JPH07107445B2 - 燃焼制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、燃焼火炎の光パワーの振幅が排ガス中のO₂％
と比例関係にあることを利用し、燃焼器の稼動中に得る
光パワーの振幅に関する信号を適正なO₂％に対応した光
パワーの振幅に関する信号と対比してその偏差を解消す
るように燃焼用空気の流量をコントロールする燃焼制御
方法に関するものである。

従来の技術 従来、燃焼を制御する方法としては、特開昭59−138811
号公報、同58−146124号公報で開示されるものがある。

前者の特開昭59−138811号のものは、半導体からなる燃
焼センサを火炎中に配置し、その電気抵抗の変化で燃焼
状態を監視し、酸欠及び失火を検知したときに燃焼を停
止させようとするものである。

後者の特開昭58−146124号のものは、光学的測定器で火
炎の発光スペクトルを分光分析し、これから火炎の温度
分布を求め、これを最適燃焼状態時の火炎の温度分布と
比較して制御信号を出力するもので、この出力によって
火炎の形を一定にコントロールしようとするものであ
る。

しかし、前者は燃焼のON・OFFを行なうのみで、炉内の
燃焼火炎自体の制御を行なうものでない。

また後者は発光スペクトルを分光分析するので、検出
部，制御部が複雑化するという欠点がある。

このような欠点がない燃焼制御方法として昭和60年１月
25日付熱産業経済新聞で開示されるものがある。

こればジルコニアO₂センサを煙道中に設置してこの煙道
を通る排ガス中のO₂％を測定し、このO₂％を指標として
燃焼用押込空気量が負荷条件に応じた最適な量となるよ
う送風機の回転数をインバータで制御するものである。

なお、燃焼状態の検出に光パワーを利用する点について
は特開昭59−137719号，同59−19715号，同59−12227
号，同58−143274号で開示されている。

発明が解決しようとする問題点 上記ジルコニアO₂センサを用いた燃焼制御は炉中でな燃
焼状態を簡易に制御しうるものであるが、次のような欠
点がある。

煙道中にセンサを設置しなければならないので、燃
焼室出口から測定部までの間に存在する点検口あるいは
構造上生じた隙間より外気が侵入した場合、燃焼室内で
のO₂濃度が高くなったものと誤って判断してしまう。

燃焼室出口から測定部までのガスの漏れに起因し、
タイムラグが生じる。

ジルコニアO₂センサには30〜40秒の応答遅れがあ
る。このため、よりスピーディな制御を行なう場合のネ
ックとなる。

上記ジルコニアO₂センサの代わりに前記特開昭59−1377
19号等に記載の光センサを用いることも考え得られる
が、これらの光センサは単に光パワーを検出するのみで
あるので、直ちに適用することはできない。

問題点を解決するための手段 燃焼状態は燃料と空気との混合比率によって大きく変化
しその比率は、一般に空気比（又は排ガス中のO₂濃度）
として燃焼管理上の重要なポイントとなっている。例え
ば、その空気比を大きくし過ぎた場合には、排ガス損失
が増加し、熱効率の低下及びNO_xの増大が起り燃焼状態
としては良くない状態となる。また逆に空気比を小さく
し過ぎた場合には、不完全燃焼となり黒煙が発生し、ま
た失火にもつながりこれもまた燃焼状態としては良くな
い状態となる。よって良い燃焼状態とは、不完全燃焼が
起こらない最少の空気比での燃焼である。

なお、空気比と排ガス中のO₂濃度とは次の関係にある。

ところで、旋回力によって保炎するタイプのバーナにお
いて、そのバーナの火炎より発生する光強度は燃焼量
（燃焼流量）を一定とした場合、空気比（又は排ガス中
のO₂濃度）の違いによって第２図の曲線Ｉに示す様な変
化を示し、その光パワー信号は第３図及び第４図に示す
ような常時振動したノコギリ状の波型を示す。そしてそ
の光パワー信号レベルは第２図に示す様に山型の変化を
示しピーク値よりO₂濃度の高い領域（イ）では、O₂濃度
の増加に伴い光パワー信号レベルは低下し、またピーク
値よりもO₂濃度の低い領域（ロ）ではO₂濃度の減少に伴
い光パワー信号レベルも低下する特性を持っている。

しかるに、光パワー信号の振動に関しては、第３図に示
す様にO₂濃度が減少するに従いその振動幅は大きくなる
特性を示す。

また以上の様な特性は、燃焼量を変化させた場合にも変
らないが、燃焼量を増加させると、光パワー信号の振動
幅が大きくなり逆に燃焼量を減少させると小さくなる。

また、コーン状保炎器を持つタイプのバーナついてみる
と、その光強度は第２図の曲線IIに示すような変化をす
る。しかし、光パワー信号の振動に関しては第３図とは
逆にO₂濃度が減少するに従い振動幅は小さくなる。

本発明者等は以上のような知見に基づき旋回力により保
炎するタイプのバーナについて第５図で示されるような
データを得た。

この図において、縦軸は光パワーの振幅に関する値を示
し、第４図で示されるような光パワー信号から単位時間
毎に平均値を求め、次いで該平均値を所定の単位時間分
だけ積算してその平均値を算出し、更に該平均値を基準
に上記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求め、そのよ
うにして求めた偏差積分値がこの縦軸に沿ってプロット
されている。横軸は排ガス中のO₂％を示している。

曲線a,b,cは燃料の各種燃焼量についての排ガスO₂％と
偏差積分値との関係を夫々示しており、曲線ｄは前述の
不完全燃焼が生じない最適空気比の排ガスO₂％と積分値
との関係を示している。

従って、例えば燃焼量を60/hに設定している場合バー
ナの火炎から検出される積分値がＹであるとしたならば
その対応O₂％（ハ）は妥当なO₂％（ニ）とずれ（ホ）を
生じており、このずれ（ホ）は積分値のずれＢに対応す
る、と第５図から読み取ることができる。

また、本発明者等はコーン状保炎器を持つタイプのバー
ナについては第６図で示されるデータを得た。

本発明に係る燃焼制御方法は上記第５図又は第６図で示
されるようなデータを利用し、このデータと検出信号と
の対比から得られる偏差Ｂに基づきその偏差Ｂを解消す
るための制御信号を出力しようとするものである。

すなわち、本発明は、上記問題点を解消するため、燃焼
器に供給される燃料の流量信号及び該燃焼器の排ガス中
のO₂％信号を得て該O₂％が該燃料の流量に対し妥当なO₂
％とずれているときにその偏差を演産し、その偏差を解
消するための出力を上記燃焼用空気の流量調節部に対し
て行なう燃焼制御方法において、上記燃焼器の火炎から
光パワー信号を検出すると共に該光パワー信号から単位
時間毎に平均値を求め、次いで該平均値を所定の単位時
間分だけ積算してその平均値を算出し、更に該平均値を
基準に上記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求め、し
かる後これを予め求めた現状の燃料流量に対する妥当な
O₂％に対応した偏差積分値と比較してその偏差を演算
し、該偏差を解消する出力を燃焼用空気流量調節部に対
して行なって排ガス中のO₂％を妥当なものとするという
手法を採用している。

作用 燃焼器で形成された火炎から光パワー信号を検出し、こ
の光パワー信号を処理して制御出力を得る。

従って、排ガス中のO₂％を直接検出せずともO₂％のコン
トロールが可能となる。そして、その結果高価なジルコ
ニアO₂センサでなく比較的安価な光センサを用いること
ができる。

また、燃焼器がバーナであるときは炉中で燃焼状態を検
出することに他ならないので、従来における煙道で検出
する方式に比し、タイムラグを生じることなく燃焼制御
を行なうことができる。

上記制御出力を得るにな、光パワー信号から単位時間毎
に平均値を求め、次いで該平均値を所定の単位時間分た
け積算しその平均値を算出し、更に該平均値を基準に上
記単位時間毎の平均値の偏差積分値を求め、しかる後こ
れを予め求めた現状の燃料流量に対する妥当なO₂％に対
応した偏差積分値と比較してその偏差を演算する。

このように光パワー信号の単純平均値を利用して制御出
力を得るので、簡易な制御を行なうことができる。

実 施 例 第１図ないし第５図及び第７図に基づき本発明の一実施
例を説明する。

第７図は本発明に係る燃焼制御方法を使用する熱処理炉
を示している。

第７図において符号１は炉本体を示し、該炉本体１の壁
には金属製品等を装入するための扉２及び排ガスを排出
するための煙道３が夫々設けられている。

炉本体１に設けられた燃焼器たるバーナ４はこの場合旋
回気流により保炎するタイプのものである。

バーナ４には燃料を供給する管５及び燃焼用空気を供給
する管６が接続され、管５には流量調節弁７及び流量計
８が設けられ、管６には流量調節弁９が設けられてい
る。

燃料の流量調節弁７は燃料制御装置により制御されるよ
うになっている。

該装置は炉１内の温度を検知する熱電対からなる温度セ
ンサ10及び燃料制御部11を備えている。

燃料制御部11は温度変換器12及び温度調節器13を備えて
おり、温度センサ10からの信号を温度変換器12で所定の
出力信号に変換し、これを温度調節器13で受けて所定の
設定温度と比較演算し、設定温度を維持しうる燃料がバ
ーナ４に至るよう調節弁７の開度を調節するための制御
信号を出力するようになっている。

燃焼用空気の流量調節弁９は燃焼用空気制御装置により
制御されるようになっている。

該装置は、バーナ４の燃焼火炎14から発せられる光パワ
ーを電気信号に変換する光センサ15及び該信号等を受け
て制御信号を作り燃焼用空気の流量調節弁９に出力する
燃焼用空気制御部16を備えている。

光センサ15はG_eフォトダイオード、S_iフォトダイオー
ド、フォトトランジスタ、太陽電池等で構成され火炎14
に対向する箇所に固定されている。

燃焼用空気制御部16は光センサ15からのアナログ信号を
デジタル信号に変換するA/D変換器17と、該変換器17か
らの電気信号を処理して単位時間毎に平均値を求め、次
いで該平均値を所定の単位時間分だけ積算してその平均
値を算出し、更に該平均値を基準に上記単位時間毎の平
均値の偏差積分値を求めこれを出力する演算器18と、該
演算器18からの出力を受けてこれを予め求めた現状の燃
料流量に対する妥当なO₂％に対応した偏差積分値と比較
してその偏差を演算し、該偏差を解消する出力を燃焼用
空気流量調節弁９に対して行なって排ガス中のO₂％を妥
当なものとする調節器19とから成っている。

ここで、上記演算器18及び調節器19の動作を第１図のフ
ローチャートに基づいて説明する。

ステップ１にて微小時間の光パワーレベルを演算器18に
取り込み、ステップ２にてΔｔ秒間データを取り込んだ
か否かを判定し、NOであればステップ１にもどりΔｔ秒
間データをとりこむまで繰り返す。ステップ２でYESと
判定された場合、ステップ３にてΔｔ秒間の平均値を算
出し、ステップ４にてｔ秒間データを取り込んだかを判
定しNOであればステップ１にもどりｔ秒間データを取り
込むまで繰り返す。ステップ４にてYESと判定された場
合、ステップ5,6にてΔｔ秒間の平均値のｔ秒間の平均
値を算出し、ステップ７にて、偏差積分値Ｙを算出す
る。ステップ８にて調節器19において偏差積分値の値A,
Yにより目標O₂％との差Ｂを求め、ステップ９にて、エ
アーの補正値を出力する。ステップ９を実行後はステッ
プ１にもどり、一連の制御をくりかえす。

ステップ９での出力は例えば調節弁９に入力される。

かくて、炉本体１内で生じた排ガスは所定の最適O₂％の
ガスとなって煙道３から系外へ排出され、炉内では低O₂
燃焼が達成される。

発明の効果 本発明は以上のように燃焼器で形成された火炎から光パ
ワー信号を検出し、この光パワー信号を処理して制御出
力を得るので、排ガス中のO₂％を直接検出せずともO₂％
のコントロールが可能になる。従ってセンサとして高価
なO₂センサでなく、比較的安価な光センサ使用すること
ができ、炉、ガスタービン等の燃焼制御上有益である。

また、燃焼器がバーナであるとき炉中で燃焼状態を検出
するので、従来の排ガスを煙道に通しつつ検出する方式
に比し、炉の開閉に伴うO₂％の急変が生じても迅速に対
処でき、また煙道の隙間からの空気漏れが生じても検出
結果に影響を受けることがなくなる。

さらに、演算処理時に光パワー信号の単純平均値を利用
するので、簡易に制御出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る燃焼制御方法の制御出力を得る手
順を示すフローチャート、第２図は一定燃焼量下の光パ
ワーと排ガスO₂％との関係を示すグラフ、第３図は燃焼
量を一定にしO₂％を変化させた場合の光パワーと時間と
の関係を示すグラフ、第４図は第３図のIV部の拡大図、
第５図は光パワーの偏差積分値とO₂％との関係を、燃焼
量をパラメータとして表わしたグラフ、第６図は異なる
タイプのバーナについて表わした第５図と同様なグラ
フ、第７図は本発明を使用した熱処理炉の制御システム
図である。 1:炉本体、4:バーナ、8:燃料流量計、9:燃焼用空気流量
調節弁、15:光センサ、16:燃焼用空気制御部、17:A/D変
換器、18:演算器、19:調節器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼器に供給される燃料の流量信号及び該
   燃焼器の排ガス中のO₂％信号を得て該O₂％が該燃料の流
   量に対し妥当なO₂％とずれているときにその偏差を演算
   し、その偏差を解消するための出力を上記燃焼用空気の
   流量調節部に対して行なう燃焼制御方法において、上記
   燃焼器の火炎から光パワー信号を検出すると共に該光パ
   ワー信号から単位時間毎に平均値を求め、次いで該平均
   値を所定の単位時間分だけ積算してその平均値を算出
   し、更に該平均値を基準に上記単位時間毎の平均値の偏
   差積分値を求め、しかる後これを予め求めた現状の燃料
   流量に対する妥当なO₂％に対応した偏差積分値と比較し
   てその偏差を演算し、該偏差を解消する出力を燃焼用空
   気流量調節部に対して行なって排ガス中のO₂％を妥当な
   ものとすることを特徴とする上記燃焼制御方法。