JPH0529810B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は工業用燃焼装置におけるバーナ運転空
気比の監視制御方法の改良およびそれを適用した
監視制御装置に関するものである。

［従来技術およびその問題点］ 工業用燃焼装置では、燃料および空気を１本あ
るいは複数本のバーナに供給し、燃焼させること
によつて熱エネルギーを利用している。バーナ運
転空気比が１以下であると、すなわち、供給空気
量が理論空気量より小さいと、不完全燃焼により
未燃物が発生し、燃料の保有する化学エネルギー
を完全に熱エネルギーに変換できないため、エネ
ルギー損失になる。一方、運転空気比が１よりも
過大である。空気比に比例して燃焼排ガス量が増
大するため、燃焼排ガスが持ち出す顕熱損失が増
大し、熱効率が低下する。したがつて、最大の熱
効率を得るためには、完全燃焼が損なわれない範
囲で、なるべく小さな空気比で燃焼を維持するこ
とが必要である。この最適空気比は燃料と空気の
混合特性に支配されるためにバーナの構造や熱負
荷などに依存し、いずれの燃焼装置においても一
定値であるというわけではない。そのため、個々
のバーナの空気比を高精度で検出、監視し、運転
管理者が所望する任意の空気比に調節制御できる
必要がある。

従来、一般的に実施されている空気比監視制御
方法では、煙道排ガスを分析し、燃焼ガス組成か
ら燃焼計算によつて空気比を求め、空気比制御操
作（空気量の調節）にフイードバツクしている。
しかし、この方法には、 (1) バーナから煙道までの間での漏入空気の影響
を受け、精確にバーナ運転空気比を検出できな
い。

(2) 通常、工業用燃焼装置では複数のバーナが装
備されることが多く、その場合には、全体の空
気比は適切であつても、個々のバーナでは不適
当な空気比で燃焼することがあり得る。

などの問題がある。これらの問題を克服すべく、
火炎からの発光を媒介とし、個々のバーナの運転
空気比を監視制御する方法として以下のような提
案がなされている。

(1) 空気比が１近傍の場合に、燃焼化学反応が最
も活発であり、ある特定の燃焼生成物からの発
光スペクトル強度が最大となることを利用し、
そのスペクトル強度が常に最大値になるように
バーナ運転空気比を制御する。

(2) 火炎発光のうち、波長の異なる２種のスペク
トルを検出し、それらのスペクトル強度の比が
空気比に対して変化することに基づき、目標空
気比に対応するスペクトル強度比が維持される
ようにして制御を行う。

しかしながら、 (1)では、目標空気比が１近傍の特定の値だけに
限定され、個々の燃焼装置に特有の最適空気比に
任意に設定制御することはできない。

(2)では、可視あるいは赤外波長領域のスペクト
ルを指標に含むため、炉壁や被熱物などからの熱
放射の影響を受け、精度、安定性に問題がある。
また、空気比に対するスペクトル強度比の変化は
代数的な関数でないため、目標空気比の設定や制
御システムが煩雑となる。

などの欠点を有しており、火炎発光を利用したバ
ーナ運転空気比の監視制御技術は確立されていな
い。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者は、火炎発光を媒介としたバーナ運転
空気比の光学的検出と制御にみられる上述の問題
点を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の知
見を得た。

(1) バーナ出口直後の火炎基部におけるOH発光
スペクトル強度と空気比の間には一次関数の線
形関係がある。

(2) 燃料の種類によつてこの一次関数の定数値は
変わるが、同一燃料で燃料流量を増減させた場
合には、OH発光スペクトル強度が一様に増
幅、減衰されるので、燃料流量の増減比に一致
して一次関数の定数値が増減するだけである。

本発明は、上述の知見にもとづき、火炎基部か
らのOH発光スペクトルを検出することによつ
て、所望の任意の空気比に調節制御することを可
能せしめるバーナ空気比の監視制御方法およびそ
れを適用した監視制御装置である。

本発明のもとになる原理を図によつて詳細に説
明することにする。第１図は市販のガスバーナ
（タカミツ工業製、50PS型）を用い、プロパンガ
スを燃料とし、燃料流量と運転空気比を変化させ
た場合の火炎基部からのOH発光スペクトル強度
（光電変換後の電圧値）を測定した結果である。
火炎全長は大略１ｍであり、発光スペクトル測定
位置はバーナ出口より火炎中心軸方向に50mmの位
置である。OH発光にはいくつかの波長のバンド
スペクトルがあるが、第１図には波長が309nmの
スペクトル強度を示している。図の横軸はバーナ
運転空気比、縦軸は燃料流量で正規化したOHス
ペクトル強度である。すなわち、基準の燃料流量
を201／minとし、例えば、燃料流量が15 １／
minの場合には、測定されたスペクトル強度に
20／15を乗じてプロツトしている。すべての測定
結果は、小さな測定誤差内で、一次関数で表現さ
れる直線上にある。第２図はメタンガスを燃料と
した場合の、第１図と同様の測定結果である。

第１図および第２図によれば、バーナ運転空気
比ｍに対する発光スペクトル強度Ｉは Ｉ＝ｆ・（ａ・ｍ＋ｂ） …(1) と表されることがわかる。ここで、ａおよびｂは
使用燃料によつて特定される定数、ｆは基準の燃
料流量に対する実際運転時の燃料流量の比であ
る。すなわち、一度、ある基準の燃料流量のもと
で空気比とOH発光スペクトル強度の関係を較正
し、式(1)中のａおよびｂを決定しておけば、燃料
流量の計測値からのｆと火炎基部からのOH発光
スペクトル強度の測定値Ｉより、式(1)によつて高
精度にバーナ運転空気比ｍが検出できることにな
る。したがつて、所望の目標空気比に対応するス
ペクトル強度信号値を設定しておき、この設定値
に火炎基部からのスペクトル強度検出信号が一致
するように空気流量制御弁を駆動制御すれば、常
時、目標空気比のもとでの最適燃焼状態が維持さ
れることになる。なお、式(1)中の定数値ａおよび
ｂは燃料の種類によつて変わるが、工業用燃焼装
置では頻繁に燃料種類を変更することはないの
で、上述の較正の必要頻度は極めて低い。

［発明の効果］ 本発明明では、 (1) 燃焼中間生成物であるOHラジカルからの紫
外発光スペクトルを検出の媒介としており、こ
のスペクトルは短波長であるため、炉壁や被熱
物からの可視、赤外波長領域の熱放射の影響を
受けない。

(2) バーナ出口付近の火炎基部を検出対象とする
ため、スペクトル検出部および制御部をバーナ
本体に容易に組み込むことが可能である。

(3) 制御器における伝達関数は簡明な一次関数で
あるため、簡単な構成の制御回路で、しかも高
い応答性、安定性が得られる。

などの特長を有しており、火炎発光を利用した空
気比監視制御に関する従来提案とはまつたく異な
る原理で、従来提案の欠点を有しないものであ
る。

［実施例］ 次に本発明を実施例によりさらに詳細に説明す
る。第３図は、本発明の燃焼監視制御装置の構成
を示す図であり、バーナ本体部１、スペクトル検
出部２、制御部３からなる。配管１１および１２
よりそれぞれ燃料および空気が供給され、火炎１
５が形成される。火炎基部からの発光１７は火炎
観測孔１６を通過し、チヨツパ２１を経て分光器
２２に入射する。分光されたOHスペクトルは光
電子増倍管２３にて光電変換される。電気信号に
変換されたOH発光スペクトル信号はチヨツパ２
１からの開閉信号とともにロツクインアンプ２４
に入力され、信号の増幅およびノイズの除去がな
されて、制御部３に送信される。スペクトル検出
部の分光器２２および光電子増倍管２３の代わり
に紫外領域のOHスペクトルに感度特性を有する
光電変換素子を使用することも可能である。制御
器３１には、前記の式(1)中の定数値ａおよびｂが
記憶されており、燃料流量計１３からの入力信号
によりｆの値がわかるので、式(1)によつて所望の
目標空気比に対応するOH発光スペクトル強度の
値が設定される。したがつて、スペクトル検出部
２からのOH発光スペクトル強度信号とこの目標
値が一致するように空気流量制御弁１４を駆動制
御することによつて、燃料流量が変化しても、常
に、最適の運転空気比を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の原理を説明する
図であり、プロパン燃焼およびメタン燃焼のそれ
ぞれの場合について、バーナ運転空気比と発光ス
ペクトル強度の間の線形関係を示す。第３図は本
発明の監視制御装置の構成を示す図である。 １…バーナ本体部、２…スペクトル検出部、３
…制御部、１１…燃料配管、１２…空気配管、１
３…燃料流量計、１４…空気流量制御弁、１５…
火炎、１６…火炎観測孔、１７…火炎基部からの
発光、２１…チヨツパ、２２…分光器、２３…光
電子増倍管、２４…ロツクインアンプ、３１…制
御器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料と空気を別々に供給する形式のバーナ本
   体部におけるバーナ火炎基部からのOH発光スペ
   クトル強度を測定するとともに、バーナ本体部に
   供給される燃料流量を測定し、これらOH発光ス
   ペクトル強度と燃料流量の測定値より、下記式(A)
   に基づき実際運転時のバーナ運転空気比を演算
   し、得られたバーナ運転空気比と所期のバーナ運
   転空気比とを比較して両者の差を求め、その差を
   もとに空気流量を制御して所期の空気比でのバー
   ナ運転を実現することを特徴とするバーナ運転空
   気比の監視制御方法。 Ｉ＝ｆ・（ａ・ｍ＋ｂ） …(A) （但し、ａおよびｂは使用する燃料の種類により
   決まる定数、ｆは基準燃料流量に対する実際運転
   時の燃料流量の比、ＩはOH発光スペクトル強
   度、ｍはバーナ運転空気比である） ２ 燃料と空気を別々に供給する配管を備えると
   ともに燃料流量信号を発信可能な燃料流量計およ
   び外部信号により駆動可能な空気流量制御弁を備
   えたバーナ本体部に設けられたバーナ火炎観測孔
   と、火炎観測孔を通じてバーナ火炎基部からの
   OH発光スペクトル強度を検出するスペクトル検
   出部と、OH発光スペクトル強度信号および燃料
   流量信号を入力し、下記式(A)に基づき実際運転時
   のバーナ運転空気比を演算し、得られたバーナ運
   転空気比と所期のバーナ運転空気比とを比較して
   両者の間の差を求め、その差をもとに空気流量制
   御弁を駆動制御する制御信号を前記外部信号とし
   て出力する制御部を具備して構成されることを特
   徴とするバーナ運転空気比の監視制御装置。 Ｉ＝ｆ・（ａ・ｍ＋ｂ） …(A) （但し、ａおよびｂは使用する燃料の種類により
   決まる定数、ｆは基準燃料流量に対する実際運転
   時の燃料流量の比、ＩはOH発光スペクトル強
   度、ｍはバーナ運転空気比である）