JPH1073243A - 火炎検出および燃焼診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 火炎センサの実装作業を容易に行うことがで
き、かつ、経済的にも有利な火炎検出および燃焼診断装
置を提供すること。 【解決手段】 バーナ光は中継光ファイバから光電変換
ボード５の光コネクタ５２で連結される受光用光ファイ
バ２１を介してコリメータ２２Ａに入射され、複数の光
干渉バンドパスフィルタにより分光され、電気信号に変
換されて燃焼診断に用いられ、分光されない光は点、消
火の判断に用いられる。受光用光ファイバ２１は曲げ部
２１ａを形成しているので複数の視野に対応して同数の
受光用光ファイバが用いられる場合、それらの長さの相
違は曲げ部２１ａで吸収され、高精度で同一長さにする
必要はなくなる。又、受光用光ファイバ２１とコリメー
タ２２Ａとの結合は接着によらずコネクタを用いて行う
ので、実装が容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電用火力プラン
ト等の燃焼炉内の火炎の有無、および燃焼の状態を監視
する火炎検出および燃焼診断装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の火力発電用ボイラでは、中間負荷
運用、ＤＳＳ（毎日起動、停止）運転により頻繁にバー
ナの点火、消火作業が行われるようになっており、バー
ナ火炎の点火、消火の状態を検出する火炎検出器は重要
な構成要素になっている。火炎検出器として一般に使用
されているもののほとんどは、火炎の発光を検出して火
炎の有無を判定する光学式である。発電ボイラ等のマル
チバーナ炉では、光検出式で、かつ、火炎のフリッカ信
号（火炎発光のＡＣ成分）の強度から火炎の有無を判定
するフリッカ分析式が適している。このような火炎検出
装置を図６に示す。

【０００３】図６は従来の火炎検出装置の構成を示す図
である。この図で、１はバーナ、２はバーナ１の火炎、
３は火炎２の光を受光する光ファイバプローブ、３ａ、
３ｂ、３ｃは光ファイバプローブ３の３つの観測視野を
示す。４は光ファイバプローブ３で受光した光を伝送す
る中継光ファイバであり、通常、コア径 200μｍのもの
が使用される。５は中継光ファイバ４で伝送された光を
これに応じた電気信号に変換する光電変換ボード、６は
光電変換ボード５で変換された電気信号の特定周波数帯
域成分（フリッカ信号）に基づき火炎の点火、消火を判
定する判定処理ボード、７は各バーナの判定処理ボード
の出力を入力するリレーボードユニット、８はリレーボ
ードユニット７からの各バーナの火炎の判定結果に基づ
いてバーナ燃焼の自動制御を行うバーナ自動制御装置、
９は各判定処理ボード６の判定結果を通信制御ボード１
０を介して入力するホストコンピュータである。

【０００４】一方、環境対策の面から、ボイラ等の燃焼
装置では、窒素酸化物、すす、および一酸化炭素の発生
を極力抑制することが要望されている。この要望に沿う
ような燃焼状態を形成するためには、燃焼炉内で燃料と
空気とが適度に混合する火炎を形成し、これにより燃焼
炉内に極端な高温度領域および極端な低温度領域を形成
させないことが必要である。このような燃焼状態の監視
を行う装置の１つに燃焼火炎の輻射光を所定の数点の波
長について分光分析した結果から燃焼状態を診断する分
光分析式燃焼診断装置がある。マルチバーナ炉である近
年の大容量火力発電用ボイラでは、多数本あるバーナの
個々の火炎の保炎が最重要であり、バーナ個々の燃焼状
態を診断する必要がある。

【０００５】上記火炎検出装置と上記燃焼診断装置の機
能の一体化を図った装置（光センサ）を光電変換ボード
５に備えた光検出および燃焼診断装置が提案されてい
る。当該光センサは、火炎検出用の火炎発光のフリッカ
（ちらつき）成分分析機能と燃焼診断用の数点の波長に
おける分光分析機能を兼ね備えたセンサ、即ち、火炎検
出・燃焼診断併用型火炎センサ（以下、単に火炎センサ
という）である。これを図７で説明する。

【０００６】図７は従来の火炎センサの構成を示す図で
ある。この図で、４は図６に示すものと同じ中継光ファ
イバ、２０は火炎センサを示す。火炎センサ２０は以下
の構成を有する。即ち、２１は受光用光ファイバであ
り、この受光用光ファイバ２１は中継光ファイバ４の出
射光を受光してこれを伝送する光ファイバであって、中
継光ファイバ４より大きなコア径 400μｍを有する。２
２はコリメータ（詳細は後述する。）、２３はガラスブ
ロック、２４ａ〜２４ｅは光干渉バンドパスフィルタ、
２５はこれら各光干渉バンドパスフィルタ２４ａ〜２４
ｅの透過光を受光する各ロッドレンズ、２６は各ロッド
レンズ２５を保持するホルダ、２７は光検出素子アレイ
である。火炎センサ２０は観測視野の数だけ備えられ
る。

【０００７】図８は図７に示すコリメータの断面図であ
る。この図で、４は図６、図７に示すものと同じ中継光
ファイバ、２２は図７に示すコリメータである。コリメ
ータ２２は、受光用光ファイバ２１の光軸合わせおよび
保持を行うためのフェルール２２１、受光用光ファイバ
２１の出射光を集光する球レンズ２２２、球レンズ２２
２と受光用光ファイバ２１の光軸合わせおよび保持を行
うためのレンズガイド２２３、ロッドレンズ２２４、お
よびこれらを保持するコリメータホルダ２２５で構成さ
れている。受光用光ファイバ２１と球レンズ２２２との
位置関係は高精度に位置合わせする必要があり、受光用
光ファイバ２１は球レンズ２２２との位置関係を調整し
た後、レンズガイド２２３に接着固定される。

【０００８】図７に示す火炎センサ２０において、中継
光ファイバ４、受光用光ファイバ２１を経て伝送され受
光用光ファイバ２１から出射された光は、球レンズ２２
２によりロッドレンズ２２４の入射面光軸に集光され
る。ロッドレンズ２２４は球レンズ２２２の出射光を並
行光線に変換してガラスブロック２３および各光干渉バ
ンドパスフィルタ２４ａ〜２４ｅより成る分光系に入射
せしめる。この分光系に入射した光はガラスブロック２
３内を多重反射して伝播し、多重反射の過程において光
干渉バンドパスフィルタ２４ａ〜２４ｅの波長と一致す
る波長成分の光のみが対応する光干渉バンドパスフィル
タを透過し、ロッドレンズ２５を経て光検出素子アレイ
２７に入射し、その強度に比例する電気信号に変換され
て図６に示す判定処理ボード６へ出力される。最終的に
は、光干渉バンドパスフィルタ２４ａ〜２４ｅを透過し
た所定の波長（この場合は５つの波長）に対する分光分
析が行われ、その結果から火炎燃焼状態の特徴量（火炎
温度、ガス吸収特性等）が抽出され、又、光干渉バンド
パスフィルタ２４ａ〜２４ｅの透過光以外の光から火炎
発光のフリッカ成分が分析され、火炎の有無が判定され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の火炎センサ
２０は、これを光電変換ボード５へ実装する場合に次の
問題がある。第１の問題は、観察視野が複数ある場合、
各観察視野に対応する各受光用光ファイバ２１の長さ
（中継光ファイバ４との接続端から球レンズ２２２の入
射端までの長さ）を高精度で一致させないと、受光用光
ファイバ２１と球レンズ２２２間のギャップ等の接続状
態が観察視野毎に異なることとなり、観察視野間に光損
失差が生じてしまう。第２の問題は、受光用光ファイバ
２１とコリメータ２２との位置関係を高精度に保持する
ため、受光用光ファイバ２１をコリメータ２２と接着す
る構成では、受光用光ファイバ２１と火炎センサ２０の
他の構成とが一体構成となり、火炎センサ２０を光電変
換ボード５へ実装する場合、折れ易い受光用光ファイバ
２１に対して大きな注意を払わねばならず、これによ
り、実装に手間と時間を要することになる。又、このよ
うな一体構成では、受光用光ファイバ２１と火炎センサ
２０の他の構成のうちの一方に破損が生じた場合、両方
を交換せざるを得ず、特に、受光用光ファイバ２１が折
損した場合、高価な上記他の構成も交換しなければなら
ず、不経済なこととなる。

【００１０】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、火炎センサの実装作業を容易に行うことが
でき、かつ、経済的にも有利な火炎検出および燃焼診断
装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め請求項１の発明は、バーナ火炎の１つ以上の領域にお
ける発光を受光する１つ以上の視野を有する光プローブ
と、この光プローブで受光された光を伝送する中継光フ
ァイバと、この中継光ファイバよりコア径が大きくかつ
当該中継光ファイバで伝送された光を受光して伝送する
受光用ファイバと、この受光用ファイバから伝送された
光の拡がりを防止する集光レンズを有しこの集光レンズ
からの光を複数の波長域の光に分光しこれら分光をそれ
らの光強度に応じた電気信号に変換する光電変換部とを
備えた火炎検出および燃焼診断装置において、前記受光
用ファイバに曲げ部をもたせたことを特徴とする。

【００１２】又、請求項２の発明は、バーナ火炎の１つ
以上の領域における発光を受光する１つ以上の視野を有
する光プローブと、この光プローブで受光された光を伝
送する中継光ファイバと、この中継光ファイバよりコア
径が大きくかつ当該中継光ファイバで伝送された光を受
光して伝送する受光用ファイバと、この受光用ファイバ
から伝送された光の拡がりを防止する集光レンズを有し
この集光レンズからの光を複数の波長域の光に分光しこ
れら分光をそれらの光強度に応じた電気信号に変換する
光電変換部とを備えた火炎検出および燃焼診断装置にお
いて、前記受光用ファイバに、この受光用ファイバの光
出射端面を前記集光レンズに押しつけるばね機構を備え
たコネクタを設けたことを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る
火炎検出および燃焼診断装置の光電変換ボードの部分の
構成を示す図である。この図で、図７に示す部分と同一
又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。
５１は光電変換ボード５のプレート、５２は中継光ファ
イバと受光用光ファイバ２１とを接続する光コネクタで
ある。２１ａは受光用光ファイバ２１の曲げ部分を示
す。本実施の形態では、当該曲げ部分２１ａの曲げは１
／４円周であり、その半径Ｒは50ｍｍとされている。受
光用光ファイバ以外の構成が図で破線で囲まれている。
この構成中、従来の構成と異なるのは、受光用光ファイ
バとコリメータとの結合部分であり、コリメータ部分以
外の構成は従来の構成と同じである。２２Ａは当該結合
部分を含む本実施の形態のコリメータを示す。コリメー
タ２２Ａの詳細を図２、図３および図４を参照して説明
する。

【００１４】図２は受光用光ファイバおよびこれに設け
られたコネクタを示す図である。この図で２１は図１に
示す受光用光コネクタ、２１ｂはその端部である。３０
は受光用光コネクタ２１に設けられるコネクタであり、
受光用光ファイバ２１の光軸合わせおよび保持を行うた
めのフェルール３１、このフェルール３１に摺動自在に
装架された固定用フランジ３２、およびばね３３で構成
されている。３１ａはフェルール３１に形成されたばね
座、３２ａは固定用フランジ３２の端面である。ばね３
３はフェルール３１のばね座３１ａと固定用フランジ３
２の内面との間に装架される。

【００１５】図３および図４は受光用光ファイバをコリ
メータへ装着する手順を示す図である。図３は受光用光
ファイバ２１のコリメータへの装着中途の状態を示す
図、図４は受光用光ファイバ２１をコリメータに装着し
た状態を示す図である。これらの図で、図２および図８
に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号を付して
説明を省略する。３４は固定用ねじを示す。受光用光フ
ァイバ２１をコリメータに装着する場合、まず、矢印Ｂ
に示すように受光用光ファイバ２１の先端部分をフェル
ール３１とともに球レンズガイド２２３に挿入する。こ
の状態が図３に示されている。

【００１６】この挿入をさらに進めると、受光用光ファ
イバ２１の先端２１ｂが球レンズ２２２と接する。この
ように、受光用光ファイバ２１の先端２１ｂと球レンズ
２２２とが接した状態で、コネクタ３０の固定用フラン
ジ３２を、ばね３３に抗してさらに矢印Ｂ方向に押圧す
ると、固定用フランジ３２の端面３２ａとコリメータホ
ルダ２２５の端面とが、ばね３３を圧縮した状態で、即
ち、受光用光ファイバ２１の先端２１ｂが球レンズ２２
２に圧接された状態で接触する。この状態で、図４に示
すように、固定用ねじ３４を用いて固定用フランジ３２
をコリメータホルダ２２５に固定する。これにより、受
光用光ファイバ２１とコリメータとの結合が完成する。

【００１７】このように、本実施の形態では、受光用光
ファイバを曲げ部分を形成してコリメータに接続するよ
うにしたので、各観測視野の受光用光ファイバの個々の
長さの違いを当該曲げ部分で吸収することができ、各受
光用光ファイバの長さ精度を出す必要がなくなり、光電
変換ボードへの実装も容易になる。又、受光用光ファイ
バとコリメータとを接着によらずに、ばねを内蔵するコ
ネクタを用いて行うようにしたので、実装時には受光用
光ファイバを単独で実装することができ、受光用光ファ
イバに対してのみ注意をすればよく、実装が容易とな
る。さらに、受光用光ファイバに折損が生じても、火炎
センサ全部でなく受光用光ファイバだけを取り換えれば
よいので、経済的に有利である。

【００１８】なお、上記実施の形態の説明では、受光用
光ファイバに曲げ部分を形成し、かつ、受光用光ファイ
バとコリメータとの結合にコネクタを用いる例について
説明したが、必ずしも両者を併用することはなく、いず
れか一方のみでも実装を容易にすることができる。又、
受光用光センサの曲げ部分として、１／４円周、半径Ｒ
を50ｍｍとする例を挙げたが、これに限ることはなく、
適宜の数値を選択することができる。図５は受光用光フ
ァイバの曲げ半径と光の透過率との関係を示す特性図で
あり、横軸に曲げ半径、縦軸に透過率がとってある。図
から明らかなように、曲げ半径が40ｍｍより小さくなる
と受光用光ファイバの光透過率が小さくなり、損失が増
加するので、曲げ半径は40ｍｍより大きな値に選定する
ことが望ましい。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、受光用
光ファイバを曲げ部分を形成してコリメータに接続する
ようにした場合には、各観測視野の受光用光ファイバの
個々の長さの違いを当該曲げ部分で吸収することがで
き、各受光用光ファイバの長さ精度を出す必要がなくな
り、光電変換ボードへの実装も容易になる。又、受光用
光ファイバとコリメータとを接着によらずに、ばねを内
蔵するコネクタを用いて行うようにした場合には、実装
時には受光用光ファイバを単独で実装することができ、
受光用光ファイバに対してのみ注意をすればよく、実装
が容易となり、さらに、受光用光ファイバに折損が生じ
ても、火炎センサ全部でなく受光用光ファイバだけを取
り換えればよいので、経済的に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る火炎検出および燃焼
診断装置の光電変換ボードの部分の構成を示す図であ
る。

【図２】受光用光ファイバおよびこれに設けられたコネ
クタを示す図である。

【図３】受光用光ファイバをコリメータへ装着する手順
を示す図である。

【図４】受光用光ファイバをコリメータへ装着する手順
を示す図である。

【図５】受光用光ファイバの曲げ半径と光の透過率との
関係を示す特性図である。

【図６】従来の火炎検出器の構成を示す図である。

【図７】従来の火炎センサの構成を示す図である。

【図８】図７に示すコリメータの断面図である。

【符号の説明】

５ 光電変換ボード ２０ 火炎センサ ２１ 受光用光ファイバ ２２Ａ コリメータ ５１ プレート ５２ 光コネクタ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バーナ火炎の１つ以上の領域における発
   光を受光する１つ以上の視野を有する光プローブと、こ
   の光プローブで受光された光を伝送する中継光ファイバ
   と、この中継光ファイバよりコア径が大きくかつ当該中
   継光ファイバで伝送された光を受光して伝送する受光用
   ファイバと、この受光用ファイバから伝送された光の拡
   がりを防止する集光レンズを有しこの集光レンズからの
   光を複数の波長域の光に分光しこれら分光をそれらの光
   強度に応じた電気信号に変換する光電変換部とを備えた
   火炎検出および燃焼診断装置において、前記受光用ファ
   イバに曲げ部をもたせたことを特徴とする火炎検出およ
   び燃焼診断装置。
2. 【請求項２】 バーナ火炎の１つ以上の領域における発
   光を受光する１つ以上の視野を有する光プローブと、こ
   の光プローブで受光された光を伝送する中継光ファイバ
   と、この中継光ファイバよりコア径が大きくかつ当該中
   継光ファイバで伝送された光を受光して伝送する受光用
   ファイバと、この受光用ファイバから伝送された光の拡
   がりを防止する集光レンズを有しこの集光レンズからの
   光を複数の波長域の光に分光しこれら分光をそれらの光
   強度に応じた電気信号に変換する光電変換部とを備えた
   火炎検出および燃焼診断装置において、前記受光用ファ
   イバに、この受光用ファイバの光出射端面を前記集光レ
   ンズに押しつけるばね機構を備えたコネクタを設けたこ
   とを特徴とする火炎検出および燃焼診断装置。