JPH03137420A - バーナの燃焼制御装置 - Google Patents

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、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナの燃焼
制御装置に関するものである。

（従来の技術） 液体または気体の燃料を燃焼させるバーナにおいては、
燃焼中その燃焼状態を最適に維持することが望ましい、
バーナにおける火炎の燃焼状態は、一般に空気と燃料と
の混合比率（空気比または排ガス中のＯ８濃度比）によ
って大きく変化する。そして良好な燃焼状態を保つため
に、従来、燃焼装置に対して燃焼制御装置を設け、この
燃焼制御装置により排ガス０２フイードバツクυＩ？１
１を行なって、燃焼装置への空気供給量、ひいては空気
比を調整することが多く行なわれている。なお、バーナ
の火炎が発生する光強度信号をフォトトランジスタ、フ
ォトダイオードあるいは太陽電池等の半導体を使用して
電気信号に変換し、その振動波形の周波数解析の結果得
たパワースペクトルの積分値を利用して燃焼制御を行な
う方法と装置については、特開昭６３−３０６３１０号
公報等を公照されたい。

ここで従来用いられているバーナの燃焼制御装置の一例
を、第９図について説明する。ｌは炉本体であり、２は
その基部に取付けられたバーナ、３はこのバーナ２に燃
料を導くバイブ、４はこのバイブ３の途中部分に取付け
られた、燃料の滝川調節弁、５は流量計である。バーナ
２にはこのバーナ２に空気を送る送風ファン６が取付け
られ、インバータ７を介して空気量補正器８に接続され
ている。炉本体ｌの先の煙道部分には０２プローブ１０
が取付けられ、その出力側には検出器１１が接続されて
いる。これらで排ガス中の０２の狙を検出することにな
る。

検出器１１の出力側には、前述の空気量補正器８が接続
されている。炉本体ｌの中間部分には温度センサ１２が
取付けられており、炉本体ｌ内の温度を検出するように
なっている。この温度センサ１２の出力側はマスクコン
トローラ１３に接続され、マスクコントローラ１３はこ
の値に応じて流量調節弁４と空気量補正器８に指令を与
えるようになっている。空気量補正器８は、この指令に
基いてインバータフの出力周波数を変え、送風ファン６
の回転数を変えることになる。

このような構成からなるこの燃焼制御装置は、０、フィ
ードバック制御を行なうことになる。すなわち第１Ｏ図
に示すように、燃料■増加時の空気量遅れによる発煙を
防止するために、発煙限界Ａに対し、安全側に上乗せさ
れているＣの状態を発煙限界点付近Ｂまで減少させるこ
とにより、省エネルギ化と低公害化を図ることになる。

この場合において、燃焼温度を一定値に制御するために
、温度センサ１２からの信号によりマスクコントローラ
１３内で演算をし、燃料の滝川調節弁４および空気量補
正器８に制御信号を送ることになる。そこで空気量補正
器８では、流量計５からの流量信号により、たとえば第
１１図に示すような油世の０〜１００％を十等分し、そ
れぞれの油量に応じてあらかじめ設定された設定値と０
２プローブ９および検出器！！とによって得られる排ガ
ス０２％信号との偏差に応じてＰＩ演算等を行ない、送
風ファン６のインバータ７に出力し、各燃料量に応じた
設定値となるようにフィードバックされる。

（発明が解決しようとする課題） このように行なわれるＯ、フィードバック制御では、各
燃料量に対応するＯ３設定値がもつとも重要となる。し
かしながら経年変化によるバーナ２の摩耗その他の原因
によりバーナ２からの燃料噴射粒径の大粒化等の影響で
燃焼状態が悪化すると、第１Ｏ図に示した発煙限界点Ａ
はＣの方向へと移行することになる。すなわち、０□設
定値が変化してしまう、このため、初期０２設定値のま
まで運転を続けていると煙突から黒煙が発生し、この時
点で始めて燃焼状態の異変を発見することとなり、燃焼
悪化の予測が困難で公害上および安全上の問題が残るこ
とになる。

本発明は、このような現状に鑑みて成されたものであり
、各種工業炉においてその燃焼火炎から発せられる光パ
ワー振動を受光素子（たとえばフォトダイオード等）に
より検出、または燃焼火炎中のイオン電流を電掻棒を使
用して検出し、その周波数解析を行ない、これにより得
たパワースペクトラム信号の積分値を利用して空燃比制
御を行なうことにより、バーナ２の径年変化等により燃
焼状態が悪化した場合でも黒煙を発生させることなく制
御を継続しながらバーナの劣化を検出することができる
燃焼副書装置を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するための手段として、炉本
体ｌに取付けたバーナ２に燃料の調節弁４と流量計５と
を接続し、炉本体１のバーナ２の火炎９を監視する位置
に光センサ１４を、または前記火炎９中からイオン電流
の検出ができる位置に電極棒（図示せず）を取付けると
共に、炉本体ｌの適当な位置に該炉本体ｌ内の温度を検
出する温度センサ１２を取付け、該温度センサ１２の出
力側には温度調節器２３を介して前記調節弁４を接続し
、前記光センサ１４又は電礪棒には、これらの出力信号
中から特定周波数以上のものをカットするローパスフィ
ルタ１７を介して空気流量調節器２２を接続し、該空気
流量調節器２２の出力側に、インバータ７を介して前記
バーナ２に空気を送るファン６を接続した構成としたも
のである。

（作用） このような構成とすれば５光センサ１４または電極棒で
検出した信号の周波数解析を行ない、これによって得た
パワースペクトラムの積分値を利用して空燃比制御を行
なうことにより、バーナ２の経年変化等により燃焼状態
が悪化した場合でも、黒煙を発生させることなく、制御
を維持しながらバーナ２の劣化検出ができることになる
。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を第１図について第９図と同様
部材には同一の符号を付して説明すると、本発明のもの
では炉本体ｌの一部に光センサＩ４が火炎９に向けて取
付けられており、０２プローブ９は設けられていない。

この点およびこの光センサ１４の出力信号を処理する回
路については、本出願人が先に出願した特願平１−０７
４６２３号出願のものと類似する。光センサ１４の出力
側は光パワー信号を検出する検出器１５に接続され、検
出器１５の出力側は増幅器Ｉ６を介してアナログローパ
スフィルタ１７に接続されている。光センサ１４として
は、フォトダイオード等を考えることができる。

このアナログローパスフィルタ１７にはＡ／Ｄ変換器１
８を介してディジタルフィルタＩ９が接続されている。

ディジタルフィルタ１９の出力側には周波数解析器２０
が接続され、パワースペクトラムを得るようになってい
る６周波数解析器２０の出力側には演算器２１と空気流
量調節器２２とが順次接続されている。空気Ｋｉｔ調節
器２２は演算器２１ならびに流徹型５からの信号を受け
て出力信号を発するものであり、この空気流ｆｆｉ調節
器２２の出力側にはインバータ７と、温度調節器２３と
が接続されている。

このように構成された本発明の燃焼副書装置にあっては
、光センサ１４が火炎９を光信号として受け、これを検
出器１５が電気信号に変換し、増幅器１６で増幅の後、
アナログローパスフィルタ１７によって特定周波数以上
の信号をカットし、その状態でＡ／Ｄ変換器１８によっ
てディジタル信号に変換される。その後、ディジタルフ
ィルタ１９を介して入力される信号を、周波数解析器２
０によって周波数解析し、時間軸に対して振動している
光パワー信号のパワースペクトラムを得る（第２図にお
けるステップ２−１〜２−４参照）。

第４図および第５図に示すものは、本装置により周波数
解析して得られるパワースペクトラムである。第４図に
おいては時間軸に対する光パワー振動を示し、第５図は
周波数に対するパワースペクトラムの関係を表わしてい
る。演算器１９内で第２図フローチャートの処理を行な
って得られる積分比Ｂ／Ａと排ガスＯ１との間には第６
図に示すような比例相関が得られる。第７図は、第２図
中のステップ２−２　、２−３のパワースペクトラムの
全体積分値Ａおよび特定周波数帯での積分値Ｂを示すも
のである。

従来の技術においては、Ｏｔフィードバック制御におい
て、各燃料量に対する排ガスＯ８の設定値は、第１Ｉ図
に示すように発煙領域Ａよりも僅かに安全サイドに設定
される。ところがバーナノズルの摩耗等により噴霧され
る燃料粒子径が大きくなると、同じ燃料量で微細粉であ
った場合に比へて燃料粒子全体の表面積が小さくなり、
空気との接触混合が悪くなる。このため第１Ｏ図の発煙
領域ＡはＣの方向へ移動すなわち設定値が変化してしま
う、これは排ガスＯｔが間接的な指標であるためである
。

これに対し、第３図に示すように、本発明に係る燃焼、
制御装置によって得られるパワースペクトラム積分比Ｂ
／Ａは、火炎９を直接検出しているので、これを制御指
標とする場合、二流体噴霧バーナでへ重油を６０ｊＭｈ
で燃焼させたときに、噴霧（微粒化）用空気圧力を３０
００〜２０００＋＋＋＋＋＋Ａｇまで低下（噴霧流体は
大径化）させたときの黒煙発生範囲は略一定（今回の場
合で３１．５〜３２．５％）であることが実験によって
確認されている。すなわち発煙領域の設定値は変化しな
い、これは燃料粒子と空気の混合状態に大きく支配され
る燃焼火炎の光振動周波数成分は、混合状態（燃焼状態
および黒煙発生量）が同じであれば変化しないからであ
る。パワースペクトラム積分比Ｂ／Ａを制御指標として
フィードバック制御ｌｌ（制御対象は空気ｆｆ１）を行
なうと、バーナ２からの燃料噴霧粒径の変化等により燃
焼状態が変化しても、常に黒煙発生点の一定制御が可能
となる。

次に、バーナ２からの燃料噴霧粒径が大粒径化あるいは
燃焼用空気と燃料粒子の混合不良等により燃焼状態が悪
化すると、得られるパワースペクトラム積分比Ｂ／Ａは
小さくなる。その場合、制御設定値との偏差が大きくな
り、制御装置の出力はパワースペクトラム積分比Ｂ／Ａ
を大きく、すなわち空気量を増加させるように出力され
、パワースペクトラム積分比設定値に制御されることに
なり、結果的に発煙を生ずることなく、制御を継続する
ことになる。ここでバーナ２に性能劣化のない初期設定
時の制御出力と、バーナ２の性能劣化後の制御出力との
偏差を検出すれば、バーナ２の性能劣化を自己新談する
ことが可能となる。

バーナ２の性能劣化検出は、第１図に示す回路中の空気
流ｍ調節器２２で、第８図に示すフローチャート処理を
行なうことで行なう、これを具体的実施例として説明す
る。第１図においてファン６はインバータ７の出力電力
を受けて回転し、バーナ２に空気を送ることになる。イ
ンバータ７を介装することにより、ファン６の回転数を
任意に、また自由に変えることができる。炉本体ｌに取
付けられた温度センサ１２からの信号を入力とする温度
調節器２３により炉内温度が一定となるように燃料調節
弁４に出力される。バーナ２によって生成された火炎９
により発生する光パワー振動は、前述のようにフォトダ
イオード等からなる光センサ１４により検出され、これ
が検出器１５で電気信号に変換される。

この変換された信号は増幅器１６によって、後段の回路
で処理されるのに適したレベルまで増幅され、増幅後の
信号はアナログローパスフィルタ１７によって高周波成
分の除去が行なわれる。その後Ａ／Ｄ変換器１８によっ
てディジタル信号に変換され、さらにディジタルフィル
タ！９によって徒弟周波数帯が除去される。これを周波
数解析器２０でパワースペクトラムを演算し、演算器２
１に出力される。演算器２Ｉ内では第２図に示すフロー
チャートの処理が行なわれ、演算結果であるパワースペ
クトラム積分比を空気流！調節器２２に出力する。空気
流量調節器２２内では第８図に示すフローチャート処理
が行なわれる。この処理をステップ順に説明する。

まずステップ８−１で、演算器２１で演算されたパワー
スペクトラム積分比りと、燃料流量信号Ｅが人力され、
ステップ８−２でその積分比Ｃと設定値Ｆとの比較が行
なわれる。この設定値Ｆは火炎９が不完全燃焼（黒煙発
生）するときのパワースペクトラム積分比値をあらかじ
め測定して設定しておく、このステップ８−２でもし、
入力された積分比りが設定値Ｆよりも小さければ、不完
全燃焼または失火状態にあるので、ステップ８−９に分
岐し、失火不完全燃焼信号として温度調節器２３に接点
出力し、流量調節弁４を全開とし、燃料を遮断する。も
し入力された積分比りが設定値Ｆ以上であれば、ステッ
プ８−３に分岐し、黒煙発生点よりも僅かに安全サイド
にあらかじめ設定した設定積分比Ｇと、入力積分比Ｃと
の偏差値Ｈを算出する。

ステップ８−４ではその偏差値Ｈに応じて、たとえばＰ
Ｉ演算を行ない、制御信号Ｊを出力する。

次にステップ８−５ではステップ８−３で演算された偏
差値ＨがｒＯＪであるかどうであるかの判定をし、もし
Ｈ＝Ｏでなければステップ８−８の後にジャンプし、Ｈ
＝Ｏであればステップ８−６で、ステップ８−１に入力
された燃料流量信号値Ｅにより、その燃料流量時の初期
制御出力設定値りとステップ８−４より出力される制御
出力値Ｊの偏差値Ｍを演算し、ステップ８−７において
バーナ性能劣化の許容範囲で設定される設定値Ｎと比較
し、もし偏差値Ｍがその設定値Ｎ未満であれば８−８の
後にジャンプし、もし偏差ｆｉ　Ｍが設定１１１ｉＮ以
上であればステップ８−８にてバーナ異物メツセージを
出力することにより、バーナ性能劣化を自己診断するこ
とが可能となる。

以上説明した実施例においては、炉本体のバーナの火炎
を監視する位置に光センサを設けたちのであったが、本
発明はこれに限られるものではない、炉本体の火炎中か
らイオンＮ　ＩＩＩＹＥの検出ができる位置に電礪棒を
取付けて、イオン電流を処理して制御するようなことも
できる。

（考案の効果） 本発明は以上説明したように構成したバーナの燃焼制御
装置であるから、従来の０寓フイードバツク制御のよう
に、バーナの性能劣化時に黒煙を発生することがなく、
制御を継続しながらバーナの性能劣化を検出し、自己診
断することが可能となる。そして、これに起因してバー
ナの性能を常に良好に維持できることになるので、高効
率運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一天施例の回路図、第２図は第１図の
うちの一部の作動を示すフローチャート図、第３図は排
ガスＯ３％と積分比との関係を示すグラフ、第４図は時
間と光パワー振動との関係を示すグラフ、第５図は周波
数とパワースペクトルとの関係を示すグラフ、第６図は
排ガスＯｓ％とパワースペクトラム積分比との関係を示
すグラフ、第７図は周波数とパワースペクトルとの関係
を示すグラフ、第８図は本発明実施例の詳細な作動を説
明するフローチャート図、第９図は従来の燃焼制御装置
の一例を示す回路図、第１０図ならびに第１１図は従来
技術の特性を示すグラフである。 ｌ−炉本体　　　　　　２・−バーナ ４・−調節弁　　　　　　５・−流量計６・−送風ファ
ン　　　　７・−インバータ９−火炎　　　　　　　１
２・−温度センサ１４・−光センサ　　　　　１５・−
検出器２〇−周波数解析器　　　２＋−演算器２２−空
気流１１ｍ節器　　２３−温度調節器１７−−デイジタ
ルローバスフイルタ 特　許　出願人　トヨタ自動車株式会社燃料 番 第１図 第２因 第３図 第４図 第５図 １・炉本体　　　　　　２・・・バーナ４・調節！ｌｆ
５・・・：ＪＬ量針 ６・・赳ファン　　　　　　７・・・インパーク９・・
火炎　　　　　　　　１２・・ゴ＆ＰＪゼンザ１４・・
光でンヅ　　　　　　１５・・・検出器２０・・・周波
数解析器　　　　７・・演算器２２−・・ラミ流量ｖＡ
ｎ器　　　ｎ・・温度調節器１７−１．ディジタルロー
パスフィルタ吟聞（Ｓ） Ｍｄｌｋ　（Ｈｚ） 箆６ 因 中給ガス０２　Ｃ”ｌ・） 第７図 １＠」叡（Ｈｚ） 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）炉本体に取付けたバーナに燃料の調節弁と流量計
   とを接続し、炉本体のバーナの火炎を監視する位置に光
   センサを、または前記火炎中からイオン電流の検出がで
   きる位置に電極棒を取付けると共に、炉本体の適当な位
   置に該炉本体内の温度を検出する温度センサを取付け、
   該温度センサの出力側には温度調節器を介して前記調節
   弁を接続し、前記光センサ又は電極棒には、これらの出
   力信号中から特定周波数以上のものをカットするローパ
   スフィルタを介して空気流量調節器を接続し、該空気流
   量調節器の出力側に、インバータを介して前記バーナに
   空気を送るファンを接続したことを特徴とするバーナの
   燃焼制御装置。