DE102010017286A1

DE102010017286A1 - Optische Abfragesensoren zum Regeln/Steuern einer Verbrennung

Info

Publication number: DE102010017286A1
Application number: DE102010017286A
Authority: DE
Inventors: Keith Robert Mcmanus; Lewis Berkley Davis Jr.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-08
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2030-06-09
Also published as: JP2010285988A; DE102010017286B4; US8456634B2; CH701199B1; CH701199A2; CN101956997B; US20100313572A1; JP5702952B2; CN101956997A

Abstract

Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können Systeme und Verfahren beinhalten, die dazu dienen, optische Abfragesensoren zur Regelung/Steuerung einer Verbrennung bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln/Steuern von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines optischen Pfades (204) durch die Gasturbinenbrennkammer (102) hindurch, Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades (204), Messen der Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102), und Regeln/Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Sensoren, und speziell optische Abfragesensoren zur Verbrennungssteuerung.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Moderne Industrie-Gasturbinen sollen Energie mit einem hohen Wirkungsgrad umwandeln, während der Ausstoß von Schadstoffemissionen auf ein Minimum zu reduzieren ist. Diese beiden Forderungen sind allerdings gegensätzlich, da höhere Wirkungsgrade gewöhnlich durch eine Steigerung der allgemeinen Gastemperatur in den Brennkammern erreicht werden, während Schadstoffe, z. B. Stickstoffoxide, gewöhnlich reduziert werden, indem die maximale Gastemperatur gesenkt wird. Die maximale Gastemperatur lässt sich durch Aufrechterhaltung eines mageren Brennstoff/Luft-Verhältnisses in der Brennkammer verringern; allerdings kann eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffs, falls das Brennstoff/Luft-Gemisch zu mager ist, zu einem einer exzessiven Erzeugung von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen führen. Wenn mit magerer Verbrennung gearbeitet wird, treten im Betrieb weitere Probleme auf, beispielsweise auch als Verbrennungsdynamik bekannte instabile Lastübergänge und Verbren nungsinstabilität. Folglich ist es erforderlich, das Brennstoff/Luft-Gemisch und die Temperatur in der Reaktionszone zu regulieren, um eine vollständige Verbrennung zu unterstützen.
Um einen Ausgleich zwischen den gegensätzlichen Forderungen nach einer Steigerung des Wirkungsgrads und einer Verringerung der Emissionen zu erzielen, ist eine äußerst genaue Regulierung erforderlich, um das Brennstoff/Luft-Gemisch in den Reaktionszonen der Brennkammern anzupassen. Es wurden Systeme vorgeschlagen, die dazu dienen, das Brennstoff/Luft-Gemisch zu regulieren, indem vielfältige Verbrennungsparameter überwacht werden, und indem die gemessenen Parameter als Eingabesignale zur Regulierung des Brennstoffsystems verwendet werden. Beispielsweise enthält ein herkömmliches System ein Steuerungssystem, in dem Brennstoffzustromraten, Druckpegel und Temperaturverteilungen der Abgase als Eingabesignale genutzt werden, um Brennstoffbegrenzungssteuerventile zu betätigen.
Andere Techniken zur Regulierung einer Verbrennungsdynamik beinhalten das Messen einer von der Brennkammerflamme ausgehenden Lichtemission und ein Einsetzen des gemessenen Signals, um gewisse Verbrennungsparameter zu steuern. Beispielsweise nutzt ein herkömmliches System ein Regelkreissystem, das eine Siliziumkarbidfotodiode nutzt, um die Temperatur der Verbrennungsflamme mittels der Messung einer UV-Strahlungsintensität zu erfassen. Der UV-Strahlungsmesswert wird genutzt, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis des Brennstoffgemisches zu regulieren, um die Temperatur der Flamme unterhalb eines vorgegebenen Pegels zu halten, der ei nem gewünschten niedrigen Pegel von Stickstoffoxiden zugeordnet ist.
Andere herkömmliche Systeme können optische Fasern benutzen, um Licht aus einer Verbrennungszone zu sammeln und zu Detektoren zu übertragen. Noch andere herkömmliche Systeme können eine Videokamera verwenden, um Bilder der Flamme hauptsächlich zur Überwachung des Vorhandenseins oder Fehlens einer Flamme aufzunehmen.
Es wurde vorgeschlagen, in Turbinen Massendurchflusserfassungstechniken zu verwenden. Beispielsweise können lasergestützte Dopplerverschiebungsmesssysteme genutzt werden, um einen Luftstrom in einem Lufteinlasskanal einer Turbine zu bestimmen, und ähnliche Systeme wurden vorgeschlagen, um die statische Temperatur durch einen Vergleich der Absorptionsmerkmale zu erfassen, die von zwei Lichtgeneratoren (Lasern) unterschiedlicher Frequenz stammen. Es besteht immer noch ein Bedarf nach verbesserten Systemen und Verfahren für die Bereitstellung optischer Sensoren.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Einige oder sämtliche der oben erwähnten Bedarfe können durch spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung behandelt werden. Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können Systeme und Verfahren beinhalten, die dazu dienen, optische Abfragesensoren zur Regelung/Steuerung einer Verbrennung zu bereitzustellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zur Regulierung von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das Verfahren kann folgende Schritte beinhalten: Bereitstellen eines durch die Gasturbinenbrennkammer hindurch führenden optischen Pfades, Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades, Messen der im Innern der Gasturbinenbrennkammer stattfindenden Absorption des Lichts und Regulierung wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein System zur Regulierung von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das System kann wenigstens einen Photodetektor, der mit einem durch die Gasturbinenbrennkammer hindurch führenden optischen Pfad in Verbindung steht, eine Lichtquelle, die dazu dient, um Licht entlang des optischen Pfades zu dem wenigstens einen Photodetektor zu schicken, und eine Steuervorrichtung aufweisen, die dazu dient, um wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu steuern, die von dem einen oder den mehreren Photodetektoren ausgegeben sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Gasturbine geschaffen. Die Gasturbine kann eine Brennkammer, wenigstens einen Photodetektor, der mit einem durch die Brennkammer führenden optischen Pfad in Verbindung steht, eine Lichtquelle, die dazu dient, Licht entlang des optischen Pfades zu dem wenigstens einen Photodetektor zu senden, und wenigstens eine Steuervorrichtung aufweisen, die dazu dient, einen oder mehrere Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu beeinflussen, die von dem wenigstens einen Photodetektor ausgegeben sind, wobei das eine oder die mehreren Signale wenigstens ein Absorptionssignal umfassen.
Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung sind im Vorliegenden im Einzelnen erläutert und werden als ein Teil der vorliegenden Erfindung erachtet. Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte werden nach dem Lesen der Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun auf die beigefügten Zeichnungen eingegangen, die nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet sind:
1 veranschaulicht einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende optische Abfragesysteme schematisch, die mit der Turbinenbrennkammer in Verbindung stehen.
2a veranschaulicht eine Stirnansicht einer einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäßen Brennkammer und ein optisches Abfragesystem.
2b veranschaulicht ein Übertragungsbeugungsgitter und eine Detektoranordnung zum räumlichen Trennen von Wellenlängen vor einer Erfassung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2c veranschaulicht ein Reflexionsbeugungsgitter und eine Detektoranordnung zum räumlichen Trennen von Wellenlängen vor einer Erfassung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein exemplarisches Flussdiagramm zum Messen von Absorptionsparametern in einer Turbinenbrennkammer, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, eingehender beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in vielfältigen Ausprägungen verwirklicht werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsbeispiele beschränkt bewertet werden; vielmehr sind diese Ausführungsbeispiele dargelegt, um diese Beschreibung gründlich und vollständig zu gestalten, und um dem Fachmann den Schutzumfang der Erfindung vollkommen zu erläutern. Übereinstimmende Bezugsziffern bezeichnen durchgängig gleichartige Elemente.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann es ermöglichen, Verbrennungsparameter in einer Turbinenbrennkammer durch Testen oder Abfragen der Brennkammer mit Licht zu messen, um die zeitliche und/oder spektrale Schwächung des Lichts zu erfassen, nachdem es die interessierende Bereiche durchquert hat. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können die gemessenen Verbrennungsparameter ihrerseits verwendet werden, um vielfältige Parameter der Brennkammer zu beeinflussen, zu denen, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Brennstoffzustromraten, Brennstoff/Luft-Verhältnisse und Brennstoffzustromverteilungen gehören, um dadurch Stickstoffoxidemissionen, dynamische Druckschwankungen und Brennstoffnutzungsgrade zu optimieren.
Gemäß Ausführungsbeispielen können spezielle chemische Stoffe in der Brennkammer überwacht und reguliert werden, indem das Prinzip der Absorption von Licht genutzt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann Licht, das durch eine Brennkammer geschickt wird, gemessen werden, um mittels der spektralen und/oder zeitlichen Schwächung des Lichts die Anwesenheit und Konzentration gewisser chemischer Stoffe in der Brennkammer zu ermitteln. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die spektral aufgelöste Lichtabsorption genutzt werden, um chemische Stoffe zu identifizieren, beispielsweise H₂O, CH₄, CO, CO₂, C₂, CH, OH und NO. Die gemessenen Signale können mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis, der Wärmefreisetzungsrate und der Temperatur korreliert werden. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die nach der Zeit aufgelöste, von optischen betektoren stammende Ausgabe analysiert werden, um unstetige Phänomene in Zusammenhang mit der Verbrennung aufzudecken, und kann genutzt werden, um verbrennungsakustische Schwingungen (Verbrennungsdynamik) anzuzeigen. Darüber hinaus können die Ausgangssignale als Rückführung verwendet werden, um in einem Verbrennungsregelungssystem eingesetzt zu werden. Vielfältige Optionen und Konstruktionen von Sensoren für Anwendungen zur Beeinflussung der Verbrennung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 veranschaulicht eine exemplarische Rohrbrennkammer mit Abfragesensoren und einem Steuerungssystem 100 zum Beeinflussen bzw. Regulieren von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer 102 zugeordnet sind, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Die Abfragesensorkomponenten können an der Rohrbrennkammer 102 angeordnet oder angebracht sein und können selektiv Regionen in der Rohrbrennkammer 102, beispielsweise an oder nahe dem Luft/Brennstoff-Bereich 108 oder in dem Nachflammigen (oder Abgasauslass-)Bereich 110 der Rohrbrennkammer 102 abfragen. 1 zeigt zwei beispielhafte Anordnungen und Ausführungsbeispiele des Abfragesystems, und zwar eines nahe dem Luft/Brennstoff-Bereich 108 und eines nahe dem nachflammigen Bereich 110. Ein oder mehrere derartige Systeme können an einer beliebigen geeigneten Stelle in dem Brennkammersystem angeordnet sein, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Lichtquelle 111 unter der Kontrolle einer Lichtquellensteuereinrichtung 112 Licht erzeugen, um die Brennkammer abzufragen. Das erzeugte Licht kann über eine Reihe von optischen Komponenten einen inneren Abschnitt des Brennraums der Brennkammer 102 durchlaufen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das durch die Lichtquelle 111 erzeugte Licht in einen Wellenleiter 114, z. B. eine optische Faser, eingekoppelt werden, um ein Verzweigen zu einem geeigneten Eingabebereich der Brennkammer 102 zu erleichtern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das aus dem Wellenleiter 114 austretende Licht eine Streuung erfahren und kann einen divergierenden optischen Strahl 117 ergeben, der durch eine Linse 116 oder durch einen konkaven Spiegel kollimiert werden kann, um einen kollimierten optischen Strahl 119 hervorzubringen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich das durch die Lichtquelle erzeugte Licht (insbesondere, falls es bereits durch die Lichtquelle kollimiert ist) durch einen freien Raum fortbewegen und kann den geeigneten Eingabebereich der Brenn kammer 102 entweder unmittelbar oder über Reflektorspiegel oder über zwischengeschaltete optische Elemente erreichen. Der kollimierte optische Strahl 119 kann über einen optischen Eingabekanal 118 in die Brennkammer 102 eintreten. Der optische Eingabekanal 118 und ein optischer Ausgabekanal 120 können in dem Körper der Turbinenrohrbrennkammer 102 ausgebildet sein, um es der optischen Energie zu erlauben, die Brennkammer 102 zu durchqueren. Der optische Eingabekanal 118 und ein optischer Ausgabekanal 120 können aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen, optisch transparenten Material, beispielsweise Quarz, Saphir oder aus sonstigen geeigneten Materialien hergestellt sein, die geringen Verlust verursachen und eine Übertragungsbandbreite aufweisen, die für die interessierende Wellenlängen geeignet ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können an vielfältigen Stellen an der Brennkammer 102 zwei oder mehr optische Kanäle 118 120 angeordnet sein, um entlang des Luft/Brennstoff-Flammen-Abgasauslass-Pfads an unterschiedlichen Punkten Verbrennungsspezies zu erfassen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann das sich in der Brennkammer 102 ausbreitende kollimierte Licht 119 mit Verbrennungsspezies in Wechselwirkung treten und kann aufgrund der über den Pfad hinweg gemittelten Wechselwirkung mit den Spezies eine wellenlängenspezifische spektrale Schwächung erfahren, die mit der Konzentration der speziellen chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 korrelieren kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das spektral abgeschwächte Licht, das durch den opti schen Ausgabekanal 120 aus der Brennkammer 102 austritt, eine Linse 122 oder einen konkaven Spiegel 124 durchqueren, um einen konvergierenden optischen Strahl 123 hervorzubringen, der durch einen oder mehrere Detektoren 126 erfasst wird. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der (bzw. können die) optische(n) Detektor(en) 126 mit Blick auf ein Ansprechen innerhalb gewisser interessierender Wellenlängenspektralfenster ausgewählt sein. Beispielsweise kann mit Blick auf seine Empfindlichkeit gegenüber dem ultravioletten Abschnitt des Wellenlängenspektrums ein Siliziumkarbid-(SiC)-Fotodetektor ausgewählt werden. Gemäß noch einem Ausführungsbeispiel kann ein Silizium-(Si)-Fotodetektor zur Überwachung der von chemischen Stoffen ausgehende Emission in dem Spektralbereich von etwa 400 bis ungefähr 1000 nm genutzt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können Indiumgalliumarsenid-(InGaAs)-Fotodioden mit Blick auf ein Messen von infraroten Wellenlängen in dem Spektralbereich von etwa 1000 bis ungefähr 1700 nm ausgewählt sein. Die durch die Detektoren 126 erfassten optischen Signale können durch die Detektoren 126 in elektronische Signale umgewandelt werden, die durch die Detektorelektronik 128 weiter verarbeitet (gefiltert, verstärkt, usw.) werden können. Die von der Detektorelektronik 128 ausgegebenen elektronischen Signale können von dem Brennkammersteuerungssystem 130 genutzt werden, um Brennkammerparameter (Luft/Brennstoff-Verhältnisse, Brennstoffverteilung, Massendurchsatz akustische Impedanz einer Brennstoffdüse, Luftstromverteilung, usw.) dynamisch anzupassen, um die Parameter der Brennkammer zu optimieren.
2a veranschaulicht eine Stirnansicht eines optischen Abfragesystems, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei der Lichtquellenemitter 111 einen abstimmbaren Laser aufweisen kann. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Lichtquellenemitter 111 ein Laser mit fester Wellenlänge sein. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Lichtquellenemitter 111, 202 Mehrfachlaser oder mehrere Spektrallinien aufweisende Laser beinhalten. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Lichtquellenemitter 111 eine breitbandige Lichtquelle beinhalten, beispielsweise eine auf dem Prinzip einer Verstärkung durch stimulierte Emission (ASE) arbeitende Quelle, eine Superkontinuumquelle oder eine Superluminiszenz-Leuchtdiode (SLED).
Die Einzelheiten der Konstruktion des Messsystems zum Abfragen der chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 können von den interessierenden chemischen Stoffen abhängen, und können hinsichtlich ihrer Komplexität einen Bereich von einer eine einzige Linie aufweisenden Laserlichtquelle 111 unter Verwendung eines einzigen Detektors 126 bis zu einem abstimmbaren Laser oder einer ASE-Quelle umfassen, die zusätzliche optische Komponenten aufweist, um es zu ermöglichen, Bereiche des Spektrums aufzulösen und zu messen. Vielfältige Beispiele optischer Systeme und Detektionsansätze, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, werden nachstehend mit Bezug auf 2a–c erörtert.
GRUNDLEGENDE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EINER ABFRAGE DURCH LASER MIT FESTER WELLENLÄNGE
Gemäß einem Ausführungsbeispiel und wie es oben erwähnt ist, kann als die Lichtquelle 111 ein monochromer Laser bzw. eine Laserdiode genutzt werden. Die von dem Laser ausgehende schmalbandige Emission kann angepasst sein, um einem Absorptionsband eines interessierenden chemischen Stoffes zu entsprechen. Beispielsweise weist H₂O Absorptionsbande bei 1,45 μm, 1,95 μm und 2,5 μm auf; CH₄ weist ein Absorptionsband bei 1,65 μm auf; CO weist ein Absorptionsband bei 1,55 μm auf; C₂ weist ein Absorptionsband bei 518 nm auf; CH weist ein Absorptionsband bei 530 nm auf; OH weist ein Absorptionsband bei 310 nm auf, und NO weist ein Absorptionsband bei 226 nm auf. Durch ein Abstimmen der Emissionswellenlänge der Lichtquellen 111 auf eine oder mehrere dieser Absorptionswellenlängen und durch Auswahl des geeigneten optischen Detektors 126 kann ein Verhältnis der eingegebenen zu der ausgegebenen optischen Energie gemessen und mit der relativen Konzentration des interessierenden Verbrennungsstoffes korreliert werden.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EINER ABFRAGE DURCH MEHRFACHLASER
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können Mehrfachlaserquellen 111, 202 und mehrere entsprechende Detektoren 126, 214 genutzt werden, um mehrere Verbrennungsspezies gleichzeitig zu erfassen, oder um eine einzelne Verbrennungsspezies genauer zu messen, indem Normierungsverfahren eingesetzt werden, wie sie nachstehend beschrieben werden. In ei nem Ausführungsbeispiel kann Licht aus einer oder mehreren Lichtquellen 111, 202 in entsprechende optische Wellenleiter 114, 214 eingekoppelt und über diese zu einer gemeinsamen Linse 116 und zu einem Eingangskanal 118 verzweigt werden, und kann kolineare (oder in etwa parallele), jedoch räumlich getrennte optische Pfade 204, 205 nutzen und über einen gemeinsamen Ausgangskanal 120 austreten und dank der optischen Pfadtrennung oder Einkopplungswinkel mittels entsprechender optischer Detektoren 126, 214 erfasst werden. In einem (nicht in 2a gezeigten, jedoch mit Bezug auf 1 erwähnten) anderen Ausführungsbeispiel können die Mehrfachlichtquellen individuelle Pfade verwenden und jeweils eine eigen Optik (Linsen, Spiegel, Eingabe- und Ausgabekanäle, Detektoren, usw.) nutzen.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EINER ABFRAGE DURCH ABSTIMMBARE LASER
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Lichtquelle 202 einen abstimmbaren Laser aufweisen, der über ein Spektrum von Wellenlängen hinweg abgestimmt werden kann. Der abstimmbare Laser kann es ermöglichen, die Absorptionsspektren eines oder mehrerer chemischer Stoffe in der Brennkammer zu messen. Gemäß Ausführungsbeispielen und wie in 2b und 2c dargestellt, kann ein Übertragungssteuergitter 208 oder Reflexionssteuergitter 210 genutzt werden, um die spektralen Komponenten (λ1, λ2,... λn) des Lichts des abgestimmten Lasers angular zu trennen, nachdem es die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 durchstrahlt hat und mit diesen in Wechselwirkung getreten ist. Das angular getrennte Licht kann anschließend aufgelöst und durch mehrere (räumlich getrennte) Detektoren in einer Detektoranordnung 216 erfasst werden. Die sich ergebenden erfassten Signale können zeitlich abgetastet und mit der bekannten Abstimmwellenlänge des abstimmbaren Lasers in Beziehung gesetzt werden, um eine zusammengeführte Darstellung der Absorptionsspektren der in der Brennkammer 102 vorhandenen chemischen Stoffe hervorzubringen. Die gemessenen Absorptionsspektren können anschließend mit den relativen Konzentrationen der interessierenden chemischen Stoffe in Beziehung gesetzt werden und können genutzt werden, um die Parameter der Brennkammer 102 zu regulieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Systems, das einen abstimmbaren Laser, beispielsweise einen Chirp-Laser, verwendet, kann ein einzelner Detektor genutzt werden, um das Licht zu messen, das durch die Brennkammer 102 gelangt ist. Indem die Wellenlängenänderung des abstimmbaren Lasers mit dem in dem Zeitbereich erfassten Signal in Beziehung gesetzt wird, kann das Zeitbereichssignal genutzt werden, um die Absorptionsspektren der chemischen Stoffe in der Brennkammer 112 über das interessierende Wellenlängenband hinweg zu messen, ohne Mehrfachdetektoren oder Gitter zu verwenden.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE EINER ABFRAGE MITTELS BREITBANDIGER LICHTQUELLEN
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Lichtquelle 202 eine breitbandige Lichtquelle, z. B. eine auf dem Prinzip einer Verstärkung durch stimulierte Emission (ASE) arbeitende Quelle, eine Superkontinuumquelle oder eine Quelle auf der Basis einer Superluminiszenz-Leuchtdiode (SLED) beinhalten. In diesen Ausführungsbeispielen können Photonen, die ein Spektrum von Wellenlängen innerhalb der Emissionsbandbreite der Quelle abdecken, die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 simultan abfragen, um ein zusammengeführtes Absorptionsspektrum hervorzubringen. Gemäß Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf 2b und 2c kann ein Übertragungsgitter 208 oder Reflexionsgitter 210 genutzt werden, um die spektralen Komponenten (λ1, λ2,... λn) des breitbandigen Lichts angular zu trennen, nachdem es die chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 durchquert hat und mit diesen in Wechselwirkung getreten ist. Das angular getrennte Licht kann anschließend aufgelöst und durch mehrere (räumlich getrennte) Detektoren in einer Detektoranordnung 216 erfasst werden. Die sich ergebenden erfassten Signale können ein zusammengeführtes Absorptionsspektrum der chemischen Stoffe in der Brennkammer 102 repräsentieren. Das gemessene Absorptionsspektrum kann anschließend mit den relativen Konzentrationen der interessierenden chemischen Stoffe in Beziehung gesetzt und genutzt werden, um die Parameter der Brennkammer 102 zu steuern/regeln. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können ein oder mehrere optische (z. B. dichroitische, Fabry-Perot- usw.) Filter 215, in dem optischen Pfad angeordnet sein, um das gemessene Spektrum auf ein interessierendes Wellenlängenband zu begrenzen. Eine vor oder nach der Brennkammer (vor dem Erreichen des Detektors) durchgeführte Filterung des Lichts kann die Detektoranordnung vereinfachen und kann dazu dienen, die Erfordernis eines Gitters oder mehrerer Detektoren zu eliminieren. Weiter kann ein Anordnen eines Filters 215 über dem Detektor verwendet werden, um uner wünschtes Streulicht, beispielsweise aus dem Flammenbereich, zu reduzieren. Es können viele Kombinationen und Abweichungen der oben erwähnten Ausführungsbeispiele verwendet werden, ohne dass der Schutzumfang der Erfindung berührt ist. Demzufolge ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.
Außerdem sind in 1 und 2a Blöcke gezeigt, die die Detektorelektronik 128 und das Verbrennungsteuerungssystem 130 repräsentieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Detektorelektronik 128 betätigbar sein, um die von den optischen Detektoren 126 214 216 ausgegebenen Signale zu konditionieren, zu verstärken, zu filtern und zu verarbeiten. Die Detektorelektronik 128 kann ferner eine Steuerung bereit stellen, die dazu dient, die Position einer jeden der entsprechenden optischen Komponenten automatisch anzupassen. Das von der Detektorelektronik ausgegebene Signal kann als ein Steuersignal für das Verbrennungsteuerungssystem 130 verwendet werden. Beispielsweise kann die gemessene Konzentration von CH₄ oder das gemessene Verhältnis von CH₄ zu CO₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Rückführung in dem Verbrennungsteuerungssystem 130 genutzt werden und kann eine Steuerung bereitstellen, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis dynamisch anzupassen.
Nachstehend wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm von 3 ein exemplarisches Verfahren zum Messen chemischer Stoffe in einer Brennkammer 102 und zum auf den Messwerten basierenden Regulieren einer Verbrennungscharakte ristik beschrieben. Beginnend in Block 302 und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Lichtquelle 111 und eine Lichtquellensteuereinrichtung 112 vorgesehen sein. Mindestens ein optischer Pfad, der einen optischen Eingangskanal 118 und einen Ausgangskanal 120 einschließt, kann in dem Körper der Turbinenrohrbrennkammer 102 zu einem interessierenden Bereich 106, 110 benachbart ausgebildet sein, um es von der Lichtquelle 111 ausgehendem Licht zu ermöglichen, sich durch die Brennkammer 102 hindurch auszubreiten, um die in der Brennkammer 102 vorliegenden chemischen Stoffe mittels optischer Absorption zu überwachen. Die optischen Kanäle 118 120 können aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen, optisch transparenten Material, beispielsweise Quarz, Saphir, oder aus sonstigen geeigneten Materialien hergestellt sein, die geringen Verlust verursachen und eine Übertragungsbandbreite aufweisen, die für die interessierende Wellenlängen geeignet ist. In einem optionalen Block 304 kann, falls erforderlich, ein Kollimator 116 vorgesehen sein, der zu dem Eingangskanal 118 benachbart angeordnet ist, um eine eventuelle Abweichung des von der Lichtquelle 111 ausgegebenen Lichtstrahls zu korrigieren und den Strahl 119 zu kollimieren. Benachbart zu dem Ausgangskanal 120 kann eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen sein, um das aus der Brennkammer 102 austretende modifizierte Licht zu bündeln. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Fokussierungseinrichtung eine Linse. 122 oder ein konkaver Spiegel 124 sein. In Block 306 kann benachbart zu dem Ausgangskanal 120 ein Abschlussfotodetektor 126 vorgesehen sein, der betätigbar ist, um das fokussierte oder gebündelte Licht 123 aufzunehmen, das durch die Ausgabelinse 122 oder den Spiegel 124 ausgegeben wird.
Die Blöcke 308, 310 und 312 zeigen an, dass der Messwert des Absorptionssignals zur Steigerung der Genauigkeit und Empfindlichkeit der Messung normiert werden kann, indem das Absorptionssignal gemessen und durch ein Normierungssignal dividiert wird. In Block 312 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel das Normierungssignal erzeugt werden, indem ein Teil des von der Lichtquelle 111 ausgehenden Lichts vor der Ausbreitung des Lichts durch die Brennkammer 102 gemessen wird. Eine derartiges Signal kann bereits an der Lichtquellensteuereinrichtung 112 verfügbar sein, da die typischen Lichtquellensteuereinrichtungen einen inneren Detektor nutzen, um die optische Leistung der Lichtquelle 111 hinsichtlich einer Rückkopplungsregelung zu überwachen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Normierungssignal mittels (nicht gezeigter) externer Lichtteiler und gesonderter Detektoren erlangt werden, die dazu dienen, einen Teil des Lichts aufzufangen und zu erfassen, bevor es durch die Brennkammer 102 hindurch ausgebreitet wird. Block 310 zeigt an, dass das Absorptionssignal erlangt wird, indem Licht durch den optischen Pfad in der Brennkammer 102 geleitet wird, und indem das wellenlängenabhängige und/oder zeitlich veränderliche Absorptionssignal an einem oder (mehreren) Abschlussfotodetektoren 126, 214, 216 gemessen wird. Block 312 zeigt an, dass das normierte Messsignal erlangt werden kann, indem das Absorptionssignal (Zähler) durch das Normierungssignal (Nenner) dividiert wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Nenner, da das Normierungsverfahren optional sein kann, für den Fall, dass das Absorptionssignal nicht normiert ist, auf 1 gesetzt werden.
In Block 316 können das extrahierte Absorptionsspektrum und/oder zeitlich veränderliche Messdaten verwendet werden, um die Verbrennungscharakteristik der Brennkammer 102 zu steuern und zu optimieren. Beispielsweise können die extrahierten Verbrennungsparameter in einem Regelkreis genutzt werden, um den Brennstoffzustrom, das Brennstoff/Luft-Verhältnis, die Verteilung des Brennstoffs auf die Brenner, und dergleichen anzupassen.
Viele Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden dem auf dem Gebiet dieser Erfindung bewanderten Fachmann einfallen, nachdem die Vorteile der Lehre in den vorausgehenden Beschreibungen und anhand der zugehörigen Zeichnungen dargelegt wurden. Demzufolge ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll, und dass Modifikationen und weitere Ausführungsbeispiele von dem Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche abgedeckt sein sollen. Obwohl im Vorliegenden spezielle Begriffe verwendet werden, werden diese lediglich in einem oberbegrifflichen und beschreibenden Sinne und nicht für Zwecke einer Beschränkung verwendet.
Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können Systeme und Verfahren beinhalten, die dazu dienen, optische Abfragesensoren zum Regulieren einer Verbrennung bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Regulieren von Verbrennungsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer 102 zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines optischen Pfades 204 durch die Gasturbinenbrennkammer 102 hindurch, Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades 204, Messen der Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer 102, und Regulieren wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.

100: Rohrbrennkammer mit Abfragesensoren und Steuerungssystem
102: Rohrbrennkammer
104: Flammen
106: Flammenbereich
108: Luft/Brennstoff-Bereich
110: nachflammiger Bereich
111: Lichtquelle
112: Lichtquellensteuereinrichtung
114: Wellenleiter
116: Eingangskollimatorlinse
117: divergierender optischer Strahl
118: optischer Eingabekanal
119: kollimierter optischer Strahl
120: optischer Ausgabekanal
122: Fokussierungslinse
123: konvergierender optischer Strahl
124: Fokussierspiegel
126: optischer Detektor
128: Detektorelektronik
130: Brennkammersteuerungssystem
200: optisches Abfragesystem
202: zusätzlicher Lichtquellenemitter
204: optischer Pfad
205: zusätzlicher optischer Pfad(e)
208: Übertragungssteuergitter
210: Reflexionssteuergitter
212: zusätzlicher optischer Wellenleiter
214: zusätzlicher optischer Detektor
215: optionaler optischer Filter
216: Detektoranordnung

Claims

Verfahren zum Regulieren von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordnet sind, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines optischen Pfades (204), der durch die Gasturbinenbrennkammer (102) hindurchfährt; Fortleiten von Licht entlang des optischen Pfades (204); Messen der Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102); und Beeinflussen wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen eines optischen Pfades (204) beinhaltet, einen optischen Eingabekanal (118), einen optischen Ausgabekanal (120) und wenigstens einen Photodetektor (126) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) beinhaltet, eine Lichtquelle (111), einen optischen Wellenleiter (114) und einen Kollimator (116) zum Leiten von Licht von der Lichtquelle (111) entlang des optischen Pfades (204) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) beinhaltet, wenigstens ein Gitter (208, 210) oder ein Filter (215) zum Trennen von Spektraldaten bereitzustellen, die dem Licht zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten einer schmalbandigen optischen Strahlung zur Messung von Absorption beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten von Licht beinhaltet, das in einem Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 225 Nanometer bis zu etwa 3 Mikrometer abstimmbar ist, um ein Absorptionsspektrum zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Fortleitens von Licht entlang des optischen Pfades (204) ein Fortleiten einer breitbandigen optischen Strahlung beinhaltet, um ein Absorptionsspektrum zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit den Schritten: Messen wenigstens eines Normierungssignals, das einem Teil des Lichts zugeordnet ist; und Messen der Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102), wenigstens zum Teil auf der Grundlage des wenigstens einen Normierungssignals.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner mit dem Schritt: Beeinflussen wenigstens eines der Verbrennungsparameter, zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption und des wenigstens einen Normierungssignals.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsparameter wenigstens beinhalten: eine Brennstoffzustromrate und/oder eine Brennstoffzustromverteilung und/oder ein Luft/Brennstoff-Verhältnis.
System zum Regeln/Steuern von Verbrennungsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (102) zugeordnet sind, wobei das System aufweist: wenigstens einen Photodetektor (126), der mit einem durch die Gasturbinenbrennkammer (102) führenden optischen Pfad (204) in Verbindung steht; wenigstens eine Lichtquelle (111), die betätigbar ist, um Licht entlang des optischen Pfades (204) zu dem wenigstens einen Photodetektor (126) zuleiten; und eine Steuervorrichtung (130), die betätigbar ist, um wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu beeinflus sen, die von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (126) stammen.
System nach Anspruch 11, wobei der optische Pfad (204) einen optischen Eingabekanal (118) und einen optischen Ausgabekanal (120) umfasst.
System nach Anspruch 11, wobei der optische Pfad (204) einen optischen Wellenleiter (114) und einen Kollimator (116) aufweist, um Licht aus der wenigstens einen Lichtquelle (111) entlang des optischen Pfades (204) zu leiten.
System nach Anspruch 11, wobei der optische Pfad (204) wenigstens ein Gitter (208, 210) oder ein Filter (215) aufweist, um dem Licht eigene Spektraldaten zu separieren.
System nach Anspruch 11, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (111) eine schmalbandige optische Strahlungsquelle zur Messung von Absorption beinhaltet.
System nach Anspruch 11, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (111) eine abstimmbare Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich zwischen ungefähr 225 Nanometer und etwa 3 Mikrometer beinhaltet, um ein Absorptionsspektrum zu messen.
System nach Anspruch 11, wobei die wenigstens eine Lichtquelle (111) optische Breitband-Strahlungsquelle aufweist, um ein Absorptionsspektrum zu messen.
System nach Anspruch 11, das ferner aufweist: einen oder mehrere Photodetektoren (126), die dazu eingerichtet sind, wenigstens ein Normierungssignal zu messen, das der einen oder den mehreren Lichtquellen (111) zugeordnet ist; einen oder mehrere Photodetektoren (214), die dazu eingerichtet sind, eine Absorption des Lichts im Innern der Gasturbinenbrennkammer (102) wenigstens zum Teil auf der Grundlage des wenigstens einen Normierungssignals zu messen.
System nach Anspruch 18, das ferner aufweist: wenigstens eine Steuervorrichtung (130), die dazu dient, wenigstens einen der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption und des wenigstens einen Normierungssignals zu beeinflussen.
Gasturbine, aufweisend: eine Brennkammer (102); wenigstens einen Photodetektor (126), der mit einem durch die Brennkammer (102) führenden optischen Pfad (204) in Verbindung steht; wenigstens eine Lichtquelle (111), die dazu dient, Licht entlang des optischen Pfades (204) zu dem wenigstens einen Photodetektor (126) zu leiten; und wenigstens eine Steuervorrichtung (130), die dazu dient, einen oder mehrere Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu beeinflussen, die von dem wenigstens einen Photodetektor (126) stammen, wobei das eine oder die mehreren Signale wenigstens ein Absorptionssignal beinhalten.