DE102011053267A1

DE102011053267A1 - Heißgastemperaturmessung in einer Gasturbine unter Verwendung von durchstimmbarem Diodenlaser

Info

Publication number: DE102011053267A1
Application number: DE102011053267A
Authority: DE
Inventors: Chayan Mitra; Vivek Venugopal Badami; Scott Mordin Hoyte; Ayan Banerjee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-03-15
Also published as: CN102445283A; JP5916059B2; US20120060510A1; CH703759B1; JP2012057623A; CH703759A2; US8702302B2

Abstract

Ein in einer Gasturbine (10) angeordnetes Verbrennungsgasmessgerät, wobei das Messgerät aufweist: Einen durchstimmbaren Laser (22), der ein durch einen Verbrennungsgasweg in der Gasturbine (110) durchgehende Strahlenbündel (34) erzeugt; eine Steuereinrichtung (20) für den durchstimmbaren Laser und Durchstimmen (100) des Lasers derart, dass er eine Strahlung emittiert, die wenigstens eine ausgewählte erste Wellenlänge und eine ausgewählte zweite Wellenlänge aufweist, welche beide jeweils temperaturabhängigen Übergängen (102) einer Verbrennungsspezies des Gases entsprechen, wobei die erste ausgewählte Wellenlänge und die zweite ausgewählte Wellenlänge nicht nahe Absorptionspeaks benachbarter Wellenlängen (104) liegen; einen Detektor (22), der das durch das Verbrennungsgas durchgehende Strahlenbündel erfasst (100, 112) und ein Absorptionssignal erzeugt, das für die Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeweils der ersten Wellenlänge und der zweiten Länge kennzeichnend ist, und die Steuereinrichtung (20) ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm ausführt, um eine Verbrennungsgastemperatur, basierend auf einem Verhältnis der Absorptionssignale für die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge, zu bestimmen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Bestimmung von Heißgastemperaturen unter Verwendung eines durchstimmbaren Lasers und insbesondere die Bestimmung von Hochdruckverbrennungsgastemperaturen in einer Gasturbine.
Es ist schwierig, die Verbrennungsgastemperatur in einer Turbine genau zu bestimmen. Das Verbrennungsgas ist außerordentlich heiß, korrosiv, turbulent und steht unter hohem Druck. Die Verbrennungsgastemperatur, z. B. die Turbinenbrenntemperatur (TBrenn), wird üblicherweise anhand von Faktoren abgeschätzt, wie Abgas, Temperatur und Druck des vom Verdichter abgegebenen Gases. Diese Abschätzung der Verbrennungsgastemperatur beinhaltet ein gewisses Maß an Unsicherheit. Um diese Unsicherheit zu berücksichtigen, ist die Verbrennungsgastemperatur auf eine Temperatur eingestellt, die niedriger ist als sie erforderlich wäre, wenn die Verbrennungsgastemperatur mit größerer Sicherheit bekannt wäre.
Die Verbrennungsgastemperatur beeinflusst die Leistungsabgabe einer Gasturbine. Die Leistung nimmt mit zunehmender Verbrennungsgastemperatur zu. Beispielsweise kann durch Erhöhen der Verbrennungsgastemperatur (TBrenn) um 10°F die Ausgangsleistung um ein Megawatt (1 MW) bei einer zweihundert Megawatt (200 MW) Gasturbine gesteigert werden. Eine Verringerung des Maßes der Unsicherheit würde es gestatten, die Verbrennungsgastemperatur zu erhöhen und würde eine entsprechende Erhöhung der Ausgangsleistung einer Gasturbine ergeben.
Es wurden schon spektroskopische Messungen, z. B. Lasermessungen vorgeschlagen, um Gastemperaturen in einer Gasturbine genau zu bestimmen. Die internationale Patentanmeldung WO 2007/014960 beschreibt eine Temperaturmessvorrichtung, die die Absorption von Laserlicht bei Wellenlängen misst, die Sauerstoff in einem Verbrennungsgasstrom einer Gasturbine entsprechen. Die US-Patentanmeldung 2008/0289342 beschreibt die Bestimmung von Verbrennungstemperaturen durch Messung der Absorption von Laserlichtwellenlängen, die Sauerstoff in dem Gasstrom einer Gasturbine entsprechen.
Die Laserwellenlängen, bei denen die von dem Verbrennungsgas herrührende Absorption gemessen wird, muss so gewählt sein, dass die Genauigkeit der Berechnung der Gastemperatur optimiert ist. Die Wellenlängen, bei denen die Absorption gemessen wird, werden üblicherweise so ausgewählt, dass sie temperaturabhängigen Übergängen einer Spezies in dem Gas entsprechen. Es gibt mehrere zur Verfügung stehende Wellenlängen, bei denen eine Absorption auftritt, die von temperaturabhängigen Übergängen einer Verbrennungsgasspezies herführen. Benötigt wird ein Verfahren um ein Paar Wellenlängen auszuwählen, bei denen die Laserabsorption zu messen ist, um Absorptionslinienstärkendaten zur genauen Berechnung der Verbrennungsgastemperatur in einer Gasturbine zu erhalten.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es wurden ein System und ein Verfahren zur genauen Messung der Brenntemperatur oder anderer Heißgastemperaturen in einer Gasturbine entwickelt. Ein durchstimmbarer Diodenlaser richtet einen Laserstrahl durch die eine Gasturbine durchströmenden Verbrennungsgase. Strahlungsmesser messen die Strahlungsabsorption, die bei Wellenlängen auftritt, welche einem Paar Wasserdampfoberschwingungsübergänge in dem Nahinfrarotwellenlängenband entsprechen. Die Temperatur des Verbrennungsgases wird basierend auf einem Verhältnis der bei diesen zwei Wellenlängen gemessenen Absorptionen berechnet. Das Wellenlängenpaar ist verhältnismäßig isoliert und hat keine benachbarten starken Absorptionslinien nahegelegener Wellenlängen. Diese Isolation und das Fehlen benachbarter Absorptionsstärkelinien verhütet das ineinander übergehen benachbarter ausgeprägter Absorptionsstärkelinien, das bei hohen Drücken in einer Gasturbine auftritt.
Ein Verbrennungsgasmessgerät ist in einer Gasturbine angeordnet, wobei das Messgerät aufweist: Einen durchstimmbaren Laser, der ein Strahlungsbündel erzeugt, das durch einen Verbrennungsgaspfad in der Gasturbine durchgeht; eine Steuereinrichtung für den durchstimmbaren Laser, wobei der Laser so durchgestimmt wird, dass er eine Strahlung mit einer ersten ausgewählten Wellenlänge und einer zweiten ausgewählten Wellenlänge aussendet, die beide temperaturabhängigen Übergängen einer Verbrennungsspezies des Gases entsprechen, wobei die erste ausgewählte Wellenlänge und die zweite ausgewählte Wellenlänge nicht nahe von Absorptionspeaks benachbarter Wellenlängen liegen; einen Detektor, der das durch das Verbrennungsgas durchgehende Strahlenbündel erfasst und ein Absorptionssignal erzeugt, das die Absorption des Bündels durch das Verbrennungsgas bei sowohl der ersten Wellenlänge als auch der zweiten Länge angibt und einen Prozessor, der ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm ausführt, welches, basierend auf einem Verhältnis der Absorptionssignale für die erste Wellenlänge und für die zweite Wellenlänge, die Verbrennungsgastemperatur berechnet.
In einer Gasturbine ist ein Verbrennungsgasmessgerät angeordnet, wobei das Messgerät aufweist: Einen durchstimmbaren Diodenlaser, der ein Laserstrahlenbündel emittiert, das durch einen Verbrennungsgaspfad in der Gasturbine durchgeht; eine Steuereinrichtung für den durchstimmbaren Diodenlaser, der so abgestimmt ist, dass er ein erstes Laserstrahlbündel mit einer Wellenlänge von 1334 Nanometer (nm) und ein zweites Laserstrahlbündel mit einer Wellenlänge von 1380 nm oder 1391 nm emittiert; einen Lasersensor, der jedes der durch das Verbrennungsgas durchgehenden Strahlungsbündel erfasst und ein Absorptionssignal erzeugt, das die Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeder der Wellenlängen angibt und einen Prozessor, der ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm ausführt zur Bestimmung der Verbrennungsgastemperatur, basierend auf einem Verhältnis der Absorptionssignale bei dem ersten Laserstrahlbündel und dem zweiten Laserstrahlbündel.
Ein Verfahren dient zur Berechnung der Verbrennungsgastemperatur in einer Hochdruckumgebung, wobei das Verfahren aufweist: Identifizieren ausgeprägter Absorptionen, die temperaturabhängigen Übergängen von Gasspezien in dem Verbrennungsgas zugeordnet sind; Identifizieren der ausgeprägten Absorptionen, die einem temperaturabhängigen Übergang von Verbrennungsgasspezien des Verbrennungsgases zugeordnet sind; Auswählen einer ersten und einer zweiten Linie der ausgeprägten Absorptionsstärkelinien, die als den Verbrennungsgasarten zugeordnet identifiziert worden sind, wobei die beiden ausgewählten ausgeprägten Absorptionsstärkelinien keine benachbarten Absorptionsstärkelinien aufweisen; Identifizieren einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge, die jeweils der ersten bzw. der zweiten ausgeprägten Linie zugeordnet sind; Projizieren eines Laserstrahlbündels durch einen Verbrennungsgaspfad bei jeder der identifizierten ersten und zweiten Wellenlänge und Sammeln von Daten bezüglich der Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeder der identifizierten ersten und zweiten Wellenlänge und Berechnung einer Verbrennungsgastemperatur unter Verwendung der gesammelten Daten.
Kurzbeschreibung der Zeichnung:
1 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer Gasturbine;
2 ist eine Querschnittsdarstellung der Verbindung zwischen der Brennkammer und der Turbine der in 1 dargestellten Gasturbine;
Die 3 und 4 sind Diagramme zur Veranschaulichung der Laserstrahlabsorption durch Verbrennungsgas über einen Strahlungsfrequenzbereich von 7200/cm bis 7207/cm;
Die 5, 6 sind beispielhafte Diagramme zur Veranschaulichung der Linienstärke bei einer Laserabsorption durch Verbrennungsgase bei verschiedenen Wellenlängen;
Die 7, 8 sind beispielhafte Diagramme zur Veranschaulichung der Linienstärke bei Laserabsorption durch Verbrennungsgase bei verschiedenen Wellenlängen.
9, 10, sind Flussdiagramme zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Bestimmung der Verbrennungstemperatur unter Verwendung eines durchstimmbaren Diodenlasers.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 ist eine schematische Darstellung einer industriellen Gasturbinenmaschine 10 mit einem Verdichter 12, einer Brennkammer 14 mit Brennrohren 16 und einer Turbine 18. Luft tritt in den Axialverdichter ein, der die Luft verdichtet und in eine ringförmige Anordnung von Brennrohren 16 abgibt, die die Brennkammer bilden. Die Luft/Brennstoffmischung wird in den Brennrohren gezündet. Durch die Verbrennung entstehende heiße Gase strömen in die Turbine 18 ein. Die heißen Verbrennungsgase 15 treten in die Turbine 18 ein und strömen über eine ringförmige Anordnung von Leitschaufeln der ersten Stufe und eine ringförmige Anordnungen von Turbinenlaufschaufeln der ersten Stufe. Der Strom heißer Verbrennungsgase, der über die Reihen ringförmiger Anordnung von Turbinenlaufschaufeln strömt, setzt die Turbinenlaufschaufeln und die diesen zugeordnete Welle in Umdrehung, die auch mit dem Verdichter verbunden ist. Der Antrieb des Verdichters durch die Turbine bewirkt, dass der Verdichter die Luft für die Brennkammer verdichtet.
Die Temperatur der in die Turbine eintretenden heißen Verbrennungsgase wird üblicherweise als Brenntemperatur (TBrenn) bezeichnet. Die Brenntemperatur kann als die Gastemperatur definiert werden, bei der die Turbinenarbeit beginnt, in dem Verbrennungsgasströmungspfad etwa an der hinteren Kante der ersten Leitschaufeln und der vorderen Kante der ersten Turbinenlaufschaufeln.
Eine Steuereinrichtung 20, z. B. ein Computer mit einem nichtflüchtigen Speichermedium und einem Prozessor empfängt Wellenlängenabsorptionsdaten von einer Laser- und Sensoranordnung 22, die zur Berechnung einer Verbrennungsgastemperatur benutzt wird. Die Steuereinrichtung verwendet die berechnete Verbrennungsgastemperatur zur Steuerung der Gasturbine etwa durch Anpassen der Brennstoffsteuerung 23 und der Einlassleitschaufeln in den Kompressor 12. Die Steuereinrichtung gibt außerdem unter Verwendung der berechneten Verbrennungsgastemperatur Daten bezüglich des Betriebsverhaltens der Gasturbine ab.
2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines vergrößerten Abschnitts der Gasturbine 10, der dem Einlass in die Turbine 16 entspricht, welcher nahe der hinteren Kante der ersten Reihe Leitschaufeln und der vorderen Kante der ersten Reihe Turbinenlaufschaufeln liegt. Das Gehäuse 24 der Gasturbine 10 weist Zugänge 26 auf, die üblicherweise zum Einführen von Endoskopen benutzt werden, um innen liegende Komponenten, beispielsweise Laufschaufeln und Leitschaufeln der Gasturbine zu inspizieren.
Die Zugänge 26 geben der Laser- und Lasersensoranordnung 22 Zutritt, die die von der Brennkammer zu und durch die Turbine strömenden Verbrennungsgase überwacht. Die Laser- und Sensoranordnung 22 ist auf oder in dem Gehäuse 24 der Gasturbine montiert und erstreckt sich durch einen bohrungsförmigen Zugang 26. Ein Schaft 28 der Laser- und Sensoranordnung 22 erstreckt sich durch einen der Zugänge 26 an dem Gehäuse und bis zu dem Außenumfang des Gasströmungspfades 30.
In dem Schaft 28 sind Lichtwege, zum Beispiel Faseroptik oder elektrische Drähte angeordnet, um Laserlicht oder elektrische Signale zwischen der inneren Spitze 32 des Schafts und elektronischen Steuer- und Erfassungsschaltungen zu übertragen, die der Laser- und Sensoranordnung 22 zugeordnet sind. Die Spitze 32 kann eine Laserdiode und einen Diodensensor enthalten, die jeweils beide an elektrische Leitungen angeschlossen sind. Die Laserdiode projiziert ein Strahlungsbündel 34, das durch den Verbrennungsgasströmungspfad 30 durchgeht. Der Diodensensor empfängt das Strahlenbündel 34 nach dem Durchgang durch den Gasströmungspfad und erzeugt ein Signal, das die Stärke, d. h. Intensität des Strahlenbündels angibt.
Die Spitze 32 kann auf einen engen Spalt zwischen der ersten Leitschaufel 38 und der ersten Turbinenlaufschaufel 40 ausgerichtet sein und am Außenumfang des Strömungspfades 30 durch diesen Spalt liegen. Laserlicht 34 wird radial einwärts durch den Strömungspfad projiziert und an einer radial innen liegenden Fläche, die an den Strömungspfad angrenzt, zu einem Strahlungsdetektor reflektiert, z. B. einem optischen Sensor oder einer Faseroptik an der Spitze 32. Das Laserlicht 34 kann auch von der Welle der Turbine reflektiert sein.
Anstelle des Reflektierens des Laserlichtes können auch zwei Schäfte 28 an verschiedenen Endoskopzugängen 26 eingeführt werden, die auf dem Gehäuse 24 der Gasturbine axial aufeinander ausgerichtet und so positioniert sind, dass die Spitze 32 jedes Schaftes auf einer Fluchtungslinie liegt, die sich durch den Gaspfad erstreckt. Laserlicht 34 wird von einer ersten Spitze aus projiziert, während ein Lichtdetektor oder eine Lichtfangvorrichtung, z. B. eine Faseroptik in der anderen Spitze vorgesehen ist. Außerdem können sich auch mehrere Schäfte (oder Schaftpaare) durch verschiedene Endoskopzugänge oder andere Öffnungen in dem Gehäuse der Gasturbine erstrecken, um die Gastemperatur an verschiedenen Orten in dem Gasströmungspfad zu überwachen.
Eine durchstimmbare Diodenlaser- und Sensoranordnung 22 kann ein gebräuchliches System sein, das eine Laserlichtquelle mit einer durchstimmbaren Diode, eine Optik zur Übertragung, beispielsweise Strahlformung, eine Laserstrahlbündelempfangsoptik und einen oder mehrere Detektoren, etwa eine Fotodiode aufweist. Die Laserdiode wird durch elektronische Schaltungen und ein der Anordnung 22 zugeordnetes Computersteuergerät so durchgestimmt, dass die Strahlungsemissionswellenlänge des Lasers über Wellenlängen variiert wird, die für die Absorptionswellenlängen bestimmter Verbrennungsgasanteile (Spezien) des Verbrennungsgases, wie Wasserdampf, charakteristisch sind.
Die Absorption der Strahlungsemission von dem Laser verringert die Intensität des Laserstrahlbündels und diese Intensitätsverringerung wird von dem Detektor gemessen. Der Detektor erzeugt ein Linienstärkensignal, das den Betrag der Absorption der Strahlung bei der von dem Laser emittierten Wellenlänge angibt. Das Linienstärkensignal wird an einen Computer 20 oder eine andere Verarbeitungseinheit abgegeben, die das Signal zur Bestimmung der Verbrennungsgastemperatur benutzt. Der Computer 20 kann von dem Computer, der den Laser in der Laseranordnung 22 durchstimmt, getrennt oder mit diesem kombiniert sein.
Ein durchstimmbarer Diodenlaser ist ein Laser, bei dem die Frequenz der abgegebenen Strahlung über einen Teil oder über die Gesamtheit des ultravioletten, des sichtbaren und des Infrarotgebietes des Spektrums durchgestimmt werden kann. Der durchstimmbare Diodenlaser kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Bereichs über den die Durchstimmung erfolgen soll, ausgewählt werden. Typische Beispiele für Diodenlaser sind InGaAsP/InP (durchstimmbar von 900 nm bis 1,6 μm), und InGaAsP/InAsP (durchstimmbar von 1,6 μm bis 2,2 μm). Diodenlaser können dadurch durchgestimmt werden, dass ihre Temperatur oder die Injektionsstromdichte abgestimmt werden, die in das Verstärkungsmedium des Lasers injiziert wird.
Der Lichtsensor bzw. Lichtsensoren der Laser- und Sensoranordnung 22 misst die Strahlungsabsorption bei den verschiedenen Wellenlängen, die je nach der Durchstimmung des Lasers emittiert werden, unter Verwendung gebräuchlicher Absorptionsspektroskopietechniken. Beim Durchgang der Laserstrahlung, z. B. des Lichts, durch das Verbrennungsgas absorbieren die Verbrennungsspezien in dem Gas bestimmte Wellenlängen der Strahlung. Außerdem beeinflusst die Temperatur des Gases das Maß der auftretenden Absorption.
Das Messen der Laserstrahlenabsorption bei ausgewählten Wellenlängen liefert Daten, die für die Berechnung der Temperatur des Verbrennungsgases brauchbar sind. Insbesondere kann die Temperatur eines Gases aus dem Verhältnis der Laserstrahlabsorption abgeleitet werden, die bei zwei Wellenlängen gemessen ist, von denen jede einen temperaturabhängigen Übergang einer Komponente (Spezies) des Gases entspricht.
Die ausgewählten Wellenlängen der Laserstrahlung entsprechen Wellenlängen von Wasserdampfübergängen, die in dem Verbrennungsgas auftreten. Die Linienstärken werden bei diesen zwei ausgewählten Wellenlängen anhand der durch das die Gasturbine durchströmende, verdichtete Verbrennungsgas durchgehenden Laserstrahlung gemessen. Die Absorptionslinienstärken werden bei den beiden ausgewählten Wellenlängen im Wesentlichen gleichzeitig gemessen, weil die Laserdiode so durchgestimmt wird, dass sie alternativ bei jeder der ausgewählten Wellenlängen strahlt.
Das Verhältnis der beiden Absorptionslinienstärken wird gebräuchlicherweise dazu verwendet, die Temperatur des Verbrennungsgases zu berechnen. Abstimmbare Diodenlaserabsorptionsspektroskopietechniken (TDLAS) können dazu verwendet werden, die Absorptionslinienstärken zu messen und die Verbrennungsgastemperatur zu berechnen. Die Wellenlängen werden speziell so ausgewählt, dass sie zwei Wasserdampfoberschwingungsübergängen in dem Nahinfrarotband entsprechen. Die Temperatur des Verbrennungsgases kann berechnet werden basierend auf einem Verhältnis der gemessenen Absorption der Wellenlängen, welche den beiden Wasserdampfoberschwingungsübergängen entsprechen.
Die Wellenlängen, bei denen die Absorption gemessen wird, um die Verbrennungsgastemperatur zu bestimmen, sind so ausgewählt, dass sie der Absorption durch Wasserdampf entsprechen und keine nahegelegenen Wellenlängen aufweisen, bei denen Absorptionspeaks auftreten. Die Wahl von Wellenlängen, die von anderen Wellenlängen mit einem Absorptionspeak entfernt sind, stellt sicher, dass die ausgewählte Wellenlänge sich nicht bei steigendem Gasdruck mit einem benachbarten Absorptionspeak vereinigt.
Beim Einsatz in Brennkraftmaschinen, wie Gasturbinen, kompliziert eine variable Druckverbreiterung (Kollisionsverbreiterung) die Absorptionsmessung und führt ein variierendes Maß an Überlappung von Absorptionsübergängen mit benachbarten Übergängen ein. Die Kollisionsverbreiterung eines typischen Wasserdampfes γ_Luft ist etwa 0,05 cm–1; Atmosphäre bei 300°K. Wenn die betrachtete Laserwellenlänge einen benachbarten Übergang innerhalb 2,5 cm–1 hat, ergibt sich eine beträchtliche Überlappung bei den hohen Verbrennungsdrücken in einer Brennkraftmaschine. Das Maß der Überlappung (Interferenz) hängt von den jeweiligen Linienstärken während der Leistung/Zeitzyklen der Maschine ab. Der einfachste Linienauswahlvorgang würde lediglich Linien behalten, die innerhalb 2,5 cm–1 keine nächsten Nachbarn haben.
Die 3, 4 sind Diagramme, die eine Laserstrahlungsabsorption durch ein Verbrennungsgas über einen Wellenlängenbereich mit Strahlungsfrequenzen von 7200/cm bis 7207/cm veranschaulichen. Wie in 3 dargestellt, tritt eine starke Absorptionslinie (Peak) bei 2704/cm auf (entsprechend einer Wellenlänge von 1388 Nanometer (nm)), wobei eine schwächere Linie bei 7205/cm auftritt, wenn der Gasdruck bei 10 Atmosphären (ATM) liegt. 4 zeigt, dass mit dem Ansteigen des Gasdrucks auf 30 ATM sich die beiden Absorptionslinien verbreitern und ineinander übergehen. Das ineinander Übergehen von Absorptionslinien mit steigendem Gasdruck beeinträchtigt die Messgenauigkeit der gerade einer der Absorptionslinien zugehörigen Absorption.
Bei einer typischen TBrenn-Messung in einer Gasturbine, liegt der Verbrennungsdruck bei etwa 15 Atmosphären (15 ATM). Die Kollisionsverbreiterung eines typischen Wasserdampfübergangs ist γLuft mit näherungsweise 0,05 cm–1/atm bei 300 K. Bei 15 atm verändert sich die volle Halbwertsbreite (englisch: full-width, half maximum FWHM) für einen Wasserdampfübergang um 0,75 cm–1. Dies führt nicht zu einem Zusammenfallen von Linien bei hohem Druck.
Die 5, 6 sind beispielhafte Diagramme, die die Linienstärke bei der Laserabsorption durch Verbrennungsgase bei verschiedenen Wellenlängen veranschaulichen. Der Gasdruck ist bei den in den 5, 6 angegebenen Beispielen eine Atmosphäre (ATM). 5 zeigt eine starke Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von 7495/cm (1334 nm) und einer Temperatur von 2000 Kelvin (K) (1727°C und 3140,6°F). Es gibt keine benachbarten Wellenlängen, die eine Absorptionslinie in dem Bereich von 7490/cm bis 7515/cm haben. 6 zeigt eine starke Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von 7243/cm (1380 nm).
Die Wellenlängenpaare (i) 7495/cm (1334 nm) und 7243/cm (1380 nm) und (ii) 7495/cm und 7185/cm (1391 nm) entsprechen Wasserdampfoberschwingungsübergängen im Nahinfrarot und haben keine benachbarten Absorptionslinien, die eine Interferenz erzeugen würden.
5 zeigt eine vernachlässigbare Linienstärke bei Umgebungstemperatur (296 K), die anzeigt, dass Umgebungstemperaturen keine Interferenz oder Rauschen erzeugen, die bzw. das die Temperaturberechnung der Verbrennungsgase beeinträchtigt. Wie in 7 dargestellt, nimmt die Linienstärke der Absorption bei der 1334 nm-Wellenlänge mit der Temperatur zu.
6 zeigt eine kräftige Absorptionslinienstärke bei einer Wellenlänge von 7243/cm bei Umgebungstemperatur (296 K) und eine nominale Linienstärke bei einer Temperatur von 2000 K). Die Absorption bei der 7243/cm (1380 nm)-Wellenlänge verändert sich umgekehrt mit der Temperatur.
Die temperaturabhängige Linienstärke [cm–2atm–1] kann in Bezug auf die bekannte Linienstärke bei einer Bezugstemperatur T0 angegeben werden:
worin Q(T) die molekulare Partitionsfunktion, h[Jsec] die Planck'sche Konstante ist; c [cm/s] ist die Lichtgeschwindigkeit, k [J/K] ist die Boltzmann'sche Konstante und E'' [cm–1] der niedrigere Energiezustand.
Die Temperatur kann von dem gemessenen Verhältnis des integrierten Absorptionsvermögens bei zwei verschiedenen temperaturabhängigen Übergängen abgeleitet werden.
wobei Pabs[atm] der Partialdruck der absorbierenden Spezies ist, Φν [cm] die Linienform-Funktion eines Partikularübergangs ist; S(T0, νi) ist die Linienstärke des bei νi [cm–1] zentrierten Übergangs bei der Bezugstemperatur T0, E'' der niedrigere Energiezustand [cm–1] und T ist die Gastemperatur [K].
Die relative Temperaturempfindlichkeit des oben genannten Verhältnisses wird erhalten durch:
Aus der obigen Gleichung ist zu entnehmen, dass ein Linienpaar mit einer großen Differenz der niedrigeren Zustände angestrebt wird, um eine hohe Temperaturempfindlichkeit zu erzielen.
Bei dem in den 5, 6 dargestellten Beispiel beträgt die Empfindlichkeit (σ), 5,71 bei einem Temperaturbereich von 1500 K bis 2000 K (2240°F bis 3140°F)
Ein hohes Empfindlichkeitsniveau weist darauf hin, dass die Genauigkeit von Temperaturmessungen, bei Verwendung des Wellenlängenpaars von 1334 nm und 1380 nm etwa 0,35% betragen müsste, was einem Fehler von lediglich 9°F bei 2500°F entspricht.
Die 7 (die identisch mit der 5 ist) und 8 sind beispielhafte Diagramme, die die Linienstärke bei Laserabsorption durch Verbrennungsgase bei verschiedenen Wellenlängen wiedergeben. 7 zeigt eine starke Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von 7495/cm (1334 nm) und einer Temperatur von 2000 K (1727°C und 3140,6°F). Es gibt keine benachbarten Wellenlängen, die eine Absorptionslinie in dem Bereich von 7490/cm bis 7515/cm haben. 8 zeigt eine starke Absorptionslinie bei einer Wellenlänge von 7185/cm (1391 nm).
Wenngleich es in 8 eine weitere Absorptionslinie nahe 7185/cm–1 gibt, ist die Linienstärke dieser weiteren Linie gering. Ein Kriterium für die Sicherstellung der Temperaturmessung ist, dass die beiden Übergänge ein ähnliches Signal-Rauschen-Verhältnis (SNR) aufweisen. Unter der Annahme eines minimalen erfassbaren Absorptionsvermögens von 2E-4 und eines SNR von 10 muss das Peakabsorptionsvermögen größer als 2E-3 sein. Unter der Annahme eines Drucks von 15 ATM und einer Weglänge von 1 cm, dürfte die Linie bei 7185 cm–1 (mit Druckverbreiterung) in 8 die Genauigkeit der Temperaturmessung nicht wesentlich beeinträchtigen.
8 zeigt eine große Absorptionslinienstärke bei einer Wellenlänge 7185/cm (1391 nm) bei Umgebungstemperatur (296 K) und eine nominale Linienstärke bei einer Temperatur von 2000 K. Die Absorption bei der 7185/cm (1391 nm)-Wellenlänge ändert sich umgekehrt mit der Temperatur.
Bei dem in den 7, 8 veranschaulichten Ausführungsbeispiel beträgt die Empfindlichkeit (σ) 3,91 in einem Temperaturbereich von 1500 K bis 2000 K (2240°F bis 3140°F). Dieses hohe Empfindlichkeitsniveau weist darauf hin, dass die Genauigkeit von Temperaturmessungen, die unter Verwendung des Wellenlängenpaars 1334 nm und 1391 nm ausgeführt wurden, innerhalb 15°F bei 2500°F liegen sollte.
Der Diodenlaser in der Laser- und Sensoranordnung 22 kann auf eine dritte Wellenlänge, z. B. von 635 nm durchgestimmt sein, welche nicht einer Wellenlänge entspricht, die von dem Verbrennungsgas absorbiert wird. Das bei der dritten Wellenlänge erfasste Linienstärkensignal kann als ein Bezugswert verwendet werden, der die Transparenz der Optik in der Laser- und Sensoranordnung 22 und das Reflexionsvermögen der Turbinenwelle oder einer anderen Oberfläche angibt, die dazu benutzt ist, das Laserstrahlbündel zu dem Detektor in der Spitze 32 der Anordnung 22 zu reflektieren.
Die 9 und 10 sind Flussdiagramme eines beispielhaften Verfahrens zur Einrichtung eines durchstimmbaren Lasersystems zur Messung der Verbrennungstemperatur und der Verbrennungsgastemperatur. Der Teil des Verfahrens zur Messung der Verbrennungstemperatur kann in Form von Befehlen in einem Computerprogramm verkörpert sein, das auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichert ist, auf welches von dem Prozessor oder dem in 2 dargestellten Computer 27 zugegriffen werden kann.
In einem Schritt 100 werden Verbrennungsgase, die gleich oder im Wesentlichen ähnlich sind, getestet, um Strahlungswellenlängen, die von dem Verbrennungsgas, z. B. von Spezien der Verbrennung absorbiert werden zu identifizieren. Die Verbrennungsgase können bei einem niedrigen Druck z. B. einer Atmosphäre (ATM) oder bei einem Druck, der dem Verdichterausgangsdruck, z. B. 20 ATM bis 30 ATM, ähnlich ist, getestet werden. Das Testen bei niedrigem Druck vermeidet das Verschmelzen von Absorptionsstärkelinien, das bei hohem Druck die Tendenz hat aufzutreten. Die Absorptionslinien können in einer Laboratoriumsbrennkammer identifiziert werden. Ein durchstimmbarer Diodenlaser kann dazu verwendet werden, einen geeigneten Wellenlängenbereich abzutasten, um die Daten bezüglich der Wellenlängen zu erhalten, bei denen eine Absorption durch Spezien in den Verbrennungsgasen auftritt.
In einem Schritt 102 werden die bei dem Schritt 101 erhaltenen Absorptionslinienstärken bewertet, um Stärkelinien zu identifizieren, die Spezien in dem Verbrennungsgas entsprechen, welche temperaturabhängige Übergänge haben. Beispielsweise Wasserdampf und Sauerstoff sind Spezien des Verbrennungsgases, die temperaturabhängige Übergänge erfahren. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Verbrennung, insbesondere jenem von Verbrennungsgasen in einer Gasturbine, hat ausreichend Kenntnisse und Erfahrungen, um zu bestimmen, welche Absorptionslinienstärken in den Daten temperaturabhängigen Übergängen von Spezien des Verbrennungsgases entsprechen.
Von den bei dem Schritt 102 identifizierten Stärkelinien sind Gruppen, z. B. Paare von Stärkelinien aufzufinden, die den gleichen Verbrennungsgasspezien im Schritt 104 zugeordnet sind. Die Stärkelinien in einer Gruppe werden in einem Schritt 106 bewertet, um ein Linienpaar zu identifizieren, von dem jede Linie keine benachbarten Stärkelinien hat. Beispielsweise ein Wellenlängenpaar von 1334 nm und 1380 nm sowie 1334 nm und 1391 nm hat wegen eines temperaturabhängigen Übergangs von Wasserdampf und des Fehlens benachbarter starker Absorptionslinien jeweils starke Absorptionslinien zugeordnet.
In einem Schritt 104 wird bestimmt, welche der in dem Schritt 102 identifizierten Stärkelinien von benachbarten Stärkelinien entfernt sind. Die Wellenlängenpaare, welche den in dem Schritt 104 identifizierten Stärkelinien ohne benachbarte Stärkelinien entsprechen, werden als das Wellenlängenpaar ausgewählt, bei dem die Absorption gemessen wird, um die Temperatur des Verbrennungsgases zu berechnen. In einem Schritt 108 wird eine Wellenlänge identifiziert, die keiner Stärkelinie zugeordnet ist, insbesondere eine temperaturabhängige Stärkelinie.
In einem Schritt 110 wird die Laser- und Sensoranordnung in einer Gasturbine so installiert, dass die durchstimmbare Laserdiode einen Strahl durch den Gaspfad in der Turbine durchstrahlen lässt. Der Laserstrahl kann durch einen Spalt zwischen der ersten Leitschaufel und der ersten Laufschaufel durchgehen, um Absorptionsdaten unmittelbar von dem Ort der TBrenn-Temperatur zu erfassen.
In einem Schritt 112 und während des Betriebs der Gasturbine erfasst die Laser- und Sensoranordnung Absorptionsdaten, indem sie einen Laserstrahlbündel durch die Gasturbine projizieren, wobei der Laser auf die in dem Schritt 106 ausgewählten Wellenlängen abgestimmt ist. Das Durchstimmen des Lasers kann zyklisch sein, derart, dass die Wellenlängen periodisch und schnell zu den in den Schritten 106, 108 gewählten Wellenlängen verändert werden. Die Absorptionsdaten werden gesammelt und auf einem der Steuereinrichtung in der Laser- und Detektoranordnung zugeordneten Speichermedium abgespeichert. In einem Schritt 114 werden die Absorptionsdaten in der Laser- und Detektoranordnung oder in der Steuereinrichtung für die Gasturbine verarbeitet, um eine Verbrennungsgastemperatur, basierend auf dem Verhältnis der Linienstärken (Absorptionsdaten), zu berechnen, die bei den beiden in dem Schritt 106 identifizierten Wellenlängen erhalten worden waren. Außerdem benutzt die Laser- und Detektoranordnung die bei der in dem Schritt 118 identifizierten Wellenlänge erfassten Absorptionsdaten als Bezugswert, der ein Linienstärkensignal angibt, das keine Absorption durch Spezien des Verbrennungsgases aufweist. Die Steuereinrichtung der Gasturbine verwendet die berechnete Verbrennungsgastemperatur zur Steuerung der Gasturbine und zur Abfassung von Berichten bezüglich des Betriebsverhaltens der Gasturbine.
Wenngleich die Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als die prakikabelste und bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, so versteht sich doch, dass die Erfindung nicht auf die erläuterte Ausführungsform beschränkt ist, sondern im Gegenteil zahlreiche Abwandlungen und äquivalente Anordnungen mit umfassen soll, die im Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche liegen.
Ein in einer Gasturbine 10 angeordnetes Verbrennungsgasmessgerät, wobei das Messgerät aufweist: Einen durchstimmbaren Laser 22, der ein durch einen Verbrennungsgasweg in der Gasturbine 110 durchgehenden Strahlenbündel 34 erzeugt; eine Steuereinrichtung 20 für den durchstimmbaren Laser und Durchstimmen 100 des Lasers derart, dass er eine Strahlung emittiert, die wenigstens eine ausgewählte erste Wellenlänge und eine ausgewählte zweite Wellenlänge aufweist, welche beide jeweils temperaturabhängigen Übergängen 102 einer Verbrennungsspezies des Gases entsprechen, wobei die erste ausgewählte Wellenlänge und die zweite ausgewählte Wellenlänge nicht nahe Absorptionspeaks benachbarter Wellenlängen 104 liegen; einen Detektor 22, der das durch das Verbrennungsgas durchgehende Strahlenbündel erfasst (100, 112) und ein Absorptionssignal erzeugt, das für die Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeweils der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge kennzeichnend ist, und die Steuereinrichtung 20 ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm ausführt, um eine Verbrennungsgastemperatur, basierend auf einem Verhältnis der Absorptionssignale für die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge, zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

10: Gasturbine
12: Verdichter
14: Brennkammer
16: Brennrohre
18: Turbine
20: Steuereinrichtung
22: Laser- und Lasersensoranordnung
23: Brennstoffsteuereinrichtung
24: Gehäuse der Gasturbine
26: Zugänge am Gehäuse
28: Schaft der Anordnung
30: Gasströmungspfad
32: Spitze des Schaftes
34: Laserlicht
38: erste Leitschaufel
40: erste Turbinenlaufschaufel
100: Verbrennungsgase testen
102: starke Linien identifizieren, die temperaturabhängigen Übergängen von Spezien des Verbrennungsgases zugeordnet sind
104: Auffinden von Gruppen von starken Linien, die der gleichen Spezies zugeordnet sind
106: Identifizieren einer Gruppe starke Linien, die keine benachbarte starke Linie haben
108: Identifizieren einer Wellenlänge, die keine starke Linie aufweist
110: Positionieren der Laser- und Sensoranordnung in der Gasturbine
112: Daten vom Betrieb der Gasturbine sammeln
114: Gastemperatur berechnen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/014960 [0004]

Claims

Verbrennungsgasmessgerät, das in einer Gasturbine (10) angeordnet ist, wobei das Messgerät aufweist: einen durchstimmbaren Laser (22), der ein Strahlungsbündel (34) erzeugt, das durch einen Verbrennungsgaspfad in der Gasturbine (110) durchgeht; eine Steuereinrichtung (20) für den durchstimmbaren Laser und Durchstimmen (100) des Lasers derart, dass er eine Strahlung emittiert, die wenigstens eine erste ausgewählte Wellenlänge und eine zweite ausgewählte Wellenlänge aufweist, welche beide temperaturabhängigen Übergängen (102) einer Verbrennungsspezies des Gases entsprechen, wobei die erste ausgewählte Wellenlänge und die zweite ausgewählte Wellenlänge nicht nahe bei Absorptionspeaks benachbarter Wellenlängen (104) liegen; einen Detektor (22), der das durch das Verbrennungsgas durchgehende Strahlenbündel erfasst und ein Absorptionssignal erzeugt, das für eine Absorption des Bündels durch das Verbrennungsgas jeweils bei der ersten Wellenlänge und bei der zweiten Länge kennzeichnend ist, und wobei die Steuereinrichtung (20) ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm zur Bestimmung (114) einer Verbrennungsgastemperatur, basierend auf einem Verhältnis der Absorptionssignale für die erste Wellenlänge und für die zweite Wellenlänge ausführt.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 1, bei dem die erste ausgewählte Wellenlänge 1334 Nanometer (nm) und die zweite ausgewählte Wellenlänge 1380 nm oder 1391 nm ist.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 1, bei dem die Verbrennungsspezies Wasserdampf ist.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 1, bei dem der durchstimmbare Laser (22) in der Gasturbine (10) derart angeordnet ist, dass das Strahlenbündel durch den Gaspfad (30) zwischen einer ersten Turbinenleitschaufel (38) und einer ersten Turbinenlaufschaufel (40) der Gasturbine durchgeht.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 1, bei dem der durchstimmbare Laser (22) ein durchstimmbarer Diodenlaser ist.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 1, bei dem das Strahlenbündel von einer Oberfläche einer Turbine der Gasturbine reflektiert wird.
Verbrennungsgasmessgerät, das in einer Gasturbine (10) angeordnet ist, wobei das Messgerät aufweist: Einen durchstimmbaren Diodenlaser (22), der ein Laserstrahlenbündel emittiert, das durch einen Verbrennungsgaspfad (30) in der Gasturbine durchgeht (110); eine Steuereinrichtung (20) für den durchstimmbaren Diodenlaser, der so durchgestimmt (100, 102) ist, dass er ein erstes Laserstrahlbündel mit einer Wellenlänge von 1334 Nanometer (nm) und ein zweites Laserstrahlbündel mit einer Wellenlänge von 1380 nm oder 1391 nm emittiert; einen Lasersensor (22), der jedes der durch das Verbrennungsgas (30) durchgehenden Strahlungsbündel erfasst (100) und ein Absorptionssignal (112) erzeugt, das für eine Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeder der Wellenlängen kennzeichnend ist und wobei die Steuereinrichtung (20) ein auf einem nichtflüchtigen Speichermedium gespeichertes Programm zur Bestimmung (114) einer Verbrennungsgastemperatur auf der Basis eines Verhältnisses der Absorptionssignale für das erste Laserstrahlbündel und das zweite Laserstrahlbündel ausführt.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 7, bei dem der durchstimmbare Laser (22) in einer Gasturbine derart angeordnet ist, dass die Laserstrahlenbündel durch den Gaspfad (30) zwischen einer ersten Turbinenleitschaufel (38) und einer ersten Turbinenlaufschaufel (40) der Gasturbine durchgehen.
Verbrennungsgasmessgerät nach Anspruch 7, bei dem das Strahlenbündel von einer Oberfläche einer Turbine der Gasturbine reflektiert wird.
Verfahren zum Berechnen einer Verbrennungsgastemperatur in einer Hochdruckumgebung, wobei das Verfahren beinhaltet: Identifizieren (102) kräftiger Stärkelinien, die temperaturabhängigen Übergängen von Spezien in dem Verbrennungsgas (30) zugeordnet sind; Identifizieren (104) der kräftigen Stärkelinien, die einem temperaturabhängigen Übergang einer Verbrennungsspezies des Verbrennungsgases zugeordnet sind; Auswählen (106) einer ersten und einer zweiten der kräftigen Stärkelinien, die als den Verbrennungsspezien zugeordnet identifiziert wurden, wobei die ausgewählten beiden kräftigen Stärkelinien keine benachbarten kräftigen Stärkelinien aufweisen; Identifizieren (108) einer ersten Wellenlänge und einer zweiten Wellenlänge, die jeweils der ersten bzw. der zweiten kräftigen Linie zugeordnet sind; Projizieren (110) eines Laserstrahlbündels durch einen Verbrennungsgaspfad (309 mit jeweils der ersten und zweiten identifizierten Wellenlänge und Sammeln von Daten (112), die die Absorption des Strahlenbündels durch das Verbrennungsgas bei jeweils der identifizierten ersten bzw. zweiten Wellenlänge betreffen und Berechnen (114) einer Verbrennungsgastemperatur unter Verwendung der gesammelten Daten.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die erste Wellenlänge 1334 Nanometer (nm) und die zweite ausgewählte Wellenlänge 1380 nm oder 1391 nm ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Berechnung (114) der Verbrennungsgastemperatur unter Verwendung der gesammelten Daten die Bestimmung eines Verhältnisses der jeweiligen Absorption des Strahlenbündels bei der ersten und der zweiten Wellenlänge beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Verbrennungsspezies Wasserdampf ist.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem keine benachbarten kräftigen Stärkelinien (106) wenigstens zwei Wellenlängen zwischen der ersten und der zweiten ausgewählten Wellenlänge und einer weiteren kräftigen Stärkelinie bedeutet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Laser ein durchstimmbarer Diodenlaser ist.