JP3852051B2 - 燃焼診断方法および燃焼診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。さらに詳しくは、燃焼器の燃焼状態を簡素な構成により燃焼診断がなし得る燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。

従来より、例えばガスタービン燃焼器等の燃焼器の燃焼状態を診断する診断システムとして、燃焼器内の火炎発光を分光分析し、その情報から燃焼状態を推定する手法が知られている。

この手法においては、一般に、回折格子やプリズムなどの光学機器を用いて火炎発光を分光分析するものとされる。ところが、これらの光学機器は高価であるとともに、精密機器として取り扱いに特別の配慮が必要とされるため、設定および保守が容易ではないといった問題がある。

また、前述したような光学機器を用いるため、装置の小型化が容易ではなく、これを大きさや重量に制限が課せられることが多く、しかも振動も多い航空機用のガスタービンエンジンやジェットエンジン等に適用する場合には困難を伴うことが多い、といった問題もある。
特開２００１−３４３２８０号公報 特開２００２−３５０２３５号公報

本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、構造が簡素で耐振動性を有しかつ小型化および取り扱いも容易で、しかも時間的な変動も把握できる燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することを目的としている。

本発明の燃焼診断方法は、火炎の自発光に基づいて燃焼診断をなす燃焼診断方法であって、火炎の各自発光に対応させて設けられた各受光手段からの受光信号に基づいて、各自発光のパワースペクトルを検出する手順と、前記パワースペクトルのピーク値が閾値を超えているか否か判定する手順と、前記ピーク値の少なくとも一つが閾値を超えている場合、燃焼振動が発生しているとする手順とを含んでいることを特徴とする。

本発明の燃焼診断装置は、火炎の自発光に基づいて燃焼診断をなす燃焼診断装置であって、火炎の各自発光に対応させて設けられた各受光手段と、前記各受光手段からの受光信号に基づいて演算処理をなす演算処理装置と、燃焼データベースとを備え、前記演算処理装置が、前記各受光手段からの受光信号ごとにパワースペクトルを検出する分光分析部と、前記分光分析部からのパワースペクトルの少なくとも一つに基づいて、燃焼振動を判定する振動燃焼判定部とを有し、前記燃焼データベースが、パワースペクトルから燃焼振動を判定するのに必要なデータを有してなることを特徴する。

ここで、前記各自発光は、例えばＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ_２ラジカルとされる。

本発明は、前記の如く構成されているので、振動に弱い光学機器を用いることなく、簡易に火炎の分光分析なし得、またその結果に基づいて燃焼診断がなし得るという優れた効果が得られる。そのため、燃焼診断装置の耐振動性の向上が図られるという優れた効果も得られる。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。

実施形態１
図１に、本発明の実施形態１に係る燃焼診断方法が適用された燃焼診断装置を模式的に示す。燃焼診断装置１は、例えばガスタービン燃焼器からなる燃焼器Ｋの火炎発光を受光し、それに応じた信号を出力する光電変換部２と、光電変換部２の出力信号を増幅する増幅器３と、増幅器３により増幅された光電変換部２からの信号に基づいて、燃焼器Ｋの燃焼状態を診断するための演算を行う演算処理装置４と、演算処理装置４による演算結果を出力する出力装置５と、演算処理装置４が燃焼器Ｋの燃焼状態を診断するに際して参照すべきデータを所定の形式で格納してなる燃焼データベース６とを主要構成要素として備えてなるものとされる。

光電変換部２は、応答速度が比較的速く、感度波長範囲が互いに異なる複数の光センサ(受光手段)１１，１２，１３を含み、それぞれの光センサ１１，１２，１３に例えば光ファイバ７により燃焼器Ｋの火炎発光を導光するようにして構成されている。このようにするのは、ガスタービン燃焼器における火炎発光は、一般に、ＯＨラジカル、Ｃ_２ラジカルおよびＣＨラジカルといった３種類の分子が関係した自発光を含み、これらの自発光は連続スペクトルではなくある特定の波長範囲に限定されていることによる。

ここで、ＯＨラジカルからの主な自発光波長は約２６０ｎｍ（ナノ・メートル）〜３１５ｎｍ（紫外線領域）であり、ＣＨラジカルからの主な自発光波長は約４２７ｎｍ〜４３２ｎｍ（可視光領域（青））であり、Ｃ_２ラジカルからの主な自発光波長は約５１２ｎｍ〜５１７ｎｍ（可視光領域（緑））である。

これに対応して、第１の光センサ（以下、第１光センサという）１１は、火炎中のＯＨラジカルからの主な自発光波長に対応する感度波長範囲を有する素子から構成され、第２の光センサ（以下、第２光センサという）１２は、火炎中のＣＨラジカルからの主な自発光波長に対応する感度波長範囲を有する素子から構成され、第３の光センサ（以下、第３光センサという）１３は、火炎中のＣ_２ラジカルからの主な自発光波長に対応する感度波長範囲を有する素子から構成されるものとされる。

ここで、第１光センサ１１としては、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）・フォトダイオード(感度波長範囲：２００−３９０ｎｍ)が用いられる。第２光センサ１２としては、前記領域に感度波長範囲が調整された例えばＳｉフォトダイオード（例えば浜松ホトニクス社製Ｓ６４２８−０１(商品名)（ 感度波長範囲：４００−５４０ｎｍ））が用いられる。第３光センサ１３としては、前記領域に感度波長範囲が調整された例えばＳｉフォトダイオード（例えば浜松ホトニクス社製Ｓ６４２９−０１(商品名)（ 感度波長範囲：４８０−６００ｎｍ））が用いられる。

図２に、一般的な紫外線センサの分光感度特性を参考のために示す。同図において、実線Ｌ１は、ダイアモンド受光素子の分光感度特性を示す。実線Ｌ２は、炭化珪素受光素子の分光感度特性を示す。実線Ｌ３は、窒化ガリウム受光素子の分光感度特性を示す。実線Ｌ４は、可視光波長抑制フィルタ付きリン化ガリウム受光素子の分光感度特性を示す。

増幅器３は、光電変換部２の各光センサ１１，１２，１３の出力信号を必要十分なレベルまで増幅するものとされる。

図３に演算処理装置の詳細を示す。

演算処理装置４は、図示しないＣＰＵおよびメモリを含むコンピュータとされ、後述する処理に対応するプログラムをＣＰＵに実行させることにより、増幅器３により増幅された光電変換部２の光センサ１１，１２，１３の出力に基づいて燃焼器Ｋの火炎発光を各センサ１１，１２，１３ごとに分析し、つまり簡易に分光分析し、これにより前記火炎発光のスペクトル(発光強度)を各センサ１１，１２，１３ごとに検出する簡易分光分析部２１と、簡易分光分析部２１の分析結果を燃焼データベース６と照合して燃焼器Ｋの空燃比を検出する空燃比検出部２２と、空燃比検出部２２による検出結果を燃焼データベース６と照合して、燃焼器Ｋにおける異常の有無を判断し、その判断結果を示す情報を出力装置５に出力する判断部２３とを含むものとされる。

以下、分光分析部２１が、増幅器３により増幅された光電変換部２からの信号に基づき燃焼器Ｋの火炎発光を簡易的に分光分析する手法を説明する。

分光分析部２１は、光電変換部２の各光センサ１１，１２，１３の出力（発光強度（ＤＣ成分））を用いて下記手順により前記各ラジカルの自発光強度を求める。

例えば、前述のように第２光センサ１２および第３光センサ１３として感度波長範囲が４８０ｎｍ〜５４０ｎｍで重複するものを選択したとする。このとき、ＣＨラジカルの自発光（４２７ｎｍ〜４３２ｎｍ）については第２光センサ１２だけが波長感度を有しているので、第２光センサ１２のみが光を検出している場合、その出力値はＣＨラジカルの自発光強度を示すものとなる。

一方、Ｃ_２ラジカルからの自発光（５１２ｎｍ〜５１７ｎｍ）については両方のセンサ１２，１３が波長感度を有しているため、それらの出力値を用いてＣ_２ラジカルの自発光強度が求められる。

また、ＣＨラジカルとＣ_２ラジカルの両方に自発光がある場合は、第２光センサ１２の出力値は前記２つの自発光によるものを合計した値となる。したがって、第２光センサ１２の出力値から第３光センサ１３の出力値（Ｃ_２ラジカルによるもの）を減算することによって、ＣＨラジカルの自発光強度を求めることができる。

なお、ＯＨラジカルの自発光強度は、光センサ１１の出力値を用いて求められる。

次に、空燃比検出部２２が、分光分析部２１により求められた前記各ラジカルの自発光強度に基づき燃焼器Ｋの空燃比を検出する手法を説明する。

図４に示すように、燃焼器Ｋの空燃比と、ＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ_２ラジカルの自発光強度（図中に、それぞれＯＨ、ＣＨ、Ｃ２と示している）の比との間には一定の関係がある。燃焼データベース６は、図４に示されるような空燃比と各ラジカルの自発光強度の比との関係を表形式、あるいは関数として格納しており、空燃比検出部２２は、分光分析部２１の分析結果をそのような燃焼データベース６と照合することによって燃焼器Ｋの空燃比を検出する。

また、燃焼データベース６に、空燃比と各ラジカルの自発光強度の比との関係ではなく、空燃比と各光センサ１１，１２，１３の出力（発光強度（ＤＣ成分））との関係についての情報を格納するようにしてもよい。この場合には、各光センサ１１，１２，１３の出力（発光強度（ＤＣ成分））が、増幅器３を介して直接に空燃比検出部２２に入力され、燃焼器Ｋの空燃比が検出される。しかしながら、この場合にも、図４により示した空燃比と各ラジカルの自発光強度の比との関係を用いて燃焼器Ｋの空燃比が検出されることに変わりはない。

判断部２３は、ガスタービンの制御装置（不図示である）から入力されるガスタービンの運転状態（回転数、負荷等）を示す運転状態信号を参照して、その運転状態に対応する目標空燃比を燃焼データベース６から検索し、前記検出された空燃比と前記目標空燃比とを比較することによって、燃焼器Ｋにおける異常の有無（異常の例：スワーラのスワールに破損が生じ、その部分の空気流量が多くなっている；燃料ノズルに詰まりが生じ、燃料流量が少なくなっている）を判断し、その判断結果を示す情報を出力装置５に出力する。すなわち、実施形態１においては、燃焼データベース６は、ガスタービンの運転状態と目標空燃比との対応関係についての情報を含むものとされる。

出力装置５は、モニタ、警報器などからなり、判断部２３により燃焼器Ｋに異常があるものと判断されたときに、音、光などを用いて異常の発生を報知するとともに、異常の内容についての情報をモニタにより表示するものとされる。

しかして、実施形態１の燃焼診断装置１においては、応答速度が比較的速く、波長感度が互いに異なる複数の光センサ１１，１２，１３からなる光電変換部２に燃焼器Ｋの火炎発光が導光され、それぞれの光センサ１１，１２，１３において前記火炎発光が独自に光電変換され、その出力信号が増幅器３において適切なレベルまで増幅され、前記増幅された信号を用いて分光分析部２１により、燃焼器Ｋの火炎発光が簡易的に分光分析され、その分析結果である前記火炎発光のスペクトル（発光強度（ＤＣ成分））に基づいて、空燃比検出部２２により燃焼器Ｋの空燃比が検出され、その検出結果を用いて判断部２３により、燃焼器Ｋにおける異常の有無が判断され、出力装置５によりその判断結果に応じた出力がリアルタイムになされる。

したがって、燃焼器Ｋの空燃比を含む燃焼状態の変動をリアルタイムで検知し、異常の有無を即時に判断することが可能となる。これにより、燃焼器Ｋに異常が生じた場合にも、その異常に即座に対処することが可能となり、異常による悪影響を最小限に留めることが可能となる。

また、回折格子、プリズムといった高価にもかかわらず振動に弱く取り扱いに特別の配慮を要する精密機器を用いることなく、耐振動性を有するとともに感度波長範囲が互いに異なる複数の光センサ１１，１２，１３を用いて、その出力に基づき演算により簡易的に分光分析が行われる。このため、コストを低く抑えることが可能となるとともに、振動に強いにもかかわらず構造が簡素化され、機器の調整、保守に要する労力を大幅に削減することが可能となる。

なお、実施形態１においては、空燃比検出部２２の検出結果に基づき判断部２３により燃焼器Ｋの異常の有無を判断するものとしたが、これに限らず、空燃比検出部２２により、充分な精度および応答速度で燃焼器Ｋの空燃比を検出することが可能である場合には、その検出結果をガスタービンの制御装置に出力し、それにより燃料供給量等をフィードバック制御することも可能である。

また、実施形態１においては、光電変換部２は、一組の光センサ１１，１２，１３から構成されるものとしたが、これに限らず、感度波長が互いに異なる光センサ１１，１２，１３の複数組により光電変換部２を構成するものとし、例えばガスタービンの複数の燃焼器のそれぞれに一組の光センサ１１，１２，１３を割り当て、各燃焼器毎の空燃比を検出し、燃焼器間に空燃比のアンバランスがある場合には、各燃焼器の燃料供給量を調整する、といった適用も可能である。

実施形態２
図５に、実施形態２の燃焼診断装置の演算処理装置４Ａの概略構成を機能ブロック図で示す。同図に示すように、実施形態２は実施形態１を改変してなるものであり、演算処理装置４Ａに、各自発光の振動成分を各センサ１１，１２，１３ごとに分析して検出する簡易分光分析部２１Ａを設けるとともに、この簡易分光分析部２１Ａの分析結果に基づき燃焼器Ｋの燃焼振動の程度を判定する燃焼振動判定部３１を設けてなるものとされる。なお、実施形態２のその余の構成は、実施形態１と同様とされている。以下、主として実施形態２の実施形態１と異なる点について説明する。

燃焼振動判定部３１は、簡易分光分析部２１Ａの分析結果を用いて、燃焼器Ｋの火炎発光の各パワースペクトル(振動成分(ＡＣ成分))におけるピークの大きさを検出し、その検出結果を燃焼データベース６と照合し、これにより燃焼振動の程度を判定し、その判定結果に応じた情報を出力装置５に出力するものとされる。すなわち、実施形態２では、燃焼データベース６は、燃焼器Ｋの火炎発光のパワースペクトル(振動成分(ＡＣ成分))に現れるピークの大きさと燃焼振動の程度との関係を示す情報を、例えば表形式、または関数として格納するものとされる。そして、燃焼振動判定部３１は、ピーク値の少なくとも一つが閾値を超えていれば、燃焼振動が発生しているものと判定する。

この点について敷衍すれば、火炎発光のパワースペクトル(振動成分(ＡＣ成分))は、燃焼振動が小さいときには平坦なものとなり、燃焼振動が大きくなるとその程度に応じたピークが現れる。したがって、パワースペクトル(振動成分(ＡＣ成分))に現れたピークの大きさを調べ、これを燃焼データベース６と照合することによって燃焼器Ｋの燃焼振動の程度を判定することが可能となる。

つまり、実施形態１では、空燃比検出部２２が、ＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ２ラジカルの自発光の発光強度、つまり各光センサ１１，１２，１３の出力のＤＣ成分を用いて燃焼器Ｋの空燃比を検出するのに対して、実施形態２の燃焼振動判定部３１は、燃焼器Ｋの火炎発光のパワースペクトル、つまり各光センサ１１，１２，１３の出力のＡＣ成分を用いて燃焼振動の程度を判定する。

このような燃焼振動判定部３１による判定は、光センサ１１，１２，１３として応答速度が速いものを選定することにより、リアルタイムで実施することが可能となる。これにより、燃焼振動の急激な増大を即時に検知することが可能となるため、例えばレゾネータにより燃焼器の共振振動数を調節して燃焼器破壊を回避する、といった適切な処置を即時に実施することも可能となる。

また、実施形態１におけると同様に、各光センサ１１，１２，１３の感度波長範囲に適応するように導光する火炎の部位を設定することによって、燃焼振動の判定精度をより向上させることが可能である。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明かかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、実施形態１の簡易分光分析部２３および実施形態２の簡易分光分析部２３Ａとを組み合わせることにより、空燃比と燃焼振動とを同時に検出することが可能となる。

本発明は、例えばガスタービン燃焼器やボイラなどの燃焼状態を診断する場合に適用が可能である。

本発明の実施形態１に係る燃焼診断方法が適用された燃焼診断装置を模式的に示すブロック図である。 同装置に用いることが可能な受光素子の波長感度特性を示すグラフ図である。 ガスタービン燃焼器の空燃比と、ＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ_２ラジカルの自発光強度の比との関係を示すグラフ図である。 同装置の演算処理装置の詳細を示す機能ブロック図である。 本発明の実施形態２に係る燃焼診断方法が適用された燃焼診断装置の演算処理装置の詳細を示す機能ブロック図である。

符号の説明

Ｋ 燃焼器
１ 燃焼診断装置
２ 光電変換部
４ 演算処理装置
６ 燃焼データベース
１１ 光センサ
１２ 光センサ
１３ 光センサ
２１ 簡易分光分析部
２２ 空燃比検出部
２３ 判断部
３１ 燃焼振動判定部

Claims (4)

1. 火炎の自発光に基づいて燃焼診断をなす燃焼診断方法であって、
   火炎の各自発光に対応させて設けられた各受光手段からの受光信号に基づいて、各自発光のパワースペクトルを検出する手順と、
   前記パワースペクトルのピーク値が閾値を超えているか否か判定する手順と、
   前記ピーク値の少なくとも一つが閾値を超えている場合、燃焼振動が発生しているとする手順
   とを含んでいることを特徴とする燃焼診断方法。
2. 前記自発光が、ＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ_２ラジカルとされてなることを特徴とする請求項１記載の燃焼診断方法。
3. 火炎の自発光に基づいて燃焼診断をなす燃焼診断装置であって、
   火炎の各自発光に対応させて設けられた各受光手段と、前記各受光手段からの受光信号に基づいて演算処理をなす演算処理装置と、燃焼データベースとを備え、
   前記演算処理装置が、前記各受光手段からの受光信号ごとにパワースペクトルを検出する分光分析部と、前記分光分析部からのパワースペクトルの少なくとも一つに基づいて、燃焼振動を判定する振動燃焼判定部とを有し、
   前記燃焼データベースが、パワースペクトルから燃焼振動を判定するのに必要なデータを有してなる
   ことを特徴する燃焼診断装置。
4. 前記自発光が、ＯＨラジカル、ＣＨラジカルおよびＣ_２ラジカルとされてなることを特徴とする請求項３記載の燃焼診断装置。

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