CN101956997A - 用于燃烧控制的光学探询传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃烧控制的光学探询传感器，具体而言，本发明的特定实施例可包括用来提供用于燃烧控制的光学探询传感器的系统和方法。根据本发明的一个示例性实施例，提供一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的方法。该方法可包括：提供穿过燃气涡轮机燃烧器(102)的光路(204)；使光沿着光路(204)传播；测量燃气涡轮机燃烧器(102)内光的吸收；以及至少部分地基于测得的吸收控制燃烧参数中的至少一个。

Description

用于燃烧控制的光学探询传感器
技术领域
本发明一般地涉及传感器，并且更特别地涉及用于燃烧控制的光学探询(interrogation)传感器。
背景技术
现代工业燃气涡轮机要求高效地转换能量同时产生最少的污染排放物。但这两个要求是互相对立的，因为更高的效率一般通过升高燃烧室中的整体气体温度实现，而诸如氮氧化物的污染物典型地通过降低最高气体温度而减少。最高气体温度可通过在燃烧室中保持稀空燃比而降低，但如果燃料/空气混合物过稀，则不完全的燃料燃烧可产生过量的一氧化碳和未燃烧的烃。因此，反应区中的温度必须足够支持完全燃烧。
为了平衡对于增加的效率和减少的排放的相冲突的需要，要求极端精确的控制来调节燃烧器的反应区中的燃料/空气混合物。已提出这种系统：其用于通过监视各种燃烧参数来控制燃料/空气混合物，并且使用测得参数作为输入来控制燃料系统。例如，一种常规的系统包括控制系统，其中利用燃料流率、压力水平和排气温度分布作为用于设定燃料平稳控制阀的输入。
用于控制燃烧动态变化的其它技术包括测量来自燃烧器火焰的光发射，并且使用测得信号来控制特定燃烧参数。例如，一个常规系统使用采用碳化硅二极管以通过紫外线辐射强度的测量感测燃烧火焰温度的闭环反馈系统。感测到的紫外线辐射用来控制燃料混合物的空燃比，以将火焰的温度保持在与氮氧化物的期望低级别相关的预定级别以下。
其它常规系统可使用用于从燃烧区域至探测器聚集和传输光的光纤。又其它常规系统可使用摄像机来捕捉火焰的图像，其主要用于监视火焰的存在或缺失。
已提出用于涡轮机中的质量流量感测技术。例如，基于激光的多普勒频移测量系统可用于确定涡轮机进气管道中的空气流量，并且已提出类似系统，其用于通过对比来自不同频率的两个光发生器(激光器)的吸收特征而测量静态温度。依然需要用于提供光学传感器的改进的系统和方法。
发明内容
可通过本发明的特定实施例来解决部分或全部以上需要。本发明的特定实施例可包括用来提供用于燃烧控制的光学探询传感器的系统和方法。
根据本发明的一个示例实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关的燃烧参数的方法。该方法可包括：提供穿过燃气涡轮机燃烧器的光路；使光沿着该光路传播；测量燃气涡轮机燃烧器内光的吸收；以及至少部分地基于测得的吸收控制燃烧参数中的至少一个。
根据另一示例性实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关的燃烧参数的系统。该系统可包括：至少一个光电探测器，其与穿过燃气涡轮机燃烧器的光路通讯；光源，其可操作以使光沿着该光路传播到该至少一个光电探测器；以及控制装置，其可操作以至少部分地基于来自该一个或多个光电探测器的一个或多个信号控制燃烧参数中的至少一个。
根据另一示例性实施例，提供一种燃气涡轮机。该燃气涡轮机可包括：燃烧器；至少一个光电探测器，其与穿过燃烧器的光路通讯；光源，其可操作以使光沿着光路传播到该至少一个光电探测器；以及至少一个控制装置，其可操作以至少部分地基于来自该至少一个光电探测器的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数，其中该一个或多个信号至少包括吸收信号。
本发明的其它实施例和方面在文中详细描述并视为要求保护的发明的一部分。参考说明书和附图可理解其它实施例和方面。
附图说明
现将参照附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：
图1描绘了根据本发明的一个示例性实施例的与涡轮机燃烧器通讯的说明性光学探询传感器。
图2a图示了按照本发明的一个示例性实施例的燃烧器和光学探询系统的端视图。
图2b图示了根据本发明的一个示例性实施例的用于在探测前在空间上分隔波长的透射衍射光栅和探测器阵列。
图2c图示了根据本发明的一个示例性实施例的用于在探测前在空间上分隔波长的反射衍射光栅和探测器阵列。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的用于测量涡轮机燃烧器内的吸收参数的示例性方法流程图。
部件清单
100具有探询传感器和控制系统的管式燃烧器
102管式燃烧器
104火焰
106火焰区域
108空气/燃料区域
110后火焰区域
111光源
112光源控制器
114波导
116输入准直镜头
117发散光束
118输入光学端口
119准直光束
120输出光学端口
122聚焦镜头
123汇聚光束
124聚焦镜
126光学探测器
128探测器电子装置
130燃烧器控制系统
200光学探询系统
202附加光源发射器
204光路
205附加光路
208透射机制光栅
210反射机制光栅
212附加光学波导
214附加光学探测器
215可选的光学过滤器
216探测器阵列
具体实施方式
下文将参照附图更充分地描述本发明的实施例，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可采取多种不同形式来实施并且不应当被解释为局限于本文所述的实施例；相反，提供这些实施例以使本公开内容详尽和完整，并且这些实施例将向本领域技术人员传达本发明的范围。全部附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
本发明的一个实施例可使得能够通过使用光来探查或探询燃烧器以检测在光已穿过所关心的区域之后的时间和/或光谱衰减，从而在涡轮机燃烧器中测量燃烧参数。根据本发明的实施例，测得的燃烧参数又可用来控制燃烧器的各种参数，包括但不局限于燃料流率、空燃比和燃料流量分布以优化氮氧化物排放、动态压力振荡和燃料效率。
根据示例性实施例，可利用光吸收原理在燃烧器内监视和控制特定化学物质。根据一个示例性实施例，可测量穿过燃烧器发射的光，以通过光的光谱和/或时间衰减确定燃烧器内特定化学物质的存在和浓度。根据示例性实施例，光谱分辨光吸收可用来识别包括H2O、CH4、CO、CO2、C2、CH、OH和NO的化学物质。可将测得的信号与空燃比、热释放率和温度关联。根据示例性实施例，可分析来自光学探测器的时间分辨输出，以揭示与燃烧相关的不稳定现象，且其可用来指示燃烧声学振荡(燃烧动态变化)。另外，输出信号可用作用于闭环燃烧控制系统中的反馈。现将参照附图描述根据本发明的实施例的用于燃烧控制应用的各种传感器选择和配置。
图1图示了根据本发明的示例性实施例的示例性管式燃烧器，该燃烧器具有用于控制与燃气涡轮机燃烧器102相关的燃烧参数的探询传感器和控制系统100。探询传感器构件可放置或安装在管式燃烧器102附近并且可选择性地探询管式燃烧器102内的区域，例如，在空气/燃料区域108处或其附近，或在管式燃烧器102的后火焰(或排气)区域110内。图1表示探询系统的两个示例性布置和实施例，一个在空气/燃料区域108附近且一个在后火焰区域110附近。一个或多个此类系统可放置在燃烧器系统内的任何适当位置而不脱离本发明的范围。
根据本发明的一个示例性实施例，在光源控制器112控制之下的光源111可产生用于探询燃烧器的光。所产生的光可经由一系列光学元件穿过燃烧器102室的内部传播。根据一个示例性实施例，光源111所产生的光可联入波导114如光纤中，以便于发送到燃烧器102的适当进入区域。根据一个示例性实施例，从波导114传播出来的光可经历发散并且可产生扩散或发散光束117，其可被镜头116或凹镜准直(collimate)以产生准直光束119。根据另一示例性实施例，光源所产生的光(特别是如果其已经被光源准直)可穿过自由空间行进并且可直接或经由反射镜或干涉光学装置到达燃烧器102的适当进入区域。准直光束119可经由输入光学端口118进入燃烧器102。输入光学端口118和输出光学端口120可设置在涡轮机管式燃烧器102的本体中，以允许光能经过燃烧器102。输入光学端口118和输出光学端口120可由抗高温透光材料如石英、蓝宝石或其它具有低损耗以及适合所关心的波长的传输带宽的合适材料构成。
根据本发明的示例性实施例，两个或更多的光学端口118、120可在各种位置定位在燃烧器102上，以在沿空气/燃料-火焰-排气通路的不同点处测量燃烧物质。根据示例性实施例，在燃烧器102内传播的准直光119可与燃烧物质相互作用，并且由于与物质的路径平均相互作用，可经历可与燃烧器102内特定化学物质的浓度关联的特定波长光谱衰减。
根据本发明的一个示例性实施例，穿过输出光学端口120离开燃烧器102的光谱衰减光可经过透镜122或凹镜124，以产生用于使用一个或多个探测器126进行感测的汇聚光束123。根据本发明的示例性实施例，可为所关心的特定波长光谱窗口内的响应而选择光学探测器126。例如，可由于其对波长光谱的紫外线部分的敏感性而选择碳化硅(SiC)光电探测器。根据另一实施例，可利用硅(Si)光电探测器来在约400至约1000nm的光谱中监视来自化学物质的发射。根据另一示例性实施例，可选择铟镓砷化物(InGaAs)光敏二极管来测量约1000至约1700nm光谱中的红外线波长。由探测器126探测到的光学信号可由探测器126转换为电信号，该电信号可由探测器电子装置128进一步处理(过滤、放大等)。来自探测器电子装置128的输出电信号可被燃烧器控制系统130用来动态地调节燃烧器参数(空燃比、燃料分配、质量流量、燃料喷嘴声学阻抗、空气流量分配等)以优化燃烧器的参数。
图2a描绘了按照本发明的示例性实施例的光学探询系统，光源发射器111可包括可调谐激光器。在另一示例性实施例中，光源发射器111可为固定波长激光器。在再另一示例性实施例中，光源发射器111、202可包括多个激光器或多个线性激光器。根据另一示例性实施例，光源发射器111可包括宽带光源，例如受激发射放大(ASE)源、超连续源(supercontinuum source)或超辐射发光二极管(SLED)。
用于探询燃烧器102内的化学物质的测量系统的设计细节可取决于相关化学物质，并且复杂性的范围可从具有单个探测器126的单线激光光源111至具有附加光学元件以使光谱的部分能够分辨和测量的可调谐激光器或ASE源。现将参照图2a-2c讨论根据本发明的示例性实施例的各种示例性光学系统和检测方案。
基本固定激光器探询实施例
根据一个示例性实施例，并且如上所述，可利用单线激光器或激光器二极管作为光源111。可调节来自激光器的窄带发射，以匹配所关心的化学物质的吸收带。例如，H2O具有接近1.45μm、1.95μm和2.5μm的吸收带；CH4具有接近1.65μm的吸收带；CO具有接近1.55μm的吸收带；C2具有接近518nm的吸收带；CH具有接近530nm的吸收带；OH具有接近310nm的吸收带；而NO具有接近226nm的吸收带。通过将光源111的发射波长与这些吸收波长的一个或多个进行匹配，并且通过选择适当的光学探测器126，可测量输入光能与输出光能的比率并且将其与所关心的燃烧物质的相对浓度关联。
多个激光器探询实施例
根据一个示例性实施例，多个激光源111、202和多个相应探测器126、214可用来同时测量多种燃烧物质，或用来通过采用标准化方法更精确地测量单一燃烧物质，如随后将要描述的。在一个示例性实施例中，一个或多个光源111、202可联入并且可经由相应的光学波导114、214发送到共用镜头116和输入端口118，并且可利用共线(或大致平行)但空间上分离的光路204、205并且可离开共用输出端口120，且可借助于光路分离或发射角使用相应的光学探测器126、214进行探测。在另一实施例中(未在图2a中示出，但在图1中暗示)，该多个光源可跟随单独的通路并且可利用专门的光学装置(镜头、镜子、输入和输出端口、探测器等)。
可调谐激光器探询实施例
根据本发明的一个示例性实施例，光源202可包括能够在一定光谱的波长上进行调谐的可调谐激光器。可调谐激光器可使得能够测量燃烧器内一种或多种化学物质的吸收光谱。根据示例性实施例，并且在图2b和图2c中示出，透射机制(transmission regime)光栅208或反射机制光栅210可用来在调谐后的激光已穿过燃烧器102内的化学物质并与其相互作用之后在角度上分离已调谐激光的光谱分量(λ1，λ2，...λn)。然后可通过探测器阵列216中的多个(空间上分离的)探测器分辨和探测在角度上分离的光。可及时对所得到的探测信号取样并且将其与可调谐激光器的已知调谐波长关联，以产生燃烧器102内化学物质的吸收光谱的组合表示。然后可将测得的吸收光谱与相关化学物质的相对浓度关联，并且可利用其来控制燃烧器102的参数。
根据采用可调谐激光器如啁啾激光器(chirped laser)的系统的另一示例性实施例，可利用单个探测器来测量已穿过燃烧器102的光。通过在时域中将可调谐激光器波长变化与探测到的信号关联，可利用时域信号来测量燃烧器112内的化学物质在所关心的波长带上的吸收光谱而无需利用多个探测器或光栅。
宽带光源探询实施例
根据本发明的示例性实施例，光源202可包括宽带光源，例如受激发射放大(ASE)源、超连续源或超辐射发光二极管(SLED)源。在这些实施例中，覆盖源的发射带宽内一定光谱的波长的光子可同时探询燃烧器102内的化学物质，以产生组合吸收光谱。根据示例性实施例，并且参照图2b和图2c，透射光栅208或反射光栅210可用来在激光已穿过燃烧器102内的化学物质并与其相互作用之后在角度上分离宽带光的光谱分量((λ1，λ2，...λn)。然后可通过探测器阵列216中的多个(空间上分离的)探测器分辨和探测在角度上分离的光。所得到的探测信号可代表燃烧器102内组合化学物质的吸收光谱。然后可将测得的吸收光谱与所关心的化学物质的相对浓度关联，并且可利用其控制燃烧器102的参数。根据另一示例性实施例，可将一个或多个滤光器215(二色滤光器、法布里珀罗(Fabry Perot)滤光器等)放置在光路上，以将测得光谱限定在所关心的波长带。光在燃烧器前或后的过滤(在到达探测器前)可简化探测器布置，并且可用来消除对光栅或多个探测器的需要。将过滤器215放置在探测器上方还可用来减少例如来自火焰区域的不希望有的杂散光。可采用上述实施例的许多组合和变型而不脱离本发明的范围。因此，应该理解的是，本发明并不局限于所公开的特定实施例。
图1和图2a还示出了代表探测器电子装置128和燃烧控制系统130的方框。根据一个示例性实施例，探测器电子装置128可操作以调节、放大、过滤和处理来自光学探测器126、214、216的信号。探测器电子装置128还可提供用于自动调节任何相应的光学元件的位置的控制。来自探测器电子装置的输出信号可用作用于燃烧控制系统130的控制信号。例如，根据本发明的一个实施例，CH4的测得浓度，或CH4与CO2的测得比率，可用作燃烧控制系统130中的反馈，并且可提供用以动态地调节空燃比的控制。
现将参照图3的流程图描述用于测量燃烧器102内的化学物质以及用于基于测量结果控制燃烧特性的示例性方法。在方框302中开始并且根据本发明的一个示例性实施例，可提供光源111和光源控制器112。可在所关心的区域106、110附近在涡轮机管式燃烧器102的本体中提供至少一条光路，包括光学输入端口118和输出端口120，以允许来自光源111的光穿过燃烧器102传播，以通过光学吸收监视燃烧器102内存在的化学物质。光学端口118、120可由抗高温透光材料如石英、蓝宝石或其它具有低损耗以及适合所关心的波长的传输带宽的合适材料构成。在可选的方框304中，如果需要，可在输入端口118附近提供准直仪116，以校正来自光源111的光的任何光束发散并且准直光束119。在输出端口120附近，可提供聚焦装置以聚集离开燃烧器102的已修正光。根据示例性实施例，聚焦装置可为镜头122或凹镜124。在方框306中，可在输出端口120附近提供终止光电探测器126，且其可操作以接收由输出镜头122或镜子124提供的聚焦或聚集的光123。
方框308、310和312表示可使吸收信号测量标准化，以通过测量吸收信号并除以标准化信号而增加测量精度和灵敏度。在方框312中，根据一个示例性实施例，标准化信号可由在光穿过燃烧器102传播前测量来自光源111的光的一部分而产生。此类信号可能已经在光源控制器112可获得，因为典型光源控制器利用内部探测器来监视光源111的光功率以进行反馈控制。根据本发明的其它示例性实施例，可使用外部分光器和分离的探测器(未示出)获得标准化信号，以在光穿过燃烧器102传播前捕捉和探测光的一部分。方框310表示通过引导光穿过燃烧器102中的光路并通过在一个或多个终止光电探测器126、214、216处测量波长变化和/或时间变化吸收信号而获得吸收信号。方框312表示可通过将吸收信号(分子)除以标准化信号(分母)而获得标准化的测量信号。根据一个示例性实施例，由于标准化方法可以是可选的，所以如果吸收信号未被标准化，则可将分母设为1。
在方框316中，所提取的吸收光谱和/或时间变化测量信息可用来控制并优化燃烧器102的燃烧特性。例如，所提取的燃烧参数可在反馈控制环中用来调节燃料流量、空燃比、燃烧器间的燃料分配等。
受益于在前述说明和相关附图中提出的教导，本发明所属领域的技术人员会想到本发明的许多改型和其它实施例。因此，应该理解的是，本发明并不局限于所公开的特定实施例，并且改型和其它实施例旨在包括在任何所附权利要求的保护范围内。虽然文中采用特定用语，但仅在普通和描述性的意义上使用它们且目的不在于进行限制。

Claims (20)

1.一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的方法，所述方法包括：
提供穿过所述燃气涡轮机燃烧器(102)的光路(204)；
使光沿着所述光路(204)传播；
测量所述燃气涡轮机燃烧器(102)内的所述光的吸收；以及
至少部分地基于测得的吸收而控制所述燃烧参数中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，提供光路(204)包括提供输入光学端口(118)、输出光学端口(120)和至少一个光电探测器(126)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使光沿着所述光路(204)传播包括提供光源(111)、光学波导(114)和准直仪(116)，所述准直仪(116)用于沿着所述光路(204)引导来自所述光源(111)的光。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使光沿着所述光路(204)传播包括提供至少一个光栅(208，210)或过滤器(215)，用于分离与所述光相关的光谱信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使光沿着所述光路(204)传播包括传播窄带光辐射以测量吸收。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，使光沿着所述光路(204)传播包括传播在大约225纳米至大约3微米之间的波长范围内可调谐的光以测量吸收光谱。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使光沿着所述光路(204)传播包括传播宽带光辐射以测量吸收光谱。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
测量与所述光的一部分相关的至少一个标准化信号；以及
至少部分地基于所述至少一个标准化信号测量所述燃气涡轮机燃烧器(102)内的所述光的吸收。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
至少部分地基于测得的吸收和所述至少一个标准化信号控制所述燃烧参数中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧参数包括以下参数中的至少一个：燃料流率、燃料流量分配或空燃比。
11.一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器(102)相关的燃烧参数的系统，所述系统包括：
至少一个光电探测器(126)，其与穿过所述燃气涡轮机燃烧器(102)的光路(204)通讯；
至少一个光源(111)，其可操作以使光沿着所述光路(204)传播至所述至少一个光电探测器(126)；以及
控制装置(130)，其可操作以至少部分地基于来自所述一个或多个光电探测器(126)的一个或多个信号控制所述燃烧参数中的至少一个。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述光路(204)包括输入光学端口(118)和输出光学端口(120)。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述光路包括用于沿着所述光路(204)引导来自所述至少一个光源(111)的光的光学波导(114)和准直仪(116)。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述光路(204)包括至少一个光栅(208，210)或过滤器(215)，用于分离与所述光相关的光谱信息。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个光源(111)包括用于测量吸收的窄带光辐射源。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个光源(111)包括具有大约225纳米至大约3微米之间的波长范围的可调谐光源，用于测量吸收光谱。
17.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述至少一个光源(111)包括用于测量吸收光谱的宽带光辐射源。
18.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
一个或多个光电探测器(126)，其可操作以测量与所述一个或多个光源(111)相关的至少一个标准化信号；
一个或多个光电探测器(214)，其可操作以至少部分地基于所述至少一个标准化信号测量所述燃气涡轮机燃烧器(102)内所述光的吸收。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
至少一个控制装置(130)，其可操作以至少部分地基于测得的吸收和所述至少一个标准化信号控制所述燃烧参数中的至少一个。
20.一种燃气涡轮机，包括：
燃烧器(102)；
至少一个光电探测器(126)，其与穿过所述燃烧器(102)的光路(204)通讯；
至少一个光源(111)，其可操作以使光沿着所述光路(204)传播至所述至少一个光电探测器(126)；以及
至少一个控制装置(130)，其可操作以至少部分地基于来自所述至少一个光电探测器(126)的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数，其中所述一个或多个信号至少包括吸收信号。
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