(57)【要約】【課題】本発明は、パームステアリンを石油ボイラで燃焼する際に，パームステアリンの混合による火炎特性（火炎の輝度，形状）の変化に柔軟に対応でき，正確に火炎を検知できる火炎検知システムを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の火炎検知システムは，燃料混合比を測定する混合比測定装置と、前記バーナーの火炎の画像を撮影するカメラと、燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶する記憶装置と、前記カメラにて撮影された前記画像から輝度を算出する輝度算出手段と、前記燃料混合比と輝度管理値のパターンから前記混合比測定装置で測定された燃料混合比に対応する輝度管理値を選択し，選択された前記輝度管理値と前記輝度とを比較して火炎の存在または失火を判定する火炎判定手段を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石油ボイラでパームステアリンを燃焼する際にバーナーの火炎を検知する火炎検知システムにおいて、
燃料混合比を測定する混合比測定装置と、
前記バーナーの火炎の画像を撮影するカメラと、
燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶する記憶装置と、
前記カメラにて撮影された前記画像から輝度を算出する輝度算出手段と、
前記燃料混合比と輝度管理値のパターンから前記混合比測定装置で測定された燃料混合比に対応する輝度管理値を選択し、選択された前記輝度管理値と前記輝度とを比較して火炎の存在または失火を判定する火炎判定手段と、
前記火炎判定手段による判定結果を表示する出力装置と
を備えたことを特徴とする火炎検知システム。
【請求項２】
前記火炎判定手段は、失火と判定した場合には、前記バーナーへの燃料供給を遮断する燃料遮断弁を閉止する指令を出すことを特徴とする請求項１に記載の火炎検知システム。
【請求項３】
前記記憶装置は、燃料混合比と火炎形状のパターンを記憶し、
前記輝度算出手段は、前記燃料混合比と火炎形状のパターンから前記混合比測定装置で測定された燃料混合比に対応する火炎形状を選択し、選択された前記火炎形状に基づいて輝度を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の火炎検知システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，ボイラでバイオマス燃料を燃焼する際にバーナーの火炎を検知するための火炎検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，二酸化炭素等の温暖化ガス排出量の増加を抑制できるエネルギー源として，バイオマス燃料が脚光を浴びている。
【０００３】
バイオマス燃料については，種々の種類があるが，例えば植物油や植物起源のアルコールを火力発電所で燃焼させることが考えられている。植物油や植物起源のアルコールを用いたバイオマス発電は，発電コストや調達ポテンシャルの面で優れていることに特徴がある。
【０００４】
植物油や植物起源のアルコールのうち，アブラヤシから抽出したパームステアリンは、石油との混合が容易であるため、石油と混合して石油ボイラで燃焼させることが考えられている。しかし、実運用にあたってはパームステアリンの燃焼状態を把握し、既存のボイラで安定的に燃焼可能かどうかを確認しておく必要がある。
【０００５】
燃料の燃焼はバーナーの火炎の状態によって確認できる。ボイラには，何らかの原因でバーナーの火炎が失火して燃料がボイラ内に充満することを防止するため，バーナーの火炎状態を常時監視するための火炎検知システムが設けられている。
【０００６】
特許文献１では，ボイラの各バーナーに火炎検知を目的として可視光域のＣＣＤカメラを設置し，各バーナーの火炎の輝度（明るさ）信号分布を求め，この輝度信号分布を用いて火炎の検出を行うボイラの火炎検知装置が開示されている。この装置によれば，カメラ画像を面的に解析することにより，正確に火炎が検出できることが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２５６６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の火炎検知装置を用いた既存の火炎検知システムは，ボイラで石油を専焼することを想定しているため，石油専焼時の火炎特性（火炎の輝度，形状）に合わせて，輝度（明るさ）の管理値を設定していた。
【０００９】
これに対して，パームステアリンをボイラで燃焼させると，予想を超えて火炎特性が変化することが判明した。既存の火炎検知システムでは，これら火炎特性の変化に対応できず，火炎の有無について誤った判断がなされる可能性があり，ボイラの安定運用が難しいといった問題点があった。
【００１０】
そこで，本発明は，パームステアリンを石油ボイラで燃焼する際に，パームステアリンの混合による火炎特性（火炎の輝度，形状）の変化に柔軟に対応でき，正確に火炎を検知できる火炎検知システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために，パームステアリンと石油の火炎特性について比較した結果，全く予期しないことに、パームステアリンは、石油とは明確に異なる火炎特性を示すことが判明した。さらに、パームステアリンの火炎特性は、ガス燃料に近い特性であること、およびパームステアリンと石油の燃料混合比に応じて連続的に変化することを新たに知見した。この知見に基づき，あらかじめ燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶しておき，燃料混合比に応じた最適な輝度管理値を用いることで，正確に火炎が検知できることを見出し，本発明を完成するに至った。すなわち本発明は以下の通りである。
【００１２】
請求項１に係わる発明は，石油ボイラでパームステアリンを燃焼する際にバーナーの火炎を検知する火炎検知システムにおいて、燃料混合比を測定する混合比測定装置と、前記バーナーの火炎の画像を撮影するカメラと、燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶する記憶装置と、前記カメラにて撮影された前記画像から輝度を算出する輝度算出手段と、前記燃料混合比と輝度管理値のパターンから前記混合比測定装置で測定された燃料混合比に対応する輝度管理値を選択し、選択された前記輝度管理値と前記輝度とを比較して火炎の存在または失火を判定する火炎判定手段と、前記火炎判定手段による判定結果を表示する出力装置とを備えたことを特徴とする火炎検知システムである。
【００１３】
前述の通り，あらかじめ燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶しておくことで，燃料混合比に応じた最適な輝度管理値を用いて正確に火炎が検知できる。
【００１４】
請求項２に係わる発明として，前記火炎判定手段は、失火と判定した場合には、前記バーナーへの燃料供給を遮断する燃料遮断弁を閉止する指令を出してもよい。
【００１５】
火炎判定手段が失火判定時には燃料遮断弁を閉止する指令を出すことで，失火時の緊急対応を自動化でき，安全性が向上する。
【００１６】
請求項３に係わる発明として，前記記憶装置は、燃料混合比と火炎形状のパターンを記憶して、前記輝度算出手段は、前記燃料混合比と火炎形状のパターンから前記混合比測定装置で測定された燃料混合比に対応する火炎形状を選択し、選択された前記火炎形状に基づいて輝度を算出してもよい。
【００１７】
あらかじめ燃料混合比と火炎形状のパターンを記憶しておくことで，最適な火炎形状に基づき正確に輝度を算出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の火炎検知システムによれば，パームステアリンを石油ボイラで燃焼する際に，パームステアリンの混合による火炎特性（火炎の輝度，形状）の変化に柔軟に対応でき，正確に火炎を検知できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係わる火炎検知システムの構成図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係わる火炎検知システムの構成図である。
【図３】本発明の実施形態に係わる火炎検知の手順を示すフロー図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係わる火炎検知の手順を示すフロー図である。
【図５】燃料混合比と輝度管理値との関係を表すイメージ図である。
【図６】燃料混合比と火炎形状の画像データとの関係を表すイメージ図である。
【図７】実施例における燃料の燃焼状態を表すカラー写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。
【００２１】
図１に本発明の実施形態に係わる火炎検知システムの構成図を示す。
【００２２】
本発明では、石油ボイラ５でパームステアリン３を燃焼する際にバーナーの火炎６を検知する火炎検知システム１を対象とする。
【００２３】
パームステアリン３とは、植物油の一種であり、アブラヤシ果実房から抽出した油脂のうち常温で固体となる部分をいう。パームステアリンは、約５０℃で固化し始めることから、石油２（重油、原油）との混合は約６０℃に加熱して行うことが好ましい。
【００２４】
バーナー４は、石油ボイラ内に複数設けられる。石油ボイラの上下方向３〜５段の断面において、１断面あたり６〜８箇所にバーナーが配置される。火炎検知システム１のうち、後述するカメラ１２はそれぞれのバーナーごとに配置される。
【００２５】
火炎検知システム１は、燃料混合比を測定する混合比測定装置１１と、
バーナーの火炎の画像を撮影するカメラ１２と、燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶する記憶装置１３と、カメラ１２にて撮影された画像から輝度を算出する輝度算出手段１５と、火炎の存在または失火を判定する火炎判定手段１６と、火炎判定手段による判定結果を表示する出力装置１７とから構成される。
【００２６】
混合比測定装置１１は、石油２とパームステアリン３の燃料混合比を測定できるものであれば任意の構造を用いることができる。例えば、石油２とパームステアリン３を混合する前の位置に、それぞれの流量を測定できる流量計を設置すれば、簡易かつ正確に燃料混合比を測定することができる。なお、燃料混合比は、
パームステアリン３の重量比(wt %)、体積比(vol %)やカロリーベース混合比(cal %)として整理される。
【００２７】
カメラ１２は、デジタル画像が出力できるカメラであれば任意のカメラを用いることができるが、大きさ、価格の面からＩＴＶカメラ、ＣＣＤカメラが好適である。カメラで直接火炎を撮影してもよいが、火炎側に配置した光ファイバを介して火炎の映像を撮影してもよい。カメラの設置方式は固定式でもよいが、可動式としてもよい。可動式では、カメラの角度を調整することで火炎形状が大幅に変化した場合にも対応することができる。
【００２８】
記憶装置１３では、パームステアリンと石油の燃料混合比と輝度管理値のパターンが記憶されている。記憶装置１３としては、ハードディスクドライブ、揮発型または不揮発型メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどが例示される。
【００２９】
ここで、輝度とは、デジタル画像の画素単位で明るさのレベルを表した単位であり、例えば２５６段階で表される。輝度管理値とは、火炎の有無を判定するため輝度に対して与えられた管理値のことである。
【００３０】
石油専焼時には、黄色で比較的輝度の高い火炎となるが、パームステアリン専焼時には、青白く輝度が低い火炎となる。燃料によって火炎の色や輝度が変化するため、輝度管理値も変化させる必要がある。さらに、火炎の色や輝度は、燃料混合比に応じて連続的に変化する。よって、あらかじめ燃料混合比と輝度管理値のパターンを記憶しておく必要がある。
【００３１】
燃料混合比と輝度管理値のパターンは次の方法により求められる。まず、燃料混合比を変化させてボイラで燃焼試験を行う。次に、目視等により火炎の有無と輝度との関係を把握し、燃料混合比に応じた最適な輝度管理値をマニュアルで設定する。燃料混合比と輝度管理値のパターンは、輝度管理値の設定データから離散的なパターンとしてもよいが、そのデータを関数で補完して連続的なパターンとしてもよい。図５には、燃料混合比と輝度管理値との関係を表すイメージ図を示すが、輝度管理値の設定データ（Ｄ１〜Ｄ４）を関数で補完して、連続的なパターン（Ｒ１）を設定することができる。
【００３２】
記憶装置１３では、燃料混合比と火炎形状のパターンを記憶してもよい。一般に、液体燃料とガス燃料の火炎形状（火炎長等）は異なることが知られている。パームステアリンは、ガス燃料に似た火炎特性を示すため、液体燃料である石油とは火炎形状が異なる場合がある。
【００３３】
図６に燃料混合比と画像中の火炎形状との関係を表すイメージ図を示す。外枠の線はカメラで撮影された画像２１を示し、Ｆ１〜Ｆ４は、燃料混合比に応じた火炎形状の範囲を示す。このような火炎形状のパターンは、前述の燃焼試験を行うことで求めることができる。求められた火炎形状は、後述の輝度算出手段１５において火炎形状に基づき輝度を算出する場合に用いられる。
【００３４】
演算装置１４では、演算プログラムを演算装置内のプロセッサ（図示せず）で実行し、火炎検知に係わる演算を行う。演算は、輝度算出手段１５と火炎判定手段１６を用いて行われる。
【００３５】
輝度算出手段１５では、カメラ１２で撮影された画像２１から輝度を算出する。画像２１の画素ごとに輝度が例えば２５６段階表示で記憶されているので、この輝度データを用いて、火炎部の輝度を算出する。火炎部の輝度の算出は、火炎部を面的に評価できる方法であれば、任意の方法を用いることできる。
【００３６】
例えば、画像２１全体の平均輝度を算出してもよい。全体の平均輝度は容易に算出でき、迅速に処理することができる。
【００３７】
また、画像２１の一部について平均輝度を算出してもよい。画像のうち不要な部分を輝度算出対象から除去できるので、輝度の算出精度を向上させることができる。
【００３８】
画像２１の一部について輝度を算出する場合、輝度算出対象とする画像の領域は、一定とすることもできるが、燃料混合比に応じて変化させてもよい。後者の場合、記憶装置１３で記憶された燃料混合比と火炎形状のパターンから、燃料混合比に応じた火炎形状を選択し、選択された範囲の平均輝度を算出してもよい。燃料混合比によって火炎形状が変化した場合にも、最適な火炎形状に基づき正確に輝度を算出することができる。
【００３９】
火炎判定手段１６では、燃料混合比と輝度管理値のパターンから混合比測定装置１１で測定された燃料混合比に対応する輝度管理値を選択する。さらに、選択された輝度管理値と輝度算出手段１５で算出された輝度とを比較して火炎の存在または失火を判定する。輝度が輝度管理値以上であれば火炎が存在していると判定し、輝度管理値を下回っていれば失火していると判定する。
【００４０】
この判定によれば、あらかじめ記憶された燃料混合比と輝度管理値のパターンから，燃料混合比に応じた最適な輝度管理値を用いるため、火炎特性の変化に柔軟に対応して正確に火炎が検知できる。
【００４１】
図２に、本発明の他の実施形態に係わる火炎検知システムの構成図を示す。図２の通り、火炎検知システム１をバーナー４への燃料供給を遮断する燃料遮断弁１８と接続し、火炎判定手段１６で失火と判定した場合には、燃料遮断弁１８を閉止する指令を出してもよい。失火時の緊急対応を自動化でき，燃料がボイラ内に充満することを未然に防止して安全性を向上させることができる。
【００４２】
出力装置１７では、火炎判定手段１６による判定結果を表示する。出力装置１７は、ディスプレイ、プリンタ、ハードディスクドライブなどが例示される。
【００４３】
次に、図３のフロー図を用いて本発明の実施形態に係わる火炎検知の手順を説明する。
【００４４】
まず、ステップＳ１において、燃料混合比を測定する。前述の混合比測定装置１１を用いて、石油２とパームステアリン３の燃料混合比を測定する。
【００４５】
次にステップＳ２において、前述のカメラ１２を用いて火炎部の画像を撮影する。撮影された画像から、ステップＳ３において、前述の輝度算出手段１５を用いて火炎部の輝度を算出する。
【００４６】
次に、ステップＳ４において、あらかじめ燃料混合比と輝度管理値のパターンを求め、記憶装置１３に記憶させる。さらに、ステップＳ５において、ステップＳ４で記憶された燃料混合比と輝度管理値のパターンのうち、ステップＳ１で測定された燃料混合比に応じた輝度管理値を選択する。
【００４７】
次に、ステップＳ６において、ステップＳ３で算出された輝度と、ステップＳ５で選択された輝度管理値を比較し、火炎の存在または失火を判定する。輝度が輝度管理値以上であれば火炎が存在していると判定し（Ｓ７）、輝度管理値を下回っていれば失火していると判定する（Ｓ８）。
【００４８】
次に図４のフロー図に示す本発明の他の実施形態に係わる火炎検知の手順を説明する。
【００４９】
他の実施形態では、Ｓ３の輝度算出の前に、あらかじめステップＳ１０において、燃料混合比と火炎形状のパターンを求め、記憶装置１３に記憶させることに特徴がある。記憶された燃料混合比と火炎形状のパターンのうち、ステップＳ１で測定された燃料混合比に応じた火炎形状をＳ１１で選択する。その上で、ステップＳ２で撮影された火炎部の画像のうち選択された火炎形状の範囲についてステップＳ３で輝度を算出する。
【００５０】
また、ステップＳ８の失火判定の後に、ステップＳ１２において燃料遮断弁１８の閉止指令を出すことにも特徴がある。この燃料遮断弁１８を閉止する指令は、燃料がボイラ内に充満することを未然に防止するため、失火判定とほぼ同時に出される。
【実施例】
【００５１】
パームステアリンと石油（Ｃ重油）との混合燃料、あるいはパームステアリン単体に関して、燃料炉を用いて燃焼試験を行った。
【００５２】
燃焼炉は、単一バーナー炉（横置き円筒型、水冷二重鋼板構造）を用いた。パームステアリン混焼の際には、石油とパームステアリンを予めタンク内で混合し、燃焼炉へ供給した。
【００５３】
燃料混合比の条件は、以下のとおり３ケース設定した。その他の条件は、３ケースとも共通とした。なお、燃料混合比は、パームステアリンのカロリーベースの混合比として整理した。
【００５４】
ケース（ａ）Ｃ重油専焼（燃料混合比0cal %)
ケース（ｂ）パームステアリン混合比26cal %（燃料混合比26cal %)
ケース（ｃ）パームステアリン専焼（燃料混合比100cal %)
図７に、ケースａからケースｃの燃料の燃焼状態を表す写真を示す。図中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は上記ケース（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ対応している。３ケースの燃焼状態を比較すると、火炎の明るさおよび形状が変化していることが分かる。特にケース（ｃ）のパームステアリン専焼時は、燃焼状態がよく、揮炎がほとんど形成されないガス焚に近い燃焼状態であった。
【００５５】
なお、火炎長を測定したところ、ケース（ａ）、ケース（ｂ）は7.5〜8.0mであったのに対し、ケースｃは7.5mであり、パームステアリン専焼時の方が若干火炎長が短くなっていた。
【符号の説明】
【００５６】
１…火炎検知システム、２…石油、３…パームステアリン、４…バーナー、５…  石油ボイラ、…６…火炎、１１…混合比測定装置、１２…カメラ、１３…記憶装置、１４…演算装置、１５…輝度算出手段、１６…火炎判定手段、１７…出力装置、１８…燃料遮断弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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