JPS63105320A - 燃焼制御方法及びその方法を使用する燃焼制御装置 - 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の０２
％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
制御方法及び装置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及び装置としては、特開昭５
９−１３８８１１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、との出力
にょ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。

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焼制御方法及び装置として昭和
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、燃焼制御装置の燃焼状態の検出部として利用しう
る光パワーの検出器については特開昭５９−１３７７１
９号、同５９−１０９７１５号、同５９−１２２２７号
、同５８−１４３２７４号で開示されるものがある。

発明が解決しようとする問題点 上記ジルコニアｏ２センサを用いた燃焼制御方法及び装
置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。

■煙道中にセンナを設置しなければならないのぞ、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
造上半じた隙間より外気が侵入した場合、燃焼室内での
０２濃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０２センサには３０〜４０秒の応７Ｆ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０２センサの代わシに前記特開昭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に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、その比率は一般に空気比（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、空気比と排ガス中の０２濃度とは次の関係にある
。

ところで、重油あるいはガス等の燃料を燃焼するバーナ
の火炎よシ発生する光強度は燃焼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
図に示す様な変化を示し、その光パワー信号は常時振動
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、０２濃度の増加に
伴い光パワー信号レベルは低下し、またピーク値よりも
０２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大きくなり逆に燃焼量を減少させる
と小さくなる。

なお、第２図及び第３図で示される特性は旋回力によっ
て火炎を保持する機構のバーナについてのものであるが
、コーン状保炎器を持つバーナについては上記と全く逆
の特性を有する。

上記特性は各種バーナに固有のものである。

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福に関する値を示
し、例えば第３図で示される光パワーの平均値に対する
鋸歯状振動部分の単位時間内積分値すなわち偏差積分値
が目盛られている。

横軸は排ガス中の０２％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□係と偏差積
分値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％と積分値との
関係を示している。

従って、例えば燃焼量を６０４３／ｈに設定している場
合バーナの火炎から検出される積分値がＹであるとした
ならばその対応０２％（ハ）は妥当な０□係に）とずれ
（ホ）を生じておシ、このずれ（ホ）は積分値のずれＢ
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及び装置はその制御部に上記
第４図又は第５図で示される工うなデータを記憶し、こ
のデータと検出信号との対比から得られる偏差Ｂに基づ
きその偏差Ｂ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、液体
又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受けて火炎を形
成する燃焼器における該燃料の流量信号及び該燃焼器の
排ガス中の０２％信号を得て該Ｏ２％が該燃料の流量に
対し妥当な０２係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だ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、上記火炎
から光パワー信号を検出してそこから光パワーの振幅に
関する信号を得、次いでこれを、予め得た燃料流量につ
いての妥当な０２％に対応した光パワーの振幅に関する
信号と比較してその偏差を求め、しかる後膣偏差を解消
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
行なうという手法を採用している。

また、液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受け
て火炎を形成する燃焼器における該燃料の流量信号及び
該燃焼器の排ガス中の０２％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装置において
、上記排ガス中の０２％信号を光パワーの振幅に関する
信号として得る光センサを上記燃焼器の後部に備えてお
り、かつ各種燃料流量についての光パワーの撮偏に関す
る信号と排ガス中の０２％信号との関係データ及び各種
燃料流量についての妥当な０□％に対応する光パワーの
振幅に関する基準データを記憶し、上記燃焼器の稼動中
に上記光センサから得られる光パワーの振幅に関する信
号を当該燃料流量゛に対応する上記基準データと比較し
て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制御部を備えた構成を採用して
いる。

作用 液体又は気体の燃料及び燃焼用空気が燃焼器に供給され
火炎が形成されることによって炉、タービン等の運転が
開始される。

本発明の燃焼制御方法によれば、火炎から光パワー信号
を検出してそこから振幅に関する信号を得、これを望ま
しい０□係対応信号と比較し、その偏差を解消する出力
を得る。

従って、０２％を直に検出せずとも排ガス中００□係の
コントロールを行なうことができる。

また、本発明の燃焼制御装置によれば、光センサは燃焼
器の火炎からその光パワーを検出し制御部に送る。

制御部は光パワーから振幅に関する信号を作る。

また、制御部は燃料の流量信号を受けている。

これにより制御部は予め記憶した第４図の基準データに
上記振幅に関する信号を照らし合わせ、現時点の０２％
と妥当な０％との偏差を振幅に関する値の偏差として演
算により求め、この偏差を解消するための出力を燃焼用
空気の流量調節部に対して行なう。

このため、空気比は常に適正な値に保持され、安定した
燃焼が持続される。また光パワーの検出は、燃焼器がバ
ーナであるときは炉内で行なうので、タイムラグ等を生
じることなく迅速かつ適正な制御を行なうことができる
。

実施例 以下各種実施例をもって本発明を具体的に説明する。

（実施例１） 第１図、第４図及び第６図は本発明の第１実施例を示し
ている。

第１図において符号１は金属製品等を加熱処理するだめ
の炉である。炉１の壁には金属製品等を装入するための
ｓ２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１には燃焼器たるバーナ４が設けられ、この場合旋回
気流により保炎するタイプのバーナである。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゛料の流量調節弁７は温度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
ンサ１０及び制御部１１を備えている。

制御部１１は温度変換器１２及び温度調節器１３を備え
ており、温度センサ１０からの信号を温度変換器１２で
所定の出力信号に変換し、これを温度調節器１３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
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。

制御部１６は光センサ１５からめ光信号を受けて電気信
号に変換する変換器１７と、該変換器１７からの電気信
号を単位時間積算し平均値を計算すると共にこの平均値
に対する偏差を単位時間積分して偏差積分値を出力する
積算器１８と、該積算器１８からの出力を受けると共に
燃料流量計８からの燃料の流量信号を受けてこれらを、
予め記憶した第４図の基準データと照合して現在の偏差
積分値と予め定められた最適偏差積分値との比較を行な
い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に対して行なう調節器１９とから成っている。

この制御部１６の動作を第６図の７０−チャートに基づ
いて説明する。

変換器１７からの光パワー信゛号Ｘ。を読み込み（ステ
ップ１）、次いでΔを秒間の全信号の移動平均Ｘを求め
る（ファン７′−２、３）。

すなわち、ステップ２において過去△を秒間に計測した
ｎ個のデータのうち最も過去のデータＸｎを消去し、そ
の代わりに現在の信号ＸＯを入力する。そしてステップ
３でＸ１〜Ｘｎのｎ個のデータの総和をｎで割り移動平
均Ｘを算出している。

次に、現在の光パワー信号Ｘ。と移動平均Ｘとの差の絶
対値Ｙ。を求める（ステップ４）。

Ｙｏを読み込み、過去Δを秒間のデータのうち最も過去
のＹｎを消去しくステップ５）、Δを秒間のｎ個のデー
タの総和である偏差積分値Ｙを求める（ステップ６）。

Ｙが求まると、燃料流量Ｑ例えば６　ｏＡ／ｈを読み込
み（ステップ７）、Ｑに対応した曲線例えばａ（第４図
）を選択すると共にＱにつき妥当な０２％に）に対応す
る偏差積分値Ａを求める（ステラ７’８）。そして現状
値Ｙと最適値Ａとのずれである偏差Ｂｅ求める（ステッ
プ９）。

しかる後、Ｂが０となるようにＢに比例した制御量上Ｂ
の積分値に比例した制御量を加えた制御量Ｃを算出する
（ステップ１０）。

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りとし
て求める。Ｄは温度調節器１３で求められ、燃焼用空気
流量調節器１９に出力される（ステップ１１）。

上記調節器１９はＣ，Ｄを得て次の補正式から空気流量
調節信号Ｅを求め（ステップ１２）、これを弁９に出力
し、その開度を調節する（ステップ１３）。

この式において、Ｃｆ′ｉ％データであり、０〜１００
％の範囲内の値である。０２０〜５０％のときを弁開度
の減少、Ｃ＝５０〜１００％のときを弁開度の増加とし
、例えばＣ＝４０％のときはＥ＝０．８Ｄ、Ｃ＝６０％
のときはＥ＝１．２　Ｄとなる。

これにより、計算上京められたＤＩ−１：Ｃによって増
又は減の補正を受けてＥとして弁９に出力されることに
なる。

かくて炉１は最適燃焼状態で常時稼動し、０２係がに）
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
によシ０２％が一時的に増大するととがあるが、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。

（実施例２） 第７図は本発明に係る燃焼制御方法及び装置を暖房装置
に使用した状態を示している。

′炉２０は外殻２１で囲１れており、所定箇所には燃焼
器たるバーナ２２が設置され、該バーナ２２と対向する
箇所には熱交換チューブ２３が多″数設置されている。

また、外殻２１にはファン２４を装備した暖房用空気の
供給ダクト２５が熱交換チューブ２３に近接した箇所に
接続され、暖房用空気を居住域２６に送るダクト２７が
上記ダクト２５から離れた箇所に接続されている。

このため、暖房用空気はファン２４によりダクト２５か
ら外殻２１内に入り、熱交換器チューブ２３のところで
加熱され熱風となってダクト２７から居住域２６へと送
られる。

熱交換器チューブ２３はバーナ２２からの燃焼火炎２８
によシ加熱され、加熱後の排ガスは排煙ファン２９によ
り煙突３０へ導かれ、系外へ排出される。

居住域２６にはダクト２７からの温風と居住域リターン
空気とを混ぜ合わせるミキシング箱３１及びミキシング
７アン３２が設置されている。そして、ミキシングファ
ン３２から各居住室に向って分配ダクト３３が伸びてい
る。

このためダクト２７からの温風はミキシング箱３１でリ
ターン空気とミックスされて適当な温度に調整された後
ミキシング７アン３２から各居住室へと送られる。

上記炉２０には実施例１におけると同様光センサ３４及
び制御部３５が設置されている。

制御部３５は変換器３６、積算器３７及び調節器３８を
備え、第６図と同様な演算を行なうが、その出力はバー
ナ２２の燃焼用空気供給ダクト４２に設置されたダンパ
３９に対してなされるようになっている。

ダンパ３９には該ダンパ３９を回動操作するためのリン
ク機構４０及び該リンク機構４０を駆動するためのアク
チュエータ４１が付設されており、上記出力はこのアク
チュエータ４１に対してなされる。

これにより炉２０は実施例１におけると同様最適燃焼状
態に維持され、従って効率の良い暖房がなされることに
なる。

（実施例３） 第８図で示されるように上記実施例２における燃焼用空
気供給ダクト４２が温風供給用ダクト２７に接続されて
いる点で上記実施例２と異なっている。

このため燃焼用空気は予熱されて燃焼器たるバーナ２２
に供給されることになる。従って、燃焼火炎２８の温度
が高くなって燃焼性が向上し、重質油等の燃えにくい燃
料を使用できる。

また燃焼に必要な空間を小さくできるから、暖房炉の小
形化を図シうる。

（実施例４） 第９図は本発明を使用した温水ボイラを示している。

炉４３は保温材で出来た密封槽４４でまわシを囲まれ、
密封槽４４には水の供給管４５及び湯の取出管４６が接
続されている。

炉４３には燃焼器たるバーナ４７が設置され、またその
燃焼火炎４８と対向する箇所には監視窓４９が設置され
ている。

監視窓４９には開閉蓋５０がヒンジ５１を介して連結さ
れ、該開閉蓋５０にはガラス５２が嵌め込まれており、
該ガラス５２に光センサ５３が固定されている。

このためがラス５２を拭うことによシ光センサ５３の前
面からスス等の汚れを容易に除去するどとができ、従っ
て正確な信号を検出することができる。

その他上記実施例２．３におけると同様光センサ５３か
らの信号を受けて燃焼用空気供給ダクト５４内のダンパ
５５をコントロールする制御部５６が付設されている。

また、水温を検知する温度センサ５７．該温族センサ５
７からの信号を受けてバーナ４７への供給燃料のＯＮ　
−に）ＦＦ信号を燃料供給弁に送る制御部５８等からな
る温度制御装置も備えている。

（実施例５） 第１１図は本発明を油焚き炉筒煙管ボイラに適用した場
合を示している。

この図において符号５９は横倒しされた筒状の炉であり
、その一端にバーナ６０が設置され、他端に光センサ６
１が設置されている。

光センサ６１から検出された燃焼火炎の光パワー信号は
前記実施例におけると同様にして処理され、燃焼制御信
号が作られる。

（実施例６） 第１２図は本発明を水管ボイラに適用した場合を示して
いる。

この場合、光センサ６２はバーナ６３の近傍に設置され
、そこからの光パワー信号により前記実施例におけると
同様燃焼状態の制御がなされる。

（実施例７） 第１３図は立形水管ボイラに本発明を適用したものを示
している。

この場合バーナ６４は上部にあり、光センサ６５はバー
ナ６４と対向して下部に設置されてい゛る。

発明の効果 本発明に係る燃焼制御方法は以上のような構成を備えて
なるので、排ガス中の０２％コントロールを光パワーの
振幅に関する信号を検出することによって行なうことが
できる。従って、排ガス通路の位置の如何等に拘らず簡
易に制御出力を得ることができる。それ故、炉、ガスタ
ービン等の燃焼制御に有益である。

また、従来のジルコニア０２センサ方式によるタイムラ
グを生じることなく迅速かつ適正な燃焼制御を行なうこ
とができるものである。例えば炉内に材料を装入する場
合、０２％が急激に変化するがそのようなときにも直ち
に応答することができるものでちる。

さらに、本発明によれば次のような効果も奏しうる。す
なわち、熱処理炉、溶解炉等は１つの燃焼室に対して２
台以上複数のバーナを取り付けて燃焼加熱している場合
が多数である。この様１炉の場合従来の燃焼制御方式で
ある排ガス０２％を示標とした制御では煙道部の０２％
等最終的に集合された値を基にして各バーナを一様に制
御する方式となるためバーナ個々の空気比　４のバラツ
キについては調節不可能であった。これに対し本方式で
はバーナ火炎側々の火炎に対応した光センサを用いるこ
とによってそれぞれの燃焼状態を最適に保つことが可能
となり、例えばトンネル状の連続加熱炉の場合の様に出
入口付近と炉体中央部での外気のモレ込みによる０２％
のちがいが生ずる場合などより適切に個々のバーナの空
気比を調節することが可能となる。

また、本発明に係る燃焼制御装置は、光センサを用いて
光パワーを検出するので、該センサは火炎に対向する任
意の箇所に設置することができる。従って、従来のジル
コニアｏ２センサの如き煙道中に限定されるということ
はない。それ故、簡易に組み立てることのできるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を炉に適用した場合の一実施例を示す概
略垂直断面図、第２図は光パワーと０２％との関係の一
例を示すグラフ、第３図は燃焼量を一定にし０２％を変
化させた場合の光パワーと時間との関係を示すグラフ、
第４図は光パワーの偏差積分値と０２％との関係を、燃
焼量をパラメータとして表したグラフ、第５図は異なる
タイプのバーナに関する第４図と同様なグラフ、第６図
は燃焼制御装置の制御部でなされる演算処理のフローチ
ャート、第７図は本発明を暖房装置に適用した場合の概
略垂直断面図、第８図は第７図の燃焼用空気供給路を変
えたものの概略垂直断面図、第９図は本発明を温水ボイ
ラに適用した場合の概略垂直断面図、第１０図は第９図
のＸ部の拡大図、第１１図、第１２図及び第１３図は本
発明を夫々油焚き炉筒煙管ボイラ、水管ボイラ、立形水
管ボイラに使用した場合の概略垂直断面図である。 １：炉、４：バーナ、８：燃料流量計、９：燃焼用空気
流量調節弁、１４：燃焼火炎、１５：光センサ、１６：
制御部％２０：炉、２２：バーナ、２８：燃焼火炎、３
４：光センサ、３５：制御部、３９：ダンパ、４３：炉
、４８：燃焼火炎、４９：監視窓、５２ニガラス、５３
：光センサ、５５：ダンパ、５６；制御部、５９：炉、
６０：バーナ、６１，６２：光センサ。 ６３．６４：バーナ、６５：光センサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受け
   て火炎を形成する燃焼器における該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、上記火炎から光パワー信号を検出してそこから
   光パワーの振幅に関する信号を得、次いでこれを、予め
   得た燃料流量についての妥当なＯ＿２％に対応した光パ
   ワーの振幅に関する信号と比較してその偏差を求め、し
   かる後該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ことを特徴とする上記燃焼制
   御方法。
2. （２）液体又は気体の燃料及び燃焼用空気の供給を受け
   て火炎を形成する燃焼器における該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装置に
   おいて、上記排ガス中のＯ＿２％信号を光パワーの振幅
   に関する信号として得る光センサを上記燃焼器の後部に
   備えており、かつ各種燃料流量についての光パワーの振
   幅に関する信号と排ガス中のＯ＿２％信号との関係デー
   タ及び各種燃料流量についての妥当なＯ＿２％に対応す
   る光パワーの振幅に関する基準データを記憶し、上記燃
   焼器の稼動中に上記光センサから得られる光パワーの振
   幅に関する信号を当該燃料流量に対応する上記基準デー
   タと比較して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制御部を備えている
   ことを特徴とする上記燃焼制御装置。