EP4269874A1 - Brennkammer mit einem sensorsystem sowie verfahren zur regelung eines brenners einer brennkammer - Google Patents

Brennkammer mit einem sensorsystem sowie verfahren zur regelung eines brenners einer brennkammer Download PDF

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EP4269874A1
EP4269874A1 EP23165214.0A EP23165214A EP4269874A1 EP 4269874 A1 EP4269874 A1 EP 4269874A1 EP 23165214 A EP23165214 A EP 23165214A EP 4269874 A1 EP4269874 A1 EP 4269874A1
Authority
EP
European Patent Office
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burner
combustion chamber
sensor device
data
axis
Prior art date
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EP23165214.0A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP4269874C0 (de
EP4269874B1 (de
Inventor
Guido Stockhausen
Johannes Heinze
Christian Fleing
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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Publication of EP4269874B1 publication Critical patent/EP4269874B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/02—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium
    • F23N5/08—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements
    • F23N5/082—Systems for controlling combustion using devices responsive to thermal changes or to thermal expansion of a medium using light-sensitive elements using electronic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2225/00—Measuring
    • F23N2225/08—Measuring temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N2229/00—Flame sensors
    • F23N2229/04—Flame sensors sensitive to the colour of flames

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber with a sensor system and a method for controlling a burner of a combustion chamber.
  • Known combustion chambers have one or more burners by means of which a fuel is burned in order to generate a hot exhaust gas, by means of which a heat transfer medium can be heated via a heat exchanger or which can be fed to a gas turbine.
  • sensors are usually arranged on the combustion chamber walls for recording data such as temperatures or pressure, which are used to control the burner.
  • combustion chamber according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the combustion chamber according to the invention with at least one burner with a burner axis that runs orthogonally to a burner head plate through a center point of the burner head plate has a sensor system with at least a first optical sensor device.
  • the first optical sensor device has a first receiving optics with a first optical axis.
  • the first optical sensor device is arranged in the direction of the burner axis downstream of a flame zone of the burner with the sensor direction directed upstream, the first optical axis being arranged parallel to the burner axis or at an acute angle to it.
  • the optical axis can be arranged at an angle of less than 45° to the burner axis.
  • the first optical sensor device receives and detects infrared radiation and ultraviolet radiation.
  • the first optical sensor device looks from downstream onto the flame zone and the burner or a wall surrounding the burner.
  • the infrared spectrum of the burner or the wall surrounding the burner can be recorded via the infrared radiation detected by the first optical sensor device in order to determine, for example, a spatially resolved temperature, whereby hot spots can be determined.
  • the so-called ultraviolet flame glow of the flame can be recorded via the ultraviolet radiation, which allows the combustion to be assessed.
  • the ultraviolet flame glow is caused by the UV radiation of the OH* radical, which acts as a marker for chemical combustion processes.
  • a measurement can advantageously be carried out at two different distances, for example the flame zone on the one hand and the wall behind it on the other. This allows data to be recorded in the combustion chamber in a particularly economical way.
  • the sensor system preferably has at least one second optical sensor device and the second optical sensor device has a second receiving optics with a second optical axis.
  • the second optical sensor device can be arranged in an area to the side of the flame zone with the second optical axis transverse to the burner axis.
  • the second optical sensor device receives and detects infrared radiation and ultraviolet radiation.
  • the second optical axis of which preferably runs orthogonally to the burner axis the combustion can be observed from the side due to the lateral position and thus the axial position of the flame. This makes it possible, for example, to draw conclusions about the vibration behavior or flow behavior.
  • thermal radiation from the side combustion chamber walls can be received, whereby hot spots in this area of the combustion chamber can be determined.
  • the invention therefore provides that an optical measurement is carried out in the IR range through the flame. It has been found that with low-soot flames, such as a hydrogen flame, the sensor system can "look" through the flame, so that an optical measurement, such as temperature measurement, of combustion chamber parts along the optical axis of the first or second optical sensor device lie behind the flame.
  • the data determined by the sensor system can be used advantageously to control the at least one burner. Due to the design of the sensor system of the invention with the first and second optical sensor devices, a large number of data from the combustion chamber and the flame can be recorded with little effort in terms of device technology, which can be used, for example, to regulate the burner.
  • the first and/or the second receiving optics have a wide-angle lens, for example with a focal length between 8 and 12 mm.
  • the use of such receiving optics enables a desired reduction in the image of the interior of the combustion chamber onto an image sensor surface (camera chip or image conductor), such as the burner and the flame.
  • image sensor surface camera chip or image conductor
  • optical data can advantageously be recorded even at relatively small distances in the combustion chamber, which are, for example, between 10 and 100 cm, and also from objects such as the burner and the flame of this size, and in particular the first and second receiving optics enable this that data from a large area of the combustion chamber can be received and detected simultaneously.
  • the first and/or the second receiving opening has or have an endoscope with an endoscopic image guide.
  • the sensor system according to the invention can be arranged in an advantageous manner on the combustion chamber. It is only necessary that a measuring head of the endoscope of the first or second receiving optics, which has a receiving opening, projects into the combustion chamber.
  • the received image information can then be forwarded via the endoscopic image conductor to the receiving electronics of the sensor system, such as an image sensor device with corresponding sensors. This can expose these sensitive parts to heat be arranged protected outside the combustion chamber.
  • the part of the first and/or second receiving optics that projects into the combustion chamber can be kept relatively small, so that there is little influence on the flow in the combustion chamber.
  • receiving optics designed as an endoscope can be advantageously protected against the high temperatures in the chamber by an appropriate housing and cooling of the measuring head.
  • the first sensor device can have an image sensor device which preferably has a sensitivity in a spectral range between 200 nm and 2 ⁇ m.
  • the second optical sensor device can have a comparable image sensor device. With such an image sensor device, it is advantageously possible to receive and detect infrared radiation and ultraviolet radiation.
  • the image guide can have a correspondingly high transmission in this spectral range between 200 nm and 2 ⁇ m.
  • the image sensor device has an infrared sensor and an ultraviolet sensor, it being preferably provided that the infrared sensor and/or the ultraviolet sensor are imaging.
  • An imaging sensor can advantageously receive and evaluate spatially resolved data. Because the image sensor device each has an infrared sensor and an ultraviolet sensor, infrared radiation and ultraviolet radiation can advantageously be received and detected. Due to the separate design of the sensors, they can have a higher sensitivity than a sensor that covers both spectral ranges.
  • first and second optical sensor devices are combined, with receiving optics and an endoscopic image guide and a common image sensor device being provided, the outputs of the two image guides being mechanically brought together and shared on the infrared sensor and the ultraviolet sensor are shown.
  • the image sensor device has a beam splitter and an infrared bandpass filter in the optical path behind the beam splitter and in front of the infrared sensor and an ultraviolet bandpass filter in the optical path behind the beam guide and in front of the ultraviolet sensor.
  • the received radiation can be divided in an advantageous manner and directed accordingly to the infrared sensor and the ultraviolet sensor.
  • the beam splitter can, for example, almost completely reflect the (UV) light in the direction of the ultraviolet sensor below a VIS wavelength (e.g. 532 nm) and be almost completely transparent in the direction of the infrared sensor above the VIS wavelength.
  • the following bandpass filters further restrict the spectral range to be detected.
  • the infrared bandpass filter in front of the infrared sensor, it can thus be achieved that only infrared radiation, preferably only infrared radiation from a specific wavelength range, reaches the infrared sensor, so that improved detection is made possible.
  • the ultraviolet bandpass filter it can be achieved that only ultraviolet radiation, preferably only ultraviolet radiation from a specific wavelength range, reaches the ultraviolet sensor, so that the ultraviolet radiation can also be detected in an advantageous manner. This ensures that no, or at least only little, signal light (UV and IR) can be lost.
  • the ultraviolet bandpass filter is centered at 314 nm with a bandwidth of 6 nm, preferably 4 nm.
  • the so-called ultraviolet flame glow can be recognized in a particularly advantageous manner, in particular the emission of the OH* radical. This allows conclusions to be drawn about the combustion reaction zone in an advantageous manner.
  • both the first optical sensor device and the second optical sensor device can be designed with a corresponding image sensor device. Basically it is However, it is also possible for the optical sensor devices to have different image sensor devices.
  • the infrared sensor and/or the ultraviolet sensor can have a detector that has a lower resolution than the endoscopic image guide.
  • Endoscopic image guides usually have a large number of individual fibers, for example several 10,000 to several 100,000 individual fibers. If each of the signals passing through the individual fibers were to be detected individually, the computational effort for numerical processing would be correspondingly large. In addition, there is often only a small intensity per fiber. It can therefore be provided that the detector on which the end of the endoscopic image guide is imaged has a lower spatial resolution, so that the signals from several individual fibers are combined on a detection point (pixel) of the detector. For example, 4x4 individual fibers can be combined into one detection point. In principle, it is also possible to use a detector with a resolution adapted to the image guide, with several pixels being combined in software.
  • the combustion chamber according to the invention can further have a sensor device for measuring the spatially resolved temperature and/or spatially resolved emission values in the combustion chamber, preferably of the exhaust gas. Using the sensor device, additional data from the interior of the combustion chamber can be determined. The further data determined can also be used to control the burner of the combustion chamber.
  • the additional data is measured optically by the sensor device.
  • the sensor device is designed in a ring shape with several measuring heads and is arranged at one end of the combustion chamber.
  • the sensor device can advantageously move in the direction of Burner must be aligned.
  • the annular arrangement can also advantageously record data about the combustion chamber cross section. It can also be achieved that the influence on the flow through the measuring heads is as small as possible.
  • temperatures and emission values of the exhaust gas can be determined with the sensor device.
  • emission values of CO 2 , NO x , CO and the like can be determined.
  • the measurement can be carried out, for example, via laser-induced fluoresence (LIF) or tuned diode laser absorption spectroscopy (TDLAS).
  • LIF laser-induced fluoresence
  • TDLAS tuned diode laser absorption spectroscopy
  • the first sensor device is arranged on the sensor device. This means that the flame, the burner and the exhaust gas can be observed or examined at the same time and from one position.
  • the first receiving optics of the first optical sensor device is arranged at a distance from the flame zone that corresponds to the distance of the near point of the depth of field.
  • the distance to the flame zone is considered to be the distance to an ideal flame zone previously determined, preferably by calculation or by measurement. Because the near point of the depth of field corresponds to the distance, the flame zone can advantageously be optically displayed with sufficient sharpness when photographed in the UV range, while at the same time the sharpness of the burner arranged behind the flame zone or the wall surrounding the burner is for the IR recording is sufficient.
  • the first receiving optics of the first optical sensor device are arranged at a distance from the center of the burner head plate that corresponds to the object width. This allows optical Information from the burner head plate or a wall of the combustion chamber extending around it can advantageously be recorded with sufficient sharpness. Aspherical achromats can also be used as lenses for chromatic correction in order to simultaneously optimize the image sharpness for two different wavelengths (e.g. 314nm in the UV range and e.g. 1000nm in the IR range).
  • the method according to the invention for controlling a burner of a combustion chamber thus provides that spatially resolved data, preferably image data, of the interior of the combustion chamber and thus of the flame are recorded. From a first direction, which extends upstream towards the burner, ultraviolet data of the flame zone and infrared data of the burner or the area around the burner can advantageously be determined. The radial-tangential flame structure can also be determined.
  • the process is preferably used in hydrogen combustion.
  • a particularly high thermal load occurs on the burner due to the small distance between the flame position and the burner head plate, so that the spatially resolved infrared data of the burner and parts of the burner such as the burner head plate can be used in an advantageous manner to control the burner to avoid thermal overloading of the parts.
  • the method according to the invention therefore provides that an optical measurement is carried out through the flame. It has been found that with low-soot flames, such as a hydrogen flame, an optical measurement, such as temperature measurement using infrared data, can be carried out from combustion chamber parts that lie behind the flame.
  • the method according to the invention for controlling a burner of a combustion chamber can therefore also provide for spatially resolved data, preferably image data, of the interior of the combustion chamber and thus of the flame to be recorded from at least two positions. From a direction transverse to the burner axis, data regarding the axial positions of the flame zone as well as spatially resolved infrared data of the wall laterally surrounding the combustion chamber can be determined in an advantageous manner. Ultraviolet data can also be determined from the spatially resolved data on the axial position of the flame zone. Using this data, a burner of a combustion chamber can be controlled in an advantageous manner, as temperatures of the burner, parts of the burner or the wall surrounding the burner and the side combustion chamber wall can be determined and, for example, hot spots can be identified.
  • the so-called ultraviolet flame glow can be determined using the ultraviolet data, which allows the combustion to be assessed. Due to the axial position of the flame zone, instabilities in the flame can also be determined and, for example, conclusions can be drawn about the vibration behavior or flow behavior. Using this data, the burner can be controlled in an advantageous manner by using the determined data as a system response and thus as a response to the control of manipulated variables of the burner.
  • the manipulated variables of the burner can be, for example, mass flow of fuel into the burner, mass flow of air into the burner, combustion chamber pressures, preheating temperature of fuel supplied to the burner, preheating temperature of air supplied to the burner, direction of flow of fuel into the burner and/or direction of flow of air into the be a burner.
  • the setting of mechanical actuators of the burner can be used as further control variables, such as the adjustment of flaps, swirl bodies or similar, via which the aerodynamic conditions in the burner can be influenced.
  • spatially resolved temperature data of exhaust gas in the combustion chamber and/or spatially resolved emission value data of exhaust gas in the combustion chamber are also determined in the method according to the invention.
  • the temperature data and/or the emission value data can also be used as a system response to the control of the burner's manipulated variables. This allows additional data to be determined, which can be used to regulate the burner in an advantageous manner. Further data from the combustion chamber, such as pressure data, or from a turbine connected downstream of the combustion chamber, such as its efficiency, can also be used as a system response.
  • the emission value data can be obtained, for example, via laser-induced fluoresence (LIF) or tuned diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) can be determined optically or mechanically with an exhaust gas probe.
  • LIF laser-induced fluoresence
  • TDLAS tuned diode laser absorption spectroscopy
  • the control of the burner is carried out using a process model that has previously been calibrated or trained using experimental data, with a minimization or maximization of a previously established quality criterion or previously established quality criteria. Since the control of the burner is a multi-parameter problem, creating a process model and training based on experimental data is advantageous, as the relationships between the individual data and manipulated variables can be depicted in an advantageous manner using this process model.
  • process models allow model-based predictive control concepts (MPC).
  • the process model can provide a previously established quality criterion or criteria, so that the process model can be optimized by minimizing or maximizing the previously established quality criterion or criteria.
  • the process model uses the process model to calculate future behavior of the process depending on the manipulated variables. This enables the calculation of the optimal values for the manipulated variables to meet the quality criteria of the control process.
  • the quality criteria of the process model can be the deviations of the predicted system response from the measured system response, which are to be minimized for the process model.
  • the process model can, for example, be based on a previously trained first neural network.
  • Neural networks are particularly suitable for calculating multi-parameter problems, so that a process model based on a neural network can be used advantageously to control the burner.
  • the minimization or maximization of a previously defined additional quality criterion or of previously defined ones Further quality criteria are carried out via a preferably AI-based optimization process using a second neural network.
  • Known AI methods can be used for this type of burner control, for example Deep Reinforced Learning, Internal Model Control, Model Predictive Control, Feed Forward Control or similar.
  • the further quality criteria of the control can be, for example, a minimum pollutant concentration or upper limits for pollutant emissions, fluctuations in heat release, stability of the axial flame position and/or thermal load on the burner surface.
  • data such as the temperatures of the combustion chamber walls and the burner, exhaust gas temperatures, exhaust gas compositions and optical data of the flame can be determined directly.
  • further values such as temperature values and emission values but also pressure values can be determined.
  • Variables that can be derived from the values determined can also be used as a system response, such as the efficiency of a gas turbine connected downstream.
  • the method according to the invention and the combustion chamber according to the invention advantageously enable control and optimization of the burner and in particular the present invention can be used in hydrogen combustion.
  • FIG. 1 A combustion chamber 1 according to the invention is shown schematically.
  • the combustion chamber 1 has a burner 3 with a burner head plate, not shown.
  • a burner axis M runs through the center of the burner head plate.
  • the burner 3 is arranged in a combustion chamber wall 2.
  • the combustion chamber is laterally surrounded by a lateral combustion chamber wall 4.
  • the combustion chamber has a sensor system with at least a first optical sensor device 5 and a second optical sensor device 6.
  • the first optical sensor device 5 has a first receiving optics 5a with a first optical axis 7.
  • the first optical sensor device 5 is arranged in the direction of the burner axis M downstream of a flame zone 10 of the burner 3 and looks upstream, so that the sensor device is directed upstream.
  • the first optical axis 7 runs at an acute angle to the burner axis M.
  • the flame zone 10 can be recorded frontally as well as the burner 3 and at least part of the combustion chamber wall 2 surrounding the burner 3.
  • the second optical sensor device 6 has a second receiving optics 6a with a second optical axis 8 and is arranged laterally of the flame zone 10, with the second optical axis 8 being arranged transversely to the burner axis M.
  • the first and second sensor devices 5, 6 can each receive and detect infrared radiation and ultraviolet radiation.
  • the second sensor device 6 By means of the second sensor device 6, the axial position of the flame zone 10 and thus of the flame can be determined in an advantageous manner, so that, for example, vibration behavior can be inferred.
  • the temperature of the side combustion chamber walls 4 can be determined via the infrared radiation.
  • the first optical sensor device 5 can detect the infrared radiation from the burner 3 and the combustion chamber wall 2 surrounding the burner 3 and thus temperatures of these parts can be determined.
  • the so-called ultraviolet flame glow can be determined via the ultraviolet radiation flame zone 10, which can be used to determine combustion behavior based on the position of the heat release or the reaction zone.
  • the combustion chamber 1 according to the invention can also have a sensor device 11, which in the in Fig. 1 illustrated embodiment comprises an exhaust gas sensor 12. Using the exhaust gas sensor 12, various values of the exhaust gas, such as temperature or emission values, can be determined.
  • the data determined in the combustion chamber 1 according to the invention by means of the first optical sensor device 5, the second optical sensor device 6 and the sensor device 1 can be used to control the burner 3.
  • the first optical sensor device 5 can have receiving optics 5a, which are shown in detail in Fig. 5 is shown.
  • the first receiving optics 5a has a wide-angle lens whose focal length is, for example, between 8 and 12 mm. In this way they can Objects to be accommodated in the combustion chamber 1 are reduced in size to a sufficient extent. It can be provided that the first receiving optics 5a is arranged at a distance from the flame zone 10 which corresponds to the distance gn of the near point of the depth of field. Furthermore, the distance between the first receiving optics 5a and the center of the burner head plate is the object width g. In this way, both the flame zone 10 and the burner 3 or the combustion chamber wall 2 surrounding the burner 3 can be recorded with sufficient sharpness and thus displayed.
  • the first and second sensor devices 5, 6 have the advantage that the first and second receiving optics 5a, 6a only have to protrude to a small extent into the combustion chamber 1, so that the flow in the combustion chamber is only slightly influenced.
  • a combustion chamber 1 which has an expanded sensor device 11.
  • the sensor device 11 can have a plurality of measuring heads 13, which are arranged in a ring shape surrounding the combustion chamber 1 and protrude into the exhaust gas flow.
  • the annular arrangement causes only a slight influence on the flow.
  • the measuring heads 13 preferably record optically spatially resolved temperature data and emission values in the exhaust gas stream. This can be done, for example, using optical measurement techniques such as TDLAS and/or LIF. For example, CO 2 , NO x , CO or similar emissions are determined as emission values.
  • the data determined can also be used to control the burner 3.
  • a first optical sensor device 5 is shown schematically in detail.
  • the first optical sensor device 5 has a first receiving optics 5a.
  • the first receiving optics 5a has an endoscope 14 with an endoscopic image guide 15.
  • the one from the receiving optics 5a Received radiation is directed from the endoscopic image guide 15 to an image guide output 16, which is connected to an image sensor device 24.
  • the radiation is directed via a converging lens 17 onto a beam splitter in the form of a dichroic beam splitter mirror 18, whereby the radiation is split.
  • Part of the radiation is now directed to an ultraviolet sensor 19, whereas the other part is directed to an infrared sensor 20.
  • the ultraviolet sensor 19 and the infrared sensor 20 can each be imaging detectors.
  • An ultraviolet bandpass filter 21 and a focusing lens 22 are arranged in the beam path between the beam splitter mirror 18 and the ultraviolet sensor 19.
  • the ultraviolet bandpass filter 21 can be centered on a frequency of 314 nm with a bandwidth of, for example, 4 nm. The radiation thus received reproduces the ultraviolet flame glow in a particularly advantageous manner.
  • An infrared bandpass filter 23 and also a focusing lens 22 can be arranged in the beam path between the beam splitter mirror 18 and the infrared sensor 20. This means that only infrared radiation is directed to the infrared sensor 20.
  • the infrared radiation and the ultraviolet radiation can be received and detected in a particularly advantageous manner.
  • the first optical sensor device 5 is shown.
  • the second optical sensor device 6 can have the same structure as the first optical sensor device 5.
  • the first and second optical sensor devices can be combined, with receiving optics and an endoscopic image guide and a common image sensor device being provided, the outputs of the two image guides being mechanically brought together and shared on the two image sensors are depicted, whereby the reduced spatial resolution then present is accepted.
  • Fig. 5 the first receiving optics 5a of the first sensor device 5 is shown schematically.
  • the endoscopic image conductor 15 is connected to the endoscope 14, which has a tubular housing 25.
  • the image conductor end 26 of the image conductor 15 receives radiation which penetrates into the housing 25 through a radiation opening 27.
  • a lens 28 is arranged between the radiation opening 27 and the image conductor end 26, which can in particular be designed as a wide-angle lens.
  • the housing 25 can also have a cooling system (not shown) and/or a flushing system for the radiation opening 27.
  • the cooling ensures that the part of the endoscope 14 that projects into the exhaust gas stream can be sufficiently cooled.
  • Fig. 5 the first receiving optics 5a of the first optical sensor device 5 is shown.
  • the second receiving optics 6a of the second optical sensor device 6 can have the same structure.
  • the Figs. 6a and 6c show photographs of the second optical sensor device 6 and the Figs. 6b and 6d Photographs of the first optical sensor device 5.
  • Fig. 6a the axial extent of the flame zone 10 can be seen from the side. Information about the infrared radiation from the combustion chamber wall 4 is also included.
  • FIG. 6b A largely frontal view of the flame zone 10 in the axial direction, which was recorded with the first optical sensor device 5, is shown. Furthermore, infrared data was collected from the burner 3 and the combustion chamber wall 2 surrounding the burner 3 recorded. Using the infrared data, for example, so-called hotspots 29 can also be determined in which a particularly high temperature prevails. In the Figs. 6a and 6b the hotspots 29 are shown schematically.
  • the endoscopic image guide 15 can consist of a large number of individual fibers, for example several 10,000 to 100,000. These transport radiation of only low intensity. If one pixel were to be detected for each optical fiber, a relatively large amount of data would be created. It can therefore be provided that the infrared sensor 19 or the ultraviolet sensor 20 has a lower resolution than the number of image guide fibers, so that several image guide fibers each irradiate one data point of the sensor.
  • An exemplary division is in the Figs. 6c and 6d represented by the corresponding grid. In this way, the amount of data can be significantly reduced. The data reduction is particularly advantageous when controlling the burner 3, where a reaction must be made within a relatively short time, since computing times are shortened.
  • the data determined for the burner 3 according to the invention can be used advantageously to control the burner.
  • a process model can first be created and trained using the data determined by the first optical sensor device 5, the second optical sensor device 6 and the sensor device 11 as well as other experimentally determined data such as wall pressures and/or emissions.
  • the process model can be used to predict the combustion behavior depending on the set parameters (actuators) and to minimize the deviation between the predicted system response and the measured system response as a quality criterion.
  • further quality criteria in the control can now be minimized by feeding the determined data into the control process as a system response.
  • This control process changes various control variables of the burner, such as mass flow of the fuel, mass flow of air, combustion chamber pressures, preheating temperature of the fuel, preheating temperature of the air and flow direction of fuel in the burner 3 and flow direction of air in the burner 3.
  • control variables of the burner such as mass flow of the fuel, mass flow of air, combustion chamber pressures, preheating temperature of the fuel, preheating temperature of the air and flow direction of fuel in the burner 3 and flow direction of air in the burner 3.
  • Mechanical parts such as adjustable swirl bodies 3a, can be adjusted in the burner in different flow directions.
  • the control process uses the process model, for example in a model-based predictive AI control (MPC).
  • MPC model-based predictive AI control
  • combustion chamber 1 By means of the combustion chamber 1 according to the invention and the method according to the invention for controlling a burner 3 of a combustion chamber 1, a particularly advantageous regulation and optimization of combustion, in particular combustion of hydrogen, is possible.

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Abstract

Brennkammer (1) mit einem Brenner (3) mit einer Brennerachse (M), die orthogonal zu einer Brennerkopfplatte durch einen Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft, und mit einem Sensorsystem mit mindestens einer ersten optischen Sensorvorrichtung (5) mit einer ersten Empfangsoptik (5a) mit einer ersten optischen Achse (7), wobei die erste optische Sensorvorrichtung (5) in Richtung der Brennerachse (M) stromab einer Flammzone (10) des Brenners (3) mit stromaufwärts gerichteter Sensorrichtung mit der ersten optischen Achse (7) parallel zu der Brennerachse (M) oder in einem spitzen Winkel zu dieser angeordnet ist, vorzugsweise in einem Winkel kleiner 45 °, , und wobei die erste Sensorvorrichtung (5,6) Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung empfängt und detektiert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer mit einem Sensorsystem sowie ein Verfahren zur Regelung eines Brenners einer Brennkammer.
  • Bekannte Brennkammern weisen eine oder mehrere Brenner auf, mittels denen ein Brennstoff verbrannt wird, um ein heißes Abgas zu erzeugen, mittels dem über einen Wärmetauscher ein Wärmeträgermedium erwärmbar ist oder das einer Gasturbine zugeführt werden kann.
  • Bei der Brennkammer sind an den Brennkammerwänden zumeist Sensoren zur Aufnahme von Daten wie Temperaturen oder Druck angeordnet, über die eine Regelung des Brenners erfolgt.
  • Bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff entstehen allerdings aufgrund der hohen Flammengeschwindigkeit und heißer Verbrennungstemperaturen Probleme bei der Regelung eines Brenners, da thermo-akustische Instabilitäten, die Brennerkammerstrukturen zerstören können, Flammenrückschläge, Hotspots am Brenner, die zum Schmelzen führen, oder erhöhte NOx-Produktion auftreten können.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkammer mit einem verbesserten Sensorsystem bereitzustellen, mit dem vorzugsweise in vorteilhafter Weise Daten aufgenommen werden können, mittels denen auf die zuvor genannten Probleme bei der Wasserstoffverbrennung geschlossen werden können. Es ist ferner die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Regelung eines Brenners einer Brennkammer bereitzustellen, wobei vorzugsweise die zuvor genannten Probleme in vorteilhafter Weise durch die Regelung berücksichtigt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Brennkammer ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 10.
  • Die erfindungsgemäße Brennkammer mit mindestens einem Brenner mit einer Brennerachse, die orthogonal zu einer Brennerkopfplatte durch einen Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft, weist ein Sensorsystem mit mindestens einer ersten optischen Sensorvorrichtung. Die erste optische Sensorvorrichtung weist eine erste Empfangsoptik mit einer ersten optischen Achse auf. Die erste optische Sensorvorrichtung ist in Richtung der Brennerachse stromab einer Flammzone des Brenners mit stromaufwärts gerichteter Sensorrichtung angeordnet, wobei die erste optische Achse parallel zu der Brennerachse oder in einem spitzen Winkel zu dieser angeordnet ist. Die optische Achse kann zu der Brennerachse in einem Winkel kleiner 45° angeordnet sein. Die erste optische Sensorvorrichtung empfängt und detektiert Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass die erste optische Sensorvorrichtung von stromabwärts auf die Flammzone und den Brenner bzw. eine den Brenner umgebende Wand blickt. Über die mittels der ersten optischen Sensorvorrichtung detektierten infrarot-Strahlung kann das Infrarot-Spektrum des Brenners bzw. der den Brenner umgebenden Wand aufgenommen werden, um damit beispielsweise eine räumlich aufgelöste Temperatur zu ermitteln, wodurch Hot-Spots ermittelt werden können. Über die Ultraviolett-Strahlung kann das sogenannte Ultraviolett-Flammenleuchten der Flamme aufgenommen werden, wodurch die Verbrennung beurteilt werden kann. Das Ultraviolett-Flammenleuchten wird durch die UV-Strahlung des OH*-Radikals hervorgerufen, der als Marker für chemische Verbrennungsprozesse dient. Mittels der ersten optische Sensorvorrichtung lässt sich im UV-Bereich insbesondere die radial-tangentiale Flammenstruktur bestimmen, und somit die Lage der Wärmefreisetzung bzw. der Reaktionszone. Durch eine Messung aus einer Richtung sowohl im Infrarot- als auch im Ultraviolettspektrum, die vorzugsweise simultan erfolgt, kann in vorteilhafter in zwei unterschiedlichen Distanzen, beispielsweise einerseits die Flammzone und anderseits die dahinter liegende Wand, eine Messung erfolgen. Dadurch können auf besonders ökonomische Weise Daten in der Brennkammer aufgenommen werden..
  • Vorzugsweise weist das Sensorsystem mindestens eine zweite optische Sensorvorrichtung auf und die zweite optische Sensorvorrichtung eine zweite Empfangsoptik mit einer zweiten optischen Achse Die zweite optische Sensorvorrichtung kann in einem Bereich seitlich der Flammzone mit der zweiten optischen Achse quer zu der Brennerachse angeordnet sein. Die die zweite optische Sensorvorrichtung empfängt und detektiert Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung.
  • Mittels der zweiten Sensorvorrichtung, dessen zweite optische Achse vorzugsweise orthogonal zu der Brennerachse verläuft, kann aufgrund der seitlichen Position die Verbrennung von der Seite beobachtet werden und somit die axiale Lage der Flamme. Dadurch kann beispielsweise auf das Schwingungsverhalten oder Strömungsverhalten geschlossen werden. Darüber hinaus kann über das Empfangen und Detektieren der Infrarot-Strahlung Wärmestrahlung der seitlichen Brennkammerwände empfangen werden, wodurch Hot-Spots in diesem Bereich der Brennkammer ermittelbar sind.
  • Die Erfindung sieht somit vor, dass eine optische Messung im IR-Bereich durch die Flamme hindurch vorgenommen wird. Es hat sich herausgestellt, dass bei rußarmen Flammen, wie beispielsweise einer Wasserstoff-Flamme, das Sensorsystem durch die Flamme "schauen" kann, so dass eine optische Messung, wie beispielsweise Temperaturmessung, von Brennkammerteilen, die entlang der optischen Achse der ersten oder zweiten optischen Sensorvorrichtung hinter der Flamme liegen, erfolgen kann.
  • Die mittels des Sensorsystems ermittelten Daten können in vorteilhafter Weise für die Regelung des mindestens einen Brenners verwendet werden. Durch die Ausgestaltung des Sensorsystems der Erfindung mit der ersten und zweiten optischen Sensorvorrichtung lässt sich darüber hinaus mit vorrichtungstechnisch geringem Aufwand eine Vielzahl von Daten der Brennkammer und der Flamme aufnehmen, über die beispielsweise eine Reglung des Brenners möglich ist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Empfangsoptik ein Weitwinkelobjektiv, beispielsweise mit einer Brennweite zwischen 8 und 12 mm, aufweist. Die Verwendung einer derartigen Empfangsoptik ermöglicht eine erwünschte Verkleinerung bei der Abbildung des Inneren der Brennkammer auf eine Bildsensorfläche (Kamerachip oder Bildleiter), wie beispielsweise des Brenners und der Flamme. Dadurch können auch bei relativ geringen Abständen in der Brennkammer, die beispielsweise zwischen 10 und 100 cm betragen, und auch von Objekten, wie dem Brenner und die Flamme in dieser Größenordnung, in vorteilhafter Weise optische Daten aufgenommen werden und insbesondere ermöglicht die erste und zweite Empfangsoptik, dass Daten von einem großen Bereich der Brennkammer gleichzeitig empfangen und detektiert werden können.
  • In einem, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Empfangsöffnung ein Endoskop mit einem endoskopischen Bildleiter aufweist bzw. aufweisen. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Sensorsystem in vorteilhafter Weise an der Brennkammer angeordnet werden. Es ist lediglich notwendig, dass ein eine Empfangsöffnung aufweisender Messkopf des Endoskops der ersten bzw. der zweiten Empfangsoptik in die Brennkammer ragt. Die empfangenen Bildinformationen können dann über den endoskopischen Bildleiter an die Empfangselektronik des Sensorsystems, wie beispielsweise eine Bildsensorvorrichtung, mit entsprechenden Sensoren, weitergeleitet werden. Dadurch können diese empfindlichen Teile gegenüber Hitze geschützt außerhalb der Brennkammer angeordnet sein. Darüber hinaus kann erreicht werden, dass der in die Brennkammer ragende Teil der ersten und/oder zweiten Empfangsoptik relativ klein gehalten werden kann, sodass eine Beeinflussung der Strömung in der Brennkammer gering ist. Ferner kann eine als Endoskop ausgebildete Empfangsoptik in vorteilhafter Weise gegen die hohen Temperaturen in der Kammer durch ein entsprechendes Gehäuse und Kühlung des Messkopfes geschützt werden.
  • Die erste Sensorvorrichtung kann eine Bildsensorvorrichtung aufweisen, die vorzugsweise eine Empfindlichkeit in einem Spektralbereich zwischen 200 nm und 2 µm aufweist. Die zweite optische Sensorvorrichtung kann eine vergleichbare Bildsensorvorrichtung aufweisen. Mit einer derartigen Bildsensorvorrichtung ist es in vorteilhafter Weise möglich, Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung zu empfangen und zu detektieren. Der Bildleiter kann eine entsprechende hohe Transmission in diesem Spektralbereich zwischen 200 nm und 2 µm besitzen.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass die Bildsensorvorrichtung einen Infrarot-Sensor und einen Ultraviolett-Sensor aufweist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass der Infrarot-Sensor und/oder der Ultraviolett-Sensor bildgebend sind. Durch einen bildgebenden Sensor können in vorteilhafter Weise räumlich aufgelöste Daten empfangen und ausgewertet werden. Dadurch, dass die Bildsensorvorrichtung jeweils einen Infrarot-Sensor und einen Ultraviolett-Sensor aufweist, können in vorteilhafter Weise Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung empfangen und detektiert werden. Durch die getrennte Ausgestaltung der Sensoren können diese eine höhere Empfindlichkeit aufweisen als ein Sensor, der beide Spektralbereiche umfasst.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die erste und zweite optische Sensorvorrichtung kombiniert sind, wobei jeweils eine Empfangsoptik und eine endoskopischen Bildleiter und eine gemeinsame Bildsensorvorrichtung vorgesehen sind wobei die Ausgänge der beiden Bildleiter mechanisch zusammengeführt und gemeinsam auf dem Infrarot-Sensor und dem Ultraviolett-Sensor abgebildet sind.
  • Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Bildsensorvorrichtung einen Strahlteiler und im optischen Weg hinter dem Strahlteiler und vor dem Infrarot-Sensor einen Infrarot-Bandpassfilter und im optischen Weg hinter dem Strahlleiter und vor dem Ultraviolett-Sensor einen Ultraviolett-Bandpassfilter aufweist. Mittels des Strahlteilers können die empfangenen Strahlungen in vorteilhafter Weise geteilt und entsprechend auf den Infrarot-Sensor und den Ultraviolett-Sensor gerichtet werden. Der Strahlteiler kann z.B. unterhalb einer VIS-Wellenlänge (z.B. 532 nm) nahezu vollständig das (UV) Licht in Richtung des Ultraviolett-Sensors reflektieren und oberhalb der VIS-Wellenlänge in Richtung Infrarot -Sensor nahezu vollständig transparent sein. Die folgenden Bandpassfilter schränken den zu detektierenden Spektralbereich weiter ein. Mittels des Infrarot-Bandpassfilters vor dem Infrarot-Sensor kann somit erreicht werden, dass nur Infrarot-Strahlung, vorzugsweise nur Infrarot-Strahlung aus einem bestimmten Wellenlängenbereich, auf den Infrarot-Sensor gelangt, sodass eine verbesserte Detektion ermöglicht wird. Mittels des Ultraviolett-Bandpassfilters kann erreicht werden, dass nur Ultraviolett-Strahlung, vorzugsweise nur Ultraviolett-Strahlung aus einem bestimmten Wellenlängenbereich, den Ultraviolett-Sensor erreicht, sodass auch die Ultraviolett-Strahlung in vorteilhafter Weise detektiert werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass kein oder zumindest nur wenig Signallicht (UV und IR) verloren gehen kann.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass der Ultraviolett-Bandpassfilter auf 314 nm mit einer Bandbreite von 6 nm, vorzugsweise 4 nm, zentriert ist. Im Bereich von 314 nm lässt sich in besonders vorteilhafter Weise das sogenannte Ultraviolett-Flammenleuchten erkennen, insbesondere die Emission des OH*-Radikals. Dadurch können in vorteilhafter Weise Rückschlüsse auf die Reaktionszone der Verbrennung getroffen werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem können sowohl die erste optische Sensorvorrichtung als auch die zweite optische Sensorvorrichtung mit einer entsprechenden Bildsensorvorrichtung ausgestaltet sein. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die optischen Sensorvorrichtungen unterschiedliche Bildsensorvorrichtungen aufweisen.
  • In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennkammer kann der Infrarot-Sensor und/oder der Ultraviolett-Sensor einen Detektor aufweisen, der eine geringere Auflösung aufweist als der endoskopische Bildleiter. Üblicherweise haben endoskopische Bildleiter eine Vielzahl von Einzelfasern, beispielsweise mehrere 10.000 bis mehrere 100.000 Einzelfasern. Wenn jedes der durch die Einzelfasern gehende Signale einzeln detektiert werden würde, wäre der Rechenaufwand für die numerische Verarbeitung entsprechend groß. Darüber hinaus ist pro Faser häufig nur eine kleine Intensität vorhanden. Daher kann vorgesehen sein, dass der Detektor, auf dem das Ende des endoskopischen Bildleiters abgebildet wird, eine geringere räumliche Auflösung aufweist, sodass die Signale mehrere Einzelfasern auf einem Detektionspunkt (Pixel) des Detektors zusammengefasst werden. Beispielsweise können 4x4 Einzelfasern auf einen Detektionspunkt zusammengefasst werden. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, einen Detektor mit einer an den Bildleiter angepassten Auflösung zu verwenden, wobei das Zusammenfassen mehrerer Pixel softwareseitig erfolgt.
  • Die erfindungsgemäße Brennkammer kann ferner eine Sensoreinrichtung zur Messung der räumlich aufgelösten Temperatur und/oder räumlich aufgelöste Emissionswerte in der Brennkammer, vorzugsweise des Abgases aufweisen. Mittels der Sensoreinrichtung können somit zusätzlich Daten aus dem Brennkammerinneren ermittelt werden. Die weiteren ermittelten Daten können ebenfalls für eine Regelung des Brenners der Brennkammer verwendet werden.
  • Vorzugsweise werden die zusätzlichen Daten von der Sensoreinrichtung optisch gemessen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Sensoreinrichtung ringförmig mit mehreren Messköpfen ausgebildet ist und an einem Ende der Brennkammer angeordnet ist. Dadurch kann die Sensoreinrichtung in vorteilhafter Weise in Richtung des Brenners ausgerichtet sein. Auch können durch die ringförmige Anordnung in vorteilhafter Weise über den Brennkammerquerschnitt Daten aufgenommen werden. Auch kann erreicht werden, dass die Beeinflussung der Strömung durch die Messköpfe möglichst gering ist.
  • Mit der Sensoreinrichtung können insbesondere Temperaturen und Emissionswerte des Abgases ermittelt werden. Beispielsweise können Emissionswerte von CO2, NOx, CO und ähnlichem ermittelt werden.
  • Die Messung kann beispielsweise über laser-induced fluoresence (LIF) oder tuned diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) erfolgen.
  • Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass die erste Sensorvorrichtung an der Sensoreinrichtung angeordnet ist. Dadurch können dann gleichzeitig und von einer Position aus die Flamme, der Brenner sowie das Abgas beobachtet bzw. untersucht werden.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Empfangsoptik der ersten optischen Sensorvorrichtung mit einem Abstand zu der Flammzone angeordnet ist, der dem Abstand des Nahpunkts der Tiefenschärfe entspricht. Als Abstand zu der Flammzone wird dabei der Abstand zu einer zuvor vorzugsweise rechnerisch oder durch Vermessung ermittelten idealen Flammzone angesehen. Dadurch, dass der Nahpunkt der Tiefenschärfe dem Abstand entspricht, kann die Flammzone in vorteilhafter Weise mit einer ausreichenden Schärfe bei der Aufnahme im UV-Bereich optisch dargestellt werden, wobei gleichzeitig die Schärfe des hinter der Flammzone angeordneten Brenners oder der den Brenner umgebenden Wand für die IR-Aufnahme ausreichend ist.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass die erste Empfangsoptik der ersten optischen Sensorvorrichtung mit einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Brennerkopfplatte angeordnet ist, der der Gegenstandsweite entspricht. Dadurch können optische Informationen von der Brennerkopfplatte oder einer sich darum erstreckenden Wand der Brennkammer in vorteilhafter Weise mit einer ausreichenden Schärfe aufgenommen werden. Es können auch asphärische Achromate zur chromatischen Korrektur als Objektive eingesetzt werden, um die Abbildungsschärfe für zwei verschiedene Wellenlängen (z.B. 314nm im UV-Bereich und z.B. 1000nm im IR-Bereich) simultan zu optimieren.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung eines Brenners einer Brennerkammer mit einer Brennerachse, die orthogonal zu einer Brennerkopfplatte durch den Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft, vorzugsweise der zuvor beschriebenen Brennkammer, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    • Ermitteln von räumlich aufgelösten Ultraviolett-Daten einer Flammzone des Brenners aus einer Richtung parallel zu der Brennerachse oder einer Richtung in einem spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner 45°, zu der Brennerachse,
    • Ermitteln von räumlich aufgelösten Infrarot-Daten des Brenners, von Teilen des Brenners und/oder einer den Brenner umgebenden Wand aus einer Richtung parallel zu der Brennerachse oder einer Richtung in einem spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner 45°, zu der Brennerachse,
    • Verwenden der ermittelten Daten als Systemantwort auf die Regelung von Stellgrößen des Brenners.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Brenners einer Brennkammer sieht somit vor, dass von räumlich aufgelösten Daten, vorzugsweise Bilddaten des Inneren der Brennkammer und somit der Flamme aufgenommen werden. Aus einer ersten Richtung, die sich stromaufwärts in Richtung auf den Brenner erstreckt, können in vorteilhafter Weise Ultraviolett-Daten der Flammzone und Infrarot-Daten des Brenners bzw. des Bereichs um den Brenner ermittelt werden. Auch kann die radial-tangentiale Flammenstruktur bestimmt werden.
  • Vorzugsweise wird das Verfahren bei einer Wasserstoff-Verbrennung eingesetzt. Dabei tritt eine besonders hohe thermische Belastung des Brenners aufgrund des geringen Abstandes des Flammenlage zur Brennerkopfplatte auf, so dass die räumlich aufgelösten Infrarot-Daten des Brenners und von Teilen des Brenners wie der Brennerkopfplatte in vorteilhafter Weise genutzt werden können, um durch die Regelung des Brenners eine thermische Überlastung der Teile zu vermeiden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit vor, dass eine optische Messung durch die Flamme hindurch vorgenommen wird. Es hat sich herausgestellt, dass bei rußarmen Flammen, wie beispielsweise einer Wasserstoff-Flamme, eine optische Messung, wie beispielsweise Temperaturmessung mittels Infrarotdaten, von Brennkammerteile die hinter der Flamme liegen, erfolgen kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner folgende Schritte vorsehen:
    • Ermitteln von räumlich aufgelösten Ultraviolett-Daten der axialen Lage der Flammzone aus einer Richtung quer zu der Brennerachse,
    • Ermitteln von räumlich aufgelösten Infrarot-Daten einer seitlichen Brennkammerwand,
      wobei die ermittelten Daten zusätzlich als Systemantwort auf die Regelung von Stellgrößen des Brenners verwendet werden
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Brenners einer Brennkammer kann somit auch vorsehen, dass von zumindest zwei Positionen aus räumlich aufgelöste Daten, vorzugsweise Bilddaten des Inneren der Brennkammer und somit der Flamme aufgenommen werden. Aus einer Richtung quer zu der Brennerachse können in vorteilhafter Weise Daten bzgl. der axialen Lagen der Flammzone sowie räumlich aufgelöste Infrarot-Daten der die Brennkammer seitlich umgebenden Wand ermittelt werden. Bei den räumlich aufgelösten Daten der axialen Lage der Flammzone können ebenfalls Ultraviolett-Daten ermittelt werden. Mittels dieser Daten lässt sich ein Brenner einer Brennkammer in vorteilhafter Weise regeln, da Temperaturen des Brenners, Teilen des Brenners oder der den Brenner umgebenden Wand sowie der seitlichen Brennkammerwand ermittelbar sind und beispielsweise Hot-Spots identifizierbar sind. Darüber hinaus kann mittels der Ultraviolett-Daten das sogenannte Ultraviolett-Flammenleuchten ermittelt werden, wodurch die Verbrennung beurteilt werden kann. Durch die axiale Lage der Flammzone können darüber hinaus Instabilitäten in der Flamme festgestellt und beispielsweise auf das Schwingungsverhalten oder Strömungsverhalten geschlossen werden. Mittels dieser Daten kann in vorteilhafter Weise eine Regelung des Brenners erfolgen, indem die ermittelten Daten als Systemantwort verwendet werden und somit als eine Rückantwort auf die Regelung von Stellgrößen des Brenners.
  • Die Stellgrößen des Brenners können beispielsweise Massenstrom von Brennstoff in den Brenner, Massenstrom von Luft in den Brenner, Brennkammerdrücke, Vorheiztemperatur von dem Brenner zugeführten Brennstoff, Vorheiztemperatur von dem Brenner zugeführter Luft, Strömungsrichtung von Brennstoff in den Brenner und/oder Strömungsrichtung von Luft in den Brenner sein.
  • Als weitere Stellgrößen können beispielsweise die Einstellung von mechanischen Stellglieder des Brenners verwendet werden, wie beispielsweise die Verstellung von Klappen, Drallkörper oder ähnlichen, über die die aerodynamischen Verhältnisse in dem Brenner beeinflussbar sind.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem erfindungsgemäßen Verfahren ferner räumlich aufgelöste Temperaturdaten von Abgas in der Brennkammer und/oder räumlich aufgelöste Emissionswertdaten von Abgas in der Brennkammer ermittelt werden. Die Temperaturdaten und/oder die Emissionswertdaten können zusätzlich als Systemantwort auf die Regelung der Stellgrößen des Brenners verwendet werden. Dadurch können zusätzliche Daten ermittelt werden, über die die Regelung des Brenners in vorteilhafter Weise möglich ist. Auch können weitere Daten der Brennkammer, wie beispielsweise Druckdaten, oder auch einer der Brennkammer nachgeschalteten Turbine, wie beispielsweise deren Wirkungsgrad, als Systemantwort verwendet werden. Die Emissionswertdaten können beispielsweise über laser-induced fluoresence (LIF) oder tuned diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) optisch oder mit einer Abgassonde mechanisch ermittelt werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Regelung des Brenners unter Nutzung eines Prozessmodells durchgeführt wird, das zuvor anhand experimentaler Daten kalibriert bzw. trainiert wurde, wobei eine Minimierung oder Maximierung eines zuvor festgelegten Gütekriteriums oder von zuvor festgelegten Gütekriterien erfolgt. Da die Regelung des Brenners ein Multiparameterproblem ist, ist die Erstellung eines Prozessmodells und Trainieren anhand experimenteller Daten von Vorteil, da über dieses Prozessmodells die Zusammenhänge der einzelnen Daten und Stellgrößen in vorteilhafter Weise abgebildet werden können. Zusätzlich erlauben Prozessmodelle modell-basierte prädiktive Regelkonzepte (MPC). Das Prozessmodell kann ein zuvor festgelegtes Gütekriterium oder zuvor festgelegte Gütekriterien vorsehen, sodass eine Optimierung des Prozessmodells durch eine Minimierung oder Maximierung des zuvor festgelegten Gütekriteriums oder der zuvor festgelegten Gütekriterien erfolgen kann. Mittels des Prozessmodells wird ein zukünftiges Verhalten des Prozesses in Abhängigkeit von den Stellgrößen numerisch vorhergesagt. Dies ermöglicht die Berechnung der optimalen Werte für die Stellgrößen zur Erfüllung der Gütekriterien des Regelungsprozesses. Die Gütekriterien des Prozessmodells können die Abweichungen der vorhergesagten Systemantwort zu der gemessenen Systemantwort sein, die für das Prozessmodell zu minimieren sind.
  • Das Prozessmodell kann beispielsweise auf einem zuvor trainierten ersten neuronalem Netz basieren. Neuronale Netze eignen sich besonders für die Berechnung von Multiparameterproblemen, sodass ein Prozessmodell, dass auf einem neuronalem Netz basiert, in vorteilhafter Weise für die Regelung des Brenners verwendet werden kann.
  • Bei der Regelung des Brenners, vorzugsweise unter Verwendung des trainierten Prozessmodells, kann vorgesehen sein, dass die Minimierung oder Maximierung eines zuvor festgelegten weiteren Gütekriteriums oder von zuvor festgelegten weiteren Gütekriterien über ein vorzugsweise KI-basiertes Optimierungsverfahren mittels eines zweiten neuronalen Netzes erfolgt. Bei dieser Art von Regelung des Brenners können bekannte Verfahren der KI verwendet werden, beispielsweise Deep Reinforced Learning, Internal Model Control, Model Predicitve Control, Feed Forward Control oder ähnliches. Die weiteren Gütekriterien der Regelung können beispielsweise eine minimale Schadstoffkonzentration bzw. Obergrenzen für Schadstoff-Emissionen, Fluktuationen der Wärmefreisetzung, Stabilität der axialen Flammenposition und/oder thermische Belastung der Brenneroberfläche sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Brennkammer können Daten wie beispielsweise die Temperaturen der Brennkammerwände und des Brenners, Abgastemperaturen, Abgaszusammensetzungen und optische Daten der Flamme direkt ermittelt werden. Mittels der Sensoreinrichtung können weitere Werte wie beispielsweise Temperaturwerte und Emissionswerte aber auch Druckwerte ermittelt werden. Aus den ermittelten Werten können als Systemantwort auch daraus ableitbare Größen wie beispielsweise der Wirkungsgrad einer dahinter geschalteten Gasturbine verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Brennkammer ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Regelung und Optimierung des Brenners und insbesondere kann die vorliegende Erfindung bei der Wasserstoffverbrennung eingesetzt werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennkammer,
    Fig. 2
    eine schematische Detaildarstellung bzgl. der Anordnung der ersten optischen Sensorvorrichtung,
    Fig. 3
    eine Detaildarstellung der Sensoreinrichtung,
    Fig. 4
    eine schematische Detaildarstellung der ersten Sensorvorrichtung,
    Fig. 5
    eine schematische Detaildarstellung eines Sensorkopfes der ersten optischen Sensorvorrichtung und
    Fig. 6a-6d
    schematische Darstellungen der mittels der ersten und zweiten Sensorvorrichtung aufgenommenen Bilddaten.
  • In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß Brennkammer 1 schematisch dargestellt. Die Brennkammer 1 weist einen Brenner 3 mit einer nicht dargestellten Brennerkopfplatte auf. Durch den Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft eine Brennerachse M.
  • Der Brenner 3 ist in einer Brennkammerwand 2 angeordnet. Seitlich ist die Brennkammer von einer seitlichen Brennkammerwand 4 umgeben.
  • Die Brennkammer weist ein Sensorsystem auf, mit mindestens einer ersten optischen Sensorvorrichtung 5 und einer zweiten optischen Sensorvorrichtung 6.
  • Die erste optische Sensorvorrichtung 5 weist eine erste Empfangsoptik 5a mit einer ersten optischen Achse 7 auf. Die erste optische Sensorvorrichtung 5 ist in Richtung der Brennerachse M stromab einer Flammzone 10 des Brenners 3 angeordnet und blickt stromaufwärts, sodass die Sensorvorrichtung stromaufwärts gerichtet ist. Die erste optische Achse 7 verläuft dabei in einem spitzen Winkel zu der Brennerachse M. Somit kann mittels der ersten optischen Sensorvorrichtung 5 die Flammzone 10 frontal sowie der Brenner 3 und zumindest ein Teil der den Brenner 3 umgebenden Brennkammerwand 2 aufgenommen werden.
  • Die zweite optische Sensorvorrichtung 6 weist eine zweite Empfangsoptik 6a mit einer zweiten optischen Achse 8 auf und ist seitlich der Flammzone 10 angeordnet, wobei die zweite optische Achse 8 quer zu der Brennerachse M angeordnet ist.
  • Die erste und die zweite Sensorvorrichtung 5, 6 können jeweils Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung empfangen und detektieren. Mittels der zweiten Sensorvorrichtung 6 lässt sich die axiale Lage der Flammzone 10 und somit der Flamme in vorteilhafter Weise ermitteln, sodass beispielsweise auf ein Schwingungsverhalten geschlossen werden kann. Über die Infrarot-Strahlung kann die Temperatur der seitlichen Brennkammerwände 4 bestimmt werden. Die erste optische Sensorvorrichtung 5 kann die Infrarot-Strahlung von dem Brenner 3 und der den Brenner 3 umgebenden Brennkammerwand 2 detektieren und somit können Temperaturen dieser Teile ermittelt werden. Über die Ultraviolett-Strahlung Flammzone 10 kann das sogenannte Ultraviolett-Flammenleuchten bestimmt werden, worüber anhand der Lage der Wärmefreisetzung bzw. der Reaktionszone auf ein Verbrennungsverhalten geschlossen werden kann. Die erfindungsgemäße Brennkammer 1 kann ferner eine Sensoreinrichtung 11 aufweisen, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Abgassensor 12 umfasst. Mittels des Abgassensors 12 können verschiedene Werte des Abgases, wie beispielsweise Temperatur oder Emissionswerten ermittelt werden.
  • Die in der erfindungsgemäßen Brennkammer 1 mittels der ersten optischen Sensorvorrichtung 5, der zweiten optischen Sensorvorrichtung 6 und der Sensoreinrichtung 1 ermittelten Daten können für die Regelung des Brenners 3 verwendet werden.
  • Die erste optische Sensorvorrichtung 5 kann eine Empfangsoptik 5a aufweisen, die im Detail in Fig. 5 dargestellt ist.
  • Die erste Empfangsoptik 5a weist ein Weitwinkelobjektiv auf, dessen Brennweite beispielsweise zwischen 8 und 12 mm beträgt. Auf diese Weise können die aufzunehmenden Objekte der Brennkammer 1 in ausreichendem Maße verkleinert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Empfangsoptik 5a mit einem Abstand zu der Flammzone 10 angeordnet ist, der dem Abstand gn des Nahpunkts der Tiefenschärfe entspricht. Ferner beträgt der Abstand der ersten Empfangsoptik 5a zu dem Mittelpunkt der Brennerkopfplatte der Gegenstandsweite g. Auf diese Weise können sowohl die Flammzone 10 als auch der Brenner 3 bzw. die den Brenner 3 umgebende Brennkammerwand 2 mit einer ausreichenden Schärfe aufgenommen und somit dargestellt werden.
  • Die erste und zweite Sensorvorrichtung 5, 6 haben den Vorteil, dass die erste und zweite Empfangsoptik 5a, 6a nur in geringem Maße in die Brennkammer 1 hineinragen muss, sodass nur eine geringe Beeinflussung der Strömung in der Brennkammer erfolgt.
  • In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Brennkammer 1 dargestellt, die eine erweiterte Sensoreinrichtung 11 aufweist. Neben dem Abgassensor 12 kann die Sensoreinrichtung 11 eine Vielzahl von Messköpfen 13 aufweisen, die ringförmig die Brennkammer 1 umgebend angeordnet sind und in den Abgasstrom ragen. Durch die ringförmige Anordnung wird nur eine geringe Beeinflussung der Strömung hervorgerufen. Die Messköpfe 13 erfassen vorzugsweise optisch räumlich aufgelöste Temperaturdaten und Emissionswerte im Abgasstrom. Dies kann beispielsweise über optische Messtechniken wie beispielsweise TDLAS und/oder LIF erfolgen. Als Emissionswerte werden beispielsweise CO2, NOx, CO oder ähnliche Emissionen ermittelt.
  • Die ermittelten Daten können ebenfalls für die Regelung des Brenners 3 verwendet werden.
  • In Fig. 4 ist eine erste optische Sensorvorrichtung 5 schematisch im Detail dargestellt. Die erste optische Sensorvorrichtung 5 weist eine erste Empfangsoptik 5a auf. Die erste Empfangsoptik 5a weist ein Endoskop 14 mit einem endoskopischen Bildleiter 15 auf. Die von der Empfangsoptik 5a empfangene Strahlung wird von dem endoskopischen Bildleiter 15 zu einem Bildleiterausgang 16, der mit einer Bildsensorvorrichtung 24 verbunden ist, geleitet. In der Bildsensorvorrichtung 24 wird die Strahlung über eine Sammellinse 17 auf einen Strahlteiler in Form eines dichroitischen Strahlteilerspiegel 18 gelenkt, wodurch die Strahlung aufgeteilt wird. Ein Teil der Strahlung wird nun auf einen Ultraviolett-Sensor 19 gelenkt, wohingegen der andere Teil auf einen Infrarot-Sensor 20 gelenkt wird. Der Ultraviolett-Sensor 19 und der Infrarot-Sensor 20 können jeweils bildgebende Detektoren sein.
  • Im Strahlengang zwischen dem Strahlteilerspiegel 18 und dem Ultraviolett-Sensor 19 ist ein Ultraviolett-Bandpassfilter 21 und eine fokussierende Linse 22 angeordnet. Der Ultraviolett-Bandpassfilter 21 kann auf eine Frequenz von 314 nm zentriert sein mit einer Bandbreite von beispielsweise 4 nm. Die somit empfangene Strahlung gibt in besonders vorteilhafter Weise das Ultraviolett-Flammenleuchten wieder.
  • In dem Strahlengang zwischen den Strahlteilerspiegel 18 und dem Infrarot-Sensor 20 kann ein Infrarot-Bandpassfilter 23 und ebenfalls eine fokussierende Linse 22 angeordnet sein. Somit wird ausschließlich Infrarot-Strahlung auf den Infrarot-Sensor 20 geleitet.
  • Mittels dieser Bildsensorvorrichtung 24 lässt sich die Infrarot-Strahlung und die Ultraviolett-Strahlung in besonders vorteilhafter Weise empfangen und detektieren.
  • In Fig. 4 ist die erste optische Sensorvorrichtung 5 dargestellt. Die zweite optische Sensorvorrichtung 6 kann den gleichen Aufbau wie die erste optische Sensorvorrichtung 5 aufweisen. Grundsätzlich ist es auch möglich, das die erste und zweite optische Sensorvorrichtung kombiniert sind, wobei jeweils eine Empfangsoptik und eine endoskopischen Bildleiter und eine gemeinsame Bildsensorvorrichtung vorgesehen sind wobei die Ausgänge der beiden Bildleiter mechanisch zusammengeführt und gemeinsam auf den beiden Bildsensoren abgebildet sind, wobei die dann vorliegende reduzierte räumliche Auflösung hingenommen wird.
  • In Fig. 5 ist die erste Empfangsoptik 5a der ersten Sensorvorrichtung 5 schematisch dargestellt. An das Endoskop 14, das ein rohrförmiges Gehäuse 25 aufweist, ist der endoskopische Bildleiter 15 angeschlossen. Das Bildleiterende 26 des Bildleiters 15 empfängt Strahlung, die durch eine Strahlungsöffnung 27 in das Gehäuse 25 eindringt. Zwischen der Strahlungsöffnung 27 und dem Bildleiterende 26 ist ein Objektiv 28 angeordnet, das insbesondere als Weitwinkelobjektiv ausgebildet sein kann.
  • Das Gehäuse 25 kann ferner eine nicht dargestellte Kühlung und/oder einer Spülung für die Strahlungsöffnung 27 aufweisen. Über die Kühlung wird sichergestellt, dass der in den Abgasstrom ragende Teil des Endoskops 14 in ausreichendem Maße gekühlt werden kann.
  • In Fig. 5 ist die erste Empfangsoptik 5a der ersten optischen Sensorvorrichtung 5 dargestellt. Grundsätzlich kann die zweite Empfangsoptik 6a der zweiten optischen Sensorvorrichtung 6 von gleichem Aufbau sein.
  • In den Fign. 6a bis 6d sind Bildaufnahmen, die mittels der ersten und zweiten optischen Sensorvorrichtung 5, 6 aufgenommen wurden, schematisch dargestellt.
  • Die Fign. 6a und 6c zeigen Aufnahmen der zweiten optischen Sensorvorrichtung 6 und die Fign. 6b und 6d Aufnahmen der ersten optischen Sensorvorrichtung 5.
  • In den Fig. 6a ist die axiale Erstreckung der Flammzone 10 von der Seite zu sehen. Ferner sind Informationen über die Infrarot-Strahlung der Brennkammerwand 4 enthalten. In der Fig. 6b ist ein zum größten Teil frontaler Blick auf die Flammzone 10 in axialer Richtung, der mit der ersten optischen Sensorvorrichtung 5 aufgenommen wurde, gezeigt. Ferner wurden Infrarot-Daten von dem Brenner 3 und der den Brenner 3 umgebenden Brennkammerwand 2 aufgenommen. Mittels der Infrarot-Daten können beispielsweise auch sogenannte Hotspots 29 ermittelt werden, in denen eine besonders hohe Temperatur herrscht. In den Fign. 6a und 6b sind die Hotspots 29 schematisch dargestellt.
  • Der endoskopische Bildleiter 15 kann aus einer Vielzahl von Einzelfasern bestehen, beispielsweise mehrere 10.000 bis 100.000. Diese transportieren Strahlung von nur geringer Intensität. Würde nun für jede optische Faser ein Bildpunkt detektiert werden, entstünde eine relativ große Datenmenge. Daher kann vorgesehen sein, dass der Infrarot-Sensor 19 oder der Ultraviolett-Sensor 20 eine geringere Auflösung aufweist als die Anzahl der Bildleiterfasern, sodass mehrere Bildleiterfasern jeweils einen Datenpunkt des Sensors bestrahlen. Eine beispielhafte Aufteilung ist in den Fign. 6c und 6d durch das entsprechende Raster dargestellt. Auf diese Weise kann die Datenmenge deutlich reduziert werden. Insbesondere bei der Regelung des Brenners 3, bei dem innerhalb relativ kurzer Zeit reagiert werden muss, ist die Datenreduzierung von Vorteil, da Rechenzeiten verkürzt werden. Die bei dem erfindungsgemäß Brenner 3 ermittelten Daten können in vorteilhafter Weise für die Steuerung des Brenners verwendet werden. Dazu kann zunächst ein Prozessmodell erstellt und mittels der von der ersten optischen Sensorvorrichtung 5, der zweiten optischen Sensorvorrichtung 6 und der Sensoreinrichtung 11 ermittelten Daten sowie weiteren experimentell ermittelten Daten wie bspw. Wanddrücke und/oder Emissionen trainiert werden. Über das Prozessmodell kann das Verbrennungsverhalten in Abhängigkeit der eingestellten Parameter (Stellglieder) vorhersagt werden und die Abweichung zwischen der vorhergesagten Systemantwort zu der gemessenen Systemantwort als Gütekriterium minimiert werden. Mittels eines KI-basierten Regelungsprozesses unter Nutzung des Prozessmodells können nun weitere Gütekriterien bei der Regelung minimiert werden, indem die ermittelten Daten als Systemantwort in den Regelungsprozess eingespeist werden. Dieser Regelungsprozess verändert verschiedene Stellgrößen des Brenners, wie beispielsweise Massenstrom des Brennstoffs, Massenstrom der Luft, Brennkammerdrücke, Vorheiztemperatur des Brennstoffs, Vorheiztemperatur der Luft und Strömungsrichtung von Brennstoff in dem Brenner 3 und Strömungsrichtung von Luft in dem Brenner 3. Für die unterschiedlichen Strömungsrichtungen können mechanische Teile, wie beispielsweise verstellbare Drallkörper 3a in dem Brenner verstellt werden. Der Regelungsprozess nutzt das Prozessmodell z.B. in einer modell-basierten prädikativen KI-Regelung (MPC).
  • Mittels der erfindungsgemäßen Brennkammer 1 und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung eines Brenners 3 einer Brennkammer 1 ist eine besonders vorteilhafte Regelung und Optimierung einer Verbrennung, insbesondere einer Verbrennung von Wasserstoff, möglich.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennkammer, Sensoreinrichtung
    2
    Brennkammerwand
    3
    Brenner
    3a
    Drallkörper
    4
    seitliche Brennkammerwand
    5
    erste optische Sensorvorrichtung
    5a
    erste Empfangsoptik
    6
    zweite optische Sensorvorrichtung
    6a
    zweite Empfangsoptik
    7
    erste optische Achse
    8
    zweite optische Achse
    10
    Flammzone
    11
    Sensoreinrichtung
    12
    Abgassensor
    13
    Messköpfe
    14
    Endoskop
    15
    endoskopischer Bildleiter
    16
    Bildleiterausgang
    17
    Sammellinse
    18
    Strahlteilerspiegel
    19
    Ultraviolett-Detektor
    20
    Infrarot-Detektor
    21
    Ultraviolett-Bandpassfilter
    22
    Linse
    23
    Infrarot-Bandpassfilter
    24
    Bildsensorvorrichtung
    25
    Gehäuse
    26
    Bildleiterende
    27
    Strahlungsöffnung
    28
    Objektiv
    29
    Hotspots
    M
    Brennerachse
    g
    Gegenstandsweite
    gn
    Abstand

Claims (15)

  1. Brennkammer (1) mit einem Brenner (3) mit einer Brennerachse (M), die orthogonal zu einer Brennerkopfplatte durch einen Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft, und mit einem Sensorsystem mit mindestens einer ersten optischen Sensorvorrichtung (5) mit einer ersten Empfangsoptik (5a) mit einer ersten optischen Achse (7) , wobei die erste optische Sensorvorrichtung (5) in Richtung der Brennerachse (M) stromab einer Flammzone (10) des Brenners (3) mit stromaufwärts gerichteter Sensorrichtung mit der ersten optischen Achse (7) parallel zu der Brennerachse (M) oder in einem spitzen Winkel zu dieser angeordnet ist, vorzugsweise in einem Winkel kleiner 45 °, , und wobei die erste Sensorvorrichtung (5,6) Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung empfängt und detektiert.
  2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem mindestens eine zweite optische Sensorvorrichtung (6) mit einer zweiten Empfangsoptik (6a) mit einer zweiten optischen Achse (8) aufweist, wobei die zweite optische Sensorvorrichtung (6) in einem Bereich seitlich der Flammzone (10) mit der zweiten optischen Achse (8) quer zu der Brennerachse (M) angeordnet ist und wobei die zweite Sensorvorrichtung (5,6) Infrarot-Strahlung und Ultraviolett-Strahlung empfängt und detektiert.
  3. Brennkammer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Empfangsoptik (5a,6a) ein Weitwinkel-Objektiv, vorzugsweise mit einer Brennweite zwischen 8 und 12 mm, aufweist und/oder dass die erste und/oder die zweite Empfangsoptik (5a,6a) ein Endoskop (14) mit einem endoskopischen Bildleiter (15) aufweist.
  4. Brennkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Sensorvorrichtung (5) eine Bildsensorvorrichtung aufweist, die eine Empfindlichkeit in einem Spektralbereich zwischen 200nm und 2µm aufweist und/oder zweite optische Sensorvorrichtung (6) einen Bildsensorvorrichtung aufweist, die eine Empfindlichkeit in einem Spektralbereich zwischen 200nm und 2µm aufweist.
  5. Brennkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsensorvorrichtung einen Infrarot-Sensor (19) und einen Ultraviolett-Sensor (20) aufweist, wobei der Infrarot-Sensor (19) und/oder der Ultraviolett-Sensor (20) vorzugsweise bildgebend ist.
  6. Brennkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsensorvorrichtung einen Strahlteiler und im optischen Weg hinter dem Strahlteiler und vor dem Infrarot-Sensor (19) einen Infrarot-Bandpass-Filter (23) und im optischen Weg hinter dem Strahlteiler und vor dem Ultraviolett-Sensor (20) einen Ultraviolett-Bandpass-Filter (21) aufweist, wobei vorzugsweise der Ultraviolett-Bandpass-Filter (21) auf 314nm mit einer Bandbreite von 6nm, vorzugsweise 4nm, zentriert ist.
  7. Brennkammer nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Sensor (20) und/oder der Ultraviolett-Sensor (19) einen Detektor aufweist, der eine geringere räumliche Auflösung aufweist als der endoskopische Bildleiter (15).
  8. Brennkammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung (11) zur Messung der räumlich aufgelösten Temperatur und/oder räumlich aufgelösten Emissionswerten in der Brennkammer (1), wobei vorzugsweise die Sensoreinrichtung (11) ringförmig mit mehreren Messköpfen (13) ausgebildet und an einem Brennkammerende angeordnet ist
  9. Brennkammer nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Empfangsoptik (5a) der ersten optischen Sensorvorrichtung (5) mit einem Abstand zu der Flammzone (10) angeordnet ist, der dem Abstand (gn) des Nahpunkts der Tiefenschärfe entspricht
    und/oder dass die erste Empfangsoptik (5a) der ersten optischen Sensorvorrichtung (5) mit einem Abstand zu dem Mittelpunkt der Brennerkopfplatte angeordnet ist, der der Gegenstandsweite (g) entspricht.
  10. Verfahren zur Regelung eines Brenners (3) einer Brennkammer (1) mit einer Brennerachse (M), die orthogonal zu einer Brennerkopfplatte durch einen Mittelpunkt der Brennerkopfplatte verläuft, mit folgenden Schritten:
    - Ermitteln von räumlich aufgelösten Ultraviolett-Daten einer Flammzone des Brenners (3) aus einer Richtung parallel zu der Brennerachse (M) oder einer Richtung in einem spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner 45°, zu der Brennerachse (M),
    - Ermitteln von räumlich aufgelösten Infrarot-Daten des Brenners (3), von Teilen des Brenners (3) und/oder einer den Brenner (3) umgebenden Wand aus einer Richtung parallel zu der Brennerachse (M) oder einer Richtung in einem spitzen Winkel, vorzugsweise kleiner 45°, zu der Brennerachse (M),
    - Verwenden der ermittelten Daten als Systemantwort auf die Regelung von Stellgrößen des Brenners (3).
  11. Verfahren nach Anspruch 10 gekennzeichnet durch folgende Schritte
    - Ermitteln von räumlich aufgelösten Daten der axialen Lage der Flammzone (10) aus einer Richtung quer zu der Brennerachse (M),
    - Ermitteln von räumlich aufgelösten Infrarot-Daten einer seitlichen Brennkammerwand (4),
    wobei die ermittelten Daten zusätzlich als Systemantwort auf die Regelung von Stellgrößen des Brenners (3) verwendet werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgrößen des Brenners (3) zumindest Massenstrom von Brennstoff in den Brenner (3), Massenstrom von Luft in den Brenner (3), Brennkammerdrücke, Vorheiztemperatur von dem Brenner (3) zugeführten Brennstoff, Vorheiztemperatur von dem Brenner (3) zugeführter Luft, Strömungsrichtung von Brennstoff in dem Brenner und/oder Strömungsrichtung von Luft in dem Brenner (3) umfassen.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch
    - Ermitteln räumlich aufgelösten Temperaturdaten von Abgas in der Brennkammer (1) und/oder von räumlich aufgelösten Emissionswertdaten von Abgas in der Brennkammer (1),
    wobei die Temperaturdaten und/oder die Emissionswertdaten zusätzlich als Systemantwort auf die Regelung der Stellgrößen des Brenners (3) verwendet werden.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Brenners (3) unter Nutzung eines Prozessmodels durchgeführt wird, das zuvor anhand experimenteller Daten trainiert wurde, wobei eine Minimierung oder Maximierung eines zuvor festgelegtem Gütekriteriums oder von zuvor festgelegten Gütekriterien erfolgt, wobei vorzugsweise das Prozessmodel aus einem zuvor trainierten ersten neuronalen Netzes erstellt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des Brenners (3) eine Minimierung oder Maximierung eines zuvor festgelegtem weiteren Gütekriteriums oder zuvor festgelegter weiterer Gütekriterien über ein zweites neuronales Netz erfolgt.
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