CN102022193B - 用于闭环排放物控制的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于闭环排放物控制的系统和方法。具体而言,本发明的一些实施例可包括用于控制与燃气涡轮机燃烧器(104)相关联的燃烧排放物参数的系统和方法。该方法可包括提供穿过燃气涡轮机(106)排气管路(110)的光学通路、使光沿光学通路传播、测量燃气涡轮机(106)排气管路(110)内的光的排气(108)物种吸收,以及至少部分地基于测得的排气(108)物种吸收来控制燃烧参数中的至少一个。

Description

用于闭环排放物控制的系统和方法
技术领域
本发明主要涉及涡轮机的排放物控制,并且更具体地涉及用于闭环排放物控制的系统和方法。
背景技术
工业燃气涡轮机通常需要复杂的控制系统来高效地转换能量,同时最大限度地减小污染排放物。诸如氮氧化物的污染物可通过降低最高气体温度来减少,这可通过在燃烧室中保持贫燃料空气比(leanfuel-to-air ratio)而实现。然而,如果燃料/空气混合物过于贫乏,则不完全燃烧会产生过多的一氧化碳和未燃烃。当以贫燃料燃烧操作时,还会出现其它操作问题,包括不稳定的负载转移以及燃烧不稳定。因此,燃料/空气混合物和反应区内的温度必须受到控制以支持完全燃烧。
已经提出了一些系统,用于通过测量各种燃烧参数以及通过将该测量结果(measurement)用作输入以控制燃料系统来控制燃料/空气混合物。例如,一种常规系统包括控制系统,其中,燃料流动速率、压力水平以及排出排气的温度分布作为输入用于设置燃料调节(trim)控制阀。
用于控制燃烧动力(动态特性)的其它技术包括测量来自燃烧喷燃器火焰的光发射,以及使用测得的信号来控制一些燃烧参数。例如,一种常规系统使用闭环反馈系统,利用碳化硅光电二极管,通过测量紫外线辐射强度来感测燃烧火焰温度。感测到的紫外线辐射用于控制燃料混合物的燃料/空气比,以便将火焰温度保持在与期望的低水平氮氧化物相关的预定水平以下。
其它常规系统可使用光学纤维来收集光以及将光从燃烧区域传输至检测器。另一些常规系统可使用摄像机来采集火焰图像,主要用于监测存在或不存在火焰。
质量通量感测技术已经提出在涡轮机中采用。例如,基于激光器的多普勒频移测量系统可用于确定涡轮机空气入口管路中的空气流,且已经提出了类似系统用于通过比较频率不同的两个光生成器(激光器)的吸收特征来测量静态温度。仍然需要用于闭环排放物控制的改进系统和方法。
发明内容
上述需求中的一些或全部可通过本发明的一些实施例而予以解决。本发明的一些实施例可包括用于闭环排放物控制的系统和方法。
根据本发明的示例性实施例,提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关联的燃烧排放物参数的方法。该方法可包括提供穿过燃气涡轮机排气管路的光学通路、使光沿光学通路传播、测量燃气涡轮机排气管路内的光的排气物种吸收,以及至少部分地基于测得的排气物种吸收来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联的燃烧排放物参数的系统。该系统可包括与穿过燃气涡轮机排气管路的光学通路连通的一个或多个光检测器(photodetector)、可操作成以将光沿光学通路传播至一个或多个光检测器的一个或多个光源,以及可操作成至少部分地基于来自一个或多个光检测器的一个或多个信号来控制燃烧排放物参数中的至少一个的控制装置。
根据另一示例性实施例,提供了一种燃气涡轮机。该燃烧涡轮机可包括燃烧器、排气管路、穿过排气管路的光学通路、与光学通路连通的一个或多个光检测器,以及可操作成以将光沿光学通路传播至一个或多个光检测器的一个或多个光源。
本发明的其它实施例和方面在本文中进行了详细描述,且认作是要求得到专利保护的本发明的一部分。其它的实施例和方面可参照以下详细描述、附图和所附权利要求进行理解。
附图说明
现在将参照附表和附图,附图不必按比例绘制,且在其中:
表1列出了根据本发明示例性实施例的可测量的排气物种和光吸收波长的实例。
图1为根据本发明示例性实施例的与涡轮机燃烧器排气管路连通的示范性光学探询系统的示图。
图2为根据本发明示例性实施例的示范性光学探询探针的示图。
图3为根据本发明示例性实施例的示例性方法的流程图。
零件清单
100闭环排放物控制系统
102压缩机
104燃烧器
106涡轮
108排气
110排气管路
112排气管
114光源
116输入端口
118与排气相互作用的部分光
120输出端口
122光检测器
123检测器信号
124控制器
126燃料
128空气
202壳体(enclosure)
204光学探询探针
206镜子
208入射光
210反射光
具体实施方式
下文将参照示出本发明实施例的附图来更为完整地描述本发明的实施例。然而,本发明可实施为许多不同形式并且不应看作是对本文所述的实施例进行限制;确切而言,提供这些实施例是为了使本公开内容将是全面和完整的,以及将本发明的范围完全地传达给本领域的技术人员。相似的标号表示所有相似的元件。
本发明的一些实施例可通过利用光来探测或探询排气管路以便检测光在穿过相关区域之后的时间衰减和/或光谱衰减,从而能在涡轮机燃烧器的排气管路中测量燃烧排放物参数。根据本发明的实施例,测得的燃烧参数继而可用于控制燃烧器的各种参数,包括但不限于燃料流动速率、燃料/空气比、燃烧器平衡(combustor balance)以及燃料流动分布,以便优化操作参数,包括但不限于氧化亚氮排放物、动态压力振荡以及燃料效率。
根据本发明的一些示例性实施例,特定的排放物物种可通过利用光吸收的原理在燃烧器排气管路或排气管内进行监测。根据示例性实施例,穿过燃烧器排气管路发射的光可进行测量,以便通过光的光谱衰减和/或时间衰减来确定排气物种的存在和浓度。根据本发明的实施例,用于测量排气物种的光可包括处在3.5微米至24微米范围内的中IR(红外线)波长。根据本发明的其它实施例,用于测量排气物种的光可包括处在1.0微米至3.5微米和24微米至500微米的范围内的附加波长。根据示例性实施例,光谱分辨的光吸收可用于识别化学物种(物类),包括但不限于NO、NO2、CO、CO2、SO2和H2O。测得的信号可与燃料-空气比、燃料流动分布、空气流速率、注水速率、热释放速率、燃烧器平衡、温度等相关。此外,吸收信号可用作在闭环燃烧控制系统中使用的反馈。以下的表1列出了一些示例性的可检测的排气物种和在环境温度下的相关吸收波长。
表1
  可检测到的排气物种   波长(微米)   波数(cm-1)
  CO2   4.42   2262
  CO2,N2O   4.48   2232
  CO2,CO   4.86   2058
  CO2,CO   4.87   2053
  NO,H2O   5.25   1905
  NO   5.45   1835
  NO2   6.13   1631
  NO2,NH3   6.29   1590
  SO2,H2S,CH4   7.43   1346
  N2O,CH4,H2S   7.62   1312
  H2O,CH4,N2O,C2H2,H2S   7.85   1274
  H2O,CH4,N2O,C2H2,H2S   7.87   1271
  NH3   10.09   991
根据本发明的实施例,用于燃烧控制应用的各种传感器选择和构造现在将参照附图进行描述。
图1示出了根据本发明的示例性实施例的示例性闭环排放物控制系统100,用于感测和控制与燃气涡轮机的各种构件102,104,106相关联的排放物参数。根据本发明的一些示例性实施例,燃烧器104可经由压缩机102接收空气128。燃烧器104还可接收燃料126,且可在燃烧器104内将空气128和燃料126混合并点燃,以便产生火焰和高压区域,该高压区域可用于使涡轮106旋转。离开涡轮106的排放物或排气108可经由排气管路110引导至引出管112。
根据本发明的示例性实施例,一个或多个光源114和一个或多个检测器122构件可安置或安装成邻近排气管路110。在一个示例性实施例中,来自光源114的光可穿过光学透明的输入端口116,且可与排气管路110内的排气108相互作用。与排气相互作用的光118可经由光学透明的输出端口120引出排气管路110。与排气相互作用的该部分光118由于排气108中存在的排放物物种而会经受因光118的特定波长吸收所造成的光谱衰减。引出排气管路110的光可入射到光学检测器122上,以及最后得到的检测器信号123可由控制器124用于对燃料126、空气128、燃烧器平衡和/或与涡轮106相关联的任一数目的变量的闭环控制。
图1示出了光学探询系统的两种示例性安置和实施例,该光学探询系统包括光源114、输入端口116、输出端口120以及光学检测器122。一个示例性实施例示出了排气管路110附近的探询系统,而另一个示例性实施例示出了排气管112附近的探询系统。一个或多个此种系统可安置在根据本发明的一些实施例的燃烧器排气系统内的任何适合位置处。
根据本发明的示例性实施例,光源114可产生用于探询排气的光。所产生的光可经由多个相关联的光学构件传播穿过排气管路110的内部。根据示例性实施例,由光源114产生的光可耦合(联接)到诸如光学纤维的波导(波导件,waveguide)中,用于方便地引导至排气管路110处的适合的进入区域。根据示例性实施例,传播出波导或光学纤维的光可经受发散,且可产生散开或发散的光束,该光束可由透镜或凹镜校准以产生准直的光束。根据另一示例性实施例,由光源产生的光(具体而言是如果其已经由光源校准)可行进穿过自由空间,且可直接地或经由反射镜或居间的光学器件而到达输入端口116。输入端口116和输出端口120可提供在排气管路110的本体中,以便容许光能穿过排气管路110的至少一部分且与排气108相互作用。输入端口116和输出端口120可由耐高温的光学透明材料构成,如石英、蓝宝石或具有低损耗和适于相关波长的传输带宽的其它适合的材料。
根据本发明的示例性实施例,两个或多个光学端口116,120可定位在排气管路110或排气管112上,位于各种位置处以便测量沿排气通路的不同点处的排放物物种。根据示例性实施例,在排气管路110内传播的部分光118可与排放物物种相互作用,且由于与这些物种沿通路平均的相互作用,故而会经历特定波长的光谱衰减,该光谱衰减可与存在于排气108中的具体排放物物种的浓度相关。
根据本发明的示例性实施例,经由输出端口120引出排气管路的光谱衰减的光可穿过透镜或凹镜而产生会聚光束,以便利用一个或多个检测器122进行感测。根据本发明的示例性实施例,光学检测器122可选择为用于在一些相关波长光谱窗口内响应。例如,硅(Si)光检测器可用于监测光谱处在大约0.4微米至大约1.0微米的范围内的化学物种中的排放物。根据另一示例性实施例,砷化铟镓(InGaAs)光电二极管可选择为用于测量光谱处在从大约1.0微米至大约1.7微米的范围内的红外线波长。砷化铟镓/砷化铝铟(InGaAs/AlInAs)或砷化镓/砷化铝镓(GaAs/AlGaAs)材料的检测器系统可用于测量光谱处在大约3.5微米至24微米的范围内的波长。由检测器122检测到的光学信号可由检测器122转换成可由控制器124进一步处理(滤波、放大等)的电子检测器信号123。检测器信号123可由控制器124使用,用以动态地调整燃烧器参数(空气/燃料比、燃料分布、质量流燃料喷嘴声阻抗、空气流分布等),以便优化与燃烧器104相关联的燃烧和排放物参数。
根据一些示例性实施例,光源114可包括一个或多个QC(量子级联)激光器。QC激光器可为固定或可调的波长。QC激光器可产生对于在特定波长光谱内进行排气108吸收测量的可调的或啁啾(线性调频)的波长输出。根据其它示例性实施例,光源114可包括一个或多个垂直空腔激光器。垂直空腔激光器在波长方面可为固定或可调的,且可监测特定波长,或可具有对于在一定波长光谱内进行吸收测量的可调波长输出。根据又一示例性实施例,光源114可包括一个或多个带间级联激光器,该激光器在波长方面可为固定或可调的。在另一示例性实施例中,光源114可包括多个激光器或多个线型激光器。在又一示例性实施例中,光源114可包括可调激光二极管。根据另一示例性实施例,光源114可包括宽带光源,如放大受激发射(ASE)源、超连续谱光源或超辐射发光二极管(SLED)。
用于探询排气108的排放物物种的测量系统的设计细节可取决于相关化学物种,且在复杂性方面可从具有单个检测器122的单线型激光器光源114变动至可调激光器或ASE源。为使光谱的各部分能够解析和测量,可包括附加的光学构件。根据一些示例性实施例,且如上文所述,单波长(窄带)激光器或激光二极管可用作光源114。来自于激光器的窄带发射可与相关排放物化学物种的吸收带匹配。例如,激光器的输出波长可与具体排放物物种和可测量的吸收波长匹配,表1中提供了该排放物物种和可测量的吸收波长的实例。通过将光源114的波长与这些吸收波长中的一个或多个匹配,以及通过选择适合的光学检测器122,可以测量输入与输出的光能比例,且该比例与相关排放物物种的相对浓度相关。根据本发明的另一示例性实施例,光源114可产生可调的或可线性调频的波长输出,且可使得能够在波长光谱内测量排气吸收曲线。
根据示例性实施例,诸如114的多个激光器光源以及诸如122的多个对应的检测器都可用于同时地测量多个燃烧物种,或用于测量单个燃烧物种。在一个示例性实施例中,诸如114的一个或多个光源可联接到一个或多个输入端口116中,且可利用共线(或粗略地平行)但在空间上分开的光学通路,且可引出共同的输出端口120,并可利用对应的光学检测器122借助于光学通路分离或发射角度而进行检测。在另一示例性实施例中,多个光源可沿着单独的通路,且可采用专用光学器件(透镜、镜子、输入和输出端口、检测器等)。
最后得到的检测信号123可代表排气管路110内的排放物物种的吸收光谱。测得的吸收光谱然后可相关于有关排放物物种的相对浓度,且可用于控制燃烧器104参数,如燃料126和空气128的混合物和/或流动速率。根据另一示例性实施例,光的滤波(在到达检测器之前)可简化检测器122布置,且可用于消除来自多个光源114的串扰(通过散射等)。在检测器122上安置滤波器还可减少不需要的杂散光或环境光。上述实施例的多种组合和变型可根据本发明的其它实施例予以采用。
图1示出了代表控制器124的方框,该控制器124可包括检测器电子设备和燃烧控制系统。根据示例性实施例,控制器124内的检测器电子设备可操作成用以调节、放大、过滤和处理来自光学检测器122的检测器信号123。最后得到的信号可通过控制器124用作燃烧控制系统的控制信号。例如,根据本发明的实施例,测得的NO2浓度或测得的NOx与H2O的比例可用作控制器124中的反馈,且可提供控制用以调整燃料/空气比或流动速率。根据本发明的示例性实施例,控制器124可利用自适应算法和相关模型,该相关模型可由光学检测器122产生的检测器信号123调节。自适应算法可执行排放物控制参数的闭环控制,使用检测器信号123在半连续基础上调整模型估计。
图2描绘了根据本发明的示例性实施例的示例性光学探询器探针204。在该示例性实施例中,输入端口116和输出端口120可为相同的物理端口,且可包括排气管路110侧壁中的单个孔,以便使探针能够插入排气管路110中用来测量排气108流。根据一些示例性实施例,如图2中所描绘的那样,光源114和检测器122可安装在管路的同一侧上,或收容在共同的壳体202中。由光源114产生的入射光208可朝向探针204端部传播,且可由镜子206反射,而发射光210可回到壳体202中,在该处,其可入射到检测器122上。在该示例性实施例中,探针204可具有开口用以容许排气108与入射光208和反射光210相互作用。该实施例可消除或以另外的方式最大限度地减小对排气管路110的相对侧上的单独检测器122的需要,且其还可消除或以另外的方式最大限度地减小对对准的需求,这是因为包括光源114、镜子206和检测器122的光学器件可在安装之前在探针204内预先对准。在另一示例性实施例中,检测器122可安装在探针204端部附近,从而替代镜子206。由光源114产生的入射光208可朝向探针204的端部传播,同时与排气108相互作用,且可入射到探针端部处的检测器122上。
现在将参照图3的流程图来描述用于测量排气排放物物种和用于基于该测量结果控制燃烧特性的示例性方法300。该方法始于方框302。在方框304和根据本发明的示例性实施例,可提供光源114。至少一个光学通路可提供在邻近相关区域的排气管路110或排气管112的本体中,用以容许来自光源114的光118传播穿过排气108且与排气108相互作用,以便通过光学吸收来监测存在于排气108中的排放物物种。
在可选的方框306中,以及根据示例性实施例,准直器可提供为邻近输入端口116(如果需要的话)用以校正来自于光源114的光的任何射束发散,以及用以校准射束118。邻近输出端口120(其可与输入端口116物理地重合),可提供聚焦装置用以在修正的光与排气管路110或排气管112内的排气108相互作用之后使其集中。根据示例性实施例,聚焦装置可为透镜或凹镜。在方框308,终端光检测器122可提供成邻近输出端口120,且可操作成用以在修正的光与排气管路110或排气管112内的排气108相互作用之后对其接受。
在方框310,以及根据示例性实施例,吸收信号可通过引导光穿过排气管路110或排气管112中的光学通路,以及在一个或多个终端光检测器122处测量随波长变化和/或随时间变化的吸收信号来获得。在方框312,测量信号且具体而言是吸收信号可用于从所测量的排气108中获取吸收光谱和/或随时间变化的信息。在方框314,获取的吸收光谱和/或随时间变化的测量信息可用于通过控制器124来控制和优化燃烧器104的燃烧特性。获取的排放物参数可在反馈控制环中用于调整燃料-空气比、流动速率、喷燃器间的燃料分布等。方法300结束于方框316。
本发明所属领域的技术人员将会构想出本发明的一些改进和其它实施例,它们具有存在于前述说明和相关附图中的教导内容的益处。因此,应当理解的是,本发明不限于所公开的特定实施例,并且期望改进和其它实施例包括在任何所附权利要求的范围内。尽管本文使用了特定用语,但它们仅用于一般性和描述性的意义,而非出于限制的目的。

Claims (19)

1.一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关联的燃烧排放物参数的方法,所述方法包括:   
提供穿过涡轮下游的燃气涡轮机排气管路的光学通路;
使光沿所述光学通路传播;
测量所述燃气涡轮机排气管路内的所述光的排气物种吸收;以及
至少部分地基于测得的所述排气物种吸收来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,提供光学通路包括提供至少一个输入光学端口、输出光学端口以及至少一个光检测器。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,使光沿所述光学通路传播包括提供一个或多个量子级联激光器光源,以及沿所述光学通路引导来自于所述光源的光。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,使光沿所述光学通路传播包括提供用于各个所测量的排气物种的一个或多个量子级联激光器。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,使光沿所述光学通路传播包括传播用于测量排气物种吸收的窄带光学辐射。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,使光沿所述光学通路传播包括传播处在3.5微米至24微米之间的波长范围内的光用于测量所述排气物种的中红外吸收。
7.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中的至少一个:燃料流动速率、燃料流动分布、空气流速率、注水速率、燃烧器平衡,或者空气/燃料比。
8.一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关联的燃烧排放物参数的系统,所述系统包括:
一个或多个光检测器,其与穿过涡轮下游的燃气涡轮机排气管路的光学通路连通;
一个或多个光源,其可操作以使光沿所述光学通路传播至所述一个或多个光检测器;以及
控制装置,其可操作以至少部分地基于来自所述一个或多个光检测器的一个或多个信号来控制所述燃烧排放物参数中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述光学通路包括输出光学端口以及至少一个输入光学端口。
10.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述一个或多个光源包括用于测量排气物种吸收的窄带光学辐射源。
11.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,所述一个或多个光源包括以下中的至少一个:量子级联激光器、垂直空腔激光器、带间级联激光器,或者可调二极管激光器。
12.根据权利要求10所述的系统,其特征在于,至少一个光源提供为用于各个所测量的排气物种。
13.根据权利要求10所述的系统,其特征在于,所述一个或多个光源产生处在3.5微米至24微米之间的波长范围内的光用于测量所述排气物种的中红外吸收。
14.根据权利要求8所述的系统,其特征在于,来自于所述一个或多个光检测器的所述一个或多个信号至少包括排气物种吸收信号。
15.一种燃气涡轮机,包括:
燃烧器;
排气管路;
穿过涡轮下游的所述排气管路的光学通路;
与所述光学通路连通的一个或多个光检测器;
可操作以使光沿所述光学通路传播至所述一个或多个光检测器的一个或多个光源;以及
至少一个控制装置,所述至少一个控制装置可操作以至少部分地基于来自所述一个或多个光检测器的一个或多个信号来控制一个或多个燃烧排放物参数。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮机,其特征在于,来自于所述一个或多个光检测器的所述一个或多个信号至少包括排气物种吸收信号。
17.根据权利要求15所述的燃气涡轮机,其特征在于,所述一个或多个光源包括以下中的至少一个:量子级联激光器、垂直空腔激光器、带间级联激光器,或者可调二极管激光器。
18.根据权利要求16所述的燃气涡轮机,其特征在于,至少一个光源提供为用于各个所测量的排气物种。
19.根据权利要求16所述的燃气涡轮机,其特征在于,所述一个或多个光源可操作以产生处在3.5微米至24微米之间的波长范围内的光用于测量所述排气物种的中红外吸收。
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