JP5543591B2 - プロセス燃焼アナライザを作動させる方法、安全システム、及びプロセスガストランスミッタ - Google Patents

Description

背景
工業プロセス産業は、一つ以上の燃焼プロセスを含むエネルギー源に主に依存する。そのような燃焼プロセスは、燃焼からエネルギーを生成するために炉又はボイラの運転を含み、そのエネルギーがのちにプロセスのために使用される。燃焼は相対的に低廉なエネルギーを提供するが、その使用は一般に規制されており、燃焼効率を最大化することが求められている。したがって、プロセス管理産業の一つの目標は、既存の炉及びボイラの燃焼効率を最大化することによって温室効果ガスの生成を減らすことである。

燃焼プロセスのモニタリング、最適化及び制御にはインサイチュー又はインプロセスアナライザが一般に使用される。一般に、これらのアナライザは、相対的に高い温度に加熱され、炉又はボイラ燃焼ゾーンの真上又は近くで作動するセンサを用いる。公知のアナライザ、たとえば米オハイオ州SolonのRosemount Analytical Inc.（Emerson Process Management社)から商品名X-Stream O_２ Combustion Flue Gas Transmitterとして販売されているものは、多くの場合、約７００℃（華氏１３００度）を超える温度に加熱される酸化ジルコニウムセンサを用いる。燃焼プロセスが炎吹消え状態に陥るならば、生燃料及び空気がこのセンサに暴露され、このセンサが、その高温のおかげで、爆発を促進する可能性のある発火源になることができる。

公知のアナライザは一般に、流れ効果を最小限にし、計測セルの汚染を軽減しながらもプロセスガスが計測ゾーンに拡散することを許すために、計測セルとプロセス燃焼ガスとの間の配置された燒結金属又は他のディフューザを用いる。ディフューザは、プロセスガスが加熱された計測セルそのものと接触することを容易に許し、プロセス燃焼ガスが可燃ガスで置換された場合、爆発を可能にする。この状況は、燃焼炎が消え、かつ燃料が流れ続ける場合に起こることができる。

一部のプロセスアナライザは危険区域運用を認可されている。いくつかの認可は、Canadian Standards Association（ＣＳＡ）、Factory Mutual（ＦＭ）、ATmosphares EXplosibles（ＡＴＥＸ）などによって提供されるものを含む。一般に、危険区域認可されたアナライザは、加熱された計測セルの前で起こるおそれのある爆発を消火又は他のやり方で抑制し、それにより、ボイラ又は燃焼ゾーンにおける、より多量の燃料の発火を防止する意図をもってディフューザの上に追加されるフレームアレスタを含む。このようなフレームアレスタは過去において試験され、認可されている。しかし、そのようなフレームアレスタによって提供される安全性を改善することができると考えられる。そのうえ、フレームアレスタの利用は、計測セルへのアクセスをいくらか阻害し、それにより、計測遅延を増すおそれがある。

最先端のプロセス安全システムは一般に、オペレータに警告する、及び／又は火炎が消えており、生燃料が流れているかもしれないことを指示する電気信号を送出するために、フレームスキャナを提供する。全自動化システムはただちに燃料流を停止させるが、マニュアルシステムは一般にオペレータの介入を要する。

また、燃料を導入し、発火源を使用して火炎を起こすプロセスバーナ又はボイラの初期点火時に潜在的に危険な状況が生じるおそれもある。一部の状況において、生燃料が酸素センサ（それ自体のヒータによって７００℃の温度に加熱されている）に達することがあり、それが、所期の発火源の前に発火源を提供することがある。これが、潜在的な着火又は爆発を生じさせることができる。一般に、フレームアレスタが酸素センサ上に使用される、又はボイラもしくは炉の始動時にはアナライザは駆動されない。駆動されていないアナライザは、酸素センサが加熱されず、したがって、意図されない発火源を形成することができないため、完全に安全である。しかし、アナライザは、始動後３０〜４５分間は非機能性であるため、重要な燃焼始動段階においてアナライザは利用不可能である。これが燃料を浪費し、過度な放出及び非効率性を招くおそれがある。したがって、容易に利用可能でありながらも安全な始動及び故障状態動作を提供するアナライザシステムを有することが望まれる。

計測セルを有するプロセス燃焼アナライザを作動させる方法が提供される。方法は、計測セルを、燃料と酸素とがバーナ中で合わされて火炎を発生させる燃焼プロセスの排気に暴露することを含む。計測セルは、燃料の引火点よりも高い温度に加熱される。例外又は故障状態が検出されると、その状態が存在する間にガスが計測セルに送られて、計測セルと未燃燃料との間に気体バリヤを形成する。ひとたび状態が和らぐと、ガス流が作動解除され、プロセス燃焼ガス計測値が提供される。

本発明の実施態様が特に有用であるインサイチュー燃焼プロセスアナライザの図である。 本発明の実施態様にしたがって有用なプロセス分析酸素センサの分解図である。 本発明の実施態様のインサイチュー燃焼プロセスアナライザの図である。 正常状態中に作動するプローブアセンブリの一部分の図である。 校正中のプローブアセンブリの一部分の図である。 本発明の実施態様のインサイチュー燃焼プロセスアナライザを作動させる方法の流れ図である。

例示的実施態様の詳細な説明
本発明の実施態様は一般に、加熱されたプロセス分析センサと潜在的に可燃性又は有害な環境との間に気体バリヤを提供する。本発明の実施態様は一般に、インサイチュープロセス分析酸素アナライザに関して説明されるが、本発明の実施態様は、可燃性又は爆発性材料の意図されない引火点を潜在的に生成することができる温度で作動するあらゆるプロセス分析センサに適用可能である。有利には、本発明の実施態様は、旧来のプロセス分析ハードウェアが、意図されない発火の危険性を減らす、又は最小限にする新たなやり方で作動することを許すことができ、同時に、ひとたび燃焼プロセスが開示されたならば、実質的に即時のプロセス分析計測値の恩典を提供する。

図１は、従来技術のインサイチュープロセス燃焼アナライザの図である。トランスミッタ１０が、上述したX-Stream O_２ Combustion Flue Gas Transmitterをはじめとする適当なアナライザであることができる。トランスミッタ１０は、煙突又は煙道１４内に配置され、バーナ１６で起こる燃焼に関連する少なくとも一つのパラメータを計測するプローブアセンブリ１２を含む。一般に、トランスミッタ１０は、酸素トランスミッタであるが、燃焼プロセスに関連する適当なパラメータを計測する任意の装置であることができる。バーナ１６は、空気又は酸素の供給源１８及び可燃燃料の供給源２０に操作可能に結合されている。各供給源１８及び２０は、好ましくは、燃焼プロセスを制御するために制御された量の酸素及び／又は燃料をバーナ１６に送り出すための何からの種類の弁を介してバーナーに結合されている。トランスミッタ１０は、燃焼排気流中の酸素の量を計測し、酸素レベルの指示を燃焼制御装置２２に提供する。制御装置２２は、弁２４、２６の一方又は両方を制御して閉ループ燃焼制御を提供する。トランスミッタ１０は、一般には酸化ジルコニウムセンサ基材を用いて排気中の酸素濃度、含有量又は含有率を示す電気信号を提供する酸素センサを含む。酸化ジルコニウムセンサは約７００℃の温度で作動し、したがって、トランスミッタ１０は、ＡＣ電源２９に操作可能に結合された電気ヒータをプローブアセンブリ１２内に含む。ＡＣ電源２９は、酸化ジルコニウムセンサ基材を適当な温度に加熱するためにプローブアセンブリ１２内の一つ又は複数の電気加熱要素に電気エネルギーを提供する１１０又は２２０ＶＡＣ電源であることができる。

理解されるように、バーナ１６が炎吹消え状態に陥るならば、生燃料及び空気がそれぞれ供給源２０、１８から流れ続け、それらが高温の酸化ジルコニウムセンサに接触し、それが、意図されない発火源を提供するということが起こり得る。炎吹消え状態に対処するために、従来技術の方法（図１に示すものを含む）は一般に、バーナ１６における火炎３０の存在を示す信号を提供するように配置されたフレームスキャナ２８を含む。このフレームスキャナ信号は、炎吹消え状態に対する適切な対応を可能にするために提供されるものであった。過去において、フレームスキャナ信号は、燃料弁を閉じ、及び／又はアナライザからパワーを除去し、それにより、プローブアセンブリ１２内のヒータの電源を切るために使用されていた。多くの場合、このパワー除去が、燃料発火温度よりも低い温度への酸化ジルコニウムセンサの速やか冷却を可能にし、それにより、安全な状態を作り出す。しかし、バーナ１６で火炎３０が回復すると、アナライザヒータパワーは回復するが、トランスミッタ１０は、酸化ジルコニウムセンサの作動温度に達するまで、燃焼酸素情報を提供することができない。作動温度に達するまでのこの遅延は一般に、１０〜４５分程度であり、その間、重要な燃焼始動段階で燃料を浪費する、及び／又は過度な放出及び非効率性を招くおそれがある。

図２は、本発明の実施態様が特に有用であるインサイチュープロセス燃焼アナライザの図である。プローブアセンブリ１２が一般に、計測セル３６に隣接して配置される金属リテーナ３４の近くに配置されたディフューザ３２を含むセンサコアアセンブリ３０を収容するように構成されている。上記のように、計測セル３６は高温で動作可能であり、その高温は電気ヒータ３８によって提供される。計測セル３６及びヒータ３８は、ボード４０を介してトランスミッタ１０に電気的に接続される。ボード４０は、エレクトロニクスボード４２をハウジング４４中に係合させるように構成されている。ボード４０はまた、標準空気及び校正用ガスをそれぞれ受けるための複数のガス入口４６及び４８を含む。

酸化ジルコニウム感知技術は、歴史的に、周囲又は計器空気（酸素２０．９５％）を標準として使用することによってプロセス酸素を計測してきた。正確に制御された量の酸素をセンサに導入し、計測セル３６に暴露することができるセンサは定期的に校正されなければならないかもしれない。したがって、ポート４６及び４８は、標準及び校正用ガスをセル３６に送る導管に結合される。標準ガスは、酸化ジルコニウム基材の、プロセスガスから離れた側に提供される。しかし、校正中は、校正用ガスが、酸化ジルコニウム基材の、標準ガスに暴露される側とは反対の側に供給される。このようにして、各側がガスに暴露される。

本発明の実施態様は一般に、炎吹消え状態の間、不燃性ガス、通常は標準ガス又は校正用ガスをパージガスとして用いて、連続的に流れる気体バリヤを計測セル３６とディフューザ３２との間に提供する。このようにして、煙道内に蓄積するおそれのある可燃性、爆発性又は他の点で有害な材料を高温（可燃性又は爆発性材料の引火点以上の温度）の面から安全に遠ざけておくことができる。

図３は、本発明の実施態様のインサイチュー燃焼プロセスアナライザの図である。トランスミッタ５０は、火炎３０が消えた場合、供給源１８からの空気又は酸素の存在下において供給源２０からの未燃燃料を発火させるのに十分に高い温度で作動するプロセスガスセンサを中に収容するプローブセンサ５２を含む。図３に示すように、フレームスキャナ２８からの信号又は他の何らかのロバストなデジタル入力が安全システム５４内のリレー又はスイッチに結合される。安全システム５４は、トランスミッタ５０と一体であることもできるし、それから切り離されていることもできる。さらには、トランスミッタ５０が安全システム５４から切り離されている実施態様において、トランスミッタ５０は、システム５４から物理的に離れていることができる。

安全システム５４は、トランスミッタ５０をヒータ電源２９に選択的に結合するためにスイッチ５６に操作可能に結合されている。さらには、安全システム５４はまた、供給源６０をトランスミッタ５０に選択的に結合するために空気弁５８に操作可能に結合されている。したがって、ひとたびフレームスキャナが炎吹消え状態を報告する、又は他のやり方で指示するならば、安全システム５０は、弁５８を作動させて標準又はパージガスを計測セルとディフューザとの間に送ることができる。実際には、弁５８は、校正用ガス流を止めるためには安全システム５４が弁５８の電源を入れなければならないような常時開である非付勢状態（non-energized state）を有することが好ましい。空気又は校正用ガスが使用されることが好ましいが、適当な不燃性パージガスを使用することもできる。そのうえ、ポンプを用いて、空気をはじめとする適当なパージガスを校正用ガスポートに送ることができる。当業者は、安全システム５４が既存の自動校正モジュールに類似しており、事実、一部のモジュールは、炎吹消え信号が自動的に校正用ガスを作動させるようにプログラム又は他のやり方で構成されることができることを理解するであろう。なおさらには、当業者は、本発明の実施態様にしたがって安全システム５４の様々な弁及び信号処理回路をすべてインサイチュープロセスガスアナライザ内で具現化することができることを理解するであろう。したがって、トランスミッタ５０が、校正用ガス入口に結合された適当な弁を含む実施態様においては、トランスミッタ５０そのものが炎吹消え状態の指示を受け、校正用ガス弁を作動させて、校正用ガスを計測セルに送って計測セルを潜在的に可燃性又は爆発性の材料から隔離することができる。

本発明の実施態様は、すでに設置されている旧来のインサイチュー燃焼トランスミッタとで実施することができると考えられる。なおさらには、熱的に高められたセンサ計測セルの間を流れる気体バリヤの自動生成は、潜在的に腐食性又は損傷性の材料のような他の材料との接触からセルを保護するのに役立つことができる。本発明の実施態様は、有意な安全性及び使用適性の利点を提供すると考えられるが、それでも、本発明の実施態様は、一般的なフレームアレスタとで使用することができる。

本発明の実施態様は一般に、電空システム（トランスミッタ内又はその外に配置されている）を利用して、バーナ火炎状態に応答する電気信号又は適当な手動選択信号に応答してパージガスを校正ポートに導入する。ガス流が計測セルの前方の容積をパージし、高温の潜在的発火源（計測セル３６）への可燃ガスのような材料の進入を阻む。正常運転下、パージガス弁はパワーが加えられ、校正用ガスの流れを阻む。安全システム、たとえば５４の入力が切り換えられる場合、弁からパワーが除去され、結果として起こる空気流が、プロセスガス（燃料）が数秒内に加熱されたゾーンに到達することを阻む。この動作が、作動温度を維持しながらも安全な作動を促進し、それにより、ヒータパワーを除去することなく、緊急安全モードを備えた待機ホットスタート能力を提供する。このシステムはまた、安全パージと並行して場合によってはヒータの電源を切るために使用することもできると予想される。そのうえ、ヒータ制御を詳細に選択して、計測セルがプロセスガスの引火点よりも適切に低い温度に冷めることを許すこともできると考えられる。ひとたびそのような温度が確認されたならば、標準及び／又は校正用ガス流量を減らすことができる。したがって、このようなハイブリッド実施態様においては、計測セルが引火点よりも低い温度にあるだけでなく、いくらかの流動する気体バリヤが用いられる。

図４ａは、プローブアセンブリ４５２の末端部分の図である。部分４５４は、ディフューザ４３２を収容する末端４５６を含む。図４ａに示すような正常運転中、プロセス燃焼ガスがディフューザ４３２を通って拡散し、センサ４５８と接触する。校正用ガス導管４６０が、センサ４５８とディフューザ４３２との間に配置された校正用ガス出口４６２に結合されている。正常運転中、×印４６４で示すように、校正用ガスは導管４６０中を流れない。

図４ｂは、校正中のプローブアセンブリ４５２の図である。校正中、校正用ガスが導管４６０中に提供され、ポート４６２からプローブアセンブリ４３２に進入する。校正用ガス流は、センサ４５８とディフューザ４３２との間の領域を満たす。その既知の成分のおかげで、校正用ガスがセンサ４５８に近接するときセンサ４５８によって得られる計測値は、誤差を検出し、補正することを可能にする。本発明の実施態様は一般に、出口４６２の配置を利用して、非安全な状態（たとえば炎吹消え又は手動待機状態）が検出されたとき不燃性ガス、たとえば標準空気、校正用ガス又は他の適当なガスを提供する。

図５は、本発明の実施態様のインサイチュープロセス燃焼アナライザを作動させる方法の流れ図である。方法１００はブロック１０２から始まり、ここで、アナライザのヒータを作動させてプロセス分析ガスセンサ、たとえばプロセス分析酸素センサを作動温度に加温する。上述したように、一般的な酸化ジルコニウム酸素センサの作動温度は約７００℃である。方法１００はブロック１０４に続き、そこで、アナライザは、作動温度に達するまで待機する。ひとたび作動温度に達すると、制御はブロック１０６に移り、そこで、プロセスアナライザは、プロセスガス計測値、たとえばプロセス酸素レベルを提供し始める。ブロック１０８において、炎吹消え指示を受ける。この炎吹消え指示は、インサイチュープロセス酸素アナライザ、プロセス酸素アナライザに対して外にある装置又は両方によって受けることができる。いずれにせよ、ひとたび炎吹消え指示を受けたならば、制御はブロック１１０に移り、そこで、校正用ガス供給源を作動させて、熱的に高められた計測セルとディフューザの近くの材料との間に気体バリヤを発生させる。そのような材料は、可燃性又は潜在的に爆発性のプロセスガスを含むことができるが、計測セルに対して有害作用を及ぼすおそれのある任意の材料を含むこともできる。炎吹消え指示を受けると、ガス流は、トランスミッタそのもの及び／又は外部装置によって起動されることができる。ブロック１１０において、プロセスガスアナライザの計測セルは、好ましくは高温、少なくとも、好ましくは最高作動温度に維持される。方法１００は、炎吹消え状態が和らぐまでブロック１１０の状態にとどまり、炎吹消え状態が和らぐと、制御はライン１１２に沿ってブロック１０６に戻り、アナライザが計測値を提供し始める。しかし、プローブの熱制御システムが、計測セルが作動温度よりも低い温度に冷めることを許した実施態様においては、制御はブロック１０２に戻り、そこでヒータの電源を入れて計測セルを作動温度に加熱する。

好ましい実施態様を参照しながら本発明を説明したが、当業者は、本発明の真意及び範囲を逸することなく、形態及び詳細における変更を加えることができることを理解するであろう。

Claims (12)

1. 計測セルを有するプロセス燃焼アナライザを作動させる方法であって、
   前記計測セルを、燃料と酸素とがバーナ中で合わされて火炎を発生させる燃焼プロセスの排気に暴露すること、
   前記計測セルを前記燃料の引火点よりも高い温度に加熱すること、
   炎吹消え状態を検出し、前記炎吹消え状態が存在する間にパージガスを前記計測セルに送って、前記計測セルと未燃燃料との間に気体バリヤを形成すること、及び
   前記炎吹消え状態が解消すると、前記パージガスを作動解除し、プロセス燃焼ガス計測値を提供すること
   を含む方法。
2. 前記計測セルを加熱することが、プローブアセンブリ中、前記計測セルの近くに配置された加熱要素によって実施される、請求項１記載の方法。
3. 前記プローブアセンブリが煙道中に配置されている、請求項２記載の方法。
4. 前記プロセス燃焼ガス計測値がプロセス酸素計測値であり、前記温度が約７００℃である、請求項１記載の方法。
5. 前記炎吹消え状態を検出することが、前記状態中にヒータパワーを減らすことをも含む、請求項１記載の方法。
6. 前記炎吹消え状態が解消すると、プロセス燃焼ガス計測値が実質的にただちに提供される、請求項１記載の方法。
7. プロセスガストランスミッタで使用するための安全システムであって、
   パージガスの供給源と前記プロセスガストランスミッタの校正用ガス入口との間に流体的に配置された電空弁、及び
   検出された炎吹消え状態の間、パージガスを前記プロセスガストランスミッタに流れ込ませるための、前記電空弁に操作可能に結合された入力
   を含む安全システム。
8. 前記電空弁が、前記パージガス供給源と前記プロセスガストランスミッタの前記校正用ガス入口とが流体的に結合される常時開状態、及び、前記パージガス供給源と前記校正用ガス入口とが切り離される閉止状態を有する、請求項７記載の安全システム。
9. 前記入力が待機選択入力である、請求項７記載の安全システム。
10. ディフューザ、計測セル、及び前記計測セルを、燃焼の燃料の引火点と少なくとも同じ高さである作動温度に加熱するための、前記計測セルの近くに配置されたヒータを含む、煙道内で燃焼排気に暴露されるように構成されたプローブアセンブリ、
    前記計測セルが前記作動温度にあるとき前記計測セルからプロセスガス計測値を得るように構成された、前記プローブアセンブリに操作可能に結合されたエレクトロニクスボード、
    パージガスの供給源と前記プローブアセンブリの校正用ガス入口との間に流体的に配置された空気弁
    を含み、前記空気弁が入力に操作可能に結合可能であり、前記入力における信号が炎吹消え状態を示すとき、前記空気弁が前記供給源から前記プローブアセンブリ中の前記計測セルと前記ディフューザとの間の位置へのパージガスの流れを許容する、プロセスガストランスミッタ。
11. 前記ヒータが、パワーの供給源に電気的に結合され、前記炎吹消え状態の間、前記計測セルを前記作動温度に維持する、請求項１０記載のプロセスガストランスミッタ。
12. 前記パージガスの供給源が、パージガスを前記プローブアセンブリ中の前記計測セルと前記ディフューザとの間の前記位置に送るように操作可能なポンプを含む、請求項１０記載のプロセスガストランスミッタ。

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