JP3529161B2 - 火炉の燃焼振動監視装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火炉の燃焼振動監視装
置に係り、特に事業用または産業用のガス燃料を用いた
火炉の燃焼振動監視装置であって燃料負荷（バーナ負
荷）変化の著しい運用をする場合においても、広範囲な
安定燃焼が確保できるよう、燃焼振動を未然に防ぐため
の火炉の燃焼振動監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、油燃料の価格の不安定性から石炭
焚きやガス焚きボイラの需要が急速に増加している。国
内の新設発電用ボイラは年間の平均出力でみれば、昭和
５０年には５００ＭＷ／缶であったが、平成元年には６
００ＭＷ／缶にもなり年々増大傾向にある。

【０００３】ランニングコストが安価な石炭焚きボイラ
は燃料中に灰分や硫黄分を含んでいることからその後処
理に大がかりな設備が必要であり、大都市の周囲にこの
ような発電設備を建造するのは環境問題から困難であ
る。これに対して、ガスタービンによる発電や、その排
ガスをガス焚きボイラの燃焼用空気として流用する排気
再燃サイクル発電等を含めたガス焚き発電設備は、燃料
中にこのような不純物が少なく、低公害であることから
今後も都市近郊で順調に伸びていくことが期待される。

【０００４】さてこのようにクリーンなガス焚き発電設
備であるが、このうちのガス焚きボイラにおいては、試
運転時等、十分に燃焼調整が行なわれていない場合、ボ
イラ負荷増加時において火炉内の圧力脈動の増加現象
（以後、燃焼振動と称す）を起こしやすく、炉内の伝熱
管やＴＶカメラ等、ボイラ火炉に直接付属する構造物や
機器の破損を招きやすい欠点があることが知られてい
る。

【０００５】燃焼振動現象は、一般には、（１）火炉内
部の発熱率分布が火炉壁近傍で局所化する場合や（燃料
の燃焼速度が大きく、バーナの出口近傍で燃え尽き
る）、（２）火炎が不安定で、絶えず変動している（保
炎器に付着したり、後流域に吹き飛ぶ現象を繰り返す）
場合に起こりやすいとされている。従って、従来の燃焼
振動抑制方法としてはガスバーナの火炎の安定性向上と
急速燃焼の抑制（緩慢燃焼、すなわち長炎化）が有効で
あり、バーナ構造の変更等で対応していた。また火炎の
不安定性が直接の原因でない場合（例えば、空気流速と
燃料の噴出速度のギャップが大きく、急速に混合してバ
ーナ近傍に高発熱領域が存在する場合）にも燃焼振動を
誘発しやすいとされている。通常燃焼振動はボイラや燃
焼装置の新設、または定期点検後の試運転時に起こりや
すく、いずれのケースにおいても早急に営業運転に入る
ために、これら燃焼調整に与えられた時間は少ない。従
って、一度燃焼振動現象が起こると短時間で原因究明す
るとともに抑制対策しなければならないために多くの人
手が必要な場合がある。

【０００６】そこで、燃焼振動が火炉の気柱共鳴現象で
あり、燃焼操作と燃焼振動とは、時間軸上でみれば、か
なり遅れがあることに着目し、炉内の圧力変動を連続計
測して気柱共鳴周波数の振動エネルギと全振動エネルギ
との比率、すなわち振動発生率（Ｉ₁ ／Ｉ₀ 、Ｉ₁ ：共
鳴周波数におけるエネルギ、Ｉ₀ ：全振動エネルギ）を
モニタして、振動の時間的変化をトレンドして、トラブ
ル振動を未然に防ぐ方法が試みられている（特公昭６２
−９８４５号公報）。

【０００７】図７は、上記公報により提案された火炉の
燃焼振動監視装置のブロック図である。図において、１
０はガスバーナ５０の保炎器８の近辺の火炉１内圧力を
連続的に検出する圧力センサ、１０Ｐは保炎器８の近傍
に挿入された圧力センサ１０のプローブである。３は検
出圧力を電気信号に変換して増幅する増幅器、４は増幅
器３の出力信号をディジタル値に変換するＡ／Ｄ変換
器、４０はディジタル信号の時間領域における自己相関
関数を求める自己相関演算器、５は自己相関演算器４０
からの信号をフーリエ変換する高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）装置、６はＦＦＴ装置５で得られた周波数特性に基
づいて燃焼振動を予測する振動評価装置、７は評価の結
果を表示する表示装置である。

【０００８】圧力センサ１０で検出された圧力は増幅器
３、Ａ／Ｄ変換器４、自己相関演算器４０を経てＦＦＴ
装置５に入力される。ＦＦＴ装置５は入力された信号を
フーリエ変換により周波数解析して図９に示すような周
波数特性を得る。すなわち、図９は、圧力信号の周波数
特性であり、横軸に周波数が、縦軸に振幅（振動エネル
ギ）がとってある。この図でｆ₁ は気柱共鳴周波数、Ｉ
₁ は周波数ｆ₁ の振動エネルギ、Ｉ₀ は全振動エネルギ
である。

【０００９】振動評価装置６は、振動エネルギＩ₁ と全
振動エネルギＩ₀ との比（Ｉ₁ ／Ｉ ₀ ）を演算してこれ
を燃焼振動指数とし、この燃焼振動指数を時々刻々表示
装置７に表示し、監視員がこれを観察することにより燃
焼振動発生の傾向を判断できるようにするとともに、当
該燃焼振動指数を定められた設定値と比較し、設定値を
超えたときに表示または警報を行なって、監視員が振動
を防止する処置をとることができるようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】例えば、発電容量６０
０ＭＷのボイラではバーナは２４台以上設置されてい
る。燃焼振動は、火炉との気柱共鳴現象であるので微少
な圧力脈動でもエネルギが蓄積されて大きな火炉振動に
発達する可能性があることから、たとえバーナ２４台中
の１台が振動原因だとしても燃焼振動を誘引するに十分
な起振源になり得る。

【００１１】従って、微少な燃焼振動の兆候（予兆）を
すばやくつかみ、振動が増幅する前になんらかの対策を
施さなければならない。しかし、図７に示した従来の燃
焼振動評価装置は次のような欠点をもっていた。すなわ
ち、ａ）低負荷時の圧力脈動が小さい場合においても共
鳴周波数における振幅が小さいながらも存在し、かつ全
周波数帯における平均振幅Ｉ₀ も小さいためにＩ₁ ／Ｉ
₀ が高い値となる場合があったこと、ｂ）バーナ点火時
等、過渡的に炉内圧力が増加するような場合において、
Ｉ₁ ／Ｉ₀ が増加する傾向がみられること、およびｃ）
火炉の形状、炉内への投入熱量の大小で、Ｉ₁ ／Ｉ₀ の
絶対値が変わる場合があることから振動兆候をトレンド
する場合において、判断を誤る場合があったこと等であ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本願で特許請求する発明は以下のとおりである。 （１）複数のガスバーナにより火炎が形成される火炉に
おいて、当該火炉内部の圧力を検出する手段と、前記火
炎中のＯＨラジカルに相当する波長（λ₁ ）の輝度信号
とその波長に隣接し、かつ特定の化学種の発光に相当し
ない参照波長（λ₂ ）の輝度信号を検出する輝度検出手
段と、上記両輝度信号に基づき火炎の相対輝度信号を算
出する手段と、前記圧力検出手段の検出値および火炎の
相対輝度信号の時間軸についての相互相関関数を求める
演算手段と、この演算手段の演算値をフーリエ変換して
クロスパワースペクトルを求める高速フーリエ変換装置
と、前記クロスパワースペクトルの周波数のうち火炉の
共鳴周波数の振動エネルギと全振動エネルギとの比を求
め、この比に基づいて燃焼振動発生の有無の予測を行な
う振動評価装置とを設けたことを特徴とする火炉の燃焼
振動監視装置。 （２）複数のガスバーナにより火炎が形成される火炉に
おいて、当該火炉内部の圧力を検出する手段と、前記火
炎の温度を検出する温度検出手段と、前記圧力検出手段
と温度検出手段の各検出値の時間軸についての相互相関
関数を求める相互相関演算手段と、この演算手段の演算
値をフーリエ変換してクロスパワースペクトルを求める
高速フーリエ変換装置と、前記クロスパワースペクトル
の周波数のうち火炉の共鳴周波数の振幅と全周波数の平
均振幅の比を求め、この比に基づいて燃焼振動発生の有
無の予測を行なう振動評価装置とを設けたことを特徴と
する火炉の燃焼振動監視装置。 （３）（２）において、火炎の温度検出手段をサファイ
ア棒の先端に黒体を施したもので構成したことを特徴と
する火炉の燃焼振動監視装置。

【００１３】

【作用】炉内の圧力検出手段で検出された圧力信号およ
び火炎中のＯＨラジカルに相当する波長の輝度とその波
長に隣接し特定化学種の発光に相当しない参考波長の輝
度とを検出する手段で検出された二波長の輝度による相
対輝度信号とを演算手段に入力し、時間軸についての両
者の相互相関関数を求める。この値を高速フーリエ変換
装置によるフーリエ変換により周波数解析し、クロスパ
ワースペクトルを得る。このクロスパワースペクトルに
おける共鳴周波数の振動エネルギを全振動エネルギとの
比を演算し、これに基づいて燃焼振動発生の有無を予測
するためのデータを算出し表示する。

【００１４】次に、本発明の基本的概念につき説明す
る。燃焼振動の原因の一つに火炎の不安定性があげられ
る。火炎の不安定現象は、通常燃焼時には火炎が安定し
ていても何等かの外乱、例えば燃焼用空気流量の変化等
によって火炎が吹き飛ぶとその影響でバーナ近傍の発熱
率が変化し、炉内圧力が変わる。このような火炎の不安
定化の原因の一つに、燃料と空気との速度差に起因する
乱れがあげられる。急速な混合は燃焼性向上には寄与す
るものの、火炎の変動、特に揺らぎに大きく影響するこ
とがわかっている。燃焼振動が火炎の発熱率の変動と圧
力の変動とが相互に影響しあって自励振動をおこすこと
に着目して、これらの振動状態から燃焼振動に至る状態
を評価するパラメータに有名なレーリの判定式がある。
（文献： Combustion Driven Oscillations in Industr
y : Abbott A. Putnam）次にその判定式を示す。

【００１５】

【数１】Ｆｂ＝∫Ｐ（ｔ）・Ｑ（ｔ）ｄｔ ここに、Ｐ（ｔ）は、炉内の圧力変動 Ｑ（ｔ）は発熱率変動（発熱率：全投入燃料のうち、対
象場所で発熱した割合） Ｆｂは判定値である。

【００１６】この式は炉内の圧力と発熱率変動の時間積
分値であるが、レーリによれば、Ｆｂが０以上であれば
燃焼振動に至るとしている。さて、２つのパラメータの
うち、圧力は直接計測可能であるが、発熱率は、直接計
測ができないために、これを代表する火炎ガス中のＯＨ
ラジカルや、バーナの空気比を表わすＣ₂ ラジカルやＣ
Ｈラジカル等の発光強度を光センサを用いて計測し圧力
のデータと合わせた振動評価指数を計算するのが望まし
い。

【００１７】圧力と発熱率の同時計測においては、発熱
率に相当する光の輝度の計測が難しく、長時間安定した
データを得ることができなかった。その理由として、
１）光をセンサに導くための光学装置の汚れによる、火
炎の輝度信号のレベル低下、および２）光の信号を電圧
信号に変換する際の、基準値のあいまいさ、すなわち対
象の火炎の大きさにより、電圧にばらつきが生じること
があげられる。

【００１８】これらの問題を解決するために大きくわけ
て２つの対策を考えた。そのうちの１つとして、着目波
長、例えばλ₁ の発光強度を計測する場合、その発光強
度をそれに隣接した波長λ₂ の発光強度で割った値をλ
₁ の発光強度とする。すなわち、参照波長を設けること
によって相対値を求める。もう一つの方法として、光の
データではなく、汚れなどに比較的強い、温度のデータ
を使う。例えば、保炎器の近傍のガス火炎が存在する場
所に温度計を取りつけて、燃焼振動が発生している場合
の温度変化を発熱率に相当するデータとして使用する。
これらの方法によれば、従来の燃焼振動の評価方法がも
っていた欠点を補うことができる。

【００１９】燃焼振動は圧力変動と、発熱率変動が相互
に影響しあう自励振動である。これらのフィードバック
ループの間には化学反応、流動、伝熱が複雑にからまっ
ている。図８は、代表的な燃焼振動のパターンを示す図
である。これらは燃焼振動に発達するか否かを模式的に
表現したものである。時間軸上の実線は圧力を示し、破
線は発熱率変動を表わす。図中上部のモードは、圧力と
発熱率が同じ位相で変動し、かつ振幅が大きい場合を表
わしている。この場合においては、燃焼振動に発展す
る。図の中部のモードは、圧力と発熱率が大きな振幅で
変動するものの逆位相で変動する場合である。この場合
においては、レーリの判定値が負になるために振動しな
い。図中下部のモードは、圧力振幅は大きく振れるもの
の、発熱率の変動が小さい場合を表わす。この場合も振
動には発達しにくい。中部と下部のモードは、実機ボイ
ラにおいては、バーナ点火時や消火時等に過渡的な状態
でみられる。これらの時間軸上での変化過程から燃焼振
動を正確に把握するのは難しいが、これら圧力と発熱率
の情報を周波数領域に変換すると正確な評価ができるよ
うになる。

【００２０】図１０は、従来の炉内における圧力のみの
変化から燃焼振動評価指数Ｉ₁ ／Ｉ ₀ を求める方法と、
本願発明における圧力と火炎の発光スペクトルから燃焼
振動評価指数Ｒをもとめる方法の概念について示した図
である。いずれの方法も、時間軸上では、変動が著しい
ために周波数領域でデータの加工（平均化処理）を行な
う。燃焼振動が発生した場合には、火炉の共鳴周波数に
一致した周波数での圧力脈動が発生するとともに、同周
波数での火炎の輝度の変動もみられる。特に、ＯＨラジ
カルの発光強度に大きな変化がみられ、圧力と火炎輝度
との振動波形の位相角度θは、圧力や、輝度の変動振幅
が小さい場合には、ランダムであったものが、０に近づ
いてくる特徴を有している。すなわち圧力と発熱率が同
位相で変動する。

【００２１】これらの特性から、２つの信号の相互関連
性解析する際に用いられるクロスパワースペクトラムを
用いれば燃焼振動の予兆評価に有効であることが推測さ
れた。火炉内部の圧力と火炎の輝度を同時に計測して、
これらの時間変化から相互相関関数を計算し、それらを
さらにＦＦＴ（ Fast Fourier Transformation：高速フ
ーリエ変換）してクロスパワースペクトルを求め、さら
にこのスペクトラムのうち、火炉の共鳴周波数をピーク
サーチして、その変動エネルギを求める。この値をＩ_1c
とする。さらに全振動エネルギＩ_0cを相互相関関数の遅
れ時間０の値か、周波数領域で、クロスパワースペクト
ラムの全周波数帯における積分値から求め、その共鳴エ
ネルギと全振動エネルギとの比率をＩ_1c／Ｉ_0cで表わす
方法を考案した。さらに、高精度化を計るために共鳴状
態に位相角度が小さくなる特性を考慮して圧力と火炎の
輝度との位相角（遅れ時間）θをＩ_1c／Ｉ_0cに乗じた関
数；Ｉ_1c／Ｉ_0c・cos （θ）の時間変化から振動兆候を
探る方法も考えた。

【００２２】さて火炎からの輝度信号を計測解析する場
合、Ｉ波長にのみ着目した方法と比較して２波長選択の
優位性について図１１を用いて説明する。図１１には、
火炎輝度を光学装置を用いて電気信号に変換した場合、
その時間軸上におけるデータと、同じデータを周波数領
域に変換したものについての概念図を示した。

【００２３】図中（Ａ）は光学装置を設置した直後に得
られた火炎輝度の時間変化を示す。なお（Ｂ）は、経時
的に光学装置のうち特に火炎への対物レンズがススなど
で汚れた場合、火炎から得られる輝度信号を示した。こ
の図に示すように装置が新しく設置した直後の状態にお
いては、燃焼振動が発生した場合に大きな振幅が観測さ
れるが、経時的にそのレベルが低下する現象が見られ
る。この原因は、燃焼ガスがレンズに接触して、汚れる
ことが直接の原因であり、シーリング空気でレンズを保
護する方法が通常施されるが、十分ではないのが現状で
ある。また、バーナの負荷によっても火炎から得られる
光強度に差が生じるために、本振動予兆評価システムの
ように火炉内の圧力と、火炎の輝度信号とを同時にサン
プリングする場合においては、同じ条件で信号レベルを
合わせるのは難しい。

【００２４】そこで、火炎の状態が多少異なっても、一
定の輝度信号が得られるように、１波長計測方法に加え
て、２波長方式を採用した。この方法を図１２に示し
た。図中（ａ）は装置設置直後の汚れが少ない場合の、
火炎の発光スペクトルである。図中横軸は波長、縦軸は
発光強度である。ここにλ₁ にはＯＨラジカルの発光強
度を示し、λ₂ には特定の化学種の発光スペクトルが存
在しない波長の強度を示す。

【００２５】光学装置が汚れた場合には、図中（ｂ）の
ように波長選択性がなく、一様に輝度レベルが低下する
傾向になり、光センサを通して得られる情報量が少なく
なる。装置設置直後の汚れが少ない場合におけるＯＨラ
ジカルの発光強度をＩλ₁ 、参照波長における発光強度
をＩλ₂ 、経時変化して、汚れがレンズに付着した場合
のＯＨラジカルの発光強度を・Ｉλ₁ 、参照波長におけ
る発光強度を・Ｉλ₂とした場合、Ｉλ₁ ＞Ｉλ₁ 、Ｉ
λ₂ ＞Ｉλ₂ となり、信号レベルの低下は免れないが、
相対値としての輝度信号は汚れにかかわらず一定であ
る。すなわちＩλ ₁ ／Ｉλ₂ ＝Ｉλ₁ ／Ｉλ₂ となりレ
ンズの汚れや、輝度の絶対値の大小に影響を受けにく
い。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の具体的実施例につき説明す
る。図６は、ガス燃焼用空気供給装置の系統図を示すも
のである。主燃料であるＬＮＧは、受け入れ基地のＬＮ
Ｇ貯蔵タンク６７からパイプラインで火力発電所にまで
送られる。所内でベーパライザ（気化器）６６によりガ
ス化して、流量調整弁６５で圧力調整した後に各バーナ
５０に供給する。通常バーナ入口のガス圧は最大負荷時
において１atg から３atg の範囲に設定されるが、特に
これといった圧力の規制値はない。しかし、燃焼振動抑
制からは、火炉内の圧力脈動が燃料側にフィードバック
しにくいように、できるだけバーナ入り口圧力を高くし
た方がよい。ただし、１atg を越えるとノズル出口部に
おいてガス流速は音速に達し火炉の圧力脈動が燃料の圧
力変動に直接影響するとは考えにくいので、それほど燃
焼振動抑制効果はないと考えられている。

【００２７】一方、燃焼用空気はＦＤＦ（押し込み通風
器）６０で加圧した後、空気予熱器６９で約３３０℃ま
で昇温した後、火炉の各バーナ段に設けた風箱２に供給
される。各バーナ段に供給される空気は風箱入口に設け
たダンパ（空気流量調節装置）６８で流量調整される。
その後各バーナに送られ、旋回がかけられた後炉内に供
給される。

【００２８】代表的なガスバーナの構造断面図を図５に
示した。図中に本発明になるところの燃焼振動検出装置
としてサファイア式温度計（５２、５３）を実際に挿入
した場合の状態も表示したが、その内容については後で
説明する。従って、ここでは、既設ガスバーナ５０の構
造について説明する。燃焼用空気はバーナ中心部から半
径方向の３流路に分割して炉内に供給される。このうち
２次空気５９は軸流旋回器（２次ベーン）５６で旋回さ
せ、３次空気５８は図示しないエアレジスタによって旋
回がかけられる。

【００２９】一方ガス燃料は、ガスノズル５７から炉内
へ、ほぼ亜音速で噴出され保炎器８後方に火炎９が形成
される。燃焼用空気の旋回効果により、バーナ後方には
大きな循環領域が形成され、ガス燃料の着火安定性に貢
献するが、しかしバーナ負荷が変化したり、ＮＯ_x 低減
や火炉での熱吸収をコントロールするために、ボイラ排
ガスを燃焼用空気に混入する場合においては、バーナス
ロート部分５１１における流速が増加するために火炎の
吹き飛びおよび付着現象がみられ、これが原因で燃焼振
動を引き起こす場合がある。

【００３０】図１には、本発明になるところの、振動予
兆評価システムをバーナに取りつけた例を示した。燃焼
振動は、火炉に設置した３０本を越すバーナ群のうちの
内１本でも振動を引き起こす条件にあれば火炉全体の燃
焼振動に至ることから、全数バーナに取りつけ、各々の
バーナの燃焼状態を監視するのが望ましい。ただし、火
炉の振動レベルが厳しいのは、最下段バーナ位置である
ことと火炉の燃焼振動が、幅、奥行、高さのｘ、ｙ、ｚ
方向のモードでおこる可能性を有していることから、最
下段のコーナ部分のバーナを中心にバーナパネルの反対
側バーナ、高さ方向として最上段バーナ、奥行方向とし
て対向のバーナの計４個所に圧力、光センサを取りつけ
るのが最も効率がよいと考えられる。この取付位置を図
１３に示す。

【００３１】本願発明者の検討によれば、燃焼炉におけ
る発熱率変動を最もよく示すものとしては、火炎中のＯ
Ｈラジカルの発光強度があげられる。火炎中の発光ラジ
カル成分としてはＣ₂ ラジカル、ＣＨラジカルがあり、
可視領域に属し採光し易いが、これらは主として燃焼用
空気と燃料の空燃比の状態を表わすものであり、発熱率
変動をとらえるものとしてはＯＨラジカルが最もすぐれ
ていることがわかった。ただし、ＯＨラジカルは紫外域
に属するので、その採光には特別の工夫が必要であり、
その内容は図２により後述する。

【００３２】図１において、バーナは火炉１のうち水壁
に取りつけられ風箱２にマウントされる。本図ではガス
燃料の供給装置は省略したがバーナの先端には保炎器８
が構成され、その後方に保炎器８による燃焼用空気の逆
流領域が形成されることから、ガス火炎は、この領域で
着火安定化する。バーナ近傍の火炉の気柱共鳴が原因で
発生する圧力の変動または規則的な脈動は圧力センサ１
０でとらえられ増幅装置（ストレインアンプ）３で電気
信号に変えられ、Ａ／Ｄ変換器４でディジタルデータに
焼き直される。一方火炎の輝度は採光装置（光プロー
ブ）１１２で効率よく受けとめられる。

【００３３】この採光装置の具体的な構造を図２に示し
た。レンズの構成は、対象とする火炎の位置や形状で異
なるが、考え方のみを図２を用いて説明する。火炎から
の光は対物レンズ（ここでは、できるだけ多くの光量を
得るために凹レンズを使用している）で平行光線として
伝送され、リレーレンズで絞り込まれる。さらに接眼レ
ンズでファイバの入光部分の径に合致するような、平行
な光として調整され、石英の２分岐ファイバに送り込ま
れる。２分岐にした理由は、２波長各々の光センサへで
きるだけ多くの光を導入するためである。レンズおよび
ファイバは、そこでの紫外線の吸収をできるだけ抑制す
るために、材質は石英とする。この採光装置は、比較的
高温（約３００度）にさらされるために、空気で冷却し
た構造とした。この採光装置は、図１では１１２で表示
されている。さて、２分岐した光は、光ファイバーで伝
送され、光／電変換器１１３に送られる。この部分は図
１では波長λ₁ 用増幅器と波長λ₂ 用増幅器で構成され
るが、詳しくは図３にその構造を示した。図１で示す増
幅器は、図３で示す干渉フィルタ、光センサ（フォトマ
ル：光電子増倍管）、アンプ内蔵ソケット、高電圧電源
で構成される。これらは、λ₁ とλ₂ 用の２セット用意
されている。干渉フィルタで特定の波長の光だけを透過
して、光センサで光電変換され、さらにアンプで微弱な
電気信号を増幅する。図１に戻るが、これらの電圧信号
はアナログ除算器１７で、相対光強度データ（電圧信
号）として変換され、そして圧力の信号と同じくＡ／Ｄ
変換器１８でディジタルデータに焼き直される。

【００３４】ここで、アナログ除算器を用いた理由は、
時間変動のデータを扱う場合にアナログの方がデータの
サンプリング時間などを考慮しなくてよく、周波数解析
を行なう場合容易であるからである。もちろん全てディ
ジタルデータとして処理することも可能である。これら
のデータは相互相関演算器４０により時間領域で、相互
相関関数に変換され、さらにＦＦＴアナライザ５で周波
数領域のクロスパワースペクトラムに変換される。さら
に振動評価装置６によりこの領域で、共鳴周波数ｆ₁ に
おける振幅Ｉ_1cをピークサーチで求め、全振動エネルギ
Ｉ_0cとの比率Ｉ_1c／Ｉ_0cを計算する。Ｉ_0cは、相互相関
関数の時間遅れ０の値を採用してもよい。

【００３５】さて、振動評価指数は、図８の中図の状態
を燃焼振動に到らないと評価するために位相の項を追加
しなければならない。共鳴周波数すなわち最大振幅を示
す周波数ｆ₁ における位相角θ₁ を求めて振動評価指数
をＩ_1c／Ｉ_0c× cos（θ₁ ）とする。図４には、光セン
サの代わりにサファイアロッドの先端に黒体センサを施
した放射温度計を用いた例を示す。

【００３６】光センサをバーナに挿入するのは、予算的
にも、スペース的にも困難な場合が多い、従って、温度
計を火炎が変動する場所に挿入して発熱量に代わる温度
変動を取り出して、圧力とともに取り込めば、比較的安
易に燃焼振動の監視が可能となる。ただし、熱電対式の
温度計は、火炎温度が２０００度近くになることから使
用できない。白金を用いた熱電対でかろうじて計れる場
合があるが、火炎の変動が実機規模のバーナおよび火炉
の組み合わせで、約３０Ｈｚと温度変動としては、比較
的早いために、温度計の時定数を短くする、すなわち熱
電対を細くしなければならず、寿命が極めて短いために
やはり使用できない。そこで近年開発された、サファイ
ア式温度計をこの温度センサとして使用することを考え
た。サファイアは、２０００度以上の温度に長時間耐え
るし、１００Ｈｚ程度の温度変動を計測できることか
ら、燃焼振動の計測に適していると考える。

【００３７】計測系統は、火炎の輝度変動と炉内の圧力
変動を同時に計測する場合の計測系統とほぼ同じであ
り、光の解析部分を温度の解析部分に置き直しただけで
ある。図５にサファイア式温度計をガスバーナに取りつ
けた場合の位置について示した。この図は、ガスバーナ
の断面図を示している。燃料のガスはガスノズル５７か
ら、炉内に向けて噴出され、燃焼用の１次空気５１０、
２次空気５９、３次空気５８と混合して燃焼する。この
際に燃料は、保炎器８の後方で着火し、火炎９を形成す
る。燃焼振動が発生した場合に、高速度ビデオで火炎の
変動を観察した結果、着火位置が炉の共鳴周波数と一致
してバーナ幅方向にゆらいでいるのが観測された。従っ
て保炎器５５の近くに温度計を挿入すれば、この近傍に
おける発熱変動を温度変動としてとらえることができ
る。もちろん発熱変動そのものではなく、物理的な意味
あいでは、火炎中ＯＨラジカルの発行強度のほうがよい
が、簡易的に安価に振動を予兆するだけであれば十分と
考える。挿入位置として、保炎器近傍であれば、温度計
が高温にさらされている箇所が少なく、その寿命からも
好ましいと考える。

【００３８】

【発明の効果】本発明の燃焼振動評価アルゴリズムを組
み込んだ火炉の燃焼振動監視装置を用いれば、試運転時
における燃焼調整に要する時間の大幅な短縮が計られる
ことになり、設計および調整に要する経費の大幅な節約
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる火炉の燃焼振動監視装置の系統
図。

【図２】図１の装置の光プローブ（採光装置）の断面
図。

【図３】光／電変換装置の構造図。

【図４】光センサの代わりとして、サファイア温度計を
取りつけた場合の実施例系統図。

【図５】光センサの代わりとして、サファイア温度計を
取りつけた場合のバーナ断面図とバーナ近傍における設
置状況を示す図。

【図６】ガス焚きボイラにおける燃焼系統概要図。

【図７】従来の燃焼振動評価装置の系統図。

【図８】燃焼振動の概念を、圧力変動と発熱変動との相
互関係で示した図。

【図９】従来の燃焼振動評価指数Ｉ₁ ／Ｉ₀ の計算方法
の説明図。

【図１０】本発明になる振動評価指数Ｉ_1c／Ｉ_0cと従来
の燃焼振動評価指数Ｉ₁ ／Ｉ₀ との計算手順概要図。

【図１１】光センサによる計測時に光学系統のよごれ等
が原因で発生する信号レベルの低下現象を示す図。

【図１２】２波長計測による計測例を示す図。

【図１３】本発明における光センサの取付要領を示す
図。

【符号の説明】

１…火炉、２…風箱、３…増幅器、４…Ａ／Ｄ変換器、
５…高速フーリエ変換装置（ＦＦＴアナライザ）、６…
振動評価装置、７…表示装置、８…保炎器、９…火炎、
１０…圧力センサ、１０Ｐ…圧力センサプローブ、１５
…波長λ₁ 用増幅器、１６…波長λ₂ 用増幅器、１７…
アナログ除算器、１８…Ａ／Ｄ変換器、４０…相関関数
演算器、１１２…光プローブ（採光装置）、１１３…光
電変換装置。

フロントページの続き (72)発明者 津村 俊一 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (72)発明者 中崎 秀樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日 立株式会社 呉工場内 (56)参考文献 特開 平６−11138（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−231610（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−36420（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−219526（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−41727（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−69428（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−129524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−79929（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23N 5/08 F22B 37/38 F23N 5/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のガスバーナにより火炎が形成され
   る火炉において、当該火炉内部の圧力を検出する手段
   と、前記火炎中のＯＨラジカルに相当する波長（λ₁ ）
   の輝度信号とその波長に隣接し、かつ特定の化学種の発
   光に相当しない参照波長（λ₂ ）の輝度信号を検出する
   輝度検出手段と、上記両輝度信号に基づき火炎の相対輝
   度信号を算出する手段と、前記圧力検出手段の検出値お
   よび火炎の相対輝度信号の時間軸についての相互相関関
   数を求める演算手段と、この演算手段の演算値をフーリ
   エ変換してクロスパワースペクトルを求める高速フーリ
   エ変換装置と、前記クロスパワースペクトルの周波数の
   うち火炉の共鳴周波数の振動エネルギと全振動エネルギ
   との比を求め、この比に基づいて燃焼振動発生の有無の
   予測を行なう振動評価装置とを設けたことを特徴とする
   火炉の燃焼振動監視装置。
2. 【請求項２】 複数のガスバーナにより火炎が形成され
   る火炉において、当該火炉内部の圧力を検出する手段
   と、前記火炎の温度を検出する温度検出手段と、前記圧
   力検出手段と温度検出手段の各検出値の時間軸について
   の相互相関関数を求める相互相関演算手段と、この演算
   手段の演算値をフーリエ変換してクロスパワースペクト
   ルを求める高速フーリエ変換装置と、前記クロスパワー
   スペクトルの周波数のうち火炉の共鳴周波数の振幅と全
   周波数の平均振幅の比を求め、この比に基づいて燃焼振
   動発生の有無の予測を行なう振動評価装置とを設けたこ
   とを特徴とする火炉の燃焼振動監視装置。
3. 【請求項３】 請求項２において、火炎の温度検出手段
   をサファイア棒の先端に黒体を施したもので構成したこ
   とを特徴とする火炉の燃焼振動監視装置。