JP7394617B2 - Air ratio estimation system, air ratio control system, and unburned detection system or misfire detection system - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素系ガス燃料に係る燃焼設備における空気比(当量比)を推定可能な空気比推定システム、及びこの空気比推定システムを用いた空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システムに関する。 The present invention relates to an air ratio estimation system capable of estimating the air ratio (equivalent ratio) in combustion equipment related to hydrocarbon gas fuel, an air ratio control system using this air ratio estimation system, and an unburned detection system or misfire detection system. Regarding detection systems.
ガスタービン燃焼器の各燃焼室における当量比を算出して制御する方式として、特開平7-332609号公報(特許文献1)に記載されたものが知られている。
ここでの燃空比の算出は、主成分がメタンであるLNG(液化天然ガス)の燃焼過程で発生する各種のラジカル(不安定化学種)のうちの3種(OHラジカル,CHラジカル,C2ラジカル)のそれぞれにおける、発光の相対輝度と当量比(燃空比の逆数)との関係に基づき、火炎像から得られた当該相対輝度から当量比を求めることで行われる。OHラジカルは、306~320nm(ナノメートル)の波長域において高い発光強度を有しており、CHラジカルは、波長432nm付近において発光強度のピークを有しており、C2ラジカルは、波長517nm付近において発光強度のピークを有している。
As a method for calculating and controlling the equivalence ratio in each combustion chamber of a gas turbine combustor, the method described in JP-A-7-332609 (Patent Document 1) is known.
The calculation of the fuel-air ratio here is based on three of the various radicals (unstable chemical species) (OH radical, CH radical, C This is done by determining the equivalence ratio from the relative luminance obtained from the flame image based on the relationship between the relative luminance of light emission and the equivalence ratio (reciprocal of the fuel-air ratio) for each of the two radicals. OH radicals have a high emission intensity in the wavelength range of 306 to 320 nm (nanometers), CH radicals have a peak emission intensity around a wavelength of 432 nm, and C 2 radicals have a peak emission intensity around a wavelength of 517 nm. The emission intensity has a peak at .
上記の燃空比の算出では、OHラジカル,CHラジカル,C2ラジカルのそれぞれにおける火炎像から得た相対輝度に基づいて当量比が得られるため、火炎像の撮影時に外光が進入する等のノイズにより当量比の精度が損なわれる。
又、特にOHラジカルの相対輝度は、紫外域を撮像可能なカメラが必要となり、当量比の算出が大掛かりなものとなる。
そこで、本発明の主な目的は、ノイズに影響され難く、より高精度な空気比推定システムを提供することである。
又、本発明の別の主な目的は、シンプルな構成を有しており、より簡単に且つ低コストで空気比を推定可能である空気比推定システムを提供することである。
更に、本発明の更に別の主な目的は、上述の空気比推定システムが用いられた空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システムを提供することである。
In calculating the fuel-air ratio above, the equivalence ratio is obtained based on the relative brightness obtained from the flame image for each of OH radicals, CH radicals, and C2 radicals. Noise impairs the accuracy of the equivalence ratio.
Further, in particular, the relative brightness of OH radicals requires a camera capable of capturing images in the ultraviolet region, and calculation of the equivalence ratio becomes a large-scale task.
Therefore, the main object of the present invention is to provide a more accurate air ratio estimation system that is less susceptible to noise.
Another main object of the present invention is to provide an air ratio estimating system that has a simple configuration and can estimate the air ratio more easily and at lower cost.
Furthermore, another main object of the present invention is to provide an air ratio control system and an unburned detection system or a misfire detection system in which the above-described air ratio estimation system is used.
請求項1に記載の発明は、炭化水素系ガス燃料による火炎が起きる燃焼設備における空気比を推定する空気比推定システムであって、前記火炎を複数回撮影して可視光に係る複数の火炎画像を取得する可視光カメラと、複数の前記火炎画像を受信するコンピュータと、を備えており、前記コンピュータは、複数の前記火炎画像から前記火炎のCO-Oラジカル放射の可視域内における所定波長域での輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCO-Oラジカル累積輝度と、複数の前記火炎画像から前記火炎のCHラジカル放射の可視域内における輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCHラジカル累積輝度とに基づいて、前記CO-Oラジカル累積輝度と前記CHラジカル累積輝度との比であるCH/CO-Oを算出すると共に、前記CH/CO-Oに対応する前記空気比を抽出することを特徴とするものである。
請求項2に記載の発明は、上記発明において、前記コンピュータは、前記CH/CO-Oと前記空気比との対応関係を示すデータベースを参照可能であることを特徴とするものである。
請求項3に記載の発明は、上記発明において、前記可視光カメラ及び前記コンピュータは、可搬性を呈していることを特徴とするものである。
請求項4に記載の発明は、上記発明において、前記燃焼設備は、前記火炎を視認可能な観察窓を有しており、前記可視光カメラは、前記観察窓に設置されることを特徴とするものである。
請求項5に記載の発明は、空気比制御システムであって、上記空気比推定システムと、燃焼用空気の流量を開度により調整する空気流量調整弁と、燃焼用ガスの流量を開度により調整するガス流量調整弁と、前記空気流量調整弁及び前記ガス流量調整弁の少なくとも一方と接続されたコンピュータと、を備えており、前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、前記空気流量調整弁の開度及び前記ガス流量調整弁の開度の少なくとも一方を制御することを特徴とするものである。
請求項6に記載の発明は、未燃検知システム又は失火検知システムであって、上記空気比推定システムと、コンピュータと、を備えており、前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力することを特徴とするものである。
尚、請求項5,6に記載の発明におけるコンピュータは、請求項1~4に記載の空気比推定システムにおけるコンピュータと同一であっても良いし、異なっていても良いし、一部同一であっても良い。
The invention according to
According to a second aspect of the invention, in the above invention, the computer is capable of referring to a database indicating a correspondence relationship between the CH/CO-O and the air ratio.
The invention according to claim 3 is characterized in that, in the above invention, the visible light camera and the computer exhibit portability.
The invention according to
The invention according to claim 5 is an air ratio control system, comprising: the air ratio estimating system; an air flow rate regulating valve that adjusts the flow rate of combustion air by the opening degree; The computer includes a gas flow rate adjustment valve to be adjusted, and a computer connected to at least one of the air flow rate adjustment valve and the gas flow rate adjustment valve, and the computer is configured to adjust the air ratio estimated by the air ratio estimation system. The present invention is characterized in that at least one of the opening degree of the air flow rate adjustment valve and the opening degree of the gas flow rate adjustment valve is controlled so as to approach a target air ratio setting value.
The invention according to claim 6 is an unburned detection system or a misfire detection system, comprising the above-mentioned air ratio estimation system and a computer, and the computer is configured to detect the air ratio estimated by the air ratio estimation system. This is characterized in that when the ratio falls below the lower limit air ratio setting value or the misfire air ratio setting value, a message to the effect of unburned or misfire is output.
Note that the computer in the invention according to claims 5 and 6 may be the same as the computer in the air ratio estimation system according to
本発明の主な効果は、ノイズに影響され難く、より高精度な空気比推定システムが提供されることである。
又、本発明の別の主な効果は、シンプルな構成を有しており、より簡単に且つ低コストで空気比を推定可能である空気比推定システムが提供されることである。
更に、本発明の更に別の主な効果は、上述の空気比推定システムが用いられた空気比制御システム、並びに未燃検知システム又は失火検知システムが提供されることである。
The main effect of the present invention is to provide a more accurate air ratio estimation system that is less susceptible to noise.
Another main effect of the present invention is that an air ratio estimating system is provided that has a simple configuration and can estimate the air ratio more easily and at lower cost.
Furthermore, another main effect of the present invention is that an air ratio control system and an unburnt detection system or a misfire detection system are provided in which the above-described air ratio estimation system is used.
以下、本発明に係る実施の形態の例が、その変更例と共に、適宜図面に基づいて説明される。
尚、当該形態は、下記の例及び変更例に限定されない。
Hereinafter, examples of embodiments according to the present invention, together with modifications thereof, will be described based on appropriate drawings.
Note that this form is not limited to the following examples and modifications.
図1は、本発明に係る空気比推定システム1が適用された燃焼炉P(燃焼設備)の模式的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a combustion furnace P (combustion equipment) to which an air
燃焼炉Pは、本体Cと、バーナBと、を有する。
本体Cは、断熱材製の箱体である。本体Cの内部は、燃焼室Rとなっている。
バーナBは、本体Cにおける1つの壁Wに設置されている。壁Wには、孔Hが設けられている。バーナBは、孔Hを覆うように設けられている。バーナBは、燃焼用空気Aと燃焼用ガスGとを混合し、孔Hから燃焼室Rに吹き付ける。
燃焼用空気AのバーナBへの流量は、空気流量調整弁FAにより調整される。
燃焼用ガスGは、メタンを主成分とした都市ガスである。燃焼用ガスGのバーナBへの流量は、ガス流量調整弁FGにより調整される。尚、燃焼用ガスGの主成分は、メタンに代えて、あるいはメタンと共に、プロパン、ブタン、あるいはこれらの組合せ等(炭化水素を主成分とする炭化水素系ガス燃料)であっても良い。燃焼用ガスGの成分は、メタンのみ、プロパンのみ、ブタンのみ、あるいはこれらの組合せのみ等(炭化水素のみからなる炭化水素系ガス燃料)とされても良い。
The combustion furnace P has a main body C and a burner B.
The main body C is a box made of a heat insulating material. The inside of the main body C is a combustion chamber R.
Burner B is installed on one wall W in main body C. A hole H is provided in the wall W. Burner B is provided so as to cover hole H. Burner B mixes combustion air A and combustion gas G, and blows the mixture into combustion chamber R through hole H.
The flow rate of combustion air A to burner B is adjusted by an air flow rate adjustment valve FA.
The combustion gas G is city gas containing methane as a main component. The flow rate of the combustion gas G to the burner B is adjusted by a gas flow rate adjustment valve FG. The main component of the combustion gas G may be propane, butane, or a combination thereof (hydrocarbon gas fuel containing hydrocarbons as the main component) instead of or together with methane. The components of the combustion gas G may be only methane, only propane, only butane, or only a combination thereof (hydrocarbon gas fuel consisting only of hydrocarbons).
空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁FGには、それぞれの流量を制御する流量制御手段FCが接続されている。
尚、空気流量調整弁FA、ガス流量調整弁FG及び流量制御手段FCの少なくとも何れかが省略されても良い。又、流量制御手段FCに代えて、あるいは流量制御手段FCと共に、空気流量調整弁FAを制御する空気流量制御手段及びガス流量調整弁FGを制御するガス流量制御手段が設けられても良い。
A flow rate control means FC that controls the respective flow rates is connected to the air flow rate adjustment valve FA and the gas flow rate adjustment valve FG.
Note that at least one of the air flow rate adjustment valve FA, the gas flow rate adjustment valve FG, and the flow rate control means FC may be omitted. Further, instead of or together with the flow rate control means FC, an air flow rate control means for controlling the air flow rate adjustment valve FA and a gas flow rate control means for controlling the gas flow rate adjustment valve FG may be provided.
燃焼用空気Aと燃焼用ガスGとの混合気は、燃焼室Rで燃焼され、燃焼室R内に火炎Lを起こす。火炎Lは、保炎面L0以内の火炎根元部L1と、保炎面L0外の火炎先端部L2とを含んでいる。尚、燃焼用空気Aと燃焼用ガスGとは、燃焼室R内で混合されても良い。
バーナBが設置される壁Wには、観察窓Oが設けられている。観察窓Oは、透光性を有している。ユーザは、観察窓Oを通じて、燃焼室R内の火炎Lを視認可能である。尚、観察窓Oは、複数設けられても良い。又、観察窓Oは、バーナBの反対側等、バーナBが設置される壁W以外に配置されても良い。
The mixture of combustion air A and combustion gas G is combusted in the combustion chamber R, causing a flame L within the combustion chamber R. The flame L includes a flame root L1 within the flame stabilizing surface L0 and a flame tip L2 outside the flame stabilizing surface L0. Note that the combustion air A and the combustion gas G may be mixed within the combustion chamber R.
A wall W on which the burner B is installed is provided with an observation window O. The observation window O has translucency. The user can visually recognize the flame L in the combustion chamber R through the observation window O. Note that a plurality of observation windows O may be provided. Further, the observation window O may be placed on the opposite side of the burner B, etc., other than the wall W where the burner B is installed.
空気比推定システム1は、PC2(パーソナルコンピュータ)と、カメラ4と、を有する。
The air
PC2は、PC側記憶手段10と、PC側入力手段11と、PC側出力手段12と、PC側通信手段13と、PC側制御手段14とを有する。PC側記憶手段10は、各種の情報を記憶する。PC側入力手段11は、各種の情報を入力可能である。PC側出力手段12は、各種の情報について、表示及び印刷の少なくとも一方を行うことが可能である。PC側通信手段13は、PC2の外部の機器と通信可能である。PC側制御手段14は、PC2における各種の手段を制御する。
PC2は、可搬性を呈するノート型である。尚、PC2は、タブレット型等の他の形式のものであっても良いし、パーソナルコンピュータ以外のコンピュータであっても良い。又、PC2は、可搬性を呈しない据え置き型のコンピュータであっても良い。
The PC 2 includes a PC storage means 10, a PC input means 11, a PC output means 12, a PC communication means 13, and a PC control means 14. The PC side storage means 10 stores various information. The PC side input means 11 can input various information. The PC-side output means 12 is capable of displaying and/or printing various types of information. The PC-side communication means 13 is capable of communicating with equipment external to the
The
カメラ4は、レンズ20と、撮像素子22と、カメラ側記憶手段24と、カメラ側通信手段26と、カメラ側制御手段28とを有する。レンズ20は、外部からの光を撮像素子22に結像する。撮像素子22は、レンズ20により導かれた可視光について画像化する。撮像素子22は、複数の画素を有しており、適宜カメラ側制御手段28による画像処理を経て、各画素毎に、R(赤色),G(緑色),B(青色)の各輝度値を得、画像を得る。カメラ側記憶手段24は、撮像素子22で取得された画像を始めとする各種の情報を記憶する。カメラ側通信手段26は、カメラ4の外部の機器と通信可能である。カメラ側制御手段28は、カメラ4における各種の手段を制御する。
カメラ4は、可搬性を呈する。カメラ4は、観察窓Oに設置される。カメラ4のレンズ20及び撮像素子22は、火炎根元部L1に向けられ、主に火炎根元部L1を撮影する(図1の点線D1,D2参照)。カメラ4は、可視光に感度を有し、可視光に係る画像を撮影する(可視光カメラ)。可視光は、波長が可視域内である光である。可視域は、ここでは380nm以上780nmである。尚、可視域(カメラ4が感度を有する波長域)は、下限が400nmとされたり、上限が800nmとされたりする等、様々に変更可能である。
カメラ4は、1秒間当たり所定の枚数で連続して、火炎Lの画像、即ち火炎画像29を複数撮影可能である。即ち、カメラ4は、火炎Lの動画を撮影可能である。
カメラ4(カメラ側通信手段26)は、PC2(PC側通信手段13)と通信可能に接続されている。PC2(PC側記憶手段10)は、カメラ4から受信した火炎Lの各画像、即ち各火炎画像29を記憶可能である。
又、PC2(PC側記憶手段10)は、PC側通信手段13及びカメラ側通信手段26を介して、カメラ4を制御可能である。尚、カメラ側制御手段28が省略され、カメラ4が完全にPC2により制御されても良い。
The
The
The camera 4 (camera side communication means 26) is communicably connected to the PC 2 (PC side communication means 13). The PC 2 (PC side storage means 10) can store each image of the flame L received from the
Further, the PC 2 (PC side storage means 10) can control the
PC2は、カメラ4から得た各種の情報に基づいて、燃焼用ガスGによる火炎LがバーナBにおいて起きる燃焼炉Pにおける空気比を推定する。
PC2は、流量制御手段FCと接続されている。
PC2は、推定した空気比に応じて、次に示されるような燃焼炉P(バーナB)に係る各種の制御を行える。
即ち、PC2は、推定された空気比に基づいて、流量制御手段FCを介し、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁FGの少なくとも一方を制御して、燃焼用空気Aの流量及び燃焼用ガスGの流量の少なくとも一方を自動的に調整する。例えば、PC2は、推定された空気比が、目標とするために予め設定された空気比の値である目標空気比設定値と(一定程度以上)異なる場合、目標空気比設定値に近づくように、燃焼用空気Aの流量及び燃焼用ガスGの流量の少なくとも一方を調整する。尚、燃焼用空気Aの流量の調整は、空気流量調整弁FAに接続されたモータにおける回転量の調整により行われても良い。燃焼用ガスGの流量の調整についても、同様である。
又、PC2は、推定された空気比が、通常の燃焼が維持される場合の下限とするために予め設定された空気比の値である下限空気比設定値未満となった場合に、PC側出力手段12において、下限空気比設定値未満となった旨の警報を出力する。空気比が所定程度より小さくなると、燃焼炉Pにおける燃焼状態が不完全(未燃)となり、一酸化炭素発生の可能性等の危険が生じるため、PC2は、未燃の警報によって、ユーザに未燃を知らせる。尚、流量制御手段FCに出力手段が設けられる場合、流量制御手段FCの出力手段において警報を発しても良い。
同様に、PC2は、推定された空気比が、燃焼が維持されない場合に取り得る値として予め設定された空気比の値である失火空気比設定値未満となった場合に、失火空気比設定値未満となった旨の警報を出力する。PC2は、失火の警報によって、ユーザに失火を知らせる。
Based on various information obtained from the
PC2 is connected to flow control means FC.
The
That is, based on the estimated air ratio, the
In addition, when the estimated air ratio becomes less than the lower limit air ratio setting value, which is the air ratio value set in advance to be the lower limit when normal combustion is maintained, the PC2 The output means 12 outputs an alarm to the effect that the air ratio has become less than the lower limit air ratio setting value. If the air ratio becomes smaller than a predetermined level, the combustion state in the combustion furnace P will be incomplete (unburned), creating a danger such as the possibility of carbon monoxide generation. Announce the fire. Incidentally, when the flow rate control means FC is provided with an output means, the output means of the flow rate control means FC may issue an alarm.
Similarly, PC2 determines the misfire air ratio set value when the estimated air ratio becomes less than the misfire air ratio set value, which is the air ratio value preset as a possible value when combustion is not maintained. Outputs a warning to the effect that it has become less than the specified value. The
以下、空気比推定システム1による、燃焼炉Pにおける空気比の推定が、更に詳細に説明される。
図2は、当量比φ(空気比の逆数)が1.0,1.2,1.4の3つの場合における、火炎発光の可視域での波長における相対強度の分布を示すグラフである。
一般に、炭化水素の分解過程では、次のような反応が短時間内で起こり、活性で短寿命な中間化学種(不安定化学種)としてのラジカルが各種発生している。尚、“*”は、励起状態であることを示す。又、“hν”は、振動数νの光のエネルギー(hはプランク定数)を示す。
C2+OH→CO+CH* ・・・式1
CH+O2→CO+OH ・・・式2
CO+O2→CO2+hν ・・・式3
Hereinafter, estimation of the air ratio in the combustion furnace P by the air
FIG. 2 is a graph showing the distribution of the relative intensity of flame emission at wavelengths in the visible range in three cases where the equivalence ratio φ (reciprocal of the air ratio) is 1.0, 1.2, and 1.4.
Generally, in the decomposition process of hydrocarbons, the following reactions occur within a short time, and various radicals are generated as active and short-lived intermediate chemical species (unstable chemical species). Note that " * " indicates an excited state. Further, "hv" indicates the energy of light of frequency ν (h is Planck's constant).
C 2 +OH→CO+CH * ...
CH+O 2 →CO+OH...
CO+O 2 →CO 2 +hν...Formula 3
炭化水素の分解過程の初期において、式1の左辺に登場するC2ラジカルが生成される。C2ラジカルは、電子励起から発光する。C2ラジカルの発光(C2放射)は、相対強度に係る極大値(バンドヘッド)を3つ有している(スワンバンド)。当該バンドヘッドに係る波長は、順に473.7nm,516nm,563.6nmである。516nmの極大値の大きさ(発光強度)は、他の2つの極大値の大きさより大きく、又当量比が大きくなるほど大きくなる。よって、当量比が大きくなる(混合気が濃くなる)ほど、火炎L(特に火炎根元部L1)は緑色に近づく。
又、式1の右辺及び式2に登場するCHラジカルが生成される。このうちCH*から、光が放射される(CH放射)。CH放射は、可視域では波長431.5nmにバンドヘッドを持つ。CH放射は、火炎L(特に火炎根元部L1)の青さに寄与している。尚、CH放射は、紫外域の波長387.2nmにおいてもバンドヘッドを有する。
更に、最終段階の酸化反応としての式3の反応に伴い、CO-O放射と呼ばれる発光がなされる。式3の反応は、単に酸素分子でCOが酸化されるというだけでなく、活性な酸素原子が介在していることから、“CO-O放射”と呼ばれている。このCO-O放射は、350nm以上500nm以下にわたって比較的に高い相対強度を有している(連続スペクトル)。
これらの光の放射の態様は、炭化水素の分解が促進されている火炎根元部L1において顕著に認められ、炭化水素が完全に分解されずススを含んでいる火炎先端部L2では、異なったものとなる。
尚、式1,2に登場するOHラジカルは、306nm以上320nm以下の紫外域において高い発光強度を有している。よって、可視域に感度を有するカメラ4では、当該波長域の光は、撮影不能である。
At the beginning of the hydrocarbon decomposition process, the C 2 radical appearing on the left side of
Furthermore, CH radicals appearing on the right side of
Furthermore, along with the reaction of formula 3 as the final stage oxidation reaction, light emission called CO--O radiation is generated. The reaction of Formula 3 is called "CO--O radiation" because not only CO is simply oxidized by oxygen molecules, but also active oxygen atoms are involved. This CO-O radiation has a relatively high relative intensity over a range from 350 nm to 500 nm (continuous spectrum).
These light emission modes are noticeable at the flame root L1, where the decomposition of hydrocarbons is promoted, and are different at the flame tip L2, where the hydrocarbons are not completely decomposed and contains soot. becomes.
Note that the OH radicals appearing in
このように、C2放射のバンドヘッドの強度は、当量比の増加に応じて大きくなり、即ち空気比の増加に応じて小さくなることから、C2放射のバンドヘッドの強度を測定して空気比を推定することが従来なされている。しかし、実際には、C2放射のバンドヘッドの強度の測定は、他の放射及び外光等に影響されて正確に行い難く、正確な空気比の推定につながり難い。
そこで、本出願人は、より正確な空気比の推定を実現するため、青色域で発光するCO-O放射(図2)に着目した。
但し、CO-O放射は、連続スペクトルであり、又その波長域内にCH放射のバンドヘッドが存在するため、CO-O放射の強度のみを測定して空気比を推定するより、CO-O放射の強度にCH放射の強度を加味した要素で空気比を推定する方が、より正確になる。
そこで、本出願人は、CO-O放射の強度とCH放射の強度との比(CH/CO-O)に基づいて、空気比を推定することを見出した。
In this way, the intensity of the bandhead of C2 radiation increases as the equivalence ratio increases, that is, it decreases as the air ratio increases. It is conventional practice to estimate the ratio. However, in reality, it is difficult to accurately measure the intensity of the C2 radiation bandhead because it is affected by other radiation, external light, etc., and it is difficult to accurately estimate the air ratio.
Therefore, in order to achieve more accurate estimation of the air ratio, the applicant focused on CO--O radiation emitted in the blue region (FIG. 2).
However, since CO-O radiation has a continuous spectrum and there is a bandhead of CH radiation within its wavelength range, it is better to estimate the air ratio by measuring the intensity of CO-O radiation. It is more accurate to estimate the air ratio using an element that takes into account the intensity of the CH radiation and the intensity of the CH radiation.
Therefore, the applicant discovered that the air ratio can be estimated based on the ratio of the intensity of CO--O radiation to the intensity of CH radiation (CH/CO--O).
図3は、空気比推定システム1の動作例(空気比推定方法の例)に係るフローチャートである。
まず、各ラジカルの放射光の波長に相当するRGBの輝度の各値(RGB値)が、複数のサンプルの解析、撮像のシミュレーション、及びカメラ4(特に撮像素子22)の特性分析の少なくとも何れかに基づき、PC2において予め計算により把握される(ステップS1)。
ここでは、CH放射として波長431.5nmの光に相当するRGB値が把握され、CO-O放射として380nm以上390nm以下の波長域の光に相当するRGB値が把握される。尚、CH放射のRGB値が把握される場合、PC2は、380nm以上390nm以下の波長域におけるCO-O放射に相当する輝度を、当該波長域に係る総合的な輝度から減じても良い。
CO-O放射の波長域が380nm以上390nm以下に設定されることは、次の3つの理由から好ましい。第1に、当該設定に係る波長域が、CH放射のバンドヘッドから離れており、CH放射の影響が低減される。第2に、当該設定に係る波長域が、C2放射のバンドヘッドから離れており、C2放射の影響が低減される。第3に、青色(可視域短波長側)の外光は、緑色(可視域中間域)の外光に比べて少なく、外光の影響が低減される。尚、CO-O放射に対応するものとして設定される波長域は、上述の380nm以上390nm以下の波長域に限られず、例えばCH放射の431.5nmのバンドヘッドとC2放射の473.7nmのバンドヘッドとの間における440nm以上460nm以下とされても良いし、上限及び下限の少なくとも一方を変えて385nm以上410nm以下等とされても良いし、380nm以上400nm以下及び440nm以上460nm以下といったように複数設定されても良い。
このステップS1は、事前のデータ解析によって既に行われている場合、燃焼炉Pの空気比の推定を行うに際し、省略されても良い。
FIG. 3 is a flowchart relating to an example of the operation of the air ratio estimation system 1 (an example of an air ratio estimation method).
First, each value of RGB brightness (RGB value) corresponding to the wavelength of the emitted light of each radical is determined by at least one of analysis of multiple samples, imaging simulation, and characteristic analysis of the camera 4 (in particular, the imaging device 22). Based on this, the
Here, RGB values corresponding to light with a wavelength of 431.5 nm are determined as CH radiation, and RGB values corresponding to light in a wavelength range of 380 nm to 390 nm are determined as CO-O radiation. Note that when the RGB values of the CH radiation are known, the
It is preferable that the wavelength range of CO--O radiation is set to 380 nm or more and 390 nm or less for the following three reasons. First, the wavelength range according to the setting is far from the bandhead of CH radiation, and the influence of CH radiation is reduced. Second, the wavelength range according to the setting is far from the bandhead of C 2 radiation, reducing the influence of C 2 radiation. Thirdly, there is less blue external light (on the short wavelength side of the visible range) than green external light (on the intermediate visible range), and the influence of the external light is reduced. Note that the wavelength range set as corresponding to CO-O radiation is not limited to the above-mentioned wavelength range of 380 nm or more and 390 nm or less, but includes, for example, the 431.5 nm bandhead of CH radiation and the 473.7 nm bandhead of C2 radiation. The distance between the band head and the band head may be 440 nm or more and 460 nm or less, or at least one of the upper and lower limits may be changed to 385 nm or more and 410 nm or less, or 380 nm or more and 400 nm or less, and 440 nm or more and 460 nm or less. Multiple settings may be made.
This step S1 may be omitted when estimating the air ratio of the combustion furnace P if it has already been performed by prior data analysis.
次いで、PC2は、カメラ4に対して初期解析用の火炎画像29(1枚の静止画像)の撮影を指令し、カメラ4から火炎画像29を取得して読み込む(ステップS2)。初期解析用の火炎画像29は、PC側記憶手段10に記憶される。
続いて、PC2は、読み込んだ初期解析用の火炎画像29から、空気比の推定に係る画像の解析を行う範囲(解析範囲)を設定する(ステップS3)。PC2は、初期解析用の火炎画像29のうち、火炎根元部L1の中央部をカバーする領域を、画像解析、及びオペレータによるPC側入力手段11を介した範囲指定の少なくとも一方により決定して、解析範囲を設定する。
又、PC2は、初期解析用の火炎画像29におけるステップS3で設定された解析範囲内の部分に対し、ステップS1で算出した各ラジカル放射のRGB値が存在するか否かをスキャンして、各ラジカル放射の抽出及び輝度値の解析を行う(ステップS4)。
尚、ステップS3,S4の少なくとも一方は、省略されても良い。
Next, the
Subsequently, the
In addition, the
Note that at least one of steps S3 and S4 may be omitted.
そして、PC2は、カメラ4に対し、所定時間内における火炎画像29の連続取得を指令する(ステップS5)。カメラ4は、所定時間内における火炎画像29の連続取得を行い、火炎画像29の群を逐次あるいはまとめてPC2に対し送信する。カメラ4は、1秒間当たり所定枚数を取得する撮影速度で、5秒間火炎画像29の群を取得する。尚、当該所定枚数は火炎Lの状態等に応じて調整されても良い。又、総撮影時間は、5秒未満とされても良いし、5秒を超えるものとされても良い。
更に、PC2は、各火炎画像29の解析範囲内における各ラジカル放射の各累積輝度の計算を行う(ステップS6)。ここでは、PC2は、まず0~1,1~2,2~3,3~4,4~5秒の各1秒間内に属する火炎画像29の組毎に、CHラジカル放射,CO-Oラジカル放射の輝度の合計(CHラジカル放射秒間累積輝度,CO-Oラジカル放射秒間累積輝度)を積算する。次に、PC2は、5つのCHラジカル放射秒間累積輝度を平均して単位時間のCHラジカル放射の累積輝度(CH)を算出し、5つのCO-Oラジカル放射秒間累積輝度を平均して単位時間のCO-Oラジカル放射の累積輝度(CO-O)を算出する。
尚、ステップS1~S4の少なくとも何れかは、初期解析用の火炎画像29ではなく、連続取得された火炎画像29の少なくとも何れかに基づいて行われても良い。
Then, the
Furthermore, the
Note that at least one of steps S1 to S4 may be performed based on at least one of continuously acquired
そして、PC2は、CH(累積輝度)をCO-O(累積輝度)で割って、CH/CO-Oを計算する(ステップS7)。
次いで、PC2は、CH/CO-Oに対応する空気比を抽出し、推定した空気比をPC側出力手段12により出力する(ステップS8)。CH/CO-Oと空気比との対応関係を示すデータベース30は、PC側記憶手段10に記憶されている。PC2は、データベース30を参照して、CH/CO-Oに対応する空気比を得る。
尚、PC2は、1枚あるいは複数枚の火炎画像29毎に部分的なCH/CO-Oを計算し、その部分的なCH/CO-Oを累積してCH/CO-Oを算出しても良い。
Then, the
Next, the
Note that the
図4は、CH/CO-O(INTENCITY(累積輝度比))と空気比との対応関係を示すグラフであって、燃焼用ガスGの流量(定格流量を1としたときの流量)が、0.4,0.5,0.6である場合の対応関係を示すグラフである。この対応関係は、燃焼用ガスGの流量毎に、実験炉等での空気比を定めたCH/CO-Oの精密な測定により、予め取得されている。
推定対象の燃焼炉Pにおいて空気比推定システム1により空気比を推定する場合、推定手法として、燃焼用ガスGの流量を測定する燃焼用ガス流量計が設置され、燃焼用ガス流量計により燃焼用ガスGの流量が把握されながらCH/CO-Oが算出されるものが挙げられる。この場合、例えば図4の“○”(丸印)のように燃焼用ガスGの流量比が0.4であるときにCH/CO-Oが0.9であれば、空気比が1.5と推定される。
FIG. 4 is a graph showing the correspondence between CH/CO-O (INTENCITY (cumulative brightness ratio)) and air ratio, and shows that the flow rate of combustion gas G (flow rate when the rated flow rate is 1) is It is a graph showing the correspondence relationship in the case of 0.4, 0.5, and 0.6. This correspondence relationship is obtained in advance by precise measurement of CH/CO-O with a determined air ratio in an experimental furnace or the like for each flow rate of the combustion gas G.
When estimating the air ratio using the air
又、PC2は、例えば目標空気比設定値が1.2とされていて、推定された空気比が1.0であった場合に、空気比が1.2に近づくように、空気流量調整弁FAの開度を増して燃焼用空気Aの流量を増加させ、又は燃焼用空気Aの流量の増加に代えて、あるいは燃焼用空気Aの流量の増加と共に、ガス流量調整弁FGの開度を減じて燃焼用ガスGの流量を減少させる(空気比制御システム、空気比調整システム)。
更に、PC2は、例えば下限空気比設定値が1.05とされていて、推定された空気比が1.05を下回った場合に、未燃の旨をPC側出力手段12において出力する(未燃検知システム、未燃警報システム)。尚、PC2は、推定された空気比が下限空気比設定値を下回った場合に、目標空気比設定値に近づく制御と同様の制御を行っても良く、かような制御において、流量の変化度合を、目標空気比設定値に近づく制御より大きく(あるいは小さく)しても良い。
又、PC2は、例えば失火空気比設定値が0.8とされていて、推定された空気比が0.8を下回った場合に、失火の旨をPC側出力手段12において出力する(失火検知システム、失火警報システム)。尚、PC2は、推定された空気比が失火空気比設定値を下回った場合に、バーナBにおける燃焼(燃焼用ガスGの供給)を停止しても良い。
Further, when the target air ratio setting value is set to 1.2 and the estimated air ratio is 1.0, the
Furthermore, if the lower limit air ratio setting value is set to 1.05, and the estimated air ratio is less than 1.05, the
Further, if the misfire air ratio setting value is set to 0.8, for example, and the estimated air ratio is less than 0.8, the
かような空気比推定システム1は、次のような作用効果を奏する。
即ち、空気比推定システム1は、燃焼用ガスG(都市ガス)による火炎Lが起きる燃焼炉Pにおける空気比を推定するものであり、火炎Lを複数回撮影して複数の火炎画像29を取得するカメラ4と、複数の火炎画像29を受信するPC2と、を備えており、PC2は、複数の火炎画像29から火炎LのCO-Oラジカル放射の可視域内における輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCO-Oラジカル累積輝度CO-Oと、複数の火炎画像29から火炎LのCHラジカル放射の輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCHラジカル累積輝度CHとに基づいて、CO-Oラジカル累積輝度CO-OとCHラジカル累積輝度CHとの比であるCH/CO-Oを算出すると共に、CH/CO-Oに対応する空気比を抽出する。
よって、空気比推定システム1は、CO-Oラジカル累積輝度CO-OとCHラジカル累積輝度CHとの比に基づいて空気比を推定するため、CHラジカル放射の輝度に基づいて空気比を推定する場合に比べてノイズに影響され難く、より高精度になる。又、空気比推定システム1は、可視光に感度を有するカメラ4で空気比を推定可能であり、OHラジカル放射を測定する場合のように紫外線に感度を有するカメラを用いる必要がなく、シンプルな構成を有することとなり、又より簡単に且つ低コストで空気比が推定可能である。
Such an air
That is, the air
Therefore, the air
更に、PC2は、CH/CO-Oと空気比との対応関係を示すデータベース30を参照可能である。よって、空気比推定システム1では、事前にデータベース30を調製しておくことで、CH/CO-Oに対応する空気比が即座に得られる。
又更に、カメラ4及びPC2は、可搬性を呈している。よって、空気比推定システム1は、可搬性を呈し、様々な場所にある燃焼炉P等において空気比の推定を実行可能である。
加えて、燃焼炉Pは、火炎Lを視認可能な観察窓Oを有しており、カメラ4は、観察窓Oに設置される。よって、空気比推定システム1は、燃焼炉Pの観察窓Oを利用して簡単に空気比を推定することができる。
Further, the
Furthermore, the
In addition, the combustion furnace P has an observation window O through which the flame L can be visually recognized, and the
又、上述の空気比制御システムは、次のような作用効果を奏する。
即ち、空気比制御システムは、空気比推定システム1と、燃焼用空気Aの流量を開度により調整する空気流量調整弁FAと、燃焼用ガスGの流量を開度により調整するガス流量調整弁FGと、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁GAの少なくとも一方と接続されたPC2と、を備えており、PC2は、空気比推定システム1により推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、空気流量調整弁FAの開度及びガス流量調整弁FGの開度の少なくとも一方を制御する。
よって、空気比制御システムが、ノイズに影響され難く、より高精度な制御が可能である状態で、より簡単に且つ低コストで構築される。
Further, the above-described air ratio control system has the following effects.
That is, the air ratio control system includes an air
Therefore, the air ratio control system can be constructed more easily and at lower cost while being less susceptible to noise and capable of more accurate control.
更に、上述の未燃検知システム又は失火検知システムは、次のような作用効果を奏する。
即ち、未燃検知システム又は失火検知システムは、空気比推定システム1と、PC2と、を備えており、PC2は、空気比制御システム1により推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力する。
よって、未燃検知システム又は失火検知システムが、ノイズに影響され難く、より高精度な検知が可能である状態で、より簡単に且つ低コストで構築される。
Furthermore, the above-described unburned detection system or misfire detection system has the following effects.
That is, the unburned detection system or the misfire detection system includes an air
Therefore, an unburned detection system or a misfire detection system can be constructed more easily and at a lower cost while being less susceptible to noise and capable of more accurate detection.
尚、本発明は、更に次の変更例を適宜有する。
燃焼設備は、ガスタービン、工業炉、乾燥炉、ボイラ等であっても良い。
又、空気比の調整は、PC2によらず、空気流量調整弁FA及びガス流量調整弁GAの少なくとも一方の手動操作により行われても良い。
Incidentally, the present invention further has the following modifications as appropriate.
The combustion equipment may be a gas turbine, an industrial furnace, a drying furnace, a boiler, etc.
Further, the air ratio may be adjusted not by the
1・・空気比推定システム、2・・PC(コンピュータ)、4・・カメラ、29・・火炎画像、30・・データベース、A・・燃焼用空気、FA・・空気流量調整弁、FG・・ガス流量調整弁、G・・燃焼用ガス(炭化水素系ガス燃料)、L・・火炎、O・・観察窓、P・・燃焼炉(燃焼設備)。 1... Air ratio estimation system, 2... PC (computer), 4... Camera, 29... Flame image, 30... Database, A... Combustion air, FA... Air flow rate adjustment valve, FG... Gas flow rate adjustment valve, G... Combustion gas (hydrocarbon gas fuel), L... Flame, O... Observation window, P... Combustion furnace (combustion equipment).
Claims (6)
前記火炎を複数回撮影して可視光に係る複数の火炎画像を取得する可視光カメラと、
複数の前記火炎画像を受信するコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、複数の前記火炎画像から前記火炎のCO-Oラジカル放射の可視域内における所定波長域での輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCO-Oラジカル累積輝度と、複数の前記火炎画像から前記火炎のCHラジカル放射の可視域内における輝度をそれぞれ抽出して累積することで得られるCHラジカル累積輝度とに基づいて、前記CO-Oラジカル累積輝度と前記CHラジカル累積輝度との比であるCH/CO-Oを算出すると共に、前記CH/CO-Oに対応する前記空気比を抽出する
ことを特徴とする空気比推定システム。 An air ratio estimation system for estimating an air ratio in combustion equipment in which a flame generated by hydrocarbon gas fuel occurs,
a visible light camera that photographs the flame multiple times to obtain multiple flame images related to visible light ;
a computer that receives the plurality of flame images;
It is equipped with
The computer extracts and accumulates the luminance in a predetermined wavelength range within the visible range of the CO-O radical radiation of the flame from the plurality of flame images, and the plurality of CO-O radical cumulative luminances. The ratio of the CO-O radical cumulative brightness to the CH radical cumulative brightness, based on the CH radical cumulative brightness obtained by extracting and accumulating the brightness in the visible range of the CH radical radiation of the flame from the flame image. An air ratio estimation system characterized in that the air ratio estimation system calculates CH/CO-O, and extracts the air ratio corresponding to the CH/CO-O.
ことを特徴とする請求項1に記載の空気比推定システム。 2. The air ratio estimating system according to claim 1, wherein the computer can refer to a database showing a correspondence relationship between the CH/CO-O and the air ratio.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の空気比推定システム。 The air ratio estimation system according to claim 1 or 2, wherein the visible light camera and the computer are portable.
前記可視光カメラは、前記観察窓に設置される
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3の何れかに記載の空気比推定システム。 The combustion equipment has an observation window through which the flame can be viewed,
The air ratio estimation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the visible light camera is installed in the observation window.
燃焼用空気の流量を開度により調整する空気流量調整弁と、
燃焼用ガスの流量を開度により調整するガス流量調整弁と、
前記空気流量調整弁及び前記ガス流量調整弁の少なくとも一方と接続されたコンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が目標空気比設定値に近づくように、前記空気流量調整弁の開度及び前記ガス流量調整弁の開度の少なくとも一方を制御する
ことを特徴とする空気比制御システム。 The air ratio estimation system according to any one of claims 1 to 4,
an air flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of combustion air by opening;
a gas flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of combustion gas by the opening degree;
a computer connected to at least one of the air flow rate adjustment valve and the gas flow rate adjustment valve;
It is equipped with
The computer controls at least one of the opening degree of the air flow rate adjustment valve and the opening degree of the gas flow rate adjustment valve so that the air ratio estimated by the air ratio estimation system approaches a target air ratio setting value. An air ratio control system featuring:
コンピュータと、
を備えており、
前記コンピュータは、前記空気比推定システムにより推定された空気比が下限空気比設定値又は失火空気比設定値を下回った場合に、未燃又は失火の旨を出力する
ことを特徴とする未燃検知システム又は失火検知システム。 The air ratio estimation system according to any one of claims 1 to 4,
computer and
It is equipped with
The computer outputs an indication of unburned or misfired when the air ratio estimated by the air ratio estimation system is lower than a lower limit air ratio setting value or a misfire air ratio setting value. system or misfire detection system.
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