に空気流量調節計を接続して、該空気
流量調節計に空気供給系路中のダンパ駆動装置を接続し
た構成としたものであるから、気体、液体等の燃料の種
類や、長炎バーナ、短炎バーナ等のバーナの種類に関わ
りなく、幅広い燃焼設備に適用することができることに
なる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図ないし第６
図は本発明および従来技術を説明するためのグラフであ
る。 １……炉 ２……バーナ ３……火炎 ４……燃料供給管 ５……燃焼用空気供給管 6,8……流量調節弁 ７……流量計 ９……送風機 10……モジュトロールモータ 13……光センサ 14,16……増幅器 15……カップリングコンデンサ 17……整流器 18,20……積分器 19……除算器 21……乗算器 22……空気流量調節計

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナの発する火炎を光センサにより電気
   信号として据え，該光センサの据えた信号を電気的に処
   理して、前記バーナに供給する燃焼用空気の量の制御す
   るバーナの燃焼制御装置において、 前記光センサを増幅器に接続し、該増幅器の出力側にカ
   ップリングコンデンサ、増幅器、整流器および積分器を
   順次接続してなる振動パワー信号検出回路と、積分器、
   乗算器を順次接続してなる絶対光量検出回路とを並列に
   接続して、前記振動パワー信号検出回路により検出され
   た振動パワー信号を前記絶対光量回路により検出された
   絶対光量で除算するための除算器を接続し、該除算器の
   出力側に空気流量調節計を接続して、該空気流量調節計
   に空気供給系路中のダンパ駆動装置を接続したことを特
   徴とするバーナの燃焼制御装置。