主動測量燃燒器中的氣流速度或者同時測量速度和溫度的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請是于2013年12月18日提交的序列號為14/132,001的共同在審的美國專利申 請"ActiveTemperatureMonitoringInGasTurbineCombustors" 的部分繼續(xù)申請。
[0002] 本申請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，就像這些專利申 請在本文被完整地闡述的那樣： 與此同時提交的序列號未知、代理人案號為2014P05241US的"ActiveMeasurementOf GasFlowTemperature,IncludingInGasTurbineCombustors，' ； 在 2013 年 12 月 18 日提交的序列號 14/109,992 的"MultiFunctionalSensorSystem ForGasTurbineCombustionMonitoringAndControl，'； 于 2013 年 3 月 14 日提交的序列號為 13/804, 132 的"TemperatureMeasurementIn AGasTurbineEngineCombustor，'；以及 在2010年12月14日提交的序列號12/967，148、公布號舊2012/0150413的"6&8TurbineEngineControlUsingAcousticPyrometry，'。
[0003] 本申請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 7,853,433 的"CombustionAnomalyDetectionViaWaveletAnalysisOfDynamic SensorSignals",就像該文獻在本文被完整地闡述的那樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明涉及主動測量氣流速度或者同時測量速度和溫度，例如燃氣渦輪發(fā)動機的 燃燒器中的燃燒氣流，這種發(fā)動機例如包括工業(yè)燃氣渦輪（IGT)發(fā)動機、其他類型的靜止燃 氣渦輪、航海、航空和其他運輸工具的燃氣渦輪發(fā)動機。更具體地，本文所公開的速度或者 同時速度/溫度測量方法和設(shè)備的實施例采用用于燃燒器的速度和溫度確定的共用感測 和控制系統(tǒng)。在本文所公開的實施例中，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時主動燃燒器氣流速度或同時速度/溫度測量中的一者或多者。氣 流速度和溫度數(shù)據(jù)被用于發(fā)動機燃燒監(jiān)測和控制。
【背景技術(shù)】
[0005] 諸如用于任何終端使用應(yīng)用的燃氣渦輪發(fā)動機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)動機排 出。
[0006] 諸如火焰逆燃的燃燒異常公知發(fā)生在燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒部段中?；鹧婺嫒际?當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/周圍的一個或多個部件上，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間段而不加以校正，則錨定火焰可能會燒穿所述部 件。因此，火焰逆燃和/或其他燃燒異?？赡軐?dǎo)致不想要的損壞，并且甚至可能毀壞燃燒發(fā) 動機部件，使得可能有必要修復(fù)或更換這種部件。
[0007] 在單個燃燒器處的燃料/空氣混合物在發(fā)動機操作期間被控制，以保持一個或多 個操作特征處于預(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，該參數(shù)可被用于監(jiān)測發(fā)動機的操作狀況。例如，控制器可監(jiān)測測量渦輪排氣溫度，并且 排氣處的溫度的測量變化可能導(dǎo)致控制器改變發(fā)動機的操作狀況。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量誤差。由于這種氣流擾亂網(wǎng)格陣列，當使用時具 有有限數(shù)量的寬闊隔開的探針，這提供相對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系統(tǒng)，其被用于監(jiān)測燃燒并且保持用于 發(fā)動機保護的燃燒過程的穩(wěn)定性的領(lǐng)域中。例如，動態(tài)壓力傳感器被用于燃燒穩(wěn)定性和諧 振控制。無源視覺(光學可見光和/或紅外光譜）傳感器、離子傳感器和蓋革米勒檢測器被 用于檢測燃燒器中的點火/熄火，而熱偶被用于逆燃檢測。相對于公知的燃燒氣體流速（U) 監(jiān)測方法，皮托管靜態(tài)和多孔壓力探針采用差壓技術(shù)、熱絲探針采用熱風速測定技術(shù)，而激 光多普勒和粒子圖像測速系統(tǒng)采用光學技術(shù)來表征氣體流速。差壓和熱風速測定儀器是擾 亂儀器周圍的局部氣流的侵入式點測量裝置。激光多普勒和粒子圖像測速儀器分別提供非 侵入式點和2或3維非侵入式氣體流速測量，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)被用于測量氣體速度。但是，這些技術(shù)比侵入式差壓或熱風速測定儀器更復(fù)雜，并且需要 更專業(yè)訓練以在監(jiān)測系統(tǒng)中實施。此外，用于速度的大多數(shù)光學技術(shù)適合于實驗室環(huán)境而 不是在發(fā)電站現(xiàn)場的操作發(fā)動機中。相對于溫度（T)監(jiān)測技術(shù)，公知的喇曼光譜、激光感生 熒光(用于u和T監(jiān)測兩者）以及相干反斯托克斯拉曼光譜（CARS)(用于u和T監(jiān)測兩者） 儀器系統(tǒng)也意圖用于實驗室環(huán)境，而不是用于火力發(fā)電設(shè)備的現(xiàn)場使用?？烧{(diào)諧二極管激 光吸收光譜（TDLAS)儀器被用于一些工業(yè)發(fā)電場應(yīng)用，例如用于鍋爐的溫度測量，但是該 儀器是極其昂貴的，每個系統(tǒng)大約US$500, 000。其他類型的溫度測量和燃燒異常檢測系統(tǒng) 在發(fā)電領(lǐng)域現(xiàn)場應(yīng)用中具有更好的接受度。
[0009] 具體地，借助于傳感器，例如動態(tài)壓力傳感器、加速度計、高溫麥克風、光學傳感器 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 測溫來確定一個或多個發(fā)動機燃燒器內(nèi)的上游整體溫度。聲音信號從聲音發(fā)射器被發(fā)射并 且由多個聲音接收器來接收。每個聲音信號限定在相應(yīng)發(fā)射器和接收器的對之間的不同聲 音路徑線路。所發(fā)射的信號的飛渡時間被確定并且被處理以確定路徑溫度。多個路徑溫度 可被結(jié)合并處理以確定在測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13/804, 132通過識別在發(fā)動機中 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 頻率和計算的恒定值成正比。工作氣體的標定第二溫度在發(fā)動機中的第二位置(例如，發(fā)動 機排氣)中被確定。利用標定第二溫度來執(zhí)行反向計算，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算的溫度值相比較，以將計算的恒定值改變?yōu)橹赜嬎愕暮?定值?？苫谠撝赜嬎愕暮愣ㄖ祦泶_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的傳感器 設(shè)計和/或單獨的感測系統(tǒng)以檢測這些狀況。公知組合的IGT和其他類型的燃氣渦輪發(fā)動 機監(jiān)測和控制系統(tǒng)傳感器和檢測方法并沒有覆蓋所有可能的不利燃燒故障檢測。在單個燃 燒渦輪發(fā)動機中安裝不同類型的不同傳感器和感測系統(tǒng)增加了安裝成本和維護費用。此 外，不同的傳感器和感測系統(tǒng)內(nèi)在地引入了總體發(fā)動機控制系統(tǒng)中的響應(yīng)滯后和延遲。
[0011] 因此，本領(lǐng)域需要一種集成燃氣渦輪發(fā)動機監(jiān)測和控制系統(tǒng)，其用于測量氣流速 度、溫度以及檢測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)域還需要一種燃氣渦輪發(fā)動機主動速度和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其實時地確定實際 燃燒器溫度而不需要從發(fā)動機內(nèi)的其他位置獲得基準溫度，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)動機排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測量結(jié)果來反向計算燃燒器溫度。
[0013] 還需要一種主動氣流速度和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其共用通常結(jié)合燃燒渦輪監(jiān)測和控制 系統(tǒng)使用的傳感器，使得主動速度和溫度監(jiān)測可集成在該監(jiān)測和控制系統(tǒng)內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明的實施例的目的是形成一種與通常用于燃氣渦輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)共用傳 感器的主動氣流速度監(jiān)測系統(tǒng)，使得主動氣流速度監(jiān)測能夠被集成在該監(jiān)測和控制系統(tǒng) 內(nèi)。
[0015] 本發(fā)明的實施例的另一目的是形成一種與通常用于燃氣渦輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)共 用傳感器的主動同時氣流速度和溫度監(jiān)測系統(tǒng)，使得所述主動同時氣流速度和溫度監(jiān)測能 夠被集成在該監(jiān)測和控制系統(tǒng)內(nèi)。
[0016] 本發(fā)明的實施例的另一目的是形成一種集成燃氣渦輪監(jiān)測和控制系統(tǒng)，其用于檢 測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)明的實施例的另一目的是形成一種燃氣渦輪主動溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其實時地確 定一個或多個燃燒器中的實際燃燒器溫度而不需要從發(fā)動機內(nèi)的其他位置獲得基準溫度， 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)動機排氣系統(tǒng)中獲得的溫度測量結(jié)果 來反向計算燃燒器溫度。
[0018] 這些以及其他目的在本發(fā)明的一個或多個實施例中通過本文描述的主動聲音速 度和基于測溫的氣流速度和溫度測量系統(tǒng)和方法被實現(xiàn)。速度或速度/溫度監(jiān)測系統(tǒng)和方 法的實施例被用于監(jiān)測燃氣渦輪燃燒器內(nèi)的燃燒氣體，包括工業(yè)燃氣渦輪（IGT)燃燒器。這 些速度或速度/溫度監(jiān)測系統(tǒng)和方法被結(jié)合到渦輪燃燒監(jiān)測和控制系統(tǒng)中，這通過添加至 少一個聲音發(fā)射器或聲音收發(fā)器來實現(xiàn)，所述聲音發(fā)射器或聲音收發(fā)器與至少一個或多個 聲音傳感器(例如，動態(tài)壓力傳感器)同視線的方式發(fā)射聲波。對于速度測量，大致橫向于氣 流路徑被引導(dǎo)的聲音傳播飛渡時間由控制器來測量，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/絕對溫 度測量。在集成基于聲音壓力的傳感器和監(jiān)測/控制系統(tǒng)實施例中，控制器將速度和需要 時絕對主動路徑溫度與聲音傳播和飛渡時間分析技術(shù)相關(guān)聯(lián)。由此，結(jié)合本發(fā)明實施例的 燃燒監(jiān)測和控制系統(tǒng)可識別并分類燃燒異常，并且主動地控制發(fā)動機燃燒器內(nèi)的燃氣渦輪 燃燒過程。
[0019] 可選地，基于聲波測溫的主動溫度監(jiān)測單獨地或與本文描述的