JP2006058165A

JP2006058165A - 火炎検出器

Info

Publication number: JP2006058165A
Application number: JP2004241211A
Authority: JP
Inventors: Katsunao Kamina; 克尚上名
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2004-08-20
Filing date: 2004-08-20
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】採光部の光ファイバ構造を簡略化し、また光の伝達方向に関して同径の１本の光ファイバで構成することにより、コストの大幅な低減を計り、また光ファイバへの損傷を受けにくくした前記火炎検出器を提供する。
【解決手段】複数本のバーナを備えた燃焼装置の火炎光を複数本の光ファイバを介して採光する採光部と、該採光部の光ファイバからの光を分析装置に伝達する光ファイバからなる伝送部とを備えた火炎検出器において、前記採光部の複数本の光ファイバは、中心となる光ファイバと、該光ファイバの中心軸に対して先端部分が前記火炎光に向けて放射状に折り曲げ加工された複数本の光ファイバからなることを特徴とする火炎検出器。
【選択図】図１

Description

本発明は、火炎検出器に係り、特に業務用ボイラなどの燃焼装置に用いられる、複数の光ファイバを用いた多視野型火炎検出器に関するものである。

火炎検出器は、事業用ボイラを始めとした燃焼装置において、バーナの点火・消火等を判定する装置であり、機能として、火炎の有無、燃焼程度、燃焼状態の判定等を正確に診断することが重要となっている。例えば、火炎の有無の判定の場合、燃焼炉内で既に火炎が形成されているのに、火炎無しと判定した場合には、ボイラへの燃料の供給を停止するので消火してしまうし、また一方、火炎が存在しないのに火炎が形成されていると判定した場合には、ボイラへの燃料供給が行われ、燃焼爆発の危険性もでてくる。このように、火炎検出器の性能如何が燃焼制御に大きな影響を及ぼすこととなる。
発電所用大型ボイラの火炎検出器の場合、ボイラの大容量化に伴うバーナ本数の増加、中間負荷運用化に伴うバーナ点火・消火回数の増加、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する燃焼方法の実施、さらには燃料の多様化に伴う燃焼挙動の変化等により、バーナの火炎検出器に対するより一層の性能向上が望まれている。

このような状況下で、従来技術として、複数本の光ファイバを用いた火炎検出装置が知られており、この装置は、従来の単一方向からのみの火炎を受光する火炎検出器と比べ、信頼性・性能の面で優れている。

従来技術による複数の光ファイバを用いた火炎検出器を図５に示す。この火炎検出器は、バーナ１８の火炎光１９を光ファイバにより検知する火炎検知器本体１６と、その先端に設けられた採光部１７と、該採光部１７で採光された光を伝送する光ファイバ１５と、該光ファイバ１５に伝送用の光ファイバケーブル２０を介して連結された分析装置２１とから主として構成される。光ファイバ１５は、火炎検知器本体１６内に挿入されており、その光ファイバ先端部が採光部１７に位置している。分析装置２１は、光信号を電気信号に変換する光電変換器２２、この電気信号を増幅する増幅器２３、この電気信号に基づき火炎の有無の検知を行う演算回路２４からなり、火炎の有無を出力するように構成されている。

図６は、火炎検出器本体１６の説明図であり、図中、（ａ）は、採光部１７の光ファイバの拡大図、（ｂ）は、光ファイバの採光部と伝送部のコネクタ部分の断面図を示す。採光部１７における光ファイバは、図６（ａ）に示されるように、広角度での採光が可能なように、１本の曲げの無い光ファイバを基準としてθ１、θ２と順次角度をもつように折り曲げ加工された光ファイバ１５ａ、１５ｂ、１５ｃから構成されている。
また採光部１７と、火炎検知器本体１６で使用されている光ファイバの径は図６（ｂ）に示すように異なっており、採光部において、より火炎光を入射させるため、径の大きい光ファイバ２６を使用し、光伝送部では径の小さい光ファイバ２７を使用している。このように、従来の火炎検出器は、光の伝達方向に対して、順に光ファイバの径を小さくするように、複数の光ファイバの接続個所にコネクタを用いて連接した構成となっている。なお、２６ａ、２６ｂ、２６ｃは火炎光を構成的に示したものである。
特公平3-74775号公報特公平6-97187号公報

しかしながら、従来の複数の光ファイバを用いた火炎検出器は、上記のように構造が複雑で、高価となるため、大規模発電のプラントでしか採用されておらず、中小規模な発電プラントでは、他の信頼性の劣る火炎検出器が使用されている。そのようなプラントの中には、火炎誤検出等のため、火炎検出機能を除外して運用しているところもあり、運用上問題となっている。従って、中小規模の発電プラントにおいては、複数の光ファイバを用いた高性能火炎検出器の構造の簡易化を行うことでコスト低減を図り、かつ性能面での向上を図った火炎検出器が待望されていた。

従来の火炎検出器は、図６（ａ）に示したように、火炎検出器の採光部に配置する複数本の光ファイバは、広角度にわたり火炎を検出する機能を付与するため、曲げのない０°の光ファイバ１５ｃを基準としてθ１、θ２（>θ１）と角度をもつように折り曲げ加工された光ファイバ１５ａ、１５ｂを配置する構造となっていた。このため、θ２のように角度を大きくとって曲げた光ファイバに関しては、折り曲げ加工されてない光ファイバに比べ、伝送損失が大きくなり、また曲げ部の強度が低下し、何からの理由で冷却空気が供給されず、例えば採光部が高温にさらされた場合には曲げ部に損傷を受け易くなる。加えて、光ファイバの曲げには主に熱加工が採用されるが、その場合、曲げ角度が大きくなるにつれ加工作業が難しくなり、製造工程での大きなロスとなっている。
さらに、上記従来技術では、異なる口径の光ファイバ２６，２７を連接させているため、複雑な構造となり、高額なコストを必要とし、さらに接続部においての伝送損失が大きくなる。また高温のバーナ近傍で使用される火炎検出器において、これら光ファイバの接続個所が損傷を受け易くなる。

本発明の課題は、従来通りの機能を持たせたまま、採光部の光ファイバ構造を簡略化し、また光の伝達方向に関して同径の１本の光ファイバで構成することにより、コストの大幅な低減を計り、また光ファイバへの損傷を受けにくくした前記火炎検出器を提供することにある。

上記課題は、以下の特徴を有する火炎検出器により達成される。
（１）複数本のバーナを備えた燃焼装置の火炎光を複数本の光ファイバを介して採光する採光部と、該採光部の光ファイバからの光を分析装置に伝達する光ファイバからなる伝送部とを備えた火炎検出器において、前記採光部の複数本の光ファイバは、中心となる光ファイバと、該光ファイバの中心軸に対して先端部分が前記火炎光に向けて放射状に折り曲げ加工された複数本の光ファイバからなることを特徴とする火炎検出器。
（２）前記放射状に折り曲げ加工された光ファイバは、前記中心となる光ファイバに対して対称に配置されることを特徴とする（１）記載の火炎検出器。

（３）前記採光部から後続の伝送部まで略同一径の光ファイバによって構成されることを特徴とする（１）または（２）記載の火炎検出器。
（４）前記分析装置は、前記各バーナの火炎性状を検知する光電変換素子を有する火炎判定部を有し、前記採光部から火炎判定部まで略同一径の光ファイバによって構成されることを特徴とする（１）ないし（３）のいずれかに記載の火炎検出器。

[作用]
本火炎検出器は、検出器先端部における採光部において採光されたバーナ火炎光を同一径光ファイバにより、光電変換器まで光を伝達する。採光部においては、最小の光ファイバ曲げ角度によって火炎光を広角度で検出することが可能となる。それによって、光ファイバ曲げ部分にかかる応力を抑えることができると共に、曲げによる光伝送損失も最小限にすることができる。また、同一径光ファイバ採用により、従来のような接続部での光伝送損失がなくなることから、より正確な火炎検知が可能となる。

本発明によれば、バーナ火炎に対して複数本の光ファイバを用いて検出する火炎検出装置において、従来と比較して、光の伝送損失を大幅に削減し、また光ファイバの曲げ部に対する応力が軽減することから、強度面においても向上が測れ、製品としての信頼性をより向上することができる。

以下、本発明の実施例につき具体的に説明する。
図１は、本発明の一実施例を示す火炎検出器の説明図である。図６の従来装置と異なる点は、採光部１７の採光用光ファイバの折り曲げ部分５ａ、５ｃが、直線状の光ファイバ５ｂを中心に火炎光に向けて放射状（広角度）（光ファイバ５ｂの中心軸に対して対称）に配置され、またこれらの各光ファイバ５ａ、５ｂ、５ｃは、図２に示すように、その延長部がそれぞれ同一径のケーブル５から構成され、光ファイバ５ａ、５ｂ、５ｃの先端部のみ保護被覆材８ａを除去した構成となっている点である。

検出器本体１６の外筒１は、内部に収納する部材をバーナ火炎による高熱から保持するのに充分な耐熱性を持つ、ステンレス等耐食、耐熱性のある材料より構成される。外筒１内には、その先端部近傍に支持部材３を介して外筒１に取り付けられた採光ヘッド２を有する。この支持部材３は、採光ヘッド２を高熱から保護する役割をも担っており、耐熱性の見地からセラミックス等により構成される。またこの採光ヘッド２の先端部には、先端開口部４に向けて、異なる角度で３本の溝が形成され、各々の溝に３本の採光用光ファイバ（５ａ、５ｂ、５ｃ）が、光ファイバ５ｂを中心としてその両側に左右対称に光ファイバ５ａ、５ｂが、中心軸からの角度θ１、θ２を保ち、一定の視野を有するように配置されている。なお、６ａ、６ｂ、６ｃはバーナの火炎光を模式的に示したものである。またこれらの各光ファイバは、図２に示すように、同一径の１本のケーブルより構成され、先端部のみ保護被覆材８ａを備えていない。この保護被覆材８ａは光ファイバの曲げや引っ張り強度を保持するための被覆層で、四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）等で構成される。これらの保護被覆材においては、耐熱性の高いものでも２５０℃前後であるため、４００〜５００℃以上の耐熱性が要求される採光部においては、図２に示すように、その保護被覆材８ａを除去し、１０００℃以上の温度に耐えうるコア部８ｂ、クラッド部８ｃのみでの構成が望まれる。

次にこれらの光ファイバ５は、そのまま外筒１の基部に取り付けたウインドボックス７（図１）に至り、光ケーブルへと接続され、後続の光電変換器、分析器へと火炎情報が送られる構造となっている。この全体構造を図３に示す。また、このウインドボックス７は冷却用空気供給用に利用され、一部ウインドボックス７に入った冷却空気Ａは、外筒１を経て一部は採光ヘッド２の周囲から、また他は採光ヘッド支持部材３の周囲から吹き出し、本体及び内部に収納した光ファイバを冷却する。また、このウインドボックス７に光電変換器１０を収納することで、同ボックス内で各々の光ファイバによって伝達された各光信号を電気信号に変換し、増幅器１１まで、後続の火炎判定を行う分析装置１３まで電線ケーブル１２を採用し、電気信号で出力する構成としてもよい。

ここで、採光部に配置された各光ファイバ（６ａ、６ｂ、６ｃ）は、中心を曲げ０°の光ファイバ６ｂ、および左右（または上下）対称に角度θ１の曲げを行った光ファイバ６ａ、６ｃを配置することにより、広角度の火炎検出器を可能としている。
このように構造を簡略化し、光ケーブルの曲げ角度を小さくすることで、より効率のよい採光が可能となり、また同一曲げの光ファイバの製作となること、及び接続部を必要としないことから、コスト面での大幅な減少が可能となる。

本発明と従来の採光効率及びコスト面での比較を図４の（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）は、図１の光ファイバ５ａ、５ｂおよび５ｃの各採光効率を、図６の従来の光ファイバ１５ａ、１５ｂおよび１５ｃの各採光効率と比較したものである。本発明の光ファイバの採光効率が、従来の光ファイバよりも平均値で高く、また（ｂ）に示すように設備コストが著しく低減していることが分かる。

業務用ボイラなどの燃焼装置の多視野型火炎検出器として有用である。

本発明の実施例を示す火炎検知器の断面図。図１に使用している採光部光ファイバの断面図。本発明装置の使用例を示す系統図。本発明と従来の採光効率及びコストの比較図。従来の火炎検出器の系統図。図５において使用される火炎検出器本体および採光部光ファイバの断面図。

符号の説明

１…外筒、２…採光ヘッド、３…支持部材、４…先端開口部、５ａ，５ｂ，５ｃ…採光用光ファイバ、６ａ，６ｂ，６ｃ…火炎光、７…ウィンドボックス、８ａ…保護被覆材、８ｂ…コア部、８ｃ…クラッド部、１０…光電変換器、１１…増幅器、１３…分析装置、１６…火炎検知器本体、１７…採光部。

Claims

複数本のバーナを備えた燃焼装置の火炎光を複数本の光ファイバを介して採光する採光部と、該採光部の光ファイバからの光を分析装置に伝達する光ファイバからなる伝送部とを備えた火炎検出器において、前記採光部の複数本の光ファイバは、中心となる光ファイバと、該光ファイバの中心軸に対して先端部分が前記火炎光に向けて放射状に折り曲げ加工された複数本の光ファイバからなることを特徴とする火炎検出器。
前記放射状に折り曲げ加工された光ファイバは、前記中心となる光ファイバに対して対称に配置されることを特徴とする請求項１記載の火炎検出器。
前記採光部から後続の伝送部まで略同一径の光ファイバによって構成されることを特徴とする請求項１または２記載の火炎検出器。
前記分析装置は、前記各バーナの火炎性状を検知する光電変換素子を有する火炎判定部を有し、前記採光部から火炎判定部まで略同一径の光ファイバによって構成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の火炎検出器。