CN102235674A - 光学燃料喷嘴回火探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学燃料喷嘴回火探测器，具体而言，根据本发明的一方面，公开了一种燃烧器(120)。该燃烧器(120)可包括燃烧器壳体(170)、设置在该燃烧器壳体(170)内的多个喷嘴(160)、以及设置在多个燃料喷嘴(160)的每一个上并与其光通信的火焰探测器(180)，其中各火焰探测器(180)配置成探测与相应的燃料喷嘴(160)中的驻焰状态和回火状态中的至少一个有关的光特性。

Description

光学燃料喷嘴回火探测器
技术领域
本文公开的主题涉及燃气轮机且更具体地涉及驻焰(flame holding)和光学回火(flashback)探测。
背景技术
在燃气轮机中，在具有一个或多个燃料喷嘴的一个或多个燃烧器中使用由压缩机产生的压缩空气燃烧燃料，燃料喷嘴构造成提供燃料和空气在位于燃烧区(主燃烧区)上游的预混区中的预混。当燃烧器的燃料/空气预混通道中发生驻焰或回火时燃烧器会快速发生损坏。在燃烧器的理想操作期间，预混的燃料和空气在燃烧区中的燃料/空气预混通道下游燃烧。在驻焰或回火期间，预混通道中的燃料和空气混合物燃烧。回火状态一般发生在火焰从主燃烧区上游移动到预混区或燃料喷嘴中时，其并非旨在维持燃烧反应。结果，燃烧系统可能发生严重损坏，潜在地导致系统的灾难性故障和伴随的相当大的经济损失。如果涡轮机控制系统能够探测回火事件，则燃料可在燃烧器周围移动且火焰将在燃料喷嘴会损坏之前被推回燃烧室内。使用离子感应探测器及诸如热电偶和光纤之类的其它装置来探测回火是众所周知的。然而，这些探测器仅探测火焰的存在且并不管理涡轮机内的燃料流量。因此，希望提供一种带有配置成管理燃气轮机内的燃料流量的火焰探测系统。
发明内容
根据本发明的一方面，公开了一种燃烧器。该燃烧器可包括燃烧器壳体、设置在燃烧器壳体内的多个喷嘴、以及设置在多个燃料喷嘴的每一个中且与其成光通信的火焰探测器，其中各火焰探测器配置成探测与相应的燃料喷嘴中的驻焰状态和回火状态中的至少一者有关的光学特性。
根据本发明的另一方面，公开了一种燃气轮机。该燃气轮机可包括构造成压缩空气的压缩机、与该压缩机成流连通的燃烧器，该燃烧器构造成接收来自压缩机组件的压缩空气并燃烧燃料流以生成燃烧器排出气流。该燃烧器可包括设置在燃烧器壳体内的多个喷嘴以及设置在多个燃料喷嘴的每一个上且与其成光通信的火焰探测器，其中各火焰探测器配置成探测与相应的燃料喷嘴中的驻焰状态和回火状态中的至少一者有关的光学特性。
根据本发明的再另一方面，公开了一种操作燃烧器的方法。该方法可包括引导来自喷嘴的燃料和预混装置内的空气，形成气态预混物，在燃烧室中燃烧该气态预混物，由此生成火焰并监视喷嘴以确定喷嘴内驻焰的存在。
这些和其它优点及特征将从结合附图的以下说明变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在本说明书所附的权利要求中具体指出并清楚地主张权利。根据以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述及其它特征和优点显而易见，附图中：
图1是根据示例性实施例的燃气轮机系统的概略性图示。
图2是根据示例性实施例具有在图1的燃气轮机系统中采用的预混装置的燃烧器的概略性图示。
图3概略性地图示了根据示例性实施例的燃气轮机。
图4图示了具有示例性光学探测器的喷嘴构造的侧视透视图。
图5图示了单个示例性燃料喷嘴。
图6图示了根据示例性实施例的用于操作燃烧器的方法的流程图。
详细描述通过参照附图的示例解释了本发明的实施例及优点和特征。
零部件清单
10  燃气轮机
12  燃烧器
14  压缩机
16  环境空气
18  压缩空气
19  燃料喷嘴
20  燃料流
22  燃烧器排出气流
24  涡轮
26  发电机
28  轴
40  示例性结构
42  预混装置
44  预混燃料
46  燃烧室
48  下游过程
50  旋流器叶片
60  火焰探测装置
65  控制单元
100 燃气轮机
110 压缩机
115 压缩空气
120 燃烧器管
130 涡轮
140 燃烧室
150  扩散器
160  喷嘴
161  内壁
162  外壁
165  燃烧器排出气流
170  外壳体
175  喷嘴底座
180  火焰探测器
185  引导装置
190  联接器
400  喷嘴构造
405  控制单元
505  观察区域
510  区域
515  区域
具体实施方式
示例性实施例包括探测燃料喷嘴例如燃气轮机中采用的燃料喷嘴中的驻焰/回火的系统和方法。特别地，示例性实施例包括火焰探测系统和配置成探测燃料喷嘴中的驻焰/回火并采取适当的措施来防止损坏燃气轮机的方法。现在转向附图且首先参照图1，图示了具有燃烧器12的燃气轮机10。燃气轮机10包括构造成压缩环境空气16的压缩机14。燃烧器12与压缩机14成流连通并构造成接收来自压缩机14的压缩空气18且燃烧燃料流20以生成燃烧器排出气流22。另外，燃气轮机10包括位于燃烧器12下游的涡轮24。涡轮24构造成使燃烧器排出气流22膨胀以驱动诸如发电机26的外部负载。在图示的实施例中，压缩机14经由轴28由涡轮24所生成的动力驱动。燃烧器12采用配置成探测燃气轮机燃料喷嘴中的驻焰/回火并采取适当的措施来防止损坏燃气轮机10的火焰探测装置。
图2是根据示例性实施例具有在图1的燃气轮机系统10中采用的火焰探测装置60的示例性构造40的概略性图示。如图所示，构造40包括构造成将来自燃料喷嘴19的燃料20以及空气18混合而形成气态预混物44的预混装置42。此外，构造40包括构造成燃烧预混燃料44以形成燃烧器排出气流22的燃烧室46。此外，燃烧器排出气流22引导至下游过程48，例如涡轮24(参见图1)，以便驱动外部负载26(参见图1)。预混装置42还可包括构造成向燃料20和/或空气18提供涡旋运动以有利于燃料20和空气18的混合的多个旋流器叶片50。
在示例性实施例中，构造40还包括火焰探测装置60，其可联接在构造40的各种位置例如但不限于喷嘴19上并与其连通。在示例性实施例中，如本文进一步描述的，火焰探测装置60配置成探测燃料喷嘴19内的火焰。构造40还可包括联接在火焰探测装置60上的控制单元65。控制单元65配置成接收来自与喷嘴19中的火焰探测对应的火焰探测的信号。控制单元65还与空气18的源(例如图1的压缩机14)以及燃料20(例如喷嘴19)连通。如本文进一步描述的，如果控制单元65接收指示喷嘴19中存在驻焰/回火的信号，则控制单元65可采取适当的措施以减轻对燃气轮机的损坏。控制单元65可采取包括中止到燃烧室的燃料和空气流或对空气和燃料流量进行一些更改以减少或消除驻焰/回火。
图3概略性地图示了根据示例性实施例的包括多个火焰探测器180的燃气轮机100的实例。该燃气轮机的实例图示了联接在燃气轮机100的喷嘴上并与其光通信且配置成探测喷嘴160内火焰的存在的火焰探测器180。
与图1相似，燃气轮机100包括构造成压缩环境空气的压缩机110。一个或多个燃烧器管120经由扩散器150与压缩机110成流连通。燃烧器管120构造成接收来自压缩机110的压缩空气115并燃烧来自燃料喷嘴160的燃料流以生成通过燃烧室140移动至涡轮130的燃烧器排出气流165。涡轮130构造成使燃烧器排出气流165膨胀以驱动外部负载。燃烧器管120包括喷嘴160和火焰探测器180设置在其中的外壳体170。
图4图示了具有示例性光学探测器的喷嘴构造400的侧视透视图。图4图示了出于说明目的而示出的一系列六个喷嘴160。在其它示例性实施例中可设想更少或附加的喷嘴160。图5图示了单个示例性燃料喷嘴160。
喷嘴160可设置在喷嘴底座175上，该喷嘴底座构造成附在用于各燃烧器管120的外壳体上。各燃料喷嘴160可包括火焰探测器180。火焰探测器180可有利地联接在燃料喷嘴160的内壁上。应理解的是，各燃料喷嘴160包括相应的火焰探测器180。燃料喷嘴还可包括引导装置185，各引导装置185设置在火焰探测器180与喷嘴底座175之间。在示例性实施例中，引导装置185沿着各燃料喷嘴160的内部长度设置。引导装置185可沿着邻近内壁的长度布置。本领域的技术人员理解燃料喷嘴160可包括内部通道。在示例性实施例中，引导装置可在内部通道中并沿着燃料喷嘴160的长度布置，且从后部被装入喷嘴底座175中。联接器190可设置在喷嘴底座175中并支撑引导装置185以便联接到控制单元405上。在示例性实施例中，引导装置185是与火焰探测器180光通信的光学引导装置。在示例性实施例中，引导装置185从后部被装入，并穿过喷嘴底座175。在示例性实施例中，各引导装置185与控制单元405通信地联接。
因此，在示例性实施例中，光路可设置在各燃料喷嘴与壳体170的外部之间，穿过喷嘴底座175。光路可各自包括可为设置(例如经由铜焊)在各燃料喷嘴160上的透镜或窗上的火焰探测器180。在示例性实施例中，火焰探测器180因此是在设置在燃料喷嘴160的内壁161和外壁162之间的观察区域505中垂直于喷嘴160内的燃料流对齐的光学元件。火焰探测器180的观察区域505可设置在与用于燃烧的理想区域515相对的其中会发生回火或驻焰的区域510中。因此，该光路首先被布置成垂直于燃料流。该光路还可包括引导装置185以经由火焰探测器180传播从燃料喷嘴160中的火焰生成的光。在示例性实施例中，引导装置185可为在内部上镜面抛光的一系列镜面光纤缆线或管道，并且可联接在控制单元405中的多路中心上。引导装置185可为可传播喷嘴160中的火焰所生成的光的任何光学器件。如本文所述，引导装置185然后可在壳体170外部指向控制单元405，控制单元405配置成作为光信号探测火焰并采取纠正措施例如控制机器的燃料时间表以维持燃烧室中的火焰而不是会损坏的燃料喷嘴160中的火焰。因此，控制单元405配置成接收光信号并解释光信号以判断燃料喷嘴160中是否存在火焰。
在示例性实施例中，火焰探测器180也可为具有光谱响应以探测处于特定波长的火焰的材料。因此，利用预先了解燃料喷嘴中生成的火焰的类型和火焰的相关波长，为探测器180选择的材料可具有在确定波长的光谱响应。例如，公知光学探测器(例如光电二极管)的光谱响应主要通过光学探测器中使用的材料的带隙电压来确定。SiC具有3.1伏的带隙电压并具有峰值处于约270nm且具有假设约400nm的波长极限的光谱响应。例如，火焰探测器可具有接近含有烃燃料成分的烃火焰光谱响应峰值的光谱响应峰值。因此，可在喷嘴160上设置SiC探测器以探测喷嘴160中的火焰。在示例性实施例中，引导装置185可为从后部装在与控制单元405通信联接的喷嘴底座175上的电引导装置例如导线。在示例性实施例中，控制单元405配置成接收来自引导装置185的电信号并从这些信号提取光谱响应以判断喷嘴160中是否存在火焰。
因此，用于燃料喷嘴回火探测的光学测量基于当燃料热释放向上游移动到喷嘴160中时燃烧器管中发出强光信号的原理。通过将火焰探测器180放置在喷嘴160中，可通过从火焰探测器180所形成的光学入口探测到的光信号探测到喷嘴160中正在发生的驻焰事件。
在示例性实施例中，不论控制单元405接收的信号的类型如何，控制单元405都可以探测来自多个探测器(例如火焰探测器180)的信号响应并执行算法以确定由控制单元405响应于驻焰/回火状态所采取的措施的类型。例如，控制单元405可监视所有的火焰探测器，并且对于其中探测到火焰的任何火焰探测器180而言，控制单元405都可切断或减小到其中火焰探测器180探测到火焰的那些喷嘴160的燃料流量。控制单元405也可执行表决算法，其可判断回火状态是否存在于燃烧器管而不仅是一个喷嘴160中。例如，如果六个探测器180中的五个确定相应的喷嘴160中存在回火状态，则控制单元405然后可切断或减少到燃烧器管120的燃料，因为该特定的管可能驻焰。类似地，如果仅一个火焰探测器180探测到回火，则控制单元405可决定继续燃料供应直到火焰探测器180进行另一次读取。此外，多个探测器元件可存在于与火焰探测器180对应的围罩中。例如，单个火焰探测器180可包括设置在喷嘴160周围的多个透镜。多个探测器元件可被多路化以便集合在喷嘴160中探测到的信号。这样，可实现集合信号以确定用于单个喷嘴160的表决算法的结果。
在示例性实施例中，本文所述的算法可在各火焰探测器180处定期取样以判断喷嘴中是否存在火焰。在其它示例性实施例中，本文所述的算法也可经常地监视是否探测到火焰以采取即时措施。
响应于探测火焰，控制单元405可将来自预混回路的燃料全部或部分地重新引向另一燃料回路、排空或未使用的燃料回路。这样，控制单元405可选择性地减少燃料或切断到一个受影响的燃料喷嘴160的燃料。应理解，当控制单元405仅作用在单个燃料喷嘴160上时燃烧器管120可经历最小的破坏。因此，受影响的燃料喷嘴160可在下一次计划的停机期间进行维修。
图6图示了根据示例性实施例的用于操作燃烧器的方法600的流程图。在方框605，燃料喷嘴(例如图3的160)将燃料引导到预混装置(例如图2的42)中且压缩机(例如图3的110)将空气引导到预混装置中。在方框610，预混装置形成气态预混物。在方框615，燃烧器(例如，图3的燃烧器管120)在燃烧室(例如图3的140)中燃烧该预混物。在方框620，监视喷嘴。在方框625，火焰探测器可监视在喷嘴中是否探测到火焰。如果火焰探测器在喷嘴中探测到火焰，则在方框630，控制单元(例如图4中的控制单元405)可更改进入预混装置的燃料流量或采取本文所述的其它合适的措施。如果在方框625火焰探测器未探测到火焰，则在方框605可继续该过程。如本文所述，控制单元405可定期检查燃料喷嘴中火焰的存在。备选地，控制单元405可对燃料喷嘴连续监视火焰的存在。
技术效果包括在燃气轮机中运行更宽范围的燃料的能力，以及喷嘴中是否正在发生驻焰的担忧减少，因为可探测任何驻焰事件。因此，本文所述的回火探测系统和方法使得能够增大可容许燃料消耗变动的引用极限。
虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于此类公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以结合此前未说明但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同装置。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括其中一些所述的实施例。因此，本发明不应被视为由前面的说明所限制，而是仅通过所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种燃烧器(120)，包括：
燃烧器壳体(170)；
设置在所述燃烧器壳体(170)内的多个喷嘴(160)；以及
设置在所述多个燃料喷嘴(160)的每一个上并与其光通信的火焰探测器(180)，
其中，各火焰探测器(180)配置成探测与相应的燃料喷嘴(160)中的驻焰状态和回火状态中的至少一个有关的光学特性。
2.如权利要求1所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述光学特性是所述驻焰状态所生成的光。
3.如权利要求1所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述光学特性是所述回火状态所生成的光。
4.如权利要求1所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述燃烧器(120)还包括设置在所述燃烧器壳体(170)上的喷嘴底座(175)。
5.如权利要求4所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述喷嘴底座(175)支撑所述多个喷嘴(160)。
6.如权利要求5所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述燃烧器(120)还包括引导装置(185)，所述引导装置(185)设置在各所述火焰探测器(180)与所述喷嘴底座(175)之间、并且从后部装入所述喷嘴底座(175)。
7.如权利要求6所述的燃烧器(120)，其特征在于，各所述火焰探测器(180)与相应的燃料喷嘴(160)光通信。
8.如权利要求7所述的燃烧器(120)，其特征在于，光路形成在所述多个燃料喷嘴(160)的每一个与所述喷嘴底座(175)的外部位置之间。
9.如权利要求1所述的燃烧器(120)，其特征在于，各火焰探测器(180)包括接近烃火焰光谱响应峰值的光谱响应峰值。
10.如权利要求9所述的燃烧器(120)，其特征在于，所述烃火焰光谱响应峰值包括烃燃料成分。
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