JP3950111B2 - 自己診断機能を有する火炎検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタ−ビン燃焼器等における火炎の着火状況を検出する火炎検出装置に関する。本発明はガスタ−ビン燃焼器やボイラ燃焼室に好適に用いることができる。

発電プラントに適用されるガスタ−ビンやボイラでは燃焼用空気と燃料が燃焼器で混合し燃焼される。通常、燃焼器には、火炎を紫外線によって検出する火炎検出装置が備えられており、この検出装置により燃焼器の着火状況や失火状況を検出し、失火が生じた場合は燃料の供給を停止するなどの措置を講じている。

従来、ガスタービンの火炎検出装置としては、２本の導波管の一端を燃焼機の燃焼室にそれぞれ連結し、導波管の他端に紫外線を検出する３個のＵＶ光電管を設け、導波管を通じて燃焼機の燃焼室内の紫外線を３個のＵＶ光電管で検出することで燃焼室内の火炎の有無を検出し、燃焼室から遠い場所の良好な環境の場所でＵＶ光電管により紫外線を検出して火炎を検出するものがある(例えば、特許文献１参照。)。また、炉内火炎検出方法及び検出装置としては、炉内の火炎から発光されるスペクトルを、４００ｎｍ未満の波長光のみを通過するＵＶフィルタを通してその透過した光を半導体光センサで検出し、火炎の存在を確認できるものがある（例えば、特許文献２参照。）。また、ガスタービン燃焼器に、燃焼ガスの火炎状態量のうち、紫外線を検出する火炎検出器を設けたガスタービン火炎監視装置がある（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００１−３２９８６２号公報 特開２０００−９９８５０号公報 特開平１１−３２６０４２号公報

しかしながら、これら従来技術では次に示すような問題点がある。すなわち、特許文献１に記載のＵＶ光電管を使用した火炎からの紫外線を検知する火炎検知装置では、光電管に使用する高電圧を発生するため電源を別途用意する必要があり、さらに、光電管寿命は１年位と短い。この欠点を補うものとして近年は特許文献２，３に記載のように紫外線検出器としてＳｉＣなどの半導体素子が使用されるようになってきている。しかしながら半導体素子にも故障や劣化の可能性がある。

従来の火炎検出装置では、火炎からの紫外発光が実際にある、すなわち、燃料が正常に燃焼しているのに検出器の故障あるいは劣化により失火していると判断すると、安全のために燃料供給を停止する。また、逆に実際には紫外発光がない、すなわち、燃焼器が失火状態にあるのに検出器が故障あるいは劣化により着火状態にあると判断すると、燃焼器には燃料供給が継続され、燃焼器や後続の煙道に未燃ガスが充満することになり場合によってはプラントの円滑な運転が妨げられる。大型ガス−タビンプラントやボイラプラントでは計画外の運転停止は経済性の面でも回避しなければならない重要なことである。本発明は、従来技術が有するこのような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高度な信頼性を有する火炎検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１では火炎が発する光または電磁波を検出するセンサと、当該センサに設定強度の光または電磁波を照射する発光手段と、前記センサからの信号を解析する信号処理装置と、前記発光手段を駆動させる発光手段駆動用ドライバの各機器を備え、さらに、火炎が無いときは、前記発光手段からの光を解析した前記信号処理装置の出力から前記各機器の健全性を診断し、火炎があるときは、火炎からの光と前記発光手段からの光とを重ね合わせた光を解析した前記信号処理装置の出力変化から前記各機器の健全性を診断する判定器を備えた火炎検出装置としている。

請求項２では、前記発光手段が、ＵＶ−ＬＥＤである自己診断機能を有する火炎検出装置としている。

請求項３では、前記センサが、ＳｉＣ，ＧａＮ，ＧａＰ，ダイアモンドのいずれかである自己診断機能を有する火炎検出装置としている。

請求項４では、燃焼装置からの火炎発光から発生するパワ−スペクトルと異なるパワ−スペクトルの発光を前記発光手段で発光させることにより、燃焼装置運転中または休止中に関係なく火炎検出装置の健全性を診断することが可能な自己診断機能を有する火炎検出装置としている。

本発明は上記のとおり構成されているので、次の効果を有する。発光手段で、光または電磁波を発光あるいは消光させることにより、センサがその発光あるいは消光を正確に検出しているかを常時あるいは任意の時に確認できるので、センサの健全性を装置自体の中で自己診断することが可能である。また、この自己診断機能は、燃焼器の火炎の有無、すなわち燃焼器が稼動しているか否かに関係なく実施できるので大型プラントにおいては非常に有効な機能となる。さらに、この自己診断機能は単にセンサだけの診断ではなく、本発明の火炎検出装置を構成する各機器の健全性を診断できる特徴をもっている。このように火炎検出装置の健全性を自己診断することにより、火炎検出装置の誤動作あるいは故障により派生する燃焼器あるいはプラント全体のトラブルを未然に防止することができる。

以下、本発明について図面を参照しながら説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲において適宜変更あるいは修正が可能である。

図１は、本発明による火炎検出装置の構成を示す系統図である。図１において、本発明の自己診断機能を有する火炎検出装置は、燃焼器などの火炎から発生する紫外光を検出するためのセンサ１、センサ１からの信号を解析する信号処理装置２、前記センサ１や前記信号処理装置２など検出デバイスの処理波長範囲内の波長を発光できる発光手段３、前記発光手段３を駆動させるための発光手段駆動用ドライバ４、燃焼器等の火炎から発生する紫外光と発光手段３から発生する紫外光の両方の発光をセンサ１に導光する光学系５、発光手段駆動用ドライバ４とスペクトラムアナライザなどからの信号によりセンサ１など各機器の健全性を評価する判定器６から構成されている。

ガスタ−ビンあるいはボイラ（図示されていない）の火炎から発生した紫外光は、光学系５、例えばプリズムなどを通してセンサ１まで導光される。センサ１としてはＳｉＣ，ＧａＮ，ダイアモンド、ＧａＰなどが用いられる。センサ１からの信号は信号処理装置２にて、火炎パワースペクトルを解析して火炎の状態を判断する。信号処理装置２としては、スペクトラムアナライザや電圧計等が用いられる。火炎の有無だけを判断するのであれば高価なスペクトラムアナライザを用いる必要はなく、電圧計により電圧の大小をしきい値と比較すればよい。

一方、上記センサ１や信号処理装置２など検出デバイスが検出あるいは処理可能な波長範囲内の紫外光を発光できる発光手段３は、この発光手段３を駆動させるための発光手段駆動用ドライバ４によって発光する。発光手段３としては、ＵＶ−ＬＥＤ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ−ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、すなわち、紫外線発光ダイオード等を用いる。

発光手段駆動用ドライバ４は発光手段３の発光強度を変調させる機能を有する。また、この発光手段駆動用ドライバ４は、発光手段３をパルス発光もしくは連続発光させる機能を有する。また、そのいずれもの機能を有するようにすることもできる。したがって、この発光手段駆動用ドライバ４を使用すれば、火炎から発生するパワ−スペクトルと異なる振動周波数において、発光手段３を作動させることができる。

発光手段３から発生した紫外光は、例えば、プリズム等の光学系５で、燃焼室火炎から発生した紫外光と重ね合わされセンサ１で受光される。センサ１からの信号は火炎からのパワースペクトルに発光手段３からのパワースペクトルが重ねられて信号処理装置２に送られる。信号処理装置２がスペクトラムアナライザの場合は、火炎からの紫外光のパワースペクトルに発光手段３からの紫外光のパワースペクトルが重ねあわされて表示される。信号処理装置２が電圧計の場合は、発光手段３からの信号分だけ高い電圧を表示する。

このような構成により、信号処理装置２がスペクトラムアナライザの場合は、発光手段３が発光したときに表示されるパワースペクトルを正常時のそれと比較してやれば、センサ１あるいは光学系５を含めた火炎検出装置の健全性を判断することができる。すなわち、表示されるパワースペクトルが正常時のそれと多少のずれであれば、センサ１の劣化の可能性が想定されるし、発光手段３が発光したときに表示されるべきパワースペクトルが表示されない場合は、センサ１あるいは火炎検出装置の故障を示している。

信号処理装置２が電圧計の場合は、発光手段３が発光したときに表示される電圧上昇を正常時のものと比較してやれば、センサ１あるいは光学系５を含めた火炎検出装置の健全性を判断することができる。すなわち、表示される電圧上昇が正常時のそれと多少のずれであればセンサ１の劣化の可能性が想定されるし、発光手段３が発光したときに表示されるべき電圧上昇が表示されない場合はセンサ１あるいは火炎検出装置の故障を示している。

判定器６は、発光手段３あるいは光学系５が正常に作動したときのパワースペクトルや電圧上昇値を記憶しており、発光手段３が作動した信号を発光手段３から受け、この時、測定されたパワースペクトルや電圧上昇値を正常時のパワースペクトルや電圧上昇値と比較し、センサ１や火炎検出装置の健全性を判定表示する。

以上の説明で明らかなように、本発明の火炎検出装置おいては、燃焼器の火炎の有無に関係なく火炎検出装置の健全性あるいは劣化の状況を診断することが可能となる。本発明の火炎検知装置の作動・動作は次のとおりである。燃焼装置停止時においては、発光手段３を発光させ、その光をセンサ１で受け、その出力から健全性を診断することができる。また、発光手段３の発光強度を変調し、センサ１での出力変調（パワ−スペクトル）を調べ、健全性を診断することができる。

燃焼装置稼動時においては、発光手段３を発光させ、火炎からの光と重ね合わせ、その光をセンサ１で受け、出力値の変化から健全性を診断することができる。また、発光手段３の発光強度を変調し、火炎からの光と重ね合わせセンサ１での出力変調（パワ−スペクトル）を調べ、健全性を診断することができる。

本発明による火炎検出装置の構成を示す系統図である。

符号の説明

１ センサ
２ 信号処理装置
３ 発光手段
４ 発光手段駆動用ドライバ
５ 光学系
６ 判定器

Claims (4)

1. 火炎が発する光または電磁波を検出するセンサと、
   当該センサに設定強度の光または電磁波を照射する発光手段と、
   前記センサからの信号を解析する信号処理装置と、
   前記発光手段を駆動させる発光手段駆動用ドライバの各機器を備え、さらに、
   火炎が無いときは、前記発光手段からの光を解析した前記信号処理装置の出力から前記各機器の健全性を診断し、火炎があるときは、火炎からの光と前記発光手段からの光とを重ね合わせた光を解析した前記信号処理装置の出力変化から前記各機器の健全性を診断する判定器を備えた火炎検出装置。
2. 前記発光手段が、ＵＶ−ＬＥＤであることを特徴とする請求項１記載の自己診断機能を有する火炎検出装置。
3. 前記センサが、ＳｉＣ，ＧａＮ，ＧａＰ，ダイアモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の自己診断機能を有する火炎検出装置。
4. 燃焼装置からの火炎発光から発生するパワ−スペクトルと異なるパワ−スペクトルの発光を前記発光手段で発光させることにより、燃焼装置運転中または休止中に関係なく火炎検出装置の健全性を診断することが可能な請求項１〜３のいずれかに記載の自己診断機能を有する火炎検出装置。

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