用于燃烧控制的光学探询传感器制造技术

本发明专利技术涉及用于燃烧控制的光学探询传感器，具体而言，本发明专利技术的特定实施例可包括用来提供用于燃烧控制的光学探询传感器的系统和方法。根据本发明专利技术的一个示例性实施例，提供一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器（１０２）相关的燃烧参数的方法。该方法可包括：提供穿过燃气涡轮机燃烧器（１０２）的光路（２０４）；使光沿着光路（２０４）传播；测量燃气涡轮机燃烧器（１０２）内光的吸收；以及至少部分地基于测得的吸收控制燃烧参数中的至少一个。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及传感器，并且更特别地涉及用于燃烧控制的光学探询 (interrogation)传感器。
技术介绍
现代工业燃气涡轮机要求高效地转换能量同时产生最少的污染排放物。但这两个 要求是互相对立的，因为更高的效率一般通过升高燃烧室中的整体气体温度实现，而诸如 氮氧化物的污染物典型地通过降低最高气体温度而减少。最高气体温度可通过在燃烧室中 保持稀空燃比而降低，但如果燃料/空气混合物过稀，则不完全的燃料燃烧可产生过量的 一氧化碳和未燃烧的烃。因此，反应区中的温度必须足够支持完全燃烧。为了平衡对于增加的效率和减少的排放的相冲突的需要，要求极端精确的控制来 调节燃烧器的反应区中的燃料/空气混合物。已提出这种系统其用于通过监视各种燃烧 参数来控制燃料/空气混合物，并且使用测得参数作为输入来控制燃料系统。例如，一种常 规的系统包括控制系统，其中利用燃料流率、压力水平和排气温度分布作为用于设定燃料 平稳控制阀的输入。用于控制燃烧动态变化的其它技术包括测量来自燃烧器火焰的光发射，并且使用 测得信号来控制特定燃烧参数。例如，一个常规系统使用采用碳化硅二极管以通过紫外线 辐射强度的测量感测燃烧火焰温度的闭环反馈系统。感测到的紫外线辐射用来控制燃料混 合物的空燃比，以将火焰的温度保持在与氮氧化物的期望低级别相关的预定级别以下。其它常规系统可使用用于从燃烧区域至探测器聚集和传输光的光纤。又其它常规 系统可使用摄像机来捕捉火焰的图像，其主要用于监视火焰的存在或缺失。已提出用于涡轮机中的质量流量感测技术。例如，基于激光的多普勒频移测量系 统可用于确定涡轮机进气管道中的空气流量，并且已提出类似系统，其用于通过对比来自 不同频率的两个光发生器(激光器)的吸收特征而测量静态温度。依然需要用于提供光学 传感器的改进的系统和方法。
技术实现思路
可通过本专利技术的特定实施例来解决部分或全部以上需要。本专利技术的特定实施例可 包括用来提供用于燃烧控制的光学探询传感器的系统和方法。根据本专利技术的一个示例实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关的 燃烧参数的方法。该方法可包括提供穿过燃气涡轮机燃烧器的光路；使光沿着该光路传 播；测量燃气涡轮机燃烧器内光的吸收；以及至少部分地基于测得的吸收控制燃烧参数中 的至少一个。根据另一示例性实施例，提供了一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器相关的燃烧参 数的系统。该系统可包括至少一个光电探测器，其与穿过燃气涡轮机燃烧器的光路通讯； 光源，其可操作以使光沿着该光路传播到该至少一个光电探测器；以及控制装置，其可操作以至少部分地基于来自该一个或多个光电探测器的一个或多个信号控制燃烧参数中的至 少一个。根据另一示例性实施例，提供一种燃气涡轮机。该燃气涡轮机可包括燃烧器；至 少一个光电探测器，其与穿过燃烧器的光路通讯；光源，其可操作以使光沿着光路传播到该 至少一个光电探测器；以及至少一个控制装置，其可操作以至少部分地基于来自该至少一 个光电探测器的一个或多个信号控制一个或多个燃烧参数，其中该一个或多个信号至少包 括吸收信号。本专利技术的其它实施例和方面在文中详细描述并视为要求保护的专利技术的一部分。参 考说明书和附图可理解其它实施例和方面。附图说明现将参照附图，附图不一定按比例绘制，并且其中图1描绘了根据本专利技术的一个示例性实施例的与涡轮机燃烧器通讯的说明性光 学探询传感器。图2a图示了按照本专利技术的一个示例性实施例的燃烧器和光学探询系统的端视 图。图2b图示了根据本专利技术的一个示例性实施例的用于在探测前在空间上分隔波长 的透射衍射光栅和探测器阵列。图2c图示了根据本专利技术的一个示例性实施例的用于在探测前在空间上分隔波长 的反射衍射光栅和探测器阵列。图3是根据本专利技术的一个示例性实施例的用于测量涡轮机燃烧器内的吸收参数 的示例性方法流程图。部件清单100具有探询传感器和控制系统的管式燃烧器102管式燃烧器104 火焰106火焰区域108空气/燃料区域110后火焰区域111 光源112光源控制器114 波导116输入准直镜头117发散光束118输入光学端口119准直光束120输出光学端口122聚焦镜头123汇聚光束124聚焦镜126光学探测器128探测器电子装置130燃烧器控制系统200光学探询系统202附加光源发射器204光路205附加光路208透射机制光栅210反射机制光栅212附加光学波导214附加光学探测器215可选的光学过滤器216探测器阵列具体实施例方式下文将参照附图更充分地描述本专利技术的实施例，附图中示出了本专利技术的实施例。 然而，本专利技术可采取多种不同形式来实施并且不应当被解释为局限于本文所述的实施例； 相反，提供这些实施例以使本公开内容详尽和完整，并且这些实施例将向本领域技术人员 传达本专利技术的范围。全部附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。本专利技术的一个实施例可使得能够通过使用光来探查或探询燃烧器以检测在光已 穿过所关心的区域之后的时间和/或光谱衰减，从而在涡轮机燃烧器中测量燃烧参数。根 据本专利技术的实施例，测得的燃烧参数又可用来控制燃烧器的各种参数，包括但不局限于燃 料流率、空燃比和燃料流量分布以优化氮氧化物排放、动态压力振荡和燃料效率。根据示例性实施例，可利用光吸收原理在燃烧器内监视和控制特定化学物质。根 据一个示例性实施例，可测量穿过燃烧器发射的光，以通过光的光谱和/或时间衰减确定 燃烧器内特定化学物质的存在和浓度。根据示例性实施例，光谱分辨光吸收可用来识别包 括H20、CH4, CO、CO2, C2、CH、OH和NO的化学物质。可将测得的信号与空燃比、热释放率和温 度关联。根据示例性实施例，可分析来自光学探测器的时间分辨输出，以揭示与燃烧相关的 不稳定现象，且其可用来指示燃烧声学振荡(燃烧动态变化)。另外，输出信号可用作用于 闭环燃烧控制系统中的反馈。现将参照附图描述根据本专利技术的实施例的用于燃烧控制应用 的各种传感器选择和配置。图1图示了根据本专利技术的示例性实施例的示例性管式燃烧器，该燃烧器具有用于 控制与燃气涡轮机燃烧器102相关的燃烧参数的探询传感器和控制系统100。探询传感器 构件可放置或安装在管式燃烧器102附近并且可选择性地探询管式燃烧器102内的区域， 例如，在空气/燃料区域108处或其附近，或在管式燃烧器102的后火焰(或排气)区域 110内。图1表示探询系统的两个示例性布置和实施例，一个在空气/燃料区域108附近且 一个在后火焰区域110附近。一个或多个此类系统可放置在燃烧器系统内的任何适当位置 而不脱离本专利技术的范围。根据本专利技术的一个示例性实施例，在光源控制器112控制之下的光源111可产生 用于探询燃烧器的光。所产生的光可经由一系列光学元件穿过燃烧器102室的内部传播。 根据一个示例性实施例，光源111所产生的光可联入波导114如光纤中，以便于发送到燃烧 器102的适当进入区域。根据一个示例性实施例，从波导114传播出来的光可经历发散并 且可产生扩散或发散光束117，其可被镜头116或凹镜准直(collimate)以产生准直光束 119。根据另一示例性实施例，光源所产生的光(特别是如果其已经被光源准直)可穿过自 由空间行进并且可直接或经由反射镜或干涉光学装置到达燃烧器102的适当进入区域。准 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制与燃气涡轮机燃烧器（１０２）相关的燃烧参数的方法，所述方法包括：提供穿过所述燃气涡轮机燃烧器（１０２）的光路（２０４）；使光沿着所述光路（２０４）传播；测量所述燃气涡轮机燃烧器（１０２）内的所述光的吸收；以及至少部分地基于测得的吸收而控制所述燃烧参数中的至少一个。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：KR麦芒努斯，LB小戴维斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]