JP6948678B1 - 空気比調整方法、空気比調整システム及びプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、炉内状況に基づいて、炉内が予め設定された状況となるように加熱装置への燃焼用空気の供給量を制御する装置が記載されている。
そこで、空気比を測定する目的で酸素濃度計やガスクロマトグラフィーを炉内に配置する手法が提案されているが、これらのデバイスは高価な上に耐久性がない。また、これらのデバイスによる測定は、侵入空気を考慮することができない。
請求項2に記載の発明は、前記空気比に基づいて、前記炉内に供給される空気量を調整する、請求項1に記載の空気比調整方法である。
請求項3に記載の発明は、前記空気比に基づいて、前記炉内に供給される前記燃料ガスの供給量を調整する、請求項1に記載の空気比調整方法である。
請求項4に記載の発明は、燃料ガスと空気が供給される炉内で燃焼する火炎から出力されるOH自発光の光量とNH自発光の光量とに基づいて、当該OH自発光と当該NH自発光の光量比を算出する算出部と、算出された前記光量比を検量線と照合し、前記炉内における現在の空気比を推定する空気比推定部と、推定された空気比に基づいて、前記炉内における空気比を調整する調整部とを有し、前記検量線は、前記OH自発光と前記NH自発光の光量比と空気比との線形の関係を与える、空気比調整システムである。
請求項5に記載の発明は、コンピュータに、燃料ガスと空気が供給される炉内で燃焼する火炎から出力されるOH自発光の光量とNH自発光の光量とに基づいて、当該OH自発光と当該NH自発光の光量比を算出する機能と、算出された前記光量比を検量線と照合し、前記炉内における現在の空気比を推定する機能と、推定された空気比に基づいて、前記炉内における空気比を調整する機能とを実現させるためのプログラムであり、前記OH自発光と前記NH自発光の光量比と空気比との線形の関係を与える、ことを特徴とするプログラムである。
請求項2記載の発明によれば、炉内に供給される空気量の増減により、炉内の空気比を高精度に調整できる。
請求項3記載の発明によれば、炉内に供給される燃料ガスの増減により、炉内の空気比を高精度に調整できる。
請求項4記載の発明によれば、炉内の空気比を高精度に調整するシステムを実現できる。
請求項5記載の発明によれば、炉内の空気比を高精度に調整するシステムを実現できる。
<実施の形態1>
<システムの構成>
図1は、実施の形態1で想定する空気比調整システム1の構成例を示す図である。図1に示す空気比調整システム1は、空気を含む混合ガスを燃焼する工業炉が設置されている敷地内に構築される。本実施の形態における混合ガスは、燃料ガスに空気を予混合したガスである。本実施の形態では、燃料ガスとしてアンモニア含有ガスを使用する。
都市ガスは、例えばメタンを主成分とする天然ガスである。LPGは、例えばプロパンやブタンを主成分とする液化石油ガスである。
因みに、OH自発光とNH自発光は、紫外線帯域の波長を有する光である。OH自発光は306.5nmを中心波長とするラジカル自発光であり、NH自発光は336nmを中心波長とするラジカル自発光である。OH自発光は、第1の波長帯の光の一例であり、NH自発光は、第2の波長帯の光の一例である。
炉壁から輻射される可視光は、おおよそ400nm〜600nmの波長を有している。炉壁から輻射される可視光の発光強度は、400nm付近から徐々に増加し、500nm付近ではOH自発光の何十倍もの強度になる。
OH自発光とNH自発光の発光強度は、炉室10内に実在する空気と燃料ガスの比率を反映するので、炉室10の開口や隙間等から侵入する空気の影響も反映する。このため、OH自発光とNH自発光の発光強度比には、炉室10の現実の空気比の情報が反映されている。
本実施の形態で使用する光学センサ20は、OH自発光の測定に用いる第1のセンサ21と、NH自発光の測定に用いる第2のセンサ22と、発光強度比を算出する演算回路23とで構成されている。なお、図1においては、作図上の都合により、光学センサ20の内部構造を拡大して表している。
本実施の形態の場合、半導体センサ21Cには、例えば浜松フォトニクスのS12698シリーズを使用する。
本実施の形態の場合、バンドパスフィルタ22Bは、336nmを中心波長とし、中心波長に対して±10nmの帯域幅を有している。ここでの326nm〜346nmで規定される波長帯は、第2の波長帯の一例である。
半導体センサ22Cにも、例えば浜松フォトニクスのS12698シリーズを使用する。
演算回路23は、算出した発光強度比を空気比推定装置40に出力する。もっとも、演算回路23による発光強度比(すなわち光量比)の算出は、空気比推定装置40において実行してもよい。演算回路23は、光量比を算出する算出部の一例である。
図1の場合、検量線DB30は空気比推定装置40に外付けされているが、空気比推定装置40のハードディスク装置43(図3参照)に記憶されていてもよい。
図2は、検量線DB30に記憶される検量線の一例を説明する図である。図2の場合、縦軸は発光強度比であり、横軸は空気比αである。
本実施の形態の場合、縦軸の発光強度比は、NH自発光の最大強度値に対するOH自発光の最大強度値の比で与えられる。
検量線DB30には、このように描かれた検量線に従って、発光強度比に対応する空気比αの値が記憶されている。もっとも、検量線DB30には、発光強度比の値から空気比αを計算するための計算式が記憶されてもよい。
図3は、空気比推定装置40のハードウェア構成の一例を説明する図である。なお、図3に示すハードウェア構成は、流量調整装置50とも共通である。このため、図3においては、流量調整装置50側の構成を括弧付きの数字で表している。
なお、空気比推定装置40には、推定された空気比αや空気比の変化をグラフとして表示するモニターや作業者の指示の入力に使用されるキーボードやマウスが接続されていてもよい。
ハードディスク装置43は、例えば基本ソフトウェアやアプリケーションプログラムを記憶する不揮発性の記憶装置である。図3では、ハードディスク装置43を用いるが、半導体メモリを用いてもよい。ハードディスク装置43は、補助記憶装置の一例である。
強度比取得部41Aは、火炎11中のOH自発光とNH自発光の発光強度比を光学センサ20から取得するモジュールである。
照合部41Bは、取得した発光強度比を検量線DB30の検量線と照合するモジュールである。
空気比推定部41Cは、リアルタイムに取得される発光強度比に対応する空気比をそのまま各時刻の空気比として出力する。もっとも、空気比推定部41Cは、予め定めた時間毎にその時刻の空気比を出力してもよいし、予め定めた時間内に得られた複数の空気比の時間平均値を出力してもよい。
なお、炉室10に複数の光学センサ20が設けられている場合、空気比推定部41Cは、各時刻に同時に取得される複数の発光強度比の平均値を用いて、空気比を推定してもよい。
なお、流量調整装置50には、モニターや作業者の指示の入力に使用されるキーボードやマウスが接続されていてもよい。
ハードディスク装置53は、例えば基本ソフトウェアやアプリケーションプログラムを記憶する不揮発性の記憶装置である。図3では、ハードディスク装置53を用いているが、半導体メモリを用いてもよい。ハードディスク装置53も、補助記憶装置の一例である。
なお、流量調整装置50にモニターが接続される場合、モニターには、空気比の推定値と設定値との差を表示してもよい。また、モニターには、空気比の推定値の時間変化を数値やグラフで表示してもよい。なお、空気比の推定値と設定値との差が予め定めた閾値を超える場合、アラームを出力してもよい。
空気比取得部51Aは、空気比推定装置40から出力される空気比の推定値をリアルタイムで取得するモジュールである。
比較部51Bは、取得した空気比を設定値と照合するモジュールである。空気比の設定値は、オペレータや外部のシステムから与えられる。オペレータには、炉室10の燃焼を管理する作業者が含まれる。
流量調整部51Cによる自動制御の内容は、例えばバルブ13Aの開度を「維持する」、「増加させる」、及び、「減少させる」のいずれかである。流量調整部51Cによる制御の方式には、開度を増加させるか減少させるかの情報だけをアクチエータに出力する方法がある。この場合、予め定めた制御量だけ開度が調整される。また、流量調整部51Cによる制御の方式には、推定された空気比と設定値との差に応じた大きさの制御量と開度を増加させるか減少させるかの情報をアクチエータに出力する方法がある。
本実施の形態では、空気比の調整のみに着目するが、炉内温度の制御と組み合わせて実行してもよい。
図6は、実施の形態1で想定する空気比調整システム1(図1参照)で実行される処理動作の一例を説明する図である。図6に示す処理動作は、空気比調整方法の一例である。なお、図中に示す記号のSはステップを意味する。
本実施の形態における空気比調整システム1は、炉室10(図1参照)内に設けた第1のセンサ21及び第2のセンサ22によりOH自発光の発光強度値とNH自発光の発光強度値をリアルタイムで測定する(ステップ1)。
続いて、空気比調整システム1は、算出された発光強度比を検量線と照合する(ステップ3)。この照合は、本実施の形態の場合、空気比推定装置40(図1参照)の照合部41B(図4参照)が実行する。
その後、空気比調整システム1は、炉室10内の空気比を推定して出力する(ステップ4)。この推定は、本実施の形態の場合、空気比推定装置40の空気比推定部41C(図4参照)が実行する。
その後、空気比調整システム1は、推定した空気比は設定値と同じか否かを判定する(ステップ6)。この判定も、流量調整装置50の比較部51B(図5参照)が実行する。因みに、ステップ6における「同じ」は、2つの数値が完全に一致する場合だけでなく、2つの数値の違いが予め定めた範囲内である場合も含むものとする。ここでの範囲は、予め定められていてもよいし、作業者が個別に指示してもよい。
一方、ステップ6で否定結果が得られた場合、空気比調整システム1は、更に、推定した空気比は設定値より多いか否かを判定する(ステップ7)。この判定も、流量調整装置50の比較部51B(図5参照)が実行する。
一方、ステップ7で否定結果が得られた場合、空気比調整システム1は、バルブ13Aの開度の増加を指示する(ステップ9)。この処理も、流量調整装置50の流量調整部51Cが実行する。開度の増加の指示により、炉室10に供給される空気の供給量が増加し、炉室10内の空気比を設定値に近づけることができる。
本実施の形態の場合、可視光との分別が可能な紫外線帯域のOH自発光とNH自発光の発光強度値を検出の対象とするので、測定ノイズとなる炉壁の赤熱光の影響を受けずに、炉室10内における燃焼の状況を測定することが可能になる。
しかも、OH自発光とNH自発光の発光強度値は、炉室10内における実際の空気比の状況を反映する。
また、炉室10の空気比を高精度かつリアルタイムに推定できるので、炉室10に供給される空気の流量をリアルタイムで設定値に近づけることができる。この結果、空気不足による未燃損失や空気過剰による廃棄損の抑制が可能になり、炉室10を安全かつ高効率に運転することが可能になる。
図7は、実施の形態2で想定する空気比調整システム1Aの構成例を示す図である。図7には、図1との対応部分に対応する符号を付して示している。
実施の形態1の場合には、炉室10に供給される燃料ガスの流量を維持したまま、空気を供給する枝管に取り付けられたバルブ13Aの開度を、推定された空気比に応じてフィードバック制御した。
このため、図7に示す空気比調整システム1Aでは、燃料ガスが供給される主管側にのみバルブ13Bを配置し、空気が供給される枝管にはバルブ13Aを配置していない。もっとも、空気が供給される枝管へのバルブの取り付けを排除する意味ではない。あくまでも、本実施の形態は、燃料ガスの増減により、空気比を相対的に制御することを目的とする。
図8は、実施の形態2で想定する空気比調整システム1A(図7参照)で実行される処理動作の一例を説明する図である。図8には、図6との対応部分に対応する符号を付して示している。図8に示す処理動作も、空気比調整方法の一例である。
図8に示す処理動作のうちステップ1〜ステップ7は、実施の形態1と同じである。このため、以下では、相違する動作についてのみ説明する。
本実施の形態の場合、フィードバック制御の対象が異なるが、実施の形態1と同様の効果が実現される。
前述した実施の形態1及び2で説明したシステムは、空気を含む混合ガスを燃焼する工業炉が設置されている敷地内に構築されているが、本実施の形態では、空気比のフィードバック制御がクラウドサービスとして提供される場合について説明する。
図9は、実施の形態3で想定する空気比調整システム1Bの構成例を示す図である。図9には、図1との対応部分に対応する符号を付して示している。
図9の場合、演算回路23、検量線DB30、空気比推定装置40、流量調整装置50は、インターネット60上のサーバに配置されている。本実施の形態の場合、演算回路23の機能は、サーバを構成するCPUの演算処理を通じて実現される。
もっとも、演算回路23、検量線DB30、空気比推定装置40、流量調整装置50の全部又は一部が、複数のサーバに分散的に配置されてもよい。それぞれが専用のサーバとして実現される場合、インターネット60には、各機能に対応するサーバが直接接続され、処理の順番に、各サーバ間でデータが伝送される。
なお、本実施の形態では、炉室10内の空気比をフィードバック制御する例について説明したが、炉室10について推定された空気比、空気比の時間変化、プログラムによるデータ解析の結果をそれぞれ炉側に提供してもよい。
例えば演算回路23は炉室10と同じ敷地内に配置してもよい。また例えば空気比推定装置40と検量線DB30だけをインターネット60上のサーバに配置してもよいし、流量調整装置50だけをインターネット60上のサーバに配置してもよい。
前述の実施の形態3の場合には、流量調整装置50によって空気を供給する枝管に取り付けられたバルブ13Aの開度を調整しているが、本実施の形態の場合には、燃料ガスであるアンモニア含有ガスを供給する主管に取り付けられたバルブ13Bの開度を調整する。
図10は、実施の形態4で想定する空気比調整システム1Cの構成例を示す図である。図10には、図7及び図9との対応部分に対応する符号を付して示している。
例えば演算回路23は炉室10と同じ敷地内に配置してもよい。また例えば空気比推定装置40と検量線DB30だけをインターネット60上のサーバに配置してもよいし、流量調整装置50Aだけをインターネット60上のサーバに配置してもよい。
前述の実施の形態1〜4では、流量調整装置50(図1参照)や流量調整装置50A(図7参照)を使用してバルブ13A(図1参照)やバルブ13B(図7参照)の開度をフィードバック制御する場合を説明したが、本実施の形態では、推定された空気比や空気比の調整を支援する情報(以下「空気比等」という)を炉側に提供する場合について説明する。なお、空気比等の提供は、開度のフィードバック制御と同時に行ってもよい。
図11に示す情報提供システム1Dの場合、検量線DB30と空気比推定装置40Aが、インターネット60上のサーバに配置されている。
本実施の形態における空気比推定装置40Aは、空気比等を炉側のユーザが使用する端末70に提供する。この意味で、本実施の形態における空気比推定装置40Aは、情報を提供する提供部の一例である。
本実施の形態における空気比推定装置40Aは、空気比だけでなく空気比の調整を支援する情報も端末70に提供するが、空気比だけを提供することも可能であるし、空気比の調整を支援する情報だけを提供することも可能である。
空気比の調整を支援する情報には、例えば供給する空気の増減を示唆する情報、燃料ガスの増減を示唆する情報、空気や燃料ガスの増減量、空気や燃料ガスの目標値がある。
また、図6のステップ1〜4の実行後に、推定された空気比を用いて空気比の調整を支援する情報を生成するステップと、生成された情報を予め定めた端末70に通知するステップを設けることで実現できる。これらの処理は、情報提供方法の一例である。
画面71には、設定値72とその数値73、空気比の現在の値74とその数値75、調整の内容を示唆する情報76が表示されている。
炉室10内の空気比が数値75としてリアルタイムに表示されることで、ユーザは、炉室10が目標とする環境であるかを容易に理解できる。また、ユーザは、設定値72の数値73と空気比の数値75との比較により、バルブ13Aの開度の調整の必要性や調整の内容を容易に理解できる。
図12の例では、情報76の例として、空気の増減が示唆されているが、燃料ガス側のバルブ13B(図7参照)の調整が可能な場合には、「燃料ガス側のバルブの開度を増加させてください」等の表示を行ってもよい。
また、空気や燃料ガスの目標値を数値として具体的に示唆してもよい。空気や燃料ガスの現在の供給量を表す数値とともに表示すれば、設定された空気比に近づけるための具体的な調整量も容易に計算できる。
因みに、図11の例では、空気が供給される枝管にバルブ13Aが配置されているが、実施の形態2の場合のように、燃料ガスが供給される主管にバルブ13Bを配置してもよい。
(1)以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、前述の実施の形態に記載の範囲に限定されない。前述した実施の形態に、種々の変更又は改良を加えたものも、本発明の技術的範囲に含まれることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。
なお、空気比の推定に使用する発光強度比は、OH自発光と、NH自発光と、NH2自発光と、H自発光のうちの任意の2つの組み合わせで与えられてもよい。
いずれの組み合わせを使用する場合にも、炉室10内の空気比は、各組み合わせについて用意した検量線を用いて推定すればよい。
Claims (5)
- 燃料ガスと空気が供給される炉内で燃焼する火炎から出力されるOH自発光の光量とNH自発光の光量とに基づいて、当該OH自発光と当該NH自発光の光量比を算出する処理と、
算出された前記光量比を検量線と照合し、前記炉内における現在の空気比を推定する処理と、
推定された空気比に基づいて、前記炉内における空気比を調整する処理と
を有し、
前記検量線は、前記OH自発光と前記NH自発光の光量比と空気比との線形の関係を与える、空気比調整方法。 - 前記空気比に基づいて、前記炉内に供給される空気量を調整する、
請求項1に記載の空気比調整方法。 - 前記空気比に基づいて、前記炉内に供給される前記燃料ガスの供給量を調整する、
請求項1に記載の空気比調整方法。 - 燃料ガスと空気が供給される炉内で燃焼する火炎から出力されるOH自発光の光量とNH自発光の光量とに基づいて、当該OH自発光と当該NH自発光の光量比を算出する算出部と、
算出された前記光量比を検量線と照合し、前記炉内における現在の空気比を推定する空気比推定部と、
推定された空気比に基づいて、前記炉内における空気比を調整する調整部と
を有し、
前記検量線は、前記OH自発光と前記NH自発光の光量比と空気比との線形の関係を与える、空気比調整システム。 - コンピュータに、
燃料ガスと空気が供給される炉内で燃焼する火炎から出力されるOH自発光の光量とNH自発光の光量とに基づいて、当該OH自発光と当該NH自発光の光量比を算出する機能と、
算出された前記光量比を検量線と照合し、前記炉内における現在の空気比を推定する機能と、
推定された空気比に基づいて、前記炉内における空気比を調整する機能と
を実現させるためのプログラムであり、
前記OH自発光と前記NH自発光の光量比と空気比との線形の関係を与える、ことを特徴とするプログラム。
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