JPS63123921A - 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、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としては、特開昭５９−１３
８８１１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ぎに燃
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、この出力
によ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ｏ２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、燃焼状態の検出に光パワーを利用する点について
は特開昭５９−１３７７１９号、同５９−１０９７１５
号、同５９−１２２２７号、同５８−１４３２７４号で
開示されている。

発明が解決しようとする問題点 上記ジルコニア０゜センサを用いた燃焼制御は炉中での
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。

■　煙道中にセンサを設置しなければならないので、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
構造上生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０゜センサには３０〜４０秒の応答遅れ
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０゜センサの代わりに前記特開昭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ぎく変化
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ｏ２濃度とは次の関係にある
。

ところで、旋回力によって保炎するタイプのバーナにお
いて、そのバーナの火炎より発生する光強度は燃焼量（
燃料流量）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図の曲線Ｉに示す様な変
化を示し、その光パワー信号は第３図及び第４図に示す
ような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ｏ２濃度の高い領域（イ）では、０
２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
。

マタ、コーン状保炎器を持つタイプのバーナについてみ
ると、その光強度は第２図の曲線ＩＩに示すような変化
をする。しかし、光パワー信号の振動に関しては第３図
とは逆に０２濃度が減少するに従い振動幅は小さくなる
。

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５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幅に関する値を示
し、第４図で示されるような隣接する上下のピーク値の
差Ｆと上下のピーク間の経過時間ｔとの積を所定時間分
だけ加えてこれを時間で割った平均値Ｍ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
２％と上記平均値Ｍ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
％と平均値との関係を示している。

従って、例えば燃焼量を６０６／ｈに設定している場合
バーナの火炎から検出される平均値がＭであるとしたな
らばその対応０２％（ハ）は妥当な０２％（ニ）とずれ
（ホ）を生じており、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
ナについては第６図で示されるデータを得た。

本発明に係る燃焼制御方法は上記第５図又は第６図で示
されるようなデータを利用し、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、燃焼
器に供給される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Ｏ２％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、上記排ガス中の
０２％は光パワーとして上記燃焼器の火炎から検出し、
該光パワーからその隣接する上下のピーク値の差を求め
ると共に該差と該上下のピーク間の経過時間との積を求
め、次いで上記積の所定時間内における複数個分の平均
値を求め、しかる後これを予め求めた現状の該燃料流量
に対する妥当な０２％に対応した平均値と比較してその
偏差を演算し、該偏差を解消する出力を燃焼用空気流量
調節部に対して行なうという手順を採用している。

作　　　　　用 燃焼器で形成された火炎から光パワーを検出し、この光
バアーを処理して制御出力を得る。

従って、排ガス中の０２％を直接検出せずともＯ２％の
コントロールが可能となる。そして、その結果高価なジ
ルフニアｏ２センサでなく比較的安価な光センサを用い
ることができるＯ また、燃焼器がバーナであるときは炉中で燃焼状態を検
出することに他ならないので、従来における煙道で検出
する方式に比し、タイムラグを生じることなく燃焼制御
を行なうことかできる。

上記制御出力を得るには、光パワーからその隣接する上
下のピーク値の差を求めると共に該差と該上下のピーク
間の経過時間との積を求め、次いで上記積の所定時間内
における複数個分の平均値を求め、しかる後これを予め
求めた現状の該燃料流量に対する妥当な０２％に対応し
た平均値と比較してその偏差を演算することによって行
なう。

このように上下ピーク値差と時間との積を加算してこれ
を一定値で割るという比較的単純な演算式を用いて演算
するので制御出力を簡易かつ迅速に求めることができる
。

実　　　施　　　例 第１図ないし第５図及び第７図に基づき本発明の一実施
例を説明する。

第７図は本発明に係る燃焼制御方法を使用する熱処理炉
を示している。

第７図において符号１は炉本体を示し、該炉本体１の壁
には金属製品等を装入するための扉２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。

炉本体１に設けられた燃焼器たるバーナ４はこの場合旋
回気流により保炎するタイプのものである。

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には燃焼用空気流量調節部たる流量
調節弁９が設けられている。

燃料の流量調節弁７は燃料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及び燃料制御部１１を備えている。

燃料制御部１１は温度変換器１２及び燃焼量調節器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、これを燃焼量調節器１
３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は燃焼用空気制御装置により
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
する燃焼用空気制御部１６を備えている。

光センサ１５はＧフォトダイオード、Ｓ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１
４に対向する箇所に固定されている。

燃焼用空気制御部１６は光センサ１５からの光信号をデ
ジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１７と、該変換器１
７からの電気信号を得てその隣接する上下のピーク値の
差を求めると共に該差と該上下のピーク間の経過時間と
の積を求め、次いで上記積の所定時間内における複数個
分の平均値を求め、また燃料流量計８からの燃料の流量
信号を受けて最適　０２％に対応する平均値を求めこれ
ら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に対して行なう燃焼用空気流量補
正器１９とから成っている。

この燃焼用空気制御部Ｌ６の動作を第１図のフローチャ
ートに基づいて説明する。

ステップ５１において、光パワーレベルの値を取り込み
、ステップＳ２で前回取り込んだデータと比較し、上昇
傾向であればステッパＳ３にて、データが下降傾向から
上昇傾向に変ったかを判定しＹＥＳであればステップＳ
４にて、下ピーク値としてデータをセットし、ステップ
Ｓ５で上と下のピーク差を算出しステップＳ６にてピー
ク差Ｘ上、下ピーク間の時間の積を算出し、時間カウン
タをリセットする。

一方、ステップＳ２で　Ｎｏと判定された場合は、ステ
ップ＄７でデータが下降傾向であるかを判定し、ＹＥＳ
と判定された場合には、ステップＳ８にてデータが上昇
傾向から十降傾向に反転したかどうかをチェックし、Ｙ
ＥＳと判定された場合には、ステップＳ９にて上ピーク
値として、データをセットし、ステップＳＩＯにて、上
下のピーク差を算出しステップＳｔｔにてピーク差Ｘ上
下ピーク間の時間の積を算出し、時間カウンタをリセッ
トする。

ステップＳ３にて、ＮＯと判定された場合（データが上
昇から下降に反転した場合）と、ステップ５８Ｆこて　
Ｎｏと判定された場合（データが下降から上昇に反転し
た場合）と、ステッ７’Ｓ６．ＳＩＬ実施後は、ステッ
プＳＬ２にて所定の一定時間ＴをカウントしステップＳ
７でＮＯと判定された場合とステップＳＬ２実施後はス
テップＳＬ３にて、一定時間Ｔを経過したか否かを判定
し、ＹＥＳであればステップ５１４にて振幅Ｘ時間の積
の一定時間Ｔ内における平均値Ｍを算出しステップＳ１
５にて、目標０２％（ニ）に対応した光パワーＡとの差
ＢをもとめステップＳ１６にて燃焼用空気流量の補正値
を算出出力し、ステップＳ１にもどり一連の処理をくり
かえす。

なお、上記補正値の求め方について次に付記する。

まず、Ｂが０となるようにＢに比例した制御量と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。

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は燃焼量調節器１３で求められ、燃焼用空
気流量補正器１９に出力される。

上記補正器１９はＣＳＤを得て次の補正式から空気流量
調節信号Ｅを求め、これを弁９に出力し、その開度を調
節する。

この式において、Ｃは％データであり、０〜１００％の
範囲内の値である。Ｃ＝Ｏ〜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　＝　１．２Ｄとなる。

これｔこより、計算上京められたＤは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、Ｏ２％が（ニ
）の排ガスは煙道３から炉外へ排出されることｔこなる
。

なお、扉２から新たに材料の出し入れが行なわれること
によりＯ２％が一時的に増大することがあるが、そのＯ
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０２％に速や
かに復帰する。

上記実施例は熱処理炉を対象としたがボイラ等を対象と
する場合は、燃料制御部１１の温度センサ１引こ代えて
圧力センサを設け、燃焼量調節器Ｌ３は蒸気圧力の設定
方式に代えればよいものである。

発明の効果 本発明は以上のように燃焼器で形成された火炎から光パ
ワーを検出し、この光パワーを処理して制御出力を得る
ので、排ガス中の０２％を直接検出せずとも０□％のコ
ントロールが可能になる。従ってセンサとして高価な０
２センサでなく、比較的安価な光センサを使用すること
ができ、炉、ガスタービン等の燃焼制御上有益である。

また炉中で燃焼状態を検出することができるので、従来
の排ガスを煙道に通しつつ検出する方式に比し、５炉の
開閉に伴う０２％の急変が生じても迅速ｔこ対処でき、
また煙道の隙間からの空気漏れが生じても検出結果に影
響を受けることがなくなる。

さらに、本発明は光パワーから上下ピーク値差を求め、
これと時間との積を得、これを加算して一定値で割ると
いう簡素な演算式によって演算するので、制御出力を簡
易かつ迅速に求めることが出来、また補正器の構成の簡
素化をも図りうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃焼制御方法の制御出力を得る手
順を示すフローチャート、第２図は一定燃焼量下の光パ
ワーと排ガス０２％との関係を示すグラフ、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図は第３図の■部の拡大
図、第５図は光パワーの所定の平均値と　０２％との関
係を、燃焼量をパラメータとして表わしたグラフ、第６
図は異なるタイプのバーナｅこついて表わした第５図と
同様なグラフ、第７図は本発明を使用した熱処理炉の制
御システム図である。 １：炉、４：バーナ、８：燃料流量計、９：燃焼用空気
流量調節弁、１３：燃焼量調節器、１５：光センサ、１
６：燃焼用空気制御部、１７：Ａ／Ｄ変換器、１９：燃
焼用空気流量補正器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 燃焼器に供給される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
   排ガス中のＯ＿２％は光パワーとして上記燃焼器の火炎
   から検出し、該光パワーからその隣接する上下のピーク
   値の差を求めると共に該差と該上下のピーク間の経過時
   間との積を求め、次いで上記積の所定時間内における複
   数個分の平均値を求め、しかる後これを予め求めた現状
   の該燃料流量に対する妥当なＯ＿２％に対応した平均値
   と比較してその偏差を演算し、該偏差を解消する出力を
   燃焼用空気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。