JP2015068346A - 燃焼器内部の温度を決定する方法および制御ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】音響送信機および音響受信機を使用してガスの温度を決定するための方法を提供すること。
【解決手段】音響送信機および音響受信機を使用して、侵略的なガスおよび／または研磨性のガスの温度を決定するための方法が説明される。送信機は、可変周波数を有する音響信号を放射し、そして、受信機は、最大の周波数を音響入力信号から抽出する。この最大の周波数に基づいて、送信機と受信機との間のガスの温度が計算される。
【選択図】図６

Description

発明の背景
本発明は、燃焼器内部の温度を決定する方法に関し、特に、本発明は、熱ガスの温度の素早い変動を動的に音響的に測定することに関する。

先行技術
燃焼器において、気体燃料、液体燃料または固体燃料と、空気とが、熱を発生させるために燃焼させられる。ガスと共に燃料を燃焼させることにより生じるガスは、５０ｂａｒまでの圧力で、２０００℃まで温度が達し、研磨性の固体粒子を含む。燃焼器の動作を制御するために、燃焼器内部のガスの実際の温度Ｔ_ｇａｓ（ｔ）をリアルタイムでモニタリングする必要がある。

上述の状況により、熱電対または光学機器によって温度を測定することが困難になる。

これらの困難さを克服するために、温度が音速に依存するという理由から、ガスの温度をその音速に基づき決定することが知られている。

特許文献１から、燃焼室内の温度を測定する方法およびシステムが公知である。

この方法は、動作中の燃焼室内部の音圧スペクトルをモニタリングし、音圧スペクトルの少なくとも１つの最大値（共振周波数）に基づいて、燃焼室内部のガスの温度を決定する。

特許文献２から、燃焼器フレームの温度を推定する方法が公知である。この方法は、燃焼器の、第１の横波音響モードの共振周波数の決定と、この共振周波数に基づくガスの温度を決定とを含む。

これらの方法は、能動的な音響励起を含まないので、これらの方法の精度および有意性が大きく制限される。音響パワースペクトルが受動的にのみ測定される場合には、スペクトルにおける最大のパワーレベルが、バーナー入り口に近い軸方向位置における第１の横波の共振周波数において見出される。この位置において、半径方向の温度分布は、未燃ガスの領域のために非常に不均一になり、その結果、測定された温度はフレーム温度から大きくずれる。

特許文献３は、熱燃焼ガスにさらされる共振空洞内の温度測定を説明している。説明されている温度測定は、共振空洞の長さおよび高さにわたり空間的に平均化されている。その結果として、燃焼器の動的温度測定またはリアルタイム制御は、このような方法と共に実行できない。同一の不利点が、特許文献４から公知の方法にもあてはまる。

米国特許第４３１７３６６号明細書 米国特許第６９７９１１８号明細書 英国特許第９３１２３３号明細書 米国特許第４１６４８６７号明細書

発明の要旨
本願発明の課題は、厳しい状況下で、１つの特定の軸方向位置における燃焼室内の熱ガスの温度を、高い精度および高い信頼性をもってリアルタイムで決定する方法を提供することである。特定の軸方向位置とは、任意の位置であり、かつ、自由に選択される位置を意味している。例えば、軸方向位置は、特定の位置において、燃焼器内部のガスの温度が非常に均一化されているため良好な結果を得られる位置である。軸方向位置は、また、タービンなどの局所的な過熱を避けるために、特定の位置で発生するガスの臨界温度がモニタリングされる位置である。

この課題は、燃焼器内部の特定の軸方向位置におけるガスの温度を決定する方法によって達成され、この燃焼器は、能動的かつ制御可能な音響供給源（送信機）と、その音響供給源の出力を受信するための受信機とを備えている、方法において、前記方法は、音響供給源から音響信号を放射するステップであって、この音響信号は、燃焼器内のガスの１つの共振周波数を含む周波数帯域内にある周波数を有する、ステップと、前記受信機によって、前記音響供給源からの音響信号を受信するステップと、前記ガスの実際の共振周波数に基づいて特定の軸方向位置におけるガスの実際の温度を決定するステップとを含み、前記音響供給源と受信機とは、燃焼器の壁に設置され、燃焼器自体は共振空洞として使用される。

能動的に音響信号を生成および放射することによって、特に、以下の利点が得られる。

所定の周波数帯域内で、送信機によって生成される音響信号の周波数を連続的に変化させることが可能である。

このことは、燃焼器内部のガスが、（所定の周波数帯域内の）種々の周波数の音響信号で励起されることを意味する。これは、受信機に対して非常にはっきりとした音響入力信号をもたらし、この音響入力信号は、入力信号の音圧の最大値を容易に検出可能であり、それによって、送信機と受信機との間に在るガスの実際の共振周波数ｆ_ｒｅｓが決定される。これは、この軸方向位置におけるガスの温度の非常に正確な決定を可能にする。異なる軸方向位置においていくつかの送信機および受信機が設置されている場合には、異なる位置における温度が、同時にモニタリングされる。

悪条件が存在する場合には、放射される音響信号の振幅を増大させることが可能であり、その結果、受信機に対する安定した音響入力信号が得られる。

音響信号の周波数および上述の周波数帯域が、異なる燃焼器タイプおよび位置に容易に適合される。

さらに、いくつかの音響供給源および受信機が異なる場所に設置されている場合には、燃焼器の異なる軸方向位置におけるガスの局所的な温度を同時に決定することが可能である。

音響信号が、任意の種類の音響供給源（例えば、圧電送信機、ラウドスピーカ、ホーン、サイレン、空中破裂、電気スパークなど）によって生成される。

燃焼器内部のガスの共振周波数は温度と共に変化するので、通常動作時における燃焼器内部の共振周波数から開始する周波数帯域を、起点と規定することが可能である。この共振周波数の＋／−１０％が周波数帯域の上限ｆ_ｍａｘおよび下限ｆ_ｍｉｎと設定されていれば十分であることが証明されている。多くの場合には、周波数帯域がさらに小さい可能性がある。周波数帯域が小さければ小さいほど、ガスの温度決定の時間分解能が高くなる。それゆえ、しばしば、小さい周波数帯域を使用することが有利である。当然ながら、本願発明は、上述の範囲に限定されない。

音響供給源によって生成される音響信号の周波数を連続的に変化させること（スイーピング）によって、ガスの共振周波数のいかなる変化もリアルタイムで検出することが可能である。その結果、特定の軸方向位置におけるガスの温度もリアルタイムで決定される。

音響信号の周波数を連続的に変化させることによって、５０Ｈｚまでの時間分解能が達成される。これは、いかなる温度の変化も、ほぼ遅延なしで決定されることを意味する（この遅延は０．０２秒以下である）。このことは、燃焼器の非常に良好なリアルタイムの制御を可能にする。

実際のガスの温度Ｔ_ｇａｓ（ｔ）が以下の式に基づいて決定される。この式は、最大高さ「ｄ」の長方形の輪郭を有するダクトまたは燃焼室に対して有効である。他の断面に対しては式がわずかに異なる。ガスの音速を計算することは当業者にはよく知られているので、本願においては、他の断面に対する式は示さない。

ここで、
ｃはガスの音速であり、
Ｒは一般ガス定数であり、
γは熱容量比であり、
Ｍはガスの分子量であり、
ｄは送信機と受信機との間の距離である。

上述したように、円形断面を有するダクトに対しては上記の式はわずかに異なる。任意に設計された燃焼室の場合、温度がよく知られている条件（例えば低温条件）下で横波の共振周波数を決定することが必要とされる。なぜならば、断面が完全に円形ではないまたは長方形ではない、いくつかの空洞（例えば冷却ホール）が存在するからである。

この式は、ガスタービンの制御ユニットにおいて処理することが容易であり、正確な結果をもたらす。

上記方法、能動的音響供給源および受信機に組み込むいくつかのオプションがある。

音響信号が、燃焼室を通って横方向に（流れの方向に垂直に）送信されることが好ましい。

上述の構成要素が、燃焼器の同一の壁に、互いに接近して設置され（または上述の構成要素が同一であり）、反射された音響波が検出される。

この配置は、燃焼器内部のガスの流れ場において起こり得る不連続性を補償する。例えば、ドップラー効果に起因して音響信号に影響を与える横方向の流速が補償され、その結果、本願の方法の結果に影響が出ない。

さらに、両方の構成要素（送信機および受信機）が互いに隣接して配置されているので、配線が容易である。

構成要素の配線およびそれらの設置のコストをさらに低減するために、能動的音響供給源および受信機が送受信機に統合される。

いくつかの場合には、能動的音響供給源と受信機とを、燃焼室内の同一の軸方向位置において、燃焼器の対向する壁に設置することがより有利である。

この配置に対して、送受信機が使用される場合、ガスの温度の冗長的な決定がわずかな追加コストで達成される。

さらに、上述の位置の組み合わせが、燃焼器の幾何学的形状および他の制約に依存して使用される。

本願の方法は、また、いくつかの送信機および受信機を円周上に分配して設置することによって、１つの特定の軸方向位置における２次元温度場を測定するために使用される。

本願の方法は、化学的に侵略的および／または研磨性のガスの燃焼温度を決定するために、例えば、ガスタービンの燃焼器、電力プラントのボイラーなどに適用されるが、本願の方法は、これらに限定されない場所にも適用される。

本願の方法のさらなる利点および詳細が、図面に示され、以下で説明される。

図１は、送信機の出力信号の図を示す。 図２は、受信機の音響入力信号の振幅を表す図を示す。 図３は、燃焼器の３つの実施形態の概略図を示す。 図４は、燃焼器の３つの実施形態の概略図を示す。 図５は、燃焼器の３つの実施形態の概略図を示す。 図６は、本願の方法の制御アルゴリズムのスケッチを示す。 図７は、送受信機のブラックボックス図を示す。

実施形態の説明
第１の横波の共振（または任意のさらなる横波の共振）の検出される共振周波数ｆ_ｒｅｓは、音速ｃおよび燃焼室の既知の直径（または長方形の燃焼室に関しては燃焼室の壁間の距離）ｄの関数である。

さらに、音速は、温度およびガス特性の関数であり、以下の公式に基づいて温度を計算することが可能である：

ここで、
ｃ 燃焼器内部のガスの音速、
Ｒ 一般ガス定数
ｆ_ｒｅｓ 共振周波数、ｆ_ｒｅｓ、Ｆ_ｒｅｓ
γ 熱容量比
Ｍ 燃焼器内部のガスの分子量である。
この式の全ての項は、共振周波数ｆ_ｒｅｓを除いて、燃焼器の動作中大きく変化しない。変化し得る項は、個別にモニタリングされ、これらの変化は補償される。例えば、熱膨張に起因して距離ｄが変化する場合、距離ｄをモニタリングして、ｄの変化を適切に補償することが可能である。

これは、燃焼器内部のガスの実際の共振周波数ｆ_ｒｅｓ（ｔ）を決定することによって、ガスの実際の温度Ｔ_ｇａｓ（ｔ）がリアルタイムで決定されることを意味する。

本願の方法は、送信機または音響信号を生成することが可能な任意の他の能動的な装置を使用する。

図１において、時間に対する、送信機５によって放射された音響信号６の周波数ｆ_Ａｓ（ｔ）が示されている。周波数ｆ_Ａｓ（ｔ）は、周波数帯域９の限界ｆ_ｍｉｎとｆ_ｍａｘとの間に留まる。時間に対する周波数の変化を表すライン６は、のこぎり歯状の形状を有する。

これらの「のこぎり歯」の周期Δｔは、以下にさらに詳細に説明されるように、ガス温度の決定の時間分解能に影響する。Δｔが短ければ短いほど、温度決定の時間分解能が高くなる。

送信機５によって放射される音響信号６の周波数ｆの連続的変化（「スイーピング」ともいう）によって、受信機７（図３参照）は、ガスの温度に依存する、１つの軸方向位置における燃焼器内部のガスの実際の共振周波数において、強くはっきりとした最大振幅を有する入力信号を受信する。

図２は、受信機７（図３参照）によって受信される音響信号８の例示的な音圧スペクトルを概略的に示す。受信機７の音圧入力信号の振幅は、周波数の関数であることが理解される。そのピークとなる周波数は、燃焼器１内部のガスの共振周波数ｆ_ｒｅｓである。

煙道ガスの温度が変化する場合には、周波数ｆ_ｒｅｓも変化する。この効果は、１つの特定の軸方向位置における、燃焼器１内部の煙道ガスの温度を決定するために使用される。音響信号６の周波数は周波数帯域９内でスイープするので、実際のガス温度とは無関係に、適切で強い音響信号８が受信機７によって検出されることが保証される。それゆえ、本願の方法は、「困難な」動作条件下でさえ非常に信頼性が高く、かつ、正確である。

必要に応じて、適切なフィルタが、受信機７の入力信号に適用される。

図３は、２つの対向する壁３を含む燃焼器１の概略的な断面図を示す。壁３は、互いに離れている（参照番号ｄを参照）。２つの壁３の間に、熱ガス（例えば、燃焼した天然ガスおよび空気から生じる煙道ガス）が流れる。

図３において、左側の壁に、図１に関連して説明されたように、音響信号６を燃焼器１内に放射する音響送信機５がある。送信機５によって放射される周波数は、周波数帯域９の境界値ｆ_ｍｉｎとｆ_ｍａｘとによって制限される（図１を参照）。

音響送信機５とは反対側のもう一方の壁３に音響受信機７が設置されている。送信機５と受信機７との間の距離は、参照符号「ｄ」を有する。

この音響受信機７は、燃焼器内のガスによってわずかに変化した、送信機５によって放射された音響信号６を受信する。これは、音響入力信号８が音響信号６と同一でないことを意味しており、音響入力信号８は燃焼器１内のガスによって変化する。

音響送信機５の代わりに、代替案として、送受信機が設置される。送受信機を設置することで、送受信機によって放射された音響信号６が、反対側の壁３において反射され、反射された信号６’が、入力信号として、送受信機の受信部によって受信される。

多くの場合には、許容帯域が、燃焼器１の通常動作における共振周波数ｆ_ｒｅｓから開始して＋／−１０％の範囲をカバーすれば十分である。

多くの用途においては、許容帯域９がもっと小さくなる場合があり、このことが、ガス温度の変化の決定においてより高い時間分解能をもたらす。

図４に本願発明のさらなる実施形態が示されている。この実施形態においては、音響送信機５および音響受信機７が燃焼器の同一の壁３に配置されている。この配置を用いて、音響信号６の主方向に対して垂直でないガス流に起因する、ドップラー効果の負の影響のいくつかが除去される。

図５に燃焼器のさらなる実施形態が示されている。この実施形態においては、送信機５は、燃焼器１の壁３に直接的に配置されていないが、チューブ１７の端部に配置されている。チューブ１７の内部で、ガスの特性（例えば、密度および温度）は、燃焼器１内部のガスの特性とは異なっている。

それゆえ、チューブ１７の入り口に、さらなる音響受信機および／または温度測定プローブ１９が設置されている。さらなる音響受信機および／または温度測定プローブ１９からの信号、特定の寸法、および、ガスの特性（例えば、温度Ｔ、密度ρおよび音速）を用いることによって、本願の方法の結果として生じるチューブ内部のガスの効果を定量化し、必要に応じてこの効果を補償することが可能になる。

強くはっきりとした音響信号を受信するために、チューブ１７の長さＬが好ましくは特定の周波数において共振を引き起こす値（例えば、４分の１波長共振）に設定される。チューブ１７のこの周波数は、また、燃焼室１の第１の横波の共振周波数ｆ_ｒｅｓに適合する必要がある。このことが、送信された音響信号６の増幅をもたらす。

温度測定装置１９（例えば、熱電対など）を介したチューブ１７内の温度モニタリングに対する注意がなされなければならず、かつ、燃焼室内の温度の計算において補償されることが必要である。さらなる追加の音響受信機（図示せず）が、送信された信号６および反射された信号６’を記録するために、燃焼室１に向けて、チューブ１７の入り口に配置される。

接続チューブ１７を冷却してもよい（例えば、壁の水冷、冷却空気によるパージ）。この冷却により、送信機５、受信機７および／または装置１９に対する熱衝撃が軽減される。

チューブ１７が空気でパージされる場合には、ドップラー効果が考慮および／または補償される必要がある。

温度変化に起因して、送信機と、受信機／反射壁との間の距離が変化する。ガスの温度の決定に対するこれらの変化を補償するために、即座の、好ましくはレーザに基づく距離測定または任意の他の実行可能な種類の距離測定装置によって、音速ｃのより正確な計算のために、送信機５と、受信機７または反射壁３との間の現在の距離ｄを求める。

図６において、制御アルゴリズム１０１または本願の方法のフロー図が、ブロック図として示されている。

ブロック１０１は、本願の方法と、関連するハードウェア（すなわち、送信機５、受信機７）との間の接続を、２本の矢印で、参照番号を使用せずに示している。

ブロック１０３において、送信機５によって放射される励起周波数ｆが計算され、送信機５に提示され、それによって送信機５が、図１に示されているような適切な周波数および大きさの、「スイープする」音響出力信号６を生成する。

さらに、ブロック１０５において、受信機７が、音響入力信号を受信する。この音響入力信号は、ブロック１０７において分析される。より具体的には、ブロック１０７において、受信機７によって受信された音響入力信号の最大振幅の周波数ｆ_ｒｅｓが計算される。

ブロック１０９において、共振周波数ｆ_ｒｅｓ（ｔ）に等しい最大応答の周波数に基づいて、ガスの音速ｃが計算され、さらなるブロック１１１において、音響送信機５と音響受信機７との間の音響経路に沿った平均温度が計算される。

これらのステップは、反復して実行される。ステップ１０３〜１０７までが所与の時間周期において頻繁に実行されればされるほど、本願の温度決定の時間分解能が高くなる。

電気信号発生器によって供給を受ける送信機５は、スイープの最小周波数および最大周波数が、実際の共振周波数よりも、常に固定値ｘ％だけ小さくなる／大きくなるように、以下のアルゴリズムに従って、音響信号をスイープ信号として生成する。

代替的に、この式は、項「ｘ／１００」を％表記で置き換えることによって修正される。

実際の共振周波数ｆ_ｒｅｓ（ｔ）は、音響送信機５の反対側において受信機７（図３参照）によって記録され、および／または、反射された波が、送信機（送受信機として作用）または送信機５の近くの受信機７（図４参照）によって記録される。

共振周波数の検出が永続的に実行され、これにより温度測定の高い時間分解能を可能にする。

図７に、送信機５および受信機７を備えた送受信機２１が示されている。送受信機２１は、２つの入力／出力パラメータを用いる伝達関数によってモデル化される。
Ｕ：電圧
Ｉ：電流
ｐ：音圧
ｕ：音響速度（「音速」とは等しくない）
これらのパラメータが測定され、これらのパラメータに基づいて、電気インピーダンスＺ_{ｅｌｅｃｔｒｉｃ}＝Ｕ／Ｉおよび音響インピーダンスＺ_{ａｃｏｕｓｔｉｃ}＝ｐ／ｕが計算される。

インピーダンスＺ_{ｅｌｅｃｔｒｉｃ}およびＺ_{ａｃｏｕｓｔｉｃ}に基づいて、共振周波数位相変化が決定される。このことは、冗長的な温度の決定も可能にし、結果として、本願方法の結果が、この追加の方法によってチェックまたは確認できる。この追加の方法は、追加の機器を必要としない。

さらに、共振周波数における送信された信号と受信された信号との間の飛行時間（ＴＯＦ）または位相シフトの決定が、本願方法の結果の検証と並列に実行される。

音響的測定方法を燃焼室に直接適用しているので、すなわち、燃焼室を共振空洞として使用しているので、熱ガスの温度は、非常に高い時間分解能（１００Ｈｚまで）で測定される。本願は、空間的に平均化された温度測定をせずに、燃焼室の非常に離れた軸方向位置における温度を測定することを可能にする。

１ 燃焼器
３ 壁
５ 能動的音響供給源（例えば送信機）
６ 音響信号、音響供給源の出力
６’ 音響信号、反射信号
７ 受信機
８ 音響信号
９ 周波数帯域
１７ チューブ
１９ 測定デバイス（例えば熱電対、プローブ）
２１ 送受信機
１０１ 制御アルゴリズム
１０３ １０１内のステップ
１０５ １０１内のステップ
１０７ １０１内のステップ
１０９ １０１内のステップ
１１１ １０１内のステップ

Claims (10)

1. 音響的測定によって、燃焼器（１）内の燃焼温度を決定する方法であって、
   前記燃焼器（１）は、能動的音響供給源（５、２１）と、当該能動的音響供給源（５、２１）の出力（６）を受信する受信機（７）とを備えている、方法において、
   前記方法は、
   前記能動的音響供給源（５、２１）から音響信号（６）を放射するステップであって、前記音響信号（６）は、前記燃焼器（１）内のガスの１つの共振周波数（ｆ_ｒｅｓ）を含む周波数帯域（９）内にある周波数を有する、ステップと、
   前記受信機（７）によって、前記能動的音響供給源（５、２１）からの前記音響信号（６）を受信するステップと、
   前記ガスの実際の共振周波数（ｆ_ｒｅｓ（ｔ））に基づいて、前記ガスの実際の温度（Ｔ_ｇａｓ（ｔ））を決定するステップと
   を含み、前記能動的音響供給源（５、２１）および前記受信機（７）が、前記燃焼器（１）の壁に設置され、前記燃焼器（１）自体が共振空洞として使用される、方法。
2. 前記周波数帯域（９）が、前記燃焼器（１）の通常動作時において、前記共振周波数（ｆ_ｒｅｓ）の＋／−１０％の範囲をカバーする、請求項１に記載の方法。
3. 前記音響信号（６）の周波数（ｆ）が、前記周波数帯域（９）内をスイープする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ガスの実際の温度（Ｔ_ｇａｓ（ｔ））を、以下の式：
   

   

   に基づいて決定する、
   ここで、
   ｃは前記ガスの音速であり、
   Ｒは一般ガス定数であり、
   γは熱容量比であり、
   Ｍは前記ガスの分子量である、
   請求項１から３のいずれか一項記載の方法。
5. 前記能動的音響供給源（５、２１）と前記受信機（７、２１）とを、前記燃焼器（１）の同一の壁（３）に設置する、請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
6. 前記能動的音響供給源（５）および前記受信機（７）が、送受信機（２１）の一部である、請求項４記載の方法。
7. 前記能動的音響供給源（５、２１）と前記受信機（７、２１）とが、前記燃焼器（１）対向する壁（３）に設置されている、請求項１から４のいずれか一項記載の方法。
8. ガスタービンの燃焼器、電力プラントのボイラー、工業用の炉（例えば、廃棄物焼却炉、溶融炉）の燃焼温度決定、内燃エンジン、タービンなどの航空用エンジンの排気システムの温度測定に適用される、請求項１から７のいずれか一項記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に従い動作することを特徴とするコンピュータプログラム。
10. 請求項１から９のいずれか一項に従い動作することを特徴とする、燃焼器（１）を制御する制御ユニット。

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