CH701199B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern einer Gasturbinenbrennkammer. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern einer Gasturbinenbrennkammer. Download PDF

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CH701199B1
CH701199B1 CH00934/10A CH9342010A CH701199B1 CH 701199 B1 CH701199 B1 CH 701199B1 CH 00934/10 A CH00934/10 A CH 00934/10A CH 9342010 A CH9342010 A CH 9342010A CH 701199 B1 CH701199 B1 CH 701199B1
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Lewis Berkley Davis, Jr.
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Gen Electric
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern einer Gasturbinenbrennkammer. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen eines optischen Pfades (204), der durch die Gasturbinenbrennkammer (102) hindurchführt, das Fortleiten von Licht entlang des optischen Pfades (204), das Messen der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des Lichts sowie das Regeln und/oder Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest auf der Grundlage der gemessenen Absorption. Die Vorrichtung ist zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet und umfasst eine wenigstens einen Photodetektor (126, 214), wenigstens eine Lichtquelle (111) sowie eine Steuervorrichtung (130). Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Gasturbine, welche eine Gasturbinenkammer (102) sowie eine erfindungsgemässe Vorrichtung aufweist.

Description

Beschreibung Gebiet der Erfindung
[0001 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind.
Hintergrund zu der Erfindung
[0002] Moderne Industrie-Gasturbinen sollen Energie mit einem hohen Wirkungsgrad umwandeln, während der Ausstoss von Schadstoffemissionen auf ein Minimum zu reduzieren ist. Diese beiden Forderungen sind allerdings gegensätzlich, da höhere Wirkungsgrade gewöhnlich durch eine Steigerung der allgemeinen Gastemperatur in den Brennkammern erreicht werden, während Schadstoffe, z.B. Stickstoffoxide, gewöhnlich reduziert werden, indem die maximale Gastemperatur gesenkt wird. Die maximale Gastemperatur lässt sich durch Aufrechterhaltung eines mageren Brennstoff/Luft-Verhältnisses in der Brennkammer verringern; allerdings kann eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffs, falls das Brennstoff/ Luft-Gemisch zu mager ist, zu einem einer exzessiven Erzeugung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen. Wenn mit magerer Verbrennung gearbeitet wird, treten im Betrieb weitere Probleme auf, beispielsweise auch als Verbrennungsdynamik bekannte instabile Lastübergänge und Verbrennungsinstabilität. Folglich ist es erforderlich, das Brennstoff/Luft-Gemisch und die Temperatur in der Reaktionszone zu regulieren, um eine vollständige Verbrennung zu unterstützen.
[0003] Um einen Ausgleich zwischen den gegensätzlichen Forderungen nach einer Steigerung des Wirkungsgrads und einer Verringerung der Emissionen zu erzielen, ist eine äusserst genaue Regulierung erforderlich, um das Brennstoff/LuftGemisch in den Reaktionszonen der Brennkammern anzupassen. Es wurden Systeme vorgeschlagen, die dazu dienen, das Brennstoff/Luft-Gemisch zu regulieren, indem vielfältige Verbrennungsparameter überwacht werden, und indem die gemessenen Parameter als Eingabesignale zur Regulierung des Brennstoffsystems verwendet werden. Beispielsweise enthält ein herkömmliches System ein Steuerungssystem, in dem Brennstoffzustromraten, Druckpegel und Temperaturverteilungen der Abgase als Eingabesignale genutzt werden, um Brennstoffbegrenzungssteuerventile zu betätigen.
[0004] Andere Techniken zur Regulierung einer Verbrennungsdynamik beinhalten das Messen einer von der Brennkammerflamme ausgehenden Lichtemission und ein Einsetzen des gemessenen Signals, um gewisse Verbrennungsparameter zu steuern. Beispielsweise nutzt ein herkömmliches System ein Regelkreissystem, das eine Siliziumkarbidfotodiode nutzt, um die Temperatur der Verbrennungsflamme mittels der Messung einer UV-Strahlungsintensität zu erfassen. Der UV-Strahlungsmesswert wird genutzt, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoffgemisches zu regulieren, um die Temperatur der Flamme unterhalb eines vorgegebenen Pegels zu halten, der einem gewünschten niedrigen Pegel von Stickstoffoxiden zugeordnet ist.
[0005] Andere herkömmliche Systeme können optische Fasern benutzen, um Licht aus einer Verbrennungszone zu sammeln und zu Detektoren zu übertragen. Noch andere herkömmliche Systeme können eine Videokamera verwenden, um Bilder der Flamme hauptsächlich zur Überwachung des Vorhandenseins oder Fehlens einer Flamme aufzunehmen.
[0006] Es wurde vorgeschlagen, in Turbinen Massendurchflusserfassungstechniken zu verwenden. Beispielsweise können lasergestützte Dopplerverschiebungsmesssysteme genutzt werden, um einen Luftstrom in einem Lufteinlasskanal einer Turbine zu bestimmen, und ähnliche Systeme wurden vorgeschlagen, um die statische Temperatur durch einen Vergleich der Absorptionsmerkmale zu erfassen, die von zwei Lichtgeneratoren (Lasern) unterschiedlicher Frequenz stammen. Es besteht immer noch ein Bedarf nach verbesserten Systemen und Verfahren für die Bereitstellung optischer Sensoren.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind, anzugeben, die es erlauben, weitere, insbesondere zeitaufgelöste Informationen über den laufenden Verbrennungsprozess in der Brennkammer, etwa die Anwesenheit und Konzentration gewisser chemischer Stoffe in der Brennkammer, zu erfassen, die dazu genutzt werden können, um durch eine darauf basierende Regelung/Steuerung von Verbrennungsparametern den Wirkungsgrad der Gasturbine zu steigern und Emissionen zu reduzieren.
Kurzbeschreibung der Erfindung
[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 , eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 1 1 sowie eine Gasturbine mit einer derartigen Vorrichtung nach Anspruch 20 gelöst.
[0009] Gemäss der Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte: Bereitstellen eines durch die Gasturbinenbrennkammer hindurch führenden optischen Pfades, Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades, Messen der im Innern der Gasturbinenbrennkammer entlang des optischen Pfades stattfindenden Absorption des Lichts und Regeln und/oder Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest auf der Grundlage der gemessenen Absorption.
2 [0010] Gemäss einem weiteren Gedanken der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das System weist wenigstens einen Photodetektor, der mit einem durch die Gasturbinenbrennkammer hindurch führenden optischen Pfad in Verbindung steht, eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, um Licht entlang des optischen Pfades zu dem wenigstens einen Photodetektor zu schicken, und eine Steuervorrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, um wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu steuern, die von dem einen oder den mehreren Photodetektoren ausgegeben sind, wobei das eine oder die mehreren Signale wenigstens ein Absorptionssignal beinhalten, das der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des Lichts entspricht.
[0011 ] Gemäss einem weiteren Gedanken der Erfindung ist eine Gasturbine geschaffen, die eine Gasturbinenbrennkammer sowie eine zuvor genannte Vorrichtung zum Regeln und/oder Steuern von der Gasturbinenbrennkammer zugeordneten Verbrennungsparametern aufweist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0012] Es wird nun auf die beigefügten Zeichnungen eingegangen, die nicht unbedingt massstäblich gezeichnet sind:
[0013] Fig. 1 veranschaulicht einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende optische Abfragesysteme schematisch, die mit der Turbinenbrennkammer in Verbindung stehen.
[0014] Fig. 2a veranschaulicht eine Stirnansicht einer einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemässen Brennkammer und ein optisches Abfragesystem.
[0015] Fig. 2b veranschaulicht ein Transmissionsbeugungsgitter und eine Detektoranordnung zum räumlichen Trennen von Wellenlängen vor einer Erfassung, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0016] Fig. 2c veranschaulicht ein Reflexionsbeugungsgitter und eine Detektoranordnung zum räumlichen Trennen von Wellenlängen vor einer Erfassung, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0017] Fig. 3 zeigt ein exemplarisches Flussdiagramm zum Messen von Absorptionsparametern in einer Turbinenbrennkammer, gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0018] Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, eingehender beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielfältigen Ausprägungen verwirklicht werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt bewertet werden; vielmehr sind diese Ausführungsbeispiele dargelegt, um diese Beschreibung gründlich und vollständig zu gestalten, und um dem Fachmann den Schutzumfang der Patentansprüche vollkommen zu erläutern. Übereinstimmende Bezugsziffern bezeichnen durchgängig gleichartige Elemente.
[0019] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es ermöglichen, Verbrennungsparameter in einer Turbinenbrennkammer durch Testen oder Abfragen der Brennkammer mit Licht zu messen, um die zeitliche und/oder spektrale Schwächung des Lichts zu erfassen, nachdem es die interessierenden Bereiche durchquert hat. Gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung können die gemessenen Verbrennungsparameter ihrerseits verwendet werden, um vielfältige Parameter der Brennkammer zu beeinflussen, zu denen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Brennstoffzustromraten, Brennstoff/ Luft-Verhältnisse und Brennstoffzustromverteilungen gehören, um dadurch Stickstoffoxidemissionen, dynamische Druckschwankungen und Brennstoffnutzungsgrade zu optimieren.
[0020] Gemäss Ausführungsbeispielen können spezielle chemische Stoffe in der Brennkammer überwacht und reguliert werden, indem das Prinzip der Absorption von Licht genutzt wird. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann Licht, das durch eine Brennkammer geschickt wird, gemessen werden, um mittels der spektralen und/oder zeitlichen Schwächung des Lichts die Anwesenheit und Konzentration gewisser chemischer Stoffe in der Brennkammer zu ermitteln. Gemäss Ausführungsbeispielen kann die spektral aufgelöste Lichtabsorption genutzt werden, um chemische Stoffe zu identifizieren, beispielsweise H20, CH4, CO, C02, C2, CH, OH und NO. Die gemessenen Signale können mit dem Brennstoff/LuftVerhältnis, der Wärmefreisetzungsrate und der Temperatur korreliert werden. Gemäss Ausführungsbeispielen kann die nach der Zeit aufgelöste, von optischen Detektoren stammende Ausgabe analysiert werden, um unstetige Phänomene in Zusammenhang mit der Verbrennung aufzudecken, und kann genutzt werden, um verbrennungsakustische Schwingungen (Verbrennungsdynamik) anzuzeigen. Darüber hinaus können die Ausgangssignale als Rückführung verwendet werden, um in einem Verbrennungsregelungssystem eingesetzt zu werden. Vielfältige Optionen und Konstruktionen von Sensoren für Anwendungen zur Beeinflussung der Verbrennung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
[0021 ] Fig. 1 veranschaulicht eine exemplarische Rohrbrennkammer mit Abfragesensoren und einem Steuerungssystem 100 zum Beeinflussen bzw. Regulieren von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer 102 zugeordnet sind, gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Abfragesensorkomponenten können an der Rohrbrennkammer 102 angeordnet oder angebracht sein und können selektiv Regionen in der Rohrbrennkammer 102, beispielsweise an oder
3 nahe dem Luft/Brennstoff-Bereich 108 oder in dem Nachflamm- (oder Abgasauslass-) Bereich 1 10 der Rohrbrennkammer 102 abfragen. Fig. 1 zeigt zwei beispielhafte Anordnungen und Ausführungsbeispiele des Abfragesystems, und zwar eines nahe dem Luft/Brennstoff-Bereich 108 und eines nahe dem Nachflamm-Bereich 1 10. Ein oder mehrere derartige Systeme können an einer beliebigen geeigneten Stelle in dem Brennkammersystem angeordnet sein, ohne dass der Schutzumfang der Patentansprüche berührt ist.
[0022] Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Lichtquelle 1 11 unter der Kontrolle einer Lichtquellensteuereinrichtung 112 Licht erzeugen, um die Brennkammer abzufragen. Das erzeugte Licht kann über eine Reihe von optischen Komponenten einen inneren Abschnitt des Brennraums der Brennkammer 102 durchlaufen. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann das durch die Lichtquelle 1 1 1 erzeugte Licht in einen Wellenleiter 1 14, z.B. eine optische Faser, eingekoppelt werden, um ein Verzweigen zu einem geeigneten Eingabebereich der Brennkammer 102 zu erleichtern. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann das aus dem Wellenleiter 1 14 austretende Licht eine Streuung erfahren und kann einen divergierenden optischen Strahl 1 17 ergeben, der durch eine Linse 1 16 oder durch einen konkaven Spiegel kollimiert werden kann, um einen kollimierten optischen Strahl 1 19 hervorzubringen. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich das durch die Lichtquelle erzeugte Licht (insbesondere, falls es bereits durch die Lichtquelle kollimiert ist) durch einen freien Raum fortbewegen und kann den geeigneten Eingabebereich der Brennkammer 102 entweder unmittelbar oder über Reflektorspiegel oder über zwischengeschaltete optische Elemente erreichen. Der kollimierte optische Strahl 1 19 kann über einen optischen Eingabekanal 1 18 in die Brennkammer 102 eintreten. Der optische Eingabekanal 118 und ein optischer Ausgabekanal 120 können in dem Körper der Turbinenrohrbrennkammer 102 ausgebildet sein, um es der optischen Energie zu erlauben, die Brennkammer 102 zu durchqueren. Der optische Eingabekanal 1 18 und ein optischer Ausgabekanal 120 können aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen, optisch transparenten Material, beispielsweise Quarz, Saphir oder aus sonstigen geeigneten Materialien hergestellt sein, die geringen Verlust verursachen und eine Übertragungsbandbreite aufweisen, die für die interessierenden Wellenlängen geeignet ist.
[0023] Gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung können an vielfältigen Stellen an der Brennkammer 102 zwei oder mehr optische Kanäle 1 18 120 angeordnet sein, um entlang des Luft/Brennstoff-Flammen-Abgasauslass-Pfads an unterschiedlichen Punkten Verbrennungsspezies zu erfassen. Gemäss Ausführungsbeispielen kann das sich in der Brennkammer 102 ausbreitende kollimierte Licht 1 19 mit Verbrennungsspezies in Wechselwirkung treten und kann aufgrund der über den Pfad hinweg gemittelten Wechselwirkung mit den Spezies eine wellenlängenspezifische spektrale Schwächung erfahren, die mit der Konzentration der speziellen chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 korrelieren kann.
[0024] Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das spektral abgeschwächte Licht, das durch den optischen Ausgabekanal 120 aus der Brennkammer 102 austritt, eine Linse 122 oder einen konkaven Spiegel 124 durchqueren, um einen konvergierenden optischen Strahl 123 hervorzubringen, der durch einen oder mehrere Detektoren 126 erfasst wird. Gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der (bzw. können die) optische(n) Detektor(en) 126 mit Blick auf ein Ansprechen innerhalb gewisser interessierender Wellenlängenspektralfenster ausgewählt sein. Beispielsweise kann mit Blick auf seine Empfindlichkeit gegenüber dem ultravioletten Abschnitt des Wellenlängenspektrums ein Siliziumkarbid-(SiC)-Fotodetektor ausgewählt werden. Gemäss noch einem Ausführungsbeispiel kann ein Silizium-(Si)-Fotodetektor zur Überwachung der von chemischen Stoffen ausgehende Emission in dem Spektralbereich von etwa 400 bis ungefähr 1000 nm genutzt werden. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel können Indiumgalliumarsenid-(lnGaAs)Fotodioden mit Blick auf ein Messen von infraroten Wellenlängen in dem Spektralbereich von etwa 1000 bis ungefähr 1700 nm ausgewählt sein. Die durch die Detektoren 126 erfassten optischen Signale können durch die Detektoren 126 in elektronische Signale umgewandelt werden, die durch die Detektorelektronik 128 weiter verarbeitet (gefiltert, verstärkt, usw.) werden können. Die von der Detektorelektronik 128 ausgegebenen elektronischen Signale können von dem Brennkammersteuerungssystem 130 genutzt werden, um Brennkammerparameter (Luft/Brennstoff-Verhältnisse, Brennstoffverteilung, Massendurchsatz akustische Impedanz einer Brennstoffdüse, Luftstromverteilung, usw.) dynamisch anzupassen, um die Parameter der Brennkammer zu optimieren.
[0025] Fig. 2a veranschaulicht eine Stirnansicht eines optischen Abfragesystems, gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei der Lichtquellenemitter 1 1 1 einen abstimmbaren Laser aufweisen kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Lichtquellenemitter 1 1 1 ein Laser mit fester Wellenlänge sein. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Lichtquellenemitter 11 1 , 202 Mehrfachlaser oder mehrere Spektrallinien aufweisende Laser beinhalten. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Lichtquellenemitter 1 11 eine breitbandige Lichtquelle beinhalten, beispielsweise eine auf dem Prinzip einer Verstärkung durch stimulierte Emission (ASE) arbeitende Quelle, eine Superkontinuumquelle oder eine Superluminiszenz-Leuchtdiode (SLED).
[0026] Die Einzelheiten der Konstruktion des Messsystems zum Abfragen der chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 können von den interessierenden chemischen Stoffen abhängen, und können hinsichtlich ihrer Komplexität einen Bereich von einer eine einzige Linie aufweisenden Laserlichtquelle 1 1 1 unter Verwendung eines einzigen Detektors 126 bis zu einem abstimmbaren Laser oder einer ASE-Quelle umfassen, die zusätzliche optische Komponenten aufweist, um es zu ermöglichen, Bereiche des Spektrums aufzulösen und zu messen. Vielfältige Beispiele optischer Systeme und Detektionsansätze, gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung, werden nachstehend mit Bezug auf Fig. 2a-c erörtert.
4 Grundlegende Ausführungsbeispiele einer Abfrage durch Laser mit fester Wellenlänge
[0027] Gemäss einem Ausführungsbeispiel und wie es oben erwähnt ist, kann als die Lichtquelle 1 11 ein monochromer Laser bzw. eine Laserdiode genutzt werden. Die von dem Laser ausgehende schmalbandige Emission kann angepasst sein, um einem Absorptionsband eines interessierenden chemischen Stoffes zu entsprechen. Beispielsweise weist H20 Absorptionsbande bei 1 ,45 pm, 1 ,95 pm und 2,5 pm auf; CH4weist ein Absorptionsband bei 1 ,65 pm auf; CO weist ein Absorptionsband bei 1 ,55 pm auf; C2weist ein Absorptionsband bei 518 nm auf; CH weist ein Absorptionsband bei 530 nm auf; OH weist ein Absorptionsband bei 310 nm auf, und NO weist ein Absorptionsband bei 226 nm auf. Durch ein Abstimmen der Emissionswellenlänge der Lichtquellen 1 1 1 auf eine oder mehrere dieser Absorptionswellenlängen und durch Auswahl des geeigneten optischen Detektors 126 kann ein Verhältnis der eingegebenen zu der ausgegebenen optischen Energie gemessen und mit der relativen Konzentration des interessierenden Verbrennungsstoffes korreliert werden.
Ausführungsbeispiele einer Abfrage durch Mehrfachlaser
[0028] Gemäss einem Ausführungsbeispiel können Mehrfachlaserquellen 11 1 , 202 und mehrere entsprechende Detektoren 126, 214 genutzt werden, um mehrere Verbrennungsspezies gleichzeitig zu erfassen, oder um eine einzelne Verbrennungsspezies genauer zu messen, indem Normierungsverfahren eingesetzt werden, wie sie nachstehend beschrieben werden. In einem Ausführungsbeispiel kann Licht aus einer oder mehreren Lichtquellen 1 11 , 202 in entsprechende optische Wellenleiter 1 14, 214 eingekoppelt und über diese zu einer gemeinsamen Linse 116 und zu einem Eingangskanal 1 18 verzweigt werden, und kann ko-lineare (oder in etwa parallele), jedoch räumlich getrennte optische Pfade 204, 205 nutzen und über einen gemeinsamen Ausgangskanal 120 austreten und dank der optischen Pfadtrennung oder Einkopplungswinkel mittels entsprechender optischer Detektoren 126, 214 erfasst werden. In einem (nicht in Fig. 2a gezeigten, jedoch mit Bezug auf Fig. 1 erwähnten) anderen Ausführungsbeispiel können die Mehrfachlichtquellen individuelle Pfade verwenden und jeweils eine eigen Optik (Linsen, Spiegel, Eingabe- und Ausgabekanäle, Detektoren usw.) nutzen.
Ausführungsbeispiele einer Abfrage durch abstimmbare Laser
[0029] Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Lichtquelle 202 einen abstimmbaren Laser aufweisen, der über ein Spektrum von Wellenlängen hinweg abgestimmt werden kann. Der abstimmbare Laser kann es ermöglichen, die Absorptionsspektren eines oder mehrerer chemischer Stoffe in der Brennkammer zu messen. Gemäss Ausführungsbeispielen und wie in Fig. 2b und 2c dargestellt, kann ein Transmissionsgitter 208 oder Reflexionsgitter 210 genutzt werden, um die spektralen Komponenten (λ1 , λ2,... λη) des Lichts des abgestimmten Lasers angular zu trennen, nachdem es die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 durchstrahlt hat und mit diesen in Wechselwirkung getreten ist. Das angular getrennte Licht kann anschliessend aufgelöst und durch mehrere (räumlich getrennte) Detektoren in einer Detektoranordnung 216 erfasst werden. Die sich ergebenden erfassten Signale können zeitlich abgetastet und mit der bekannten Abstimmwellenlänge des abstimmbaren Lasers in Beziehung gesetzt werden, um eine zusammengeführte Darstellung der Absorptionsspektren der in der Brennkammer 102 vorhandenen chemischen Stoffe hervorzubringen. Die gemessenen Absorptionsspektren können anschliessend mit den relativen Konzentrationen der interessierenden chemischen Stoffe in Beziehung gesetzt werden und können genutzt werden, um die Parameter der Brennkammer 102 zu regulieren.
[0030] Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel des Systems, das einen abstimmbaren Laser, beispielsweise einen Chirp-Laser, verwendet, kann ein einzelner Detektor genutzt werden, um das Licht zu messen, das durch die Brennkammer 102 gelangt ist. Indem die Wellenlängenänderung des abstimmbaren Lasers mit dem in dem Zeitbereich erfassten Signal in Beziehung gesetzt wird, kann das Zeitbereichssignal genutzt werden, um die Absorptionsspektren der chemischen Stoffe in der Brennkammer 1 12 über das interessierende Wellenlängenband hinweg zu messen, ohne Mehrfachdetektoren oder Gitter zu verwenden.
Ausführungsbeispiele einer Abfrage mittels breitbandiger Lichtquellen
[0031 ] Gemäss Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Lichtquelle 202 eine breitbandige Lichtquelle, z.B. eine auf dem Prinzip einer Verstärkung durch stimulierte Emission (ASE) arbeitende Quelle, eine Superkontinuumquelle oder eine Quelle auf der Basis einer Superluminiszenz-Leuchtdiode (SLED) beinhalten. In diesen Ausführungsbeispielen können Photonen, die ein Spektrum von Wellenlängen innerhalb der Emissionsbandbreite der Quelle abdecken, die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 simultan abfragen, um ein zusammengeführtes Absorptionsspektrum hervorzubringen. Gemäss Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf Fig. 2b und 2c kann ein Transmissionsgitter 208 oder Reflexionsgitter 210 genutzt werden, um die spektralen Komponenten (λ1 , λ2,... λη) des breitbandigen Lichts angular zu trennen, nachdem es die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 durchquert hat und mit diesen in Wechselwirkung getreten ist. Das angular getrennte Licht kann anschliessend aufgelöst und durch mehrere (räumlich getrennte) Detektoren in einer Detektoranordnung 216 erfasst werden. Die sich ergebenden erfassten Signale können ein zusammengeführtes Absorptionsspektrum der chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 repräsentieren. Das gemessene Absorptionsspektrum kann anschliessend mit den relativen Konzentrationen der interessierenden chemischen Stoffe in Beziehung gesetzt und genutzt werden, um die Parameter der Brennkammer 102 zu regeln und/oder steuern. Gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere optische (z.B. dichroitische, Fabry-Perot usw.) Filter 215 in dem optischen Pfad angeordnet sein, um das gemessene Spektrum auf ein interessierendes Wellenlängenband zu begrenzen. Eine vor oder
5 nach der Brennkammer (vor dem Erreichen des Detektors) durchgeführte Filterung des Lichts kann die Detektoranordnung vereinfachen und kann dazu dienen, die Erfordernis eines Gitters oder mehrerer Detektoren zu eliminieren. Weiter kann ein Anordnen eines Filters 215 über dem Detektor verwendet werden, um unerwünschtes Streulicht, beispielsweise aus dem Flammenbereich, zu reduzieren. Es können viele Kombinationen und Abweichungen der oben erwähnten Ausführungsbeispiele verwendet werden, ohne dass der Schutzumfang der Patentansprüche berührt ist. Demzufolge ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.
[0032] Ausserdem sind in Fig. 1 und 2a Blöcke gezeigt, die die Detektorelektronik 128 und das Verbrennungsteuerungssystem 130 repräsentieren. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die Detektorelektronik 128 dazu eingerichtet sein, um die von den optischen Detektoren 126 214 216 ausgegebenen Signale zu konditionieren, zu verstärken, zu filtern und zu verarbeiten. Die Detektorelektronik 128 kann ferner eine Steuerung bereitstellen, die dazu dient, die Position einer jeden der entsprechenden optischen Komponenten automatisch anzupassen. Das von der Detektorelektronik ausgegebene Signal kann als ein Steuersignal für das Verbrennungsteuerungssystem 130 verwendet werden. Beispielsweise kann die gemessene Konzentration von CEU oder das gemessene Verhältnis von CH4zu C02gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Rückführung in dem Verbrennungsteuerungssystem 130 genutzt werden und kann eine Steuerung bereitstellen, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis dynamisch anzupassen.
[0033] Nachstehend wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm von Fig. 3 ein exemplarisches Verfahren zum Messen chemischer Stoffe in einer Brennkammer 102 und zum auf den Messwerten basierenden Regulieren einer Verbrennungscharakteristik beschrieben. Beginnend in Block 302 und gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Lichtquelle 1 1 1 und eine Lichtquellensteuereinrichtung 1 12 vorgesehen sein. Mindestens ein optischer Pfad, der einen optischen Eingangskanal 1 18 und einen Ausgangskanal 120 einschliesst, kann in dem Körper der Turbinenrohrbrennkammer 102 zu einem interessierenden Bereich 106, 1 10 benachbart ausgebildet sein, um es von der Lichtquelle 1 1 1 ausgehendem Licht zu ermöglichen, sich durch die Brennkammer 102 hindurch auszubreiten, um die in der Brennkammer 102 vorliegenden chemischen Stoffe mittels optischer Absorption zu überwachen. Die optischen Kanäle 118 120 können aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen, optisch transparenten Material, beispielsweise Quarz, Saphir, oder aus sonstigen geeigneten Materialien hergestellt sein, die geringen Verlust verursachen und eine Übertragungsbandbreite aufweisen, die für die interessierenden Wellenlängen geeignet ist. In einem optionalen Block 304 kann, falls erforderlich, ein Kollimator 1 16 vorgesehen sein, der zu dem Eingangskanal 1 18 benachbart angeordnet ist, um eine eventuelle Abweichung des von der Lichtquelle 1 1 1 ausgegebenen Lichtstrahls zu korrigieren und den Strahl 1 19 zu kollimieren. Benachbart zu dem Ausgangskanal 120 kann eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen sein, um das aus der Brennkammer 102 austretende modifizierte Licht zu bündeln. Gemäss Ausführungsbeispielen kann die Fokussierungseinrichtung eine Linse 122 oder ein konkaver Spiegel 124 sein. In Block 306 kann benachbart zu dem Ausgangskanal 120 ein Abschlussfotodetektor 126 vorgesehen sein, der dazu eingerichtet ist, um das fokussierte oder gebündelte Licht 123 aufzunehmen, das durch die Ausgabelinse 122 oder den Spiegel 124 ausgegeben wird.
[0034] Die Blöcke 308, 310 und 312 zeigen an, dass der Messwert des Absorptionssignals zur Steigerung der Genauigkeit und Empfindlichkeit der Messung normiert werden kann, indem das Absorptionssignal gemessen und durch ein Normierungssignal dividiert wird. In Block 312 kann gemäss einem Ausführungsbeispiel das Normierungssignal erzeugt werden, indem ein Teil des von der Lichtquelle 1 1 1 ausgehenden Lichts vor der Ausbreitung des Lichts durch die Brennkammer 102 gemessen wird. Ein derartiges Signal kann bereits an der Lichtquellensteuereinrichtung 1 12 verfügbar sein, da die typischen Lichtquellensteuereinrichtungen einen inneren Detektor nutzen, um die optische Leistung der Lichtquelle 1 1 1 hinsichtlich einer Rückkopplungsregelung zu überwachen. Gemäss weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Normierungssignal mittels (nicht gezeigter) externer Lichtteiler und gesonderter Detektoren erlangt werden, die dazu dienen, einen Teil des Lichts aufzufangen und zu erfassen, bevor es durch die Brennkammer 102 hindurch ausgebreitet wird. Block 310 zeigt an, dass das Absorptionssignal erlangt wird, indem Licht durch den optischen Pfad in der Brennkammer 102 geleitet wird, und indem das wellenlängenabhängige und/oder zeitlich veränderliche Absorptionssignal an einem oder (mehreren) Abschlussfotodetektoren 126, 214, 216 gemessen wird. Block 312 zeigt an, dass das normierte Messsignal erlangt werden kann, indem das Absorptionssignal (Zähler) durch das Normierungssignal (Nenner) dividiert wird. Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann der Nenner, da das Normierungsverfahren optional sein kann, für den Fall, dass das Absorptionssignal nicht normiert ist, auf 1 gesetzt werden.
[0035] In Block 316 können das extrahierte Absorptionsspektrum und/oder zeitlich veränderliche Messdaten verwendet werden, um die Verbrennungscharakteristik der Brennkammer 102 zu steuern und zu optimieren. Beispielsweise können die extrahierten Verbrennungsparameter in einem Regelkreis genutzt werden, um den Brennstoffzustrom, das Brennstoff/ Luft-Verhältnis, die Verteilung des Brennstoffs auf die Brenner, und dergleichen anzupassen.
[0036] Viele Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem auf dem Gebiet dieser Erfindung bewanderten Fachmann einfallen, nachdem die Vorteile der Lehre in den vorausgehenden Beschreibungen und anhand der zugehörigen Zeichnungen dargelegt wurden. Demzufolge ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll, und dass Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele von dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche abgedeckt sein sollen. Obwohl im Vorliegenden spezielle Begriffe verwendet werden, werden diese lediglich in einem oberbegrifflichen und beschreibenden Sinne und nicht für Zwecke einer Beschränkung verwendet.
6 [0037] Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können Systeme und Verfahren beinhalten, die dazu dienen, optische Abfragesensoren zum Regulieren einer Verbrennung bereitzustellen. Gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Regulieren von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer 102 zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines optischen Pfades 204 durch die Gasturbinenbrennkammer 102 hindurch, Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades 204, Messen der Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer 102, und Regulieren wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.
Bezugszeichenliste
[0038]
100 Rohrbrennkammer mit Abfragesensoren und Steuerungssystem
102 Rohrbrennkammer
104 Flammen
106 Flammenbereich
108 Luft/Brennstoff-Bereich
110 Nachflamm-Bereich
111 Lichtquelle
112 Lichtquellensteuereinrichtung 114 Wellenleiter
116 Eingangskollimatorlinse
117 divergierender optischer Strahl
118 optischer Eingabekanal
119 kollimierter optischer Strahl
120 optischer Ausgabekanal
122 Fokussierungslinse
123 konvergierender optischer Strahl
124 Fokussierspiegel 126 optischer Detektor 128 Detektorelektronik
130 Brennkammersteuerungssystem 200 optisches Abfragesystem 202 zusätzlicher Lichtquellenemitter
204 optischer Pfad
205 zusätzlicher optischer Pfad(e)
208 Transmissionsgitter
210 Reflexionsgitter
212 zusätzlicher optischer Wellenleiter
214 zusätzlicher optischer Detektor
215 optionaler optischer Filter
7

Claims (1)

  1. 216 Detektoranordnung Patentansprüche 1. Verfahren zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordnet sind, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines optischen Pfades (204), der durch die Gasturbinenbrennkammer (102) hindurchführt; Fortleiten von Licht entlang des optischen Pfades (204); Messen der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des Lichts; und Regeln und/oder Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest auf der Grundlage der gemessenen Absorption. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Bereitstellen eines optischen Pfades (204) beinhaltet, einen optischen Eingabekanal (1 18), einen optischen Ausgabekanal (120) und wenigstens einen Photodetektor (126) bereitzustellen. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) beinhaltet, eine Lichtquelle (1 1 1 ), einen optischen Wellenleiter (1 14) und einen Kollimator (1 16) zum Leiten von Licht von der Lichtquelle (1 1 1 ) entlang des optischen Pfades (204) bereitzustellen. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) beinhaltet, wenigstens ein Gitter (208, 210) oder ein Filter (215) zum Trennen von dem Licht immanenten Spektraldaten bereitzustellen. 5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten einer schmalbandigen optischen Strahlung zur Messung von Absorption beinhaltet. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten von Licht beinhaltet, das in einem Wellenlängenbereich zwischen 225 Nanometer bis zu 3 Mikrometer abstimmbar ist, um ein Absorptionsspektrum zu messen. 7. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten einer breitbandigen optischen Strahlung beinhaltet, um ein Absorptionsspektrum zu messen. 8. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner mit den Schritten: Messen wenigstens eines Normierungssignals, das einem Teil des Lichts zugeordnet ist; und Messen der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des Lichts, wenigstens auf der Grundlage des wenigstens einen Normierungssignals. 9. Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt: Regeln und/oder Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest auf der Grundlage der gemessenen Absorption und des wenigstens einen Normierungssignals. 10. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Verbrennungsparameter wenigstens beinhalten: eine Brennstoffzustromrate und/oder eine Brennstoffzustromverteilung und/oder ein Luft/Brennstoff-Verhältnis. 1 1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, zum Regeln und/oder Steuern von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung aufweist: wenigstens einen Photodetektor (126, 214), der mit einem durch die Gasturbinenbrennkammer (102) führenden optischen Pfad (204) in Verbindung steht; wenigstens eine Lichtquelle (1 11 ), die dazu eingerichtet ist, um Licht entlang des optischen Pfades (204) zu dem wenigstens einen Photodetektor (126) zu leiten; und eine Steuervorrichtung (130), die dazu eingerichtet ist, um wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu regeln und/oder steuern, die von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (126, 214) stammen, wobei das eine oder die mehreren Signale wenigstens ein Absorptionssignal beinhalten, das der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des Lichts entspricht. 12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei der optische Pfad (204) einen optischen Eingabekanal (1 18) und einen optischen Ausgabekanal (120) umfasst. 13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei der optische Pfad (204) einen optischen Wellenleiter (1 14) und einen Kollimator (1 16) aufweist, um Licht aus der wenigstens einen Lichtquelle (1 1 1 ) entlang des optischen Pfades (204) zu leiten. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei der optische Pfad (204) wenigstens ein Gitter (208, 210) oder einen Filter (215) aufweist, um dem Licht immanente Spektraldaten zu separieren. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei die wenigstens eine Lichtquelle (1 11 ) eine schmalbandige optische Strahlungsquelle beinhaltet, um die im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindende Absorption der von ihr emittierten optischen Strahlung zu messen. 8 16. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die wenigstens eine Lichtquelle (111) eine abstimmbare Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich zwischen 225 Nanometer und 3 Mikrometer beinhaltet, um ein Absorptionsspektrum der im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindenden Absorption des von ihr emittierten Lichts zu messen. 17. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die wenigstens eine Lichtquelle (111) eine optische Breitband-Strahlungsquelle aufweist, um ein Absorptionsspektrum zu messen. 18. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Vorrichtung einen oder mehrere weitere Photodetektoren aufweist, die dazu eingerichtet sind, wenigstens ein Normierungssignal zu messen, das der einen oder den mehreren Lichtquellen (111) zugeordnet ist; und wobei der wenigstens eine Photodetektor (126, 214) dazu eingerichtet ist, eine im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) entlang des optischen Pfades (204) stattfindende Absorption des Lichts wenigstens auf der Grundlage des wenigstens einen Normierungssignals zu messen. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, das ferner aufweist: wenigstens eine Steuervorrichtung (130), die dazu dient, wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest auf der Grundlage der gemessenen Absorption und des wenigstens einen Normierungssignals zu regeln und/oder steuern. 20. Gasturbine, aufweisend: eine Gasturbinenbrennkammer (102) sowie eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19 zum Regeln und/oder Steuern von der Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordneten Verbrennungsparametern. 9
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