包括在燃?xì)鉁u輪燃燒器中的氣流溫度的主動(dòng)測(cè)量的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本申請(qǐng)是2013年12月18日申請(qǐng)的序列號(hào)為14/132, 001，名稱為"燃?xì)鉁u輪燃燒器中 的主動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)（ActiveTemperatureMonitoringInGasTurbineCombustors)" 的共 同未決美國專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
[0002] 本申請(qǐng)通過引用以下共同未決的美國實(shí)用新型專利申請(qǐng)而合并其全部?jī)?nèi)容，就像 其全部?jī)?nèi)容被陳述于本文中一樣： "包括在燃?xì)鉁u輪燃燒器中的氣流速度的主動(dòng)測(cè)量或者速度與溫度的同時(shí)測(cè)量(ActiveMeasurementOfGasFlowVelocityOrSimultaneousMeasurementOf VelocityAndTemperature,IncludingInGasTurbineCombustors)",與此申請(qǐng)同時(shí)申 請(qǐng)，序列號(hào)未知，案卷號(hào)為2013P10743US; "用于燃?xì)鉂欇喨紵O(jiān)測(cè)和控制的多功能傳感器系統(tǒng)（Multi-FunctionalSensor SystemForGasTurbineCombustionMonitoringAndControl)"，2013 年 12 月 18 日申 請(qǐng)，序列號(hào)為14/109,992 ; "燃?xì)鉂欇啺l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器中的溫度測(cè)量（Temperature Measurement in a Gas Turbine Engine Combustor)"，2013 年 3 月 14 日申請(qǐng)，序列號(hào)為 13/804, 132;以及 "使用聲測(cè)高溫的燃?xì)鉂欇啺l(fā)動(dòng)機(jī)控制（GasTurbineEngineControlUsing AcousticPyrometry)"，2010 年 12 月 14 日申請(qǐng)，序列號(hào)為 12/967, 148，公開號(hào)為 US2012/0150413。
[0003] 本申請(qǐng)還通過引用其全部?jī)?nèi)容合并了（就像其全部?jī)?nèi)容被陳述于本文中一樣）美 國專利No. 7, 853, 433,"通過動(dòng)態(tài)傳感器信號(hào)的小波分析的燃燒異常檢測(cè)（Combustion Anomaly Detection Via Wavelet Analysis of Dynamic Sensor Signals)，', 2010年12月 14日授權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及氣流例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器內(nèi)的燃燒氣流的氣流溫度的主動(dòng) 測(cè)量。這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)包括，以舉例的方式，工業(yè)燃?xì)鉁u輪（IGT)發(fā)動(dòng)機(jī)、其它類型的固定燃 氣渦輪、航海、航空和其他交通工具的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。更特別地，本文公開的溫度測(cè)量方 法和設(shè)備的實(shí)施例利用共同的感測(cè)和控制系統(tǒng)來確定燃燒器的速度和溫度。在本文公開的 實(shí)施例中，周向和軸向間隔的聲傳感器、聲發(fā)射器和/或收發(fā)器陣列被用于實(shí)時(shí)主動(dòng)的燃 燒器氣流溫度測(cè)量。氣流溫度數(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] 燃?xì)鉁u輪機(jī)，例如用于任何最終用途應(yīng)用的燃?xì)鉁u輪，一般包括壓縮機(jī)部分、燃燒 器部分、渦輪部分和排氣部分。在操作中，壓縮機(jī)部分使周圍環(huán)境的空氣進(jìn)入并對(duì)其進(jìn)行壓 縮。燃燒器部分一般可包括用于接收被壓縮的空氣并將其與燃料混合以形成燃料/空氣混 和物的多個(gè)燃燒器。燃料/空氣混和物被每個(gè)燃燒器燃燒，以形成熱工作氣體，該熱工作氣 體可被傳送到渦輪部分，在渦輪部分中熱工作氣體通過交替設(shè)置的多排固定翼和旋轉(zhuǎn)翼而 被膨脹，且被用于生成可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力。離開該渦輪部分的膨脹氣體可通過排氣部分從 發(fā)動(dòng)機(jī)中排出。
[0006] 燃燒異常，例如火焰反閃（flameflashback),已經(jīng)已知會(huì)在燃?xì)鉂欇啺l(fā)動(dòng)機(jī)的燃 燒部分中發(fā)生。火焰反閃是局部現(xiàn)象，可在空氣和燃料混和物的紊流燃燒速度超過燃燒器 組件中的軸向流速時(shí)引起，從而導(dǎo)致火焰落在燃燒器組件內(nèi)/周圍的一個(gè)或多個(gè)部件上， 例如圍繞燃燒室襯設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)組件。如果反閃狀況保持較長(zhǎng)的時(shí)間而沒有對(duì)其進(jìn)行 修正，則落下的火焰可燃燒透過這些部件。因此，火焰反閃和/或其它燃燒異?？梢鸩黄?望的損壞，且可能甚至毀壞燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)部件，使得維修或者更換這些部件成為必須的。
[0007] 在操作發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，控制單個(gè)燃燒器處的燃料/空氣混和物，以保持一個(gè)或 多個(gè)操作特征位于預(yù)定的范圍，例如，保持期望的效率和/或動(dòng)力輸出，控制污染水平，防 止壓力波動(dòng)和防止熄火。在已知類型的控制設(shè)置中，整體渦輪排氣溫度可能也作為用于監(jiān) 測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況的參數(shù)而被監(jiān)測(cè)。例如，控制器可監(jiān)測(cè)所測(cè)量的渦輪排氣溫度，且測(cè)量 的排氣處的溫度變化可能導(dǎo)致控制器改變發(fā)動(dòng)機(jī)的操作狀況。在其它已知類型的控制設(shè)置 中，離散的皮托靜壓探頭或者多孔壓力探頭被用于確定特定位置處的氣流速度，但是這樣 的探頭的柵格陣列破壞了氣流且引入了測(cè)量誤差。由于這樣的氣流破壞，因此柵格陣列在 使用時(shí)具有有限數(shù)量的相隔較遠(yuǎn)的探頭，這提供了相對(duì)粗略的氣流速度分布和廓線信息。
[0008] 目前，有幾種不同類型的傳感器和感測(cè)系統(tǒng)，它們被用于工業(yè)中以監(jiān)測(cè)燃燒并保 持燃燒過程中的穩(wěn)定性，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。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。被動(dòng)視覺(光學(xué)可見光和/或紅外光譜）傳感器、離子傳感器以及蓋革彌勒（Geiger Mueller)探測(cè)器被用于檢測(cè)燃燒器內(nèi)的火焰明/滅，而熱電偶用于反閃檢測(cè)。關(guān)于已知的 燃燒氣流速度U)監(jiān)測(cè)方法，皮托靜壓探頭和多孔壓力探頭利用不同的壓力技術(shù)，熱線探 頭利用了熱風(fēng)力測(cè)定技術(shù)，而激光多普勒和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)利用了光技術(shù)來表征氣流速 度。不同的壓力和熱風(fēng)力測(cè)定儀器是插入點(diǎn)測(cè)量裝置，它們擾亂了儀器周圍的局部氣流。激 光多普勒和粒子圖像測(cè)速儀器分別提供了非插入點(diǎn)和2或3維非插入氣流速度測(cè)量，雖然 它們都要求氣流中的粒子播撒。此外，復(fù)雜的基于激光的測(cè)量，例如濾波瑞利散射（FRS)和 其它這樣的基于激光光譜的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展用于測(cè)量氣體速度。但是，這些技術(shù)比插入壓差 或者熱風(fēng)力測(cè)定儀器更復(fù)雜，且要求更多的專門訓(xùn)練以在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)施。此外，大部分用 于速度的光學(xué)技術(shù)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境而不是發(fā)電廠領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。關(guān)于溫度（T)監(jiān) 測(cè)技術(shù)，已知的拉曼（Raman)光譜、激光誘導(dǎo)熒光(用于u和T兩者的監(jiān)測(cè))、以及相干反斯 托克斯-喇曼光譜學(xué)（CARS)(用于u和T兩者的監(jiān)測(cè))儀器系統(tǒng)也打算用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，而 不是在傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備中現(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)的發(fā)電現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，例如用于鍋爐中的溫度測(cè)量，但是這個(gè)儀器非常昂貴：每個(gè)系統(tǒng)大約 $500, 000美元。其它類型的溫度測(cè)量和燃燒異常檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在發(fā)電工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中具有 更大的接受度。
[0009] 特別地，美國專利No. 7, 853, 433通過使用傳感器對(duì)表示燃燒狀況的燃燒器熱聲 振蕩（thermoacousticoscillation)進(jìn)行采樣和后續(xù)小波分析，來檢測(cè)燃燒異常和對(duì)燃燒 異常進(jìn)行分類，該傳感器是例如動(dòng)態(tài)壓力傳感器、加速計(jì)、高溫麥克風(fēng)、光學(xué)傳感器和/或 離子傳感器。美國公開No.US2012/0150413在IGT排氣系統(tǒng)中使用聲測(cè)高溫來確定一個(gè)或 多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒器內(nèi)的上游整體溫度。聲信號(hào)從聲發(fā)射器發(fā)射，且被多個(gè)聲接收器接收。 每個(gè)聲信號(hào)定義了對(duì)應(yīng)的發(fā)射器和接收器對(duì)之間的不同聲線路徑（line-of-sound path)。 被發(fā)射信號(hào)的渡越時(shí)間（time-of-flight)被確定和處理，以確定路徑溫度。多個(gè)路徑溫度 可以被組合和處理，以確定測(cè)量場(chǎng)所的整體溫度。所確定的路徑或者整體溫度或者這兩者 可以被用于相關(guān)燃燒器中的上游溫度。序列號(hào)為No. 13/804, 132的共同未決的美國實(shí)用 新型專利申請(qǐng)使用所謂的主模（dominant mode)方法，通過識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)上游中的第一位置 處的來自渦輪(例如，燃燒器中的）的聲頻率，并使用該頻率來確定與該聲頻率成正比的第 一整體溫度值和計(jì)算的常數(shù)值，來計(jì)算燃燒器內(nèi)的整體溫度。在發(fā)動(dòng)機(jī)中的第二位置例如 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中確定工作氣體的校準(zhǔn)第二溫度。使用校準(zhǔn)第二溫度來執(zhí)行反算，以確定第一 位置處的工作氣體的溫度值。第一溫度值與反算的溫度值比較，以改變所計(jì)算的常數(shù)值為 重新計(jì)算的常數(shù)值。接下來基于重新計(jì)算的常數(shù)值可以確定燃燒器處的第一溫度值。
[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要求單獨(dú)的傳感器 設(shè)計(jì)和/或單獨(dú)的感測(cè)系統(tǒng)來檢測(cè)那些狀況。已知的組合IGT和其它類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng) 機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)傳感器以及檢測(cè)方法還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)中安裝不同類型的完全不同的傳感器和感測(cè)系統(tǒng)增加了安裝成本和維護(hù) 費(fèi)用。并且，完全不同的傳感器和感測(cè)系統(tǒng)本質(zhì)上在整體發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中引入了反應(yīng)滯 后和延遲。
[0011] 因此，現(xiàn)有技術(shù)中存在一種集成的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的需求，所述 系統(tǒng)用于在燃燒過程中共享共同的傳感器且如果期望的話共享共同的控制器，來測(cè)量氣流 速度、溫度并檢測(cè)較寬范圍的可能的燃燒器故障，或者更令人滿意地預(yù)知故障。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)中存在一種燃?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)的另一種需求，所 述系統(tǒng)實(shí)時(shí)確定實(shí)際的燃燒器溫度，而不需從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其它位置獲得基準(zhǔn)溫度，例如基 于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測(cè)量值來反算燃燒器溫度的已知的整體溫度系統(tǒng)。
[0013] 還存在一種主動(dòng)氣流速度和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的另外的需求，所述系統(tǒng)共享與燃?xì)鉁u 輪機(jī)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)共同使用的傳感器，使得主動(dòng)速度和溫度監(jiān)測(cè)可集成在監(jiān)測(cè)和控制系 統(tǒng)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的實(shí)施例的目的是創(chuàng)建主動(dòng)氣流溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)共享與燃?xì)鉁u輪 監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)共同使用的傳感器，使得主動(dòng)氣流溫度監(jiān)測(cè)可集成在所述監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng) 中。
[0015] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)目的是創(chuàng)建主動(dòng)氣流溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)共享與燃 氣渦輪監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)共同使用的傳感器，使得主動(dòng)氣流溫度監(jiān)測(cè)可集成在所述監(jiān)測(cè)和控 制系統(tǒng)中。
[0016] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)目的是創(chuàng)建集成的燃?xì)鉁u輪監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng) 用于在燃燒過程中與所述速度或速度/溫度測(cè)量系統(tǒng)共享共同的傳感器且如果期望的話 共享共同的控制器，來檢測(cè)較寬范圍的可能的燃燒器故障，或者更令人滿意地預(yù)知故障。
[0017] 本發(fā)明的實(shí)施例的另一個(gè)目的是創(chuàng)建燃?xì)鉁u輪主動(dòng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)實(shí)時(shí) 確定一個(gè)或多個(gè)燃燒器內(nèi)的實(shí)際的燃燒器溫度，而不需從發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的其它位置獲得基準(zhǔn)溫 度，例