JP2550688B2 - バーナの燃焼制御装置 - 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に変
換し、そ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方法と装置
とが提案されている（特願昭62−139456号）。

また、特開昭63−169424号公報や特開昭58−175718号
公報に開示されているように、火炎の状態を検出して空
燃比を調整するためにフレームロッドを用いることも知
られている。

（発明が解決しようとする課題） 以上、従来技術として述べたもののうち、特願昭62−
139456号のように、火炎から発生する光を利用する方法
では、炉１に対して複数個のバーナ２を、第16図に示す
ように対向させて設置した場合、特定のバーナの火炎３
を区別して検出することが不可能であったり、またバー
ナの火炎が被加熱物に直接当てられていた場合に光セン
サによって光の検出ができないことになるということが
あった。さらに火炎からの光を電気信号に変換するため
のフォトダイオード等の素子を必要とするので、これら
破損しやすい素子への特別の配慮も必要となった。

また、上記従来技術にあっては、いずれのものも、素
子またはフレームロッドから出力されるノイズに考慮し
たものはなく、正確な燃焼状態を得ることができないと
いう問題があった。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたもので、正確
の燃焼状態を得ることができるバーナの燃焼制御装置を
提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記課題を解決するために、本発明は、バーナーが発
する火炎中に設けた電極間に流れるイオン電流を検出す
る検出器と、前記イオン電流を周期的に遮断する遮断装
置と、検出器から出力されるイオン電流信号を増幅する
増幅器と、この増幅信号を周波数解析してパワースペク
トラム信号を出力する周波数解析器と、前記遮断装置か
らの信号を入力し、前記イオン電流の遮断時に入力され
たパワースペクトラム信号を、周波数解析器によって得
られたパワースペクトラム信号から除き、該イオン電流
遮断時のパワースペクトラム信号を除いたパワースペク
トラム信号とあらかじめ記憶しておいた最適燃焼状態の
パワースペクトラム信号とを比較して偏差を算出するイ
オン電流振動調節計と、該イオン電流振動調節計が算出
した前記偏差を解消する空気流量の補正信号を出力する
空気流量補正器と、前記空気流量の補正信号を入力して
空気の流量調節を行う流量調節弁とを備えたことを特徴
とするものである。

（作用） 上記構成とすれば、バーナーが発する火炎中に設けた
電極間に流れるイオン電流は検出器によってイオン電流
信号として出力され、このイオン電流信号は増幅器を介
して周波数解析器に送られて周波数解析され、パワース
ペクトラム信号として出力される。遮断装置は、イオン
電流を周期的に遮断し、イオン電流を遮断しているか否
かの信号をイオン電流振動調節計に出力する。イオン電
流振動調節計は、周波数解析器によって得られたパワー
スペクトラム信号からイオン電流の遮断時に入力された
パワースペクトラム信号をノイズとして除き、このノイ
ズを除いた真の燃焼状態のパワースペクトラム信号とあ
らかじめ記憶しておいた最適燃焼状態のパワースペクト
ラム信号とを比較して偏差を算出する。真の燃焼状態に
基づいて算出された偏差により空気流量の補正信号が出
力されるため、燃焼の状態に応じた適正な空気の流量調
節を行うことができることになる。

（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
において符号１で示すものは金属製品等を加熱処理する
ための炉である。この炉１にはバーナ２が取付けられて
おり、火炎３を発生するようになっている。バーナ２に
は燃料供給管４および燃焼用空気供給管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、流量調節弁
８が設けられている。燃料の流量調節弁６の開度は、温
度調節器９によって制御されるようになっている。すな
わち、炉１には温度計10が設置されており、温度調節器
９はこの温度計10からの信号と上記流量計７からの信号
を得て炉内温度と設定温度との差から設定温度を得るに
必要な燃焼量（燃料流量）を演算し、出力するようにな
っている。この出力は燃料の流量調節弁６と燃焼用空気
の流量調節弁８に対して与えられる。このため設定温度
から炉内温度がずれると設定温度に戻るように燃料およ
び燃焼用空気の空気が加減される。

燃料の流量に対する燃焼用空気の流量は、温度調節器
９により、燃料流量を基に算出されるが、その値が、そ
のまま燃焼用空気の流量調節弁８に対して成されるのは
好ましくない。たとえば炉１の扉（図示せず）が開けら
れて炉１内に空気が侵入した場合に、燃料流量を基に算
出した出力でそのまま流量調節弁８がコントロールされ
ると排ガス損失が増大してしまうし、またバーナ２の異
常により燃料の微粒化状態が悪化した場合には、そのま
まにしておくと燃焼不良により、すすが大量に発生して
しまうことになる。このような不都合を解消するため
に、温度調節器９からの出力は燃焼用空気流量補正器11
にて補正した後、流量調節弁８に出力するようになって
いる。

燃焼用空気流量補正器11は、温度調節器９と共に燃焼
用空気の流量調節計12を構成する。燃焼用空気流量補正
器11に対する補正用出力は次のような燃焼制御装置にお
いて作られる。これを説明する。炉１のバーナ２によっ
て生成される火炎３に臨む位置に電極棒13が取付けられ
ており、バーナ２の火炎放射部14には端子15が設けられ
ている。電極棒13はイオン電流遮断装置16の入力側に接
続され、イオン電流遮断装置16の出力側は検出器17の入
力側に接続されている。検出器17には端子15も接続され
ており、これによって検出器17は火炎３中のイオン電流
を検出するようになっている。前述のイオン電流遮断装
置16は、イオン電流信号を周期的に遮断する作用をす
る。

検出器17の出力側は、検出されたイオン電流信号を増
幅する増幅器18を介して、FFTアナライザ等からなる周
波数解析器19に接続され、イオン電流信号の周波数解析
が行なわれるようになっている。周波数解析器19の出力
側にはイオン電流振動調節計20が接続されている。この
イオン電流振動調節計20は、周波数解析器19が出力した
パワースペクトラム信号とイオン電流遮断装置16の出力
信号から燃焼状態を検出を行ない、これをあらかじめ記
憶している最適燃焼状態と比較して、その偏差により空
気流量補正係数を求め、その信号により流量調節計12に
より偏差を解消するに必要な燃焼用空気の流量を得るた
めの出力を流量調節弁８に発することになる。

ここで、イオン電流振動調節計20に入力されるイオン
電流遮断装置16からの信号について説明する。イオン電
流遮断装置16は前述したように、電極15からの信号を周
期的に遮断するもので、この遮断を行なうことにより、
システムへのノイズの影響を知るために使用される。す
なわち、遮断したとき、イオン電流振動調節計20に遮断
中であることを知らせ、そのとき求められたパワースペ
クトラム信号をノイズであると判断し、遮断されていな
いときのパワースペクトラム信号よりその分を除くこと
により、ノイズの影響を除去することになる。このため
イオン電流遮断装置16からは、現在遮断中であるか否か
をイオン電流振動調節計20に知らせるようになってい
る。

次に作用説明をする。本発明は前述のように、燃焼装
置において液体および気体燃料の燃焼を行なう場合に、
その燃焼火炎中のイオン電流の振動周波数が燃焼状態に
よって変化する特性を利用したものである。燃焼火炎中
のイオン電流の変化を検出する方法としては、その電流
レベルを検出する方法もあるが、本発明においては次の
ようにする。すなわち、燃焼により生ずる火炎３中のイ
オン電流を検出するため、第３図に示すように火炎３の
先の部分に２本の電極棒13a,13bを平行に設け、その間
を流れるイオン電流を測定するか、あるいは第４図に示
すように火炎３中に１本の電極棒３を設け、この電極棒
３とバーナ２の火炎放射部14に設けた端子15との間に生
ずるイオン電流を検出するかになる（後者については第
１図参照）。

これらいずれかの方法によって得たイオン電流信号
は、第５図に示すような振動したものとなる。この信号
は、周波数解析器19に入力され、第６図に示すようなパ
ワースペクトラムが求められる。このようにして求めら
れたパワースペクトラムは、第６図に示すように燃焼状
態の一つの指標である空燃比を変化させることにより、
高い側の周波数成分のレベルが変化する。この変化を制
御信号に変える方法としては、第７図ないし第13図に示
すような数種がある。

まず第７図のものは、燃焼状態の変化によりパワース
ペクトラムが大きく変化する特定周波数帯の積分値Ｂと
全周波数帯の積分値Ａの比B/Aを使用する方法である。
第８図のものは特定周波数帯の積分値Ｂをそのまま使用
する方法である。第９図のものは全周波数帯での最大値
Ｃと特定周波数帯での最大値Ｄの比D/Cを使用する方法
である。第10図に示すものは特定周波数帯での最大値Ｄ
をそのまま使用する方法である。第11図に示すものは主
周波数帯の平均値Ｅと特定周波数帯の平均値Ｆの比F/E
を使用する方法である。第12図に示すものは特定周波数
帯の平均値Ｆをそのまま使用する方法である。最後の第
13図に示すものは特定周波数帯の積分値Ｂと全周波数帯
の積分値Ａより積分値Ｂを除いた値との比B/（Ａ−Ｂ）
を使用する方法である。

これらの方法のいずれのものを用いてもよいが、第14
図はそのうちの最後の方法、すなわち第13図の方法によ
り求めた値の変化を表わしている。この図から明らかな
ように、この方式により求めた値は、燃焼状態の一指標
である排ガスO₂の排出量（％）の変化に追従して変化す
ることになる。したがって、この値を使用することによ
り燃焼状態の制御をすることが可能である。また燃焼に
起因するイオン電流の振動周波数を基に計測しているた
め、火炎がなければ出力はゼロとなる。この減少により
火炎の有無を検知する手段としても使用することができ
る。

次に、イオン電流振動調節計20内での処理内容を、第
２図を用いて説明する。まずステップ２−１でパワース
ペクトラム信号を入力し、次のステップ２−２でイオン
電流遮断装置16からの信号により、現在イオン電流信号
線が遮断されているか否かを判断し、遮断されていると
きにはステップ２−３に進み、第15図に示すような装置
外部からくるノイズと装置内部で発生しているノイズ等
により求められた信号をメモリーに記憶する。またステ
ップ２−２において遮断されていないと判断された場合
にはステップ２−４に進み、現状の火炎から得た信号か
ら求めたパワースペクトラム信号からステップ２−３に
おいてメモリーに記憶されたパワースペクトラム成分を
除き、真の火炎からのパワースペクトラム信号を得る。

次に、ステップ２−５では第13図のようにパワースペ
クトラム信号信号の全周波数帯の積分値Ａを算出し、ス
テップ２−６で特定周波数帯の積分値Ｂを算出する。こ
こで特定周波数帯は、燃焼状態の変化によりパワースペ
クトラムが最も大きく変化する周波数帯である。次にス
テップ２−７にて積分値比Ｊ←B/（Ａ−Ｂ）を求める。
一方、各種燃料流量に対する最適燃焼状態の積分値比
（パワースペクトラム比）Ｋがあらかじめ求められてお
り、そのデータは、イオン電流振動調節計20内に設定さ
れており、ステップ２−８にて現状の積分値比Ｊとの差
Ｌ←Ｊ−Ｋを求め、ステップ２−９でその偏差Ｌより燃
焼用空気流量補正係数Ｍを算出する。

このようにして求められた燃焼用空気流量補正係数Ｍ
は、イオン電流振動調節計20から燃焼用空気流量補正器
11に出力される。燃焼用空気流量補正器11は、燃焼用空
気流量補正係数Ｍの他に温度調節器９から基準空気流量
信号Ｎを受ける。この基準空気流量信号Ｎは温度調節器
９にて燃料流量信号を基に算出される。そして燃焼用空
気流量補正器11は信号M,Nを得、これによって補正演算
を行ない、その結果を流量調節弁８に出力し、その開度
を調節する。

以上説明した例は、本発明の工業炉に実施した場合で
あったが、本発明は工業炉以外のもの、たとえばボイ
ラ、ガス湯沸器、石油・ガス温風ヒータ、ガスタービン
用燃焼器等、あらゆる燃焼装置に適用することができ
る。第17図に示すものはその一例である温風ヒータであ
る。この温風ヒータ21は、炉１内に生ずる火炎３中に挿
入した電極棒13と炉１自体との間に発生するイオン電流
を利用するようにしている。22は燃焼板、23はエアノズ
ル、24はガスノズル、25はエア、26はガスである。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように構成したバーナの燃焼
制御装置であるから、ノイズに影響されることなく、正
確な燃焼状態を得ることができ、バーナの燃焼制御を的
確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の回路図、第２図は第１図の
うちのイオン電流振動調節計内での処理内容を説明する
フローチャート図、第３図および第４図はバーナと電極
棒との位置関係を示す側面図、第５図は時間経過とイオ
ン電流の変化状態を示すグラフ、第６図はパワースペク
トラムの周波数との関係を示すグラフ、第７図ないし第
13図は空燃比を変化させることにより、変化する高い側
の周波数成分のレベルの変化を制御信号に変える方法を
説明するためのグラフ、第14図は排ガス中のO₂とパワー
スペクトラムとの関係を示すグラフ、第15図は周波数と
パワースペクトラムとの関係を示すグラフ、第16図は１
基の炉に複数個のバーナを対向して設けた例を示す平面
図、第17図は本発明の他の適用例を示す断面図である。 １……炉 ２……バーナ ３……火炎 6,8……流量調節弁 11……空気流量補正器 13,13a,13b……電極棒 14……放射部 15……端子 16……遮断装置 17……検出器 18……増幅器 19……周波数解析器 20……イオン電流振動調節計

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナーが発する火炎中に設けた電極間に
   流れるイオン電流を検出する検出器と、前記イオン電流
   を周期的に遮断する遮断装置と、検出器から出力される
   イオン電流信号を増幅する増幅器と、この増幅信号を周
   波数解析してパワースペクトラム信号を出力する周波数
   解析器と、前記遮断装置からの信号を入力し、前記イオ
   ン電流の遮断時に入力されたパワースペクトラム信号
   を、周波数解析器によって得られたパワースペクトラム
   信号から除き、該イオン電流遮断時のパワースペクトラ
   ム信号を除いたパワースペクトラム信号とあらかじめ記
   憶しておいた最適燃焼状態のパワースペクトラム信号と
   を比較して偏差を算出するイオン電流振動調節計と、該
   イオン電流振動調節計が算出した前記偏差を解消する空
   気流量の補正信号を出力する空気流量補正器と、前記空
   気流量の補正信号を入力して空気の流量調節を行う流量
   調節弁とを備えたことを特徴とするバーナの燃焼制御装
   置。