CN102444908A - 用于确定燃烧器中的火焰状态的系统和方法 - Google Patents

用于确定燃烧器中的火焰状态的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于确定燃烧器(16)中的火焰状态的系统(10)包括压力传感器(34)，其产生反映燃烧器(16)中的压力的压力信号(38)。控制器(36)接受压力信号(38)，并产生反映燃烧器(16)中的火焰状态的火焰信号(40)。一种用于确定燃烧器(16)中的火焰状态的方法包括测量燃烧器(16)中的压力，将燃烧器(16)中的测量压力与预定极限进行比较，并且基于燃烧器(16)中的测量压力与预定极限的比较而产生火焰信号(40)，其中火焰信号(40)反映了燃烧器(16)中的火焰状态。

Description

用于确定燃烧器中的火焰状态的系统和方法
技术领域
本发明大体涉及一种用于确定燃烧器中的火焰状态的系统和方法。具体地说，本发明的具体实施例监测燃烧器中的压力，以确定燃烧器中的火焰存在和/或不存在。
背景技术
在本领域中已知燃烧器用于点燃燃料和空气，以产生具有高温和高压的燃烧气体。例如，燃气涡轮系统典型地包括多个燃烧器，其将来自压缩机的压缩的工作流体与燃料混合起来，并点燃混合物，以产生高温和高压的燃烧气体。在燃烧器的最初点燃期间，大体希望在将燃料引入到燃烧器中之前不久或之后不久在燃烧器中产生和保持稳定的火焰，以便启动和保持燃烧器中的燃烧。在稳态操作和过渡操作期间，持续地调节燃料-空气混合物，以优化热力学效率和减少不合适宜的氮氧化物、一氧化碳以及其它燃烧副产物气体的排放。对燃料-空气混合物的调节可能产生火焰不稳定性，其可能导致燃烧器中的火焰状态的熄灭或损失，因而中断了燃烧过程的连续性。在任一情况下，需要检测和监测燃烧器中的火焰状态，以确保燃烧器安全且连续地操作。
各种用于检测和/或监测燃烧器中的火焰状态的系统在本领域中是已知的。例如，光传感器可用于确定燃烧器中的火焰状态，其检测由燃烧火焰产生的光、紫外线或其它放射物。然而，光传感器典型地需要某些形式的冷却，其具有干扰燃烧器和/或下游构件的效率和操作的倾向。燃烧器中或其下游的温度检测器也可用于检测和监测燃烧器中的火焰状态。然而，温度检测器的响应时间典型地太慢，以至于不能对燃烧器中的火焰状态的突然变化提供及时的响应。因此，用于确定燃烧器中的火焰状态的改进的系统和方法将是很有用的。
发明内容
下面在以下描述中阐述本发明的各方面和优势，或者可从描述中明白本发明的各方面和优势，或者可通过本发明的实践学习到本发明的各方面和优势。
本发明的一个实施例是一种用于确定燃烧器中的火焰状态的系统。这种系统包括压力传感器，其产生反映燃烧器中的压力的压力信号。控制器接受来自压力传感器的压力信号，并产生反映燃烧器中的火焰状态的火焰信号。
本发明的另一实施例是一种用于确定燃烧器中的火焰状态的系统。这种系统包括压力传感器，其产生一系列按时间索引的、反映在不同时间处的燃烧器中的压力的压力信号。控制器接受来自压力传感器的按时间索引的压力信号，并产生反映燃烧器中的火焰状态的火焰信号。
本发明的实施例还可提供一种用于确定燃烧器中的火焰状态的方法。这种方法包括测量燃烧器中的压力，将燃烧器中的测量压力与预定极限进行比较，以及基于燃烧器中的测量压力与预定极限的比较而产生火焰信号，其中该火焰信号反映了燃烧器中的火焰状态。
本领域中的普通技术人员在审阅本说明书后将更好地理解这种实施例以及其它实施例的特征和方面。
附图说明
在说明书的其余部分中(包括对附图的参照)，更具体地阐述了对本领域中的技术人员而言本发明的完整且能够实现的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的系统的简化方框图；
图2是根据本发明的一个实施例的算法的方框图；
图3是14个不同的燃烧器的各个燃烧器中的示例性压力图表；
图4是根据本发明的一个备选实施例的算法的方框图；且
图5是用于燃烧器的示例性的时间-压力图表。
部件列表：
  标号   构件
  10   系统
  12   燃气涡轮系统
  14   压缩机
  16   燃烧器
  18   涡轮
  20   周围空气
  22   压缩的工作流体
  24   入口导流叶片
  26   燃料系统
  28   燃烧气体
  30   轴
  32   发电机
  34   压力传感器
  36   控制器
  38   压力信号
  40   火焰信号
  50   启动
  52   激励点火器
  54   点火器
  56   比较
  58   停止
  60   时间极限
  70   启动
  72   激励压力传感器
  74   比较
  76   压力分布图
  78   稀薄熄灭状态
  80   重新点燃
  82   校正
具体实施方式
现在将对本发明的当前实施例进行详细参考，附图中显示了其一个或多个示例。详细描述使用数字标号和字母标号来表示图中的特征。附图和描述中使用相同或类似的标号指示本发明的相同或类似的部件。
各个示例是以说明本发明而非限制本发明的方式提供的。实际上，本领域中的技术人员将明白，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中做出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可用于另一实施例，以产生另外的又一实施例。因而，本发明意图覆盖在所附权利要求和其等效物的范围内的这种修改和变化。
本发明的各种实施例提供了一种用于确定燃烧器中的火焰状态的系统和方法。如本文所用，“火焰状态”被限定为意味着燃烧器中的火焰的存在、不存在和/或稳定性。具体地说，本发明的实施例可感测和测量燃烧器中的压力、压力变化和/或压力变化率，以确定燃烧器中的火焰状态。结果，本发明的实施例可提供一种冗余、可靠且/或可置换的用于监测燃烧器中的火焰状态的系统和方法，以改善燃烧器的整体可靠性和性能。虽然本发明的示例性实施例是在结合到燃气涡轮系统中的燃烧器的上下文中进行论述的，本领域中的普通技术人员将容易地理解，本发明的教导可适用于任何涉及燃料燃烧的系统或方法，并且除非在权利要求中特别记载，否则本发明的范围并不局限于任何特定的燃烧器应用。
图1提供了根据本发明一个实施例的在燃气涡轮系统12的环境下的系统10的简化方框图。如本领域中所知，燃气涡轮系统12通常包括位于前面的轴流式压缩机14、中间附近的一个或多个燃烧器16和位于后面的涡轮18。周围空气20进入压缩机14中，并且压缩机14中的旋转叶片和固定叶片逐渐地将动能赋予空气，从而产生处于高能状态下的压缩的工作流体22。如图1中所示，压缩机14可包括入口导流叶片24，其可以是可调节的，以控制或调整进入压缩机14中的周围空气20的量，从而控制离开压缩机14的压缩的工作流体22的质量流率和/或压力。压缩的工作流体22离开压缩机14，并流入到燃烧器16中，在这里其与燃料系统26所供给的燃料相混合。混合物点燃，以产生具有高温和高压的燃烧气体28。燃烧气体28在涡轮18中膨胀，以产生功。例如，燃烧气体28在涡轮18中的膨胀可使连接在发电机32上的轴30旋转，以产生电力。
在图1所示的实施例中，系统10大体包括压力传感器34和控制器36，其操作地连接在燃气涡轮系统12上，以确定一个或多个燃烧器16中的火焰状态。压力传感器34可包括本领域中已知的任何合适的仪器，以用于检测和测量燃烧器16中的压力，并产生一个或多个反映燃烧器16中的压力的压力信号38。控制器36从各个压力传感器34中接受一个或多个压力信号38，并产生反映各个燃烧器16中的火焰状态的火焰信号40。
控制器36可以是包含在本领域中已知的任何计算机系统(例如笔记本电脑、个人计算机、微型计算机、大型计算机、或工业控制器、微型控制器或嵌入式系统)中的独立构件或子构件。这里论述的各种控制器和计算机系统并不局限于任何特殊的硬件架构或配置。这里陈述的系统和方法的实施例可由一个或多个以任何合适的方式适宜提供所需功能的通用或定制型控制器来实现。控制器36可适合于提供补充本主题或者与本主题无关的额外的功能。例如，一个或多个控制器可适合于通过访问呈现计算机可读形式的软件指令而提供所述功能。在使用软件时，任何合适的程序、脚本或其它类型的语言或语言组合可用于实现包含在这里的教导。然而，不需要唯一地使用软件，或者根本不需要使用软件。例如，不需要额外的详细论述，本领域中的普通技术人员就将理解，这里所阐述和公开的某些系统和方法还可通过硬连线逻辑或其它电路来实现，包括但不局限于专用电路。当然，计算机执行的软件和硬连线逻辑或其它电路的各种组合也可能是合适的。
压力传感器34和控制器36可间歇地、连续地和/或在操作员指示时进行操作。例如，图2提供了可程序化的、硬连线的或由控制器36以其它方式实现以确定燃烧器16中的火焰状态的算法的方框图。方框50代表火焰检测系统10的启动。这种启动可手动或自动地指示。例如，在燃烧器16的最初点燃期间，操作员可手动地启动火焰检测系统10，以帮助确定燃烧器16中何时发生点燃。备选地，在燃烧器16中的火焰状态发生熄灭或损失之后，保护或校正系统可自动地启动火焰检测系统10以监测燃烧器16中的火焰的重新点燃。
在方框52处，系统10可激励操作地连接在燃烧器16上的点火器54，以提供火花、引火火焰、激光束或其它用于燃烧器16的点火源。另外，在方框52处，压力传感器34开始测量燃烧器16中的压力，并产生通向控制器36的一个或多个压力信号38。
在方框56处，控制器36将一个或多个压力信号38与预定极限进行比较，以确定燃烧器16中的火焰状态。预定极限提供了燃烧器16中的火焰存在或不存在的指示，并且可通过计算、操作经验、建模或本领域中已知的其它方法来确立。例如，虽然在相对短暂的时间间隔上，各个燃烧器16中的瞬时压力可能发生相当大的变化，但是任何燃烧器16中的瞬时压力可可靠地用于指示单独的燃烧器16中的火焰的存在或不存在。为了说明这一点，图3显示了燃气涡轮系统12中的14个不同燃烧器16的各个燃烧器中的瞬时压力的示例性图表。如图3中所示，第11号燃烧器中的瞬时压力显著低于任何其它燃烧器中的瞬时压力，因而指示第11号燃烧器中的火焰损失或缺失。本领域中的普通技术人员将容易地理解，预定极限不一定局限于瞬时压力。例如，备选实施例中的预定极限可以是燃烧器16中的压力变化、压力的变化率和/或压力的另一计算值或导数，其指示燃烧器16中存在或不存在火焰。
控制器36基于在一个或多个压力信号38和预定极限之间的比较而产生反映燃烧器中的火焰状态16的火焰信号40。例如，如果一个或多个压力信号38和预定极限之间的比较指示燃烧器16中存在火焰，那么控制器36可将火焰信号40发送给点火器54，以便对点火器54去激励，并且/或者使火焰检测系统10不启动，如方框58所示。备选地，如果一个或多个压力信号38和预定极限之间的比较指示燃烧器16中不存在火焰，那么火焰信号40可促使点火器54保持被激励。
如图2的方框60所示，该算法还可包括预定的时间极限。例如，如果在一个或多个压力信号38之间的比较指示燃烧器16中不存在火焰，并且没有超过预定的时间极限，那么火焰信号40可促使点火器54保持被激励。然而，如果预定的时间极限被超过，指示不能在预定的时间段内点燃燃烧器16，那么控制器36可产生信号，以对点火器54和/或火焰检测系统10去激励，并且/或者增加或减少流向燃烧器16的燃料流，如方框58所表示。
图4提供了算法的另一示例的方框图，该算法可程序化、硬连线或由控制器36以其它方式实现，以确定燃烧器16中的火焰状态和/或响应火焰状态的预期变化。方框70代表火焰检测系统10的启动。如同之前所述和参照图2所示的实施例一样，这种启动可以手动地或自动地指示。例如，操作员可在过渡操作期间手动地启动火焰检测系统10，以便更紧密地监测火焰状态，以避免燃烧器16中的火焰的意外熄灭或损失。备选地，保护或校正系统可在过渡操作期间自动地启动火焰检测系统10，以便更紧密地监测火焰状态。
在方框72处，压力传感器34再次开始测量燃烧器16中的压力，并产生通向控制器36的一个或多个压力信号38。在这个特定的实施例中，压力信号38可以按时间索引，以提供连续的压力信号流，其反映了不同时间的燃烧器16中的压力。取决于具体的实施例，系统10还可激励操作地连接在燃烧器16上的点火器54，以提供火花、引火火焰、激光束或其它用于燃烧器16的点火源。
在方框74处，控制器36将一个或多个压力信号38与预定的分布图(例如一定时间间隔上的压力分布图)进行比较，以确定燃烧器中的火焰状态16。预定的分布图提供了以下状态存在或不存在的指示：该状态可能导致燃烧器16中的火焰状态在过渡操作期间发生熄灭或损失，或者可靠地用作其先兆。预定的分布图可通过计算、操作经验、建模或本领域中已知的其它方法来形成。例如，单个燃烧器在一定的时间间隔上可能呈现有差异的、可重复的、且可观察的压力变化，其可用于预测或预计燃烧器中的火焰状态的熄灭或损失。为了说明这一点，图5显示了在燃烧器的熄灭状态78和后续重新点燃80期间燃烧器的示例性的压力分布图76。如图5中所示，压力分布图76显示了在熄灭状态78和燃烧器的后续重新点燃80期间燃烧器16中的不同的压力、压力变化、和/或压力的变化率。控制器36因而可将时间索引的压力信号38与这个预定的分布图进行比较，以产生反映燃烧器16中的火焰状态的火焰信号40。本领域中的普通技术人员将容易理解，预定的分布图不一定局限于燃烧器16中的压力的单一计算值或导数，并且预定的分布图可包括燃烧器16中的压力的多个计算值或导数的组合。例如，备选实施例中的预定的分布图可以是燃烧器16中的按时间索引的压力、按时间索引的压力变化、按时间索引的压力变化率和/或压力的其它计算值或导数(其可可靠地用作燃烧器16中的火焰状态发生熄灭或损失的先兆)的各个分布图的组合。
返回到图4，方框82代表系统10可进一步使用火焰信号40来调整燃气涡轮系统12中的各种参数，以避免燃烧器16中的火焰状态发生熄灭或损失。例如，如之前参照图1和图2所示的实施例所述，点火器54可接受火焰信号40，以激励点火器54，并提供即时的点燃源，以用于重新点燃燃烧器16中的火焰。备选地或附加地，控制器36可将火焰信号40传送给压缩机14，以改变入口导流叶片24的位置，传送给燃料系统26以改变供给燃烧器16的燃料的量，和/或传送给发电机32以改变涡轮18上的负载。在过渡操作期间，系统10可响应火焰信号40单独地或组合地采用这些动作中的各个，以稳定燃烧器16中的火焰，其否则可能导致燃烧器16中的火焰状态发生熄灭或损失。
预期本发明的实施例提供了超越现有技术的若干好处。例如，参照图1-5所述的系统10和方法可用于补充和/或更换现有的用于确定燃烧器中的火焰状态的光传感器和热传感器。另外，本发明的实施例可用于检测可能导致火焰状态不稳定的状态或先兆，并且在特定的实施例中，系统10可采用合适的动作以除去或校正该状态或先兆，以确保燃烧过程中的连续性。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都意图属于权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于确定燃烧器(16)中的火焰状态的系统(10)，包括：
a.压力传感器(34)，其中所述压力传感器(34)产生反映所述燃烧器(16)中的压力的压力信号(38)；
b.控制器(36)，其中所述控制器(36)从所述压力传感器(34)中接受所述压力信号(38)，并产生反映所述燃烧器(16)中的火焰状态的火焰信号(40)。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(36)将所述压力信号(38)与预定极限进行比较。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述预定极限包括预定的压力。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述压力传感器(34)产生通向所述控制器(36)的多个压力信号(38)，其中所述多个压力信号(38)中的各个反映了在不同时间处所述燃烧器(16)中的压力。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(36)从所述压力传感器(34)中接受所述多个压力信号(38)，并产生反映所述燃烧器(16)中的火焰状态的所述火焰信号(40)。
6.根据权利要求1-4中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，所述控制器(36)将所述多个压力信号(38)与预定的分布图进行比较。
7.根据权利要求6所述的系统(10)，其特征在于，所述预定的分布图包括预定的压力分布图。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的系统(10)，其特征在于，还包括接受所述火焰信号(40)的点火器(54)。
9.一种用于确定燃烧器(16)中的火焰状态的方法，包括：
a.测量所述燃烧器(16)中的压力；
b.将所述燃烧器(16)中的测量压力与预定极限进行比较；
c.基于所述燃烧器(16)中的测量压力与所述预定极限的比较而产生火焰信号(40)，其中所述火焰信号(40)反映了所述燃烧器(16)中的火焰状态。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括将所述火焰信号(40)传送给点火器(54)。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述火焰信号(40)传送给压缩机(14)。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述火焰信号(40)传送给燃料系统(26)。
13.根据权利要求9-12中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括将所述火焰信号(40)传送给发电机(32)。
14.根据权利要求9-13中的任一项所述的方法，其特征在于，还包括在不同时间处测量所述燃烧器(16)中的多个压力。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括基于所述燃烧器(16)中的所述多个测量压力而产生所述火焰信号(40)，其中所述火焰信号(40)反映了所述燃烧器(16)中的火焰状态。
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