WO2024176281A1 - 加熱炉の熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法 - Google Patents

加熱炉の熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法 Download PDF

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heat flux
temperature
environmental temperature
estimated
acquisition device
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淳一郎 加次
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Chiyoda Corp
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Chiyoda Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat

Definitions

  • the present invention relates to a heat flux acquisition device, a heat flux acquisition system, and a heat flux acquisition method for acquiring the heat flux of an object in a heating furnace.
  • Patent No. 7111583 Chinese Patent Application Publication No. 113970388
  • the heat flux through heating tubes, etc. is an important indicator related to various phenomena in the heating furnace (for example, the occurrence of coking and film boiling).
  • the present invention aims to provide a heat flux acquisition device, a heat flux acquisition system, and a heat flux acquisition method that can easily acquire the local heat flux of an object in a heating furnace.
  • one aspect of the present invention is a heat flux acquisition device (4) that acquires the heat flux of an object (12) in a heating furnace (2), and includes a processor that executes processing to acquire the heat flux of the object, and the processor acquires an object point temperature measured by a temperature sensor (23) for an object point on the outer surface of the object, acquires an environmental temperature corresponding to the object point, and calculates a local heat flux for the object point based on the object point temperature and the corresponding environmental temperature.
  • This aspect makes it easy to obtain the local heat flux of an object inside a heating furnace.
  • the local heat flux may be calculated based on the energy radiated toward the object, which is calculated based on the environmental temperature, and the energy radiated from the object, which is calculated from the object point temperature.
  • the local heat flux of an object in a heating furnace can be easily calculated based on the environmental temperature and the object point temperature.
  • the heating furnace may be a tubular heating furnace (2), and the object may include a heating tube (12) of the tubular heating furnace.
  • This aspect makes it easy to obtain the local heat flux of the heating tube inside the heating furnace.
  • the environmental temperature may be an estimated environmental temperature estimated based on the corresponding target point temperature when the target point is measured by the thermograph (22).
  • the accuracy of the environmental temperature can be improved by obtaining an environmental temperature estimated based on the measurement of the target point by thermography (i.e., the estimated environmental temperature).
  • the environmental temperature is a corrected environmental temperature obtained by calculation
  • the heated pipe has one or more segments (G 1 -G 9 ) and a plurality of target points (P 1-1 -P 1-8 ) set for each of the segments
  • the corrected environmental temperature is calculated based on at least the target point temperatures measured by the temperature sensors for each of the target points, the heat quantity of the heated fluid flowing into the heated pipe, and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heated pipe.
  • the accuracy of the environmental temperature can be improved by obtaining an environmental temperature corrected based on the heat quantity of the heated fluid (i.e., a corrected environmental temperature).
  • the processor may acquire the temperature of each of the target points, acquire an estimated environmental temperature in the furnace corresponding to each of the segments, which is estimated based on the corresponding temperature of each of the target points, calculate an estimated local heat flux for each of the target points based on each of the target point temperatures and the estimated environmental temperature corresponding thereto, calculate an estimated segment average heat flux or estimated segment heat input for each of the segments based on the estimated local heat flux, acquire an estimated average heat flux or estimated heat input for the heating tube based on the estimated segment average heat flux or estimated segment heat input, calculate an actual average heat flux or actual heat input for the heating tube based on the heat quantity of the heated fluid flowing into the heating tube and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heating tube, and calculate the corrected environmental temperature by correcting the estimated environmental temperature so that the estimated average heat flux matches the actual average heat flux or so that the estimated heat input matches the actual heat input.
  • the accuracy of the environmental temperature can be improved by calculating a corrected environmental temperature (i.e., corrected environmental temperature) using the heat flux or heat input of each segment based on each target point temperature and its corresponding estimated environmental temperature (i.e., estimated segment heat flux or estimated segment heat input) and the heat flux or heat input based on the heat quantity of the heated fluid (i.e., actual average heat flux or actual heat input).
  • corrected environmental temperature i.e., corrected environmental temperature
  • each of the segments includes sub-segments (G 1-1 -G 1-8 ) set corresponding to each of the target points, and the processor calculates the estimated segment average heat flux for each of the segments based on a weighted average using the surface area (s 1-1 -s 1-8 ) of each of the sub-segments as a weight for the local heat flux for the corresponding target point.
  • the heat flux for each segment can be obtained with high accuracy by taking into account the surface area of each subsegment set corresponding to each target point.
  • the heating pipe has a plurality of segments including one representative segment and subordinate segments other than the representative segment, the estimated environmental temperature of the subordinate segment is expressed using a temperature ratio to the estimated environmental temperature of the representative segment, and the processor calculates the corrected environmental temperature of the representative segment and calculates the corrected environmental temperature of the subordinate segment based on the corrected environmental temperature of the representative segment and the temperature ratio.
  • the corrected environmental temperature of the subordinate segment is calculated based on the corrected environmental temperature of the representative segment, so the corrected environmental temperature of each segment can be easily obtained.
  • a storage device (32) that stores the temperature ratio between the estimated environmental temperature of the subordinate segment and the estimated environmental temperature of the representative segment.
  • This aspect makes it easy to utilize the temperature ratio between the estimated environmental temperature of the subordinate segment and the estimated environmental temperature of the representative segment.
  • the processor may acquire the temperature of each of the object points, acquire the corrected environmental temperature of the representative segment and the corrected environmental temperature of the dependent segment, and calculate the local heat flux for the object point based on the object point temperature and the corresponding corrected environmental temperature of the representative segment and the corrected environmental temperature of the dependent segment.
  • the corrected environmental temperature of each subordinate segment can be easily calculated from the corrected environmental temperature of the representative segment even if the operating conditions of the heating furnace 2 are changed, thereby reducing the load of the calculation process of the local heat flux for each target point.
  • the processor may further calculate a target point temperature for the target point based on the corrected environmental temperature of the representative segment and the corrected environmental temperature of the dependent segment.
  • the target point temperature can be obtained without the need for measurement.
  • the device may further include a storage device (32), and the processor may further calculate an actual average heat flux for the heating tube based on the heat quantity of the heated fluid flowing into the heating tube and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heating tube, calculate a heat flux ratio between the actual average heat flux and the local heat flux, and store the heat flux ratio in the storage device.
  • the processor may further calculate an actual average heat flux for the heating tube based on the heat quantity of the heated fluid flowing into the heating tube and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heating tube, calculate a heat flux ratio between the actual average heat flux and the local heat flux, and store the heat flux ratio in the storage device.
  • This aspect makes it easy to utilize the heat flux ratio between the actual average heat flux and the local heat flux.
  • the processor may obtain the heat flux ratio stored in the storage device, calculate an actual average heat flux for the heating tube based on the heat quantity of the heated fluid flowing into the heating tube and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heating tube, and obtain the local heat flux based on the heat flux ratio and the actual average heat flux.
  • the load of the calculation process of the local heat flux is reduced by using the heat flux ratio obtained in the past.
  • the heat flux ratio obtained in the past there is an advantage in that it is no longer necessary to measure the target point temperature of the heating pipe, and there is no need to obtain the environmental temperature or correct it.
  • a storage device may be further provided, and the processor may store the operating conditions of the heating furnace and the environmental temperature under those operating conditions in the storage device, and construct a machine learning model that uses the operating conditions stored in the storage device as input and outputs the environmental temperature.
  • a machine learning model constructed based on past operating conditions of the heating furnace and the environmental temperatures under those operating conditions can be used to accurately obtain the corresponding environmental temperature from the current operating conditions (or planned operating conditions).
  • the processor may acquire the environmental temperature by inputting new operating conditions of the heating furnace into the machine learning model, and calculate the local heat flux based on the acquired environmental temperature and the target point temperature on the outer surface of the object.
  • the local heat flux can be calculated with high accuracy based on the environmental temperature obtained by the machine learning model.
  • the operating conditions may include the combustion conditions of the heating furnace and the operating conditions of the burners in the heating furnace.
  • the environmental temperature (and therefore the local heat flux) can be obtained with high accuracy using appropriate operating conditions.
  • the temperature sensor may include a wavelength distribution type radiation thermometer.
  • the temperature of the target point can be obtained with high accuracy even when the measurement is performed without contacting the target.
  • the processor may generate an image that visualizes the distribution of the local heat flux.
  • the user can easily check various phenomena occurring within the heating furnace (e.g., the occurrence of coking or film boiling) based on an image that visualizes the distribution of local heat flux.
  • various phenomena occurring within the heating furnace e.g., the occurrence of coking or film boiling
  • the heating pipe has one or more segments (G 1 -G 9 ) and a plurality of target points set for each segment, and the processor may obtain a temperature distribution of the object measured by a thermograph (32) using the estimated environmental temperature.
  • This aspect makes it possible to obtain the temperature of objects in a heating furnace over a wide range using thermography.
  • the processor may obtain the temperature in the temperature distribution of the object as the object point temperature.
  • This embodiment allows for greater freedom in setting the target point on the object. It also has the advantage of making it easy to obtain the target point temperature over a wide range of the object.
  • one aspect of the present invention is a heat flux acquisition system including the above heat flux acquisition device, which includes a wavelength distribution type radiation thermometer (23) included in the temperature sensor, and a thermograph (22) for acquiring the environmental temperature.
  • This aspect makes it easy to obtain the local heat flux of an object inside a heating furnace.
  • one aspect of the present invention is a heat flux acquisition method for acquiring the heat flux of an object (12) in a heating furnace (2), in which a computer (4) acquires an object point temperature measured by a temperature sensor (12) for an object point on the outer surface of the object, acquires an environmental temperature corresponding to the object point, and calculates a local heat flux for the object point based on the object point temperature and the corresponding environmental temperature.
  • This aspect makes it easy to obtain the local heat flux of an object inside a heating furnace.
  • the above aspect makes it easy to obtain the local heat flux of an object inside a heating furnace.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a flow of a heat flux acquisition process performed by the heat flux acquisition device 4.
  • FIG. 5 is a flow diagram showing a first modified example of the heat flux acquisition process shown in FIG.
  • FIG. 5 is a flow diagram showing a second modified example of the heat flux acquisition process shown in FIG.
  • the heat flux acquisition system 1 includes an on-site equipment 3 for acquiring various information and measurement data related to the heating furnace 2.
  • the heat flux acquisition system 1 also includes a heat flux acquisition device 4 for acquiring the heat flux of an object in the heating furnace 2.
  • the on-site equipment 3 and the heat flux acquisition device 4 can communicate with each other via a communication network 5 such as a LAN (Local Area Network) or the Internet.
  • a communication network 5 such as a LAN (Local Area Network) or the Internet.
  • the on-site equipment 3 and the heat flux acquisition device 4 may also be directly connected by a communication cable.
  • the heating furnace 2 has a known configuration used as plant equipment.
  • the heating furnace 2 is a tubular heating furnace, but may have other configurations.
  • Inside the casing 11 i.e., inside the heating furnace 2, there are provided a heating tube 12 through which the heated fluid flows, and a combustion device 13 including a burner.
  • the heating tube 12 is formed of a circular tube, but may have other configurations.
  • the heating tube 12 is heated by the heat of the flame or combustion gas of the combustion device 13.
  • Inside the heating furnace 2 there are provided an upper area 14 that heats (or preheats) the heated fluid, and a lower area 15 that heats the heated fluid heated in the upper area 14.
  • multiple observation windows are provided in appropriate positions (e.g., in the side wall) of the casing 11 to observe the inside of the heating furnace 2.
  • the target (i.e., object) for obtaining heat flux in the heating furnace 2 is the heating tube 12, which is heated mainly by radiative heat transfer (i.e., radiation heat transfer).
  • the target for obtaining such heat flux is not limited to the heating tube 12, and may be other components in the heating furnace 2 (e.g., the inner wall of the casing 11).
  • a slab in a heating furnace for heating slabs may be the target for obtaining heat flux.
  • the on-site equipment 3 includes a measuring device 21 for the heated fluid, a thermograph 22, a two-color thermometer 23 (an example of a temperature sensor), and a terminal device 24.
  • the measuring instruments 21 for the heated fluid are attached to appropriate locations of the heating pipe 12 (e.g., the inlet, outlet, and middle part of the heating pipe 12 for the heated fluid).
  • the measuring instruments 21 may include a thermometer, a flowmeter, and a pressure gauge for measuring the temperature, flow rate, and pressure, respectively, of the heated fluid.
  • the thermograph 22 has a known configuration and non-contactly measures the outer surface temperature of the heating tube 12 in a specified measurement area based on infrared rays emitted from the heating tube 12 in the heating furnace 2. Measurements using the thermograph 22 are performed through a viewing window in the heating furnace 2. Multiple thermographs 22 may be provided to simultaneously measure multiple measurement areas in the heating tube 12.
  • the two-color thermometer 23 has a known configuration and non-contactly measures the temperature (hereinafter referred to as the target point) of a specific portion on the outer surface of the heating tube 12 based on two different measurement wavelengths. Measurement by the two-color thermometer 23 is performed through a sight glass, similar to the thermograph 22. Multiple two-color thermometers 23 may be provided to simultaneously measure multiple target points on the heating tube 12. Note that the measurement of the target point temperature of the heating furnace 2 is not limited to the two-color thermometer 23, and may be performed by other wavelength distribution type radiation thermometers. In some cases, the measurement of the target point temperature of the heating furnace 2 may be performed by a known thermometer (e.g., a thermocouple) that is installed in advance in the heating furnace 2.
  • a known thermometer e.g., a thermocouple
  • the terminal device 24 collects various measurement data measured on the heating furnace 2. Such measurement data includes data measured by the measuring device 21 for the heated fluid, the thermograph 22, and the two-color thermometer 23. Furthermore, the measurement data may include data obtained by performing a predetermined calculation process using the measured data (i.e., data measured indirectly).
  • the terminal device 24 is communicatively connected to the heat flux acquisition device 4 via the communication network 5, and transmits the collected measurement data to the heat flux acquisition device 4 as appropriate.
  • the terminal device 24 can also store specification data of the heating furnace 2 and transmit the data to the heat flux acquisition device 4.
  • the specification data of the heating furnace 2 includes data required for calculation process for acquiring the heat flux by the heat flux acquisition device 4 (e.g., data related to the physical property values, size, position, etc. of the heating tube 12).
  • the terminal device 24 may be used as a control device for controlling the operation of the heating furnace 2.
  • the terminal device 24 is composed of a computer equipped with known hardware.
  • the terminal device 24 is appropriately equipped with known hardware such as one or more processors, memory, a display, an input device, a network interface, and storage. At least some of the functions of the terminal device 24 can be realized by the processor executing a predetermined control program. Note that in the heat flux acquisition system 1, at least some of the functions of the terminal device 24 described above may be realized by multiple computers working together.
  • the heat flux acquisition device 4 has a control unit 31, a memory unit 32, and a communication unit 33.
  • the data acquisition unit 41 acquires measurement data and specification data related to the heating furnace 2 received from the terminal device 24 via the communication unit 33.
  • the measurement data acquired by the measuring device 21 and the specification data of the heating furnace 2 are stored in the memory unit 32 as heating furnace data 51.
  • the measurement data related to the temperature of the heating tube 12 acquired by the thermograph 22 and the two-color thermometer 23 are stored in the memory unit 32 as heating tube temperature data 52.
  • the measurement data related to the environmental temperature acquired by the thermograph 22 i.e., the temperature around the heating tube 12 in the heating furnace 2 is stored in the memory unit 32 as environmental temperature data 53.
  • the corresponding environmental temperature differs depending on the position of the part of the heating tube 12 (e.g., the relative position to the flame of the combustion device 13). As described later, the environmental temperature is indirectly measured by the thermograph 22 (i.e., calculated or estimated based on other measured data).
  • the heating furnace data 51 includes position data within the heating furnace 2.
  • position data may include, for example, global coordinate data corresponding to the position of each target point on the heating tube 12.
  • the positions of the measurement points using the thermograph 22 or two-color thermometer 23 can also be determined using global coordinates (i.e., the measured temperature, etc. can be associated with global coordinates).
  • coordinate data uniquely set for the heating furnace 2 may also be used.
  • the heat flux calculation unit 42 calculates a local heat flux (an example of an estimated local heat flux) at a target point of the heating pipe 12 based on the heating pipe temperature data 52 (here, the target point temperature of each target point) and the environmental temperature data 53 (here, the environmental temperature corresponding to each target point). As described later, the heat flux calculation unit 42 may calculate a local heat flux based on a corrected environmental temperature. Furthermore, the heat flux calculation unit 42 can calculate an average heat flux (hereinafter referred to as an estimated average heat flux) for the entire heating pipe 12 based on the local heat fluxes at a plurality of target points.
  • the estimated average heat flux does not necessarily have to be a heat flux for the entire heating pipe 12, and may be a heat flux for a predetermined section of the heating pipe 12 (for example, segments G 1 -G 9 described later).
  • the heat flux calculation unit 42 may calculate the amount of heat input to the entire heating tube 12 (hereinafter referred to as the estimated average heat input amount) based on the amount of heat input at multiple target points instead of or in addition to the estimated average heat flux.
  • the heat flux calculation unit 42 can calculate an average heat flux (hereinafter referred to as actual average heat flux) for the entire heated tube 12 based on the heat quantity of the heated fluid flowing into the heated tube 12 and the heat quantity of the heated fluid flowing out of the heated tube 12 (i.e., the amount of heat input to the heated fluid that has flowed through the heated tube 12).
  • the actual average heat flux does not necessarily have to be the heat flux for the entire heated tube 12, and may be the heat flux for a predetermined section of the heated tube 12 (for example, segments G 1 -G 9 described later).
  • the heat flux calculation unit 42 may calculate or estimate the amount of heat input to the entire heating pipe 12 (hereinafter referred to as the actual average heat input amount) from the amount of heat input to the heated fluid that has flowed through the entire heating pipe 12, instead of or together with the actual average heat flux. Also, the actual average heat input amount may be calculated or estimated from the sum of the amounts of heat input to the heated fluid that has flowed through each section (e.g., segments G 1 -G 9 described later) of the heating pipe 12 that includes a plurality of target points.
  • the actual average heat input amount may be calculated or estimated from the sum of the amounts of heat input to the heated fluid that has flowed through each section (e.g., segments G 1 -G 9 described later) of the heating pipe 12 that includes a plurality of target points.
  • Heat flux data 54 Data relating to the local heat flux, estimated average heat flux, estimated average heat input, actual average heat flux, actual average heat input, etc. calculated by the heat flux calculation unit 42 are stored in the storage unit 32 as heat flux data 54.
  • the heat flux calculation unit 42 can calculate the heat flux ratio between the actual average heat flux and the local heat flux at each target point, and store it in the storage unit 32 as heat flux data 54. This allows the heat flux calculation unit 42 to calculate the local heat flux based on the data of the heat flux ratio calculated in the past and the actual average heat flux, even if the operating conditions are changed.
  • the heat flux ratio data is stored in the storage unit 32 as part of the heat flux data 54.
  • the environmental temperature correction unit 43 obtains the corrected environmental temperature by correcting the environmental temperature received from the terminal device 24 based on the estimated average heat flux and the actual average heat flux.
  • the corrected environmental temperature data calculated by the environmental temperature correction unit 43 is stored in the memory unit 32 as environmental temperature data 53. More specifically, when the corrected environmental temperature is calculated by the environmental temperature correction unit 43, the environmental temperature already stored in the memory unit 32 is updated by the corrected environmental temperature. Note that the environmental temperature correction unit 43 may obtain the corrected environmental temperature by correcting the initial value of the environmental temperature previously stored in the memory unit 32, instead of the environmental temperature received from the terminal device 24.
  • the heat flux distribution generating unit 44 generates an image (hereinafter referred to as a heat flux visualization image) in which the distribution of local heat flux at multiple target points of the heating tube 12 is visualized by coloring (i.e., color change) based on the data of the local heat flux calculated by the heat flux calculating unit 42.
  • the heat flux visualization image is transmitted to the terminal device 24 and displayed on the display of the terminal device 24. This allows the user to easily check various phenomena occurring in the heating furnace 2 (for example, the occurrence of coking or film boiling in the heating tube 12) based on the heat flux visualization image.
  • Data related to the heat flux visualization image generated by the heat flux distribution generating unit 44 is stored in the storage unit 32 as heat flux image data 55.
  • the control unit 31 can acquire temperature measurement data of the thermograph 22 (i.e., the temperature distribution of the heating tube 12 in a specified measurement area) corrected using the corrected environmental temperature, and acquire the temperature in the temperature distribution as the target point temperature. This enables the control unit 31 to calculate the local heat flux for more locations (locations on the outer surface of the heating tube 12 other than the target points measured by the two-color thermometer 23) based on the target point temperatures acquired by measurement with the thermograph 22 and the corresponding environmental temperatures.
  • the control unit 31 can execute a process for acquiring the heat flux of the heating pipe 12 in the heating furnace 2 (hereinafter referred to as the heat flux acquisition process).
  • the memory unit 32 may be configured with hardware such as storage (an example of a memory device) for storing data and information necessary for the heat flux acquisition process by the heat flux acquisition device 4 as described above.
  • storage an example of a memory device
  • the communication unit 33 may be configured with hardware including an antenna, a communication circuit, etc., for the heat flux acquisition device 4 to communicate with the terminal device 24, etc., via the communication network 5.
  • the control unit 31 may also function as a communication control unit that controls the communication between the communication unit 33 and the terminal device 24, etc.
  • the heat flux acquisition device 4 is composed of a computer such as a server equipped with known hardware.
  • the heat flux acquisition device 4 is appropriately equipped with known hardware such as one or more processors, memory, a display, an input device, a network interface, and storage.
  • At least some of the functions of each of the units 41-44 in the control unit 31 can be realized by the processor executing a predetermined control program.
  • the processor executing a predetermined control program.
  • the functions of the heat flux acquisition device 4 described above may be realized by multiple computers working together.
  • at least some of the functions of the heat flux acquisition device 4 may be possessed by the terminal device 24.
  • the heating tubes 12 are arranged in a three-dimensional space, but for the sake of convenience, they are arranged in planar rectangular areas A1-A9 observed from one side of the heating furnace 2 (e.g., the observation window side).
  • the heating tubes 12 extend from top to bottom while reciprocating left and right within the heating furnace 2.
  • the heated fluid flows in from the inlet 12A of the heating tube 12, flows through the heating tube 12 and is heated, and then flows out from the outlet 12B of the heating tube 12.
  • the heating tube 12 and the heated fluid flowing through it are heated by the flame or exhaust gas of a burner arranged below.
  • each of the portions of the heating pipe 12 in the areas A1- A9 (hereinafter, each of the portions will be referred to as segments G 1 -G 9 ) are set to S 1 -S 9 , respectively.
  • the environmental temperatures of the areas A1-A9 corresponding to the segments G 1 -G 9 of the heating pipe 12 are set to T B1 -T B9 , respectively.
  • each of the segments G 1 -G 9 may be divided into a plurality of segments in the longitudinal direction, so that a plurality of sub-segments may be set for each of the segments G 1 -G 9.
  • the target points P 1-1 -P 1-8 of the heating pipe 12 may be set, for example, to the representative positions (for example, the center in the longitudinal direction) of the sub-segments G 1-1 -G 1-8 . Furthermore, the target point temperatures T R1-1 to T R1-8 of the target points P 1-1 to P 1-8 become the representative temperatures of the sub-segments G 1-1 to G 1-8 . Target points and sub-segments are set for the other areas A2 to A9 in the same manner as for area A1.
  • the number and size (i.e., range) of the areas, segments, and subsegments set for the heating furnace 2 are not limited to those shown in FIG. 3 and may be modified in various ways. Also, subsegments may be omitted.
  • target point temperatures T R1-1 -T R1-8 measured by the two-color thermometer 23 are acquired (ST101).
  • the heat flux acquisition device 4 acquires an environmental temperature T B1 (an example of an estimated environmental temperature) obtained by tuning during measurement by the thermograph 22, which will be described later, for each of the target points P 1-1 to P 1-8 (ST102).
  • T B1 an example of an estimated environmental temperature
  • the heat flux acquisition device 4 calculates the local heat fluxes q1-2 - q1-8 for each of the target points P1-1 - P1-8 based on the target point temperatures T1-1 - T1-8 and the environmental temperature T1 (ST103).
  • the local heat flux q1-1 [W/ m2 ] at the target point P1-1 can be obtained from the following formula (1).
  • T R1-1 Outer surface temperature at target point P 1-1 of heating tube 12 [K]
  • T B1 Ambient temperature of area A1 [K]
  • ⁇ emissivity of the heating tube 12
  • Stefan-Boltzmann constant (5.67 ⁇ 10-8 [W/( m2 ⁇ K4 )])
  • the local heat fluxes q 1-2 -q 1-8 [W/m 2 ] at the other target points P 1-2 -P 1-8 can also be obtained in the same manner as the local heat flux q 1-1 at the target point P 1-1 .
  • the heat flux acquisition device 4 can acquire local heat flux throughout the entire heating tube 12 by repeatedly executing the same process as steps ST101-ST103 described above for the other areas A2-A9.
  • E(T) [J] of the infrared rays incident on the thermograph 22 in measuring the temperature of the heating tube 12 can be expressed by the following formula (2).
  • E(T) ⁇ E(T R )+(1 ⁇ ) ⁇ E(T B )...(2)
  • the symbols are as follows: E(T R ): Radiant energy from the heating tube 12 [J]
  • T Temperature reading by thermography 22 [K]
  • T R Outer surface temperature of the heating tube 12 (i.e., true temperature) [K]
  • T B Ambient temperature [K] ⁇ : emissivity of the heating tube 12
  • the measurement value of the two-color thermometer 23 can be used as the outer surface temperature TR of the heating tube 12.
  • the two-color thermometer 23 i.e., a wavelength distribution type radiation thermometer
  • the user can set the environmental temperature T B so that the temperature indication value T by the thermograph 22 at a certain target point matches the measurement value T Rm by the two-color thermometer 23 at the same target point.
  • T 1-j Temperature indication value [K] of the target point by the thermograph 22
  • the environmental temperatures T B2 -T B9 of the other areas A2-A9 can be set in the same manner as the environmental temperature T B1 of the area A1.
  • the set environmental temperatures T B1 -T B9 are input to the terminal device 24 and transmitted to the heat flux acquisition device 4.
  • Such tuning during measurement by the thermographer 22 may be performed automatically without user operation.
  • the thermographer 22 can acquire the target point temperature T Ri-j measured by the two-color thermometer 23, for example, through short-range communication with the two-color thermometer 23.
  • the local heat flux calculated in step ST103 (for example, local heat flux q 1-2 -q 1-8 [W/m 2 ]) is a heat flux value at a predetermined portion in the circumferential direction of the circular heating tube 12.
  • the heat flux and temperature in the circumferential direction may differ depending on the relative position with respect to the flame of the combustion device 13.
  • the heat flux distribution in the circumferential direction of the tube can be determined based on the tube diameter, tube space, and arrangement, for example, in accordance with API (American Petroleum Institute) 530. Similarly, by appropriately setting the ratio to the local heat flux obtained in ST103, the heat flux (i.e., three-dimensional heat flux distribution) in each part in the circumferential direction of the heating tube 12 can be obtained.
  • the average local heat flux in the circumferential direction in a specific subsegment can be obtained, for example, by using a flame front ratio ⁇ 1, and when the flame front ratio in the subsegment G 1-1 of the area A1 is ⁇ 1, the average local heat flux q 1-1ave can be obtained as q 1-1 / ⁇ 1.
  • steps ST201-ST203 similar to steps ST101-ST103 in FIG. 4 are executed as shown in FIG. 5. This allows the local heat flux to be acquired throughout the entire heating tube 12 (i.e., in areas A1-A9).
  • the heat flux acquisition device 4 calculates an estimated average heat flux (ST204).
  • the heat flux acquisition device 4 first calculates an estimated segment average heat flux q1total for the segment G1 for the area A1 based on a weighted average using the outer surface areas S1-1-S1-8 of the sub-segments G1-1 - G1-8 as weights for the local heat fluxes q1-1-q1-8 for the corresponding target points P1-1 - P1-8 .
  • the above-mentioned average local heat flux in the circumferential direction may be used as the value of q1-1 - q1-8 .
  • the estimated segment average heat flux q 1total [W/m 2 ] for the segment G1 can be obtained from the following equation (4).
  • the estimated segment average heat fluxes q 2total -q 9total for the segments G2-G9 in the areas A2-A9 can also be determined in the same manner as the estimated segment average heat flux q 1total for the segment G1.
  • the heat flux acquisition device 4 can calculate the average value of these estimated segment average heat fluxes q 1total -q 9total as the estimated average heat flux q AVG in the entire heating tube 12.
  • the heat flux acquisition device 4 calculates the actual average heat flux (ST205).
  • the heat flux acquisition device 4 can calculate the actual average heat flux q REAL [W/m 2 ] from the following formula (5).
  • q REAL MF ⁇ (H OUT - H IN )/S ALL ...(5)
  • M F Mass flow rate of heated fluid [kg/s]
  • H IN Specific enthalpy of the heated fluid flowing into the heating tube 12 [J/kg]
  • H OUT Specific enthalpy of the heated fluid flowing out of the heating tube 12 [J/kg]
  • the heat flux acquisition device 4 corrects the environmental temperature acquired in ST202 so that the estimated average heat flux q AVG in formula (4) coincides with the actual average heat flux q REAL in formula (5) (ST206). In other words, the heat flux acquisition device 4 calculates the corrected environmental temperature so that the estimated average heat flux q AVG coincides with the actual average heat flux q REAL .
  • the heat flux acquisition device 4 calculates a corrected local heat flux based on the calculated corrected ambient temperature, similar to step ST202 (ST207).
  • the heat flux acquisition device 4 can acquire local heat flux throughout the entire heating tube 12.
  • the heat flux acquisition device 4 can set one of the segments G1 - G9 (segment G1 in this case) as the representative segment and the other segments (segments G2 - G9 in this case) as subordinate segments. Furthermore, the heat flux acquisition device 4 can set temperature ratios between the environmental temperatures T B2 -T B9 corresponding to the subordinate segments G2 - G9 , respectively, and the environmental temperature T B1 corresponding to the representative segment G1 . Each set temperature ratio is stored in the storage unit 32 as a part of the environmental temperature data 53.
  • the temperature ratio ⁇ B2 between the environmental temperature T B2 corresponding to the subordinate segment G2 and the environmental temperature T B1 corresponding to the representative segment G1 can be expressed as a ratio of their fourth powers, as shown in the following equation (6).
  • T B2 4 ⁇ B2 ⁇ T B1 4 ...(6)
  • the temperature ratios ⁇ B3 - ⁇ B9 between the environmental temperatures T B3 -T B9 and T B1 corresponding to the other subordinate segments G 3 -G 9 , respectively, can be expressed in the same manner as the temperature ratio ⁇ B2 for the subordinate segment G2.
  • the heat flux acquisition device 4 can acquire (or calculate) the environmental temperature T B1 of the representative segment G1 and newly calculate the environmental temperatures T B2 - T B9 of the subordinate segments G2-G9 from the environmental temperature T B1 , even if, for example, the operating conditions of the heating furnace 2 are changed. This reduces the load of the calculation process of the environmental temperature (and therefore the local heat flux) performed by the heat flux acquisition device 4.
  • the environmental temperature of the subordinate segment is calculated from the environmental temperature of the representative segment and the environmental temperature ratio obtained from the operating data, and the heat flux at each target point is obtained using the target point temperatures and the environmental temperatures at each target point of all segments.
  • the target point temperature may be a value measured by a temperature sensor, or may be a value calculated by a separate calculation.
  • the local heat flux q i-j at a target point can be expressed as the following formula (7) using the outer surface temperature (i.e., target point temperature) T Ri-j [K] and the inner surface temperature T Ii-j [K] of the heating tube 12 at the target point, as well as the thermal resistance R i-j [m 2 ⁇ K/W].
  • R Ri-j Thermal resistance of scale attached to the outer surface of the heating tube [ m2 K/W]
  • R Ii-j Thermal resistance of the scale attached to the inner surface of the heating tube [ m2 ⁇ K/W]
  • h i-j Heat transfer coefficient of the flow inside the tube [W/(m K)]
  • the inner surface temperature T Ii-j [K] corresponds to the temperature of the heated fluid inside the pipe at the target point and can be expressed as the following equation (8).
  • T R1-1 the outer surface temperature [K] at the target point P 1-1 of the heating pipe 12
  • the outer surfaces of the other target points can also be calculated in the same manner as for the target point P 1-1 .
  • the operating conditions of the heating furnace 2 include the combustion conditions in the heating furnace 2 (e.g., fuel composition, fuel pressure, fuel flow rate, etc.).
  • the operating conditions can also include the operating conditions of each burner (fuel supply (injection) pressure, air volume, etc.) and the conditions inside the furnace (furnace temperature, flame shape and size), etc.
  • the heat flux acquisition device 4 acquires data on the current operating conditions (or planned operating conditions) of the heating furnace 2, and can estimate data on the environmental temperatures T B1 -T B9 of each segment G1 -G9 using a machine learning model.
  • the machine learning model may be stored in a server or the like that can communicate with the heat flux acquisition device 4 via the communication network 5. Also, data on past operating conditions in the heating furnace 2 and on each local heat flux under each operating condition may be prepared, and the heat flux acquisition device 4 may use this data as training data to construct a machine learning model.
  • the heat flux acquisition device 4 may also use a machine learning model constructed by a computer such as another information processing device.
  • Heat flux acquisition system 2 Heating furnace 3: On-site equipment 4: Heat flux acquisition device 5: Communication network 11: Casing 12: Heating pipe 12A: Inlet 12B: Outlet 13: Combustion device 14: Upper area 15: Lower area 21: Measuring instrument 22: Thermography 23: Two-color thermometer 24: Terminal device 31: Control unit 32: Memory unit 33: Communication unit 41: Data acquisition unit 42: Heat flux calculation unit 43: Ambient temperature correction unit 44: Heat flux distribution generation unit 51: Heating furnace data 52: Heating pipe temperature data 53: Ambient temperature data 54: Heat flux data 55: Heat flux image data A1-A9: Areas G1 - G9 : Segments G1-1 - G1-8 : Sub-segments

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Abstract

【課題】加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得可能とする。 【解決手段】熱流束取得装置４は、であって、加熱炉２内における対象物１２の熱流束を取得するための処理を実行するプロセッサを備え、プロセッサは、対象物１２の外表面における対象点について温度センサ２３によって測定された対象点温度を取得し、対象点に対応する環境温度を取得し、対象点温度およびそれに対応する環境温度に基づき、対象点に関する局所熱流束を算出する構成とする。

Description

加熱炉の熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法
　本発明は、加熱炉内における対象物の熱流束を取得するための熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法に関する。
　従来、エチレン生成分解炉のコイル外表面温度の推定方法であって、被撮像領域に相対的に温度が高い箇所が存在する場合にも、その部分の温度を反映してコイルの外表面温度を推定する方法が知られている（特許文献１参照）。この従来の方法では、コイルの被撮像領域を撮像するための撮像カメラとして、ＲＧＢの各波長における各受光画素での輝度を出力するカラービデオカメラ、１μｍ以上３μｍ未満の単一波長における輝度を測定する単色ビデオカメラ、又は１μｍ以上３μｍ未満の第１波長および第２波長の輝度の比を測定する２センサーカメラが用いられる。
　また、建物外表面の放射熱流束の測定方法であって、赤外線画像技術に基づいて、建物外表面における放射熱流束を定量的に測定することを目的とした方法が知られている（特許文献２参照）。この従来の方法では、建物外表面の正味の放射熱流を求めるにあたり、赤外線サーモグラフィ画像を撮影し、得られた画像の解析処理が行われる。
特許第７１１１５８３号公報 中国特許出願公開第１１３９７０３８８号公報
　ところで、プラント設備として用いられる加熱炉において、加熱管等に関する熱流束は、加熱炉における種々の現象（例えば、コーキングや膜沸騰の発生）などに関わる重要な指標である。
　一方、上記特許文献１、２に記載された従来技術のように、カメラやサーモグラフィを用いて対象物の温度または熱流束を推定または測定する方法は知られているが、加熱炉内の対象物の所望の部位における熱流束（すなわち、局所熱流束）を簡易に取得する方法は普及していない。
　本発明は、以上の背景に鑑み、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得可能な熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法を提供することを課題とする。
　上記課題を解決するために本発明のある態様は、加熱炉（２）内における対象物（１２）の熱流束を取得する熱流束取得装置（４）であって、前記対象物の熱流束を取得するための処理を実行するプロセッサを備え、前記プロセッサは、前記対象物の外表面における対象点について温度センサ（２３）によって測定された対象点温度を取得し、前記対象点に対応する環境温度を取得し、前記対象点温度およびそれに対応する前記環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出する構成とする。
　この態様によれば、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得することができる。
　上記の態様において、前記局所熱流束は、前記環境温度に基づいて算出される前記対象物に向けて放射されるエネルギと、前記対象点温度から算出される前記対象物から放射されるエネルギとに基づいて算出されるとよい。
　この態様によれば、環境温度および対象点温度に基づき、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に算出することができる。
　上記の態様において、前記加熱炉は、管式加熱炉（２）であり、前記対象物は、前記管式加熱炉の加熱管（１２）を含むとよい。
　この態様によれば、加熱炉内における加熱管の局所熱流束を容易に取得することができる。
　上記の態様において、前記環境温度は、サーモグラフィ（２２）による前記対象点の測定において、前記対応する対象点温度に基づき推定される推定環境温度であるとよい。
　この態様によれば、サーモグラフィによる対象点の測定に基づき推定された環境温度（すなわち、推定環境温度）を取得することにより、環境温度の精度を向上させることができる。
　上記の態様において、前記環境温度は、演算によって求められる補正環境温度であり、前記加熱管は、１以上のセグメント（Ｇ１－Ｇ９）及び当該各セグメントに対してそれぞれ設定される複数の対象点（Ｐ１－１－Ｐ１－８）を有し、前記補正環境温度は、少なくとも、前記各対象点について前記温度センサによってそれぞれ測定された対象点温度と、前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量とに基づき算出されるとよい。
　この態様によれば、被加熱流体の熱量に基づき補正された環境温度（すなわち、補正環境温度）を取得することにより、環境温度の精度を向上させることができる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記各対象点温度を取得し、前記各セグメントにそれぞれ対応する炉内の推定環境温度であって、前記対応する各対象点温度に基づき推定される、推定環境温度を取得し、前記各対象点温度およびそれに対応する前記推定環境温度に基づき、前記各対象点に関する推定局所熱流束を算出し、前記推定局所熱流束に基づき、前記各セグメントに関する推定セグメント平均熱流束又は推定セグメント入熱量を算出すると共に、当該推定セグメント平均熱流束又は推定セグメント入熱量に基づいて、前記加熱管に関する推定平均熱流束又は推定入熱量を取得し、前記加熱管に流入する前記被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束又は実入熱量を算出し、前記推定平均熱流束を前記実平均熱流束に一致させるように、又は前記推定入熱量を前記実入熱量に一致させるように、前記推定環境温度を補正することによって前記補正環境温度を算出するとよい。
　この態様によれば、各対象点温度およびそれに対応する推定環境温度に基づく各セグメントの熱流束又は入熱量（すなわち、推定セグメント熱流束又は推定セグメント入熱量）と、被加熱流体の熱量に基づく熱流束又は入熱量（すなわち、実平均熱流束又は実入熱量）とによって、補正された環境温度（すなわち、補正環境温度）を算出することにより、環境温度の精度を向上させることができる。
　上記の態様において、前記各セグメントには、前記各対象点にそれぞれ対応して設定されたサブセグメント（Ｇ１－１－Ｇ１－８）が含まれ、前記プロセッサは、前記各サブセグメントの表面積（ｓ１－１－ｓ１－８）を、それぞれ対応する前記対象点に関する前記局所熱流束の重みとして用いた加重平均に基づき、前記各セグメントに関する前記推定セグメント平均熱流束を算出するとよい。
　この態様によれば、各対象点にそれぞれ対応して設定された各サブセグメントの表面積を考慮することにより、各セグメントに関する熱流束を精度良く取得することができる。
　上記の態様において、前記加熱管は、１つの代表セグメントおよび当該代表セグメント以外の従属セグメントを含む複数のセグメントを有し、前記従属セグメントの前記推定環境温度は、前記代表セグメントの前記推定環境温度に対する温度比を用いて表され、前記プロセッサは、前記代表セグメントの前記補正環境温度を算出し、前記代表セグメントの補正環境温度と前記温度比とに基づいて、前記従属セグメントの前記補正環境温度を算出するとよい。
　この態様によれば、代表セグメントの補正環境温度に基づき従属セグメントの補正環境温度を算出するため、各セグメントの補正環境温度を容易に取得することができる。
　上記の態様において、前記従属セグメントの前記推定環境温度と、前記代表セグメントの前記推定環境温度との前記温度比を記憶する記憶装置（３２）を更に備えるとよい。
　この態様によれば、従属セグメントの推定環境温度と、代表セグメントの推定環境温度との温度比の利用が容易となる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記各対象点温度を取得し、前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度を取得し、前記対象点温度ならびにそれに対応する前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出するとよい。
　この態様によれば、過去に取得された温度比を利用することにより、加熱炉２の運転条件が変更された場合でも、代表セグメントの補正環境温度から各従属セグメントの補正環境温度を容易に算出することができるため、各対象点に関する局所熱流束の算出処理の負荷が軽減される。
　上記の態様において、前記プロセッサは、さらに前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度に基づき、前記対象点に関する対象点温度を算出するとよい。
　この態様によれば、測定を必要とすることなく対象点温度を取得することができる。
　上記の態様において、記憶装置（３２）を更に備え、前記プロセッサは、さらに、前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束を算出し、前記実平均熱流束と前記局所熱流束との熱流束比を算出し、当該熱流束比を前記記憶装置に記憶させるとよい。
　この態様によれば、実平均熱流束と局所熱流束との熱流束比の利用が容易となる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記記憶装置に記憶された前記熱流束比を取得し、前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束を算出し、前記熱流束比と、前記実平均熱流束とに基づいて、前記局所熱流束を取得するとよい。
　この態様によれば、過去に取得された熱流束比を利用することにより、局所熱流束の算出処理の負荷が軽減される。特に、加熱管の対象点温度の測定が不要となり、環境温度の取得やその補正も不要となるという利点がある。
　上記の態様において、記憶装置をさらに備え、前記プロセッサは、前記加熱炉の運転条件と、当該運転条件における前記環境温度とを前記記憶装置に記憶させ、前記記憶装置に記憶された前記運転条件を入力とし、前記環境温度を出力する機械学習モデルを構築するとよい。
　この態様によれば、過去の加熱炉の運転条件および当該運転条件における環境温度に基づき構築された機械学習モデルを用いて、現在の運転条件（または計画された運転条件）からそれに対応する環境温度を精度良く取得することができる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記加熱炉の新たな運転条件を前記機械学習モデルに入力することにより、前記環境温度を取得し、前記取得された環境温度と、対象物の外表面における対象点温度とに基づいて、局所熱流束を算出するとよい。
　この態様によれば、機械学習モデルによって取得された環境温度に基づき、局所熱流束を精度良く算出することができる。
　上記の態様において、前記運転条件は、前記加熱炉の燃焼条件と、前記加熱炉内のバーナの稼働条件とを含むとよい。
　この態様によれば、適切な運転条件を用いて環境温度（延いては局所熱流束）を精度良く取得することができる。
　上記の態様において、前記温度センサは、波長分布型の放射温度計を含むとよい。
　この態様によれば、測定対象に対して非接触の測定であっても、対象点温度を精度良く取得することができる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記局所熱流束の分布を可視化した画像を生成するとよい。
　この態様によれば、ユーザは、局所熱流束の分布を可視化した画像に基づき、加熱炉内における種々の現象（例えば、コーキングや膜沸騰の発生）を容易に確認することができる。
　上記の態様において、前記加熱管は、１以上のセグメント（Ｇ１－Ｇ９）及び当該各セグメントに対して設定される複数の対象点を有し、前記プロセッサは、前記推定環境温度を用いてサーモグラフィ（３２）によって測定された前記対象物の温度分布を取得するとよい。
　この態様によれば、サーモグラフィを用いて加熱炉内の対象物の温度を広範囲に取得することが可能となる。
　上記の態様において、前記プロセッサは、前記対象物の前記温度分布における温度を、前記対象点温度として取得するとよい。
　この態様によれば、対象物の対象点の設定の自由度が広がる。また、対象物の広範囲において対象点温度を容易に取得することができるという利点もある。
　上記課題を解決するために本発明のある態様は、上記熱流束取得装置を含む熱流束取得システムであって、前記温度センサに含まれる波長分布型の放射温度計（２３）と、前記環境温度を取得するためのサーモグラフィ（２２）と、を含む構成とする。
　この態様によれば、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得することができる。
　上記課題を解決するために本発明のある態様は、加熱炉（２）内における対象物（１２）の熱流束を取得するための熱流束取得方法であって、コンピュータ（４）が、前記対象物の外表面における対象点について温度センサ（１２）によって測定された対象点温度を取得し、前記対象点に対応する環境温度を取得し、前記対象点温度およびそれに対応する前記環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出する構成とする。
　この態様によれば、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得することができる。
　以上の態様によれば、加熱炉内における対象物の局所熱流束を容易に取得することができる。
実施形態に係る熱流束取得システム１の全体構成図 熱流束取得装置４のブロック図 加熱炉２内の構成例を示す模式図 熱流束取得装置４による熱流束取得処理の流れを示すフロー図 図４に示した熱流束取得処理の第１変形例を示すフロー図 図４に示した熱流束取得処理の第２変形例を示すフロー図
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る加熱炉の熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法について説明する。
　図１に示すように、熱流束取得システム１は、加熱炉２に関する各種情報や測定データを取得するための現場設備３を含む。また、熱流束取得システム１は、加熱炉２内における対象物の熱流束を取得するための熱流束取得装置４を含む。現場設備３および熱流束取得装置４は、ＬＡＮ（Local Area Network）やインターネット等の通信ネットワーク５を介して互いに通信可能である。ただし、現場設備３および熱流束取得装置４は、通信ケーブルによって直接接続されてもよい。
　加熱炉２は、プラント設備として用いられる公知の構成を有する。ここでは、加熱炉２は、管式加熱炉であるが、それ以外の他の形態を有してよい。ケーシング１１内（すなわち、加熱炉２内）には、被加熱流体が流れる加熱管１２と、バーナを含む燃焼装置１３とが設けられる。加熱管１２は、円管によって構成されるが、それ以外の他の形態を有してもよい。加熱管１２は、燃焼装置１３の火炎または燃焼ガスの熱によって加熱される。加熱炉２内には、被加熱流体を加熱（または予熱）する上部エリア１４と、上部エリア１４において加熱された被加熱流体を加熱する下部エリア１５とが設けられる。また、図示は省略するが、ケーシング１１の適所（例えば、側壁）には、加熱炉２内を観察するための複数の覗き窓が設けられる。
　本実施形態では、加熱炉２内における熱流束の取得対象（すなわち、対象物）として、主として放射伝熱（すなわち、輻射伝熱）によって加熱される加熱管１２を例に説明する。ただし、そのような熱流束の取得対象は、加熱管１２に限らず、加熱炉２内の他の構成物（例えば、ケーシング１１の内壁）であってもよい。また例えば、スラブ加熱用の加熱炉内におけるスラブを熱流束の取得対象としてもよい。
　現場設備３は、被加熱流体用の計測機器２１、サーモグラフィ２２、二色温度計２３（温度センサの一例）、及び端末装置２４を含む。
　被加熱流体用の計測機器２１は、加熱管１２の適所（例えば、加熱管１２における被加熱流体の入口、出口、及び中間部）に付設される。計測機器２１には、被加熱流体の温度、流量、及び圧力をそれぞれ測定するための温度計、流量計、及び圧力計などが含まれ得る。
　サーモグラフィ２２は、公知の構成を有し、加熱炉２内の加熱管１２から放射される赤外線に基づき、所定の測定領域内における加熱管１２の外表面温度を非接触で測定する。サーモグラフィ２２による測定は、加熱炉２の覗き窓を介して行われる。加熱管１２における複数の測定領域を同時に測定するために、複数のサーモグラフィ２２が設けられてもよい。
　二色温度計２３は、公知の構成を有し、互いに異なる２つの測定波長に基づき、加熱管１２の外表面における所定の部位（以下、対象点という。）の温度を（以下、対象点温度という。）非接触で測定する。二色温度計２３による測定は、サーモグラフィ２２と同様に覗き窓を介して行われる。加熱管１２における複数の対象点を同時に測定するために、複数の二色温度計２３が設けられてもよい。なお、加熱炉２の対象点温度の測定は、二色温度計２３に限らず、他の波長分布型の放射温度計によって行われてもよい。場合によっては、加熱炉２の対象点温度の測定は、加熱炉２内に予め設置された公知の温度計（例えば、熱電対）によって行われてもよい。
　端末装置２４は、加熱炉２に関して測定された種々の測定データを収集する。そのような測定データには、被加熱流体用の計測機器２１、サーモグラフィ２２、及び二色温度計２３によって測定されたデータが含まれる。さらに、測定データには、それらの測定されたデータを用いて所定の演算処理を行うことによって得られたデータ（すなわち、間接的に測定されたデータ）が含まれ得る。端末装置２４は、通信ネットワーク５を介して熱流束取得装置４と通信可能に接続され、収集した測定データを熱流束取得装置４に対して適宜送信する。また、端末装置２４は、加熱炉２のスペックデータを記憶し、そのデータを熱流束取得装置４に対して送信することができる。加熱炉２のスペックデータには、熱流束取得装置４による熱流束の取得のための演算処理に必要とされるデータ（例えば、加熱管１２の物性値、サイズ、位置などに関するデータ）が含まれる。端末装置２４は、加熱炉２の動作を制御するための制御装置として用いられてもよい。
　端末装置２４は、公知のハードウェアを備えたコンピュータから構成される。端末装置２４は、１以上のプロセッサ、メモリ、ディスプレイ、入力機器、ネットワークインタフェース、及びストレージ等の公知のハードウェアを適宜備える。端末装置２４の機能の少なくとも一部は、プロセッサが所定の制御プログラムを実行することにより実現可能である。なお、熱流束取得システム１では、上述の端末装置２４の機能の少なくとも一部を、複数のコンピュータが協働することにより実現してもよい。
　なお、端末装置２４として、熱流束取得システム１のユーザ（例えば、加熱炉２のオペレータや管理者）が携帯する通信機能を有するタブレットＰＣやスマートフォンなどのモバイルデバイスが用いられてもよい。また、端末装置２４の機能の少なくとも一部（例えば、測定データを熱流束取得装置４に送信する機能）を、計測機器２１、サーモグラフィ２２、及び二色温度計２３が有してもよい。
　次に、熱流束取得装置４の詳細について説明する。
　図２に示すように、熱流束取得装置４は、制御部３１、記憶部３２、及び通信部３３を有する。
　制御部３１において、データ取得部４１は、通信部３３を介して端末装置２４から受信した加熱炉２に関する測定データやスペックデータ等を取得する。計測機器２１によって得られた測定データおよび加熱炉２のスペックデータは、加熱炉データ５１として記憶部３２に記憶される。サーモグラフィ２２及び二色温度計２３によって得られた加熱管１２の温度に関する測定データは、加熱管温度データ５２として記憶部３２に記憶される。サーモグラフィ２２によって得られた環境温度（すなわち、加熱炉２内における加熱管１２の周囲の温度）に関する測定データは、環境温度データ５３として記憶部３２に記憶される。加熱炉２内では、加熱管１２の部位の位置（例えば、燃焼装置１３の火炎との相対位置）に応じて、対応する環境温度が異なる。なお、後述するように、環境温度は、サーモグラフィ２２によって間接的に測定される（すなわち、測定された他のデータに基づき算出または推定される）。
　なお、加熱炉データ５１には、加熱炉２内における位置データが含まれる。そのような位置データには、例えば、加熱管１２の各対象点の位置に対応するグローバル座標のデータが含まれ得る。サーモグラフィ２２や二色温度計２３による測定点の位置についてもグローバル座標によって定める（すなわち、測定された温度等をグローバル座標に対応づける）ことができる。ただし、加熱炉２内における位置データとしては、加熱炉２について独自に設定された座標のデータが用いられてもよい。
　熱流束算出部４２は、加熱管温度データ５２（ここでは、各対象点の対象点温度）および環境温度データ５３（ここでは、各対象点に対応する環境温度）に基づき、加熱管１２の対象点における局所熱流束（推定局所熱流束の一例）を算出する。また、後述するように、熱流束算出部４２は、補正された環境温度に基づき局所熱流束を算出してもよい。さらに、熱流束算出部４２は、複数の対象点における局所熱流束に基づき、加熱管１２の全体に関する平均的な熱流束（以下、推定平均熱流束という。）を算出することができる。ただし、推定平均熱流束は、必ずしも加熱管１２の全体に関する熱流束である必要はなく、加熱管１２の所定の区域（例えば、後述するセグメントＧ１－Ｇ９）に関する熱流束であってもよい。
　なお、熱流束算出部４２は、推定平均熱流束の代わりに、或いは推定平均熱流束と共に、複数の対象点における入熱量に基づき、加熱管１２の全体への入熱量（以下、推定平均入熱量という。）を算出してもよい。
　また、熱流束算出部４２は、加熱管１２に流入する被加熱流体の熱量および加熱管１２から流出する被加熱流体の熱量（すなわち、加熱管１２を流れた被加熱流体への入熱量）に基づき、加熱管１２の全体に関する平均的な熱流束（以下、実平均熱流束という。）を算出することができる。実平均熱流束は、必ずしも加熱管１２の全体の熱流束である必要はなく、加熱管１２の所定の区域（例えば、後述するセグメントＧ１－Ｇ９）に関する熱流束であってもよい。
　なお、熱流束算出部４２は、実平均熱流束の代わりに、或いは実平均熱流束と共に、加熱管１２の全体を流れた被加熱流体への入熱量から、加熱管１２の全体への入熱量（以下、実平均入熱量という。）を算出または推定してもよい。また、複数の対象点を含む加熱管１２の各区域（例えば、後述するセグメントＧ１－Ｇ９）を流れた被加熱流体への入熱量の和から、実平均入熱量を算出または推定してもよい。
　熱流束算出部４２によって算出された局所熱流束、推定平均熱流束、推定平均入熱量と、実平均熱流束、及び実平均入熱量等に関するデータは、熱流束データ５４として記憶部３２に記憶される。
　後に詳述するように、熱流束算出部４２は、実平均熱流束と各対象点における局所熱流束との熱流束比をそれぞれ算出し、熱流束データ５４として記憶部３２に蓄積することができる。これにより、熱流束算出部４２は、運転条件が変更された場合であっても、過去に算出された熱流束比のデータと、実平均熱流束とに基づいて局所熱流束を算出することができる。熱流束比のデータは、熱流束データ５４の一部として記憶部３２に記憶される。
　環境温度補正部４３は、端末装置２４から受信する環境温度を、推定平均熱流束および実平均熱流束に基づき補正することにより補正環境温度を取得する。環境温度補正部４３によって算出された補正環境温度のデータは、環境温度データ５３として記憶部３２に記憶される。より詳細には、環境温度補正部４３によって補正環境温度が算出されると、既に記憶部３２に記憶されている環境温度は、その補正環境温度によって更新される。なお、環境温度補正部４３は、端末装置２４から受信する環境温度に代えて、予め記憶部３２に記憶された環境温度の初期値を補正することにより補正環境温度を取得してもよい。
　熱流束分布生成部４４は、熱流束算出部４２によって算出された局所熱流束のデータに基づき、加熱管１２の複数の対象点における局所熱流束の分布を配色（すなわち、色変化）によって可視化した画像（以下、熱流束可視化画像という。）を生成する。熱流束可視化画像は、端末装置２４に送信され、端末装置２４のディスプレイに表示される。これにより、ユーザは、熱流束可視化画像に基づき、加熱炉２内における種々の現象（例えば、加熱管１２におけるコーキングや膜沸騰の発生）を容易に確認することができる。熱流束分布生成部４４によって生成された熱流束可視化画像に関するデータは、熱流束画像データ５５として記憶部３２に記憶される。
　なお、熱流束分布生成部４４による熱流束可視化画像の生成では、より多くの対象点における局所熱流束が用いられることが好ましい。そこで、制御部３１は、補正環境温度を用いて補正されたサーモグラフィ２２の温度測定データ（すなわち、所定の測定領域内における加熱管１２の温度分布）を取得し、当該温度分布における温度を、対象点温度として取得することができる。これにより、制御部３１は、サーモグラフィ２２の測定によって取得された対象点温度と、それらに対応する環境温度に基づき、より多くの部位（二色温度計２３によって測定される対象点以外の加熱管１２の外表面における部位）について局所熱流束を算出することが可能となる。
　制御部３１は、上記のような構成により、加熱炉２内における加熱管１２の熱流束を取得するための処理（以下、熱流束取得処理という。）を実行することができる。
　記憶部３２は、上述のように熱流束取得装置４による熱流束取得処理に必要なデータや情報を記憶するためのストレージ等のハードウェア（記憶装置の一例）によって構成され得る。
　通信部３３は、通信ネットワーク５を介して熱流束取得装置４が端末装置２４等と通信を行うためのアンテナや通信回路等を含むハードウェアによって構成され得る。制御部３１は、通信部３３による端末装置２４等との通信を制御する通信制御部としても機能し得る。
　熱流束取得装置４は、公知のハードウェアを備えたサーバなどのコンピュータから構成される。熱流束取得装置４は、１以上のプロセッサ、メモリ、ディスプレイ、入力機器、ネットワークインタフェース、及びストレージ等の公知のハードウェアを適宜備える。制御部３１における各部４１－４４の機能の少なくとも一部は、プロセッサが所定の制御プログラムを実行することにより実現可能である。なお、熱流束取得システム１では、上述の熱流束取得装置４の機能の少なくとも一部を、複数のコンピュータが協働することにより実現してもよい。また、熱流束取得装置４の機能の少なくとも一部を、端末装置２４が有してもよい。
　次に、熱流束取得システム１による熱流束取得方法の詳細について、図３に示した加熱炉２内の模式図に基づき説明する。
　図３に示すように、加熱炉２内には、加熱管１２が配置される９つのエリアＡ１－Ａ９が設定されている。より厳密には、加熱管１２は、立体的なスペースに配置されるが、ここでは説明の便宜上、加熱炉２の一方向側（例えば、覗き窓側）から観察される平面的な矩形のエリアＡ１－Ａ９に配置されるものとする。加熱管１２は、加熱炉２内を左右に往復しつつ上方から下方に向けて延在する。被加熱流体は、加熱管１２の入口１２Ａから流入し、加熱管１２を流れて加熱された後、加熱管１２の出口１２Ｂから流出する。加熱管１２及びそれを流れる被加熱流体は、下方に配置されたバーナの火炎または排ガスによって加熱される。
　図３では、エリアＡ１－Ａ９における加熱管１２の部位（以下、それぞれセグメントＧ１－Ｇ９という。）の外表面積（すなわち、外周面の表面積）は、それぞれＳ１－Ｓ９に設定されている。また、加熱管１２のセグメントＧ１－Ｇ９にそれぞれ対応するエリアＡ１－Ａ９の環境温度は、それぞれＴＢ１－ＴＢ９に設定されている。また、セグメントＧ１－Ｇ９には、各セグメントＧ１－Ｇ９が長手方向に複数分割されることによって、それぞれに対して複数のサブセグメントが設定され得る。図３では、サブセグメントの一例として、エリアＡ１におけるセグメントＧ１に対して設定された８つのサブセグメントＧ１－１－Ｇ１－８を示している。加熱管１２の対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８は、例えば、サブセグメントＧ１－１－Ｇ１－８の代表位置（例えば、長手方向の中央）に設定され得る。また、対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８の対象点温度ＴＲ１－１－ＴＲ１－８は、サブセグメントＧ１－１－Ｇ１－８の代表温度となる。他のエリアＡ２－Ａ９についても、エリアＡ１と同様にそれぞれ対象点やサブセグメントが設定される。
　なお、加熱炉２に関して設定されるエリア、セグメント、及びサブセグメントの数やサイズ（すなわち、範囲）については、図３に示すものに限定されず、種々の変更が可能である。また、サブセグメントは省略されてもよい。
　図４に示すように、熱流束取得装置４による熱流束取得処理では、まず、エリアＡ１において熱流束の取得対象となる各対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８について、それぞれ二色温度計２３によって測定された対象点温度ＴＲ１－１－ＴＲ１－８が取得される（ＳＴ１０１）。
　次に、熱流束取得装置４は、各対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８について、後述するサーモグラフィ２２による測定時のチューニングによって得られた環境温度ＴＢ１（推定環境温度の一例）を取得する（ＳＴ１０２）。
　その後、熱流束取得装置４は、各対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８について、対象点温度ＴＲ１－１－ＴＲ１－８および環境温度ＴＢ１に基づき、それぞれの局所熱流束ｑ１－２ －ｑ１－８を算出する（ＳＴ１０３）。例えば、対象点Ｐ１－１における局所熱流束ｑ１－１ [Ｗ/m２]は、次の式（１）から求めることができる。
ｑ１－１＝ε・σ（ＴＢ１ ４－ＴＲ１－１ ４）　・・・（１）
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　　ＴＲ１－１：加熱管１２の対象点Ｐ１－１における外表面温度 [K]
　　ＴＢ１：エリアＡ１の環境温度[K]
　　ε：加熱管１２の放射率
　　σ：ステファンボルツマン定数（5.67 × 10－８ [W/(m２・K４)]）
　なお、他の対象点Ｐ１－２－Ｐ１－８における局所熱流束ｑ１－２ －ｑ１－８[Ｗ/m２]についても、対象点Ｐ１－１における局所熱流束ｑ１－１と同様に求めることができる。
　熱流束取得装置４は、他のエリアＡ２－Ａ９について、上述のステップＳＴ１０１－ＳＴ１０３と同様の処理を繰り返し実行することによって、加熱管１２の全体にわたって局所熱流束を取得することができる。
　ここで、上記ステップＳＴ１０２に関する環境温度の取得について説明する。加熱管１２の温度の測定においてサーモグラフィ２２に入射する赤外線の放射エネルギＥ（Ｔ）[Ｊ]は、次の式（２）のように表すことができる。
Ｅ（Ｔ）＝ε・Ｅ（ＴＲ）＋（１－ε）・Ｅ（ＴＢ）　・・・（２）
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　　Ｅ（ＴＲ）：加熱管１２からの放射エネルギ[Ｊ]
　　Ｅ（ＴＢ）：加熱管１２の外表面での環境反射エネルギ[Ｊ]
　　Ｔ：サーモグラフィ２２による温度指示値[K]
　　ＴＲ：加熱管１２の外表面温度（すなわち、真温度）[K]
　　ＴＢ：環境温度[K]
　　ε：加熱管１２の放射率
　加熱管１２の外表面温度ＴＲとしては、二色温度計２３の測定値を用いることができる。二色温度計２３（すなわち、波長分布型の放射温度計）では、放射率及び環境条件に依存しないため、サーモグラフィ２２の測定に比べてより精度の高い測定が可能である。
　ユーザは、サーモグラフィ２２による測定時のチューニングにおいて、或る対象点におけるサーモグラフィ２２による温度指示値Ｔを、同じ対象点における二色温度計２３の測定値ＴＲｍとそれぞれ一致させるように、環境温度ＴＢを設定することができる。
　例えば、エリアＡ１については、次の式（３）で示す誤差ｅを最小とする環境温度ＴＢ１が設定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　Ｔ１－ｊ：サーモグラフィ２２による対象点の温度指示値[K]
　ＴＲ１－ｊ：対象点温度
　ただし、ｊ(＝1, 2, ・・・,8)はサブセグメント番号である。
　なお、他のエリアＡ２－Ａ９の環境温度ＴＢ２－ＴＢ９についても、エリアＡ１の環境温度ＴＢ１と同様に設定することができる。設定された環境温度ＴＢ１－ＴＢ９は、端末装置２４に入力され、熱流束取得装置４に送信される。
　このようなサーモグラフィ２２による測定時のチューニングは、ユーザの操作によらず自動で行われてもよい。その場合、サーモグラフィ２２は、例えば、二色温度計２３との近距離通信により、二色温度計２３によって測定された対象点温度ＴＲｉ－ｊを取得することができる。
　上記ステップＳＴ１０３において求められた局所熱流束（例えば、局所熱流束ｑ１－２ －ｑ１－８[Ｗ/m２]）は、円管からなる加熱管１２の周方向の所定部分における熱流束値である。一方、加熱管１２においては、燃焼装置１３の火炎との相対位置によって、周方向における熱流束や温度が異なる場合があり得る。
　管の周方向の熱流束分布は、例えば、ＡＰＩ(American Petroleum Institute)５３０にしたがって、管径、管スペース、及び配置に基づき定めることができる。同様に、ＳＴ１０３で求められる局所熱流束に対する比率を適切に設定することにより、加熱管１２における周方向の各部における熱流束（すなわち、３次元的な熱流束分布）を取得することができる。また、所定のサブセグメントにおける周方向の平均局所熱流束は、例えば、火炎面比率γ１を用いて求めることができ、エリアＡ１のサブセグメントＧ１－１における火炎面比率をγ１とすると、平均局所熱流束ｑ１－１ａｖｅは、ｑ１－１／γ１として求めることができる。
　次に、図５を参照して、図４に示した熱流束取得処理の第１変形例について説明する。なお、第１変形例において、以下で特に言及しない事項については、上述の熱流束取得方法と同様である。
　第１変形例による熱流束取得処理では、図５に示すように、図４のステップＳＴ１０１－ＳＴ１０３とそれぞれ同様のステップＳＴ２０１－ＳＴ２０３が実行される。これにより、加熱管１２の全体にわたって（すなわち、エリアＡ１－Ａ９における）局所熱流束が取得される。
　次に、熱流束取得装置４は、推定平均熱流束を算出する（ＳＴ２０４）。この推定平均熱流束の算出では、熱流束取得装置４は、まず、エリアＡ１について、各サブセグメントＧ１－１－Ｇ１－８の外表面積Ｓ１－１－Ｓ１－８を、それぞれ対応する対象点Ｐ１－１－Ｐ１－８に関する局所熱流束ｑ１－１－ｑ１－８の重みとして用いた加重平均に基づき、セグメントＧ１に関する推定セグメント平均熱流束ｑ１totalを算出する。ここで、ｑ１－１－ｑ１－８の値としては、上述の周方向の平均局所熱流束を用いるとよい。
　より詳細には、セグメントＧ１に関する推定セグメント平均熱流束ｑ１total [Ｗ/m２]は、次の式（４）から求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　ｑ１－ｊ：対象点Ｐ１－ｊに関する局所熱流束 [Ｗ/m２]
　Ｓ１－ｊ：サブセグメントＧ１－ｊの外表面積[m２]
　ただし、ｊ(＝1, 2, ・・・,8)はサブセグメント番号である。
　なお、エリアＡ２－Ａ９におけるセグメントＧ２－Ｇ９に関する推定セグメント平均熱流束ｑ２total－ｑ９totalについても、セグメントＧ１に関する推定セグメント平均熱流束ｑ１totalと同様に求めることができる。
　熱流束取得装置４は、それら推定セグメント平均熱流束ｑ１total－ｑ９totalの平均値を加熱管１２の全体における推定平均熱流束ｑＡＶＧとして算出することができる。
　次に、熱流束取得装置４は、実平均熱流束を算出する（ＳＴ２０５）。熱流束取得装置４は、次の式（５）から実平均熱流束ｑＲＥＡＬ[Ｗ/m２]を算出することができる。
ｑＲＥＡＬ＝ＭＦ・（ＨＯＵＴ－ＨＩＮ）／ＳＡＬＬ　　　・・・（５）
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　ＭＦ：被加熱流体の質量流量[kg/s]
　ＨＩＮ：加熱管１２に流入する被加熱流体の比エンタルピー[J/kg]
　ＨＯＵＴ：加熱管１２から流出する被加熱流体の比エンタルピー[J/kg]
　ＳＡＬＬ：加熱管１２の全体の表面積（＝Ｓ１＋Ｓ２＋・・・＋Ｓ９） [ｍ２]
　次に、熱流束取得装置４は、式（４）の推定平均熱流束ｑＡＶＧを式（５）の実平均熱流束ｑＲＥＡＬに一致させるように、ＳＴ２０２で取得した環境温度を補正する（ＳＴ２０６）。換言すれば、熱流束取得装置４は、推定平均熱流束ｑＡＶＧを実平均熱流束ｑＲＥＡＬに一致させるように、補正環境温度を算出する。
　さらに、熱流束取得装置４は、算出した補正環境温度に基づき、ステップＳＴ２０２と同様に、補正された局所熱流束を算出する（ＳＴ２０７）。
　このようにして、熱流束取得装置４は、加熱管１２の全体にわたって局所熱流束を取得することができる。
＜別法１＞
　次に、熱流束取得処理の一部を改変した別法１について説明する。別法１について以下で特に言及しない事項については、上述の熱流束取得処理におけるステップＳＴ２０１－ＳＴ２０７と同様である。
　別法１では、熱流束取得装置４は、上記ステップＳＴ２０２において、セグメントＧ１－Ｇ９の何れか１つ（ここでは、セグメントＧ１）を代表セグメントとし、他のセグメント（ここでは、セグメントＧ２－Ｇ９）を従属セグメントとして設定することができる。さらに、熱流束取得装置４は、従属セグメントＧ２－Ｇ９にそれぞれ対応する環境温度ＴＢ２－ＴＢ９と、代表セグメントＧ１に対応する環境温度ＴＢ１との温度比をそれぞれ設定することができる。設定された各温度比は、環境温度データ５３の一部として記憶部３２に記憶される。
　例えば、従属セグメントＧ２に対応する環境温度ＴＢ２と、代表セグメントＧ１に対応する環境温度ＴＢ１との温度比αＢ２は、次の式（６）のように、それらの４乗の比として表すことができる。
ＴＢ２ ４＝αＢ２・ＴＢ１ ４　　　・・・（６）
　なお、他の従属セグメントＧ３－Ｇ９にそれぞれ対応する環境温度ＴＢ３－ＴＢ９と環境温度ＴＢ１との温度比αＢ３－αＢ９についても、従属セグメントＧ２に関する温度比αＢ２と同様に表すことができる。
　これにより、熱流束取得装置４は、それらの温度比αＢ２－αＢ９を取得した後は、例えば、加熱炉２の運転条件が変更された場合でも、代表セグメントＧ１の環境温度ＴＢ１を取得（または算出）することにより、当該環境温度ＴＢ１から従属セグメントＧ２－Ｇ９の環境温度ＴＢ２－ＴＢ９を新たに算出することができる。これにより、熱流束取得装置４による環境温度（延いては、局所熱流束）の算出処理の負荷が軽減される。
　上記のような環境温度比を用いて、運転条件が変更された場合の局所熱流束を算出するには、代表セグメントの環境温度と、運転データから求められた環境温度比とから従属セグメントの環境温度を算出し、さらに、全セグメントの各対象点における対象点温度と、環境温度とを用いて、各対象点における熱流束を取得する。
　この場合、対象点温度は、温度センサによって測定された値でもよいし、別途計算により算出される値であってもよい。
　次に、対象点温度の値を算出する方法について説明する。
　対象点（セグメントｉ、サブセグメントｊ）における局所熱流束ｑｉ－ｊは、当該対象点における加熱管１２の外表面温度（すなわち、対象点温度）ＴＲｉ－ｊ[K]及び内表面温度ＴＩｉ－ｊ[K]ならびに熱抵抗Ｒｉ―ｊ[ｍ２・K/W]を用いて次の式（７）のように表すことができる。
ｑｉ－ｊ＝（1/Ｒｉ－ｊ）・（ＴＲｉ－ｊ－ＴIｉ－ｊ）　　　・・・（７）
　ここで、Ｒｉ－ｊ＝ＲＷｉ－ｊ＋ＲＲｉ－ｊ＋ＲＩｉ－ｊ＋（1/ｈｉ－ｊ）であり、各記号は以下に示す通りである。なお、ｈｉ－ｊは、ＡＰＩ５３０に基づき取得することができる。
　ＲＷｉ－ｊ：加熱管の熱抵抗＝ｔＷｉｊ/λ[m2・K/W]
　（ただし、ｔＷｉｊ：管の肉厚[m]、λ：管の熱伝導率[W/(m・K)]）
　ＲＲｉ－ｊ：加熱管の外表面に付着したスケールの熱抵抗[m2・K/W]
　ＲＩｉ－ｊ：加熱管の内表面に付着したスケールの熱抵抗[m2・K/W]
　ｈｉ－ｊ：管内流の熱伝達率[W/(m・K)]
　内表面温度ＴＩｉ－ｊ[K]は、対象点における管内の被加熱流体の温度に相当し、次の式（８）のように表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、各記号は以下に示す通りである。
　ｑｉ－ｊ：局所熱流束[Ｗ/m２]
　Ｔfirst：被加熱流体の流入時温度（初期温度）[K]
　Ｓｉ－ｊ：対象点までの管路の表面積[ｍ２]
　γ：火炎面比率
　ＭＦ：被加熱流体の質量流量[kg/s]
　Ｃｐ：比熱[J/(kg・K)]
　上記の式（１）、（７）に基づき、加熱管１２の入口付近の対象点Ｐ１－１（ｉ＝１，ｊ＝１）について、次の式（９）が成り立つ。ただし、ＴI１－１＝Ｔfirstとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　これにより、式（９）からＴＲ１－１（加熱管１２の対象点Ｐ１－１における外表面温度 [K]）を算出することができる。また、他の対象点の外表面についても対象点Ｐ１－１と同様に算出することができる。
＜別法２＞
　次に、熱流束取得処理の一部を改変した別法２について説明する。別法２について以下で特に言及しない事項については、上述の熱流束取得処理（図５参照）と同様である。
　別法２では、過去の加熱炉２の運転条件および各運転条件における各セグメントＧ１－Ｇ９の環境温度ＴＢ１－ＴＢ９のデータが準備され、熱流束取得装置４は、それらのデータを教師データとして機械学習モデルを構築する。構築された機械学習モデルは、熱流束取得装置４の記憶部３２に格納される。特に限定されないが、機械学習モデルには、例えばニューラルネットワーク等の公知のアルゴリズムを用いることができる。
　加熱炉２の運転条件には、加熱炉２における燃焼条件（例えば、燃料組成、燃料圧力、燃料流量など）が含まれる。また、運転条件には、各バーナの稼働条件（燃料の供給（噴射）圧力、空気量など）や、炉内条件（炉内温度、火炎形状・サイズ）などが含まれ得る。
　熱流束取得装置４では、加熱炉２の現在の運転条件（または計画された運転条件）のデータを取得することにより、機械学習モデルを用いて各セグメントＧ１－Ｇ９の環境温度ＴＢ１－ＴＢ９のデータを推定することができる。
　なお、別法２では、機械学習モデルは、熱流束取得装置４と通信ネットワーク５を介して通信可能なサーバ等に格納されてもよい。また、加熱炉２における過去の運転条件および各運転条件における各局所熱流束のデータが準備され、熱流束取得装置４が、それらのデータを教師データとして機械学習モデルを構築してもよい。また、熱流束取得装置４は、他の情報処理装置等のコンピュータによって構築された機械学習モデルを利用することもできる。
　以上で具体的な実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態や変形例に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。上述の実施形態に示したプロジェクトの熱流束取得装置、熱流束取得システム、及び熱流束取得方法の各構成要素は、必ずしも全てが必須ではなく、少なくとも当業者であれば本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。
１　　：熱流束取得システム
２　　：加熱炉
３　　：現場設備
４　　：熱流束取得装置
５　　：通信ネットワーク
１１　：ケーシング
１２　：加熱管
１２Ａ：入口
１２Ｂ：出口
１３　：燃焼装置
１４　：上部エリア
１５　：下部エリア
２１　：計測機器
２２　：サーモグラフィ
２３　：二色温度計
２４　：端末装置
３１　：制御部
３２　：記憶部
３３　：通信部
４１　：データ取得部
４２　：熱流束算出部
４３　：環境温度補正部
４４　：熱流束分布生成部
５１　：加熱炉データ
５２　：加熱管温度データ
５３　：環境温度データ
５４　：熱流束データ
５５　：熱流束画像データ
Ａ１－Ａ９：エリア
Ｇ１－Ｇ９：セグメント
Ｇ１－１－Ｇ１－８：サブセグメント

Claims (22)

  1. 　加熱炉内における対象物の熱流束を取得する熱流束取得装置であって、
    　前記対象物の熱流束を取得するための処理を実行するプロセッサを備え、
    　前記プロセッサは、
    　前記対象物の外表面における対象点について温度センサによって測定された対象点温度を取得し、
    　前記対象点に対応する環境温度を取得し、
    　前記対象点温度およびそれに対応する前記環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出する、
    　熱流束取得装置。
  2. 　前記局所熱流束は、前記環境温度に基づいて算出される前記対象物に向けて放射されるエネルギと、前記対象点温度から算出される前記対象物から放射されるエネルギとに基づいて算出される、請求項１に記載の熱流束取得装置。
  3. 　前記加熱炉は、管式加熱炉であり、
    　前記対象物は、前記管式加熱炉の加熱管を含む、請求項１に記載の熱流束取得装置。
  4. 　前記環境温度は、サーモグラフィによる前記対象点の測定において、前記対応する対象点温度に基づき推定される推定環境温度である、請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱流束取得装置。
  5. 　前記環境温度は、演算によって求められる補正環境温度であり、
    　前記加熱管は、１以上のセグメント及び当該各セグメントに対してそれぞれ設定される複数の対象点を有し、
    　前記補正環境温度は、少なくとも、前記各対象点について前記温度センサによってそれぞれ測定された対象点温度と、前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量とに基づき算出される、請求項３に記載の熱流束取得装置。
  6. 　前記プロセッサは、
    　前記各対象点温度を取得し、
    　前記各セグメントにそれぞれ対応する炉内の推定環境温度であって、前記対応する各対象点温度に基づき推定される、推定環境温度を取得し、
    　前記各対象点温度およびそれに対応する前記推定環境温度に基づき、前記各対象点に関する推定局所熱流束を算出し、
    　前記推定局所熱流束に基づき、前記各セグメントに関する推定セグメント平均熱流束又は推定セグメント入熱量を算出すると共に、当該推定セグメント平均熱流束又は推定セグメント入熱量に基づいて、前記加熱管に関する推定平均熱流束又は推定入熱量を取得し、
    　前記加熱管に流入する前記被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束又は実入熱量を算出し、
    　前記推定平均熱流束を前記実平均熱流束に一致させるように、又は前記推定入熱量を前記実入熱量に一致させるように、前記推定環境温度を補正することによって前記補正環境温度を算出する、請求項５に記載の熱流束取得装置。
  7. 　前記各セグメントには、前記各対象点にそれぞれ対応して設定されたサブセグメントが含まれ、
    　前記プロセッサは、
    　前記各サブセグメントの表面積を、それぞれ対応する前記対象点に関する前記局所熱流束の重みとして用いた加重平均に基づき、前記各セグメントに関する前記推定セグメント平均熱流束を算出する、請求項６に記載の熱流束取得装置。
  8. 　前記加熱管は、１つの代表セグメントおよび当該代表セグメント以外の従属セグメントを含む複数のセグメントを有し、
    　前記従属セグメントの前記推定環境温度は、前記代表セグメントの前記推定環境温度に対する温度比を用いて表され、
    　前記プロセッサは、
    　前記推定平均熱流束を前記実平均熱流束に一致させるように、又は前記推定入熱量を前記実入熱量に一致させるように、前記代表セグメントの補正環境温度を算出し、
    　前記代表セグメントの前記補正環境温度と前記温度比とに基づいて、前記従属セグメントの補正環境温度を算出する、請求項７に記載の熱流束取得装置。
  9. 　前記従属セグメントの前記推定環境温度と、前記代表セグメントの前記推定環境温度との前記温度比を記憶する記憶装置を更に備える、請求項８に記載の熱流束取得装置。
  10. 　前記プロセッサは、
    　前記各対象点温度を取得し、
    　前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度を取得し、
    　前記対象点温度ならびにそれに対応する前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出する、請求項９に記載の熱流束取得装置。
  11. 　前記プロセッサは、さらに前記代表セグメントの前記補正環境温度および前記従属セグメントの前記補正環境温度に基づき、前記対象点に関する対象点温度を算出する、請求項１０に記載の熱流束取得装置。
  12. 　記憶装置を更に備え、
    　前記プロセッサは、さらに、
    　前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束を算出し、
    　前記実平均熱流束と前記局所熱流束との熱流束比を算出し、当該熱流束比を前記記憶装置に記憶させる、請求項３に記載の熱流束取得装置。
  13. 　前記プロセッサは、
    　前記記憶装置に記憶された前記熱流束比を取得し、
    　前記加熱管に流入する被加熱流体の熱量および前記加熱管から流出する前記被加熱流体の熱量に基づき、前記加熱管に関する実平均熱流束を算出し、
    　前記熱流束比と、前記実平均熱流束とに基づいて、前記局所熱流束を取得する、請求項１２に記載の熱流束取得装置。
  14. 　記憶装置をさらに備え、
    　前記プロセッサは、
    　前記加熱炉の運転条件と、当該運転条件における前記環境温度とを前記記憶装置に記憶させ、
    　前記記憶装置に記憶された前記運転条件を入力とし、前記環境温度を出力する機械学習モデルを構築する、
    請求項１に記載の熱流束取得装置。
  15. 　前記プロセッサは、
    　前記加熱炉の新たな運転条件を前記機械学習モデルに入力することにより、前記環境温度を取得し、
    　前記取得された環境温度と、対象物の外表面における対象点温度とに基づいて、局所熱流束を算出する、
    請求項１４に記載の熱流束取得装置。
  16. 　前記運転条件は、前記加熱炉の燃焼条件と、前記加熱炉内のバーナの稼働条件とを含む、請求項１４又は１５に記載の熱流束取得装置。　
  17. 　前記温度センサは、波長分布型の放射温度計を含む、請求項１に記載の熱流束取得装置。
  18. 　前記プロセッサは、
    　前記局所熱流束の分布を可視化した画像を生成する、請求項１に記載の熱流束取得装置。
  19. 　前記加熱管は、１以上のセグメント及び当該各セグメントに対して設定される複数の対象点を有し、
    　前記プロセッサは、前記推定環境温度を用いてサーモグラフィによって測定された前記対象物の温度分布を取得する、請求項６に記載の熱流束取得装置。
  20. 　前記プロセッサは、
    　前記対象物の前記温度分布における温度を、前記対象点温度として取得する、請求項１９に記載の熱流束取得装置。
  21. 　請求項１に記載の熱流束取得装置を含む熱流束取得システムであって、
    　前記温度センサに含まれる波長分布型の放射温度計と、
    　前記環境温度を取得するためのサーモグラフィと、を含む、熱流束取得システム。
  22. 　加熱炉内における対象物の熱流束を取得するための熱流束取得方法であって、
    　コンピュータが、
    　前記対象物の外表面における対象点について温度センサによって測定された対象点温度を取得し、
    　前記対象点に対応する環境温度を取得し、
    　前記対象点温度およびそれに対応する前記環境温度に基づき、前記対象点に関する局所熱流束を算出する、熱流束取得方法。
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