DE102010037620A1

DE102010037620A1 - Systeme und Verfahren zur Regelung von Emissionen

Info

Publication number: DE102010037620A1
Application number: DE102010037620A
Authority: DE
Inventors: Peter Martin Lake Forest Maly; Jamison W. Overland Park Janawitz; William Eberhardt; Mark Holt; Yu Wang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2011-04-28
Also published as: CA2714544C; US8151571B2; GB2473700B; CN102022193A; CA2714544A1; GB2473700A; US20110067408A1; CN102022193B; GB201014840D0

Abstract

Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können Systeme und Verfahren zum Steuern von Verbrennungsemissionsparametern beinhalten, die einer Gasturbinenbrennkammer (104) zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines durch einen Abgaskanal (110) einer Gasturbine (106) führenden optischen Pfades; Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades; Messen der Absorption des Lichts durch Spezies eines Abgases (108) im Innern des Abgaskanals (110) der Gasturbine (106); und Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption durch Spezies des Abgases (108).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Turbinenemissionssteuerung und insbesondere Systeme und Verfahren zur Regelung von Emissionen.
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Industrielle Gasturbinen erfordern häufig komplexe Steuerungssysteme, um Energie effizient umzuwandeln, während Schadstoffemissionen minimiert werden. Schadstoffe, wie z. B. Stickstoffoxid, können durch eine Reduzierung der maximalen Gastemperatur verringert werden, was durch die Aufrechterhaltung eines mageren Brennstoff/Luft-Verhältnisses in der Brennkammer erreicht werden kann. Falls das Brennstoff/Luft-Gemisch allerdings zu mager ist, kann eine unvollständige Verbrennung des Brennstoffs überschüssiges Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe hervorbringen. Wenn mit magerer Verbrennung gearbeitet wird, treten im Betrieb weitere Probleme auf, beispielsweise instabile Lastübergänge und Verbrennungsinstabilitäten. Folglich ist es erforderlich, das Brennstoff/Luft-Gemisch und die Temperatur in der Reaktionszone zu steuern, um eine vollständige Verbrennung zu unterstützen.
Zur Steuerung des Brennstoff/Luft-Gemisches wurden Systeme vorgeschlagen, die vielfältige Verbrennungsparameter messen und die die Messwerte als Eingangssignale für die Regelung/Steuerung des Brennstoffsystems nutzen. 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 zum Steuern der Verbrennungsdynamik beinhalten ein Messen einer von der Brennkammerflamme ausgehenden Lichtemission und ein Einsetzen des gemessenen Signals, um gewisse Verbrennungsparameter zu steuern. Beispielsweise verwendet 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 steuern, um die Temperatur der Flamme unterhalb eines vorgegebenen Pegels zu halten, der einem gewünschten niedrigen Pegel von Stickstoffoxiden zugeordnet ist.
Andere herkömmliche Systeme können optische Fasern benutzen. 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 Absorptionseigenschaften anhand von zwei Lichtgeneratoren (Lasern) unterschiedlicher Frequenz zu erfassen. Es besteht immer noch ein Bedarf nach verbesserten Systemen und Verfahren zur Regelung von Emissionen.
KURZDARSTELLUNG 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 zur Regelung von Emissionen beinhalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Regeln/Steuern von Verbrennungsemissionsparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines optischen Pfades durch einen Gasturbinenabgaskanal; Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades; Messen einer durch Abgasspezies hervorgerufenen Absorption des Lichts im Innern des Gasturbinenabgaskanals; und Beeinflussen wenigstens eines der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein System zum Beeinflussen von Verbrennungsemissionssparametern geschaffen, die einer Gasturbinenbrennkammer zugeordnet sind. Das System kann beinhalten: einen oder mehrere Photodetektoren, die mit einem durch den Gasturbinenabgaskanal hindurch führenden optischen Pfad in Verbindung stehen; eine oder mehrere Lichtquellen, die betätigbar sind, um Licht entlang des optischen Pfades zu dem einen oder den mehreren Photodetektoren auszubreiten; und eine Steuervorrichtung, die betätigbar ist, um wenigstens einen der Verbrennungsemissionsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale zu steuern.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Gasturbine geschaffen. Die Gasturbine kann aufweisen: eine Brennkammer; einen Abgaskanal; einen durch den Abgaskanal führenden optischen Pfad; eine oder mehrere Photodetektoren, die mit dem optischen Pfad in Verbindung stehen; und eine oder mehrere Lichtquellen, die dazu eingerichtet sind, Licht entlang des optischen Pfades zu dem einen oder den mehreren Photodetektoren auszubreiten.
Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung sind hierin im Einzelnen erläutert und werden als ein Teil der vorliegenden Erfindung erachtet. Weitere Ausführungsbeispiele und Aspekte werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung, der beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Patentansprüchen verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es wird nun auf die beigefügten Tabellen und Zeichnungen eingegangen, die nicht unbedingt maßstäblich gezeichnet sind: Tabelle 1 listet exemplarische erfassbare Abgasspezies und Lichtabsorptionswellenlängen auf gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
1 zeigt ein Diagramm eines der Veranschaulichung dienenden optischen Abfragesystems, das mit dem Turbinenbrennkammerabgaskanal verbunden ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Diagramm einer der Veranschaulichung dienenden optischen Abfragesonde gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein Flussdiagramm für ein exemplarisches Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen eingehender beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. 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.
Spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung können es ermöglichen, Verbrennungsemissionsparameter in dem Abgaskanal einer Turbinenbrennkammer zu messen, indem der Abgaskanal mit Licht getestet oder abgefragt wird, um die zeitliche und/oder spektrale Schwächung des Lichts zu erfassen, nachdem es die interessierenden Bereiche durchquert hat. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können die gemessenen Verbrennungsparameter wiederum verwendet werden, um vielfältige Parameter der Brennkammer zu steuern, zu denen, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, Brennstoffzustromraten, Brennstoff/Luft-Verhältnisse, Brennkammergleichgewicht und Brennstoffzustromverteilungen gehören, um Betriebsparameter, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, Stickstoffoxidemissionen, dynamische Druckschwankungen und Brennstoffnutzungsgrade, zu optimieren.

Gemäß gewissen Ausführungsbeispielen der Erfindung können spezielle Emissionsspezies in dem Abgaskanal oder in dem Abgasschacht der Brennkammer überwacht werden, indem das Prinzip der Lichtabsorption genutzt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann durch einen Brennkammerabgaskanal geschicktes Licht gemessen werden, um die Anwesenheit und Konzentration von Abgasspezies mittels der spektralen und/oder zeitlichen Schwächung des Lichts zu ermitteln. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Licht, das verwendet wird, um die Abgasspezies zu messen, mittlere IR-(Infrarot)-Wellenlängen im Bereich von 3,5 bis 24 μm aufweisen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung, kann das Licht, das zum Messen der Abgasspezies verwendet wird, zusätzliche Wellenlängen im Bereich von 1,0 bis 3,5 μm und 24 bis 500 μm aufweisen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die spektral aufgelöste Lichtabsorption genutzt werden, um chemische Stoffe zu identifizieren, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, NO, NO₂, CO, CO₂, SO₂ und H₂O. Die gemessenen Signale können mit dem Brennstoff/Luft-Verhältnis, der Brennstoffzustromverteilung, der Luftströmungsgeschwindigkeit, der Wassereinspritzrate, der Wärmefreisetzungsrate, dem Brennkammergleichgewicht, der Temperatur, usw. korreliert werden. Darüber hinaus können die Absorptionssignale als Rückführung zum Einsatz in einem Verbrennungsregelungssystem genutzt werden. Untenstehende Tabelle 1 listet einige der exemplarischen nachweisbaren Abgasspezies und die zugehörigen Absorptionswellenlängen bei Umgebungstemperatur auf. Tabelle 1.

Nachweisbare Abgasspezies	Wellenlänge (Mikron)	Wellenzahl (cm^–1)
CO₂	4,42	2262
CO₂, N₂O	4,48	2232
CO₂, CO	4,86	2058
CO₂, CO	4,87	2053
NO, H₂O	5,25	1905
NO	5,45	1835
NO₂	6,13	1631
NO₂, NH₃	6,29	1590
SO₂, H₂S, CH₄	7,43	1346
N₂O, CH₄, H₂S	7,62	1312
H₂O, CH₄, N₂O, C₂H₂, H₂S	7,85	1274
H₂O, CH₄, N₂O, C₂H₂, H₂S	7,87	1271
NH₃	10,09	991

Vielfältige Optionen und Konstruktionen von Sensoren für Anwendungen zur Regelung/Steuerung der Verbrennung gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
1 veranschaulicht gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung ein exemplarisches Emissionsregelungssystem 100, das dazu dient, Emissionsparameter zu erfassen und zu steuern, die vielfältigen Komponenten einer Gasturbine 102, 104, 106 zugeordnet sind. Gemäß gewissen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Brennkammer 104 über einen Verdichter 102 Luft 128 aufnehmen. Die Brennkammer 104 kann außerdem Brennstoff 126 aufnehmen und kann die Luft 128 und den Brennstoff 126 in der Brennkammer 104 zusammenführen und entzünden, um Flammen und einen Hochdruckbereich hervorzubringen, der genutzt werden kann, um eine Turbine 106 in Drehung zu versetzen. Emissionen oder Abgase 108, die die Turbine 106 verlassen, können über einen Abgaskanal 110 zu einem Abzugschacht 112 verzweigt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können eine oder mehrere Lichtquellen 114 und eine oder mehrere Komponenten von Detektoren 122 in der Nähe des Abgaskanals 110 angeordnet oder angebracht sein. In einem Ausführungsbeispiel kann von der Lichtquelle 114 stammendes Licht einen optischen transparenten Eingangskanal 116 durchqueren und mit dem Abgas 108 in dem Abgaskanal 110 wechselwirken. Das mit dem Abgas wechselwirkende Licht 118 kann den Abgaskanal 110 über einen optisch transparenten Ausgangskanal 120 verlassen. Der Teil des Lichts 118, der mit dem Abgas wechselwirkt, kann aufgrund der wellenlängenspezifischen Absorption des Lichts 118 durch in dem Abgas 108 vorhandene Emissionsspezies eine spektrale Schwächung erfahren. Das aus dem Abgaskanal 110 austretende Licht kann auf einen optischen Detektor 122 einfallen, und das sich ergebende Detektorsignal 123 kann durch eine Steuereinrichtung 124 genutzt werden, um Brennstoff 126, Luft 128, Brennkammergleichgewicht und/oder eine beliebige Anzahl von Variablen, die der Turbine 106 zugeordnet sind, zu regeln/steuern.
1 veranschaulicht zwei exemplarische Anordnungen und Ausführungsbeispiele des optischen Abfragesystems, das die Lichtquelle 114, den Eingangskanal 116, den Ausgangskanal 120 und den optischen Detektor 122 enthält. Ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht das im Bereich des Abgaskanals 110 angeordnete Abfragesystem, und ein Ausführungsbeispiel veranschaulicht das im Bereich des Abgasschachts 112 angeordnete Abfragesystem. Gemäß speziellen Ausführungsbeispielen der Erfindung können ein oder mehrere derartige Systeme an einer beliebigen geeigneten Stelle in dem Brennkammerabgassystem angeordnet sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Lichtquelle 114 Licht erzeugen, um den Auslass abzufragen. Das erzeugte Licht kann über eine Anzahl von zugeordneten optischen Komponenten einen inneren Bereich des Abgaskanals 110 durchlaufen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das durch die Lichtquelle 114 erzeugte Licht in einen Wellenleiter, beispielsweise in eine optische Faser, eingekoppelt werden, um ein Verzweigen zu einem geeigneten Eintrittsbereich an dem Abgaskanal 110 zu erleichtern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das aus dem Wellenleiter oder der optischen Faser austretende Licht eine Streuung erfahren und einen divergierenden optischen Strahl hervorbringen, der durch eine Linse oder einen konkaven Spiegel kollimiert werden kann, um einen kollimierten optischen Strahl zu erzeugen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann sich das durch die Lichtquelle erzeugte Licht (insbesondere, falls es bereits durch die Lichtquelle kollimiert ist) durch den freien Raum fortbewegen und unmittelbar oder über Reflektorspiegel oder zwischengeschaltete optische Elemente den Eingangskanal 116 erreichen. In dem Körper des Abgaskanals 110 können der Eingangskanal 116 und ein Ausgangskanal 120 ausgebildet sein, um es der optischen Energie zu erlauben, wenigstens einen Teil des Abgaskanals 110 zu durchqueren und mit dem Abgas 108 wechselzuwirken. Der Eingangskanal 116 und der Ausgangskanal 120 können aus einem gegen hohe Temperaturen beständigen, optisch transparenten Material hergestellt sein, beispielsweise aus Quarz, Saphir oder sonstigen geeigneten Materialien, die geringen Verlust verursachen und eine geeignete Übertragungsbandbreite für die interessierende Wellenlängen aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung können zwei oder mehr optische Kanäle 116, 120 an vielfältigen Stellen an dem Abgaskanal 110 oder Abzugschacht 112 positioniert werden, um an unterschiedlichen Punkten entlang des Abgaspfads Emissionsspezies zu erfassen. Gemäß Ausführungsbeispielen kann der Teil des Lichts 118, der sich in dem Abgaskanal 110 ausbreitet, mit Emissionsspezies wechselwirken, und kann aufgrund der über den Pfad gemittelten Wechselwirkung mit den Spezies eine wellenlängenspezifische spektrale Schwächung erfahren, die mit der Konzentration der speziellen Emissionsspezies korrelieren kann, die in dem Abgas 108 vorhanden sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das spektral abgeschwächte Licht, das den Abgaskanal durch den Ausgangskanal 120 verlässt, eine Linse oder einen konkaven Spiegel durchqueren, um einen konvergierenden optischen Strahl hervorzubringen, um diesen mittels eines oder mehrerer Detektoren 122 zu erfassen. Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der (die) optische(n) Detektor(en) 122 mit Blick auf eine Antwort innerhalb gewisser interessierender Wellenlängenspektralfenster ausgewählt sein. Beispielsweise kann ein Silizium-(Si)-Fotodetektor genutzt werden, um die Emission zu überwachen, die von chemischen Stoffen in dem Spektralbereich von etwa 0,4 μm bis ungefähr 1,0 Mikrometer ausgeht. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können Indiumgalliumarsenid-(InGaAs)-Fotodioden mit Blick auf ein Messen infraroter Wellenlängen in dem Spektralbereich von etwa 1,0 Mikrometer bis ungefähr 1,7 μm ausgewählt sein. Detektorsysteme, die Material auf der Basis von Indiumgalliumarsenid/Aluminiumindiumarsenid (InGaAs/AlInAs) oder Galliumarsenid-/Aluminiumgalliumarsenid (GaAs/AlGaAs) verwenden, können verwendet werden, um Wellenlängen in dem Spektralbereich von etwa 3,5 bis 24 μm zu erfassen. Die durch die Detektoren 122 erfassten optischen Signale können durch die Detektoren 122 in elektronische Detektorsignale 123 umgewandelt werden, die durch die Steuereinrichtung 124 weiter verarbeitet (gefiltert, verstärkt, usw.) werden können. Die Detektorsignale 123 können durch die Steuereinrichtung 124 genutzt werden, um Brennkammerparameter (Luft/Brennstoff-Verhältnisse, Brennstoffverteilung, Massendurchsatz, akustische Impedanz von Brennstoffdüsen, Luftstromverteilung, usw.) dynamisch anzupassen, um die der Brennkammer 104 zugeordneten Verbrennungs- und Emissionsparameter zu optimieren.
Gemäß gewissen Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 114 einen oder mehrere QC-(Quantenkaskaden)-Laser enthalten. Die QC-Laser können hinsichtlich der Wellenlänge unveränderlich oder abstimmbar sein. Die QC-Laser können für Absorptionsmessungen des Abgases 108 über ein spezielles Wellenlängenspektrum hinweg eine Ausgabe mit abstimmbaren oder gechirpten Wellenlängen hervorbringen. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen kann die Lichtquelle 114 einen oder mehrere Laser mit vertikalem Resonator enthalten. Die Laser mit vertikalem Resonator können hinsichtlich der Wellenlänge unveränderlich oder abstimmbar sein und können spezielle Wellenlängen überwachen, oder sie können für Absorptionsmessungen über ein Wellenlängenspektrum hinweg eine Ausgabe mit abstimmbaren Wellenlängen aufweisen. Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann (können) die Lichtquelle(n) 114 einen oder mehrere Interbandkaskadenlaser enthalten, die hinsichtlich der Wellenlänge unveränderlich oder abstimmbar sein können. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle 114 Mehrfachlaser oder mehrere Spektrallinien aufweisende Laser beinhalten. In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle 114 eine abstimmbare Laserdiode enthalten. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle 114 eine breitbandige Lichtquelle, beispielsweise eine verstärkte stimulierte Emissions-(ASE, Amplified Stimulated Emission)-Quelle, eine Superkontinuumquelle oder eine Superluminiszenz-Leuchtdiode (SLED, Super Luminescent Light Emitting Diode) enthalten.
Die Einzelheiten der Konstruktion des Messsystems zum Abfragen der Emissionsspezies des Abgases 108 kann von den interessierenden chemischen Stoffen abhängen und kann hinsichtlich der Komplexität Bereiche von einer Einzellinenlaserlichtquelle 114, die einen einzigen Detektor 122 aufweist, bis zu einem abstimmbaren Laser oder einer ASE-Quelle aufweisen. Zusätzliche optische Komponenten können verwendet werden, um eine Auflösung und Messung von Spektralbereichen zu ermöglichen. Gemäß gewissen Ausführungsbeispielen, und wie es oben erwähnt ist, kann ein (schmalbandiger) Laser mit einer einzigen Wellenlänge bzw. eine Laserdiode als die Lichtquelle 114 genutzt werden. Die von dem Laser ausgegebene schmalbandige Emission kann mit einem Absorptionsband einer interessierenden chemischen Emissionsspezies abgeglichen werden. Beispielsweise kann die ausgegebene Laserwellenlänge mit speziellen Emissionsspezies und erfassbaren Absorptionswellenlängen abgeglichen werden, wovon Beispiele in Tafel 1 wiedergegeben sind. Durch einen Abgleich der Wellenlänge der Lichtquelle 114 mit einer oder mehreren dieser Absorptionswellenlängen und durch Auswählen eines geeigneten optischen Detektors 122 kann ein Verhältnis der eingegebenen zu der ausgegebenen optischen Energie gemessen und mit der relativen Konzentration der interessierenden Emissionsspezies korreliert werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Lichtquelle 114 eine Ausgabe mit einer abstimmbaren oder gechirpten Wellenlänge hervorbringen und kann die Messung von Abgasabsorptionskurven über ein Spektrum von Wellenlängen hinweg ermöglichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können mehrere Laserlichtquellen, z. B. 114, und mehrere entsprechende Detektoren, z. B. 122, genutzt werden, um mehrere Verbrennungsspezies gleichzeitig zu messen, oder um eine einzelne Verbrennungsspezies zu erfassen. In einem Ausführungsbeispiel können eine oder mehrere Lichtquellen, z. B. 122, in eine oder mehrere Eingangskanäle 116 eingekoppelt werden, können ko-linear verlaufende (oder ungefähr parallele), jedoch räumlich getrennte optische Pfade nutzen, können einen gemeinsamen Ausgangskanal 120 verlassen und können dank der optischen Pfadtrennung oder Einkopplungswinkel mit entsprechenden optischen Detektoren 122 erfasst werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die mehreren Lichtquellen einzelnen Pfaden folgen und können eine spezifizierte Optik (Linsen, Spiegel, Eingangs- und Ausgangskanäle, Detektoren, usw.) nutzen.
Die sich ergebenden erfassten Signale 123 können ein Absorptionsspektrum von Emissionsspezies in dem Abgaskanal 110 repräsentieren. Die gemessenen Absorptionsspektren können anschließend zu den relativen Konzentrationen der interessierenden Emissionsspezies in Beziehung gesetzt werden und können zum Regeln/Steuern der Parameter der Brennkammer 104, z. B. der Mischungen von Brennstoff 126 und Luft 128 und/oder von Strömungsraten genutzt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein (vor dem Erreichen des Detektors durchgeführtes) Filtern des Lichts die Anordnung des Detektors 122 vereinfachen und kann dazu dienen, ein Übersprechen (durch Streuung, usw.) von mehreren Lichtquellen 114 zu eliminieren. Ein Anordnen eines Filters über dem Detektor 122 kann außerdem unerwünschtes Streu- oder Umgebungslicht reduzieren. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können viele Kombinationen und Abweichungen der oben erwähnten Ausführungsbeispiele verwendet werden.
1 zeigt einen Block, der die Steuereinrichtung 124 darstellt, die Detektorelektronik und das Verbrennungsteuerungssystem enthalten kann. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die in der Steuereinrichtung 124 angeordnete Detektorelektronik in der Lage sein, die von dem (den) optischen Detektor(en) 122 stammenden Detektorsignale 123 konditionieren, verstärken, filtern und verarbeiten. Die resultierenden Signale können über die Steuereinrichtung 124 als ein Steuersignal für das Verbrennungsteuerungssystem 124 verwendet werden. Beispielsweise kann die gemessene Konzentration von NO₂ oder das gemessene Verhältnis von NO_x zu H₂O gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Rückführung in der Steuereinrichtung 124 genutzt werden und kann eine Steuerung bereitstellen, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis oder die Strömungsrate zu steuern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Steuereinrichtung 124 einen adaptiven Algorithmus und ein zugeordnetes Modell nutzen, das durch die Detektorsignale 123 abgestimmt werden kann, die durch den (die) optischen Detektor(en) 122 erzeugt sind. Der adaptive Algorithmus kann mittels Detektorsignalen 123 eine Regelung von Emissionsregelungsparametern durchführen, um die Modellberechnungen auf einer halbkontinuierlichen Grundlage anzupassen.
2 veranschaulicht eine exemplarische optisches Abfragesonde 204 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel können der Eingangskanal 116 und der Ausgangskanal 120 derselbe physikalische Kanal sein und können auf einer einzelne Öffnung in der Seitenwand des Abgaskanals 110 basieren, um ein Einführen der Sonde in den Abgaskanal 110 zu ermöglichen, um den Strom des Abgases 108 zu messen. Gemäß einem gewissen Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 114 und der Detektor 122 auf derselben Seite wie der Kanal befestigt sein, oder, wie in 2 dargestellt, in einem gemeinsamen Gehäuse 202 untergebracht sein. Das durch die Lichtquelle 114 erzeugte einfallende Licht 208 kann sich in Richtung des Endes der Sonde 204 bewegen und kann durch einen Spiegel 206 reflektiert werden, und das reflektierte Licht 210 kann zu dem Gehäuse 202 zurückkehren, wo es auf einen Detektor 122 einfallen kann. In diesem Ausführungsbeispiel kann die Sonde 204 ein Öffnung aufweisen, um es dem Abgas 108 zu gestatten, mit dem einfallenden 208 und dem reflektierten 210 Licht wechselzuwirken. Dieses Ausführungsbeispiel kann den Bedarf nach einem gesonderten Detektor 122 an der gegenüberliegenden Seite des Abgaskanals 110 ganz oder teilweise minimieren, und es kann außerdem den Bedarf nach einer fluchtenden Ausrichtung ganz oder teilweise minimieren, da sich die Optik, zu der die Lichtquelle 114, der Spiegel 206 und der Detektor 122 gehören, vor dem Einbau in der Sonde 204 vorjustieren lässt. In einem weiteren speziellen Ausführungsbeispiel kann anstelle des Spiegels 206 in der Nähe des Endes der Sonde 204 ein Detektor 122 angebracht sein. Durch die Lichtquelle 114 erzeugtes einfallendes Licht 208 kann sich in Richtung des Endes der Sonde 204 bewegen, während es mit dem Abgas 108 in Wechselwirkung tritt, und kann am Ende der Sonde auf den Detektor 122 einfallen.
Ein exemplarisches Verfahren 300 zum Messen von Abgasemissionsspezies und zum Regeln/Steuern einer Verbrennungscharakteristik basierend auf den Messwerten wird nun mit Bezug auf das Flussdiagramm von 3 beschrieben. Das Verfahren beginnt in Block 302. In Block 304, und gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, kann eine Lichtquelle 114 vorgesehen sein. Mindestens ein optischer Pfad kann in dem Körper des Abgaskanals 110 oder des Abgasschachts 112 benachbart zu einem interessierenden Bereich ausgebildet sein, um von der Lichtquelle 114 ausgehendem Licht 118 zu ermöglichen, das Abgas 108 zu durchqueren und mit diesem wechselzuwirken, um die in dem Abgas 108 vorhandenen Emissionsspezies mittels optischer Absorption zu überwachen.
In dem optionalen Block 306, und gemäß einem Ausführungsbeispiel, kann, falls erforderlich, ein zu dem Eingangskanal 116 benachbart angeordneter Kollimator vorgesehen sein, um jede Strahlstreuung des von der Lichtquelle 114 stammenden Lichts zu korrigieren, und um den Strahl 118 zu kollimieren. Benachbart zu dem Ausgangskanal 120 (der physikalisch mit dem Eingangskanal 116 zusammenfallen kann) kann eine Fokussierungseinrichtung vorgesehen sein, um das modifizierte Licht nach der in dem Abgaskanal 110 oder in dem Abzugschacht 112 erfolgten Wechselwirkung mit Abgas 108 zu konzentrieren. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Fokussierungseinrichtung eine Linse oder ein konkaver Spiegel sein. In Block 308 kann ein Abschlussfotodetektor 122 vorgesehen sein, der benachbart zu dem Ausgangskanal 120 angeordnet ist und in der Lage sein kann, das modifizierte Licht nach der Wechselwirkung mit Abgas 108 in dem Abgaskanal 110 oder Abzugschacht 112 aufzunehmen.
In Block 310, und gemäß einem Ausführungsbeispiel, kann ein Absorptionssignal gewonnen werden, indem Licht durch den optischen Pfad in dem Abgaskanal 110 oder Abzugschacht 112 gelenkt wird, und indem das in Abhängigkeit von der Wellenlänge und/oder der Zeit veränderliche Absorptionssignal an einem oder mehreren Abschlussfotodetektoren 122 gemessen wird. In Block 312 kann das Messsignal, und speziell das Absorptionssignal, genutzt werden, um anhand des gemessenen Abgases 108 von dem Absorptionsspektrum abhängige und/oder zeitlich veränderliche Daten zu extrahieren. In Block 314 können die extrahierten von dem Absorptionsspektren abhängigen und/oder zeitlich veränderlichen Messdaten verwendet werden, um die Verbrennungscharakteristik der Brennkammer 104 mittels der Steuereinrichtung 124 zu regeln/steuern und zu optimieren. Die extrahierten Emissionsparameter können in einem Rückführungsregelkreis genutzt werden, um das Brennstoff/Luft-Verhältnis die Strömungsraten, die Aufteilung des Brennstoffs auf die Brenner, usw. anzupassen. Das Verfahren 300 endet in Block 316.
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 hierin 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 zum Steuern von Verbrennungsemissionsparametern beinhalten, die einer Gasturbinenbrennkammer 104 zugeordnet sind. Das Verfahren kann die Schritte beinhalten: Bereitstellen eines durch einen Abgaskanal 110 einer Gasturbine 106 führenden optischen Pfades; Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades; Messen der Absorption des Lichts durch Spezies eines Abgases 108 im Innern des Abgaskanals 110 der Gasturbine 106; und Steuern wenigstens eines der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption durch Spezies des Abgases 108.
Bezugszeichenliste

100: Emissionsregelungsystem
102: Verdichter
104: Brennkammer
106: Turbine
108: Abgas
110: Abgaskanal
112: Abgasschacht
114: Lichtquelle(n)
116: Eingangskanal
118: Mit dem Abgas wechselwirkender Teil des Lichts
120: Ausgangskanal
122: Photodetektor(en)
123: Detektorsignal
124: Steuereinrichtung
126: Brennstoff
128: Luft
202: Gehäuse
204: Optische Abfragesonde
206: Spiegel
208: Einfallendes Licht
210: Reflektiertes Licht

Claims

Verfahren zum Beeinflussen von Verbrennungsemissionsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (104) zugeordnet sind, wobei das Verfahren beinhaltet: Bereitstellen eines durch einen Gasturbinenabgaskanal (110) führenden optischen Pfades; Ausbreiten von Licht entlang des optischen Pfades; Messen einer durch Spezies eines Abgases (108) verursachten Absorption des Lichts im Innern des Gasturbinenabgaskanals (110); und Beeinflussen wenigstens eines der Verbrennungsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage der gemessenen Absorption durch Spezies des Abgases (108).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen eines optischen Pfades beinhaltet, wenigstens einen optischen Eingabekanal (116), einen optischen Ausgabekanal (120) und wenigstens einen Photodetektor (122) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbreitens von Licht entlang des optischen Pfades beinhaltet, eine oder mehrere Quantenkaskadenlaserlichtquellen (114) bereitzustellen und Licht von den Lichtquellen (114) entlang des optischen Pfades zu lenken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbreitens von Licht entlang des optischen Pfades beinhaltet, für jede gemessene Spezies des Abgases (108) einen oder mehrere Quantenkaskadenlaser bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbreitens von Licht entlang des optischen Pfades beinhaltet, schmalbandige optische Strahlung zur Messung von Absorption durch Spezies des Abgases (108) auszubreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Ausbreitens von Licht entlang des optischen Pfades beinhaltet, Licht (118) in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 3,5 μm bis ungefähr 24 μm auszubreiten, um eine im mittleren Infrarotbereich liegende Absorption der Spezies des Abgases (108) zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungsparameter mindestens einen der folgenden Parameter beinhalten: Brennstoffzustromrate, Brennstoffzustromverteilung, Luftströmungsgeschwindigkeit, Wassereinspritzrate, Brennkammergleichgewicht, oder Luft/Brennstoff-Verhältnis.
System zum Beeinflussen von Verbrennungsemissionsparametern, die einer Gasturbinenbrennkammer (104) zugeordnet sind, wobei das System aufweist: ein oder mehrere Photodetektoren (122), die mit einem durch den Gasturbinenabgaskanal (110) hindurch führenden optischen Pfad in Verbindung stehen; ein oder mehrere Lichtquellen (114), die betätigbar sind, um Licht entlang des optischen Pfades zu dem einen oder den mehreren Photodetektoren (114) auszubreiten; und eine Steuervorrichtung (124), die dazu dient, wenigstens einen der Verbrennungsemissionsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale (123) von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (122) zu steuern.
System nach Anspruch 8, wobei der optische Pfad wenigstens einen optischen Eingabekanal (116) und einen optischen Ausgabekanal (120) aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die eine bzw. mehreren Lichtquellen (114) auf einer schmalbandigen optischen Strahlungsquelle basieren, um die Absorption durch Spezies des Abgases (108) zu messen.
System nach Anspruch 8, wobei die eine bzw. mehreren Lichtquellen (114) wenigstens auf einer der folgenden Lichtquellen basieren: einem Quantenkaskadenlaser, einem Laser mit vertikalem Resonator, einem Interbandkaskadenlaser und/oder einem abstimmbaren Diodenlaser.
System nach Anspruch 8, wobei für jede gemessene Spezies des Abgases (108) wenigstens eine Lichtquelle (114) bereitgestellt ist.
System nach Anspruch 8, wobei die eine bzw. mehreren Lichtquellen (114) Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 3,5 μm bis ungefähr 24 μm hervorbringen, um eine im mittleren Infrarotbereich liegende Absorption der Spezies des Abgases (108) zu messen.
System nach Anspruch 8, wobei das eine oder die mehreren Signale (123) von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (122) wenigstens ein Absorptionssignal einer Spezies des Abgases (108) beinhalten.
Gasturbine (106), zu der gehören: eine Brennkammer (104); ein Abgaskanal (110); ein durch den Abgaskanal (110) führender optischer Pfad; ein oder mehrere Photodetektoren (122), die mit dem optischen Pfad in Verbindung stehen; und ein oder mehrere Lichtquellen (114), die betätigbar sind, um Licht entlang des optischen Pfades zu dem einen oder den mehreren Photodetektoren auszubreiten (122).
Gasturbine (106) nach Anspruch 15, die ferner wenigstens eine Steuervorrichtung (124) aufweist, die dazu dient, einen oder mehrere Verbrennungsemissionsparameter zumindest teilweise auf der Grundlage eines oder mehrerer Signale (123) von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (122) zu steuern.
Gasturbine nach Anspruch 16, wobei das eine oder die mehreren Signale (123) von dem einen oder den mehreren Photodetektoren (122) wenigstens ein Absorptionssignal einer Spezies des Abgases (108) beinhalten.
Gasturbine (106) nach Anspruch 15, wobei die eine bzw. mehreren Lichtquellen (114) wenigstens auf einer der folgenden Lichtquellen basieren: einem Quantenkaskadenlaser, einem Laser mit vertikalem Resonator, einem Interbandkaskadenlaser oder einem abstimmbaren Diodenlaser.
Gasturbine (106) nach Anspruch 15, wobei für jede gemessene Spezies des Abgases (108) wenigstens eine Lichtquelle (114) bereitgestellt ist.
Gasturbine (106) nach Anspruch 15, wobei die eine bzw. mehreren Lichtquellen (114) dazu eingerichtet sind, Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 3,5 μm bis ungefähr 24 μm hervorzubringen, um eine im mittleren Infrarotbereich liegende Absorption der Spezies des Abgases (108) zu messen.