DE19632174A1

DE19632174A1 - Temperaturmeßverfahren

Info

Publication number: DE19632174A1
Application number: DE19632174A
Authority: DE
Inventors: Ken-Yves Haffner; Matthias Dr Hoebel
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2016-08-10
Also published as: WO1998007013A1; GB2330906B; GB2330906A; DE19632174C2; GB9902904D0; US6318891B1; AU3086597A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Verbrennungstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Flammentemperaturmessung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wie sie im Oberbegriff der unabhängigen An sprüche 1 und 6 beschrieben ist.

STAND DER TECHNIK

Seit Beginn der Forschung auf dem Gebiet der Verbrennungstechnik, kommt der Bestimmung der Flammentemperatur ein hoher Stellenwert zu. Die Flammentem peratur ist bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ein Schlüsselparameter, da sie direkt mit der chemischen Reaktionskinetik und der Bildung von Schadstoffen, wie beispielsweise NO_x korreliert. Darüber hinaus ist die Kenntnis der Energie freisetzung während des Verbrennungsprozesses unentbehrlich für die Ausle gung von Brennkammern und die Bestimmung von mechanischen und thermi schen Beanspruchungen aller beteiligten Komponenten.

Derzeit existiert eine Vielzahl von Techniken für die Messung von Flammentem peraturen. Dabei stellen die extremen Einsatzbedingungen insbesondere eine große Herausforderung an die Temperatursensoren dar, so daß nicht ohne weiteres jeder unter sauberen Laborbedingungen erprobte Temperatursensor Anwendung in einer Industriebrennkammer finden kann.

Grob können die heute gängigen Temperaturmeßtechniken in zwei Kategorien eingeteilt werden; bei den einen gelangen nicht optische Temperatursensoren zum Einsatz und bei den anderen optische.

Zu den nichtoptischen Temperaturmeßvorrichtungen zählen die Punktsensoren, die beispielsweise Thermoelemente umfassen. Sie bieten eine einfache und preiswerte Möglichkeit der Temperaturbestimmung an diskreten Punkten, müssen allerdings in unmittelbarer Nähe zur Flamme installiert sein, und nehmen damit Einfluß auf die Flamme. Desweiteren sind Thermoelemente aufgrund ihrer Zer brechlichkeit nur eingeschränkt in einer turbulenten Hochtemperaturumgebung einsetzbar, in welcher zusätzlich noch chemische Oberflächenreaktionen die Thermoelemente beeinträchtigen.

Insbesondere seit Bekanntwerden der Lasertechnologie wurden zahlreiche opti sche Temperaturmeßvorrichtungen mit entsprechend angepaßten Meßverfahren entwickelt. Hierunter fallen unter anderem Absorptions- und Fluoreszensver fahren, sowie verschiedene Meßverfahren, die sich des Laserstreulichts bedie nen. Den genannten optischen Meßverfahren ist gemeinsam, daß sie eine Lichtquelle, einen Laser, benötigen. Sie sind damit aktiver Natur, nehmen aber im Gegensatz zu den Thermoelementen keinen Einfluß auf die Flamme. Diese Verfahren schließen unter Berücksichtigung des emittierten Lichtes der Quelle und des Meßvolumens auf die Temperatur einer Flamme. Aufwendig ist aller dings diese Technik hinsichtlich der verwendeten Meßvorrichtungen und der da durch entstehenden Kosten. Ein kommerzieller Einsatz solcher Laser unterstütz ter Meßsysteme ist somit sehr eingeschränkt.

Eine bekannte optische, nicht aktive Flammentemperaturbestimmung wird mittels Pyrometrie durchgeführt, wobei die von in der Flamme enthaltenen Rußteilchen emittierte Schwarzkörperstrahlung ausgenützt wird. Problematisch ist allerdings die Anwendung pyrometrischer Temperaturmeßsysteme an Flammen aus gas förmigen Brennstoffen. Aufgrund des sehr geringen Rußgehalts ist hier das opti sche Signal sehr schwach. Bei der Signalanalyse kommt erschwerend hinzu, daß das temperatur- und wellenlängenabhängige Emissionsvermögen der strahlenden Rußteilchen nur ungefähr bekannt ist, was in Verbindung mit unerwünschten Absorptionseffekten auf dem Weg zum Detektor die Genauigkeit der Methode beeinträchtigt.

Zusammenfassend ist festzuhalten, daß die derzeit verfügbaren Flammentempe raturmeßverfahren lediglich eingeschränkt industriell nutzbar sind, da sie entwe der sehr kosten intensiv sind oder aber hinsichtlich Verschmutzung keine ausrei chende Standfestigkeit bei geforderter Genauigkeit gewährleisten.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Flammentemperatur meßverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der ein gangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine preiswerte und genaue Flammentemperaturbestimmung mit hoher Standfestigkeit bereitgestellt wird, wobei diese Temperaturbestimmung weitestgehend unbeeinflußt von Ver schmutzung bleibt, und wirtschaftlich in industriell genutzten Brennkammern ein setzbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, daß die in einer Flamme auftretende Chemilumineszenz-Strahlung der OH-Radikale und/oder der CH-Radikale spek tral erfaßt wird, und anschließend mit einer Vielzahl theoretisch ermittelter Emissionsspektren für verschiedene Boltzmanntemperaturen verglichen wird, bis eine Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Chemilumineszenz-Spektrum und einem Emissionsspektrum festgestellt wird. Das übereinstimmende theoreti sche Emissionsspektrum wird durch eine eindeutige Boltzmann-Temperatur cha rakterisiert. Mittels einer Korrelation wird dann die adiabatische Flammentempera tur aus der Boltzmann-Temperatur abgeleitet.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß das erfindungsgemäße Temperaturmeßverfahren unabhängig ist von wellenlängenab hängigen Untergrundeffekten, welche mittels Korrektur aus dem Rohsignals der Chemilumineszenz-Strahlung herausgefiltert wird.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Chemilumineszenz-Spektrum und die Vielzahl von theoretisch ermittelten Emissionsspektren vor dem Vergleich auf ihr jeweiliges Maximum normiert werden. Eine mögliche Verschmutzung der für die Erfassung der Chemilumineszenz-Strahlung verwendeten optischen Messensoren ist somit für die Bestimmung der Flammentemperatur weitgehend ohne Bedeutung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläu tert. In der Zeichnung zeigt die einzige

Fig. ein Blockdiagramm zur Durchführung Temperaturmeßverfahrens.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Wie die einzige Fig. zeigt, gelangt über eine Sensorfiber 1 die von OH-Radikalen und/oder CH-Radikalen in einer Flamme 2 emittierte Chemilumineszenz-Strah lung zu einem Spektrographen 3, der die spektrale Zusammensetzung analysiert. Der Spektrograph 3 ist auf einen Arbeitsbereich im nahen UV abgestimmt. Bei der Messung wird ein einstellbarer Ausschnitt des Spektrums von etwa 70 nm Breite mit einer Auflösung von 0.3 nm aufgenommen, und zwar 270-340 nm für OH-Radi kale und 390-460 nm für CH-Radikale. Die Ansteuerung des Spektrographen be treffend der Belichtungszeit und der Anzahl Mittelungen über mehrere Messungen erfolgt über eine Computer-Einheit 4.

Das gemessene spektral aufgelöste Chemilumineszenz-Rohsignal wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt hinsichtlich der in diesem Rohsignal enthalte nen Untergrundeffekte in einem Differenzierglied korrigiert. Um Fehlinterpretatio nen zu vermeiden, ist hierfür eine möglichst exakte und reproduzierbare Bestim mung der Untergrundeffekte unabdingbar. Bei verschiedenen ausgesuchten Wellenlängen, die in Bezug auf die auszuwertenden Spektrallinien der OH-Radi kale und CH-Radikale in sogenannten spektralen Lücken liegen, wird die Intensi tät der Untergrundeffekte ermittelt, woraus mit Hilfe einer Korrelation in einer Re cheneinheit 6 aus Polynomfit und kubischem Spline der tatsächliche Verlauf der Untergrundstrahlung angenähert wird. Die wellenlängenabhängige Untergrund strahlung wird anschließend im Differenzierglied 5 von dem Chemilumineszenz-Roh signal subtrahiert.

Das resultierende, korrigierte Chemilumineszenz-Signal wird dann auf sein Maxi mum normiert, welches im Fall von OH bei 309 nm liegt und für CH bei 430 nm.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das korrigierte Chemilumineszenz-Spek trum mit einer Vielzahl von theoretisch ermittelten Emissionsspektren in einem ersten Komparator 7 verglichen. Diese Vielzahl von Emissionsspektren wird dabei vorab als eine Art Katalog erstellt, der in geeigneten Temperaturstufungen für jede Boltzmann-Temperatur ein theoretisches Emissionsspektrum der OH- und CH-Radikale enthält. Die diese theoretischen Emissionsspektren charakteri sierende Boltzmann-Temperatur entspricht dabei einer äquivalenten Gleichge wichtstemperatur für die Rotations- und die Vibrationsfreiheitsgrade der OH- und die CH-Radikale.

Jedes theoretische Emissionsspektrum ergibt sich aus der Überlagerung einer Vielzahl von Spektrallinien (für OH-Radikale etwa 600 Spektrallinien und für CH-Radikale etwa 1800), die charakteristischen Radikalübergängen von einem ange regten Zustand in den Grundzustand zugeordnet sind. Die Daten für die charak teristischen Radikalübergänge, die Übergangswahrscheinlichkeiten und die zu gehörigen Molekülparameter sind einschlägiger Literatur, wie beispielsweise Lifbase V.O.99 Software Package von I.Luque and D.R.Crosley, SRI Internation, 1994, entnommen.

Nach der Superposition der Einzellinien für jede Boltzmann-Temperatur werden auch die daraus entstandenen, theoretisch ermittelten Emissionsspektren auf ihr jeweiliges Maximum normiert. Anschließend folgt der Vergleich zwischen dem korrigierten Chemilumineszenz-Spektrum und den theoretischen Emissionsspek tren aus dem Katalog. Dieser Katalog wird vor dem Vergleich dem ersten Kompa rator aus einer Speichereinheit 8 bereitgestellt. Die Vergleichsprozedur wird so lange durchgeführt, bis ein Entscheidungskriterium für eine optimale Überein stimmung zwischen dem gemessenen Chemilumineszenz-Spektrum und einem theoretischen Emissionsspektrum erfüllt ist. Die dem gefundenen theoretischen Emissionsspektrum zugehörige Boltzmann-Temperatur wird in einem zweiten Komparator 9 ermittelt, und anschließend auch dem Chemilumineszenz-Spektrum zugeordnet.

Für den abschließenden Verfahrensschritt zur Bestimmung der adiabatischen Flammentemperatur wird eine zuvor einmalig in der Recheneinheit 6 zu bestim mende Korrelation zwischen der Boltzmann-Temperatur und der adiabatischen Flammentemperatur herangezogen. Bei verschiedenen Brennerbedingungen sind hierfür die Boltzmann-Temperaturen für die OH- und/oder CH-Radikale ermittelt worden, wobei diese Boltzmann-Temperaturen zugehörigen, konventionell ermittel ten adiabatischen Flammentemperaturen gegenübergestellt werden. Die hieraus erwachsene Korrelation dient dann der Bestimmung der adiabatischen Flammen temperatur mit der dem obigen Vergleichsprozeß entnommenen Boltzmann-Tem peratur. Die Ausgabe der adiabatischen Flammentemperatur erfolgt in der Aus gabeeinheit 10.

Die mittlere Abweichung der Flammentemperaturmessung nach dem beschriebe nen Verfahren unter Verwendung der Chemilumineszenz-Strahlung ergibt sich zu ± 10 K, wobei dieser Wert als Maximalfehler zu verstehen ist, in welchem alle sy stemimmanenten Fehler kumuliert sind.

Besonders vorteilhaft ist bei der Normierung der theoretischen Emissionsspektren und der gemessenen Chemilumineszenz-Spektren die Vermeidung von Fehlern, die durch Schwankungen der absoluten Flammenintensität hervorgerufen werden. Hierunter fallen auch die Alterung der Sensorfiber so wie der Niederschlag von Verbrennungsprodukten auf der Fiberendfläche.

Ein entscheidender Vorteil ist, daß bei geeigneter Wahl des spektralen Aus schnitts die gleichzeitige Erfassung der Chemilumineszenz-Strahlung und der Untergrundeffekte erfolgt. Herkömmliche optische Meßverfahren, welche durch "Scannen" ein Spektrum aufnehmen, oder in zwei getrennten Schritten Chemilu mineszenz-Strahlung und Untergrundeffekte bestimmen, berücksichtigen nicht, daß der Beitrag der Untergrundeffekte durch Flammenpulsationen falsch be stimmt werden kann.

Im Vergleich zu Meßverfahren, welche durch "Scannen" ein Spektrum aufneh men, ermöglicht das erfindungsgemäße Temperaturmeßverfahren eine Reduk tion der Rechenzeit um zwei Größenordnungen, was die Dauer der Flammen temperaturbestimmung mit heute gängigen Rechnersystemen auf weniger als eine Sekunde senkt. In diesem Zusammenhang ist von entscheidender Bedeu tung, daß der gesamte Katalog der theoretischen Emissionsspektren unter Be rücksichtigung der spezifischen Parameter des verwendeten Meßsystems (Auflösung, spektrale Empfindlichkeit) bereits in einem einmaligen Schritt vorab erstellt und dann bei Meßbeginn in den Arbeitsspeicher einer Rechnereinheit geladen werden kann. Auf diese Weise wird die Dauer der Vergleichsprozedur drastisch verkürzt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Erfassung der Chemilumineszenz-Strah lung unmittelbar stromaufwärts der Flammenfront erfolgt. Die Selbstabsorption innerhalb einer Flamme kann somit unberücksichtigt bleiben.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist erfindungsgemäß auch denkbar, die Chemilumineszenz-Strahlung anderer Radikale als der OH- oder CH-Radikale in dem beschriebenen Verfahren anzuwenden.

Desweiteren kann der Gegenstand der Erfindung auch zur Bestimmung der Luft zahl (λ-Zahl) eines Brenners herangezogen werden, da die Flammentemperatur mit dieser Luftzahl korreliert. Für diese Anwendung wird in einem vorab durchzu führenden Schritt die Korrelation zwischen der Luftzahl eines Brenners und der Boltzmann-Temperatur bestimmt. Analog zur Bestimmung der adiabatischen Flammentemperatur kann mit der bekannten Korrelation zwischen Boltzmann-Tem peratur und Luftzahl des Brenners in weniger als einer Sekunde das momen tane Brennstoff-Luft-Mischungsverhältnis ermittelt werden. Mit diesem Brenn stoff/Luft-Mischungsverhältnis ist dann durch Verwendung einer aktiven Steuer einheit die Anpassung des Brennstoff-Luftdurchsatzes möglich. Die Genauigkeit der Luftzahlbestimmung liegt bei etwa 1%.

Bezugszeichenliste

1 Sensorfiber
2 Flamme
3 Spektrograph
4 Computer-Einheit
5 Differenzierglied
6 Recheneinheit
7, 9 Komparator
8 Arbeitsspeicher
10 Ausgabeeinheit

Claims

1. Temperaturmeßverfahren zur Bestimmung der adiabatischen Temperatur einer Flamme, insbesondere in einer Gasturbinenbrennkammer, wobei mittels eines Spektrographen über eine optische Sensorfiber die von OH-Radikalen und/oder CH-Radikalen emittierte Chemilumineszenz-Strahlung aus der Flamme erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet,

- daß das spektral aufgelöste Rohsignal der Chemilumineszenz-Strahlung einer Korrektur unterzogen wird,
- daß das Spektrum der korrigierten Chemilumineszenz-Strahlung mit einer Vielzahl von theoretisch ermittelten Emissionsspektren verglichen wird, bis ein theoretisches Emissionsspektrum mit dem Chemilumineszenz-Spektrum übereinstimmt,
- daß dieses übereinstimmende Emissionsspektrum eine ihm zugehörige Boltzmann-Temperatur liefert, die dem Chemilumineszenz-Spektrum zuge ordnet wird, und
- daß aus dieser Boltzmann-Temperatur die adiabatische Flammentemperatur mittels Korrelation hergeleitet wird.

2. Temperaturmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur des Rohsignals der Chemilumineszenz-Strahlung durch Subtraktion von wellenlängenabhängigen Untergrundeffekten erfolgt.

3. Temperaturmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Chemilumineszenz-Spektrum auf sein Maximum normiert wird.

4. Temperaturmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der theoretisch ermittelten Emissionsspektren auf ihr Maxi mum normiert werden.

5. Temperaturmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Emissionsspektren bei einer Vielzahl von Boltzmann-Tem peraturen für die Rotations- und Vibrationsfreiheitsgrade von OH-Radi kale und/oder CH-Radikale theoretisch ermitteltet werden, bevor der Ver gleich mit dem Chemilumineszenz-Spektrum angestellt wird.

6. Vorrichtung zu Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine mit einem Spektrographen (3) verbundene optische Sensor fiber (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Spektrograph (3) mit einem Differenzierglied (5) verbunden ist, welches Untergrundeffekte von dem Chemilumineszenz-Spektrum subtrahiert,
- daß in Hintereinanderschaltung zwischen dem Differenzierglied (5) und einer Ausgabeeinheit (10) ein erster Komparator (7), ein zweiter Komparator (9) und eine Recheneinheit (6) angeordnet sind, wobei im ersten Komparator (7) das gemessene Chemilumineszenz-Spektrum mit theoretisch ermittelten Emissionsspektren verglichen wird, wobei im zweiten Komparator (9) dem beim vorhergehenden Vergleich im ersten Komparator (7) gefundenen Emissionsspektrum eine Boltzmann-Temperatur zugeordnet wird, und wobei aus der Boltzmann-Temperatur in der Rechnereinheit (6) eine adiabatische Flammentemperatur ermittelt wird,
- daß der erste Komparator (7), der zweite Komparator (9) und die Rechen einheit (6) mit einem Arbeitsspeicher (8) in Wirkverbindung stehen, und
- daß die Recheneinheit (6) mit dem Differenzierglied (5) in Wirkverbindung steht.