CN1055429A - 带有反射型火焰辐射衰减器的燃气轮机火焰检测系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测定燃气轮机的燃烧室区内的火焰存 在的定向敏感火焰检测设备和方法。一个辐射检测 器通过一具有用机械形式降低内部反射率以增强有 效对准的辐射对准器耦合到被监视的燃烧区。用此 法，可获得基本上与辐射波长或对准器管的材料性能 无关的较窄的检测器视角。

Description

本发明涉及火焰检测方法和系统，具体地，涉及对燃气轮机的燃烧室直接敏感的火焰检测方法和系统。

近年来，普遍的法定和环境方面的各种要求已对动力设备中释放氮氧化物给予严格的限制。为使燃气轮机放出的氮氧化物量较低，可利用低温燃烧室，现有的产生氮氧化物量低的燃气轮机燃烧装置通常采用一个预混（或叫基本）区和一辅助区，在辅助区进行降温燃烧，其直接结果是增强了空气燃料的混合。在本底负载下，燃烧只在辅助区进行，然后，依据一个严格的起动和停机程序在任何一个或两个燃烧区内进行燃烧，以免损坏硬设备。

为将火焰控制在一个或两个适宜的区内，必须在各区独立地检测火焰。一般说来，火焰检测器对火焰辐射（此后，有时统称为“光”辐射）的远红外，可见光，紫外线或这三种波长的某些组合的出现进行连续检测，然后，将此情况通知一控制系统，当火焰不该在某一燃烧区出现时，该控制系统便立即起作用。该检测器本身必须定位于既与燃烧室所产生的高温相距一定距离、同时又能对所产生的辐射保持高度灵敏的位置。

图1  示出了类似于授予Cholin等人的美国专利4，855，718所揭示的一个一般火焰检测系统10，实际上，这类现有技术的方法是将一检测器经由一多模光辐射波导耦合到燃烧室，该波导具有一相当宽范围的视角或者说有效孔径。

该系统10包括在一长形、中空、圆筒形管（波导）14的一端的火焰检测传感器12，该波导位于待观察的燃烧室16之外。管14和室16用连接器17密封，以便将两者密封于燃烧室压力下，并避免检测到不需要的环境辐射。由于管14的内表面18反射辐射线，故该检测器借助可能的各种多传输模增大了有效视角。管14的与传感器12相对的另一端是一栏孔20，来自位于燃烧室16内壁24的栏孔22的光辐射线可通过栏孔20传播。从燃烧室16内来的、落在由第二栏孔22的锥角θ限定的一个辐射检测区范围内的光辐射线进入第一栏孔20并通过管14内壁全长传输，最后由传感器12检测。由于管14的内表面18是可反射的（其反射性能随管材、表面光洁度、波长、温度等因素而异），因此使较大视角内的燃烧室光辐射线可通过栏孔20、22。事实上，波导14的内壁之反射性大大增加了传输模的数目-从而增大了燃烧室的传感器的有效视角。这确保了对观察中的燃烧室之任何部位的火焰进行真实的检测，但这也增大了“假”火焰检测的可能性并使其不能用于现代化的双区燃气轮机燃烧室。

通常，在燃气轮机起动期间，两个火花塞被暂时地插入两个燃烧室并点火，直至可燃的空气燃料混合物被点燃，并交叉点燃相邻燃烧室。这一情况的出现由该火焰检测系统检测，并在那时停止插入并抽回火花塞。然而，来自火花塞的反射的光辐射线或直接、或通过与交叉火焰管互连的燃烧室，可直接对火焰检测器打火，这可使控制系统在实际点火之前作出一假的火焰存在的过早指示。过去解决这一问题的方法是：谨慎地位移在机器相对侧的火焰传感器和火花塞，或将一个或多个燃烧室定位于火花塞和火焰传感器之间和避免传感器的视线朝向交叉火焰管。这些配置有效地衰减了因在两个装置之间设置一长的曲折路径所引起的、不希望有的反射辐射。然而，随着双区、干低氮氧化物（NOx）燃烧室的出现，用这些现有技术已不能避免整个燃烧室范围内连续存在的一个强烈的辐射源，并且需要新的解决方案。

在使用诸如图1所示的火焰传感器之前，已知用成束的热电偶作为热电堆去检测火焰的存在。该技术为图1所示的更可靠和反应更快的火焰传感器所替代。虽然，热电堆不受虚假的反射的辐射的显著影响，而且它们的不适当时间常数可通过使用一火焰检测器-热电堆组合系统来加以克服，但尚存在使它们不能应用于双区燃气轮机燃烧室的主要技术缺陷。热电偶在接近火焰时的可靠程度不能满足当前的控制标准，而对控制系统产生相反信号的两个器件的组合又增添了整个系统的复杂性。

对所希望的辐射线的基波长进行选择性滤波是行不通的，因为待衰减的、产生不需要的信号的有害反射辐射与产生所需信号的辐射具有相同的波长。

一种解决方案是通过消除视线范围内的一窄锥角以外的辐射线而限制观察区，从而对辐射到传感器的辐射量进行控制而消除所产生的假火焰信号。采用利用某种定向灵敏的辐射检测系统公开于下列文献中。

美国专利3，689，773-1972年授予Wheeler;

美国专利4，037，113-1977年授予Moore;

美国专利4，163，903-1979年授予Robertson;

美国专利4，317，045-1982年授予Coe等人;

美国专利4，328，488-1982年授予Yanai等人。

然而现有技术所揭示的光学窄场系统不是因为太复杂而需要提供不适当的辐射测试校正，就是不适用于双区燃气轮机燃烧室-在那里，视线校正必须选择在这样一个角度上：当源辐射存在于被观察燃烧室区时，该角度将直接切过所有工作状况下的火焰路径并在被观察室区内，同时还要排除任何来自其它燃烧室区的直接的或反射的额外辐射。

本发明旨在衰减由火焰传感器接收时的有害反射火焰辐射，以免对燃气轮机燃烧室内的火焰存在和/或火焰位置产生假信息或偏差信息。衰减是在没用滤波或其它降低火焰传感器对通过一个通畅栏孔所接收的火焰辐射的灵敏度情况下完成的。本发明主要应用于双燃烧室或双区、干低NOx燃烧室。在这类燃烧系统中，为适当操作起见，要严格地了解火焰是存在于某一区还是两区中。从某一区到另一区的传感器的未经衰减的反射辐射将导致虚假的火焰指示和无效的系统控制。

一个实施例系统在一长形中空圆筒形管的一端栏孔处装有一火花或火焰检测器，该管的诸侧壁以机械方式降低了有效反射率从而使其视角进一步受限。检测器将到达它的红外、可见和紫外光频带的能量转换为可常规地用于控制燃气轮机系统操作的电信号。该管的另一端包含一栏孔装置，使沿管长传输的辐射线能投射到另一端的检测器。该管的敞口端为观察而被固定至燃烧室的隔板内的一个开口。栏孔的尺寸和降低了的有效侧壁反射率，这两者的综合构成了对辐射检测区或火焰检测器的视角的限制。

来自较大和不希望视角的投射辐射遇到管壁后，为管内表面的物理构形所衰减。例如，管内表面可以沿管长衬有多个环状隆起（例如，内螺纹的）。这些突起使得以较宽视角进入管内的不希望有的反射辐射反射回去和散射出去，同时使直接的视线辐射线穿过管全长到达检测器而不受影响。

在另一实施例中，该管内部至少一段实际上因其直径的扩大而被切断。这也可用来使得由较大视角投射在那段上的不希望的反射光辐射往回反射和散射。

在另一实施例中，所述管的至少一段包含有由相对平滑的内部段隔开的一些隆起的特殊环状凸缘，而该管内衬的其余部分可包含象第一实施例中的环状隆起（如螺纹），并与第一实施例中的隆起有相同作用。

由此，可以理解：本发明使区域火焰检测器（在一双区燃气轮机燃烧时）可有选择地衰减由较大视角引起的不希望的反射辐射，同时通过由第一和第二栏孔形成的畅通孔径能接收准直辐射。这避免了火焰检测系统对来自其它源的幅射的虚假响应，同时使来自与火焰检测系统对准的有用的源的直接辐射不受衰减。

图1  是现有技术的典型燃烧轮机燃烧室辐射检测器的一个正面示意图;

图2  是根据本发明第一实施例的一个辐射检测器的正面示意图;

图3  是图2  辐射检测器的平面视图，示出了管内衬的各部分尺寸及部分剖面;

图3a是图3  辐射检测器的管接头的一个放大剖面视图;

图3b是图3  辐射检测器的管端的放大剖面视图;

图4  是根据本发明第二实施例的辐射检测器的正面示意图;

图5  是根据本发明第三实施例的辐射检测器的正面示意图。

参见图2，一个火焰检测系统26包括一位于燃烧室32之外的一长形中空圆筒形管30一端的火焰检测传感器28。连接件33将管30的一端密封到燃烧室32，以密封燃烧室的压力并避免检测到不希望的环境辐射。管30在本发明各实施例中最好由不锈钢构成，但该材料本身并非是本发明的组成部分。对着传感器28的管30的另一端包含一通畅栏孔34，栏孔34位于设置在燃烧室32的壁38上的栏孔36附近。由于栏孔36实际并不限制本发明的视野，故在本实施例或其它实施例中也可用一个栏孔来代替栏孔34、36。

然而，在本发明的一个实施例中，管30的内表面39加工有多个环状凸缘或螺纹40，这与图1所示现有技术的管不同，环状凸缘40的深度构成管30总直径的一小部分，而且它们可配置成由凹部隔开的多个非内连的环状齿尖，也可按螺纹样形式排列。由燃烧室32发出的、以锥角θ所限定的辐射检测区内的红外、可见或紫外光频带的电磁辐射被允许通过火焰检测系统26的栏孔36和栏孔34。某些允许进入的辐射线被凸缘40往回反射、散射和衰减到如此程度，以致不能到达传感器28。因此，实际上，只有在一视线锥角β范围的光辐射线才无反射和散射，因而无衰减地通过管30全长而到达传感器28。

实际上，该结构上的变动形成机械而成的黑壁（它与材料的辐射率无关，从而使其与光辐射的波长无关），该黑壁设法消除进入电磁辐射的较高阶（Order）的辐射模。理想情况下，只有最低阶传输模才允许穿过管30全长到达传感器28。实际上，凸缘40之间的凹谷42越大、凸缘40的顶端越尖锐，该系统的性能亦越好。与吸收辐射的特定波长的涂层不同，源的灰尘、油或其它微观污物将不会对系统的性能产生有害影响。

图3  示出第一实施例的管30的一般结构，其中长度为a、b和c的三段30a、30b、30c分别用搭头组装，（如图3a所示）。一般来说，a、b和c均为6英寸长，但该管诸段并不限于这一长度。这些管段的总直径通常为1.250±0.005英寸（如图3所示尺寸d）。图3a和图3b详尽地示出了凸缘40和凹谷42的形状，其中角g通常为45°，角h通常为7°图3b示出长度为e、厚度为f的搭接部43，e（例如）可为0.300±0.005英寸，f（例如）可为0.100±0.005英寸。

在图4  中，根据本发明另一实施例的火焰检测系统44包括一火焰检测传感器46，该传感器位于燃烧室50之外的中空长形圆筒管48的一端。如第一实施例一样，该管包括位于管48另一端的栏孔52，栏孔52位于设置在燃烧室50之壁56上的栏孔54附近，管48的端部借助连接件55密封至燃烧室50，两栏孔54和52使光线能存在于如同第一实施例中的一个较宽角度检测区θ范围内，但以不同方式对该较宽角度射线进行选择性的衰减（即对准）。

管48加工有扩大的内径段60，以替代沿管48的内表面58的多个环状凸缘。如图4所示，进入管48的在角β外的光线投射到扩大段60的内表面并被往回反射和散射，从而被衰减，（极象第一实施例中的较宽角光线）。本方法是对第一实施例的粗略变化，实际上是在两个凸缘之间有一个大凹谷，通常具有与第一实施例相同的衰减作用。较大管段60被封焊在内部支管的两侧，以保持结构和压力容器的完整性。

第一实施例提供了一个比第二实施例更紧凑的设计，并且除了凸缘40尖端的反射外还沿其整个长度提供衰减，凸缘40的所需锐度存在一些制造问题，同时提高了成本。

第二实施例的有效性随着未除去、且仍反射辐射的管壁面积的大小以及较小和扩大的管段直径之差而变化。

图5  示出本发明的第三实施例，该实施例有效地组合了第一和第二实施例的特征。如同前两实施例一样，系统62包含位于燃烧室68之外的中空长形圆筒形管66一端的火焰检测传感器64。管66的另一端含有栏孔69，栏孔69与位于设置在燃烧室68的壁72上的栏孔70紧靠。管66的端部通过连接件73密封到燃烧室68。正如前两实施例那样，落在由较宽锥角θ限定的检测区范围内的光辐射分别通过栏孔70和69进入管66内。

管66的内表面74包括组合前两实施例诸属性的各段。例如，段76包含多个第一实施例的典型环状凸缘结构78，管66的其余内表面74实际上包括几段如图4第二实施例所示的两个凸缘、一个凹谷结构。虽然整个管66的最大内径通常是恒定的，但实际上“段”82包括了减小直径的部分，管段84与减小了直径的段82在直径上的差异较大，以实现图4所示第二实施例的同样目的。因此，正如前两实施例那样，只允许由窄锥角β限定的检测区中的光辐射才能无衰减地通过管66到达传感器64。

虽然已对本发明认为最实用及最佳的实施例进行了描述，但本发明自然不局限于所公开的实施例，相反，本发明应当包括体现在所附权利要求书的精神和范围内的各种改型及等同配置。

Claims (9)

1、一种燃气轮机火焰检测系统，该系统具有置于一辐射导管一端的辐射传感器，而该导管的与所述传感器相对着的栏孔端同燃气轮机的燃烧室壁上的栏孔对齐，其改进之处在于它还包括：

沿所述辐射导管内壁的结构上的变异，以便散射和衰减由所述燃烧室发出的在辐射传感器视线视角以外的辐射。

2、如权利要求1所述的燃气轮机火焰检测系统，其特征在于：所述结构变异包括环形延伸的凸缘和凹谷。

3、如权利要求1所述的燃气轮机火焰检测系统，其特征在于：所述结构变异包括介于所述两端中部的所述辐射导管的一个扩大的内径段。

4、如权利要求1所述的燃气轮机火焰检测系统，其特征在于所述结构变异包括一种内螺纹。

5、用于检测燃烧室内电磁辐射的一种方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

使来自燃烧室的辐射通过一有中空内侧并位于所述燃烧室之外的长形圆筒部件并导向一辐射传感器;和

在沿所述圆筒部件引导所述辐射时，对传感器视线角以外的所述燃烧室的辐射进行衰减。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于所述电磁辐射包括在红外，可见光及紫外光频带内的辐射。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于所述衰减步骤包括对投射在位于所述圆筒形部件中的所述中空内侧的至少一段上的多个环状凸缘上的所述导向辐射部分进行反射和散射的步骤。

8、如权利要求5所述的方法，其特征在于所述衰减步骤包括对投射在所述中空内侧的具有比其余任何段直径都大的至少一段上的所述被导向辐射部分进行反射和散射。

9、如权利要求5所述的方法，其特征在于所述衰减步骤包括：

对投射在位于所述圆筒形部件的所述中空内侧的至少一段上的多个环形凸缘上的所述被导向辐射部分进行反射和散射;及

对投射在所述中空内侧的具有比中空内侧其它段直径均大的至少一段上的所述被汇集辐射部分进行反射和散射。

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