(57)【要約】【課題】メンテナンスの頻度を低減しつつ、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測できる燃焼場計測方法、ボイラーの運転方法、燃焼場計測装置、および、ボイラーを提供する。【解決手段】燃焼場計測方法は、水蒸気を含む複数のガスが混合された混合ガスにマイクロ波を照射した際に前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を取得する周波数帯域取得工程と、前記マイクロ波を前記混合ガスに照射して受信するマイクロ波照射受信工程と、受信した前記マイクロ波に基づいて、前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域の前記マイクロ波の減衰率を検出する減衰率検出工程と、予め求めた前記マイクロ波の水蒸気による減衰率と前記混合ガスの温度との相関関係に基づいて、検出された前記減衰率から前記混合ガスの温度を取得する温度取得工程と、を含む。【選択図】図３
2017150754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含む複数のガスが混合された混合ガスにマイクロ波を照射した際に前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を取得する周波数帯域取得工程と、
前記マイクロ波を前記混合ガスに照射して受信するマイクロ波照射受信工程と、
受信した前記マイクロ波に基づいて、前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域の前記マイクロ波の減衰率を検出する減衰率検出工程と、
予め求めた前記マイクロ波の水蒸気による減衰率と前記混合ガスの温度との相関関係に基づいて、検出された前記減衰率から前記混合ガスの温度を取得する温度取得工程と、
を含む燃焼場計測方法。
【請求項２】
前記周波数帯域取得工程は、
前記水蒸気による前記マイクロ波の吸収特性と、水蒸気を含む複数のガスが混合された前記混合ガスによる前記マイクロ波の吸収特性と、を比較して、この比較結果に基づいて、前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を複数取得し、
前記減衰率検出工程は、
前記周波数帯域取得工程によって取得された前記複数の周波数帯域における前記マイクロ波の減衰率をそれぞれ検出し、
前記温度取得工程は、
前記減衰率検出工程で検出された異なる周波数帯域の減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得する請求項１に記載の燃焼場計測方法。
【請求項３】
前記温度取得工程は、
前記減衰率検出工程によって検出された複数の前記減衰率のうち、最も大きい減衰率とその次に大きい減衰率との二つの減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得する請求項２に記載の燃焼場計測方法。
【請求項４】
前記マイクロ波照射受信工程は、
受信した前記マイクロ波のうち、前記マイクロ波を直接受信した直接信号のみを取り出す周波数フィルタリング工程を含む請求項１から３の何れか一項に記載の燃焼場計測方法。
【請求項５】
前記マイクロ波照射受信工程は、
混合ガスを横切る複数の計測パスを有し、
前記減衰率検出工程は、
前記マイクロ波照射受信工程によって受信した複数の受信信号それぞれに対する前記減衰率を検出し、
前記温度取得工程は、
前記減衰率検出工程により検出された複数の前記減衰率に基づいて、コンピュータートモグラフィーにより前記混合ガスの温度の２次元分布を取得する請求項１から４の何れか一項に記載の燃焼場計測方法。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載の燃焼場計測方法により取得した混合ガスの温度に基づいて燃焼制御を行うボイラーの運転方法。
【請求項７】
マイクロ波を混合ガスに照射して受信するマイクロ波照射受信部と、
受信した前記マイクロ波と、予め取得した水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の周波数帯域の情報とに基づいて、水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の周波数帯域における減衰率を検出する減衰率検出部と、
予め記憶された前記マイクロ波の水蒸気による減衰率と前記混合ガスの温度との相関関係の情報に基づいて、検出された前記減衰率から前記混合ガスの温度を取得する温度取得部と、を備える燃焼場計測装置。
【請求項８】
前記減衰率検出部は、
予め取得した水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の複数の周波数帯域における前記マイクロ波の減衰率をそれぞれ検出し、
前記温度取得部は、
前記減衰率検出部で検出された異なる周波数帯域の減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得する請求項７に記載の燃焼場計測装置。
【請求項９】
前記温度取得部は、
前記減衰率検出部で検出された複数の前記減衰率のうち、最も大きい減衰率とその次に大きい減衰率との二つの減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得する請求項８に記載の燃焼場計測装置。
【請求項１０】
前記マイクロ波照射受信部は、
受信した前記マイクロ波のうち、前記マイクロ波を直接受信した直接信号のみを取り出す請求項７から９の何れか一項に記載の燃焼場計測装置。
【請求項１１】
前記マイクロ波照射受信部は、
前記混合ガスを横切る複数の計測パスを形成する複数の受信部を備え、
前記減衰率検出部は、
前記マイクロ波照射受信部によって受信した複数の受信信号それぞれに対する前記減衰率を検出し、
前記温度取得部は、
前記減衰率検出部により検出された複数の前記減衰率に基づいて、コンピュータートモグラフィーにより前記混合ガスの温度の２次元分布を取得する請求項７から１０の何れか一項に記載の燃焼場計測装置。
【請求項１２】
請求項７から１１の何れか一項に記載の燃焼場計測装置と、
粉体化した石炭を含む燃料を燃焼させるバーナーを有する火炉と、
を備えるボイラー。
【請求項１３】
前記火炉は、
前記マイクロ波を通過させる窓部に遮蔽物が付着することを抑制する付着抑制部を備える請求項１２に記載のボイラー。
【請求項１４】
前記付着抑制部は、
前記窓部の上側に鉛直方向と交差する方向に延びる付着防止壁部を有する請求項１３に記載のボイラー。
【請求項１５】
前記付着抑制部は、
前記窓部へパージガスを吹き付けるパージガスノズルを備える請求項１３又は１４に記載のボイラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃焼場計測方法、ボイラーの運転方法、燃焼場計測装置、および、ボイラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用や工場用の蒸気を発生させるボイラーとして、石炭など炭素質燃料を粉砕して粉体化した微粉炭を焚くもの、重質油を噴霧して焚くもの、バイオマスマス燃料を焚くもの等の様々な燃料を焚くボイラーがある。これらのボイラーにおいては、燃焼効率の向上および汚染物質の放出低減が継続的に要望されている。そのため、この種のボイラーの中には、燃焼を最適化する燃焼最適化システムを有している場合がある。
【０００３】
燃焼最適化システムとしては、例えば、ボイラーに供給する燃料や、燃焼状況、および、燃焼生成物等を計測して燃焼制御に用いるものがある。一般に、ガス温度やガス濃度分布の計測には、酸化ジルコニア等の酸素センサや熱電対などが用いられていた。しかしながら、これら酸素センサや熱電対などが設置困難な高温領域においてもガス温度等の計測が望まれている。
【０００４】
特許文献１には、レーザー光を燃焼室に照射して、燃焼ガスの温度や燃焼生成物などを検出することで燃焼のフィードバック制御を行う技術が開示されている。この特許文献１の技術は、照射したレーザー光の赤外吸収スペクトルから、燃焼ガスの温度や燃焼生成物の濃度などを検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５２２９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したボイラーの燃焼ガスには、燃料（微粉炭等）や、燃料が燃えて灰になりつつあるもの、および、灰などの煤塵が含まれる。そのため、上述した特許文献１のようにレーザー光を用いた場合、煤塵が、レーザー光を遮ってしまう。上述した燃焼最適化システムにおいては、火炎の近くのガス温度やガス濃度を検出することが有効である。しかし、火炎の近くは、バーナーから微粉炭などの燃料が噴出しており、煤塵の濃度が非常に高くなっている。そのため、レーザー光の透過率が非常に低くなり、検出精度が低下してしまうという課題がある。また、ガス温度が高温である場合にレーザー光を用いると、黒体輻射の影響を受けて検出精度が低下してしまう場合がある。
さらに、特許文献１のようにレーザー光を用いた場合、火炉の壁面にレーザー光を通過可能な透明な窓を設ける必要がある。しかし、この窓が、煤塵や燃えカスなどによって汚れてしまい、頻繁なメンテナンスが必要となる。
【０００７】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、メンテナンスの頻度を低減しつつ、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測できる燃焼場計測方法、ボイラーの運転方法、燃焼場計測装置、および、ボイラー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】
この発明の第一態様によれば、燃焼場計測方法は、水蒸気を含む複数のガスが混合された混合ガスにマイクロ波を照射した際に前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を取得する周波数帯域取得工程と、前記マイクロ波を前記混合ガスに照射して受信するマイクロ波照射受信工程と、受信した前記マイクロ波に基づいて、前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域の前記マイクロ波の減衰率を検出する減衰率検出工程と、予め求めた前記マイクロ波の水蒸気による減衰率と前記混合ガスの温度との相関関係に基づいて、検出された前記減衰率から前記混合ガスの温度を取得する温度取得工程と、を含む。
このようにすることで、水蒸気によるマイクロ波の減衰率を検出して、この減衰率から混合ガスの温度を取得することができる。そのため、レーザー光を用いた場合よりも、煤塵や黒体輻射による影響を低減して、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測することができる。さらに、マイクロ波を用いることで、レーザー光を用いる場合に必要となる透明な窓が不要となる。そのため、窓の清掃などのメンテナンスの頻度を低減することができる。
【０００９】
この発明の第二態様によれば、燃焼場計測方法は、第一態様において、前記周波数帯域取得工程は、前記水蒸気による前記マイクロ波の吸収特性と、水蒸気を含む複数のガスが混合された前記混合ガスによる前記マイクロ波の吸収特性と、を比較して、この比較結果に基づいて、前記水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を複数取得し、前記減衰率検出工程は、前記周波数帯域取得工程によって取得された前記複数の周波数帯域における前記マイクロ波の減衰率をそれぞれ検出し、前記温度取得工程は、前記減衰率検出工程で検出された異なる周波数帯域の減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、水蒸気によるマイクロ波の吸収特性と、混合ガスによるマイクロ波の吸収特性とを比較して、水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を複数取得することができる。したがって、マイクロ波照射受信工程により受信したマイクロ波のうち、予め周波数帯域取得工程により複数取得した周波数帯域における減衰率を取得することで、水蒸気による減衰率を推定できる。さらに、異なる周波数帯域の減衰率の比率を用いることで、一つの減衰率を用いて混合ガスの温度を取得する場合よりも正確な温度を取得することができる。
【００１０】
この発明の第三態様によれば、燃焼場計測方法は、第二態様における前記温度取得工程が、前記減衰率検出工程によって検出された複数の前記減衰率のうち、最も大きい減衰率とその次に大きい減衰率との二つの減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、信号レベルの高い２つの減衰率を用いることができるため、ノイズの影響等による誤差が拡大することを抑制できる。その結果、二つの減衰率の比率から取得される混合ガスの温度が、混合ガスの実際の温度に対してずれてしまうことを抑制できる。
【００１１】
この発明の第四態様によれば、燃焼場計測方法は、第一から第三態様の何れか一つの態様において、前記マイクロ波照射受信工程が、受信した前記マイクロ波のうち、前記マイクロ波を直接受信した直接信号のみを取り出す周波数フィルタリング工程を含んでもよい。
このようにすることで、反射波による影響を低減できる。その結果、混合ガスの温度をより正確に取得できる。
【００１２】
この発明の第五態様によれば、燃焼場計測方法は、第一から第四態様の何れか一つの態様における前記マイクロ波照射受信工程が、混合ガスを横切る複数の計測パスを有し、前記減衰率検出工程が、前記マイクロ波照射受信工程によって受信した複数の受信信号それぞれに対する前記減衰率を検出し、前記温度取得工程が、前記減衰率検出工程により検出された複数の前記減衰率に基づいて、コンピュータートモグラフィーにより前記混合ガスの温度の２次元分布を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、混合ガスの温度の２次元分布を取得できるため、よりきめ細かい燃焼制御を行うことで、例えば、低ＮＯｘ化などを図ることが可能となる。
【００１３】
この発明の第六態様によれば、ボイラーの運転方法は、第一から第五態様の何れか一つの態様における燃焼場計測方法により取得した混合ガスの温度に基づいて燃焼制御を行う。
このようにすることで、燃焼を最適化して、例えば、低ＮＯｘ化などを図ることが可能となるため、商品性を向上できる。
【００１４】
この発明の第七態様によれば、燃焼場計測装置は、マイクロ波を混合ガスに照射して受信するマイクロ波照射受信部と、受信した前記マイクロ波と、予め記憶された水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の周波数帯域の情報とに基づいて、水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の周波数帯域における減衰率を検出する減衰率検出部と、予め記憶された前記マイクロ波の水蒸気による減衰率と前記混合ガスの温度との相関関係の情報に基づいて、検出された前記減衰率から前記混合ガスの温度を取得する温度取得部と、を備える。
このようにすることで、レーザー光を用いた場合よりも、煤塵による影響を低減して、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測することができる。さらに、マイクロ波を用いることで、レーザー光の場合に必要となる透明な窓が不要となる。そのため、窓の清掃などのメンテナンスの頻度を低減することができる。
【００１５】
この発明の第八態様によれば、燃焼場計測装置は、第七態様におけるが、前記減衰率検出部が、予め記憶された水蒸気による吸収が最も支配的となる前記マイクロ波の複数の周波数帯域における前記マイクロ波の減衰率をそれぞれ検出し、前記温度取得部が、前記減衰率検出部で検出された異なる周波数帯域の減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、マイクロ波照射受信部により受信したマイクロ波のうち、予め記憶された複数の周波数帯域における減衰率を取得することで、水蒸気による減衰率を複数推定できる。さらに、複数の減衰率の比率を用いることで、一つの減衰率を用いて混合ガスの温度を取得する場合よりも正確な温度を取得することができる。
【００１６】
この発明の第九態様によれば、燃焼場計測装置は、第八態様における前記温度取得部が、前記減衰率検出部によって検出された複数の前記減衰率のうち、最も大きい減衰率とその次に大きい減衰率との二つの減衰率の比率に基づいて前記混合ガスの温度を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、二つの減衰率の比率から取得される混合ガスの温度が、混合ガスの実際の温度に対してずれてしまうことを抑制できる。
【００１７】
この発明の第十態様によれば、燃焼場計測装置は、第七から第九態様の何れか一つの態様における前記マイクロ波照射受信部が、受信した前記マイクロ波のうち、前記マイクロ波を直接受信した直接信号のみを取り出すようにしてもよい。
このようにすることで、反射波による影響を低減できる。その結果、混合ガスの温度をより正確に取得できる。
【００１８】
この発明の第十一態様によれば、燃焼場計測装置は、第七から第十態様の何れか一つの態様における前記マイクロ波照射受信部が、前記混合ガスを横切る複数の計測パスを形成する複数の受信部を備え、前記減衰率検出部が、前記マイクロ波照射受信部によって受信した複数の受信信号それぞれに対する前記減衰率を検出し、前記温度取得部が、前記減衰率検出部により検出された複数の前記減衰率に基づいて、コンピュータートモグラフィーにより前記混合ガスの温度の２次元分布を取得するようにしてもよい。
このようにすることで、混合ガスの温度の２次元分布を取得できるため、よりきめ細かい燃焼制御を行うことで、例えば、低ＮＯｘ化などを図ることが可能となる。
【００１９】
この発明の第十二態様によれば、ボイラーは、第七から第十一態様の何れか一つの態様の燃焼場計測装置と、粉体化した石炭を含む燃料を燃焼させるバーナーを有する火炉と、を備える。
このようにすることで、燃焼を最適化して、例えば、低ＮＯｘ化などを図ることが可能となるため、ボイラーの商品性を向上できる。
【００２０】
この発明の第十三態様によれば、ボイラーは、第十二態様において、前記火炉が、前記マイクロ波を通過させる窓部に遮蔽物が付着することを抑制する付着抑制部を備えていてもよい。
このようにすることで、窓部にマイクロ波による計測を妨げるほどの遮蔽物が付着することを抑制することができる。そのため、更なるメンテナンス頻度の低減を図ることができる。
【００２１】
この発明の第十四態様によれば、ボイラーは、第十三態様において、前記付着抑制部が、前記窓部の上側に鉛直方向と交差する方向に延びる付着防止壁部を有していてもよい。
このようにすることで、簡単な構造で遮蔽物の付着を抑制できる。
【００２２】
この発明の第十五態様によれば、ボイラーは、第十二又は第十三態様において、前記付着抑制部が、前記窓部へパージガスを吹き付けるパージガスノズルを備えていてもよい。
このようにすることで、窓部に付着しようとする遮蔽物をパージガスにより吹き飛ばすことができる。そのため、窓部に遮蔽物が付着することを抑制できる。
【発明の効果】
【００２３】
上記燃焼場計測方法によれば、メンテナンスの頻度を低減しつつ、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明の第一実施形態におけるボイラーの概略構成を示す図である。
【図２】この発明の第一実施形態における燃焼場計測装置のブロック図である。
【図３】この発明の第一実施形態における燃焼場計測方法のフローチャートである。
【図４】縦軸をマイクロ波の減衰率、横軸を周波数としたグラフである。
【図５】図４のグラフを部分的に拡大したグラフである。
【図６】縦軸をマイクロ波の透過量、横軸を周波数としたグラフである。
【図７】基準値に対する吸収ピークａからｃのそれぞれの比率を求める場合の原理を説明する図である。
【図８】縦軸を水蒸気による減衰率、横軸をガス温度としたグラフである。
【図９】ＦＭ−ＣＷ方式による距離計測の原理を示す図である。
【図１０】この発明の第二実施形態における図３に相当するフローチャートである。
【図１１】縦軸を減衰率比、横軸をガス温度としたグラフである。
【図１２】この発明の第三実施形態における付着抑制部の斜視図である。
【図１３】この発明の第四実施形態における送信アンテナと受信アンテナとの配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、この発明の実施形態に係る燃焼場計測方法、ボイラーの運転方法、燃焼場計測装置、および、ボイラーについて説明する。
（第一実施形態）
図１は、この発明の第一実施形態におけるボイラーの概略構成を示す図である。
この実施形態におけるボイラーは、炭素質燃料として石炭を用い、石炭を粉砕して粉体化した微粉炭をバーナーで燃焼させる場合を一例にして説明する。
【００２６】
（ボイラー）
図１に示すように、この実施形態のボイラー１０は、火炉１１と、燃焼装置１３と、過熱器１５と、再熱器１６と、節炭器１７と、を備えている。
【００２７】
火炉１１は、水平面内での断面形状が、例えば矩形状とされ、鉛直方向に延びている。火炉１１の内周面を形成する火炉壁１２の内側には、多数の水管（図示せず）が、それぞれ鉛直方向で上下方向に延びるよう設けられている。それぞれの水管は、蒸気ドラム（図示せず）から水が供給される。以下の説明では、「上」と「下」とは、それぞれ鉛直方向の位置関係を示す。
【００２８】
火炉１１の出口には、煙道１４が連結されている。過熱器１５は、火炉１１の上部に設けられている。再熱器１６、節炭器１７は、煙道１４に設けられている。これら再熱器１６、節炭器１７は、火炉１１の出口側から煙道１４の流れ方向下流側に向かって順次設けられている。また、火炉１１の上部には、蒸気ドラム（図示せず）が設けられている。
【００２９】
燃焼装置１３は、火炉１１の火炉壁１２の下部に設置されている。燃焼装置１３は、矩形状の断面形状を有した火炉１１の四隅にそれぞれ設けられている。
それぞれの燃焼装置１３は、例えば、複数のバーナー２０と、微粉炭供給部３０と、二次空気供給部４０とを備えている。
【００３０】
複数のバーナー２０は、火炉１１の内外を貫通するようにして火炉壁１２に取り付けられている。
微粉炭供給部３０は、微粉炭（粉体燃料）１００と一次空気（燃焼用空気）１０１とが混合した混合気１０５をバーナー２０に供給する。微粉炭供給部３０は、粉砕機５０と、給炭管３１とを有している。
【００３１】
粉砕機５０は、給炭機（図示せず）から供給された石炭を、燃焼に適した粒径に粉砕する。給炭管３１は、一次空気１０１を搬送空気として、粉砕機５０で生成された微粉炭１００をバーナー２０に空気搬送する。一次空気１０１は、空気供給源（図示せず）から、加圧されて給炭管３１に供給される。
【００３２】
二次空気供給部４０は、バーナー２０に二次空気１０２を供給する。二次空気供給部４０は、風箱４１と、二次空気供給管４２と、を備えている。
風箱４１は、火炉１１外壁に設けられている。風箱４１は、二次空気供給源（図示せず）から、二次空気供給管４２を介して二次空気１０２が加圧されて供給される。風箱４１は、供給された二次空気１０２を、各バーナー２０に送り込む。
【００３３】
二次空気供給管４２と煙道１４との間には、熱交換器４３が設けられている。熱交換器は、煙道１４を流れる燃焼排ガス１０４と、二次空気供給管４２を流れる二次空気１０２との間で熱交換を行う。これにより、燃焼排ガス１０４の排ガス温度を低下させることができるとともに、二次空気１０２の温度を上昇させることができる。
【００３４】
このようなボイラー１０においては、バーナー２０から火炉１１内に、微粉炭１００と一次空気１０１との混合気１０５が供給される。この混合気１０５にトーチ（図示せず）で着火すると、火炉１１内の下部領域付近で火炎が生成される。
火炎が生成されると、微粉炭１００の燃焼ガス（混合ガス）１０３が火炉１１内を下から上に流れる。火炉１１の火炉壁１２の内側に設けられた水管には、蒸気ドラム（図示せず）から水が供給される。供給された水は、水管を下から上に流れる間に、火炉１１内の燃焼ガス１０３で加熱されて飽和蒸気となる。
【００３５】
この飽和蒸気は、蒸気ドラム（図示せず）を経て過熱器１５に導入される。過熱器１５では、飽和蒸気が火炉１１内の燃焼ガス１０３によって加熱され、過熱蒸気となる。過熱器１５で生成された過熱蒸気は、発電用等、所用の目的のタービン等に供給される。
【００３６】
過熱器１５を経た燃焼ガス１０３は、煙道１４から燃焼排ガス１０４として排出される。
煙道１４に設けられた再熱器１６においては、タービンでの膨張過程の中途で取り出した蒸気を、燃焼排ガス１０４によって再度加熱し、タービンに戻すことも行われる。
節炭器１７は、蒸気ドラム（図示せず）に供給する水を、燃焼排ガス１０４と熱交換することで予熱する。節炭器１７を経た燃焼排ガス１０４は、熱交換器４３にて二次空気供給管４２を通過する二次空気１０２に熱エネルギを供給し、脱硫、脱硝、除塵等の処理を施されて、煙突から大気中に排出される。
【００３７】
ボイラー１０は、火炉１１の内部における燃焼場の温度を計測する燃焼場計測装置６０を備えている。この実施形態における燃焼場計測装置６０は、バーナー２０と節炭器１７との間に設置されている。この実施形態における燃焼場計測装置６０は、バーナー２０の直近（言い換えれば、直後）の高温（例えば、１４００から１８００Ｋ程度）且つ高煤塵濃度（例えば、３００ｇ／ｍ３以上）の環境下における燃焼場の温度を計測するように配置されている。
【００３８】
（燃焼場計測装置）
図２は、この発明の第一実施形態における燃焼場計測装置のブロック図である。
図２に示すように、燃焼場計測装置６０は、マイクロ波照射受信部６１と、減衰率検出部６２と、温度取得部６３と、を備えている。
マイクロ波照射受信部６１は、マイクロ波を火炉１１の内部に照射するとともに、火炉１１を通過したマイクロ波を受信する。このマイクロ波照射受信部６１は、信号発生器６４と、増幅器６５と、結合器６６と、火炉１１を間に挟むように配置された送信アンテナ（照射部）６７と受信アンテナ（受信部）６８とをそれぞれ備えている。火炉１１は、送信アンテナ６７に対向する壁部と受信アンテナ６８に対向する壁部とに、それぞれ不透明な耐火セラミック材などの窓材を有した窓部を備えている。
【００３９】
この実施形態における送信アンテナ６７と受信アンテナ６８とは、図１に示すように、同じ高さ位置に配置されているが、送信アンテナ６７により照射されたマイクロ波が火炉１１の内部空間を横切り受信アンテナ６８によって受信可能な配置であれば上記配置に限られない。
【００４０】
信号発生器６４は、所定の周波数帯域のマイクロ波の波形信号を生成して、この波形信号を増幅器６５に向けて出力する。この波形信号は、マイクロ無線などに用いられるいわゆる搬送波に相当する信号である。
【００４１】
増幅器６５は、信号発生器６４によって生成された波形信号を増幅して、この増幅した増幅信号を送信アンテナ６７と結合器６６とに向けてそれぞれ出力する。ここで、送信アンテナ６７に向けて出力された増幅信号は、送信アンテナ６７から火炉１１の内部空間を横切るように照射されて、受信アンテナ６８によって受信される。
【００４２】
結合器６６は、受信アンテナ６８によって受信された受信信号と、増幅器６５によって増幅された増幅信号とを結合させて検波し、この検波した検波信号を減衰率検出部６２に向けて出力する。
【００４３】
減衰率検出部６２は、水蒸気による吸収が最も支配的となるマイクロ波の周波数帯域（以下、単に支配周波数帯域と称する）の情報を予め記憶している。この減衰率検出部６２は、支配周波数帯域の情報に基づいて、マイクロ波（言い換えれば、検波信号）の支配周波数帯域における減衰率を検出する。減衰率検出部６２は、検出した減衰率の情報を、温度取得部６３に向けて出力する。ここで、予め記憶されている支配周波数帯域は、一つに限られず、複数であっても良い。
【００４４】
温度取得部６３は、マイクロ波の減衰率と火炉１１の内部空間に存在する燃焼ガスの温度との相関関係の情報を予め記憶している。温度取得部６３は、この相関関係の情報に基づいて、減衰率検出部６２によって検出された減衰率から燃焼ガス１０３の温度を取得する。ここで、相関関係の情報としては、例えば、減衰率と温度とのマップ、テーブル、および、数式等を用いることができる。温度取得部６３は、取得した温度の情報を燃焼制御部６９に向けて出力する。
【００４５】
燃焼制御部６９は、温度取得部６３により取得した燃焼ガス１０３の温度の情報に基づいて、例えば、燃焼が最適化されるように、言い換えれば燃焼ガス１０３の温度が最適化されるように制御を行う。ここで行う燃焼制御としては、例えば、バーナーチルトの調整、各バーナーへの燃料配分の調整などが挙げられる。
【００４６】
この実施形態においては、上述した減衰率検出部６２と、温度取得部６３と、燃焼制御部６９とは、一つのコンピュータで実行されるソフトウェアの機能により実現されている。しかし、減衰率検出部６２と、温度取得部６３と、燃焼制御部６９とは、ソフトウェアにより実現される場合に限られず、ハードウェアにより構成するようにしても良い。また、減衰率検出部６２と、温度取得部６３と、燃焼制御部６９とを、例えば、それぞれ個別のコンピュータで構成するようにしても良い。
【００４７】
（燃焼場計測方法）
この実施形態におけるボイラー１０および燃焼場計測装置６０は、上述した構成を備えている。次に、この燃焼場計測装置６０を用いて行う燃焼場計測方法、および、ボイラーの運転方法について図面を参照しながら説明する。
図３は、この発明の第一実施形態における燃焼場計測方法のフローチャートである。図４は、縦軸をマイクロ波の減衰率、横軸を周波数としたグラフである。図５は、図４のグラフを部分的に拡大したグラフである。
【００４８】
図３に示すように、まず、周波数帯域取得工程（ステップＳ０１）を行う。この周波数帯域取得工程においては、実機であるボイラー１０の火炉１１内部に存在する高温高煤塵濃度の燃焼ガス１０３と同じ条件の混合ガス（ｔｏｔａｌ）に対してマイクロ波を照射して、図４の実線で示す減衰特性を取得する。ここで、混合ガス（ｔｏｔａｌ）には、水蒸気（Ｈ２Ｏ）の他に、例えば、Ｎ２Ｏ，ＣＯ，Ｏ２，ＮＯ，ＳＯ２，ＮＯ２，ＮＨ３，ＯＨ，Ｈ２Ｓ，ＳＯ３がそれぞれ実機の燃焼ガス１０３に近い割合で含まれている。
【００４９】
さらに、周波数帯域取得工程においては、水蒸気に対してマイクロ波を照射して図４の破線で示す減衰特性を取得する。
その後、周波数帯域取得工程においては、図４の実線と破線とを比較して、支配周波数帯域、すなわち水蒸気による吸収が最も支配的となる周波数帯域を取得する。
なお、上述した水蒸気を除くガス成分は、高温条件における吸収が小さく、混合ガス（ｔｏｔａｌ）による減衰特性に対して支配的になる周波数帯域は計測不能である。
【００５０】
ここで、水蒸気による吸収が支配的となる周波数帯域（支配周波数帯域）とは、混合ガス（ｔｏｔａｌ）によるマイクロ波の減衰のうち、水蒸気に起因する減衰が大半を占める周波数帯域を意味する。つまり、図５に示すように、実線と破線との形状および減衰量が同等になっている部分（図５中、矢印で示す周波数）が、水蒸気による吸収が支配的となる周波数帯域である。なお、図５においては、複数の矢印がそれぞれ一つの周波数を指しているように見えるが、実際には、水蒸気による吸収が支配的となる周波数帯域は、この矢印を中心とした僅かな帯域を有する場合がある。そのため、ここではあえて「周波数帯域」と称している。この実施形態において、水蒸気による吸収が支配的となる周波数帯域は、例えば、１２ＧＨｚ帯、２２ＧＨｚ帯、２７ＧＨｚ帯にそれぞれ現れている。これらの周波数帯域においては、水蒸気以外のガスによるマイクロ波の減衰（吸収）が殆んど見られない。
【００５１】
次に、マイクロ波照射受信工程（ステップＳ０２）を行う。つまり、マイクロ波を送信アンテナ６７から受信アンテナ６８に向けて送信することで、マイクロ波を燃焼ガス１０３に照射して燃焼ガス１０３を横切ったマイクロ波を受信する。その後、上述したように検波等を行う。
【００５２】
さらに、減衰率検出工程（ステップＳ０３）を行う。この減衰率検出工程においては、受信したマイクロ波に基づいて、支配周波数帯域におけるマイクロ波の減衰率を検出する。
【００５３】
図６は、縦軸をマイクロ波の透過量、横軸を周波数としたグラフである。
図６に示すように、上述した支配周波数帯域において、それぞれ値の異なる透過量の極小値、すなわち吸収ピークａからｃが現れる。減衰率検出工程においては、これら吸収ピークａからｃより、それぞれの支配周波数帯域における減衰率を求める。
ここで、減衰率とは、マイクロ波の減衰の程度を示す値であって、例えば、吸収ピークａからｃの値をそのまま用いたり、透過量の積分値を用いたり、基準値に対する吸収ピークａからｃのそれぞれの比率を用いたりしても良い。
【００５４】
図７は、基準値に対する吸収ピークａからｃのそれぞれの比率を求める場合の原理を説明する図である。
図７に示すように、送信アンテナ６７から送信されるマイクロ波は、受信アンテナ６８によって受信されたときに、水蒸気による吸収の凹みだけではなく、そのベースラインもＩ０からＩ１に低下する。上述した減衰率は、Ｉ０からＩ１に低下した後のベースラインからの凹みの大きさとなる。
【００５５】
次いで、温度取得工程（ステップＳ０４）を行う。この温度取得工程においては、予め求めた水蒸気の減衰率と燃焼ガスの温度との相関関係に基づいて、検出された減衰率から燃焼ガス１０３の温度を取得する。
図８は、縦軸を水蒸気による減衰率、横軸をガス温度としたグラフである。
図８に示すように、水蒸気による減衰率は、ガス温度（燃焼ガスの温度）と相関関係がある。この相関関係は、例えば、シミュレーションや試験等により求めることができる。
温度取得工程においては、例えば、上記減衰率とガス温度との相関関係を表すマップやテーブル等を用いることで、減衰率検出工程によって検出された減衰率から、燃焼ガス１０３の温度を求める。
【００５６】
ここで、図８においては、３つの支配周波数帯域における減衰率とガス温度との相関関係を示した。燃焼ガス１０３の温度は、これら３つの支配周波数帯域における減衰率の少なくとも一つを用いて求めることができるが、３つの支配周波数帯域における減衰率のそれぞれに対応するガス温度から、燃焼ガス１０３の温度を求めても良い。また、この場合、３つのガス温度が求められるため、例えば、３つのガス温度の平均値を、最終的に求める燃焼ガス１０３の温度として採用するようにしても良い。
【００５７】
上述した温度取得工程によって取得された燃焼ガス１０３の温度は、ボイラー１０の燃焼制御に用いられる。
【００５８】
したがって、第一実施形態によれば、水蒸気に起因するマイクロ波の減衰率を検出して、この減衰率から燃焼ガス１０３の温度を取得することができる。そのため、レーザー光を用いた場合よりも、煤塵や黒体輻射による影響を低減して、高温・高煤塵領域のガス温度をより正確に計測することができる。さらに、マイクロ波を用いることで、レーザー光の場合に必要となる透明な窓が不要となる。そのため、窓の清掃などのメンテナンスの頻度を低減することができる。
【００５９】
（第一実施形態の変形例）
次に、この発明の第一実施形態の変形例を図面に基づき説明する。この第一実施形態の変形例の説明においては、上述した第一実施形態に対して重複する説明を省略する。
【００６０】
上述したマイクロ波は、レーザー光のような指向性（直進性）を有していない。つまり、マイクロ波は、火炉１１の内部で広がる。そのため、受信アンテナ６８は、火炉１１の内壁などで多重反射したマイクロ波と、直接到達するマイクロ波とを両方受信してしまう。そこで、この第一実施形態の変形例においては、上述した第一実施形態のマイクロ波照射受信部６１によって行うマイクロ波照射受信工程において、周波数フィルタリング工程として多重反射したマイクロ波と、受信アンテナ６８に直接到達するマイクロ波との切り分けを行い、直接到達するマイクロ波のみを用いる。この際、ＦＭ−ＣＷ方式の距離計測の原理を用いることができる。
【００６１】
図９は、ＦＭ−ＣＷ方式による距離計測の原理を示す図である。
図９に示すように、ＦＭ−ＣＷ方式では、以下の手順により直接到達する直接信号のみを取り出す。
まず、送信、受信共にｄＦ（Ｔ）／ｄＴの速さで周波数変調した高周波（図９中、実線で示す）を与える。すると、送信から受信に到達するのにΔｔかかるため、送信信号は受信側の高周波よりも（ｄＦ（Ｔ）／ｄＴ）・Δｔだけ遅い周波数として到達する（図９中、破線で示す）。また、送信されたマイクロ波と受信側の高周波をミックスすることで周波数の差に応じた「うなり」を取り出せる。この「うなり」の周波数の大きさは、周波数差＝飛行時間差であるΔｔに比例する。そして、直接信号の到達に要する時間は既知であるため、周波数フィルタによりフィルタリングして、直接信号のみを取り出すことができる。この際の空間分解能は計測波長（〜数十ｍｍ）程度となる。
【００６２】
したがって、第一実施形態の第一変形例によれば、反射波による影響を低減できるため、燃焼ガス１０３の温度をより正確に取得することができる。
【００６３】
（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態は、上述した第一実施形態と温度取得工程が異なるだけである。そのため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図１０は、この発明の第二実施形態における図３に相当するフローチャートである。
【００６４】
図１０に示すように、まず、第一実施形態と同じ周波数帯域取得工程（ステップＳ０１）とマイクロ波照射受信工程（ステップＳ０２）と減衰率検出工程（ステップＳ０３）とを行う。ここで、周波数帯取得工程（ステップＳ０１）においては、複数の支配周波数帯域を取得し、減衰率検出工程（ステップＳ０３）においては、これら複数の支配周波数帯域に対応する複数の減衰率を検出する。
【００６５】
次いで、温度取得工程（ステップＳ１４）を行う。この第二実施形態の温度取得工程においては、減衰率検出工程により検出された複数の減衰率の比率に基づいて火炉１１内の燃焼ガス１０３の温度を取得する。言い換えれば、この第二実施形態の温度取得工程においては、上述した吸収ピークａ〜ｃで表される複数の減衰率の何れか二つの比率を求めて、予め求められた減衰率の比率と燃焼ガスの温度との相関関係から、燃焼ガス１０３の温度を取得する。
【００６６】
図１１は、縦軸を減衰率比、横軸をガス温度としたグラフである。この図１１には、吸収ピークａに対する吸収ピークｃの比率（以下、単に減衰率比ｃ／ａと称する）、および、吸収ピークｂに対する吸収ピークｃの比率（以下、単に減衰率比ｃ／ｂと称する）を示している。
図１１に示すように、減衰率比ｃ／ａは、ガス温度が上昇するにつれて増加する。一方で減衰率比ｃ／ｂは、ガス温度が上昇するにつれて減少する。つまり、減衰率の比率と、燃焼ガス１０３の温度とには、相関関係がある。この第二実施形態の温度取得工程（ステップＳ１４）においては、この相関関係の情報（マップ、テーブル、数式等）と、検出された減衰率の比率とから燃焼ガス１０３の温度を取得している。図１１においては、２つの減衰率比を示しているが、これら２つの減衰率比のうち少なくとも一方を用いれば良い。
【００６７】
したがって、第二実施形態によれば、水蒸気に起因するマイクロ波の吸収特性と、燃焼ガスによるマイクロ波の吸収特性とを比較して、支配周波数帯域を複数取得することができる。したがって、マイクロ波照射受信工程により受信したマイクロ波のうち、予め周波数帯域取得工程により複数取得した周波数帯域における減衰率を取得することで、水蒸気に起因する減衰率を推定できる。さらに、それぞれ異なる周波数帯域における減衰率の比率を用いることで、一つの減衰率を用いて燃焼ガス１０３の温度を取得する場合よりも正確な温度を取得することができる。
【００６８】
（第二実施形態の変形例）
ここで、図８に示すように、各支配周波数帯域における減衰率は、温度が上昇するにつれて減少する。さらに、温度によっては、吸収ピークａと吸収ピークｂとの大きさが逆転してしまう。また、それぞれ信号レベルが低い吸収ピークａと吸収ピークｂとを用いて減衰率の比率を求めた場合、ノイズの影響等による誤差が拡大することが考えられる。
そこで、この第二実施形態の変形例における温度取得工程は、各支配周波数帯域の減衰率のうち最も大きい減衰率を分子、その次に大きい減衰率を分母として減衰率比を求める。さらに、温度取得工程においては、求めた減衰率比と、予め求められた減衰率比と燃焼ガス温度との相関関係の情報とから、燃焼ガス１０３の温度を取得する。
【００６９】
したがって、第二実施形態の変形例によれば、信号レベルの高い２つの減衰率を用いることができるため、ノイズの影響等による誤差が拡大することを抑制できる。その結果、二つの減衰率の比率から取得される燃焼ガスの温度が、燃焼ガス１０３の実際の温度に対してずれてしまうことを抑制できる。さらに、相対的に減衰率の信号レベルが低くなるより高い温度範囲まで測定精度を高く維持することができる。
【００７０】
次にこの発明の第三実施形態を図面に基づき説明する。この第三実施形態は、上述した各実施形態に窓部に遮蔽物が付着することを抑制する付着抑制部を備える点でのみ相違する。そのため、上述した各実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
【００７１】
図１２は、この発明の第三実施形態における付着抑制部の斜視図である。
図１２に示すように、火炉１１には、上述した送信アンテナ６７と受信アンテナ６８とに対向する位置に窓部８０を備えている。この実施形態における火炉１１は、窓部８０の上側に鉛直方向と交差する方向に延びる付着防止壁部８１を備えている。図１２においては、付着防止壁部８１が、水平方向に延びる矩形の平板状に形成される場合を例示しているが、窓部８０に遮蔽物が付着することを抑制可能な形状であればよく、この水平方向に延びる矩形の平板状に限られない。
【００７２】
したがって、第三実施形態によれば、例えば、火炉１１に付着した灰が再度溶け出して落ちることがあるが、付着防止壁部８１によって窓部８０に接触することを抑制できる。そのため、マイクロ波による計測の妨げるほどの遮蔽物が窓部８０に付着することを抑制できる。その結果、更なるメンテナンス頻度の低減を図ることができる。
【００７３】
（第三実施形態の変形例）
また、図１２に破線で示すように、火炉１１は、付着防止壁部８１に代えて、窓部８０へパージガスを吹き付けるパージガスノズル８２を備えていてもよい。この際、窓部８０へ吹き付けるパージガスは、燃焼ガス１０３に含まれる水蒸気量を変化させないように、乾燥空気やＮ２ガス等の水分を含まないガスを用いる。したがって、パージガスノズル８２によって窓部８０にパージガスを吹き付けることで、上述した溶けだした灰が窓部８０に粘着することを抑制できる。
なお、付着防止壁部８１とパージガスノズル８２との何れか一方を設ける場合について説明したが、付着防止壁部８１とパージガスノズル８２との両方を設けるようにしても良い。
【００７４】
（第四実施形態）
次に、この発明の第四実施形態を図面に基づき説明する。この第四実施形態は、上述した各実施形態とマイクロ波を送受信する構成が異なるだけである。そのため、上述した各実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
【００７５】
図１３は、この発明の第四実施形態における送信アンテナと受信アンテナとの配置を示す図である。
図１３に示すように、この実施形態におけるボイラー１０は、燃焼場計測装置１６０を備えている。この燃焼場計測装置１６０は、マイクロ波照射受信部１６１を備えている。マイクロ波照射受信部１６１は、一つの送信アンテナ６７に対して複数の計測パスを形成する複数の受信アンテナ（受信部）６８を備えている。この実施形態におけるマイクロ波照射受信部１６１は、２組設けられており、それぞれの計測パスが交差するように受信アンテナ６８が配置されている。これら２組のマイクロ波照射受信部１６１のそれぞれの受信アンテナ６８により受信したマイクロ波は、同じ組み合わせの送信アンテナ６７から送信されたマイクロ波のみを取り出すようにフィルタリング（例えば、ＦＭ−ＣＷ方式）される。ここで、図１３においては、図示都合上、送信アンテナ６７に対して水平方向にそれぞれ受信アンテナ６８が配置されているが、送信アンテナ６７に対して鉛直方向にずれた位置に受信アンテナ６８を配置するようにしても良い。
【００７６】
燃焼場計測装置１６０は、減衰率検出部（図示せず）と、温度取得部（図示せず）とを備えている。
燃焼場計測装置１６０の減衰率検出部は、複数の計測パスの支配周波数帯域における減衰率を検出する。
【００７７】
燃焼場計測装置１６０の温度取得部は、燃焼場計測装置１６０の減衰率検出部により検出された減衰率に基づいて、コンピュータートモグラフィー（ＣＴ）により燃焼ガス１０３の温度の２次元分布を取得する。より具体的には、燃焼場計測装置１６０の温度取得部は、各計測パスから得られる減衰率から、上述した各実施形態と同様に、温度を求め、この温度の情報を、送信アンテナ６７に対する受信アンテナ６８の位置、および、距離情報と合成することで２次元化する。
【００７８】
この実施形態における燃焼場計測装置１６０は、燃焼制御部（図示せず）を備えており、この燃焼制御部は、上述した２次元化された燃焼ガス１０３の温度分布を用いて、燃焼場を解析および評価し、燃焼制御（例えば、空気、燃料の投入量、および、バーナーチルトなどの調整）を行う。
【００７９】
したがって、第四実施形態によれば、燃焼ガス１０３の温度の２次元分布を取得できるため、よりきめ細かい燃焼制御を行い、例えば、低ＮＯｘ化などを図ることが可能となる。
なお、マイクロ波照射受信部１６１を二組設ける場合について説明したが、コンピュータートモグラフィーを用いずに、一組だけ設けてガス温度の分布を取得するようにしても良い。
【００８０】
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
【００８１】
例えば、上述した各実施形態においては、燃焼場計測装置をボイラーの火炉に設ける場合を一例にして説明した。しかし、燃焼場計測装置は、ボイラー以外の燃焼場の温度測定に用いても良く、また、火炉以外のガス温度の取得に用いても良い。さらに、ボイラーは、蒸気タービン用のボイラーに限られない。上述した燃焼場の温度や煤塵濃度の値は一例であってこれら温度や煤塵濃度に限られるものではない。
【００８２】
さらに、第四実施形態においては、一つの送信アンテナ６７に対して１２個の受信アンテナ６８を用いる場合について説明したが、一つの送信アンテナ６７に対する受信アンテナ６８の設置数量は、複数の計測パスを形成できればこの設置数量に限られるものではない。さらに、第四実施形態においては、二組のマイクロ波照射受信部１６１を設ける場合について説明したが、三組以上のマイクロ波照射受信部１６１を設けてコンピュータートモグラフィーを行うようにしても良い。
【００８３】
さらに、上述した各実施形態におけるボイラーの形状などは一例であって、図示した形状に限定されるものではない。具体的には、火炉１１の断面が矩形（図１３参照）の場合を例示したが、円形等であっても良い。
【００８４】
さらに、上述した各実施形態においては、温度取得部６３により取得した燃焼ガス１０３の温度に基づいて、燃焼制御部６９が燃焼を制御する場合について説明したが、燃焼ガス１０３の温度をディスプレイなどに表示して、この表示を見たオペレータが燃焼制御を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００８５】
１０…ボイラー  １１…火炉  １３…燃焼装置  １４…煙道  １５…過熱器  １６…再熱器  １７…節炭器  ２０…バーナー  ３０…微粉炭供給部  ４０…二次空気供給部  ４１…風箱  ４２…二次空気供給管  ４３…熱交換器  ５０…粉砕機  ６０…燃焼場計測装置  ６１…マイクロ波照射受信部  ６２…減衰率検出部  ６３…温度取得部  ６４…信号発生器  ６５…増幅器  ６６…結合器  ６７…送信アンテナ  ６８…受信アンテナ  ６９…燃焼制御部  ８０…窓部  ８１…付着防止壁部  ８２…パージガスノズル
【図１】
2017150754.tif 000003
【図２】
2017150754.tif 000004
【図３】
2017150754.tif 000005
【図４】
2017150754.tif 000006
【図５】
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【図６】
2017150754.tif 000008
【図７】
2017150754.tif 000009
【図８】
2017150754.tif 000010
【図９】
2017150754.tif 000011
【図１０】
2017150754.tif 000012
【図１１】
2017150754.tif 000013
【図１２】
2017150754.tif 000014
【図１３】
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