本發(fā)明涉及一種設(shè)置有熱聲不穩(wěn)定檢測(cè)的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備和控制燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，控制用于發(fā)電的設(shè)備的燃?xì)廨啓C(jī)就性能和保護(hù)環(huán)境方面的法規(guī)來說呈現(xiàn)特別復(fù)雜的方面，并且參考保存機(jī)器及其機(jī)器組件處于有效狀態(tài)的需要，以避免過早劣化，尤其是潛在的災(zāi)難性故障。

例如，對(duì)燃燒條件的適當(dāng)控制對(duì)于保持高等級(jí)效率是至關(guān)重要的，同時(shí)將污染物排放量保持在法律規(guī)定的限度內(nèi)，這變得日益嚴(yán)格。惡劣的燃燒條件也會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞機(jī)器的結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，某些不穩(wěn)定性的狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致在諧振頻率附近受到應(yīng)力的燃燒室的振動(dòng)(“哼聲”)。這種類型的事件可能尤其危害燃燒室的內(nèi)部絕熱涂層，燃燒室通常由相鄰的瓷磚組成。燃燒室的振動(dòng)可以容易地破壞絕熱涂層，這需要比期望的更頻繁的維護(hù)。此外，盡管維護(hù)不斷，但絕熱涂層仍可能會(huì)失去效率，并且不再能夠?yàn)槿紵业慕饘偻鈿ぬ峁┳銐虻谋Ｗo(hù)，從而可能發(fā)生嚴(yán)重的甚至不可逆的損壞。

例如污染物排放水平過高的其他重大事件可能對(duì)機(jī)器本身并不危險(xiǎn)，但應(yīng)避免這些事件以便遵守法律約束，并且因?yàn)闄C(jī)器的效率顯著降低。

熱聲波動(dòng)的問題由于能源市場(chǎng)需要的運(yùn)行靈活性(尤其是在近幾年)變得更為關(guān)鍵。事實(shí)上，為了跟蹤需求的周期性變化并有助于分銷網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，用于發(fā)電的設(shè)備必須能夠在非常不同的負(fù)載條件下運(yùn)行，并且響應(yīng)于快速的負(fù)載變化，這作為規(guī)則主要是交付給燃?xì)廨啓C(jī)。然而，快速負(fù)載變化可能導(dǎo)致熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)。

因此，為了能夠采取必要的對(duì)策，必須具有能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地記錄熱聲波動(dòng)的發(fā)生的設(shè)備。

目前，使用壓電型傳感器測(cè)量熱聲波動(dòng)，該傳感器可與燃燒室或管道和壓力塞直接耦接，或安裝在通風(fēng)室中。壓電傳感器基本上記錄壓力的變化，而不管它們?cè)诤翁幤鹗肌Ｈ欢?，在燃?xì)廨啓C(jī)的正常工作期間，燃燒室是各種壓力波動(dòng)的中心。例如，穿過機(jī)器的流體的正常垂直運(yùn)動(dòng)引起壓力波動(dòng)，然而不會(huì)造成威脅。因此，僅僅壓電傳感器就不能夠識(shí)別與溫度的波動(dòng)相耦合的壓力波動(dòng)，換句話說，壓力的波動(dòng)可能是有害的，但是可以使用適當(dāng)?shù)目刂苼碛行У貙?duì)照。因此，當(dāng)壓力波動(dòng)和放熱波動(dòng)密切相關(guān)時(shí)，也不能準(zhǔn)確地、及時(shí)地確定熱聲不穩(wěn)定的發(fā)生。

顯然，控制也受到影響并且可能沒有希望的那樣有效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備，用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器組件和控制燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的方法，其允許克服或至少減小上述限制。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備，以及用于燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒器組件和控制燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備的方法，它們分別如權(quán)利要求1,19及26所限定。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖來描述本發(fā)明，附圖示出了其非限制性的實(shí)施例，其中：

-圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)的簡(jiǎn)化框圖；

-圖2示出了圖1中的設(shè)備的一部分的更詳細(xì)的圖；

-圖3示出了顯示與圖1中的設(shè)備相關(guān)的尺寸的圖；

-圖4示出了穿過圖1中的設(shè)備的部件的橫截面；

-圖5示出了圖4中的部件的放大細(xì)節(jié)；

-圖6示出了本發(fā)明的不同實(shí)施例中的圖4中的部件的放大細(xì)節(jié)。

具體實(shí)施方式

參考圖1，數(shù)字1限定了作為整體的包括燃?xì)廨啓C(jī)單元2和控制系統(tǒng)3的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備。

燃?xì)廨啓C(jī)單元2又包括壓縮機(jī)4、燃燒室5和膨脹段或渦輪機(jī)7。

軸向式壓縮機(jī)4利用從外部抽出的空氣流來供給燃燒室5。

例如環(huán)形的燃燒室5設(shè)置有多個(gè)燃燒器組件8，這些燃燒器組件8使得空氣和燃料的混合物在燃燒室5內(nèi)燃燒。燃料可以是氣態(tài)的，例如天然氣或合成氣，或液體，例如汽油。燃?xì)廨啓C(jī)單元2可以被構(gòu)造成使用不同類型的氣體和液體的燃料。

渦輪機(jī)7接收并且膨脹來自燃燒室5的燃燒氣體流，以提取機(jī)械功，該機(jī)械功傳遞給外部使用者，通常為發(fā)電機(jī)(這里未示出)。

參照?qǐng)D2，控制系統(tǒng)3包括監(jiān)測(cè)裝置9和控制器10。

監(jiān)測(cè)裝置9用于監(jiān)測(cè)燃燒室5內(nèi)的熱聲波動(dòng)，特別是用于檢測(cè)燃燒室5的火焰區(qū)域的光強(qiáng)度的波動(dòng)。

在一個(gè)實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)裝置9包括多個(gè)光學(xué)探頭11、光電傳感器12、獲取單元13、光學(xué)濾波器14及和用于將光學(xué)探頭11光學(xué)耦合到相應(yīng)的光電傳感器12的波導(dǎo)器件15。

光學(xué)探頭11被設(shè)置成面對(duì)燃燒室5的內(nèi)部，使得相應(yīng)的燃燒器組件8的火焰區(qū)域是可見的。在一個(gè)實(shí)施例中，如稍后更詳細(xì)地描述的，光學(xué)探頭11被內(nèi)置在相應(yīng)的燃燒器組件8的結(jié)構(gòu)中。

由光學(xué)探頭11收集的光輻射被相應(yīng)的波導(dǎo)器件15傳送到光電傳感器12，在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)器件15可以是光學(xué)纖維。

光電傳感器12可以包括在適當(dāng)?shù)那闆r下組裝到成圖像傳感器中的光電探測(cè)器，如光電二極管、光電晶體管或光電倍增管。每個(gè)光電傳感器12將由各個(gè)波導(dǎo)器件15接收的光強(qiáng)度的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些電信號(hào)由獲取單元13收集。然后，獲取單元13向控制器10提供從來自光電傳感器12的電信號(hào)獲取的光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som。

在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)濾波器14沿著光學(xué)探頭和光電傳感器12之間的光路布置，例如在波導(dǎo)器件15和相應(yīng)的光電傳感器12之間。在這種情況下，光學(xué)濾波器14和相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)的光電傳感器12限定獨(dú)立的通道，該通道傳輸與相應(yīng)的波長(zhǎng)帶相關(guān)的信號(hào)(該信號(hào)是隨后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的原本的光信號(hào))。替換地，可以沿著波導(dǎo)器件15布置光學(xué)濾波器。在這種情況下，可以使用光學(xué)濾波器14的波導(dǎo)器件下游的不同部分來形成不同的通道。此外，可以用特殊的光電傳感器12或相同的光電傳感器12(例如時(shí)分)來轉(zhuǎn)換不同通道的光強(qiáng)信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，分束器16可用于將通道中的光束分開，從而將光束的一部分引向相應(yīng)的光學(xué)濾波器14。

光學(xué)濾波器14具有以與作為燃燒反應(yīng)的中間產(chǎn)物的自由基oh、ch的發(fā)射譜的特征相關(guān)聯(lián)的相應(yīng)的波長(zhǎng)為中心的通帶，該中間產(chǎn)物分別具有擴(kuò)散和預(yù)混合火焰。具體地說，光學(xué)濾波器14的通帶b1、b2可以分別以308nm和430nm的波長(zhǎng)為中心。通帶b1、b2可以分別具有例如10nm和10nm的寬度，并且在一個(gè)實(shí)施例中它們是分開的并且不重疊。

在未示出的不同實(shí)施例中，不存在光學(xué)濾波器，并且在整個(gè)光譜上執(zhí)行強(qiáng)度信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在另外的實(shí)施例中，可以有選擇紅外線和/或可見光帶的光學(xué)濾波器，例如用于高溫測(cè)量應(yīng)用或用于識(shí)別燃燒器的火焰區(qū)域的延伸和對(duì)稱性的特征。

監(jiān)測(cè)裝置9還可以包括用于提供表示燃燒室5內(nèi)的壓力的壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm的壓電傳感器17。壓電傳感器17可以用管(未示出)流體地耦接到燃燒室5的內(nèi)部，或者它們可以容納在燃燒室5的增壓室(也未示出)中。

控制器10接收來自燃?xì)廨啓C(jī)單元2上的或耦合到其上的傳感器的操作值的測(cè)量值以及來自監(jiān)視設(shè)備9(分別來自獲取單元13和壓電傳感器17)的光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som和壓力監(jiān)視信號(hào)spm?？刂破?0用于根據(jù)所接收的操作值的測(cè)量值和從外部計(jì)算或提供的參考值(“設(shè)定點(diǎn)”)來確定控制信號(hào)sc。具體地說，控制器10用于根據(jù)光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som來確定控制信號(hào)sc。光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som可以單獨(dú)使用，或者在適當(dāng)?shù)那闆r下與壓力監(jiān)視信號(hào)spm一起使用，這將在下面說明。

控制信號(hào)sc用于通過致動(dòng)器組18確定燃?xì)廨啓C(jī)單元的操作條件，這些在這里未詳細(xì)示出(例如，控制信號(hào)sc可以確定第一壓縮機(jī)級(jí)的入口導(dǎo)向葉片(inletguidevanes,igv)的開口度和供應(yīng)到燃燒器組件8的燃料流的調(diào)節(jié)閥)。

在一個(gè)實(shí)施例中，控制器10包括第一處理模塊20、第二處理模塊21及控制模塊22。

第一處理模塊20用于基于從獲取單元13接收的光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som來檢測(cè)燃燒室5內(nèi)的熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)施例中，第一處理模塊20還可以使用通過壓電傳感器17所提供的壓力監(jiān)視信號(hào)spm來識(shí)別光強(qiáng)度的波動(dòng)和壓力之間的相關(guān)性，目的是改善熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)及其臨界性的識(shí)別。

第二處理模塊21使用光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som來調(diào)節(jié)用于獲取單元13的操作參數(shù)(例如增益參數(shù))。

控制模塊22用于根據(jù)所接收的操作值的測(cè)量值，具體地包括光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som和壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm以及參考值，確定用于致動(dòng)器組18的控制信號(hào)sc。

更具體地說，第一處理模塊20利用傅里葉變換來計(jì)算光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som的波譜，并監(jiān)測(cè)頻率中的內(nèi)容。例如，第一處理模塊20識(shí)別振幅大于閾值(圖3中的th)的任何波譜分量，并向控制模塊22提供監(jiān)測(cè)信息i。閾值可以根據(jù)波長(zhǎng)來確定。

振幅大于閾值的波譜分量的存在表示與放熱有關(guān)的波動(dòng)，并且因此表示潛在的有害不穩(wěn)定性的狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一處理模塊20分別處理與光學(xué)濾波器14的通帶b1、b2相關(guān)聯(lián)的通道的光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som。以這種方式，可以確定早期的或顯然的不穩(wěn)定性的起源。

在一個(gè)實(shí)施例中，第一處理模塊20識(shí)別光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som的波譜分量與壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm之間的相關(guān)性。基本上，第一處理模塊20計(jì)算壓力監(jiān)視信號(hào)spm的波譜并且識(shí)別大于閾值的任何分量。壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm的波譜分量指示燃燒室5內(nèi)的壓力波動(dòng)。如前所述，壓力波動(dòng)可以與機(jī)器的正常工作相關(guān)聯(lián)并且不總是有害的。然而，在光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som和壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm中基本上具有相同頻率的波譜分量的存在表明熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)的高概率，其中放熱的波動(dòng)和壓力的波動(dòng)彼此增強(qiáng)。熱聲不穩(wěn)定的現(xiàn)象通常應(yīng)該避免，并且必須與控制模塊22用于基于由第一處理模塊20提供的監(jiān)視信息i進(jìn)行選擇的適當(dāng)控制動(dòng)作進(jìn)行對(duì)照。

監(jiān)視信息i可以以電信號(hào)或消息的形式定義，其包含例如：

所識(shí)別的光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som的波譜分量的頻率和振幅；

光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som的波譜分量的頻率和相互相關(guān)的壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)的頻率；

在適當(dāng)?shù)那闆r下，所檢測(cè)到的指示波動(dòng)的危險(xiǎn)性的參數(shù)(指示性參數(shù)可以根據(jù)案例研究憑經(jīng)驗(yàn)確定并根據(jù)檢測(cè)到的波動(dòng)振幅以及放熱波動(dòng)與壓力波動(dòng)之間的耦合進(jìn)行校正)。

控制模塊22用于基于所識(shí)別的設(shè)備尺寸或間接通過未示出的傳感器，并且基于由第一處理模塊20提供的監(jiān)測(cè)信息i來確定控制信號(hào)sc?？刂颇K22使用控制信號(hào)sc來確定燃?xì)廨啓C(jī)單元2的運(yùn)行狀態(tài)。此外，控制模塊22使用監(jiān)視信息i進(jìn)行旨在修改運(yùn)行狀態(tài)的檢查，以避免引起熱聲波動(dòng)的狀態(tài)?？刂苿?dòng)作可以間接地影響例如負(fù)載參考值或廢氣的溫度或致動(dòng)器組18(特別是第一壓縮機(jī)級(jí)的igv的開口度和通過調(diào)節(jié)閥供應(yīng)到燃燒器組件8的燃料流)的選擇。

例如，控制模塊22可以被配置為基于從光學(xué)監(jiān)視信號(hào)som確定的自由基oh、ch的比率來確定控制動(dòng)作。在一個(gè)實(shí)施例中，一旦檢測(cè)到熱聲振蕩，僅基于光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som自身或者基于在光學(xué)監(jiān)測(cè)信號(hào)som和壓力監(jiān)測(cè)信號(hào)spm之間的相關(guān)性，控制模塊22確定用于在由光學(xué)探頭11的視角覆蓋的空間中燃燒的供給到燃燒室5的混合物的預(yù)混合度和空氣-燃料比。如果控制模塊22確定游離基oh、ch的比例，在這樣的空間中，混合物太貧乏(例如空氣-燃料比高于閾值)，通過第一組控制信號(hào)sc，控制模塊22請(qǐng)求修改引燃(擴(kuò)散或部分預(yù)混合)火焰和預(yù)混合火焰(參見下文)的平衡而不影響總的動(dòng)力輸送(即，與預(yù)混合火焰相關(guān)聯(lián)的動(dòng)力降低，與引燃火焰相關(guān)聯(lián)的動(dòng)力增加)。反之亦然，如果混合物太濃，控制模塊22請(qǐng)求與預(yù)混合火焰相關(guān)聯(lián)的動(dòng)力增加，并且與引燃火焰相關(guān)聯(lián)的功率降低。相反，如果空氣-燃料比在可接受的范圍內(nèi)，則控制模塊22通過第二組控制信號(hào)sc，控制模塊22導(dǎo)致整體負(fù)荷和動(dòng)力輸送減小，而不一定影響引燃(擴(kuò)散或部分預(yù)混合)火焰和預(yù)混合火焰的平衡。

與火焰波動(dòng)相關(guān)的光強(qiáng)度的變化的光學(xué)檢測(cè)使得有利地可以準(zhǔn)確和及時(shí)地檢測(cè)熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)。利用壓電傳感器無(wú)法獲得這一結(jié)果，壓電傳感器不能區(qū)分由熱聲不穩(wěn)定(潛在有害)引起的振動(dòng)與機(jī)器正常工作相關(guān)的壓力變化。光學(xué)監(jiān)測(cè)和壓電傳感器的組合使用可以更好地識(shí)別熱聲不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而將光強(qiáng)度的波動(dòng)和壓力波動(dòng)相關(guān)聯(lián)。

此外，監(jiān)測(cè)與基團(tuán)oh、ch的發(fā)射光譜的線特征相關(guān)聯(lián)的波長(zhǎng)帶也可以識(shí)別熱聲波動(dòng)是否由擴(kuò)散火焰(導(dǎo)頻)或預(yù)混合火焰引起。

參考圖4，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，至少一個(gè)燃燒器組件8配備有光學(xué)探頭11。更具體地，燃燒器組件8沿軸線a延伸，主燃燒器25圍繞著軸a布置在外部，并且引燃燃燒器26居中。光學(xué)探頭11再次沿軸線a插入在引燃燃燒器26內(nèi)。

預(yù)混合型燃燒器25布置在引燃燃燒器26的周圍，并設(shè)置有由數(shù)字28表示的旋流器。

旋流器28徑向地限定在第一錐形體30和基本上錐形的環(huán)形壁31之間。第一錐形體30呈圓柱形的軸向空腔，并且其也朝向外部逐漸變細(xì)。旋流器28還包括多個(gè)葉片32，其限定相應(yīng)的流動(dòng)通道33以朝向燃燒室5與軸線a成對(duì)角線地引導(dǎo)燃燒空氣流。

旋流器28混合在流動(dòng)通道33中形成的燃料和空氣流以及與理論化學(xué)計(jì)量比相關(guān)的大量空氣，以產(chǎn)生空氣過量的預(yù)混合火焰。

引燃燃燒器26包括第二錐形體40和第三錐形體41，并且在它們之間限定軸向旋流器43。第二錐形體40圍繞軸線a延伸并且呈現(xiàn)貫通軸向空腔，光學(xué)探頭11被容納在其中。中空的第三錐形體41圍繞第二錐形體40布置，并與第二錐形體40同軸并與第一錐形體30的外錐面連接。

旋流器43包括多個(gè)葉片45，其布置在第二錐形體40和第三錐形體41之間的空間中。流動(dòng)通道44限定在成對(duì)的相鄰葉片45之間。

如前所述，光學(xué)探頭11沿軸線a容納在第二錐形體40的內(nèi)部，并且包括管狀體50。管狀體50的第一端部50a面向燃燒室5，鄰近引燃燃燒器26的出口，并且可以設(shè)置有由具有平行平面(圖5中的細(xì)節(jié))的片材或聚焦透鏡(圖6中的細(xì)節(jié)，光學(xué)窗口用51'表示)限定的光學(xué)窗口51。聚焦透鏡可以是平凸透鏡，其擴(kuò)大了光學(xué)探頭11在燃燒室5內(nèi)部的視角。光學(xué)窗口51至少在光學(xué)濾波器14的帶b1、b2中是透明的，并且在一個(gè)實(shí)施例中，在從紅外范圍到紫外線范圍的波長(zhǎng)帶中是透明的。光學(xué)窗口51提供對(duì)主燃燒器25和引燃燃燒器26的火焰區(qū)域的光學(xué)通路，并且同時(shí)保護(hù)光學(xué)探頭11的內(nèi)部，從而限制暴露于高溫并防止任何熱氣體的返回。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)窗口51由藍(lán)寶石或石英制成。

在管狀體50的與第一端部50a相對(duì)的第二端部50b上形成的進(jìn)氣口52用于在管狀體50內(nèi)部供給冷卻空氣流。進(jìn)氣口52可以與空氣供應(yīng)系統(tǒng)55(僅在此示意地示出)連通，其將燃燒空氣供給到燃?xì)廨啓C(jī)單元的燃燒器組件8?？梢允估鋮s空氣在筒體30的內(nèi)部和外部流動(dòng)。

光學(xué)探頭11還包括波導(dǎo)器件15中的一個(gè)的一部分，其通過第二端容納在管狀體50的內(nèi)部并延伸到光學(xué)窗口51。因此，波導(dǎo)器件15光學(xué)地面對(duì)主燃燒器25和引燃燃燒器26的火焰區(qū)域。

容納在管狀體50內(nèi)的波導(dǎo)器件15的至少部分是耐高溫(例如高達(dá)500℃)的類型。

由于多種原因，將光學(xué)探頭11集成在燃燒器組件8中是有利的。首先，光學(xué)探頭11靠近火焰區(qū)域，因此在燃燒期間發(fā)射的光輻射(包括帶b1、b2以及通常從紅外范圍到紫外范圍的光譜)被有效地收集并且具有提高的信號(hào)/噪聲比。此外，在燃燒室5的情況下，不需要特殊的開口，這有利于組裝和維護(hù)以及燃燒室5本身的結(jié)構(gòu)阻力。

最后，在不超出如所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的情況下，顯然可以對(duì)裝置、設(shè)備、燃燒器組件和所描述的方法進(jìn)行變化和修改。