JPH01269820A

JPH01269820A - 燃焼制御方法、及び、燃焼制御装置

Info

Publication number: JPH01269820A
Application number: JP63095485A
Authority: JP
Inventors: Masahide Nomura; 野村　政英; Mitsuyo Nishikawa; 西川　光世; Junzo Kawakami; 川上　潤三
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-04-20
Filing date: 1988-04-20
Publication date: 1989-10-27
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: JPH0629665B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、バーナによる燃焼を制御する方法及び同装置
に係り、特に、燃料の性状の変動に拘らず良好な燃焼状
態を維持せしめ得るように改良した制御方法、及び制御
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

バーナによって発生する火炎の画像を用いて燃焼を制御
する技術に関しては、特開昭６０−２６０３号公報が公
知である。

上記の公知技術においては、火炎画像を用いて灰中未燃
分、ＮＯｘ等を推定し、この推定値を用いて燃料量、空
気量を操作して、灰中未燃分。

ＮＯｘ等を制御していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術においては、火炎画像から灰中未燃分を推
定するモデル、及び、火炎画像からＮ○χパーセンテー
ジを推定するモデルが必要である。ところが、このモデ
ルは燃料の性状が変化すると灰水成分推定精度やＮＯｘ
含有率推定精度が低下する。このため、燃料の性状変化
に対応してモデルを修正しなければならない。

しかし乍ら、灰中未燃分を実測するには、迅速分析法を
以ってしても分単位の時間を要するので適応の遅れが著
しいことを避は難い。

本発明の目的は、従来技術の問題点を解決し。

燃料の性状が変化しても、この変化に適応してモデルを
修正し、最適な燃焼状態を維持できる火炎形状制御によ
る燃焼制御方法および同装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

従来技術においては、Ｏ火炎画像と灰中未燃分との関係に基づいて、灰中未燃
分を低下させるように操作する。とか、Ｏ火炎画像とＮ
ｏ工含有率との関係に基づいて。

Ｎｏχ含有量を規制値以内に抑制するといったように制
御対象が個々であり、従って火炎画像との関係の把握も
単調であった。

本発明は、火炎形成のメカニズムに関する各種の状態量
を、モデル化して捉えるとともに、炉内状況を表わす物
理量との関係を求めておき、これに基づいて、目標とす
る炉内状況に導くようにバーナを自動調節する。

〔作用〕

上記の手段によれば、バーナの火炎の形状及び操作量を
リアルタイム針側し、この計測結果に基づいて火炎の形
状と操作量との相関関係を表わすモデルを逐次同定する
。これによって、火炎の形状と操作量との相関関係を表
わすモデルのパラメータが更新されるので、燃料の性状
変化、バーナの経年変化、火炉の状態変化等に対して推
定精度が低下することはない。

更に、同定したモデルを用いて火炎の形状が目標の形状
になるようにバーナの操作量を計算し。

この計算結果に基づいてバーナの操作量を操作する。こ
れによって、燃料の性状変化、バーナの経年変化、火炉
の状態変化等に際してもバーナを最適な燃焼状態に保持
できる。

例えば微粉炭燃焼の場合について考えると、第２図（Ａ
）に示した経路をとり、第２図（Ｂ）に示した外観を呈
しつつ、熱分解２着火・気体燃焼、固体燃焼といった４
つのプロセスよりなる変化を行いつつ燃焼が進行する。

而して、燃焼条件が変おると、上記４プロセスの特性が
それぞれに変化し、火炎の空間的広がりも変化する（即
ち、火炎形状が変化する）。

しかし乍ら、同一バーナに関して見る限り、最適燃焼状
態の火炎形状は、燃料性状が変化しても余り変らない。

このため、所望の燃焼状態における火炎形状をモデル化
しておいて、この火炎モデルと同じ形状の火炎を生じる
ように操作すれば、燃料性状の如何に拘らず所望の燃焼
状態が得られる。

〔実施例〕

第１図は、本発明方法を実施するために構成した本発明
装置の説明図である。

火炉１内にバーナ２が設けられ、このバーナ２が火炎を
発生している。

上記火炎の画像をイメージ・ファイバ４を介してＩＴＶ
カメラ６によりフレーム・メモリ７に取込む、ここで、
イメージ・ファイバ４は、水冷管３によって火炉の熱か
ら保護されている。また、イメージ・ファイバ４とＩＴ
Ｖカメラ６との間にはフィルタ５が挿入されており、こ
のフィルタ５によりＩＴＶカメラ６へ入る光の量及び波
長域を調整している。フレーム・メモリ７に取込まれた
火炎の画像は、伝送路を介して演算器８へ送られる。

図に示した微粉炭の流量、１次空気の流量、２次空気の
流量及び３次空気の流量はバーナ２の操作量である。こ
れらの操作状態は、プロセス量入力装Ｗ１０を介して演
算器８に取込まれる。

更に、バーナの燃焼状態を表わすプロセス量、Ｎｏχ含
有率、０２含有率、ＣＯ含有率等がプロセス量入力装置
１０を介して演算器８に取込まれる。

該演算器８では、取込んだ火炎画像情報と、バーナ操作
量（微粉炭流量、１次空気流量、２次空気流量及び３次
空気流量）との相関関係を表わすモデルを逐次同定し、
このモデルを用いて火炎の形状が目標の形状になるよう
にバーナの操作量を計算し、この計算結果に基づいて操
作量調節装置１１を介してバーナの操作量を調節する。

第３図は。

演算器８の処理フローを表わした図である。

次に、第３図に示すモデルの同定と最適操作量の計算に
ついて詳細に説明する。

先ず、火炎形状と操作量との相関関係を表わすモデルに
ついて１次に説明する。

次掲の（１）式は、火炎形状と操作量との相関関係を表
わす数式である。

ここで、ｘ＋ｊ　　：　　座ｌ１ｌ（Ｌｊ）における火
炎の輝度ａｉｊ（Ｕ：係数（Ｑ＝０，１．−、Ｌ）ｕ（Ｉｌ）：
　　操作量（ｆｉ＝ｏ、ｉ、・、Ｌ）上記の（１）式に
示すモデルの係数は１時間と共に変化するものと考え、
この係数の観測式として（１）式を変形すると次式が得
られる。

Ｘ＋ｊＱ（）＝ａｉｊｏ（ｋ）＋ｕｔ（ｋ）ａ＋ｊｚ（
ｋ）七・・・・・・・・＋　ｕＬ（ｋ）　ａ　＋ｊｙ、
（ｋ）＋ｗ＋ｊ　（ｋ）＋　ｗ＋ｉ　（ｋ）＝　Ｃ（ｋ）φ＋ｊＯｃ）＋ｗ＋ｊ（ｋ）　　　　　　
　−−・・Ｃ２）ここで、ｋ　　　：サンプリング・ス
テップｗ＋ｊ　（ｋ）　：　ｋサンプリング・ステップ
における座Ｉｎ（ｉｔｊ）でのノイズＣ（ｋ）”　［１ｕ、（ｋ）−−−ｕＬ（ｋ）］また、
係数φ＋ｊ（ｋ）の遷移式は次掲の（３）式によって与
えられるものとする。

φ＋ｊ（ｋ）＝φ＋ｊ（ｋ−１）　　　・・・・旧・団
・・・・（３）（２）、　（３）式を用いて係数φ＋ｊ
（ｋ）に対するカルマン・フィルタを構成すると次式が
得られる。

ここで、φ＋ｊ（ｋ）：φ＋ｊ（ｋ）の最大の推定値Ｗ
目（ｋ）　：　ｗ＋ｊ（ｋ）の分散 φ＋１（ｏ）　：　Ｏ（零ベクトル）Ｐ＋ｊ（ｏ）：　Ｉ　（単位マトリクス）すなわち、（
４）式の？＋ｊ（ｋ）により係数φ＋ｊ（ｋ）が同定で
きる。

次に、同定したモデルを用いて、火炎の形状を目標の形
状に近つけるための操作量を計算するアルゴリズムにつ
いて説明する。次掲の（５）式は、火炎の形状を評価す
る評価式である。

（５）式を最小にする操作量ｕｌｐ　ｕ２ｔ・・・ｓ　
ｕＬが最適操作量である。この操作量は、山登法により
求めることができる。この計算の手順を第４図に示す１
次に、この計算手順を詳細に説明する。

（Ｉ）操作量の上下限値ＵＨ，ＵＬを次式により設定す
る。

（ｎ）最適操作量の初期値として次の３つの組合せＵ’
、Ｕ’、Ｕ”を設定する。

（ｍ）　（４）式により同定した係数９．ｊを（１）式
に代入し、（７）式に示す３つの初期値Ｕ’、Ｕ’、Ｕ
”に対する火炎の輝度分布Ｘｊｊ’ｅＸ目Ｚｘ、Ｍ（ｉ
＝１，２．・・・、ｍ、ｊ＝ｌ、２．・・・ｔ　ｎ）を
求める。

（ＩＶ）　（ＩＩＩ）で求めた火炎の輝度分布ｘ（３’
、ｘＢ’。

Ｘｉｊ”　　（１＝１ｅ　２ｅ　”’ｐ　ｍ＋　Ｊ　＝
１＋　２．”’ｒｎ）と火炎の輝度分布の目標値Ｘ４ｊ
ｒ　（ｉ＝１゜２、・・・、ｍ、ｊ＝１．２．・・・ｔ
　ｎ）を用いて、（５）式により３つの初期値Ｕ’、Ｕ
’、Ｕ”に対する評価値Ｊ’、Ｊ’、Ｊ”を計算する。

（Ｖ）　（ＩＶ）で求めた評価値Ｊ’、Ｊ’、Ｊ〜の大
きさを比較して評価値を大きい順にＪ工ｔｉＦＪ３とし
、これらに対応して操作量をＵ□、Ｕ、。

Ｕｌとする。

（ＶＩ）操作量の新しい初期値ＵＮを次式により求める
。

ＵＮ＝Ｕ１＋α（７（Ｕ＊＋Ｕ、）−Ｕ□）・・・・・
・（８）ここで、α：修正係数（〉１）なお、（８）式で求めたＵＮが（６）式に示す上下限値
を越える場合は、越えた操作量に対して上下限値をセッ
トし、それを改めてＵＮとする。

（■）操作量の新しい初期値ＵＮに対する評価値を（１
）、　（５）式により求め、それをＪＮとする。

（■）ＪＮの収束を次式により判定する。

たものとし、ＪＮに対応する操作量ＵＮを最適操作量Ｕ
、とする。また、（９）式が満足されない場合は、操作
量Ｕ、をＵＮで、評価値ＪｌをＪＮで置き替え、３つの
操作量をＵ　／　、　ＵＩ　、　Ｕ　ｊｌ、それに対応
する評価値をＪ’、Ｊ’、Ｊ”とし、（Ｖ）に戻る。

次に、ＣＩ）〜（Ｗ）の手順で求めた最適操作量Ｕ、に
従って、操作量調節装置１１を介して操作量を調節し、
火炎形状を目標形状に制御する。

以上に説明した実施例について行った実験結果について
次に述べる。

第１表は、火炉に関する物理量を、約１分間隔で１４９
回に亙って実測したデータを示す、ただし、データの全
部は膨大であるため、第１回〜第１０回の測定結果を、
第１表（Ａ）、第１表（Ｂ）に区分して掲げる。

第５図（Ａ）、（Ｂ）は物理量の変化を示す図表である
。

第６図は、前記の１４９回にわたって実測した火炎の輝
度分布像（彩色像）の内、３分間置きにピックアップし
て示した５０個の像を第６図（Ａ）〜（Ｇ）に区分して
示す。

図において右上がり方向の平行斜線を付した部分はピン
ク乃至緑色で、火炎輝度９６〜１５９である。

右下がり方向の平行斜線部は黄色で、火炎輝度１６０〜
１９１である。

水平方向の平行斜線部は赤色で、火炎輝度１９２〜２２
３である。

斑点を付した部分は白色で、火炎輝度２２４〜２５５で
ある。

周囲の白色部分は輝度９５以下の部分である。

（２）１表（Ａ）〕Ｎａ　　ｙｌ　　　０２−Ｉ　　　　ＮＯＸ　　　　０
２−２Ｉｌｌ（：ＭＷ：玉　　％　　　　ｐｐ−％１　
１４：３６：２２　　＋２．６４９Ｅ＋ＯＯ＋２．７銚
＋ＯＸ　　＋２．屯ワＥ＋００２　　＋４：３７：２１
　　＋２．１６２２＋ＯＯ＋２．６７２Ｅ＋０２　　＋
１．９４正＋００３　１４：３８：２１　　＋２，００
５Ｅ＋■　＋２．６７０Ｅ＋０２　　＋１．７７０Ｅ＋
ＯＯ４１４：３９：２２　　＋２．０４１Ｅ十■　＋２
，８１０Ｅ＋０２　　＋１．８０３Ｅ＋００５　１４：
４０：２２　　＋２．２３６Ｅ＋ＯＯ＋３．０１３Ｅ＋
０２　　＋１，９７２Ｅ＋００６　１４：４１：２２　
　＋２．１１３Ｅ＋００　　＋３゜０６８Ｅ＋０２　　
＋１．８７５Ｅ＋■７　１４：４２：２２　　＋２．１
３９Ｆ＋（イ）＋３．０８４Ｅ＋０２　　＋１．９０１
Ｅ＋■８　１４：４３：２２　　＋２．１２９Ｅ＋■　
＋３゜１０５Ｅ＋０２　　＋１．８８８Ｅ＋００９　１
４：４４：２２　　＋２．１４９Ｅ＋００　　＋３．０
５４Ｅ＋０２　　＋１．９０圧＋■１０　１４：４５：
２２　　＋２．０５″２Ｅ＋００　　＋３．０２８Ｅ＋
０２　　＋１．３４９Ｅ＋■悌１表（Ｂ）〕１　　＋６．７００Ｅ＋ＯＯ＋２．４４３Ｅ＋０１　　
＋１．Ｚ５０Ｅ−０１＋１．６０８Ｅ＋０２２　　＋７
．７７犯＋■　＋２．４４３Ｅ＋０１　　＋１．２５０
Ｅ−０１＋１．６０印＋０２３＋８．５叩＋■　＋２．
４４３Ｅ＋０１　　＋１．２５叩−０１＋１．■征＋０
２４　　＋６．８５叩＋■　＋２．４３０Ｅ＋０１　　
＋１．τ迫Ｅ−Ｏｆ　　＋１．６４正＋０２５　　＋５
．５ヌ疋＋■　＋２．４３０Ｅ＋０１　　＋１．２５０
Ｅ−０１＋１．６２即＋０２６　　＋５．２２５Ｅ＋（
Ｘ）　　＋２．４３０Ｅ＋０１　　＋１．２５０Ｅ−０
１＋１．６３０Ｅ＋０２７　　＋５．３５区＋００　　
＋２．４３０Ｅ＋０１　　＋１．２５０Ｅ　−０１＋１
．６２８Ｅ＋０２８　　＋５．２２５Ｅ＋ω　＋２．４
３０Ｅ＋０１　　＋１．２５℃−０１＋１．６表記＋０
２９　　＋５．０００Ｅ＋００　　＋２．４３０Ｅ＋０
１　　＋１．２５０Ｂ−０１＋１．６２８Ｅ＋０２１０
　　＋７．０と正十■　＋２．４に旧＋０１　　＋１．
２５叩−Ｏｆ　　＋１．６２部＋０２第１表の＆欄の数
と、第６図の当欄の数とは対応している。

第１表（Ａ）の時間欄は、時：分：秒で表わしてあり、
この数は第５図の時間軸の目盛と対応している。

第１表及び第５図（Ａ）の「０２」は酸素濃度であり、
２個所で測定しているので、それぞれの値を、０２−１
．０２−２と表わした。

本実験において石炭（微粉炭）供給量は２５ｋｇ／Ｈで
一定である。

また、第６図の輝度分布像は、５１２　Ｘ　５１２の画
像から、座標（１００，１００）、　　（３５０，１０
０）、（１００゜３５０）、　　（３５０，３５０）の
４点で切り出した部分画像である。

本実験は、本発明を適用して、上記の如く火炎形状と炉
内物理景との相関関係を表わすモデルを同定した。

この実験における同定条件を第２表に示す。

この図から容易に理解されるごとく１回帰モデルによっ
て、バーナの操作量から火炎形状を推定できる。

第７図はバーナ操作における推定値（Ｘ印）と計測値（
Ｏ印）との対応関係を示す。

本図表の横軸は計測個所の番号、縦軸は輝度を表わして
いる。

推定値Ｘ印は、所望の火炎形状を得るために与えた操作
量によって得られるであろう輝度を表わし、計測値０印
は実際に得られた輝度である。この図から解るように、
モデルを与えることにより所望の火炎形状が得られた。

第８図は前記と異なる実施例を示す。

前述の実施例では１本のバーナの火炎を対象としたが、
本第８図の実施例は多段のマルチ・バーナを対象として
本発明を適用した。

１１は多段形の火炉、ｌｌａはその燃焼ガス出口である
。燃焼ガス流通方向に順次に燃焼領域を設定しである。

１１ｂは、第１バーナ段に相当する第１領域。

１．１ｅは、第２バー・す段に相当する第２領域、ｌｉ
ｄは、第３バーナ段に相当する第３領域。

ｌｉｅは、第４領域、１１ｆは、第５領域である。

第９図はバーナの構造を示す為の断面図である。

第１０図に示す如く、各バーナ段ごとに、１個のイメー
ジファイバ１２ｂ〜ＩＺｄを設けて火炎画像を工ＴＶカ
メラ６に取り込む、上記イメージファイバはそれぞれ水
冷管（図示省略）で保護されている。

この実施例においては、各段ごとにバーナ操作系統を独
立させてもよく、また全段−括制御してもよい。

図示を省略するが、各バーナ段毎ではなく、各バーナ毎
にイメージファイバを対応させることも容易に可能であ
る。

前述の実施例においては、１本又は複数本のバーナの火
炎に対して１本のイメージファイバと】２個のＩＴＶカ
メラとを対応させたが、火炎は空間的に広がりを有して
いるで、１本又は複数本のバーナの火炎に対して複数本
のイメージファイバ、及び複数個のＩＴＶカメラを対応
させても良い。

これにより、より多くの火炎情報が得られ、きめ細かい
制御が可能となる。

上記の各実施例において、回帰モデルは線形モデルを用
いたが５本発明を実施する際、非線形の回帰モデルを使
用することもできる。非線形の回帰モデルを使用すると
、モデルの推定精度を一層向上せしめ得る。

上述した実施例では、プロセス量の絶対値を用いて回帰
モデルを作っているが、ある基準点からの相対値を用い
て回帰モデルを作ってもよい。これにより、モデルの推
定精度をより向上できる。

上述した実施例では、バーナの操作量を調節する場合、
単独で扱うようにしているが、空燃比のように２つ以上
の操作量の複合演算値を調節するようにしてもよい。こ
れにより燃料で蒸気温度等を制御するボイラにも火炎の
形状制御が容易に適用できる。

前述の実施例では、火炎の形状として火炎の輝度分布像
を用いているが、火炎の形状としてホログラフィ干渉像
、シャドウグラフ像などを用いてもよい。

前述の実施例では、バーナの操作量にテスト信号を重畳
させていないが、テスト信号を重畳させてもよい、これ
によりモデルの推定精度が向上する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バーナの火炎の形状及び操作量をリア
ルタイム計測し、この計測結果に基づいて火炎の形状と
操作量との相関関係を表わすモデルを逐次同定するので
、火炎の形状と操作量との相関関係を表わすモデルのパ
ラメータが更新され、燃料の性状変化、バーナの経年変
化、火炉の状態変化等が生じても推定精度が低下するこ
とはない。

また、同定したモデルを用いて火炎の形状が目標の形状
になるようにバーナの操作量を計算し、この計算結果に
基づいてバーナの操作量を操作するので、燃料の性状変
化、バーナの経年変化、火炉の状態変化等が生じてもバ
ーナを最適な燃焼状態に保持できるという優れた実用的
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料制御装置の系統図。第２図は火炎の化学反応プロセスの説明図、第３図及び
第４図は前記実施例の作動を示すフロー図、第５図（Ａ
）、（Ｂ）は本発明の作用効果を説明するための図表で
ある。第６図は、前記実施例においてｉ測した火炎の輝度分布
像の模式図である。第７図は本発明の詳細な説明するための図表、第８図乃
至第１０図は前記と異なる実施例の説明図である。１・・・火炉、２・・・バーナ、３・・・水冷管、４・
・・イメージフィバ、６・・・ＩＴＶカメラ、７・・・
フレームメモリ、８・・・演算器、９・・・表示装置、
１０・・・プロセス量入力装置。代理人弁理士　　秋　　本　　正　　実察　２ｍ（Ａ）（Ｂ）纂　３　回ｆｌｌＷｓ９、隼　ｆＯ２手続補正書（自発）昭和６３年特許願第９５４８５号２、発明の名称燃焼制御方法、及び、燃焼制御装置３、補正をする者事件との関係　特許出願人住所（居所）　東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地
氏名（名称）　　（５１０）株式会社　日立製作所４、
代理人住所　　東京都港区西新橋１丁目６番１４号　相馬西新
橋ビル〔別　紙〕（１）明細書第８ページ、下から９行目初頭のＸ目から
同ページの最下行末尾のｕ　（Ｌ）までの、（１）式を
１次記の如く補正する。（２）明細書第９ページ３行目の’ａ＋ｊ（Ｑ）Ｊを’
ａ＋ｊＱＪと補正する。（３）明細書第９ページ４行目のｒ　ｕ　（Ｑ）　」を
ｒｕｆＬＪと補正する。（４）明細書第９ページ４行目のｒＱ＝ｏ、１．−Ｊヲ
、「Ω＝１．・・・」と補正する。（５）明細書第１０ページ下から４行目の「最大の」を
、「最尤」と補正する。（６）明細書第１１ページ４行目の「近つける」を、「
近づける」と補正する。以上手続補正書は式）昭和６３年８月２５日

Claims

【特許請求の範囲】１、バーナの燃焼を制御する方法において、（ａ）予め、火炎の形状、及び、炉内状況を表わす物理
量を計測し、（ｂ）火炎の形状と、炉内状況との関係を把握して、（ｃ）火炎形状と炉内状況との関係を表わすモデルを同
定し、（ｄ）バーナの作動状態において、所望の炉内状況に対
応する火炎形状が得られるように、該バーナの操作量を
決定することを特徴とする、燃焼制御方法。２、前記のモデルとして、回帰モデルを用いることを特
徴とする請求項１に記載の燃焼制御方法。３、前記の火炎形状は、火炎の輝度分布像であることを
特徴とする請求項１に記載の燃焼制御方法。４、前記の火炎形状は、輻射分布像であることを特徴と
する請求項１に記載の燃焼制御方法。５、前記の火炎形状は、ホログラフイ干渉像及びシャド
ウグラフ像の少なくとも何れか一方であることを特徴と
する請求項１に記載の燃焼制御方法。６、バーナの燃焼を制御する装置において、（ａ）火炉内の物理量を検出する複数個のセンサと、（ｂ）火炎形状を撮像するＴＶカメラと、（ｃ）上記検出物理量と、ＴＶカメラ画像情報とを入力
される自動演算機と、（ｄ）上記自動演算器の出力信号を受けて、バーナ操作
用の調節装置を制御する操作量調節装置とを設け、かつ
、前記の自動演算器は（イ）火炎形状のモデルを記憶する機能と、（ロ）入力された火炎形状を上記のモデルと比較する機
能と、（ハ）入力された火炎形状と、予め与えられた火炎モデ
ルとの差を算出する機能と、（ニ）上記の差を少なからしめる方向にバーナの操作内
容を選択し決定する機能とを備えたものであることを特
徴とする燃焼制御装置。７、前記のモデルは回帰モデルであることを特徴とする
請求項６に記載の燃焼制御装置。