JP6948679B1

JP6948679B1 - 空気比推定システム、空気比推定方法及びプログラム

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Publication number: JP6948679B1
Application number: JP2020190181A
Authority: JP
Inventors: 将英山崎; 村井　隆一; 隆一村井; 史光赤松; 翔馬樋野
Original assignee: Osaka University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka University NUC; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2021-10-13
Anticipated expiration: 2040-11-16
Also published as: JP2022079171A

Abstract

【課題】炉内の空気比の安価かつ高精度な推定を可能にする。【解決手段】空気比推定システムは、燃料ガスと空気が供給される炉内に設置され、燃料ガスと空気とが燃焼する火炎から出力される紫外線帯域の第１の波長帯の光量を検出する第１の光量検出部と、炉内に設置され、火炎から出力される、第１の波長帯とは異なる紫外線帯域の第２の波長帯の光量を検出する第２の光量検出部と、第１の光量検出部で検出された光量と第２の光量検出部で検出された光量とに基づいて、第１の波長帯と第２の波長帯の光量比を算出する算出部と、算出された光量比を検量線と照合し、炉内における現在の空気比を推定する空気比推定部とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、空気比推定システム、空気比推定方法及びプログラムに関する。

工業炉には、燃料の燃焼用に空気が供給される。炉内に供給される空気の空気比は、均圧弁等により決定される。ここでの「空気比」とは、供給する燃料の燃焼に必要な理論空気量に対する実際に供給する空気量の比率のことである。
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。

特開２０１４−２９２４４号公報

空気比は、予め定めた値となるように空気弁等で調整されるが、空気弁の経年劣化等を原因として実際の空気比が目標値と一致しない可能性がある。
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。

本発明は、炉内の空気比を高精度かつ安価に推定することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、燃料ガスと空気が供給される炉内に設置され、燃料ガスと空気とが燃焼する火炎から出力されるＯＨ自発光の光量を検出する第１の光量検出部と、前記炉内に設置され、前記火炎から出力されるＮＨ自発光の光量を検出する第２の光量検出部と、前記第１の光量検出部で検出された光量と前記第２の光量検出部で検出された光量とに基づいて、前記ＯＨ自発光と前記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、空気比推定システムである。
請求項２に記載の発明は、前記第１の光量検出部は、光量に応じた電気信号を出力する第１の半導体センサと、前記ＯＨ自発光を選択的に透過する第１のバンドパスフィルタとで構成され、前記第２の光量検出部は、光量に応じた電気信号を出力する第２の半導体センサと、前記ＮＨ自発光を選択的に透過する第２のバンドパスフィルタとで構成される、請求項１に記載の空気比推定システムである。
請求項３に記載の発明は、前記第１の光量検出部及び第２の光量検出部は、電気的に焦点距離を調整可能なレンズを具備する、ことを特徴とする請求項１に記載の空気比推定システムである。
請求項４に記載の発明は、前記燃料ガスは、アンモニア含有ガス、水素含有ガス、炭化水素系ガス、又は、アンモニア含有ガスと炭化水素系ガスの混合ガスである、請求項１に記載の空気比推定システムである。
請求項５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自発光の光量を検出する処理と、前記火炎から出力されるＮＨ自発光の光量を検出する処理と、前記ＯＨ自発光の光量と前記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、空気比推定方法である。
請求項６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、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を実現させるためのプログラムであり、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、ことを特徴とするプログラムである。

請求項１記載の発明によれば、炉内の空気比を安価かつ高精度に推定できる。
請求項２記載の発明によれば、炉内の空気比を安価に推定できる。
請求項３記載の発明によれば、焦点距離の調整により複数点を計測できる。
請求項４記載の発明によれば、燃料ガスが異なる工業炉に使用できる。
請求項５記載の発明によれば、炉内の空気比を安価かつ高精度に推定できる。
請求項６記載の発明によれば、炉内の空気比を安価かつ高精度に推定できる。

実施の形態で想定する空気比推定システムの構成例を示す図である。検量線ＤＢに記憶される検量線の一例を説明する図である。空気比推定装置のハードウェア構成の一例を説明する図である。空気比推定装置を構成するＣＰＵによるプログラムの実行により実現される機能構成の一例を説明する図である。実施の形態で想定する空気比推定システムで実行される処理動作の一例を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
＜実施の形態＞
＜システムの構成＞
図１は、実施の形態で想定する空気比推定システム１の構成例を示す図である。図１に示す空気比推定システム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。

アンモニア含有ガスには、例えばアンモニアガスやアンモニアを、都市ガスやＬＰＧガス等の炭化水素系燃料に混合したガスがある。
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。

空気比推定システム１は、炉室１０と、火炎１１に含まれる２種類のラジカル自発光の発光強度を測定する光学センサ２０と、検量線を記憶する検量線ＤＢ（＝DataBase）３０と、測定された発光強度の比（以下「発光強度比」という）に基づいて炉室１０内の現在の空気比を推定する空気比推定装置４０とを有している。

炉室１０内に設けられるバーナー１２には、配管１３を通じて混合ガスが供給され、燃焼される。燃焼により発生するガス等（以下「排ガス」という）は、排気用の配管１４から大気中に排出される。排気用の配管１４は、燃焼により発生した煙が大気中に排出される道の意味で「煙道」とも呼ばれる。

配管１３は、燃料ガスが供給される主管と空気が供給される枝管で構成され、枝管にはバルブ１３Ａが取り付けられている。バルブ１３Ａの開度は、例えば作業者が手動で調整する。もっとも、プログラムが、バルブ１３Ａに取り付けられたアクチエータを制御してもよい。

本実施の形態における光学センサ２０は、火炎１１に含まれる２種類のラジカル自発光の発光強度をリアルタイムで測定し、それらの比を発光強度比として出力する。具体的には、ＯＨ自発光とＮＨ自発光の発光強度比をリアルタイムで出力する。以下の説明では、発光強度比を「光量比」ともいう。
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。

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ので、可視光の影響を除外した発光強度の測定が可能である。換言すると、炉壁から輻射される可視光の測定結果への影響を除外できる。
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。

図１の場合、光学センサ２０は、炉室１０の底部に設けられているが、設置の場所及び設置の個数は任意である。例えば光学センサ２０は、炉室１０の側面や天井に配置してもよい。また、光学センサ２０は、炉室１０内に複数設けてもよい。
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。

第１のセンサ２１は、第１の光量検出部の一例であり、第２のセンサ２２は、第２の光量検出部の一例である。
図１の場合、第１のセンサ２１は、耐熱性を有する光学素子２１Ａと、ＯＨ自発光に対応する波長の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ２１Ｂと、バンドパスフィルタ２１Ｂを透過した光の強度に応じた電気信号を出力する半導体センサ２１Ｃで構成される。
光学素子２１Ａには、例えば液晶レンズを使用する。もっとも、電気的に焦点距離を調整可能なレンズであれば、液晶レンズに限らない。ここで、電気的に焦点距離を調整可能なレンズを使用するのは、光学素子２１Ａに印加する電圧の調整により焦点距離を変更することで、複数点の計測が可能になるためである。第２のセンサ２２を構成する光学素子２２Ａについても同様である。

本実施の形態の場合、バンドパスフィルタ２１Ｂは、３０６．５ｎｍ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２９６．５ｎｍ〜３１６．５ｎｍで規定される波長帯は、第１の波長帯の一例である。なお、バンドパスフィルタ２１Ｂは、第１のバンドパスフィルタの一例である。
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。半導体センサ２１Ｃは、第１の半導体センサの一例である。

一方、第２のセンサ２２は、耐熱性を有する光学素子２２Ａと、ＮＨ自発光に対応する波長の光を選択的に透過させるバンドパスフィルタ２２Ｂと、バンドパスフィルタ２２Ｂを透過した光の強度に応じた電気信号を出力する半導体センサ２２Ｃで構成される。
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。なお、バンドパスフィルタ２２Ｂは、第２のバンドパスフィルタの一例である。
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。半導体センサ２２Ｃは、第２の半導体センサの一例である。

演算回路２３は、第１のセンサ２１の電気信号と第２のセンサ２２の電気信号を入力し、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（すなわちＯＨ自発光の最大強度値／ＮＨ自発光の最大強度値）を算出する。本実施の形態における演算回路２３は、例えばロジックＩＣで構成される。本実施の形態における演算回路２３は、炉室１０の外部に配置される。
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。

検量線ＤＢ３０は、発光強度比と空気比の検量線の情報を記憶する記憶装置である。検量線ＤＢ３０は、例えばハードディスク装置や半導体メモリの記憶領域に記憶される。
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。

図中のＭＡＸ（ＯＨ^＊）はＯＨ自発光の最大強度値を表し、ＭＡＸ（ＮＨ^＊）はＮＨ自発光の最大強度値を表している。図中の黒丸は、既知の空気比αが与えられる場合に実測された発光強度値の中央値を表している。図中の検量線は、最小二乗法等を用いて描いている。
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。

空気比推定装置４０は、演算回路２３から与えられる発光強度比と検量線ＤＢ３０との照合により、炉室１０内における現在の空気比αを推定する。
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。空気比推定装置４０は、例えばコンピュータにより構成される。図３に示す空気比推定装置４０は、プログラムを実行するＣＰＵ４１と、半導体メモリ４２と、ハードディスク装置４３と、通信モジュール４４とで構成されている。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。

半導体メモリ４２は、例えばＢＩＯＳ（＝Basic Input Output System）を記憶するＲＯＭ（＝Read Only Memory）と、ワークエリアとして用いるＲＡＭ（＝Random Access Memory）とで構成される。ＲＡＭは、主記憶装置の一例である。
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。

図４は、空気比推定装置４０を構成するＣＰＵ４１によるプログラムの実行により実現される機能構成の一例を説明する図である。本実施の形態における空気比推定装置４０は、プログラムの実行により、強度比取得部４１Ａ、照合部４１Ｂ、空気比推定部４１Ｃとして機能する。
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、検量線との照合を通じ、現在の空気比を推定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。

空気比推定装置４０は、推定された空気比を外部の装置に出力する。外部の装置がモニターの場合、モニターには、推定された空気比がリアルタイムで表示される。また、モニターには、推定された空気比の時間変化がグラフとして表示されてもよい。
また、外部の装置がコンピュータの場合、空気比の推定値と設定値との差を計算してモニターに表示してもよい。また、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、外部の装置がアラームを出力してもよい。

また、外部の装置が、空気比の推定値が設定値に一致するようにバルブ１３Ａ（図１参照）の開度を自動制御してもよい。なお、燃料ガスが供給される主管にバルブが設けられている場合には、空気の流量はそのままに燃料ガスの流量を増減することにより、炉室１０内の空気比を調整してもよい。もちろん、空気の流量と燃料ガスの流量の両方を調整してもよい。

前述した外部の装置の機能は、空気比推定装置４０の機能として実現してもよい。すなわち、空気比推定装置４０内で、推定された空気比を用いた自動制御等を実行してもよい。
なお、空気比の調整は、炉内温度の制御と組み合わせて実行してもよい。

＜処理動作＞
図５は、実施の形態で想定する空気比推定システム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５に示す処理動作は、空気比推定方法の一例である。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推定システム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）。

次に、空気比推定システム１は、測定された２つの発光強度比を算出する（ステップ２）。この算出は、本実施の形態の場合、演算回路２３（図１参照）が実行する。
続いて、空気比推定システム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、空気比推定システム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。

本実施の形態の場合、ステップ１〜ステップ４までの処理が、炉室１０内の空気比の管理が必要な間、繰り返し実行される。
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。

また、ＯＨ自発光とＮＨ自発光の発光強度値の測定に用いる半導体センサ２１Ｃ及び２２Ｃは、酸素濃度計やガスクロマトグラフィーに比して安価であり、耐久性にも優れている。このため、従前のシステム構成に比して安価に必要な情報を測定できる。
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。

すなわち、侵入空気が存在する炉室１０の場合にも、炉室１０内の火炎に含まれるＯＨ自発光とＮＨ自発光の発光強度比に着目することで、炉室１０内の空気比を高精度かつ安価に測定できる。
なお、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、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。

＜他の実施の形態＞
（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。

（２）例えば前述の実施の形態においては、空気比推定システム１として工業炉を想定したが、炉内における空気比の管理が要求される燃焼炉であれば、工業炉に限らない。

（３）前述の実施の形態では、紫外線帯域のラジカル自発光のうちＯＨ自発光とＮＨ自発光の発光強度比を算出したが、他のラジカル自発光を含めた発光強度比を算出してもよい。他のラジカル自発光には、例えばＮＨ_２自発光やＨ自発光がある。
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、ＮＨ_２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。

例えばＯＨ自発光とＮＨ_２自発光の発光強度比でもよいし、ＯＨ自発光とＨ自発光の発光強度比でもよいし、ＮＨ自発光とＮＨ_２自発光の発光強度比でもよいし、ＮＨ自発光とＨ自発光の発光強度比でもよいし、ＮＨ_２自発光とＨ自発光の発光強度比でもよい。
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。

（４）前述の実施の形態では、燃料ガスとしてアンモニア含有ガスを想定するが、燃料ガスは、例えば水素含有ガスでもよいし、炭化水素系ガスでもよいし、アンモニア含有ガスと炭化水素系ガスの混合ガスでもよい。

（５）前述の実施の形態においては、空気比推定装置４０のハードウェア構成の一例としてＣＰＵを例示したが、ＧＰＵその他の処理装置でもよい。

１…空気比推定システム、１０…炉室、２０…光学センサ、３０…検量線ＤＢ、４０…空気比推定装置

Claims

燃料ガスと空気が供給される炉内に設置され、燃料ガスと空気とが燃焼する火炎から出力されるＯＨ自発光の光量を検出する第１の光量検出部と、
前記炉内に設置され、前記火炎から出力されるＮＨ自発光の光量を検出する第２の光量検出部と、
前記第１の光量検出部で検出された光量と前記第２の光量検出部で検出された光量とに基づいて、前記ＯＨ自発光と前記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
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、空気比推定システム。
前記第１の光量検出部は、光量に応じた電気信号を出力する第１の半導体センサと、前記ＯＨ自発光を選択的に透過する第１のバンドパスフィルタとで構成され、
前記第２の光量検出部は、光量に応じた電気信号を出力する第２の半導体センサと、前記ＮＨ自発光を選択的に透過する第２のバンドパスフィルタとで構成される、
請求項１に記載の空気比推定システム。
前記第１の光量検出部及び第２の光量検出部は、電気的に焦点距離を調整可能なレンズを具備する、
ことを特徴とする請求項１に記載の空気比推定システム。
前記燃料ガスは、アンモニア含有ガス、水素含有ガス、炭化水素系ガス、又は、アンモニア含有ガスと炭化水素系ガスの混合ガスである、
請求項１に記載の空気比推定システム。
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自発光の光量を検出する処理と、
前記火炎から出力されるＮＨ自発光の光量を検出する処理と、
前記ＯＨ自発光の光量と前記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
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、空気比推定方法。
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、
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
を実現させるためのプログラムであり、
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、ことを特徴とするプログラム。