JPH0792225B2 - 燃焼振動監視装置 - Google Patents

燃焼振動監視装置

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JPH0792225B2
JPH0792225B2 JP61182805A JP18280586A JPH0792225B2 JP H0792225 B2 JPH0792225 B2 JP H0792225B2 JP 61182805 A JP61182805 A JP 61182805A JP 18280586 A JP18280586 A JP 18280586A JP H0792225 B2 JPH0792225 B2 JP H0792225B2
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宏 権藤
博康 榎本
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バブコツク日立株式会社
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23N5/00Systems for controlling combustion
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    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Combustion (AREA)
  • Regulation And 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、ボイラ火炉あるいはダクト内等に発生する気
柱共鳴振動を予知するための燃焼振動予監視装置に関す
るものである。
〔従来の技術〕
ボイラ火炉あるいはダクト内等の空間内においては、振
動燃焼による気柱共鳴振動現象が時々起り、騒音を発生
したり、機器を損傷したりするので、その対策が以前か
ら要望されている。
例えば、従来のボイラにおける燃焼振動発生の監視装置
を第7図に示す。燃焼振動監視装置はボイラ(機器)1
に取りつけられた圧力センサ2と、圧力センサ2の圧力
信号を増幅するアンプ3、アナログの圧力信号をデジタ
ル圧力信号に変換するためのアナログ/デジタル変換装
置4、圧力信号を周波数成分(If)に分解する周波数変
換装置5、振動を生じている周波数の圧力振幅最大値
(I1)と全周波数の全圧力振幅合計値(I0)の比を算出
するI1/I0算出装置6、I1/I0≧80%の時に警報を音と光
で出力する警報装置7から構成されている。
このような構造において、ボイラ1内の圧力変動は圧力
センサ2で検出して電気信号に変換し、アンプ3で増幅
した後周波数変換装置5に入力する。
周波数変換装置5では、第8図に演算系統図を示す様に
その電気信号を高速フーリエ変換器(FFT)8を用いて
周波数分析を行い、自己パワースペクトルから、そのと
きの周波数成分(If)を求める。これと同時に各周波数
に対する全圧力振幅合計値I0を積分器9で求め、圧力振
幅最大値I1を乗算器10で求めて除算器11でその比If/I0
即ち共鳴周波数発生率をI1/I0算出装置6で算出する。
この演算装置5で算出した共鳴周波数発生率を警報装置
7によつて刻々表示する。
従つて、保守員は、その警報装置7の警報によつて現在
表示されている共鳴周波数発生率即ち共鳴振動発生確率
から何秒後に共鳴振動が起り得るか推測がつくので、そ
の共鳴周波数発生率が所定の値例えば80%に達したと
き、ボイラの燃焼状態を制御する等未然に共鳴振動の発
生によるトラブルを防止することができる。
ところが、ボイラ1の火炉の振動周波数は火炉の寸法、
火炉内の温度によつて決まる。特に火炉内の温度は、一
定ではなく常に変化しているため、火炉の振動周波数も
微小に変化する。この周波数の変化幅は、経験的に1Hz
以内であることが多い。
燃焼振動監視装置では炉内の周波数を直接測定出来ない
ためデイジタル式のフーリエ変換器8にて火炉内の圧力
変動を周波数に変換する。フーリエ変換器8は、離散化
されているために、ある定まつた周波数間隔(Δ=周
波数分解能)でデータが出力される。この周波数分解能
(Δ)は火炉から取り込む圧力データの個数Nと圧力
データの取り込み時間々隔Δtから決まりその関係は次
式の様になる。
また、解析出来る最大周波数はサンプリングの定理で求
まり次式の様になる。
燃焼振動を監視するには、経験的に250Hzまでの最大周
波数が必要でありアナログ/デジタル変換時のエリアジ
ング歪を防ぐためには、maxを250Hzの2倍程度にする
必要がある。したがって(2)式のmaxに250Hx×2を
代入し圧力データの取り込み時間々隔Δtを求めると1m
sとなる。(1)式にΔt=1msを代入すると火炉から取
り込む圧力データ数Nと周波数分解能Δの関係が求ま
る。火炉から取り込む圧力データ数Nを増加させると周
波数分解能が上がるがフーリエ変換器8の処理速度が落
ちるため警報の出力がおそくなる。現在、実用になる処
理速度における圧力データ数は1024個程度であるために
N=1024を(1)式に代入するとO≒1Hzとなる。
したがつてこのようなデイジタル式のフーリエ変換器8
は入力がどんな周波数であろうとも出力は1Hz程度に離
散化される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
従来技術の問題点は、フーリエ変換装置8をデジタルで
構成しているためその出力が、離散的な周波数になり共
振周波数が微小に変化している火炉の燃焼振動振幅の全
圧力振幅合計値I0,圧力振幅最大値I1を正確に測定出来
ない欠点がある。特に燃焼振動振幅の圧力振幅最大値I1
はピーク値であるため、1Hzの周波数分解能であつて
も、誤差は無視できない程に大きい。例えば火炉が共振
周波数23.4Hzで振動していると仮定し、周波数特性が第
9図であつたとする、燃焼振動監視装置は、振動周波数
を直接取り込めないため第10図で示す様な一定のサンプ
リング時間Δtごとに振動振幅Itを取り込む。監視装置
内で取り込んだデータをデイジタルフーリエ変換器8を
通し第11図で示すような、周波数特性を求める。本来第
9図と第11図は等しいはずであるが、デイジタルフーリ
エ変換器8で変換しているために同一波形とならない。
第9図の×印のみに離散化されているここで問題となる
のは、周波数分解能の制限のため、第9図で求めた真の
値であるI1=80mmAq、I0=222.6mmq I1/I0=36%と第11
図で求めた分析結果のI1=44mmAq、I0=211mmAq I1/I0
=21%が異なる点である。
この様に第9図の炉内圧の周波数特性では共振振動数が
23.4Hzであるのに対し、デジタルフーリエ変換器8の分
析振動数は23Hzであり、0.4Hzの差が生じる。
従つて、共振振幅数(If)と分析振幅数(I)のずれ具
合(0.4Hzの差)により、実質的には分析結果の振動振
幅I1が倍近く変化し、I1/I0≧80%で異常検出をするも
のにはその信頼性に大きく影響する欠点がある。
本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもので、
その目的とするところは、圧力振幅最大値を第二圧力振
幅最大値で補正して、真の圧力振幅最大値を求め、燃焼
振動を的確に検出して燃焼振動を未然に防ぐことができ
る燃焼振動監視装置を提供するものである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は前述の目的を達成するために、周波数変換装置
のフーリエ変換器からの周波数成分から圧力振幅最大値
と、この最大値に隣接する第二圧力振幅最大値との圧力
振幅偏差値を演算する減算器と、この圧力振幅偏差値か
ら定数を求める関数発生器と、圧力振幅最大値に定数を
乗算して真の圧力振幅最大値を求める乗算器を設け、圧
力振幅最大値を補正するようにしたものである。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第1図は本発明の実施例に係る燃焼振動監視装置の概略
系統図、第2図は圧力振幅偏差値(ΔI)と補正係数
(k)を求める概略図、第3図(a)から(d)は単一
周波数発振器と第3図(e)から(h)は従来の燃焼振
動監視装置の出力変化を示す特性図、第4図は実缶の振
動スペクトルを示す特性図、第5図は関数発生器の補正
係数(k)と圧力振幅偏差値(ΔI)の特性曲線図、第
6図は振幅と周波数の特性曲線図である。
第1図において、2は圧力センサ、5は周波数変換装
置、6はI1/I0算出装置、7は警報装置、8はフーリエ
変換器、9は積分器、11は除算器で従来のものと同一の
ものを示す。
12は減算器、13は関数発生器、14は乗算器である。
第1図において、機器(ボイラ)1の火炉内に取付けた
圧力センサ2とフーリエ変換器8、積分器9、減算器1
2、関数発生器13、乗算器14、除算器11、I1/I0算出装置
6、警報器7から構成されている。本発明の特長は、減
算器12、関数発生器13、乗算器14により圧力振幅最大値
(I1)を補正することである。ここで関数発生器13のΔ
I、k曲線の求め方を以下先に説明する。
ボイラ火炉内の共鳴周波数における振動は第4図に示す
ように、その形状が、正弦波入力時の形状とほぼ等しい
ことから、正弦波を利用し補正係数kを求めIpeak 1に
乗じることで真の圧力振幅最大値(I1)に近いI1を推定
できる。また正弦波入力時の周波数スペクトルの形状
(山の形)は、正弦波の周波数、振幅の変化によらない
ことが実験により確められている。したがつて補正係数
kは周波数と振幅には依存しない。この燃焼振動監視装
置では、補正係数kと圧力振幅偏差値ΔI=Ipeak 1−I
peak 2〔dB〕の関係を単一周波数発振器15と従来方法の
燃焼振動監視装置16を使い、測定することで求めた。な
お、17は交流電圧計である。第2図に示すように、単一
周波数発振器15の出力を第3図(a)〜(d)で示す様
に一定Imaxに保ちながら出力周波数を、たとえば23Hz〜
24Hzまで1Hzほど変化させた。このとき従来方式の燃焼
振動監視装置16の出力であるIpeak 1とIpeak 2は、第3
図の(e)〜(k)の様に変化する。(ここでは入力周
波数を0.25Hzステツプで変化させた) つまり、第2図の単一周波数発信器15のピーク値Imaxを
第3図(a)〜(d)で示す様に23Hz、23,25Hz、23.5H
z、23.75Hzの様に0.25Hz間隔で変化させると、従来の燃
焼振動監視装置16では第3図(e)〜(h)に示す様
に、23Hzでは第3図(e)に示す様に23Hzの線上にIpea
k 1が現われるが、第3図(b)の様にピーク値Imaxを2
3,25Hzに変化させると第3図(f)に示す様に23Hzの線
上におけるIpeak 1は第3図(e)Ipeak 1よりも下り、
第3図(c)の様にピーク値Imaxを23.5Hzに変化させる
と第3図(g)に示すように23Hzの線上におけるIpeak
1と24Hzの線上におけるIpeak 2はピーク値Imaxが23.5Hz
であるにも拘らずほぼ同一となる。
また、第3図(d)に示す様にピーク値Imaxを23.75Hz
に変化させると第3図(h)で示す様に23Hzの線上にお
けるIpeak 1よりも24Hz線上のIpeak 2の方が大きくな
り、逆転するのである。
従つて、第3図(e)〜(h)に変化するIpeak 1を従
来の様に圧力振幅最大値(I1)として用いたのでは、燃
焼振動を的確に監視することはできない。
従つて、この関数を整理すると第5図のように表わせ
る。つまり入力周波数のImaxが一定の状態で周波数を1H
z内で変化させると、従来式の燃焼振動監視装置16の出
力Ipeak 1とIpeak 2は第6図のIpeak 1,Ipeak 2のよう
に変化する。この関係から補正係数kとΔI(ΔI=Ip
eak 1−Ipeak 2〔dB〕)の関係は第5図のようになり、
このグラフを用いて、従来方式ではI1=Ipeak 1として
いた圧力振幅最大値(I1)を求める式をI1=k・Ipeak
1としたことで真の圧力振幅最大値に近い値で補正する
ようにしたのである。
第1図の圧力センサ2でボイラ1の火炉内の圧力変動成
分を電気信号に変換し、フーリエ変換器8にて周波数成
分Ifに変換する。積分器9で周波数軸の全圧力振幅合計
値I0を演算する。一方、第4図に示す様に周波数軸上の
圧力振幅最大値Ipeak 1と、そのとなりの周波数におい
て振幅の大きい方を第二圧力振幅最大値Ipeak 2とし、
圧力振幅偏差値ΔIを減算器12で演出する。この圧力振
幅偏差値OIを関数発生器13に代入することで、第5図の
特性曲線図から補正係数kを求め、圧力振幅最大値Ipea
k 1に乗算器14で補正係数kを乗ずることで、真の最大
圧力振幅I1に近い値に補正できる。そして、先に求めた
I0とI1を除算器7で演算し、I1/I0(燃焼振動監視パラ
メータ)を求め、I1/I0算出装置6でR≧80%なら警報
装置7へ警報を出力する。
この様に本発明の実施例における燃焼振動監視装置にお
いては、圧力振幅最大値Ipeak 1と第二圧力振幅最大値I
peak 2との圧力振幅偏差値ΔIと、補正係数kから真の
圧力振幅最大値I1を求めるようにしたので、燃焼振動を
的確に監視することができ、機器の振動数が変化しても
燃焼振動を正確に検出できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、火炉の振動数が変化しても、圧力振幅
最大値I1を正確に検出できるので正確な燃焼振動が検出
でき、しかもボイラの燃焼振動監視装置の信頼性を向上
するので機器の破損も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係る燃焼振動監視装置の概略
系統図、第2図は圧力振幅偏差値(ΔI)と補正係数
(k)を求める概略図、第3図(a)から(d)は単一
周波数発振器と、第3図(e)から(h)は従来の燃焼
振動監視装置の出力変化を示す特性図、第4図は実缶の
振動スペクトルを示す特性図、第5図は関数発生器の補
正係数(k)と圧力振幅偏差値(ΔI)の特性曲線図、
第6図は振幅と周波数の特性曲線図、第7図、第8図は
従来の燃焼振動監視装置の概略構成図および概略系統
図、第9図は炉内圧の周波数特性曲線図、第10図は圧力
センサで測定した炉内の圧力振動特性曲線図、第11図は
従来の燃焼振動監視装置で測定した炉内の周波数特性曲
線図である。 1……機器、2……圧力センサ、5……周波数変換装
置、8……フーリエ変換器、12……減算器、13……関数
発生器、14……乗算器、If……周波数成分、I1……圧力
振幅最大値、I0……全圧力振幅合計値、ΔI……圧力振
幅偏差値。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】機器内の圧力変動を検出する検出センサ
    と、この圧力変動信号から全圧力振幅合計値と圧力振幅
    最大値の周波数成分に分解する周波数変換装置とを備
    え、圧力振幅最大値と全圧力振幅合計値の比から気柱共
    鳴振動の発生を予知するものにおいて、前記周波数変換
    装置のフーリエ変換器からの周波数成分から圧力振幅最
    大値と、この最大値に隣接する第二圧力振幅最大値との
    圧力振幅偏差値を演算する減算器と、この圧力振幅偏差
    値から定数を求める関数発生器と、圧力振幅最大値に定
    数を乗算して真の圧力振幅最大値を求める乗算器を設
    け、圧力振幅最大値を補正するようにしたことを特徴と
    する燃焼振動監視装置。
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EP1327824A1 (de) * 2001-12-24 2003-07-16 ABB Schweiz AG Bestimmung und Regelung des Betriebszustandes einer Gasturbinenbrennkammer bei Annäherung an die Löschgrenze
EP2239505A1 (de) * 2009-04-08 2010-10-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Analyse der Brummneigung einer Brennkammer und Verfahren zur Steuerung einer Gasturbine

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