(57)【要約】【課題】燃焼炉内の燃焼ガスが均一に緩和されていない系におけるガス濃度分布及び温度分布を精度よく分析する。【解決手段】ガス分析装置は、燃焼炉内の燃焼ガスに含まれる同一成分の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収波長を含むレーザ光の吸収量を複数の計測パス上で測定する測定部と、基準ガス濃度分布及び基準温度分布を設定する基準設定部と、実測された吸収量と基準吸収量との偏差が最小となるように、ガス濃度分布及び温度分布を変数として含む二次元分布関数を解くことにより、ガス濃度分布及び温度分布を求める解析部と、を備える。【選択図】図３
2016186464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炉内の燃焼ガスの濃度分布及び温度分布を分析するガス分析装置であって、
前記燃焼ガスに含まれる同一成分の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収波長を含むレーザ光を、前記燃焼ガスを通過するように設けられた複数の計測パス上で照射することにより前記レーザ光の吸収量を測定する測定部と、
前記測定部の計測結果に基づいて基準ガス濃度分布及び基準温度分布を設定する基準設定部と、
前記計測部で計測された吸収量と、前記基準ガス濃度分布及び前記基準温度分布に基づいて求められる基準吸収量との偏差が最小となるように、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を変数として含む関数を解くことにより、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を求める解析部と、
を備えることを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】
前記関数は、前記燃焼炉の形状に対応するように設定されることを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記関数は、円柱座標系に対し、中心軸位置、座標の楕円化率、周方向分布項の少なくとも１をパラメータとして含むように設定されることを特徴とする請求項２に記載のガス分析装置。
【請求項４】
前記基準設定部は、前記複数の計測パスにおける前記レーザ光に含まれる異なる電子準位遷移に対応する波長における吸収量の比に基づいて求められた前記燃焼ガスの平均温度に基づいて、前記基準濃度分布及び前記基準温度分布を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記同一成分はＨ２Ｏであることを特徴とする請求項４に記載のガス分析装置。
【請求項６】
前記燃焼炉に燃料を供給するように構成された燃料供給手段と、
前記燃焼炉に空気を供給するように構成された空気供給手段と、
請求項１から５のいずれか１項に記載のガス分析装置と、
前記ガス分析装置によって分析された前記ガス濃度分布及び前記温度分布に基づいて、前記燃料供給手段及び前記空気供給手段を調整することにより、前記燃焼炉への前記燃料及び前記空気の供給量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃焼設備の制御システム。
【請求項７】
前記燃焼炉に燃料を供給するように構成された燃料供給手段と、
前記燃焼炉に空気を供給するように構成された空気供給手段と、
請求項１から５のいずれか１項に記載のガス分析装置と、
前記ガス分析装置によって分析された前記ガス濃度分布及び前記温度分布を表示するように構成された表示手段と、
を備えることを特徴とする燃焼設備の制御支援システム。
【請求項８】
燃焼炉内の燃焼ガスの濃度分布及び温度分布を分析するガス分析方法であって、
前記燃焼ガスに含まれる同一成分の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収は超を含むレーザ光を、前記燃焼ガスを通過するように設けられた複数の計測パス上で照射することにより前記レーザ光の吸収量を測定する測定工程と、
前記測定工程の計測結果に基づいて基準ガス濃度分布及び基準温度分布を設定する基準設定工程と、
前記計測工程で計測された吸収量と、前記基準ガス濃度分布及び前記基準温度分布に基づいて求められる基準吸収量との偏差が最小となるように、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を変数として含む関数を解くことにより、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を求める解析工程と、
を備えることを特徴とするガス分析工程。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼炉内のガス濃度分布及び温度分布を分析するガス分析装置、該ガス分析装置を備える燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、該ガス分析装置によって実施されるガス分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を燃焼させるボイラやゴミを燃焼させるゴミ焼却炉のような燃焼設備では、燃焼炉内で物質が燃焼されることで高温の燃焼空気（ガス）が生成される。燃焼設備では、燃焼状態を最適化又はモニタリングするために、燃焼炉内におけるガス濃度分布や温度分布を計測することが望まれている。このような燃焼炉内のガス濃度分布や温度分布は、一般的にガス濃度や温度が不均一であり、燃焼炉の規模が比較的小さい場合には、燃焼炉内のいくつかのポイントで実測することで、ある程度の精度で把握可能であるが、燃焼炉の規模が大きくなると計測手法は限られる。この種の計測手法の一つとして、燃焼炉に設けられた複数のレーザポートから燃焼炉内の燃焼空気を通過するようにレーザ光が照射される複数の計測パスにおいて、レーザ光の吸収量の積算値をコンピュータのような演算処理装置で解析することにより、ガス濃度及び温度を二次元分布として算出することが知られている。
【０００３】
このような手法では、レーザ照射が行われる計測パス毎に解析パラメータが設定される。そのため解析精度を向上するためには、レーザポート数を十分多く設けることが必要である。しかしながら、ボイラのような実際の燃焼設備では、燃焼炉の内壁には燃焼炉内の燃焼空気によって加熱される液体（冷却水）が流れる配管が敷設されているため、設置可能なレーザポートの数が限られている。
【０００４】
このような問題に対する解決策の一つが特許文献１に開示されている。特許文献１では、レーザ計測される燃焼炉内の二次元空間をメッシュ分割し、各メッシュにおけるレーザ吸収量に基づいてガス濃度値を算出する。そして、各メッシュにおけるガス濃度の分布が連続的なガウシアンプロセス（ＧＰ:Ｇａｕｓｓｉａｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）であるとの仮定のもと、ベイジアン手法で解を探索することでガス濃度分布を求めることが開示されている。このように特許文献１では、連続性条件を満たすことを条件とすることで、解析パラメータ数が比較的少ない場合であっても信頼性のある解析結果を得られるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５２２９３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のようなレーザ光を用いた濃度計測は、燃焼空気に含まれる成分に対応する電子準位遷移に依存する吸収量に基づくものであるが、このようなレーザ吸収量は濃度だけでなく燃焼空気の温度にも依存する特性を有する。特許文献１では、レーザ吸収量に基づいて求められる濃度分布に連続性条件を課すことによって実際に近い濃度分布を求められるとしている。しかしながら、レーザ吸収量から濃度を導き出す過程において、レーザ吸収量の温度依存性が加味されておらず、十分な解析精度を実現できないおそれがある。
【０００７】
本発明の少なくとも１実施形態は上述の問題点に鑑みたものであり、燃焼炉内の燃焼ガスが均一に緩和されていない系におけるガス濃度分布及び温度分布を精度よく分析可能なガス分析装置、燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、ガス分析方法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】
【０００８】
（１）本発明の少なくとも１実施形態に係るガス分析装置は上記課題を解決するために、燃焼炉内の燃焼ガスの濃度分布及び温度分布を分析するガス分析装置であって、前記燃焼ガスに含まれる同一成分の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収波長を含むレーザ光を、前記燃焼ガスを通過するように設けられた複数の計測パス上で照射することにより前記レーザ光の吸収量を測定する測定部と、前記測定部の計測結果に基づいて基準ガス濃度分布及び基準温度分布を設定する基準設定部と、前記計測部で計測された吸収量と、前記基準ガス濃度分布及び前記基準温度分布に基づいて求められる基準吸収量との偏差が最小となるように、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を変数として含む関数を解くことにより、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を求める解析部と、を備える。
【０００９】
上記（１）の構成によれば、燃焼空気を通過する複数の計測パスにおけるレーザ光の吸収量に基づいてガス濃度分布及び温度分布を求める際に、基準設定部で設定された基準分布から求められる基準吸収量と計測部で計測された吸収量との偏差が最小になるように、ガス濃度分布及び温度分布を変数として含む関数を数値解析的に解くことによりガス濃度分布及び温度分布を求める。このような関数は濃度分布及び温度分布を共通の変数として含むため、濃度及び温度間に相関関係があるという実現象的背景を反映することができ、より実際の分布に近い解析解が得えられると共に、ガス濃度と温度が吸収量に与える影響の切り分けが可能になる（例えば温度上昇による吸収量減少と、ガス濃度低下による吸収量減少の切り分けることができる)。このように本実施形態によれば、燃焼炉に設置可能なレーザポート数が限られている状況下においても、レーザ光の吸収量の温度依存性が加味された、より実際の系に近いガス濃度分布及び温度分布を効率的に求めることができる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記関数は前記燃焼炉の形状に対応するように設定される。
【００１１】
上記（２）の構成によれば、分析対象である燃焼ガスのある燃焼炉の形状に応じた関数を採用することにより、解析時に関数を解く際により実際に近い解を効率的に探索できる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記関数は、円柱座標系に対し、中心軸位置、座標の楕円化率、周方向分布項の少なくとも１をパラメータとして含むように設定される。
【００１３】
上記（３）の構成によれば、これらのパラメータによって燃焼炉の形状を規定することで、より少ないパラメータ数でガス濃度分布及び温度分布を表現することができる。これにより、関数を解く際の演算負担が軽減されると共に、実際の系に近い解を効率的に探索することができる。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）のいずれか１構成において、前記基準設定部は、前記複数の計測パスにおける前記レーザ光に含まれる異なる電子準位遷移に対応する波長における吸収量の比に基づいて求められた前記燃焼ガスの平均温度に基づいて、前記基準濃度分布及び前記基準温度分布を設定する。
【００１５】
上記（４）の構成によれば、複数の計測パスにおけるレーザ吸収量に基づいて燃焼炉内の平均温度を算出し、当該平均温度に基づいて基準濃度分布及び基準温度分布を設定する。このように設定された基準濃度分布及び基準温度分布は、関数を数値解析的に解く際に、最終的な解を効率的に探索するのに適切な初期値となる。例えば、基準温度分布は、燃焼炉内の温度分布が上記求めた平均温度で緩和している状態であると設定してもよいし、収束解析演算においてマルカート法等を用いる場合には当該分布に勾配を付加するように設定してもよい。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、前記同一成分はＨ２Ｏである。
【００１７】
上記（５）の構成によれば、Ｈ２Ｏは例えばＯ２、ＣＯ２等に比べて隣り合う２つの電子準位遷移に対応する吸収波長域が比較的近い範囲に存在する。そのため、例えば波長走査型のレーザダイオードの駆動電流を制御することでレーザ光の波長を走査する場合に、単一のレーザダイオードの走査範囲内で隣り合う２つの電子準位遷移をカバーすることができるため、装置構成を単純にすることができる。
【００１８】
（６）本発明の少なくとも１実施形態にかかる燃焼設備の制御システムは上記課題を解決するために、前記燃焼炉に燃料を供給するように構成された燃料供給手段と、前記燃焼炉に空気を供給するように構成された空気供給手段と、上記（１）から（５）のいずれか１構成のガス分析装置と、前記ガス分析装置によって分析された前記ガス濃度分布及び前記温度分布に基づいて、前記燃料供給手段及び前記空気供給手段を調整することにより、前記燃焼炉への前記燃料及び前記空気の供給量を制御する制御手段と、を備える。
【００１９】
上記（６）の構成によれば、燃焼炉におけるガス分析によって得られたガス濃度分布及び温度分布に基づいて燃料供給手段及び空気供給手段を調整することにより、燃焼炉への燃料及び空気の供給量を制御できる。これにより、燃焼炉における燃焼ガスの温度アンバランスや酸素供給の過多・不足を解消した最適な運転を実現し、発電端効率の向上や、O2過多によるＮＯx生成の増加を抑えることができる。
【００２０】
（７）本発明の少なくとも１実施形態にかかる燃焼設備の制御支援システムは上記課題を解決するために、前記燃焼炉に燃料を供給するように構成された燃料供給手段と、前記燃焼炉に空気を供給するように構成された空気供給手段と、請求項１から５のいずれか１項に記載のガス分析装置と、前記ガス分析装置によって分析された前記ガス濃度分布及び前記温度分布を表示するように構成された表示手段と、を備える。
【００２１】
上記（７）の構成によれば、上記ガス分析装置の分析結果をディスプレイのような表示手段に表示して可視化することで、燃焼設備のオペレータが燃焼炉内の燃焼状態を容易に把握可能とすることで、オペレータによる燃料状態の調整作業を効率化することができる。
【００２２】
（８）本発明の少なくとも１実施形態にかかるガス分析方法は上記課題を解決するために、燃焼炉内の燃焼ガスの濃度分布及び温度分布を分析するガス分析方法であって、前記燃焼ガスに含まれる同一成分の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収は超を含むレーザ光を、前記燃焼ガスを通過するように設けられた複数の計測パス上で照射することにより前記レーザ光の吸収量を測定する測定工程と、前記測定工程の計測結果に基づいて基準ガス濃度分布及び基準温度分布を設定する基準設定工程と、前記計測工程で計測された吸収量と、前記基準ガス濃度分布及び前記基準温度分布に基づいて求められる基準吸収量との偏差が最小となるように、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を変数として含む関数を解くことにより、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を求める解析工程と、を備える。
【００２３】
上記（８）の方法は、上述のガス分析装置（上記各種構成を含む）により好適に実施可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の少なくとも１実施形態によれば、燃焼炉内の燃焼ガスが均一に緩和されていない系におけるガス濃度分布及び温度分布を精度よく分析可能なガス分析装置、燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、ガス分析方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の少なくとも１実施形態に係るガス分析装置を備える燃焼設備の構成を示す模式図である。
【図２】図１の燃焼炉の各領域を説明するための模式図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【図４】図１の赤外線計測解析ユニットの構成を示すブロック図である。
【図５】図４の赤外線計測解析ユニットによって実施されるガス分析方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図６】計測レーザ受光系で測定される吸収スペクトルの一例である。
【図７】図４の赤外線計測解析ユニットによって実施される配分制御手段の制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【図８】図８は本発明の他の実施形態に係る燃焼装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２７】
まず図１乃至図３を参照して、本発明の少なくとも１実施形態に係るガス分析装置を備える燃焼設備１の全体構成について説明する。 図１は本発明の少なくとも１実施形態に係るガス分析装置を備える燃焼設備１の構成を示す模式図であり、図２は図１の燃焼炉の各領域を説明するための模式図であり、図３は図１のＡ−Ａ線の断面図である。
【００２８】
燃焼設備１は、燃料を燃焼させる燃焼炉２と、該燃焼炉２で生成された燃焼空気を案内する煙道４と、燃焼空気から熱エネルギを取得する再熱器ユニット６と、燃焼炉２内への燃料及び空気の供給を調整することで燃焼炉２内における燃焼状態を制御する燃焼制御装置８と、燃焼炉２内の燃焼空気（ガス）を分析するガス分析装置１０と、を備える。
【００２９】
燃焼炉２は、耐熱性材料が用いられた壁面で略箱形状に囲まれるように構成される。燃焼炉２では、後述する燃焼制御装置８から供給される燃料及び空気が燃焼されることで高温の燃焼空気が生成される。燃焼炉２は鉛直方向上側が開放されており、当該開放された箇所が煙道４に接続されている。燃焼炉２で生成された高温の燃焼空気は、煙道４に案内されるように流路を形成する。
【００３０】
再熱器ユニット６は複数の再熱器から構成されており、燃焼炉２及び煙道４における燃焼空気の流路上に配置されている。再熱器は内部に液体又は気体が封入された管状の部材からなる。再熱器に封入されている液体又は気体は、高温の燃焼空気と熱交換することにより熱エネルギを取得し、蒸気となる。この蒸気は再加熱ユニット６から所定の経路を通り、不図示のタービンを回転駆動させることで、熱エネルギを電気エネルギ又は機械的エネルギに変換して出力可能に構成されている。
このように燃焼設備１は発電機、駆動機として機能するが、このような用途に限定されず、例えば、再熱器ユニット６で取得した熱エネルギにより任意の物質を加熱する加熱機として用いられてもよい。
【００３１】
燃焼制御装置８は、燃焼炉２内に供給される燃料及び空気を調整することにより、燃焼炉２内における燃焼状態を制御する。燃焼制御装置８は、燃焼炉２にそれぞれ燃料及び空気を供給する燃料供給手段１２及び空気供給手段１４を備える。
【００３２】
燃料供給手段１２は、燃料を燃焼させる微粉炭バーナ（以下、適宜「バーナ」と称する）１６と、燃料である微粉炭を供給する微粉炭供給部１８と、燃料を搬送するための送風を発生させる送風機２０と、燃料の流量を調整するための流量調整弁２２と、これらを互いに接続する配管２４と、を備える。
微粉炭供給部１８は燃料を配管２４に供給するように構成された機構である。配管２４に供給された微粉炭は送風機２０によって配管２４中を搬送され、流量調整弁２２を介して空気供給手段１４の主配管３２から導入された空気と混合された後、バーナ１８に供給される。バーナ１８は、噴射口が燃焼炉２の内側に露出するように設置された燃焼機であり、配管２４を介して供給された燃料を噴射し、燃焼炉２内で燃焼させる。
【００３３】
尚、バーナ１８は、燃焼炉２内の複数箇所に配置されており、好ましくは各バーナ１８から噴射される空気により燃焼炉２内に渦状の空気の流れができるようにレイアウトされるとよい。
尚、微粉炭供給部２２は、石炭を粉砕して微粉炭を生成し、該生成した微粉炭を配管２０に供給する機構であってもよいし、予め生成された微粉炭を貯留しておき、該貯留された微粉炭を配管２０に供給する機構であってもよい。
【００３４】
空気供給手段１４は、燃焼炉２に一次空気及び二次空気をそれぞれ供給する一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８と、上述の燃料供給部１２と共に一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８に空気を送るブロア又はファンである送風機３０と、これらを接続する主配管３２とを備える。
一次空気供給ユニット２６は、吹出口３４が燃焼炉２に露出するように配置された第１配管３６と、該第１配管３６における空気の流量を調整に構成された流量調整弁３８と、を備える。第１配管３６は、流量調整弁３８を介して主配管３２に接続されており、送風機３０によって主配管３２に取り込まれた空気を吹出口３４に導入可能に構成されている。吹出口３４は、燃焼炉２内の燃焼空気の流路のうち、バーナ１６より下流側に設けられている。流量調整弁３８は、主配管３２と第１配管３６との接続部に配置されており、主配管３２から第１配管３６に供給される空気の量を調整する。
【００３５】
二次空気供給ユニット２８は、吹出口４０が燃焼炉２に露出するように配置された第２配管４２と、該第２配管４２における空気の流量を調整可能に構成された流量調整弁４４と、を備える。第２配管４２は、流量調整弁４４を介して主配管３２に接続されており、送風機３０によって主配管３２に取り込まれた空気を吹出口４０に導入可能に構成されている。吹出口４０は、燃焼炉２内の燃焼空気の流路のうち、吹出口３４より下流側に設けられている。流量調整弁４４は、主配管３２と第２配管４２との接続部に配置されており、主配管３２から第２配管４２に供給される空気の量を調整する。
【００３６】
配分制御手段４６は、流量調整弁２２，３８，４４の開度を調整することにより、送風機３０によって取り込まれた空気を燃料供給手段１２、一次空気供給ユニット２６及び二次空気供給ユニット２８に対して所定比率で振り分ける。本実施形態では、配分制御手段４６は制御室に設置された赤外線計測解析ユニットからの制御信号に基づいて自動的に制御されるように構成されている。
【００３７】
上記構成によって燃焼炉２の内部には、図２に示されるように、上流側から下流側に向けて、バーナ燃焼域４８、未燃燃料存在還元域５０、燃焼完結域５２の領域が形成される。ここで、バーナ燃焼域４８は、バーナ１６から噴射される燃料が燃焼される領域であり、吹出口３４より上流までの領域である。未燃燃料存在還元域５０は、吹出口３４及び吹出口４０から空気が供給されることにより、未反応の燃料と吹出口３４及び吹出口４０から供給された空気とが反応する領域であり、吹出口３４及び吹出口４０間の領域、つまり、二次空気が供給される領域である。燃焼完結域５２は、残っている燃料と空気とが反応する領域であり、吹出口４０より下流側から、燃焼炉２及び煙道４の接続部までの領域である。
【００３８】
再び図１に戻って、ガス分析装置１０は、燃焼炉２の燃焼空気に計測用に照射されるレーザ光を制御する計測レーザ制御部５４と、該照射されたレーザ光を受光することにより計測結果を解析するとともに解析結果に基づいて配分制御手段４６を制御する赤外線計測解析ユニット５６と、該解析結果を表示する二次元計測結果表示部５８と、を備える。
【００３９】
計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２は、計測レーザ送光系６０から照射されたレーザ光が、燃焼炉２内の燃焼空気を通過した後、計測レーザ受光系６２にて受光されるように、燃焼炉２の互いに対向する位置に設置されている。本実施形態では特に、計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２が吹出口４０より下流側に略水平方向に沿った二次元平面上に設けられることにより、燃焼完結域５２にある燃焼空気を分析可能に構成されている。
【００４０】
計測レーザ送光系６０には、赤外線領域の波長帯を有するレーザ光を発信可能なレーザダイオードが含まれる。当該レーザダイオードは、駆動電流によって出力されるレーザ光の波長を調整可能な波長走査型のレーザダイオードであり、計測レーザ制御装置５４からの指令に基づいて波長スイープ可能に構成されている。ここで計測レーザ送光系６０の波長走査範囲は、燃焼空気に含まれる同一ガス種の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する波長が含まれるように選択される。本実施形態では特に、燃焼空気に含まれるガスの一種であるＨ２Ｏ２つの電子準位遷移に対応する波長が含まれるようにレーザダイオードが選択されている。これは、Ｈ２Ｏが同じく燃焼空気に含まれるＯ２、ＣＯ２等に比べて、隣り合う２つの電子準位遷移に対応する波長域が比較的近い範囲に存在するためである。
【００４１】
ここで図３に示されるように、計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２は、燃焼炉２に複数設けられている。燃焼炉２は鉛直方向上方から見て、略矩形状の二次元断面を有する。本実施形態では、計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２は、当該二次元断面において、互いに対向する辺上に設けられている。このような計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２のペアは、互いの計測パスが垂直に交差するように紙面上において垂直方向と水平方向とに沿って、それぞれｎ（ｎは２以上の自然数）個設けられている。すなわち、本実施形態では、合計で２ｎ個の計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２のペアが設けられている。そして、このように配置された計測レーザ送光系６０及び計測レーザ受光系６２によって、合計２ｎ本の計測パスＰが形成されている。
【００４２】
赤外線計測解析ユニット５６は、計測レーザ受光系６２における計測結果を取得し、当該計測結果に基づいて二次元解分析手法（トモグラフィ）を利用したガス分析を実施する。ここで図４乃至図７を参照して、当該ガス分析の具体的に方法を工程毎に説明する。図４は図１の赤外線計測解析ユニット５６の構成を示すブロック図であり、図５は図４の赤外線計測解析ユニット５６によって実施されるガス分析方法を工程毎に示すフローチャートであり、図６は計測レーザ受光系６２で測定される吸収スペクトルの一例であり、図７は図４の赤外線計測解析ユニット５６によって実施される配分制御手段４６の制御方法を工程毎に示すフローチャートである。
【００４３】
図４に示されるように、赤外線計測解析ユニット５６は、計測レーザ受光系６２の計測結果を取得する計測部６４と、基準ガス濃度分布及び基準温度分布を二次元分布関数として設定する基準設定部６６と、前記吸収量と前記基準吸収量との偏差が最小となるように、前記ガス濃度分布及び前記温度分布を収束計算により求める解析部６８とを備える。
【００４４】
まず基準設定部６６は、計測部６４によって取得された計測結果に基づいて基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒを設定する（ステップＳ１０１）。基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒは、解析部６８で実施される解析において、ガス濃度分布Ｄｃ及び温度分布Ｄｔを変数として収束演算する際の初期値として機能するものである。
【００４５】
ここで基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒは、計測レーザ送光系６０によって燃焼空気に含まれる同一ガス種の少なくとも２つの電子準位遷移に対応する吸収波長を含むレーザ光を燃焼空気に照射し、計測レーザ受光系６２で計測される吸収量（吸収スペクトル）に基づいて設定される。図６には、計測レーザ受光系６２で計測された吸収スペクトルの一例が示されており、燃焼空気の温度がＴ１、Ｔ２、Ｔ３（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）の３パターンが表されている。このスペクトルには、燃焼空気に含まれるＨ２Ｏの隣り合う２つの電子準位遷移に対応する波長域において吸収スペクトルＳ１及びＳ２が現れている。Ｓ１は第１準位遷移に対応する吸収スペクトルであり、Ｓ２は第２準位に対応する吸収スペクトルである。
【００４６】
ここで吸収スペクトルＳ２に対するＳ１のピーク比は、燃焼空気の温度に依存して変化する性質を有する。すなわち、吸収スペクトルＳ２に対するＳ１のピーク比と燃焼空気の温度との相関を予め特定しておくことで、実測値に基づく吸収スペクトルＳ２に対するＳ１のピーク比に対応する燃焼空気の温度を求めることができる。このようにして求められる燃焼空気の温度は、当該吸収スペクトル測定が行われた計測パス上における平均温度に相当する。基準設定部６６は、このようなピーク比の温度依存性を利用して、各計測パスＰで計測される吸収波長スペクトルＳ１及びＳ２に基づいて各計測パスにおける平均温度を求める。そして、各計測パスにおける平均温度を更に平均化することにより、燃焼炉２における燃焼空気の平均温度を算出する。そして、基準設定部６６は、複数の計測パスＰが存在する平面上が、このように算出された平均温度で一定である温度分布として、基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒを設定する。
【００４７】
再び図５に戻って、続いて解析部６８は、以下の解析を行う際に制御上用いられるインクリメント変数ｋを用意し、その初期値を「１」に設定する（ステップＳ１０２）。そして計測レーザ制御装置５４は、計測レーザ送光系６０に対して指令を送ることで、燃焼空気に対してレーザ光を照射する（ステップＳ１０３）。一方で、計測レーザ受光系６２は計測レーザ送光系６０からのレーザ光を受信し、赤外線計測解析ユニット５６によりその計測結果から複数の計測パスにおける吸収スペクトルＳを求める（ステップＳ１０４）。
尚、以下の説明において、２ｎ本の計測パスＰに対応する吸収スペクトルＳを個別に示す場合には、それぞれ「Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ２ｎ」で示すこととする。
【００４８】
解析部６８は、複数の計測パスに対応する吸収スペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３、・・・Ｓ２ｎに基づいて、二次元分布であるガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋを再構成することにより推定する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５の推定演算では、解析部６８はガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋをそれぞれ共通する変数パラメータとして含む関数として規定する。当該関数は、解析対象となる燃焼空気が存在する燃焼炉２の形状に対応するように、例えば一般的な円柱座標系 (例えば径方向の低次のフーリエ級数展開や、ガウシアン分布など)を基本とし、これに円柱座標系の中心軸位置、座標の楕円化率、周方向分布項をパラメータとして含む二次元分布関数を適宜用いることによって設定される。
【００４９】
本実施形態では特に、ガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋに相関があることに鑑み、少なくとも円柱座標系の中心軸位置、座標の楕円化率のパラメータをガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋを示す関数が共有するように関数が設定される。これにより、ガス濃度分布を算出される際に燃焼空気の温度分布による影響が加味され、より実際の分布に近い解析結果を得ることができる。以下は、このような技術的思想から導き出される関数の一例である。
2016186464.tif 000003
ここで（１）式において、ｘはガス濃度分布Ｄｃｋであり、ｙは温度分布Ｄｔｋであり、
2016186464.tif 000004
である。また（１）式における各パラメータは、Ａ：物理量中心値 、Ｂ及びＣ：径方向分布係数、Ｄｋ及びＥｋ：周方向分布係数  、ｗｉｄｘ及びｗｉｄｙ：座標の楕円化率  、ｘｃ及びｙｃ：円柱座標系の中心軸位置である。
尚、繰り返し計算では例えばマルカート法を用いて、取得した吸収スペクトルSと、解析上の吸収スペクトルSrとの偏差が小さくなるように各パラメータ（Ａ,Ｂｉ,Ｃｉ,Ｄｋ,Ｅｋ,ｗｉｄｘ,ｗｉｄｙ,ｘｃ,ｙｃ）の更新を行う。
【００５０】
続いてステップＳ１０１で設定された基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒに基づいて複数の計測パスにおける基準吸収スペクトルＳｒを求め（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０４で取得した吸収スペクトルＳとの偏差Δｋを次式
Δｋ＝｜Ｓ−Ｓｒ｜
により求める（ステップＳ１０７）。
【００５１】
続いて解析部６８は、ステップＳ１０７で求められたΔｋがΔｋ−１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ΔｋがΔｋ−１未満である場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、前回制御ループに比べて偏差が縮小しているため、ステップＳ１０５で推定されたガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋを基準ガス濃度分布Ｄｃｒ及び基準温度分布Ｄｔｒとして更新する（ステップＳ１０９）。そして、インクリメント変数を加算し（ステップＳ１１０）、処理をステップＳ１０７に戻す。
【００５２】
ステップＳ１０７〜Ｓ１１０の処理が繰り返された結果、ΔｋがΔｋ−１以上となると（ステップＳ１０８：ＮＯ）、解析部６８は解が収束したと判断し、ステップＳ１０５で推定されたガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋを解析結果として出力する（ステップＳ１１１）。このように本実施形態では、ガス濃度の二次元分布を算出する際、ガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋを同時に変数として扱い、偏差Δｋが最小になるように解が探索される。
【００５３】
このように導き出された解であるガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋは、解析結果として配分制御手段４６及び二次元計測結果表示部５８に送信される。配分制御手段４６は、ガス分析装置１０によって分析されたガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋに基づいて、流量調整弁２２，３８，４４を調整することにより、燃料供給手段１２、一次空気供給ユニット２６、二次空気供給ユニット２８を制御する。
【００５４】
ここで図７を参照して、配分制御手段４６の制御例について具体的に説明する。この例では、ガス濃度分布Ｄｃｋとして燃焼空気に含まれるＯ２及びＣＯ２の濃度分布が分析結果として得られる場合について説明する。
【００５５】
まず配分制御手段４６は、ガス濃度分布Ｄｃｋに基づいて、燃焼炉２におけるＯ２濃度の総量が上限目標値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。Ｏ２濃度の総量が上限目標値より大きい場合（ステップＳ２０１：ＮＯ）、配分制御手段４６は、一次空気及び二次空気の総量を低下させるようにバーナ１６、流量調整弁２２、３８、４４を制御する（ステップＳ２０２）。
一方、Ｏ２濃度の総量が上限目標値以下である場合（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、配分制御手段４６は更に、ＣＯ２濃度の総量が上限目標値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。ＣＯ２濃度の総量が上限目標値より大きい場合（ステップＳ２０３：ＮＯ）、一次空気及び二次空気の総量を低下させるようにバーナ１６、流量調整弁２２、３８、４４を制御する（ステップＳ２０４）。
【００５６】
一方、ＣＯ２濃度の総量が上限目標値以下である場合（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、配分制御手段４６は、ガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋにおける偏りに基づいてバーナ１６、流量調整弁２２、３８、４４のバランスをフィードバック制御する（ステップＳ２０４）。このようなフィードバック制御中には、燃焼設備１が停止しているか否かが判定される（ステップＳ２０５）。燃焼設備１が稼働中である場合には（ステップＳ２０５：ＮＯ）、処理をステップＳ２０１に戻し、上記制御を繰り返す。一方、燃焼設備１が停止した場合（ステップＳ２０５：ＹＥＳ）、一連の処理は終了される（ＥＮＤ）。
【００５７】
このように配分制御手段４６は、燃焼炉２への燃料、一次空気及び二次空気の供給量を制御することにより、燃焼炉２における温度アンバランスや酸素供給の過多・不足を解消した最適な運転を実現し、発電端効率の向上や、Ｏ２過多によるＮＯｘ生成の増加を抑制できる。また二次元計測結果表示部５８では、ガス濃度分布Ｄｃｋ及び温度分布Ｄｔｋは、例えばディスプレイのような表示手段によってオペレータに対して可視化されることにより、燃焼炉２における燃焼状態の監視を容易にする。
【００５８】
図８は本発明の他の実施形態に係る燃焼装置１の構成を示す模式図である。本実施形態は、制御室にオペレータが操作可能な制御盤７０が設けられている。制御盤７０は、入力された操作内容に応じた制御信号を配分制御手段４６に送信することにより、配分制御手段４６を操作する。ここで、制御盤７０から配分制御手段４６に送信される制御信号は、図１において赤外線計測解析ユニット５６が配分制御手段４６に送信する制御信号と同等であり、燃料供給手段１２、一次空気供給ユニット２６、二次空気供給ユニット２８を制御する。すなわち、本実施形態では、オペレータが制御盤７０を操作することにより、配分制御手段４６をマニュアル手動して燃焼状態を調整可能に構成されている。
【００５９】
制御室内には、赤外線計測解析ユニット５６における解析結果が表示される二次元計測結果表示部５８が設けられている。二次元計測結果表示部５８は例えばディスプレイのような表示手段に解析結果を、制御室内にいるオペレータに対して可視化する手段である。
制御盤７０のオペレータは、例えばディスプレイのような表示手段である二次元計測結果表示部５８に表示された解析結果を参照することにより、燃焼炉２内の燃焼状態を把握し、その結果に応じて制御盤７０を操作する。このように本実施形態では、オペレータが燃焼炉２の燃焼状態を容易に把握しながら効率的に作業を行うことができる。
【００６０】
以上説明したように本実施形態によれば、燃焼炉内の燃焼ガスが均一に緩和されていない系におけるガス濃度分布及び温度分布を精度よく分析可能なガス分析装置、燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、ガス分析方法を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本開示は、燃焼炉内のガス濃度分布及び温度分布を分析するガス分析装置、該ガス分析装置を備える燃焼設備の制御システム及び制御支援システム、並びに、該ガス分析装置によって実施されるガス分析方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃焼設備
２  燃焼炉
４  煙道
６  再熱器ユニット
８  燃焼制御装置
１０  ガス分析装置
１２  燃料供給手段
１４  空気供給手段
１６  微粉炭バーナ
１８  微粉炭供給部
２０，３０  送風機
２２，３８，４４  流量調整弁
２４  配管
２６  一次空気供給ユニット
２８  二次空気供給ユニット
３２  主配管
３４，４０  吹出口
３６  第１配管
４２  第２配管
４６  配分制御手段
４８  バーナ燃焼域
５０  未燃燃料存在還元域
５２  燃焼完結域
５４  計測レーザ制御部
５６  赤外線計測解析ユニット
５８  二次元計測結果表示部
６０  計測レーザ送光系
６２  計測レーザ受光系
６４  計測部
６６  基準設定部
６８  解析部
７０  制御盤
【図１】
2016186464.tif 000005
【図２】
2016186464.tif 000006
【図３】
2016186464.tif 000007
【図４】
2016186464.tif 000008
【図５】
2016186464.tif 000009
【図６】
2016186464.tif 000010
【図７】
2016186464.tif 000011
【図８】
2016186464.tif 000012