本公開涉及對燃燒爐內(nèi)的氣體濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析的氣體分析裝置、具備該氣體分析裝置的燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)以及控制輔助系統(tǒng)、以及通過該氣體分析裝置來實(shí)施的氣體分析方法。

背景技術(shù)：

在使燃料燃燒的鍋爐、使垃圾燃燒的垃圾焚燒爐那樣的燃燒設(shè)備中，通過在燃燒爐內(nèi)使物質(zhì)燃燒來生成高溫的燃燒空氣(氣體)。在燃燒設(shè)備中，為了使燃燒狀態(tài)最佳化或者對燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，期望測量燃燒爐內(nèi)的氣體濃度分布、溫度分布。關(guān)于這樣的燃燒爐內(nèi)的氣體濃度分布、溫度分布，氣體濃度、溫度通常不均勻，在燃燒爐的規(guī)模比較小的情況下，通過在燃燒爐內(nèi)的若干處位置進(jìn)行實(shí)測，能夠以一定程度的精度進(jìn)行把握，但在燃燒爐的規(guī)模變大時(shí)，測量方法受限。作為這類測量方法之一，已知有如下方法：在從設(shè)于燃燒爐的多個(gè)激光端口以通過燃燒爐內(nèi)的燃燒空氣的方式照射激光的多個(gè)測量路徑中，通過利用計(jì)算機(jī)那樣的運(yùn)算處理裝置對激光的吸收量的累計(jì)值進(jìn)行解析，將氣體濃度以及溫度計(jì)算為二維分布。

在這樣的方法中，針對每個(gè)進(jìn)行激光照射的測量路徑而設(shè)定解析參數(shù)。因此，為了提高解析精度，需要設(shè)置足夠多的激光端口數(shù)。然而，在鍋爐那樣的實(shí)際的燃燒設(shè)備中，由于在燃燒爐的內(nèi)壁鋪設(shè)有供通過燃燒爐內(nèi)的燃燒空氣來加熱的液體(冷卻水)流通的配管，因此可設(shè)置的激光端口的數(shù)量有限。

專利文獻(xiàn)1公開了針對上述那樣的問題的解決方案之一。在專利文獻(xiàn)1中，對供激光測量的燃燒爐內(nèi)的二維空間進(jìn)行網(wǎng)格分割，基于各網(wǎng)格中的激光吸收量而計(jì)算氣體濃度值。而且，公開有如下內(nèi)容：在將各網(wǎng)格中的氣體濃度的分布假定為連續(xù)的高斯過程(gp：gaussianprocess)的基礎(chǔ)上，利用貝葉斯方法求解而求出氣體濃度分布。這樣，在專利文獻(xiàn)1中，通過將滿足連續(xù)性條件設(shè)為條件，即便在解析參數(shù)的數(shù)量比較少的情況下，也能夠獲得具有可靠性的解析結(jié)果。

在先技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特表2006-522938

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

專利文獻(xiàn)1那樣的使用激光的濃度測量基于取決于與燃燒空氣所包含的成分對應(yīng)的電子能級躍遷的吸收量，但上述那樣的激光吸收量具有不僅取決于濃度、還取決于燃燒空氣的溫度的特性。在專利文獻(xiàn)1中，通過對基于激光吸收量而求出的濃度分布設(shè)置連續(xù)性條件，從而求出接近實(shí)際的濃度分布。然而，在從激光吸收量導(dǎo)出濃度的過程中，沒有考慮激光吸收量的溫度依賴性，有可能無法實(shí)現(xiàn)足夠的解析精度。

本發(fā)明的至少一實(shí)施方式是鑒于上述的問題點(diǎn)而完成的，其目的在于，提供能夠高精度地分析燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體未被均勻地緩和的系統(tǒng)中的氣體濃度分布以及溫度分布的氣體分析裝置、燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)以及控制輔助系統(tǒng)、以及氣體分析方法。

解決方案

(1)本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的氣體分析裝置為了解決上述課題，對燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體的濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析，其中，所述氣體分析裝置具備：測定部，其通過在設(shè)為供所述燃燒氣體通過的多個(gè)測量路徑上照射激光來測定所述激光的吸收量，該激光包括與所述燃燒氣體所含有的同一成分的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長；基準(zhǔn)設(shè)定部，其基于所述測定部的測量結(jié)果而設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布；以及解析部，其以使由所述測量部測量出的吸收量與基于所述基準(zhǔn)氣體濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布而求出的基準(zhǔn)吸收量之間的偏差成為最小的方式解開包含所述氣體濃度分布以及所述溫度分布作為變量的函數(shù)，由此求出所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

根據(jù)上述(1)的結(jié)構(gòu)，在基于供燃燒空氣通過的多個(gè)測量路徑中的激光的吸收量而求出氣體濃度分布以及溫度分布時(shí)，通過以數(shù)值解析的方式解開包含氣體濃度分布以及溫度分布作為變量的函數(shù)，由此求出氣體濃度分布以及溫度分布，使得根據(jù)由基準(zhǔn)設(shè)定部設(shè)定的基準(zhǔn)分布來求出的基準(zhǔn)吸收量與由測量部測量到的吸收量之間的偏差成為最小。由于上述那樣的函數(shù)包含濃度分布以及溫度分布來作為共用的變量，因此能夠反映濃度以及溫度間存在相關(guān)關(guān)系這樣的實(shí)際現(xiàn)象的背景，能夠得到更接近實(shí)際的分布的解析解，并且能夠區(qū)分氣體濃度和溫度給予吸收量的影響(例如能夠區(qū)分基于溫度上升的吸收量減少和基于氣體濃度降低的吸收量減少)。這樣，根據(jù)本實(shí)施方式，即便在能夠設(shè)置于燃燒爐的激光端口數(shù)有限的狀況下，也能夠高效地求出考慮了激光的吸收量的溫度依賴性的、更接近實(shí)際的系統(tǒng)的氣體濃度分布以及溫度分布。

(2)在若干實(shí)施方式中，在上述(1)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述函數(shù)設(shè)定為與所述燃燒爐的形狀對應(yīng)。

根據(jù)上述(2)的結(jié)構(gòu)，通過采用與作為分析對象的燃燒氣體的某一燃燒爐的形狀對應(yīng)的函數(shù)，能夠在解析時(shí)求解函數(shù)時(shí)有效地探索更接近實(shí)際的解。

(3)在若干實(shí)施方式中，在上述(2)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述函數(shù)設(shè)定為，相對于圓柱坐標(biāo)系而包含中心軸位置、坐標(biāo)的橢圓率、周向分布項(xiàng)中的至少一者作為參數(shù)。

根據(jù)上述(3)的結(jié)構(gòu)，通過這些參數(shù)來規(guī)定燃燒爐的形狀，由此能夠以更少的參數(shù)來表現(xiàn)氣體濃度分布以及溫度分布。由此，求解函數(shù)時(shí)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)得以輕減，并且能夠有效地探索彈簧接近實(shí)際的系統(tǒng)的解。

(4)在若干實(shí)施方式中，在上述(1)至(3)中的任一結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述基準(zhǔn)設(shè)定部基于所述燃燒氣體的平均溫度而設(shè)定所述基準(zhǔn)濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布，所述燃燒氣體的平均溫度基于所述多個(gè)測量路徑中的所述激光所含有的與不同的電子能級躍遷對應(yīng)的波長下的吸收量之比而求出。

根據(jù)上述(4)的結(jié)構(gòu)，基于多個(gè)測量路徑中的激光吸收量而計(jì)算燃燒爐內(nèi)的平均溫度，并基于該平均溫度而設(shè)定基準(zhǔn)濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布。這樣設(shè)定的基準(zhǔn)濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布在以數(shù)值解析的方式求解函數(shù)時(shí)，有效地探索最終的解而成為適當(dāng)?shù)某跏贾?。例如，基?zhǔn)溫度分布可以設(shè)定為燃燒爐內(nèi)的溫度分布在上述求出的平均溫度處緩和的狀態(tài)，也可以設(shè)定為在收斂解析運(yùn)算中使用標(biāo)號(hào)法等的情況下對該分布附加角度。

(5)在若干實(shí)施方式中，在上述(4)的結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述同一成分為h2o。

根據(jù)上述(5)的結(jié)構(gòu)，h2o與例如o2、co2等相比，與相鄰的兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長區(qū)域存在于比較近的范圍。因此，通過控制例如波長掃描型的激光二極管的驅(qū)動(dòng)電流而對激光的波長進(jìn)行掃描的情況下，能夠在單一的激光二極管的掃描范圍內(nèi)覆蓋相鄰的兩個(gè)電子能級躍遷，因此能夠簡化裝置結(jié)構(gòu)。

(6)本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)為了解決上述課題，具備：燃料供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給燃料；空氣供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給空氣；上述(1)至(5)中的任一結(jié)構(gòu)的氣體分析裝置；以及控制機(jī)構(gòu)，其基于由所述氣體分析裝置分析出的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布，調(diào)整所述燃料供給機(jī)構(gòu)以及所述空氣供給機(jī)構(gòu)，由此控制所述燃料以及所述空氣向所述燃燒爐供給的供給量。。

根據(jù)上述(6)的結(jié)構(gòu)，基于燃燒爐中的由氣體分析得到的氣體濃度分布以及溫度分布而調(diào)整燃料供給機(jī)構(gòu)以及空氣供給機(jī)構(gòu)，由此能夠控制燃料以及空氣向燃燒爐供給的供給量。由此，實(shí)現(xiàn)消除了燃燒爐中的燃燒氣體的溫度不平衡、氧供給的過多或不足的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電端效率的提高、抑制因o2過多而導(dǎo)致的nox生成的增加。

(7)本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的燃燒設(shè)備的控制輔助系統(tǒng)為了解決上述課題，具備：燃料供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給燃料；空氣供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給空氣；上述(1)至(5)中的任一結(jié)構(gòu)的氣體分析裝置；以及顯示機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為顯示由所述氣體分析裝置分析出的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

根據(jù)上述(7)的結(jié)構(gòu)，通過將上述氣體分析裝置的分析結(jié)果顯示于顯示器那樣的顯示機(jī)構(gòu)而可視化，燃燒設(shè)備的操作人員能夠容易地把握燃燒爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)，由此能夠使操作人員對燃料狀態(tài)的調(diào)整作業(yè)高效化。

(8)本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的氣體分析方法為了解決上述課題，對燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體的濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析，其中，所述氣體分析方法包括：測定工序，在該測定工序中，通過在設(shè)為供所述燃燒氣體通過的多個(gè)測量路徑上照射激光來測定所述激光的吸收量，該激光包括與所述燃燒氣體所含有的同一成分的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長；基準(zhǔn)設(shè)定工序，在該基準(zhǔn)設(shè)定工序中，基于所述測定工序的測量結(jié)果而設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布；以及解析工序，在該解析工序中，以使由所述測量部測量出的吸收量與基于所述基準(zhǔn)氣體濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布而求出的基準(zhǔn)吸收量之間的偏差成為最小的方式解開包含所述氣體濃度分布以及所述溫度分布來作為變量的函數(shù)，由此求出所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

上述(8)的方法能夠通過上述的氣體分析裝置(包括上述各種結(jié)構(gòu))而適宜地實(shí)施。

發(fā)明效果

根據(jù)本發(fā)明的至少一實(shí)施方式，能夠提供高精度地分析燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體未被均勻地緩和的系統(tǒng)中的氣體濃度分布以及溫度分布的氣體分析裝置、燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)以及控制輔助系統(tǒng)、以及氣體分析方法。

附圖說明

圖1是示出具備本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的氣體分析裝置的燃燒設(shè)備的結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖2是用于說明圖1的燃燒爐的各區(qū)域的示意圖。

圖3是圖1的a-a線的剖視圖。

圖4是示出圖1的紅外線測量解析單元的結(jié)構(gòu)的框圖。

圖5是按照工序示出由圖4的紅外線測量解析單元實(shí)施的氣體分析方法的流程圖。

圖6是由測量激光受光系統(tǒng)測定的吸收光譜的一例。

圖7是按照工序示出由圖4的紅外線測量解析單元實(shí)施的分配控制機(jī)構(gòu)的控制方法的流程圖。

圖8是示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式所涉及的燃燒裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖對本發(fā)明的若干實(shí)施方式進(jìn)行說明。其中，作為實(shí)施方式而記載的或者附圖所示的構(gòu)成部件的尺寸、材質(zhì)、形狀、及其相對的配置等并非意在將本發(fā)明的范圍限定于此，僅是單純的說明例。

例如，“朝某一方向”、“沿著某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同軸”等表示相對或者絕對的配置的表現(xiàn)不僅嚴(yán)格表示上述那樣的配置，還表示帶有公差或者獲得相同功能的程度的角度、距離而相對位移的狀態(tài)。

另外，例如，表示四邊形、圓筒形狀等形狀的表現(xiàn)不僅表示幾何學(xué)上的嚴(yán)格意義的四邊形、圓筒形狀等形狀，還表示在獲得相同效果的范圍內(nèi)包括凹凸部、倒角部等的形狀。

另一方面，“具備”、“具有”、“包括”、“含有”、“包含”一構(gòu)成要素這樣的表現(xiàn)并非排除其他構(gòu)成要素的存在的排他性表現(xiàn)。

首先，參照圖1～圖3，對具備本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的氣體分析裝置的燃燒設(shè)備1的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖1是示出具備本發(fā)明的至少一實(shí)施方式所涉及的氣體分析裝置的燃燒設(shè)備1的結(jié)構(gòu)的示意圖，圖2是用于說明圖1的燃燒爐的各區(qū)域的示意圖，圖3是圖1的a-a線的剖視圖。

燃燒設(shè)備1具備：使燃料燃燒的燃燒爐2；對由該燃燒爐2生成的燃燒空氣進(jìn)行引導(dǎo)的煙道4；從燃燒空氣取得熱能的再熱器單元6；通過調(diào)整燃料以及空氣向燃燒爐2內(nèi)的供給而控制燃燒爐2內(nèi)的燃燒狀態(tài)的燃燒控制裝置8；對燃燒爐2內(nèi)的燃燒空氣(氣體)進(jìn)行分析的氣體分析裝置10。

燃燒爐2構(gòu)成為，由使用了耐熱性材料的壁面圍成大致箱形狀。在燃燒爐2中，從后述的燃燒控制裝置8供給的燃料以及空氣燃燒，由此生成高溫的燃燒空氣。燃燒爐2的鉛垂方向上側(cè)開放，該開放的部位與煙道4連接。以將由燃燒爐2生成的高溫的燃燒空氣向煙道4引導(dǎo)的方式形成流路。

再熱器單元6由多個(gè)再熱器構(gòu)成，且配置在燃燒爐2以及煙道4中的燃燒空氣的流路上。再熱器由在內(nèi)部封入有液體或者氣體的管狀的構(gòu)件構(gòu)成。被封入再熱器的液體或者氣體與高溫的燃燒空氣進(jìn)行熱交換，由此取得熱能并成為蒸汽。該蒸汽能夠從再熱器單元6經(jīng)由規(guī)定的路線，并驅(qū)動(dòng)未圖示的渦輪旋轉(zhuǎn)，由此將熱能轉(zhuǎn)換為電能或者機(jī)械能進(jìn)行輸出。

這樣，燃燒設(shè)備1作為發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)而發(fā)揮功能，但并不限于上述那樣的用途，例如，也可以用作利用由再熱器單元6取得的熱能來加熱任意物質(zhì)的加熱機(jī)。

燃燒控制裝置8通過調(diào)整向燃燒爐2內(nèi)供給的燃料以及空氣來控制燃燒爐2內(nèi)的燃燒狀態(tài)。燃燒控制裝置8具備向燃燒爐2供給燃料的燃料供給機(jī)構(gòu)12以及供給空氣的空氣供給機(jī)構(gòu)14。

燃料供給機(jī)構(gòu)12具備：使燃料燃燒的微粉煤燃燒器(以下，適宜地稱作“燃燒器”)16；供給作為燃料的微粉煤的微粉煤供給部18；產(chǎn)生用于搬運(yùn)燃料的送風(fēng)的送風(fēng)機(jī)20；用于調(diào)整燃料的流量的流量調(diào)整閥22；以及將這些構(gòu)件相互連接的配管24。

微粉煤供給部18是構(gòu)成為將燃料向配管24供給的機(jī)構(gòu)。被供給至配管24的微粉煤在送風(fēng)機(jī)20的作用下在配管24中被搬運(yùn)，在與經(jīng)由流量調(diào)整閥22而從空氣供給機(jī)構(gòu)14的主配管32導(dǎo)入的空氣混合之后，向燃燒器16供給。燃燒器16是設(shè)置為噴射口向燃燒爐2的內(nèi)側(cè)露出的燃燒機(jī)，噴射經(jīng)由配管24供給來的燃料，并使該燃料在燃燒爐2內(nèi)燃燒。

需要說明的是，燃燒器16配置在燃燒爐2內(nèi)的多處位置，優(yōu)選的是，布局為利用從各燃燒器16噴射的空氣在燃燒爐2內(nèi)形成漩渦狀的空氣流動(dòng)。

需要說明的是，微粉煤供給部18可以是將煤粉碎而生成微粉煤并將該生成的微粉煤向配管24供給的機(jī)構(gòu)，也可以是儲(chǔ)存預(yù)先生成的微粉煤并將該儲(chǔ)存的微粉煤向配管24供給的機(jī)構(gòu)。

空氣供給機(jī)構(gòu)14具備：向燃燒爐2供給一次空氣的一次空氣供給單元26以及供給二次空氣的二次空氣供給單元28；與上述的燃料供給機(jī)構(gòu)12同時(shí)向一次空氣供給單元26以及二次空氣供給單元28輸送空氣的鼓風(fēng)機(jī)或者風(fēng)扇即送風(fēng)機(jī)30；以及將這些構(gòu)件連接起來的主配管32。

一次空氣供給單元26具備：配置為吹出口34向燃燒爐2露出的第一配管36；以及構(gòu)成為調(diào)整該第一配管36中的空氣流量的流量調(diào)整閥38。第一配管36構(gòu)成為，經(jīng)由流量調(diào)整閥38而與主配管32連接，能夠?qū)⒗盟惋L(fēng)機(jī)30引入主配管32的空氣導(dǎo)入吹出口34。吹出口34設(shè)置于燃燒爐2內(nèi)的燃燒空氣的流路中的、比燃燒器16靠下游側(cè)的位置。流量調(diào)整閥38配置于主配管32與第一配管36的連接部，且對從主配管32向第一配管36供給的空氣的量進(jìn)行調(diào)整。

二次空氣供給單元28具備：配置為吹出口40向燃燒爐2露出的第二配管42；以及構(gòu)成為能夠調(diào)整該第二配管42中的空氣流量的流量調(diào)整閥44。第二配管42構(gòu)成為，經(jīng)由流量調(diào)整閥44而與主配管32連接，能夠?qū)⒗盟惋L(fēng)機(jī)30引入主配管32的空氣導(dǎo)入吹出口40。吹出口40設(shè)置于燃燒爐2內(nèi)的燃燒空氣的流路中的、比吹出口34靠下游側(cè)的位置。流量調(diào)整閥44配置于主配管32與第二配管42的連接部，且對從主配管32向第二配管42供給的空氣的量進(jìn)行調(diào)整。

分配控制機(jī)構(gòu)46通過調(diào)整流量調(diào)整閥22、38、44的開度，將由送風(fēng)機(jī)30引入的空氣以規(guī)定比率分配給燃料供給機(jī)構(gòu)12、一次空氣供給單元26以及二次空氣供給單元28。在本實(shí)施方式中，分配控制機(jī)構(gòu)46構(gòu)成為，基于來自在控制室設(shè)置的紅外線測量解析單元的控制信號(hào)而自動(dòng)地控制。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在燃燒爐2的內(nèi)部從上游側(cè)朝向下游側(cè)而形成有燃燒器燃燒區(qū)域48、未燃燃料存在還原區(qū)域50、燃燒完結(jié)區(qū)域52的區(qū)域。在此，燃燒器燃燒區(qū)域48是供從燃燒器16噴射的燃料燃燒的區(qū)域，且是從吹出口34到上游為止的區(qū)域。未燃燃料存在還原區(qū)域50是通過從吹出口34以及吹出口40供給空氣而使未反應(yīng)的燃料與從吹出口34以及吹出口40供給的空氣發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域，且是吹出口34以及吹出口40之間的區(qū)域、即供給二次空氣的區(qū)域。燃燒完結(jié)區(qū)域52是剩余的燃料與空氣發(fā)生反應(yīng)的區(qū)域，且是從比吹出口40靠下游側(cè)到燃燒爐2以及煙道4的連接部為止的區(qū)域。

再次返回圖1，氣體分析裝置10具備：對出于測量的目的而向燃燒爐2的燃燒空氣照射的激光進(jìn)行控制的測量激光控制裝置54；通過接受該照射的激光而解析測量結(jié)果、并且基于解析結(jié)果而控制分配控制機(jī)構(gòu)46的紅外線測量解析單元56；以及顯示該解析結(jié)果的二維測量結(jié)果顯示部58。

測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62設(shè)置在燃燒爐2的相互對置的位置，以使得從測量激光送光系統(tǒng)60照射出的激光在通過燃燒爐2內(nèi)的燃燒空氣之后被測量激光受光系統(tǒng)62接受。在本實(shí)施方式中，尤其是構(gòu)成為，通過將測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62設(shè)置在比吹出口40靠下游側(cè)的沿著大致水平方向的二維平面上，能夠分析位于燃燒完結(jié)區(qū)域52的燃燒空氣。

測量激光送光系統(tǒng)60包括能夠發(fā)出具有紅外線區(qū)域的波長帶的激光的激光二極管。該激光二極管是能夠調(diào)整由驅(qū)動(dòng)電流輸出的激光的波長的波長掃描型的激光二極管，且構(gòu)成為基于來自測量激光控制裝置54的指令而能夠進(jìn)行波長掃描。在此，測量激光送光系統(tǒng)60的波長掃描范圍被選擇為，包括與燃燒空氣所含的相同氣體種類的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的波長。在本實(shí)施方式中，尤其是將激光二極管選擇為，包括與燃燒空氣所含有的氣體的一種即h2o兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的波長。這是因?yàn)?，h2o與同樣被燃燒空氣包含的o2、co2等相比，與相鄰的兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的波長區(qū)域存在于比較近的范圍。

在此，如圖3所示，測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62在燃燒爐2上設(shè)有多個(gè)。若從鉛垂方向上方觀察，則燃燒爐2具有大致矩形的二維截面。在本實(shí)施方式中，測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62在該二維截面中設(shè)于相互對置的邊上。上述那樣的測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62的對以彼此的測量路徑垂直地交叉的方式在紙面上沿著垂直方向和水平方向而分別設(shè)有n(n為2以上的自然數(shù))個(gè)。即，在本實(shí)施方式中，合計(jì)設(shè)有2n個(gè)測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62的對。而且，利用這樣配置的測量激光送光系統(tǒng)60以及測量激光受光系統(tǒng)62來形成有合計(jì)2n條測量路徑p。

紅外線測量解析單元56取得測量激光受光系統(tǒng)62中的測量結(jié)果，并基于該測量結(jié)果而實(shí)施利用了二維解析方法(斷層照相法)的氣體分析。在此，參照圖4～圖7，按照工序?qū)υ摎怏w分析的具體方法進(jìn)行說明。圖4是示出圖1的紅外線測量解析單元56的結(jié)構(gòu)的框圖，圖5是按照工序示出由圖4的紅外線測量解析單元56實(shí)施的氣體分析方法的流程圖，圖6是由測量激光受光系統(tǒng)62測定的吸收光譜的一例，圖7是按照工序示出由圖4的紅外線測量解析單元56實(shí)施的分配控制機(jī)構(gòu)46的控制方法的流程圖。

如圖4所示，紅外線測量解析單元56具備：測量部64，取得測量激光受光系統(tǒng)62的測量結(jié)果；基準(zhǔn)設(shè)定部66，將基準(zhǔn)氣體濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布設(shè)定為二維分布函數(shù)；以及解析部68，以使所述吸收量與所述基準(zhǔn)吸收量的偏差成為最小的方式通過收斂計(jì)算來求出所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

首先，基準(zhǔn)設(shè)定部66基于由測量部64取得的測量結(jié)果而設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr(步驟s101)。基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr在由解析部68實(shí)施的解析中，作為以氣體濃度分布dc以及溫度分布dt為變量進(jìn)行收斂運(yùn)算時(shí)的初始值而發(fā)揮功能。

在此，基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr是基于利用測量激光送光系統(tǒng)60向燃燒空氣照射激光并由測量激光受光系統(tǒng)62測量出的吸收量(吸收光譜)而設(shè)定的，該激光包括與燃燒空氣所含的同一氣體種類的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長。圖6示出由測量激光受光系統(tǒng)62測量出的吸收光譜的一例，且示出燃燒空氣的溫度為t1、t2、t3(t1＞t2＞t3)的三個(gè)圖案。該光譜在與燃燒空氣所含的h2o的相鄰的兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的波長區(qū)域中顯現(xiàn)吸收光譜s1以及s2。s1是與第一能級躍遷對應(yīng)的吸收光譜，s2為與第二能級對應(yīng)的吸收光譜。

在此，吸收光譜s1相對于吸收光譜s2的峰值比具有取決于燃燒空氣的溫度而發(fā)生變化的性質(zhì)。即，通過預(yù)先確定吸收光譜s1相對于吸收光譜s2的峰值比與燃燒空氣的溫度之間的相關(guān)，能夠求出與基于實(shí)測值的吸收光譜s1相對于吸收光譜s2的峰值比對應(yīng)的燃燒空氣的溫度。這樣一來，所求出的燃燒空氣的溫度相當(dāng)于進(jìn)行該吸收光譜測定的測量路徑上的平均溫度?；鶞?zhǔn)設(shè)定部66利用上述那樣的峰值比的溫度依賴性，基于由各測量路徑p測量的吸收波長光譜s1以及s2而求出各測量路徑中的平均溫度。然后，通過使各測量路徑中的平均溫度進(jìn)一步平均化，對燃燒爐2中的燃燒空氣的平均溫度進(jìn)行計(jì)算。然后，基準(zhǔn)設(shè)定部66在多個(gè)測量路徑p存在的平面上按照這樣計(jì)算出的平均溫度設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr來作為恒定的溫度分布。

再次返回圖5，接著，解析部68準(zhǔn)備在進(jìn)行以下的解析時(shí)在控制方面使用的增量變量k，并將其初始值設(shè)定為“1”(步驟s102)。然后，測量激光控制裝置54對測量激光送光系統(tǒng)60發(fā)送指令，由此對燃燒空氣照射激光(步驟s103)。另一方面，測量激光受光系統(tǒng)62接收來自測量激光送光系統(tǒng)60的激光，利用紅外線測量解析單元56根據(jù)該測量結(jié)果來求出多個(gè)測量路徑中的吸收光譜s(步驟s104)。

需要說明的是，在以下的說明中，在單獨(dú)地示出與2n條測量路徑p對應(yīng)的吸收光譜s的情況下，分別由“s1、s2、···s2n”表示。

解析部68基于與多個(gè)測量路徑對應(yīng)的吸收光譜s1、s2、s3、···s2n并通過再構(gòu)成來推斷作為二維分布的氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk(步驟s105)。在步驟s105的推斷運(yùn)算中，解析部68將氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk分別規(guī)定為包含共用的變量參數(shù)的函數(shù)。為了與供成為解析對象的燃燒空氣存在的燃燒爐2的形狀對應(yīng)，例如以通常的圓柱坐標(biāo)系(例如徑向的低次的傅里葉級數(shù)展開、高斯分布等)為基本，在此適宜地使用以圓柱坐標(biāo)系的中心軸位置、坐標(biāo)的橢圓率、周向分布項(xiàng)為參數(shù)的二維分布函數(shù)，由此來設(shè)定該函數(shù)。

在本實(shí)施方式中，尤其是，鑒于氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk存在相關(guān)性，以使表示氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk的函數(shù)至少共用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)的中心軸位置、坐標(biāo)的橢圓率的參數(shù)的方式設(shè)定函數(shù)。由此，在計(jì)算氣體濃度分布時(shí)考慮了基于燃燒空氣的溫度分布的影響，能夠得到更接近實(shí)際的分布的解析結(jié)果。以下，是從上述那樣的技術(shù)思想導(dǎo)出的函數(shù)的一例。

在此，在(1)式中，x為氣體濃度分布dck，y為溫度分布dtk，

另外，(1)式中的各參數(shù)如下：a、物理量中心值；b以及c、徑向分布系數(shù)；dk以及ek、周向分布系數(shù)；widx以及widy、坐標(biāo)的橢圓率；xc以及yc、圓柱坐標(biāo)系的中心軸位置。

需要說明的是，在重復(fù)計(jì)算中例如使用標(biāo)號(hào)法，以使所取得的吸收光譜s與解析上的吸收光譜sr的偏差變小的方式進(jìn)行各參數(shù)(a、bi、ci、dk、ek、widx、widy、xc、yc)的更新。

接著，基于在步驟s101中設(shè)定的基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr而求出多個(gè)測量路徑中的基準(zhǔn)吸收光譜sr(步驟s106)，將與在步驟s104中取得的吸收光譜s之間的偏差δk通過下式求出(步驟s107)。

δk＝|s-sr|

接著，解析部68對在步驟s107中求出的δk是否為δk-1以上進(jìn)行判斷(步驟s108)。在δk小于δk-1的情況下(步驟s108：否)，與前次控制循環(huán)相比，偏差縮小，因此將在步驟s105中推斷出的氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk更新為基準(zhǔn)氣體濃度分布dcr以及基準(zhǔn)溫度分布dtr(步驟s109)。然后，加上增量變量(步驟s110)，使處理返回至步驟s107。

重復(fù)步驟s107～s110的處理的結(jié)果是，當(dāng)δk變?yōu)棣膋-1以上時(shí)(步驟s108：否)，解析部68判斷為解收斂，將在步驟s105中推斷出的氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk輸出為解析結(jié)果(步驟s111)。這樣，在本實(shí)施方式中，在計(jì)算氣體濃度的二維分布時(shí)，將氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk同時(shí)作為變量來處理，以使偏差δk變?yōu)樽钚〉姆绞角蠼狻?/p>

這樣導(dǎo)出的解即氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk作為解析結(jié)果而向分配控制機(jī)構(gòu)46以及二維測量結(jié)果顯示部58發(fā)送。分配控制機(jī)構(gòu)46基于通過氣體分析裝置10分析出的氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk而調(diào)整流量調(diào)整閥22、38、44，由此來控制燃料供給機(jī)構(gòu)12、一次空氣供給單元26、二次空氣供給單元28。

在此，參照圖7，對分配控制機(jī)構(gòu)46的控制例進(jìn)行具體說明。在該例中，對作為氣體濃度分布dck而獲得燃燒空氣所含有的o2以及co2的濃度分布作為分析結(jié)果的情況進(jìn)行說明。

首先，分配控制機(jī)構(gòu)46基于氣體濃度分布dck而判斷燃燒爐2中的o2濃度的總量是否為上限目標(biāo)值以下(步驟s201)。在o2濃度的總量大于上限目標(biāo)值的情況下(步驟s201：否)，分配控制機(jī)構(gòu)46控制燃燒器16、流量調(diào)整閥22、38、44，使得一次空氣以及二次空氣的總量降低(步驟s202)。

另一方面，在o2濃度的總量為上限目標(biāo)值以下的情況下(步驟s201：是)，分配控制機(jī)構(gòu)46還判斷co2濃度的總量是否為上限目標(biāo)值以下(步驟s203)。在co2濃度的總量大于上限目標(biāo)值的情況下(步驟s203：否)，控制燃燒器16、流量調(diào)整閥22、38、44，使得一次空氣以及二次空氣的總量降低(步驟s204)。

另一方面，在co2濃度的總量為上限目標(biāo)值以下的情況下(步驟s203：是)，分配控制機(jī)構(gòu)46基于氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk中的偏差進(jìn)行反饋而控制燃燒器16、流量調(diào)整閥22、38、44的平衡(步驟s204)。在上述那樣的反饋控制中，判斷燃燒設(shè)備1是否停止(步驟s205)。在燃燒設(shè)備1為運(yùn)轉(zhuǎn)中的情況下(步驟s205：否)，使處理返回至步驟s201，并重復(fù)上述控制。另一方面，在燃燒設(shè)備1停止的情況下(步驟s205：是)，一系列的處理完成(結(jié)束)。

這樣，分配控制機(jī)構(gòu)46通過控制燃料、一次空氣以及二次空氣向燃燒爐2供給的供給量，實(shí)現(xiàn)消除了燃燒爐2中的溫度不平衡、氧供給的過多或不足的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)，從而能夠抑制發(fā)電端效率的提高、因o2過多導(dǎo)致的nox生成的增加。另外，在二維測量結(jié)果顯示部58中，氣體濃度分布dck以及溫度分布dtk通過例如顯示器那樣的顯示機(jī)構(gòu)而對操作人員可視化，由此容易監(jiān)視燃燒爐2中的燃燒狀態(tài)。

圖8是示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式所涉及的燃燒設(shè)備1的結(jié)構(gòu)的示意圖。本實(shí)施方式中，在控制室設(shè)置能夠供操作人員操作的控制面板70?？刂泼姘?0將與所輸入的操作內(nèi)容對應(yīng)的控制信號(hào)發(fā)送至分配控制機(jī)構(gòu)46，由此操作分配控制機(jī)構(gòu)46。在此，從控制面板70向分配控制機(jī)構(gòu)46發(fā)送的控制信號(hào)與在圖1中紅外線測量解析單元56發(fā)送至分配控制機(jī)構(gòu)46的控制信號(hào)等同，對燃料供給機(jī)構(gòu)12、一次空氣供給單元26、二次空氣供給單元28進(jìn)行控制。即，在本實(shí)施方式中構(gòu)成為，操作人員操作控制面板70，由此對分配控制機(jī)構(gòu)46進(jìn)行手動(dòng)操作而能夠調(diào)整燃燒狀態(tài)。

在控制室內(nèi)設(shè)有顯示紅外線測量解析單元56中的解析結(jié)果的二維測量結(jié)果顯示部58。二維測量結(jié)果顯示部58是在例如顯示器那樣的顯示機(jī)構(gòu)中使解析結(jié)果對處于控制室內(nèi)的操作人員可視化的機(jī)構(gòu)。

控制面板70的操作人員通過參照例如在顯示器那樣的顯示機(jī)構(gòu)即二維測量結(jié)果顯示部58中顯示的解析結(jié)果，由此把握燃燒爐2內(nèi)的燃燒狀態(tài)，并根據(jù)其結(jié)果來操作控制面板70。這樣，在本實(shí)施方式中，操作人員能夠一邊容易把握燃燒爐2的燃燒狀態(tài)一邊高效地進(jìn)行作業(yè)。

如以上說明那樣，根據(jù)本實(shí)施方式，能夠提供可高精度地分析燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體未被均勻地緩和的系統(tǒng)中的氣體濃度分布以及溫度分布的氣體分析裝置、燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)以及控制輔助系統(tǒng)、以及氣體分析方法。

工業(yè)實(shí)用性

本公開能夠在對燃燒爐內(nèi)的氣體濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析的氣體分析裝置、具備該氣體分析裝置的燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)以及控制輔助系統(tǒng)、以及由該氣體分析裝置實(shí)施的氣體分析方法中應(yīng)用。

附圖標(biāo)記說明：

1燃燒設(shè)備

2燃燒爐

4煙道

6再熱器單元

8燃燒控制裝置

10氣體分析裝置

12燃料供給機(jī)構(gòu)

14空氣供給機(jī)構(gòu)

16微粉煤燃燒器

18微粉煤供給部

20、30送風(fēng)機(jī)

22、38、44流量調(diào)整閥

24配管

26一次空氣供給單元

28二次空氣供給單元

32主配管

34、40吹出口

36第一配管

42第二配管

46分配控制機(jī)構(gòu)

48燃燒器燃燒區(qū)域

50未燃燃料存在還原區(qū)域

52燃燒完結(jié)區(qū)域

54測量激光控制部

56紅外線測量解析單元

58二維測量結(jié)果顯示部

60測量激光送光系統(tǒng)

62測量激光受光系統(tǒng)

64測量部

66基準(zhǔn)設(shè)定部

68解析部

70控制面板

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.(修改后)一種氣體分析裝置，其對燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體的濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析，

其特征在于，

所述氣體分析裝置具備：

測定部，其通過在設(shè)為供所述燃燒氣體通過的多個(gè)測量路徑上照射激光來測定所述激光的吸收量，該激光包括與所述燃燒氣體所含有的同一成分的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長；

基準(zhǔn)設(shè)定部，其基于所述測定部的測量結(jié)果而設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布；以及

解析部，其對被規(guī)定為包含共用的變量參數(shù)的函數(shù)的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布進(jìn)行規(guī)定，以使由所述測量部測量出的吸收量與基于所述基準(zhǔn)氣體濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布而求出的基準(zhǔn)吸收量之間的偏差成為最小的方式求出所述變量參數(shù)，由此求出所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體分析裝置，其特征在于，

所述函數(shù)設(shè)定為與所述燃燒爐的形狀對應(yīng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體分析裝置，其特征在于，

所述函數(shù)設(shè)定為，相對于圓柱坐標(biāo)系而包含中心軸位置、坐標(biāo)的橢圓率、周向分布項(xiàng)中的至少一者作為參數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的氣體分析裝置，其特征在于，

所述基準(zhǔn)設(shè)定部基于所述燃燒氣體的平均溫度而設(shè)定所述基準(zhǔn)濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布，所述燃燒氣體的平均溫度基于所述多個(gè)測量路徑中的所述激光所含有的與不同的電子能級躍遷對應(yīng)的波長下的吸收量之比而求出。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體分析裝置，其特征在于，

所述同一成分為h2o。

6.一種燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)，其特征在于，

所述燃燒設(shè)備的控制系統(tǒng)具備：

燃料供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給燃料；

空氣供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給空氣；

權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的氣體分析裝置；以及

控制機(jī)構(gòu)，其基于由所述氣體分析裝置分析出的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布，調(diào)整所述燃料供給機(jī)構(gòu)以及所述空氣供給機(jī)構(gòu)，由此控制所述燃料以及所述空氣向所述燃燒爐供給的供給量。

7.一種燃燒設(shè)備的控制輔助系統(tǒng)，其特征在于，

所述燃燒設(shè)備的控制輔助系統(tǒng)具備：

燃料供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給燃料；

空氣供給機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為向所述燃燒爐供給空氣；

權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的氣體分析裝置；以及

顯示機(jī)構(gòu)，其構(gòu)成為顯示由所述氣體分析裝置分析出的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。

8.(修改后)一種氣體分析方法，其對燃燒爐內(nèi)的燃燒氣體的濃度分布以及溫度分布進(jìn)行分析，

其特征在于，

所述氣體分析方法包括：

測定工序，在該測定工序中，通過在設(shè)為供所述燃燒氣體通過的多個(gè)測量路徑上照射激光來測定所述激光的吸收量，該激光包括與所述燃燒氣體所含有的同一成分的至少兩個(gè)電子能級躍遷對應(yīng)的吸收波長；

基準(zhǔn)設(shè)定工序，在該基準(zhǔn)設(shè)定工序中，基于所述測定工序的測量結(jié)果而設(shè)定基準(zhǔn)氣體濃度分布以及基準(zhǔn)溫度分布；以及

解析工序，在該解析工序中，對被規(guī)定為包含共用的變量參數(shù)的函數(shù)的所述氣體濃度分布以及所述溫度分布進(jìn)行規(guī)定，以使由所述測量工序測量出的吸收量與基于所述基準(zhǔn)氣體濃度分布以及所述基準(zhǔn)溫度分布而求出的基準(zhǔn)吸收量之間的偏差成為最小的方式求出所述變量參數(shù)，由此求出所述氣體濃度分布以及所述溫度分布。