JPS6155518A - 燃焼診断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は微粉炭燃焼プロセスの燃焼状態を監視あるいは
診断する装置に係わり、特に火炎の着火安定性を評価す
る方法に関する。

〔発明の背景〕

従来、火炉内の火炎画像を撮像カメラでとらえ燃焼状態
を断診する技術は無く、運転員がのぞき窓から肉眼で燃
焼状態をとらえ、運転員の経験で燃焼状態を把握、監視
を行ってきた。また、燃焼診断でも特に、火炎の着火安
定に関しては、現状、７レムデイテクタと運転員の火炎
目視による監視のみ行なわれ、燃料性状変化や給炭変動
によって生ずる着火安定性の過渡的変動をとらえる事が
できず、また、燃焼制御の自動化という点においても問
題があった。

なお関連する公知技術には例えば特開昭５６−２３６３
０号がある。これは火炎内の温度分布を温度領域ごとに
区分して火炎パターンを作成し、火炎の形状と温度分布
を定量的に把握するようにして火炎の診断をおこなうも
のである。

微粉炭燃焼プロセスでは、燃料比、灰分、水分、粒径分
布などの燃料性状のみならず、給炭系統や空気系統の経
時変化が、燃焼に大きな影響を与え、その影＋沙は、燃
焼火炎の変化、中でもバーナー近傍の火炎に現われる。

燃焼火炎は、バーナーロすぐ近くから発生し、ゆらき゛
が少なく、輝度が高く、吹き飛びなどが無いも合安定と
ぜれ、逆に、上に示す影響を受けるゴｉ合に：燈輝度が
低下し、異常にゆらぎ、吹き飛びなどが起るという現象
が生じる。

運転員は、このような火炎の不安定状態を目視によシと
らえ、その経験と勘によって、上に示すような要因を推
察し、給炭量や空気量を調節することによって火炎を安
定状態におちつがせるということが、これまで行なわれ
てきた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃焼診断でも特に、火炎の着火定定性
を評価する問題に関し、これを定量的に扱うことを可能
とし、その方法を用い、火炎の着火安定性の変動を常時
監視する燃焼診断方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明では、このバーナー近傍の火炎に着目し、あらか
じめ設定されたバーナー近傍領域に有無する火炎の面積
（Ｓ＋　　）と、火炎領域中の高輝度な火炎領域の面積
（Ｓ２　）を、画像信号処理により計測し、この２つの
旦によって火炎着火安定性を定」：的に評価し、さらに
この２つの量の変動パターンより、安定性が変動する要
因を推定することを特徴としている。

〔発明の実施例〕

はじめに第１図を用い、バーナー（ＢＵＲ）近傍の燃焼
反応につき説明する。第２図（ａ）に示すように、バー
ナー近傍の高温雰囲気では微粉炭を運ぶ一次空気の流れ
の領域（ＣＡＺ）と、０２を運ぶ二次空気の流れの領域
（ＮＡＺ）が生じており、−次空気中の微粉炭からは、
炉内が高温である為に、揮発分（ＶＯＺ）が発生する。

この揮発分は、二次空気の流れの中で０２と結合し燃焼
するが、バーナー近傍の火炎は主にこの燃焼反応により
形成される。

二次空気の流れの中では、第１図の（ｂ）に示すように
、空気の流速が楊所によって異なる為揮発分の濃度にも
分布が生じる。揮発分は流速の大きいバーナーロ近くで
はｔν度が低く、バーナーロよシ遠くなるにしたがって
流速が小さくな！ｌｌ濃度が高くなっている。

火炎の輝度は、二次空気流れの中の揮発分の濃度分布に
対応し、第２図（Ｃ）に示すように、濃度が低い所では
輝度が低く　（ＺＡ）、濃度が燃焼反応に適尚な所では
輝度が高くなり（ＺＢ）、ｉ度があまりに高い所では、
燃焼不良となるためれ度が低くなる（ＺＣ）。

以上に示すように、バーナー近傍の火炎輝度分布は、二
次空気流れの中の揮発分濃度分布と強くかかわシ、揮発
分濃度分布は、空気供給量と揮発分の発生量に関係する
ことから、火炎輝度分布を監視することによって、空気
供給状態と揮発分の発生状態を監視する°ことができる
と考えられる。

一方、燃焼火炎の吹き飛びや立ち消えの現象は、空気系
統や給炭系統の異常を要因として生ずるので、バーナー
近傍の火炎の輝度分布を監視すれば、吹き飛びや立ち消
えの前に、空気系統や給炭系統の異常を事前に察知でき
るので、これを防ぐことができる。すなわち 火炎輝度分布（中揮発分濃度分布） ＝ＦＣ空気供給量、揮発分量〕 として表わすことができる。

第３図を用い、空気系統の異常と火炎の形状変化につき
説明する。

第３図（ａ）は、火炎が安定に着火している時の火炎の
様子を示す。燃焼火炎がバーナーロ近くから発生し、火
炎全体に輝度の論い部分が広がっていることが特徴であ
るが、これは、揮発分の発生量に対し、空気供給量が最
適にバランスし、二次空気流れの中の揮発分濃度分布に
も、極所的に希′Ｉ４な部分や濃い部分ができていない
ことを示している。

今、空気系統の異常により、空気供給量が過剰となった
とする。この時、揮発分の濃度分布は、バーナーロ近く
が希薄となり、離れた所に濃い部分が生じてしまい、こ
の状態では、もはや火炎は、バーナー口近くからは、生
じなくなってし壕う。

第３図（ｂ）は、この状態を示している。揮発分そのも
のが少なくなるわけではないから、この状態でもしばら
く燃焼を続けるが、空気の過剰分が、バーナー近傍空間
の熱エネルギーを運び去るため、徐々に温度が下がり、
それに伴って揮発分の発生量が減少してバーナー根元部
の火炎が消失し、そして（Ｃ）のように高輝度領域も次
第に小さくなってゆく。この状態では、もはや火炎は、
安定に着火しておらず、いずれは吹き飛びや立ち消えな
どの不安定状態に移行してしまう。

次に、空気系統の異常によシ、空気供給量が不足する場
合を考える。この時、揮発分の濃度分布は、極所的な濃
度の差は生じないが、火炎全体の０２が不足するため、
燃焼反応が全体にわたシ抑えられ第２図（ｄ）のように
、火炎の輝度が全体的に下がる。揮発分は、生じている
のであるから、この状態でもしばらく燃焼を続けるが、
火炎がバーナー近傍空間に与える熱エネルギーが少なく
なるので、徐々に温度が下がシ、それに伴って揮発分の
発生量が減少し、（ｅ）のように高輝度領域が小さくな
る。この場合も不安定状態に移行する。

（ｅ）では高輝度領域とバーナー根元火炎が消失する。

第４図を用い、給炭系統の異常と火炎の形状変化につい
て説明する。第４図（ａ）は、安定な火炎の状態を示す
。今給炭系統の異常により給炭量が減少する場合を考え
る。

給炭量が減少すると、揮発分の発生量そのものが減少す
る。その為、二次空気の流れの中の揮発分の濃度分布は
、全体的に濃度が下がると同時にバーナー口近くの濃度
が希薄となる。したがって火炎は（ｂ）に示すように、
炎がバーナーロより離れて形成し、しかも全体の輝度が
低くなるような不安定な火炎へと一挙に移行してしまう
。

これまで説明したように、安定に着火している火炎が、
空気系統や給炭系統の異常によって、吹き飛びや立ち消
えなどの不安定な状態へと移行する時、火炎は、その形
状と輝度分布を変えるのであった。そこで、この性質を
利用して火炎の着火安定性を評価することができる。そ
の方法を第５図を用い説明する。

空気系統の異常による場合も、給炭系統の異常による場
合も、火炎は、不安定となる程、バーナーロより遠くに
形成するのであった。従って、第５図（ａ）　（ｂ）　
　に示すように、バーナー近傍に存在する火炎の大きさ
く面ｉｓ＋）を計測することによシ安定性を定量的に評
価することができる。

そこで安定性評価指標Ｉｓとして、面積Ｓ＋　を採用す
る。

しかし、火炎の着火安定の程度をＩｓで評価し得ても、
何が装置となってＩｓが変動するのかをつきとめるため
には、さらに詳細に火炎の変動を検ｔ］する必要がある
。

そこで、本発明においては、第５図（ａ）に示すように
、火炎の中でも高輝度な領域の面積Ｓ２を計測し、火炎
面積ＳＩと高輝度火炎面ＦＡＳ　２の変動のパターンを
とらえるものとする。ただ、Ｓｌ、８２は個々独立に変
動するものでないため、変動パターンを各々論すること
は、忽しくなると考えられるので、第５図（Ｃ）に示す
ような評価平面を利用し、８１　＋　８２相互の変動パ
ターンを評価平面上の軌跡としてとられるものとする。

また、Ｓｔ　＋　８２の変動速度も、異常要因によって
異なると考えられるので、（ｄ）のように、過渡変動の
パターンにも着目する必要がある。

本発明による、火炎着火安定性評価の例を第６図、第７
，８図を用いて説明する。

第６図は、空気供給量が過剰の地合を、第７図は、空気
供給量が不足の場合を示し、第８図は、給炭量が不足す
る場合の、立ち消えに至る址での火炎の変化を表わして
いる。

第６図（ａ）は安定火炎、（ｂ）は空気供給過剰、（Ｃ
）は不安定火炎で、不安定状態（ｃ）へ至る火炎の変化
を示し、（ａ’）、　　（ｂ’）、　　（ｄ）は、対応
して前に述べた評価平面での、ｓｌ、　Ｓ２の変化の様
子を示す。第６図において、安定状態Ａ点よりＢ点に至
る軌跡が、下に凸となるが、これは、Ｓｌが８２　より
も速く小さくなる事を意味し、この変化は、バーナー口
近くの揮発分の濃度が布薄となり、火災がバーナーロよ
り遠くへ退くパターンを示す。

Ｂ点から０点に至る軌跡（Ｃ′）は、ｓ２がＳｌよりも
迎く小さくなるノこめ、この変化は、火炎全体が燃焼不
良となり、輝度が低下する変化パターンである。

また（ｄ）は、Ｓｌ＋　８２の過渡変化を表わし、Ｂの
状、移ンがしばらくｉ光くのが相、徴で、これは、空気
系統の変動であることを示している。

これらの変化パターンの統括より、この変動が空気供給
量過剰のために起ったことを推察することかでさる。

第７図も同様に考えると、安定状態Ａ点よυＢ点に至る
ことから、火炎全体が悠湛不良となること、Ｂ点から０
点に至る軌跡から、バーナーロ近くの揮発分濃度が希薄
となることがわかり、（ｄ）においてＢ状態が続くこと
から、空気系統の変動であることがわかる。以上から、
この変動が、空気供給量の不足のために起ったと考えら
れる。

最後に第８図について説明すると、安定状態Ａ点より０
点に至る軌跡から、火炎全体が燃焼不良となることがわ
かる。（ｄ）には、第６図や第７図と違ってＢ状態が無
いことから、この変化は、給炭系統の変動であることが
わかる。以上より、この変化が給炭量の不足によシ起っ
たと考えられる。

次に第９図を用い、これ壕で述べてきた評価方法を実現
する場合の画像処理方法について説明する。

撮像カメラによシとらえられる燃焼画像１（火炎３、バ
ーナー４）の内、あらかじめ設定されたバーナー近傍領
域２を切り出し、画像処理装置にて、直ちに輝度ヒスト
グラム５を求める。この輝度ヒストグラムで、ａは、バ
ーナー近傍領域の最底輝度、ｄは、最高輝度を示し、ｂ
は、火炎抽出の輝度レベルを表わす。ｂは火炉壁の輝度
に設定すれば良く、１回処理するたびに、火炉壁輝度を
設定し直せば、炉壁を火炎と誤認することはない。

火炎面積Ｓ１は次の式より容易に求まる。

輝度ヒストグラムの内Ｃは、高輝度領域を抽出するため
の輝度レベルであるが、次式で求める中間輝反レベルを
採用する。

Ｃ＝（ｄ−ｂ）／２ 高輝度火炎面積Ｓ２は次の式よシ容易に求唸る。

以上に示すように、本発明の計算処理は、容易に実施で
き、しかも処理速度は速い。従って、着火安定性の過渡
変動を監視するのに適している。

求められたね　＋８２は、次の式によバ着火安定性を評
価するための評価変量に座標変換される。

ｒｌ＝（Ｓｌ／、９）Ｘ１００ ｒｚ　＝　（８２／５Ｌ）Ｘ１００ 第１０１図（ａ）は、ｒｌを横軸ｒ２を縦軸にとった評
価空間（平面）で、評価変量は、この空間上の点で示さ
れ、この点の振舞いが、着火安定の変動に対応する。ま
た、第１０図（ｂ）は、横軸を時間軸、縦軸にｒｌ　、
ｒｚをプロットしたｒｌ。

ｒｚの時間変動を表わし着火安定の時間応答を表わす。

運転員は、この２つの評価空間を用い着火の安定性を監
視し、この空間上の評価変量の変動パターンよυ、不安
定現像の要因を、よシ厳密に察知することが可能となる
。

第１図は本発明の１実施例のブロック図を示す。

６は微粉炭燃焼用ボイラ火炉、７は微粉炭燃焼用バーナ
、８はイメージ・ファイバ、９は撮像カメラ、１０は火
炎画像入力装置、１１はＡ／Ｄ変換器、１２はメモリ、
１３は火炎画像処理装置、１４は燃焼診断装置、１５は
ＣＲＴディスプレイ装置である。次に第１図を説明する
と、微粉炭燃　゛焼用ボイラ火炉６内で、微粉炭燃焼用
バーナ７により微粉炭を燃焼した時の火炎を、耐火性を
もたせ火炉内に設置されたイメージ・ファイバ８でとら
え、撮像カメラ９で電気信号に変換される。電気信号に
変換された火炎画像データは、画像入力装置１０に取シ
込まれ、Ａ／Ｄ変換器１１でんΦ変換された後メモリ１
２に記憶される。メモリに記憶された火炎画像データは
、火炎画像処理装置１３に取り込まれ、第４図に示され
る処理を実行、処理結果は燃焼診断装置１４に送られ燃
焼診断に使用、又は、ＣＲ，Ｔディスプレイ１５に表示
される。

次に、第１１図を説明する。第１１図は、本発明を実施
する場合の、処理手順の１例である。

まず、バーナー近傍領域に隣接する炉壁画像を入力（４
０１）、画像処理し輝度ヒストグラムを求める。（４０
２）この輝度ヒストグラムの最大度数を与えるに族レベ
ルを選択し、その輝度レベルを火炎輝度レベルｂとして
設定しく４０３）、以後このレベル以上の輝度を有する
部分を火炎と見なす。

次に、バーナー近傍領域画像を入力しく４０４）、画像
処理により輝度ヒストグラムを求める。

（４０５）この輝度ヒストグラムの最大輝度ｄを選択し
、上で求めた火炎輝度すよシ Ｃ＝　（ｄ−ｂ　）／２ を計算し、中間輝度レベルＣを設定する。（４０６）４
０５°で求めた輝度ヒストグラムと、火炎がＦ度しベル
ｂ、中間力１［族レベルＣを用い、火炎面積Ｓ１、高輝
度火炎面積Ｓ２を次式により求める。

（４０７，４０８） ４０７．４０８で求められるＳ＋　、８２を次式で座標
変換し、評価変量ｒＩ　＋　　ｒ２　を求める。

（４０９，４１０） 評価変量ｒｌ　＋　　ｒｚは、ＣＲＴで表示され、運転
員に着火安定の変動を知らせる。

〔発明の効果〕

本発明を実施することにより、微粉炭燃焼時の着火安定
性を定量的に把握１診断、監視できるため、異常燃焼の
早期発見・対策が可能であり、安全かつ安定な燃焼が実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１スは発明の実施例を、第２図はバーナー近傍の燃焼
反応説明図を、第３図は空気系統の異常と火炎の形状変
化を、第４図は給炭系統の異常と火炎の形状変化を、第
５図は着火安定性の評価方法を、第６図は燃焼火炎の変
化パターン（空気供給過剰）を、第７図は燃焼火炎の変
化パターン（空気供給不足）を、第８図は燃焼火炎の変
化パターン（給炭系統の異常）を、第９図は画像処理方
法を、第１０図は評価平面を、第１２図は処理アルゴリ
ズムの説明フロー図を、それぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、微粉炭燃焼プロセスの燃焼火炎を撮像カメラでとら
   え、燃焼状態の診断を行なう燃焼診断方法において、バ
   ーナー近傍の火炎を該撮像カメラで撮像し、該撮像され
   た火炎全体の面積Ｓ＿１とあらかじめ定められた輝度以
   上の高輝度火炎面積Ｓ＿２とを演算し、該Ｓ＿２とＳ＿
   １との比があらかじめ定められた値以上のとき燃焼火炎
   は安定であると診断することを特徴とする燃焼診断方法
   。 ２、前記特許請求の範囲第１項記載において該火炎全体
   の面積Ｓ＿１が該撮像されるバーナー近傍面の画像面積
   に占める比率を演算し、該比率があらかじめ定められた
   値以上であるとき燃焼火炎は安定であると診断すること
   を特徴とする燃焼診断方法。