JPS63315829A - バ−ナ燃焼状態監視制御方法 - 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、ボイラ火炉の燃焼状態監視制御装置に係り、
複数のバーナを備えた事業用火力発電所等の大型ボイラ
に好適なバーナ燃焼状態監視制御方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、運転中のボイラの燃焼状態を監視する方法として
（１）フレ・−ムデテクタを個別のバーナのノズル付近
に取付けてバーナ火炎を検出する方法、（２）排ガスに
含まれる燃焼生成物を火炉出口または煙道に取付けた検
出器によって検出し分析する方法、（３）火炉上部また
は下部に取付けたＩＴＶカメラによって火炉全体の燃焼
火炎の状態を監視する方法がある。

しかし、上述した従来の方法においては次の様な欠点が
あった。すなわち、 （１）フレームデテクタによる方法は個々のバーナの点
消火を判定するもので、燃焼状態の良否を判定するため
の情報は得られない。（２）排ガス成分を分析する方法
は、数十秒から数分の分析時間（灰中未燃分については
数時間から数日）を要し実時間監視の面から問題がある
と共に、バーナ個別の燃焼状態を把握することが出来な
い。（３）ＩＴＶカメラで火炉を監視する方法は、対向
面からバーナ燃焼火炎を計測している為に定常運転状態
では火炉全体に火炎が渦巻いた状態になり１個別のバー
ナの燃焼状態を識別することが出来ない。

上記の問題点を解決する方法として、イメージファイバ
を用いてバーナ燃焼火炎を監視制御する燃焼制御方法が
あるが、本法式では側壁からバーす燃焼火炎を計測する
ため個別のバーナ燃焼火炎全体を視野内に入れようとす
ると他バーナの火炎も同−視野内に重なって計測される
等により個々のバーナまたは各段の代表バーナの燃焼火
炎のみを分離することが困難であった。なお、関連する
技術としては、特開昭６０−１２９５２４号がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術においては、バーナ個別の燃焼状態の良否
を他のバーナの燃焼状態と区別して把握できないため、
バーナ個別または段毎の代表バーナだけの燃焼状態の制
御を個別に適切に行うことが出来ないという問題があっ
た。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、個別または各段
代表バーナの燃焼状態の監視及び制御を個別に適切に行
うバーナ燃焼監視制御方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、バーナ燃焼状態監視制御装置を火炎計測装
置２分光器、光学フィルタ、光電変換器。

アナログ／ディジタル変換器、ディジタル画像記憶装置
、火炎のディジタル画像から個別のバーナの燃焼状態を
定量的に把握し燃焼状態を制御する計算機、計算結果を
表示する表示装置で構成することにより達成される。

〔作用〕

バーナ火炎は火炎計測装置で計測され、分光器及び光学
フィルタで２つの波長のスペクトルに分光され、各スペ
クトルは光電変換器により、各々の輝度に比例したアナ
ログ画像信号に変換される。

輝度分布のみで火炎の燃焼状態を評価する場合には一方
の波長のスペクトルによる輝度画像を用いればよい。ア
ナログ画像信号はアナログ／ディジタル変換装置でディ
ジタル画像データに変換され。

ディジタル画像記憶装置に記憶される。計算機では先ず
ディジタル画像記憶装置の各ディジタル画像データの内
の２デ一タ間の相関係数を求め、これらの相関係数の大
きさに基づいて各画像について火炎画像の干渉領域を決
定する。次にこの干渉領域における各バーナの火炎画像
を干渉のない領域の画像を用いて推定する。

上記により推定した２波長の火炎画像データを用いて温
度分布を求め、これより燃焼状態を評価し、各バーナの
燃料供給量、空気供給量、空気供給方法を変えてバーナ
火炎の燃焼状態を制御する。

なお、輝度分布で燃焼状態を評価する場合は、上記によ
り推定した２波長の内の何れかの火炎画像データを用い
て燃焼状態を評価できるので計算機で温度分布を求める
必要がない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。第１
図は本発明をバーナが３段３列に配列された微粉炭ボイ
ラに適用した場合を求したものである。１は火炉、２は
バーナ、３はイメージファイバの冷却管、４はイメージ
ファイバ、５は光分岐管、６は光学フィルタ、７はＩＴ
Ｖカメラ、８はアナログ／ディジタル変換器、９はディ
ジタル画像記憶装置、１０は計算機、１１は表示装置、
１２１〜１２３はそれぞれバーナ段１段から３段それぞ
れの燃料量、空気量及び個別バーナの空気量の制御信号
をそれぞれ示す。

第２図は、第１図における１つの段のバーナの構成例を
示したものである。各段毎に独立したミルより微粉炭及
び１次空気が供給され、燃焼用２次空気は各段毎にウィ
ンドボックス人口ダンパで調節され、各段の個別バーナ
の２次空気量は２次及び３次エアレジスタの調節によっ
てバランスがとられる。

以下、実施例の動作をバーナ２の燃焼状態を制御する場
合につき、第３図の処理フローに沿って説明する。

■１００：画像入力 ボイラ運転中のバーナ火炎１３をイメージファイバ４を
用いて計測し、光分岐管５により光を分岐さ廿、一方を
フィルタ（透過波長λ１）６エ、他方をフィルタ（透過
波長λ２）６２を通して、　ＩＴＶ７１．７２によって
各々の画像を撮像し、テレビジョン信号に変換する。そ
して、アナログ／ディジタル変換器８１．８２によって
上記各々のテレビジョン信号をディジタル画像データに
変換し、各結果をディジタル画像記憶装置９１．９２に
夫々記憶させる。尚、以下のステップで温度分布画像と
してではなく輝度画像として火炎画像を取り扱う場合に
は、光分岐管５を通さずフィルタのみを通し、上記何れ
か一方の透過波長のディジタル画像データを用いる。

第４図にディジタル画像記憶装置９ｔ、９ｚに記憶され
た各波長の火炎ディジタル画像データの例を示す。図に
おいて、Ｒ１（ｘｒ　Ｍ＋　ｔ）＋Ｒ２（Ｘ　＋　ｙｒ
　ｔ　）は夫々波長λ工、λ２の座標（ｘ、ｙ）におけ
る時刻ｔのディジタル画像データすなわち、火炎輝度画
像データ（以下輝度と略す）を表わし、夫々Ｘ座標が０
から（Ｍ−１）。

ｙ座標がＯ〜（Ｎ−１）の領域の画像を示したものであ
る。

■１０１：相関係数の計算 上記で入力したディジタル画像データを用いて相関係数
を計算する。第４図は、第２段バーナの火炎画像のみを
識別抽出したいのにもかかわらず第１段バーナの火炎画
像も重畳している場合を示したものである。以下、波長
λ工のディジタル画像の場合について両バーナの火炎画
像を分離する為先ず第４図（１）のＰ点で示す様に第１
段バーナの火炎領域であることが分っている点の輝度Ｒ
ｓ　（Ｘｌｌ　３’ｌｌ　　ｔ）と全画面の輝度分布デ
ータＲ工（ｘ、ｙ、ｔ）（ｘ＝０〜（Ｍ−１）、ｙｚ。

−（Ｎ−１））との相関係数φＸＬｙＩＸｙを次式を用
いて計算する。

φｘ１ｙ１ｘｙ 枦叱に 上式においてＲ工（ｘｓｒ　ｙｒンはＩＩＮＭ（ｘ　Ｉ
ｔ　ｙ　Ｉ）における時間ｔ　＝　ｔ　ｈ　”　ｔ　ｈ
　＋　（ｎ　　１　）　　・Δｔの間のｎ個のデータの
平均値を表わしく但しΔｔはデータのサンプリング周期
を示す。）次式で計算する。

Ｒｚ（ｘｒ、　ｙｚ）＝　　　　　　　　　　　　　　
　　−（２）同様にＲ１（ｘｒ　ｙ）は座標（ｘｔｙ）
における輝度の平均値を表わし、次式で計算す・る。

次に、第２段バーナの火炎領域であることが分っている
点の輝度Ｒ１（Ｘ２＋　Ｘ２＋　ｔ）と全画面の輝度分
布データＲ＋　（ｘｒ　ｙｒ　ｔ）（ｘ＝ｏ　〜（Ｍ−
１）、ｙ＝Ｏ〜（Ｎ−１））との相関係数φＸＺ）’２
Ｘ　ｙを次式を用いて計算する。

φＸ２ｙ２Ｘｙ ｔ共に 上式において 第５図（ａ）、（ｂ）にそれぞれ相関係数φＸ　１３’
　Ｌ　Ｘ　３’　＋　φＸ２ｙ２Ｘ　ｙの計算結果の内
Ａ−Ａ′断面の値を示す。φＸ１ｙＩＸ、Ｙはバーナ１
の領域の内、火炎の干渉のない区間ｓ１で最大になり、
干渉のある区間ｓ２ではバーナ２の火炎の影響によりこ
れより小さな値となる。そしてＳｌ。

ｓ２以外の区間では充分小さな値となる。一方。

φＸ２ｙ２ｘｙはバーナ２の領域の内、火炎の干渉のな
い区間ｓ３で最大になり、干渉のある区間ｓ４ではバー
ナ１の火炎の影響によりこれより小さな値となる。そし
てｓａ、ｓａ以外の区間では充分小さな値となる。同様
に波長λ２についても相関係数を計算する。

■１０２：バーナ火炎干渉部の抽出 第５図（ａ）、（ｂ）に示す様に、ある閾値φＳ以上の
相関係数値を有する領域を抽出することによりＡ−Ａ’
断面の場合バーナ１はｓｌ及びｓ２、バーナ２はｓａ及
びｓ４というように各々の火炎領域を決定することがで
きる。火炎の干渉部分は上記面領域の共通領域として求
めることができＡ−Ａ’断面については、第６図の斜線
部のようになる。

■１０３：バーナ干渉部の個別火炎画像推定第６図に斜
線で示される火炎干渉部の輝度分布は、バーナ１の火炎
輝度分布とバーナ２の火炎輝度分布が重畳されている訳
であるが、以下、該干渉部分の内のバーナ２の輝度分布
を推定する方法について説明する。

第７図のようにバーナ１，２共に干渉領域と反対側ｒｌ
、ｒｘの輝度分布の関数形またはデータが準備できる場
合は、干渉領域側ｒ１’　、　ｒ２’の温度分布も上記
関数形またはデータと各々のバーナ中心線を対称軸とし
て相似関係にあると仮定し、面輝度分布が重なる領域ｒ
　（ａ≦ｙ≦ｂ）におけるバーナ１及び２の輝度分布を
推定することができる。すなわち第７図において １′ 領域ｙ１≦ｙ≦ｙ２における輝度分布がＲ１（ｙ＋ｔＬ
］′ 領域ｙ３≦ｙ≦ｙ４における輝度分布がＲ１（ｙ、ｔ）
である時、領域ａ≦ｙ≦ｂにおける輝度分布Ｒｘｚ（ｙ
ｅｔ）を 領域ｙ２≦ｙ≦ｂにおける輝度分布 ＲＺ　　（２ｙ２　　ｙ’　　＋　　ｔ）　　　　　　
　　　　　　・・・（６）但し 領域ａ≦ｙ＜ｙａにおける輝度分布 Ｂ′ Ｒ１（２ｙ３　ｙ’）　　　　　　　　　　・・・（８
）但し の両者を用いて、（１０）式で近似する。

〜　　　　　　　　　　　１′ Ｒｚｚ（ｙｅｔ）＝Ｋｚ（α・Ｒｚ　　（２ｙ２ｙ’　
Ｉｔ）Ｑ′ ＋Ｒ１（２ｙａ−ｙ’　、ｔ））＋Ｋｚ・・・（１０） ここで、　ｙ′＋　３”は（７）、　（９）両式で表わ
される。

また、αは、この場合バーナ１の火炎はバーナ２の火炎
の後方にあることから光の吸収等の影響により一般に ０≦０≦１　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１
）Ｋｓ、Ｋｚは定数で Ｋｌ、Ｋｘ＞Ｏ・・・（１２） 上記（１０）式のパラメータＫｌ、に２．αは、次式を
評価関数として最小２乗法で求めることができる。

但し、ａ≦ｙ≦ｂ Ｒ１２（ｙ＋　ｔ）：輝度分布計算値 Ｒ１２（ｙ＋　ｔ）”輝度分布推定値 （１６）式を展開すると次式のようになり〜ド Ｒｘｚ（ｙｅｔ）＝ＫｔαφＲｓ　　＜２ｙｘ　　ｙ’
　　ｅｔ）Ｄ′ ＋Ｋ　ＩＲ□Ｃ２ｙｓ−ｙ’　、ｔ）＋Ｋｚ・・・（１
４） 上式の第２項に１・Ｒ２（２ｙｓ−ｙ’　＋　ｔ　）を
バーナ２の輝度分布推定値として求めることができる。

次に第９図のようにバーナ１の中心軸に関して火炎の干
渉領域とは反対側の情報がない場合には干渉領域の関数
形を仮定することは回連である。

従って、この場合は、バーナーの干渉領域の輝度を図の
ように直線で近似し、 Ｒｔｚ（ｙ、ｔ）　＝　Ｋｚ（ａ　、（ｃｔｙ＋ｃｚ）
ｍ′ 十Ｒ１（２ｙａ＋　　ｙ’　Ｉｔ））＋に２・・・（１
５）とおいて上述と同様の方法でバーナ２の輝度分布推
定値を求めることができる。

またバーナー、バーナ２の火炎の重なりが小さい場合に
は、第１０図のように干渉領域のバーナ１、バーナ２の
輝度分布を直線で近似してＲｔｚ（ｙｅｔ）＝Ｋｔ（α
（ｃｘｙ＋ｃｚ）＋（ｃａｙ＋ｃ４））＋に２＝（１６
）とおいて上述と同様の方法でバーナ２の輝度分布推定
値を求めることができる。

以上と同様の方法により、波長λ２の火炎画像について
もバーナ２の輝度分布推定値を求めることができる。

■１０４：温度分布計算 上記で求めたバーナ２の各波長のディジモル画像データ
Ｒ１（ｘ、ｙ、ｔ）（ｘ＝０〜（Ｍ−１）。

ｙ＝Ｑ−（Ｎ　　１））ｔ　　Ｒ２−（Ｘｌ　　’ｌ＋
　　ｔ）（Ｘ＝０−　（Ｍ、−１）　、　ｙ＝ｏ　−（
Ｎ−１）　）を用イテ温度分布Ｔ（ｘ＋　ｙ、ｔ）（ｘ
＝ｏ−（Ｍ−１）ｔｙ＝Ｏ−（Ｎ−１））をｗｉｅｎの
式に基づいて次の２式より計算することができる。

ここでＥｌ、Ｃ２：放射率 Ｔ　（ｘ、ｙ、ｔ）：座標（ｘｔｙ）における時刻ｔの
温度（°Ｋ） Ｃ１：　３．７４０３ｘｌＯ−５ｅ　ｒ　ｇ　−ｃＪ／
　５ｃｙ２：　１．４３８７ｃｍ、　”　Ｋλ１．λ２
：フィルタ６ｔ、６ｚによる透過波長■ Ｒ１（ｘ、ｙ、　ｔ）：透過波長λ工の座標（ｘ　＋ｙ
）における時刻ｔのディ ジタル画像データ Ｒ２（ＸＩ　ｙ＋　ｔ）：透過波長λ２の座標（ｘ、ｙ
）における時刻ものディジタ ル画像データ 上記（１）式と（２）式のディジタル画像データの比を
とりＣ１：Ｃ２とおいて温度について整理すると次式が
得られる。

・・・（１９） 式（１９）　〜（２１）をｘ　＝　Ｏ−（Ｍ　−１）　
、　ｙ　＝　Ｏ〜（Ｎ−１）の領域について計算するこ
とにより温度分布を計算することができる。この方法は
２色高温計法と呼ばれ、一般に用いられている手法であ
る。

上記２色高温計法のほかに１つの波長のディジタル画像
データからも温度分布を求めることが出来る。すなわち
波長λ工のデータから求める場合は（１７）式を温度Ｔ
（ｘ、　ｙ＋　ｔ）で整理した次式を用いて計算するこ
とが出来る。

ここで各記号の意味は、（１７）式と同じである。

（２２）式による場合は第１図の光分岐管５は不要とな
るが放射率ε１が既知であることが必要である。

■１０５：バーナ火炎輝度分布またはバーナ火炎温度分
布の表示 以上で求めたバーナ２の火炎温度分布または火炎輝度分
布を第１図の表示装置１１に表示する。

第１０図に火炎温度分布のＣＲＴ表示実施例を示す。本
実施例は、温度レベルに対応して表示色を変え２次元的
に温度の高低分布が等高線イメージで監視できるように
したものである。火炎輝度分布の場合も同様の方法で輝
度分布を監視することが出来る。

■１０６：バーナ燃料制御量、空気制御量、空気バラン
ス量の操作 ステップ■〜■で求めたバーナ２の火炎輝度分布または
火炎温度分布の情報に基づいてバーナ２の燃料量を給炭
機の速度や一次空気フアンのダンパ開度、燃焼用空気量
をウィンドボックス人口ダンパ開度、燃焼用空気のバラ
ンスを２次、３次エアレジスタの開度によってそれぞれ
調節し、バーナ２の燃焼状態を制御する。

以上は、２波長の輝度分布についてそれぞれ相関係数を
求めて単独のバーナ火炎画像を識別し、識別後の輝度分
布を用いて温度分布を求め、これに基づいて燃焼状態を
監視制御する例について説明したが、同様の考え方で下
記のような方法によっても同様の効果を得ることができ
る。

（１）２波長の輝度分布のうちの何れかについて相関係
を求め単独のバーナ火炎を識別し、識別後の輝度分布を
用いて個別バーナの燃焼状態を監視制御する。

（２）２波長の輝度分布から先に温度分布を求め、温度
分布の相関係数を求めて単独バーナ火炎の温度分布を識
別し、これに基づいて個別バーナの燃焼状態を監視制御
する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、バーナ個別または段毎の代表バーナの
火炎情報を分離することが出来るので、バーナ個別また
は段毎の代表バーナの燃焼状態を分離監視及び制御する
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成図、第２図はバー
ナ部の構成図、第３図は、実施例の計算機の処理フロー
図、第４図から第９図は実施例の計算機処理の説明図、
第１０図は火炎温度分布の表示例を示す線図である。 １・・・火炉、２・・・バーナ、３・・・冷却管、４・
・・イメージファイバ、５・・・光分岐管、６・・・光
学フィルタ。 ７・・・ＩＴＶカメラ、８・・・アナログ／ディジタル
変換器、９・・・ディジタル画像記憶装置、１０・・・
計算機、１１・・・表示装置、１２・・・燃焼制御信号
、１３バーナ火炎。 代理人　弁理士　小川勝質□パ°゛ 基２ＥＥＩ ２ズ紙 ↓ ↑ ２スＣ久 第３図 メ４図 （ｌ） Ｙ５　口 （ａ） （ｂ） 纂ｄ 第７（２１ 慕８図 一一、χ 茶ｑ　図 →χ 躬１０　　図 １５／σへ２θ〃ｒ ／４／θ　へ　１５０デ“と” ／３／σ　〜／４６ｑど ／２１０〜　／３θりで ／／／σ八／Ｚへヂど ′第１頁の続き ３発　明　者　　松　　本　　　　　弘　　茨城系：究
所内 ９発　明　者　川　上　　　潤　三　茨城系：究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、複数バーナから成るボイラの燃焼状態を監視制御す
   る装置において、個別のバーナ燃焼火炎の輝度画像を他
   のバーナのものと識別監視し、該情報を用いてバーナの
   燃焼状態を制御することを特徴とするバーナ燃焼状態監
   視制御方法。