專利名稱：火焰穩(wěn)定和控制的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及與燃燒相關(guān)的裝置，特別涉及這樣一種與燃燒相關(guān)的裝置，其通過對添加到燃料供給中的一種或多種添加劑(additive)進行控制以監(jiān)控和控制燃燒。


圖1包含了各種計算機系統(tǒng)組件的框圖，其中各種計算機系統(tǒng)組件用于和根據(jù)本發(fā)明實施方案的對燃燒裝置的燃料供給進行控制的控制系統(tǒng)的示例性實現(xiàn)一起使用；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于直接確定燃燒性能的示例性系統(tǒng)；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于直接確定燃燒性能的示例性方法；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于間接確定燃燒性能的示例性系統(tǒng)；以及圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于間接確定燃燒性能的示例性方法。
本發(fā)明實施方案的簡要描述方法和系統(tǒng)的實施方案的描述本發(fā)明的實施方案提供了這樣一種方法和系統(tǒng)，其用于實時或接近實時地檢測或確定與燃燒相關(guān)的信息(例如，燃料特性、燃燒特性或其他裝置特性)，以及基于所檢測到的信息，利用燃料添加劑調(diào)節(jié)燃燒的一個或多個特性控制燃燒裝置(例如，渦輪機或者其他包括燃燒室的裝置)的性能。通過這種檢測和性能控制，即使輸入或者其他因素變化(例如改變?nèi)剂闲阅芎头N類)，也可以例如保持穩(wěn)定的燃燒器性能。燃料的這種變化可例如包括天然氣根據(jù)其來源在燃燒特性上的變化，或用于燃燒裝置的燃料種類變化。
在第一個實施方案中，燃燒裝置的性能是通過檢測燃料的性能和添加一種或多種燃料添加劑來(間接)控制的。例如，在該實施方案的變體中，例如通過燃料成分和供給速率傳感器，對要供給到燃燒裝置中的燃料特性(例如，燃料供給速率、和與燃料燃燒性能相關(guān)的化學(xué)或其他方面)進行監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果與燃料特性可接受的范圍(例如，能夠產(chǎn)生可接受的燃燒室性能的燃料性能范圍)比較，如果監(jiān)控到的結(jié)果超出可接受范圍，則確定適合的可應(yīng)用的燃料添加劑量，并將所確定的添加劑增加到燃料供給中，從而能夠使燃燒室的性能在可接受的范圍內(nèi)。
例如，如果通過對燃料分析確定出，沒有添加劑的燃料在燒室中產(chǎn)生的火焰速度太低，則將適量計算出的火焰增強劑(例如，給定所檢測到的燃料供給速度，依據(jù)在具有添加劑時計算得到的燃燒增強)作為添加劑加到燃料供給中，以使火焰速度增加到可接受的水平。另外一方面，如果通過對燃料分析確定出，沒有添加劑的燃料在燒室中產(chǎn)生的火焰速度太高，則將適當(dāng)數(shù)量的火焰延緩劑添加到燃料供給中，以使火焰速度減小到可接受的水平。在該實施方案中，一旦確定了燃料的適當(dāng)特性，就不需要連續(xù)額外的監(jiān)控和控制(但是在燃料或燃燒裝置的燃燒端可以選擇使用額外的監(jiān)控和控制，以例如保持燃燒質(zhì)量)。
在第二個實施方案中，通過在需要時在燃料供給中添加一種或多種添加劑，通過對燃燒器性能的特性進行檢測，來控制燃燒裝置的性能，從而使燃燒室處于可接受的范圍。例如，在該實施方案的變體中，對燃燒性能的特性(例如，燃燒室中產(chǎn)生的壓力、燃燒或者散發(fā)的產(chǎn)物、溫度、或其他燃燒特征)進行監(jiān)控。所監(jiān)控的結(jié)果與燃燒性能特征的可接受的范圍(能夠產(chǎn)生可接受的燃燒室性能的燃料性能范圍)來比較。如果監(jiān)控到的結(jié)果超出可接受的范圍，則將適量可得到的添加劑添加到燃料供給中，然后重新監(jiān)控燃燒室的特能以確定結(jié)果是否處于可接受的范圍內(nèi)。像連續(xù)反饋環(huán)一樣重復(fù)這一過程，直到燃燒特性處在可接受的范圍內(nèi)，接著保持添加劑的供給。
例如，通過對燃燒室的性能進行分析確定出，沒有添加劑的燃料在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的火焰溫度太低，則將燃燒增強劑作為添加劑添加到燃料供給中，以使火焰溫度增加。如果達(dá)到了可接受的火焰溫度，則保持添加劑供給，否則，反復(fù)加入更多的添加劑直到火焰溫度達(dá)到可接受的范圍。同樣，通過對燃燒室的性能進行分析確定出，沒有添加劑的燃料在燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的火焰溫度太高，就將適當(dāng)數(shù)量的火焰延緩劑作為添加劑加到燃料供給中，從而降低火焰溫度。如果達(dá)到了可接受的火焰溫度合，則保持添加劑供給，否則，反復(fù)加入更多的添加劑直到火焰溫度達(dá)到可接受的范圍。
在第二個實施方案的其他變體的實施例中，監(jiān)控燃燒裝置的其他特性(非燃繞)來確定性能，以及在需要時加入添加劑，從而將燃燒裝置保持在可接受的性能范圍內(nèi)。例如，如果燃燒室中的壓力波動太大會在燃燒裝置中導(dǎo)致振動。與該實施方案第一種變體類似，使燃燒室中的壓力變大的添加劑重復(fù)添加到燃料供給中，直到燃燒裝置達(dá)到可接受的性能(例如，可接受的震動水平)。
在第二實施方案的各個變體中，所檢測的燃料供給速率和燃料特性、或其他信息并結(jié)合所檢測到的燃燒裝置特性可以用來(例如)更精確地確定和控制燃料供給。
為了用燃燒裝置執(zhí)行這些功能，本發(fā)明的各個實施方案通常利用一個或者多個傳感器、一個或者多個添加劑源、一個或多個具有相應(yīng)的控制機制的添加劑流量控制裝置(例如，閥門)、以及一個或多個處理器或接收傳感器輸入的處理裝置，以任意地確定添加到燃料中的添加劑量(根據(jù)實施方案)，以及通過控制機制控制添加劑流量控制裝置的操作。
燃燒裝置在本發(fā)明中可使用的燃燒裝置可包括公知或已開發(fā)出來的燃燒器或用來焚燒燃料的火爐裝置，并且可用作這些裝置通常使用的目的。例如，燃燒裝置可包括被設(shè)計成使用天然氣或其他燃料以產(chǎn)生功率的渦輪機、或往復(fù)式發(fā)動機(例如，能夠使用、或通過調(diào)整使用各種燃料)。
傳感器本發(fā)明可以使用大量的傳感器。例如，可在本發(fā)明中使用的這些傳感器能夠直接或者間接地測量燃料成分或燃燒屬性、或者兩者都測量。當(dāng)直接測量燃料成分時，可以在傳感器(或例如，在處理器內(nèi)或與傳感器耦合的處理裝置，下面將進一步描述)內(nèi)利用大量的技術(shù)來測量組成燃料的各種化學(xué)物質(zhì)數(shù)量。這些技術(shù)包括但不限于紅外吸收光譜學(xué)、傅里葉變換紅外光譜學(xué)(FTIR)、拉曼(Raman)光譜學(xué)、氣體色譜法、質(zhì)譜法、核磁共振、電子自旋共振、或離子運動光譜法、或者它們?nèi)我獾慕Y(jié)合。
當(dāng)間接測量燃料成分時，在傳感器中可以應(yīng)用的處理技術(shù)包括但不限于使用火焰電離探測器(FID)、熱傳導(dǎo)測量、熱容測量、聲速測量、或密度測量、或者它們?nèi)魏蔚慕M合。特別是在間接測量的實施方案中使用時，傳感器可以測量或用來確定燃燒性能指數(shù)(如果需要的話)，包括如下所詳細(xì)描述的沃泊指數(shù)(Wobbe Index)，傳感器還可包括設(shè)計用來測量燃料流速的公知類型和方法。
對于火焰的檢測(直接測量)，傳感器可以用來測量燃燒穩(wěn)定性，例如，通過測量火焰位置或振動，或者利用(但不限于)以下的一種或者幾種化學(xué)發(fā)光探測器(chemiluminescence detector)、火焰掃描器、火焰成像器、或者火焰探測器。傳感器可以被選做或配置成，例如通過測量燃燒室的壓力和壓力波動來測量燃燒的穩(wěn)定性，并且加速計可用來測量由燃燒造成的壓力振動而導(dǎo)致的燃燒裝置中的振動。燃燒性能可以通過測量下列特性來測量，例如火焰溫度、排氣溫度、或者發(fā)射物(emission)，或者它們?nèi)我獾慕Y(jié)合。
處理器處理器(在本文中還可稱作“處理裝置”或控制器)能夠根據(jù)傳感器的輸入或其他信息進行計算，以評定燃燒性能或穩(wěn)定性，并能夠生成為添加劑系統(tǒng)生成控制信號、機械或液壓操作、或其他控制功能(例如，用來控制閥門或者其他機械裝置以控制添加劑供給)，從而可以產(chǎn)生并保持恒定的燃燒性能和/或穩(wěn)定性?？刂破髂軌蚩刂戚斎氲饺紵髦械娜剂蠈傩?例如，通過對一種或多種添加劑供給進行控制)，從而使得(例如)能保持恒定的燃料效率和燃料噴射特性。通過保持恒定的燃燒指數(shù)的方法，控制器還能夠保持恒定的燃燒屬性。所述的指數(shù)(在下面描述)可以是沃泊指數(shù)或Weaver指數(shù)，或者兩者(或一些設(shè)計用來表征燃料屬性的其他系數(shù))。
控制器還可以例如通過調(diào)整火焰速度、或一些其他的主要的燃燒屬性而保持穩(wěn)定的燃燒(例如，通過控制添加到燃料的添加劑的數(shù)量)。控制器可以是模擬裝置，例如通過使用調(diào)諧的控制系數(shù)從輸入信號生成控制輸出的PID(比例、積分和微分)控制器?？刂破鬟€可以是數(shù)字裝置，例如PLC(可編程邏輯控制器)或者計算機。
計算機能夠以軟件的形式模擬一種模擬裝置，或利用來自檢測裝置信息計算燃燒指數(shù)或其他燃料屬性，并接著計算所需的添加劑量，以保持預(yù)定的指數(shù)和屬性值?？刂破骺赡苁菃螜C裝置，或者包括多個耦合的裝置，包括形成或耦合到網(wǎng)絡(luò)(例如互聯(lián)網(wǎng))的裝置。這種裝置可具有“學(xué)習(xí)”的能力，從而使得本發(fā)明可以基于操作經(jīng)驗自我優(yōu)化控制規(guī)則，并可應(yīng)用于一些實施方案。
控制器的輸出可與燃燒裝置的穩(wěn)定性聯(lián)系起來，并可用作穩(wěn)定性指示器。穩(wěn)定性指示器可以在嚴(yán)重失穩(wěn)之前關(guān)掉燃燒裝置。另外，穩(wěn)定性指示器可作為燃燒裝置一部分或者與燃燒裝置的其他性能結(jié)合，以(例如)產(chǎn)生操作記錄以幫助確定故障(upset)原因。
如圖1所示，本發(fā)明的控制器可以使用硬件、軟件或者二者結(jié)合來實現(xiàn)，并且可以在一個或多個計算機系統(tǒng)或其他處理系統(tǒng)中執(zhí)行。在一個實施方案中，本發(fā)明的目的在于能夠執(zhí)行在本文中描述的功能的一個或多個計算機系統(tǒng)。
計算機系統(tǒng)1包括一個或多個處理器，例如處理器4。處理器4連在通訊基本設(shè)施6(例如，通訊總線、交叉矩陣(cross-over bar)、或者網(wǎng)絡(luò))?；谶@一示例的計算機系統(tǒng)描述各種軟件實施方案。讀了這一描述后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解如何使用其他計算機系統(tǒng)或體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明。
計算機系統(tǒng)1可包括顯示器接口2，用于傳輸來自通訊基本設(shè)施6的圖形、文本和其他數(shù)據(jù)(或者來自幀緩存器(未示出))，用以顯示在顯示單元30上。計算機系統(tǒng)1還包括主存儲器8，優(yōu)選為隨機存儲器(RAM)，并且還可包括輔助存儲器10。輔助存儲器10可例如包括硬盤驅(qū)動12和/或可移動存儲驅(qū)動14，表現(xiàn)為軟盤驅(qū)動、磁盤驅(qū)動、光盤驅(qū)動等等?？梢苿哟鎯︱?qū)動14以公知的方式從可移動存儲單元18進行讀和/或?qū)憽？梢苿哟鎯卧?8表現(xiàn)為軟盤、磁盤、光盤等等，并可由可移動存儲驅(qū)動14進行讀寫。應(yīng)該理解，可移動存儲單元18包含在其中存有計算機軟件和/或數(shù)據(jù)的計算機可用存儲介質(zhì)。
在可選的實施方案中，輔助存儲器10可包含其他類似的器件，允許計算機程序或其它指令載入計算機系統(tǒng)1。這些器件例如包括可移動存儲單元22和接口20。這些示例可包含程序盒式存儲器(programcartridge)和盒式存儲器接口(例如，存在于視頻游戲裝置的程序盒式存儲器和盒式存儲器接口)、可移動存儲芯片(例如，可擦除可編程的只讀存儲器(EPROM)或者可編程只讀存儲器(PROM))和相關(guān)的插口(socket)、其它可移動存儲單元22和接口20，接口20允許軟件和數(shù)據(jù)從可移動存儲單元22傳送到計算機系統(tǒng)1中。
計算機系統(tǒng)1還可包括通信接口24。通信接口24允許軟件和數(shù)據(jù)在計算機系統(tǒng)1和外設(shè)之間交互。通信接口24的例子可包括調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)接口(例如以太網(wǎng)卡)、通信端口、個人計算機存儲卡國際協(xié)會(PCMCIA)的卡槽和卡等等。軟件和數(shù)據(jù)通過通信接口24以信號28的形式進行傳輸，信號28可為電、電磁、光或者其他可被通信接口24接收的信號形式。這些信號28通過通信路徑(例如，信道)26提供給通信接口24。路徑26承載信號28，并可使用電線(wire)、電纜、光纖、電話線、蜂窩鏈路或射頻(RF)鏈路和/或其他的通信信道來實現(xiàn)。在本文檔中，“計算機程序介質(zhì)”和“計算機可用介質(zhì)”一般性地稱為介質(zhì)，例如移動存儲驅(qū)動14、安裝在硬盤驅(qū)動12的硬盤、和信號28。這些計算機程序產(chǎn)品為計算機系統(tǒng)1提供軟件。本發(fā)明提供了這樣的計算機程序產(chǎn)品。
計算機程序(還被稱為計算機控制邏輯)存儲在主存儲器8和/或輔助存儲器10中。計算機程序還可通過通信接口24接收。這些計算機程序在執(zhí)行時，使計算機系統(tǒng)1執(zhí)行在本文中討論的本發(fā)明的特征。具體地說，計算機程序執(zhí)行時，使處理器4執(zhí)行本發(fā)明的特征。因此，這種計算機程序代表計算機系統(tǒng)1的控制器。
在應(yīng)用軟件實現(xiàn)本發(fā)明的實施方案中，軟件可以存入計算機程序產(chǎn)品中，并可利用可移動存儲驅(qū)動14、硬盤驅(qū)動12或通信接口24裝載到計算機系統(tǒng)1中。當(dāng)控制邏輯(軟件)通過處理器4執(zhí)行時，使處理器4執(zhí)行在本文中描述的本發(fā)明的功能。在另一個實施方案中，本發(fā)明主要以硬件實現(xiàn)，例如使用諸如特定用途集成電路(ASIC)的硬件成分。實現(xiàn)執(zhí)行在本文中描述的功能的硬件狀態(tài)機對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說應(yīng)該是顯而易見的。
而在另外的實施方案中，本發(fā)明可通過用結(jié)合硬件和軟件來實現(xiàn)。
添加劑供給本發(fā)明的添加劑供給部分具有根據(jù)控制器的運算和其他控制器功能向燃料添加適當(dāng)添加劑的能力。本發(fā)明的添加劑供給部分可包括(但不是必須)用于貯藏添加劑的容器。本發(fā)明的添加劑部分還可以通過使用容易得到的材料(例如，蒸汽、空氣、可容易得到的排氣、或其他產(chǎn)生的或可產(chǎn)生的物質(zhì))“自由地(on the fly)”添加添加劑。這些添加劑例如是通過取得成分(如空氣或水)并將其分為要在本發(fā)明中使用的一種或多種成分而得到的，或者是通過發(fā)生的特殊成分反應(yīng)而生成。
這些添加劑例如能從排氣中獲得、或通過使用分離空氣的方法獲得，并且還可以包括或使用蒸汽或水。另外，添加劑系統(tǒng)里的添加劑可包括活性的(reactive)化學(xué)物質(zhì)(例如，作為燃燒增強劑)，包括但不局限于氫(H2)、乙炔(C2H2)、一氧化二氮(N2O)、或者任何這些物質(zhì)的組合。為了延緩燃燒，添加劑中可包含惰性稀釋劑，包括但不局限于氮(N2)、空氣、貧氧空氣(oxygen depleted air)、二氧化碳(CO2)；循環(huán)利用的廢氣、水、或蒸汽、或它們?nèi)我獾慕M合。燃料延緩添加劑同樣可包括火焰延緩物質(zhì)，包括但不限于含鹵的物質(zhì)。
本發(fā)明的添加劑供給部分可包括計量閥或其他閥或控制機制來控制混合到燃料中的添加劑的數(shù)量，還可以包括電子的、機械的、液壓的、或者其他操作機制來對控制機制的操作進行控制。計量閥例如通過耦合到控制器的接口被直接控制，或通過上述一種或多種控制機制來控制。
燃料和燃燒裝置的屬性下面的燃料和燃燒裝置信息及屬性可一般性地應(yīng)用到實現(xiàn)本發(fā)明的實施方案的系統(tǒng)和方法。
燃料特性某些燃料特性有助于確定不同的燃料是否在相同的燃燒裝置里有相同的表現(xiàn)。如果兩種燃料的公知為沃泊指數(shù)(WobbeIndex)的參數(shù)是相同的，那么他們在給定的燃燒系統(tǒng)中經(jīng)常具有相似的表現(xiàn)。沃泊指數(shù)(WI)被定義為燃料的容積熱量與燃料密度的平方根的比。當(dāng)兩種燃料的WI相同時，用于兩種燃料的裝置的熱量輸入基本相當(dāng)，并通過吸入噴嘴具有相同的壓降。燃料噴射滲透以及因此燃料-空氣混合物也基本相同。因此，維持恒定的燃料WI對于維持燃燒裝置的恒定性能是重要的。
WI最初是為確定在穩(wěn)定燃燒狀態(tài)下操作的擴散火焰燃燒器以及簡單預(yù)混合燃燒爐中燃燒的燃料的可交互性而定義的，其中穩(wěn)定的發(fā)熱率被適當(dāng)限制于氣體的可交互性。然而，傾斜預(yù)混合DLE(Dry LowEmission，干式低污染設(shè)計方式)燃燒器(例如在用于產(chǎn)生功率的現(xiàn)代化氣體渦輪機中使用的燃燒器)以欠穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)操作，所以，單發(fā)熱率不足以保證穩(wěn)定的操作。因此，如果不考慮更多的限制，應(yīng)用WI計算傾斜預(yù)混合干燥輻射燃燒器中的交互性也是不足夠的。所以監(jiān)控其他火焰特性的交互性的指數(shù)被提了出來。例如相對于參考?xì)怏w，沃泊指數(shù)比較用于燃燒應(yīng)用中的熱量散失、火焰提升、火舌回閃和提出的替代氣體的黃色火尖(yellow tipping)。另外，基本的燃燒屬性，例如火焰速度也可以作為預(yù)期燃燒穩(wěn)定性的一部分來監(jiān)控。
燃燒的穩(wěn)定性控制因此可以通過調(diào)整輸入到燃燒室的燃料混合物的化學(xué)成分來實現(xiàn)，這樣就可以控制如上所述的燃料特性。這可通過經(jīng)由向燃料混合物增加添加劑來改變?nèi)細(xì)獬煞謥韺崿F(xiàn)。例如，添加劑能提高或減低火焰的速度、火焰溫度、或者單位體積熱量的釋放率。添加劑包括但不限于活性的化學(xué)物質(zhì)(如，氫、乙炔或N2O)；稀釋劑(如，氮、CO2，蒸汽、或可循環(huán)的排氣)；或火焰基(flame-radical)清除化學(xué)物質(zhì)(如，含鹵素的物質(zhì))；或它們的任意混合。
預(yù)混合燃燒裝置和火爐本發(fā)明可使用的預(yù)混合燃料裝置包括但不限于，那些在低輻射氣體渦輪機中使用的燃料裝置，而其操作在面對可變的天然氣體或其他供給氣體(如過程氣體或合成氣)時會受損。通過調(diào)節(jié)使污染輻射很低的預(yù)混合燃燒系統(tǒng)在火舌回閃(flashback)和吹滅(blow-off)之間的狹小穩(wěn)定空間工作。當(dāng)火焰速度比通過燃燒器的氣流速度快時，發(fā)生火舌回閃，允許火焰向上地(upstream)傳播。當(dāng)火焰速度比通過燃燒室的氣流速度慢時，會導(dǎo)致吹滅發(fā)生，允許火焰向下地吹并熄滅。火焰速度一般必須和穩(wěn)定的燃燒氣流速度相等。各種技術(shù)可用來穩(wěn)定火焰，從而使得火焰的速度不一定要和氣流速度匹配。
這些約束條件產(chǎn)生范圍很小的穩(wěn)定；然而，在火焰速度和流量之間匹配度太低時，會導(dǎo)致火舌回閃或吹滅的發(fā)生。由于火焰速度是燃料成分的函數(shù)，因此，天然氣體或其他供給氣體的成分變化會導(dǎo)致穩(wěn)定問題(例如參見L.Nord and H.Andersen的《Influence of Variations inthe Natural Gas Properties on the Combustion Process in Terms ofEmissions and Pulsations for a Heavy Duty Gas Turbine》(《用于重功能氣體渦輪機的、天然氣體屬性變化對焚燒輻射和污染物的燃燒處理的影響》)，其內(nèi)容通過引用并入本文)。當(dāng)預(yù)混合嚴(yán)格按照液體力學(xué)控制時，預(yù)混合燃燒器對燃料特性的變化是敏感的，并且火焰的穩(wěn)定性依賴于液體力學(xué)和化學(xué)運動學(xué)。失去火焰穩(wěn)定性會導(dǎo)致壓力波動和震動以及聲學(xué)共鳴，這會導(dǎo)致熱部件的損害和退化。(然而，根據(jù)本發(fā)明的一些實施方案，可以檢測或利用這些特性來輔助燃燒裝置的操作。)實例燃燒器性能可通過多種方式測得或檢測。例如，可以通過確定燃燒裝置的性能特征來直接確定燃燒器的性能，或可以通過確定燃料的特征來直接測量或檢測性能。在兩個實施例，通過向燃料增加添加劑(例如活性的物質(zhì)、抗活性物質(zhì)或惰性稀釋劑)來改變?nèi)紵某煞?。這種直接的措施用作反饋控制回路中的輸入，而間接的措施可用作前饋控制回路中的輸入。
燃燒性能可以通過確定燃燒裝置的性能特征直接確定。例如，通過測量燃燒器中的火焰位置的指示來確定穩(wěn)定性，例如火焰的化學(xué)發(fā)光，或通過檢測火焰的間歇性(例如通過探測火焰產(chǎn)生的聲音和光而得到)確定穩(wěn)定性。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于直接確定燃燒性能的示例性系統(tǒng)。如圖2所示，該系統(tǒng)包括燃料管道105，檢測系統(tǒng)110，從檢測系統(tǒng)110存取信息的控制器115(以例如控制燃料成分或提供穩(wěn)定風(fēng)險評估、數(shù)據(jù)記錄和輻射預(yù)期)，使用控制器115提供的信息控制燃料添加劑的添加劑系統(tǒng)120，以及焚燒燃料的燃燒器125。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于直接確定燃燒性能的示例性方法。在步驟205使用檢測系統(tǒng)確定至少一個燃燒特性。例如，可測定火焰或燃燒器特性(如動態(tài)的壓力振蕩)。這些動態(tài)態(tài)的壓力振蕩可通過壓力傳感器來測量，該壓力傳感器作為時間的函數(shù)顯示燃燒器內(nèi)的壓力變化。在步驟210中，控制器分析燃燒特性。因此，可例如通過分析動態(tài)的壓力振蕩來確定運行平均，或和預(yù)先設(shè)定的門限值進行比較。如果分析表明燃燒室的性能正在惡化，則需要改變?nèi)剂系某煞?。在步驟215中，來自控制器的輸出確定燃料的成分是否應(yīng)該改變以校正燃燒的動態(tài)問題。如果沒有指示出問題(例如，燃料成分位于燃燒裝置工作的預(yù)設(shè)的可接受范圍)，在步驟220，將數(shù)據(jù)存儲，并連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)。如果存在問題(例如，燃料成分超出了預(yù)先設(shè)定的燃燒裝置運行的可接受范圍)，則在步驟225中，確定需要對燃料成分進行的適當(dāng)改變(例如，將適當(dāng)?shù)奶砑觿┰黾拥饺剂瞎┙o中)。對燃料成分改變的確定可例如通過對特定燃燒系統(tǒng)的經(jīng)驗知識、或穩(wěn)定性指數(shù)或波動的火焰屬性的計算、或其他信息或方法來確定。在步驟230中，將表明某個特定量值的添加劑需要混合到燃料流中的信號傳送到添加劑系統(tǒng)。在步驟235中，相應(yīng)地調(diào)整進入燃燒器的燃料(例如，通過打開或調(diào)整閥門)。因此，在該實施例中，進入到燃燒器的燃料通過增加添加劑而調(diào)整成，具有能夠產(chǎn)生更穩(wěn)定的火焰的燃燒室特征。這些步驟包含需要迭代或其他技術(shù)來優(yōu)化添加劑處理的反饋控制環(huán)。
燃燒性能還可通過測量燃料的特征(例如，化學(xué)成分、密度和發(fā)熱量)和推斷燃燒行為而間接地確定。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于間接確定燃燒性能的示例性系統(tǒng)。
如圖4所示，該系統(tǒng)包括燃料管道305；焚燒燃料的燃燒器325；檢測系統(tǒng)310；控制器315，從檢測系統(tǒng)存儲信息并確定需要添加或選擇多少燃料添加劑以改變輸送到燃料的添加劑；添加劑系統(tǒng)320，用以存儲和控制流到燃料管道的添加劑。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的、用于間接確定燃燒性能的示例性方法。在步驟405中，檢測系統(tǒng)確定燃料的特性。因此，檢測系統(tǒng)可例如利用FTIR光譜儀(spectrometer)來測量構(gòu)成燃料的各化學(xué)物質(zhì)。在步驟410中，控制器分析燃料的特性參數(shù)。例如，控制器利用燃料成分來計算調(diào)整的量，例如火焰速度，和/或沃泊指數(shù)或其他的穩(wěn)定指數(shù)。在步驟415中，分析控制器的輸出，確定是否需要改變?nèi)剂铣煞謥磉_(dá)到調(diào)整目的(例如，落入預(yù)先設(shè)定的范圍)。例如，如果燃料的成分在改變，以至于調(diào)整量顯示出火焰的穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，則在燃燒問題突出之前改變成分。如果調(diào)節(jié)量的值不需要改變，那么在步驟420中將數(shù)據(jù)存儲，并且繼續(xù)監(jiān)控調(diào)節(jié)量。如果調(diào)節(jié)量的值不需要改變，那么在步驟425中，確定需要進行的改變。需要用來改變調(diào)節(jié)量的值的燃料成分變化需要增加稀釋劑或活性的物質(zhì)來獲得燒特性的必要改變。在步驟430中，確定對燃料成分的適當(dāng)改變。舉例來說，確定對燃料成分的調(diào)節(jié)，以維持火焰的穩(wěn)定性和/或污染物的輻射。步驟435中，向添加劑系統(tǒng)320發(fā)送信號來控制要混合到燃料流中的稀釋劑或活性的物質(zhì)，從而獲得所需的成分以及因此獲得調(diào)節(jié)量的值。在步驟440中，調(diào)整進入燃燒器的燃料，以相應(yīng)地提高火焰的穩(wěn)定性特性，從而最少化燃燒器中的壓力振蕩。
實施例應(yīng)用和所生成的信息的其他用途。
如前所述，本發(fā)明的實施方案可用于穩(wěn)定燃燒裝置(在預(yù)混合料和非預(yù)混合料的燃燒器中)，從而補償隨隨時間變化的燃料成分和燃燒屬性的影響。另外，測量輸入的燃料成分也是有用的。例如，可以使用從中能夠確定燃燒器故障的原因的輻射預(yù)期(例如，基于燃料的測量的化學(xué)成分預(yù)測輻射等級)、穩(wěn)定性的風(fēng)險評估(如，由于測量的化學(xué)成分而產(chǎn)生的吹滅或火舌回閃)和存儲記錄。另外一種應(yīng)用是利用成分和/或者火焰速度信息，來對燃燒器失去穩(wěn)定性的風(fēng)險進行連續(xù)評估。此外，根據(jù)燃燒裝置的操作參數(shù)，可以利用燃料成分信息補充計算燃燒裝置NOx的輻射。一個實施方案還可與替代燃燒器或火爐一起使用，目的在于調(diào)整供應(yīng)到大量燃燒裝置(即不必監(jiān)控其他燃燒裝置而從燃料源得到燃料的燃燒裝置)的燃料的成分。另一個實施方案還能夠用來通過定制傳送到各個燃燒裝置的燃料，來控制單個的燃燒裝置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，上述用途僅僅是示例性的，其他更多的應(yīng)用也是可能的。
根據(jù)上面的實施方案描述了本發(fā)明。這僅僅是出于便利的目的，而不是用來限制本發(fā)明的應(yīng)用。事實上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明的說明書后，應(yīng)該理解如何通過替換的實施方案來實現(xiàn)本發(fā)明。
另外，應(yīng)該理解上述附圖(突出了本發(fā)明的功能和有益效果)也僅僅是示例性的。本發(fā)明的構(gòu)架具有充分的靈活性和可配置性，從而使得它能夠以除了在上述圖中顯示的方式外的方式使用。
更進一步來說，說明書摘要目的在于使美國的專利商標(biāo)管理局和公眾機構(gòu)，尤其是科學(xué)家、工程師、和本領(lǐng)域中對專利或法律用語和措辭不太熟悉的人，能夠通過粗略瀏覽而快速度地確定術(shù)發(fā)明本申請的公開。公開摘要在任何程度上不會限制本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種燃料供給調(diào)整系統(tǒng)，用于和具有燃料供給的燃燒裝置一起使用，所述系統(tǒng)包括傳感器，用于為所述燃料裝置檢測與燃燒相關(guān)的特性；處理器，用于將所檢測到的所述與燃燒相關(guān)的特性與可接受的范圍進行比較，以及用于在所檢測到的燃燒特性超出所述可接受的范圍時提供輸出；以及添加劑供給裝置，用于將添加劑供給到所述燃料供給中，所述添加劑供給裝置通過所述處理器的輸出觸發(fā)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，檢測到的所述與燃燒相關(guān)的特性是檢測到的用于所述燃料供給的燃料特性。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器使用選自下述方法的方法檢測所述燃料特性紅外吸收光譜學(xué)、傅里葉變換紅外光譜學(xué)(FTIR)、拉曼光譜學(xué)、氣體色譜法、核磁共振、電子自旋共振、質(zhì)譜法、以及離子運動光譜法。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器使用選自下述裝置的裝置檢測所述燃料特性火焰電離探測器(FID)、熱傳導(dǎo)測量裝置、熱容測量裝置、聲速測量裝置以及密度測量裝置。
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料特性至少包括燃料成分、燃料燃燒屬性和燃料流速之一。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，檢測到的所述燃料特性是檢測到的燃料燃燒屬性，其中，所述傳感器進一步檢測燃料流速，所述可接受的范圍是用于燃料燃燒屬性和燃料流速的預(yù)設(shè)組合范圍，以及如果檢測到的所述燃料特性和燃料流速低于所述預(yù)設(shè)組合范圍時，所述添加劑包括燃燒增強劑，而如果檢測到的所述燃料特性和燃料流速高于所述預(yù)設(shè)組合范圍時，所述添加劑包括燃燒延緩劑。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述添加劑選自燃燒增強劑和燃燒延緩劑。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒增強劑包括氫、乙炔、氧、富氧空氣和一氧化二氮。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒延緩劑是從氮、貧氧空氣、二氧化碳、再循環(huán)的排氣、水和蒸汽中所選出的惰性稀釋劑。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器檢測燃料性能指數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料性能指數(shù)選自沃泊指數(shù)和Weaver指數(shù)中的一個。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述與燃燒相關(guān)的特性是用于所述燃燒裝置的燃燒特性。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述用于燃燒裝置的燃燒特性包括火焰特性。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述火焰特性選自火焰的閃爍、火焰顏色、火焰產(chǎn)物的成分、火焰位置和火焰震蕩。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括化學(xué)發(fā)光探測器、火焰掃描器、加速計、火焰成像器、壓力傳感器、聲波傳感器、運動傳感器和火焰探測器。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器確定燃燒穩(wěn)定性和燃燒性能之一。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒穩(wěn)定性是通過測量室內(nèi)壓力和室內(nèi)壓力波動之一確定的。
18.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒性能通過測量火焰穩(wěn)溫度定、排氣的溫度和輻射內(nèi)容確定。
19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括壓力傳感器、聲音傳感器、震動傳感器和運動傳感器之一。
20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒裝置是渦輪機。
21.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒裝置是往復(fù)式發(fā)動機。
22.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料供給為天然氣供給。
23.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述添加劑供給從添加劑供給源提供。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中，所述添加劑供給通過供給控制機制得到控制。
25.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述供給控制機制包括計量閥。
26.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述的用于處理的裝置包括模擬控制器和數(shù)字計算機。
27.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，檢測到的所述與燃燒相關(guān)的特性用來控制為第二燃燒裝置的燃料供給供應(yīng)添加劑的供給。
28.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，具有被供給的添加劑的所述燃料供給被連接到第二燃燒裝置。
29.一種燃料供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于與具有燃料供給的燃燒裝置一起使用，所述系統(tǒng)包括傳感器，檢測燃料成分和燃料供給率；處理裝置，用于將所述燃料成分和所述燃料供給率和它們的可接受的范圍進行比較，以及在所述燃料成分和所述燃料供給超出了所述可接受的范圍時提供輸出；以及添加劑供給裝置，用于為所述燃料供給提供選擇的添加劑，所述為燃料供給提供選擇的添加劑通過所述處理裝置的輸出觸發(fā)，其中，所述選擇的添加劑從燃燒增強劑和燃燒延緩劑中選擇，所述添加劑供給具有添加劑供給率，所述添加劑供給率被選擇為，能夠產(chǎn)生組合的燃料和添加劑，所述組合的燃料和添加劑產(chǎn)生預(yù)選擇范圍內(nèi)的燃燒特性。
30.一種燃料供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于與具有燃料供給的燃燒裝置一起使用，所述系統(tǒng)包括傳感器，用于檢測用于所述燃燒裝置的燃燒特性；處理器，用于將檢測到的所述用于燃燒裝置的燃燒特性與可接受的范圍進行比較，以及在所檢測到的燃燒特性超出了所述可接受的范圍時提供第一輸出，和所檢測到的燃燒特性位于所述可接受的范圍時提供第二輸出；以及添加劑供給裝置，用于為所述燃料供給提供添加劑，所述添加劑的供給通過所述第一輸出觸發(fā)，所述添加劑供給的確定通過所述第二輸出觸發(fā)。
31.一種用于為燃燒設(shè)備調(diào)節(jié)燃料供給的方法，所述方法包括檢測用于所述燃料裝置的與燃燒相關(guān)的特性；將檢測到的所述與燃燒相關(guān)的特性與可接受的范圍進行比較，以生成比較結(jié)果；以及根據(jù)比較結(jié)果，變化地將添加劑供給到所述燃料供給。
全文摘要
提供了一種用于通過改變傳輸?shù)饺紵b置的燃料成分而對其進行連續(xù)測量和控制的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于測量與燃燒相關(guān)的信息(例如，燃料特性、燃燒特性或其他裝置特性)的裝置，以及基于所檢測到的信息，控制燃燒裝置的性能的裝置。通過將一種或多種添加劑增加到燃料中調(diào)節(jié)燃燒特性而控制性能。通過這種性能檢測和控制，可以保持恒定的燃燒裝置性能，而無需考慮燃料特性的變化。在一個變體中，檢測用于傳遞到燃燒裝置中的燃料，并基于燃料成分和流動率將一種或多種添加劑增加到燃料。在另一個變體中，檢測并使用燃燒裝置的操作特性，例如火焰特性，以通過反復(fù)將一種或多種添加劑增加到燃料中調(diào)整燃料特性。
文檔編號F23J15/00GK1910402SQ200580002319
公開日2007年2月7日 申請日期2005年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月12日
發(fā)明者理查德·G.·杰克力克, 理查德·J.·羅比, 米歇爾·S.·克拉森, 約翰·L.·巴塔格里奧里, 迪瓦卡爾·瓦什沙特, 安德魯·J.·哈默爾 申請人:燃料科學(xué)和工程公司