JP6308599B2 - ガスタービン燃焼状態診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン燃焼状態診断装置に関し、より詳しくは、ガスタービン燃焼器内部で燃焼状態によって発生する浮遊性固形物を赤外線を利用して感知し、火炎温度の変化を超音波を利用して測定することにより、ガスタービンの適切な制御がなされるようにするガスタービン燃焼状態診断装置に関する。

ガスタービン発電システムは、ノズルから噴射されて燃焼される燃料の火炎状態に関する精密なモニタリングを通してガスタービン燃焼器内の不安定な燃焼による燃焼器の焼損事故などを効果的に防止するのはもちろんのこと、燃焼効率を増大する方向で持続的な開発がなされている。

そのうち燃料の火炎状態を監視ないし制御するためにガスタービン燃焼器側に動圧センサを装着して動圧の大きさ及び周波数を分析し、所定範囲以上の動圧信号が感知されれば、その超過変化量の大きさによって適切な警報措置が段階別になされるようにしている。

しかし、燃焼状態の不安定を引き起こす外的要素としては、燃料品質の不均衡、運転者の誤作動、大気温湿度の変化、設備の老朽化など多様な原因があり得ることから、燃焼動圧を監視するだけで燃焼状態の不安定を正確に診断することは難しいため、動圧センサを通した燃焼状態監視と共に多様なセンサがガスタービン燃焼状態診断装置に付加されて活用されている。

また、石炭ガス化複合発電（Integrated Gasification Combined Cycle、ＩＧＣＣ）技術が浮き彫りになるにつれて、燃焼のために合成ガスがガスタービン発電システムに供給されるようになるが、この場合、せん断圧力の摂動が生じて燃焼の不安定を引き起こしているため、正確な燃焼診断の必要性が更に大きくなっている。

更に、最近はＢｉｏｇａｓ、ＤＭＥ（Dimethyl Ether）、ＳＮＧ（Synthetic Natural Gas）など多様な発電燃料及び新再生可能エネルギーをガスタービン発電システムに適用しており、各々の燃料の特性に応じて燃焼現象が大きく変わるため、これに合う精密な燃焼診断が必要となる。

特に、ガスタービン燃焼器内で燃料が燃焼される時に生成される１μｍ以上の浮遊性固形物（Particulate Matter、ＰＭ）は、ガスタービン内のガス流路に沿って表面に粘着して排気ガスの排出を阻害したり、タービンブレードに付着して回転を阻害するなどの問題を引き起こすことにより、ガスタービンの燃料効率性などを低減させることになり、次のような場合に主に発生する。

すなわち、１μｍ以上のサイズを有する浮遊性固形物（ＰＭ）は、未燃焼炭化水素（ＵＨＣ、または不完全燃焼生成物）が塊になる場合、燃料に金属成分が含有された場合、石炭ガス化から生成された燃料に含まれた飛散灰（flying ash）成分が充分に濾過できていない場合、燃料や空気供給配管の老朽化により飛散物質が燃焼器に注入される場合に、主に発生する。

このように多様な原因に起因する浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無は、ガスタービンの燃料効率性、安定的な運用及び老朽化と直結する特性があるため、これを判別することができる技術的手段に対する要求が近頃徐々に大きくなっている。

このような延長線上の先行技術のうち、韓国公開特許第２０１５−００７１６７１号（公開日：2015.06.26.）は、燃焼器で動圧センサと熱音響センサを利用して燃焼器の振動反応を測定する方法に関して提示している。より具体的には、ウェーブレットまたはフーリエ解析技術によって燃焼異常を識別し；基本モード周波数分析技術で燃焼器内のバルク温度特性を決定し；また、選択的に、音響高温測定送信及び伝播時間分析技術で燃焼器内の絶対アクティブ経路温度を決定するために、統合されたモニタリング及びシステム制御機がセンサ読取値を燃焼熱音響属性と相関させる段階を通して燃焼温度をリアルタイムでモニタリングすることができると説明している。

しかし、このような先行技術は、実際の燃焼器内の火炎温度を直接算出するのではなく、燃焼器ハウジングの外側における火炎温度を間接的に算出するための動圧センサなどの活用または配置に関連する方法に対する説明があるだけであるため、火炎温度測定の正確性に劣り、多数のセンサが複雑に装着されることにより設置やメンテナンスが難しいとの問題がある。また、浮遊性固形物（ＰＭ）を感知することができる具体的な方案ないし技術的手段に関しては如何なる言及もなく、これに対して開発が必要であるのが実情である。

本発明の目的は、ガスタービン燃焼器内で燃料が燃焼される時に発生する所定サイズ以上の浮遊性固形物（ＰＭ）を感知することができる新しい技術的手段を提示すると共に、燃焼器内の火炎温度を従来技術とは異なり直接測定方式で算出して、より正確な火炎温度測定がなされることができ、高コストな燃焼器に対する別途の構造変更や交替なしに、既に装着されている従来の燃焼診断チューブに容易に追加適用できる少ない部品数と単純な構造からなるガスタービン燃焼状態診断装置を提供することにある。

上記目的は、一端部に開口部が設けられてガスタービン用燃焼器内側空間と連通され、他端部は外側に突出形成されてなる燃焼診断チューブ；上記燃焼診断チューブの一側と連通されるように備えられ、上記燃焼診断チューブ内部に向かって赤外線を発生させる赤外線発振器；上記燃焼診断チューブ内に備えられ、上記赤外線の一部だけ上記燃焼器内側に第１反射させ、残りは透過させる二色光学ミラー；上記二色光学ミラーを介して反射された第１反射光のうち上記燃焼器内側の反射面によって戻ってくる第２反射光の強さを測定するために上記燃焼診断チューブの他端部に備えられる光センサ；及び、上記赤外線発振器及び上記光センサと連結されて制御し、測定された上記第２反射光の強さに基づいて上記燃焼器内の火炎に含まれる浮遊性固形物の多寡を判別する制御部；を含むことを特徴とするガスタービン燃焼状態診断装置によって達成される。

上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、上記赤外線のうち上記二色光学ミラーを透過した透過光を吸収できるように、上記赤外線発振器と対向する上記燃焼診断チューブの一側にビームダンプを更に含むことができる。

上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、上記第２反射光が上記二色光学ミラーを透過した後、上記光センサに集光されることができるように、上記光センサと上記二色光学ミラーの間に凸レンズを更に含むことができる。

上記燃焼診断チューブは、上記開口部を通して上記燃焼器と連通される直線型のパイプ状に形成されたメインチューブと、上記メインチューブの一側に突出形成され上記燃焼器の方に傾いたサブチューブとから構成され、上記赤外線発振器は、上記サブチューブの内側に装着され、１μｍ以上の浮遊性固形物を円滑に検出できるように、波長が０.５μｍ乃至１.５μｍである赤外線を発生させることができる。

上記二色光学ミラーは、上記赤外線が上記燃焼器の方に向かって反射されることができる位置に設けられ、光透過率が５０％であり得る。

上記制御部は、上記燃焼器で燃焼がなされていない状態で上記赤外線発振器を作動させた後、上記光センサを通して上記第２反射光の強さを測定して初期値情報を生成し、上記燃焼器で燃焼がなされる間、火炎から発生する自発光の強さを上記光センサを通して測定して自発光強さ情報を生成し、上記燃焼器で燃焼が進行される間、所定の時間間隔ごとに上記赤外線発振器を通して上記赤外線を発生させ、上記赤外線が上記第１、２反射光の形態で上記燃焼器にて上記浮遊性固形物によって散乱された状態で上記第２反射光の強さを上記光センサを通して測定して固形物測定情報を生成し、上記初期値情報、上記自発光強さ情報及び上記固形物測定情報に基づいて火炎内の浮遊性固形物の量を定量的に算出することができる。

上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、上記燃焼診断チューブの他端部に備えられ、上記燃焼診断チューブを通して上記燃焼器の方に送信超音波を発生させる超音波送信機；及び、上記燃焼診断チューブ内部に備えられ、上記送信超音波を受信して第１受信信号を生成し、上記送信超音波のうち上記反射面によって戻ってくる反射波を受信して第２受信信号を生成する超音波受信機；を含んで構成される火炎温度測定モジュールを更に含み、上記制御部は、上記火炎温度測定モジュールと連結されて制御し、上記第１、２受信信号及び上記超音波受信機と上記反射面との隔離距離（Ｌ）に基づいて上記燃焼器内の火炎温度を測定することができる。

上記制御部は、上記第１、２受信信号に基づいて上記送信超音波の受信から上記反射波の受信までの遅延時間Δｔを算出し、速度式Ｃ_flame＝２Ｌ／Δｔによって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を算出した後、超音波速度と温度との関係式である式（１）によって上記火炎温度を算出することができる。

上記超音波受信機は、上記燃焼診断チューブ内部の第１超音波受信機と、上記燃焼器側に離隔して備えられる第２超音波受信機とからなり、上記送信超音波を各々順次受信して第１−１受信信号及び第２−１受信信号を生成し、上記送信超音波のうち上記燃焼器内側の反射面によって戻ってくる上記反射波を各々順次受信して第２−２受信信号及び第１−２受信信号を生成し、上記制御部は、上記第１−１受信信号、第２−１受信信号、第２−２受信信号、第１−２受信信号、上記第１、２超音波受信機間の隔離距離（Ｌ１）、上記第２超音波受信機と上記開口部との隔離距離（Ｌ２）及び上記開口部と上記燃焼器の反射面との隔離距離（Ｌ３）に基づいて上記燃焼器内の上記火炎温度Ｔを測定することができる。

上記制御部は、上記第１−１、２−１受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_１を、上記第２−１、２−２受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_２を、上記第２−２、１−２受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_３を各々算出し、速度式Ｃ_１＝Ｌ１／Δｔ_１によって上記送信超音波の速度（Ｃ_１）を、速度式Ｃ_flame＝２（Ｌ２＋Ｌ３）／Δｔ_２によって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を、速度式Ｃ_２＝Ｌ１／Δｔ_３によって上記反射波の速度（Ｃ_２）を各々算出した後、超音波速度と温度との関係式である式（１）により上記火炎温度Ｔを算出することができる。

上記制御部は、上記火炎温度Ｔの正確性を増大するために、上記第２超音波受信機から上記開口部までの隔離距離（Ｌ２）に対する上記送信超音波の遅延時間Δｔ_４を、上記送信超音波の速度（Ｃ_１）を基に算出し、上記開口部から上記第２超音波受信機までの隔離距離（Ｌ２）に対する上記反射波の遅延時間Δｔ_５を、上記反射波の速度（Ｃ_２）を基に算出した後、速度式Ｃ_flame＝２Ｌ３／（Δｔ_２−Δｔ_４−Δｔ_５）によって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を算出することができる。

上記制御部は、上記第１−１、２−１受信信号に基づいて算出された遅延時間Δｔ_１と、上記第２−２、１−２受信信号に基づいて算出された遅延時間Δｔ_３を相互比較して所定範囲以上の差があれば、計測エラー信号を生成することができる。

本発明によれば、赤外線発振器から発生された赤外線が二色光学ミラーによって燃焼器の方に反射されて燃焼器内の火炎を通過した後、燃焼器の反射面によって再び燃焼診断チューブ内に反射された後、光センサを通して該当赤外線の強さが測定されるようにすることにより、火炎内の所定サイズ以上の浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無を判別できるガスタービン燃焼状態診断装置を提供することができる。
更に、燃料の種類を問わず浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無をリアルタイムで判別し対処できるようにすることにより、ガスタービンの燃料効率性の増大及びガスタービンの安定的な運用を図ることができ、ガスタービンの老朽化を低減することができる。

また、燃焼器内の火炎の方を直接指向して送信超音波を送出する一つの超音波送信機と、送信超音波及び燃焼器内の火炎を横切って通過した反射波を各々受信する最大２個の超音波受信機を活用するアルゴリズムを利用して燃焼器内の火炎温度をより直接的に測定できるようになることにより、温度測定の精密性ないし正確性を増大できるガスタービン燃焼状態診断装置を提供することができる。

このように精密且つ正確に測定された火炎温度及び燃焼温度による燃料（新燃料を含む）別有害物質排出特性グラフに基づいて、燃料の不完全燃焼有無をリアルタイムで正確に判断し対処できるようになることにより、燃料の燃焼効率性を向上させることができ、有害排気ガスの低減などをなすことができる。

また、浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無及び燃焼器内の火炎温度を判別ないし測定するための装置の部品数や構造を単純化することにより、設置やメンテナンスの容易性を図ることができ、高コストな燃焼器に対する別途の構造変更や交替なしに、既に装着されている従来の燃焼診断チューブに容易に追加適用できるガスタービン燃焼状態診断装置を提供することができる。

本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置が適用されるガスタービンの全体を示した斜視図である。 図１に表示された領域を拡大して本発明の第１実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面である。 図２の作動による区間別の赤外線の強さを示すグラフである。 火炎温度測定モジュールが追加された第２実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面である。 火炎温度測定モジュールが追加された第３実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面である。 図５の作動による受信信号と隔離距離との関係を示すグラフである。 ガスタービン用燃焼器内の火炎温度によるＣＯ排出特性を示すグラフである。 ガスタービン用燃焼器内の火炎温度によるＮＯ_ｘ排出特性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明すれば、次の通りである。但し、本発明を説明するにあたって、既に公知となっている機能あるいは構成に関する説明は、本発明の要旨を明瞭にするために省略する。

図１は本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置が適用されるガスタービンの全体を示した斜視図であり、図２は図１に表示された領域を拡大して本発明の第１実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面であり、図３は図２の作動による区間別の赤外線の強さを示す図面であり、図４は火炎温度測定モジュールが追加された第２実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面であり、図５は火炎温度測定モジュールが追加された第３実施例による燃焼状態診断装置の作動を説明するための図面であり、図６は図５の作動による受信信号と隔離距離との関係を示す図面であり、図７はガスタービン用燃焼器内の火炎温度によるＣＯ排出特性を示すグラフであり、図８はガスタービン用燃焼器内の火炎温度によるＮＯ_ｘ排出特性を示すグラフである。

本発明の説明に先立って、先ず、ガスタービン１０について簡単に考察すると、図１に示されているように、圧縮機１２、燃焼器２０、タービン１４及び排気口１６などを含んで構成される。

ガスタービン１０の作動は、圧縮機１２を通して圧縮された空気が燃焼器２０に流入されて噴射された燃料と共に燃焼され、この時発生した高温高圧のガスが速く流動してタービン１４を回転させた後、排気口１６から排気ガスが外部に排出される方式になっている。

このようなガスタービン１０に装着されて使用される本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、ガスタービン用燃焼器２０内の浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無を判別するために燃焼器２０の一側に備えられる。

ガスタービン燃焼状態診断装置１００には本発明で扱う浮遊性固形物（ＰＭ）判別装置の他にも多様な診断装置、すなわち燃焼器２０内の圧力を測定する圧力センサ（動圧センサ、マイクロフォンなど）や燃焼診断チューブ１１０の方に伝播される火炎の自発光信号からラジカル信号を受信する装置などが装着され得る。

本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、ガスタービンの燃焼器２０内の所定サイズ以上の浮遊性固形物（ＰＭ）を検知ないし判別するために、燃焼診断チューブ１１０、赤外線発振器１２０、二色光学ミラー１３０、光センサ１４０及び制御部１５０などを含んで構成され、追加的にビームダンプ１６０及び凸レンズ１７０を更に含むことができる。

以下では上述の燃焼状態診断装置１００の各構成について具体的に考察する。

燃焼診断チューブ１１０は、上述のような診断装置が装着される空間が設けられた構成要素であって、長いパイプ状に形成され、一端部に開口部１１０ａが設けられて燃焼器２０の内側空間と連通され、他端部は外側に突出形成されてなる。

このように燃焼診断チューブ１１０が燃焼器２０から外側に長く突出形成されたパイプ状に製作されることにより、ここに装着された診断装置は燃焼器２０で発生する高温高圧の火炎にもかかわらず安定的に駆動されることができる。また、これにより、燃料燃焼時に発生する自発光信号や音響波信号のような火炎状態基礎情報及び後述する第２反射光ＲＬ２などが燃焼診断チューブ１１０の内側に円滑に伝播されることができる。

より具体的には、本発明の第１実施例による燃焼診断チューブ１１０は、開口部１１０ａを通して燃焼器２０と連通される直線型のパイプ状に形成されたメインチューブ１１２と、メインチューブ１１２の一側に突出形成され燃焼器２０の方に傾いたサブチューブ１１４とから構成される。

メインチューブ１１２は、その長手方向が後述する燃焼器の反射面２０ａと直角をなすように形成される。これは、二色光学ミラー１３０を介して反射された第１反射光ＲＬ１が燃焼器の反射面２０ａを介して１８０°反射された後、第２反射光ＲＬ２の形態で燃焼診断チューブ１１０の内側に向かって円滑に伝播されることができるようにするためである。ここで、燃焼器の反射面２０ａとは、燃焼器２０の内側面のうち二色光学ミラー１３０を介して反射された第１反射光ＲＬ１が再び反射される面を特定したものであって、必ずしも反射のための特別な処理がなされた面を意味するものではない。

また、サブチューブ１１４は、赤外線発振器１２０の装着空間を提供するためにメインチューブ１１２の一側から外方に突出形成される。これは、赤外線発振器１２０がメインチューブ１１２の内側空間に設けられると、光センサ１４０に向かう第２反射光ＲＬ２の進行が赤外線発振器１２０によって干渉ないし回折されて正確な第２反射光ＲＬ２の強さ測定がなされ得ないためである。

この時、サブチューブ１１４は燃焼器２０の方に傾いて形成され、これは、二色光学ミラー１３０との入射角（または反射角）を狭めて円滑な反射がなされるようにするためである。

一方、図面には示されていないが、燃焼診断チューブ１１０と燃焼器２０が連結される部分には整備用バルブ（図示せず）が装着されることができる。これは、燃焼状態診断装置１００の整備や交換が必要な場合、整備用バルブを閉めた後、燃焼状態診断装置１００を燃焼器２０から安全に分離できるようにするためである。

赤外線発振器１２０は、可視光線よりも波長が長く電子レンジに利用されるマイクロ波よりは波長が短い光線である赤外線ＩＬ（infrared）を放出する装置であり、燃焼診断チューブ１１０の内部に赤外線ＩＬを照射ないし発生させるために燃焼診断チューブ１１０の一側と連通されるように備えられる。より具体的には、メインチューブ１１２の一側から外方に突出形成され燃焼器２０の方に傾斜をなすサブチューブ１１４の内側に設けられる。

このような赤外線発振器１２０の具体的構造ないし構成および赤外線発生原理などは、既に公知となっている技術に該当するため具体的な説明は省略するが、本発明の理解に関連する部分ではこれを具体的に説明することにする。

本発明で用いられる赤外線ＩＬは、電磁波（光）のうちの一つで特有の性質、すなわち、直進性と屈折性を有するのはもちろんのこと、物体とぶつかると物体の性質によって反射または／および透過され、小さい粒子などと衝突すると色々な方向に散らばりながら散乱（scattering）され、粒子性と波動性の特徴を併せ持っている。

本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、上述の赤外線ＩＬの特徴を大部分利用することになるが、そのうち特に小さい粒子と衝突する時に発生する散乱現象を利用して浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無を判別することになり、これはまさに本発明の技術的核心をなす。

ここで、散乱現象は、赤外線ＩＬの波長と粒子のサイズによって各々多様な形態の散乱がなされることになるが、そのうち選択的散乱であるレイリー散乱（Rayleigh Scattering）及びミー散乱（ＭＳ）（Mie scattering、ＭＳ）と、非選択的散乱（non-selective scattering）について簡単に考察する。
先ず、レイリー散乱（Rayleigh scattering）は、粒子のサイズが非常に小さくて光の波長よりも小さい時に起きる散乱であり、粒子のサイズよりも光の波長が長くなると散乱される量が急激に減る特性を示す。ここで、散乱される量が急激に減るということは、照射された光の強さがほとんど減少しないまま直進性を維持するという意味で理解されることができる。

また、ミー散乱（ＭＳ）（Mie scattering、ＭＳ）は、粒子のサイズが光の波長と似ている場合に起きる散乱であり、光の進行方向である前方に散乱（前方散乱）の量が集中し、反対側である後方には散乱（後方散乱）の量が少ない特性を示す。ここで、前方散乱が集中し後方散乱が弱化するということは、照射された光の強さが後方散乱の発生分だけ弱化するが光の直進性を大きく阻害しないという意味で理解されることができる。

また、非選択的散乱（non-selective scattering）は、粒子のサイズが光の波長よりも大きい時に起きる散乱であり、ミー散乱（ＭＳ）とは逆に、後方散乱の量が集中し屈折や回折が発生するという特性がある。ここで、後方散乱の量が集中するということは、ミー散乱（ＭＳ）の場合よりも照射された光の強さ及び直進性がより弱化するという意味で理解されることができる。

上述の光の強さ、すなわち、光度（Ｉ）は、単位立体角当たりの光束（Ｆ）を意味するものであり、光度公式（式（２））（但し、dω：微小立体角（sterad）、ｄＦ：dω内の光束）
及び光束公式（式（３））（但し、Ｐ_λ：分光放射束［Ｗ・μ^−１］、Ｋ_λ：視感度［ｌｍ／Ｗ］、λ：波長［μ］、Ｋ_ｍ：最大視感度６８０［ｌｍ／Ｗ］、Ｖ_λ：比視感度）
により、散乱の強弱によって照射された光の強さが減少することが分かる。また、光の粒子性に照らして見るとき、空気中粒子による散乱が発生することになれば、照射された光が周辺に散らばることによりその強さが減少することを容易に理解することができる。

本発明の第１実施例による赤外線発振器１２０は、波長が０.５μｍ乃至１.５μｍである赤外線ＩＬを発生するように製作される。

上述の波長範囲の赤外線ＩＬを選択した理由は、ガスタービン１０の作動に悪影響を及ぼす可能性があり、排気ガスに含まれた時に環境汚染の問題を誘発し得る略１μｍ以上の浮遊性固形物を円滑に検出するためである。

すなわち、より具体的にこれを説明すれば、波長が略１μｍである赤外線ＩＬが燃焼器２０内に照射される場合、燃焼器２０内の１μｍ波長より小さいサイズの浮遊性固形物（ＰＭ）にはレイリー散乱が発生して、照射された赤外線ＩＬの強さ及び直進性は留意すべき水準に弱化しない。その反面、１μｍ波長と似たサイズの浮遊性固形物（ＰＭ）にはミー散乱（ＭＳ）が発生して、照射された赤外線ＩＬの強さが後方散乱分だけ多少弱化するが、赤外線ＩＬの直進性は大きく阻害されない。また、１μｍ波長より大きい浮遊性固形物（ＰＭ）には非選択的散乱によって後方散乱が集中することにより、照射された赤外線ＩＬの強さ及び直進性は大きく弱化する。

従って、燃焼器２０内の火炎に含まれた浮遊性固形物（ＰＭ）のサイズによって変化された赤外線ＩＬの強さが後述する光センサ１４０によって連続的に測定されることにより、制御部１５０は浮遊性固形物（ＰＭ）の多寡を判別できるのである。このような判別過程に関する具体的な説明は、以下の制御部１５０に関連する説明で行うこととする。

二色光学ミラー１３０は、燃焼診断チューブ１１０の側面から突出されたサブチューブ１１４に設けられた赤外線発振器１２０から発生された赤外線ＩＬを燃焼器２０の方に反射すると共に、燃焼器の反射面２０ａによって燃焼診断チューブ１１０の内側に戻ってくる第２反射光ＲＬ２を透過させて光センサ１４０に到達できるようにするために設けられる構成要素である。

このような機能を行えるように二色光学ミラー１３０は、サブチューブ１１４が形成された側の燃焼診断チューブ１１０内で一定角度だけ傾くように備えられ、発生された赤外線ＩＬの一部を燃焼器２０の内側に第１反射させ、残りの赤外線ＩＬは透過させるように構成される。

この時、光反射率と光透過率は、赤外線発振器１２０から発生された赤外線ＩＬの強さの強弱によって可変となる。但し、光反射率と光透過率の変更は、燃焼器２０を経て燃焼診断チューブ１１０の内側に戻ってきた後、二色光学ミラー１３０を透過した第２反射光ＲＬ２の強さ変化が光センサ１４０によって精密に感知されることができる限度内で多様になされ得る。

本発明の第１実施例による二色光学ミラー１３０は、光反射率と光透過率が発生された赤外線ＩＬに対して各々５０％になるように製作され、発生された赤外線ＩＬが燃焼器２０の方を指向して反射されることができるようにする位置及び傾きで燃焼診断チューブ１１０内に設けられる。

ここで光反射率及び光透過率を５０％に設定した理由は、第一に、発生された赤外線ＩＬの円滑な反射を図り、第二に、燃焼器２０を経ながら強さが弱化した第２反射光ＲＬ２が二色光学ミラー１３０を透過した後、光センサ１４０を通してその弱化した強さの程度を容易に把握できるようにするためである。

もし光反射率が５０％より大きく光透過率が低いと、光透過率により第２反射光ＲＬ２の強さが小さくなって光センサ１４０を通して第２反射光ＲＬ２の弱化した強さの程度を精密に測定することが難しいとの問題が発生する。また、光反射率が５０％より小さく光透過率が高いと、光透過率により第２反射光ＲＬ２の強さが大きくなって浮遊性固形物（ＰＭ）の散乱による赤外線ＩＬの微細な強さ変化を光センサ１４０によって感知することが難しいとの問題が発生することになる。従って、二色光学ミラー１３０の光反射率及び光透過率は５０％に設定することが、第２反射光ＲＬ２の微細な強さ変化を感知するために望ましい。

一方、本発明による燃焼状態診断装置１００に追加可能な構成であるビームダンプ１６０は、発生された赤外線ＩＬのうち二色光学ミラー１３０を透過した透過光ＴＬを吸収するために設けられる構成要素である。

ビームダンプ１６０は、略１μｍ以上の赤外線ＩＬの波長に対して８５％乃至９５％の吸収率を有する炭素すす、カーボングラファイト、石綿または鉄酸化面などが形成されたブロックで具現されることができる。

ビームダンプ１６０を設ける理由は、赤外線ＩＬのうち二色光学ミラー１３０を透過した透過光ＴＬによる影響を受けずに、燃焼器２０内の浮遊性固形物（ＰＭ）により散乱されてその強さが減少した第２反射光ＲＬ２の強さだけが完全に光センサ１４０を通して測定されるようにするためである。これを通して燃焼器２０内の浮遊性固形物（ＰＭ）の発生状態がより正確に判別できる。

上述のビームダンプ１６０の機能を忠実に遂行するために、本発明の第１実施例によるビームダンプ１６０は、二色光学ミラー１３０を中心に赤外線発振器１２０が設けられた位置と相互対向する燃焼診断チューブ１１０の一側に設けられる。この時、透過光ＴＬの吸収が効率的になされ得るように、ビームダンプ１６０は燃焼診断チューブ１１０の内側面が外方にくぼんでなるくぼみ部１１６の内側に設けられるのが望ましい。

光センサ１４０は、二色光学ミラー１３０を介して反射された第１反射光ＲＬ１のうち燃焼器内側の反射面２０ａによって戻ってくる第２反射光ＲＬ２の強さを測定するために燃焼診断チューブの他端部（図面上、上端部）に備えられる構成要素である。

本発明の第１実施例による光センサ１４０は、感知された赤外線（特に、第２反射光ＲＬ２）の強さに比例して電圧ないし電流を生成する公知の装置（光ダイオード、ＰＭＴ）で具現される。このような光センサ１４０の具体的構造ないし構成および測定原理などは、既に公知の技術に当たるため、具体的な説明は省略する。

光センサ１４０は、赤外線発振器１２０から連続的に発生される赤外線ＩＬが反射されて第２反射光ＲＬ２の形態で光センサ１４０まで伝播されてくると、その強さを電圧ないし電流の形態に算出した後、制御部１５０に該当測定値を連続的に伝達する。

一方、本発明による燃焼状態診断装置１００に追加可能な構成である凸レンズ１７０は、二色光学ミラー１３０を透過した第２反射光ＲＬ２が光センサ１４０の受光部の方に集光ないし捕集されることができるようにするために設けられる構成要素である。

このような凸レンズ１７０は、光センサ１４０と二色光学ミラー１３０の間でレンズの焦点が光センサ１４０の受光部に置かれるようにする位置に設けられる。

凸レンズ１７０を通して第２反射光ＲＬ２が光センサ１４０の受光部の方に捕集されることにより、光センサ１４０はより精密且つ正確に第２反射光ＲＬ２の強さを一貫して測定できるようになる。よって、第２反射光ＲＬ２の強さが微差を示しても、これを有意味な測定情報として活用できるようになる。

制御部１５０は、上述の赤外線発振器１２０及び光センサ１４０だけでなく、その他の多様な診断装置と電気的に相互連結されて、これらから生成された信号ないし情報を受信し、これらを制御するための制御信号を送出し、必要に応じて受信された信号ないし情報を保存するか表示装置を通して表示する構成要素に該当する。

このような制御部１５０は、燃焼器２０で発生する高温高圧による影響を受けずに安定的に作動できるように燃焼器２０と離隔された一側に設けられ、ＭＣＵ（micro
controller unit）、マイコン（micro computer）などのような小型または常用コンピュータなどで具現される。

ＭＣＵ、マイコンのようなコンピュータ装置、すなわち、制御部１５０を通した赤外線発振器１２０及び光センサ１４０などのような診断装置の特定目的（浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無、火炎温度測定、圧力測定など）は、機械語（machine language）などのようなプログラミング言語にコーディングされることにより具現される。診断装置の制御のための機械語コーディングに関連する部分は、当業者の水準において多様な方式でなされ得るため、これに関する具体的な説明は省略する。

但し、本発明の技術的核心である赤外線ＩＬを利用した浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無判別に関連するアルゴリズムが、制御部１５０を通してどのように行われるかを中心に以下説明することにする。

本発明による制御部１５０は、基本的に赤外線発振器１２０及び光センサ１４０と連結され、これらを制御するのはもちろんのこと、光センサ１４０を通して測定された第２反射光ＲＬ２の強さに基づいて燃焼器２０内の火炎に含まれた浮遊性固形物（ＰＭ）の多寡を判別する。

制御部１５０を通した浮遊性固形物（ＰＭ）の多寡を判別する原理を簡単に説明すると、次の通りである。

すなわち、燃焼器２０内で燃焼が全くなされていない時（浮遊性固形物（ＰＭ）が全くない時）に測定された第２反射光ＲＬ２の強さを測定する。そして、燃焼器２０内で燃料の燃焼がなされている間に測定された第２反射光ＲＬ２の強さを測定する。そして、制御部１５０を通して各測定値を相互比較した後、強さの差が大きければ（散乱がたくさん発生することを意味）、火炎内の浮遊性固形物（ＰＭ）の量は多いと判別する。

但し、本発明の第１実施例による制御部１５０は、赤外線発振器１２０及び光センサ１４０と連結された状態で初期値情報（ＩＶＩ）、自発光強さ情報（ＳＬＩ）及び固形物測定情報（ＰＭＩ）に基づいて浮遊性固形物（ＰＭ）の量を定量的に算出する。

これは、使用燃料によって変わる火炎温度の差に起因する自発光による影響を考慮して、浮遊性固形物（ＰＭ）の量をより定量的且つ精密に算出することができる基準を設けるためである。

このような第１実施例による制御部１５０の浮遊性固形物（ＰＭ）判別アルゴリズムを図３を参照してより具体的に説明すれば、次の通りである。

先ず、制御部１５０は、燃焼器２０で燃焼がなされていない状態で赤外線発振器１２０を一時的に作動させた後、光センサ１４０を通して第２反射光ＲＬ２の強さを測定して、図３のような初期値情報（ＩＶＩ）を生成する。これは、以後測定される固形物測定情報（ＰＭＩ）との比較基準にするためである。

次に、制御部１５０は、赤外線発振器１２０を作動させていない状態で、燃焼器２０で燃焼がなされている間に火炎から発生する自発光の強さを光センサ１４０を通して測定して、図３のような自発光強さ情報（ＳＬＩ）を生成する。

ここで自発光とは、燃焼時に火炎自体から放射される赤外線ＩＬを意味するものであり、プランクの法則によれば、火炎温度が高いほど強い自発光（赤外線）が発生する。よって、制御部１５０は、このような自発光の強さによる影響値を考慮してより定量的且つ精密に浮遊性固形物（ＰＭ）の量を算出できるように自発光強さ情報（ＳＬＩ）を生成する。

次に、制御部１５０は、燃焼器２０内で燃料の燃焼が進行される間、所定の時間間隔ごとに又は連続的に赤外線発振器１２０を通して赤外線ＩＬを発生させる。

次に、制御部１５０は、発生された赤外線ＩＬが第１、２反射光ＲＬ１、ＲＬ２の形態で燃焼器２０で浮遊性固形物（ＰＭ）によって散乱された後、光センサ１４０を通して燃焼診断チューブ１１０内に反射されて戻ってきた第２反射光ＲＬ２の強さを測定して、図３のような固形物測定情報（ＰＭＩ）を生成する。このときの光センサ１４０は、赤外線発振器１２０に起因した第２反射光ＲＬ２だけでなく、燃焼器２０内の火炎に起因した自発光自体の赤外線ＩＬに対する強さまでも共に測定する。

最後に、制御部１５０は、赤外線ＩＬの強さ（電圧（Ｖ）または電流（Ａ）で表示）に関する情報である初期値情報（ＩＶＩ）、自発光強さ情報（ＳＬＩ）及び固形物測定情報（ＰＭＩ）に基づいて火炎内の浮遊性固形物（ＰＭ）の量を定量的に算出する。

ここで制御部１５０を通して浮遊性固形物（ＰＭ）の量を定量的に算出する過程をより具体的に説明すれば、先ず上述の過程で獲得された３つの情報に基づいて純粋に浮遊性固形物（ＰＭ）による散乱だけで減殺された赤外線の強さ（ΔＤ）をΔＤ＝ＩＶＩ−（ＰＭＩ−ＳＬＩ）＝（ＩＶＩ＋ＳＬＩ）−ＰＭＩから算出（自発光による影響値を各々考慮したものである）する。

そして、このように算出された散乱減殺（ΔＤ）が発生する間、ガスタービン１０の排気口１６から排出された排気ガスに含まれた浮遊性固形物（ＰＭ）の全般的な粒子サイズ及び量を統計的に算出する。

最後に、上述の２つの過程を数回ないし数十回繰り返して散乱減殺（ΔＤ）の程度によってマッチングされる浮遊性固形物（ＰＭ）の粒子サイズ及び量をデータ化すれば、一つの関数形態（主に散乱減殺（ΔＤ）量に比例して粒子サイズ及び量も大きくなる）が導出され、このような関数関係に基づいて制御部１５０は散乱減殺（ΔＤ）の量を演算した後、浮遊性固形物（ＰＭ）のサイズ及び量を定量的に算出できるようになる。

本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、ガスタービンの燃焼器２０内の火炎温度Ｔを精密且つ正確に測定するために、第１実施例のような構成に超音波送信機１８２及び超音波受信機１８４からなる火炎温度測定モジュール１８０を更に含んで構成される。

以下では、説明の便宜のために、燃焼器２０内の火炎温度Ｔを精密且つ正確に測定するための火炎温度測定モジュール１８０を中心に説明する。

超音波送信機１８２は、可聴周波数よりも大きい２０ｋＨｚ以上の周波数を発生させる装置であって、燃焼診断チューブ１１０の他端部（図面上、上端部側）に備えられ、燃焼診断チューブ１１０を通して燃焼器２０の方に送信超音波ＳＵを送出できるように超音波送信機１８２の方向は燃焼器の反射面２０ａを指向するように設けられる。

これにより超音波送信機１８２から送出された送信超音波ＳＵは、燃焼診断チューブ１１０の内側空間に沿って伝播される途中で一部が後述の超音波受信機１８４によって受信される。そして、残りの送信超音波ＳＵは、燃焼器２０内の火炎を横切って伝播された後、燃焼器の反射面２０ａによって戻ってくる反射波ＲＵの形態で再び燃焼診断チューブ１１０の内側空間に伝播される。

このような超音波送信機１８２の具体的構造ないし構成および超音波発生原理は、既に公知の技術であるため、具体的な説明は省略する。

但し、以下説明される内容の理解を助けるために、空気中での超音波速度Ｃ（音波）は一般的にＣ＝３３１．６＋０．６×ｔ℃（ｍ／s）の関係式で表現されることができ、温度（ｔ℃）と比例関係をなすため、超音波速度Ｃが分かれば逆に温度（ｔ℃）を概略的に判断することができるという程度のみ言及することにする。

本発明の第２、３実施例による超音波送信機１８２は、略３０ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ帯域の送信超音波ＳＵを発生させる超音波送信機１８２が使用され得る。この時、使用される周波数帯域は、燃焼器２０で燃焼される燃料の種類、ガスタービン１０の種類や方式及び燃焼環境などを考慮して任意選択することができる。但し、高温、高圧の燃焼環境による影響を比較的少なく受け優れた分析能を有する高周波数帯域の超音波が燃焼器２０内の火炎温度Ｔの測定に使用されるようにすることが望ましい。

一方、本発明の第２、３実施例による超音波送信機１８２は、図４及び図５に示したように、燃焼診断チューブ１１０の側面の方に少し傾いて設けられる。これは、他の診断装置、すなわち圧力センサや自発光信号受信装置などとの干渉を回避するためである。

この時、超音波送信機１８２が燃焼診断チューブ１１０の側面の方に少し傾いて設けられても、超音波送信機１８２から送出される送信超音波ＳＵは燃焼診断チューブ１１０に沿って伝播されながら直進性を有することになるため、火炎温度Ｔの測定に大きい影響を及ぼさない。

但し、超音波送信機１８２は、他の診断装置との干渉がない限度内で燃焼器の反射面２０ａと直接対向するように燃焼診断チューブ１１０の中央の方に設けられれば、送信超音波ＳＵの反射によって生成された反射波ＲＵが燃焼診断チューブ１１０の方に円滑に伝播されることができるため、火炎温度Ｔのより正確な測定がなされ得る。

このような超音波送信機１８２は、燃焼状態診断装置１００が所定時間毎にリアルタイムで火炎温度Ｔを測定できるように、後述の制御部１５０の制御を通して所定間隔をおいて送信超音波ＳＵを発生させる。

超音波受信機１８４は、超音波を受信して受信信号すなわち、パルス波（またはアナログ波）形態の電気的信号（Ｓ）及び受信した時の時刻情報（ｔ）を共に生成する装置であって、燃焼器２０の方向に超音波送信機１８２と所定距離をおいて燃焼診断チューブ１１０内部に設けられる。

本発明による超音波受信機１８４は、超音波送信機１８２側と燃焼器の反射面２０ａ側の両方を指向して各々送信超音波ＳＵと反射波ＲＵを両方とも受信できるように両方型受信機の形態に製作される。このような超音波受信機１８４の基本的な構造ないし構成及び受信信号発生原理などは、既に公知の技術であるため、具体的な説明は省略する。

本発明の第２実施例による超音波受信機１８４は、図４に示されているように、燃焼診断チューブ１１０内部に１個が備えられ、送信超音波ＳＵを受信して第１受信信号（Ｓ１−ｔ_１）を生成し、送信超音波ＳＵのうち燃焼器内側の反射面２０ａによって戻ってくる反射波ＲＵを受信して第２受信信号（Ｓ１−ｔ_２）を生成する。

すなわち、第２実施例による超音波受信機１８４は、両方向の超音波を受信するように形成され、超音波送信機１８２から送出された送信超音波ＳＵを一面で受信してパルス波形態の電気的信号（Ｓ１）とその時の時刻情報（ｔ_１）を生成する。

そして、第２実施例による超音波受信機１８４は、燃焼器の反射面２０ａ側から伝播されて戻ってくる反射波ＲＵを他面で受信してパルス波形態の電気的信号（Ｓ１）とその時の時刻情報（ｔ_２）を生成する。

一方、本発明の第３実施例による超音波受信機１８４は、図５に示されているように、燃焼診断チューブ１１０内部に長手方向に沿って離隔された状態で２個が備えられ、超音波送信機１８２と隣接する第１超音波受信機１８４ａと、燃焼器２０側に隣接する第２超音波受信機１８４ｂとからなる。この時、第１、２超音波受信機１８４ａ、１８４ｂも、超音波送信機１８２側と燃焼器の反射面２０ａ側を両方とも指向する両方型受信機の形態に製作される。

このような第１超音波受信機１８４ａと第２超音波受信機１８４ｂは、先ず超音波送信機１８２から送出された送信超音波ＳＵを各々順次受信して第１−１受信信号（Ｓ１１−ｔ_１）（第１超音波受信機１８４ａ）及び第２−１受信信号（Ｓ２１−ｔ_２）（第２超音波受信機１８４ｂ）を生成する。そして、第２超音波受信機１８４ｂと第１超音波受信機１８４ａは、送信超音波ＳＵのうち燃焼器内側の反射面２０ａによって戻ってくる反射波ＲＵを各々順次受信して第２−２受信信号（Ｓ２２−ｔ_３）及び第１−２受信信号（Ｓ１２−ｔ_４）を生成する。

この時、第１、２超音波受信機１８４ａ、１８４ｂ間の離隔配置は、隔離距離がＬ１を維持する限度内で、図面に示されているように、相互一直線上に置かれるように配列されることができる。但し、第１、２超音波受信機１８４ａ、１８４ｂ自体が伝播される送信超音波ＳＵ及び反射波ＲＵの移動を干渉することなく各々が送信超音波ＳＵ及び反射波ＲＵを円滑に受信することができるように燃焼診断チューブ１１０の内周面上で相互一直線上に置かれないように配置することが望ましい。

制御部１５０は、上述の超音波送信機１８２及び超音波受信機１８４と電気的に連結されて、これらから生成された信号ないし情報を受信し、これらを制御するための制御信号を送出することになり、一般的な内容は先に詳述した通りである。

従って、以下では、火炎温度測定モジュール１８０の火炎温度Ｔの測定に関連するアルゴリズムが制御部１５０を通してどのように行われるかを中心に説明することにする。

本発明の第２実施例による制御部１５０の場合、超音波送信機１８２及び超音波受信機１８４と連結された状態で第１、２受信信号（Ｓ１−ｔ_１、Ｓ１−ｔ_２）及び超音波受信機１８４と反射面２０ａとの隔離距離（Ｌ）に基づいて燃焼器２０内の火炎温度Ｔを測定する。

より具体的には、図４を参照して説明すれば、先ず、制御部１５０が超音波送信機１８２を制御して所定時間間隔で送信超音波ＳＵを発生させると、両方向超音波受信機１８４は送信超音波ＳＵ及び反射波ＲＵを各々受信して第１、２受信信号（Ｓ１−ｔ_１、Ｓ１−ｔ_２）を生成する。

次に、第１、２受信信号（Ｓ１−ｔ_１、Ｓ１−ｔ_２）を受信した制御部１５０は、第１、２受信信号（Ｓ１−ｔ_１、Ｓ１−ｔ_２）に基づいて送信超音波ＳＵの受信から反射波ＲＵの受信までの遅延時間Δｔ（ｔ_２−ｔ_１）を算出した後、速度式Ｃ_flame＝２Ｌ／Δｔによって燃焼器２０内での超音波の速度（Ｃ_flame）を算出する。

最後に、制御部１５０は、算出された超音波の速度値（Ｃ_flame）及び定数値である
及びＲ値を超音波速度と温度との関係式である式（１）に代入して火炎温度Ｔを算出する。
この時、γは比熱比（定積モル比熱に対する定圧モル比熱の比）、Ｒは気体定数値、Ｔは火炎温度（絶対温度）を意味し、比熱比と気体定数値は燃焼状態によって各々補正された値を持つ定数であり、データベースに保存された状態で制御部１５０に入力されて火炎温度Ｔの演算に利用される。

上述の超音波速度と温度との関係式は、理想気体方程式に由来した実際の空気に対する気体方程式及び波動方程式から誘導される速度式を整理して得られたものであり、既に知られている式であるため具体的な誘導過程などに関する説明は省略する。

以上考察した第２実施例によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、従来のように燃焼器２０の外側に設けられたセンサを通して間接的に火炎温度Ｔを測定する方式ではなく、燃焼器２０内の火炎を横切って伝播される超音波を利用して測定する方式であるため、従来に比べて燃焼器２０内部の火炎温度Ｔをより精密且つ正確に測定することができる。

また、１個の超音波送信機１８２と１個の両方向超音波受信機１８４のみを利用して燃焼器２０の火炎温度を測定することができるため、従来に比べて部品数が飛躍的に減少するのはもちろんのこと、単純な構造で具現されることにより、メンテナンスの容易性を図ることができ、高コストな燃焼器２０に対する別途の構造変更や交替なしに、既に運用されている燃焼器２０及び燃焼診断チューブ１１０に容易に追加装着されて適用されることができる。

その反面、本発明の第３実施例による制御部１５０は、第１−１受信信号（Ｓ１１−ｔ_１）、第２−１受信信号（Ｓ２１−ｔ_２）、第２−２受信信号（Ｓ２２−ｔ_３）及び第１−２受信信号（Ｓ１２−ｔ_４）と、第１、２超音波受信機１８４ａ、１８４ｂ間の隔離距離（Ｌ１）、第２超音波受信機１８４ｂと開口部１１０ａとの隔離距離（Ｌ２）及び開口部１１０ａと燃焼器の反射面２０ａとの隔離距離（Ｌ３）に基づいて燃焼器２０内の火炎温度Ｔを測定する。

より具体的には、図５及び図６を参照して説明すれば、次の通りである。

先ず、制御部１５０が超音波送信機１２０を制御して所定時間間隔で送信超音波ＳＵを発生させると、両方向の第１、２超音波受信機１８４ａ、１８４ｂの一面は順次に送信超音波ＳＵを受信して第１−１受信信号（Ｓ１１−ｔ_１）、第２−１受信信号（Ｓ２１−ｔ_２）を生成する。そして、第２超音波受信機１８４ｂと第１超音波受信機１８４ａは順次に反射波ＲＵを受信して第２−２受信信号（Ｓ２２−ｔ_３）及び第１−２受信信号（Ｓ１２−ｔ_４）を生成する。

次に、上記の４つの受信信号を順次に受信した制御部１５０は、第１−１、２−１受信信号（Ｓ１１−ｔ_１、Ｓ２１−ｔ_２）に基づいて遅延時間Δｔ_１（＝ｔ_２−ｔ_１）を、第２−１、２−２受信信号（Ｓ２１−ｔ_２、Ｓ２２−ｔ_３）に基づいて遅延時間Δｔ_２（＝ｔ_３−ｔ_２）を、上記第２−２、１−２受信信号（Ｓ２２−ｔ_３、Ｓ１２−ｔ_４）に基づいて遅延時間Δｔ_３（＝ｔ_４−ｔ_３）を各々算出する。

また、速度式Ｃ_１＝Ｌ１／Δｔ_１によって送信超音波ＳＵの速度（Ｃ_１）を、速度式Ｃ_flame＝２（Ｌ２＋Ｌ３）／Δｔ_２によって燃焼器２０内での超音波の速度（Ｃ_flame）を、速度式Ｃ_２＝Ｌ１／Δｔ_３によって上記反射波ＲＵの速度（Ｃ_２）を各々算出する。
最後に、制御部１５０は、定数である
値及びＲ値と算出された超音波の速度値（Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_flame）のうちＣ_flame値のみを超音波速度と温度との関係式である式（１）に代入して火炎温度Ｔを算出することができる。
但し、この時の火炎温度Ｔは、Ｌ２区間とＬ３区間にわたって伝播ないし反射される超音波の平均速度に基づくものであるため、純粋な燃焼器２０の区間（Ｌ３）での超音波平均速度に基づいた場合よりも正確度が劣り得る。

ここで、γは比熱比（定積モル比熱に対する定圧モル比熱の比）、Ｒは気体定数値、Ｔは火炎温度（絶対温度）を意味し、比熱比と気体定数値は燃焼状態によって各々補正された値を持つ定数であり、データベースに保存された状態で制御部１５０に入力されて火炎温度Ｔの演算に利用されることは、第１実施例と同じである。

以上考察した第３実施例によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、従来のように燃焼器２０の外側に設けられたセンサを通して間接的に火炎温度Ｔを測定する方式ではなく、燃焼器２０内の火炎を横切って伝播される超音波を利用して測定する方式である。従って、従来に比べて燃焼器２０内部の火炎温度Ｔをより精密且つ正確に測定することができることは、第２実施例と同じである。

また、第３実施例によるガスタービン燃焼状態診断装置１００は、第２実施例と比較する時、両方向超音波受信機１８４がもう１個追加された形態であるが、従来に比べて部品数が減少し、単純な構造で具現された点は同じであるため、メンテナンスの容易性を図ることができる。そして、高コストな燃焼器２０に対する別途の構造変更や交替なしに、既に運用されている燃焼器２０及び燃焼診断チューブ１１０に容易に追加装着されて適用されることができる。

一方、燃焼診断チューブ１１０の長手方向に沿って両方向超音波受信機１８４をもう１個追加すると共に開口部１１０ａと第２超音波受信機１８４ｂとの離隔区間（Ｌ２）を追加で区切る形態で第３実施例を具現した理由は、より正確な火炎温度Ｔを測定し、超音波の回折、干渉、重畳や燃焼器２０内の物理的要因による超音波受信機１８４の計測エラーなどを是正するためである。

すなわち、火炎温度Ｔの測定の正確性をより増大するために、制御部１５０は既に算出された超音波の速度値であるＣ_flame値だけでなく、Ｃ_１及びＣ_２値全てを次のように活用する。

先ず、制御部１５０は、第２超音波受信機１８４ｂから開口部１１０ａまでの隔離距離（Ｌ２）に対する送信超音波ＳＵの遅延時間Δｔ_４を、Ｌ１区間での送信超音波ＳＵの速度であるＣ_１を基に速度式Δｔ_４＝Ｌ２／Ｃ_１によって算出する。

ここで、Ｌ１区間の速度値であるＣ_１値をＬ２区間の速度値として扱って速度式を適用した理由は、Ｌ１区間とＬ２区間は燃焼診断チューブ１１０上で相互隣接した区間であるため温度差が大きくなく、同じ送信超音波ＳＵであるため伝播速度の連続性を認めても留意するべき水準の誤差が生じないからである。

次に、制御部１５０は、開口部１１０ａから第２超音波受信機１８４ｂまでの隔離距離（Ｌ２）に対する反射波ＲＵの遅延時間Δｔ_５を、Ｌ１区間での反射波ＲＵの速度であるＣ_２を基に速度式Δｔ_５＝Ｌ２／Ｃ_２によって算出する。ここでもＬ１区間の速度値であるＣ_２値をＬ２区間の速度値として扱って速度式を適用した理由は、Ｌ１区間とＬ２区間は燃焼診断チューブ１１０上で相互隣接した区間であるため温度差が大きくなく、同じ反射波ＲＵであるため伝播速度の連続性を認めても留意するべき水準の誤差が生じないからである。

最後に、制御部１５０は、算出されたΔｔ_４及びΔｔ_５に基づいて速度式Ｃ_flame＝２Ｌ３／（Δｔ_２−Δｔ_４−Δｔ_５）によって純粋な燃焼器２０の区間（Ｌ３）内での超音波速度（Ｃ_flame）を算出する（図６参照）。そして、制御部１５０は、超音波速度と温度との関係式である式（１）に算出されたＣ_flameを代入して先の場合よりも正確な火炎温度Ｔを算出する。

一方、制御部１５０は、超音波の回折、干渉、重畳や燃焼器２０内の物理的要因による超音波受信機１８４の計測エラーなどを是正するために、次のようなアルゴリズムを行うことができる。

制御部１５０は、送信超音波ＳＵに対する受信信号である第１−１、２−１受信信号（Ｓ１１−ｔ_１、Ｓ２１−ｔ_２）に基づいて算出された遅延時間Δｔ_１（＝ｔ_２−ｔ_１）と、反射波ＲＵに対する受信信号である第２−２、１−２受信信号（Ｓ２２−ｔ_３、Ｓ１２−ｔ_４）に基づいて算出された遅延時間Δｔ_３（＝ｔ_４−ｔ_３）を相互比較して所定範囲以上の差があれば計測エラー信号を生成する。

すなわち、要約すれば、送信超音波ＳＵに対するＬ１区間の遅延時間Δｔ_１と反射波ＲＵに対するＬ１区間の遅延時間Δｔ_３を相互比較するのである（これは、先に算出された超音波の速度Ｃ_１とＣ_２を相互比較することと同じである）。

上述の方式で計測エラーを判断することができる理由は、次の通りである。

もし超音波送信機１８２から送信超音波ＳＵが送出された後、反射波ＲＵとして戻ってくる過程で回折、干渉やその他物理的要因による影響を全く受けない理想的な場合ならば、同じ区間であるＬ１では送信超音波ＳＵの速度（Ｃ_１）と反射波ＲＵの速度（Ｃ_２）は相互同一になるはずであり、Ｌ１区間に対して各々算出された遅延時間Δｔ_１とΔｔ_３も同一になるはずである。

しかし、理想的ではない場合ならば、物理的要因などによる影響が大きくなるほど、Ｌ１区間での速度（Ｃ_１、Ｃ_２）はもちろん、遅延時間Δｔ_１とΔｔ_３との差異も大きくなることを容易に予想することができる。よって、Ｌ１区間での速度Ｃ_１とＣ_２との差異（または遅延時間Δｔ_１とΔｔ_３）が所定範囲以上になれば、このような状態で算出された火炎温度Ｔの測定値は信頼できなくなるため、制御部１５０は計測エラー信号を生成することになるのである。

ここで所定範囲とは、使用者の必要に応じて適切に加減されて定められ得るものであり、火炎温度Ｔの測定の正確性をより追求するならば、該当範囲を狭く設定することが望ましい。

結局、制御部１５０は、算出されたΔｔ_１とΔｔ_３との差異が所定範囲以上になれば、使用者等に計測エラーの通知等がなされるようにすると共に、新しい火炎温度測定のために超音波送信機１８２から送信超音波ＳＵを直ちに送出するように制御できる。

また、図７に示されているように、ガスタービン用燃焼器２０内の火炎温度Ｔが略１３００℃以下でＣＯ排出が飛躍的に増加する燃焼の特性を考慮して、制御部１５０は算出された火炎温度Ｔが略１３００℃以下の場合、一酸化炭素（ＣＯ）発生危険信号を生成するように具現されることができる。

その反面、図８に示されているように、ガスタービン用燃焼器２０内の火炎温度Ｔが略１６００℃以上でＮＯ_ｘ排出が飛躍的に増加する燃焼の特性を考慮して、制御部１５０は算出された上記火炎温度Ｔが略１６００℃以上の場合、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）発生危険信号を生成するように具現されることができる。

図７及び図８に提示されているガスタービン１０の燃焼特性グラフは、本発明の出願人がInternational Journal of Hydrogen Energyで発表した論文内容のうちFig 9及びFig 7に基づく資料である。
（http://www.sciencedirect.com/science/journal/03603199参照）

上述のように制御部１５０によって生成された発生危険信号（計測エラー信号など）は、ガスタービン１０のコントロールパネル（図示せず）等に伝達されて作業者へ表示されるようになされ得る。

このように本発明によって測定された火炎温度Ｔ及び燃焼温度による燃料別（新燃料、すなわち、ＩＧＣＣ、ＢＩｏ
ｇａｓ、ＤＭＥ（Dimethyl Ether）、ＳＮＧ（Synthetic
Natural Gas）などを含む）有害物質排出特性グラフに基づいて、燃料の不完全燃焼有無をリアルタイムで正確に判断し対処できるようになることにより、燃料の燃焼効率性を向上させることができ、有害排気ガスの低減などを可能にする。

以上考察した第２、３実施例によれば、浮遊性固形物（ＰＭ）の定量的測定及び火炎温度Ｔの測定が同時に可能になるため、温度と浮遊性固形物（ＰＭ）の発生との相関関係が分かるようになるのはもちろんのこと、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）のような有害ガスと浮遊性固形物（ＰＭ）との相関関係、燃焼不安定の増幅や減殺に対する予測などを総合的に判断することができるようになる。

以上、本発明の特定の実施例を説明し図示したが、本発明は記載の実施例に限定されるものではなく、本発明の思想及び範囲を逸脱せずに多様な修正及び変形が可能であることは、当該技術分野で通常の知識を有する者にとって自明なことである。従って、かかる修正例または変更例は、本発明の技術的思想や観点から個別的に理解されてはならず、変形された実施例は本発明の特許請求の範囲に属するものとしなければならない。

本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置によれば、赤外線発振器から発生された赤外線が二色光学ミラーによって燃焼器の方に反射され、燃焼器内の火炎を通過してから、燃焼器の反射面によって燃焼診断チューブ内に戻ってくるようにした後、光センサを通して該当赤外線の強さが測定されるようにして、燃料の種類を問わず所定サイズ以上の浮遊性固形物（ＰＭ）の発生有無を判別できるようにすることにより、ガスタービンの燃料効率性の増大及びガスタービンの安定的な運用が図られ、ガスタービンの老朽化が低減されるという点で、既存技術の限界を飛び越えて関連技術に対する利用だけではなく、適用される装置の販売または営業の可能性が十分であるばかりか、現実的に明白に実施可能な程度であるため、産業上の利用可能性のある発明である。

ＩＬ：赤外線
ＲＬ１：第１反射光
ＲＬ２：第２反射光
ＴＬ：透過光
ＳＵ：送信超音波
ＲＵ：反射波
Ｓ１−ｔ_１：第１受信信号
Ｓ１−ｔ_２：第２受信信号
Ｓ１１−ｔ_１：第１−１受信信号
Ｓ１２−ｔ_４：第１−２受信信号
Ｓ２１−ｔ_２：第２−１受信信号
Ｓ２２−ｔ_３：第２−２受信信号
１０：ガスタービン
１２：圧縮機
１４：タービンブレード
１６：排気口
２０：燃焼器
２０ａ：反射面
１００：本発明によるガスタービン燃焼状態診断装置
１１０：燃焼診断チューブ
１１０ａ：開口部
１１２：メインチューブ
１１４：サブチューブ
１１６：くぼみ部
１２０：赤外線発振器
１３０：二色光学ミラー
１４０：光センサ
１５０：制御部
１６０：ビームダンプ
１７０：凸レンズ
１８０：火炎温度測定モジュール
１８２：超音波送信機
１８４：超音波受信機
１８４ａ：第１超音波受信機
１８４ｂ：第２超音波受信機

Claims (12)

1. 一端部に開口部が設けられてガスタービン用燃焼器内側空間と連通され、他端部は外側に突出形成されてなる燃焼診断チューブ；
   上記燃焼診断チューブの一側と連通されるように備えられ、上記燃焼診断チューブ内部に向かって赤外線を発生させる赤外線発振器；
   上記燃焼診断チューブ内に備えられ、上記赤外線の一部だけ上記燃焼器内側に第１反射させ、残りは透過させる二色光学ミラー；
   上記二色光学ミラーを介して反射された第１反射光のうち上記燃焼器内側の反射面によって戻ってくる第２反射光の強さを測定するために上記燃焼診断チューブの他端部に備えられる光センサ；及び、
   上記赤外線発振器及び上記光センサと連結されて制御し、測定された上記第２反射光の強さに基づいて上記燃焼器内の火炎に含まれる浮遊性固形物の多寡を判別する制御部；を含むことを特徴とするガスタービン燃焼状態診断装置。
2. 上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、
   上記赤外線のうち上記二色光学ミラーを透過した透過光を吸収できるように、上記赤外線発振器と対向する上記燃焼診断チューブの一側にビームダンプを更に含むことを特徴とする
   請求項１に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
3. 上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、
   上記第２反射光が上記二色光学ミラーを透過した後、上記光センサに集光されることができるように、上記光センサと上記二色光学ミラーの間に凸レンズを更に含むことを特徴とする
   請求項２に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
4. 上記燃焼診断チューブは、
   上記開口部を通して上記燃焼器と連通される直線型のパイプ状に形成されたメインチューブと、上記メインチューブの一側に突出形成され上記燃焼器の方に傾いたサブチューブとから構成され、
   上記赤外線発振器は、
   上記サブチューブの内側に装着され、１μｍ以上の浮遊性固形物を円滑に検出できるように、波長が０.５μｍ乃至１.５μｍである赤外線を発生させることを特徴とする
   請求項２に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
5. 上記二色光学ミラーは、
   上記赤外線が上記燃焼器の方に向かって反射されることができる位置に設けられ、
   光透過率が５０％であることを特徴とする
   請求項４に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
6. 上記制御部は、
   上記燃焼器で燃焼がなされていない状態で上記赤外線発振器を作動させた後、上記光センサを通して上記第２反射光の強さを測定して初期値情報を生成し、
   上記燃焼器で燃焼がなされる間、火炎から発生する自発光の強さを上記光センサを通して測定して自発光強さ情報を生成し、
   上記燃焼器で燃焼が進行される間、所定の時間間隔ごとに上記赤外線発振器を通して上記赤外線を発生させ、上記赤外線が上記第１、２反射光の形態で上記燃焼器にて上記浮遊性固形物によって散乱された状態で上記第２反射光の強さを上記光センサを通して測定して固形物測定情報を生成し、
   上記初期値情報、上記自発光強さ情報及び上記固形物測定情報に基づいて火炎内の浮遊性固形物の量を定量的に算出することを特徴とする
   請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
7. 上記ガスタービン燃焼状態診断装置は、
   上記燃焼診断チューブの他端部に備えられ、上記燃焼診断チューブを通して上記燃焼器の方に送信超音波を発生させる超音波送信機；及び、
   上記燃焼診断チューブ内部に備えられ、上記送信超音波を受信して第１受信信号を生成し、上記送信超音波のうち上記反射面によって戻ってくる反射波を受信して第２受信信号を生成する超音波受信機；を含んで構成される火炎温度測定モジュールを更に含み、
   上記制御部は、上記火炎温度測定モジュールと連結されて制御し、上記第１、２受信信号及び上記超音波受信機と上記反射面との隔離距離（Ｌ）に基づいて上記燃焼器内の火炎温度を測定することを特徴とする
   請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
8. 上記制御部は、
   上記第１、２受信信号に基づいて上記送信超音波の受信から上記反射波の受信までの遅延時間Δｔを算出し、
   速度式Ｃ_flame＝２Ｌ／Δｔによって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を算出した後、
   超音波速度と温度との関係式である式（１）によって上記火炎温度を算出することを特徴とする
   請求項７に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
   
9. 上記超音波受信機は、
   上記燃焼診断チューブ内部の第１超音波受信機と、上記燃焼器側に離隔して備えられる第２超音波受信機とからなり、上記送信超音波を各々順次受信して第１−１受信信号及び第２−１受信信号を生成し、上記送信超音波のうち上記燃焼器内側の反射面によって戻ってくる上記反射波を各々順次受信して第２−２受信信号及び第１−２受信信号を生成し、
   上記制御部は、
   上記第１−１受信信号、第２−１受信信号、第２−２受信信号、第１−２受信信号、上記第１、２超音波受信機間の隔離距離（Ｌ１）、上記第２超音波受信機と上記開口部との隔離距離（Ｌ２）及び上記開口部と上記燃焼器の反射面との隔離距離（Ｌ３）に基づいて上記燃焼器内の上記火炎温度Ｔを測定することを特徴とする
   請求項７に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
10. 上記制御部は、
    上記第１−１、２−１受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_１を、上記第２−１、２−２受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_２を、上記第２−２、１−２受信信号に基づいて遅延時間Δｔ_３を各々算出し、
    速度式Ｃ_１＝Ｌ１／Δｔ_１によって上記送信超音波の速度（Ｃ_１）を、速度式Ｃ_flame＝２（Ｌ２＋Ｌ３）／Δｔ_２によって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を、速度式Ｃ_２＝Ｌ１／Δｔ_３によって上記反射波の速度（Ｃ_２）を各々算出した後、
    超音波速度と温度との関係式である式（１）により上記火炎温度Ｔを算出することを特徴とする
    請求項９に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
    
11. 上記制御部は、上記火炎温度Ｔの正確性を増大するために、
    上記第２超音波受信機から上記開口部までの隔離距離（Ｌ２）に対する上記送信超音波の遅延時間Δｔ_４を、上記送信超音波の速度（Ｃ_１）を基に算出し、
    上記開口部から上記第２超音波受信機までの隔離距離（Ｌ２）に対する上記反射波の遅延時間Δｔ_５を、上記反射波の速度（Ｃ_２）を基に算出した後、
    速度式Ｃ_flame＝２Ｌ３／（Δｔ_２−Δｔ_４−Δｔ_５）によって上記燃焼器内での超音波の速度（Ｃ_flame）を算出することを特徴とする
    請求項１０に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。
12. 上記制御部は、
    上記第１−１、２−１受信信号に基づいて算出された遅延時間Δｔ_１と、上記第２−２、１−２受信信号に基づいて算出された遅延時間Δｔ_３を相互比較して所定範囲以上の差があれば、計測エラー信号を生成することを特徴とする
    請求項９に記載のガスタービン燃焼状態診断装置。