JPH0629665B2 - 燃焼制御方法、及び、燃焼制御装置 - Google Patents

燃焼制御方法、及び、燃焼制御装置

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JPH0629665B2
JPH0629665B2 JP63095485A JP9548588A JPH0629665B2 JP H0629665 B2 JPH0629665 B2 JP H0629665B2 JP 63095485 A JP63095485 A JP 63095485A JP 9548588 A JP9548588 A JP 9548588A JP H0629665 B2 JPH0629665 B2 JP H0629665B2
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    • F23N5/08Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Regulation And Control Of Combustion (AREA)
  • Control Of Combustion (AREA)

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NOx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
しいことを避け難い。
本発明の目的は、燃料の性状に関わらず常に最適な燃焼
状態を保つ燃焼制御方法及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〕
上記目的は、炉内の燃焼状態を所望燃焼状態に制御する
燃焼制御において、炉内の火炎形状とそのときのバーナ
操作量とをリアルタイムに計測し、これらの計測データ
から火炎形状とバーナ操作量との相関関係を逐次同定
し、炉内の火炎形状を前記所望燃焼状態に対応する目標
火炎形状に近付けるバーナ操作量を前記相関関係から求
め、求めたバーナ操作量にてバーナを制御することで、
達成される。
〔作用〕
例えば微粉炭燃焼の場合、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,
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。燃焼条件が変わる
と、上記の4つの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つまり火炎形状が変化する。
しかしながら、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わらな
い。つまり、最適燃焼状態における火炎形状を目的形状
とし、実際の火炎形状がこの目標形状となるように制御
することで、最適燃焼状態を保ことが可能となる。火炎
形状を制御する場合、バーナ操作量と火炎形状との関係
を知る必要がある。そこで、本発明では、バーナ操作量
と火炎形状とをリアルタイムに計測して両者の間の相関
関係を逐次求めておき、この相関関係から目標形状にす
るときバーナ操作量を求め、火炎形状制御を行う。
〔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
メーバ・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ITV
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、プロセス量入力装置10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、NOx含有
率、O2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、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、xij:座標(i,j)における火炎の輝度 aijl:係数(l=0,1,…,L) ul:操作量(l=1,…,L) 上記の(1)式に示すモデルの係数は、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。
ここで、k:サンプリング・ステップ wij(k):kサンプリング・ステップにおける座標(i,
j)でのノイズ C(k)=[lu1(k)………uL(k)] また、係数φij(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。
φij(k)=φij(k−1)……………(3) (2),(3)式を用いて係数φij(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、 :φij(k)の最大の推定値 Wij(k):wij(k)の分散 :0(零ベクトル) Pij(o):I(単位マトリクス) すなわち、(4)式の により係数φij(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
状に近づ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u1,u2,…,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。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。
(II)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。
(III)(4)式により同定した係数 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xij′,xij″,xij
(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)を求め
る。
(IV)(III)で求めた火炎の輝度分布xij′,xij″,xij
(i=1,2,…,m,j=1,2,…,n)と火炎の
輝度分布の目標値xijr(i=1,2,…,m,j=
1,2,…,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J1,J2,J3とし、これらに対
応して操作量をU1,U2,U3とする。
(VI)操作量の新しい初期値UNを次式により求める。
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。
(VII)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。
(VIII)JNの収束を次式により判定する。
ここで、ε:収束判定値 (IX)(9)式が満足されるときは、山登りが収束したもの
とし、JNに対応する操作量UNを最適操作量U0とする。ま
た、(9)式が満足されない場合は、操作量U1をUNで、評
価値J1をJNで置き替え、3つの操作量をU′,U″,U
,それに対応する評価値をJ′,J″,Jとし、
(V)に戻る。
次に、(I)〜(IX)の手順で求めた最適操作量U0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192〜223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。
第1表のNo.欄の数と、第6図のNo.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図の時間軸軸の目盛と対応している。
第1表及び第5図(A)の「O2」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、O2−1,O2
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、512×512の画像から、座
標(100,100)、(350,100)、(100,350)、(35
0,350)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
内物理量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、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
(○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○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、11a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てある。
11bは、第1バーナ段に相当する第1領域、 11cは、第2バーナ段に相当する第2領域、 11dは、第3バーナ段に相当する第3領域、 11e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〜12dを設けて火炎画像をITV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
一括制御してもよい。
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1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、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観測した火炎の輝度分布
像の模式図である。 第7図は本発明の効果を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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−87725(JP,A) 特開 昭62−134418(JP,A) 特開 昭58−108326(JP,A) 特公 昭62−25934(JP,B2)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炉内の燃焼状態を所望燃焼状態に制御する
    燃焼制御方法において、炉内の火炎形状とそのときのバ
    ーナ操作量とを計測し、これらの計測データから火炎形
    状とバーナ操作量との相関関係を示すモデルを同定し、
    炉内の火炎形状を前記所望燃焼状態に対応する目標火炎
    形状に近付けるバーナ操作量を前記モデルから求め、求
    めたバーナ操作量にてバーナを制御することを特徴とす
    る燃焼制御方法。
  2. 【請求項2】火炉内の火炎形状を目標火炎形状にするバ
    ーナ操作量を求めこのバーナ操作量にてバーナを制御す
    る燃焼制御方法であって、前記バーナ操作量を、火炉内
    の火炎形状計測値とバーナ操作量計測値とから同定した
    火炎形状とバーナ操作量との相関関係を示すモデルより
    求めることを特徴とする燃焼制御方法。
  3. 【請求項3】請求項1または請求項2において、モデル
    として回帰モデルを用いることを特徴とする燃焼制御方
    法。
  4. 【請求項4】請求項1乃至請求項3のいずれかにおい
    て、火炎形状は、火炎の輝度分布像,輻射分布像,ホロ
    グラフィ干渉像,シャドウグラフ像のいずれかであるこ
    とを特徴とする燃焼制御方法。
  5. 【請求項5】炉内の燃焼状態を所望燃焼状態に制御する
    燃焼制御装置において、炉内の火炎形状を計測する手段
    と、バーナ操作量を計測する手段と、これらの手段にて
    計測したデータから火炎形状とバーナ操作量との相関関
    係を示すモデルを同定する手段と、炉内の火炎形状を前
    記所望燃焼状態に対応する目標火炎形状に近付けるバー
    ナ操作量を前記モデルから求める手段と、求めたバーナ
    操作量にてバーナを制御する手段とを備えることを特徴
    とする燃焼制御装置。
  6. 【請求項6】火炉内の火炎形状を目標火炎形状にするバ
    ーナ操作量を求めこのバーナ操作量にてバーナを制御す
    る燃焼制御装置であって、前記バーナ操作量を求め手段
    として、火炉内の火炎形状計測値とバーナ操作量計測値
    とから同定した火炎形状とバーナ操作量との相関関係を
    示すモデルから求める手段を備えることを特徴とする燃
    焼制御装置。
JP63095485A 1988-04-20 1988-04-20 燃焼制御方法、及び、燃焼制御装置 Expired - Lifetime JPH0629665B2 (ja)

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