CN104515618B - 用于确定燃烧器内的温度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于使用声发射器和声接收器确定侵略性和/或腐蚀性的气体的温度的方法。发射器发射带有变化频率的声信号，而接收器从声输入信号提取出最大的频率。基于该最大值的频率，计算出在发射器和接收器之间的气体的温度。

Description

用于确定燃烧器内的温度的方法
技术领域
本发明涉及用于确定燃烧器内的温度的方法，它尤其涉及热气体温度的快速波动的动态声学测量。
背景技术
在燃烧器中，气态、液态或固态燃料以及空气燃烧以产生热。气体由燃烧燃料产生，其中气体在高达50 bar的压力下达到高达2000℃的温度，并且可能包括腐蚀性的固体微粒。为控制燃烧器的运行，燃烧器内的气体的实际温度Tgas(t)需实时地受监控。
上述情形使得很难通过热敏元件或者光学仪器的方式测量温度。
为克服这些困难，已知的为根据其声速确定气体的温度，因为温度是声速的函数。
由US 4317366已知用于测量燃烧室中的温度的方法和系统。
该方法监控运行期间燃烧室内的声压频谱并根据至少一个声压频谱的最大值(共振频率)确定室内的气体的温度。
由US 6979118 B1已知用于估算燃烧器火焰温度的方法。该方法包括燃烧器的第一横向声学模式的共振频率的确定并根据该共振频率确定气体的温度。
由于这些方法不包括主动的声激励，其精度和显著性受到强烈限制。如果仅被动地测量声功率频谱，在频谱中的最高功率水平可能会在接近于燃烧器口的轴向位置处在第一横向共振频率下发现。在该位置处，由于未燃烧气体的区域，径向温度分布十分不均匀，并且因此测量的温度可能显著地与火焰温度偏离。
文档GB 931233描述了在共振腔内的温度测量装置，该共振腔可暴露于热的燃烧气体。描述的温度测量装置在共振腔长度和高度上空间地平均。因此，通过这种方法进行动态温度测量或者燃烧器的实时控制是不可能的。相同的缺点对于从US 4164867已知的方法有效。
发明内容
要求保护的发明的目的为提供用于实时地确定在恶劣条件下在一个特定的轴向位置处的燃烧室中的热气体的温度的带有高精度和可靠性的方法。特定的轴向位置意指该位置可以是任何位置并可以自由地选择。例如，该轴向位置可以使得在该具体位置处的燃烧器内的气体的温度是十分均匀的以获得更好的结果。该轴向位置也可以使得可监控具体位置发生的气体的临界温度以防止涡轮等的局部过热。
该目的通过用于确定燃烧器内的特定轴向位置处的气体的温度的方法实现，该燃烧器包括主动和可控的声源(发射器)以及用于接收声源的输出的接收器，所述方法包括以下步骤：从声源发射声信号，该声信号具有在频带中的频率，该频带包括燃烧器中的气体的一个共振频率；通过接收器接收来自声源的声信号；并且根据所述气体的实际共振频率确定在特定轴向位置处的所述气体的实际温度，其中所述声源和所述接收器安装在燃烧器的壁处，并且其中，燃烧器自身被用作共振腔。
通过主动地产生和发射声信号，尤其是下述优点被实现。
可能连续地改变声信号的频率，该声信号由发射器产生并在预定的频带内。
这意味着，在燃烧器内的气体由不同频率(在限定的频带内)的声信号激励。这导致用于接收器的十分清晰的声输入信号，该接收器可容易地探测输入信号的声压的最大值并因此确定在发射器与接收器之间的气体的实际共振频率fres。这允许在该轴向位置处的气体温度的十分精确的确定。在存在有若干发射器和接收器安装在不同的轴向位置处的情况下，在不同的位置处的温度可以同时地被监控。
在存在恶劣条件的情况下，可以增大发射的声信号的振幅，这导致用于接收器的稳定的声输入信号。
声信号的频率和a.m.频带可容易地适合于不同的燃烧器类型和位置。
此外，如果若干声源和接收器安装在不同的位置处，则可能同时地确定在燃烧器的不同的轴向位置处的气体的局部温度。
声信号可由任意类型的声源(例如压电发射器、扩音器、喇叭、警报器、气爆、电火花等等)产生。
由于燃烧器内的气体的共振频率随温度变化，因而可以限定从正常运行的燃烧器内的作为开始点的共振频率开始的频带。已证明如果将该共振频率的+/-10％设定为频带的上限fmax和下限fmin则是足够的。在许多情况下，频带甚至可以更小。频带越小，气体温度的确定的时间分辨率越高。因此使用小频带常常有利。当然，要求保护的发明不限制于上述范围。
通过持续地变化由声源产生的声信号的频率(扫描)，可以实时地探测气体的共振频率的任何变化。因此，在特殊的轴向位置处的气体的温度也被实时地确定。
通过持续地改变声信号的频率，实现了高达50Hz的时间分辨率。这意味着温度的任何变化几乎不带有延迟(延迟等于或小于0.02秒)地被确定。这允许燃烧器的十分好的实时控制。
气体的实际温度Tgas(t)根据下述方程式确定。该方程式对于带有最大高度“d”的矩形轮廓的管或燃烧室有效。对于其他的横截面，该方程式有一点不同。由于计算气体的声速对于本领域技术人员是公知的，因而在本应用中未显示用于其他横截面的方程式。
其中
c是气体的声速，
R是通用气体常数，
γ是热容比，
M是气体的摩尔质量，以及
d是发射器和接收器之间的距离。
如上所述，对于带有圆形横截面管的管，方程式些微地不同。在任意地设计的燃烧室的情况下，需要在温度为公知的条件(例如冷条件)下的横向共振频率的确定，因为其可能不是完全的圆形或者矩形并且由于若干空腔(例如冷却孔)的存在。
该方程式在燃气涡轮的控制单元中容易进行且提供精确的结果。
存在若干安装主动声源以及接收器的方法的选择项。
优选地，声信号横向(垂直于流方向)地穿过燃烧室而发射。
a.m.部件可接近于彼此(或相同)地安装在燃烧器的相同的壁处，并且反射的声波被探测出。
该布置补偿在燃烧器内的气体的流场中的潜在的不规则性。例如，因多普勒效应而影响声信号的横向流速被补偿并且因此不影响要求保护的方法的结果。
此外，接线更容易，因为两个部件(发射器和接收器)均接近于彼此地定位。
为进一步降低用于接线的成本，部件及其装置、主动声源和接收器可以集成到收发器中。
在一些情况下，在燃烧使内的相同轴向位置处安装主动声源和接收器于燃烧器的相对壁处是更有利的。
如果收发器被用于该布置，则仅仅用很少的附加成本就实现气体的温度的冗余确定。
此外，a.m.位置的结合可以根据燃烧器的几何结构或者其他限制而使用。
要求保护的方法还可通过在周向上分布若干发射器和接收器而用于测量在一个特定的轴向位置处的二维温度场。
要求保护的方法可应用于例如确定每种化学侵略性和/或腐蚀性的气体的燃烧温度，例如但是不限于在燃气涡轮的燃烧器中、发电站的锅炉中等等。
随后将在图中示出并描述要求保护的方法的进一步的优点和细节。
附图说明
图1显示了发射器的输出信号的曲线图；
图2显示了示出接收器的声输入信号的振幅的曲线图；
图3至图5显示了燃烧器的三个实施例的示意图；
图6显示了要求保护的方法的控制算法的简图；以及
图7显示了收发器的黑箱图例。
附图标记：
1　　　　燃烧器
3　　　　壁
5　　　　主动声源，例如发射器
6　　　　声信号，声源的输出
6’　　　 声信号，反射信号
7　　　　接收器
8　　　　声信号
9　　　　频带
17 　　　管
19 　　　测量装置，例如热电偶、探针
21 　　　收发器
101　　　控制算法
103　　　在101内的步骤
105　　　在101内的步骤
107　　　在101内的步骤
109　　　在101内的步骤
111　　　在101内的步骤。
具体实施方式
探测的第一横向共振(或此外的任何横向共振)的共振频率fres是声速c和已知的燃烧室的直径d(或用于矩形室的燃烧室壁之间的距离)的函数。
声速还是温度和气体特性的函数，这允许根据下述公式计算温度。
其中
c燃烧器内的气体的声速，
R通用气体常数，
fres共振频率，fres F res
γ热容比，以及
M燃烧器内的气体的摩尔质量。
在燃烧器的运行期间，该方程式的除共振频率fres外的所有项不会显著地变化。可能变化的项可单独地监控并可补偿它们的变化。如果例如由于热膨胀，距离d变化，则可以监控距离d并对d的变化充分地补偿。
这意味着通过确定燃烧器内的气体的实际共振频率fres(t)，气体的实际温度Tgas(t)可实时地确定。
要求保护的方法使用发射器或其他任意的能够产生声信号的主动元件。
在图1中，由发射器5发射的声信号6随着时间的频率fAs(t)被示出。频率fAs(t)保持在频带9的极限fmin和fmax之间。直线6代表频率随着时间的变化具有锯齿形形式。
这些“锯齿”的周期△t影响气体温度的确定的时间分辨率，如将会在下文中更详细地描述的。△t越短，确定温度的时间分辨率越高。
由于由发射器5发射的声信号6的频率f的持续变化(也指“扫描”)，接收器7(参考图3)接收输入信号，该输入信号取决于气体的温度在一个轴向位置处在燃烧器内的气体的实际共振频率下带有强烈且清晰的最大振幅。
图2以示意性方式示出了由接收器7(参考图3)接收的声信号8的示例性声压频谱。可看出，接收器7的声压输入信号的振幅是频率的函数。峰值的频率是燃烧器1内的气体的共振频率fres。
如果废气的温度变化，频率fres也变化。该效应被用于确定一个特定轴向位置处的燃烧器1内的废气的温度。由于声信号6的频率在频带9内扫描，因而保证了合适且强烈的声信号8与实际气体温度无关地由接收器7探测出。因此，要求保护的方法即使在“困难”运行条件下也十分可靠且精确。
如有必要，可将适当的滤波器应用至接收器7的输入信号。
图3显示了包括两个相对壁3的燃烧器1的横截面示意图。壁3彼此远离(参考标号d)。热气体(例如来自燃烧的天然气和空气的废气)在壁3之间流动。
在图3中，在左壁存在声发射器5，如结合图1说明的那样，其发射声信号6进入燃烧器1。由发射器5发射的频率由频带9的边界fmin和fmax(参考图1)限制。
与声发射器5相对在另一壁3处安装声接收器7。发射器5和接收器7之间的距离具有标记字母“d”。
该声接收器7接收由发射器5发射的声信号6，其些微地由燃烧器中的气体修改。这意味着声输入信号8与信号6不相同，其由燃烧器1内的气体改变。
作为备选，可替代声发射器5而安装收发器。这样做的话，由收发器发射的声信号6在相对的壁3处反射并且反射信号6’由收发器的接收部分作为输入信号接收。
在多种情况下，在燃烧器1的正常运行下，如果容差频段覆盖由共振频率fres开始的+/-10％范围，则这是足够的。
在多个应用中，容差频段9可以甚至更小，这导致气体温度的变化的确定的更高时间分辨率。
在图4中显示了要求保护的发明的又一实施例。在该实施例中，声发射器5和声接收器7定位在燃烧器的相同壁3处。由于该布置，因相对于声信号6的主方向非横向的气流所致的一些多普勒效应的负面影响可以被消除。
在图5中显示了燃烧器的又一实施例。在该实施例中，发射器不直接定位在燃烧器1的壁3处，而是在管17的末端处。在管17内，气体的特性(例如密度和温度)与在燃烧器1内的气体的特性不同。
因此，在管17的入口处安装有又一声接收器和/或温度测定探针19。通过使用来自又一声接收器和/或温度测定探针19的信号和规定尺寸和气体的特性(例如，温度T、密度ρ以及声速)，可以量化管内的气体在要求保护的方法的结果上的效果并且在需要时补偿它们。
为接收强烈且清晰的声信号，优选地，管17的长度L设定为在特定的频率处产生共振的值，例如四分之一波共振。管17的该频率也必须满足燃烧室1的第一横向共振fres。这导致发射信号6的扩大。
应关注通过温度测量装置19(例如热电偶等等)监控管17内的温度并且在燃烧室中的温度的计算中该温度需要被补偿。另外的附加声接收器(未显示)可朝向燃烧器1放置在管17的口处以记录发射的信号6和反射的信号6’。
连接管17可被冷却(例如壁的水冷，用冷却空气吹扫)。这导致在发射器5、接收器7和/或装置19上减少的热影响。
如果管17用空气吹扫，则需要考虑和/或补偿多普勒效应。
由于温度变化，在发射器和接收器/反射壁之间的距离可能变化。为即时地补偿在气体的温度的确定上的这些影响，优选地，根据基于激光的距离测量或任意其他可行种类的距离测量装置，为在发射器5和接收器7或反射壁3之间的当前距离d提供声速c更精确的计算。
在图6中作为框图示出控制算法101或要求保护方法的流程图。
框101绘出了要求保护的方法和相关硬件之间的关系；即，由两个不带标号的箭头表示的发射器5和接收器7。
在框103中，如图1中所述，计算由发射器5发射的激励频率f并将其递交至发射器5，使得发射器5能够产生适当频率和量值的“扫频”声输出信号6。
此外，在框105中，接收器7接收声输入信号。该声输入信号在框107中被分析。更具体地，在框107中，计算由接收器7接收的声输入信号的最大振幅的频率fres。
根据最大响应的与共振频率fres(t)相等的频率，在框109中计算气体的声速c，并且在又一框111中，计算沿着声发射器5和声接收器7之间的声路径的平均温度。
这些步骤反复地被执行。在指定时期内，越经常执行步骤103至107，要求保护的温度确定的时间分辨率越高。
通过电信号发生器供应的发射器5产生作为扫频信号的声信号，其遵循算法使得扫频的最小和最大频率总是为比实际共振频率小/大百分之X的固定值。
备选地，该方程式可通过以百分比替换项“x/100”而修正。
实际共振频率fres(t)由在声发射器7(参考图3)的相对侧处的接收器7记录，和/或反射波由发射器5(充当收发器)或接近发射器5(参考图4)的接收器7记录。
共振频率的探测不变地执行，这允许温度测量的高时间分辨率。
在图7中示出了包括发射器5和接收器7的收发器21。收发器21以带有两个输入/输出参数的转移函数的方式模拟。
U：电压
I：电流
P：声压，以及
U：声速(不等于“音速”)。
测量这些参数并根据这些参数计算电阻抗Zelectric=U/I和声阻抗Zacoustic=p/u。
根据阻抗Zelectric和Zacoustic可确定共振频率相位变化。这也允许温度的冗余确定，并且因此可通过该附加方法核对或确认要求保护的方法的结果。该附加方法不需要附加的设备。
此外，运行时间(TOF)的探测或在共振频率下的发射信号和接收信号之间的相移可以平行地进行以用于要求保护方法的结果的证实。
由于直接应用声测量方法至燃烧器，这意味着，由于使用燃烧室作为共振腔，因而热气体的温度可以以十分高的时间分辨率(高达100Hz)测量。本申请允许测量在燃烧室中的非常独特的轴向位置处的温度，从而避免空间上平均的温度测量。

Claims (11)

1.一种用于通过声测量装置确定燃烧器(1)中的燃烧温度的方法，所述声测量装置包括主动声源(5)和用于接收所述主动声源(5)的输出的接收器(7)，所述方法包括：
从所述主动声源(5)发射声信号(6)，所述声信号(6)具有在频带(9)内的频率(f)，所述频带(9)包括在所述燃烧器(1)中的气体的一个共振频率(fres)；
通过所述接收器(7)接收来自所述主动声源(5)的声信号(6)；以及，根据所述气体的实际共振频率(fres(t))确定所述气体的实际温度(Tgas(t))，其中所述主动声源(5)和所述接收器(7)安装在所述燃烧器的壁处，并且所述燃烧器(1)自身用作共振腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述燃烧器(1)的正常运行下，所述频带(9)覆盖所述共振频率(fres)的+-10％的范围。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述声信号(6)的频率(f)在所述频带(9)内扫描。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述气体的实际温度(Tgas(t))根据下述方程式确定：
其中
c是所述气体的声速，
R是通用气体常数，
γ是热容比，以及
M是气体的摩尔质量。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述主动声源(5)和所述接收器(7)安装在所述燃烧器(1)的相同壁(3)处。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述主动声源(5)和所述接收器(7)是收发器(21)的部分。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述主动声源(5)和所述接收器(7)安装在所述燃烧器(1)的相对壁(3)处。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其应用于确定在燃气涡轮的燃烧器，发电站的锅炉，工业用熔炉，航空发动机的涡轮的排气系统中的温度测量装置中的燃烧温度。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，其应用于确定废物燃烧、熔融炉中的燃烧温度。
10.一种计算机可读介质，具有存储于其上的计算机程序，所述计算机程序具有指令，在由计算机执行时，所述指令使得所述计算机执行根据前述权利要求之一所述的方法。
11.一种用于控制燃烧器(1)的控制单元，其特征在于，其根据前述权利要求之一运行。
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