JPH04110515A

JPH04110515A - 燃焼診断装置

Info

Publication number: JPH04110515A
Application number: JP22885790A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Hidenori Hidaka; 日高　秀則; Koujirou Yamada; 山田　紘二郎; Koji Yamamoto; 晃二山本
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 1990-08-30
Filing date: 1990-08-30
Publication date: 1992-04-13
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: JP2896529B2

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〕本発明は燃焼炉内火炎の燃焼状態を診断する燃焼診断装
置に関するものである。

〔従来の技術］公害防止のため、ボイラ等の燃焼装置においては、窒素
酸化物、すす及び−酸化炭素を発生させないことが望ま
れている。このような燃焼状態の形成には、燃焼炉内で
燃料と空気が適度に混合する火炎を形成し、これにより
、燃焼炉内において極端な高温度領域を形成させないこ
と及び極端な低温領域を形成させないことが必要となる
。

通常、このような燃焼状態を形成するには、燃焼排出ガ
ス煙道中に各種窒素酸化物濃度計（Ｎ。

χ針）、煤じん濃度針、−酸化炭素濃度計を取付け、こ
れらの計測器の検出値を読み、この検出値に対応した燃
料流量の調整、空気流量の調整、排ガス再循環流量の調
整等を行うことにより、窒素酸化物、すす及び−酸化炭
素の発生を抑制していた。また、最近、直接、燃料炉内
火炎の発光スペクトルを検出して燃料状態を診断する装
置が現桜この診断の結果に基づき、燃料流量の調整、空
気流量の調整、排ガス再循環流量の調整等が行われるよ
うになった。

この従来の発光スペクトル検出による燃焼診断装置は、
光プローブが受光した発光スペクトルパターンと電算機
にメモリーされた最適燃焼時のモデル発光スペクトルパ
ターンとを比較し、その相違の度合いから燃焼状況を診
断するようにしていたものがある（特開昭６０−１５９
５１５号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、この発光スペクトル検出による燃焼診断装置は
、単に、光プローブが受光した発光スペクトルパターン
と電算機にメモリーされた最適燃焼時のモデル発光スペ
クトルパターンとを比較するということだけであり、具
体的な比較方法が明確でなかった。このため、単に発光
スペクトルパターンを比較するものと仮定した場合、モ
デル発光スペクトルパターンすなわち、順次異なる各波
長に対するスペクトル強度を全て記憶させておかなけれ
ばならず多数（数十〜数百個）のデータをメモリ内に蓄
えておく必要が生じる。また、検出した発光スペクトル
をすべてのデータについて比較しなければならなくなり
、演算時間が長くなる間Ｈが生じてしまう。

また、従来の発光スペクトル検出による燃焼診断装置は
、第３図に示す装置構成となっており、複数個の光プロ
ーブ２２〜２７．複数個の光ファイバ３２〜３７．光ス
キャナ３８２分光分析装置４１、電算機５１から主に構
成される。光プローブは、各バーナに一個以上取付けら
れている。分光分析装置４１は、受光素子４２〜４４．
光スキャナ４８及びアンプ４５からなる。

しかし、この発光スペクトル検出による燃焼診断装置に
は、光プローブが受光した発光スペクトルの光量が、受
光素子によって充電変換されるまでに、大幅に減衰され
ることについて配慮がされていなかったものである。

すなわち、光量の減衰は、主に光スキャナ３８４８で生
じている。光スキャナ３８においては光ファイバ３２〜
３６．又は３７と移動＠４０との間、移動鏡４０と光フ
ァイバ４６との間の２箇所で、大きな光量の減衰が生じ
る。光スキャナ４８においては、光ファイバ４６と移動
鏡５０との１移動鏡５０と受光素子４２．４３又は４４
との間の２か所で、大きな光量の減衰が生じる。これは
、光ファイバと移動鏡の間等において間隔が生し、この
ため光が散乱するためである。−箇所当たりの光量の減
衰は１０〜３０％であるため、４箇所の光量の減衰箇所
があると、光プローブからの受光スペクトル光量は、受
光素子に達するまでに、６５〜２４％まで減衰すること
になる。

それ故、この発光スペクトル検出による燃焼診断装置に
おいては、光プローブにおいて多量の発光スペクトルを
受光する必要があり、経済的な装置となっていない問題
があった。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであ
り、その第１の目的は、燃焼診断装置における受光スペ
クトルパターンとモデルスペクトルパターンの比較にお
いて、高速にかつ、精度の高い比較を行うことのできる
燃焼診断装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、従来と同等の機能を有す
るにもかかわらず、装置コストを大幅に低減できる経済
的な燃焼診断装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段〕このような目的を達成するために、本発明は、基本的に
は、燃焼炉内火炎の発光スペクトルを検出し、この検出
された発光スペクトルをモデル発光スペクトルと比較し
、その比較値から燃焼＃新を行う燃焼診断装置において
、検出された前記発光スペクトルを近似式として表す手
段と、前記モデル発光スペクトルを近似式として記憶さ
せておく記憶手段とを備えてなることを特徴とするもの
である。

また、燃焼炉内の各位置における発光スペクトルをそれ
ぞれ光ファイバ群で取り出し、この光ファイバ群からの
各発光スペクトルを順次受光素子で検出して電気信号に
変換する手段を備える燃焼診断装置において、前記光フ
ァイバ群からの各発光スペクトルを受光素子で検出する
手段として、前記光ファイバ群の各出力端と前記受光素
子とが相対的に移動できると共に、この移動によって前
記光ファイバ群の各出力端に前屈受光素子が順次近接対
向させるようにしたことを特徴とするものである。

［作用〕このように構成した燃焼＃新装置によれば、まず、検出
された燃焼炉内火炎の発光スペクトルを近似式として表
し、この近似式と、予め記憶されたモデル発光スペクト
ルの近似式とを比較して、燃焼診断を行うようにしたも
のである。

このため、記憶手段に記憶させる情報量としては、前記
近似式を特定させる条件が少なくてすむことから、従来
と比べて極めて少なくすることができるようになる。

例えば、記憶手段に記憶させる近似式が４次式で表せる
場合においては、５個の係数によって該近似式を特定で
きることから、５個の係数値を記憶させておけばよいこ
とになる。

そして、検出される発光スペクトルにおいても近似式に
表し、この近似式を前記記憶手段に記憶させている近似
式情報と比較することから、極めて高速に比較できるこ
とになる。

たとえば、検出される発光スペクトルを４次式で表した
場合、その４次式の５個の係数をそれぞれ前記記憶手段
に記憶された５個の係数値と比較すればよいことから、
５回の比較処理ですむことになる。

また、本発明による診断装置は、光ファイバ群からの各
発光スペクトルを受光素子で検出する手段として、光フ
ァイバ群の各出力端と受光素子とが相対的に移動できる
と共に、この移動によって前記光ファイバ群の各出力端
に前記受光素子が順次近接対向させるようにしたもので
ある。

このため、光ファイバ群の各出力端と受光素子の間には
、従来のように、光路長が長くなることもなく、しかも
該光路間に鏡が介在されることもないことから、光の損
失を極めて小量に抑えることができるようになる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図に、本発明になる発光スペクトル検出による燃焼
診断装置の一実施例を適用した燃焼装置の一例を示す。

第１図において、燃焼炉１の側壁に、バーナ１２〜１７
が取り付けられており、これら各バーナ１２〜１７のそ
れぞれの近傍には光プローブ２２〜２７が配置されてい
る。各バーナ１２〜１７からの火炎からの発光スペクト
ルは前記光プローブ２２〜２７によって検出され、その
出力は光プローブ２２〜２７を介して分光分析装置側接
続端５３にまで導かれるようになっている。

分光分析装置側接続端５３は光ファイバ取り付は台とな
るものであり、それ自体はサーボモータ５４によって図
中上下方向に移動できるようになっている。

一方、分光分析装置側接続端５３と対向して近接配置さ
れた分光分析装置５２があり、この分光分析装置５２内
には、前記分光分析装置側接続端５３における光ファイ
バ３２〜３７の一部に対向して配置される受光素子４２
〜４４が備えられている。

また、受光素子４２〜４４からの出力はアンプを介して
電算機５１に入力されるようになっている。

これにより、火炎２〜７からの発光スペクトルは、各光
プローブ２２〜２７で受光され、光ファイバ３２〜３７
を通して光ファイバの分光分析装置側接続端（光ファイ
バ取り付は台）５３に運ばれる。そして、この光ファイ
バ取り付は台５３に対面して配置されている受光素子４
２，４３．４４に受光され、電気信号に変換される。受
光素子４２．４３．４４は、選択的にある波長域の光量
のみを受光する。受光素子４２，４３．４４によって、
電気の信号になった発光スペクトルは、アンプ４５によ
って電算機が演算できる電気信号に更に変換され、電算
機５１の入力信号となる。電算機５１では、この電気信
号から、燃焼炉内火炎の燃焼状態を診断する。なお、光
ファイバの分光分析装置側接続端（光ファイバ取り付は
台）５３はサーボモータ５４によって移動し、光ファイ
バの分光分析装置側接続端と受光素子の位置を相対的に
変化させる。受光素子（４２〜４４）は、検出波長が数
１０〜１１００ｎピッチで異なる数個〜十数個設置する
。なお、この受光素子（４２〜４４）には、狭帯域のス
ペクトル強度を測定する場合には、光選択透過性のフィ
ルタを前面に設置すればよい。

さらに第２図に本発明の一実施例における、電算機で演
算処理された重油燃焼火炎の検出発光スペクトルパター
ンの一例を示す。

光スペクトルパターンは、スペクトルアナライザ等を用
いても同様のスペクトルパターンが得られる。第２図に
示すように０．６〜１．６μｍの波長域においては、通
常、２個の極大値と１個の極小値を有するスペクトルパ
ターンが得られる。波長１．０μｍ近傍の極大値はスー
トによる発光のピークを示すものであり、１．３８μｍ
近傍の極大値は水蒸気の発光のピークを示すものである
。１．１μｍ近傍の極小値はスートと水蒸気の発光のピ
ークの挟間になったために現れたものである（石炭の燃
焼火炎及び水素成分の少ない油の燃焼火炎の場合は現れ
ない）。

この発光スペクトルパターンを、最小二乗法等を用いて
、数式に置き換えて表示する。このスペクトルパターン
は、２個の極大値と１個の極小値を有することから、４
次方程式で表すことができる（５次以上方程式を用いる
と、より精度の高い近似式が得られる。なお、本発明は
方程式の次数を規定するものではない）。

ｆ　（χ）−Ｋ　４・　χ４　＋　Ｋ　、・　χコ　＋
　Ｋ　２・　χコ一　＋に、　　・　χ　寡　十　Ｋ　
０・・・・・・・・・・・・（１）又は、上記（１）式を微分した式として、ｆ’（χ）　
＝に−Ｃｚ　−ａ）−（ｚ−ｂ）・（ｚ−ｃ）　＝０・
・・・・・・・・・・・（２）ｂ　；　極小点の波長この第（１）式と第（２）式又は第（３）成上の間には
、次式の関係が成り立つ。

４・Ｋａ　　＝　　ｋ −３・Ｋｓ　　＝　　ｋ・　（ａ＋ｂ＋ｃ）２・Ｋｔ　
　＝　　ｋ・（ａ−ｂ＋ｂ−ｃ＋ｃ−ａ）−Ｋ　　　−
ｋ−ａ−ｂ・Ｃ第（１）式を用いると、第２図の発光スペクトルパター
ンは、次の方程式で表される。

ｆ（χ）＝−７１４・χ’＋　３３１４・χ３−５７１
４・χ”＋　４３４３・χ−１２６３．５・・・・・・
・・・・・・（４）又、第（３）式を用いると、第２図の発光スペクトルパ
ターンは、次の方程式で表される。

χ スペクトル強度、極大点の波長、：　波長ａ、Ｃ：ここで、ｆ（χ）：したがって、Ｋ。

＝　−７１４にユ＝　３３１４゜Ｋ。

５７１４　、に、　＝４３４３及びＫ　、　＝　−１２
６３，５の５個の値（又はａ　＝　１．０．　　ｂ　＝
　１．１．　　ｃ　＝　１．３８　　ｋ　−２８５７、
Ｋ、　＝−１２６３，５の５個の値）で、第２図の発光
スペクトルパターンを表すことができる。このため、分
光分析装置出力の発光スペクトルパターン及び電算機メ
モリに記憶されたモデルスペクトルパターンも、それぞ
れ、５個の値で表すことができ、この５個の値をメモリ
に記憶させておけばよいことになる。

したがって、この燃焼診断装置において、電算機が使用
する内部メモリの記憶容量は大幅に減少でき、大容量の
電算機を必要としなくなる。また、検出発光スペクトル
パターンを比較するに当たっても、比較データ数が大幅
に減少できることから、演算時間が大幅に短縮できるよ
うになる。

本発明の一実施例において、発光スペクトルパターンは
、火炎温度が上昇すると、全体波長にわたってスペクト
ル強度が増加すると共に、極大値ａの波長が短波長側に
移動する。したがって、このときの発光スペクトルパタ
ーンの変化を第（３）弐を用いて表すと、ｂ及びＣは変
わらず、ｋ及びａが減少し、Ｋｏが増加することになる
。

また、火炎中のスート層厚みが増加すると、発光スペク
トルパターンは、全般にわたって、スペクトル強度が増
加する。したがって、第（３）式を用いると、ａ、ｂ、
ｃ及びｋは変わらず、Ｋｏが増加することになる。同様
に、火炎中の水蒸気層厚みが増加すると、ａ、ｂ及びＣ
は変わらず、ｋが増加し、Ｋｏが減少することになる。

なお、ここでこの明細書において、上記ａ、　ｂ、ｃ、
にあるいはに０の値を近似式に関係する係数と定義づけ
る。

このように、第（３）式（又は、第（１）式、第（２）
式）を用いて、スペクトルパターンの変化を表示するこ
とにより、火炎温度、火炎中のスート層厚み及び水蒸気
層厚みの変化を知ることができる。そして、これら火炎
温度、火炎中のスート層厚み及び水蒸気層厚みは、窒素
酸化物、すす及び−酸化炭素の発生と密接な関係がある
ことから、このスペクトルパターンの表示式の変化を見
ることにより、燃焼診断ができるようになり、窒素酸化
物等を発生させない燃焼の診断装置の構成が可能となる
。

本発明の他の実施例としては、発光スペクトルパターン
を複数個の近似式の集合に置き換えるようにしてもよい
。つまり、この発光スペクトルパターンを複数個に分割
し、分割された各スペクトルパターンがそれぞれの近似
式に置き換えるようにしたものである０例えば、第２図
のスペクトルパターンを、波長ａ、ｂ、ｃを中心軸とし
た３個の２次方程式の集合に置き換えるようにしたもの
である。

この実施例の効果としては、発光スペクトルパターンに
更に近い近似式を得ることができることである。

また、光ファイバの分光分析装置側接続端（光ファイバ
取付は台）５３を移動し、これにより、光ファイバの分
光分析装置側接続端と分光分析装置の受光素子の位置を
相対的に変化させるため、光スキャナを用いなくても、
従来装置と同様に、発光スペクトルを検出する光ファイ
バを選択でき、そして、この光ファイバ内を移送されて
きた発光スペクトルを各々の受光素子へ移送することが
できる。

また、光スキャナを設置する必要がないことから、移送
途中の光量減衰が抑制され、光プローブ受光量の減少が
可能となる。つまり、光プローブ及び光ファイバの小型
化、簡略化が可能となる。

したがって、発光スペクトル検出による燃焼診断装置の
装置コストを大幅に低減でき、経済的な燃焼診断装置を
提供できるようになる。

本発明における発光スペクトル移送途中の光量減衰は、
光ファイバの分光分析装置側接続端と分光分析装置の受
光素子の間の１箇所であり、ここで、光量が１０〜３０
％減衰し、光プローブ受光のスペクトル光量の７０〜９
０％が受光素子に達することができる。一方、従来の発
光スペクトル検出による燃焼診断装置においては、光プ
ローブ受光のスペクトル光量の２４〜６５％しか受光素
子に達することができなかったことと比較すると、本発
明においては、受光素子の受光量が１５０〜３００％増
加するようになる。つまり、本発明においては、光プロ
ーブ受光のスペクトル光量を従来装置の１／３〜２／３
にできる。したがって、光プローブ及び光ファイバの小
型化、簡略化が可能となり、発光スペクトル検出による
燃焼診断装置の装置コストを大幅に低減できるようにな
る。

各バーナへの光プローブの設置個数は、第１図に示すよ
うな、各バーナに付き一個に限定されるものではなく、
好ましくは、複数個にするとよい。

光プローブの設置個数を多くする程、より精度の高い燃
焼診断装置を構成できるようになるからである。大きな
燃焼炉において、例えば火力発電所においては、数十個
のバーナが設置されている。

したがって、この大きな燃焼炉においては、数十本〜百
数十個の光プローブが設置される。数十個〜百数十個の
各々の光プローブが受光した発光スペクトルは、それぞ
れ、光ファイバによって、光ファイバの分光分析装置側
接続端に移送される。

これにより、光ファイバの分光分析装置側接続端（光フ
ァイバ取り付は台）には、数十本〜百数十本の光ファイ
バが取り付けられる。

受光素子は、第１図に示すような、３個に限定されるも
のでなく、好ましくは、数個〜士数個にするとよい。こ
れにより、より精度の高い燃焼診断装置を構成できるよ
うになる。受光素子は波長によって感度特性を有してお
り、このため、感度領域が異なる複数個の受光素子を選
択して使用すると、発光スペクトル特性を計測できるよ
うになる。また、この受光素子の前面に光学フィルタを
設置すると、狭帯波長域のスペクトル強度測定が可能と
なる。この光学フィルタ付き受光素子を多数用いると、
より厳密な発光スペクトル特性の検出が可能となる。

発明者らは、光ファイバの分光分析装置側接続端（光フ
ァイバ取り付は台）に１０ｍｍピッチで直線上に４８本
の光ファイバを設置した。また、この光ファイバに対面
して４０ｍｍピッチで直線上に８個の受光素子を設置し
た。この受光素子の前面に接するようにして、それぞれ
４５０ｒ＋＋＋＋、５２０口鵬、　　　６　０　０　　
ｎ（８００旧＊、　　　１　０　０　０　　ｎｎ＋、　
　　１　２　０　０ｎｍ、　　１４００　ｎｍ、　　１
６００　ｎｍの光学フィルタを設置した。４５０　ｎｍ
、　　５２０　ｎ＋＊、　　６００　ｎ（８００ｎ＋ｉ
、１０００ｎｎ＋の光学フィルタを取り付けた受光素子
には、可視光検出に通したシリコンフォトダイオードを
用い、１２０　Ｏｒｌｍ、　　１４００　ｎｍ　　１６
００ｎ鋼の光学フィルタを取り付けた受光素子には、赤
外光検出に適したｐｂｓ光導電型素子を用いた。

光ファイバの分光分析装置側接続端とこの光学フィルタ
との間の隙間は、１閣以下になるようにした。そして、
光ファイバの分光分析装置側接続端をサーボモータによ
って、Ｌｏｗづつスライドさせた。光プローブから受光
素子までの４８個の系統について光量の減衰率を測定し
た結果、光学フィルタにおける減衰の影響を除（と、１
５％以内であった。

また、本発明の他の実施例として、光ファイバの分光分
析装置側接続端（光ファイバ取り付は台）５３と分光分
析装置の受光素子４２．４３４４の位置を相対的に変化
させるにあたって、移動させるのは、光ファイバの分光
分析装置側接続＠５３とするものである。前記第１図の
本発明になる発光スペクトル検出による燃焼診断装置の
一実施例において受光素子を移動すると、受光素子をつ
なぐ電気配線に電場及び磁場の変動によるノイズ信号が
発生する。そして、発光スペクトルの電気変換信号にノ
イズ信号が加わる問題が生じる。

一方、光ファイバの分光分析装置側接続端５３は、移動
しても、ノイズ信号が発生しない。

この実施例の効果は、発光スペクトルの電気信号変換に
ノイズ信号が入ることを抑制しながら、発光スペクトル
を検出する光ファイバを選択できることにある。なお、
光ファイバの移動によるノイズの発生は、光ファイバが
極端に折り曲げられた場合に、光ファイバの周表面から
光が散逸するため光スペクトルに乱れが生じるが、外力
を加えることのない一般的な使用においては、光ファイ
バがクラッド層で被覆されているため、光の散逸は生じ
ない。

なお、光ファイバの分光分析装置側接続端及び分光分析
装置の受光素子が、対面する２枚の板上にそれぞれ同半
径の円周上に配置されるようにし、そして、光ファイバ
取り付は板を回転するようにしても、前託第１図に示し
た直線上の配置と変わらない効果が得られる。

〔発明の効果〕

第１の発明（請求項（１）記載の発明）によれば、発光
スペクトルパターンを近位式に置き換えるため、一つの
スペクトルパターンのデータ数を数十〜数百個から数〜
士数個と大幅に減少できる。このため、発光スペクトル
検出による燃焼診断装置に使用する記憶手段は大容量で
ある必要がなくなる。また、検出発光スペクトルパター
ンと前記記憶手段内のモデルスペクトルパターンの比較
評価に当たっても、比較データ数が大幅に減少できるこ
とから、演算時間を大幅に短縮できるようになる。した
がって、簡単で、精度の高い燃焼診断装置を提供できる
効果が得られる。

次に第２の発明（請求項（４）記載の発明）によれば、
光プローブから受光素子までの火炎発光スペクトル移送
途中における光量減衰を減少したことにより、光プロー
ブ受光量を減少できるようになり、光プローブ及び光フ
ァイバの小型化、簡略化が可能となる。したがって、発
光スペクトル検出による燃焼診断装置の装置コストを大
幅に低減でき、経済的な燃焼診断装置を提供できるよう
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる発光スペクトル検出による燃焼診
断装置の一実施例を通用した燃焼装置の一例を示す図、
第２図は検出発光スペクトルパターンの一例を示す図、
第３図は従来の燃焼炉内火炎発光スペクトル検出による
燃焼診断装置の構成を示す図である。１　・・・・・・燃焼炉２〜７・・・・・・火炎１２〜１７・・・・・・バーナ２２〜２７・・・・・・光プローブ３２〜３７・・・・・・光ファイバ４２〜４４・・・・・・受光素子４５・・・・・・アンプ５１・・・・・・電夏機５２・・・・・・分光分析装置５３・・・・・・光ファイバの分光分析装置ａ接続端（
光ファイバ取り付は台）５４・・・・・・サーボモータ６０・・・・・・煙道第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）燃焼炉内火炎の発光スペクトルを検出し、この検
出された発光スペクトルをモデル発光スペクトルと比較
し、その比較値から燃焼診断を行う燃焼診断装置におい
て、検出された前記発光スペクトルを近似式として表す
手段と、前記モデル発光スペクトルを近似式として記憶
させておく記憶手段とを備えてなることを特徴とする燃
焼診断装置。
（２）請求項（１）記載記載において、検出された発光
スペクトルおよびモデル発光スペクトルの各近似式は、
それぞれ波長域によって分割された近似式の集合とした
ことを特徴とする燃焼診断装置。
（３）請求項（１）記載または請求項（２）記載におい
て、検出された発光スペクトルとモデル発光スペクトル
の比較は、それぞれの近似式に関係する係数どおしで行
うことを特徴とする燃焼診断装置。
（４）燃焼炉内の各位置における発光スペクトルをそれ
ぞれ光ファイバ群で取り出し、この光ファイバ群からの
各発光スペクトルを順次受光素子で検出して電気信号に
変換する手段を備える燃焼診断装置において、前記光フ
ァイバ群からの各発光スペクトルを受光素子で検出する
手段として前記光ファイバ群の各出力端と前記受光素子
とが相対的に移動できると共に、この移動によって前記
光ファイバ群の各出力端に前記受光素子が順次近接対向
させるようにしたことを特徴とする燃焼診断装置。
（５）請求項（４）記載において、受光素子が固定され
、光ファイバ群の各出力端が移動するようにしたことを
特徴とする燃焼診断装置。