JPS63105323A - 燃焼制御方法 - 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】 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００゜
％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０２％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５９−１３
８８１１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０ 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料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。

これはジルコニア０２センサを煙道中に設置してこの煙
道を通る排ガス中の０２％を測定し、この０２％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５９−１０９７１５
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０２センサを用いた燃焼制御は炉中での
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
構造上束じた隙間より外気が侵入した場合、燃焼室内で
の０゜温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流れに起因し、
タイムラグが生じる。

■　ジルコニア０□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０□センサの代わりに前記特開昭５９−
１３７７１９号等に記載の光センサを用いることも考え
られるが、これらの光センサは単ｅこ光パワーを検出す
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、一段に空気比（又は排ガス中の０２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ＮＯｘ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００□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
（燃料流量）を一定とした場合、空気比（又は排ガス中
の０２濃度）の違いによって第２図の曲線■に示す様な
変化を示し、その光パワー信号は第３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０２濃度の高い領域（イ）では、０゜濃度の
増加に伴い光ノ（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、０２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０２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
幅が全体として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についてみ
ると、その光強度は第２図の曲線Ｈ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０２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４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３図（Ｄ）で示されるような光パワー信号の単位
時間Δを内の最大値Ｙと最小値Ｚとの差である最大振動
幅Ａが目盛られている。横軸は排ガス中の０□％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０
２％と最大振動幅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０２％
と最大振動幅との関係を示している。

従って、例えば燃焼量を６０４？／ｈに設定している場
合バーナの火炎から検出される光パワー信号の最大振動
幅がＡであるとしたならばその対応０゜％（）・）は妥
当な０２％（ニ）とずれ（ホ）を生じており、このずれ
（ホ）は最大振動幅のずれＣに対応する、と上図から読
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もつタイプのバー
ナについては第５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４図又は第５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Ｃに基づきその偏差Ｃ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決するため、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
０□％信号を得て該０２％が該燃料の流量に対し妥当な
０２％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そ
こから所定時間内の最大値及び最小値を検出し、次いで
それらの差である最大振動幅を求め、しかる後該最大振
動幅を、予め求めた燃料流量に対する妥当な０２％に対
応した最大振動幅と比較して偏差を演算し、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０２％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
の先パワー信号を処理し制御出力を得る。

従って、排ガス中００□％を直接検出せずとも０２％の
コントロールが可能となる。そし。

て、その結果を価なジルコニア０□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、炉中での燃焼状態
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は、光パワー信号から所定時間内
の最大値及び最小値を検出し、次いでそれらの差である
最大振動幅を求め、しかる後該最大振動幅を、予め求め
た燃料流量に対する妥当な０２％に対応した最大振動幅
と比較して偏差を演算することによる。

このように光パワー信号の最大振動幅を用いて演算する
ので簡易に制御出力を得ることができる。

またメモリも小容量のもので済ませることができる。

実施例 第１図ないし第４図及び第６図に基づき本発明の一実施
例を説明する。

第６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６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
ンナ１０及び燃料制御部１１を備えている。

燃料制御部１１は温度交換器１２及び燃焼量調節器１３
を備えており、温度センサ１０からの信号を温度交換器
１２で所定の出力信号に変換し、これを燃焼量調節器１
３で受けて所定の設定温度と比較演算し、設定温度を維
持しうる量の燃料がバーナ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Ｇｅフォトダイオード、Ｓｉ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からの光信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１７と、該変換器１
７より来る電気信号から単位時間毎に最大値及び最小値
を検出し、次いでそれらの差である最大振動幅を求め、
しかる後該最大振動幅を、予め求めた燃料流量に対する
妥当な０２％に対応した最大振動幅と比較して偏差を演
算し、その偏差を解消するための出力を燃焼用空気の流
量調節弁９に対して行なう燃焼用空気流量補正器１９と
から成っている。

この燃焼用空気制御部１６の動作を第１図のフローチャ
ートに基づいて説明する。

Ａ／Ｄ変換器１７からの光パワー信号Ｘ０を燃焼用空気
流量補正器１９に読み込み（ステップ１）、次いでΔを
秒間の全信号から最大値Ｙを算出しくステップ２）、最
小値を算出する（ステップ３）。そして、それらの差で
ある最大振動幅Ａを求める（ステップ４）。

次のステップでは燃料流量計の流量信号Ｑを読み込＆（
ステップ５）、Ｑに対応した曲線を第４図のデータ中か
ら選択すると共にＱにつき最適な０２％に対する最大振
動幅を求める（ステップ６）。

例えば、Ｑ＝６０１／ｈであれば曲線ａを選び、ａとｄ
との交点から０２％は（ニ）が最適であり、そのときの
最大振動幅はＢである。

そして、現在の最大振動幅Ａと上記Ｂとのずれである偏
差Ｃを求める（ステップ７）。

しかる後、ＣがＯとなるようにＣに比例した制御量とＣ
の積分値に比例した制御量を加えた制御量りを算出する
（ステップ８）。

現在の燃料流量Ｑに対する最適な空気流量を求め、その
場合の弁９の開度と現在の開度とを比較し、現在よりも
開くか閉めるか及びその程度を空気流量調節信号Ｅとし
て求める。Ｅは燃焼量調節器１３で求められ、燃焼用空
気流量補正器１９に出力される（ステップ９）。

上記補正器１９はり、Ｅを得て次の補正式から空気流量
調節信号Ｆを求め（ステップ１０）ニれを弁９に出力し
、その開度を調節する（ステ・ツブ１１）。

この式において、Ｄは％データであり、０〜１００％の
範囲内に値である。

Ｄ＝０〜５０％のときを弁開度の減少、Ｄ＝５０〜１０
０％のときを弁開度の増加とし、例えばＤ＝４０％のと
きはＦ＝０．８Ｅ、Ｄ＝６０％のときはＦ　＝　１．２
Ｅとなる。

こ上により、計算上束められたＥは、Ｄによって増又は
減の補正を受けてＦとして弁９に出力されることになる
。

この様な操作を繰り返し行い燃焼量調節計１３からのエ
ア流量調節信号に補正を加え空気流量調節弁９０開度を
調節している。

かくて炉１は最適燃焼状態で常時稼動し、０□％が（ニ
）（第４図）の排ガスは煙道３から炉外へ排出されるこ
とになる。

なお、扉２から新たに材料の出し入れが行なわれること
により０２％が一時的に増大することがあるが、その０
２％の変化は直ちに光センサ１５によって検知されるの
で、即座に調節弁９の調節がなされ適正な０％に速やか
に復帰する。

上記実施例は熱処理炉を対象としたがボイラ等を対象と
する場合は、燃料制御部１１の温度センサ１０に代えて
圧力センサを設は燃焼量調節器１３は蒸気圧力の設定方
式に代えればよいものである。

発明の効果 本発明は以上のようにバーナ、等の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０２％を直接検
出せずとも０２％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０２センサでなく、比較的安価な
光センサを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は炉中で、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０．２％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。従って、大
気開放型燃焼装置（型加熱装置、トリベ予熱装置等）の
燃焼管理も可能になる。

さらに、光パワー信号から最大値と最小値を求めこれら
の差である最大振動幅を算出し、この最大振動幅を利用
して制御出力を演算するので、簡易な制御を行なうこと
ができ、またメモリの容量も小さくすることができるも
のである。

【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
ワー信号と排ガス０２％との関係を示すグラフ、第３図
は燃焼量を一定にし０゜％を変化させた場合の光パワー
信号と時間との関係を示すグラフ、第４図は光パワー信
号の最大振動幅と０□％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５図は異なるタイプのバー
ナについて表わした第４図と同様なグラフ、第６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、４：バーナ、８：燃料流量計、９：燃焼用空気
流量調節弁、１３：燃焼量調節器、１５：光センサ、１
６：燃焼用空気制御部、１７：Ａ／Ｄ変換器、１９：燃
焼用空気流量補正器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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Ｏ＿２％信号を得て該Ｏ＿２％が該燃料の流量
   に対し妥当なＯ＿２％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そこ
   から所定時間内の最大値及び最小値を検出し、次いでそ
   れらの差である最大振動幅を求め、しかる後該最大振動
   幅を、予め求めた燃料流量に対する妥当なＯ＿２％に対
   応した最大振動幅と比較して偏差を演算し、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Ｏ＿２％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。