JP2012193978A - Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program - Google Patents
Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012193978A JP2012193978A JP2011056408A JP2011056408A JP2012193978A JP 2012193978 A JP2012193978 A JP 2012193978A JP 2011056408 A JP2011056408 A JP 2011056408A JP 2011056408 A JP2011056408 A JP 2011056408A JP 2012193978 A JP2012193978 A JP 2012193978A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- temperature
- grid
- measured
- section
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、測定対象断面におけるガス流の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えばガスタービン内の高温・高圧・高速流且つ不輝炎の燃焼ガスについて燃焼器出口から膨張タービン入口までの間の任意の断面におけるガス流の温度分布を測定するための技術に関する。 The present invention relates to a method for measuring a temperature distribution of a gas flow in a cross-section to be measured, a measuring apparatus, and a measuring program. More specifically, the present invention measures the temperature distribution of the gas flow at any cross-section from the combustor outlet to the expansion turbine inlet, for example for high temperature, high pressure, high speed flow and non-flaming combustion gas in a gas turbine. It relates to technology.
ガスタービン発電プラントでは、ガスタービン入口におけるガスの温度及び圧力を上昇させることによって高効率化が図られてきた。それに伴い、ガスタービンの燃焼器及び膨張タービンに代表される高温部位の部品への高機能性材料の適用や各種コーティング技術の施工などによってガスタービン機器設備全体に占める高温部品の費用の割合が上昇すると共にプラント運用費用全体に占める高温部品の点検及び補修費用の割合が上昇する傾向にある。 In gas turbine power plants, high efficiency has been achieved by increasing the temperature and pressure of gas at the gas turbine inlet. Along with this, the ratio of the cost of high-temperature components to the entire gas turbine equipment increases due to the application of high-functional materials to high-temperature parts such as gas turbine combustors and expansion turbines and the construction of various coating technologies. At the same time, the ratio of high-temperature parts inspection and repair costs to the total plant operating costs tends to increase.
一方で、環境保全性に優れるガスタービンは、高効率化を図るための高温化によって燃焼排出ガス中のNOx生成濃度が上昇することに配慮し、これを抑制するために希薄予混合燃焼化による均一燃焼を採用している。希薄予混合燃焼に代表される均一燃焼では、量論比での燃焼を伴う従来の拡散燃焼と異なり、量論比条件での燃焼範囲を空間的・時間的に少なくして燃焼器上流部における燃焼温度を低下させることにより、1500〜1600℃以上の高温ガス中で空気中の窒素が酸化されて生成されるサーマルNOx濃度を低減させるようにしている。 On the other hand, gas turbines with excellent environmental conservation take into account that the NOx generation concentration in combustion exhaust gas increases due to higher temperatures for higher efficiency, and lean premixed combustion is used to suppress this. Uniform combustion is adopted. In the homogeneous combustion typified by lean premixed combustion, unlike the conventional diffusion combustion with stoichiometric combustion, the combustion range in the stoichiometric condition is reduced spatially and temporally in the upstream part of the combustor. By reducing the combustion temperature, the concentration of thermal NOx produced by oxidation of nitrogen in the air in a high-temperature gas of 1500 to 1600 ° C. or higher is reduced.
ここで、均一燃焼では、燃焼速度が低下し、且つ、可燃範囲の狭いメタンを主成分とするLNGを燃料とする場合には火炎の安定性が低下する。このため、ガスタービン機器の個体差やガスタービン負荷の増減などを要因として燃焼振動が発生して膨張タービン入口のガス温度が周期的に変動することが懸念される。 Here, in the uniform combustion, when the combustion speed is reduced and LNG mainly composed of methane having a narrow combustible range is used as the fuel, the stability of the flame is lowered. For this reason, there is a concern that combustion vibration may occur due to individual differences in gas turbine equipment, increase or decrease in gas turbine load, and the gas temperature at the inlet of the expansion turbine may periodically fluctuate.
そこで、火炎の安定性を高くしてNOx排出量を少なくするためにパイロットバーナを併用する手法(特許文献1)や、燃焼振動を防止すると共に火炎を安定化させるために風箱を用いる手法(特許文献2)や、燃焼振動を低減させるために音響工学的に燃焼振動圧力を吸収する手法(特許文献3)などが採用されている。 Therefore, a method using a pilot burner in order to increase the flame stability and reduce the NOx emission (Patent Document 1), or a method using a windbox to prevent combustion vibration and stabilize the flame ( Patent Document 2), a technique for absorbing combustion vibration pressure acoustically in order to reduce combustion vibration (Patent Document 3), and the like are employed.
しかしながら、実際には、燃焼器出口及び膨張タービン入口部位におけるガス温度の周期的な変動及びその変動幅は未知であり、このために燃焼器及びタービン高温部位の冷却手法や冷却量などの対策については熱電対を用いた燃焼器単体試験によって求めた静的な実験値を使用して決定しているのが実状であり、実機試運転時において機器設計時に予期しない燃焼振動現象が生じている。 However, in practice, the periodic fluctuation of gas temperature at the outlet of the combustor and the inlet part of the expansion turbine and the fluctuation range thereof are unknown. Is actually determined using static experimental values obtained by a combustor single unit test using a thermocouple, and an unexpected combustion vibration phenomenon occurs at the time of equipment design during the trial operation of the actual machine.
このため、実機における燃焼器出口及び膨張タービン入口のガス温度を監視することができれば、特許文献1,2及び3に記載される燃焼振動抑制手法を的確に実施することができると共に、タービン高温部品の冷却手法の適正化に貢献することができる。 For this reason, if the gas temperatures at the combustor outlet and the expansion turbine inlet in the actual machine can be monitored, the combustion vibration suppressing method described in Patent Documents 1, 2, and 3 can be accurately implemented, and the high-temperature turbine component It can contribute to optimization of the cooling method.
ここで、非接触でのガス温度測定については、赤外線を感知して放射率とプランクの法則とから温度を同定する放射温度計が実用化されている(特許文献4)。 Here, for non-contact gas temperature measurement, a radiation thermometer that detects infrared rays and identifies the temperature from the emissivity and Planck's law has been put into practical use (Patent Document 4).
非接触温度測定法としては、他に、単色光を照射してラマン散乱光を発生させて該散乱光強度から温度情報を得る方法(特許文献5)や、波長の異なる2つのレーザ光を用いてラマン散乱光を発生させて高強度の共鳴光を発生させるCARS法や、燃焼ガス中の特定の物質をレーザにより励起させて基底状態に遷移する過程で発生する発光を測定して場の情報を得るレーザ誘起蛍光法がある。 Other non-contact temperature measurement methods include a method of obtaining temperature information from the intensity of scattered light by irradiating monochromatic light to generate Raman scattered light (Patent Document 5), or using two laser beams having different wavelengths. Field information by measuring the emission of light generated during the transition to the ground state by exciting a specific substance in the combustion gas with a laser by generating the Raman scattered light and generating high intensity resonance light There is a laser induced fluorescence method to obtain
非接触温度測定法としては、さらに、波長の異なる二つの超音波を用いて位置を測定すると同時に、温度変動に起因する音圧変動に伴う音速の変化を利用して温度を測定する方法がある(特許文献6)。 As a non-contact temperature measurement method, there is a method in which a position is measured using two ultrasonic waves having different wavelengths, and at the same time, a temperature is measured by using a change in sound speed due to a sound pressure fluctuation caused by the temperature fluctuation. (Patent Document 6).
また、ガスタービンの燃焼器出口断面若しくは膨張タービン入口断面におけるガス温度の分布は、一般的に、数式1で表されるPattern Factor(以下、P.F.と表記する;単位は%)で評価される。
(数1) P.F.=(Tmax−Tex)/(Tex−Tair)×100
ここに、Tmax:断面内のガスの最高温度〔K〕
Tex:断面の平均ガス温度〔K〕
Tair:燃焼用空気の温度〔K〕 をそれぞれ表す。
Further, the distribution of gas temperature at the combustor outlet cross section or the expansion turbine inlet cross section of the gas turbine is generally evaluated by Pattern Factor (hereinafter referred to as PF; unit:%) represented by Formula 1. Is done.
(Equation 1) P.F. = (T max −T ex ) / (T ex −T air ) × 100
Where T max is the maximum temperature of the gas in the cross section [K]
T ex : Average gas temperature of cross section [K]
T air : represents the temperature [K] of the combustion air.
ここで、燃焼器の設計においては、P.F.の値を15〜17%以内にすることが一般的に求められる。仮に、Tex=1773〔K〕(=1500〔℃〕),Tair=673〔K〕(=400〔℃〕)を定格条件としてP.F.を17%以下にするにはTmaxを1960〔K〕以下にしなければならない。この場合の(Tmax−Tex)は187〔K〕である。しかしながら、これは高い温度しか規定していないので、Texよりも低い温度からの温度差ΔTminを加えて実際のガス温度の高い点と低い点との間の温度差ΔTは(ΔTmin+187)〔K〕になる。すなわち、膨張タービンの翼列の設計においては、最高温度に対応する耐熱条件の検討に加え、断面内の温度分布に基づく温度差の検討も重要である。 Here, in the design of the combustor, it is generally required that the value of PF is within 15 to 17%. If T ex = 1773 [K] (= 1500 [° C.]) and T air = 673 [K] (= 400 [° C.]), the T max should be set to 17% or less under PF. Must be 1960 [K] or less. In this case, (T max −T ex ) is 187 [K]. However, since this only defines a high temperature, a temperature difference ΔT min from a temperature lower than T ex is added, and the temperature difference ΔT between the high and low points of the actual gas temperature is (ΔT min +187 ) [K]. That is, in the design of the expansion turbine blade cascade, in addition to the examination of the heat resistance condition corresponding to the maximum temperature, the examination of the temperature difference based on the temperature distribution in the cross section is also important.
しかしながら、希薄予混合化による均一燃焼を実現しつつある低NOx燃焼器出口及び膨張タービン入口における燃焼ガスは拡散燃焼のような輝炎ではないので赤外光が少ないために半透明になり、水素の燃焼にいたっては目視が困難なほどであり、さらに、燃焼器の側壁には耐火材や耐熱コーティングが施されていて燃焼ガス及びその熱により耐火材又は耐熱コーティングからの赤外線の輻射が大きいので、特許文献4の赤外光を感知する放射温度計ではガス温度を測定することは困難である。
However, the combustion gas at the outlet of the low NOx combustor and the inlet of the expansion turbine, which is realizing uniform combustion by lean premixing, is not a bright flame like diffusion combustion, so it becomes translucent because there is little infrared light, and hydrogen In addition, the side wall of the combustor is coated with a refractory material or heat-resistant coating, and the combustion gas and its heat cause large infrared radiation from the refractory material or heat-resistant coating. Therefore, it is difficult to measure the gas temperature with the radiation thermometer of
また、例えば特許文献5のようにレーザを用いる測定手法では、光学系が複雑であるという問題や、ガスタービン実機における高温場に適用するには測定手法としての技術的課題が残されているという問題がある。具体的には、小型のバーナ火炎にレーザを照射し火炎及び温度に起因するであろう散乱光や発光強度を計測してその光の強度特性と火炎の温度特性との間の一定の関係を用いて温度分布を測定することは、実験室においては可能であるが、実機のガスタービンに実際に適用することは事実上困難である。また、熱電対や放射温度計は校正が規定されているが、レーザを用いる方法は温度計測法としては規定できる段階ではないという問題もある。自発光を使う場合も、校正出来なければ測れたことにはならない。
Further, for example, in the measurement method using a laser as in
レーザを用いる測定手法では、また、レーザを用いることによって燃焼ガスに影響を与えて燃焼振動等の発生要因になる可能性があるという問題がある。さらに、測定系が複雑であり、検証も難しいという問題がある。 In the measurement method using a laser, there is also a problem that the use of a laser may affect the combustion gas and cause a combustion vibration or the like. Furthermore, there is a problem that the measurement system is complicated and verification is difficult.
さらに、特許文献6の音波を用いる測定手法は、室温を対象にしたものであり、高温・高流速条件下における測定に適用するには測定手法としての技術的課題が残されているという問題がある。具体的には、音波を利用する室内温度計測又はボイラ内温度計測手法が提案されているが、音波を用いる場合は実際にはボイラ内部の雑音の影響を受けて正確な測定が困難であり、また、ボイラ内部の雑音の影響を除去するためにはボイラ内部の雑音の特性を同定する必要がある。さらに、燃焼ガス流は100〔m/s〕レベルの流速があり、音波を用いて音の速度変化の割合によって温度を同定する場合には誤差が生じるという問題がある。例えば、音速は、0〔℃〕では331〔m/s〕、1500〔℃〕では843〔m/s〕であるので、100〔m/s〕の燃焼ガス流は約8分の1の速度になり、これが誤差になる。
Furthermore, the measurement method using sound waves of
音波を用いる測定手法では、また、音波を用いることによって燃焼ガスに影響を与えて燃焼振動等の発生要因になる可能性があるという問題がある。さらに、測定系が複雑であり、検証も難しいという問題がある。 In the measurement method using sound waves, there is a problem in that the use of sound waves may affect the combustion gas and cause combustion vibrations. Furthermore, there is a problem that the measurement system is complicated and verification is difficult.
また、膨張タービンの翼列の設計においては最高温度に対応する耐熱条件の検討に加えて断面内の温度分布に基づく温度差の検討も重要であるにも拘わらず実機運転条件での温度分布の測定は実現されておらず、設計の検証を行うためのデータを十分に把握できていないという問題がある。 In addition, in the design of expansion turbine blade rows, in addition to examining the heat resistance conditions corresponding to the maximum temperature, it is important to study the temperature difference based on the temperature distribution in the cross section. There is a problem that measurement is not realized and data for verifying the design is not sufficiently grasped.
そこで、本発明は、例えばガスタービンの燃焼器出口や膨張タービン入口などの高温・高圧・高流速場において、簡易な光学系と測定系とによって不輝炎の燃焼ガスの自発光をとらえて二次元断面の温度分布を測定することができる温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention captures the self-luminescence of the combustion gas of the non-luminous flame by a simple optical system and measurement system in a high temperature / high pressure / high flow velocity field such as a gas turbine combustor outlet and an expansion turbine inlet. An object of the present invention is to provide a temperature distribution measuring method, a measuring apparatus, and a measuring program capable of measuring a temperature distribution of a dimensional cross section.
かかる目的を達成するため、請求項1記載の温度分布測定方法は、測定対象断面を碁盤目状に分割し、当該碁盤目の各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度を計測すると共に各列毎のマス目の並び方向中心位置における前記ガスの発光強度を計測し、これら発光強度に基づいて前記各段・各列毎のバンドスペクトル強度を求め、前記ガスの燃焼属性に基づいて前記測定対象断面の平均ガス温度を計算し、当該平均ガス温度と前記各段・各列毎のバンドスペクトル強度とを用いて前記碁盤目の各マス目の中心位置のガス温度を算出するようにしている。 In order to achieve such an object, the temperature distribution measuring method according to claim 1 divides the cross section of the measurement object into a grid pattern, and determines the emission intensity of the gas at the center position in the arrangement direction of the grid for each stage of the grid pattern. Measure the emission intensity of the gas at the central position of the grid in each column and determine the band spectrum intensity for each stage and each column based on these emission intensities. Based on the average gas temperature of the cross section to be measured based on the average gas temperature and the band spectrum intensity of each stage and each column, the gas temperature at the center position of each grid of the grid is calculated I am doing so.
また、請求項5記載の温度分布測定装置は、測定対象断面を碁盤目状に分割して計測された前記碁盤目の各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度に基づくバンドスペクトル強度及び各列毎のマス目の並び方向中心位置における前記ガスの発光強度に基づくバンドスペクトル強度の入力を受ける手段と、前記ガスの燃焼属性に基づいて前記測定対象断面の平均ガス温度を計算する手段と、前記平均ガス温度と前記各段・各列毎のバンドスペクトル強度とを用いて前記碁盤目の各マス目の中心位置のガス温度を算出する手段とを有するようにしている。
The temperature distribution measuring apparatus according to
また、請求項9記載の温度分布測定プログラムは、測定対象断面におけるガス温度を算出する処理をコンピュータに行わせるためのプログラムであって、前記測定対象断面を碁盤目状に分割して計測された前記碁盤目の各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度に基づくバンドスペクトル強度及び各列毎のマス目の並び方向中心位置における前記ガスの発光強度に基づくバンドスペクトル強度の入力を受ける処理と、前記ガスの燃焼属性に基づいて前記測定対象断面の平均ガス温度を計算する処理と、前記平均ガス温度と前記各段・各列毎のバンドスペクトル強度とを用いて前記碁盤目の各マス目の中心位置のガス温度を算出する処理とをコンピュータに行わせるようにしている。
A temperature distribution measurement program according to
これら本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによると、下記に説明する原理により、不輝炎の燃焼ガスの自発光を計測することによって当該燃焼ガスの燃焼温度を求めることができる。 According to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, the combustion temperature of the combustion gas can be obtained by measuring the self-luminescence of the combustion gas of the non-luminous flame according to the principle described below.
ガスタービンでは、航空機エンジンの高負荷条件の場合を除き、燃焼器出口又は膨張タービン入口において燃料のほぼ100%が燃焼している。すなわち、一般的な化学反応はミリ秒オーダで進行する多数の素反応の結果であり、反応温度及び圧力に依存した化学種とその濃度とが決まる。そして、発電プラントの場合は、煙突出口では約100℃,ほぼ大気圧まで温度及び圧力が低下し、その際には燃料のほぼ100%がCO2及びH2Oとして排出される。 In gas turbines, almost 100% of the fuel is combusted at the combustor outlet or expansion turbine inlet, except in the case of aircraft engine high load conditions. That is, a general chemical reaction is the result of a number of elementary reactions that proceed on the order of milliseconds, and the chemical species and concentration depending on the reaction temperature and pressure are determined. In the case of a power plant, the temperature and pressure drop to about 100 ° C. and almost atmospheric pressure at the smoke outlet, and at that time, almost 100% of the fuel is discharged as CO 2 and H 2 O.
燃焼ガス中の反応における中間生成物のうち不対電子を持つものはラジカルと呼ばれ、このラジカルの存在から燃焼反応の進行度を推測することができる。そして、ラジカルは燃焼熱等によって励起され、この励起ラジカルがエネルギー準位の低い基底状態に遷移する過程でエネルギー差に相当する光を生じるので、燃焼ガスの自発光の発光強度とラジカル濃度との間には一定の関係がある。すなわち、燃焼ガスの発光強度と燃焼温度との間には一定の関係がある。このため、燃焼ガスの発光強度を計測することによって燃焼温度を同定することができる。 Among the intermediate products in the reaction in the combustion gas, those having unpaired electrons are called radicals, and the progress of the combustion reaction can be estimated from the presence of these radicals. The radicals are excited by the heat of combustion, etc., and the excited radicals generate light corresponding to the energy difference in the process of transitioning to a ground state having a low energy level. There is a certain relationship between them. That is, there is a certain relationship between the emission intensity of the combustion gas and the combustion temperature. Therefore, the combustion temperature can be identified by measuring the emission intensity of the combustion gas.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の温度分布測定方法において、前記ガスの発光強度を、前記碁盤目の各段毎のマス目の並び方向の両側から計測すると共に各列毎のマス目の並び方向の両側から計測するようにしている。また、請求項6記載の発明は、請求項5記載の温度分布測定装置において、前記ガスの発光強度は、前記碁盤目の各段毎のマス目の並び方向の両側から計測されたと共に各列毎のマス目の並び方向の両側から計測されたものであるようにしている。また、請求項10記載の発明は、請求項9記載の温度分布測定プログラムにおいて、前記ガスの発光強度は、前記碁盤目の各段毎のマス目の並び方向の両側から計測されたと共に各列毎のマス目の並び方向の両側から計測されたものであるようにしている。この場合には、測定対象断面におけるガス温度の分布にむらがある場合でも当該むらが反映された測定が行われる。
The invention according to claim 2 is the temperature distribution measuring method according to claim 1, wherein the emission intensity of the gas is measured from both sides of the grid direction of each stage of the grid and for each column. The measurement is made from both sides in the direction of the squares. According to a sixth aspect of the present invention, in the temperature distribution measuring apparatus according to the fifth aspect, the emission intensity of the gas is measured from both sides of the grid direction of each stage of the grid and each column. Each square is measured from both sides in the arrangement direction. The invention according to
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の温度分布測定方法において、前記バンドスペクトル強度がOHラジカル若しくはCHラジカル若しくはC2ラジカルのうちのいずれかであるようにしている。また、請求項7記載の発明は、請求項5記載の温度分布測定装置において、前記バンドスペクトル強度がOHラジカル若しくはCHラジカル若しくはC2ラジカルのうちのいずれかであるようにしている。また、請求項11記載の発明は、請求項9記載の温度分布測定プログラムにおいて、前記バンドスペクトル強度がOHラジカル若しくはCHラジカル若しくはC2ラジカルのうちのいずれかであるようにしている。この場合には、バンドスペクトル強度に基づいて的確にガス温度の測定が行われる。
According to a third aspect of the present invention, in the temperature distribution measuring method according to the first aspect, the band spectrum intensity is any one of an OH radical, a CH radical, and a C 2 radical. According to a seventh aspect of the present invention, in the temperature distribution measuring apparatus according to the fifth aspect, the band spectrum intensity is any one of an OH radical, a CH radical, and a C 2 radical. The invention according to
また、請求項4記載の発明は、請求項1記載の温度分布測定方法において、前記測定対象断面がガスタービンのトラジッションピースの任意の断面であるようにしている。また、請求項8記載の発明は、請求項5記載の温度分布測定装置において、前記測定対象断面がガスタービンのトラジッションピースの任意の断面であるようにしている。また、請求項12記載の発明は、請求項9記載の温度分布測定プログラムにおいて、前記測定対象断面がガスタービンのトラジッションピースの任意の断面であるようにしている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the temperature distribution measuring method according to the first aspect, the measurement object cross section is an arbitrary cross section of a transition piece of a gas turbine. According to an eighth aspect of the present invention, in the temperature distribution measuring apparatus according to the fifth aspect, the measurement object cross section is an arbitrary cross section of the transition piece of the gas turbine. According to a twelfth aspect of the present invention, in the temperature distribution measurement program according to the ninth aspect of the invention, the cross section to be measured is an arbitrary cross section of the transition piece of the gas turbine.
本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによれば、これまで実機における測定が難しいとされてきた不輝炎の燃焼ガスの非接触での温度測定が可能になり、且つ、燃焼ガス流に影響を与えることなく燃焼ガスの温度を測定することが可能になるので、燃焼ガスの温度分布測定としての汎用性の向上を図ることができる。 According to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, it becomes possible to measure the temperature of the non-flammable combustion gas in a non-contact manner, which has been considered difficult to measure in an actual machine, and the combustion gas. Since the temperature of the combustion gas can be measured without affecting the flow, it is possible to improve versatility as a temperature distribution measurement of the combustion gas.
また、本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによれば、例えば熱電対のような破損した場合に下流側の機器に影響を与えるものを用いることなく燃焼ガスの温度測定が可能になり、しかも、簡易且つ安価な方法で燃焼ガスの温度を測定することが可能になるので、燃焼ガスの温度分布測定としての汎用性の向上を図ることができる。 In addition, according to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, it is possible to measure the temperature of combustion gas without using anything that affects downstream equipment when it is damaged, for example, a thermocouple. In addition, since the temperature of the combustion gas can be measured by a simple and inexpensive method, it is possible to improve versatility as a temperature distribution measurement of the combustion gas.
また、本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによれば、燃焼機器試験ではなく実機における燃焼ガスの温度を測定することができるので、当該温度を監視・評価することによって例えばガスタービンの燃焼器及び下流の機器の設計・評価を適切に実施することが可能になり、燃焼機器及びその下流側の機器の信頼性向上に大きく貢献することが可能になる。 Further, according to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, it is possible to measure the temperature of the combustion gas in the actual machine, not the combustion equipment test. Therefore, it is possible to appropriately design and evaluate the combustor and the downstream equipment, and greatly contribute to the improvement of the reliability of the combustion equipment and the downstream equipment.
さらに、燃焼機器及びその下流の機器は燃焼機器の燃焼ガス温度上昇に伴って耐火材及び耐熱コーティングを施工することが多いので赤外線輻射が燃焼ガス温度の測定を更に難しくしているのに対し、本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによれば、赤外線輻射とは関係がない波長の短い可視光又は紫外光を計測するようにしているので燃焼ガスの温度をより一層正確に測定することが可能になり、燃焼ガスの温度分布測定としての信頼性の向上を図ることができる。 In addition, combustion equipment and downstream equipment often apply refractory materials and heat-resistant coatings as the combustion gas temperature of the combustion equipment rises, making infrared radiation more difficult to measure the combustion gas temperature, According to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, since visible light or ultraviolet light having a wavelength not related to infrared radiation is measured, the temperature of the combustion gas is measured more accurately. This makes it possible to improve the reliability of the temperature distribution measurement of the combustion gas.
また、本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムによれば、複数の受光部から得られる計測値を組み合わせて用いることによって燃焼ガスの断面における二次元的な温度分布を測定することが可能になり、燃焼機器及びその下流側の機器の被曝条件をより一層詳細に把握することができるので、燃焼機器及びその下流側の機器の最適設計により一層貢献することが可能になる。そしてこれにより、燃焼機器及びその下流側の機器をより安価な設計で、且つ寿命を延ばすことを可能とし、設備費及び補修費用の削減に貢献することが可能になる。 Further, according to the temperature distribution measuring method, measuring apparatus, and measuring program of the present invention, it is possible to measure a two-dimensional temperature distribution in the cross section of the combustion gas by using a combination of measured values obtained from a plurality of light receiving parts. As a result, the exposure conditions of the combustion device and the downstream device can be grasped in more detail, so that it is possible to further contribute to the optimum design of the combustion device and the downstream device. As a result, it is possible to extend the life of the combustion equipment and the equipment on the downstream side thereof with a cheaper design, and it is possible to contribute to the reduction of equipment costs and repair costs.
また、請求項2記載の温度分布測定方法によれば、測定対象断面におけるガス温度の分布のむらを的確に反映した温度分布の測定を行うことができるので、ガス温度分布測定の精度を向上させることが可能であり、燃焼ガスの温度分布測定の信頼性の向上を図ることができる。 In addition, according to the temperature distribution measuring method of the second aspect, it is possible to measure the temperature distribution that accurately reflects the uneven distribution of the gas temperature in the cross section of the measurement object, thereby improving the accuracy of the gas temperature distribution measurement. Therefore, the reliability of the combustion gas temperature distribution measurement can be improved.
以下、本発明の構成を図面に示す形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on the form shown in the drawings.
図1から図5に、本発明の温度分布測定方法、測定装置及び測定プログラムの実施形態の一例を示す。本発明の温度分布測定方法は、測定対象断面21aを碁盤目状に分割し、当該碁盤目の少なくとも各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lを計測すると共に各列毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lを計測し、これら発光強度Lに基づいて各段・各列毎のバンドスペクトル強度L_bを求め、ガスの燃焼属性に基づいて測定対象断面21aの平均ガス温度Texを計算し、当該平均ガス温度Texと各段・各列毎のバンドスペクトル強度L_bとを用いて碁盤目の各マス目の中心位置のガス温度Tを算出するようにしている。
1 to 5 show an example of embodiments of the temperature distribution measuring method, measuring apparatus and measuring program of the present invention. In the temperature distribution measuring method of the present invention, the
なお、本実施形態では、図4に圧縮機翼列CCとガスタービン燃焼器車室24と膨張タービン翼列CTとの断面を示すガスタービンを例に挙げて説明する。
In the present embodiment, a gas turbine showing a cross section of the compressor cascade CC, the gas
ガスタービン燃焼器車室24内には、燃焼器内筒22と膨張タービン翼列CTとの間に燃焼ガス流れ案内用トラジッションピース21(燃焼器尾筒ともいう)(以下、単にトラジッションピース21と表記する)が設けられている。そして、本実施形態では、燃焼器内筒22の出口の断面でもあるトラジッションピース21の入口の断面21a(以下、TP入口断面21aと呼ぶ)における燃焼器排出ガス23の温度を測定する場合について説明する。以下において、TP入口断面21aのことを測定対象断面とも呼ぶ。なお、本実施形態におけるTP入口断面21aは円形である。また、図4における符号25は圧縮機の吐出空気を、符号26は起動用燃料を、符号27は主燃料を、符号28は燃焼器バーナ(具体的には燃料噴射ノズル及び空気旋回器)を、符号29は燃焼器外筒(フロースリーブともいう)を、符号FGは膨張タービン通過後の排気ガスをそれぞれ表す。
In the gas
受光部9は、TP入口断面21aにおける火炎(燃焼ガス)の自発光を受光するものであり、具体的には光ファイバケーブルの受光部である。
The
受光部9は、トラジッションピース21の入口の周縁部に、TP入口断面21aにおける火炎の自発光を受光する向き(即ち、トラジッションピース21の入口の内側向き)に配置される。
The
また、受光部9による受光は被写体深度を有し、そして、受光部9が受光して計測する火炎(燃焼ガス)の発光強度は前記被写体深度分の発光の積分値である。本発明では、受光部9が受光する発光であって受光部9の正面の被写体深度分の領域(線状の領域である)における発光の積分値を用いる。なお、受光部9の正面前方に真っ直ぐ延びる線を測定線と呼ぶ。
The light received by the
ここで、本発明では、測定対象断面を仮想的に碁盤の目状に分割する(図5において点線で表示)。なお、本実施形態のように測定対象断面が矩形でない場合には、測定対象断面に収まる矩形内を碁盤の目状に分割するようにする。そして、分割された各マス目のほぼ中心において各受光部9の測定線同士が交差するように、また、必要に応じて対角線方向に、受光部9が配置される。そして、本発明では、測定線同士が交差する点の温度が求められる。以下では、測定線同士が交差する点であって本発明における温度測定の対象になる点を温度測定点と呼ぶ。
Here, in the present invention, the cross section to be measured is virtually divided into a grid pattern (indicated by a dotted line in FIG. 5). In addition, when the measurement target cross section is not rectangular as in this embodiment, the inside of the rectangle that fits in the measurement target cross section is divided into a grid pattern. Then, the
本実施形態では、測定対象断面である円形のTP入口断面21aに収まる矩形を3段×3列の合計9マスの碁盤目状に分割し(図5において点線で表示;各マス目は正方形)、各マス目の中心(即ち全9点)の燃焼ガスの温度を測定する。
In the present embodiment, a rectangle that fits in the circular TP
本実施形態では、また、上記3段の各段毎の3マスの並び方向中心位置をそれぞれの測定線として対向配置された6個と、上記3列の各列毎の3マスの並び方向中心位置をそれぞれの測定線として対向配置された6個と、上記矩形の対角線方向をそれぞれの測定線として対向配置された4個との、合計16個の受光部9がトラジッションピース21の入口の周縁部に配置される。
In the present embodiment, six cells arranged oppositely with the center positions of the three cells arranged in each of the three steps as the respective measurement lines, and the center of the three cells arranged in the three columns for each of the three columns. A total of sixteen
そして、各受光部9の測定線同士が碁盤目状の各マス目の中心で交差し、当該各マス目の中心が温度測定点になる。
Then, the measurement lines of each
ここで、本実施形態では、図5に示すように、TP入口断面21aに収まる矩形を分割した3段×3列の碁盤目状のマス目のうち上段の3マスの自発光の計測を行う(即ち、測定線が上段の3マスの中心を貫く)向かい合う二個の受光部9の識別子をA(図に向かって左側)及びA'(右側)とし、中段の3マスの計測を行うものをB及びB'とし、下段の3マスの計測を行うものをC及びC'とする。また、図に向かって左列の3マスの自発光の計測を行う(即ち、測定線が左列の3マスの中心を貫く)向かい合う二個の受光部9の識別子をD(図に向かって上側)及びD'(下側)とし、中央列の3マスの計測を行うものをE及びE'とし、右列の3マスの計測を行うものをF及びF'とする。また、図に向かって左上から右下への対角線方向の3マスの自発光の計測を行う向かい合う二個の受光部9の識別子をG(左上側)及びG'(右下側)とし、右上から左下への対角線方向の3マスの計測を行うものをH(右上側)及びH'(左下側)とする。また、上段3マスの温度測定点を左側のマス目の中心から順にa1,a2,a3とし、中段3マスの温度測定点を左側のマス目の中心から順にb1,b2,b3とし、下段3マスの温度測定点を左側のマス目の中心から順にc1,c2,c3とする。
Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, the self-light emission of the upper three squares among the three-stage × three-row grid-like squares obtained by dividing the rectangle that fits in the TP
各受光部9は受光したTP入口断面21aにおける火炎(燃焼ガス)の自発光を光ファイバケーブル4を介して信号増幅器5に送る。
Each
信号増幅器5は、光ファイバケーブル4を介して伝送された受光部9毎の信号光を増幅処理する。そして、信号増幅器5は増幅した受光部9毎の信号光を分光スペクトル分析計6に送る。
The
分光スペクトル分析計6は、信号増幅器5から送られた信号光を波長毎に分光してスペクトル分析を行うものである。分光スペクトル分析計6は、分光器6a,カメラ6b,A/D変換器等コントローラ6c,及びスペクトル分析器6dを有する。
The
信号増幅器5から分光スペクトル分析計6に入力された信号光は、まず、分光器6aに入力される。分光器6aは入力された信号光を波長毎に分光する。
The signal light input from the
次に、カメラ6bは、フィルタによって特定の波長を選択したりする。カメラ6bは、光のエネルギーに応じた出力信号を発生する装置であれば良く、例えばCCD(Charge Coupled Device)素子やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)素子やサーモパイル(熱電堆)や光電子倍増管などを備えるもの、具体的には例えばCCDカメラやサーモパイルを備えるカメラなどが用いられる。なお、測定対象とする(言い換えると、受光する)火炎(燃焼ガス)の特性(具体的には、燃焼ガス(ラジカル)の発光の波長)に合わせて例えばCCDカメラ等のカメラ6bの感度特性が選択される(具体的には一例として、浜松ホトニクス株式会社製・型式C7972-03G,C7972-11,C7164-03の適用が可能である)。
Next, the
次に、A/D変換器等コントローラ6cは信号光の強度をデジタル化する。
Next, the
次に、スペクトル分析器6dは発光すなわち光の波動を波長毎の強度に分解する。
Next, the
そして、分光スペクトル分析計6の処理の結果として出力される受光部9毎の波長別のスペクトル強度が温度分布測定装置10に入力される。
Then, the spectrum intensity for each wavelength for each
ここで、火炎の自発光の特定波長のバンドスペクトル強度と火炎温度との間には相関があり、特定波長のバンドスペクトル強度から火炎温度を推定することができることが知られている(木戸口・高橋:火炎発光計測による火炎温度,当量比同時計測手法の開発−第1報 大気開放ブンゼンバーナ火炎での検討−,電力中央研究所報告,研究報告:W99040,平成12年5月)。 Here, there is a correlation between the band spectrum intensity of a specific wavelength of flame self-luminescence and the flame temperature, and it is known that the flame temperature can be estimated from the band spectrum intensity of a specific wavelength (Kidoguchi and Takahashi). : Development of simultaneous measurement method of flame temperature and equivalence ratio by flame luminescence measurement-1st report Examination in the open air Bunsen burner flame-Report of Central Research Institute of Electric Power, Research report: W99040, May 2000).
本発明では、具体的には例えば、OHラジカル(波長:309.0〔nm〕等)やCHラジカル(波長:431.4〔nm〕等)やC2ラジカル(波長:516.5〔nm〕等)などのバンドスペクトル強度と火炎温度との間の関係を用いる。 In the present invention, specifically, for example, OH radicals (wavelength: 309.0 nm, etc.) or a CH radical (wavelength: 431.4 nm, etc.) or a C 2 radical (wavelength: 516.5 nm, etc.) band spectrum, such as Use the relationship between intensity and flame temperature.
スペクトル分析器6dは、本実施形態では、OHラジカル又はCHラジカル又はC2ラジカルのバンドスペクトル強度を温度分布測定装置10に対して出力する。
In the present embodiment, the
そして、本発明の温度分布測定装置は、測定対象断面21aを碁盤目状に分割して受光部9によって計測された碁盤目の少なくとも各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lに基づくバンドスペクトル強度L_b及び各列毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lに基づくバンドスペクトル強度L_bの入力を受ける手段と、ガスの燃焼属性に基づいて測定対象断面21aの平均ガス温度Texを計算する手段と、平均ガス温度Texと各段・各列毎のバンドスペクトル強度L_bとを用いて碁盤目の各マス目の中心位置(即ち、温度測定点)のガス温度Tを算出する手段とを有する。
And the temperature distribution measuring apparatus of this invention divides the measurement
上述の温度分布測定装置は、本発明の温度分布測定プログラムをコンピュータ上で実行することによっても実現される。本実施形態では、温度分布測定プログラム17をコンピュータ上で実行する場合を例に挙げて説明する。
The above-described temperature distribution measuring apparatus can also be realized by executing the temperature distribution measuring program of the present invention on a computer. In the present embodiment, a case where the temperature
温度分布測定プログラム17を実行するための本実施形態の温度分布測定装置10の全体構成を図2に示す。この温度分布測定装置10は、制御部11、記憶部12、入力部13、表示部14及びメモリ15を備え相互にバス等の信号回線により接続されている。
FIG. 2 shows an overall configuration of the temperature
制御部11は記憶部12に記憶されている温度分布測定プログラム17によって温度分布測定装置10全体の制御並びにバンドスペクトル強度を用いたガス温度分布の測定に係る演算を行うものであり、例えばCPU(中央演算処理装置)である。記憶部12は少なくともデータやプログラムを記憶可能な記憶手段であり、例えばハードディスクである。メモリ15は制御部11が各種制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となるものであり、例えばRAM(Random Access Memory の略)である。
The
入力部13は少なくとも作業者の命令を制御部11に与えるためのインターフェイスであり、例えばキーボードである。
The
表示部14は制御部11の制御により文字や図形等の描画・表示を行うものであり、例えばディスプレイである。
The
そして、温度分布測定プログラム17を実行することによって温度分布測定装置10の制御部11には、測定対象断面21aを碁盤目状に分割して受光部9によって計測された碁盤目の少なくとも各段毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lに基づくバンドスペクトル強度L_b及び各列毎のマス目の並び方向中心位置におけるガスの発光強度Lに基づくバンドスペクトル強度L_bの入力を受ける手段としてのバンドスペクトル強度入力受部11aと、ガスの燃焼属性に基づいて測定対象断面21aの平均ガス温度Texを計算する手段としての平均ガス温度計算部11cと、平均ガス温度Texと各段・各列毎のバンドスペクトル強度L_bとを用いて碁盤目の各マス目の中心位置(即ち、温度測定点)のガス温度Tを算出する手段としてのバンドスペクトル強度和算出部11b及び温度測定点ガス温度算出部11dとが構成される。
Then, by executing the temperature
また、本実施形態では、本発明の温度分布測定方法を温度分布測定装置10において実現するための温度分布測定プログラム17は、図1に示すように、受光部9毎のバンドスペクトル強度L_bの入力を受けるステップ(S1)と、測定対象断面21aにおけるバンドスペクトル強度L_bの経路和を算出するステップ(S2)と、測定対象断面21aの平均ガス温度Texを計算するステップ(S3)と、測定対象断面21aの温度測定点毎のガス温度Tを算出するステップ(S4)とを実行する。
In the present embodiment, the temperature
そして、本実施形態における温度分布測定方法の実行にあたっては、まず、測定対象断面における受光部9毎のバンドスペクトル強度が制御部11のバンドスペクトル強度入力受部11aに入力される(S1)。
In executing the temperature distribution measuring method according to the present embodiment, first, the band spectrum intensity of each
具体的には、各受光部9が受光したTP入口断面21aにおける火炎の自発光に基づいて分光スペクトル分析計6がスペクトル分析した結果としての受光部9毎の特定波長のバンドスペクトル強度が分光スペクトル分析計6からバンドスペクトル強度入力受部11aに入力される。
Specifically, the band spectrum intensity of a specific wavelength for each light receiving
なお、S1の処理においては、特定波長(以下、指定バンドと呼ぶ)のバンドスペクトル強度が用いられる。具体的には、分光スペクトル分析計6からバンドスペクトル強度入力受部11aに指定バンドのバンドスペクトル強度のみが入力されるようにしても良いし、分光スペクトル分析計6からバンドスペクトル強度入力受部11aに入力された波長別スペクトル強度の中からバンドスペクトル強度入力受部11aが指定バンドのバンドスペクトルのみを選択して用いるようにしても良い。以下、指定バンドのバンドスペクトル強度を指定バンド強度と呼ぶ。
In the process of S1, band spectrum intensity of a specific wavelength (hereinafter referred to as a designated band) is used. Specifically, only the band spectrum intensity of the designated band may be input from the
ここで、図5における受光部9Aが受光した発光強度をLAA'と表記し、受光部9A'が受光した発光強度をLA'Aと表記し、同様に、受光部9B,9B',9C,9C',…,9H,9H'が受光した発光強度をそれぞれLBB',LB'B,LCC',LC'C,…,LHH',LH'Hと表記する。なお、発光強度LAA'は、具体的には、受光部9Aと9A'とを結ぶ測定線における発光強度の積分値であり、被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの全体にして測定して受光部9Aが受光した発光強度である。
Here, the light emission intensity received by the light receiving unit 9A in FIG. 5 is expressed as L AA ′ , the light emission intensity received by the light receiving unit 9A ′ is expressed as L A′A, and similarly, the light receiving units 9B, 9B ′, The light emission intensities received by 9C, 9C ′,..., 9H, 9H ′ are expressed as L BB ′ , L B′B , L CC ′ , L C′C ,..., L HH ′ , L H′H , respectively. The light emission intensity L AA ′ is specifically an integral value of the light emission intensity on the measurement line connecting the light receiving portions 9A and 9A ′, and the subject depth is measured over the entire depth of the TP
バンドスペクトル強度入力受部11aには、信号増幅器5及び分光スペクトル分析計6による処理が施された受光部9A,9A',9B,9B',…,9H,9H'毎の発光強度LAA',LA'A,LBB',LB'B,…,LHH',LH'Hについてのバンドスペクトル強度(少なくとも指定バンド強度)の値が入力される。
In the band spectrum intensity
そして、バンドスペクトル強度入力受部11aは、入力された受光部9A,9A',9B,9B',…,9H,9H'毎の発光強度LAA',LA'A,LBB',LB'B,…,LHH',LH'Hについての指定バンド強度(以下、LAA'_b,LA'A_b,LBB'_b,LB'B_b,…,LHH'_b,LH'H_bとそれぞれ表記する)をメモリ15に記憶させる。
The band spectrum intensity
また、本実施形態では、バンドスペクトル強度入力受部11aには、さらに、各受光部9位置からの被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの3分の2(即ち、各段・各列の3マスのうち各受光部9側から2マス目まで)に絞って測定したバンドスペクトル強度(少なくとも指定バンド強度)の値が入力される。なお、被写体深度3分の2に対応する発光強度の受光(計測)は、例えばカセグレン光学系(例えば、P.Kauranen, A.Andersson-Engels, and S.Svanberg, “Spatial mapping of flame radical emission using a spectroscopic multi-colour imaging system”, Applied Physics B 53, pp.260-264, 1991年 を参照)を用いることによって行われる。また、以下においては、例えば受光部9A側からの被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの3分の2に絞って測定した指定バンド強度の値をLA2/3_bと表し、受光部9A'側からの被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの3分の2に絞って測定した指定バンド強度の値をLA'2/3_bと表す。
Further, in the present embodiment, the band spectrum intensity
そして、バンドスペクトル強度入力受部11aは、入力された受光部9A,9A',9B,9B',…,9H,9H'毎の発光強度LAA',LA'A,LBB',LB'B,…,LHH',LH'Hについての被写体深度3分の2の指定バンド強度LA2/3_b,LA'2/3_b,LB2/3_b,LB'2/3_b,…,LH2/3_b,LH'2/3_bをメモリ15に記憶させる。
The band spectrum intensity
次に、制御部11のバンドスペクトル強度和算出部11bが、測定対象断面におけるバンドスペクトル強度の経路和の算出を行う(S2)。
Next, the band spectrum intensity
バンドスペクトル強度和算出部11bは、S1の処理においてメモリ15に記憶された発光強度についての指定バンド強度LAA'_b,LA'A_b,LBB'_b,LB'B_b,…,LHH'_b,LH'H_bをメモリ15から読み込み、数式2及び数式3によって指定バンド強度の経路和L01及びL02を算出する。
(数2) L01=LB_b+LE_b+LG_b+LH_b
(数3) L02=LA_b+LB_b+LC_b+LD_b+LE_b+LF_b
The band spectrum intensity
( Expression 2) L 01 = L B — b + L E — b + L G — b + L H — b
(Number 3) L 02 = L A_b + L B_b + L C_b + L D_b + L E_b + L F_b
なお、数式2及び数式3におけるLA_b,LB_b,…,LH_bの値としては、具体的に例えばLA_bについては指定バンド強度LAA'_bとLA'A_bとの平均値である(LAA'_b+LA'A_b)/2を用いる。 Incidentally, L A_b, L B_B in Equations 2 and 3, ..., as the value of L H_b, an average value of the specified band intensity L AA'_b and L A'A_b for specific example L A_b ( L AA′_b + L A′A_b ) / 2 is used.
そして、バンドスペクトル強度和算出部11bは、指定バンド強度の各段・各列平均値LA_b,LB_b,…,LH_b、及び、指定バンド強度の経路和L01,L02をメモリ15に記憶させる。
The band spectral intensity
次に、制御部11の平均ガス温度計算部11cが、測定対象断面の平均ガス温度の計算を行う(S3)。
Next, the average gas
測定対象断面であるTP入口断面21aの平均ガス温度Texは、例えば燃料流量,空気流量,燃料温度,空気温度,圧力などに基づいて計算される。なお、断面の平均ガス温度の計算方法自体は周知の技術であるのでここでは詳細については省略する(例えば、Harker,J.H.,‘The Calculation of Equilibrium Flame Gas Compositions,’,Journal of The Institute of Fuel,Vol.40,No.316,pp.206-213,1967年 を参照)。
The average gas temperature T ex of the TP
平均ガス温度計算部11cは、断面の平均ガス温度を計算するために必要な属性(各種変数の値;以下、ガスの燃焼属性と呼ぶ)の指定を要求する内容のメッセージを表示部14に表示し、入力部13を介して作業者によって入力されたガスの燃焼属性を読み込む。
The average gas
そして、平均ガス温度計算部11cは、TP入口断面21aの平均ガス温度Texを計算し、計算した値をメモリ15に記憶させる。
Then, the average gas
次に、制御部11の温度測定点ガス温度算出部11dが、測定対象断面の温度測定点毎のガス温度の算出を行う(S4)。
Next, the temperature measurement point gas
図5に示す本実施形態のTP入口断面21aの碁盤目状に分割されたマス目毎の温度測定点a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3におけるガス温度を順にTa1,Ta2,Ta3,Tb1,Tb2,Tb3,Tc1,Tc2,Tc3とする。
The gas temperatures at the temperature measurement points a1, a2, a3, b1, b2, b3, c1, c2, c3 for each grid divided in a grid pattern of the TP
TP入口断面21aにおける温度測定点毎のガス温度を用いると平均ガス温度Texは数式4のように表される。
(数4) Tex=(Ta1+Ta2+Ta3+Tb1+Tb2+Tb3+Tc1+Tc2+Tc3)/9
When the gas temperature at each temperature measurement point in the TP
(Expression 4) T ex = (T a1 + T a2 + T a3 + T b1 + T b2 + T b3 + T c1 + T c2 + T c3 ) / 9
また、バンドスペクトル強度とガス温度との間には一定の関係があるので、数式4を数式2に代入すると指定バンド強度の経路和L01は数式5のように表される。
(数5) L01∝Tex+Tb2×3
Further, since there is a certain relationship between the band spectrum intensity and the gas temperature, the path sum L 01 of the designated band intensity is expressed as
(Equation 5) L 01 ∝T ex + T b2 × 3
そして、バンドスペクトル強度をガス温度に換算するための比例定数αを用いると数式5は数式6のように表される。
(数6) −Tb2=(Tex−α×L01)/3
Then, using a proportionality constant α for converting the band spectrum intensity into the gas temperature,
(Equation 6) −T b2 = (T ex −α × L 01 ) / 3
数式6においてLB_bを用いると数式7が導かれる。
(数7) Tb1+Tb3=α×LB_b+(Tex−α×L01)/ 3
If L B — b is used in
( Equation 7) T b1 + T b3 = α × L B — b + (T ex −α × L 01 ) / 3
ここで、受光部9B側からの被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの3分の2に絞って測定した指定バンド強度LB2/3_bと、受光部9B'側からの被写体深度をTP入口断面21aの奥行きの3分の2に絞って測定した指定バンド強度LB'2/3_bとの差は、ガス温度Tb1とTb3との差に相当するので数式8が成り立つ。
(数8) Tb1−Tb3=α×(LB2/3_b−LB'2/3_b)
Here, the designated band intensity L B2 / 3_b measured by narrowing the subject depth from the light receiving unit 9B side to two-thirds of the depth of the TP
( Equation 8) T b1 −T b3 = α × (L B2 / 3_b −L B′2 / 3_b )
温度測定点ガス温度算出部11dは、S2の処理においてメモリ15に記憶された指定バンド強度の各段・各列平均値LA_b,LB_b,…,LH_b、及び、指定バンド強度の経路和L01、並びに、S3の処理においてメモリ15に記憶された平均ガス温度Texをメモリ15から読み込む。そして、温度測定点ガス温度算出部11dは、温度測定点b2のガス温度Tb2を数式6によって算出すると共に、温度測定点b1及びb3のガス温度の和であるTb1+Tb3の値Tb1+3を数式7によって算出する。
Temperature measuring point gas
ここで、バンドスペクトル強度をガス温度に換算するための比例定数αは数式9の関係から算出される。なお、この比例定数αは、測定対象断面内では測定時点毎に一定であると仮定する。
(数9) Tex=α×L02/2
Here, the proportionality constant α for converting the band spectrum intensity into the gas temperature is calculated from the relationship of
(Equation 9) T ex = α × L 02/2
また、温度測定点ガス温度算出部11dは、S1の処理においてメモリ15に記憶された被写体深度3分2の指定バンド強度LB2/3_b及びLB'2/3_bをメモリ15から読み込み、温度測定点b1及びb3のガス温度の差であるTb1−Tb3の値Tb1-3を数式8によって算出する。
The temperature measurement point the gas
そして、温度測定点ガス温度算出部11dは、温度測定点b1のガス温度Tb1を数式10によって求めると共に温度測定点b3のガス温度Tb3を数式11によって求める。
(数10) Tb1=(Tb1+3+Tb1-3)/2
(数11) Tb3=(Tb1+3−Tb1-3)/2
Then, the temperature measurement point gas
( Equation 10) T b1 = (T b1 + 3 + T b1-3 ) / 2
( Equation 11) T b3 = (T b1 + 3 −T b1-3 ) / 2
温度測定点ガス温度算出部11dは、同様の手順によって温度測定点毎のガス温度Ta1,Ta2,Ta3,Tc1,Tc2,Tc3を求める。そして、温度測定点ガス温度算出部11dは、求めた温度測定点毎のガス温度の値をメモリ15に記憶させる。
The temperature measurement point gas
ここで、温度測定点毎のガス温度Ta1,Ta2,Ta3,Tb1,Tb2,Tb3,Tc1,Tc2,Tc3である未知変数は9つであるので、これら未知変数の間の関係を表す式であって既知変数を含む式が同じく9つあれば、ガス温度Ta1,…,Tc3を算出することができる。本実施形態では、数式4が関係式の一つであり平均ガス温度Texは計算可能であって既知変数であるので、既知変数を含む関係式はあと8つあれば良く、具体的には、8つの受光部9A,9B,9C,9D,9E,9F,9G,9H(すなわち、他の8つの受光部9A',9B',9C',9D',9E',9F',9G',9H'を除く)が受光した発光強度についての指定バンド強度LAA'_b,LBB'_b,LCC'_b,LDD'_b,LEE'_b,LFF'_b,LGG'_b,LHH'_bのみを用いることによって9点のガス温度Ta1,…,Tc3を算出することができる。
Here, since there are nine unknown variables which are gas temperatures T a1 , T a2 , T a3 , T b1 , T b2 , T b3 , T c1 , T c2 , T c3 for each temperature measurement point, these unknown variables If there are similarly nine expressions including known variables, the gas temperatures T a1 ,..., T c3 can be calculated. In the present embodiment,
一方で、本実施形態では、測定対象断面における温度分布にむらがあることも考えられるので、8つの受光部9A,9B,9C,…,9Hが受光した発光強度についての指定バンド強度に加えて8つの受光部9A',9B',9C',…,9H'が受光した発光強度についての指定バンド強度も更に用いるようにしたり、被写体深度3分の2の指定バンド強度もまた更に用いるようにしたりしている。これにより、ガス温度分布の測定精度を向上させることができる。 On the other hand, in this embodiment, since there may be uneven temperature distribution in the measurement object cross section, in addition to the specified band intensity for the light emission intensity received by the eight light receiving portions 9A, 9B, 9C,. Further, the designated band intensity for the light emission intensity received by the eight light receiving units 9A ′, 9B ′, 9C ′,..., 9H ′ is further used, or the designated band intensity at the two thirds of the subject depth is further used. It is. Thereby, the measurement accuracy of gas temperature distribution can be improved.
また、本実施形態では手順として組み込んでいないが、バンドスペクトル強度とガス温度との間には一定の関係があるので、数式4を数式3に代入すると発光強度の経路和L02は数式12のように表される。
(数12) L02∝Tex×18
Further, although not incorporated as a procedure in the present embodiment, since there is a certain relationship between the band spectrum intensity and the gas temperature, if
(Equation 12) L 02 ∝T ex × 18
比例定数α'を用いると数式12は数式13のように表される。
(数13) L02=1/α'×Tex×18
When the proportional constant α ′ is used,
(Expression 13) L 02 = 1 / α ′ × T ex × 18
さらに、数式6及び数式13から経路長による誤差を求めることによってガス温度分布の測定精度を向上させることができる。
Furthermore, the measurement accuracy of the gas temperature distribution can be improved by obtaining the error due to the path length from
また、L03及びL04を数式14及び数式15のように定義し、これを比較することによって発光受光の方向の相違に依存する発光強度差及びガス温度情報におけるガス温度との比例乗数を求めて温度差を求めることにより、ガス温度分布の測定精度を向上させることができる。
(数14) L03=L_A+L_B+L_C
(数15) L04=L_D+L_E+L_F
Further, L 03 and L 04 are defined as
(Number 14) L 03 = L _A + L _B + L _C
(Number 15) L 04 = L _D + L _E + L _F
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態ではガスタービンのトラジッションピース21の入口の断面21aにおける燃焼器排出ガス23の温度を測定する場合を例に挙げて説明したが、本発明の温度分布測定方法による測定対象はこれに限られるものではなく、例えば膨張タービン翼列CTの入口の断面でもあるトラジッションピース21の出口の断面における燃焼器排出ガス23の温度を測定するようにしても良いし、トラジッションピース21の入口から出口までの任意の断面における燃焼器排出ガス23の温度を測定するようにしても良い。さらに言えば、本発明における測定対象は、ガスタービン内の燃焼ガスに限られるものではなく、例えばボイラー内の燃焼ガスの温度を測定するようにしても良い。
In addition, although the above-mentioned form is an example of the suitable form of this invention, it is not limited to this, A various deformation | transformation implementation is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, the case of measuring the temperature of the
また、上述の実施形態では8つの受光部9A,9B,9C,…,9Hに加えて更に8つの受光部9A',9B',9C',…,9H'を設置し、これら8つの受光部9A,9B,9C,…,9Hが受光した発光強度についての指定バンド強度に加えて更に8つの受光部9A',9B',9C',…,9H'が受光した発光強度についての指定バンド強度も用いると共に被写体深度3分の2の指定バンド強度も用いるようにしているが、温度測定点毎のガス温度Ta1,…,Tc3である未知変数は9つであるのでこれら未知変数の間の関係を表す式であって既知変数を含む式が少なくとも同じく9つあればガス温度Ta1,…,Tc3を算出することはできる。また、温度測定点毎のガス温度と測定対象断面の平均ガス温度Texとの間には数式4のような関係が成り立つと共に平均ガス温度Texは周知の方法によって算出され得る。したがって、測定対象断面を[m段×n列]個の碁盤目状に分割し温度測定点の数が[m×n]個である場合には(ただし、m,nはどちらも3以上の整数)、各段のn個のマスの中心を測定線が貫いて自発光の計測を行うものと各列のm個のマスの中心を測定線が貫いて自発光の計測を行うものとの合わせて[m×n]個の受光部を設置し(そして、測定対象断面の奥行きの全体を被写体深度とする計測を行う)、別途算出した測定対象断面の平均ガス温度Texを用いるようにすれば、ガス温度を算出することができる。そして、本実施形態のように測定対象断面の温度分布にむらがある場合でも温度測定精度を向上させるため、必要に応じ、上記[m×n]個の受光部と向かい合う受光部を更に設置して発光強度を計測したり、測定対象断面の奥行きの例えば2/mや2/nを被写体深度とする計測を更に行うようにすれば良い。
In the above-described embodiment, in addition to the eight light receiving portions 9A, 9B, 9C,..., 9H, further eight light receiving portions 9A ′, 9B ′, 9C ′,. 9A, 9B, 9C,..., 9H, in addition to the designated band intensity for the light emission intensity received by the light receiving units 9A ′, 9B ′, 9C ′,. And a specified band intensity of 2/3 of the subject depth is used, but since there are nine unknown variables of gas temperatures T a1 ,..., T c3 at each temperature measurement point, between these unknown variables The gas temperatures T a1 ,..., T c3 can be calculated as long as there are at least nine equations including known variables. Further, the average gas temperature T ex with established relationship such as
また、上述の実施形態では数式2から数式11までを用いて発光強度についての指定バンド強度からガス温度を算出するようにしているが、本発明において指定バンド強度からガス温度を算出する方法・手順はこれに限られるものではない。上述の実施形態では数式4として表される測定対象断面の温度測定点毎のガス温度の合計と平均ガス温度との間の関係式を少なくとも用いれば、残りの数式とは異なる他の関係式を用いるようにしても良い。なお、比例定数αについては、下に述べるように実験によって求めないのであれば、上述の実施形態における数式9を用いて算出する。
Further, in the above-described embodiment, the gas temperature is calculated from the designated band intensity with respect to the emission intensity using Equations 2 to 11, but in the present invention, the method / procedure for calculating the gas temperature from the designated band intensity is used. Is not limited to this. In the above-described embodiment, if at least the relational expression between the total gas temperature and the average gas temperature at each temperature measurement point of the measurement object cross section expressed as
また、上述の実施形態では単一の指定バンドのバンドスペクトル強度を用いるようにしているが、これに限られず、燃料組成に応じて複数種類の指定バンドのバンドスペクトル強度を用いて当該複数種類の指定バンド毎に温度測定点におけるガス温度を求め、例えばこれらの平均値を測定温度にするようにしても良い。これにより、ガス温度をより正確に評価することができる。 In the above-described embodiment, the band spectrum intensity of a single designated band is used. However, the present invention is not limited to this, and the plurality of kinds of band spectrum intensities of a plurality of kinds of designated bands are used according to the fuel composition. The gas temperature at the temperature measurement point may be obtained for each designated band, and for example, the average value of these may be used as the measurement temperature. Thereby, gas temperature can be evaluated more correctly.
また、上述の実施形態ではバンドスペクトル強度と火炎温度との間の関係において用いるバンドスペクトル強度の特定波長の例としてOHラジカル,CHラジカル,C2ラジカルを具体的に挙げているが、本発明において用いられるバンドスペクトル強度の特定波長はこれらに限られるものではなく、他の波長のバンドスペクトル強度を用いるようにしても良い。 In the above-described embodiment, specific examples of the specific wavelength of the band spectrum intensity used in the relationship between the band spectrum intensity and the flame temperature include OH radical, CH radical, and C 2 radical. The specific wavelength of the band spectrum intensity used is not limited to these, and band spectrum intensity of other wavelengths may be used.
また、上述の実施形態ではバンドスペクトル強度を温度に換算するための比例定数αを数式9の関係から算出するようにしているが、比例定数αは実験によって求めるようにしても良い。
In the above-described embodiment, the proportionality constant α for converting the band spectrum intensity into the temperature is calculated from the relationship of
また、上述の実施形態では、光ファイバケーブル4の受光部9をトラジッションピース21の入口の周縁部に配置し、この受光部9が受光した光を光ファイバケーブル4によって分光スペクトル分析計6のカメラ6bに導くようにしている。これは、トラジッションピース21の入口付近は高温場であってカメラ類を直接配置することは好ましくないことを考慮したためである。したがって、耐熱仕様が施されるなどして高温場でも差し障りがないのであれば、光ファイバケーブル4を用いることなく、トラジッションピース21の入口の周縁部にカメラなど光のエネルギーに応じた出力信号を発生する装置を直接配置するようにしても良い。
In the above-described embodiment, the
10 温度分布測定装置
11 制御部
12 記憶部
13 入力部
14 表示部
15 メモリ
17 温度分布測定プログラム
DESCRIPTION OF
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011056408A JP2012193978A (en) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2011056408A JP2012193978A (en) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012193978A true JP2012193978A (en) | 2012-10-11 |
Family
ID=47086022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011056408A Pending JP2012193978A (en) | 2011-03-15 | 2011-03-15 | Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012193978A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106768442A (en) * | 2016-12-23 | 2017-05-31 | 洛阳拖拉机研究所有限公司 | A kind of DPF carrier insides temperature field testing device and method of testing |
CN109307550A (en) * | 2018-11-15 | 2019-02-05 | 中电科仪器仪表有限公司 | A kind of temperature-compensation method improving light power meter stability |
CN115452202A (en) * | 2022-11-10 | 2022-12-09 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | High-temperature thermocouple calibration method based on coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS53114376A (en) * | 1977-03-16 | 1978-10-05 | Toshiba Corp | Computer tomographic diagnostic equipment |
JPS62116225A (en) * | 1985-11-15 | 1987-05-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for measuring temperature distribution of gas |
US20020190137A1 (en) * | 2000-08-11 | 2002-12-19 | Cheng Dah Yu | Steam injection nozzle design of gas turbine combustion liners for enhancing power output and efficiency |
JP2010255635A (en) * | 2009-04-27 | 2010-11-11 | General Electric Co <Ge> | Gas turbine optical imaging system |
JP2010539437A (en) * | 2007-09-14 | 2010-12-16 | シーメンス エナジー インコーポレイテッド | Apparatus and method for controlling secondary fuel injection |
-
2011
- 2011-03-15 JP JP2011056408A patent/JP2012193978A/en active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS53114376A (en) * | 1977-03-16 | 1978-10-05 | Toshiba Corp | Computer tomographic diagnostic equipment |
JPS62116225A (en) * | 1985-11-15 | 1987-05-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for measuring temperature distribution of gas |
US20020190137A1 (en) * | 2000-08-11 | 2002-12-19 | Cheng Dah Yu | Steam injection nozzle design of gas turbine combustion liners for enhancing power output and efficiency |
JP2010539437A (en) * | 2007-09-14 | 2010-12-16 | シーメンス エナジー インコーポレイテッド | Apparatus and method for controlling secondary fuel injection |
JP2010255635A (en) * | 2009-04-27 | 2010-11-11 | General Electric Co <Ge> | Gas turbine optical imaging system |
Non-Patent Citations (6)
Title |
---|
JPN6014026915; 林康志 他: '"燃焼時のラジカル自発光を活用した火炎のCT温度計測技術の確立"' 日本機械学会東海支部第58期総会講演会講演論文集 No.093-1, 20090301, Pages 415-416 * |
JPN6014026916; 瀬尾建彦 他: '"カセグレン光学系を用いた温度とラジカル自発光の局所同時計測"' 日本機械学会論文集B編 Volume 71, Number 708, 200508, Pages 2169-2176 * |
JPN6014026917; TORII,S. 他: '"Adiabatic Flame Temperature and Specific Heat of Combustion Gases"' 鹿児島大学工学部研究報告 Volume 34, 199209, Pages 1-15 * |
JPN6014026918; ZHOU,H.-C. 他: '"Experimental investigations on visualization of three-dimensional temperature distributions in a l' Proceedings of the Combustion Institute Volume 30, Issue 1, 200501, Pages 1699-1706 * |
JPN6014026919; LEIPERTZ,A. 他: '"INDUSTRIAL COMBUSTION CONTROL USING UV EMISSION TOMOGRAPHY"' Symposium (International) on Combustion , 1996, Pages 2869-2875, Volume 26, Issue 2 * |
JPN6014026920; WATT,D.W. 他: '"Spectroscopic Emission Tomography For Propulsion Diagnositics"' 39th AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit Article AIAA 2001-0303, 200101, 8 Pages * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106768442A (en) * | 2016-12-23 | 2017-05-31 | 洛阳拖拉机研究所有限公司 | A kind of DPF carrier insides temperature field testing device and method of testing |
CN109307550A (en) * | 2018-11-15 | 2019-02-05 | 中电科仪器仪表有限公司 | A kind of temperature-compensation method improving light power meter stability |
CN115452202A (en) * | 2022-11-10 | 2022-12-09 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | High-temperature thermocouple calibration method based on coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhu et al. | Chemiluminescence signature of premixed ammonia-methane-air flames | |
Fu et al. | Study on laminar flame speed and flame structure of syngas with varied compositions using OH-PLIF and spectrograph | |
Kutne et al. | Experimental analysis of the combustion behaviour of oxyfuel flames in a gas turbine model combustor | |
Daniele et al. | Flame front/turbulence interaction for syngas fuels in the thin reaction zones regime: turbulent and stretched laminar flame speeds at elevated pressures and temperatures | |
García-Armingol et al. | Effect of local flame properties on chemiluminescence-based stoichiometry measurement | |
Wang et al. | Quantitative laser-induced fluorescence of NO in ammonia-hydrogen-nitrogen turbulent jet flames at elevated pressure | |
Dennis et al. | 5 kHz thermometry in a swirl-stabilized gas turbine model combustor using chirped probe pulse femtosecond CARS. Part 1: temporally resolved swirl-flame thermometry | |
Asgari et al. | NOx formation in post-flame gases from syngas/air combustion at atmospheric pressure | |
Zhu et al. | Investigation on chemiluminescence and structure characteristics in CH4/O2 diffusion flames | |
JP2012193978A (en) | Temperature distribution measuring method, measuring device and measuring program | |
Satija et al. | CARS thermometry in laminar sooting ethylene-air co-flow diffusion flames with nitrogen dilution | |
Blunck et al. | Spatial development and temperature of spark kernels exiting into quiescent air | |
Ding et al. | Chemiluminescence of burner-stabilized premixed laminar flames | |
Zhao et al. | Rapid online tomograph in non-uniform complex combustion fields based on laser absorption spectroscopy | |
Blunck | Applications of infrared thermography for studying flows with participating media | |
Ariemma et al. | Optical sensing for MILD Combustion monitoring | |
Blunck et al. | Turbulent radiation statistics of exhaust plumes exiting from a subsonic axisymmetric nozzle | |
US20170276622A1 (en) | Method and system for gas temperature measurement | |
Blunck et al. | Influence of turbulent fluctuations on the radiation intensity emitted from exhaust plumes | |
JP7520325B2 (en) | Temperature Measurement System | |
Rao et al. | Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for the characterization of methane-air laminar diffusion flame | |
Londoño et al. | Determination of laminar flame speed of methane-air flames at subatmospheric conditions using the cone method and ch* emission | |
Kundu et al. | Operability and performance of central (pilot) stage of an industrial prototype burner | |
Voigt et al. | Quantitative CO PLIF measurements in aeroengine gas turbine combustion chambers under realistic conditions | |
Schultz et al. | TDL absorption sensor for in situ determination of combustion progress in scramjet ground testing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131211 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140613 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140701 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140829 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150113 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20150309 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20150407 |