JPH0460312A - バーナの燃焼制御方法 - 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、ボイラ等の燃焼設備に使用するバーナのうち
、特に短炎バーナに最適の燃焼制御方法に関するもので
ある。

（従来の技術） 液体または気体の燃料を燃焼させるバーナにおいては、
燃焼中その燃焼状態を最適に維持することが望ましい、
このための従来技術としては、バーナの火炎が発生する
光強度信号をフォトトランジスタ、フォトダイオードあ
るいは太陽電池等の半導体からなる光センサを使用して
電気信号に変換し、その振動波形の周波数解析の結果得
たパワースペクトルの積分値を利用して、燃焼制御を行
なう方法と制御とが捉案されている（特開昭６３−３０
６３１０号公報参照）、なお、火炎中のパワー信号の検
出方法としては光センサによらず、火炎中に挿入した電
極棒によりイオン電流を検出して行なう方法もある。

このようにバーナの燃焼制御方法は従来種々存在するが
、本発明者は最近法のような技術を完成している（特願
平２−９７２３９号）、その構成は、バーナの火炎中か
ら光パワー信号を検出し、この光パワー信号を周波数解
析してパワースペクトルを得、このパワースペクトルか
ら燃焼状態を知り、燃焼状態とあらかじめ記憶している
最適燃焼状態との偏差を無くすように空気比を制御する
ことにより、燃焼制御を行なうバーナの燃焼制御方法に
おいて、パワースペクトルが発生する全周波数帯域の全
体の積分値によって燃焼状態を検出し、このようにして
検出した燃焼状態をあらかじめ定めた最適燃焼状態と比
較し、その差を減少させるように空燃比を制御するもの
である。

この方法によれば、空気比をλ、Ｃを燃焼量の関数で固
有の定数、ｆ　ｌｘ）を燃焼量を変数とする関数とし、
ｐを全振動周波数パワーとしたとき５λ＝ｃｅ斗ｃｘ）
Ｐ となる関係が成立することになる。そこでこの関係を維
持するような燃焼制御を行なえば、低空気比燃焼による
其煙発生の防止と、安全性の向上とを図ることができ、
燃料の種別に影響を受けない燃焼が得られることになる
が、次のような問題点もある。すなわち、上記技術の特
徴である空気比、燃焼量、全振動パワーの関数関係は、
火炎が自由噴流に近い乱流燃焼火炎であり、かつ比較的
狭い範囲の空気比の範囲でしか通用しないものである。

このため、ガンタイプバーナや長炎タイプのロータリー
タイプバーナ等、利用できる燃焼設備が限定され、空気
と燃料を積礪的に混合して急速に燃焼させる形式の短炎
燃焼バーナには利用できない場合がある。

その理由として考えられることは、長炎燃焼による火炎
は、バーナノズル部での空気力学的な特性が火炎全体に
大きく影響せず、自由噴流に近い乱流火炎であり、燃焼
量が変化しても火炎の大きさは変化するが火炎の形状が
相似的に変化するため、一つの関数にまとめることがで
きるが、短炎燃焼バーナでは、火炎形状がバーナノズル
の空力的特性に大きく影響されるため、燃焼量の変化に
伴なって火炎形状の変化は相似的ではなく、また燃焼速
度の基本であるアレニウスの反応速度側が比較的狭い空
気比の範囲内で振動パワーに影響してくることによるも
のと認められる。

以上の内容を、図を用いて説明する。第５図（ａ）　、
　（ｂ）　、　（ｃ）は蒸気発生能力が３０Ｔ／Ｈの水
管ボイラの例であり、縦軸に空気比を、また槓軸にパワ
ーをとったものである。これらの図から明らかなように
、燃焼量が多い場合の特性はエクスポーネンシャルカー
ブで近似できるが、燃焼量の減少に伴なって近似できな
くなる傾向がある。そして燃焼量が１０００Ｉｌ／Ｈで
、振動パワーと空気比との関係は、空気比１．３５付近
をピークとする山形に変化するようになる。この関係は
短炎燃焼を形成するようにしたガンバーナの場合にも同
様であり、蒸気発生量１２Ｔ／Ｈのガス焚炉筒煙管ボイ
ラでも同様の傾向を示すことになる。

第６図（ａｌ、（ｂ）はガス燃焼量が６２４０ｍ”／Ｈ
および４８００ｍ”／Ｈのときの空気比とパワーとの関
係を示すものであるが、これらの図においても、第５図
（Ｃ）と同様な傾向にあることがわかる。この理由は、
燃焼反応速度はアレニウスの反応速度側によって得られ
ることを示した第７図（可燃限界の熱理論による説明図
）から理解することができる。

（発明が解決しようとする課題） 以上述べたところを要約すると、燃焼火炎が長炎で燃焼
量の調節範囲が比較的狭いバーナについては燃焼量、空
気比、振動パワーに一定の関係が成立するので、この特
性を利用しての燃焼制御を行なうことができるが、短炎
燃焼バーナにはバーナ固有の特性が表われ、単一の関数
関係にはならず、特に同一のパワーに対して空気比が２
点あることになるため、燃焼制御パラメータとして使用
することができないという問題点がある。なお、第７図
のグラフ中に斜線を施した部分は、熱の発生速度特性の
うち、一定の関数関係が成立する範囲である。

本発明は、短炎燃焼バーナに存する上記問題点の解決を
図った、バーナの燃焼制御方法を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するための構成として、バー
ナの燃焼火炎中から、振動パワー信号と同時に放射強度
信号を検出し、両信号中の放射強度信号に重み付け処理
をした後、両信号の比をとってほぼ直線的な空気比特性
を得、該空気比特性によって前記バーナへの空気量の調
節を行なうことを特徴とするバーナの燃焼制御方法を得
たものである。

（作用） このような構成の本発明方法によれば、振動パワー信号
と放射強度信号からほぼ直線的な空気比特性を得ること
ができるので、この空気比特性に沿った供給空気量の制
御を行なうことになる。

（実施例） 本発明に係るバーナの燃焼制御方法は上述のように、バ
ーナの燃焼火炎中から、振動パワー信号と同時に放射強
度信号を検出し、両信号中の放射強度信号に重み付け処
理をした後、両信号の比をとってほぼ直線的な空気比特
性を得、この空気比特性によって前記バーナへの空気量
の調節を行なうものである。そこで振動パワー信号と放
射強度信号とを同時に検出し、これをグラフ化すると第
２図のようになる。この図から、振動パワーは空気比ｌ
、３５付近をピークとする山形の特性であり、また放射
強度は１３付近をピークとする山形の特性を有すること
がわかる。

ここで振動パワーと放射強度の変化割合に看目し、振動
パワーを分子とし、放射強度を３乗する等、重み付け処
理をして分母に入れて計算した数値を各空気比に対応さ
せてプロットすると第３図のグラフを得ることができる
。第３図に示されるものは各空気比に対応してほぼリニ
アな特性値となっていることから、空気比制御に使用で
きることになる。したがってより広範囲のバーナに通用
することができる。

次に、本発明方法を実現するためのシステム系統を示し
た第１図を説明する０図において１は燃焼炉であって一
端にバーナ２が取付けられ、他端に覗き窓３が設けられ
たものである。バーナ２には燃料供給管４と空気供給管
５とが取付けられ、燃料供給管４には燃料調節弁６が、
また空気供給管５には空気調節弁（ダンパー弁）７が介
装されている。燃料調節弁６はモジュトロールモータ８
で駆動されるようになっており、空気ｉＰ４節弁７はモ
ジュトロールモータ９で駆動される。そして燃料調節弁
６にはその開度信号を発するポテンショメータ１０が設
けられ、その出力信号を信号線１）を介して後述する制
御装＠１２に送るようになっている。なお、燃料Ｆ１節
弁６の開度制御は手動操作で行なうようにしてもよく、
このようにしたときには、モジュトロールモータ８は省
略することができることになる。

空気調節弁７を駆動するモジュトロールモータ９からは
空気調節弁７の開度信号が発せられ、信号線１３を介し
て制御装置１２に加えられるようになっている。燃焼炉
ｌの前述した覗き窓３には光ガイド１４の先端が取付け
られており、バーナ２の発する火炎１５を終始監視する
ようになっている。

そして光ガイド１４の基端にはフォトダイオード等を内
蔵したセンサーアンプ１６が取付けられて、光ガイド１
４の受けた光を電気信号に変換し、適当レベルに増幅す
るようになっている。センサーアンプＩ６の出力信号は
信号線１７を介して制御装置１２に入力される。制御装
置ｔ１２にはさらに、既設の制御盤１８が信号線１９で
接続され、またサポート用パソコン２０が信号線２１で
接続されている。

このような構成において、燃焼炉ｌのバーナ２には、図
示しないポンプの作動により燃料供給管４から燃料が供
給され、また図示しない送風機によって空気供給管５が
ら空気が供給されて、燃焼炉ｌ内で燃焼する。燃料の量
は燃料調節弁６の開度によって調節され、空気の量は空
気調節弁７の開度によってＦ４節される。制御装置１２
には燃焼炉１の運転、停止に関する信号が既設制御盤１
８よりインターロック信号として人力され、各種パージ
動作等のシーケンスが行なわれる。

バーナ２の燃焼状態は覗き窓３に先端を取付けた光ガイ
ド１４を介してセンサアンプ１６で検出され電気信号に
変換されるが、ここでは振動パワー計測用の交流変換さ
れた出力と、放射強度測定に必要な直流成分の出力の２
種類のアナログ出力に変換され、制御装！！ｉ＋２に信
号線１７を介して伝達される。一方、燃料流量は燃料調
節弁６の開度信号を発するポテンショメータｌＯから制
御装置１２に入力され、あらかじめ設定された制御テー
ブルにより各燃料量に応じた最適な設定値が得られるよ
うになっている。制御定数の設定等は、制御装＠１２に
接続されたパソコン２０によって行なわれる。

このように制御するとき、本発明における制御装置１２
は次のような作用をする。制御装置１２では、センサー
アンプ１６より送られてきた燃焼火炎の光振動信号をＦ
ＦＴ（高速フーリエ変換）計算を行ない、振動パワーを
計算すると同時に放射光強度を数値化すると共に上述の
ような重み付けを行ない、振動パワーとの演算を行なっ
て、制御指標となる数値を得る。この数値と燃焼量から
得られる最適設定値との偏１を解消するようにＰＩＤ演
算した電気出力をモジュトロールモータ９に出力し、空
気調節弁５を操作して空気量の調節を行なう、これによ
って振動パワーのみによったのでは不可能であった短炎
燃焼バーナでも最適な空気比に調節することが可能とな
る。

第４図は以上の制御過程を示すフローチャート図である
。この図において■は放射強度の処理過程であり、■は
振動パワーの処理過程である。光ガイド１４を介してセ
ンサアンプ１６に入力され、このセンサアンプ１６で電
気信号に変換された光エネルギは、この先エネルギの絶
対量に対応した放射強度と、振動エネルギに応じた振動
パワーの２通りの演算処理が実施され、最終的に一つの
制御指標を得ることになる。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、バーナの燃焼火炎中か
ら、振動パワー信号と同時に放射強度信号を検出し、両
信号中の放射強度信号に重み付け処理をした後、両信号
の比をとってほぼ直線的な空気比特性を得、該空気比特
性によって前記バーナへの空気量の調節を行なうように
したバーナの燃焼制御方法であるから、長炎燃焼バーナ
のみならず、急速に燃焼を完結すべく案出された各種の
短炎燃焼バーナについても空・燃比制御を行なうことが
できることになる。またこの制御指標を用いることによ
り、ガスバーナの空気不足に起因するＣＯガスの発生抑
制（ばい煙濃度形では不可能であった）を可能とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実現するシステム系統図、第２図
および第３図は本発明方法の過程を説明するためのグラ
フ、第４図は本発明方法の過程を表わしたフローチャー
ト図、第５図（ａｌ　ないしくｃ）と第６図（ａ）、ｌ
ｂ）および第７図は先行技術の過程を説明するためのグ
ラフである。 １−・−燃焼炉 ２−バーナ ６−燃料調節弁 ７−空気調節弁 ８．９・−モジュトロールモータ １０−ポテンショメータ １２−制御装置 １５−火炎 １６−センサアンプ 第１図 １　・・　燃焼炉 ２・・・バーナ 特　許　出願人　トヨタ自動車株式会社１６・・・ぜソ
ファンプ 第 図 空気比 制６１指凛 第７図 ２．０２ｅ、Ｇ　　２．０６ｅ４６ バワ ４反υｍ３／ｈ バワ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）バーナの燃焼火炎中から、振動パワー信号と同時
   に放射強度信号を検出し、両信号中の放射強度信号に重
   み付け処理をした後、両信号の比をとってほぼ直線的な
   空気比特性を得、該空気比特性によって前記バーナへの
   空気量の調節を行なうことを特徴とするバーナの燃焼制
   御方法。