JPS6149569B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば石油精製、或いは石油化学
プラント等に於けるフレアスタツクの炎を監視す
る炎監視装置に関する。

（従来の技術） 例えばエチレンプラント等の石油化学プラント
の於いて、フレアスタツクの炎の燃焼状態、即ち
黒煙の発生、炎の大小、パイロツトの炎の消炎な
どを監視し、同時にその燃焼状態を最適に保持す
ることは公害防止及び安全の確保の上に於いて重
要なことである。

ところで従来、このような炎の監視はテレビカ
メラを用いて遠隔監視することが多かつた。しか
しこの手段ではテレビカメラによつて写し出され
た炎の像を常に目視しなければならない。この
為、炎監視の省力化や装置の自動化を図ることが
できなかつた。また、常時目視していることは実
務上困難なことなので、異常炎等の発見が遅れが
ちとなり、即時、適切な処置をとることが困難で
あつた、そこでプラントからフレアスタツクへ行
く配管内を流れるフレアガスの流速を測定し、こ
の流速から炎の状態を監視することが考えられ
た。しかし、黒煙は不完全燃焼の結果発生するも
のであつて、これを左右する燃焼用必要空気量は
可燃性ガスの化学組成によつて異なる。ところが
フレアガスの化学組成は不規則に大巾に変化する
のでフレアガスの流量と黒煙発生の程度とは一義
的関係がなく、結局、流速の測定だけから炎の異
常監視を行うことができなかつた。また炎から発
せられる赤外線の強さを測定して、炎の状態を監
視することも考えられたが、太陽光線、雲、その
他の背景からの赤外線に影響され正確な監視がで
きなかつた。

更にフレアスタツクは可燃性ガスの放出が全く
無いない場合でも、プラントの運転状態の変動に
いつでも対応出来るように、常にパイロツト炎を
点火している。もし、このパイロツト炎が消えて
いることを知らず、大量の可燃ガスを燃焼させず
にフレアスタツクから放出した場合には大気中の
空気と爆発性混合ガスを形成し、極めて危険な状
態となる。しかしパイロツト炎は極めて小さい
為、テレビ映像により燃えているか消炎している
かを判別することは困難である。これ故、消炎の
発見、及び再着火の処置が遅れがちとなる欠点が
あつた。

（発明の目的） 本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、フレアスタツク
の炎の状態を容易に且つ正確に監視することがで
き、しかも省力化や自動化をはかつて異常炎等に
対する即時対応が可能なフレアスタツクの炎監視
装置を提供することにある。

即ち、本発明はフレアスタツクの炎の中の高温
ガスの特有な赤外線領域の共鳴放射を利用するこ
とによつて炎の状態を容易に、しかも太陽光線な
どの外乱に影響されることなく正確に監視し、上
記赤外線放射線強度の演算結果から炎の異常状態
に対して警報を発し、或いは燃焼状態の自動制御
を行うことの出来る炎監視装置を提供することに
ある。

（発明の概要） 先づ、第１図を参照して本発明に於いて利用す
る高温燃焼ガスからの特有の赤外放射線について
説明する。

一般に、燃焼の際に発生するCO₂ガスやCOガ
ス等は特有の共鳴放射の赤外線を放射する。この
赤外放射線の波長に対する強度は第１図に示すＡ
の如く、共鳴放射に特有の強いピークＢを有して
いる。この共鳴放射の赤外線は高温の燃焼ガスの
状態にのみ関係するものであり、従つてこの共鳴
放射の赤外線の強度を測定することによつて炎の
状態を監視することができる。

ところで一般に炎から発する或る波長の赤外線
を測定しようとしても、その周囲に太陽光線の乱
反射や雲、その他の背景にある物体等からの赤外
線が存在する。しかもこれらの赤外線の影響は昼
と夜、或いは時刻によつて変化する。これ故、或
る波長の赤外線を測定したとしても、これから炎
の状態を正確に把握することができないと云う問
題がある。

然し乍ら、太陽光線や、炎の伴わない高温物体
から発せられる赤外線の波を波長に対する強度は
前記第１図のＣに示す如き特性であつて、高温燃
焼ガスの共鳴放射のピークのある波長ｒ１近傍で
の太陽光線等の赤外線強度Ｃは、波長に対して
徐々に減少する傾向を示す。この為、波長ｒ１の
近傍に於いては燃焼高温ガスからの赤外放射線と
太陽光線等からの赤外放射線との間に特性上の顕
著な差が存在する。

即ち、共鳴放射のピークのある波長ｒ１の近傍
領域の赤外線強度に着目すれば、高温燃焼ガスか
ら発せられる赤外線の強度は波長ｒ１とその近傍
波長ｒ２とで大きく異なる。一方、太陽光等によ
る赤外線の強度は上記波長ｒ１とその近傍波長ｒ
２の赤外線強度は燃焼高温ガスからの赤外放射線
の影響を強く受け、波長ｒ２の赤外線強度は燃焼
高温ガスからの赤外放射線の影響を殆んど受ける
ことがない。従つて上記赤外線共鳴波長ｒ１の放
射線強度と、その近傍の共鳴放射赤外線に影響さ
れない波長、望しくは波長ｒ１より僅かに短波長
側の波長ｒ２の放射線強度を測定し、例えばこれ
らの波長ｒ１とｒ２の強度比、又は強度差を比較
演算すれば、太陽光線の影響に左右されずに炎の
状態を検知することができる。

即ち、過大な炎が生じているときには、その共
鳴放射赤外線の強度Ｘは太陽光等の赤外線強度Ｙ
に比較して異常に高くなる。そして波長ｒ１で測
定される赤外線強度ａは上記共鳴放射赤外線の強
度Ｘが支配的となり、また波長ｒ２で測定される
赤外線強度ｂは太陽光等の赤外線強度Ｙが支配と
なる。この結果、その強度比（ａ／ｂ）の値が非
常に大きくなる。

従つて共鳴放射赤外線の波長ｒ１の強度ａと、
上記共鳴放射赤外線の影響を受けない波長ｒ２の
強度ｂとをそれぞれ測定し、その強度比（ａ／
ｂ）を監視すれば背景の赤外線の強度ｂをベース
とした共鳴放射波長の異常な強度ａを検出するこ
とが可能となる。かくしてここに太陽光の影響を
受けることなく上記炎の過大を検出することがで
きる。

これに対して炎が消えたとき、その共鳴放射赤
外線Ｘがなくなるにも拘らず、太陽光からの波長
ｒ１の赤外線Ｙが存在する。この為、波長ｒ１の
赤外線強度ａからだけではその消炎を検出するこ
とが難しい。

しかし前述したように波長ｒ１とｒ２の各赤外
線強度の比（ａ／ｂ）は、炎が存在している場合
と消炎時とでは異なる値を示す。即ち、炎が存在
する場合、上述したように波長ｒ１での検出赤外
線強度ａは主として炎からの赤外線強度Ｘを示
し、且つ波長ｒ２での検出赤外線強度ｂは背景の
赤外線強度Ｙを示す。しかし消炎時には、波長ｒ
１およびｒ２で検出される検出赤外線強度ａ，ｂ
は共に背景の赤外線強度Ｙを示すことになる。従
つて、波長ｒ１とｒ２の各赤外線強度の比（ａ／
ｂ）は、炎があるときと消炎時とで全く異なつた
値を示すことになり、ここに上記赤外線強度比を
監視することによつてその消炎を検出することが
可能となる。

更に上記波長ｒ１，ｒ２の赤外線強度差（ａ―
ｂ）に着目すれば、消炎時には前述した太陽光の
赤外線分布（特性Ｃ）から上記差が負となること
がわかる。従つて赤外線強度差（ａ―ｂ）が負と
なる場合には、波長ｒ１の赤外線強度は主として
太陽光のものであること、つまり炎の共鳴放射赤
外線が生じていないことがわかり、ここに消炎を
検出することができる。

このように波長ｒ１，ｒ２の赤外線強度の比、
または差をモニタすることによつて炎の異常、特
に過大な炎やその消炎を太陽光に影響されること
なく検出することができる。

ところで、前記炎が黒煙を発生する場合、不完
全燃焼により炎中にカーボン粒子が多量に存在す
ることを意味する。その結果、燃焼ガス中の炭酸
ガスや一酸化炭素ガスから発せられる共鳴放射の
赤外線波長ｒ１の強度ａは減少する。また高温固
体であるカーボン粒子からの赤外放射線強度が大
となる為、対照波長ｒ２の強度ｂが相対的に増加
する。

従つて共鳴放射の赤外線ｒ１と対照波長の赤外
放射線ｒ２の強度比を演算により求め、これを監
視することによつて黒煙発生状態を検出すること
ができる。

尚、赤外線波長ｒ１とｒ２の放射線強度比の信
号により、炎の中に吹き込むスモークレススチー
ムの流量を自動的に調節すれば、これによつて炎
の状態に対応して常に適切なスチーム量を吹き込
むことが可能となる。この結果、フレアスタツク
から黒煙を出すことが無くなり、公害防止有益と
なる。また従来のように人間が炎を監視しその都
度スチーム量を手動で調節することが全て自動化
されるので、その省力化にも大きく貢献する。

特に前述の原理によりわかる通り、炎からまだ
黒煙を実際に発生していない段階でも、炎内部の
不完全燃焼が広がれば炎中のカーボン粒子が増大
してくるので、前述の波長ｒ１とｒ２の強度比は
明らかに減少し、これを検知することが可能であ
る。即ち、黒煙発生の前駆現象である黒みがかつ
た赤色炎の段階で検知し得るので、この段階から
スチーム流量を調節することが可能となる。この
結果、黒煙が発生する前に燃焼状態を最適に常に
保持するように自動制御することが可能となる。

またパイロツト炎が無くなつた場合、高温燃焼
ガス、即ち、CO₂ガスが全く無くなり、これらよ
り発せられる共鳴放射も無くなる。従つて上述し
た強度比の監視からパイロツト炎の消炎を検知す
ることもできる。

また本装置の応用してフレアスタツクで燃焼し
ているガスの化学組成の推定も可能である。即
ち、可燃性ガスの燃焼に必要な空気量はその化学
組成によつて異なる。またフレアスタツクの不完
全燃焼、即ち、黒煙を出し始めるガス流量はその
化学組成によつて異なる。例えばメタンよりも
C₄留分の方が、少ないガス放出量で黒煙を出し
始める。

従つて黒煙発生警報が出た場合のフレアスタツ
クへ流れているガス流量を流量計によつて測定す
ればガスの化学組成が推定でき、プラント装置内
でどの部分からガスが放出されているかの究明に
役立つ。

また前記のスモークレススチームの自動制御を
行つている場合には、波長ｒ１とｒ２の放射線強
度比が一定の値を示している時のフレアスタツク
の可燃性ガス流量Ｑ１と、その時点のスモークレ
ススチーム流量Ｑ２の比Ｑ２／Ｑ１を求めれば、
やはりガスの化学組成を推定することが可能であ
る。何故ならば燃焼用空気量を多く必要とする化
学組成の場合には比較的少量のガス放出量Ｑ１で
も不完全燃焼し易いので、これを適切な一定の燃
焼状態に保つためのスモークレススチーム流量Ｑ
２は大となりＱ２／Ｑ１は大となるからである。

以上のように炎の中の高温ガスの赤外領域の特
有放射の性質を利用してなされたものが本発明装
置である。

（実施例） 以下、第２図を参照して本発明装置の一実施例
を説明する。

第２図に於いて１は化学プラントであり、この
化学プラント１に設けられたフレアスタツク２か
ら燃焼ガスの炎３が出る。この炎３の状態を監視
するのが本発明装置である。

図中、４は炎測定器で、例えば光学的波長フイ
ルタや赤外線センサ（光電変換装置）等で構成さ
れる。この炎測定器４は、例えば炭酸ガス共鳴放
射の波長4.4μｍ（ｒ１および対照波長3.8μｍ
（ｒ２）の２つの波長の赤外放射線の強度ａ，ｂ
をそれぞれ検出するものである。しかしてこれら
の波長ｒ１，ｒ２の各赤外放射線の検出強度信号
ａ，ｂは増幅器５，６それぞれを介して所定の信
号レベルに増幅され、演算処理回路７に供給され
る。この演算回路７にて後述する演算処理が行わ
れ、上記２つの波長ｒ１，ｒ２の赤外放射線の強
度比（ａ／ｂ）および強度差（ａ―ｂ）が計算さ
れ、警報レベル検出器８，１１に供給される。

警報レベル検出器８は上記演算処理回路７から
上記波長ｒ１，ｒ２の赤外線強度比（ａ／ｂ）、
および波長ｒ１，ｒ２の赤外線強度差（ａ―ｂ）
を入力し、前記炎３の異常を検出している。即
ち、警報レベル検出器８は赤外線強度比（ａ／
ｂ）の値から前記炎３の大小を検出するもので、
上記強度比（ａ／ｂ）の値が予め設定された閾値
TH０を越えるとき、これを炎３の過大として検
出している。そしてこの過大炎の検出時に炎異常
警報器９を付勢して警報を発している。

またこの警報レベル検出器８では前記強度差
（ａ−ｂ）が予め設定されたレベルTH１より小
さくなつたとき、これを消炎として検出してい
る。即ち、パイロツト炎が消え燃焼ガスが全く発
生しなくなつた場合には、２つの赤外線の強度差
に対応する出力は昼間は太陽光線の波長ｒ１，ｒ
２の強度差、つまり第１図の特性曲線Ｃからわか
る通り僅かに負の値を示し、夜間は太陽光がない
ことから０を示すことになる。そこで演算処理回
路７から警報レベル検出器８への強度差（ａ−
ｂ）の入力が０以下になつた場合に警報を発せし
めるように定めておくようにして、パイロツト炎
の消炎警報を発するものとなつている。

尚、この消炎時には、前述したように前記強度
比（ａ／ｂ）の値が小さくなるから、例えば強度
比（ａ／ｂ）の値が１以下になつたとき、これを
消炎として検出するようにすれば前記演算処理回
路７にて前記強度差（ａ−ｂ）を求める必要がな
くなるが、強度比（ａ／ｂ）よりも強度差（ａ−
ｂ）の方が消炎を確実に検出し得る。そこでここ
では強度比（ａ／ｂ）から過大な炎３を検出し、
強度差（ａ−ｂ）が消炎を検出しているようにし
ている。

一方、前記演算処理回路７にて計算された強度
差（ａ／ｂ）を示す信号は、バルブ調整器１０と
共に警報レベル検出器１１に供給される。この警
報レベル検出器１１は前記警報レベル検出器８と
略同様に構成されるもので、前記強度比（ａ／
ｂ）のレベルを検出している。そして強度比
（ａ／ｂ）のレベルが予め設定したレベルTH２
よりも低下するとき、これを黒煙が発生している
として検出する。即ち、先に説明したように黒煙
が発生する状態に至ると強度信号ａのレベルが減
少し、前記赤外線強度比（ａ／ｂ）の相対的な減
少する。しかもこの赤外線強度比（ａ／ｂ）の相
対的な減少は、前述した消炎時と黒煙発生時とで
は異なる傾向を示す。

つまり一般的には消炎時には波長ｒ１の赤外線
強度ａが、波長ｒ２の赤外線強度ｂより小さくな
るから、前述したようにその強度比（ａ／ｂ）の
値が１以下となつたとき、これを消炎として検出
することができる。

これに対して黒煙発生（その前駆動現象）時に
は、正常な炎３の燃焼状態から徐々にカーボン粒
子が増大し、この結果、前記強度比（ａ／ｂ）の
値が低下してくる。従つて強度比（ａ／ｂ）の値
が１以上の或る値（閾値TH２）を下回つたと
き、これを黒煙発生の前駆現象、更に１以上の或
る値（閾値TH３＜TH２）を下回つたとき、こ
れを黒煙の発生として検出することができる。

警報レベル検出器１１はこのような赤外線強度
比（ａ／ｂ）の値から黒煙の発生状態を監視し、
黒煙が発生する虞れがあるときの前駆現象、又は
黒煙が発生している状態を検出している。そして
その異常検出時に黒煙発生警報器１２を付勢し
て、その警報を発している。

また前記バルブ調整器１０は流量検出器１３で
検出されるスモークレススチームの流量と、前記
赤外線強度比（ａ／ｂ）とに基いてバルブ１４を
自動的に開閉制御している。このバルブ１４の開
閉によつて上記スモークレススチームの供給量が
調整されて、前記フレアスタツク２の炎３を常に
最適の燃焼状態に保持し、黒煙の発生が未然に防
止されるようになつている。

このように本発明装置によれば従来装置のよう
にテレビを用いて、常時、炎の燃焼状態を目視す
る必要がない。また黒煙の発生等の炎の異常に対
して警報により即時、最適な対応を行うことがで
きる。その上、上記のように炎の監視結果は極め
て正確なものであり、太陽光等の外部赤外線光に
よつて誤動作を招く虞れもない。

かくして本装置によれば極めて良好に炎を監視
することができ、省力化や自動化を図ることがで
きる。また従来のようにフレアガスの組成の変動
や流量の変化によつて監視状態が左右されること
もない。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない、例えば測定する赤外放射線の波長は炭酸ガ
スの共鳴放射のほかに、同様に燃焼により発生す
る一酸化炭素ガスの共鳴放射を利用してもよい。
また対照波長も共鳴放射の近傍の１つ波長ｒ２に
限らず共鳴波長近傍の２つ波長ｒ２，ｒ３、例え
ば前述した3.8μｍと、4.0μｍにおける赤外線強
度をそれぞれ求め、これらの対照波長ｒ２，ｒ３
と共鳴波長ｒ１との間の強度比と強度差をそれぞ
れ求めて炎の監視を行うことにより、その監視精
度を高めることもできる。即ち、測定する波長お
よびその数は共鳴放射とその対照波長を利用する
との本発明の原理に適するものであれば適宜設定
することが出来る。また本装置による監視対象も
石油精製、石油化学等に付勢されたフレアスタツ
クに限らず、フレアスタツク全般に適用できるも
のである。以上要するに本発明はその要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炎監視原理を説明する為の赤
外放射線の波長に対する強度の関係を示す図、第
２図は本発明装置の一実施例を示す概略構成図で
ある。 １…ガス発生源となるプラント、２…フレアス
タツク、３…炎、４…炎測定器、５，６…増幅
器、７…演算処理回路、８，１１…警報レベル検
出器、９，１２…警報器、１０…バルブ調整器、
１３…スモークレススチーム流量検出器、１４…
バルブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ フレアスタツク燃焼ガスの炎に特有な共鳴放
   射波長の第１の赤外放射線強度、および上記第１
   の赤外放射線とは異なり、上記共鳴放射波長を含
   まない波長の第２の赤外放射線強度をそれぞれ測
   定する炎測定器と、上記第１および第２の赤外放
   射線の強度比から前記炎の黒煙発生を検出する黒
   煙発生検出器と、前記第１および第２の赤外線の
   強度比、または該強度比と前記第１および第２の
   赤外線の強度差とから炎の異常を検出する炎異常
   検出器と、これらの検出器の検出結果に基づいて
   作動する、少なくとも黒煙発生警報装置、炎の異
   常警報、若しくはガスの燃焼制御を行う燃焼制御
   装置とを具備したことを特徴とするフレアスタツ
   クの炎監視装置。 ２ 上記警報装置は、検出された強度差又は強度
   比が、予め設定された値を逸脱したときに、それ
   ぞれ警報を発するものである特許請求の範囲第１
   項記載のフレアスタツクの炎監視装置。 ３ 上記燃焼制御装置は、検出された強度比が、
   予め設定された値を逸脱したとき、フレアスタツ
   クに供給されるスモークレスチーム量を制御して
   黒煙発生を防止するものである特許請求の範囲第
   １項記載のフレアスタツクの炎監視装置。 ４ 上記測定器は、燃焼ガスの炎に含まれる二酸
   化炭素ガス又は一酸化炭素ガスの共鳴放赤外放射
   線の強度を測定するものである特許請求の範囲第
   １項記載のフレアスタツクの炎監視装置。