主動(dòng)測(cè)量燃燒器中的氣流速度或者同時(shí)測(cè)量速度和溫度的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)是于2013年12月18日提交的序列號(hào)為14/132,001的共同在審的美國專利申 請(qǐng)"ActiveTemperatureMonitoringInGasTurbineCombustors" 的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
[0002] 本申請(qǐng)以引用的方式整體地結(jié)合下述一并在審的美國專利申請(qǐng)，就像這些專利申 請(qǐng)?jiān)诒疚谋煌暾仃U述的那樣： 與此同時(shí)提交的序列號(hào)未知、代理人案號(hào)為2014P05241US的"ActiveMeasurementOf GasFlowTemperature,IncludingInGasTurbineCombustors，' ； 在 2013 年 12 月 18 日提交的序列號(hào) 14/109,992 的"MultiFunctionalSensorSystem ForGasTurbineCombustionMonitoringAndControl，'； 于 2013 年 3 月 14 日提交的序列號(hào)為 13/804, 132 的"TemperatureMeasurementIn AGasTurbineEngineCombustor，'；以及 在2010年12月14日提交的序列號(hào)12/967，148、公布號(hào)舊2012/0150413的"6&8TurbineEngineControlUsingAcousticPyrometry，'。
[0003] 本申請(qǐng)還以引用的方式全文結(jié)合于2010年12月14日授權(quán)的美國專利號(hào) 7,853,433 的"CombustionAnomalyDetectionViaWaveletAnalysisOfDynamic SensorSignals",就像該文獻(xiàn)在本文被完整地闡述的那樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及主動(dòng)測(cè)量氣流速度或者同時(shí)測(cè)量速度和溫度，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的 燃燒器中的燃燒氣流，這種發(fā)動(dòng)機(jī)例如包括工業(yè)燃?xì)鉁u輪（IGT)發(fā)動(dòng)機(jī)、其他類型的靜止燃 氣渦輪、航海、航空和其他運(yùn)輸工具的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。更具體地，本文所公開的速度或者 同時(shí)速度/溫度測(cè)量方法和設(shè)備的實(shí)施例采用用于燃燒器的速度和溫度確定的共用感測(cè) 和控制系統(tǒng)。在本文所公開的實(shí)施例中，聲音傳感器、聲音發(fā)射器和/或收發(fā)器的周向或軸 向隔開的陣列被用于實(shí)時(shí)主動(dòng)燃燒器氣流速度或同時(shí)速度/溫度測(cè)量中的一者或多者。氣 流速度和溫度數(shù)據(jù)被用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒監(jiān)測(cè)和控制。
【背景技術(shù)】
[0005] 諸如用于任何終端使用應(yīng)用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒渦輪通常包括壓縮器部段、 燃燒器部段、渦輪部段和排氣部段。在操作中，壓縮器部段引導(dǎo)并壓縮環(huán)境空氣。燃燒器部 段總體上可包括多個(gè)燃燒器，所述燃燒器用于接收壓縮空氣并將其與燃料混合以形成燃料 /空氣混合物。燃料/空氣混合物由每個(gè)燃燒器燃燒以形成熱工作氣體，該熱工作氣體可 被引導(dǎo)到渦輪部段，該熱工作氣體在渦輪部段處膨脹通過交替排的靜止翼型和旋轉(zhuǎn)翼型， 并且被用于產(chǎn)生可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的功率。離開渦輪部段的膨脹氣體可經(jīng)由排氣部段從發(fā)動(dòng)機(jī)排 出。
[0006] 諸如火焰逆燃的燃燒異常公知發(fā)生在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒部段中。火焰逆燃是 當(dāng)空氣和燃料混合物的紊流燃燒速度超過燃燒器組件中的軸向流速時(shí)可能導(dǎo)致的局部化 現(xiàn)象，從而導(dǎo)致火焰錨定至燃燒器組件中/周圍的一個(gè)或多個(gè)部件上，例如圍繞燃燒室設(shè) 置的襯件。如果逆燃狀況保持延長的時(shí)間段而不加以校正，則錨定火焰可能會(huì)燒穿所述部 件。因此，火焰逆燃和/或其他燃燒異常可能導(dǎo)致不想要的損壞，并且甚至可能毀壞燃燒發(fā) 動(dòng)機(jī)部件，使得可能有必要修復(fù)或更換這種部件。
[0007] 在單個(gè)燃燒器處的燃料/空氣混合物在發(fā)動(dòng)機(jī)操作期間被控制，以保持一個(gè)或多 個(gè)操作特征處于預(yù)定范圍內(nèi)，例如以保持期望效率和/或功率輸出、控制污染物水平、防止 壓力振蕩并且防止熄火。在已知類型的控制布置中，整體渦輪排氣溫度也可作為參數(shù)被監(jiān) 測(cè)，該參數(shù)可被用于監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況。例如，控制器可監(jiān)測(cè)測(cè)量渦輪排氣溫度，并且 排氣處的溫度的測(cè)量變化可能導(dǎo)致控制器改變發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況。在其他已知類型的控制 布置中，離散的皮托管靜態(tài)或多孔壓力探針被用于確定在具體位置處的氣流速度，但是這 種探針的網(wǎng)格陣列擾亂氣流并且引入測(cè)量誤差。由于這種氣流擾亂網(wǎng)格陣列，當(dāng)使用時(shí)具 有有限數(shù)量的寬闊隔開的探針，這提供相對(duì)粗放的氣流速度分布和輪廓信息。
[0008] 目前，存在多種不同類型的傳感器和感測(cè)系統(tǒng)，其被用于監(jiān)測(cè)燃燒并且保持用于 發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)的燃燒過程的穩(wěn)定性的領(lǐng)域中。例如，動(dòng)態(tài)壓力傳感器被用于燃燒穩(wěn)定性和諧 振控制。無源視覺(光學(xué)可見光和/或紅外光譜）傳感器、離子傳感器和蓋革米勒檢測(cè)器被 用于檢測(cè)燃燒器中的點(diǎn)火/熄火，而熱偶被用于逆燃檢測(cè)。相對(duì)于公知的燃燒氣體流速（U) 監(jiān)測(cè)方法，皮托管靜態(tài)和多孔壓力探針采用差壓技術(shù)、熱絲探針采用熱風(fēng)速測(cè)定技術(shù)，而激 光多普勒和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)采用光學(xué)技術(shù)來表征氣體流速。差壓和熱風(fēng)速測(cè)定儀器是擾 亂儀器周圍的局部氣流的侵入式點(diǎn)測(cè)量裝置。激光多普勒和粒子圖像測(cè)速儀器分別提供非 侵入式點(diǎn)和2或3維非侵入式氣體流速測(cè)量，盡管這些儀器都需要所述流的粒子示蹤。此 外，復(fù)雜的基于激光的測(cè)量(例如，過濾瑞利散射（FRS)和其他這種基于激光光譜的技術(shù))已 經(jīng)被用于測(cè)量氣體速度。但是，這些技術(shù)比侵入式差壓或熱風(fēng)速測(cè)定儀器更復(fù)雜，并且需要 更專業(yè)訓(xùn)練以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施。此外，用于速度的大多數(shù)光學(xué)技術(shù)適合于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境而 不是在發(fā)電站現(xiàn)場(chǎng)的操作發(fā)動(dòng)機(jī)中。相對(duì)于溫度（T)監(jiān)測(cè)技術(shù)，公知的喇曼光譜、激光感生 熒光(用于u和T監(jiān)測(cè)兩者）以及相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS)(用于u和T監(jiān)測(cè)兩者） 儀器系統(tǒng)也意圖用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，而不是用于火力發(fā)電設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)使用。可調(diào)諧二極管激 光吸收光譜（TDLAS)儀器被用于一些工業(yè)發(fā)電場(chǎng)應(yīng)用，例如用于鍋爐的溫度測(cè)量，但是該 儀器是極其昂貴的，每個(gè)系統(tǒng)大約US$500, 000。其他類型的溫度測(cè)量和燃燒異常檢測(cè)系統(tǒng) 在發(fā)電領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有更好的接受度。
[0009] 具體地，借助于傳感器，例如動(dòng)態(tài)壓力傳感器、加速度計(jì)、高溫麥克風(fēng)、光學(xué)傳感器 和/或離子傳感器，美國專利7, 853, 433通過采樣并隨后小波分析代表燃燒狀況的燃燒器 熱聲振蕩來檢測(cè)并分類燃燒異常。美國公布US2012/0150413采用IGT排氣系統(tǒng)中的聲波 測(cè)溫來確定一個(gè)或多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)的上游整體溫度。聲音信號(hào)從聲音發(fā)射器被發(fā)射并 且由多個(gè)聲音接收器來接收。每個(gè)聲音信號(hào)限定在相應(yīng)發(fā)射器和接收器的對(duì)之間的不同聲 音路徑線路。所發(fā)射的信號(hào)的飛渡時(shí)間被確定并且被處理以確定路徑溫度。多個(gè)路徑溫度 可被結(jié)合并處理以確定在測(cè)量部位處的整體溫度。所確定的路徑或整體溫度或兩者可被用 于與燃燒器中的上游溫度相關(guān)聯(lián)。在審的美國專利申請(qǐng)13/804, 132通過識(shí)別在發(fā)動(dòng)機(jī)中 位于渦輪上游(例如，在燃燒器中）的第一位置處的聲音頻率利用所謂的主導(dǎo)模式方法以及 利用用于確定第一整體溫度值的頻率來計(jì)算燃燒器內(nèi)的整體溫度，第一整體溫度值與聲音 頻率和計(jì)算的恒定值成正比。工作氣體的標(biāo)定第二溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)中的第二位置(例如，發(fā)動(dòng) 機(jī)排氣)中被確定。利用標(biāo)定第二溫度來執(zhí)行反向計(jì)算，以確定在第一位置處該工作氣體的 溫度值。該第一溫度值與反向計(jì)算的溫度值相比較，以將計(jì)算的恒定值改變?yōu)橹赜?jì)算的恒 定值?？苫谠撝赜?jì)算的恒定值來確定在燃燒器處的后續(xù)第一溫度值。
[0010] 因此，與燃燒氣流溫度、異常和速度相關(guān)的不同不利狀況目前需要單獨(dú)的傳感器 設(shè)計(jì)和/或單獨(dú)的感測(cè)系統(tǒng)以檢測(cè)這些狀況。公知組合的IGT和其他類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)傳感器和檢測(cè)方法并沒有覆蓋所有可能的不利燃燒故障檢測(cè)。在單個(gè)燃 燒渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中安裝不同類型的不同傳感器和感測(cè)系統(tǒng)增加了安裝成本和維護(hù)費(fèi)用。此 外，不同的傳感器和感測(cè)系統(tǒng)內(nèi)在地引入了總體發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的響應(yīng)滯后和延遲。
[0011] 因此，本領(lǐng)域需要一種集成燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，其用于測(cè)量氣流速 度、溫度以及檢測(cè)各種各樣的可能燃燒器故障，或者在燃燒期間在共用傳感器以及(需要的 話）公共控制器的情況下更令人滿意地預(yù)兆故障。
[0012] 本領(lǐng)域還需要一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)速度和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)地確定實(shí)際 燃燒器溫度而不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其他位置獲得基準(zhǔn)溫度，例如已知的整體溫度系統(tǒng)，該 整體溫度系統(tǒng)基于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測(cè)量結(jié)果來反向計(jì)算燃燒器溫度。
[0013] 還需要一種主動(dòng)氣流速度和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其共用通常結(jié)合燃燒渦輪監(jiān)測(cè)和控制 系統(tǒng)使用的傳感器，使得主動(dòng)速度和溫度監(jiān)測(cè)可集成在該監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的實(shí)施例的目的是形成一種與通常用于燃?xì)鉁u輪監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)共用傳 感器的主動(dòng)氣流速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得主動(dòng)氣流速度監(jiān)測(cè)能夠被集成在該監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng) 內(nèi)。
[0015] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是形成一種與通常用于燃?xì)鉁u輪監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)共 用傳感器的主動(dòng)同時(shí)氣流速度和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使得所述主動(dòng)同時(shí)氣流速度和溫度監(jiān)測(cè)能 夠被集成在該監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)內(nèi)。
[0016] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是形成一種集成燃?xì)鉁u輪監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，其用于檢 測(cè)各種各樣的可能燃燒器故障，或者在燃燒期間在與速度或速度/溫度測(cè)量系統(tǒng)共用的傳 感器以及(需要的話）共用的控制器的情況下更令人滿意地預(yù)兆故障。
[0017] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一目的是形成一種燃?xì)鉁u輪主動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其實(shí)時(shí)地確 定一個(gè)或多個(gè)燃燒器中的實(shí)際燃燒器溫度而不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其他位置獲得基準(zhǔn)溫度， 例如已知的整體溫度系統(tǒng)，該整體溫度系統(tǒng)基于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測(cè)量結(jié)果 來反向計(jì)算燃燒器溫度。
[0018] 這些以及其他目的在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中通過本文描述的主動(dòng)聲音速 度和基于測(cè)溫的氣流速度和溫度測(cè)量系統(tǒng)和方法被實(shí)現(xiàn)。速度或速度/溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方 法的實(shí)施例被用于監(jiān)測(cè)燃?xì)鉁u輪燃燒器內(nèi)的燃燒氣體，包括工業(yè)燃?xì)鉁u輪（IGT)燃燒器。這 些速度或速度/溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法被結(jié)合到渦輪燃燒監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)中，這通過添加至 少一個(gè)聲音發(fā)射器或聲音收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，所述聲音發(fā)射器或聲音收發(fā)器與至少一個(gè)或多個(gè) 聲音傳感器(例如，動(dòng)態(tài)壓力傳感器)同視線的方式發(fā)射聲波。對(duì)于速度測(cè)量，大致橫向于氣 流路徑被引導(dǎo)的聲音傳播飛渡時(shí)間由控制器來測(cè)量，并且與沿視線的氣流速度相關(guān)聯(lián)。類 似地，聲音傳播飛渡時(shí)間與沿視線的溫度相關(guān)聯(lián)。聲音傳播路徑用作速度或速度/絕對(duì)溫 度測(cè)量。在集成基于聲音壓力的傳感器和監(jiān)測(cè)/控制系統(tǒng)實(shí)施例中，控制器將速度和需要 時(shí)絕對(duì)主動(dòng)路徑溫度與聲音傳播和飛渡時(shí)間分析技術(shù)相關(guān)聯(lián)。由此，結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的 燃燒監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)可識(shí)別并分類燃燒異常，并且主動(dòng)地控制發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器內(nèi)的燃?xì)鉁u輪 燃燒過程。
[0019] 可選地，基于聲波測(cè)溫的主動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)單獨(dú)地或與本文描述的