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燃焼安全の基礎知識

第3章 火炎検出器

3.1.火炎検出器の働き
3.2.光学式火炎検出器
3.3.挿入式火炎検出器
3.4.高温炉壁と火炎検出器の応答特性
3.5.各種燃料火炎のウルトラビジョンの適用可否

■ 3.1.火炎検出器の働き

火炎検出器の機能は火炎の有無をチェックし、電気信号に変換して、バーナコントローラ(プロテクトリレー)に送ることである。 火炎の有無をチェックすることを「火炎検出」という。

火炎検出器は火炎のいろいろな性質、すなわち、燃焼に伴ういろいろな物理・化学現象の一つを利用して火炎を検出している。

我々人間の場合はいくつかの現象を「熱を感じ、炎や煙を見る、燃焼音を聞く」などこれらを総合的に 判断した結果として燃焼を認識するわけで、火炎検出器は人間のような複数の感覚器官(検出機能)を 持たず、どれか1〜2の現象に対する検出機能により、火炎の有無をチェックしていることになる。

■ 3.1.1火炎の性質

火炎には次のような性質があり、火炎の検出にはこれらの性質を利用している。

図3-1 火炎の性質
図3-1 火炎の性質

■ 3.1.2.火炎検出器の種類

火炎検出器の種類と、それがどのような火炎の性質を利用したものか一覧に示す。

表3-1 火炎検出器の種類

火炎検出器 形番・形状 炎の性質 適用燃料 主な用途
紫外線式
 火炎検出器
ウルトラビジョン
AUD300C
AUD300C

紫外線

185nm〜
245nm
ガス
バッチ運転・連続運転用専用火炎検出器
 パイロットガスバーナ監視
 メインバーナ監視

 工業炉、乾燥炉
 プラント
 各種ボイラ
【参考】
連続運転用火炎検出器
24時間以上連続して燃焼を続ける装置用の火炎検出器
バッチ運転用火炎検出器
24時間以内に1回以上、起動・停止する装置用の火炎検出器
 
注:  連続運転用火炎検出器は、バッチ運転用火炎検出器としても使用できる。
AUD500C
AUD500C
C7076A
C7076A

紫外線

185nm〜
270nm
C7076D
C7076D
AUD100+AUD15
AUD100+AUD15

紫外線

185nm〜
245nm
ガス
バッチ運転専用火炎検出器
 パイロットガスバーナ燃焼監視
 メインバーナ燃焼監視

 工業炉、乾燥炉
 各種ボイラ
AUD110+AUD15
AUD110+AUD15
挿入式火炎検出器
フレームロッド
C7007A,C7008A
C7007,C7008
導電性
整流作用
ガス バッチ運転用火炎検出器
 パイロットガスバーナ監視

 小形ガスボイラ
 乾燥炉
可視光線式
 火炎検出器
AFD100
AFD100

可視光線

400nm〜
800nm
バッチ運転専用火炎検出器
 ガンタイプオイルバーナ監視

 油焚小形ボイラ


■ 3.1.3.火炎検出器の特長

表3-2 各々の火炎検出器の特長と短所

  炎検出器
紫外線式
火炎検出器
UVセンサ
挿入式
火炎検出器
フレームロッド
可視光線式
火炎検出器
形番 AUD100/110+AUD15
AUD300C/AUD500C
C7076A/D
C7007A
C7008A
AFD100
検出方式 紫外線 整流式
(炎の導電性)
可視光線
ガス、オイルに共用可能
ガス炎のみ検出
オイル炎のみ検出
信号線短絡による誤検出
炉壁からの放射光の影響を受けやすい
イグニッションスパークに応答する
炎により検出器が劣化しやすい


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■ 3.2.光学式火炎検出器

火炎からは光や熱を持った放射線が放出される。人間は放射線(光)の可視光領域を肉眼で見ることができる。

火炎から出ている放射エネルギーの大部分は、赤外線領域のもので、この部分の光は波長が長すぎて、肉眼で見ることはできない。また、非常に僅かであるが紫外線領域も放射しており、これも肉眼で 見ることができない。

光学式火炎検出器を波長領域により分類すると、次の3項目に分類される。

紫外線式火炎検出器
可視光線式火炎検出器
赤外線式火炎検出器

次の図は、火炎から放射する光の波長分布を示す。横軸は光の波長で、単位はnm(ナノメータ : 10-9m)、 縦軸は光の量を放射エネルギーとしてとらえたもので、対数目盛で表される。 図の曲線は理論空気量を100%に設定したもので、紫色の線が油焚き燃焼炎、緑色の線がガス焚き燃焼炎の場合を示す。

人間の肉眼で見ることのできる可視光領域は、およそ、400〜800nmであり、可視光領域から外れて、 波長の短い領域を「紫外線」、波長の長い領域を「赤外線」という。火炎から放射される光の中で、各領域 の光のエネルギーが占める割合は、大半が赤外領域で90%以上、可視領域は10%以下、紫外領域で 1%未満と云われている。光学式火炎検出器の選定に当たっては、その検出器がどの波長の光に応答 するのか「分光感度特性」を認識しておく必要がある。

図3-2 火炎からの放射
図3-2 火炎からの放射

■ 3.2.1.可視光線式火炎検出器

バッチ運転用の可視光火炎検出器AFD100について説明する。

1.可視光火炎検出器AFD100

可視光火炎検出器AFD100は、フォトダイオードに5〜15V程度の低い電圧を加えて、受光面に光を入射すると、 光りの明るさに応じて電流値が数十〜数百μAに変化する光起電力効果* を利用した可視光線領域の火炎検出器である。
近年、欧州など各国の環境規制の影響により、カドミウムの使用が制限されつつあり、カドミウムを使用したCdSを代替するセンサとして、 フォトダイオード式の可視光火炎検出器:AFD100は油焚きガンタイプバーナに数多く使用されている。 フォトダイオードは、CdSと同様に分光感度特性は可視光領域400〜800nmにあり、数十〜数百μAに変化する非常に微弱な電流の変化を検出し、電気的に+−の極性を持っている。 従って、可視光火炎検出器:AFD100専用のバーナコントローラ(燃焼安全制御器)を使用しなくてはならない。
また、CdSと同様、太陽光や白熱電球、蛍光灯などに誤応答し易く、ガス焚きバーナの青火の検出は難しい。

*光起電力効果
 光起電力効果とは、物質に光を照射することで起電力が発生する現象で、光電効果の一種である。 フォトダイオードは半導体の一種で、半導体のpn接合部に光を入射することにより電流が発生する(光起電力効果)ことを利用した素子である。

図3-3 可視光火炎検出器:AFD100
図3-3 可視光火炎検出器:AFD100

図3-4 可視光火炎検出器:AFD100の接続および、照度−電圧特性
図3-4 可視光火炎検出器:AFD100の接続および、照度−電圧特性

■ 3.2.2.紫外線式火炎検出器

紫外線式火炎検出器は、紫外線を検出する紫外線光電管(UVチューブ)を内蔵している。火炎の放射光の紫外領域は1%未満と言われることは、先に述べたとおりである。 この僅かの紫外線を検出する火炎検出器で、バッチ運転監視用と連続運転監視用がある。

火炎から放射された紫外線が、UVチューブに入り、電極の受光面に当たると、光電効果により光電子が放出され、封入ガスをイオン化し、放電電流が流れバーナコントローラに「火炎信号」として送られる。

1.アドバンストUVセンサ(AUD100シリーズ、AUD300/500シリーズ)

アドバンストUVセンサ AUD100シリーズ(チューブユニット 形番AUD15C)およびAUD300/500シリーズ(チューブユニット 形番AUD10C)のUVチューブは火炎からの紫外線(185〜245nm)が陰極にあたると、 ほぼ電源の半サイクル毎に、放電(グロー放電領域)が行われ、DC数mAの放電電流(半波)が流れる。 この放電電流を直接バーナコントローラの電子回路に送り直流/電圧、変換してフレームリレーを駆動している。
これらの火炎検出器は、次のようにバッチ運転監視用と連続運転監視用がある。

・AUD100C/AUD110C+AUD15C バッチ運転専用
・AUD300C バッチ運転・連続運転用/連続自己点検方式(シャッター機構付)
・AUD500C バッチ運転・連続運転用/連続自己点検方式(シャッター機構付)/耐圧防爆タイプ

図3-5 アドバンストUVセンサのチューブ電圧・電流
図3-5 小形ウルトラビジョンのUVチューブ電圧・電流

図3-6 アドバンストUVセンサ:AUD100シリーズのAUD15Cチューブユニットの外観と内部構造
図3-6 アドバンストUVセンサ:AUD100シリーズのAUD15Cチューブユニットの外観と内部構造

図3-7 アドバンストUVセンサ:AUD300、AUD500のAUD10Cチューブユニット
図3-7 アドバンストUVセンサ:AUD300、AUD500のAUD10Cチューブユニット

2.感度調整付ウルトラビジョン C7076A/D(UVチューブ 形番191053)

連続運転用の感度調整付ウルトラビジョンの原理はアドバンストUVセンサと同じであるが電極材質は異なる。 また、UVチューブが紫外線(分光感度185〜270nm)を受ける時間を制御することにより、従来のUVセンサでは、 検出が難しい低発熱量(2,500〜8,400kJ/Nm3)火炎や紫外線吸収媒体により紫外線が減衰するケースでも、検出が可能になった。 さらに、多本ガスバーナに使用する場合、感度調整およびオリフィス調整により、他バーナ火炎との干渉を受けずに独立監視できる特長がある。
感度調整付ウルトラビジョン火炎検出器は、次のような種類がある。

・C7076A バッチ運転・連続運転用/連続自己点検方式(シャッター機構付)
・C7076D バッチ運転・連続運転用/連続自己点検方式(シャッター機構付)/耐圧防爆タイプ

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■ 3.3.挿入式火炎検出器

■ 3.3.1.フレームロッド

1.火炎導電現象

火炎の中に一対の電極を挿入し、電圧を印加すると「火炎の有る場合は電流が流れ、無い場合には電流が流れない」という火炎の導電現象が見られる。

火炎は電気的に導体と見られるが、金属のような良導体ではなく、数MΩの高抵抗体になっている。 すなわち、燃焼は燃料と酸素の酸化反応である。燃焼過程での火炎内は、燃料分子の化学電離 による無数の電子と陽イオンが存在していて、これが火炎の導電性を表すもとになっている。

図3-8 火炎の導電現象
図3-8 火炎の導電現象 図3-8 火炎の導電現象

2.火炎整流現象

火炎の中に入れる二つの電極の大きさを変えて(火炎接触面積の比を4 : 1以上)おき、また、陰極を内 炎と外炎の境界近傍に、そして、陽極を外炎に離して設置しておき、交流電源を印加すると「火炎の有る 場合は半波整流された直流電流が流れ、無い場合には電流が流れない」という火炎の整流現象が見ら れる。

図3-9 火炎の整流現象(1)
図3-9 火炎の整流現象(1) 図3-9 火炎の整流現象(1)

バーナ先端にグランドロッドを取り付けた整流方式のフレームロッド回路の動作は、フレームロッドが(+) の半サイクルの場合、 火炎の中の電子はフレームロッドに引き付けられ、回路を流れてきた電子/電流は、グランドに集まっている陽イオンに引き出され火炎の中を流れることになる。

次に、フレームロッドが(−)の半サイクルの場合、グランドロッドに集まっていた陽イオンがフレームロッドの方へ移動するが、電子にくらべ約2,000倍の質量差があり移動しにくく、 また、フレームロッドの火炎接触面積をグランドロッドに比べ小さくしておくか、さらに、バーナの内炎と外炎境界から離しておくと、フレームロッドへの到達する割合は、 前の半サイクルの場合に比べ、非常に少なくなり、電子の流れを作り出すことが十分にできず、電流が少なくなる。

図3-10 火炎の整流現象(2)
図3-10 火炎の整流現象(2)

電源周波数の+/−側の半サイクルの平均電流は、脈流の直流となり、その電流により電子回路を作動させフレームリレーをオンする。これにより火炎の存在すなわち有無を確認する。

フレームロッド電極の面積とグランドロッド電極の面積の比が大であればあるほど整流効果は大きい。

図3-11 フレーム電流
図3-11 フレーム電流

3.整流方式の利点

フレームロッドは、導電方式を利用しても、火炎検出できるわけであるが、実際には、整流方式のものが使われる。

整流方式は、信号線の絶縁が劣化した場合、「異常」の判別ができる利点がある。 導電方式で火炎検出をしている場合、火炎は回路の中で「電気抵抗」としての働きをしており、一方、整流方式の場合は「整流器=ダイオード」としての働きをしている。

信号線および碍石などの絶縁劣化の状態は、線間に電気抵抗(高抵抗MΩ)が入った形になり、これは導電方式の場合、「火炎信号」と同じで、いいかえれば疑似火炎信号ということになる。

整流方式の場合は、「火炎信号」と違い、「異常」として判別され、火炎検出されない。

図3-12 絶縁劣化
図3-12 絶縁劣化 図3-12 絶縁劣化
導電方式
整流方式

4.フレームロッドの材質とグランドロッドの形状例

フレームロッドは耐熱性の金属(商品名カンタル、パイロマックス:鉄/アルミ/クロム合金の電熱材)を バーナの外炎部に挿入するようにし、絶縁碍子で保持されている。

整流式フレームロッドは、火炎接触面積の異なる一対の電極が、検出端になっている。そして、普通はバーナの先端に取り付ける面積の大きい方の電極を「グランドロッド」と呼ぶ。

図3-13 グランドロッドの火炎接触面積を増加する形状例
a.平板形
b.複数ロッド形
a.平板形
b.複数ロッド形

バーナメーカで製造しているガスバーナは、バーナ自体がグランドロッドの機能を持つよう設計され、バーナの火炎はバーナに触れており、陽イオン濃度の高いところに接しているため、グランドロッドの役割を果たしている。

しかし、空燃比が変わり、火炎がリフトすると、火炎がバーナから離れるので、整流現象がとれなくなり、フレーム電流が少なくなる。そのため、保炎性の優れたバーナ(フレームリテンションバーナなど)を使用する必要がある。なお、油焚きバーナでは、火炎がバーナ先端から離れて燃え、しかも、バーナ先端部分 では油滴の状態になっているので、電気的に絶縁され使用できない。

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■ 3.4.高温炉壁と火炎検出器の応答特性

長時間にわたり、燃焼炉を高燃焼状態で運転していると、燃焼室内の壁面が、真っ赤に焼け「赤熱」しているのを見ることがある。 さらに高温になると、炉壁がキラキラ輝き「白熱」して見えることもある。

これらの現象は長時間、高熱にさらされた炉壁の表面から光が出ることを示し「炉壁の輻射」といい、輻射の強さは、温度が高いほど強く、また、より波長の短い光を多く含むようになる。

次の図で約550℃の炉壁からの輻射の曲線は、波長の短いほうの端が可視光線の上端にかかっており、これは赤色の光が出ていることを意味する。 また、約1,370℃の炉壁の輻射の曲線では、輻射の強さが大きくなっていると共に、波長範囲が可視光線領域の全体にかかっている。 これは輻射線が 一つの色ではなく、いわゆる昼光色になっていることを意味する。

この輻射の曲線と、AFD100やCdS、光電管の応答波長の曲線が、近寄ってくることを注目してください。

高温の炉壁は、たとえ消炎しても、すぐには冷却せず、輻射線を出し続け、AFD100やCdS、光電管がもしこの輻射線 を受光していたとすると、光が消えても「消炎」の検出ができず、すなわち「消炎遮断」ができないことになる。 これを「高温炉壁の影響」と言い、疑似火炎状態の代表的な例になっている。

なお、炉壁からの輻射線のうち、紫外線は極めて僅かであり、従って、紫外線領域の波長に対して応答する特殊な光電管を使用すれば、輻射線の影響を受けることなく、火炎の光のみ検出できる訳である。 ただし、「火炎」からの紫外線領域の放射エネルギーは非常に低くなっているので、検出感度の高い製品が必要になる。 この二つの特性を満足したものが、UVセンサ(紫外線式火炎検出器)である。

図3-14 火炎と炉壁の輻射および火炎検出器の感度特性
図3-14 火炎と炉壁の輻射および火炎検出器の感度特性

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■ 3.5.各種燃料火炎のUVセンサの適用可否

この章では、UVセンサ(紫外線式火炎検出器)を使用する上で、適用燃料装置、各種燃料に対する適用可否、 UVセンサとバーナコントローラ(燃焼安全制御器)間の配線長/配線材について説明する。
UVセンサを選定する場合、次のような使用制限があることを念頭におき、適用可否の選択を行う。

■ 3.5.1.適用燃焼装置

火炎検出器 燃焼装置
アドバンストUVセンサ AUD100Cシリーズ バッチ運転専用
アドバンストUVセンサ AUD300C バッチ運転・連続運転用
耐圧防爆形アドバンストUVセンサ AUD500C バッチ運転・連続運転用
防滴形感度調整付ウルトラビジョン C7076A バッチ運転・連続運転用
耐圧防爆形感度調整付ウルトラビジョン C7076D バッチ運転・連続運転用


■ 3.5.2.各種燃料に対する適用可否

長年の経験、使用実績からUVセンサが火炎監視できる各種燃料の発熱量の目安を次に示す。

形番 ガス燃料発熱量
アドバンストUVセンサ AUD100シリーズ 16,744 kJ/Nm3以上 4,000 kcal/Nm3以上
アドバンストUVセンサ AUD300C 16,744 kJ/Nm3以上 4,000 kcal/Nm3以上
耐圧防爆形アドバンストUVセンサ AUD500C 16,744 kJ/Nm3以上 4,000 kcal/Nm3以上
防滴形感度調整付ウルトラビジョン C7076A 2,512 kJ/Nm3以上 600 kcal/Nm3以上
耐圧防爆形感度調整付ウルトラビジョン C7076D 2,512 kJ/Nm3以上 600 kcal/Nm3以上

【注】 上記の燃料発熱量はあくまでも目安である。特殊な燃料に対しては、 必ず監視可能* かどうかの確認をする必要がある。
  [ * : 特殊燃料の場合、火炎検出器に取付上の制約(上方向取付、距離等)が出てくることがあるため ]

■ 3.5.3.配線長

UVセンサとバーナコントローラ間の配線距離、配線材および配線距離を次に示す。

火炎検出器 配線材および最長距離
アドバンストUVセンサ AUD100Cシリーズ IV線(ビニル絶縁電線)約200m
アドバンストUVセンサ AUD300C IV線(ビニル絶縁電線)約200m
耐圧防爆形アドバンストUVセンサ AUD500C IV線(ビニル絶縁電線)約200m
防滴形感度調整付ウルトラビジョン C7076A IV線(ビニル絶縁電線)約300m
耐圧防爆形感度調整付ウルトラビジョン C7076D IV線(ビニル絶縁電線)約300m


参考:UVセンサの応答波長

形番 応答波長(nmナノメータ)
アドバンストUVセンサ AUD100Cシリーズ 185〜245
アドバンストUVセンサ AUD300C 185〜245
耐圧防爆形アドバンストUVセンサ AUD500C 185〜245
防滴形感度調整付ウルトラビジョン C7076A 185〜270
耐圧防爆形感度調整付ウルトラビジョン C7076D 185〜270


■ 3.5.4.通常使用されている一般的な燃料

表3-3 通常使用されている一般的な燃料

燃料の種類 総発熱量(kJ/Nm3 AUD100+AUD15
AUD110+AUD15
AUD300C
AUD500C
C7076A/D
都市ガス 18,837〜20,930
天然ガス : CH4 39,930
プロパンガス : C3H8 101,400
ブタンガス : C4H10 134,100
灯油 34,514(kJ/l)
重油 35,514〜38,201(kJ/l)

○ : 検出可*

【注】  *:上記は一般的な燃焼での検出テスト結果です。

■ 3.5.5.特殊燃料

表3-4 プラント等で使用される特殊な燃料

燃料の種類 総発熱量(kJ/Nm3 AUD300C
AUD500C
C7076A/D
コーク炉ガス : COG 16,744〜20,930
高炉ガス : BFG 2,930〜3,767 ×
転炉ガス : LDG 8,372〜10,465 ×
MIXガス : COG+BFG+LDG 4,186〜12,558
アセチレン : C2H2 58,311
アンモニア : NH3  
一酸化炭素 : CO 12,709 ×
エタン : C2H6 69,132
エチレン : C2H4 62,338
塩酸 : HCI  
塩素 : CI2  
水素 : H2 12,767
ナフサ(粗製ガソリン) 13,605
ブタン : C4H10 134,100
プロパン : C3H8 101,400
沸素 : F2  
ベンゼン : C6H6 149,449
硫化水素 : H2S 21,935 ×
パルプ廃液   ×
石油精製副生ガス 4,186〜6,279 ×
微粉炭 : C   ×

○ : 検出可、△ : 検出テスト必要、× : 検出不可

【注】 上記の△はあくまでも目安である。必ず監視可能* かどうかの確認をする必要がある。
  [ * : 特殊燃料の場合、火炎検出器に取付上の制約(上方向取付、距離等)が出てくることがあるため ]

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