JPH076838B2

JPH076838B2 - 火炎検知方法

Info

Publication number: JPH076838B2
Application number: JP62299717A
Authority: JP
Inventors: 市造田上
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1995-01-30
Anticipated expiration: 2010-01-30
Also published as: JPH01142419A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、火力発電設備や工業炉設備に使われるバーナ
の火炎などを検知する火炎検知方法に関する。

［従来の技術］火力発電設備などにおける火炉には多数のバーナが設け
られており、バーナの点火の確認を運転者が目視によっ
て行っている。しかし、多数のバーナがある場合、炉壁
の小さな窓から覗いても、目視による火炎のちらつきの
識別限界は16Hzで炎の特徴を識別する能力がないので、
観測しているバーナの自炎なのか、対向炎なのか、ある
いは隣接炎なのか区別がつかないことが多い。このた
め、バーナの１本１本について点火・消火動作により火
炎を目視で確認し、不具合がなければ全てのバーナを一
斉に点火し、その際には目視による確認をしないように
している。しかし、このような方法では、非常な手間と
時間と無駄な燃料を要するばかりでなく、最終状態の火
炎の有無の確認ができない。

そこで、従来、火炎からの可視・近赤外光を測定して火
炎の有無を検知する火炎検知器が提案されている。この
可視・近赤外型の火炎検知器では、火炎の一次燃焼帯の
ちらつきの高周波数成分を抽出し、一次燃焼帯の高周波
数成分を火炎有無の判別指標としている。

［発明が解決しようとする問題点］ところが、ボイラなどのように多数のバーナが存在する
場合、火炎検知器を設置して炉内を見るときにバーナ部
から火炎先端部を見る配置しか許されないことが多く、
視野内にはそのバーナの自炎のブラックスカート（バー
ナから一次燃焼帯までの未燃域）や対向炎や隣接炎も入
る。しかし、対向炎からの光が入ったり、ブラックスカ
ートがあると、指標となる一次燃焼帯のちらつきの検知
信号量が変わってしまう。しかも、対向炎や隣接炎の影
響はボイラの負荷状態により時々刻々に変わるものであ
り、ブラックスカートの発生状態も１ヶ月に数回実施す
るバーナの清掃によって周期的に変化する。このよう
に、判別指標が不安定であるため、確実な火炎検知は困
難であると共に、判定基準の採り方をその都度調整しな
ければならず煩わしい。また、隣接炎が視野内にちらつ
くと、判定基準を決めるための高周波数成分の統計デー
タを著しくばらつかせるので、判定精度が落ちてしま
う。

本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解消し、誤
検知の原因となる対向炎、隣接炎、自炎のブラックスカ
ート，自炎の大きさの影響を排除して、火炎の有無を確
実に検知することができる火炎検知方法を提供すること
にある。

［問題点を解決するための手段］本発明の火炎検知方法は、火炎の一次燃焼帯のちらつき
の高周波数成分を検出すると共に、火炎の先端部のちら
つきの低周波数成分を検出し、これら周波数成分の比に
基づいて火炎の有無を判別する。

本発明を実施するための装置例の基本構成を第１図の実
線で示す。

バーナ１の自炎２は一次燃焼帯３と先端部４とからな
り、火炎検知器の集光器５はバーナ１の付近に、その光
軸６が一次燃焼帯３を介して先端部４を見るように設置
される。集光器５が集光した光は光ファイバ７を介して
光電変換器８に導かれ、光電流９に変換される。光電流
９は高域フィルタ10,低域フィルタ12に導かれる。高域
フィルタ10を通過した光電流９の高周波数成分11と低域
フィルタ12を通過した光電流９の低周波数成分13とは除
算器14で除算され、高・低周波数成分の比15がマイコン
16に入力される。マイコン16ではこの比15に基づき自炎
２の有無を判別する。

［作用］バーナ１の自炎２の前方には、第２図に示すように、対
向バーナ23の対向炎24が、また自炎２の上下ないし左右
には隣接バーナ25の隣接炎26がある。従って、光電流９
は、集光器５に入射する自炎2,対向炎24,隣接炎26から
の光を全て重畳したものである。

自炎と対向炎の特性を第３図に示す。横軸は周波数、縦
軸はちらつき割合である。ちらつき割合は、各周波数に
おけるちらつき強度を明るさの平均で割ったものであ
る。線29は一次燃焼帯の特性を示し、高周波域において
ちらつき割合が大きく、例えば150Hzにおいても0Hzのと
きの1/4程度のちらつきがある。このように、高周波に
おいてもちらつき割合が大きいのは、一次燃焼帯では燃
焼物質が分子レベルの大きさであり、物質の生成・消滅
が微妙なバランスを保って激しく変化しているためであ
る。

これに対し、線30は火炎先端部の特性で、25Hz程度から
急速にちらつき割合が小さくなり、150Hzではほとんど
０になっている。これは、火炎先端部の燃焼物質が炭酸
ガスが還元されてできた炭素粒子であって質量が大き
く、敏速な状態変化が生じないためである。

線31は対向炎の特性であり、ほとんど低周波域に限定さ
れている。これは、集光器より遠い対向炎側では集光器
５の視野が広がり、局所的な変化をとらえることができ
ず平均的な明るさを検出することになると共に、化学反
応的にも不活発な対向炎の先端部を見るためである。

線32は自炎と対向炎とを合わせた総合特性であり、縦軸
近傍で急激に変化するが、そこから少し離れると一定の
傾向を示す。縦軸近傍の急激な変化部分は、平均輝度で
あり、自炎の大きさ，対向炎の有無，ブラックスカート
の状態などで多様に変化し、火炎検知の判定指標とはで
きない。しかし、一定の傾向部分、すなわち光電流の直
流信号を除いた領域から二つの周波数成分の比をとる
と、後述するように、検知妨害要因を排除できる。

第４図は集光器５前方の自炎などからなる光源33を枠で
表わし、そこから出て来る光の状況を模式図にしたもの
である。光源33を対向炎域37と自炎の先端部域34と一次
燃焼帯35とブラックスカート域36との４つの層ないし領
域に分け、対向炎域37の発光をL_C，自炎の先端部域34の
発光を直流分L_Oと先端部ちらつき量L_L，一次燃焼帯域35
の発光を一次燃焼帯ちらつき量L_H，ブラックスカート域
36の透過率をτとする。集光器５に入る光量は対向炎集
光量40と先端部集光量38と一次燃焼帯集光量39とからな
り、これらの集光量の合計Ｌが光電流９に変換される。

集光量の合計に比例するような光電変換器８を用い、そ
の光電流I9を高域フィルタ10で抽出すると、高周波数成
分の一次燃焼帯ちらつき量I_H111は、 I_H1＝τL_H …（２）となる。また、同様に低域フィルタ12で抽出される低周
波数成分の火炎先端部ちらつき量I_L113は、 I_L1＝τL_L …（３）となる。I_H1，I_L1はいずれもブラックスカートの影響τ
および火炎の大きさの影響L_H，L_Lを受けるが、ちらつき
がほとんどない対向炎の影響は受けない。これらの比
（ブリッカレシオ）R15は、となり、ブラックスカートの影響τが消え、更に火炎の
大きさの大小に応じてL_H，L_Lも増減するという相似関係
があることから、比例L_H／L_Lをとることにより火炎の大
きさの影響も消える。従って、フリッカレシオＲにはブ
ラックスカート，火炎の大きさ，対向炎の影響が取り除
かれている。

L_HやL_LはL_Oに比べてはるかに小さい値であるので、光電
変換器８を対数特性とすると、近似的に次の（５）式の
光電流I9が得られる。

従って、一次燃焼帯ちらつき量I_H211はとなり、火炎先端部ちらつき量Ｉ 13はとなる。

I_H2，I_L2のいずれも対向炎の影響L_Cを受けるが、L_Oで割
っていることから火炎の大きさの影響は少なくなる。こ
の場合もフリッカレシオR15は（４）式と同じになり、
対向炎の影響L_Cが消える。

なお、一次燃焼帯の周波数に合わせた１個のバンドパス
フィルタで信号処理する従来の方法では、（２）式また
は（６）式までの処理が限界であり、（２）式ではブラ
ックスカートの影響τが、また（６）式では対向炎の影
響L_Cが残っていることがわかる。

次に、マイコン16においてフリッカレシオR15から火炎
有無の検知を判別する方法を第６図を用いて説明する。
第６図はフリッカレシオＲの値の分布の時々刻々の変化
を示している。

分布46は自炎のない状態のときのものであり、分布48,4
9は自炎のある状態のときのものである。実線50は分布
の平均値を示し、点線47は自炎がない場合の分布46の平
均値である。

時刻51において自炎が点火されると、分布46から分布48
へとフリッカレシオＲの分布は明確に変化する。その後
も炉の負荷変動や対向炎の点火・消火等によってフリッ
カレシオＲの分布は変化し続け、分布49に至っている。
フリッカレシオＲの新しいサンプル値が分布46に近いの
か、分布49に近いのかを確率計算して、現在、火炎が有
るのか無いのか判定する。

［実施例］以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明を実施するための装置例を示す。図中、
実線で示す基本構成では、上述したように、一次燃焼帯
３の発光のちらつきを例えば150Hzバンドパスに設定し
た高域フィルタ10で検知し、火炎先端部４の発光のちら
つきを例えば25Hzバンドパスに設定した低域フィルタ12
で検知して、両ちらつきの比をとり、対向炎やブラック
スカートの影響を受けにくいフリッカレシオR15を得
て、第６図に示すような統計的分布の推移から火炎の有
無を検知する判定精度の高い検知方法を採用している。
以下では、より確実な火炎検知を行なうための補助構成
（破線で示す）について説明する。

空気を過剰に送入する燃焼では、ブラックスカートは発
生せず、透明度の高い火炎となるので、対向炎だけが検
知の防害になる。このような火炎には、主バーナに火を
つけるための点火トーナの火炎がある。一方、空気を不
足気味に送入する燃焼では、火炎が大きく伸びて透明度
が悪く、対向炎は問題とならないが、ブラックスカート
が発生しやすい。このような火炎は主バーナの火炎であ
る。

第１図に示すように、一次燃焼帯のちらつき量11が分岐
径路22を介してマイコン16に、あた光電流９が分岐径路
17を介してマイコン16にそれぞれ入力される。マイコン
16ではこれら入力より（２）式のI_H1と（６）式のI_H2を
算出して火炎有無の補助的な判別指標とする。即ち、
（４）式のフリッカレシオＲの指標と合わせて三つの指
標により火炎を判別分析することで、より正確な判断が
できる。例えば、空気過剰の燃焼では、対向炎の発光L_C
が問題となりI_H2が影響を受けやすく、空気不足の燃焼
ではブラックスカートの透過率τが問題となりI_H1が影
響を受けやすい。

隣接炎26が集光器５の視野に入ったりすると、光電流９
が乱れる。自炎２がある場合は、この乱れは小さいが、
自炎２がない場合は大きい。第５図は自炎がない場合の
明るさＬの変化の状況を示す。明るさＬの長時間平均値
の変化は線19のようになり、明るさＬの瞬時値は線17の
ようになる。瞬時値が平均値を下わる状態をハッチング
43で示す。ハッチング43で示す期間が全期間の50％程度
になるのが隣接炎の特徴であり、これを検知することで
自炎２がないのを判定することができる。

第１図において、平滑フィルタ18によって光電流９の長
時間平均値19を得ると共に、比較器20で瞬時値である光
電流９と長時間平均値19が比較され、光電流９が長時間
平均値19より下まわると信号（途切れ信号21）がマイコ
ン16に入力される。マイコン16では途切れ信号21の発生
期間と全計測時間の比を算出して所定のしきい値と比較
する。これにより自炎のないことが確認できるが、自炎
があることは確認できず、前述のフリッカレシオＲによ
り判定を必要とする。

第６図における分布46,48,49は時々刻々の統計であると
共に判定基準でもある。従って、統計に採用するデータ
は良質なものである必要がある。径路17から得られる光
電流９が異常に低下したり、途切れ信号21により隣接炎
が確認された場合には、自炎がないことが明らかであ
り、このような場合のサンプリングデータはばらつきが
大きく、統計に算入すると微妙な判定を行なうための基
準の精度を落す。そこで、そのような場合のサンプリン
グデータは統計に入れないようにする。

［発明の効果］本発明によれば次の効果がある。

（１）一次燃焼帯のちらつきの高周波数成分と火炎先端
部のちらつきの低周波数成分との比から火炎有無の判別
を行なうようにしているため、対向炎，隣接炎，自炎の
ブラックスカート自炎の大きさなどの誤検知の原因とな
る影響を排除することができ、火炎の有無を確実に検知
できる。従って、点火の確認を完全自動化することがで
き、運転者による点火の目視確認による不具合を解消で
きると共に、ボイラや工業炉における安全運転のための
燃焼監視の信頼性を向上できる。

（２）また、集光器で集光した光の信号処理の改良によ
り従来の火炎検知器の欠点を除去しているため、本発明
方法を実施する装置の製造は容易であり、また既存の火
炎検知器にわずかな改造を加えるだけで本発明を実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の火炎検知方法を実施するための装置の
一例を示す構成図、第２図は集光器の視野に見える火炎
の状態を示す図、第３図，第４図，第５図は火炎の光学
特性を示す図、第６図は火炎有無の判別方法を説明する
ための説明図である。図中、１はバーナ、２は自炎、３は一次燃焼帯、４は先
端部、５は集光器、６は光電変換器、10は高域フィル
タ、12は低域フィルタ、14は除算器、16はマイコン、24
は対向炎、26は隣接炎である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】火炎の一次燃焼帯のちらつきの高周波数成
分を検出すると共に、火炎の先端部のちらつきの低周波
数成分を検出し、これら周波数成分の比に基づいて火炎
の有無を判別するようにしたことを特徴とする火炎検知
方法。
【請求項２】上記周波数成分の比に基づき火炎の有無を
判別するに際して、火炎有無の補助的な判別指標とし
て、火炎の一次燃焼帯および先端部からの光量の対数に
比例する信号の高周波数成分と、上記光量に比例する信
号の高周波数成分とを用いるようにした特許請求の範囲
第１項記載の火炎検知方法。
【請求項３】上記周波数成分の比に基づき火炎の有無を
判別するに際して、火炎有無の補助的な判別指標とし
て、火炎の一次燃焼帯および先端部からの光量の瞬間値
が光量の長周期変化値より下まわる時間の割合を用いる
ようにした特許請求の範囲第１項または第２項記載の火
炎検知方法。