JPH07117238B2 - バーナの燃焼制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナの燃焼
制御方法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。
このための従来技術としては、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からなる光センサを使用して
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
なう方法と制御とが提案されている（特開昭63−306310
号公報参照）。なお、火炎中のパワー信号の検出方法と
しては光センサによらず、火炎中に挿入した電極棒によ
りイオン電流を検出して行なう方法もある。

（発明が解決しようとする課題） 上記公報に記載された技術は、空気比と、光パワースペ
クトルの低周波成分と高周波成分との比が一定の関係に
なることを見出して成されたものであり、この特性を利
用して空燃比制御を行なうものである。この方式によれ
ば、光パワースペクトルの低周波成分と高周波成分とを
明確に区別したとき、すなわち、これらを区別する特定
周波数を決定したとき、所期の効果を奏することができ
るが、特定周波数を定めなげればならないことから、次
のような問題はあった。

特定周波数決定に伴なう問題点 燃焼振動のパワースペクトルを考察する場合、パワース
ペクトルが空気比によって変化することと、燃焼量によ
って変化することを考えなければならない。空気比によ
って変化する場合は、空気比が大きいときには第６図に
示すように空気比が小さいときを示す第７図と比較して
高周波成分が増加する傾向を示すことになる。一方、燃
焼量で比較した場合には、燃焼量が大きい状態を示す第
８図と燃焼量が減少したときの状態を示す第９図との比
較からわかるように、燃焼量が減少したとき、全体のパ
ワーレベルが減少することになる傾向となる。これらの
図において符号ａで示すものは特定周波数の位置であっ
て、この特定周波数を境界にして、高周波成分と低周波
成分とを区画し、それらの比をとることになる。

ここで第８図および第９図を検討すると、燃焼量が減少
すると全体のパワーレベルが減少することがわかる。す
なわち、第８図において特定周波数ａで示される部分の
パワースペクトルは殆ど存在せず、したがって低周波成
分と高周波成分との比の計算も不可能となる。この問題
点を解消するには、燃焼量が最小の場合、第９図に示す
ように、新たな特定周波数ｂを設定しなければならず、
計算が煩雑になると同時に設定すべき項目が大幅に増加
することになる。

制御指標としての問題点 上記に記載したことから、特定周波数の設定を可能な
限り少なくするため、特定周波数を低周波側に設定する
と、高周波側と低周波側との比率が、高周波成分の変化
量に大きく依存することになり、空気比に対応した制御
指標としての数値のバラツキが大きくなってしまう問題
がある。

燃焼量との関係についての問題点 高周波成分と低周波成分との比という指標であり、この
指標が特定周波数によって大きく変化する経験値である
ため、燃焼量と空気比との関数関係が得られないという
問題がある。

本発明は上記既出願のものが有するこれらの問題を解決
するために成されたものであり、上記出願のものが有す
る問題点を除去解決した、バーナの燃焼制御方法を提供
することを目的とする。

（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、バー
ナの火炎中から光パワー信号を検出し、該光パワー信号
を周波数解析してパワースペクトルを得、該パワースペ
クトルから燃焼状態を知り、該燃焼状態とあらかじめ記
憶している最適燃焼状態との偏差を無くすように空気比
を制御することにより、燃焼制御を行なうバーナの燃焼
制御方法において、前記パワースペクトルが発生する全
周波数帯域の全体の積分値によって燃焼状態を検出し、
該検出した燃焼状態をあらかじめ定めた最適燃焼状態と
比較し、その差を減少させるように空燃比を制御するこ
とを特徴とするバーナの燃焼制御方法を得たものであ
る。

（作用） このような構成の本発明方法によれば、乱流火炎に起因
する振動エネルギスペクトルの総和を空気制御の指標と
することができることになる。

（実施例） 次に、本発明方法を、この方法を実現するためのシステ
ム系統とともに説明する。第１図は本発明方法を実現す
るための燃焼装置の系統を示すものであって、符号１で
示すものは金属製品等を加熱処理するための炉である。
この炉１にはバーナ２が取付けられており、火炎３を発
生するようになっている。バーナ２には燃料供給管４お
よび燃焼用空気供給管５が接続されている。そして燃料
供給管４には流量調節弁６および流量計７が設けられ、
燃焼用空気供給管５には、流量調節弁８が設けられてい
る。燃料の流量調節弁６の開度は、温度調節器９によっ
て制御されるようになっている。すなわち、炉１には温
度計10が設置されており、温度調節器９はこの温度計10
からの信号と上記流量計７からの信号を得て炉内温度と
設定温度との差から設定温度を得るに必要な燃料量（燃
料流量）を演算し、出力するようになっている。この出
力は燃料の流量調節弁６と燃料用空気の流量調節弁８に
対して与えられる。このため設定温度から炉内温度がず
れると、設定温度に戻るように燃料および燃焼用空気の
量が加減される。

燃料の流量に対する燃焼用空気の流量は、温度調節器９
により、燃料流量を基にして算出されるが、その値が、
そのまま燃焼用空気の流量調節弁８に対して加えられる
のは好ましくない。たとえば炉１の扉（図示せず）が開
けられて炉１内に空気が侵入した場合に、燃料流量を基
に算出した出力でそのまま流量調節弁８がコントロール
されると排ガス損失が増大してしまうし、またバーナ２
の異常により燃料の微粒化状態が悪化した場合には、そ
のままにしておくと燃焼不良により、すすが大量に発生
してしまうことになる。このような不都合を解消するた
めに、温度調節器９からの出力は燃焼用空気流量補正器
11にて補正した後、流量調節弁８に出力するようになっ
ている。

燃焼用空気流量補正器11は、温度調節器９と共に燃焼用
空気の流量調節器12を構成する。燃焼用空気流量補正器
11に対する補正用出力は次のような燃焼制御装置におい
て作られる。これを説明する。炉１のバーナ２によって
生成される火炎３に臨む位置には、前述のように、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
の半導体からなる光センサ13が取付けられ、火炎３を監
視して、火炎に対応する出力信号を発するようになって
いる。この光センサ13の出力側には検出器14が接続され
ており、光センサ13の捉えた信号を波形成形するように
なっている。この検出器14の出力側には増幅器15を介し
て周波数解析器16が接続されている。この周波数解析器
16は増幅器15の出力信号の周波数解析を行なうものであ
る。周波数解析器16の出力側には光パワー振動調節計17
の入力側が接続されており、この光パワー振動調節計17
の出力側には前述の空気流量補正器11が接続されてい
る。

光パワー振動調節計17は、周波数解析器16が出力したパ
ワースペクトル信号から燃焼状態の検出を行ない、これ
をあらかじめ記憶している最適燃焼状態のデータと比較
し、その偏差により空気流量補正係数を求め、その信号
を流量調節器12に送り、この流量調節器12により、偏差
を解消するに必要な燃焼用空気の流量を得るための出力
信号を生成してこの出力信号を流量調節弁８に発するこ
とになる。これにより、流量調節弁８は適正な量の空気
をバーナ２に送って、燃焼制御をする。

このように作動するとき、前掲公報に開示されたものに
あっては、前述のように特定周波数を設定し、この特定
周波数を境にして高周波信号と低周波信号に分け、これ
ら両者の比をとって制御するようにしていたが、本発明
方法においてはこのようにせず、振動パワースペクトル
の総和を空気比制御の指標とする。これは、本発明方法
においては、乱流燃焼火炎の振動周波数スペクトルの全
面積、すなわち、全振動周波数パワーが空気比と相関関
係にあることに起因する。

第２図はこの場合のフローチャートを示すものである。
すなわち、ステップ20においてパワースペクトル信号の
入力があると、次のステップ21でパワースペクトルを
得、ステップ22でパワースペクトル全体の積分値を算出
する。次にこの算出から得た偏差Ｅから流量補正係数Ｆ
を算出する。この算出された流量補正係数Ｆによって流
量調節器12は作動する。なお、第２図中にステップ21で
「FFT」とあるのは、高速フーリエ変換のことであり、
入力信号から振動パワースペクトルを得るための計算ソ
フトである。

第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は炉筒煙管ボイラを用い
て計測した実測データを示すものである。このデータ
は、Ａ重油を用い、燃焼量を170l/h,283l/h,382l/hの３
点に設定して燃焼させた実測値であり、横軸に火炎光振
動スペクトルの全パワーを、また縦軸には空気比をそれ
ぞれとり、プロットしたものである。この図から明らか
なように、３条件ともにエクスポーネンシャルカーブ上
に相関係数0.78以上の高い相関関係が得られている。こ
こでこのデータを整理すると、燃焼量と、空気比と全振
動周波数パワーとの間に、下式が成立するとを見出し
た。

いま空気比をλ、Ｃを燃焼量の関数で固有の定数、ｆ
（ｘ）を燃焼量を変数とする関数とし、ｐを全振動周波
数パワーとすると、 λ＝Ce^F(x)・P となる。

第４図は各燃料量における測定値のバラツキを示すもの
である。この図は縦軸に設定値のバラツキを示し、横軸
に燃焼量を表わしたものである。そして棒グラフが本発
明に係る全パワーによるもの、折線グラフがパワースペ
クトル比で処理したものである。この図からわかるよう
に、全パワーによる計測値の方がバラツキが小さくなっ
ている。

以上説明したように、先行技術によるパワースペクトル
比のものと、本発明による全パワーのものを比較する
と、本発明のものでは特定周波数の設定が不要となる。
これにより測定値のバラツキを縮小することができ、か
つ、燃焼量と空気比との相関関係を見出すことができる
ようになるので、各種パラメータの設定に必要な計測点
数を大幅に削減することが可能となり、パラメータ設定
に要する手間を簡素化することができる。

第５図は煤塵濃度を示すバカラックスモールスケール２
であり、全パワーを縦軸とし、燃焼量を横軸にとったも
のである。このデータからも、バカラックスモールを一
定としたときの燃焼量と全パワーとの間にもエクスポー
ネンシャルの関係があり、最適な空気比に設定するため
の計測点も大幅に削減することが可能となることがわか
る。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、乱流燃焼火炎の振動ス
ペクトルの全パワーと、空気比と燃焼量について一定の
関係が成立することを見出し、この関係を用いて燃焼制
御を行なうようにしたものであり、実測データにおいて
も上記のような結果を得ることができるものであるか
ら、低空気比燃焼による異煙発生の防止ならびに安全性
の向上を図ることができる。

また乱流火炎の振動スペクトルという普遍性のある物理
量を利用することになるため、気体燃料および液体燃
料といった種別に制約されることがなく、広く使用する
ことができる。乱流火炎の振動を計測する手段として
火炎からの輝炎発光強度、OHラジカル発光強度、火炎内
の局所流速変動、イオン電流変動スペクトル、局所燃焼
圧力変動、火炎内局所温度変動、燃焼騒音等が使用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実編するために用いられるシステ
ムの系統図、第２図は本発明方法の制御順序を示すフロ
ーチャート図、第３図（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明
の実測データ図、第４図は本発明方法のものと先行技術
のものの特性を比較したグラフ、第５図はバカラックス
モールスケールを示すグラフ、第６図ないし第９図はパ
ワースペクトルの変化状態を説明する説明図である。 １……炉 ２……バーナ ３……火炎 6,8……流量調節計 11……空気流量補正器 13……光センサ 14……検出器 16……周波数解析器 17……光パワー振動調節計

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】バーナの火炎中から光パワー信号を検出
   し、該光パワー信号を周波数解析してパワースペクトル
   を得、該パワースペクトルから燃焼状態を知り、該燃焼
   状態とあらかじめ記憶している最適燃焼状態との偏差を
   無くすように空気比を制御することにより、燃焼制御を
   行なうバーナの燃焼制御方法において、前記パワースペ
   クトルが発生する全周波数帯域の全体の積分値によって
   燃焼状態を検出し、該検出した燃焼状態をあらかじめ定
   めた最適燃焼状態と比較し、その差を減少させるように
   空燃比を制御することを特徴とするバーナの燃焼制御方
   法。